JP2006269368A - Electrode for fuel cell and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for a fuel cell using a hydrocarbon system electrolyte material with oxidation resistance and a high cell performance. <P>SOLUTION: The electrode is provided with a hydrocarbon system electrolyte material with a vinyl system monomer as a component element, with an ion exchange capacity of 0.5 meq/g or more and 4.0 meq/g or less, and with an ion exchange capacity and/or molecular weight in the vicinity of electrode catalyst powder relatively lower than other parts. The above product can be simply realized by using two kinds of electrolyte and controlling a sequence of mixing/dispersion. As a result, the electrode catalyst powder can be well dispersed, and an action can well be improved. Further, stability is improved by adoption of an electrolyte material with a small ion-exchange capacity. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、炭化水素系の電解質材料を採用した燃料電池用電極に関する。   The present invention relates to a fuel cell electrode employing a hydrocarbon-based electrolyte material.

燃料電池に用いられる電極は電極触媒とその電極触媒を担持させた担体とからなる電極触媒粉末と電極用の電解質材料とを有する。電解質材料としてはパーフルオロ系電解質材料を採用したものが数多く報告されている。   An electrode used in a fuel cell has an electrode catalyst powder composed of an electrode catalyst and a carrier carrying the electrode catalyst, and an electrolyte material for the electrode. Many electrolyte materials employing perfluoro-based electrolyte materials have been reported.

パーフルオロ系電解質材料はナフィオン(商標)に代表され、燃料電池に一般的に採用される材料であり、耐酸化性に優れる材料である。燃料電池はその電極反応過程において、アノードで生成したプロトンが電解質膜を通してカソードに達したときに、カソード側に供給される酸素により酸化されて水を生成しているが、副反応としてヒドロキシラジカルを生成することが考えられ、そのヒドロキシラジカルは拡散して燃料電池の構成要素を分解するおそれがある。   The perfluoro-based electrolyte material is represented by Nafion (trademark), and is a material generally employed in fuel cells, and is a material excellent in oxidation resistance. In the fuel cell, when protons produced at the anode reach the cathode through the electrolyte membrane during the electrode reaction process, they are oxidized by oxygen supplied to the cathode to produce water. The hydroxyl radicals may diffuse and decompose fuel cell components.

また、その樹脂骨格の性質上、撥水性構造をもつセグメントと親水性構造をもつセグメントとが混在しており撥水層と親水層とが相分離構造を採っている。このために、保水性及びガスの拡散性の機能をバランスよくもつ構造になっている。   Further, due to the nature of the resin skeleton, a segment having a water repellent structure and a segment having a hydrophilic structure are mixed, and the water repellent layer and the hydrophilic layer have a phase separation structure. For this reason, the structure has a well-balanced function of water retention and gas diffusibility.

しかしながら、パーフルオロ系電解質材料は燃料電池に適用した場合の性能は高いものの、複雑なプロセスを経て合成される材料であること及びフッ素含有量が高いことから非常にコストが高くなっており、燃料電池普及の障害になっている。   However, although perfluoro-based electrolyte material has high performance when applied to a fuel cell, it is a material synthesized through a complicated process and has a high fluorine content, so the cost is very high. It is an obstacle to the spread of batteries.

そこで、コスト低減を目指して、燃料電池用電極に炭化水素系電解質材料(本明細書においては、フッ素を低減することでコスト低減が可能であるとの理由で、フッ素による置換が完全にはされていない電解質材料も「炭化水素系電解質材料」に含ませる)を採用することが検討されている(特許文献1〜7)。   Therefore, with the aim of reducing costs, hydrocarbon-based electrolyte materials for fuel cell electrodes (in the present specification, replacement with fluorine is completely performed because the cost can be reduced by reducing fluorine. It is studied to adopt an electrolyte material that is not included in the "hydrocarbon electrolyte material" (Patent Documents 1 to 7).

炭化水素系電解質材料は、一般に低コスト化が可能であるが、パーフルオロ系の電解質材料と比較して充分な性能が発揮できない傾向があった。その理由の1つとして、炭化水素系電解質材料は、親水性部分と撥水性部分とが機能をバランスよく充分に発揮することができないことが挙げられる。特に撥水性部分の機能が充分でないのでプロトン伝導性を充分に発揮することが困難である。また、炭化水素系電解質材料は、炭素−水素間の結合エネルギーが炭素−フッ素間の結合エネルギーより小さいので、耐酸化性がパーフルオロ系電解質材料よりも充分でなく、耐酸化性を充分に発揮することができないものと考えられる。
特開平5−36418号公報 特開平6−203848号公報 特開2002−298855号公報 特開2002−164055号公報 特開2004−123794号公報 特開平11−502249号公報 特開平10−45193号公報
Hydrocarbon electrolyte materials can generally be reduced in cost, but there is a tendency that sufficient performance cannot be exhibited as compared with perfluoro electrolyte materials. One reason for this is that the hydrophilic part and the water-repellent part of the hydrocarbon-based electrolyte material cannot sufficiently exhibit their functions in a well-balanced manner. In particular, since the function of the water repellent part is not sufficient, it is difficult to sufficiently exhibit proton conductivity. In addition, since the hydrocarbon-based electrolyte material has a smaller carbon-hydrogen bond energy than the carbon-fluorine bond energy, the oxidation resistance is not as good as that of the perfluoro-electrolyte material, and the oxidation resistance is fully exhibited. It is thought that it cannot be done.
Japanese Patent Laid-Open No. 5-36418 JP-A-6-203848 JP 2002-298855 A JP 2002-164055 A JP 2004-123794 A JP 11-502249 A JP 10-45193 A

本発明は上記実状に鑑み為されたものであり、耐酸化性に優れると共に、高い性能を発揮できる炭化水素系電解質材料を主体とした燃料電池用電極及びその製造方法を提供することを解決すべき課題とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and solves the problem of providing a fuel cell electrode mainly composed of a hydrocarbon-based electrolyte material that is excellent in oxidation resistance and can exhibit high performance, and a method for producing the same. It should be a challenge.

(1)上記課題を解決する目的で本発明者らは鋭意研究を行った結果、以下の発明を完成した。すなわち、本発明の燃料電池用電極は、電極触媒粉末と、該電極触媒粉末を分散しているビニル系単量体を構成要素とする炭化水素系電解質材料をもつ電解質材料と、を有する燃料電池用電極であって、
前記電解質材料は、イオン交換容量が0.5meq/g以上、4.0meq/g以下であり、該電極触媒粉末近傍の方が、該電極触媒粉末近傍以外の部分よりイオン交換容量及び/又は分子量が相対的に低くなっていることを特徴とする。ここで、前記電解質材料は、前記電極触媒粉末近傍に配された第1電解質材料と、該第1電解質材料よりもイオン交換容量が大きい第2電解質材料とをもつことが望ましい。
(1) As a result of intensive studies aimed at solving the above problems, the present inventors have completed the following invention. That is, the fuel cell electrode of the present invention includes a fuel cell having an electrode catalyst powder and an electrolyte material having a hydrocarbon electrolyte material having a vinyl monomer in which the electrode catalyst powder is dispersed as a constituent element. Electrode,
The electrolyte material has an ion exchange capacity of 0.5 meq / g or more and 4.0 meq / g or less, and the vicinity of the electrode catalyst powder is more ion exchange capacity and / or molecular weight than the part other than the vicinity of the electrode catalyst powder. Is relatively low. Here, it is preferable that the electrolyte material has a first electrolyte material disposed in the vicinity of the electrode catalyst powder and a second electrolyte material having a larger ion exchange capacity than the first electrolyte material.

電極触媒の性能を十分に発揮させるために、電解質材料内でカーボン粒子を細かく分散することを試みた。カーボン粒子を細かく分散するには、界面活性効果があるイオン性の電解質材料を採用することが効果的である。炭化水素系の電解質材料はカーボン粒子との吸着性がよく、分散材として好ましい性質を有している。   In order to fully exhibit the performance of the electrode catalyst, an attempt was made to finely disperse the carbon particles in the electrolyte material. In order to finely disperse the carbon particles, it is effective to employ an ionic electrolyte material having a surface active effect. Hydrocarbon electrolyte materials have good adsorptivity with carbon particles and have desirable properties as a dispersing agent.

そして、電極触媒の性能を十分に発揮するには分散性を向上すると共に、電極触媒粉末をコーティングする電解質材料の厚みをガスが透過できるほどの厚みにすることが望ましい。そこで、電極触媒粉末に付着する電解質材料の厚みを薄くするために、電極触媒粉末近傍に配する電解質材料として分子量が小さい電解質材料(例えば第1電解質材料)を採用した。   And in order to fully demonstrate the performance of an electrode catalyst, while dispersibility is improved, it is desirable to make the thickness of the electrolyte material which coats an electrode catalyst powder into the thickness which can permeate | transmit a gas. Therefore, in order to reduce the thickness of the electrolyte material adhering to the electrode catalyst powder, an electrolyte material (for example, the first electrolyte material) having a small molecular weight is employed as the electrolyte material disposed in the vicinity of the electrode catalyst powder.

その結果、極めて少ない炭化水素系電解質材料によって電極触媒粉末を分散することが可能になり、極めて薄い電解質材料でカーボン粒子をコーティングすることができた。従って、極めて細かい状態で電極触媒粉末を分散することができた結果、電極触媒の作用を充分に向上できる。   As a result, it became possible to disperse the electrode catalyst powder with very few hydrocarbon-based electrolyte materials, and it was possible to coat the carbon particles with an extremely thin electrolyte material. Therefore, as a result of being able to disperse the electrode catalyst powder in an extremely fine state, the action of the electrode catalyst can be sufficiently improved.

しかしながら、炭化水素系電解質材料は耐酸化性が充分でなく、電極触媒粉末にて発生する過酸化水素により分解されてしまい、耐久性に劣ることが懸念されている。そこで、耐酸化性を改善するために、第1電解質材料としてイオン交換容量が小さい電解質材料を採用する。電極触媒粉末の近傍に配される第1電解質材料として、イオン交換容量の小さい電解質材料を採用しても、電極触媒粉末の表面を極めて薄く覆っているだけなので性能への影響は限定的である。   However, the hydrocarbon-based electrolyte material does not have sufficient oxidation resistance and is decomposed by hydrogen peroxide generated in the electrode catalyst powder, and there is a concern that the durability is poor. Therefore, in order to improve the oxidation resistance, an electrolyte material having a small ion exchange capacity is employed as the first electrolyte material. Even if an electrolyte material having a small ion exchange capacity is used as the first electrolyte material arranged in the vicinity of the electrode catalyst powder, the effect on the performance is limited because the surface of the electrode catalyst powder is only covered very thinly. .

そして、分散性の良い第1電解質材料にてコーティングされた電極触媒粉末の間には高いプロトン伝導性を示す第2の電解質材料を採用し、電池性能を確保している。ここで、第2電解質材料をコロイド状にして添加すると、電極触媒内での電解質の分布を局在化することが可能になる。第2電解質材料が電極触媒内で局在化させることでプロトン伝導パスが形成され、良好なプロトン伝導性とガスの拡散性とが両立できる。   And between the electrode catalyst powder coated with the 1st electrolyte material with good dispersibility, the 2nd electrolyte material which shows high proton conductivity is employ | adopted, and battery performance is ensured. Here, when the second electrolyte material is added in a colloidal form, the distribution of the electrolyte in the electrode catalyst can be localized. When the second electrolyte material is localized in the electrode catalyst, a proton conduction path is formed, and both good proton conductivity and gas diffusibility can be achieved.

従って、電極触媒粉末近傍には分散性が良く耐酸化性に優れた第1の電解質材料にて比較的薄くコーティングして電極触媒粉末を細かく分散できるようにする。そして、第2電解質材料として一般的に高いイオン交換容量をもつなど電解質として電気的特性に優れた材料を採用することで電池性能を確保している。   Accordingly, the electrode catalyst powder can be finely dispersed by coating relatively thinly with the first electrolyte material having good dispersibility and excellent oxidation resistance in the vicinity of the electrode catalyst powder. And battery performance is ensured by employ | adopting the material excellent in the electrical property as electrolyte, such as having a generally high ion exchange capacity as a 2nd electrolyte material.

分散性を良くするために第1電解質材料としては分子量が比較的小さい材料を採用する。そして耐酸化性を向上するためにイオン交換容量が比較的小さい材料を採用する。イオン交換容量を低くしたことによる性能低下を抑制するために極めて少ない量を用いている。   In order to improve dispersibility, a material having a relatively small molecular weight is employed as the first electrolyte material. In order to improve the oxidation resistance, a material having a relatively small ion exchange capacity is adopted. An extremely small amount is used in order to suppress the performance deterioration due to the low ion exchange capacity.

第2電解質材料は、電池性能が充分に発揮できるように、イオン交換容量が高い電解質材料を採用する。   As the second electrolyte material, an electrolyte material having a high ion exchange capacity is employed so that the battery performance can be sufficiently exhibited.

(2)本発明の燃料電池用電極は、前記電解質材料は、第1電解質材料と、該第1電解質材料よりもイオン交換容量が大きい第2電解質材料とをもち、
前記電極触媒粉末を前記第1電解質材料中に分散させる第1分散工程と、該第1分散工程後、第2電解質材料を分散させる第2工程と、を有する製造方法にて製造されるものが望ましい。その他の性状は上述(1)で説明した通りである。
(2) The electrode for a fuel cell of the present invention includes the electrolyte material having a first electrolyte material and a second electrolyte material having a larger ion exchange capacity than the first electrolyte material,
What is manufactured with the manufacturing method which has the 1st dispersion | distribution process which disperse | distributes the said electrode catalyst powder in the said 1st electrolyte material, and the 2nd process of disperse | distributing a 2nd electrolyte material after this 1st dispersion | distribution process. desirable. Other properties are as described in the above (1).

第1に、先に説明した分散性・耐酸化性に優れた第1電解質材料内に電極触媒粉末を分散させた後、第2電解質材料を混合・分散することで、第1電解質材料にてコーティングされた電極触媒粉末の間を第2電解質材料にて充填することができる。その結果、先に説明した燃料電池用電極が実現できる。   First, after the electrode catalyst powder is dispersed in the first electrolyte material having excellent dispersibility and oxidation resistance described above, the second electrolyte material is mixed and dispersed, so that the first electrolyte material The space between the coated electrocatalyst powders can be filled with the second electrolyte material. As a result, the fuel cell electrode described above can be realized.

(3)前記第1電解質材料として、具体的に好ましい性状としては、イオン交換容量が0.5meq/g以上、1.6meq/g以下であって、分子量が1万以上、20万以下にした上で、質量基準で、(該第1電解質材料)/(前記電極触媒粉末)が0.05以上、0.40以下の割合で混合することが望ましい。   (3) As the first electrolyte material, specific preferred properties include an ion exchange capacity of 0.5 meq / g or more and 1.6 meq / g or less, and a molecular weight of 10,000 or more and 200,000 or less. In the above, it is desirable that (the first electrolyte material) / (the electrode catalyst powder) is mixed at a ratio of 0.05 to 0.40 on a mass basis.

(4)また、前記第2電解質材料として、具体的に好ましい性状としてはイオン交換容量が1.4meq/g以上、4.0meq/g以下であり、前記第2工程で分散させる該第2電解質材料が10nm以上、100nm以下のコロイド溶液で、質量基準で、(該第2電解質材料)/(前記電極触媒粉末)が0.10以上、1.50以下であることが望ましい。   (4) Further, as the second electrolyte material, the second electrolyte material has an ion exchange capacity of 1.4 meq / g or more and 4.0 meq / g or less as a particularly preferable property, and is dispersed in the second step. It is desirable that the material is a colloid solution of 10 nm or more and 100 nm or less and (the second electrolyte material) / (the electrode catalyst powder) is 0.10 or more and 1.50 or less on a mass basis.

(5)ここで、電解質材料(特にイオン交換容量が低い第1電解質材料)にはケイタングクテン酸等にて代表されるヘテロポリ酸を分散・含有させて、イオン交換容量を向上させることが望ましい。   (5) Here, it is desirable that the ion exchange capacity is improved by dispersing and containing a heteropoly acid typified by cattanguctenic acid or the like in the electrolyte material (particularly the first electrolyte material having a low ion exchange capacity). .

(6)上記課題を解決する本発明の燃料電池用電極の製造方法は、前述の(1)〜(5)のいずれかに記載の燃料電池用電極を製造する方法である。そして、前記電解質材料は、第1電解質材料と、該第1電解質材料よりもイオン交換容量が大きい第2電解質材料とをもち、
前記電極触媒粉末を前記第1電解質材料中に分散させる第1分散工程と、
該第1分散工程後、第2電解質材料を分散させる第2工程と、を有することを特徴とする。
(6) The manufacturing method of the electrode for fuel cells of the present invention which solves the above-mentioned subject is a method for manufacturing the electrode for fuel cells according to any one of the above (1) to (5). The electrolyte material includes a first electrolyte material and a second electrolyte material having a larger ion exchange capacity than the first electrolyte material,
A first dispersion step of dispersing the electrode catalyst powder in the first electrolyte material;
And a second step of dispersing the second electrolyte material after the first dispersion step.

本発明の燃料電池用電極は、上記構成を有することから、電極触媒粉末を細かく分散して電極触媒粉末の性能を充分に発揮させることができる上に、電極触媒粉末近傍の電解質材料の酸化などによる劣化が抑制できる。そして、大きな電流を流すような場合に電池性能に大きく影響を与える、バルクにおけるプロトン伝導性やガスの拡散性を確保することにも成功している。従って、本発明の製造方法にて製造された燃料電池用電極も高い性能を有するので、優れた製造方法である。   Since the electrode for a fuel cell of the present invention has the above-described configuration, the electrode catalyst powder can be finely dispersed to fully exhibit the performance of the electrode catalyst powder, and the electrolyte material in the vicinity of the electrode catalyst powder can be oxidized. Deterioration due to can be suppressed. It has also succeeded in securing proton conductivity and gas diffusivity in the bulk, which greatly affects battery performance when a large current is passed. Therefore, since the fuel cell electrode manufactured by the manufacturing method of the present invention also has high performance, it is an excellent manufacturing method.

本実施形態の燃料電池用電極は電極触媒粉末とその電極触媒粉末近傍の方が、イオン交換容量及び/又は分子量が相対的に低くなっている電解質材料とを有する。燃料電池用電極は採用した電解質材料の形態により固体状、ゲル状、液体状などの種々の形態にて使用できる。一般的に燃料電池用電極は何らかの溶媒に溶解乃至は懸濁されてペースト状にされた後、電解質膜の表面や、拡散層の表面に塗布されて使用される。   The electrode for a fuel cell of this embodiment has an electrode catalyst powder and an electrolyte material in which the vicinity of the electrode catalyst powder has a relatively low ion exchange capacity and / or molecular weight. The fuel cell electrode can be used in various forms such as solid, gel, and liquid depending on the form of the electrolyte material employed. In general, an electrode for a fuel cell is dissolved or suspended in some solvent to form a paste, and then applied to the surface of an electrolyte membrane or the surface of a diffusion layer.

(電極触媒粉末)
電極触媒粉末は、一般的に担持粉末に触媒を担持させた触媒担持粉末として使用される。触媒としては白金や白金に他の元素(ルテニウム、パラジウムなどの貴金属や、銅などの卑金属など)を合金化或いは混合させた貴金属触媒などが使用される。担持粉末としてはカーボン粉末などが使用される。担持粉末としてカーボン粉末、触媒として白金を使用した白金担持カーボンが汎用される。白金担持カーボンに担持されている白金は他の元素と合金化されていても良く、また、他の元素と混合して用いることもできる。触媒は、担持粉末を使用せずに、触媒自身を粉末として使用しても良い。特に、本実施形態の燃料電池用電極に採用される電極触媒粉末は粒径が小さいものが性能向上の観点から望ましい。例えば、電極触媒粉末の2次粒子径は媒質に分散する前(第1分散工程の前)では1μm以上100μm以下が望ましく、10μm以上80μm以下がより望ましい。媒質に分散した後(第2分散工程の後)すなわち製造された電極内の電極触媒粉末の2次粒子径は5nm以上50μm以下程度が望ましく、40nm以上10μm以下程度がより望ましく、70nm以上2μm以下が更に望ましい。
(Electrocatalyst powder)
The electrode catalyst powder is generally used as a catalyst-supported powder in which a catalyst is supported on a supported powder. As the catalyst, platinum, a noble metal catalyst obtained by alloying or mixing other elements (such as a noble metal such as ruthenium or palladium or a base metal such as copper) with platinum is used. Carbon powder or the like is used as the support powder. Platinum-supported carbon using carbon powder as the support powder and platinum as the catalyst is widely used. Platinum supported on platinum-supporting carbon may be alloyed with other elements, or may be used by mixing with other elements. The catalyst itself may be used as a powder without using the supported powder. In particular, it is desirable that the electrode catalyst powder employed in the fuel cell electrode of the present embodiment has a small particle size from the viewpoint of improving performance. For example, the secondary particle diameter of the electrode catalyst powder is preferably 1 μm or more and 100 μm or less before being dispersed in the medium (before the first dispersion step), and more preferably 10 μm or more and 80 μm or less. After being dispersed in the medium (after the second dispersion step), that is, the secondary particle diameter of the electrocatalyst powder in the produced electrode is preferably about 5 nm to 50 μm, more preferably about 40 nm to 10 μm, and more preferably 70 nm to 2 μm. Is more desirable.

(電解質材料)
電解質材料はビニル系単量体を構成要素とする炭化水素系電解質材料である。イオン交換容量を向上するためにケイタングステン酸などのヘテロポリ酸を混合することができる。また、ヒンダードフェノール、ヒンダードアミンなどの酸化防止剤を混合することもできる。
(Electrolyte material)
The electrolyte material is a hydrocarbon electrolyte material having a vinyl monomer as a constituent element. Heteropolyacids such as silicotungstic acid can be mixed to improve ion exchange capacity. Moreover, antioxidants, such as hindered phenol and hindered amine, can also be mixed.

炭化水素系電解質材料を構成する基本骨格は限定しない。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのオレフィン系高分子;ポリスチレンなどの一般的なビニル重合体を基本骨格とし、スルホ基、カルボキシ基、リン酸基などイオン伝導性を付与する官能基を導入した構造が採用できる。重合体は線状構造の他、適正な架橋剤を加えることで、はしご状、3次元網目状などの構造を採ることができる。基本骨格中の水素原子は適宜、フッ素、塩素などにて置換できる。なお、フッ素元素などにて置換されていない水素原子を有していることで、コストを低減している。   The basic skeleton constituting the hydrocarbon electrolyte material is not limited. For example, an olefin polymer such as polyethylene or polypropylene; a structure in which a general vinyl polymer such as polystyrene is used as a basic skeleton and a functional group that imparts ion conductivity such as a sulfo group, a carboxy group, or a phosphate group is used. it can. In addition to a linear structure, the polymer can have a ladder-like structure, a three-dimensional network-like structure, etc. by adding an appropriate crosslinking agent. A hydrogen atom in the basic skeleton can be appropriately substituted with fluorine, chlorine or the like. Note that the cost is reduced by having hydrogen atoms that are not substituted with fluorine element or the like.

イオン交換容量は0.5meq/g以上、4.0meq/g以下である。イオン交換容量は電極触媒粉末近傍の方が低くなっている。このようなイオン交換容量の傾斜を実現するための具体的な方法は限定しないが、例えば、イオン交換容量が異なる2以上の電解質材料を用意した上で、イオン交換容量が小さい順に電極触媒粉末に混合・分散を行うことで、電解質材料のイオン交換容量を電極触媒粉末近傍から、順次、大きくしていくことができる。   The ion exchange capacity is 0.5 meq / g or more and 4.0 meq / g or less. The ion exchange capacity is lower in the vicinity of the electrode catalyst powder. A specific method for realizing such an inclination of the ion exchange capacity is not limited. For example, after preparing two or more electrolyte materials having different ion exchange capacities, the electrode catalyst powders are formed in ascending order of ion exchange capacity. By mixing and dispersing, the ion exchange capacity of the electrolyte material can be increased sequentially from the vicinity of the electrode catalyst powder.

イオン交換容量の測定は、炭化水素系電解質材料の試験試料についてイオン交換基をH型に置換した後、溶解後の質量を基準として、乾燥したH型に置換後の試験試料の質量が0.3%の濃度になるようにエタノールに溶解させ、指示薬としてフェノールフタレインを用い、溶液の赤色への変色が数秒間保持される点を終点として、0.05mol/L水酸化ナトリウム水溶液にて滴定した値に基づき下式に従い算出した値である。   The ion exchange capacity was measured by substituting the ion exchange group for the test sample of the hydrocarbon-based electrolyte material with the H type, and then the mass of the test sample after the replacement with the dry H type based on the mass after dissolution. Dissolve in ethanol to a concentration of 3%, use phenolphthalein as an indicator, and titrate with 0.05 mol / L sodium hydroxide aqueous solution at the point where the color change of the solution is kept for several seconds. It is a value calculated according to the following formula based on the obtained value.

(イオン交換容量)(meq/g)=(0.05×滴定量(ml))/(溶解させた試験試料の乾燥質量(g))
第1電解質材料:特に、電極触媒粉末近傍に配する第1電解質材料としてはイオン交換容量が0.5meq/g以上、1.6meq/g以下の範囲のものを採用することが好ましい。更には0.7meq/g以上、1.2meq/g以下を採用することが望ましい。この範囲にすることで燃料電池用電極内の酸化雰囲気下での安定性が向上する。
(Ion exchange capacity) (meq / g) = (0.05 × Titration volume (ml)) / (Dry mass of dissolved test sample (g))
First electrolyte material: In particular, as the first electrolyte material disposed in the vicinity of the electrode catalyst powder, it is preferable to employ a material having an ion exchange capacity in the range of 0.5 meq / g to 1.6 meq / g. Furthermore, it is desirable to adopt 0.7 meq / g or more and 1.2 meq / g or less. By setting it within this range, the stability in an oxidizing atmosphere in the fuel cell electrode is improved.

そして、分子量としては1万以上、20万以下のものを採用することが望ましい。更には3万以上、10万以下がより望ましい。4万以上、7万以下が更に好ましい。分子量をこの範囲内にすることで、高分子材料としての製膜性を保ったまま、電極触媒粉末表面に対して薄く均一に第1電解質材料を付着させることができる。分子量は第2電解質材料よりも低くなっている。   And it is desirable to employ a molecular weight of 10,000 or more and 200,000 or less. Furthermore, 30,000 or more and 100,000 or less are more desirable. More preferably, it is 40,000 or more and 70,000 or less. By setting the molecular weight within this range, the first electrolyte material can be adhered thinly and uniformly to the surface of the electrode catalyst powder while maintaining the film forming property as a polymer material. The molecular weight is lower than that of the second electrolyte material.

そして、第1電解質材料を混合する量としては、質量基準で、(第1電解質材料)/(前記電極触媒粉末)が0.05以上、0.40以下であることが望ましい。更には0.05以上、0.3以下であることがより望ましい。第1電解質材料は、主に、電極触媒粉末を細かく分散させるために添加するものであり、電流密度などの通常の電池性能確保のためには添加量は少ないことが好ましい。従って、第1電解質材料の添加量は、電極触媒粉末を分散させるために必要な量である下限と、プロトン伝導性などにあまり影響を与えない程度の上限とが設定されている。   The amount of the first electrolyte material to be mixed is desirably (first electrolyte material) / (the electrode catalyst powder) of 0.05 or more and 0.40 or less on a mass basis. Furthermore, it is more desirable that it is 0.05 or more and 0.3 or less. The first electrolyte material is mainly added to finely disperse the electrode catalyst powder, and the addition amount is preferably small in order to ensure normal battery performance such as current density. Accordingly, the amount of the first electrolyte material added is set to a lower limit that is an amount necessary for dispersing the electrode catalyst powder and an upper limit that does not significantly affect proton conductivity.

第2電解質材料:第2電解質材料としてはイオン交換容量が1.4meq/g以上、4.0meq/g以下の範囲のものを採用することが好ましい。更には1.8meq/g以上、3meq/g以下を採用することが望ましい。この範囲にすることで燃料電池用電極内のプロトン伝導性を確保することができる。   Second electrolyte material: As the second electrolyte material, it is preferable to employ a material having an ion exchange capacity of 1.4 meq / g or more and 4.0 meq / g or less. Furthermore, it is desirable to adopt 1.8 meq / g or more and 3 meq / g or less. By setting this range, proton conductivity in the fuel cell electrode can be ensured.

そして、分子量としては10万以上、100万以下のものを採用することが望ましい。分子量を比較的高いこの範囲内にするとことで、分子の連続性が確保でき、高いプロトン伝導性が実現できる。   And it is desirable to employ a molecular weight of 100,000 or more and 1,000,000 or less. By setting the molecular weight within this relatively high range, molecular continuity can be secured and high proton conductivity can be realized.

そして、第2電解質材料を混合する量としては、質量基準で、(第2電解質材料)/(前記電極触媒粉末)が0.10以上、1.50以下であることが望ましい。更には0.20以上、1.2以下であることがより望ましい。第2電解質材料は、主に、燃料電池用電極内でのプロトン伝導性を確保するために添加されており、第1電解質材料よりも多くの量を添加することが好ましい。   The amount of the second electrolyte material to be mixed is desirably (second electrolyte material) / (the electrode catalyst powder) being 0.10 or more and 1.50 or less on a mass basis. Furthermore, it is more desirable that it is 0.20 or more and 1.2 or less. The second electrolyte material is added mainly to ensure proton conductivity in the fuel cell electrode, and it is preferable to add a larger amount than the first electrolyte material.

(製造方法)
本燃料電池用電極は、第1電解質材料中に電極触媒粉末を分散させる第1工程と、その後に行われる、更に第2電解質材料を分散・混合させる第2工程とにより製造することができる。
(Production method)
The fuel cell electrode can be produced by a first step of dispersing the electrode catalyst powder in the first electrolyte material and a second step of dispersing and mixing the second electrolyte material that is performed thereafter.

第1工程:電極触媒粉末と第1電解質材料とをボールミルやロール等にて混合することで、電極触媒粉末の表面に第1電解質材料をコーティングする。   First step: The surface of the electrode catalyst powder is coated with the first electrolyte material by mixing the electrode catalyst powder and the first electrolyte material with a ball mill, a roll or the like.

第2工程:その後、第2電解質材料を混合して分散させる。先に、第1電解質材料を電極触媒粉末に接触させているので、電極触媒粉末の表面は第2電解質材料を混合しても第1電解質材料が付着したままになる。第2電解質材料はコロイド状にして混合することが望ましい。コロイド粒子の粒径としては10nm以上、100nm以下であることが望ましい。更には20nm以上、80nm以下がより望ましい。コロイド溶液として用いると、炭化水素系電解質材料において、相分離構造が実現できるので、プロトン伝導に関与するパスが形成される。コロイドは分子量を前述の範囲にすることで形成できる。   Second step: Thereafter, the second electrolyte material is mixed and dispersed. Since the first electrolyte material is first brought into contact with the electrode catalyst powder, the surface of the electrode catalyst powder remains attached even if the second electrolyte material is mixed. The second electrolyte material is desirably mixed in a colloidal form. The particle size of the colloidal particles is preferably 10 nm or more and 100 nm or less. Furthermore, 20 nm or more and 80 nm or less are more desirable. When used as a colloidal solution, a phase separation structure can be realized in a hydrocarbon-based electrolyte material, so that a path involved in proton conduction is formed. The colloid can be formed by setting the molecular weight within the above range.

(炭化水素系電解質材料の製造)
炭化水素系電解質材料の基材としてスチレン重合体を選択した。
(Manufacture of hydrocarbon electrolyte materials)
A styrene polymer was selected as the base material for the hydrocarbon electrolyte material.

・ポリマー1〜3の合成:スチレン重合体の合成は、窒素雰囲気下、90℃に加熱したキシレン200mLに、過酸化ベンゾイル(ポリマー1:0.6g、ポリマー2:0.3g、ポリマー3:0.2g)を溶解させたスチレン200mLを撹拌しながら3時間かけて滴下した後、加熱下(ポリマー1及び2:90℃、ポリマー3:60℃)で所定時間(ポリマー1及び2:1時間、ポリマー3:5時間)保持することで行った。その後、室温まで冷却した反応溶液を大量のメタノール中に滴下して生成したスチレン重合体を沈殿させた。沈殿物をろ取し、110℃で3時間乾燥させた。得られたスチレン重合体の分子量をGPCにて測定したところMwがポリマー1が11700、ポリマー2が54800、ポリマー3が124000であった。なお、分子量の測定はGPCにて行い、重量平均分子量を測定した。   Synthesis of polymers 1 to 3: Styrene polymer was synthesized by adding benzoyl peroxide (polymer 1: 0.6 g, polymer 2: 0.3 g, polymer 3: 0) to 200 mL of xylene heated to 90 ° C. in a nitrogen atmosphere. 2 g) of styrene in which 200 g was dissolved was added dropwise over 3 hours with stirring, and then heated (Polymer 1 and 2: 90 ° C., Polymer 3: 60 ° C.) for a predetermined time (Polymer 1 and 2: 1 hour, Polymer 3: 5 hours). Thereafter, the reaction solution cooled to room temperature was dropped into a large amount of methanol to precipitate a produced styrene polymer. The precipitate was collected by filtration and dried at 110 ° C. for 3 hours. When the molecular weight of the obtained styrene polymer was measured by GPC, Mw was 11700 for polymer 1, 54800 for polymer 2, and 124000 for polymer 3. The molecular weight was measured by GPC, and the weight average molecular weight was measured.

そして、ポリマー4としてMw230000(アルドリッチ、ポリスチレン[44、114−7])を、ポリマー5としてMw350000(アルドリッチ、ポリスチレン[43、010−2])を採用した。   Then, Mw 230000 (Aldrich, polystyrene [44, 114-7]) was adopted as the polymer 4, and Mw 350,000 (Aldrich, polystyrene [43, 010-2]) was adopted as the polymer 5.

・スルホ化:ポリマー1〜5についてイオン交換基としてのスルホ基を導入した。ポリマー1について、150gを1,2−ジクロロエタン500mL中に溶解した。この溶液を60℃に加熱し撹拌しながら表1の電解質1〜5に示す量のクロロスルホン酸を滴下して60℃で1時間保持した。ここで得られた電解質1〜5のクロロスルホン化スチレン重合体を1,2−ジクロロエタン、イオン交換水の順で洗浄後、イオン交換水中で1時間室温で放置することでイオン交換基を水素化した。その後、真空乾燥させて粉末状のスルホン化スチレン重合体(炭化水素系電解質材料に相当)を得た。得られた電解質1〜5のスルホン化スチレン重合体のイオン交換容量を表1に併せて示す。イオン交換容量は前述した実施形態の欄で説明した方法にて行った。ポリマー2〜5についてもポリマー1と同様の方法でスルホ化を行った。それぞれのイオン交換容量を表2に示す。   Sulfonation: Sulfo groups as ion exchange groups were introduced for polymers 1 to 5. For polymer 1, 150 g was dissolved in 500 mL of 1,2-dichloroethane. While this solution was heated to 60 ° C. and stirred, the amount of chlorosulfonic acid shown in the electrolytes 1 to 5 in Table 1 was added dropwise and held at 60 ° C. for 1 hour. The obtained chlorosulfonated styrene polymer of electrolytes 1-5 was washed with 1,2-dichloroethane and then ion-exchanged water in that order, and then left in ion-exchanged water for 1 hour at room temperature to hydrogenate the ion-exchange groups. did. Thereafter, it was vacuum dried to obtain a powdered sulfonated styrene polymer (corresponding to a hydrocarbon electrolyte material). The ion exchange capacities of the sulfonated styrene polymers of the obtained electrolytes 1 to 5 are also shown in Table 1. The ion exchange capacity was performed by the method described in the section of the embodiment described above. Polymers 2 to 5 were also sulfonated in the same manner as for polymer 1. The respective ion exchange capacities are shown in Table 2.

Figure 2006269368
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Figure 2006269368
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(耐酸化性の評価)
各ポリマー由来の各電解質について耐酸化性を評価した。耐酸化性の評価は100mLのスクリュー管中に純水56mLを入れ、60℃に保持した後、試験試料である各電解質0.4gを溶解乃至は懸濁させた。その後、Fe2+10ppm溶液16mLとH2230質量%水溶液8mLとを加えて攪拌した。この溶液はFe2+2ppm、H223質量%に調製した試験液80g中に電解質0.4gが投入された状態であった。浸漬時間1時間、2時間、3時間及び4時間経過毎に、サンプリングを行い、ろ過後の残渣を分離してGPCにより分子量を測定した。電解質材料が酸化によって分解されると、分子量が低下することが予測される。ポリマー3についての結果を図1に示す。
(Evaluation of oxidation resistance)
The oxidation resistance of each electrolyte derived from each polymer was evaluated. Evaluation of oxidation resistance was carried out by putting 56 mL of pure water in a 100 mL screw tube and keeping it at 60 ° C., and then dissolving or suspending 0.4 g of each electrolyte as a test sample. Thereafter, 16 mL of a Fe 2+ 10 ppm solution and 8 mL of a 30% by mass H 2 O 2 aqueous solution were added and stirred. This solution was in a state in which 0.4 g of electrolyte was put into 80 g of a test solution prepared to 2 ppm of Fe 2+ and 3% by mass of H 2 O 2 . Sampling was performed every 1 hour, 2 hours, 3 hours, and 4 hours, and the residue after filtration was separated and the molecular weight was measured by GPC. When the electrolyte material is decomposed by oxidation, the molecular weight is expected to decrease. The results for polymer 3 are shown in FIG.

図1より明らかなように、耐酸化性はIEC(イオン交換容量)の値に依存し、IECが小さい方(電解質1から5にいくにつれて)が耐酸化性に優れることがわかった。他の分子量分布を持つポリマー1、2、4及び5についても同様の結果が得られた。   As is clear from FIG. 1, the oxidation resistance depends on the value of IEC (ion exchange capacity), and the smaller IEC (as it goes from electrolyte 1 to 5), the better the oxidation resistance. Similar results were obtained for polymers 1, 2, 4 and 5 with other molecular weight distributions.

(電解質溶液の分散性評価)
各ポリマー由来の各電解質について分散性を評価した。分散性の評価は各電解質について水/エタノール(1/1)溶液に10質量%の濃度で溶解させた電解質溶液を作成して行った。溶解しない電解質は超音波ホモジナイザーにより微粒子化し、粒子径が10nm〜100nmの範囲に収まるようにした。粒子径は動的光散乱方式粒度分布測定装置(日機装株式会社製、マイクロトラックUPA-EX150)にて測定した。
(Evaluation of dispersibility of electrolyte solution)
Dispersibility was evaluated for each electrolyte derived from each polymer. Dispersibility was evaluated by preparing an electrolyte solution in which each electrolyte was dissolved in a water / ethanol (1/1) solution at a concentration of 10% by mass. The insoluble electrolyte was made into fine particles by an ultrasonic homogenizer so that the particle diameter was within the range of 10 nm to 100 nm. The particle size was measured with a dynamic light scattering particle size distribution analyzer (manufactured by Nikkiso Co., Ltd., Microtrac UPA-EX150).

・触媒ペーストの調製:各ポリマーの各電解質溶液(溶媒水/エタノール(1/1)、電解質濃度10質量%)10gに、電極触媒粉末としての白金担持カーボン(白金含有量50質量%)20gを加えてスラリーを調製した。   -Preparation of catalyst paste: 20 g of platinum-supported carbon (platinum content 50 mass%) as an electrode catalyst powder was added to 10 g of each electrolyte solution of each polymer (solvent water / ethanol (1/1), electrolyte concentration 10 mass%). In addition, a slurry was prepared.

その後、イオン交換水60g及びエタノール60gを加えて白金担持カーボン粉末を混合分散した。最終的な混合分散は2mm径のジルコニアビーズ200gを用いた高速ホモジナイザーにて1時間分散させることで行い、各試験例の触媒ペーストを得た。混合分散後、触媒ペースト中の電極触媒粉末の粒子径を動的光散乱方式粒度分布測定装置(日機装株式会社製、マイクロトラックUPA-EX150)にて測定した。粒子径が5μm以上のものはレーザ回折式粒度分布計にて測定した。結果を図2に示す。   Thereafter, 60 g of ion-exchanged water and 60 g of ethanol were added to mix and disperse the platinum-supported carbon powder. Final mixing and dispersion was performed by dispersing for 1 hour with a high-speed homogenizer using 200 g of zirconia beads having a diameter of 2 mm to obtain catalyst pastes of the respective test examples. After mixing and dispersing, the particle size of the electrocatalyst powder in the catalyst paste was measured with a dynamic light scattering particle size distribution analyzer (manufactured by Nikkiso Co., Ltd., Microtrac UPA-EX150). Those having a particle diameter of 5 μm or more were measured with a laser diffraction particle size distribution meter. The results are shown in FIG.

図2より明らかなように、分散操作中に含有させる第1電解質材料は分子量が小さいほど分散後の粒径が小さくでき、分散性に優れていることがわかった。特にポリマー1〜3は優れた分散性を示すことがわかった。そして、IECが大きい方が分散性に優れることがわかった。特にIECが0.5以上であると高い分散性を示すことがわかった。従って、第1電解質材料に適しているのは分子量が小さく、IECがある程度大きい電解質であることが判った。   As is apparent from FIG. 2, it was found that the first electrolyte material contained during the dispersion operation can be made smaller in particle size after dispersion as the molecular weight is smaller, and is excellent in dispersibility. In particular, it was found that polymers 1 to 3 showed excellent dispersibility. And it turned out that the one where IEC is large is excellent in dispersibility. In particular, it was found that high dispersibility is exhibited when the IEC is 0.5 or more. Therefore, it was found that an electrolyte having a small molecular weight and a large IEC is suitable for the first electrolyte material.

調製した触媒ペースト(電極触媒粉末を第1電解質材料中に分散したもの)に、表3及び表4に示す組み合わせの電解質溶液(添加されている電解質を第2電解質材料とする)を所定量加えて、撹拌混合し、2種類の電解質材料を含有する各電解質の組み合わせに対応する各試験例の試験用触媒ペーストを得た。   To the prepared catalyst paste (the electrode catalyst powder is dispersed in the first electrolyte material), a predetermined amount of the electrolyte solution of the combination shown in Table 3 and Table 4 (the added electrolyte is used as the second electrolyte material) is added. Then, the mixture was stirred and mixed to obtain a test catalyst paste for each test example corresponding to each electrolyte combination containing two types of electrolyte materials.

Figure 2006269368
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Figure 2006269368
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(膜電極接合体の製造)
各試験用触媒ペーストを、ガス拡散基材(拡散層)になる撥水処理したカーボンペーパー(厚み180μm、気孔率65%)に白金担持量が1mg/cm2になるようにバーコータにより塗工した。塗工後、80℃で30分間加熱乾燥を行い触媒層を形成した燃料電池用の電極を得た。電解質膜(Nafion112、イオン交換容量0.909meq/g)を、触媒層側で接する向きにそれぞれ配した2枚の電極にて挟持した後、150℃、8MPaで3分間ホットプレスして接合し、各試験例の試験用触媒ペーストを用いた各試験例の試験用膜電極接合体を得た。
(Manufacture of membrane electrode assembly)
Each test catalyst paste was coated on a water-repellent carbon paper (thickness 180 μm, porosity 65%) to be a gas diffusion base material (diffusion layer) with a bar coater so that the amount of platinum supported was 1 mg / cm 2 . . After coating, heating and drying were performed at 80 ° C. for 30 minutes to obtain a fuel cell electrode on which a catalyst layer was formed. An electrolyte membrane (Nafion 112, ion exchange capacity 0.909 meq / g) was sandwiched between two electrodes arranged in the direction of contact on the catalyst layer side, respectively, and bonded by hot pressing at 150 ° C. and 8 MPa for 3 minutes. The membrane electrode assembly for test of each test example using the test catalyst paste of the test example was obtained.

(電池性能の評価)
各試験例の試験用膜電極接合体を燃料電池評価用単セルに組み込んで評価した。電流密度0.2A/cm2及び0.5A/cm2での出力電圧を測定した。燃料電池評価用単セルの運転条件は以下の通りである。燃料極側を純水素、空気極側を空気とし、ガス流量が純水素の利用率90%、空気の利用率40%になるように調製した。電極面積は9cm2、セル内温度は75℃、加湿条件としては純水素及び空気共にモル比で0.2mol相当の水分を添加した。結果を表3及び表4に併せて示す。
(Evaluation of battery performance)
The membrane electrode assembly for test of each test example was incorporated into a single cell for fuel cell evaluation and evaluated. The output voltage at current densities of 0.2 A / cm 2 and 0.5 A / cm 2 was measured. The operating conditions of the single cell for fuel cell evaluation are as follows. The fuel electrode side was pure hydrogen, the air electrode side was air, and the gas flow rate was adjusted so that the utilization rate of pure hydrogen was 90% and the utilization rate of air was 40%. The electrode area was 9 cm 2 , the cell internal temperature was 75 ° C., and the humidifying condition was that water corresponding to 0.2 mol in terms of molar ratio was added to pure hydrogen and air. The results are shown in Table 3 and Table 4 together.

(第1電解質材料について)
表3に示した各試験例の試験電池は第2電解質材料を統一して評価しているので、その結果から第1電解質材料として好ましい性質が明らかになった。
(About the first electrolyte material)
Since the test batteries of the respective test examples shown in Table 3 were evaluated by unifying the second electrolyte material, the results showed preferable properties as the first electrolyte material.

まず、第1電解質材料の分子量以外同じ条件に調製した試験例2及び9の試験電池について比較すると、分子量が小さい試験例9の方が試験例2よりも高い電池性能を実現できることが判った。これは分散性の高い電解質材料を第1電解質材料に用いることにより数十分の一の粒径にまで電極触媒粉末を分散させることができる(図2参照)ので、電極触媒粉末の性能を大きく引き出すことが可能になった。ここで、分子量が小さく電極触媒粉末の分散性に優れるものと推測される試験例1の試験電池の電池性能が思わしくないのはIECが小さいことに由来するものと推測される。つまり、図2にて説明したように、IECが小さい(特に0.5程度に境界線があるように思われる)と電極触媒粉末の分散性が充分でなくなる(試験例5に対して数倍程度の粒子径になることが図2から予測される)ことに起因すると考えられる。従って、第1電解質材料の分子量は230000未満、より望ましくは20万以下程度にすることが性能の観点から求められることが判った。   First, comparing the test batteries of Test Examples 2 and 9 prepared under the same conditions except for the molecular weight of the first electrolyte material, it was found that Test Example 9 having a lower molecular weight can achieve higher battery performance than Test Example 2. This is because the electrode catalyst powder can be dispersed to a particle size of a few tenths by using a highly dispersible electrolyte material for the first electrolyte material (see FIG. 2). It became possible to pull out. Here, it is presumed that the battery performance of the test battery of Test Example 1, which is presumed to have a low molecular weight and excellent dispersibility of the electrode catalyst powder, is derived from the small IEC. That is, as described with reference to FIG. 2, when the IEC is small (particularly, it seems that there is a boundary line of about 0.5), the dispersibility of the electrode catalyst powder becomes insufficient (several times as much as Test Example 5). It is thought that this is due to the fact that a particle size of a certain degree is predicted from FIG. Accordingly, it has been found that the molecular weight of the first electrolyte material is less than 230,000, more desirably about 200,000 or less from the viewpoint of performance.

次に、IECの値のみが異なる試験例5及び8について比較検討する。IECの大きな試験例8の方が高い電池性能が発揮できることが判った。従って、IECは0.33超、より望ましくは0.5以上程度が求められることが判った。   Next, Comparative Examples 5 and 8 in which only IEC values are different will be compared. It was found that Test Example 8 having a larger IEC can exhibit higher battery performance. Therefore, it has been found that IEC is more than 0.33, more preferably about 0.5 or more.

そして、試験例3〜7の結果から、S/C比{(第1電解質材料の質量)/(電極触媒粉末の質量)}が0.01超、0.5未満、より望ましくは0.05以上、0.4以下にすることが望ましいことが判った。この下限を採用することで電極触媒粉末を充分に分散することができ、この上限を採用することで充分なプロトン伝導性が得られることが判った。特に0.1近傍に電池性能の極大値が認められた。また、S/C比が上述の範囲内にある試験例8〜10の結果から、IECの値が変化してもこの範囲内のS/C比を示す第1電解質材料を採用することで高い電池性能を発揮できることが判った。   From the results of Test Examples 3 to 7, the S / C ratio {(mass of first electrolyte material) / (mass of electrode catalyst powder)} is more than 0.01, less than 0.5, and more preferably 0.05. As mentioned above, it turned out that it is desirable to set it as 0.4 or less. It was found that by adopting this lower limit, the electrode catalyst powder can be sufficiently dispersed, and by adopting this upper limit, sufficient proton conductivity can be obtained. In particular, a maximum value of battery performance was observed near 0.1. Moreover, it is high by adopting the 1st electrolyte material which shows S / C ratio in this range even if the value of IEC changes from the result of Test Examples 8-10 whose S / C ratio is in the above-mentioned range. It was found that the battery performance can be demonstrated.

なお、試験例3及び4の試験電池については第1電解質材料及び第2電解質材料については好ましい組み合わせであり高い耐久性を有することが期待できるが、以下の理由により充分な電池性能が得られなかったものと推測される。すなわち、試験例4の試験電池は、電極触媒粉末の分散は充分であったものの、第1電解質材料の相対的な量(S/C比)が大きいので、第1電解質材料がプロトン(又は電子)移動を阻害し、大きな電流密度での発電は困難であったものと推測される。また、試験例3の試験電池は第1電解質材料が相対的に少なく、第1電解質材料によるプロトン伝導性は高いものの、電極触媒粉末が充分に分散できなかったので、大きな電流密度での発電は困難であったものと推測される。   For the test batteries of Test Examples 3 and 4, the first electrolyte material and the second electrolyte material are preferable combinations and can be expected to have high durability, but sufficient battery performance cannot be obtained for the following reasons. Presumed to have been. That is, in the test battery of Test Example 4, although the electrode catalyst powder was sufficiently dispersed, the relative amount (S / C ratio) of the first electrolyte material was large, so that the first electrolyte material was proton (or electron). ) It is presumed that it was difficult to generate electricity at a large current density because the movement was hindered. In addition, the test battery of Test Example 3 has a relatively small amount of the first electrolyte material, and the proton conductivity by the first electrolyte material is high, but the electrode catalyst powder could not be sufficiently dispersed. Presumed to have been difficult.

(第2電解質材料について)
表4に示した各試験例の試験電池は第1電解質材料を統一して評価しているので、その結果から第2電解質材料として好ましい性質が明らかになった。
(About the second electrolyte material)
Since the test battery of each test example shown in Table 4 was evaluated by unifying the first electrolyte material, the result showed that the preferred properties as the second electrolyte material were obtained.

まず、第1電解質材料の分子量以外同じ条件に調整している、試験例16〜18の組と、試験例19〜21の組とを同程度のIEC間で比較すると、分子量が大きい試験例19〜21の組の方が高い電池性能を発揮することが判った。従って、第2電解質材料としては分子量が高いことが望ましい。具体的にはポリマー3及び4のいずれも充分な性能を発揮できるので分子量10万以上が望ましい。   First, when the group of Test Examples 16 to 18 and the group of Test Examples 19 to 21 that are adjusted to the same conditions other than the molecular weight of the first electrolyte material are compared between the same IEC, Test Example 19 having a large molecular weight. It was found that the group of ~ 21 exhibited higher battery performance. Accordingly, it is desirable that the second electrolyte material has a high molecular weight. Specifically, since both polymers 3 and 4 can exhibit sufficient performance, a molecular weight of 100,000 or more is desirable.

IECの値としては試験例16〜18の組及び試験例19〜21の組においてIECが大きくなるにつれて電池性能が向上することから第2電解質材料におけるIECは高いことが望ましいことが判った。試験例16〜18の組と、試験例11との比較より、IECの値は望ましくは0.55超、より望ましくは1.4以上であることが判った。第2電解質材料におけるS/C比{(第2電解質材料の質量)/(電極触媒粉末の質量)}は、試験例12〜15の試験電池の結果から、0.05超、1.6未満が望ましく、0.1以上、1.5以下(1.4以下)がより望ましいことが判った。   As the IEC value, it was found that the IEC in the second electrolyte material is desirably high because the battery performance improves as the IEC increases in the groups of Test Examples 16 to 18 and Test Examples 19 to 21. From the comparison between the test examples 16 to 18 and the test example 11, it was found that the value of IEC is desirably more than 0.55, more desirably 1.4 or more. S / C ratio {(mass of second electrolyte material) / (mass of electrode catalyst powder)} in the second electrolyte material is more than 0.05 and less than 1.6 from the results of the test batteries of Test Examples 12 to 15. It was found that 0.1 or more and 1.5 or less (1.4 or less) is more desirable.

なお、試験例11〜13の試験電池については第1電解質材料及び第2電解質材料については好ましい組み合わせであり高い耐久性を有することが期待できるが、以下の理由により充分な電池性能が得られなかったものと推測される。すなわち、試験例11の試験電池は、第2電解質材料のプロトン伝導性が充分でない(IEC0.55meq/g)ために高い電池性能を実現することが困難であったものと推測できる。また、試験例12及び13の試験電池は第2電解質材料の添加量が適正範囲から外れるために、充分なプロトン伝導性を得ることが困難であったものと推測される。   In addition, about the test battery of Test Examples 11-13, about the 1st electrolyte material and the 2nd electrolyte material, it can be expected to have high durability, but sufficient battery performance cannot be obtained for the following reasons. Presumed to have been. That is, it can be presumed that the test battery of Test Example 11 was difficult to achieve high battery performance because the proton conductivity of the second electrolyte material was insufficient (IEC 0.55 meq / g). In addition, it is presumed that it was difficult to obtain sufficient proton conductivity in the test batteries of Test Examples 12 and 13 because the added amount of the second electrolyte material was out of the appropriate range.

(耐久性試験)
第1電解質材料及び第2電解質材料として表5に示す組み合わせの試験電池を採用して耐久性試験を行った。各試験電池の構造及び運転条件は前述と同じ条件を採用した。表5に初期状態における電池性能を併せて示す。また、電流密度0.2A/cm2における電池電圧の経時変化を図3に示す。
(Durability test)
A durability test was conducted by employing test batteries having combinations shown in Table 5 as the first electrolyte material and the second electrolyte material. The same conditions as described above were adopted for the structure and operating conditions of each test battery. Table 5 also shows the battery performance in the initial state. In addition, FIG. 3 shows changes with time in battery voltage at a current density of 0.2 A / cm 2 .

Figure 2006269368
Figure 2006269368

第1電解質材料及び第2電解質材料の組み合わせとして、双方共に同じ電解質材料を採用した従来の構成を採用した試験電池は初期性能は高いものの、劣化が進行する速度が大きかった。試験例6及び17のように、第1電解質材料として分子量及びIECが第2電解質材料よりも小さい電解質材料を採用することで耐久性に優れていることが判った。試験例6及び17の結果の比較から、第1電解質材料のIECは高い方が初期の電池性能は高いものの、IECの低い方が耐久性に優れていることが判った。   As a combination of the first electrolyte material and the second electrolyte material, the test battery adopting the conventional configuration in which both adopt the same electrolyte material has high initial performance, but has a high rate of deterioration. As in Test Examples 6 and 17, it was found that the use of an electrolyte material having a molecular weight and IEC smaller than that of the second electrolyte material as the first electrolyte material is excellent in durability. From comparison of the results of Test Examples 6 and 17, it was found that the higher the IEC of the first electrolyte material, the higher the initial battery performance, but the lower the IEC, the better the durability.

電解質材料の耐酸化性のIEC依存性について示したグラフである。It is the graph shown about the IEC dependence of the oxidation resistance of electrolyte material. 電解質材料の電極触媒粉末分散性の分子量及びIEC依存性を示したグラフである。It is the graph which showed the molecular weight and IEC dependence of the electrocatalyst powder dispersibility of electrolyte material. 電解質材料の相違による燃料電池の耐久性を示したグラフである。It is the graph which showed the durability of the fuel cell by the difference in electrolyte material.

Claims (8)

電極触媒粉末と、
該電極触媒粉末を分散しているビニル系単量体を構成要素とする炭化水素系電解質材料をもつ電解質材料と、を有する燃料電池用電極であって、
前記電解質材料は、イオン交換容量が0.5meq/g以上、4.0meq/g以下であり、該電極触媒粉末近傍の方が、該電極触媒粉末近傍以外の部分よりイオン交換容量及び/又は分子量が相対的に低くなっていることを特徴とする燃料電池用電極。
An electrode catalyst powder;
An electrolyte material having a hydrocarbon electrolyte material comprising a vinyl monomer in which the electrode catalyst powder is dispersed, and a fuel cell electrode,
The electrolyte material has an ion exchange capacity of 0.5 meq / g or more and 4.0 meq / g or less, and the vicinity of the electrode catalyst powder is more ion exchange capacity and / or molecular weight than the part other than the vicinity of the electrode catalyst powder. Is a relatively low electrode for a fuel cell.
前記電解質材料は、前記電極触媒粉末近傍に配された第1電解質材料と、該第1電解質材料よりもイオン交換容量が大きい第2電解質材料とをもつ請求項1に記載の燃料電池用電極。   2. The fuel cell electrode according to claim 1, wherein the electrolyte material includes a first electrolyte material disposed in the vicinity of the electrode catalyst powder and a second electrolyte material having a larger ion exchange capacity than the first electrolyte material. 前記第1電解質材料は0.5meq/g以上、1.6meq/g以下であり、分子量が1万以上、20万以下であり、
質量基準で、(該第1電解質材料)/(前記電極触媒粉末)が0.05以上、0.40以下である請求項2に記載の燃料電池用電極。
The first electrolyte material is 0.5 meq / g or more and 1.6 meq / g or less, the molecular weight is 10,000 or more and 200,000 or less,
The electrode for a fuel cell according to claim 2, wherein (the first electrolyte material) / (the electrode catalyst powder) is 0.05 or more and 0.40 or less on a mass basis.
前記第2電解質材料は1.4meq/g以上、4.0meq/g以下であり、
前記第2工程で分散させる該第2電解質材料が10nm以上、100nm以下のコロイド溶液で、
質量基準で、(該第2電解質材料)/(前記電極触媒粉末)が0.10以上、1.50以下である請求項3に記載の燃料電池用電極。
The second electrolyte material is 1.4 meq / g or more and 4.0 meq / g or less,
The second electrolyte material dispersed in the second step is a colloidal solution of 10 nm or more and 100 nm or less,
The electrode for a fuel cell according to claim 3, wherein (second electrolyte material) / (the electrode catalyst powder) is 0.10 or more and 1.50 or less on a mass basis.
前記電解質材料に分散されるヘテロポリ酸を含有する請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池用電極。   The fuel cell electrode according to any one of claims 1 to 4, comprising a heteropolyacid dispersed in the electrolyte material. 前記ヘテロポリ酸はケイタングステン酸である請求項5に記載の電解質材料。   The electrolyte material according to claim 5, wherein the heteropolyacid is silicotungstic acid. 前記電解質材料は、第1電解質材料と、該第1電解質材料よりもイオン交換容量が大きい第2電解質材料とをもち、
前記電極触媒粉末と前記第1電解質材料とを媒質中に分散させる第1分散工程と、
該第1分散工程後、前記第2電解質材料を該媒質中に分散させる第2分散工程と、を有する製造方法にて製造される請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電池用電極。
The electrolyte material has a first electrolyte material and a second electrolyte material having a larger ion exchange capacity than the first electrolyte material,
A first dispersion step of dispersing the electrode catalyst powder and the first electrolyte material in a medium;
The fuel cell electrode according to any one of claims 1 to 6, which is manufactured by a manufacturing method including a second dispersion step of dispersing the second electrolyte material in the medium after the first dispersion step.
請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電池用電極を製造する方法であって、
前記電解質材料は、第1電解質材料と、該第1電解質材料よりもイオン交換容量が大きい第2電解質材料とをもち、
前記電極触媒粉末と前記第1電解質材料とを媒質中に分散させる第1分散工程と、
該第1分散工程後、前記第2電解質材料を該媒質中に分散させる第2分散工程と、を有することを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
A method for producing an electrode for a fuel cell according to any one of claims 1 to 6,
The electrolyte material has a first electrolyte material and a second electrolyte material having a larger ion exchange capacity than the first electrolyte material,
A first dispersion step of dispersing the electrode catalyst powder and the first electrolyte material in a medium;
And a second dispersion step of dispersing the second electrolyte material in the medium after the first dispersion step.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2011059115A1 (en) * 2009-11-16 2011-05-19 住友化学株式会社 Membrane electrode assembly and fuel cell using same
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