JP2008234941A - Manufacturing method of porous catalyst layer, manufacturing method of membrane-electrode assembly, and manufacturing method of polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Manufacturing method of porous catalyst layer, manufacturing method of membrane-electrode assembly, and manufacturing method of polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a porous catalyst layer capable of forming pores in a self-organization manner without causing loss of a catalyst. <P>SOLUTION: This manufacturing method of a porous catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell includes a process of reducing the oxide of a catalyst material with any of phosphine, ammonia, hydrogen sulfide, SO<SB>2</SB>and HCHO. Platinum oxide is reduced in the reduction reaction. In the reduction reaction, platinum oxide is immersed in a phosphine acid aqueous solution, and heated to a value above a temperature at which phosphine acid is thermally decomposed to produce phosphine. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は固体高分子型燃料電池の多孔質触媒層の製造方法、前記多孔質触媒層の製造方法を用いた膜電極接合体の製造方法および固体高分子型燃料電池の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a porous catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell, a method for producing a membrane electrode assembly using the method for producing a porous catalyst layer, and a method for producing a polymer electrolyte fuel cell. .

固体高分子型燃料電池は、エネルギー変換効率が高いこと、クリーンであること、静かであることなどから、自動車や家庭用発電機などの用途で将来のエネルギー生成装置として期待されている。   The polymer electrolyte fuel cell is expected as a future energy generation device in applications such as automobiles and household generators because of its high energy conversion efficiency, cleanliness, and quietness.

近年では、固体高分子型燃料電池はエネルギー密度が高く、運転温度が低いことから、携帯電話、ノート型パソコン、デジタルカメラなど小型の電気機器を、従来の二次電池に比べ長時間駆動できる可能性があり、注目を集めている。   In recent years, polymer electrolyte fuel cells have high energy density and low operating temperature, so it is possible to drive small electric devices such as mobile phones, notebook computers, and digital cameras for a long time compared to conventional secondary batteries. There is sex and attracts attention.

しかし、固体高分子型燃料電池は、運転温度が100℃以下でも駆動できるが、発電時間の経過に伴って次第に電圧が低下し、終には発電が停止するという問題がある。
これは反応で生じる水が触媒層の空隙内に滞留し、触媒層中の空隙を水が塞いで、反応物質である燃料ガスの供給を妨げることにより、発電反応が停止するという、所謂「フラッディング現象」が原因である。特に水が生成するカソード側の触媒層でフラッディングが起きやすい。
However, although the polymer electrolyte fuel cell can be driven even at an operating temperature of 100 ° C. or lower, there is a problem that the voltage gradually decreases with the lapse of the power generation time and the power generation stops at the end.
This is because the water generated by the reaction stays in the gap of the catalyst layer, and the power generation reaction stops by blocking the gap in the catalyst layer and preventing the supply of the fuel gas as the reactant. "Phenomenon" is the cause. In particular, flooding is likely to occur in the catalyst layer on the cathode side where water is generated.

また、小型の電気機器用燃料電池としての実用化には、システム全体のコンパクト化が必須である。特に燃料電池を小型電気機器に搭載する場合においては、電池自体も小型化する必要があり、ポンプやブロワーなどを用いずに空気を通気孔から自然拡散によって空気極へ供給させる方式(Air Breathing)が多く採られている。このような場合、生成水は自然蒸発によってのみ燃料電池外へ排出されるので、生成水が触媒層に滞留しフラッディングが起こることが多い。このため、触媒層の生成水の分散性を向上させることが燃料電池の性能安定性を左右する重要な要素となっている。   Also, for practical use as a fuel cell for small electrical equipment, it is essential to make the entire system compact. In particular, when the fuel cell is mounted on a small electric device, the cell itself needs to be downsized, and air is supplied from the vent hole to the air electrode by natural diffusion without using a pump or a blower (Air Breathing). Many are taken. In such a case, the produced water is discharged out of the fuel cell only by natural evaporation, so that the produced water is often retained in the catalyst layer and flooding often occurs. For this reason, improving the dispersibility of the generated water in the catalyst layer is an important factor that affects the performance stability of the fuel cell.

このため一般に触媒層に疎水剤としてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などフッ素樹脂系微粒子粉末を溶剤や界面活性剤と共に混合して、触媒層の疎水性を高める方法が一般的に知られている。   For this reason, generally known is a method of increasing the hydrophobicity of the catalyst layer by mixing fluororesin fine particle powder such as polytetrafluoroethylene (PTFE) as a hydrophobic agent in the catalyst layer together with a solvent and a surfactant.

更に生成水の分散性を向上させるため、触媒層の厚み方向に疎水性に濃度分布を持たせたり(特許文献1)、触媒層の厚み方向に触媒担持粒子の粒径分布を持たせたり(特許文献2)する方法が開示されている。   Further, in order to improve the dispersibility of the generated water, the catalyst layer has a hydrophobic concentration distribution in the thickness direction of the catalyst layer (Patent Document 1), or the catalyst support particle has a particle size distribution in the thickness direction of the catalyst layer ( Patent Document 2) discloses a method.

しかし、ガス流通溝を備えたセパレータで膜−電極接合体(MEA)を挟持した形式の燃料電池や積層型の燃料電池では、電極面内の各位置によってセル外部からの水蒸気の拡散距離が異なるため、触媒層の面内で水蒸気分圧分布が生じることが知られている。   However, in a fuel cell or a stack type fuel cell in which a membrane-electrode assembly (MEA) is sandwiched by a separator having a gas flow groove, the diffusion distance of water vapor from the outside of the cell differs depending on each position in the electrode surface. Therefore, it is known that a water vapor partial pressure distribution is generated in the plane of the catalyst layer.

この場合、燃料電池を高負荷で長時間駆動すると、触媒層面内の水蒸気分圧分布の差は大きくなり、局所的に飽和水蒸気圧に近くなる箇所ができる。その結果、発電によって生成した水蒸気は触媒層の空孔内部で凝縮し空孔を塞ぎ、触媒層中に局所的なフラッディングが生じてしまう。   In this case, when the fuel cell is driven at a high load for a long time, the difference in the water vapor partial pressure distribution in the catalyst layer surface becomes large, and a portion locally close to the saturated water vapor pressure is formed. As a result, water vapor generated by power generation condenses inside the pores of the catalyst layer and closes the pores, and local flooding occurs in the catalyst layer.

このような局所的なフラッディング状態を避けるために、供給ガスの湿度を下げると、上記の場合とは逆に触媒層面内で局所的に湿度が低くなりすぎる領域(局所的ドライアウト領域)ができて、その領域の固体高分子電解質のプロトン抵抗が上昇してしまい、電池性能が低下するという問題がある。   In order to avoid such a local flooding condition, when the humidity of the supply gas is lowered, a region where the humidity is too low (local dryout region) is created in the catalyst layer surface, contrary to the above case. Thus, there is a problem that the proton resistance of the solid polymer electrolyte in that region increases, and the battery performance decreases.

このように触媒層面内での水分分布の不均一性を防ぐためには、特許文献1及び2に記載の触媒層の組成を膜厚方向に変化させる手法では、触媒層の面内方向で組成が一定のため、凝縮水が触媒層の面内方向に効率良く拡散せず、不十分である。   Thus, in order to prevent the nonuniformity of the moisture distribution in the catalyst layer surface, in the method of changing the composition of the catalyst layer described in Patent Documents 1 and 2 in the film thickness direction, the composition is in the in-plane direction of the catalyst layer. Due to the constant, the condensed water does not diffuse efficiently in the in-plane direction of the catalyst layer, which is insufficient.

そこで、触媒層のガス拡散層と接する面に排水用の溝を設ける方法(特許文献3,4)、疎水性を付与する部分を触媒層面内で偏在させる方法(特許文献5)、触媒層中に触媒層非形成領域を設ける方法(特許文献6)が提案されている。   Therefore, a method of providing a groove for drainage on the surface of the catalyst layer in contact with the gas diffusion layer (Patent Documents 3 and 4), a method of unevenly imparting hydrophobicity in the catalyst layer surface (Patent Document 5), A method of providing a catalyst layer non-formation region is proposed (Patent Document 6).

これらの手法によれば、触媒層面内で水分分布に差が生じても、自然拡散により自発的に触媒層面内で水分分布が一定になる効果が得られる。
特許第3245929号公報 特開1996−162123号公報 特開2004−327358号公報 特開2005−38780号公報 特開2004−171847号公報 特開2004−039474号公報
According to these methods, even if a difference in moisture distribution occurs in the catalyst layer surface, an effect of spontaneously making the moisture distribution constant in the catalyst layer surface by natural diffusion can be obtained.
Japanese Patent No. 3245929 JP-A-1996-162123 JP 2004-327358 A JP 2005-38780 A JP 2004-171847 A JP 2004-039474 A

しかし、上記のような従来用いられてきた手法は、いずれも触媒層が触媒粒子または触媒担持粒子で構成されているので、反応ガスの主要な供給経路は、粒子間の空隙が連結しランダムに分岐連結した蟻の巣状に形成されている。   However, in any of the methods conventionally used as described above, since the catalyst layer is composed of catalyst particles or catalyst-supported particles, the main supply path of the reaction gas is randomly connected by voids between the particles. It is formed in the shape of a ant nest that is branched and connected.

そのため、反応ガスの膜厚方向に対する拡散距離が、触媒層の厚み以上に長くなっている。このため、反応ガス及び生成水蒸気の拡散時間が長く、燃料電池の出力が低く抑えられるという問題があった。   Therefore, the diffusion distance with respect to the film thickness direction of the reaction gas is longer than the thickness of the catalyst layer. For this reason, there existed a problem that the diffusion time of reaction gas and produced | generated water vapor | steam was long and the output of a fuel cell was restrained low.

また更に上記従来技術にはそれぞれ、下記のような問題点があった。
すなわち、特許文献3及び4に記載の触媒層のガス拡散層と接する面に排水用の溝を設ける(特許文献3,4)方法では、溝が触媒層と電解質膜の界面まで達していないため、電解質膜近傍の触媒層では面内の水分分布が均一化されにくいという問題点があった。
Further, each of the above prior arts has the following problems.
That is, in the method of providing drainage grooves on the surface of the catalyst layer in contact with the gas diffusion layer described in Patent Documents 3 and 4 (Patent Documents 3 and 4), the grooves do not reach the interface between the catalyst layer and the electrolyte membrane. In the catalyst layer in the vicinity of the electrolyte membrane, there is a problem that the in-plane moisture distribution is difficult to be made uniform.

さらに、特許文献5に記載の疎水性を付与する部分を触媒層面内で偏在させる方法では、局所的フラッディングの防止効果はあるが、水の移動を触媒層中の親疎水性度の差に拠っているため、疎水性の高い領域で局所的なドライアウトが生じた場合に、そこに水分が移動せずドライアウトを解消できないという問題があった。   Furthermore, in the method in which the hydrophobicity-providing portion described in Patent Document 5 is unevenly distributed in the catalyst layer surface, there is an effect of preventing local flooding, but the movement of water depends on the difference in the degree of hydrophilicity / hydrophobicity in the catalyst layer. Therefore, when local dryout occurs in a highly hydrophobic region, there is a problem that moisture does not move there and the dryout cannot be eliminated.

また、特許文献6に記載の触媒層中に触媒層非形成領域を設ける方法では、触媒を電解質膜に熱転写する際に凹凸金型を転写フィルムの上から押し付けるため、触媒層非形成領域を形成する為に、触媒層のロスが必ず発生して余分なコストがかかるという問題がある。   Moreover, in the method of providing the catalyst layer non-formation region in the catalyst layer described in Patent Document 6, the catalyst layer non-formation region is formed in order to press the uneven mold from above the transfer film when the catalyst is thermally transferred to the electrolyte membrane. Therefore, there is a problem that a loss of the catalyst layer is inevitably generated and extra cost is required.

更に、原理的に転写フィルムの厚みの2倍と金型凸部の合計より小さな触媒非形成領域及び触媒形成領域を作り分けることができない。転写フィルムの厚みはハンドリングの問題から最低限10μm以上は必要であるので、この手法では原理的に20μmより小さなパターンが形成できない。そのため、余剰水が触媒非形成領域までに達する距離が長い場合があり、触媒層面内の水分分布が均一化されにくいという問題があった。   Furthermore, in principle, a catalyst non-formation region and a catalyst formation region that are smaller than twice the thickness of the transfer film and the sum of the mold protrusions cannot be formed separately. Since the thickness of the transfer film is required to be at least 10 μm due to handling problems, a pattern smaller than 20 μm cannot be formed in principle by this method. For this reason, there is a case where the distance that surplus water reaches to the non-catalyst formation region is long, and there is a problem that the moisture distribution in the catalyst layer surface is difficult to be made uniform.

従来技術では以上のような問題があり、触媒層のガス拡散時間が短く、かつ触媒層面内の水分分布を速やかに均一化し得る技術が求められていた。
The prior art has the above-described problems, and a technique has been demanded in which the gas diffusion time of the catalyst layer is short and the moisture distribution in the catalyst layer surface can be made uniform quickly.

また、本発明は、触媒のロス無しに、かつ自己組織的に空孔を形成できる上記の多孔質触媒層の製造方法を提供するものである。
また、本発明は、安定な発電特性を有する膜電極接合体および固体高分子型燃料電池を低コストで提供するものである。
The present invention also provides a method for producing the above porous catalyst layer that can form pores in a self-organized manner without loss of the catalyst.
The present invention also provides a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell having stable power generation characteristics at a low cost.

上記の課題を解決する多孔質触媒層の製造方法は、固体高分子型燃料電池用の多孔質触媒層の製造方法であって、触媒材料の酸化物をホスフィン、アンモニア、硫化水素、SO、HCHOのいずれかによって還元する工程を含むことを特徴とする。 A method for producing a porous catalyst layer that solves the above problems is a method for producing a porous catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the oxide of the catalyst material is phosphine, ammonia, hydrogen sulfide, SO 2 , It includes the step of reducing with any of HCHO.

前記還元反応において、ホスフィン酸水溶液中に酸化白金を浸し、ホスフィン酸が熱分解してホスフィンを生成する温度以上に加熱することが好ましい。
アンモニア、硫化水素、SO、HCHOを使用する場合は、酸化白金に直接ガスあるいは希釈ガスに曝すことが好ましい。
In the reduction reaction, it is preferable that platinum oxide is immersed in an aqueous phosphinic acid solution and heated to a temperature at which the phosphinic acid is thermally decomposed to produce phosphine.
When using ammonia, hydrogen sulfide, SO 2 , or HCHO, it is preferable to directly expose platinum oxide to a gas or a dilution gas.

上記の課題を解決する膜電極接合体の製造方法は、固体高分子電解質膜と、電極と、該固体高分子電解質膜と該電極との間に上記の方法で多孔質触媒層を形成する工程を有することを特徴とする。   A method for producing a membrane / electrode assembly that solves the above problems includes a step of forming a solid polymer electrolyte membrane, an electrode, and a porous catalyst layer between the solid polymer electrolyte membrane and the electrode by the method described above. It is characterized by having.

上記の課題を解決する固体高分子型燃料電池の製造方法は、上記の方法で膜電極接合体を形成する工程を有することを特徴とする。   A method for producing a polymer electrolyte fuel cell that solves the above-described problems includes a step of forming a membrane electrode assembly by the above-described method.

本発明は、触媒のロス無しに、かつ自己組織的に空孔を形成できる、多孔質触媒層の製造方法を提供する。
また、本発明は、安定な発電特性を有する膜電極接合体および固体高分子型燃料電池を低コストで提供することができる。
The present invention provides a method for producing a porous catalyst layer capable of forming pores in a self-organized manner without loss of the catalyst.
In addition, the present invention can provide a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell having stable power generation characteristics at a low cost.

以下、本発明を詳細に説明する。
以下図面を参照して、本発明の多孔質触媒層の一実施態様を示して説明する。ただし、この実施の形態に記載されている材質、寸法、形状、配置等は、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲を限定するものではない。以下に記述する製造方法も同様である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
Hereinafter, an embodiment of the porous catalyst layer of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the materials, dimensions, shapes, arrangements, and the like described in this embodiment do not limit the scope of the present invention unless otherwise specified. The manufacturing method described below is also the same.

図1は、本発明の多孔質触媒層を用いた固体高分子型燃料電池の単セルの断面構成の一例を表す模式図である。図1において、1は固体高分子電解質膜、これを挟んで一対の触媒層、すなわちアノード側の触媒層2と、カソード側の多孔質触媒層3が配置されている。   FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a cross-sectional configuration of a single cell of a polymer electrolyte fuel cell using the porous catalyst layer of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a solid polymer electrolyte membrane, and a pair of catalyst layers, that is, an anode-side catalyst layer 2 and a cathode-side porous catalyst layer 3 are arranged therebetween.

本実施態様においては、カソード(空気極)側のみ、本発明の多孔質触媒層が配置された例を示すが、触媒層の配置構成としてはこれに限定するものではない。例えば、本発明の多孔質触媒層を両極に配置しても、あるいはアノード側のみに配置してもよい。   In this embodiment, an example in which the porous catalyst layer of the present invention is disposed only on the cathode (air electrode) side is shown, but the arrangement configuration of the catalyst layer is not limited thereto. For example, the porous catalyst layer of the present invention may be disposed on both electrodes or only on the anode side.

カソード側触媒層は、略柱状の空孔を有する多孔質触媒層3からなり、多孔質触媒4と、該多孔質触媒層4を支持する触媒担体5とから構成される。カソード側の触媒層3の外側には、カソード側ガス拡散層7とカソード側電極(空気極)9が配置される。   The cathode side catalyst layer is composed of a porous catalyst layer 3 having substantially columnar pores, and is composed of a porous catalyst 4 and a catalyst carrier 5 that supports the porous catalyst layer 4. A cathode side gas diffusion layer 7 and a cathode side electrode (air electrode) 9 are arranged outside the catalyst layer 3 on the cathode side.

アノード側の触媒層2は触媒11と触媒担体5とから構成され、その外側には、アノード側ガス拡散層6とアノード側電極(燃料極)8が配置される。   The anode-side catalyst layer 2 is composed of a catalyst 11 and a catalyst carrier 5, and an anode-side gas diffusion layer 6 and an anode-side electrode (fuel electrode) 8 are disposed on the outside thereof.

固体高分子電解質膜1としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体や非フッ素重合体などの高分子材料から形成され、例えばスルホン酸型パーフルオロカーボン重合体や、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基またはカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体を好適に使用することができる。   The solid polymer electrolyte membrane 1 is formed of a polymer material such as a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group or a non-fluorine polymer. For example, a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer, a polysulfone resin, a phosphonic acid group or a carboxyl group is used. A perfluorocarbon polymer having an acid group can be preferably used.

パーフルオロスルホン酸ポリマーの例としてナフィオン(デュポン社製)112が挙げられる。また非フッ素重合体の例として、スルホン化された方向族ポリエーテルケトン、芳香族ポリスルホンなどが挙げられる。   An example of a perfluorosulfonic acid polymer is Nafion (manufactured by DuPont) 112. Examples of non-fluorine polymers include sulfonated directional group polyether ketones and aromatic polysulfones.

なお、プロトンH+が電解質膜中をカソード側に向かって移動する場合には水分子を媒体として電解質中の親水性部分を移動するので、電解質膜は水分子を保有する機能も有していなければならない。したがって、固体高分子電解質膜の機能としては、アノード側で生成したプロトンH+をカソード側に伝達するとともに未反応の反応ガス(水素および酸素)を通さないこと、所定の保水機能があることが必要である。この条件を満たすものであれば、任意のものを選択して使用することができる。 When proton H + moves through the electrolyte membrane toward the cathode, the hydrophilic portion of the electrolyte moves using water molecules as a medium, and therefore the electrolyte membrane must also have a function of retaining water molecules. I must. Therefore, the function of the solid polymer electrolyte membrane is to transmit proton H + generated on the anode side to the cathode side and not to pass unreacted reaction gases (hydrogen and oxygen) and to have a predetermined water retention function. is necessary. Any one satisfying this condition can be selected and used.

ガス拡散層6,7は、電極反応を効率良く行わせるために、燃料ガスまたは空気を燃料極または空気極の触媒層中の電極反応領域へ、面内で均一に充分に供給するとともに、アノード電極反応によって生じる電荷を単セル外部に放出させること、さらに反応生成水や未反応ガスを単セル外部に効率よく排出する役割を担うものである。   The gas diffusion layers 6 and 7 supply the fuel gas or air uniformly and sufficiently in the plane to the electrode reaction region in the catalyst layer of the fuel electrode or the air electrode in order to perform the electrode reaction efficiently, and the anode The charge generated by the electrode reaction is released to the outside of the single cell, and the reaction product water and unreacted gas are efficiently discharged to the outside of the single cell.

ガス拡散層としては、電子伝導性を有する多孔質体、例えばカーボンクロスやカーボンペーパーを好ましく用いることができる。
触媒担体5の役割は、助触媒としての触媒活性向上、多孔質触媒4または触媒11の形態保持、電子伝導チャネルの確保、比表面積増大等が挙げられ、例えばカーボンブラック、白金微粒子層あるいは金微粒子層を好ましく用いることができる。なお本発明における燃料電池単セルには触媒担体5は必ずしも備えていなくても良い。
As the gas diffusion layer, a porous body having electron conductivity such as carbon cloth or carbon paper can be preferably used.
The role of the catalyst carrier 5 includes improving the catalytic activity as a co-catalyst, maintaining the shape of the porous catalyst 4 or the catalyst 11, ensuring the electron conduction channel, increasing the specific surface area, etc., for example, carbon black, platinum fine particle layer or gold fine particle A layer can be preferably used. Note that the catalyst carrier 5 does not necessarily have to be provided in the single fuel cell according to the present invention.

前記多孔質触媒4及び触媒11は多孔質であり、多孔質触媒4を形成する方法としては、酸化白金を強還元性気体、具体的にはホスフィン、アンモニアアンモニア、硫化水素、SO、HCHOを用いて還元することが好ましい。 The porous catalyst 4 and the catalyst 11 are porous. As a method for forming the porous catalyst 4, platinum oxide is used as a strong reducing gas, specifically, phosphine, ammonia ammonia, hydrogen sulfide, SO 2 , HCHO. It is preferable to use and reduce.

前記多孔質触媒4及び触媒11は固体高分子電解質及び疎水剤と触媒材料とからなっている。多孔質触媒4及び触媒11に含まれる固体高分子電解質としては、固体高分子電解質膜1と同じ材料を用いることが好ましい。また疎水剤としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素樹脂、またはメチルシロキサンなどアルキルシロキサン樹脂などを好ましく用いることができる。   The porous catalyst 4 and the catalyst 11 are made of a solid polymer electrolyte, a hydrophobic agent, and a catalyst material. As the solid polymer electrolyte contained in the porous catalyst 4 and the catalyst 11, it is preferable to use the same material as that of the solid polymer electrolyte membrane 1. As the hydrophobic agent, a fluororesin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) or an alkylsiloxane resin such as methylsiloxane can be preferably used.

疎水剤の添加方法としては、多孔質触媒4及び触媒11をフッ素樹脂溶液に含浸処理する公知の疎水化方法を使用することが可能である。しかし、特に多孔質触媒4に疎水剤を添加するには、特開2006−332041に記載の公知技術を使用することが特に好ましい。この方法は、白金酸化物の触媒作用で加水分解反応を起こし重合可能基を生成する疎水性置換基を有するSi化合物を、白金酸化物に接触させた後に、このSi化合物を白金酸化物の近傍で重合反応させることで、疎水剤を白金酸化物表面に生じさせ、その後に白金酸化物を還元するという方法である。この方法によれば、多孔質触媒4の空孔内部にまでメチルシロキサンなどからなる疎水剤を簡便に添加することができる。   As a method for adding the hydrophobic agent, a known hydrophobizing method in which the porous catalyst 4 and the catalyst 11 are impregnated in a fluororesin solution can be used. However, in particular, in order to add a hydrophobic agent to the porous catalyst 4, it is particularly preferable to use a known technique described in JP-A-2006-332041. In this method, a Si compound having a hydrophobic substituent that generates a polymerizable group by causing a hydrolysis reaction by the catalytic action of the platinum oxide is brought into contact with the platinum oxide, and then the Si compound is adjacent to the platinum oxide. In this method, a hydrophobic agent is generated on the surface of the platinum oxide by the polymerization reaction, and then the platinum oxide is reduced. According to this method, a hydrophobic agent made of methylsiloxane or the like can be easily added to the pores of the porous catalyst 4.

触媒材料には、白金あるいは白金を含んだ多元金属あるいは白金と白金以外の金属元素の酸化物との混合物あるいは白金を含んだ多元金属と白金以外の金属元素の酸化物との混合物が用いられる。   As the catalyst material, platinum, a multielement metal containing platinum, a mixture of platinum and an oxide of a metal element other than platinum, or a mixture of a multielement metal containing platinum and an oxide of a metal element other than platinum is used.

前記白金以外の金属元素は、Al,Si,Ti,V,Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ge,Zr,Nb,Mo,Ru,Rh,Pd,Ag,In,Sn,Hf,Ta,W,Os,Ir,Au,La,Ce,Ndから選ばれる少なくとも一種類以上の金属元素である。   The metal elements other than platinum are Al, Si, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, In, Sn, Hf, At least one metal element selected from Ta, W, Os, Ir, Au, La, Ce, and Nd.

多孔質触媒層4中の空孔形状は略柱状であって、空孔径0.03μm以上1μm以下の小空孔と、空孔径2μm以上10μm以下の大空孔の、大小2種類の空孔が形成されている。この構造により、触媒層の反応ガスの拡散時間が短く、かつ触媒層面内の水分分布を速やかに均一化できる。   The pore shape in the porous catalyst layer 4 is substantially columnar, and two types of pores are formed: a small pore having a pore diameter of 0.03 μm to 1 μm and a large pore having a pore diameter of 2 μm to 10 μm. Has been. With this structure, the diffusion time of the reaction gas in the catalyst layer is short, and the moisture distribution in the catalyst layer surface can be made uniform quickly.

一般に空孔径の測定方法としては、Hg圧入法、SEM画像からの画像解析などが挙げられるが、Hg圧入法は試料量を比較的多く必要とするため、本発明の触媒層においては不向きであり測定が困難であるため、SEM画像からの画像解析による方法が好ましい。   In general, the pore diameter measurement method includes Hg injection method, image analysis from SEM image, etc., but Hg injection method requires a relatively large amount of sample and is not suitable for the catalyst layer of the present invention. Since measurement is difficult, a method based on image analysis from an SEM image is preferable.

図2は本発明の多孔質触媒層における多孔質触媒4の空孔構造の一例を示す模式図である。図2において、多孔質触媒4の空孔形状は、触媒層の膜厚方向に伸びる略柱状小空孔12および略柱状大空孔13の2種である。   FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a pore structure of the porous catalyst 4 in the porous catalyst layer of the present invention. In FIG. 2, the pore shape of the porous catalyst 4 is of two types, a substantially columnar small hole 12 and a substantially columnar large hole 13 that extend in the film thickness direction of the catalyst layer.

なお本明細書における「略柱状の空孔」とは、一つの連続した空孔が、触媒層の膜厚方向で分岐せず、触媒層の膜厚方向の上端から下端まで連続している形状の空孔を意味する。上端から下端までの間で空孔径が変動していても良く、空孔が触媒層の面に対し垂直方向、略垂直方向または傾斜方向に伸びていてもよい。   In the present specification, “substantially columnar holes” means a shape in which one continuous hole does not branch in the film thickness direction of the catalyst layer and continues from the upper end to the lower end of the catalyst layer in the film thickness direction. Means vacancies. The pore diameter may vary from the upper end to the lower end, and the pores may extend in a direction perpendicular to, substantially perpendicular to, or inclined from the surface of the catalyst layer.

図4乃至6は多孔質触媒層のSEM像を示しているが、これらの図から小空孔12は空孔径0.03μm以上1μm以下の範囲であり、大空孔13は空孔径1μm以上10μm以下の範囲である。大空孔13は溝状に連なっていても良く、その場合は一連の溝の幅の最小値がが1μm以上10μm以下であるような構造を有している。   4 to 6 show SEM images of the porous catalyst layer. From these figures, the small pores 12 have a pore diameter ranging from 0.03 μm to 1 μm, and the large pores 13 have a pore diameter of 1 μm to 10 μm. Range. The large holes 13 may be continuous in a groove shape, in which case the minimum value of the width of the series of grooves is 1 μm or more and 10 μm or less.

また小空孔12から大空孔13までの距離(例えば図2中のA)が10μm以下と短いという特徴を有する。
この空孔構造と触媒層中に含まれる疎水剤の効果により、触媒層中の小空孔12側で生成した水は毛管力により大空孔13へと速やかに誘導され、小空孔で水が滞留してガス供給経路が塞がれることが防止される。
Moreover, the distance (for example, A in FIG. 2) from the small hole 12 to the large hole 13 is as short as 10 μm or less.
Due to the pore structure and the effect of the hydrophobic agent contained in the catalyst layer, the water generated on the small pore 12 side in the catalyst layer is promptly guided to the large pore 13 by the capillary force, and the water is absorbed in the small pore. It is prevented that the gas supply path stays and is blocked.

また触媒層中で局所的に水分の余剰状態や不足状態が発生しても、移動抵抗の小さい大空孔13を水が移動して、触媒層面内で自律的かつ速やかに水分の分配が行われるので、触媒層面内の水分分布が速やかに均一化される。   In addition, even when a surplus or deficiency of water locally occurs in the catalyst layer, the water moves through the large holes 13 having a small movement resistance, and moisture is distributed autonomously and quickly within the catalyst layer surface. Therefore, the moisture distribution in the catalyst layer surface is quickly made uniform.

多孔質触媒4の空孔構造を形成する方法としては、酸化白金の還元反応を利用することが好ましい。この際、酸化白金はホスフィンまたはアンモニアなどの強還元性気体で還元させることが好ましく、ホスフィン酸水溶液中に浸した酸化白金を、ホスフィン酸が熱分解してホスフィンを生成する温度以上、好ましくは200℃以上250℃以下に加熱することが特に好ましい。   As a method for forming the pore structure of the porous catalyst 4, it is preferable to use a reduction reaction of platinum oxide. At this time, the platinum oxide is preferably reduced with a strong reducing gas such as phosphine or ammonia. The platinum oxide immersed in the phosphinic acid aqueous solution is heated to a temperature equal to or higher than the temperature at which the phosphinic acid is thermally decomposed to form phosphine, preferably 200. It is particularly preferable to heat at a temperature of from ℃.

200℃未満ではホスフィン酸の分解が起こらず、250℃を越えると触媒層で還元されて生成する白金ナノ粒子等の触媒粒子に粒成長が起こり、触媒活性が低下する。
酸化白金を約200℃でホスフィンにより還元することによって、大きな体積収縮が起こり、図2に示したような空孔構造が自己組織的に形成される。このため、従来技術のように触媒層を一旦形成した後に、溝の部分を取り除く手法とは異なり、触媒のロスや製造工程数が少なく、製造コストが抑えられる。
If the temperature is lower than 200 ° C., the decomposition of phosphinic acid does not occur. If the temperature exceeds 250 ° C., the catalyst particles such as platinum nanoparticles generated by reduction in the catalyst layer grow and the catalytic activity decreases.
By reducing platinum oxide with phosphine at about 200 ° C., a large volume shrinkage occurs, and a pore structure as shown in FIG. 2 is formed in a self-organizing manner. For this reason, unlike the technique of removing the groove portion after forming the catalyst layer once as in the prior art, the catalyst loss and the number of manufacturing steps are small, and the manufacturing cost can be suppressed.

また、酸化白金の還元方法は、上記のホスホン酸ナトリウム溶液を用いる方法の他には、下記のような方法も用いることができる。
(1)ホスフィン(PH3)の発生反応を、下記の反応式(1)に示す反応で行う方法。
In addition to the method using the above sodium phosphonate solution, the following method can also be used as a method for reducing platinum oxide.
(1) A method in which the generation reaction of phosphine (PH 3 ) is carried out by the reaction shown in the following reaction formula (1).

(2)ホスフィン以外の還元剤を使用する方法であり、例えばアンモニアを使用する方法。
本発明の多孔質触媒層の製造方法としては、様々な方法が挙げられるが、図1に示した構成で、還元剤としてホスフィンを用いた場合を例として、以下にその一例を挙げて説明する。なお、本発明は下記の製法になんら限定されるものではない。
(2) A method using a reducing agent other than phosphine, for example, a method using ammonia.
Various methods can be used as the method for producing the porous catalyst layer of the present invention, and the case where phosphine is used as a reducing agent in the configuration shown in FIG. 1 will be described as an example. . In addition, this invention is not limited to the following manufacturing method at all.

(1)カソード側の触媒層を準備する。
固体高分子電解質膜への転写層としてのPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)シート上に、反応性スパッタ法により多孔質白金酸化物触媒層を形成する。
引き続き、特開2006−332041に記載の公知技術に従い、触媒層を疎水化する。すなわち、得られた多孔質白金酸化物層を、疎水性置換基を含むSi化合物の気体とを接触させることによって、触媒表面上に疎水剤を形成する。その後加熱によって、疎水剤の重合反応を促進しても良い。
(1) A catalyst layer on the cathode side is prepared.
A porous platinum oxide catalyst layer is formed on a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet as a transfer layer to the solid polymer electrolyte membrane by reactive sputtering.
Subsequently, the catalyst layer is hydrophobized according to a known technique described in JP-A-2006-332041. That is, a hydrophobic agent is formed on the catalyst surface by bringing the obtained porous platinum oxide layer into contact with a gas of an Si compound containing a hydrophobic substituent. Thereafter, the polymerization reaction of the hydrophobic agent may be promoted by heating.

(2)触媒層を還元処理する。
ホスフィン酸ナトリウムの0.3質量%以上2.0質量%以下の水溶液をマイクロピペットで適量採取し、(1)で得られた触媒層上に滴下する。続いて、これを窒素雰囲気で200℃に加熱した炉内に入れ、触媒上でホスフィン酸の熱分解によりホスフィンを発生させ、白金酸化物を還元し、孔質触媒層を得る。
(2) The catalyst layer is reduced.
An appropriate amount of an aqueous solution of sodium phosphinate of 0.3% by mass to 2.0% by mass is collected with a micropipette and dropped onto the catalyst layer obtained in (1). Subsequently, this is placed in a furnace heated to 200 ° C. in a nitrogen atmosphere, phosphine is generated on the catalyst by thermal decomposition of phosphinic acid, platinum oxide is reduced, and a porous catalyst layer is obtained.

ここで、発生するホスフィンは大気中では酸素と反応し発火するため、安全上の理由から加熱処理時には炉内を不活性雰囲気に維持し、排気は窒素などで十分希釈して排気することが好ましい。   Here, since the generated phosphine reacts with oxygen in the atmosphere and ignites, for safety reasons, it is preferable to maintain the inside of the furnace in an inert atmosphere during the heat treatment, and exhaust the exhaust after sufficiently diluting with nitrogen or the like. .

さらにその後、得られた触媒層上にNafion溶液(5wt%,和光純薬製)を適量滴下し、その後真空中にて溶媒を揮発させることで、触媒表面に電解質チャネルを形成する。   Thereafter, an appropriate amount of Nafion solution (5 wt%, manufactured by Wako Pure Chemical Industries) is dropped on the obtained catalyst layer, and then the solvent is volatilized in a vacuum to form an electrolyte channel on the catalyst surface.

(4)アノード側の触媒層を準備する。
PTFEシート上に、ドクターブレードを用いて白金担持カーボン触媒層または白金黒触媒層を形成する。触媒層の厚さは20μm以上40μm以下の範囲が好ましい。ここで使用する触媒スラリーは、白金担持カーボン(Jhonson Matthey製、HiSPEC4000)または白金黒(Jhonson Matthey製、HiSPEC1000)、及びNafion、PTFE、IPA(イソプロピルアルコール)、水の混錬物である。
(4) A catalyst layer on the anode side is prepared.
A platinum-supporting carbon catalyst layer or a platinum black catalyst layer is formed on the PTFE sheet using a doctor blade. The thickness of the catalyst layer is preferably in the range of 20 μm to 40 μm. The catalyst slurry used here is a mixture of platinum-supported carbon (manufactured by Johnson Matthey, HiSPEC 4000) or platinum black (manufactured by Johnson Matthey, HiSPEC 1000), Nafion, PTFE, IPA (isopropyl alcohol), and water.

(4)上記により作製した一対の触媒層によって固体高分子電解質膜(Dupont製、Nafion112)を、PTFEシートが外側になる様に挟みこんでホットプレスを行う。さらにPTFEシートを剥離することにより、一対の触媒層を固体高分子電解質膜に転写して、電解質膜と一対の触媒層を接合し膜−電極接合体(MEA)を得る。   (4) Hot pressing is performed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane (manufactured by Dupont, Nafion 112) with the pair of catalyst layers produced as described above so that the PTFE sheet faces outside. Further, by peeling the PTFE sheet, the pair of catalyst layers are transferred to the solid polymer electrolyte membrane, and the electrolyte membrane and the pair of catalyst layers are joined to obtain a membrane-electrode assembly (MEA).

(5)このMEAをガス拡散層としてのカーボンクロス(E−TEK製、LT1400−W)、さらに燃料極電極および空気極電極によって挟んで単セルを作製する。
本発明の触媒層の製造方法はこの単セル構成の固体高分子型燃料電池に限定されるものではなく、単セルを複数スタックした構成の固体高分子型燃料電池にも適用可能である。
(5) A single cell is manufactured by sandwiching the MEA with a carbon cloth (manufactured by E-TEK, LT1400-W) as a gas diffusion layer, and a fuel electrode and an air electrode.
The method for producing a catalyst layer of the present invention is not limited to the solid polymer type fuel cell having a single cell configuration, but can be applied to a solid polymer type fuel cell having a configuration in which a plurality of single cells are stacked.

次に、具体的な実施例を示し、本発明を詳細に説明する。
実施例1
本実施例は、実施形態の中の図1に示した構成からなる固体高分子型燃料電池を作製した例である。
Next, specific examples will be shown to describe the present invention in detail.
Example 1
In this example, a polymer electrolyte fuel cell having the configuration shown in FIG. 1 in the embodiment was produced.

以下、本実施例に係わる固体高分子型燃料電池の製造工程を詳細に説明する。
(工程1)
高分子電解質膜への転写層として、PTFEシート(日東電工製、ニトフロン)上に反応性スパッタ法により、多孔質白金酸化物層を2.4μmの厚さに形成した。反応性スパッタは、全圧5Pa、酸素流量比(QO2/(QAr+QO2))70%、基板温度25℃、RF投入パワーは、5.4W/cm2の条件にて行った。
Hereinafter, the manufacturing process of the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment will be described in detail.
(Process 1)
As a transfer layer to the polymer electrolyte membrane, a porous platinum oxide layer having a thickness of 2.4 μm was formed on a PTFE sheet (manufactured by Nitto Denko, Nitoflon) by reactive sputtering. The reactive sputtering was performed under the conditions of a total pressure of 5 Pa, an oxygen flow rate ratio (Q O2 / (Q Ar + Q O2 ) of 70%, a substrate temperature of 25 ° C., and an RF input power of 5.4 W / cm 2 .

(工程2)
引き続き、特開2006−332041に記載の公知技術に従い、この多孔質白金酸化物層とカーボンペーパーの複合体を、25℃で2,4,6,8−テトラメチルシクロテトラシロキサンの蒸気(分圧0.05Pa)と5分間接触させ、白金酸化物表面上にメチルシロキサン重合体を生成した。
(Process 2)
Subsequently, according to a known technique described in JP-A-2006-332041, this porous platinum oxide layer and carbon paper composite was subjected to vaporization of 2,4,6,8-tetramethylcyclotetrasiloxane vapor (partial pressure) at 25 ° C. 0.05 Pa) for 5 minutes to form a methylsiloxane polymer on the platinum oxide surface.

ホスフィン酸ナトリウムの1.5質量%水溶液をマイクロピペットで採取し、(1)で得られた触媒層1cm2当たり、9μL滴下した。続いて、これを窒素雰囲気200℃に加熱した電気炉内に入れ、ホスフィン酸の熱分解によりホスフィンを発生させ、白金酸化物を還元した。ここで、得られた多孔質触媒層中の白金担持量は約0.6mg/cm2であった。 A 1.5% by mass aqueous solution of sodium phosphinate was collected with a micropipette, and 9 μL was added dropwise per 1 cm 2 of the catalyst layer obtained in (1). Subsequently, this was put in an electric furnace heated to 200 ° C. in a nitrogen atmosphere, phosphine was generated by thermal decomposition of phosphinic acid, and platinum oxide was reduced. Here, the amount of platinum supported in the obtained porous catalyst layer was about 0.6 mg / cm 2 .

得られた触媒層の形態を図4、図5及び図6に示す。図4は本発明の実施例1の多孔質触媒層の表面の走査電子顕微鏡写真(倍率5000倍)である。図5は本発明の実施例1の多孔質触媒層の表面の走査電子顕微鏡写真(倍率2500倍)である。図6は本発明の実施例1の多孔質触媒層を俯瞰した様子を示す走査電子顕微鏡写真(倍率5000倍)である。   The form of the obtained catalyst layer is shown in FIG. 4, FIG. 5 and FIG. FIG. 4 is a scanning electron micrograph (5000 times magnification) of the surface of the porous catalyst layer of Example 1 of the present invention. FIG. 5 is a scanning electron micrograph (magnification 2500 times) of the surface of the porous catalyst layer of Example 1 of the present invention. FIG. 6 is a scanning electron micrograph (magnification 5000 times) showing a bird's-eye view of the porous catalyst layer of Example 1 of the present invention.

これらの図から判るように、触媒層は孔径1μm以下の細孔径を有する小空孔と、孔径約3から5μmの細孔径を有する大空孔の大小2種の柱状空孔が触媒層の上端から下端まで連続した構造を有していた。なお大きな空孔は連結して溝状になっているものも多く混在しており、溝の幅の最小幅は約3μmであった。   As can be seen from these figures, the catalyst layer has a small pore having a pore diameter of 1 μm or less and two large and small columnar pores having a pore diameter of about 3 to 5 μm from the upper end of the catalyst layer. It had a continuous structure to the lower end. Many large holes are connected to form a groove, and the minimum width of the groove is about 3 μm.

また、一連の溝の最小幅は1μm以上10μm以下であり、すべての小空孔部において大空孔までの最長距離は10μm以下であった。   Further, the minimum width of the series of grooves was 1 μm or more and 10 μm or less, and the longest distance to the large holes in all the small holes was 10 μm or less.

(工程3)
その後、得られた触媒層を1wt%のNafion溶液(和光純薬工業製5%Nafion溶液をIPAで1%に希釈したもの)を触媒層1cm2当たり8μl滴下し、真空中にて溶媒を揮発させることで、触媒表面に電解質を添加した。
(Process 3)
Thereafter, 8 μl of 1 wt% Nafion solution (5% Nafion solution manufactured by Wako Pure Chemical Industries, diluted to 1% with IPA) was dropped into 1 cm 2 of the catalyst layer, and the solvent was volatilized in vacuum. As a result, the electrolyte was added to the catalyst surface.

(工程4)
本工程では、(工程3)で作製した触媒層と対になる触媒層として、白金担持カーボン触媒層を作製した。高分子電解質膜への転写層としてのPTFEシート上に、ドクターブレードを用いて白金担持カーボン触媒層を形成した。
(Process 4)
In this step, a platinum-supported carbon catalyst layer was produced as a catalyst layer that forms a pair with the catalyst layer produced in (Step 3). A platinum-supported carbon catalyst layer was formed on a PTFE sheet as a transfer layer to the polymer electrolyte membrane using a doctor blade.

ここで使用する触媒スラリーは、白金担持カーボン(Jhonson Matthey製、HiSPEC4000)1質量部、Nafion0.07質量部、IPA 1質量部、水0.4質量部の混錬物である。このときの白金担持量は0.35mg/cm2であった。 The catalyst slurry used here is a kneaded mixture of 1 part by mass of platinum-supporting carbon (manufactured by Johnson Matthey, HiSPEC 4000), 0.07 part by mass of Nafion, 1 part by mass of IPA, and 0.4 part by mass of water. The amount of platinum supported at this time was 0.35 mg / cm 2 .

(工程5)
(工程3)および(工程4)によって作製した2つの触媒層で固体高分子電解質膜(Dupont製、Nafion112)を挟み、8MPa、150℃、1minのプレス条件でホットプレスを行った。PTFEシートを剥離することにより、一対の触媒層を高分子電解質膜に転写して、電解質膜と一対の触媒層を接合した。
(Process 5)
The solid polymer electrolyte membrane (manufactured by Dupont, Nafion 112) was sandwiched between the two catalyst layers prepared in (Step 3) and (Step 4), and hot pressing was performed under pressing conditions of 8 MPa, 150 ° C., and 1 min. By peeling the PTFE sheet, the pair of catalyst layers was transferred to the polymer electrolyte membrane, and the electrolyte membrane and the pair of catalyst layers were joined.

(工程6)
本発明の多孔質触媒層をカソード側、白金担持カーボン触媒層をアノード側として、この接合体をガス拡散層としてのカーボンクロス(E−TEK製、LT−1400W)、さらに燃料極電極および空気極電極によって挟んで単セルを形成した。
(Step 6)
The porous catalyst layer of the present invention is the cathode side, the platinum-supporting carbon catalyst layer is the anode side, and the bonded body is a carbon cloth (manufactured by E-TEK, LT-1400W) as a gas diffusion layer, and further, a fuel electrode and an air electrode A single cell was formed sandwiched between electrodes.

以上の工程によって作製した単セルに関して、図7に示した構成の評価装置を用いて特性評価を行った。ここで図7には示していないが、アノード側電極8及びカソード側電極9には、ガス透過用のスリットが多数設けられている。   With respect to the single cell manufactured by the above steps, the characteristics were evaluated using the evaluation apparatus having the configuration shown in FIG. Although not shown in FIG. 7, the anode side electrode 8 and the cathode side electrode 9 are provided with a number of slits for gas permeation.

アノード電極側に水素ガスをデッドエンドで充填し、カソード電極側は25℃−50%RHの空気に開放して、電池温度25℃にて放電試験を行ったところ、図8に示すような電流−電圧特性が得られた。   When the anode electrode side was filled with hydrogen gas at the dead end and the cathode electrode side was opened to air at 25 ° C.-50% RH and a discharge test was conducted at a battery temperature of 25 ° C., a current as shown in FIG. -Voltage characteristics were obtained.

比較例として、工程(2)において多孔質白金酸化物層の還元処理を、2%H2/He混合ガスを用いて行ったこと以外はすべて同様にして作成したMEAを用いた場合の例を図8中に示した。この触媒層中の白金担持量は実施例1と同じ約0.8mg/cm2であった。 As a comparative example, an example of using MEA prepared in the same manner except that the reduction treatment of the porous platinum oxide layer in step (2) was performed using a 2% H 2 / He mixed gas. This is shown in FIG. The amount of platinum supported in the catalyst layer was about 0.8 mg / cm 2 as in Example 1.

比較例に用いた触媒層の形態を図9に示す。この図から判るように、比較例の触媒層は空孔径が一様な構造を有していた。
本発明の多孔質触媒層の効果は拡散分極の低減であるので、拡散分極が原理的に小さい低電流密度領域では、実施例と比較例の違いはあまり見られなかった。しかし、高電流密度領域すなわち拡散分極律速領域になるほど、本発明の多孔質触媒層の効果が顕著であった。
The form of the catalyst layer used in the comparative example is shown in FIG. As can be seen from this figure, the catalyst layer of the comparative example had a structure with a uniform pore diameter.
Since the effect of the porous catalyst layer of the present invention is a reduction in diffusion polarization, in the low current density region where diffusion polarization is small in principle, the difference between the example and the comparative example was not so much seen. However, the effect of the porous catalyst layer of the present invention becomes more remarkable as the current density region becomes higher, that is, the diffusion polarization-controlled region.

拡散分極律速領域である500mA/cm2での電圧を比較すると、本実施例の単セルが0.43V以上の電圧が取れるのに対し、比較例では約0.35Vの電圧しか得られなかった。すなわち、本実施例の多孔質触媒層は比較例の触媒層に対し、拡散分極による電池特性の劣化が大幅に抑えられていた。このことは、本発明の多孔質触媒層が比較例の触媒層に対し、生成水分散性に優れていることを示す。 When the voltage at 500 mA / cm 2 , which is the diffusion polarization controlling region, is compared, the single cell of this example can obtain a voltage of 0.43 V or higher, whereas the comparative example can obtain only a voltage of about 0.35 V. . That is, in the porous catalyst layer of this example, the deterioration of battery characteristics due to diffusion polarization was significantly suppressed as compared with the catalyst layer of the comparative example. This indicates that the porous catalyst layer of the present invention is superior in water dispersibility to the catalyst layer of the comparative example.

以上の実施例に示すように、固体高分子型燃料電池の触媒層として、本実施例に係わる多孔質触媒層を用いることにより、触媒層中の生成水分散性が大幅に向上し、優れた電池特性を有する燃料電池が得られた。   As shown in the above examples, by using the porous catalyst layer according to this example as the catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell, the dispersibility of the generated water in the catalyst layer is greatly improved, and excellent A fuel cell having cell characteristics was obtained.

さらに本実施例にかかわる触媒層の製造方法は、簡易かつ安価で再現性のよいプロセスであるため、安定な発電特性を持った固体高分子型燃料電池を低コストで実現できた。   Furthermore, the method for producing the catalyst layer according to this example is a simple, inexpensive and highly reproducible process, so that a polymer electrolyte fuel cell having stable power generation characteristics can be realized at low cost.

本発明の製造方法によって得られた多孔質触媒層は、触媒層中の生成水分散性を向上できるので、固体高分子型燃料電池の触媒層として利用することができる。
また、前記触媒層を有する固体高分子型燃料電池は、携帯電話やノート型パソコン、デジタルカメラなど小型の電気機器用の燃料電池として利用することができる。
Since the porous catalyst layer obtained by the production method of the present invention can improve the water dispersibility in the catalyst layer, it can be used as a catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell.
The polymer electrolyte fuel cell having the catalyst layer can be used as a fuel cell for small electric devices such as a mobile phone, a notebook computer, and a digital camera.

本発明の多孔質触媒層を用いた固体高分子型燃料電池の単セルの構成を表す模式図である。It is a schematic diagram showing the structure of the single cell of the polymer electrolyte fuel cell using the porous catalyst layer of this invention. 本発明の多孔質触媒層における多孔質触媒の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the porous catalyst in the porous catalyst layer of this invention. 多孔質触媒の空孔の短手方向の径の分布の一例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining an example of distribution of the diameter of the transversal direction of the hole of a porous catalyst. 本発明の実施例1の多孔質触媒層の表面の走査電子顕微鏡写真(倍率5000倍)である。It is a scanning electron micrograph (5000-times multiplication factor) of the surface of the porous catalyst layer of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の多孔質触媒層の表面の走査電子顕微鏡写真(倍率2500倍)である。It is a scanning electron micrograph (2500 times magnification) of the surface of the porous catalyst layer of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の多孔質触媒層を俯瞰した様子を示す走査電子顕微鏡写真(倍率5000倍)である。It is a scanning electron micrograph (magnification 5000 times) which shows a mode that the porous catalyst layer of Example 1 of this invention was looked down on. 固体高分子型燃料電池の評価装置の模式図である。It is a schematic diagram of the evaluation apparatus of a polymer electrolyte fuel cell. 本発明の実施例1および比較例の固体高分子型燃料電池の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of the polymer electrolyte fuel cell of Example 1 of this invention and a comparative example. 本発明の比較例の触媒層の表面の走査電子顕微鏡写真(倍率5000倍)である。It is a scanning electron micrograph (5000-times multiplication factor) of the surface of the catalyst layer of the comparative example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 固体高分子電解質膜
2 アノード側触媒層
3 カソード側多孔質触媒層
4 多孔質触媒
5 触媒担体
6 アノード側ガス拡散層
7 カソード側ガス拡散層
8 アノード側電極(燃料極)
9 カソード側電極(空気極)
10 膜−電極接合体
11 触媒
12 略柱状小空孔
13 略柱状大空孔
14 固体高分子電解質、疎水剤及び触媒材料の混合物
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid polymer electrolyte membrane 2 Anode side catalyst layer 3 Cathode side porous catalyst layer 4 Porous catalyst 5 Catalyst carrier 6 Anode side gas diffusion layer 7 Cathode side gas diffusion layer 8 Anode side electrode (fuel electrode)
9 Cathode side electrode (air electrode)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Membrane-electrode assembly 11 Catalyst 12 Substantially columnar small hole 13 Substantially columnar large hole 14 Mixture of solid polymer electrolyte, hydrophobic agent and catalyst material

Claims (5)

固体高分子型燃料電池用の多孔質触媒層の製造方法であって、触媒材料の酸化物をホスフィン、アンモニア、硫化水素、SO、HCHOのいずれかによって還元する工程を含むことを特徴とする多孔質触媒層の製造方法。 A method for producing a porous catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, comprising a step of reducing an oxide of a catalyst material with any one of phosphine, ammonia, hydrogen sulfide, SO 2 , and HCHO. A method for producing a porous catalyst layer. 前記還元反応において、酸化白金を還元することを特徴とする請求項1に記載の多孔質触媒層の製造方法。   The method for producing a porous catalyst layer according to claim 1, wherein platinum oxide is reduced in the reduction reaction. 前記還元反応において、ホスフィン酸水溶液中に酸化白金を浸し、ホスフィン酸が熱分解してホスフィンを生成する温度以上に加熱することを特徴とする請求項1または2に記載の多孔質触媒層の製造方法。   3. The production of a porous catalyst layer according to claim 1, wherein, in the reduction reaction, platinum oxide is immersed in an aqueous phosphinic acid solution and heated to a temperature at which the phosphinic acid is thermally decomposed to produce phosphine. Method. 固体高分子電解質膜と、電極と、該固体高分子電解質膜と該電極との間に多孔質触媒層を有する膜電極接合体の製造方法において、請求項1乃至3のいずれかに記載の方法によって多孔質触媒層を形成する工程を有することを特徴とする膜電極接合体の製造方法。   The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the solid polymer electrolyte membrane, the electrode, and the membrane electrode assembly having a porous catalyst layer between the solid polymer electrolyte membrane and the electrode are produced. A process for producing a membrane electrode assembly, comprising the step of forming a porous catalyst layer by the method. 請求項4に記載の方法によって膜電極接合体を形成する工程を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池の製造方法。   A method for producing a polymer electrolyte fuel cell, comprising the step of forming a membrane electrode assembly by the method according to claim 4.
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JP2010092609A (en) * 2008-10-03 2010-04-22 Nissan Motor Co Ltd Microporous layer and gas diffusion layer with the same
US20150111126A1 (en) * 2013-10-19 2015-04-23 Daimler Ag Catalyst treatment for solid polymer electrolyte fuel cells
JP2017010812A (en) * 2015-06-23 2017-01-12 国立大学法人秋田大学 Manufacturing method of electrode catalyst for ammonia fuel cell, electrode catalyst for ammonia fuel cell, and ammonia fuel cell

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