JP2006040767A - Solid polymer fuel electrode - Google Patents

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裕行 田中
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for a fuel cell superior both in durability and catalyst performance. <P>SOLUTION: The electrode for solid polymer fuel comprises a catalyst layer which has two constitutions having a geometrical pattern, one of which is scattered in island shape, and the other of which has a groove structure to fill the spacings between the island shaped portions, and furthermore in which the island shaped portion has hydrophilic characteristics and the groove structure portion has water repellency. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体高分子型燃料電極に関し、より詳細には、酸素還元電極における耐久性と触媒性能とが両立された固体高分子型燃料電極に関するものである。以下、膜−電極接合体はMEA(Membrane Electrode Assemblyの略)と、酸素還元電極はカソードと、ガス拡散層はGLD(Gas Deffusion Layerの略)とも称する。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel electrode, and more particularly to a polymer electrolyte fuel electrode in which durability and catalytic performance in an oxygen reduction electrode are compatible. Hereinafter, the membrane-electrode assembly is also referred to as MEA (abbreviation of membrane electrode assembly), the oxygen reduction electrode is also referred to as a cathode, and the gas diffusion layer is also referred to as GLD (abbreviation of gas diffusion layer).

近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動し高出力密度が得られる固体高分子電解質型燃料電池を自動車用や定置用電源として利用する試みがなされている。こうした、燃料電池を自動車用や定置用電源として利用する上で、発電性能の向上と共に長期にわたって所望の発電性能を維持すること、即ち、耐久性の向上が求められている。電池の寿命としては、自動車用電源で5000時間、定置用電源では4万時間ともいわれている。そのため、燃料電池用電極に用いられる触媒は、発電開始初期から長期にわたって所望の触媒活性を維持することが求められ、様々な研究開発が進められている。   In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, attempts have been made to use solid polymer electrolyte fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density as power sources for automobiles and stationary applications. ing. In using such a fuel cell as an automobile or stationary power source, it is required to improve the power generation performance and maintain the desired power generation performance over a long period of time, that is, to improve the durability. The battery life is said to be 5,000 hours for an automotive power source and 40,000 hours for a stationary power source. For this reason, the catalyst used for the fuel cell electrode is required to maintain a desired catalytic activity over a long period from the beginning of power generation, and various research and development are being carried out.

発電性能の向上の手段の一つとして考えられることが、カソード側の触媒層内にフラッディングの防止である。また、発電性能の維持を達成する一つの手段として、電極触媒の担持体であるカーボンの腐食を抑制することが挙げられる。   One possible means for improving power generation performance is to prevent flooding in the catalyst layer on the cathode side. In addition, as one means for achieving maintenance of power generation performance, suppression of corrosion of carbon which is an electrode catalyst carrier is exemplified.

そこで、特許文献1では、触媒層内におけるPTFE等の撥水材の含有量の変化で高分子電解質膜と接する側からガス拡散層の多孔質基材の側に向かって触媒層内の撥水性を連続的に変化させていることを特徴とする燃料電池用電極が開示されている。   Therefore, in Patent Document 1, the water repellency in the catalyst layer from the side in contact with the polymer electrolyte membrane toward the porous substrate side of the gas diffusion layer due to the change in the content of the water repellent material such as PTFE in the catalyst layer. An electrode for a fuel cell is disclosed in which is continuously changed.

さらに、特許文献2、3では、ガス拡散層で撥水性カーボンによる撥水性改善を行うために、ガス拡散層上に、ファーネスブラック、バルカン等の親水性カーボンと、アセチレンブラック、デンカブラック等の疎水性カーボンと、撥水剤とを配置してなるガス拡散電極を開示している。
特開2003−109604号公報 特開平7−220734号公報 特開平7−078617号公報
Further, in Patent Documents 2 and 3, in order to improve the water repellency by the water-repellent carbon in the gas diffusion layer, hydrophilic carbon such as furnace black and vulcan, and hydrophobic such as acetylene black and denka black are formed on the gas diffusion layer. Disclosed is a gas diffusion electrode comprising a conductive carbon and a water repellent.
JP 2003-109604 A JP-A-7-220734 JP-A-7-078617

しかしながら、上記特許文献1の発明では、PTFE等の撥水材の含有量の変化で触媒層内の撥水性を連続的に変化させているが、電極触媒の担持体であるカーボンの腐食を抑制する効果はないため、耐久性の向上を果たすことは難しい。また、排水性の向上は果たせるが、ガス拡散性の低下を引き起こす可能性も考えられる。更に該撥水材は、触媒担持担体として利用できないため、触媒層内で該撥水材を高めることで、相対的に触媒量が減少する。そのため発電性能と耐久性との両立を図ることが難しい。   However, in the invention of the above-mentioned Patent Document 1, the water repellency in the catalyst layer is continuously changed by changing the content of the water repellent material such as PTFE, but the corrosion of the carbon that is the electrode catalyst carrier is suppressed. It is difficult to improve durability because there is no effect. Moreover, although drainage can be improved, there is a possibility of causing a decrease in gas diffusibility. Further, since the water repellent material cannot be used as a catalyst support, the amount of catalyst is relatively reduced by increasing the water repellent material in the catalyst layer. Therefore, it is difficult to achieve both power generation performance and durability.

さらに、上記特許文献2、3の電極触媒では、ガス拡散層で撥水性カーボンによる排水性改善を行っているが、触媒層の耐久性改善に対する効果が小さい。   Furthermore, in the electrode catalyst of the said patent document 2, 3, although the drainage property improvement by water-repellent carbon is performed in a gas diffusion layer, the effect with respect to the durability improvement of a catalyst layer is small.

そこで、本発明が目的とするところは、耐久性と触媒性能との双方に優れる固体高分子型燃料電極を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel electrode that is excellent in both durability and catalytic performance.

本発明者が上記課題に鑑みて鋭意検討した結果、触媒層内において、幾何学的なパターンを有する二構成からなり、一方は島状に点在し、一方は前記島状部分の隙間を埋めるような溝構造となっており、
更に、前記島状部分は親水性を有しており、溝構造の部分は撥水性を有していることを特徴とする固体高分子型燃料電極により上記課題が解決されることを見出した。
As a result of intensive studies by the inventor in view of the above-mentioned problems, the catalyst layer has two configurations having a geometric pattern, one is dotted in an island shape, and the other is filling the gap in the island-shaped portion. It has a groove structure like
Furthermore, it has been found that the above-mentioned problems can be solved by a polymer electrolyte fuel electrode characterized in that the island-like portion has hydrophilicity and the groove structure portion has water repellency.

本発明の固体高分子型燃料電極によれば、同一面内に撥水性の高い触媒部分と親水性の高い部分とを区別して幾何学的な配置を実現し、触媒層面内に撥水性の高い排水路を形成することができる。このようにすることで、触媒層内におけるガス拡散性を低下させることなくフラッディングを抑制でき、またカーボンの腐食による触媒の脱離が抑制でき、耐久性および触媒性能に優れた固体高分子型燃料電極を提供することができる。従って、前記固体高分子型燃料電極を用いた燃料電池では、発電性能の向上と共に、発電開始初期から長期に亘って高い発電性能を維持することができる。   According to the polymer electrolyte fuel electrode of the present invention, a highly water-repellent catalyst portion and a highly hydrophilic portion are distinguished in the same plane to realize a geometrical arrangement, and the catalyst layer surface has a high water repellency. A drainage channel can be formed. This makes it possible to suppress flooding without deteriorating gas diffusivity in the catalyst layer, and to suppress catalyst detachment due to corrosion of carbon, which is excellent in durability and catalytic performance. An electrode can be provided. Therefore, in the fuel cell using the polymer electrolyte fuel electrode, the power generation performance can be improved and high power generation performance can be maintained over a long period from the beginning of power generation.

本発明の固体高分子型燃料電極は、触媒層内において、幾何学的なパターンを有する二構成からなり、一方は島状に点在し、一方は前記島状部分の隙間を埋めるような溝構造となっており、更に、前記島状部分は親水性を有しており、溝構造の部分は撥水性を有していることを特徴とするものである。本発明では、カソード側の触媒層において、膜の乾燥とフラッディングの両方を防止するために、親水性部分と撥水性部分とを形成するものである。このようにすることで、親水性の部分では保水性が向上し、撥水性の部分では、排水性が向上し、乾燥とフラッディングという相反する現象を抑制することができる。また、撥水性の部分を親水性の島状部分の隙間を埋めるような溝構造、即ち連続構造とすることで、過剰な水が水不足個所へ移動することが可能となる。   The polymer electrolyte fuel electrode of the present invention has two configurations having a geometric pattern in the catalyst layer, one is dotted in an island shape, and the other is a groove that fills the gap in the island portion. In addition, the island-shaped portion has hydrophilicity, and the groove-structure portion has water repellency. In the present invention, a hydrophilic portion and a water-repellent portion are formed in the catalyst layer on the cathode side in order to prevent both drying and flooding of the membrane. By doing in this way, water retention improves in a hydrophilic part, drainage improves in a water-repellent part, and the contradictory phenomenon of drying and flooding can be suppressed. In addition, when the water-repellent part has a groove structure that fills the gap between the hydrophilic island-like parts, that is, a continuous structure, excess water can move to a water-deficient part.

上記の点を詳しく説明すれば、固体高分子型燃料電池において、カソード内の触媒表面では、アノードから移動してきたプロトンと供給された酸化剤ガス(酸素)とが反応し、水を生成する。この生成水が過剰に触媒層内に滞留すると、酸化剤ガスの拡散経路が水で封鎖され、ガス拡散性が低下し、その結果発電性能が低下してしまう。このようなフラッディング現象を解消するために、従来は特許文献1のあるように触媒層内に撥水剤を混入するなどの手段がとられている。しかしながら、生成水によるフラッディングは抑制することができても、撥水剤により酸化剤ガスの拡散経路が減少し、電池性能の向上代は制限されてしまう可能性が高い。また、触媒層内でプロトンが十分に移動するためには、適度に触媒層内に水が存在する必要がある。従って、触媒層においては、適度に水を確保し、過剰の水が滞留することを防ぐ必要があったが、そうした固体高分子型燃料電極は提供されていなかった。   Explaining the above points in detail, in the polymer electrolyte fuel cell, on the catalyst surface in the cathode, protons moving from the anode react with the supplied oxidant gas (oxygen) to produce water. If this generated water is excessively retained in the catalyst layer, the diffusion path of the oxidant gas is blocked with water, and the gas diffusibility is lowered, resulting in a decrease in power generation performance. In order to eliminate such flooding phenomenon, conventionally, as disclosed in Patent Document 1, a measure such as mixing a water repellent in the catalyst layer has been taken. However, even though flooding due to generated water can be suppressed, there is a high possibility that the diffusion path of the oxidant gas is reduced by the water repellent and the improvement in battery performance is limited. In addition, in order for protons to move sufficiently within the catalyst layer, it is necessary that water is present in the catalyst layer appropriately. Therefore, in the catalyst layer, it is necessary to ensure water appropriately and prevent excessive water from staying, but such a polymer electrolyte fuel electrode has not been provided.

そこで、本発明の固体高分子型燃料電極のように、触媒層内に親水性を有する島状構造とその島状部分の隙間を埋める撥水性を有する溝構造とを有していることで、触媒層内における乾燥とフラッディングの相反する現象を抑制することが可能となり、電池性能の向上が期待できるものである。   Therefore, like the polymer electrolyte fuel electrode of the present invention, it has a hydrophilic island-like structure in the catalyst layer and a water-repellent groove structure that fills the gap between the island-like portions. It is possible to suppress the contradictory phenomenon of drying and flooding in the catalyst layer, and an improvement in battery performance can be expected.

本発明の固体高分子型燃料電極は、触媒を担持した炭素粉末および高分子電解質を含む触媒層と、ガス拡散層とから構成される。   The solid polymer type fuel electrode of the present invention comprises a catalyst layer containing a carbon powder supporting a catalyst and a polymer electrolyte, and a gas diffusion layer.

図1に、上記固体高分子型燃料電極を含む燃料電池10の基本構造を示す。図1に示すように、高分子電解質膜11は、触媒層12およびガス拡散層13からなる固体高分子型燃料電極(以下、単に電極とも略記する。)14で挟持されている。高分子電解質膜11と電極14との接合体は、MEA15と呼ばれる。MEA15は、燃料ガスまたは反応ガスの流路16を有するセパレータ17で挟持されている。燃料電池においては、電極14の触媒層12側が高分子電解質膜11と接触し、ガス拡散層13側がセパレータ17と接触する。   FIG. 1 shows a basic structure of a fuel cell 10 including the polymer electrolyte fuel electrode. As shown in FIG. 1, the polymer electrolyte membrane 11 is sandwiched between solid polymer fuel electrodes (hereinafter also simply referred to as electrodes) 14 including a catalyst layer 12 and a gas diffusion layer 13. A joined body of the polymer electrolyte membrane 11 and the electrode 14 is referred to as MEA 15. The MEA 15 is sandwiched by a separator 17 having a flow path 16 for fuel gas or reaction gas. In the fuel cell, the catalyst layer 12 side of the electrode 14 is in contact with the polymer electrolyte membrane 11, and the gas diffusion layer 13 side is in contact with the separator 17.

上記基本構造では、燃料ガスは、アノード側と接するセパレータ17面が有する燃料ガス流路16aからガス拡散層13aに供給され、ガス拡散層13aを拡散しながら通過して、触媒層12aへ至る。また、酸化剤ガスは、カソード側と接するセパレータ17面が有する反応ガス流路16bからガス拡散層13bへ供給され、ガス拡散層13bを拡散しながら通過して、触媒層12bへ至る。   In the above basic structure, the fuel gas is supplied to the gas diffusion layer 13a from the fuel gas flow path 16a provided on the surface of the separator 17 in contact with the anode side, passes through the gas diffusion layer 13a while diffusing, and reaches the catalyst layer 12a. The oxidant gas is supplied to the gas diffusion layer 13b from the reaction gas flow path 16b provided on the surface of the separator 17 in contact with the cathode side, passes through the gas diffusion layer 13b while diffusing, and reaches the catalyst layer 12b.

電極反応は、触媒層12に含まれる触媒の表面で起こる。アノード側の触媒層12aでは、H→2H++2eの反応が起こる。カソード側の触媒層12bでは、1/2O+2H+2e→HOの反応が起こる。反応全体としては、H+1/2O→HO+Qとなる。この反応で起電力が得られ、発電が可能となるが、同時にカソード側の触媒層12bでは、水が生成する。また、反応の際にアノード側の触媒層12aで生じたHは、高分子電解質膜11内を移動して、カソード側の触媒層12bへ至る。この際、1個のHイオンが5〜20個のHO分子を同伴して移動する。 The electrode reaction occurs on the surface of the catalyst contained in the catalyst layer 12. In the catalyst layer 12a on the anode side, a reaction of H 2 → 2H ++ 2e occurs. In the catalyst layer 12b on the cathode side, a reaction of 1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O occurs. The overall reaction is H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O + Q. An electromotive force is obtained by this reaction and power generation is possible. At the same time, water is generated in the catalyst layer 12b on the cathode side. Further, H + generated in the catalyst layer 12a on the anode side during the reaction moves through the polymer electrolyte membrane 11 and reaches the catalyst layer 12b on the cathode side. At this time, one H + ion moves along with 5 to 20 H 2 O molecules.

高分子電解質膜11は、充分量の水で膨潤した状態において、初めて高い水素イオン導電性を発揮する。しかし、高分子電解質膜11中を移動するHイオンに同伴して多量の水がカソード14bへ移動するため、水を常に高分子電解質膜11に供給する必要がある。この水は、ガス流路16からガス拡散層13に水蒸気として供給され、カソード14bおよびアノード14aを通って高分子電解質膜11に供給される。また、カソード14b側の触媒層12b内で生成した水のうち、高分子電解質膜11が必要としない余剰水分は、触媒層12bからガス拡散層13bを通って、ガス流路16bから外部へ排出される。 The polymer electrolyte membrane 11 exhibits high hydrogen ion conductivity for the first time in a state swollen with a sufficient amount of water. However, since a large amount of water moves along with the H + ions moving in the polymer electrolyte membrane 11 to the cathode 14b, it is necessary to always supply water to the polymer electrolyte membrane 11. This water is supplied from the gas flow path 16 to the gas diffusion layer 13 as water vapor, and then supplied to the polymer electrolyte membrane 11 through the cathode 14b and the anode 14a. Further, of the water generated in the catalyst layer 12b on the cathode 14b side, excess water that is not required by the polymer electrolyte membrane 11 is discharged from the catalyst layer 12b to the outside through the gas diffusion layer 13b. Is done.

上述のように、カソード14b側の触媒層12bでは、触媒を担持した炭素粉末と高分子電解質とが形成する多孔質な電極構造の内部に、反応ガス(Oあるいは空気)が拡散し、アノード14a側より高分子電解質膜11を経由し移動して来たプロトン(H)が酸化され反応水(生成水)ができる。この水を速やかに除去しないと、反応ガスの拡散が妨げられ、発電性能を継続・維持することができなくなる。 As described above, in the catalyst layer 12b on the cathode 14b side, the reaction gas (O 2 or air) diffuses inside the porous electrode structure formed by the carbon powder carrying the catalyst and the polymer electrolyte, and the anode Proton (H + ) that has migrated from the 14a side through the polymer electrolyte membrane 11 is oxidized to produce reaction water (product water). If this water is not removed promptly, the diffusion of the reaction gas is hindered, and the power generation performance cannot be maintained or maintained.

ガス拡散層13のカーボンペーパーやカーボンクロスなどの多孔質基材(支持体)は、ポーラスで細孔径も大きく、また、該多孔質基材上に必要に応じて塗布、形成されたカーボン層は、粒径が大きく層内の空隙率が高く、また、撥水材を添加しているため、触媒層12よりも撥水作用が著しく高い。一方、高分子電解質膜11近傍は膜自体が保水・含水しており、湿潤性が極めて高い。   The porous base material (support) such as carbon paper or carbon cloth of the gas diffusion layer 13 is porous and has a large pore diameter, and the carbon layer applied and formed on the porous base material as needed is Since the particle size is large and the void ratio in the layer is high, and the water repellent material is added, the water repellent effect is remarkably higher than that of the catalyst layer 12. On the other hand, in the vicinity of the polymer electrolyte membrane 11, the membrane itself retains water and contains water, and the wettability is extremely high.

このため、生成水の除去を促進するには、カソード14b側の触媒層12bでは水の出入りが多いことから、触媒層12b内の撥水性を制御することが重要となる。特に、フラッディングを防止し、耐久性を高める観点からは、余剰水分を速やかにガス拡散層13bを通じて外部へ排出できるように触媒層12b内部の撥水性を設計する必要がある。   For this reason, in order to accelerate the removal of the generated water, it is important to control the water repellency in the catalyst layer 12b because the catalyst layer 12b on the cathode 14b side has a large amount of water entering and exiting. In particular, from the viewpoint of preventing flooding and enhancing durability, it is necessary to design the water repellency inside the catalyst layer 12b so that excess water can be quickly discharged to the outside through the gas diffusion layer 13b.

そこで、本発明では、上記生成水の速やかな除去の観点から、水の出入りが多い触媒層内において、撥水性の高いカーボンと親水性が高い(撥水性が低い)カーボンとを使用して、触媒層に連続的な疎水性の変化(勾配)を設けることが効果的であることを見出したものである。即ち、本発明では、触媒層12内において、種々の幾何学的なパターン(図2〜7に代表的なパターン1〜6を例示した。)を有する二構成からなり、一方は島状12Pに点在し、一方は前記島状部分12Pの隙間を埋めるような溝構造12Qとなっている。更に、前記島状部分12Pは親水性を有しており、溝構造の部分12Qは撥水性を有していることを特徴とする。   Therefore, in the present invention, from the viewpoint of quick removal of the generated water, in the catalyst layer where water enters and exits frequently, carbon having high water repellency and carbon having high hydrophilicity (low water repellency) are used. It has been found that it is effective to provide a continuous hydrophobic change (gradient) in the catalyst layer. That is, in the present invention, the catalyst layer 12 has two configurations having various geometric patterns (typical patterns 1 to 6 are illustrated in FIGS. 2 to 7), and one of the two is an island shape 12P. One of them has a groove structure 12Q that fills the gap between the island-like portions 12P. Further, the island-shaped portion 12P has hydrophilicity, and the groove-shaped portion 12Q has water repellency.

なお、本発明では、以下に触媒層の幾何学的なパターンを数種類説明しているが、本発明ではこれらに何ら制限されるものではない。パターンの作製や溝同士の接触の取り易さ(接触させることで排水路としての機能を果たしやすい)の点からパターン1の排水路(撥水性部分)が格子状になっているのが望ましいといえる。   In the present invention, several kinds of geometric patterns of the catalyst layer are described below, but the present invention is not limited to these. It is desirable that the drainage channel (water-repellent part) of pattern 1 has a lattice shape from the viewpoint of easy pattern production and easy contact between the grooves (functioning as a drainage channel can be easily achieved by contact) I can say that.

図2のパターン1は、触媒層12面内の幾何学パターンが格子状となっている触媒層の例(後述する実施例1に対応)である。ここで、親水性を有している島状部分12Pは、四角形となっており、縦、横に一定間隔(幅とあき)をあけて配置されている(図2では、縦3個×横3個の合計9個)。この親水性を有している島状部分12Pは、例えば、触媒担体に親水性カーボンを用いて形成されている。一方、四角形の島状部分12Pの隙間を埋めるような溝構造12Qが、いわば格子状に形成することで、親水性部分とすることができる。この溝構造の部分12Qは、例えば、触媒担体に撥水性カーボンを用いて形成することで、撥水性部分とすることができる。   Pattern 1 in FIG. 2 is an example of a catalyst layer (corresponding to Example 1 described later) in which the geometric pattern in the surface of the catalyst layer 12 is a lattice. Here, the island-like portions 12P having hydrophilicity are quadrangular, and are arranged at regular intervals (width and space) vertically and horizontally (in FIG. 2, 3 vertically × horizontal). 3 total 9). The island portion 12P having hydrophilicity is formed using, for example, hydrophilic carbon as a catalyst carrier. On the other hand, the groove structure 12Q that fills the gap between the quadrangular island-like portions 12P is formed in a so-called lattice shape, so that the hydrophilic portion can be obtained. The groove-structured portion 12Q can be formed as a water-repellent portion by forming the catalyst carrier using water-repellent carbon, for example.

図3のパターン2は、触媒層12面内の幾何学パターンにおいて、親水性を有している島状部分12Pが円形状となっており、その隙間を撥水性部分12Qが取り囲んでいる触媒層の例である。ここで、親水性を有している島状部分12Pは、隣接する円形状部分の中心間距離が縦、横に一定間隔(幅とあき)をあけて配置されている(図3では、縦3個×横3個の合計9個)。この円形状の親水性を有している島状部分12Pは、例えば、触媒担体に親水性カーボンを用いて形成することで、親水性部分とすることができる。一方、円形状の島状部分12Pの隙間を埋めるように取り囲んだ撥水性を有している溝構造の部分12Qは、例えば、触媒担体に撥水性カーボンを用いて形成することで、撥水性部分とすることができる。   The pattern 2 in FIG. 3 is a catalyst layer in which the island-like portion 12P having hydrophilicity is circular in the geometric pattern in the surface of the catalyst layer 12, and the water-repellent portion 12Q surrounds the gap. It is an example. Here, the island-like portions 12P having hydrophilicity are arranged such that the distance between the centers of adjacent circular portions is vertical and horizontal with a certain interval (width and space) (in FIG. 3 x 3 next to 9). The circular island-like portion 12P having hydrophilicity can be formed into a hydrophilic portion by forming the catalyst carrier with hydrophilic carbon, for example. On the other hand, the water repellent portion 12Q having water repellency surrounded so as to fill the gap between the circular island portions 12P is formed by using water repellent carbon for the catalyst carrier, for example. It can be.

図4のパターン3は、触媒層12面内の幾何学パターンにおいて、親水性を有している島状部分12Pが菱形状となっており、その隙間を撥水性を有している溝構造の部分12Qが取り囲んでいる触媒層の例である。ここで、菱形状の親水性を有している島状部分12Pは、縦、横に一定間隔(幅とあき)をあけて配置されている(図4では、合計21個)。この親水性を有している島状部分12Pは、例えば、触媒担体に親水性カーボンを用いて形成することで、親水性部分とすることができる。一方、菱形状の島状部分12Pの隙間を埋める溝構造の部分12Qは、例えば、触媒担体に撥水性カーボンを用いて形成することで、撥水性部分とすることができる。   Pattern 3 in FIG. 4 is a geometric pattern in the surface of the catalyst layer 12 in which the island-like portion 12P having hydrophilicity has a rhombus shape, and the gap structure has a water-repellent groove structure. It is an example of the catalyst layer which the part 12Q surrounds. Here, the rhombus-like island-like portions 12P having hydrophilicity are arranged at regular intervals (width and space) vertically and horizontally (a total of 21 in FIG. 4). The island-like portion 12P having hydrophilicity can be formed as a hydrophilic portion by forming the catalyst carrier with hydrophilic carbon, for example. On the other hand, the groove-shaped portion 12Q that fills the gap between the rhombic island-shaped portions 12P can be formed as a water-repellent portion by forming the catalyst carrier using water-repellent carbon, for example.

図5のパターン4は、触媒層12面内の幾何学パターンにおいて、親水性を有している島状部分12Pが三角形状となっており、その隙間を撥水性を有している溝構造の部分12Qが取り囲んでいる触媒層の例である。ここで、三角形状の親水性を有している島状部分12Pは、隣接する島状部分12Pが縦、横に一定間隔(幅とあき)をあけて配置されている(図5では、合計15個)。この親水性を有している島状部分12Pは、例えば、触媒担体に親水性カーボンを用いて形成することで、親水性部分とすることができる。一方、三角形状の島状部分12Pの隙間を埋める溝構造の部分12Qは、例えば、触媒担体に撥水性カーボンを用いて形成することで、撥水性部分とすることができる。   The pattern 4 in FIG. 5 is a geometric pattern in the surface of the catalyst layer 12, in which the island-like portions 12 </ b> P having hydrophilicity are triangular, and the gaps have a groove structure having water repellency. It is an example of the catalyst layer which the part 12Q surrounds. Here, the island-like portions 12P having a triangular hydrophilicity are arranged such that adjacent island-like portions 12P are vertically and horizontally spaced apart from each other (width and space) (in FIG. 15). The island-like portion 12P having hydrophilicity can be formed as a hydrophilic portion by forming the catalyst carrier with hydrophilic carbon, for example. On the other hand, the groove-shaped portion 12Q that fills the gap between the triangular island-shaped portions 12P can be formed as a water-repellent portion by forming the catalyst carrier using water-repellent carbon, for example.

図6のパターン5は、触媒層12面内の幾何学パターンにおいて、親水性を有している島状部分12Pが不規則な形状(不定形状)で島状に存在しており、その隙間を撥水性を有している溝構造の部分12Qが取り囲んでいる触媒層の例である。この親水性を有している島状部分12Pは、例えば、触媒担体に親水性カーボンを用いて形成することで、親水性部分とすることができる。一方、不規則な形状の島状部分12Pの隙間を埋める溝構造の部分12Qは、例えば、触媒担体に撥水性カーボンを用いて形成することで、撥水性部分とすることができる。   In the pattern 5 in FIG. 6, in the geometric pattern in the surface of the catalyst layer 12, the island-like portions 12P having hydrophilicity are present in an irregular shape (indefinite shape) in an island shape, and the gaps are formed. This is an example of a catalyst layer surrounded by a groove-structure portion 12Q having water repellency. The island-like portion 12P having hydrophilicity can be formed as a hydrophilic portion by forming the catalyst carrier with hydrophilic carbon, for example. On the other hand, the groove-shaped portion 12Q that fills the gaps between the irregularly shaped island-like portions 12P can be formed as a water-repellent portion by forming the catalyst carrier using water-repellent carbon, for example.

図7のパターン6は、触媒層12面内の幾何学パターンにおいて、親水性部分12Pと撥水性部分12Qが格子状になっており、親水性部分12Pが島状に点在し、その隙間を埋める溝構造の部分12Qが撥水性である触媒層の例である。また、ガスの出口に近い方が、ガスの入口に近い方に比べて、親水性を有する島状部分が小さく、撥水性を有する溝部分が大きくなっている。この四角形の親水性を有している島状部分12Pは、例えば、触媒担体に親水性カーボンを用いて形成することで、親水性部分とすることができる。一方、島状部分12Pの隙間を埋める溝構造の部分12Qは、例えば、触媒担体に撥水性カーボンを用いて形成することで、撥水性部分とすることができる。   In the pattern 6 in FIG. 7, in the geometric pattern in the catalyst layer 12 surface, the hydrophilic portion 12P and the water-repellent portion 12Q are in a lattice shape, the hydrophilic portions 12P are dotted in an island shape, and the gaps are formed. This is an example of a catalyst layer in which the groove structure portion 12Q to be filled is water repellent. Also, the closer to the gas outlet, the smaller the island-like portion having hydrophilicity and the larger the groove portion having water repellency compared to the closer to the gas inlet. The quadrangular hydrophilic island-like portion 12P can be formed into a hydrophilic portion by forming the catalyst carrier with hydrophilic carbon, for example. On the other hand, the groove-structured portion 12Q that fills the gap between the island-like portions 12P can be formed as a water-repellent portion by forming the catalyst carrier using water-repellent carbon, for example.

また、本発明の固体高分子型燃料電極では、前記触媒層は、電解質膜側からガス拡散層側に向かって少なくとも二層以上で構成されていることを特徴とするものであってもよい。これにより、触媒層面内に加えて、触媒層の厚さ方向にも、自在に撥水性の高い排水路を形成することができる。このようにすることで、触媒層内におけるガス拡散性を低下させることなくフラッディングを抑制でき、またカーボンの腐食による触媒の脱離が抑制でき、耐久性および触媒性能に優れた固体高分子型燃料電極を提供することができる点で有利である。   In the polymer electrolyte fuel electrode of the present invention, the catalyst layer may be composed of at least two layers from the electrolyte membrane side toward the gas diffusion layer side. Thereby, in addition to the catalyst layer surface, a drainage channel having high water repellency can be freely formed in the thickness direction of the catalyst layer. This makes it possible to suppress flooding without deteriorating gas diffusivity in the catalyst layer, and to suppress catalyst detachment due to corrosion of carbon, which is excellent in durability and catalytic performance. Advantageously, an electrode can be provided.

本発明では、前記、二層以上から構成される触媒層において、最も電解質膜に近い触媒層における触媒層を触媒層1、次の触媒層を触媒層2、最もガス拡散層に近い側の触媒層を触媒層N(Nは触媒層全体を構成する層の数である。)とする場合に、
前記1〜Nまでの各触媒層における撥水性を有している溝構造の部分の面積をX1、X2、・・・XNとし、各触媒層における親水性を有している島状部分の面積をY1、Y2、・・・YNとすると、下記式(1)
In the present invention, in the catalyst layer composed of two or more layers, the catalyst layer in the catalyst layer closest to the electrolyte membrane is the catalyst layer 1, the next catalyst layer is the catalyst layer 2, and the catalyst on the side closest to the gas diffusion layer. When the layer is a catalyst layer N (N is the number of layers constituting the entire catalyst layer),
The area of the groove structure portion having water repellency in each of the catalyst layers 1 to N is X1, X2,... XN, and the area of the island-shaped portion having hydrophilicity in each catalyst layer Is Y1, Y2,... YN, the following formula (1)

となっていることを特徴とするものが望ましい。これは、触媒層12内におけるフラッディングの抑制のためには、生成水により水分過剰となる電解質膜11側での撥水性を向上させることが最適であるためである(図1参照)。触媒層12内において、水が過剰に存在しやすい場所(電極反応が最も進行しやすい場所)は電解質膜11付近であり、また、アノード側からカソード側にプロトンが移動する際にはアノード側の水を伴って移動する。従って、カソード触媒層12b内においては、電解質膜11に近い部分における水が最も多い。更に、触媒層12内の過剰の水を触媒層12(電極14)から排出するには、反応ガスが流れているセパレータ17に水を移動させる必要がある。従って、電解質膜11側からGDL13側に向かって撥水性を弱くすることで、水は電解質膜11側からGDL13側へと移動することができるようになる。かかる実施形態を図面を用いて説明する。 What is characterized by becoming is desirable. This is because, in order to suppress flooding in the catalyst layer 12, it is optimal to improve the water repellency on the electrolyte membrane 11 side where water is excessive due to the generated water (see FIG. 1). In the catalyst layer 12, the place where water tends to exist excessively (place where the electrode reaction is most likely to proceed) is near the electrolyte membrane 11, and when protons move from the anode side to the cathode side, Move with water. Therefore, in the cathode catalyst layer 12b, the water in the portion close to the electrolyte membrane 11 is the most. Furthermore, in order to discharge excess water in the catalyst layer 12 from the catalyst layer 12 (electrode 14), it is necessary to move the water to the separator 17 in which the reaction gas flows. Accordingly, by reducing the water repellency from the electrolyte membrane 11 side toward the GDL 13 side, water can move from the electrolyte membrane 11 side to the GDL 13 side. Such an embodiment will be described with reference to the drawings.

図8は、カソード側触媒層が2層で構成されており、上記式(1)を満足するように、電解質膜側における触媒層の方が、親水性部分の島が小さく、撥水性部分の溝が大きくなっている例を示す解説図である(後述する実施例2に対応する)。このうち、図8(a)(b)では、相互の親水性部分と撥水性部分の大小関係が分かるように上下に並べたものであり、図8(a)は、カソード側触媒層のガス拡散層(図示せず)側の触媒層面内における幾何学パターン(格子状パターン)を表した概略平面図である。図8(b)は、カソード側触媒層の電解質膜側の触媒層面内における幾何学パターン(格子状パターン)を表した概略平面図である。図8(c)は、カソード側触媒層、電解質膜およびアノード側触媒層の構成も含めた図8(a)、(b)のX−X線に沿った断面図である。   In FIG. 8, the cathode-side catalyst layer is composed of two layers. In order to satisfy the above formula (1), the catalyst layer on the electrolyte membrane side has smaller islands in the hydrophilic portion and the water-repellent portion. It is explanatory drawing which shows the example where the groove | channel is large (corresponding to Example 2 described later). 8A and 8B are arranged one above the other so that the size relationship between the hydrophilic portion and the water-repellent portion can be seen. FIG. 8A shows the gas in the cathode side catalyst layer. It is a schematic plan view showing a geometric pattern (lattice pattern) in the catalyst layer surface on the diffusion layer (not shown) side. FIG. 8B is a schematic plan view showing a geometric pattern (lattice pattern) in the catalyst layer surface of the cathode side catalyst layer on the electrolyte membrane side. FIG. 8C is a cross-sectional view taken along the line XX in FIGS. 8A and 8B, including configurations of the cathode side catalyst layer, the electrolyte membrane, and the anode side catalyst layer.

図8で解説するように、二層から構成されるカソード側触媒層12bにおいて、電解質膜11側の触媒層を触媒層1、ガス拡散層(図示せず)側の触媒層を触媒層2とする場合に、前記カソード側の各触媒層1、2における撥水性を有している溝構造の部分12Q−1、2の面積をX1、X2とし、各触媒層1、2における親水性を有している島状部分12P−1、2の面積(全親水性部分面積)をY1、Y2とすると、式(1);(X1/Y1)>(X2/Y2)を満足する関係になっている。すなわち、カソード側触媒層12bが2層(触媒層1、2)で構成されており、電解質膜11側における触媒層1の方が、ガス拡散層側の触媒層2よりも、親水性部分の島状部分が小さく、撥水性部分の溝構造の部分が大きくなっていることが望ましい。これにより、触媒層1、2が積層されたカソード側触媒層12bにおいて、電解質膜11側からGDL(図示せず)側に向かうにつれて撥水性を弱くする。具体的には、触媒層1よりも触媒層2の親水性部分の面積を大きくし疎水性部分の面積を小さくし、触媒層1から触媒層2に向うにつれて撥水性を弱くすることで効率よく触媒層12b内の過剰の水を排出することが可能となり、触媒層12b内でのフラッディング現象を抑制することが可能となる。   As shown in FIG. 8, in the cathode side catalyst layer 12b composed of two layers, the catalyst layer on the electrolyte membrane 11 side is the catalyst layer 1, and the gas diffusion layer (not shown) side catalyst layer is the catalyst layer 2. In this case, the areas 12Q-1 and 12 of the groove structure 12Q-1 and 2 having water repellency in the catalyst layers 1 and 2 on the cathode side are X1 and X2, respectively, and the catalyst layers 1 and 2 have hydrophilicity. When the area (total hydrophilic partial area) of the island-like parts 12P-1 and 2 being Y1 and Y2, the relationship satisfying the formula (1); (X1 / Y1)> (X2 / Y2) is established. Yes. That is, the cathode side catalyst layer 12b is composed of two layers (catalyst layers 1 and 2), and the catalyst layer 1 on the electrolyte membrane 11 side is more hydrophilic than the catalyst layer 2 on the gas diffusion layer side. It is desirable that the island-shaped part is small and the water-repellent part of the groove structure is large. Thereby, in the cathode side catalyst layer 12b in which the catalyst layers 1 and 2 are laminated, the water repellency is weakened from the electrolyte membrane 11 side toward the GDL (not shown) side. Specifically, the area of the hydrophilic portion of the catalyst layer 2 is made larger than that of the catalyst layer 1, the area of the hydrophobic portion is made smaller, and the water repellency becomes weaker from the catalyst layer 1 toward the catalyst layer 2, thereby efficiently. Excess water in the catalyst layer 12b can be discharged, and the flooding phenomenon in the catalyst layer 12b can be suppressed.

なお、図8に示すように、アノード側触媒層12aに関しては、カソード側触媒層12bと同様の構成にしてもよいが、触媒層内で水が生成されないため、図8にあるように、既存の触媒構造である、1層でかつ1構成としてもよい。また、カソード側触媒層では、2層から構成されるカソード側触媒層の例を示したが、これに制限されず、3層以上の場合でも、上記式(1)を満足するように構成すればよい。   As shown in FIG. 8, the anode side catalyst layer 12a may have the same configuration as the cathode side catalyst layer 12b. However, since water is not generated in the catalyst layer, as shown in FIG. The catalyst structure may be one layer and one structure. In addition, the cathode side catalyst layer has an example of the cathode side catalyst layer constituted by two layers, but is not limited thereto, and the cathode side catalyst layer may be configured to satisfy the above formula (1) even in the case of three or more layers. That's fine.

また、本発明では、前記二層以上から構成される触媒層において、撥水性を有している溝構造の部分の排水路の上に次の触媒層の撥水性を有している溝構造の部分の排水路が設けられていることを特徴とすることが望ましい。これは、触媒層内の水を排出しやすくするためには排水路が連続していることが望ましいためである。即ち、触媒層内において、撥水性部分に水が滞留しやすいが、この撥水性部分が不連続であると、過剰の水の移動が生じにくくなる可能性がある。そこで、排水路(撥水性部分)同士を接触させることで、効率よく過剰の水を排出することが可能となる。即ち、図8(c)に示すように、撥水性部分12Q−1と12Q−2が接触するように積層させることで、効率よく過剰の水を排出する排水路を触媒層の厚さ方向にも形成することが可能となる。但し、各層の撥水性部分が不連続であっても、各層内に親水性を有する島状構造とその島状部分の隙間を埋める撥水性を有する溝構造とを有していることで、各層面内方向において効率よく過剰の水を排出する排水路は確保できている(図2〜7参照)。そのため、乾燥とフラッディングの相反する現象を抑制することが可能となり、電池性能の向上を図ることができるとする、本発明の第1の目的及びその作用効果は何ら損なわれるものではない。   Further, in the present invention, in the catalyst layer composed of two or more layers, the groove structure having water repellency of the next catalyst layer on the drainage channel of the groove structure portion having water repellency. Desirably, a partial drainage channel is provided. This is because it is desirable that the drainage channel is continuous in order to facilitate the discharge of water in the catalyst layer. That is, in the catalyst layer, water tends to stay in the water-repellent part, but if the water-repellent part is discontinuous, there is a possibility that excessive water movement is less likely to occur. Then, it becomes possible to discharge | emit excess water efficiently by making drainage channels (water-repellent part) contact. That is, as shown in FIG. 8C, by laminating the water-repellent portions 12Q-1 and 12Q-2 in contact with each other, a drainage channel that efficiently discharges excess water is formed in the thickness direction of the catalyst layer. Can also be formed. However, even if the water-repellent portion of each layer is discontinuous, each layer has a hydrophilic island-like structure and a water-repellent groove structure that fills the gap between the island-like portions. A drainage channel for efficiently discharging excess water in the in-plane direction can be secured (see FIGS. 2 to 7). Therefore, the contradictory phenomenon of drying and flooding can be suppressed, and the first object of the present invention and its function and effect, which can improve battery performance, are not impaired at all.

また、本発明の固体高分子型燃料電極では、前記触媒層において、この触媒層が面内で少なくとも4分割に分割されており、最もガスの出口に近い部分における触媒層を触媒層1’、これと隣り合う触媒層を触媒層2’、そして最もガスの入口に近い側の触媒層を触媒層N’(N’は触媒層が面内で分割されている数を表す。)とする場合に、
前記1’〜N’までの各触媒層における撥水性を有している溝構造の部分の面積をX1’、X2’、・・・、XN’とする。また、各触媒層における親水性を有している島状部分の面積をY1’、Y2’、・・・、YN’とすると、下記式(2)
In the polymer electrolyte fuel electrode of the present invention, in the catalyst layer, the catalyst layer is divided into at least four sections in the plane, and the catalyst layer in the portion closest to the gas outlet is defined as the catalyst layer 1 ′, When the catalyst layer adjacent to this is the catalyst layer 2 ′ and the catalyst layer closest to the gas inlet is the catalyst layer N ′ (N ′ represents the number of the catalyst layers divided in the plane). In addition,
The area of the groove structure portion having water repellency in each of the catalyst layers 1 ′ to N ′ is defined as X1 ′, X2 ′,. Further, when the area of the island-like portion having hydrophilicity in each catalyst layer is Y1 ′, Y2 ′,..., YN ′, the following formula (2)

となっていることを特徴とするものが望ましい。固体高分子型燃料電池は発電中において、ガス入口付近では乾燥傾向にあり、ガス出口付近ではフラッディング傾向にある。そこで、本実施形態のように、ガス出口側ほど撥水性部分を多く、また、入口付近ほど親水性部分を多くすることにより、乾燥傾向の部分では水を十分に確保し、フラッディング傾向の部分では排水性が十分に確保されることが可能となる。 What is characterized by becoming is desirable. During the power generation, the polymer electrolyte fuel cell tends to dry near the gas inlet, and tends to flood around the gas outlet. Therefore, as in this embodiment, by increasing the water-repellent part closer to the gas outlet side and increasing the hydrophilic part closer to the inlet side, sufficient water is secured in the dry tendency part, and in the flooding tendency part. It is possible to ensure sufficient drainage.

触媒層内において、ガスの入口付近では触媒層が乾燥傾向にあり、出口付近では触媒層がフラッディング傾向にある。このような現象下では、ガスの入口近傍と出口近傍では電極反応が十分に進行することができず、その結果、本来の発電性能を得ることが不可能である。十分な発電性能を得るためには触媒層面内において、触媒層の湿潤状態が均一であることが望ましい。しかしながら、反応ガスの加湿状態や流量などでこの湿潤状態を制御することは実質不可能である。そこで、本発明者は、触媒層面内の水過剰個所から水不足個所へ水を移動させてやることが最も効率的であるとの考えに基づき、本実施形態を見出すに至ったものである。かかる実施形態を図面を用いて説明する。   In the catalyst layer, the catalyst layer tends to dry near the gas inlet, and the catalyst layer tends to flood near the outlet. Under such a phenomenon, the electrode reaction cannot proceed sufficiently in the vicinity of the gas inlet and the outlet, and as a result, the original power generation performance cannot be obtained. In order to obtain sufficient power generation performance, it is desirable that the wet state of the catalyst layer is uniform in the catalyst layer surface. However, it is virtually impossible to control this wet state by the humidified state or flow rate of the reaction gas. Therefore, the present inventor has come to find this embodiment based on the idea that it is most efficient to move water from an excessive water location to a insufficient water location in the catalyst layer surface. Such an embodiment will be described with reference to the drawings.

図9は、上記式(2)を満足するように、触媒層面内で撥水性部分と親水性部分の占有面積の違いにより4分割されている触媒層によって、ガス出口側に近い方が、ガス入口側に近い方よりも、親水性部分の島が小さく、撥水性部分の溝が大きくなるように形成された触媒層の例を示す解説図である(後述する実施例3に対応する)。   FIG. 9 shows that the gas layer is closer to the gas outlet side by the catalyst layer divided into four by the difference in the occupied area of the water repellent part and the hydrophilic part in the catalyst layer surface so as to satisfy the above formula (2). It is explanatory drawing which shows the example of the catalyst layer formed so that the island of a hydrophilic part may be smaller than the nearer to the entrance side, and the groove | channel of a water-repellent part may become large (it respond | corresponds to Example 3 mentioned later).

図9で解説するように、触媒層12において、この触媒層12が面内で、十字型に4分割に分割(4等分)されており、最もガスの出口に近い部分における触媒層を触媒層1’、これと隣り合う上隣りと左隣りの2つの触媒層を共に触媒層2’、そして最もガスの入口に近い側の触媒層を触媒層3’とする場合に、
各触媒層1’、2’、3’における撥水性を有している溝構造の部分の面積を、順にX1’、X2’、X3’とする。また、各触媒層1’、2’、3’におおける親水性を有している島状部分の面積を、順にY1’、Y2’、Y3’とすると、式(2);(X1’/Y1’)>(X2’/Y2’)>(X3’/Y3’)を満足する関係になっている。本発明のように、触媒層12の面内において、ガス出口付近から入口付近に向かうにつれて、分割された触媒層1’、2’、3’の面内の親水性部分の島状部分12Pの面積比率を大きくし、撥水性部分の溝構造の部分12Qの面積比率を小さくして、親水性を高くすることで、同一面内にて保水量が異なった時に撥水性の強い個所から親水性の強い個所へと水が移動する。つまりは水が過剰に存在しやすいガス出口側から水が不足しやすいガス入口側へと、排水路である撥水性部分12Q−1’〜−3’を通じて、水が移動できるようになり、触媒層12の面内にて均一な湿潤状態を形成することが可能となり、発電性能の向上が期待できる。
As illustrated in FIG. 9, in the catalyst layer 12, the catalyst layer 12 is divided into four sections (four equal parts) in a cross shape in the plane, and the catalyst layer in the portion closest to the gas outlet is the catalyst layer. In the case where the layer 1 ′, the two adjacent upper and left catalyst layers are the catalyst layer 2 ′, and the catalyst layer closest to the gas inlet is the catalyst layer 3 ′,
The area of the groove structure portion having water repellency in each of the catalyst layers 1 ′, 2 ′, and 3 ′ is sequentially set to X1 ′, X2 ′, and X3 ′. Further, assuming that the area of the island-shaped portion having hydrophilicity in each catalyst layer 1 ′, 2 ′, 3 ′ is sequentially Y1 ′, Y2 ′, Y3 ′, the formula (2); (X1 ′) / Y1 ′)> (X2 ′ / Y2 ′)> (X3 ′ / Y3 ′). As in the present invention, in the plane of the catalyst layer 12, the island-like portion 12 </ b> P of the hydrophilic portion in the plane of the divided catalyst layers 1 ′, 2 ′, and 3 ′ approaches from the vicinity of the gas outlet to the vicinity of the inlet. By increasing the area ratio, decreasing the area ratio of the groove structure portion 12Q of the water-repellent part, and increasing the hydrophilicity, the hydrophilicity from the strong water-repellent part when the water retention amount is different in the same plane. Water moves to a strong spot. In other words, water can move from the gas outlet side where water is likely to exist excessively to the gas inlet side where water is likely to be insufficient, through the water-repellent portions 12Q-1 'to -3', which are drainage channels, and the catalyst. It becomes possible to form a uniform wet state in the plane of the layer 12, and an improvement in power generation performance can be expected.

更に、本発明では、上記図8及び図9で示す実施形態の双方を具備してなるものが望ましい。即ち、前記、二層以上から構成される触媒層において、最も電解質膜に近い触媒層における触媒層を触媒層1、次の触媒層を触媒層2、最もガス拡散層に近い側の触媒層を触媒層N(Nは触媒層全体を構成する層の数である。)とする場合に、
前記1〜Nまでの各触媒層における撥水性を有している溝構造の部分の面積をX1、X2、・・・XNとし、各触媒層における親水性を有している島状部分の面積をY1、Y2、・・・YNとすると、下記式(1)
Furthermore, in the present invention, it is desirable to have both of the embodiments shown in FIGS. That is, in the catalyst layer composed of two or more layers, the catalyst layer in the catalyst layer closest to the electrolyte membrane is the catalyst layer 1, the next catalyst layer is the catalyst layer 2, and the catalyst layer closest to the gas diffusion layer is the catalyst layer. In the case of the catalyst layer N (N is the number of layers constituting the entire catalyst layer),
The area of the groove structure portion having water repellency in each of the catalyst layers 1 to N is X1, X2,... XN, and the area of the island-shaped portion having hydrophilicity in each catalyst layer Is Y1, Y2,... YN, the following formula (1)

となっており、
更に前記触媒層において、この触媒層が面内で少なくとも4分割に分割されており、最もガスの出口に近い部分における触媒層を触媒層1’、これと隣り合う触媒層を触媒層2’、そして最もガスの入口に近い側の触媒層を触媒層N’(N’は触媒層が面内で分割されている数を表す。)とする場合に、
前記1’〜N’までの各触媒層における撥水性を有している溝構造の部分の面積をX1’、X2’、・・・、XN’とする。また、各触媒層におおける親水性を有している島状部分の面積をY1’、Y2’、・・・、YN’とすると、下記式(2)
And
Further, in the catalyst layer, the catalyst layer is divided into at least four parts in the plane, the catalyst layer in the portion closest to the gas outlet is the catalyst layer 1 ′, the catalyst layer adjacent to the catalyst layer 1 ′, When the catalyst layer closest to the gas inlet is the catalyst layer N ′ (N ′ represents the number of the catalyst layers divided in the plane),
The area of the groove structure portion having water repellency in each of the catalyst layers 1 ′ to N ′ is defined as X1 ′, X2 ′,. Further, when the area of the island-like portion having hydrophilicity in each catalyst layer is Y1 ′, Y2 ′,..., YN ′, the following formula (2)

となっていることを特徴とするものが望ましい。これにより、上記した2つの実施形態の作用効果を有効に発現することができるものである。即ち、触媒層の電解質膜側からGDL側に向かう方向、及び触媒層面内のガス出口付近から入口付近に向かう方向に撥水性を弱くする(言い換えれば、親水性を高くする)ことで、触媒層内の過剰の水を排出することが可能となり、触媒層内でのフラッディング現象を抑制することが可能となるほか、撥水性の強い個所から親水性の強い個所へと水が移動する。つまりは水が過剰に存在しやすいガス出口側から水が不足しやすいガス入口側へと水が移動できるようになり、触媒層の面内にて均一な湿潤状態を形成することが可能となり、発電性能の向上を図ることもできる。かかる実施形態を図面を用いて説明する。 What is characterized by becoming is desirable. Thereby, the effect of two above-mentioned embodiments can be expressed effectively. That is, by reducing water repellency in the direction from the electrolyte membrane side to the GDL side of the catalyst layer and from the vicinity of the gas outlet to the vicinity of the inlet in the catalyst layer surface (in other words, increasing the hydrophilicity), the catalyst layer In addition to being able to discharge excess water, the flooding phenomenon in the catalyst layer can be suppressed, and water moves from a highly water-repellent location to a highly hydrophilic location. In other words, water can move from the gas outlet side where water is likely to exist excessively to the gas inlet side where water is likely to be insufficient, and a uniform wet state can be formed within the surface of the catalyst layer. The power generation performance can be improved. Such an embodiment will be described with reference to the drawings.

図10は、上記式(2)を満足するように、触媒層面内で撥水性部分と親水性部分の占有面積の違いにより4分割されており、ガス出口付近ではガス入口付近より撥水性が高く、また、側触媒層が2層から構成されており、上記式(1)を満足するように、電解質膜に近い側はGDL側よりも撥水性が高くなっている触媒層の例を示す解説図である(後述する実施例4に対応する)。図10(a)(b)では、相互の親水性部分と撥水性部分の大小関係が分かるように左右に並べたものであり、図10(a)は、触媒層のガス拡散層(図示せず)側の触媒層の面内における幾何学パターン(格子状パターン)を表した概略平面図である。図10(b)は、カソード側触媒層の電解質膜側の触媒層面内における幾何学パターン(格子状パターン)を表した概略平面図である。図10(c)は、カソード側触媒層、電解質膜およびアノード側触媒層の構成も含めた図10(a)、(b)のX−X線に沿った断面図である。   FIG. 10 is divided into four parts by the difference in the area occupied by the water repellent part and the hydrophilic part in the catalyst layer surface so as to satisfy the above formula (2), and the water repellency is higher near the gas outlet than near the gas inlet. In addition, the side catalyst layer is composed of two layers, and the side close to the electrolyte membrane has a higher water repellency than the GDL side so as to satisfy the above formula (1). It is a figure (corresponding to Example 4 described later). 10A and 10B are arranged side by side so that the size relationship between the hydrophilic part and the water-repellent part can be seen. FIG. 10A shows a gas diffusion layer (not shown) of the catalyst layer. 3) is a schematic plan view showing a geometric pattern (lattice pattern) in the surface of the catalyst layer on the side. FIG. 10B is a schematic plan view showing a geometric pattern (lattice pattern) in the catalyst layer surface of the cathode side catalyst layer on the electrolyte membrane side. FIG. 10C is a cross-sectional view taken along the line XX in FIGS. 10A and 10B, including configurations of the cathode side catalyst layer, the electrolyte membrane, and the anode side catalyst layer.

まず、図10で解説するように、二層から構成されるカソード側触媒層12bにおいて、電解質膜11側の触媒層を触媒層1、ガス拡散層(図示せず)側の触媒層を触媒層2とする場合に、前記カソード側の各触媒層1、2における撥水性を有している溝構造の部分の面積(4分割されている触媒層全体の撥水性部分の全面積)を、順にX1、X2とし、各触媒層1、2における親水性を有している島状部分の面積(4分割されている触媒層全体の親水性部分の全面積)を、順にY1、Y2とすると、式(1);(X1/Y1)>(X2/Y2)を満足する関係になっている。   First, as illustrated in FIG. 10, in the cathode side catalyst layer 12b composed of two layers, the catalyst layer on the electrolyte membrane 11 side is the catalyst layer 1, and the catalyst layer on the gas diffusion layer (not shown) side is the catalyst layer. 2, the area of the groove structure portion having water repellency in each of the catalyst layers 1 and 2 on the cathode side (the total area of the water repellency portion of the entire catalyst layer divided into four parts) X1 and X2, and the area of the island-shaped portion having hydrophilicity in each of the catalyst layers 1 and 2 (the total area of the hydrophilic portion of the entire catalyst layer divided into four) is Y1 and Y2 in order, The relationship satisfies the formula (1); (X1 / Y1)> (X2 / Y2).

更に、二層から構成されるカソード側触媒層12bにおいて、各触媒層1、2が面内で、共に十字型に4分割に分割(4等分)されており、各触媒層1、2において、それぞれ最もガスの出口に近い部分における触媒層を触媒層1a’1b’、これと隣り合う上隣りと左隣りの2つの触媒層を共に触媒層2a’2b’、そして最もガスの入口に近い側の触媒層を触媒層3a’3b’とする場合に、
同一面内の各触媒層1a’、2a’、3a’および1b’、2b’、3b’における撥水性を有している溝構造の部分の面積を、順にX1a’、X2a’、X3a’およびX1b’、X2b’、X3b’とする。また、同一面内の各触媒層1a’、2a’、3a’および1b’、2b’、3b’におおける親水性を有している島状部分の面積を、順にY1a’、Y2a’、Y3a’およびY1b’、Y2b’、Y3b’とすると、各触媒層1、2において、それぞれ式(2);(X1a’/Y1a’)>(X2a’/Y2a’)>(X3a’/Y3a’)および(X1b’/Y1b’)>(X2b’/Y2b’)>(X3b’/Y3b’)を満足する関係になっている。
Further, in the cathode side catalyst layer 12b composed of two layers, the catalyst layers 1 and 2 are both divided into four cross sections (four equal parts) in the plane. The catalyst layer in the portion closest to the gas outlet is the catalyst layer 1a'1b ', the two adjacent upper and left catalyst layers are the catalyst layers 2a'2b', and the closest to the gas inlet. When the catalyst layer on the side is the catalyst layer 3a'3b ',
The area of the groove structure portion having water repellency in each of the catalyst layers 1a ′, 2a ′, 3a ′ and 1b ′, 2b ′, 3b ′ in the same plane is sequentially changed to X1a ′, X2a ′, X3a ′ and Let X1b ′, X2b ′, and X3b ′. In addition, the area of the island-like portion having hydrophilicity in each of the catalyst layers 1a ′, 2a ′, 3a ′ and 1b ′, 2b ′, 3b ′ in the same plane is sequentially expressed as Y1a ′, Y2a ′, Assuming that Y3a ′ and Y1b ′, Y2b ′, Y3b ′, in each of the catalyst layers 1 and 2, the formula (2); (X1a ′ / Y1a ′)> (X2a ′ / Y2a ′)> (X3a ′ / Y3a ′) ) And (X1b ′ / Y1b ′)> (X2b ′ / Y2b ′)> (X3b ′ / Y3b ′).

なお、上記式(1)と式(2)との関係では、上記X1=X1a’+X2a’+X3a’であり、X2=X1b’+X2b’+X3b’であり、Y1=Y1a’+Y2a’+Y3a’であり、Y2=Y1b’+Y2b’+Y3b’である。   In the relationship between the above formulas (1) and (2), X1 = X1a ′ + X2a ′ + X3a ′, X2 = X1b ′ + X2b ′ + X3b ′, and Y1 = Y1a ′ + Y2a ′ + Y3a ′. Y2 = Y1b ′ + Y2b ′ + Y3b ′.

また、本発明の固体高分子型燃料電極では、(1)前記触媒層における親水性を有している島状部分と撥水性を有している溝構造の部分とが、触媒担持用の担体として、いずれも撥水性の高いカーボンと、親水性が高いまたは撥水性が低いカーボンとを混合することなく用いて形成されており、前記親水性を有している島状部分が、親水性が高いまたは撥水性が低いカーボンを用いて形成され、前記撥水性を有している溝構造の部分が、撥水性の高いカーボンを用いて形成されていることを特徴とするものであってもよい。あるいは(2)前記触媒層における親水性を有している島状部分と、撥水性を有している溝構造の部分とが、触媒担持用の担体として、撥水性の高いカーボンと、親水性が高いまたは撥水性が低いカーボンとの配合比率が異なるように形成されており、前溝構造の部分が、前記島状部分よりも前記撥水性の高いカーボンの配合比率が高いことを特徴とするものであってもよい。   Further, in the polymer electrolyte fuel electrode of the present invention, (1) the catalyst-supporting carrier includes the hydrophilic island-like portion and the water-repellent groove structure in the catalyst layer. As described above, both of the water-repellent carbon and the carbon having high hydrophilicity or low water repellency are used without mixing, and the island-like portion having the hydrophilicity is hydrophilic. It may be formed using carbon having high or low water repellency, and the groove structure portion having water repellency may be formed using carbon having high water repellency. . Alternatively, (2) an island-like portion having hydrophilicity in the catalyst layer and a groove-structure portion having water repellency are used as a catalyst-supporting carrier and carbon having high water repellency and hydrophilicity It is formed so that the blending ratio with carbon having a high or low water repellency is different, and the portion of the front groove structure has a higher blending ratio of the carbon having a higher water repellency than the island-shaped portion. It may be a thing.

即ち、本発明では、触媒層内に親水性・疎水性が異なる2つの部分を形成する上で、撥水剤などを用いて親水性・疎水性を付与(区別)するのではなく、触媒担持用の担体カーボンに親水性・撥水性の異なるカーボンを用いて、親水性・疎水性を付与(区別)することが望ましい。例えば、上記(1)の実施形態では、触媒担持用の担体カーボンとして、親水性カーボンブラックと撥水性カーボンブラックを混合しない触媒スラリーを用い、同一面内に撥水性の高い触媒部分と親水性の高い部分とを区別して配置する。また、上記(2)の実施形態では、触媒担持用の担体カーボンとして、親水性材料として従来型のカーボンブラック(非グラファイト化カーボンブラック)、撥水性材料にグラファイト化カーボンブラックを混合した触媒スラリーを用い、同一面内に撥水性の高い触媒部分と親水性の高い部分とを区別して配置するようにしてもよいし、2種類の触媒スラリーを共に親水性カーボンブラックと撥水性カーボンブラックの混合比率を変えることで、一方を親水性の高い触媒スラリー、他方を撥水性の高い触媒スラリーとなるように配合(調合)してもよい。上記(1)、(2)のいずれの実施形態でも、2種類の触媒スラリーで塗布する面で幾何学的な配置を実現し、触媒層面内に撥水性の高い排水路を形成することが特徴である。また、前記二種類のスラリーで塗布することで、最も電解質膜に近い触媒層において、この撥水性部分の面積をA1、親水性部分の面積をB1とする。その次の触媒層における撥水性部分の面積をA2、親水性部分の面積をB2、最もGDLに近い側の撥水性部分の面積をAN、親水性部分の面積をBNとすると、(A1/B1)>(A2/B2)・・・>(AN/BN)という関係を設けることもできるし、同様に、同一面内で、4分割以上に分割した上で、ガス出口側からガス入口側に向かって、親水性部分の面積を高めるように塗布することもできる。   That is, in the present invention, in forming two portions having different hydrophilicity / hydrophobicity in the catalyst layer, the hydrophilicity / hydrophobicity is not imparted (distinguished) using a water repellent or the like. It is desirable to impart (distinguish) hydrophilicity / hydrophobicity by using carbon having different hydrophilicity / water repellency as carrier carbon. For example, in the embodiment of the above (1), a catalyst slurry in which hydrophilic carbon black and water repellent carbon black are not mixed is used as the carrier carbon for supporting the catalyst. Distinguish between high parts. In the embodiment (2), a catalyst slurry obtained by mixing conventional carbon black (non-graphitized carbon black) as a hydrophilic material and graphitized carbon black in a water-repellent material is used as the carrier carbon for supporting the catalyst. The catalyst portion having high water repellency and the portion having high hydrophilicity may be separately arranged in the same plane, and the mixing ratio of hydrophilic carbon black and water repellent carbon black together with two types of catalyst slurry. May be blended (prepared) so that one is a highly hydrophilic catalyst slurry and the other is a highly water-repellent catalyst slurry. In any of the above embodiments (1) and (2), a geometrical arrangement is realized on the surface coated with two kinds of catalyst slurry, and a highly water-repellent drainage channel is formed in the catalyst layer surface. It is. Further, by applying the two kinds of slurries, the area of the water repellent portion is A1 and the area of the hydrophilic portion is B1 in the catalyst layer closest to the electrolyte membrane. When the area of the water-repellent part in the subsequent catalyst layer is A2, the area of the hydrophilic part is B2, the area of the water-repellent part closest to the GDL is AN, and the area of the hydrophilic part is BN, (A1 / B1 )> (A2 / B2)...> (AN / BN). Similarly, after dividing into four or more divisions in the same plane, from the gas outlet side to the gas inlet side. On the other hand, it can also apply | coat so that the area of a hydrophilic part may be raised.

このように親水性・疎水性の異なる2種類の触媒担持用の担体カーボンを用いて親水性部分(島状部分)と撥水性部分(溝構造部分)を形成することで、触媒層内におけるガス拡散性を低下させることなくフラッディングを抑制でき、またカーボンの腐食による触媒の脱離が抑制でき、耐久性の向上が果たせる。   By forming a hydrophilic part (island-like part) and a water-repellent part (groove structure part) using two types of carrier carbons for supporting the catalyst having different hydrophilicity and hydrophobicity, the gas in the catalyst layer is formed. Flooding can be suppressed without reducing diffusibility, and catalyst detachment due to carbon corrosion can be suppressed, thereby improving durability.

なお、本発明に用いられる親水性・疎水性の異なる2種類の触媒担持用の担体カーボンとしては、特に制限されるものではないが、以下に説明するように、触媒層における撥水性部分(溝構造部分)を形成するのに用いられる担体カーボンである撥水性カーボンとしては、BET表面積が150m/g未満で黒鉛化処理されたカーボンであることが望ましい。一方、触媒層における親水性部分(島状部分)を形成するのに用いられる担体カーボンである親水性カーボンとしては、BET表面積が150m/g以上のカーボン材であることが望ましい。 The two types of support carbons for supporting the catalyst having different hydrophilicity and hydrophobicity used in the present invention are not particularly limited. However, as described below, the water-repellent portion (groove) in the catalyst layer is used. The water-repellent carbon that is the carrier carbon used to form the (structure portion) is desirably carbon that has been graphitized with a BET surface area of less than 150 m 2 / g. On the other hand, the hydrophilic carbon that is the carrier carbon used to form the hydrophilic portion (island-like portion) in the catalyst layer is preferably a carbon material having a BET surface area of 150 m 2 / g or more.

即ち、触媒層内に撥水性や親水性を付与する手段として、PTFEやPVDEなどの撥水剤を混入する方法や、金属酸化物等を混入し、親水性を付与する方法などが挙げられる。しかしながら、上記のような手段にて触媒層に撥水性や親水性を付与することは可能であるが、そのような撥水性部分や親水性部分は導電性がなく、触媒層内における電子移動抵抗の増大の一要因となる。また、発電時に上記撥水剤や親水剤が溶解すると、電極内にコンタミが存在することになり、長期の電池運転に対する耐久性は低くなってしまう可能性がある。従って、触媒層内において、撥水性個所と親水性個所を設けるにあたり、発電性能の低下がなく、かつ長期間にわたる発電性能の維持を果たすことが必要とされる。本発明のように、触媒層内に撥水性と親水性を付与する手段として触媒担持カーボン種を変えることで、非導電体物質の混入がないため、撥水性や親水性を付与することによる電子移動抵抗の増大がなく、かつ、グラファイト化されたカーボンを用いることにより、カーボンの腐食が抑制され、長期にわたって発電性能を維持することが可能となる。   That is, examples of means for imparting water repellency and hydrophilicity in the catalyst layer include a method of mixing a water repellent such as PTFE and PVDE, and a method of mixing a metal oxide and the like to impart hydrophilicity. However, although it is possible to impart water repellency and hydrophilicity to the catalyst layer by the means as described above, such water repellency part and hydrophilic part are not electrically conductive and resistance to electron transfer in the catalyst layer. It becomes a factor of increase of. In addition, if the water repellent or hydrophilic agent dissolves during power generation, there will be contamination in the electrode, which may reduce durability against long-term battery operation. Therefore, in providing a water-repellent part and a hydrophilic part in the catalyst layer, it is necessary to maintain the power generation performance over a long period of time without lowering the power generation performance. As in the present invention, by changing the catalyst-supporting carbon species as a means for imparting water repellency and hydrophilicity in the catalyst layer, there is no mixing of non-conductive substances, so that electrons by imparting water repellency and hydrophilicity can be obtained. The use of graphitized carbon that does not increase the movement resistance suppresses the corrosion of the carbon and makes it possible to maintain the power generation performance over a long period of time.

ここで、触媒を担持する担体に使用される炭素粉末は、元々、炭素化に必要な温度、具体的には1000℃以上2000℃未満で熱処理されている。そのため、触媒担持担体として使用される(炭素化された)炭素粉末では、表面の官能基や酸点などが非常に少なく、酸化物などに比べ表面の疎水性が高い。ただし、上記したように使用において親水性を帯びてくる。即ち、親水性の高いカーボンになる。これら炭素粉末にあっても、さらに黒鉛化に必要な高温(2000℃〜3000℃)で熱処理したカーボンでは、さらに、表面の官能基などが減少し、疎水性が高く、長持間使用しても化学的に安定(不活性)な状態となる。即ち、撥水性の高いカーボンとなる。   Here, the carbon powder used for the carrier supporting the catalyst is originally heat-treated at a temperature necessary for carbonization, specifically, 1000 ° C. or more and less than 2000 ° C. Therefore, carbon powder (carbonized) used as a catalyst-supporting carrier has very few surface functional groups and acid sites, and has higher surface hydrophobicity than oxides. However, it becomes hydrophilic in use as described above. That is, it becomes highly hydrophilic carbon. Even in these carbon powders, the carbon heat-treated at a high temperature (2000 ° C. to 3000 ° C.) necessary for graphitization further reduces surface functional groups, has high hydrophobicity, and can be used for a long time. It is in a chemically stable (inactive) state. That is, it becomes carbon with high water repellency.

触媒を担持する担体に使用される炭素粉末は、黒鉛化処理されることにより耐食性が向上する。その一方で、黒鉛化処理されたカーボンは、高温熱処理により比表面積が著しく低下し、さらに、表面官能基も消失しているため、触媒粒子を好適な状態で担持させるのが困難であり、触媒粒子が凝集し易い状態となっている。従って、かような黒鉛化処理されたカーボンを担体として用いた電極触媒は、耐久性に優れるが、特に発電開始初期などにおける触媒活性が十分に得られず、また長時間の使用においても触媒活性が十分とはいえず、触媒性能に劣る問題があった。   The carbon powder used for the carrier supporting the catalyst is improved in corrosion resistance by being graphitized. On the other hand, the graphitized carbon has a specific surface area significantly reduced by high-temperature heat treatment, and the surface functional groups have also disappeared. Therefore, it is difficult to support the catalyst particles in a suitable state. The particles are easily aggregated. Therefore, an electrode catalyst using such graphitized carbon as a carrier is excellent in durability, but the catalytic activity is not sufficiently obtained especially at the beginning of power generation, and the catalytic activity is also obtained even when used for a long time. However, there was a problem that the catalyst performance was inferior.

また、触媒の性能は、触媒粒子の分散性と密接な関係を有する。例えば、担体カーボンのBET表面積が大きいほど触媒粒子が高分散となり高い触媒性能が得られ、また、担体カーボンのBET表面積が小さいほど触媒粒子が凝集して触媒性能が低下する。   The performance of the catalyst has a close relationship with the dispersibility of the catalyst particles. For example, the larger the BET surface area of the carrier carbon, the higher the catalyst particles are dispersed and the higher the catalyst performance is obtained. The smaller the BET surface area of the carrier carbon is, the more the catalyst particles are aggregated and the catalyst performance is lowered.

また、黒鉛化処理されたカーボンは、表面に黒鉛化層が形成されることにより、耐食性が向上する。カーボンの耐食性は、黒鉛化層の黒鉛化率だけでなく、黒鉛化層の厚みが大きな影響を及ぼし、黒鉛化層の厚みが厚いほど高い耐食性が得られる。黒鉛化層の厚みは、BET表面積と反比例し、BET表面積が大きいほど黒鉛化層の厚みが薄く、BET表面積が小さいほど黒鉛化層の厚みが厚くなる。また、黒鉛化層の厚みは、熱処理条件によって制御することが困難であり、原料として用いたカーボンの種類に依存する。   Further, the graphitized carbon has improved corrosion resistance by forming a graphitized layer on the surface. The corrosion resistance of carbon is greatly influenced not only by the graphitization rate of the graphitized layer but also by the thickness of the graphitized layer, and the higher the graphitized layer thickness, the higher the corrosion resistance. The thickness of the graphitized layer is inversely proportional to the BET surface area. The larger the BET surface area, the thinner the graphitized layer, and the smaller the BET surface area, the thicker the graphitized layer. Further, the thickness of the graphitized layer is difficult to control depending on the heat treatment conditions, and depends on the type of carbon used as a raw material.

このように、導電性カーボンの耐食性と触媒の触媒性能とは、トレードオフの関係にある。本発明では、こうしたカーボン特性に着目して耐久性と触媒性能との双方に優れる固体高分子型燃料電極について種々の検討した結果、黒鉛化処理したカーボンが撥水性が高く、また、長時間の使用後も撥水性を維持できることを知得し、新たに撥水性の高い(黒鉛化処理した)カーボンと、それ以外の親水性の高いまたは撥水性の低いカーボンとの2種類を幾何学的パターンに配置することで、触媒層内における生成水の除去を促進し、また、担体カーボンの耐食性を抑制できることを見出したものである。これにより酸化腐食耐性の高いカーボンを有効に使用でき、かつ、従来の親水性の高いまたは撥水性の低いカーボンの酸化腐食も著しく抑制できる。その結果、水詰まりがなく、放電性能に優れ、耐久性、信頼性の高い燃料電池を提供することが可能になる。   Thus, the corrosion resistance of the conductive carbon and the catalytic performance of the catalyst are in a trade-off relationship. In the present invention, as a result of various investigations on solid polymer fuel electrodes that are excellent in both durability and catalytic performance by paying attention to such carbon characteristics, graphitized carbon has high water repellency, and has a long time. Knowing that water repellency can be maintained even after use, geometric pattern of two types of carbon, newly high water repellency (graphitized) and other hydrophilic or low water repellency carbon It has been found that by disposing in the catalyst layer, removal of generated water in the catalyst layer can be promoted and the corrosion resistance of the carrier carbon can be suppressed. As a result, carbon having high oxidation corrosion resistance can be used effectively, and oxidative corrosion of conventional carbon having high hydrophilicity or low water repellency can be remarkably suppressed. As a result, it is possible to provide a fuel cell that is free from water clogging, has excellent discharge performance, and is highly durable and reliable.

このように水を生成する触媒層12に連続した撥水性部分の排水路を形成することにより、余剰水分は、より撥水性の低いガス拡散層13(または高分子電解質膜11)へ速やかに移動し、該ガス拡散層13内を速やかに通過してガス流路16まで移動する。このように、余剰水分は連続した撥水性部分の排水路を設け、好ましくはその面積比率を変えることにより速やかに外部へ排出でき、電極14内で水詰まりによるフラッディングが起こるのを抑制することができる。また、ガス透過性が低下することもなくなるため、放電特性および信頼性の高い燃料電池を得ることできる。   By thus forming a continuous water-repellent drainage channel in the catalyst layer 12 that generates water, surplus water quickly moves to the gas diffusion layer 13 (or the polymer electrolyte membrane 11) having a lower water-repellency. Then, it quickly passes through the gas diffusion layer 13 and moves to the gas flow path 16. In this way, excess water is provided with a continuous water-repellent portion drainage channel, and can be quickly discharged to the outside, preferably by changing the area ratio, thereby suppressing flooding due to water clogging within the electrode 14. it can. Further, since the gas permeability is not lowered, a fuel cell having high discharge characteristics and high reliability can be obtained.

触媒層における撥水性を付与する目的で、主に撥水性部分(溝構造部分)を形成するのに用いられる撥水性が高いカーボン(撥水性カーボン)としては、アセチレンブラックやファーネスブラックが挙げられるが、本発明では、黒鉛化処理した導電性カーボン(グラファイト化カーボン)を使用するのが望ましい。具体的には、1000℃以上2000℃未満で熱処理して炭素化処理している従来のカーボン(導電性カーボンブラック)を、さらに高温で熱処理して黒鉛化処理しているカーボン(黒鉛化処理カーボンブラック;従来の導電性カーボンブラックよりも、黒鉛化処理カーボンブラックの方が導電性が高い。)などが挙げられる。黒鉛化処理したカーボンでは、表面の官能基が著しく少ないため疎水性が高く、また、高温処理で細孔が消失するなど表面積が小さく保水性も小さい。したがって、触媒層の厚みの増加や導電性を低下することなく、カーボンの撥水性を長期間に渡って維持できる。   For the purpose of imparting water repellency in the catalyst layer, carbon having high water repellency (water repellent carbon) mainly used for forming a water repellant portion (groove structure portion) includes acetylene black and furnace black. In the present invention, it is desirable to use graphitized conductive carbon (graphitized carbon). Specifically, carbon obtained by heat treatment at 1000 ° C. or more and less than 2000 ° C. to perform carbonization treatment (conducting carbon black) is further heat-treated at a high temperature to perform graphitization treatment (graphitized carbon). Black; graphitized carbon black has higher conductivity than conventional conductive carbon black). Graphitized carbon has a very low surface functional group and is therefore highly hydrophobic, and has a small surface area such as disappearance of pores by high-temperature treatment, and also has a low water retention. Therefore, the water repellency of carbon can be maintained over a long period of time without increasing the thickness of the catalyst layer or decreasing the conductivity.

ここで、黒鉛化処理温度は、カーボン表面に所望の黒鉛化層が形成することができるものであれば特に制限されるものではない。かかる黒鉛化処理温度としては、カーボンの種類等によって好適な温度条件は若干異なっているが、通常2000℃以上、好ましくは2000〜3000℃、より好ましくは2400〜2800℃の範囲である。2000℃未満では、カーボン表面の黒鉛化層の形成が十分とは言えず、所望の撥水性および耐食性が十分に得られないおそれがある。黒鉛化処理時間も、カーボン表面に所望の黒鉛化層が形成することができるものであれば特に制限されるものではない。前記黒鉛化処理は、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガス雰囲気下で行うのが好ましい。   Here, the graphitization temperature is not particularly limited as long as a desired graphitized layer can be formed on the carbon surface. The graphitizing temperature is preferably 2000 ° C. or higher, preferably 2000 to 3000 ° C., more preferably 2400 to 2800 ° C., although suitable temperature conditions vary slightly depending on the type of carbon. If it is less than 2000 degreeC, it cannot be said that formation of the graphitization layer on a carbon surface is enough, and there exists a possibility that desired water repellency and corrosion resistance may not fully be obtained. The graphitization time is not particularly limited as long as a desired graphitized layer can be formed on the carbon surface. The graphitization treatment is preferably performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen, argon, or helium.

上記グラファイト化カーボンのうち、黒鉛化率は85%以上、BET表面積は150m/g未満のグラファイト化アセチレンブラック(GrAB)、グラファイト化ファーネスブラック(GrFB)、グラファイト化バルカン(GrVul)、グラファイト化ケッチェンブラック(GrKB)などの黒鉛化処理したカーボン(グラファイト化カーボン)が好適であるが、これらに制限されるものではない。これら撥水性の高いカーボンは、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。 Among the graphitized carbons, graphitized acetylene black (GrAB), graphitized furnace black (GrFB), graphitized vulcanized (GrVul), graphitized kettle having a graphitization rate of 85% or more and a BET surface area of less than 150 m 2 / g. Graphitized carbon (graphitized carbon) such as chain black (GrKB) is suitable, but is not limited thereto. These carbons with high water repellency may be used alone or in combination of two or more.

上記撥水性の高いカーボンは、上記したようにBET表面積が150m/g未満、より好ましくは50〜140m/g、特に好ましくは80〜130m/gである、黒鉛化処理したカーボンが望ましい。なお、撥水性の高いカーボンを2種類以上を併用する場合、個々のカーボンのBET表面積が上記に規定する範囲を満足している必要がある。黒鉛化処理したカーボンのBET表面積が150m/g未満の場合には、表面の官能基が著しく少ないため疎水性が高く、表面積が小さく保水性も小さい。したがって、触媒層の厚みの増加や導電性を低下することなく、カーボンの撥水性を長期間に渡って維持できる。 As described above, the carbon having high water repellency is desirably graphitized carbon having a BET surface area of less than 150 m 2 / g, more preferably 50 to 140 m 2 / g, and particularly preferably 80 to 130 m 2 / g. . When two or more types of carbon having high water repellency are used in combination, the BET surface area of each carbon needs to satisfy the range specified above. When the BET surface area of graphitized carbon is less than 150 m 2 / g, the surface functional groups are remarkably small, so that the hydrophobicity is high, the surface area is small, and the water retention is small. Therefore, the water repellency of carbon can be maintained over a long period of time without increasing the thickness of the catalyst layer or decreasing the conductivity.

また、上記撥水性の高いカーボンは、X線回折の格子定数C値(Å)が7.0Å以下、好ましくは6.7〜7.0Å、より好ましくは6.8〜6.9Åである。理想的なグラファイトでは、C=6.707Åであり、例えば、実施例の黒鉛化処理条件(温度・時間)で作製したグラファイト化カーボンの場合、各C値は、それぞれGrAB=6.853Å、GrFB=6.852Å、GrVul=6.851Å、GrKB=6.879Åである。該X線回折の格子定数C値は、例えば、X線回折法(XRD)を用いた学振法(稲垣道夫、炭素 No.36、25−34(1963))により測定してもよいし、同法で測定した格子面間隔(d002)(導電性カーボンの黒鉛構造に基づく六角網面の面間隔を意味する。)から求めてもよい。即ち、カーボンの格子面間隔d002とは、カーボンの黒鉛構造に基づく六角網面の面間隔であり、六角網面の垂直方向であるc軸方向の格子定数Cの1/2層間距離の平均値を意味する。 Further, high water repellent carbon, lattice constant C 0 value of X-ray diffraction (Å) is 7.0Å or less, are preferably 6.7~7.0A, more preferably 6.8~6.9Å . In an ideal graphite, C 0 = 6.707 、. For example, in the case of graphitized carbon produced under the graphitization treatment conditions (temperature and time) of the examples, each C 0 value is GrAB = 6.853 そ れ ぞ れ. GrFB = 6.852Å, GrVul = 6.851Å, and GrKB = 6.879. The lattice constant C 0 value of the X-ray diffraction may be measured, for example, by the Gakushin method (Michio Inagaki, Carbon No. 36, 25-34 (1963)) using an X-ray diffraction method (XRD). Alternatively, it may be determined from the lattice spacing (d 002 ) measured by the same method (meaning the hexagonal mesh spacing based on the graphite structure of conductive carbon). That is, the lattice spacing d 002 of carbon is the spacing of the hexagonal mesh plane based on the graphite structure of carbon, and is the ½ interlayer distance of the lattice constant C 0 in the c-axis direction that is perpendicular to the hexagonal mesh plane. Mean value.

熱処理などにより黒鉛化されたカーボンは、黒鉛構造に似た三次元的結晶格子からなる黒鉛化層が表面に形成され、黒鉛化が進むにつれて結晶格子間の微細な空隙部分が少なくなり、炭素材の結晶構造が黒鉛の結晶構造に近づく。耐食性などを考慮すると、黒鉛化されたカーボンの結晶化度は高いものが好ましい。よって、黒鉛化されたカーボンの真密度が1.80g/cm未満、格子面間隔d002が3.50Åを超える場合には、十分に黒鉛構造が発達していない場合などが多く、高い耐食性、電子伝導性が得られない恐れがある。また、真密度が2.11g/cmを超え、格子面間隔d002が3.36Å未満では、黒鉛構造が発達しすぎる場合などが多く、十分な比表面積が得られない恐れがある。 Carbon graphitized by heat treatment, etc. has a graphitized layer consisting of a three-dimensional crystal lattice resembling the graphite structure on the surface, and as the graphitization proceeds, the fine voids between the crystal lattices decrease, and the carbon material The crystal structure approaches that of graphite. In consideration of corrosion resistance and the like, it is preferable that the graphitized carbon has a high crystallinity. Therefore, when the true density of graphitized carbon is less than 1.80 g / cm 3 and the lattice spacing d 002 exceeds 3.50 mm, there are many cases where the graphite structure is not sufficiently developed, and high corrosion resistance. There is a risk that electronic conductivity may not be obtained. Further, when the true density exceeds 2.11 g / cm 3 and the lattice spacing d 002 is less than 3.36 mm, the graphite structure is often developed, and there is a possibility that a sufficient specific surface area cannot be obtained.

従って、黒鉛化されたカーボンには、真密度が1.80〜2.11g/cm、格子面間隔d002が3.36〜3.50Åであるものを用いるのが好ましいが、より好ましくは真密度が1.90〜2.11g/cm、格子面間隔d002が3.40〜3.49Åであり、特に好ましくは真密度が2.0〜2.11g/cm、格子面間隔d002が3.42〜3.49Åのものを用いるのがよい。 Accordingly, it is preferable to use graphitized carbon having a true density of 1.80 to 2.11 g / cm 3 and a lattice spacing d 002 of 3.36 to 3.50 mm, more preferably The true density is 1.90 to 2.11 g / cm 3 and the lattice spacing d 002 is 3.40 to 3.49 mm, and the true density is particularly preferably 2.0 to 2.11 g / cm 3 and the lattice spacing. It is preferable to use one having d 002 of 3.42 to 3.49 mm.

なお、本発明において、真密度はヘリウムを用いた気相置換法により測定した値とし、格子面間隔d002はX線回折法を用いた学振法(稲垣道夫、炭素 No.36、25〜34(1963))により測定した値とする。 In the present invention, the true density is a value measured by a gas phase substitution method using helium, and the lattice spacing d 002 is the Gakushin method using the X-ray diffraction method (Michio Inagaki, Carbon No. 36, 25- 34 (1963)).

次に、上記親水性の高いいまたは撥水性が低いカーボンは、上記撥水性の高いカーボンよりも撥水性の低いものであればよく、黒鉛化処理していない従来の導電性カーボン担体として用いられているものが使用できる。言い換えれば、上記撥水性の高いカーボンよりも親水性の高いものであればよい。具体的には、1000℃以上2000℃未満で熱処理して炭素化したカーボンなどが挙げられる。なお、炭素化処理する温度によっては、得られるカーボン表面のごく一部に黒鉛化層が形成している場合もあるが、こうしたものも親水性の高いカーボンに含めるものとする。   Next, the carbon having high hydrophilicity or low water repellency may be any carbon as long as it has lower water repellency than the carbon having high water repellency, and is used as a conventional conductive carbon carrier that has not been graphitized. You can use what you have. In other words, any material having higher hydrophilicity than carbon having high water repellency may be used. Specifically, carbon which is carbonized by heat treatment at 1000 ° C. or more and less than 2000 ° C. can be used. Depending on the carbonization temperature, a graphitized layer may be formed on a small part of the carbon surface to be obtained. Such a carbonized layer is included in highly hydrophilic carbon.

なお、上記炭素化処理温度は、通常1000℃以上2000℃未満である。1000℃未満では、十分に炭素化されず、一方、2000℃以上の場合には、撥水性は高まるが、担体として用いる上で重要となる表面積が十分に確保できない。   The carbonization temperature is usually 1000 ° C. or higher and lower than 2000 ° C. If it is less than 1000 ° C., it is not sufficiently carbonized. On the other hand, if it is 2000 ° C. or more, the water repellency increases, but a surface area that is important for use as a carrier cannot be secured sufficiently.

上記親水性の高いまたは撥水性が低いカーボン(本明細書では、単に親水性の高いカーボンともいう)は、好ましくはBET表面積が150m/g以上、好ましくは250〜2000cm/gの(黒鉛化処理していない)カーボンが望ましい。なお、親水性の高いカーボンを2種類以上を併用する場合、個々のカーボンのBET表面積が上記に規定する範囲を満足している必要がある。カーボンのBET表面積が150m/g未満の場合には、触媒(Pt等)粒子の分散性及び粒径を制御し、高い発電性能を確保するのが困難となる。 The carbon having high hydrophilicity or low water repellency (also referred to simply as carbon having high hydrophilicity in this specification) preferably has a BET surface area of 150 m 2 / g or more, preferably 250 to 2000 cm 2 / g (graphite Carbon) is not preferred. When two or more kinds of highly hydrophilic carbons are used in combination, the BET surface area of each carbon needs to satisfy the range specified above. When the BET surface area of carbon is less than 150 m 2 / g, it becomes difficult to control the dispersibility and particle size of the catalyst (Pt, etc.) particles and ensure high power generation performance.

上記親水性の高いカーボンとして好ましくは、白金等の触媒粒子の分散性及び粒径を制御し、高い発電性能を確保する観点から、通常の高導電性担体として用いられているカーボンであればよく、例えば、実施例で用いたようなバルカン、ケッチェンブラック、ブラックパール、アセチレンブラック、ファーネスブラック等が挙げられる。これら親水性の高いカーボンは、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。   The carbon having high hydrophilicity is preferably carbon that is used as a normal highly conductive support from the viewpoint of controlling the dispersibility and particle size of catalyst particles such as platinum and ensuring high power generation performance. Examples thereof include Vulcan, Ketjen Black, Black Pearl, Acetylene Black, Furnace Black and the like used in Examples. These highly hydrophilic carbons may be used alone or in combination of two or more.

上記撥水性の高いカーボンと親水性の高いカーボンとは、製造時の熱履歴(熱処理温度)、カーボンのBET表面積、カーボンの微視的観察(X線回折の格子定数C)などで区別(判別)することができる。例えば、製造段階であれば、親水性・疎水性カーボンが混合状態(触媒層)となる前のカーボン単体(異なる製造条件ごとに区別されたカーボン)につき、BET表面積やCo値でカーボンの種類や黒鉛化の度合いを測定することができ、これらにより親水性カーボンと疎水性カーボンとを分類(判別)することもできる。また、製品になった場合には、ラマン分光法で結晶性カーボン(黒鉛;グラファイト)および非晶性カーボン(黒鉛以外のカーボン)のピークの有無と強度比を測定すれば、触媒層に黒鉛化カーボンが含有されているかどうか、また、含有比率を測定することができる。即ち、親水性カーボンでは結晶性カーボンに帰属するピークがほとんど観測されず、撥水性カーボンでは結晶性カーボンに帰属するピークと非晶性カーボンに帰属するピークの両方が観測され、黒鉛化の度合いでピークの比率が変化する(結晶性カーボンのピーク強度が大きくなる)ことに基づいて、触媒層に黒鉛化カーボンが含有されているかどうか、また、含有比率を測定(算定)するような方法もある。更に、厚さ方向や流路方向に製品を幾つかに分割して、触媒層を剥がしてサンプリングし、それをラマン分光法などで測定し、触媒層に黒鉛化カーボンが含有されているかどうか、また、含有比率を算定するような方法もある。 The carbon having high water repellency and the carbon having high hydrophilicity are distinguished by the thermal history (heat treatment temperature) during production, the BET surface area of carbon, the microscopic observation of carbon (lattice constant C 0 of X-ray diffraction), etc. Discriminating). For example, at the manufacturing stage, the carbon type before the hydrophilic / hydrophobic carbon is in a mixed state (catalyst layer) (carbon distinguished according to different production conditions) can be determined by the BET surface area and Co value, The degree of graphitization can be measured, and hydrophilic carbon and hydrophobic carbon can be classified (discriminated) by these. In addition, when the product becomes a product, the presence or absence of a peak of crystalline carbon (graphite; graphite) and amorphous carbon (carbon other than graphite) and the intensity ratio are measured by Raman spectroscopy. Whether or not carbon is contained and the content ratio can be measured. That is, almost no peaks attributed to crystalline carbon are observed in hydrophilic carbon, and both peaks attributed to crystalline carbon and peaks attributed to amorphous carbon are observed in water-repellent carbon. There is also a method of measuring (calculating) whether or not the catalyst layer contains graphitized carbon based on the change in peak ratio (the peak intensity of crystalline carbon increases). . Furthermore, the product is divided into several parts in the thickness direction and the flow path direction, the catalyst layer is peeled off and sampled, and measured by Raman spectroscopy, etc., whether the catalyst layer contains graphitized carbon, There is also a method for calculating the content ratio.

本発明では、上述したように、触媒担持能力が高く、高導電性の従来のカーボン(上記した親水性の高いカーボン)を触媒を担持する炭素粉末として用い、更にこれに加えて、新たに撥水性の高いカーボンを用いてなるものである。よって、撥水性の高いカーボンには、触媒を担持させてもさせなくてもよいが、触媒担持量を高める観点からは、撥水性の高いカーボンにも触媒成分(貴金属)を担持したものが望ましい。触媒成分には、耐腐食性(耐酸化性)が高く、発電性能に優れる、貴金属が望ましい。   In the present invention, as described above, conventional carbon having high catalyst carrying ability and high conductivity (carbon having high hydrophilicity as described above) is used as the carbon powder carrying the catalyst. It is made of carbon with high water content. Therefore, the carbon having high water repellency may or may not be loaded with a catalyst, but from the viewpoint of increasing the amount of catalyst loaded, it is desirable that the catalyst component (noble metal) is also loaded on carbon having high water repellency. . The catalyst component is preferably a noble metal having high corrosion resistance (oxidation resistance) and excellent power generation performance.

よって、本発明では、触媒層内における撥水性の高いカーボンは、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム及びイリジウムから群より選ばれた少なくとも一種以上の触媒貴金属成分を含有している(担持している)ことが望ましい。電池性能(初期の発電性能)と耐食性とを向上し両立を図るには、触媒貴金属成分を担持した親水性カーボンと触媒貴金属成分を担持した撥水性カーボンとの混合比率を最適な範囲に設定する必要があるためである。   Therefore, in the present invention, the highly water-repellent carbon in the catalyst layer contains (supports) at least one catalyst noble metal component selected from the group consisting of platinum, palladium, rhodium, ruthenium and iridium. It is desirable. To improve both battery performance (initial power generation performance) and corrosion resistance, the mixing ratio of the hydrophilic carbon carrying the catalyst noble metal component and the water-repellent carbon carrying the catalyst noble metal component is set within the optimum range. This is necessary.

また、性能の観点から、撥水性の高いカーボンに担持される触媒の平均粒子径は、1〜10nm、好ましくは2〜6nmの範囲が望ましい。1nm未満の場合には粒子の耐久性が劣り、10nmを超える場合にはアイオノマーとの接触状態が悪く性能が低い。   From the viewpoint of performance, the average particle diameter of the catalyst supported on carbon having high water repellency is desirably in the range of 1 to 10 nm, preferably 2 to 6 nm. When it is less than 1 nm, the durability of the particles is poor, and when it exceeds 10 nm, the contact state with the ionomer is poor and the performance is low.

また、本発明では、前記触媒層内における撥水性の高いカーボンは、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム及びイリジウムから群より選ばれた少なくとも一種以上の触媒貴金属成分を含有(担持)し、さらにCo、Cr、Mn、Ni及びFeから群より選ばれた少なくとも一種以上の触媒卑金属成分を含有し、前記貴金属の担持量/前記卑金属の担持量=5/1〜1/2、好ましくは5/1〜1/1であることを特徴とする。電池性能(初期の発電性能)と耐食性とを向上し両立を図るには、触媒層内における撥水性の高いカーボンにも触媒成分が担持されていることが重要であるためである。上記触媒成分は、耐腐食性(耐酸化性)が高く、発電性能に優れる、貴金属系合金が望ましいが、更に適量の卑金属成分を含有することで、更に触媒性能の向上を図ることができる点で有利である。即ち、貴金属と卑金属を併用する場合、性能の観点から、撥水性の高いカーボンに担持される貴金属合金の平均粒子径は1〜10nm、好ましくは2〜6nmの範囲が望ましい。貴金属合金の平均粒子径が1nm未満の場合には粒子の耐久性が劣り、10nmを超える場合にはアイオノマーとの接触状態が悪く性能が低い。   In the present invention, the highly water-repellent carbon in the catalyst layer contains (supports) at least one or more types of catalytic noble metal components selected from the group consisting of platinum, palladium, rhodium, ruthenium and iridium, and further, Co, It contains at least one catalyst base metal component selected from the group consisting of Cr, Mn, Ni and Fe, and the supported amount of the noble metal / the supported amount of the base metal = 5/1 to 1/2, preferably 5/1 It is 1/1. This is because, in order to improve the battery performance (initial power generation performance) and the corrosion resistance and to achieve both, it is important that the catalyst component is also supported on the highly water-repellent carbon in the catalyst layer. The catalyst component is preferably a noble metal alloy having high corrosion resistance (oxidation resistance) and excellent power generation performance. However, the catalyst performance can be further improved by further containing an appropriate amount of a base metal component. Is advantageous. That is, when a noble metal and a base metal are used in combination, the average particle diameter of the noble metal alloy supported on carbon having high water repellency is desirably in the range of 1 to 10 nm, preferably 2 to 6 nm, from the viewpoint of performance. When the average particle diameter of the noble metal alloy is less than 1 nm, the durability of the particles is inferior, and when it exceeds 10 nm, the contact state with the ionomer is poor and the performance is low.

ここで、上記貴金属/卑金属(組成比(モル比))>5/1の場合には卑金属の添加効果が発現せず、貴金属/卑金属(組成比(モル比))<1/2の場合には逆に貴金属の活性が阻害される。   Here, when the precious metal / base metal (composition ratio (molar ratio))> 5/1, the effect of adding the base metal does not appear, and when the precious metal / base metal (composition ratio (molar ratio)) <1/2. In contrast, the activity of noble metals is inhibited.

本発明において、親水性の高いカーボン及びこれに担持される触媒粒子の種類及び平均粒径については、特に制限されるべきものではなく、従来公知のもののなかから適宜選択することができる。   In the present invention, the type and average particle size of the highly hydrophilic carbon and the catalyst particles supported thereon are not particularly limited, and can be appropriately selected from conventionally known ones.

本発明では、電極触媒の耐久性と触媒性能とを両立させ、かつ、経時的な触媒活性の低下幅をより小さくするために、撥水性の高いカーボンと親水性の高いカーボンとに担持させる触媒粒子は、それぞれに平均粒径を調整して担持させるのが好ましい。かかる観点からが、撥水性の高いカーボンにおける触媒粒子の平均粒径は、1〜10nm、好ましくは2〜6nmとするのがよい。前記平均粒径が、1nm未満であると発電開始初期において高い触媒活性が得られるが長期間の使用で耐久性が劣る恐れがあり、10nmを超えると触媒粒子の粒子表面積が小さくなりアイオノマーとの接触状態が悪くなるなどして却って触媒活性が低下する恐れがある。一方、親水性の高いカーボンにおける触媒粒子の平均粒径は、1〜10nm、好ましくは2〜6nmとするのがよい。前記平均粒径が、1nm未満であると経時的な触媒活性の低下を十分に小さくすることができない恐れがあり、10nmを超えると触媒粒子の粒子表面積が小さくなりアイオノマーとの接触状態が悪くなるなどして却って触媒活性が低下する恐れがある。   In the present invention, in order to achieve both the durability and catalytic performance of the electrode catalyst and to further reduce the decrease in the catalytic activity over time, the catalyst supported on carbon having high water repellency and carbon having high hydrophilicity. The particles are preferably supported by adjusting the average particle diameter. From this point of view, the average particle diameter of the catalyst particles in carbon having high water repellency is 1 to 10 nm, preferably 2 to 6 nm. If the average particle size is less than 1 nm, high catalytic activity can be obtained at the beginning of power generation, but durability may be inferior when used for a long period of time. If the average particle size exceeds 10 nm, the particle surface area of the catalyst particles becomes small, and On the contrary, there is a risk that the catalytic activity may decrease due to the poor contact state. On the other hand, the average particle diameter of the catalyst particles in the highly hydrophilic carbon is 1 to 10 nm, preferably 2 to 6 nm. If the average particle size is less than 1 nm, the decrease in the catalytic activity over time may not be sufficiently reduced. If the average particle size exceeds 10 nm, the particle surface area of the catalyst particles becomes small and the contact state with the ionomer becomes poor. On the other hand, the catalytic activity may decrease.

ここで「触媒粒子の平均粒径」とはX線回折における触媒粒子の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径あるいは透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒粒子の粒子径の平均値を示す。   Here, the “average particle diameter of the catalyst particles” refers to the average value of the particle diameter of the catalyst particles determined from the crystallite diameter or the transmission electron microscope image obtained from the half width of the diffraction peak of the catalyst particles in X-ray diffraction.

また、本発明の電極触媒は、電極触媒に用いられる触媒粒子の全量に対して、前記撥水性の高いカーボンにおける触媒粒子の担持量を10〜70質量%、好ましくは20〜60質量%、より好ましくは30〜50質量%とし、前記親水性の高いカーボンにおける触媒粒子の担持量を5〜70質量%、好ましくは20〜60質量%、より好ましくは30〜50質量%とするのが好ましい。   In the electrode catalyst of the present invention, the supported amount of catalyst particles in the highly water-repellent carbon is 10 to 70% by mass, preferably 20 to 60% by mass, based on the total amount of catalyst particles used in the electrode catalyst. Preferably, the amount of catalyst particles in the highly hydrophilic carbon is 5 to 70% by mass, preferably 20 to 60% by mass, and more preferably 30 to 50% by mass.

電極触媒の耐久性と触媒性能とをより向上させ、かつ、経時的な触媒活性の低下幅をより小さくするためには、前記撥水性の高いカーボンと親水性の高いカーボンとのそれぞれに担持させる触媒粒子の担持量を、上記した範囲内とするのが好ましい。   In order to further improve the durability and catalytic performance of the electrode catalyst, and to further reduce the decrease in the catalytic activity over time, it is supported on each of the carbon having high water repellency and carbon having high hydrophilicity. The supported amount of catalyst particles is preferably within the above-mentioned range.

前記撥水性の高いカーボンにおける前記担持量が、10質量%未満であると発電開始初期において高い触媒活性が得られない恐れがあり、70質量%を超えると担持される触媒粒子量が多すぎて触媒粒子同士が重なるなどして却って触媒活性が低下する恐れがある。   If the supported amount of carbon having a high water repellency is less than 10% by mass, high catalytic activity may not be obtained at the beginning of power generation, and if it exceeds 70% by mass, the amount of supported catalyst particles is too large. There is a risk that the catalyst activity may be reduced due to the catalyst particles overlapping each other.

前記親水性の高いカーボンにおける前記担持量が、70質量%を超えると担持される触媒粒子量が多すぎて触媒粒子同士が重なるなどして却って触媒活性が低下する恐れがあり、10質量%未満であると経時的な触媒活性の低下を十分に小さくすることができない恐れがある。   If the supported amount in the highly hydrophilic carbon is more than 70% by mass, the amount of the supported catalyst particles is too large and the catalyst particles may be overlapped with each other. If it is, there is a possibility that the decrease in the catalytic activity over time cannot be made sufficiently small.

本発明の電極触媒は、電極触媒の耐久性と触媒性能とをさらに向上させるために、前記撥水性の高いカーボンに触媒粒子が担持されたものと、前記親水性の高いカーボンに触媒粒子が担持されたものとを、所定の比率で混合させて、組成が異なる2種類の触媒スラリーを形成するようにしてもよい。   In the electrode catalyst of the present invention, in order to further improve the durability and catalyst performance of the electrode catalyst, the catalyst particles are supported on the highly water-repellent carbon, and the catalyst particles are supported on the highly hydrophilic carbon. Two types of catalyst slurries having different compositions may be formed by mixing them at a predetermined ratio.

すなわち、本発明の電極触媒は、前記撥水性の高いカーボンに前記触媒粒子が担持されてなる電極触媒(C)と、前記親水性の高いカーボンに前記触媒粒子が担持されてなる電極触媒(D)とが、質量比(D)/(C)が4/1〜1/2、好ましくは3/1〜1/2、より好ましくは2/1〜1/1の範囲で混合されてなるものを用いてもよい。上記範囲で使用する場合には、電極触媒(C)と電極触媒(D)との混合される質量比(D)/(C)が、4/1を超えると十分な耐久性が得られない恐れがあり、1/2未満であると触媒性能が低下する恐れがあるため、上記範囲内とするのが好ましい。ただし、撥水性の高いカーボン混合組成と、親水性の高いカーボン混合組成は、使用目的によっては、必ずしも上記範囲内にない領域が存在してもよいことはいうまでもない。即ち、触媒層内で排水路を形成するには、撥水性カーボンを単独で使用した方が有効となる場合もあるためである。親水性部分(島状部分)に関しても、電極反応を高める観点からは、親水性カーボンを単独で使用した方が有効となる場合もあるためである。   That is, the electrode catalyst of the present invention includes an electrode catalyst (C) in which the catalyst particles are supported on the highly water-repellent carbon, and an electrode catalyst (D) in which the catalyst particles are supported on the highly hydrophilic carbon. ) And a mass ratio (D) / (C) of 4/1 to 1/2, preferably 3/1 to 1/2, more preferably 2/1 to 1/1. May be used. When used in the above range, if the mass ratio (D) / (C) to which the electrode catalyst (C) and the electrode catalyst (D) are mixed exceeds 4/1, sufficient durability cannot be obtained. If the ratio is less than ½, the catalyst performance may be lowered. However, it goes without saying that the carbon mixture composition having high water repellency and the carbon mixture composition having high hydrophilicity may have a region not necessarily within the above range depending on the purpose of use. That is, in order to form a drainage channel in the catalyst layer, it may be more effective to use water-repellent carbon alone. This is because the hydrophilic part (island-like part) may be more effective when used alone from the viewpoint of enhancing the electrode reaction.

本発明の電極触媒に用いられる、前記親水性の高いカーボンは、導電率が1〜10S/cmのものを用いるのがよい。親水性の高いカーボンは、高性能な燃料電池の電極触媒に用いられるため、触媒粒子を担持するだけではなく、電子を外部回路に取り出すあるいは外部回路から取り入れるための集電体としての機能を有することなどが求められる。前記親水性の高いカーボンの導電率が、1S/cm未満であると燃料電池の内部抵抗が高くなり電池性能の低下を招く恐れがあり、10S/cmを超えると触媒活性が低下する恐れがある。一方、撥水性の高いカーボンでは、導電率が10〜1000S/cmのものを用いるのがよい。前記撥水性の高いカーボンの導電率が、10S/cm未満であると耐久性が低下する恐れがあり、1000S/cmを超えると触媒活性が低下する恐れがある。   The highly hydrophilic carbon used in the electrode catalyst of the present invention is preferably one having a conductivity of 1 to 10 S / cm. Highly hydrophilic carbon is used as an electrocatalyst for high-performance fuel cells, so it not only supports catalyst particles but also functions as a current collector for taking electrons into or taking them out of the external circuit. That is required. If the electrical conductivity of the highly hydrophilic carbon is less than 1 S / cm, the internal resistance of the fuel cell may be increased, leading to a decrease in cell performance, and if it exceeds 10 S / cm, the catalytic activity may be decreased. . On the other hand, carbon having a high water repellency is preferably used with a conductivity of 10 to 1000 S / cm. If the conductivity of the carbon having high water repellency is less than 10 S / cm, the durability may be lowered, and if it exceeds 1000 S / cm, the catalytic activity may be lowered.

次に、親水性の高いカーボンに担持される触媒粒子としては、水素の酸化反応および/または酸素の還元反応に対して触媒作用を示すものであればよい。例えば、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム及びイリジウムから群より選ばれた少なくとも一種以上の貴金属が挙げられる。特に白金は、触媒活性が高いため単独で触媒粒子として用いることができる。しかしながら、耐熱性、一酸化炭素等への耐被毒性などを向上させることを目的として、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、もしくはイリジウムから選ばれる少なくとも一種以上の卑金属と白金等の貴金属との合金として用いてもよい。   Next, the catalyst particles supported on the highly hydrophilic carbon may be any catalyst particles that exhibit a catalytic action for the hydrogen oxidation reaction and / or the oxygen reduction reaction. For example, at least one or more kinds of noble metals selected from the group consisting of platinum, palladium, rhodium, ruthenium and iridium can be mentioned. In particular, platinum can be used alone as catalyst particles because of its high catalytic activity. However, for the purpose of improving heat resistance, poisoning resistance to carbon monoxide, etc., at least one base metal selected from chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, or iridium and a noble metal such as platinum. It may be used as an alloy.

親水性の高いカーボンに担持される触媒粒子においても、合金における貴金属と卑金属との混合比は、質量比で白金/卑金属が、1/1〜5/1、特に2/1〜4/1とするのが好ましい。これにより、高い触媒活性を維持しつつ、耐被毒性、耐食性などを有する触媒粒子とすることができる。   Even in the catalyst particles supported on carbon having high hydrophilicity, the mixing ratio of the noble metal and the base metal in the alloy is platinum / base metal in a mass ratio of 1/1 to 5/1, particularly 2/1 to 4/1. It is preferable to do this. Thereby, it can be set as the catalyst particle which has poisoning resistance, corrosion resistance, etc., maintaining high catalyst activity.

前記撥水性の高いカーボンおよび親水性の高いカーボンへの触媒粒子の担持方法としては、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル法(マイクロエマルジョン法)など、従来一般的に用いられている方法であればよい。   The catalyst particles are supported on the highly water-repellent carbon and the highly hydrophilic carbon by impregnation method, liquid phase reduction support method, evaporation to dryness method, colloid adsorption method, spray pyrolysis method, reverse micelle method (micro micelle method) Any method generally used in the past may be used, such as an emulsion method.

また、触媒層には、上記した触媒粒子を担持した炭素粉末(親水性の高いカーボン)および触媒粒子を担持または非担持の撥水性の高いカーボンの他に、イオン交換樹脂などの高分子電解質が含まれる。イオン交換樹脂がバインダーポリマーとして電極触媒の少なくとも一部を被覆しているのが好ましい。これにより、イオン伝導性などを向上させるだけでなく、電極構造を安定して維持することができ、電極性能を高めることができる。   The catalyst layer includes a polymer electrolyte such as an ion exchange resin in addition to the above-described carbon powder (carbon having high hydrophilicity) supporting catalyst particles and carbon having high or low water repellency supporting or not supporting catalyst particles. included. It is preferable that the ion exchange resin covers at least a part of the electrode catalyst as a binder polymer. Thereby, not only ion conductivity etc. can be improved, but an electrode structure can be maintained stably and electrode performance can be improved.

イオン交換樹脂は、特に限定されず、Nafion溶液などのパーフルオロスルホン酸ポリマー系のプロトン導電体、リン酸などの無機酸を炭化水素系高分子化合物にドープさせたもの、一部がプロトン導電体の官能基で置換された有機/無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたプロトン導電体などからなるイオン交換樹脂が挙げられる。   The ion exchange resin is not particularly limited, and is a perfluorosulfonic acid polymer proton conductor such as a Nafion solution, a hydrocarbon polymer compound doped with an inorganic acid such as phosphoric acid, partly a proton conductor And organic / inorganic hybrid polymers substituted with the above functional groups, and ion exchange resins made of proton conductors in which a polymer matrix is impregnated with a phosphoric acid solution or a sulfuric acid solution.

パーフルオロスルホン酸ポリマー系のプロトン導電体として、具体的には、炭素原子とフッ素原子のみからなる重合体だけではなく、水素原子が全てフッ素原子と置換されていれば酸素原子等を含有するものなどが挙げられ、CF=CFに基づく重合単位とCF=CF−(OCFCFX)−O−(CF−SOHに基づく重合単位(式中、Xはフッ素原子又はトリフルオロメチル基であり、mは0〜3の整数であり、nは1〜12の整数であり、pは0又は1である。)とを含む共重合体などがある。 Specific examples of perfluorosulfonic acid polymer proton conductors include not only polymers composed of only carbon atoms and fluorine atoms, but also oxygen atoms if all hydrogen atoms are replaced with fluorine atoms. and the like, CF 2 = polymerized units based on CF 2 and CF 2 = CF- (OCF 2 CFX ) m -O p - (CF 2) n -SO 3 polymerized units (in the formula based on H, X is fluorine An atom or a trifluoromethyl group, m is an integer of 0 to 3, n is an integer of 1 to 12, and p is 0 or 1.).

前記触媒層には、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体といった撥水性高分子などが含まれてもよい。これにより、得られる触媒層の撥水性を高めることができ、発電時に生成した水などを速やかに排出することができる。   The catalyst layer may contain a water-repellent polymer such as polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer. Thereby, the water repellency of the resulting catalyst layer can be increased, and water generated during power generation can be quickly discharged.

次に、ガス拡散層としては、特に限定されないが、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を基材とする多孔質基材などが挙げられる。また、ガス拡散層でも触媒層と同様に撥水性を高めてフラッディング現象を防ぐために、公知の手段を用いて、前記ガス拡散層の撥水処理を行ったり、前記ガス拡散層上に炭素粒子集合体からなる層を形成してもよい。   Next, the gas diffusion layer is not particularly limited, but includes a porous base material based on a sheet-like material having conductivity and porosity, such as a carbon woven fabric, a paper-like paper body, a felt, and a non-woven fabric. Can be mentioned. Similarly to the catalyst layer, in the gas diffusion layer, in order to increase water repellency and prevent flooding phenomenon, the gas diffusion layer is subjected to water repellency treatment using known means, or carbon particle aggregates are formed on the gas diffusion layer. A body layer may be formed.

本発明の固体高分子型燃料電極は、さらに高分子電解質膜を一対の電極(アノードとカソード)で挟んでMEAとして用いることができる。   The polymer electrolyte fuel electrode of the present invention can be used as an MEA by further sandwiching a polymer electrolyte membrane between a pair of electrodes (anode and cathode).

該MEAに用いることのできる高分子電解質膜としては、特に限定されないが、イオン交換樹脂からなる膜などが挙げられる。前記イオン交換樹脂は、本発明の触媒層において説明したのと同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。イオン交換樹脂は、電極触媒層と固体高分子電解質膜とで同じものを用いてもよく、異なるものを用いてもよいが、イオン伝導性などを考慮すると同じものを用いるのが好ましい。該高分子電解質膜としては、例えば、デュポン社製の各種のナフィオン(デュポン社登録商標:NAFION)やフレミオンに代表されるパーフルオロスルホン酸膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン-四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜などの市販品を用いてもよい。   The polymer electrolyte membrane that can be used for the MEA is not particularly limited, and examples thereof include a membrane made of an ion exchange resin. Since the ion exchange resin is the same as that described in the catalyst layer of the present invention, detailed description thereof is omitted here. The same ion exchange resin may be used for the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane, or different ones may be used, but the same one is preferably used in consideration of ion conductivity and the like. Examples of the polymer electrolyte membrane include various types of Nafion (DuPont registered trademark: NAFION) manufactured by DuPont, perfluorosulfonic acid membranes represented by Flemion, ion exchange resins manufactured by Dow Chemical, and ethylene-tetrafluoroethylene. Commercially available products such as fluoropolymer electrolytes such as fluorinated ethylene copolymer resin films and resin films based on trifluorostyrene, and hydrocarbon-based resin films having sulfonic acid groups may be used.

本発明のMEAの構成を有する燃料電池用電極において、触媒層、ガス拡散層、および高分子電解質膜の厚さは、燃料ガスの拡散性などを向上させるには薄い方が望ましいが、薄すぎると十分な電極出力が得られない。従って、所望の特性を有するMEAが得られるように適宜決定すればよい。   In the fuel cell electrode having the MEA configuration of the present invention, the catalyst layer, the gas diffusion layer, and the polymer electrolyte membrane are desirably thin to improve the diffusibility of the fuel gas, but are too thin. A sufficient electrode output cannot be obtained. Therefore, it may be determined as appropriate so that an MEA having desired characteristics can be obtained.

上述したMEAは、燃料電池として好適に用いられる。燃料電池の種類としては、実用性・安全性などの観点から、固体高分子電解質型燃料電池(PEFC)が好ましく挙げられる。   The above-mentioned MEA is suitably used as a fuel cell. As the type of the fuel cell, a solid polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is preferably mentioned from the viewpoints of practicality and safety.

燃料電池の構造は、特に限定されないが、MEAをセパレータで積層した構造などが挙げられる(図1参照のこと)。   The structure of the fuel cell is not particularly limited, and examples thereof include a structure in which MEAs are stacked with a separator (see FIG. 1).

前記セパレータとしては、カーボンペーパー、カーボンクロスなど、一般的に用いられているものであればよい。また、前記セパレータは、空気と燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、それらの流路を確保するためにガス流通溝が形成されてもよく、従来公知の技術を適宜利用することができる。セパレータの厚さや大きさについては、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。   The separator may be any commonly used material such as carbon paper or carbon cloth. Further, the separator has a function of separating air and fuel gas, and a gas flow groove may be formed in order to secure a flow path thereof, and a conventionally known technique can be appropriately used. it can. The thickness and size of the separator are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of the obtained fuel cell.

さらに、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、セパレータを介してMEAを複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。   Furthermore, a stack in which a plurality of MEAs are stacked via a separator and connected in series may be formed so that the fuel cell can obtain a desired voltage or the like. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.

本発明の燃料電池用電極は、発電性能および耐久性に優れるため、長期に亘り優れた特性を示すことが可能となる。従って、かような燃料電池用電極を用いたMEAおよび燃料電池は、従来のものと比較して、より優れた性能を発揮することができる。よって、燃料電池システムの高効率化などを図ることができ、定置用電源、車両などの移動体用電源などとして有用である。   Since the fuel cell electrode of the present invention is excellent in power generation performance and durability, it can exhibit excellent characteristics over a long period of time. Therefore, the MEA and the fuel cell using such a fuel cell electrode can exhibit superior performance as compared with the conventional one. Therefore, the efficiency of the fuel cell system can be improved, and the fuel cell system is useful as a stationary power source, a power source for moving bodies such as vehicles.

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されることはない。   Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples. In addition, this invention is not limited only to these Examples.

実施例1
本発明を実施するにあたり、カソード触媒層の形成を行った。まず、カソード触媒層内における親水性部分を作製するための電極触媒スラリー(親水性スラリー)を調製した。粒子径が約2〜3nmのPt微粒子が付着したBET表面積が800m/gのケッチェンブラック(Pt担持量:50wt%)を電極触媒として用い、この電極触媒粉末に、純水とプロトン交換膜と同成分の電解質が溶解した電解質溶液(Nafion溶液、DuPont社登録商標)とイソプロパノールのような低級アルコールを加え、ホモジナイザーにより微細化・混合を行い、親水性スラリーを調製した。ついで、粒子径が約2〜3nmのPt微粒子が付着したBET表面積が120m/gのグラファイト化ケッチェンブラック(Pt担持量:50wt%)を電極触媒として用い、この電極触媒粉末に純水とNafion溶液とイソプロパノールを加え、先ほどと同様に粉砕混合することで撥水性スラリーを調製した。
Example 1
In carrying out the present invention, a cathode catalyst layer was formed. First, an electrode catalyst slurry (hydrophilic slurry) for preparing a hydrophilic portion in the cathode catalyst layer was prepared. Using ketjen black (Pt supported amount: 50 wt%) having a BET surface area of 800 m 2 / g to which Pt fine particles having a particle diameter of about 2 to 3 nm are attached as an electrode catalyst, pure water and a proton exchange membrane are used as the electrode catalyst powder. An electrolyte solution in which the electrolyte of the same component was dissolved (Nafion solution, registered trademark of DuPont) and a lower alcohol such as isopropanol were added, and refined and mixed with a homogenizer to prepare a hydrophilic slurry. Next, graphitized ketjen black (Pt supported amount: 50 wt%) having a BET surface area of 120 m 2 / g to which Pt fine particles having a particle diameter of about 2 to 3 nm are attached is used as an electrode catalyst. A Nafion solution and isopropanol were added, and the water-repellent slurry was prepared by pulverization and mixing as described above.

上記の手法により調製した親水性スラリーと撥水性スラリーをスクリーンプリンターを用いてテフロン(登録商標)シート上に触媒スラリーを塗布し、テフロン(登録商標)シート上に触媒層を形成した。この触媒層を形成する際に、二種類のスクリーンメッシュを用い、一つは、親水性スラリー塗布用のメッシュで、塗布可能部分が四角形となっており、他方は撥水性スラリー塗布用のメッシュで、塗布可能部分が前記四角形の隙間を埋めるような格子状となっている(図2参照のこと)。目的のPt使用量に達するまで前記二種類のメッシュを用い、前記二種類のスラリーを交互に塗布した。Pt使用量を0.4mg/cmとなるようにした。また、カソード触媒層の厚みは約20μm程度であった。   The catalyst slurry was applied to the Teflon (registered trademark) sheet using the screen slurry of the hydrophilic slurry and the water-repellent slurry prepared by the above-described method to form a catalyst layer on the Teflon (registered trademark) sheet. When forming this catalyst layer, two types of screen meshes are used, one is a mesh for applying a hydrophilic slurry, the applicable part is a square, and the other is a mesh for applying a water-repellent slurry. The coatable portion has a lattice shape so as to fill the square gap (see FIG. 2). The two types of slurries were applied alternately using the two types of meshes until the target Pt usage amount was reached. The amount of Pt used was 0.4 mg / cm. The thickness of the cathode catalyst layer was about 20 μm.

次に、アノード触媒層の形成を行った。前記親水性スラリーを用い、テフロン(登録商標)シート上にスクリーンプリンターにより塗布して触媒層を形成した。このアノード触媒層の厚みは約20μm程度であった。   Next, an anode catalyst layer was formed. Using the hydrophilic slurry, a catalyst layer was formed by applying it onto a Teflon (registered trademark) sheet with a screen printer. The anode catalyst layer had a thickness of about 20 μm.

前記、アノード触媒層とカソード触媒層をホットプレスにより電解質膜(Nafion膜、DuPont社製、厚さ25μm)に転写することで膜−電極接合体を形成した。   The anode catalyst layer and the cathode catalyst layer were transferred to an electrolyte membrane (Nafion membrane, manufactured by DuPont, thickness: 25 μm) by hot pressing to form a membrane-electrode assembly.

なお、本実施例1では、親水性スラリーで用いられる触媒担持体にケッチェンブラックを用いているが、本発明ではこれに限られず、バルカンやブラックパールなどであっても構わない。また、撥水性スラリーで用いられるカーボンも。グラファイト化バルカンやグラファイト化アセチレンブラック、グラファイト化ファーネスブラックなどであっても構わない。更に、触媒層面内の親水性部分の形状に四角形の格子状の幾何学的パターンを用いたが(図2参照のこと)、かかる幾何学的パターンに何ら限られず、例えば、三角形やハニカム状(図示せず)、ひし形などであっても構わない(図3〜7参照のこと)。   In Example 1, ketjen black is used as the catalyst carrier used in the hydrophilic slurry. However, the present invention is not limited to this, and vulcanized or black pearl may be used. Carbon used in water repellent slurry. Graphitized Vulcan, Graphitized Acetylene Black, Graphitized Furnace Black, etc. may be used. Furthermore, although a rectangular lattice-like geometric pattern was used for the shape of the hydrophilic portion in the catalyst layer surface (see FIG. 2), it is not limited to such a geometric pattern. (Not shown), a rhombus, or the like (see FIGS. 3 to 7).

実施例2
以下の手順によりテフロン(登録商標)シート上にカソード触媒層を形成した。
実施例1で使用したスラリーとスクリーン印刷用メッシュを用い、テフロン(登録商標)シート上に実施例1と同様のパターンで厚みが約10μmの触媒層を形成し、この触媒層を触媒層1とした。ついで、前記約10μmの厚みの触媒層1の上に更に触媒層を形成した。この際に、新たな二つのメッシュを用いた。一つは塗布可能部分が四角形で(実施例1の四角形の面積を超える面積の四角形であり、四角形の数は同じ)、他方は前記四角形の隙間を埋めるような格子状になっている。この新たな二種類のメッシュを用い、二種類のスラリーを塗布し、Pt使用量が0.4mg/cmとなるまでスラリーの塗布を繰り返した。新たに塗布された触媒層を触媒層2とした(図8参照のこと)。この時の触媒層の厚みはトータルで約20μmであった。
Example 2
A cathode catalyst layer was formed on a Teflon (registered trademark) sheet by the following procedure.
Using the slurry and screen printing mesh used in Example 1, a catalyst layer having a thickness of about 10 μm was formed in a pattern similar to Example 1 on a Teflon (registered trademark) sheet. did. Subsequently, a catalyst layer was further formed on the catalyst layer 1 having a thickness of about 10 μm. At this time, two new meshes were used. One is a quadrangle in which the coatable part is a square (the number of squares exceeds the square area of Example 1 and the number of squares is the same), and the other is a lattice shape that fills the gaps of the squares. Using these two new types of meshes, two types of slurry were applied, and the application of the slurry was repeated until the amount of Pt used reached 0.4 mg / cm 2 . The newly applied catalyst layer was designated as catalyst layer 2 (see FIG. 8). The total thickness of the catalyst layer at this time was about 20 μm.

前記カソード触媒層と実施例1で作製したアノード触媒層をホットプレスによりNafion膜(厚さ25μm)に転写することで膜−電極接合体を形成した。   The cathode catalyst layer and the anode catalyst layer prepared in Example 1 were transferred to a Nafion film (thickness: 25 μm) by hot pressing to form a membrane-electrode assembly.

本実施例2では、触媒層満内の親水性部分の形状として四角形を採用しているが、本発明では、特に四角形に限らない。   In Example 2, a quadrangle is adopted as the shape of the hydrophilic portion in the catalyst layer. However, in the present invention, the shape is not limited to a quadrangle.

実施例3
カソード側触媒層において、ガスの出口側から入口側に向かって親水性部分が増大している触媒層の形成を行った。本実施例では触媒層を4分割にした(図9参照のこと。ただし図中の符号と本実施例の以下の説明に用いた符号は若干異なるので留意のこと。)。前記4分割は4等分されており、ガス出口に最も近い部分を触媒層1−1’、ガス入口に最も近い部分を触媒層1−3’、それ以外の部分を触媒層1−2’とする。前記3種類の触媒層を形成するためのスクリーンメッシュを、親水性部分用メッシュ1−1’、1−2’、1−3’(触媒層1−1’、1−2’、1−3’に使用)、撥水性部分用メッシュ1−1’、1−2’、1−3’(触媒層1−1’、1−2’、1−3’に使用)とする。親水性部分用メッシュは塗布可能部分が四角形であり、この四角形は同数配置され、その四角形の面積は親水性部分用メッシュ1−1’<親水性部分用メッシュ1−2’<親水性部分用メッシュ1−3’という関係になっている。また、撥水性部分用メッシュは対応する親水性部分用メッシュの四角形の隙間を埋める溝構造となっている。親水性部分用メッシュ1−1’と撥水性部分用メッシュ1−1’を用いて触媒層1−1’を形成し、また同様にして触媒層1−2’、触媒層1−3’を形成し、テフロン(登録商標)シート上に触媒層を形成した。この時の触媒層内のPt使用量は0.4mg/cmであり、触媒層の厚みは約20μmであった。
Example 3
In the cathode side catalyst layer, a catalyst layer was formed in which the hydrophilic portion increased from the gas outlet side to the inlet side. In this example, the catalyst layer was divided into four parts (see FIG. 9, but note that the reference numerals in the figure and the reference numerals used in the following description of this example are slightly different). The four divisions are divided into four equal parts, the portion closest to the gas outlet is the catalyst layer 1-1 ′, the portion closest to the gas inlet is the catalyst layer 1-3 ′, and the other portion is the catalyst layer 1-2 ′. And Screen meshes for forming the three types of catalyst layers are hydrophilic part meshes 1-1 ′, 1-2 ′, 1-3 ′ (catalyst layers 1-1 ′, 1-2 ′, 1-3). Used for the water repellent portion 1-1 ′, 1-2 ′, and 1-3 ′ (used for the catalyst layers 1-1 ′, 1-2 ′, and 1-3 ′). The hydrophilic portion mesh has a quadrangular shape, and the same number of the quadrangles are arranged, and the area of the square is hydrophilic portion mesh 1-1 ′ <hydrophilic portion mesh 1-2 ′ <hydrophilic portion use. The relationship is mesh 1-3 ′. Further, the water repellent part mesh has a groove structure that fills the square gap of the corresponding hydrophilic part mesh. The catalyst layer 1-1 ′ is formed using the hydrophilic portion mesh 1-1 ′ and the water repellent portion mesh 1-1 ′, and the catalyst layer 1-2 ′ and the catalyst layer 1-3 ′ are formed in the same manner. And a catalyst layer was formed on the Teflon (registered trademark) sheet. The amount of Pt used in the catalyst layer at this time was 0.4 mg / cm 2 , and the thickness of the catalyst layer was about 20 μm.

前記カソード触媒層と実施例1と同様の手段で作製したアノード触媒層をホットプレスによりNafion膜(25μm)に転写することで、膜−電極接合体を形成した。   The cathode catalyst layer and the anode catalyst layer produced by the same means as in Example 1 were transferred to a Nafion film (25 μm) by hot pressing to form a membrane-electrode assembly.

本実施例3でも、触媒層満内の親水性部分の形状として四角形を採用しているが、本発明では、特に四角形に限らない。   Also in the third embodiment, a quadrangular shape is adopted as the shape of the hydrophilic portion within the full catalyst layer. However, in the present invention, the shape is not limited to a quadrangular shape.

実施例4
実施例3と同様の手段を用いて、同様の触媒層をテフロン(登録商標)シート上に形成した(触媒層Aとする)。ただし、触媒層内におけるPt使用量は約0.2mg/cmで厚みは約10μmであった。次に、前記形成した触媒層の上に新たに触媒層を形成した(触媒層Bとする)(図10参照のこと。ただし図中の符号と本実施例の以下の説明に用いた符号は若干異なるので留意のこと。)。この新たに形成された触媒層は下地である触媒層と同様に4分割されており、ガス出口に最も近い部分の触媒層を触媒層2−1’、ガス入口に最も近い部分の触媒層を触媒層2−3’、それ以外の部分を触媒層2−2’とする。
Example 4
Using the same means as in Example 3, a similar catalyst layer was formed on a Teflon (registered trademark) sheet (referred to as catalyst layer A). However, the amount of Pt used in the catalyst layer was about 0.2 mg / cm 2 and the thickness was about 10 μm. Next, a new catalyst layer was formed on the formed catalyst layer (referred to as catalyst layer B). Note that this is slightly different.) This newly formed catalyst layer is divided into four parts in the same manner as the base catalyst layer, the catalyst layer closest to the gas outlet is the catalyst layer 2-1 ', and the catalyst layer closest to the gas inlet is the catalyst layer. The catalyst layer 2-3 ′ and the other part are referred to as a catalyst layer 2-2 ′.

また、この触媒層2−1’、2−2’、2−3’を形成するためのスクリーンメッシュにおいて、各触媒層における親水性部分を親水性部分用メッシュ2−1’、2−2’、2−3’で形成し、撥水性部分を撥水性部分用メッシュ2−1’、2−2’、2−3’で形成した。この時、親水性部分用メッシュにおいては、塗布可能部分を四角形とし、撥水性部分用メッシュにおける塗布可能部分は親水性部分の四角形の隙間を埋める溝構造となっている。また、親水性部分用メッシュにおいて、四角形の面積は、親水性部分用メッシュ2−1’<親水性部分用メッシュ2−2’<親水性部分用メッシュ2−3’となっており、更に、親水性部分用メッシュ2−1’>親水性部分用メッシュ1−1、親水性部分用メッシュ2−2’>親水性部分用メッシュ1−2、親水性部分用メッシュ2−3’>親水性部分用メッシュ1−3という関係を有している。   Moreover, in the screen mesh for forming this catalyst layer 2-1 ', 2-2', 2-3 ', the hydrophilic part in each catalyst layer is made into the hydrophilic part mesh 2-1', 2-2 '. The water-repellent portion was formed of the water-repellent portion meshes 2-1 ′, 2-2 ′, and 2-3 ′. At this time, in the hydrophilic portion mesh, the coatable portion has a square shape, and the coatable portion in the water repellent portion mesh has a groove structure that fills the square gap of the hydrophilic portion. Further, in the hydrophilic portion mesh, the area of the quadrangle is hydrophilic portion mesh 2-1 ′ <hydrophilic portion mesh 2-2 ′ <hydrophilic portion mesh 2-3 ′. Hydrophilic part mesh 2-1 '> Hydrophilic part mesh 1-1, Hydrophilic part mesh 2-2'> Hydrophilic part mesh 1-2, Hydrophilic part mesh 2-3 '> Hydrophilic The partial mesh 1-3 is related.

上記のような親水性部分用メッシュ2−1’、2−2’、2−3’と撥水性部分用メッシュ2−1’、2−2’、2−3’を用いて、触媒層1(触媒層A)の上に新たに触媒層2(触媒層B)を形成した。この時、触媒層1+触媒層2で一つのカソード触媒層であり、トータルでのPt使用量が0.4mg/cmで、厚みが約20μmであった。 Using the hydrophilic part meshes 2-1 ', 2-2', 2-3 'and the water repellent part meshes 2-1', 2-2 ', 2-3' as described above, the catalyst layer 1 A catalyst layer 2 (catalyst layer B) was newly formed on (catalyst layer A). At this time, catalyst layer 1 + catalyst layer 2 was one cathode catalyst layer, the total amount of Pt used was 0.4 mg / cm 2 , and the thickness was about 20 μm.

前記カソード触媒層と実施例1と同様の手段で作製したアノード触媒層をホットプレスによりNafion膜(25μm)に転写することで、膜−電極接合体を形成した。   The cathode catalyst layer and the anode catalyst layer produced by the same means as in Example 1 were transferred to a Nafion film (25 μm) by hot pressing to form a membrane-electrode assembly.

本実施例4でも、触媒層満内の親水性部分の形状として四角形を採用しているが、本発明では、特に四角形に限らない。   Also in Example 4, a quadrangular shape is adopted as the shape of the hydrophilic portion within the catalyst layer. However, in the present invention, the shape is not limited to a quadrangular shape.

比較例1
実施例1で調製した親水性スラリーを用い、パターンが設けられていないスクリーンメッシュを用い、スクリーンプリンターによりテフロン(登録商標)シート上に触媒層を形成した。このような触媒層を二枚作製した。このように作製したホットプレスによりNafion膜に転写することで膜−電極接合体を形成した。
Comparative Example 1
A catalyst layer was formed on a Teflon (registered trademark) sheet by a screen printer using a screen mesh without a pattern, using the hydrophilic slurry prepared in Example 1. Two such catalyst layers were prepared. The membrane-electrode assembly was formed by transferring to the Nafion film by the hot press thus prepared.

<発電試験>
各実施例1〜4および比較例1で得た固体高分子型燃料電極を含むMEAを用いて燃料電池単セルを作製し、燃料電池単セルの性能測定を行った。本実施例並びに比較例で用いたMEAにおいて、電極(触媒層)部分の面積を100cmとした。
<Power generation test>
A fuel cell single cell was produced using the MEA including the polymer electrolyte fuel electrode obtained in each of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1, and the performance of the fuel cell single cell was measured. In the MEA used in this example and the comparative example, the area of the electrode (catalyst layer) portion was set to 100 cm 2 .

得られた燃料電池単セルの性能測定は以下に従った。なお、測定に際しては、アノード側に燃料として水素を供給し、カソード側には空気を供給した。両ガスとも供給圧力は大気圧とし、水素は58.6℃、空気は55℃で飽和加湿し、燃料電池本体の温度は70℃に設定し、水素利用率は70%、空気利用率は40%として、電流密度1.0A/cmで30分間運転を続けた。発電を停止する場合には取り出す電流密度をゼロとした後、アノードは空気パージをして水素を排出した。カソードは大気圧で出口側を解放とした。このとき燃料電池本体の温度制御は行わず、停止時間は30分とした。停止後運転を再開する場合には、再び上記条件でセルにガスを導入し、発電を行った。この起動−停止サイクルを繰り返す事によって、燃料電池単セルの耐久性評価を行った。結果を下記表1に示す。 The performance measurement of the obtained fuel cell single cell was as follows. In the measurement, hydrogen was supplied as fuel to the anode side, and air was supplied to the cathode side. The supply pressure of both gases is atmospheric pressure, hydrogen is 58.6 ° C., air is saturated and humidified at 55 ° C., the temperature of the fuel cell body is set to 70 ° C., the hydrogen utilization rate is 70%, and the air utilization rate is 40. %, The operation was continued for 30 minutes at a current density of 1.0 A / cm 2 . When power generation was stopped, the current density taken out was set to zero, and then the anode was purged with air to discharge hydrogen. The cathode was opened at the outlet side at atmospheric pressure. At this time, temperature control of the fuel cell body was not performed, and the stop time was 30 minutes. When restarting operation after stopping, gas was again introduced into the cell under the above conditions to generate power. By repeating this start-stop cycle, the durability of the single fuel cell was evaluated. The results are shown in Table 1 below.

図11は、実施例及び比較例の固体高分子型燃料電極を含むMEAを用いて構成した各固体高分子電解質型燃料電池の電流密度1.0A/cmにおけるセル電圧の起動−停止サイクル数に対する変化を表すグラフである。図11に示すように、本発明の固体高分子型燃料電極を含むMEA(実施例)を用いた燃料電池の方が、従来の固体高分子型燃料電極を含むMEA(比較例)を用いた燃料電池よりも、運転開始から起動停止サイクル数に対してセル電圧の低下速度が小さいことが確認された。 FIG. 11 shows the number of start-stop cycles of cell voltage at a current density of 1.0 A / cm 2 for each solid polymer electrolyte fuel cell configured using MEAs including solid polymer fuel electrodes of Examples and Comparative Examples. It is a graph showing the change with respect to. As shown in FIG. 11, the fuel cell using the MEA (Example) including the polymer electrolyte fuel electrode of the present invention used the MEA (Comparative Example) including the conventional polymer electrolyte fuel electrode. It was confirmed that the cell voltage decrease rate was smaller than the number of start / stop cycles from the start of operation, compared to the fuel cell.

なお、上記表1中の実施例3〜4では、図9〜図10に対応する形で、触媒層1と触媒層2が形成されており、各触媒層面内が4区画に等分割され、これらの区画の撥水性を有している溝構造の部分の面積Xと、親水性を有している島状部分の面積Yとの比が上記表1の如く異なるように形成されているものである。   In Examples 3 to 4 in Table 1, the catalyst layer 1 and the catalyst layer 2 are formed in a form corresponding to FIGS. 9 to 10, and each catalyst layer surface is equally divided into four sections. The ratio of the area X of the groove structure having water repellency in these sections to the area Y of the island-shaped part having hydrophilicity is different as shown in Table 1 above. It is.

一方、実施例1の触媒層は、1層であり、図2に対応する形で、触媒層全体がX/Y=1となるものであるが、上記表1中では、便宜上、実施例3〜4の区画に併せて表記しているのであり、実施例3、4のように各触媒層面内が4区画に等分割され、各区画ごとにX/Y比が異なっているものではないし、触媒層が2層構成になっているものでもない。   On the other hand, the catalyst layer of Example 1 is one layer, and the whole catalyst layer has X / Y = 1 in a form corresponding to FIG. 2. In addition, the catalyst layer surface is equally divided into four sections as in Examples 3 and 4, and the X / Y ratio is not different for each section. The catalyst layer is not a two-layer structure.

同様に、実施例2の触媒層は、図8に対応する形で、触媒層1と触媒層2があり、各触媒層ごとにX/Y比が異なるように形成されている。即ち、触媒層1全体がX/Y=1であり、触媒層2全体がX/Y=0.67であるが、上記表1中では、便宜上、実施例3〜4の区画に併せて表記しているのであり、実施例3、4のように各触媒層面内でX/Y比が異なるように4区画に等分割され、各区画ごとにX/Y比が異なっているものではない。   Similarly, the catalyst layer of Example 2 has a catalyst layer 1 and a catalyst layer 2 in a form corresponding to FIG. 8, and is formed so that the X / Y ratio is different for each catalyst layer. That is, the entire catalyst layer 1 is X / Y = 1 and the entire catalyst layer 2 is X / Y = 0.67, but in Table 1 above, for convenience, it is shown together with the sections of Examples 3 to 4 Therefore, as in Examples 3 and 4, the catalyst layers are equally divided into four sections so that the X / Y ratio is different, and the X / Y ratio is not different for each section.

本発明の固体高分子型燃料電極を含む燃料電池の基本構造ごとに分解して示した概略斜視図である。It is the schematic perspective view decomposed | disassembled and shown for every basic structure of the fuel cell containing the polymer electrolyte fuel electrode of this invention. 本発明の固体高分子型燃料電極における触媒層面内の幾何学パターンが格子状となっている例(実施例1に対応する実施形態である;パターン1)を示す触媒層の平面概略図である。1 is a schematic plan view of a catalyst layer showing an example (an embodiment corresponding to Example 1; pattern 1) in which a geometric pattern in a catalyst layer surface of the polymer electrolyte fuel electrode of the present invention is a lattice pattern; . 本発明の固体高分子型燃料電極における触媒層面内の幾何学パターンにおいて、親水性を有している島状部分が円形状となっており、その隙間を撥水性部分が取り囲んでいる例(パターン2)を示す触媒層の平面概略図である。In the geometric pattern in the catalyst layer surface of the polymer electrolyte fuel electrode of the present invention, an example is shown in which the island portion having hydrophilicity is circular and the water-repellent portion surrounds the gap (pattern) It is a plane schematic diagram of the catalyst layer showing 2). 本発明の固体高分子型燃料電極における触媒層面内の幾何学パターンにおいて、親水性を有している島状部分が菱形状となっており、その隙間を撥水性を有している溝構造の部分が取り囲んでいる例(パターン3)を示す触媒層の平面概略図である。In the geometric pattern in the catalyst layer surface of the solid polymer fuel electrode of the present invention, the island-like portion having hydrophilicity has a rhombus shape, and the gap has a groove structure having water repellency. It is the plane schematic of the catalyst layer which shows the example (pattern 3) which the part surrounds. 本発明の固体高分子型燃料電極における触媒層面内の幾何学パターンにおいて、親水性を有している島状部分が三角形状となっており、その隙間を撥水性を有している溝構造の部分が取り囲んでいる例(パターン4)を示す触媒層の平面概略図である。In the geometric pattern in the catalyst layer surface of the solid polymer fuel electrode of the present invention, the island-like portion having hydrophilicity has a triangular shape, and the gap has a groove structure having water repellency. It is the plane schematic of the catalyst layer which shows the example (pattern 4) which the part surrounds. 本発明の固体高分子型燃料電極における触媒層面内の幾何学パターンにおいて、親水性を有している島状部分が不規則な形状(不定形状)で島状に存在しており、その隙間を撥水性を有している溝構造の部分が取り囲んでいる例(パターン5)を示す触媒層の平面概略図である。In the geometric pattern in the catalyst layer surface of the polymer electrolyte fuel electrode of the present invention, the island portions having hydrophilicity are present in an irregular shape (indefinite shape) in an island shape, and the gaps are formed. It is the plane schematic diagram of the catalyst layer which shows the example (pattern 5) where the part of the groove structure which has water repellency surrounds. 本発明の固体高分子型燃料電極における触媒層面内の幾何学パターンにおいて、親水性部分と撥水性部分が格子状になっており、四角形の親水性部分が島状に点在し、その隙間を埋める溝構造の部分が撥水性である例(パターン6)を示す触媒層の平面概略図である。In the geometric pattern in the catalyst layer surface of the solid polymer fuel electrode of the present invention, the hydrophilic portion and the water-repellent portion are in a lattice shape, and the rectangular hydrophilic portion is dotted in an island shape, and the gaps are formed. It is the plane schematic diagram of the catalyst layer which shows the example (pattern 6) where the part of the groove structure to fill is water-repellent. 本発明の固体高分子型燃料電極における、カソード側触媒層が2層で構成されており、式(1)を満足するように、電解質膜側における触媒層の方が、親水性部分の島が小さく、撥水性部分の溝が大きくなっている例を示す解説図である(実施例2に対応する実施形態である)。In the polymer electrolyte fuel electrode of the present invention, the cathode side catalyst layer is composed of two layers, and the catalyst layer on the electrolyte membrane side has more hydrophilic islands so as to satisfy the formula (1). It is explanatory drawing which shows the example which is small and the groove | channel of the water-repellent part is large (this is an embodiment corresponding to Example 2). 本発明の固体高分子型燃料電極における式(2)を満足するように、触媒層面内で撥水性部分と親水性部分の占有面積の違いにより4分割されている触媒層によって、ガス出口側に近い方が、ガス入口側に近い方よりも、親水性部分の島が小さく、撥水性部分の溝が大きくなるように形成された触媒層の例を示す解説図である(実施例3に対応する実施形態である)。In order to satisfy the formula (2) in the solid polymer type fuel electrode of the present invention, the catalyst layer divided into four by the difference in the area occupied by the water-repellent part and the hydrophilic part in the catalyst layer surface leads to the gas outlet side. It is explanatory drawing which shows the example of the catalyst layer formed so that the near side was smaller than the side near the gas inlet side, and the island of the hydrophilic part was small, and the groove | channel of the water-repellent part was enlarged (corresponding to Example 3). Embodiment). 本発明の固体高分子型燃料電極における、式(2)を満足するように、触媒層面内で撥水性部分と親水性部分の占有面積の違いにより4分割されており、ガス出口付近ではガス入口付近より撥水性が高く、また、側触媒層が2層から構成されており、式(1)を満足するように、電解質膜に近い側はGDL側よりも撥水性が高くなっている触媒層の例を示す解説図である(実施例4に対応する実施形態である)。In the polymer electrolyte fuel electrode of the present invention, the catalyst layer surface is divided into four parts depending on the occupied area of the water-repellent part and the hydrophilic part so that the formula (2) is satisfied. The catalyst layer has a higher water repellency than the vicinity, and the side catalyst layer is composed of two layers, and the side closer to the electrolyte membrane has a higher water repellency than the GDL side so as to satisfy the formula (1). It is explanatory drawing which shows the example of (It is embodiment corresponding to Example 4). 実施例及び比較例の固体高分子型燃料電極を含むMEAを用いて構成した各固体高分子電解質型燃料電池の電流密度1.0A/cmにおけるセル電圧の起動−停止サイクル数に対する変化を表すグラフである。The change of the cell voltage with respect to the number of start-stop cycles at a current density of 1.0 A / cm 2 of each solid polymer electrolyte fuel cell configured using MEAs including the solid polymer fuel electrodes of Examples and Comparative Examples is shown. It is a graph.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池、
11 高分子電解質膜、
12a アノード側の触媒層、
12b カソード側の触媒層、
13a アノード側のガス拡散層、
13b カソード側のガス拡散層、
14a アノード、
14b カソード、
15 MEA、
16a アノード側の燃料ガスの流路、
16b カソード側の反応ガスの流路、
17 セパレータ。
10 Fuel cell,
11 Polymer electrolyte membrane,
12a catalyst layer on the anode side,
12b Cathode side catalyst layer,
13a A gas diffusion layer on the anode side,
13b cathode side gas diffusion layer,
14a anode,
14b cathode,
15 MEA,
16a A fuel gas flow path on the anode side,
16b Reaction gas flow path on the cathode side,
17 Separator.

Claims (9)

触媒層内において、幾何学的なパターンを有する二構成からなり、一方は島状に点在し、一方は前記島状部分の隙間を埋めるような溝構造となっており、
更に、前記島状部分は親水性を有しており、溝構造の部分は撥水性を有していることを特徴とする固体高分子型燃料電極。
In the catalyst layer, it consists of two configurations having a geometric pattern, one is dotted with islands, and one has a groove structure that fills the gaps in the islands,
The solid polymer fuel electrode is characterized in that the island-shaped portion has hydrophilicity and the groove-structure portion has water repellency.
前記触媒層は、電解質膜側からガス拡散層側に向かって少なくとも二層以上で構成されていることを特徴とする請求項1に記載の固体高分子型燃料電極。   2. The polymer electrolyte fuel electrode according to claim 1, wherein the catalyst layer is composed of at least two layers from the electrolyte membrane side toward the gas diffusion layer side. 前記、二層以上から構成される触媒層において、最も電解質膜に近い触媒層における触媒層を触媒層1、次の触媒層を触媒層2、最もガス拡散層に近い側の触媒層を触媒層N(Nは触媒層全体を構成する層の数である。)とする場合に、
前記1〜Nまでの各触媒層における撥水性を有している溝構造の部分の面積をX1、X2、・・・XNとし、各触媒層における親水性を有している島状部分の面積をY1、Y2、・・・YNとすると、(X1/Y1)>(X2/Y2)>・・・(XN/YN)となっていることを特徴とする請求項1または2に記載の固体高分子型燃料電極。
In the catalyst layer composed of two or more layers, the catalyst layer in the catalyst layer closest to the electrolyte membrane is the catalyst layer 1, the next catalyst layer is the catalyst layer 2, and the catalyst layer closest to the gas diffusion layer is the catalyst layer. N (N is the number of layers constituting the entire catalyst layer),
The area of the groove structure portion having water repellency in each of the catalyst layers 1 to N is X1, X2,... XN, and the area of the island-shaped portion having hydrophilicity in each catalyst layer (X1 / Y1)> (X2 / Y2)>... (XN / YN), where Y is Y1, Y2,... YN. Polymer fuel electrode.
前記二層以上から構成される触媒層において、撥水性を有している溝構造の部分の排水路の上に次の触媒層の撥水性を有している溝構造の部分の排水路が設けられていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体高分子型燃料電極。   In the catalyst layer composed of two or more layers, the drainage channel of the groove structure having water repellency of the next catalyst layer is provided on the drainage channel of the groove structure having water repellency. The solid polymer fuel electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the solid polymer fuel electrode is provided. 前記触媒層において、この触媒層が面内で少なくとも4分割に分割されており、最もガスの出口に近い部分における触媒層を触媒層1’、これと隣り合う触媒層を触媒層2’、そして最もガスの入口に近い側の触媒層を触媒層N’(N’は触媒層が面内で分割されている数を表す。)とする場合に、
前記1’〜N’までの各触媒層における撥水性を有している溝構造の部分の面積をX1’、X2’、・・・、XN’とする。また、各触媒層におおける親水性を有している島状部分の面積をY1’、Y2’、・・・、YN’とすると、(X1’/Y1’)>(X2’/Y2’)>・・・(XN’/YN’)となっていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体高分子型燃料電極。
In the catalyst layer, the catalyst layer is divided into at least four parts in the plane, the catalyst layer in the portion closest to the gas outlet is the catalyst layer 1 ′, the catalyst layer adjacent to the catalyst layer 1 ′, and When the catalyst layer closest to the gas inlet is the catalyst layer N ′ (N ′ represents the number of the catalyst layers divided in the plane),
The area of the groove structure portion having water repellency in each of the catalyst layers 1 ′ to N ′ is defined as X1 ′, X2 ′,. Further, assuming that the area of the island-like portion having hydrophilicity in each catalyst layer is Y1 ′, Y2 ′,..., YN ′, (X1 ′ / Y1 ′)> (X2 ′ / Y2 ′) The solid polymer fuel electrode according to any one of claims 1 to 4, wherein: (XN '/ YN').
前記触媒層における親水性を有している島状部分と撥水性を有している溝構造の部分とが、いずれも撥水性の高いカーボンと、親水性が高いまたは撥水性が低いカーボンとを混合することなく用いて形成されており、
前記親水性を有している島状部分が、親水性が高いまたは撥水性が低いカーボンを用いて形成され、
前記撥水性を有している溝構造の部分が、撥水性の高いカーボンを用いて形成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体高分子型燃料電極。
Both the island-like portion having hydrophilicity and the groove-structure portion having water repellency in the catalyst layer are carbon having high water repellency and carbon having high hydrophilicity or low water repellency. Formed without mixing,
The island-like portion having hydrophilicity is formed using carbon having high hydrophilicity or low water repellency,
6. The polymer electrolyte fuel electrode according to claim 1, wherein the water-repellent groove structure is formed using carbon having high water repellency. .
前記触媒層における親水性を有している島状部分と、撥水性を有している溝構造の部分とで、撥水性の高いカーボンと、親水性が高いまたは撥水性が低いカーボンとの配合比率が異なるように形成されており、
前溝構造の部分が、前記島状部分よりも前記撥水性の高いカーボンの配合比率が高いことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体高分子型燃料電極。
A blend of carbon having high water repellency and carbon having high hydrophilicity or low water repellency in the island-like portion having hydrophilicity and the groove structure portion having water repellency in the catalyst layer. Are formed with different ratios,
6. The solid polymer fuel electrode according to claim 1, wherein the front groove structure portion has a higher blending ratio of the carbon having a higher water repellency than the island-shaped portion.
前記触媒層における撥水性の高いカーボンが、BET表面積が150m/g未満で黒鉛化処理されたカーボンであることを特徴とする請求項6または7に記載の固体高分子型燃料電極。 8. The polymer electrolyte fuel electrode according to claim 6, wherein carbon having high water repellency in the catalyst layer is carbon graphitized with a BET surface area of less than 150 m 2 / g. 前記触媒層における親水性の高いまたは撥水性が低いカーボンが、BET表面積が150m/g以上のカーボンであることを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項に記載の固体高分子型燃料電極。 9. The solid polymer type according to claim 6, wherein the carbon having high hydrophilicity or low water repellency in the catalyst layer is carbon having a BET surface area of 150 m 2 / g or more. Fuel electrode.
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