JP2006294267A - Catalyst ink for fuel cell electrode formation - Google Patents

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Noboru Yamauchi
昇 山内
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide catalyst ink for fuel cell electrode formation, which can enhance a mechanical strength of an electrode catalyst layer. <P>SOLUTION: In the catalyst ink for fuel cell electrode formation which contains an electrolyte and a solvent, a polar solvent with a relative dielectric constant of 25 or more and 50 or less at a temperature of 20°C is used as the above solvent, and a molecular chain is formed when a surface of colloidal particles of an electrolyte polymer dispersed/suspended in the catalyst in a partially colloidal state is melted and the electrolyte molecular chain intertwines well with an electrolyte film 2 and as a result, the catalyst layers (3a, 3b) and the electrolyte layer 2 are firmly bonded to create a sufficient mechanical strength. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池電極形成用触媒インク、当該インクを使用して作製した電極触媒層を有する電解質膜−電極接合体、電解質膜−電極接合体の製造方法、当該電解質膜−電極接合体を使用してなる燃料電池、及び燃料電池を搭載した自動車に関するものである。より詳細には、電極触媒層の機械的特性を向上できる燃料電池電極形成用触媒インク、当該インクを使用して作製した電極触媒層を有する電解質膜−電極接合体、電解質膜−電極接合体の製造方法、当該電解質膜−電極接合体を使用してなる燃料電池、及び燃料電池を搭載した自動車に関するものである。   The present invention relates to a catalyst ink for forming a fuel cell electrode, an electrolyte membrane-electrode assembly having an electrode catalyst layer produced using the ink, a method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly, and the electrolyte membrane-electrode assembly. The present invention relates to a fuel cell used and a vehicle equipped with the fuel cell. More specifically, a catalyst ink for forming a fuel cell electrode capable of improving the mechanical characteristics of the electrode catalyst layer, an electrolyte membrane-electrode assembly having an electrode catalyst layer produced using the ink, and an electrolyte membrane-electrode assembly The present invention relates to a manufacturing method, a fuel cell using the electrolyte membrane-electrode assembly, and an automobile equipped with the fuel cell.

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、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子型燃料電池は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。   In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. In particular, the polymer electrolyte fuel cell is expected as a power source for electric vehicles because it operates at a relatively low temperature.

固体高分子型燃料電池の構成は、一般的には、電解質膜−電極接合体(以下、単に「MEA」とも記載する。)をセパレータで挟持した構造となっている。MEAは、固体高分子電解質膜が一対の電極触媒層およびガス拡散層により挟持されてなるものである。電極触媒層は、導電性担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒と、固体高分子電解質とを少なくとも含む。   The polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which an electrolyte membrane-electrode assembly (hereinafter also simply referred to as “MEA”) is sandwiched between separators. The MEA is formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between a pair of electrode catalyst layers and a gas diffusion layer. The electrode catalyst layer includes at least an electrode catalyst in which a catalyst component is supported on a conductive carrier and a solid polymer electrolyte.

図1は、固体高分子型燃料電池の一例を示すための模式断面図である。図1において、固体高分子型燃料電池1は、固体高分子電解質膜2の両側に、アノード側電極触媒層3aおよびアノード側ガス拡散層4aと、カソード側電極触媒層3bおよびカソード側ガス拡散層4bとが、それぞれ対向して配置されてなるMEA 5を有しており、さらにMEA5を、アノード側セパレータ6aおよびカソード側セパレータ6bで挟持することで構成されている。また、MEA 5に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスは、アノード側セパレータ6aおよびカソード側セパレータ6bに、それぞれ複数箇所設けられたガス供給溝7a、7bなどを介して供給される。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for illustrating an example of a polymer electrolyte fuel cell. In FIG. 1, a polymer electrolyte fuel cell 1 includes an anode side electrode catalyst layer 3a and an anode side gas diffusion layer 4a, a cathode side electrode catalyst layer 3b and a cathode side gas diffusion layer on both sides of a solid polymer electrolyte membrane 2. 4b has an MEA 5 disposed so as to face each other, and the MEA 5 is further sandwiched between an anode side separator 6a and a cathode side separator 6b. Further, the fuel gas and the oxidant gas supplied to the MEA 5 are supplied to the anode side separator 6a and the cathode side separator 6b through gas supply grooves 7a and 7b provided at a plurality of locations, respectively.

固体高分子型燃料電池では、以下のような電気化学的反応が進行する。まず、アノード側に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒成分により酸化され、プロトンおよび電子となる。次に、生成したプロトンは、電極触媒層に含まれる固体高分子電解質、さらに電極触媒層と接触している固体高分子電解質膜を通り、カソード側電極触媒層に達する。また、アノード側電極触媒層で生成した電子は、電極触媒層を構成している導電性担体、さらに電極触媒層の固体高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通してカソード側電極触媒層に達する。そして、カソード側電極触媒層に達したプロトンおよび電子はカソード側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する。燃料電池では、上述した電気化学的反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。   In the polymer electrolyte fuel cell, the following electrochemical reaction proceeds. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode side is oxidized by the catalyst component to become protons and electrons. Next, the generated protons pass through the solid polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane in contact with the electrode catalyst layer, and reach the cathode side electrode catalyst layer. In addition, the electrons generated in the anode-side electrode catalyst layer include the conductive carrier constituting the electrode catalyst layer, the gas diffusion layer in contact with the side of the electrode catalyst layer different from the solid polymer electrolyte membrane, the separator, and the outside. The cathode side electrode catalyst layer is reached through the circuit. The protons and electrons that have reached the cathode-side electrode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode side to generate water. In the fuel cell, electricity can be taken out through the above-described electrochemical reaction.

電解質膜−電極接合体(MEA)の各構成部材の材質については、高分子電解質膜には、パーフルオロカーボンスルホン酸(例えば、米国Du Pont社製のNafion(登録商標)膜など)などが一般的に使用されている。また、ガス拡散層としては、例えば撥水処理を施したカーボンペーパーなどが用いられる。さらに、電極触媒層には、触媒インクが用いられ、この触媒インクとしては、通常、Pt担持カーボン微粒子などの導電性材料の表面に触媒成分を担持させた電極触媒及びプロトン伝導性を有するフッ素系ポリマー等の電解質が、水、シクロヘキサノールやエタノールや2−プロパノール等の低級アルコールの溶剤中に分散したものが、使用されている。従来は、このような触媒インクを高分子電解質膜に直接塗布した後、乾燥することによって、電極触媒層が形成される。あるいは、このような触媒インクを、転写用台紙に塗布・乾燥して、電極触媒層を形成させた後、ホットプレスにより高分子電解質膜に電極触媒層を転写させることにより、MEAを作製していた(例えば、特許文献1参照)。上記特許文献1では、膜形成が比較的低い温度でできるため、従来と同様、低級アルコールにNafion(電解質ポリマー)を分散/懸濁したものを触媒インクとして使用して電極触媒層を形成している。
特表平5−507583号公報
As for the material of each constituent member of the electrolyte membrane-electrode assembly (MEA), perfluorocarbon sulfonic acid (for example, Nafion (registered trademark) membrane manufactured by Du Pont, USA) is generally used as the polymer electrolyte membrane. Is used. As the gas diffusion layer, for example, carbon paper subjected to water repellent treatment is used. Further, a catalyst ink is used for the electrode catalyst layer. As the catalyst ink, an electrode catalyst in which a catalyst component is usually supported on the surface of a conductive material such as Pt-supported carbon fine particles and a fluorine-based fluorine catalyst having proton conductivity. A material in which an electrolyte such as a polymer is dispersed in water, a solvent of a lower alcohol such as cyclohexanol, ethanol, or 2-propanol is used. Conventionally, an electrode catalyst layer is formed by directly applying such a catalyst ink to a polymer electrolyte membrane and then drying. Alternatively, such a catalyst ink is applied to a transfer mount and dried to form an electrode catalyst layer, and then the electrode catalyst layer is transferred to the polymer electrolyte membrane by hot pressing to produce an MEA. (For example, see Patent Document 1). In the above-mentioned Patent Document 1, since film formation can be performed at a relatively low temperature, an electrode catalyst layer is formed using a catalyst ink in which Nafion (electrolyte polymer) is dispersed / suspended in a lower alcohol as in the prior art. Yes.
Japanese Patent Publication No. 5-507583

しかしながら、上記特許文献1の方法では、電解質ポリマーは、完全には溶剤中に溶解せずに、溶剤中で一部コロイド状になって分散/懸濁している。このような分散/懸濁液から低級アルコールを蒸発させて電極触媒層を作製すると、膜表面上にコロイドが残ってしまうため電解質ポリマーの粒子間結合が弱く、電極触媒層の機械的強度が低下してしまう。このような電極触媒層の機械的強度の低下は、定置型発電機などの自動車以外の用途では連続的に操作を行なうため、電極触媒層中の孔がつぶれることはなく多孔質構造が保たれるため、あまり問題にならない。しかしながら、システムの起動/停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途では、上記電極触媒層の機械的強度が問題視され、頻発する起動/停止や出力変動に伴い、触媒層中の孔がつぶれ、孔中のガス(燃料ガスや酸化剤ガス)の通りが悪くなり、高分子電解質膜の乾燥/湿潤サイクル中に電解質ポリマーの移動(変形)が発生する。その結果、特に出力変動による生成水量の変化により乾湿の変化が激しいカソード側においては、初期状態における電極触媒層の多孔構造が崩れ、空隙率が低下して、電極触媒層への反応ガス供給量が低下する結果、自動車では5000時間という長期にわたる発電性能の維持が求められているにもかかわらず、システムを起動/停止させたり出力変動させたりし続けると、電極触媒層のガス拡散性が低下して、燃料電池の出力の低下を引き起こすという問題が生じる。   However, in the method of Patent Document 1, the electrolyte polymer is not completely dissolved in the solvent, but is partially dispersed / suspended in the solvent in a colloidal form. When an electrocatalyst layer is produced by evaporating lower alcohol from such a dispersion / suspension, colloid remains on the membrane surface, so the intermolecular bond of the electrolyte polymer is weak and the mechanical strength of the electrocatalyst layer is reduced. Resulting in. Such a decrease in the mechanical strength of the electrode catalyst layer is continuously operated in applications other than automobiles such as stationary generators, so that the pores in the electrode catalyst layer are not collapsed and the porous structure is maintained. Therefore, it will not be a problem. However, in automotive applications in which system start / stop and output fluctuations frequently occur, the mechanical strength of the electrode catalyst layer is regarded as a problem, and pores in the catalyst layer collapse due to frequent start / stop and output fluctuations. The passage of gas (fuel gas or oxidant gas) in the pores becomes poor, and movement (deformation) of the electrolyte polymer occurs during the drying / wetting cycle of the polymer electrolyte membrane. As a result, especially on the cathode side where the wet and dry changes are drastically due to changes in the amount of water produced due to fluctuations in output, the porous structure of the electrode catalyst layer in the initial state collapses, the porosity decreases, and the amount of reactant gas supplied to the electrode catalyst layer As a result, the gas diffusibility of the electrode catalyst layer decreases when the system is started / stopped or the output is fluctuated even though automobiles are required to maintain power generation performance over a long period of 5000 hours. As a result, there arises a problem that the output of the fuel cell is reduced.

したがって、本発明は、上記諸事情を勘案してなされたものであり、電極触媒層の機械強度を向上できる燃料電池電極形成用触媒インクを提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention has been made in consideration of the above circumstances, and an object thereof is to provide a fuel cell electrode forming catalyst ink capable of improving the mechanical strength of an electrode catalyst layer.

本発明の他の目的は、長期間にわたって起動/停止サイクルおよび出力変動サイクルが頻発しても電極触媒層の空隙率の減少が抑制・防止できる燃料電池電極形成用触媒インクを提供することである。   Another object of the present invention is to provide a catalyst ink for forming a fuel cell electrode that can suppress / prevent a decrease in the porosity of an electrode catalyst layer even if start / stop cycles and output fluctuation cycles occur frequently over a long period of time. .

本発明の別の目的は、電極触媒層の機械強度を向上できる電解質膜−電極接合体およびその製造方法を提供することである。   Another object of the present invention is to provide an electrolyte membrane-electrode assembly capable of improving the mechanical strength of the electrode catalyst layer and a method for producing the same.

本発明の別の目的は、長期間にわたって起動/停止サイクルおよび出力変動サイクルが頻発しても電極触媒層の空隙率の減少が抑制・防止できる電解質膜−電極接合体およびその製造方法を提供することである。   Another object of the present invention is to provide an electrolyte membrane-electrode assembly capable of suppressing / preventing a decrease in the porosity of the electrode catalyst layer even if start / stop cycles and output fluctuation cycles occur frequently over a long period of time, and a method for producing the same. That is.

本発明のさらなる別の目的は、長期間にわたって頻発する起動/停止サイクル及び出力変動サイクルに対しても出力低下が抑制できる(発電性能が維持できる)燃料電池を提供することである。   Still another object of the present invention is to provide a fuel cell that can suppress a decrease in output (maintain power generation performance) even with respect to start / stop cycles and output fluctuation cycles that occur frequently over a long period of time.

近年触媒性能は改善に改善が重ねられて十分な触媒活性が達成できるまでに至ってきたので、本発明者は、上記諸目的を達成するために、従来着目されていた触媒性能についてではなく、電極触媒層の他の要件、特に電極触媒層の機械的強度に注目して検討を行なった。その結果、特定の比誘電率を有する極性溶媒を触媒インクの溶剤として使用することにより、電解質を完全に溶剤中に溶解することができ、このような溶剤に電解質を溶解して電極触媒層を形成させると触媒層中にコロイドが存在せず、電解質ポリマーの分子鎖が強くからまった状態で膜が形成できるため、このような溶液状態で形成された電極触媒層は十分な機械的強度を発揮できることを見出した。また、本発明者は、このような極性溶媒を用いて電極触媒層を形成して、長期間にわたって起動/停止耐久試験を行なったところ、電極触媒層の多孔構造の崩れ(空隙率の低下)は認められず、これからこのような電極触媒層を使用した電解質膜−電極接合体を燃料電池にすれば、長期間の使用にあっても触媒活性の低下は認められず、燃料電池は長期間の使用に十分供することができることをも見出した。   In recent years, the catalyst performance has been improved and improved until a sufficient catalytic activity can be achieved. Therefore, in order to achieve the above-mentioned objects, the present inventor is not concerned with the catalyst performance that has been focused on in the past. The investigation was conducted focusing on the other requirements of the catalyst layer, particularly the mechanical strength of the electrode catalyst layer. As a result, by using a polar solvent having a specific dielectric constant as the solvent of the catalyst ink, the electrolyte can be completely dissolved in the solvent, and the electrode catalyst layer is formed by dissolving the electrolyte in such a solvent. When formed, the catalyst layer has no colloid, and the membrane can be formed in a state where the molecular chains of the electrolyte polymer are strongly entangled. Therefore, the electrode catalyst layer formed in such a solution state has sufficient mechanical strength. I found out that I can demonstrate it. In addition, the present inventor formed an electrode catalyst layer using such a polar solvent and conducted a start / stop durability test over a long period of time. As a result, the porous structure of the electrode catalyst layer collapsed (decrease in porosity). From now on, if an electrolyte membrane-electrode assembly using such an electrode catalyst layer is used as a fuel cell, a decrease in catalytic activity is not observed even in long-term use. It has also been found that it can be sufficiently used for the use of

また、本発明者は、従来と同様にして低級アルコールを触媒インクの溶剤として使用して形成された電極触媒層であっても、電解質膜と電極触媒層の接合前に、電極触媒層を予め上記特定の比誘電率を有する極性溶媒中に浸潤させた後電解質膜と接合させると、電極触媒層中に存在するコロイド粒子の表面が溶けてこの分子鎖と電解質膜を構成する電解質の分子鎖とがよく絡まり合って、電極触媒層と電解質膜とが強固に結合することができ、また、電極触媒層中に存在するコロイド粒子の分子鎖と触媒層中の電解質の分子鎖とがよく絡まり合うこともできるため、上記と同様、電極触媒層は十分な機械的強度を発揮でき、さらに長期間にわたった起動/停止耐久試験でも電極触媒層の多孔構造の崩れ(空隙率の低下)が有意に抑制・防止できるため、このような電極触媒層を電解質膜−電極接合体の燃料電池に使用した場合も、上記と同様、触媒活性を低下させずに、燃料電池性能を長期間にわたって維持できることをも見出した。   Further, the inventor of the present invention, even in the case of an electrode catalyst layer formed using a lower alcohol as a solvent for the catalyst ink in the same manner as in the prior art, the electrode catalyst layer is previously formed before joining the electrolyte membrane and the electrode catalyst layer. When infiltrated in a polar solvent having the above specific dielectric constant and then joined to the electrolyte membrane, the surface of the colloidal particles existing in the electrode catalyst layer melts, and this molecular chain and the molecular chain of the electrolyte constituting the electrolyte membrane And the electrode catalyst layer and the electrolyte membrane can be firmly bonded, and the molecular chain of the colloidal particles present in the electrode catalyst layer and the molecular chain of the electrolyte in the catalyst layer are entangled well. As described above, the electrode catalyst layer can exhibit sufficient mechanical strength, and even in the start / stop durability test over a long period of time, the porous structure of the electrode catalyst layer collapses (decrease in porosity). Significantly suppressed and prevented Therefore, when such an electrode catalyst layer is used for a fuel cell of an electrolyte membrane-electrode assembly, it has also been found that the fuel cell performance can be maintained over a long period of time without reducing the catalytic activity as described above. .

上記知見に基づいて、本発明を完成するに至った。   Based on the above findings, the present invention has been completed.

すなわち、上記諸目的は、電極触媒、電解質及び溶剤を含む燃料電池電極形成用触媒インクにおいて、前記溶剤として20℃における比誘電率が25以上50以下である極性溶媒が使用されることを特徴とする触媒インクによって達成される。   That is, the above objects are characterized in that in the catalyst ink for forming a fuel cell electrode containing an electrode catalyst, an electrolyte and a solvent, a polar solvent having a relative dielectric constant at 20 ° C. of 25 to 50 is used as the solvent. Achieved with a catalyst ink.

上記諸目的はまた、転写用台紙上に形成された電極触媒層に、20℃における比誘電率が25以上50以下である極性溶媒を浸潤させた後、該電極触媒層を固体高分子電解質膜に転写する工程を有する、電解質膜−電極接合体の製造方法によっても達成される。   The above-mentioned objects are also obtained by infiltrating a polar solvent having a relative dielectric constant of 25 or more and 50 or less at 20 ° C. into an electrode catalyst layer formed on a transfer mount, and then subjecting the electrode catalyst layer to a solid polymer electrolyte membrane. It can also be achieved by a method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly, which has a process of transferring to an electrolyte.

上記諸目的はまた、電極触媒層をガス拡散層表面上に形成して電極触媒層−ガス拡散層接合体を製造した後、該電極触媒層−ガス拡散層接合体に、20℃における比誘電率が25以上50以下である極性溶媒を浸潤させた後、固体高分子電解質膜と接合する工程を有する、電解質膜−電極接合体の製造方法によっても達成される。   The above objects are also obtained by forming an electrode catalyst layer on the surface of the gas diffusion layer to produce an electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly, and then subjecting the electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly to a relative dielectric at 20 ° C. This is also achieved by a method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly, which comprises a step of infiltrating a polar solvent having a rate of 25 or more and 50 or less and then joining with a solid polymer electrolyte membrane.

本発明によれば、触媒インクを構成する溶剤として20℃における比誘電率が25以上50以下である極性溶媒を使用するため、電解質は溶剤中に溶解した状態で製膜を行なうことができるため、電解質ポリマーの分子鎖は一定の方向で規則的に絡み合い、電極触媒層中の電解質ポリマーの結晶性を向上できる。このため、このような電極触媒層は機械強度が向上し、長期間にわたる起動/停止サイクルおよび出力変動サイクルによる、電極触媒層の空隙率の減少が防止できる。したがって、このような電極触媒層を使用した電解質膜−電極接合体を有する燃料電池は、出力の低下が有効に防止できる。   According to the present invention, since a polar solvent having a relative dielectric constant of 25 to 50 at 20 ° C. is used as a solvent constituting the catalyst ink, the electrolyte can be formed in a state dissolved in the solvent. The molecular chains of the electrolyte polymer are regularly entangled in a certain direction, and the crystallinity of the electrolyte polymer in the electrode catalyst layer can be improved. For this reason, the mechanical strength of such an electrode catalyst layer is improved, and a decrease in the porosity of the electrode catalyst layer due to a long-term start / stop cycle and an output fluctuation cycle can be prevented. Therefore, a fuel cell having an electrolyte membrane-electrode assembly using such an electrode catalyst layer can effectively prevent a decrease in output.

また、本発明の方法によると、従来と同様にして低級アルコールを触媒インクの溶剤として使用して形成された電極触媒層を、電解質膜との接合前に予め、20℃における比誘電率が25以上50以下である極性溶媒中に浸潤させることによって、電極触媒層中に存在するコロイドの表面が溶解して、電極触媒層中に存在するコロイド粒子の分子鎖と触媒層中の電解質の分子鎖とがよく絡まり合った状態となり、電極触媒層は機械強度が向上できると同時に、コロイド表面の溶解状態の電解質ポリマーの分子鎖が電解質ポリマーの分子鎖と強固に結合(絡み合う)ことができ、密着性に優れた、即ち、電極触媒層と固体高分子電解質膜とが強固に接合したMEAが製造できる。したがって、このようなMEAを使用した燃料電池もまた、長期間使用しても、触媒活性が低下せずに、出力も低下しない。本発明の方法は、アルコール系溶剤を使用した従来の触媒インクにより構築された従来の電極触媒層の形成法をそのまま適用することができる点でも工業上非常に有益である。   Further, according to the method of the present invention, an electrode catalyst layer formed using a lower alcohol as a solvent for the catalyst ink in the same manner as in the prior art has a relative dielectric constant of 25 in advance at 20 ° C. before joining with the electrolyte membrane. By infiltrating in a polar solvent of 50 or less, the surface of the colloid existing in the electrode catalyst layer is dissolved, and the molecular chains of the colloid particles existing in the electrode catalyst layer and the molecular chains of the electrolyte in the catalyst layer are dissolved. And the electrocatalyst layer can improve the mechanical strength, and at the same time, the molecular chains of the electrolyte polymer in the colloidal surface can be tightly bound (entangled) with the molecular chains of the electrolyte polymer. An MEA having excellent properties, that is, an electrode catalyst layer and a solid polymer electrolyte membrane that are firmly bonded can be produced. Therefore, even when a fuel cell using such an MEA is used for a long period of time, the catalytic activity does not decrease and the output does not decrease. The method of the present invention is also very useful industrially in that the conventional method for forming an electrode catalyst layer constructed with a conventional catalyst ink using an alcohol solvent can be applied as it is.

さらに、本発明による電極触媒層は長期間にわたる使用にあっても触媒活性を低下させることがないため、長期間、起動/停止サイクルおよび出力変動サイクルが頻繁に起こっても、出力低下が抑制された燃料電池の作製可能である。このため、本発明の燃料電池は、自動車用の燃料電池等、起動/停止サイクルおよび出力変動サイクルが頻繁に起こる用途に、特に好適に使用することができる。   Further, since the electrode catalyst layer according to the present invention does not decrease the catalytic activity even when used for a long period of time, even if the start / stop cycle and the output fluctuation cycle occur frequently for a long time, the output decrease is suppressed. A fuel cell can be manufactured. For this reason, the fuel cell of the present invention can be used particularly suitably for applications in which start / stop cycles and output fluctuation cycles occur frequently, such as fuel cells for automobiles.

以下、本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明の第一は、電極触媒、電解質及び溶剤を含む燃料電池電極形成用触媒インクにおいて、前記溶剤として20℃における比誘電率が25以上50以下である極性溶媒(本明細書では、単に「極性溶媒」とも称する)が使用されることを特徴とする触媒インクである。このように従来は、水や低級アルコールなどを使用していたのに代えて、特定の比誘電率を有する極性溶媒を使用したのは、この溶媒は電解質、特にパーフルオロカーボンスルホン酸等の電解質ポリマーを、コロイドを形成させることなく、完全に溶解することができるため、このような溶液状態として調製された触媒インクを用いて電極触媒層を形成すると、コロイド粒子間の弱い結合は存在せず、電解質ポリマーの分子鎖がよくからまりあった強固な状態で膜が形成でき、機械的強度に優れた電極触媒層が形成できるからである。また、特定の比誘電率を有する極性溶媒は比較的沸点が高いため、本発明の触媒インクを塗布して膜を形成する際に、従来のインクに比べて、極性溶剤がゆっくり蒸発するため、結晶化が促進できるため、この点からも、機械的強度に優れた電極触媒層が形成できる。なお、本明細書において、「結晶化」とは、ポリマー鎖が一定の規則性を持った方向で絡まりあうことを意味し、ポリマー鎖が一定の方向性をもって強固に絡み合うので、電極触媒層の機械的強度が上昇する。これに対して、低級アルコール等の低沸点の溶剤を使用した従来の電極触媒層では、製膜工程の際に溶剤が迅速に蒸発し、ポリマー鎖がランダムに絡まりあった非晶質状態の電極触媒層となる。このため、従来の電極触媒層は機械的強度に劣る。このように、本発明による電極触媒層は、優れた機械的強度を有するため、長期間にわたって起動/停止サイクルや出力変動サイクルを行なっても、孔がつぶれずに多孔構造を維持できるため、このような電極触媒層を使用した電解質膜−電極接合体を燃料電池にすれば、長期間使用された後も、反応ガスが十分電極触媒層中の孔を通過でき、触媒活性の低下は認められず、燃料電池を長期間使用できる。   The first aspect of the present invention is a catalyst ink for forming a fuel cell electrode containing an electrode catalyst, an electrolyte and a solvent, and a polar solvent having a relative dielectric constant at 20 ° C. of 25 to 50 as the solvent (in this specification, simply “ The catalyst ink is also characterized in that a “polar solvent” is also used. Thus, instead of using water or lower alcohols in the past, a polar solvent having a specific dielectric constant was used because the solvent was an electrolyte, particularly an electrolyte polymer such as perfluorocarbon sulfonic acid. Can be completely dissolved without forming a colloid. Therefore, when the electrocatalyst layer is formed using the catalyst ink prepared in such a solution state, there is no weak bond between the colloid particles, This is because a membrane can be formed in a strong state in which the molecular chains of the electrolyte polymer are well entangled, and an electrode catalyst layer having excellent mechanical strength can be formed. In addition, since the polar solvent having a specific dielectric constant has a relatively high boiling point, the polar solvent evaporates more slowly than the conventional ink when the catalyst ink of the present invention is applied to form a film. Since crystallization can be promoted, an electrode catalyst layer having excellent mechanical strength can be formed also in this respect. In the present specification, “crystallization” means that the polymer chains are entangled in a direction having a certain regularity, and the polymer chains are strongly entangled with a certain directionality. Increases mechanical strength. On the other hand, in the conventional electrode catalyst layer using a low boiling point solvent such as lower alcohol, the solvent is rapidly evaporated during the film forming process, and the amorphous state electrode in which polymer chains are randomly entangled It becomes a catalyst layer. For this reason, the conventional electrode catalyst layer is inferior in mechanical strength. As described above, since the electrode catalyst layer according to the present invention has excellent mechanical strength, the porous structure can be maintained without collapsing the pores even if the start / stop cycle and the output fluctuation cycle are performed over a long period of time. If an electrolyte membrane-electrode assembly using such an electrode catalyst layer is made into a fuel cell, the reaction gas can sufficiently pass through the pores in the electrode catalyst layer even after being used for a long time, and a decrease in catalyst activity is recognized. The fuel cell can be used for a long time.

本発明において、極性溶媒の20℃における比誘電率は、25以上50以下である。この際、比誘電率が25未満であると、溶媒分子の極性が小さくなりすぎて、電解質を十分溶解できず、電極触媒層中にコロイドが形成されてしまい、上記したような効果を十分発揮できない。これに対して、極性溶媒の比誘電率が50を超えると、溶媒の沸点が高くなりすぎて、電極触媒層の形成時に溶剤を蒸発させるための温度が高くなりすぎて、工業的に見合わない上、電解質膜上に触媒インクを塗布する場合には、高温処理のために電解質膜が損傷を受けてしまう。より好ましくは30以上50以下である。   In the present invention, the relative permittivity of the polar solvent at 20 ° C. is 25 or more and 50 or less. At this time, when the relative dielectric constant is less than 25, the polarity of the solvent molecules becomes too small to sufficiently dissolve the electrolyte, and a colloid is formed in the electrode catalyst layer, and the above-described effects are sufficiently exhibited. Can not. On the other hand, if the relative permittivity of the polar solvent exceeds 50, the boiling point of the solvent becomes too high, and the temperature for evaporating the solvent during the formation of the electrode catalyst layer becomes too high, which is industrially commensurate. In addition, when the catalyst ink is applied on the electrolyte membrane, the electrolyte membrane is damaged due to the high temperature treatment. More preferably, it is 30 or more and 50 or less.

本発明において使用される20℃における比誘電率が25以上50以下である極性溶媒は、上記比誘電率を満たすものであれば特に制限されないが、例えば、沸点が150〜250℃である極性溶媒が好ましく使用される。このような範囲の沸点を有する場合には、下記に詳述する電極触媒層の形成条件下で、極性溶媒がゆっくり蒸発するため、膜の結晶化が促進でき、得られた電極触媒層は機械的強度に優れた層となる。   The polar solvent having a relative dielectric constant at 20 ° C. of 25 or more and 50 or less used in the present invention is not particularly limited as long as it satisfies the above-mentioned relative dielectric constant. For example, a polar solvent having a boiling point of 150 to 250 ° C. Are preferably used. When the boiling point is in such a range, the polar solvent slowly evaporates under the conditions for forming the electrode catalyst layer, which will be described in detail below, so that the crystallization of the film can be promoted. It becomes a layer with excellent mechanical strength.

本発明において好ましく使用される極性溶媒は、25以上50以下の比誘電率を有するものであれば特に制限されないが、具体的には、DMSO(ジメチルスルホキシド)(比誘電率 46.7)、DMAc(ジメチルアセトアミド)(比誘電率 37.8)、NMP(N−メチル−2−ピロリジノン)(比誘電率 32.0)、EG(エチレングリコール)(比誘電率 38.7〜40.0)、DMF(N,N−ジメチルホルムアミド)(比誘電率 36.7)、及びグリセリン(比誘電率 42.5)などが挙げられる。これらのうち、形成される電極触媒層の孔構造、扱い易さや電解質の溶解性などを考慮すると、特にDMSO、及びNMPが好ましく使用され、特にDMSOが好ましい。これらの溶媒は、単独で使用してもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。   The polar solvent preferably used in the present invention is not particularly limited as long as it has a relative dielectric constant of 25 or more and 50 or less. Specifically, DMSO (dimethyl sulfoxide) (relative dielectric constant 46.7), DMAc (Dimethylacetamide) (relative permittivity 37.8), NMP (N-methyl-2-pyrrolidinone) (relative permittivity 32.0), EG (ethylene glycol) (relative permittivity 38.7 to 40.0), Examples thereof include DMF (N, N-dimethylformamide) (relative permittivity 36.7) and glycerin (relative permittivity 42.5). Among these, considering the pore structure of the electrode catalyst layer to be formed, ease of handling, electrolyte solubility, etc., DMSO and NMP are particularly preferably used, and DMSO is particularly preferred. These solvents may be used alone or in the form of a mixture of two or more.

本発明で使用される極性溶媒の量は、電解質を完全に溶解できる量であれば特に制限されないが、電解質が、極性溶媒中、好ましくは3〜20質量%、より好ましくは5〜10質量%の濃度になるような量である。この際、電解質の濃度が20質量%を超えると、電解質を完全には溶解せずに一部コロイドが形成される可能性があり、逆に3質量%未満であると、含まれる電解質量が少なすぎて、電解質ポリマーの分子鎖がよく絡まりあいきれずに、形成される触媒層の機械的強度が劣る可能性がある。また、触媒インクにおいて、電極触媒および固体高分子電解質などを合わせた固形分の濃度は、触媒インク中、8〜50質量%、より好ましくは10〜20質量%程度とするのが好ましい。   The amount of the polar solvent used in the present invention is not particularly limited as long as the electrolyte can be completely dissolved, but the electrolyte is preferably 3 to 20% by mass, more preferably 5 to 10% by mass in the polar solvent. The amount is such that the concentration becomes. At this time, if the concentration of the electrolyte exceeds 20% by mass, a part of the colloid may be formed without completely dissolving the electrolyte. Conversely, if the concentration of the electrolyte is less than 3% by mass, the contained electrolytic mass If the amount is too small, the molecular chains of the electrolyte polymer may not be entangled well and the mechanical strength of the formed catalyst layer may be inferior. Moreover, in the catalyst ink, the concentration of the solid content including the electrode catalyst and the solid polymer electrolyte is preferably 8 to 50% by mass, more preferably about 10 to 20% by mass in the catalyst ink.

また、本発明の触媒インクを構成する電解質(固体高分子電解質)は、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。   The electrolyte (solid polymer electrolyte) constituting the catalyst ink of the present invention includes a fluorine-based electrolyte containing fluorine atoms in all or part of the polymer skeleton, and a hydrocarbon-based electrolyte containing no fluorine atoms in the polymer skeleton. Broadly divided.

前記フッ素系電解質として、具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the fluorine electrolyte include perfluorocarbon sulfonic acids such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene A preferred example is a fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer.

前記炭化水素系電解質として、具体的には、ポリスルホンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸等が好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include polysulfone sulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl phosphonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyether ether ketone sulfonic acid, polyphenyl. A suitable example is sulfonic acid.

固体高分子電解質は、耐久性、機械強度などに優れることから、フッ素原子を含むのが好ましく、なかでも、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。   Since the solid polymer electrolyte is excellent in durability, mechanical strength and the like, it preferably contains a fluorine atom. Among them, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation), Fluorine electrolytes such as Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) are preferred.

本発明の触媒インクは、上述した極性溶媒、電解質に加えて、電極触媒を含む。本発明の触媒インクを構成する電極触媒としては、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)を触媒する作用を有するものであれば、特に限定されず、公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、触媒成分が導電性担体に担持されたものである。この際、触媒成分としては、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)を触媒できるものであれば、特に限定されず、公知の触媒成分が同様にして使用できるが、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。なお、電極触媒をして合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者が適宜選択できるが、白金が30〜90原子%、合金化する他の金属が10〜70原子%とすることが好ましい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。また、触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状及び大きさが使用できるが、触媒成分は、平均粒子径が1〜30nmの粒状であることが好ましい。担持の容易さという観点から1nm以上であることが好ましく、触媒利用率の観点から30nm以下であることが好ましい。なお、本発明における「触媒の平均粒径」は、X線回折における触媒成分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成分の微粒子径の平均値により測定することができる。   The catalyst ink of the present invention contains an electrode catalyst in addition to the polar solvent and the electrolyte described above. The electrode catalyst constituting the catalyst ink of the present invention is not particularly limited as long as it has an action of catalyzing a hydrogen oxidation reaction (anode side) and an oxygen reduction reaction (cathode side). It can be used similarly. Specifically, the catalyst component is supported on a conductive carrier. In this case, the catalyst component is not particularly limited as long as it can catalyze the hydrogen oxidation reaction (anode side) and the oxygen reduction reaction (cathode side), and known catalyst components can be used in the same manner. For example, it is selected from platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum and the like, and alloys thereof. In addition, the composition of the alloy in the case of using an alloy as an electrode catalyst varies depending on the type of metal to be alloyed and the like, and can be appropriately selected by a person skilled in the art. Is preferably 10 to 70 atomic%. In general, an alloy is a generic term for a metal element having one or more metal elements or non-metal elements added and having metallic properties. The alloy structure consists of a eutectic alloy, which is a mixture of component elements that form separate crystals, a component element that completely dissolves into a solid solution, and a component element that is an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. There is what is formed, and any may be used in the present application. In addition, the shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as those of known catalyst components can be used. However, the catalyst component is preferably granular with an average particle diameter of 1 to 30 nm. It is preferably 1 nm or more from the viewpoint of easy loading, and preferably 30 nm or less from the viewpoint of catalyst utilization. The “average particle diameter of the catalyst” in the present invention is the average value of the crystallite diameter determined from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction or the average particle diameter of the catalyst component determined from a transmission electron microscope image. Can be measured.

また、電極触媒に使用できる導電性担体としては、触媒成分を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分としてカーボンを含むことが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、本発明において「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。   In addition, the conductive carrier that can be used for the electrode catalyst is not particularly limited as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst component in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. It is preferable that carbon is contained as a main component. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. In the present invention, “the main component is carbon” refers to containing a carbon atom as a main component, and is a concept including both a carbon atom only and a substantially carbon atom. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by mass or less is allowed.

前記導電性担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに十分な比表面積であればよいが、好ましくは20〜1600m/g、より好ましくは80〜1200m/gとするのがよい。前記比表面積が、20m/g未満であると前記導電性担体への触媒成分および固体高分子電解質の分散性が低下して十分な発電性能が得られない恐れがあり、1600m/gを超えると触媒成分および固体高分子電解質の有効利用率が却って低下する恐れがある。 The BET specific surface area of the conductive carrier may be a specific surface area sufficient to carry the catalyst component in a highly dispersed state, but is preferably 20 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to 1200 m 2 / g. Is good. The specific surface area, 20 m 2 / dispersibility of the catalyst component and the solid polymer electrolyte of g less than the that to the conductive support is lowered there is a possibility that sufficient power generation performance is obtained, a 1600 m 2 / g When it exceeds, there exists a possibility that the effective utilization factor of a catalyst component and a solid polymer electrolyte may fall on the contrary.

また、前記導電性担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径が5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするのがよい。   Further, the size of the conductive carrier is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the ease of loading, the catalyst utilization, and the thickness of the electrode catalyst layer within an appropriate range, the average particle size is 5 to 200 nm. The thickness is preferably about 10 to 100 nm.

前記導電性担体に触媒成分が担持された電極触媒において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは10〜80質量%、より好ましくは30〜70質量%とするのがよい。前記担持量が、80質量%を超えると、触媒成分の導電性担体上での分散度が下がり、担持量が増加するわりに発電性能の向上が小さく経済上での利点が低下する恐れがある。また、前記担持量が、10質量%未満であると、単位質量あたりの触媒活性が低下して所望の発電性能を得るために多量の電極触媒が必要となり好ましくない。なお、触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって調べることができる。   In the electrode catalyst in which the catalyst component is supported on the conductive support, the supported amount of the catalyst component is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 30 to 70% by mass with respect to the total amount of the electrode catalyst. Good. If the loading amount exceeds 80% by mass, the degree of dispersion of the catalyst component on the conductive support is lowered, and although the loading amount is increased, the improvement in power generation performance is small and the economic advantage may be lowered. On the other hand, if the loading amount is less than 10% by mass, the catalytic activity per unit mass is lowered, and a large amount of electrode catalyst is required to obtain the desired power generation performance, which is not preferable. The amount of the catalyst component supported can be examined by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).

また、導電性担体への触媒成分の担持は公知の方法で行うことができる。例えば、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(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法が使用できる。または、電極触媒は、市販品を用いてもよい。   The catalyst component can be supported on the conductive carrier by a known method. For example, known methods such as impregnation method, liquid phase reduction support method, evaporation to dryness method, colloid adsorption method, spray pyrolysis method, reverse micelle (microemulsion method) can be used. Alternatively, a commercially available electrode catalyst may be used.

本発明の触媒インクにおいて、電極触媒は、所望の作用、即ち、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)を触媒する作用を十分発揮できる量であればいずれの量で、使用されてもよい。電極触媒が、触媒インク中、5〜30質量%、より好ましくは9〜20質量%となるような量で存在することが好ましい。   In the catalyst ink of the present invention, the electrode catalyst can be used in any amount as long as it can sufficiently exhibit the desired action, that is, the action of catalyzing the hydrogen oxidation reaction (anode side) and the oxygen reduction reaction (cathode side). , May be used. It is preferable that the electrode catalyst is present in the catalyst ink in an amount of 5 to 30% by mass, more preferably 9 to 20% by mass.

本発明の触媒インクには、電極触媒、電解質及び溶剤に加えて、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、得られる電極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。撥水性高分子を使用する際の、撥水性高分子の添加量は、本発明の上記効果を妨げない程度の量であれば特に制限されないが、触媒インクの全質量に対して、好ましくは0.1〜2質量%である。   The catalyst ink of the present invention may contain a water-repellent polymer such as polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer in addition to the electrode catalyst, the electrolyte, and the solvent. . Thereby, the water repellency of the obtained electrode catalyst layer can be increased, and water generated at the time of power generation can be quickly discharged. The amount of the water-repellent polymer added when the water-repellent polymer is used is not particularly limited as long as it does not interfere with the above effect of the present invention, but is preferably 0 with respect to the total mass of the catalyst ink. .1 to 2% by mass.

上記撥水性高分子に代えてまたは上記撥水性高分子に加えて、本発明の触媒インクは、増粘剤を含んでもよい。増粘剤の使用は、触媒インクが転写用台紙上にうまく塗布できない場合などに有効である。この際使用できる増粘剤は、特に制限されず、公知の増粘剤が使用できるが、例えば、グリセリン、EG(エチレングリコール)、PVA(ポリビニルアルコール))などが挙げられる。増粘剤を使用する際の、増粘剤の添加量は、本発明の上記効果を妨げない程度の量であれば特に制限されないが、触媒インクの全質量に対して、好ましくは5〜20質量%である。   Instead of the water-repellent polymer or in addition to the water-repellent polymer, the catalyst ink of the present invention may contain a thickener. The use of a thickener is effective when the catalyst ink cannot be successfully applied onto a transfer mount. The thickener that can be used in this case is not particularly limited, and a known thickener can be used. Examples thereof include glycerin, EG (ethylene glycol), and PVA (polyvinyl alcohol). The amount of the thickener added when the thickener is used is not particularly limited as long as it does not interfere with the above effect of the present invention, but is preferably 5 to 20 with respect to the total mass of the catalyst ink. % By mass.

本発明の触媒インクは、電極触媒、電解質及び溶剤、ならびに必要であれば撥水性高分子および/または増粘剤、が適宜混合されたものであればその調製方法は特に制限されない。なお、電解質が固体状態あるいは本発明による極性溶媒を含む場合にあっては、電極触媒、電解質及び溶剤を、それぞれ所定量、混合する。例えば、電解質を極性溶媒に添加し、この混合液を加熱・攪拌して、電解質を極性溶媒に溶解した後、これに電極触媒を添加することによって、触媒インクを調製できる。または、電解質を、シクロヘキサノールやエタノールや2−プロパノール等の低級アルコールの溶剤(「他の溶剤」と称する)中に一旦分散/懸濁された後、上記分散/懸濁液を極性溶剤と混合した後、上記他の溶剤を除去して、電解質と極性溶媒との混合溶液を調製してもよい。この際の他の溶剤の除去方法としては、上記溶剤が効率よく除去できる方法であれば特に制限されないが、上記溶剤に比べて、本発明の極性溶媒は沸点が高いため、この沸点の相違を利用して、余分な溶剤を除去することが好ましい。このような方法としては、例えば、市販の電解質の分散/懸濁液と、上記極性溶媒とを、室温で撹拌混合した後、この混合溶液を、適当な温度、例えば、50〜90℃、より好ましくは70〜80℃でロータリーエバポレータで加熱して、混合溶液中の余分な溶剤を蒸発させる方法がある。この際、加熱(溶剤除去工程)の終了は、余分な溶剤の質量が分かっている場合には、例えば、混合溶液全体の質量を測定することによって容易に判断できる。また、余分な溶剤の量が不明である場合には、例えば、蒸発する溶剤が全く観察されなくなるなどによって、加熱終了時(即ち、余分な溶剤の除去完了時)を判断すればよい。なお、上記方法において、極性溶媒に電解質を直接添加・溶解するよりも、電解質を他の溶剤に一旦分散/懸濁した後、これを極性溶媒と混合する後者の方法の方が、迅速に極性溶媒中電解質が溶解でき、好ましい。また、この場合には、電解質が予め上記他の溶媒中に調製されている市販の電解質溶液(例えば、デュポン製のNafion溶液:1−プロパノール中に5wt%の濃度でNafionが分散/懸濁したもの)をそのまま上記方法に使用してもよい。   The catalyst ink of the present invention is not particularly limited in its preparation method as long as an electrode catalyst, an electrolyte and a solvent, and if necessary, a water-repellent polymer and / or a thickener are appropriately mixed. When the electrolyte is in a solid state or contains the polar solvent according to the present invention, the electrode catalyst, the electrolyte and the solvent are mixed in predetermined amounts. For example, a catalyst ink can be prepared by adding an electrolyte to a polar solvent, heating and stirring the mixture, dissolving the electrolyte in a polar solvent, and then adding an electrode catalyst thereto. Alternatively, the electrolyte is once dispersed / suspended in a solvent of a lower alcohol such as cyclohexanol, ethanol or 2-propanol (referred to as “other solvent”), and then the dispersion / suspension is mixed with a polar solvent. Then, the other solvent may be removed to prepare a mixed solution of the electrolyte and the polar solvent. Other solvent removal methods in this case are not particularly limited as long as the solvent can be removed efficiently, but the polar solvent of the present invention has a higher boiling point compared to the solvent. It is preferable to use and remove excess solvent. As such a method, for example, a commercially available dispersion / suspension of an electrolyte and the above polar solvent are stirred and mixed at room temperature, and then this mixed solution is heated at an appropriate temperature, for example, 50 to 90 ° C. Preferably, there is a method of evaporating excess solvent in the mixed solution by heating with a rotary evaporator at 70 to 80 ° C. At this time, the end of the heating (solvent removal step) can be easily determined by measuring the mass of the entire mixed solution, for example, when the mass of the excess solvent is known. When the amount of excess solvent is unknown, for example, the end of heating (that is, when the removal of excess solvent is completed) may be determined by, for example, observing no evaporated solvent at all. In the above method, rather than adding and dissolving the electrolyte directly in the polar solvent, the latter method in which the electrolyte is once dispersed / suspended in another solvent and then mixed with the polar solvent is more polar. An electrolyte in a solvent can be dissolved, which is preferable. Further, in this case, a commercially available electrolyte solution in which the electrolyte is previously prepared in the other solvent (for example, Nafion solution manufactured by DuPont: Nafion is dispersed / suspended at a concentration of 5 wt% in 1-propanol). May be used in the above method as is.

本発明の触媒インクは、カソード側電極触媒層またはアノード側電極触媒層のいずれか一方のみに使用されてもあるいは双方に使用されてもよいが、カソード側は特に出力変動による生成水量の変化により乾湿の変化を受けて、初期状態における電極触媒層の多孔構造が崩れ、空隙率が低下して、電極触媒層への反応ガス供給量が低下する危険性が高いため、少なくともカソード側電極触媒層に使用されることが好ましく、特にカソード及びアノード双方の側の電極触媒層に使用されることが好ましい。本発明において、本発明の触媒インクを使用しない場合の触媒インクは、公知と同様の触媒インク、例えば、水、シクロヘキサノールやエタノールや2−プロパノール等の低級アルコールの溶剤を極性溶媒の代わりに使用する以外は上記と同様の触媒インクが使用できる。   The catalyst ink of the present invention may be used for only one or both of the cathode side electrode catalyst layer and the anode side electrode catalyst layer, but the cathode side is particularly affected by changes in the amount of generated water due to output fluctuations. At least the cathode-side electrode catalyst layer because there is a high risk that the porous structure of the electrode catalyst layer in the initial state collapses due to changes in dryness and moisture, the porosity decreases, and the amount of reactant gas supplied to the electrode catalyst layer decreases. It is preferably used for the electrode catalyst layer on both the cathode and anode sides. In the present invention, the catalyst ink when the catalyst ink of the present invention is not used is a catalyst ink similar to a known one, for example, water, a solvent of a lower alcohol such as cyclohexanol, ethanol or 2-propanol is used instead of the polar solvent. Except for this, the same catalyst ink as described above can be used.

本発明では、本発明の触媒インクを使用する以外は、従来公知の方法と同様の方法によって電解質膜−電極接合体(MEA)が製造できる。例えば、上記で調製された触媒インクを所望の厚さで転写用台紙上に塗布・乾燥することによって、カソード側及びアノード側の電極触媒層をそれぞれ形成し、さらにこの電極触媒層が内側にくるように固体高分子電解質膜を上記電極触媒層で挟持してホットプレス等により接合した後、転写用台紙を剥がすことによって、MEAが得られる。したがって、本発明の第二は、本発明の触媒インクを使用して作製した電極触媒層を有する電解質膜−電極接合体(MEA)に関するものである。   In the present invention, an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) can be produced by the same method as that conventionally known except that the catalyst ink of the present invention is used. For example, the catalyst ink prepared above is applied and dried on a transfer mount with a desired thickness to form an electrode catalyst layer on the cathode side and the anode side, respectively, and this electrode catalyst layer comes inside. Thus, after sandwiching the solid polymer electrolyte membrane between the electrode catalyst layers and joining them by hot pressing or the like, the transfer mount is peeled off to obtain an MEA. Therefore, the second of the present invention relates to an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) having an electrode catalyst layer produced using the catalyst ink of the present invention.

以下、本発明のMEAの製造方法の好ましい態様を説明する。なお、以下の態様は、本発明の好ましい態様を示したものであり、本発明のMEAの製造方法が下記方法に限定されるものではない。   Hereinafter, the preferable aspect of the manufacturing method of MEA of this invention is demonstrated. In addition, the following aspects show the preferable aspect of this invention, and the manufacturing method of MEA of this invention is not limited to the following method.

まず、本発明の触媒インクを転写用台紙上に塗布・乾燥して、電極触媒層を形成する。この際、転写用台紙としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)シート、PET(ポリエチレンテレフタレート)シート、ポリエステルシートなどの公知のシートが使用できる。なお、転写用台紙は、使用する触媒インク(特にインク中のカーボン等の導電性担体)の種類に応じて適宜選択される。また、上記工程において、電極触媒層の厚みは、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)の触媒作用が十分発揮できる厚みであれば特に制限されず、従来と同様の厚みが使用できる。具体的には、電極触媒層の厚みは、1〜30μm、より好ましくは1〜20μmである。また、転写用台紙上への触媒インクの塗布方法は、特に制限されず、スクリーン印刷法、沈積法、あるいはスプレー法などの公知の方法が同様にして適用できる。また、塗布された電極触媒層の乾燥条件もまた、電極触媒層から極性溶媒を完全に除去できる条件であれば特に制限されない。具体的には、触媒インクの塗布層(電極触媒層)を真空乾燥機内にて、室温〜100℃、より好ましくは50〜80℃で、30〜60分間、乾燥する。この際、触媒層の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで、上記塗布・乾燥工程を繰り返す。次に、このようにして作製された電極触媒層で固体高分子電解質膜を挟持した後、当該積層についてホットプレスを行なう。この際、ホットプレス条件は、電極触媒層及び固体高分子電解質膜が十分密接に接合できる条件であれば特に制限されないが、100〜200℃、より好ましくは110〜170℃で、電極面に対して1〜5MPaのプレス圧力で行なうのが好ましい。これにより固体高分子電解質膜と電極触媒層との接合性を高めることができる。ホットプレスを行なった後、転写用台紙を剥がすことにより、電極触媒層と固体高分子電解質膜とからなるMEAを得ることができる。なお、本発明によるMEAは、下記に詳述されるように、一般的にガス拡散層をさらに有しており、この際、ガス拡散層は、上記方法において、転写用台紙を剥がし、得られた接合体をさらにガス拡散層で挟持することによって、電極触媒層と固体高分子電解質膜との接合後にさらに各電極触媒層に接合することが好ましい。または、電極触媒層を予めガス拡散層表面上に形成して電極触媒層−ガス拡散層接合体を製造した後、上記したのと同様にして、この電極触媒層−ガス拡散層接合体で固体高分子電解質膜をホットプレスにより挟持・接合することもまた好ましい。   First, the catalyst ink of the present invention is applied and dried on a transfer mount to form an electrode catalyst layer. In this case, as the transfer mount, a known sheet such as a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet, a PET (polyethylene terephthalate) sheet, or a polyester sheet can be used. The transfer mount is appropriately selected according to the type of catalyst ink to be used (particularly, a conductive carrier such as carbon in the ink). In the above process, the thickness of the electrode catalyst layer is not particularly limited as long as it can sufficiently exhibit the catalytic action of the hydrogen oxidation reaction (anode side) and the oxygen reduction reaction (cathode side). Thickness can be used. Specifically, the thickness of the electrode catalyst layer is 1 to 30 μm, more preferably 1 to 20 μm. The method for applying the catalyst ink onto the transfer mount is not particularly limited, and a known method such as a screen printing method, a deposition method, or a spray method can be similarly applied. Also, the drying conditions of the applied electrode catalyst layer are not particularly limited as long as the polar solvent can be completely removed from the electrode catalyst layer. Specifically, the catalyst ink coating layer (electrode catalyst layer) is dried in a vacuum dryer at room temperature to 100 ° C., more preferably 50 to 80 ° C., for 30 to 60 minutes. At this time, if the thickness of the catalyst layer is not sufficient, the coating and drying process is repeated until a desired thickness is obtained. Next, after sandwiching the solid polymer electrolyte membrane with the electrode catalyst layer thus prepared, hot pressing is performed on the laminate. At this time, the hot press conditions are not particularly limited as long as the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane can be sufficiently closely joined, but are 100 to 200 ° C., more preferably 110 to 170 ° C. The press pressure is preferably 1 to 5 MPa. Thereby, the bondability between the solid polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer can be enhanced. After performing hot pressing, an MEA comprising an electrode catalyst layer and a solid polymer electrolyte membrane can be obtained by peeling off the transfer mount. As will be described in detail below, the MEA according to the present invention generally further includes a gas diffusion layer. At this time, the gas diffusion layer is obtained by peeling off the transfer mount in the above method. It is preferable that the joined body is further sandwiched between gas diffusion layers to further join each electrode catalyst layer after joining the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane. Alternatively, after an electrode catalyst layer is formed on the surface of the gas diffusion layer in advance to produce an electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly, the electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly is solid as described above. It is also preferable to sandwich and bond the polymer electrolyte membrane by hot pressing.

上記方法において使用できる固体高分子電解質膜としては、特に限定されないが、電極触媒層の説明において列挙した電解質が同様にして使用できる。その例としては、デュポン社製Nafion、旭硝子社製Flemion、旭化成社製Aciplex等が挙げられる。その他、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を用いてもよい。なお、本発明において、固体高分子電解質膜と、電極触媒層に含まれる電解質は、同じものを用いてもあるいは異なるものを用いてもよいが、電極触媒層と固体高分子電解質膜との接合性などを考慮すると同じものを用いるのが望ましい。   Although it does not specifically limit as a solid polymer electrolyte membrane which can be used in the said method, The electrolyte enumerated in description of the electrode catalyst layer can be used similarly. Examples include Nafion manufactured by DuPont, Flemion manufactured by Asahi Glass, and Aciplex manufactured by Asahi Kasei. In addition, fluoropolymer electrolytes such as ion exchange resins manufactured by Dow Chemical Co., ethylene-tetrafluoroethylene copolymer resin membranes, resin membranes based on trifluorostyrene, and hydrocarbons having sulfonic acid groups A resin film or the like may be used. In the present invention, the solid polymer electrolyte membrane and the electrolyte contained in the electrode catalyst layer may be the same or different, but the junction between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane may be used. It is desirable to use the same one in consideration of sex.

また、固体高分子電解質膜の厚みは、得られるMEAの特性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは5〜300μm、より好ましくは10〜200μm、特に好ましくは15〜150μmである。製膜時の強度や燃料電池作動時の耐久性の観点から5μm以上であることが好ましく、燃料電池作動時の出力特性の観点からは300μm以下であることが好ましい。   The thickness of the solid polymer electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the properties of the obtained MEA, but is preferably 5 to 300 μm, more preferably 10 to 200 μm, and particularly preferably 15 to 150 μm. From the viewpoint of strength during film formation and durability during operation of the fuel cell, it is preferably 5 μm or more, and from the viewpoint of output characteristics during operation of the fuel cell, it is preferably 300 μm or less.

この際、MEAに用いられるガス拡散層としては、特に限定されず公知のものが同様にして使用でき、例えば、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ものなどが挙げられる。前記基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。厚さが、30μm未満であると十分な機械的強度などが得られない恐れがあり、500μmを超えるとガスや水などが透過する距離が長くなり望ましくない。   At this time, the gas diffusion layer used in the MEA is not particularly limited, and a known one can be used in the same manner. For example, the conductive and porous properties such as carbon woven fabric, paper-like paper body, felt, and non-woven fabric are used. The thing which uses the sheet-like material which has as a base material etc. are mentioned. The thickness of the substrate may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm. If the thickness is less than 30 μm, sufficient mechanical strength or the like may not be obtained, and if it exceeds 500 μm, the distance through which gas or water permeates is undesirably increased.

電極触媒層をガス拡散層表面上に形成する方法は、特に制限されず、スクリーン印刷法、沈積法、スプレー法などの公知の方法が同様にして適用できる。また、電極触媒層のガス拡散層表面上への形成条件は、特に制限されず、上記したような具体的な形成方法によって従来と同様の条件が適用できる。   The method for forming the electrode catalyst layer on the surface of the gas diffusion layer is not particularly limited, and known methods such as a screen printing method, a deposition method, and a spray method can be similarly applied. In addition, the conditions for forming the electrode catalyst layer on the surface of the gas diffusion layer are not particularly limited, and the same conditions as before can be applied by the specific forming method as described above.

前記ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことを目的として、前記基材に撥水剤を含ませることが好ましい。前記撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、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(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。   The gas diffusion layer preferably contains a water repellent in the base material for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon. Although it does not specifically limit as said water repellent, It is fluorine-type, such as a polytetrafluoroethylene (PTFE), a polyvinylidene fluoride (PVDF), a polyhexafluoropropylene, a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). Examples thereof include polymer materials, polypropylene, and polyethylene.

また、撥水性をより向上させるために、前記ガス拡散層は、前記基材上に撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層を有するものであってもよい。   Moreover, in order to improve water repellency more, the said gas diffusion layer may have a carbon particle layer which consists of an aggregate | assembly of the carbon particle containing a water repellent on the said base material.

前記カーボン粒子としては、特に限定されず、カーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などの従来一般的なものであればよい。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく挙げられる。前記カーボン粒子の粒径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。   The carbon particles are not particularly limited, and may be conventional ones such as carbon black, graphite, and expanded graphite. Of these, carbon blacks such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black are preferred because of their excellent electron conductivity and large specific surface area. The particle size of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. Thereby, while being able to obtain the high drainage property by capillary force, it becomes possible to improve contact property with a catalyst layer.

前記カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、前記基材に用いられる上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられる。   Examples of the water repellent used for the carbon particle layer include the same water repellents as those described above used for the substrate. Of these, fluorine-based polymer materials are preferably used because of their excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reaction.

前記カーボン粒子層における、カーボン粒子と撥水剤との混合比は、カーボン粒子が多過ぎると期待するほど撥水性が得られない恐れがあり、撥水剤が多過ぎると十分な電子伝導性が得られない恐れがある。これらを考慮して、カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、質量比で、90:10〜40:60程度とするのがよい。   In the carbon particle layer, the mixing ratio between the carbon particles and the water repellent may be insufficient to obtain the water repellency as expected when the carbon particles are too much. There is a risk that it will not be obtained. Considering these, the mixing ratio of the carbon particles and the water repellent in the carbon particle layer is preferably about 90:10 to 40:60 in terms of mass ratio.

前記カーボン粒子層の厚さは、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。   The thickness of the carbon particle layer may be appropriately determined in consideration of the water repellency of the obtained gas diffusion layer.

ガス拡散層に撥水剤を含有させる場合には、一般的な撥水処理方法を用いて行えばよい。例えば、ガス拡散層に用いられる基材を撥水剤の分散液に浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させる方法などが挙げられる。   When a water repellent is contained in the gas diffusion layer, a general water repellent treatment method may be used. For example, after immersing the base material used for a gas diffusion layer in the dispersion liquid of a water repellent agent, the method of heat-drying with oven etc. is mentioned.

ガス拡散層において基材上にカーボン粒子層を形成する場合には、カーボン粒子、撥水剤等を、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒などの溶媒中に分散させることによりスラリーを調製し、前記スラリーを基材上に塗布し乾燥、もしくは、前記スラリーを一度乾燥させ粉砕することで粉体にし、これを前記ガス拡散層上に塗布する方法などを用いればよい。その後、マッフル炉や焼成炉を用いて250〜400℃程度で熱処理を施すのが好ましい。   When forming a carbon particle layer on a substrate in a gas diffusion layer, the carbon particles, water repellent, etc. are in a solvent such as water, alcohol solvents such as perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, methanol, ethanol, etc. A slurry is prepared by dispersing in a slurry, and the slurry is applied on a substrate and dried, or the slurry is dried and pulverized to form a powder, and this is applied to the gas diffusion layer. Use it. Then, it is preferable to heat-process at about 250-400 degreeC using a muffle furnace or a baking furnace.

なお、電極触媒層と固体高分子電解質膜と、及び好ましくはガス拡散層を含む接合体の製造方法は、上述した方法に限定されない。すなわち、触媒インクを固体高分子電解質膜上に塗布・乾燥させた後ホットプレスして、電極触媒層を固体高分子電解質膜と接合し、得られた接合体をガス拡散層で挟持して、MEAとする方法;触媒インクを、前記ガス拡散層上に塗布・乾燥させて電極触媒層を形成し、これを固体高分子電解質膜とホットプレスにより接合する方法、などであってもよく各種公知技術を適宜用いて行えばよい。   In addition, the manufacturing method of the joined body including the electrode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, and preferably the gas diffusion layer is not limited to the above-described method. That is, after applying and drying the catalyst ink on the solid polymer electrolyte membrane, hot pressing, the electrode catalyst layer is joined to the solid polymer electrolyte membrane, and the obtained joined body is sandwiched between the gas diffusion layers, MEA: a catalyst ink may be applied and dried on the gas diffusion layer to form an electrode catalyst layer, which may be joined to a solid polymer electrolyte membrane by hot pressing, or the like. What is necessary is just to use a technique suitably.

または、本発明による電極触媒層を、従来の方法と同様にして低級アルコールを溶剤として用いて転写用台紙上に形成した後、20℃における比誘電率が25以上50以下である極性溶媒を浸潤させ、さらにこの電極触媒層を電解質膜に転写することによって、MEAを製造してもよい。または、本発明による電極触媒層を、ガス拡散層表面上に形成して電極触媒層−ガス拡散層接合体を製造した後、この電極触媒層−ガス拡散層接合体に20℃における比誘電率が25以上50以下である極性溶媒を浸潤させ、さらにこれを電解質膜と接合することによって、MEAを製造してもよい。したがって、本発明の第三は、転写用台紙上に形成された電極触媒層に、20℃における比誘電率が25以上50以下である極性溶媒を浸潤させた後、電極触媒層を固体高分子電解質膜に転写する工程を有する、電解質膜−電極接合体の製造方法である。また、本発明の第四は、電極触媒層をガス拡散層表面上に形成して電極触媒層−ガス拡散層接合体を製造した後、該電極触媒層−ガス拡散層接合体に、20℃における比誘電率が25以上50以下である極性溶媒を浸潤させた後、固体高分子電解質膜と接合する工程を有する、電解質膜−電極接合体の製造方法である。上記方法は、従来と同様、低級アルコール等の溶剤を用いた触媒インクで作製した電極触媒層を用いるものであり、このようにして作製された触媒層を固体高分子電解質膜と接合する前に予め本発明による極性溶媒に浸潤することによって、電極触媒層中に存在するコロイドの表面が上記極性溶媒に溶ける。このように表面が溶けて、電極触媒層中の電解質ポリマーの分子鎖が固体高分子電解質膜の電解質ポリマーと結合する(絡み合う)。このため、このようにして形成されたMEAは、密着性に優れた、即ち、電極触媒層と固体高分子電解質膜とが強固に接合したものとなる。また、このMEAでは、コロイド表面の溶解状態の電解質ポリマーの分子鎖が電解質ポリマーの分子鎖と強固に結合(絡み合う)ので、触媒層の機械的強度が向上し、当該層の多孔構造もつぶれにくく、このため、このようなMEAを使用した燃料電池もまた、長期間使用しても、触媒層の多孔構造が維持でき、ガス拡散性の低下を有効に防止・抑制できるので、触媒活性が低下せずに、出力(発電性能)も低下しない。したがって、本発明の方法によると、従来のアルコール系溶剤を使用した触媒インクであっても、十分性能にすぐれたMEAが製造できる。   Alternatively, the electrode catalyst layer according to the present invention is formed on a transfer mount using a lower alcohol as a solvent in the same manner as in the conventional method, and then infiltrated with a polar solvent having a relative dielectric constant of 20 to 50 at 20 ° C. Furthermore, the MEA may be manufactured by transferring the electrode catalyst layer to the electrolyte membrane. Alternatively, after the electrode catalyst layer according to the present invention is formed on the surface of the gas diffusion layer to produce an electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly, the dielectric constant at 20 ° C. is applied to the electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly. The MEA may be produced by infiltrating a polar solvent having a molecular weight of 25 or more and 50 or less and further joining it with an electrolyte membrane. Accordingly, in the third aspect of the present invention, after the electrode catalyst layer formed on the transfer mount is infiltrated with a polar solvent having a relative dielectric constant of 25 or more and 50 or less at 20 ° C., the electrode catalyst layer is solid polymerized. It is a manufacturing method of an electrolyte membrane electrode assembly which has a process of transferring to an electrolyte membrane. In the fourth aspect of the present invention, after an electrode catalyst layer is formed on the surface of the gas diffusion layer to produce an electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly, the electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly is subjected to 20 ° C. This is a method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly, which comprises a step of infiltrating a polar solvent having a relative dielectric constant of 25 or more and 50 or less and then joining with a solid polymer electrolyte membrane. The above method uses an electrode catalyst layer made of a catalyst ink using a solvent such as a lower alcohol, as in the prior art, and before joining the catalyst layer thus prepared to the solid polymer electrolyte membrane, By infiltrating in the polar solvent according to the present invention in advance, the surface of the colloid existing in the electrode catalyst layer is dissolved in the polar solvent. In this way, the surface melts, and the molecular chains of the electrolyte polymer in the electrode catalyst layer are bonded (entangled) with the electrolyte polymer of the solid polymer electrolyte membrane. For this reason, the MEA formed in this manner has excellent adhesion, that is, the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane are firmly bonded. In addition, in this MEA, the molecular chains of the electrolyte polymer in a dissolved state on the colloidal surface are strongly bound (entangled) with the molecular chains of the electrolyte polymer, so that the mechanical strength of the catalyst layer is improved and the porous structure of the layer is not easily crushed. Therefore, the fuel cell using such MEA can maintain the porous structure of the catalyst layer even when used for a long period of time, and can effectively prevent / suppress the decrease in gas diffusivity. In addition, the output (power generation performance) does not decrease. Therefore, according to the method of the present invention, even a catalyst ink using a conventional alcohol solvent can produce an MEA having a sufficiently high performance.

本発明の第三及び第四において、特記しない限り、極性溶媒の種類、電極触媒層、固体高分子電解質膜及びガス拡散層の材質、形成方法・条件など、本発明の第一及び第二との重複部分については、本発明の第一及び第二における説明と同様であり、ここでの説明を省略する。   In the third and fourth aspects of the present invention, unless otherwise specified, the types of polar solvent, the electrode catalyst layer, the material of the solid polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer, the formation method and conditions, etc. The overlapping parts are the same as those described in the first and second aspects of the present invention, and will not be described here.

本発明の第三及び第四において、電極触媒層/電極触媒層−ガス拡散層接合体の、極性溶媒中への浸潤条件は、電極触媒層上のコロイド表面が溶解するような条件であれば特に制限されないが、例えば、電極触媒層/電極触媒層−ガス拡散層接合体に、本発明による極性溶媒をスプレー等により塗布した後、真空乾燥機内にて、室温〜100℃、より好ましくは50〜80℃で、30〜60分間、乾燥する方法が好ましく使用される。また、本発明の第三と第四は、本発明の第四において電極触媒層をガス拡散層表面上に形成する工程を含むか否かが相違するのみで、それ以外は、本発明の第三と同様である。なお、本発明の第三は、上述したように、転写用台紙上に形成された電極触媒層に、20℃における比誘電率が25以上50以下である極性溶媒を浸潤させた後、電極触媒層を固体高分子電解質膜に転写した後、転写用台紙を剥がして、さらに、この電極触媒層側にガス拡散層を設けることが好ましい。   In the third and fourth aspects of the present invention, the infiltration condition of the electrode catalyst layer / electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly into the polar solvent is such that the colloidal surface on the electrode catalyst layer is dissolved. Although it does not restrict | limit in particular, For example, after apply | coating the polar solvent by this invention to an electrode catalyst layer / electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly by spray etc., it is room temperature-100 degreeC in a vacuum dryer, More preferably, it is 50. A method of drying at -80 ° C for 30-60 minutes is preferably used. Further, the third and fourth aspects of the present invention differ only in whether or not they include a step of forming an electrode catalyst layer on the surface of the gas diffusion layer in the fourth aspect of the present invention. Same as three. In the third aspect of the present invention, as described above, the electrode catalyst layer formed on the transfer mount is infiltrated with a polar solvent having a relative dielectric constant of 25 to 50 at 20 ° C. After transferring the layer to the solid polymer electrolyte membrane, it is preferable to peel off the transfer mount and further provide a gas diffusion layer on the electrode catalyst layer side.

上述した本発明のMEAは、極性溶媒を使用した触媒インクを用いて形成された触媒層をカソード側および/またはアノード側触媒層として用いることにより、長期間にわたる起動/停止サイクルおよび出力変動サイクルによる発電性能の低下が抑制されると同様に、十分に高い発電性能を維持できる。したがって、前記MEAを燃料電池に用いることにより、耐久性および発電性能に優れる燃料電池を提供することが可能となる。前記燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では固体高分子型燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、リン酸型燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、固体高分子型燃料電池が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用であるが、特にシステムの起動/停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途で特に好適に使用できる。   The above-described MEA of the present invention uses a catalyst layer formed using a catalyst ink using a polar solvent as a cathode side and / or an anode side catalyst layer, thereby enabling long-term start / stop cycles and output fluctuation cycles. A sufficiently high power generation performance can be maintained as well as a decrease in power generation performance is suppressed. Therefore, it becomes possible to provide a fuel cell excellent in durability and power generation performance by using the MEA in a fuel cell. The type of the fuel cell is not particularly limited. In the above description, the polymer electrolyte fuel cell has been described as an example, but in addition, there are alkaline fuel cells, phosphoric acid fuel cells, and the like. Can be mentioned. Among these, a polymer electrolyte fuel cell is preferable because it is small in size, and can achieve high density and high output. The fuel cell is useful as a stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. However, the fuel cell is particularly useful for an automobile application in which system start / stop and output fluctuation frequently occur. It can be particularly preferably used.

前記燃料電池の構成としては、特に限定されず、従来公知の技術を適宜利用すればよいが、一般的にはMEAをセパレータで挟持した構造を有する。前記セパレータとしては、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、従来公知のものであれば制限なく用いることができる。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の流路溝が形成されてもよい。セパレータの厚さや大きさ、流路溝の形状などについては、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 configuration of the fuel cell is not particularly limited, and a conventionally known technique may be used as appropriate. Generally, the fuel cell has a structure in which an MEA is sandwiched between separators. The separator can be used without limitation as long as it is conventionally known, such as those made of carbon such as dense carbon graphite and a carbon plate, and those made of metal such as stainless steel. The separator has a function of separating air and fuel gas, and a channel groove for securing the channel may be formed. The thickness and size of the separator, the shape of the flow channel, and the like 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.

以下、本発明を、実施例を参照しながら、より具体的に説明する。なお、本発明は、下記実施例のみに限定されることはない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. In addition, this invention is not limited only to the following Example.

実施例1:触媒インクの溶剤としてDMSOをつかう方法
1.NafionのDMSO溶液(5wt%)の作製
市販のNafion溶液(1−プロパノール中に5wt%の濃度でNafionを分散/懸濁したもの、デュポン製)100g(即ち、5g Nafion+95g 1−プロパノール)に、95gのDMSOを加え室温にて10分間、撹拌・混合する。次に、上記混合溶液を70℃で加熱しながらロータリーエバポレータにかけ、混合溶液中の1−プロパノールを蒸発させる。混合溶液の重量が100gになったところで、加熱を終了する。
Example 1: Method using DMSO as solvent for catalyst ink Preparation of Nafion in DMSO (5 wt%) Commercially available Nafion solution (dispersed / suspended Nafion at a concentration of 5 wt% in 1-propanol, manufactured by DuPont) in 100 g (ie, 5 g Nafion + 95 g 1-propanol), 95 g Add DMSO and stir and mix at room temperature for 10 minutes. Next, the mixed solution is heated on a rotary evaporator while being heated at 70 ° C. to evaporate 1-propanol in the mixed solution. When the weight of the mixed solution reaches 100 g, the heating is finished.

2.触媒インクの作製
白金担持カーボン微粒子((株)田中貴金属製、商品名:TEC10E50E)及び上記1.で作製したNafionのDMSO溶液を混合し、室温で、3分間、撹拌して、触媒インクを調製する。
2. Preparation of catalyst ink Platinum-supported carbon fine particles (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., trade name: TEC10E50E) and the above 1. The Nafion-DMSO solution prepared in step 1 is mixed and stirred at room temperature for 3 minutes to prepare a catalyst ink.

3.転写シート(デカール)の作製
上記2.で調製した触媒インクを、スクリーンプリンタにてテフロンシート(大きさ:5cm×5cm)上に塗布し、真空乾燥機にて1時間、乾燥させて、転写シートを作製する。この際、触媒層中の白金量が10mgになるまで、上記工程を繰り返して、重ね塗りを行なう。
3. 1. Production of transfer sheet (decal) The catalyst ink prepared in the above is applied on a Teflon sheet (size: 5 cm × 5 cm) with a screen printer and dried in a vacuum dryer for 1 hour to produce a transfer sheet. At this time, the above process is repeated until the amount of platinum in the catalyst layer reaches 10 mg, and overcoating is performed.

4.電極触媒層の転写
Nafion膜(大きさ:7cm×7cm)を、上記3.で作製した転写シート2枚で、触媒層がそれぞれNafion膜と接するように、挟みこみ、130℃、2MPaで、10分間ホットプレスを行なう。ホットプレス後、テフロンシートを剥がして、MEAを作製する。
4). The transfer Nafion film (size: 7 cm × 7 cm) of the electrode catalyst layer is used as described in 3. above. The two transfer sheets prepared in the above are sandwiched so that the catalyst layers are in contact with the Nafion film, and hot pressing is performed at 130 ° C. and 2 MPa for 10 minutes. After hot pressing, the Teflon sheet is peeled off to produce an MEA.

実施例2:デカールにDMSOを浸潤させる方法
1.触媒インクの作製
所定量の白金担持カーボン微粒子((株)田中貴金属製、商品名:TEC10E50E)と市販のNafion溶液(1−プロパノール中に5wt%の濃度でNafionを分散/懸濁したもの、デュポン製)を、室温にて3分間、撹拌・混合する。
Example 2: Method of infiltrating a decal with DMSO Preparation of catalyst ink Predetermined amount of platinum-supported carbon fine particles (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., trade name: TEC10E50E) and commercially available Nafion solution (dispersed / suspended Nafion at a concentration of 5 wt% in 1-propanol, DuPont) Are stirred and mixed at room temperature for 3 minutes.

2.転写シート(デカール)の作製
上記1.で調製した触媒インクを、スクリーンプリンタにてテフロンシート(大きさ:5cm×5cm)上に塗布し、1時間、自然乾燥させて、転写シートを作製する。この際、触媒層中の白金量が10mgになるまで、上記工程を繰り返して、重ね塗りを行なう。
2. Preparation of transfer sheet (decal) The catalyst ink prepared in the above is applied on a Teflon sheet (size: 5 cm × 5 cm) with a screen printer, and naturally dried for 1 hour to produce a transfer sheet. At this time, the above process is repeated until the amount of platinum in the catalyst layer reaches 10 mg, and overcoating is performed.

3.電極触媒層の転写
上記2.で作製した転写シート2枚にDMSOをスプレー等により塗布した後、真空乾燥機内にて80℃に加熱して1時間乾燥させる。次に、Nafion膜(大きさ:7cm×7cm)を、この転写シート2枚で、触媒層がそれぞれNafion膜と接するように、挟みこみ、130℃、2MPaで10分間、ホットプレスを行なう。ホットプレス後、テフロンシートを剥がして、MEAを作製する。
3. 1. Transfer of electrode catalyst layer DMSO is applied to the two transfer sheets prepared in the above by spraying or the like, and then heated to 80 ° C. in a vacuum dryer and dried for 1 hour. Next, a Nafion film (size: 7 cm × 7 cm) is sandwiched between the two transfer sheets so that the catalyst layer is in contact with the Nafion film, and hot pressing is performed at 130 ° C. and 2 MPa for 10 minutes. After hot pressing, the Teflon sheet is peeled off to produce an MEA.

比較例1
1.触媒インクの作製
白金担持カーボン微粒子((株)田中貴金属製、商品名:TEC10E50E)及び市販のNafion溶液(1−プロパノール中に5wt%の濃度でNafionを分散/懸濁したもの、デュポン製)を混合し、室温で、3分間、撹拌して、触媒インクを調製する。
Comparative Example 1
1. Preparation of catalyst ink Platinum-supported carbon fine particles (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., trade name: TEC10E50E) and a commercially available Nafion solution (dispersed / suspended Nafion at a concentration of 5 wt% in 1-propanol, manufactured by DuPont) Mix and stir at room temperature for 3 minutes to prepare the catalyst ink.

2.転写シート(デカール)の作製
上記1.で調製した触媒インクを、スクリーンプリンタにてテフロンシート(大きさ:5cm×5cm)上に塗布し、真空乾燥機にて1時間、乾燥させて、転写シートを作製する。この際、触媒層中の白金量が10mgになるまで、上記工程を繰り返して、重ね塗りを行なう。
2. Preparation of transfer sheet (decal) The catalyst ink prepared in the above is applied on a Teflon sheet (size: 5 cm × 5 cm) with a screen printer and dried in a vacuum dryer for 1 hour to produce a transfer sheet. At this time, the above process is repeated until the amount of platinum in the catalyst layer reaches 10 mg, and overcoating is performed.

3.電極触媒層の転写
Nafion膜(大きさ:7cm×7cm)を、上記2.で作製した転写シート2枚で、触媒層がそれぞれNafion膜と接するように、挟みこみ、130℃、2MPaで10分間、ホットプレスを行なう。ホットプレス後、テフロンシートを剥がして、MEAを作製する。
3. The transfer Nafion film (size: 7 cm × 7 cm) of the electrode catalyst layer is applied to the above 2. The two transfer sheets prepared in the above are sandwiched so that the catalyst layers are in contact with the Nafion film, and hot pressing is performed at 130 ° C. and 2 MPa for 10 minutes. After hot pressing, the Teflon sheet is peeled off to produce an MEA.

実施例3
燃料電池としての性能効果を検証するために、実施例1〜2および比較例1で作製したMEAを使用したセルの起動/停止サイクル発電試験を実施した。なお、セルは、実施例1及び2ならびに比較例1で作製したMEA(電解質膜−触媒層接合体)をガス拡散層となるカーボンペーパー(厚さ300μm)で両面から挟んだものを、発電評価用セルに組み込んだものを使用した。
Example 3
In order to verify the performance effect as a fuel cell, a cell start / stop cycle power generation test using the MEAs produced in Examples 1-2 and Comparative Example 1 was performed. The cell was obtained by sandwiching the MEA (electrolyte membrane-catalyst layer assembly) produced in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 with carbon paper (thickness 300 μm) serving as a gas diffusion layer from both sides. Used in the cell.

また、実験はセル温度70℃で行ない、発電時はアノードに水素ガス(相対湿度50%)、カソードに空気(相対湿度50%)を供給し、電流密度1A/cmで発電を行い、停止時はアノードのパージガスとして乾燥空気を供給した。サイクル周期は2分(発電1分、停止1分)で300サイクル実施した。実験開始時および終了時における、電流密度1A/cmでの電圧値を測定し、その結果を下記表1に示す。 The experiment was conducted at a cell temperature of 70 ° C. During power generation, hydrogen gas (relative humidity 50%) was supplied to the anode and air (relative humidity 50%) was supplied to the cathode, and power generation was performed at a current density of 1 A / cm 2 and stopped. At times, dry air was supplied as the purge gas for the anode. The cycle period was 2 minutes (power generation 1 minute, stop 1 minute), and 300 cycles were performed. The voltage value at a current density of 1 A / cm 2 at the start and end of the experiment was measured, and the results are shown in Table 1 below.

Figure 2006294267
Figure 2006294267

上記表1に示される結果から、本発明による実施例1および2のMEAを用いると、実験終了時の電圧が比較例1のそれを上回っており、本発明の触媒インクを使用したMEAを使用したセルは、起動/停止サイクルおよび出力変動サイクルによる出力低下を有意に抑制できることが認められる。   From the results shown in Table 1 above, when the MEAs of Examples 1 and 2 according to the present invention were used, the voltage at the end of the experiment exceeded that of Comparative Example 1, and the MEA using the catalyst ink of the present invention was used. It can be seen that the obtained cell can significantly suppress the output decrease due to the start / stop cycle and the output fluctuation cycle.

また、触媒層の多孔構造の変化を確認するために、新品およびサイクル試験に用いたMEAのカソード側触媒層断面のSEM観察(30,000倍)を行った。その結果、実施例1および2の触媒層の多孔構造は新品と大きな違いは認められなかったが、比較例1では空孔のつぶれが認められた。SEMの画像から見積もった触媒層の空孔率は、新品:55%、実施例1:53%、実施例2:50%なのに対し、比較例:35%であった。   Moreover, in order to confirm the change of the porous structure of the catalyst layer, SEM observation (30,000 times) of the cross section of the cathode side catalyst layer of the MEA used in the new and cycle tests was performed. As a result, the porous structures of the catalyst layers of Examples 1 and 2 were not significantly different from those of the new ones. However, in Comparative Example 1, crushing of pores was observed. The porosity of the catalyst layer estimated from the SEM image was 55% for new article, 53% for Example 1, and 50% for Example 2, whereas it was 35% for Comparative Example.

本発明の触媒層の優れた機械的強度、触媒層の多孔構造の長期の起動/停止サイクル及び出力変動サイクルでの優れた維持能などから、本発明の触媒層を用いたMEAを有する燃料電池は、システムの起動/停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途において特に好適に利用できる。   The fuel cell having the MEA using the catalyst layer of the present invention because of the excellent mechanical strength of the catalyst layer of the present invention, the long-term start / stop cycle of the porous structure of the catalyst layer and the excellent ability to maintain the output fluctuation cycle, etc. Can be used particularly suitably in automotive applications where system start / stop and output fluctuations frequently occur.

一般的な固体高分子型燃料電池の断面模式図を示す。A cross-sectional schematic diagram of a general polymer electrolyte fuel cell is shown.

符号の説明Explanation of symbols

1…固体高分子型燃料電池、
2…固体高分子電解質膜、
3a…アノード側電極触媒層、
3b…カソード側電極触媒層、
4a…アノード側ガス拡散層、
4b…カソード側ガス拡散層、
5…MEA、
6a…アノード側セパレータ、
6b…カソード側セパレータ、
7a,7b…ガス供給溝。
1. Solid polymer fuel cell,
2 ... Solid polymer electrolyte membrane,
3a ... anode side electrode catalyst layer,
3b ... cathode side electrode catalyst layer,
4a ... anode side gas diffusion layer,
4b ... cathode side gas diffusion layer,
5 ... MEA,
6a ... anode side separator,
6b ... cathode side separator,
7a, 7b ... gas supply grooves.

Claims (8)

電極触媒、電解質及び溶剤を含む燃料電池電極形成用触媒インクにおいて、前記溶剤として20℃における比誘電率が25以上50以下である極性溶媒が使用されることを特徴とする触媒インク。   A catalyst ink for forming a fuel cell electrode comprising an electrode catalyst, an electrolyte and a solvent, wherein the solvent is a polar solvent having a relative dielectric constant at 20 ° C. of 25 to 50. 前記極性溶媒は、DMSO(ジメチルスルホキシド)、DMAc(ジメチルアセトアミド)、NMP(N−メチル−2−ピロリジノン)、EG(エチレングリコール)、DMF(N,N−ジメチルホルムアミド)及びグリセリンからなる群より選択される少なくとも一種である、請求項1に記載の触媒インク。   The polar solvent is selected from the group consisting of DMSO (dimethyl sulfoxide), DMAc (dimethylacetamide), NMP (N-methyl-2-pyrrolidinone), EG (ethylene glycol), DMF (N, N-dimethylformamide) and glycerin. The catalyst ink according to claim 1, wherein the catalyst ink is at least one kind. 請求項1または2記載の触媒インクを使用して作製した電極触媒層を有する電解質膜−電極接合体。   An electrolyte membrane-electrode assembly having an electrode catalyst layer produced using the catalyst ink according to claim 1. 転写用台紙上に形成された電極触媒層に、20℃における比誘電率が25以上50以下である極性溶媒を浸潤させた後、該電極触媒層を固体高分子電解質膜に転写する工程を有する、電解質膜−電極接合体の製造方法。   A step of infiltrating an electrode catalyst layer formed on a transfer mount with a polar solvent having a relative dielectric constant of 25 to 50 at 20 ° C., and then transferring the electrode catalyst layer to a solid polymer electrolyte membrane. And manufacturing method of electrolyte membrane-electrode assembly. 電極触媒層をガス拡散層表面上に形成して電極触媒層−ガス拡散層接合体を製造した後、該電極触媒層−ガス拡散層接合体に、20℃における比誘電率が25以上50以下である極性溶媒を浸潤させた後、固体高分子電解質膜と接合する工程を有する、電解質膜−電極接合体の製造方法。   After the electrode catalyst layer is formed on the surface of the gas diffusion layer to produce an electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly, the electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly has a relative dielectric constant of 25 to 50 at 20 ° C. The manufacturing method of an electrolyte membrane electrode assembly which has the process of making it infiltrate the polar solvent which is and joining with a solid polymer electrolyte membrane. 前記極性溶媒は、DMSO(ジメチルスルホキシド)、DMAc(ジメチルアセトアミド)、NMP(N−メチル−2−ピロリジノン)、EG(エチレングリコール)、DMF(N,N−ジメチルホルムアミド)及びグリセリンからなる群より選択される少なくとも一種である、請求項4または5に記載の方法。   The polar solvent is selected from the group consisting of DMSO (dimethyl sulfoxide), DMAc (dimethylacetamide), NMP (N-methyl-2-pyrrolidinone), EG (ethylene glycol), DMF (N, N-dimethylformamide) and glycerin. The method according to claim 4 or 5, which is at least one of the following. 請求項3に記載の電解質膜−電極接合体または請求項4〜6のいずれか1項に記載の方法によって製造された電解質膜−電極接合体を使用してなる燃料電池。   A fuel cell comprising the electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 3 or the electrolyte membrane-electrode assembly produced by the method according to any one of claims 4 to 6. 請求項7に記載の燃料電池を搭載した自動車。   An automobile equipped with the fuel cell according to claim 7.
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