JP2009026501A - Electrolyte membrane-electrode assembly - Google Patents

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伸司 山本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) superior in power generation performance and durability. <P>SOLUTION: The electrolyte membrane-electrode assembly includes a polymer electrolyte membrane, a cathode catalyst layer and a cathode side gas diffusive electrode arranged in order on one side of the polymer electrolyte membrane, and an anode catalyst layer and an anode side gas diffusive electrode arranged in order on the other side of the polymer electrolyte membrane. The cathode catalyst layer includes a carrier in which a catalyst component is carried, a substance having an oxygen storage and releasing action, and a polymer electrolyte, and/or the anode catalyst layer includes a carrier in which the catalyst component is carried, a substance having hydrophilicity, and the polymer electrolyte. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解質膜−電極接合体(Membrane Electrode Assembly;MEA)、特に燃料電池用電解質膜−電極接合体に関するものである。特に、本発明は、発電性能および耐久性に優れた電解質膜−電極接合体(MEA)、特に燃料電池用電解質膜−電極接合体に関するものである。   The present invention relates to an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA), and more particularly to an electrolyte membrane-electrode assembly for a fuel cell. In particular, the present invention relates to an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) excellent in power generation performance and durability, particularly to an electrolyte membrane-electrode assembly for a 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、固体高分子形燃料電池は、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。固体高分子形燃料電池の構成は、一般的には、電解質膜−電極接合体を、セパレータで挟持した構造となっている。電解質膜−電極接合体は、高分子電解質膜が一対の電極触媒層及びガス拡散性の電極(ガス拡散層;GDL)により挟持されてなるものである。   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. In general, the polymer electrolyte fuel cell has a structure in which an electrolyte membrane-electrode assembly is sandwiched between separators. In the electrolyte membrane-electrode assembly, a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode catalyst layers and a gas diffusing electrode (gas diffusion layer; GDL).

上記したようなMEAを有する固体高分子形燃料電池では、固体高分子電解質膜を挟持する両電極(カソード及びアノード)において、その極性に応じて以下に記す反応式で示される電極反応を進行させ、電気エネルギーを得ている。まず、アノード(水素極)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(2H→4H+4e:反応1)。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(酸素極)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(O+4H+4e→2HO:反応2)。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 a polymer electrolyte fuel cell having an MEA as described above, an electrode reaction represented by the following reaction formula is allowed to proceed in accordance with the polarity of both electrodes (cathode and anode) sandwiching the polymer electrolyte membrane. Are getting electrical energy. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode (hydrogen electrode) side is oxidized by the catalyst component to become protons and electrons (2H 2 → 4H + + 4e : reaction 1). 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 (oxygen electrode) 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 (O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O: Reaction 2). . In the fuel cell, electricity can be taken out through the above-described electrochemical reaction.

上記電気化学的反応において、アノード側で上記反応1により生成した水素イオン(H)(以下、「プロトン」とも称する)は、水和状態(H)で固体高分子電解質膜を透過(拡散)する。膜を透過したプロトンは、カソードで、ガス拡散層を透過(拡散)した酸素および電子とともに、上記反応2に供される。すなわち、アノードおよびカソードでの反応は、電解質膜に密着した電極触媒層を反応サイトとし、当該電極触媒層内の触媒と固体高分子電解質との界面で進行する。したがって、触媒と高分子電解質との界面が増大し、界面形成が均一化すれば、上記した反応1及び2が、より円滑かつ活発に進行する。 In the electrochemical reaction, hydrogen ions (H + ) (hereinafter also referred to as “protons”) generated by the reaction 1 on the anode side permeate the solid polymer electrolyte membrane in a hydrated state (H 3 O + ). (Spread. Protons that have passed through the membrane are supplied to the reaction 2 together with oxygen and electrons that have permeated (diffused) through the gas diffusion layer at the cathode. That is, the reaction at the anode and the cathode proceeds at the interface between the catalyst in the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte, with the electrode catalyst layer in close contact with the electrolyte membrane as a reaction site. Therefore, if the interface between the catalyst and the polymer electrolyte increases and the formation of the interface becomes uniform, the above reactions 1 and 2 proceed more smoothly and actively.

一般的に、電極触媒層内の触媒としては、導電性担体(カーボンブラックなど)に白金や白金合金を担持したものが用いられる。ここで、上記反応1及び2の反応が円滑かつ活発に進行するのには、白金や白金合金の表面(還元・酸化)状態や表面吸着種の状態が重要になる。例えば、アノード側で反応1によりプロトンを生成するには、活性サイトである白金の表面に吸着(脱離)する水素や白金表面に配位する水素、および白金近傍に存在するHOや白金表面に配位するHOなどが重要と推測される。一方、カソード側では式、反応2によりHOを生成するには、活性サイトである白金の表面に吸着(脱離)する酸素や白金表面に配位する酸素、および、白金近傍に存在するHOや白金表面に配位
するHOなどが重要と推測される。
In general, as the catalyst in the electrode catalyst layer, a conductive carrier (carbon black or the like) carrying platinum or a platinum alloy is used. Here, in order for the reactions 1 and 2 to proceed smoothly and actively, the surface (reduction / oxidation) state of platinum or platinum alloy and the state of surface adsorbed species are important. For example, in order to generate protons by reaction 1 on the anode side, hydrogen that is adsorbed (desorbed) on the surface of platinum that is an active site, hydrogen that is coordinated on the platinum surface, and H 2 O or platinum present in the vicinity of platinum It is estimated that H 2 O coordinated on the surface is important. On the other hand, on the cathode side, H 2 O can be generated by the formula, reaction 2, by oxygen adsorbed (desorbed) on the surface of platinum as an active site, oxygen coordinated on the platinum surface, and in the vicinity of platinum. such as H 2 O to coordinate in H 2 O and the platinum surface is presumed importance.

したがって、活性サイトである白金の表面への吸着種や配位種の増大、活性化や耐被毒性の向上を図ることが重要である。このような目的を達成すべく、アノード極やカソード極に使用する触媒種として、電極触媒層内に複合酸化物の添加などの技術が提案されている(例えば、特許文献1)。   Therefore, it is important to increase the number of adsorbed and coordinated species on the surface of platinum, which is the active site, and to improve activation and poisoning resistance. In order to achieve such an object, a technique such as addition of a complex oxide in the electrode catalyst layer has been proposed as a catalyst species used for the anode and cathode (for example, Patent Document 1).

特許文献1では、カソード極の触媒種として、カーボン担体に、貴金属元素及び不定比酸化物を構成する元素を含む複合酸化物を担持した触媒が提案されている。ここで、複合酸化物(A)としては、白金をはじめとする1種以上の貴金属元素(A)、セリウムをはじめとする1種以上の不定比酸化物(B)、および任意の金属元素(C)からなる。これにより、カソード触媒層に供給される酸素を、該複合酸化物中の不定比酸化物を構成する元素が取り込み(吸着または吸収または吸蔵)、近接する貴金属元素へ供給することで酸素利用効率が高まり、活性向上が図られている。
特開2006−66255号公報
Patent Document 1 proposes a catalyst in which a composite oxide containing a noble metal element and an element constituting a non-stoichiometric oxide is supported on a carbon support as a cathode electrode catalyst species. Here, as the composite oxide (A a B b C c O x ), one or more noble metal elements (A) including platinum and one or more non-stoichiometric oxides (B) including cerium are used. And any metal element (C). As a result, oxygen that is supplied to the cathode catalyst layer is taken in (adsorbed, absorbed, or occluded) by the elements constituting the non-stoichiometric oxide in the composite oxide, and supplied to adjacent noble metal elements, thereby improving oxygen utilization efficiency. The activity is improved.
JP 2006-66255 A

しかしながら、特許文献1では、貴金属(Pt)を複合化しているため、貴金属は結晶格子中に存在している。このため、特許文献1による触媒は、貴金属が結晶格子中に存在して酸素と効率よく接触しきれないため、酸素の還元反応を有効に触媒作用できない。また、特許文献1では、貴金属を結晶格子中に存在させるために、貴金属粒子の大きさを小さくする必要がある。しかしながら、貴金属粒子は、粒径が小さすぎる場合には、溶出しやすく、また、十分な触媒作用を発揮しきれない。   However, in Patent Document 1, since the noble metal (Pt) is compounded, the noble metal exists in the crystal lattice. For this reason, the catalyst according to Patent Document 1 cannot effectively catalyze the reduction reaction of oxygen because the noble metal exists in the crystal lattice and cannot contact the oxygen efficiently. Moreover, in patent document 1, in order to make a noble metal exist in a crystal lattice, it is necessary to make the magnitude | size of a noble metal particle small. However, when the particle size is too small, the noble metal particles are easily eluted and cannot fully exhibit the catalytic action.

しがって、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、発電性能および耐久性に優れた電解質膜−電極接合体(MEA)を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) having excellent power generation performance and durability.

本発明者は、上記の問題を解決すべく鋭意研究を行なった結果、カソード触媒層に酸素吸蔵放出作用を有する物質を、またはアノード触媒層に親水性を有する物質を、配置することによって、各触媒層の発電性能および耐久性が向上できることを知得した。上記知見に基づいて、本発明を完成した。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor has arranged a substance having an oxygen storage / release action in the cathode catalyst layer, or a substance having hydrophilicity in the anode catalyst layer. It has been found that the power generation performance and durability of the catalyst layer can be improved. Based on the above findings, the present invention has been completed.

本発明の電解質膜−電極接合体(MEA)は、発電性能および耐久性に優れる。   The electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention is excellent in power generation performance and durability.

本発明の第一は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の一方の側に順次配置された、カソード触媒層およびカソード側ガス拡散性の電極と、前記高分子電解質膜の他方の側に順次配置された、アノード触媒層およびアノード側ガス拡散性の電極と、を有する電解質膜−電極接合体であって、前記カソード触媒層が、触媒成分が担持された担体と、酸素吸蔵放出作用を有する物質と、高分子電解質とを含む、および/または、前記アノード触媒層が、触媒成分が担持された担体と、親水性を有する物質と、高分子電解質とを含む、電解質膜−電極接合体を提供する。   A first aspect of the present invention is a polymer electrolyte membrane, a cathode catalyst layer and a cathode-side gas diffusible electrode sequentially disposed on one side of the polymer electrolyte membrane, and the other side of the polymer electrolyte membrane. An electrolyte membrane-electrode assembly having an anode catalyst layer and an anode-side gas diffusive electrode sequentially disposed on the cathode catalyst layer, wherein the cathode catalyst layer has a carrier carrying a catalyst component, and an oxygen storage / release function. And / or a polymer electrolyte, and / or the anode catalyst layer includes a carrier on which a catalyst component is supported, a hydrophilic substance, and a polymer electrolyte. Provide the body.

従来、アノード及びカソード触媒層における上記した反応1(2H→4H+4e)及び反応2(O+4H+4e→2HO)の円滑化および活発化には、様々な方法が試みられてきた。例えば、電極触媒層における触媒と高分子電解質(イオノマー)の界面の増大や界面形成の均一化がある。上記に加えて、アノード触媒層においては、反応
ガス(水素)の拡散透過性やプロトンの導電性が、カソード触媒層においては、反応ガス(酸素)の拡散透過性と利用効率の向上、生成水の拡散や除去などが報告されている。さらに、アノードおよびカソードの各電極触媒層において、これらの技術課題を個別に解決するだけでは、性能(活性)や耐久性の向上を十分に図ることができない。したがって、両極触媒層の最適化と共に、アノードとカソード触媒層の相乗効果の最大化及びトレードオフの解決が重要である。
Conventionally, various methods have been tried to facilitate and activate the above reaction 1 (2H 2 → 4H + + 4e ) and reaction 2 (O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O) in the anode and cathode catalyst layers. Has been. For example, there is an increase in the interface between the catalyst and the polymer electrolyte (ionomer) in the electrode catalyst layer and the uniform formation of the interface. In addition to the above, in the anode catalyst layer, the diffusion permeability and proton conductivity of the reaction gas (hydrogen) are improved, and in the cathode catalyst layer, the diffusion permeability and utilization efficiency of the reaction gas (oxygen) are improved. Diffusion and removal of the water has been reported. Furthermore, in the electrode catalyst layers of the anode and the cathode, it is not possible to sufficiently improve performance (activity) and durability simply by solving these technical problems individually. Therefore, it is important to optimize the bipolar catalyst layer and to maximize the synergistic effect of the anode and cathode catalyst layer and to solve the trade-off.

ところが、従来の燃料電池では、アノード及びカソード触媒層において、次のような問題点が指摘されている。すなわち、メタノールやエタノールなどを燃料とする(改質形)燃料電池に比べ、水素ガスを燃料とする固体高分子形燃料電池では、一酸化炭素によるアノード触媒層の被毒劣化は、非常に小さい。このため、実用上は、アノード極の反応ガス(水素)の拡散透過性の向上やプロトン生成反応を促進することなどが課題である。   However, in the conventional fuel cell, the following problems have been pointed out in the anode and cathode catalyst layers. That is, in the polymer electrolyte fuel cell using hydrogen gas as fuel, the deterioration of poisoning of the anode catalyst layer due to carbon monoxide is very small compared to the fuel cell using methanol, ethanol or the like as a fuel (reformed type). . For this reason, practical problems include improving the diffusion permeability of the reaction gas (hydrogen) at the anode electrode and promoting the proton generation reaction.

しかし、水素は、他のガス種に比べ分子(径)が小さいため、拡散透過性(ガス拡散性やクヌンセン拡散性など)が非常に高い(拡散速度あるいは拡散係数が大きい)。したがって、従来のガス拡散層(GDL)や電極触媒層などの微細孔を有する多孔構造体では、水素の拡散透過性は高いと考えられる。   However, since hydrogen has a smaller molecule (diameter) than other gas species, diffusion permeability (gas diffusivity, Knunsen diffusivity, etc.) is very high (diffusion rate or diffusion coefficient is large). Therefore, it is considered that a porous structure having fine pores such as a conventional gas diffusion layer (GDL) or an electrode catalyst layer has high hydrogen diffusion permeability.

したがって、アノード触媒層では、プロトン生成反応促進とプロトンの導電性の向上が重要な課題と推測される。アノード触媒層内のプロトン生成反応やプロトン導電性を向上するには、電極触媒層内に含有される電解質(イオノマー)の含水状態を高含水状態に保持することが必要である。   Therefore, in the anode catalyst layer, it is presumed that promotion of proton generation reaction and improvement of proton conductivity are important issues. In order to improve the proton production reaction and proton conductivity in the anode catalyst layer, it is necessary to keep the water content of the electrolyte (ionomer) contained in the electrode catalyst layer in a high water content state.

イオノマーの含水量は、電解質の分子骨格中(側鎖)のスルホン酸基量を増やす(EW値を下げる)ことが最も有効であるが、分子骨格中に導入できるスルホン酸基にも限界がある。このため、アノード電極触媒層内を高含水状態に維持・調整し、プロトン生成反応を促進し、生成したプロトンの導電性を高める新規な解決手段が求められている。   The water content of the ionomer is most effective when the amount of sulfonic acid groups in the electrolyte molecular skeleton (side chain) is increased (lowering the EW value), but there is also a limit to the sulfonic acid groups that can be introduced into the molecular skeleton. . Therefore, there is a need for a new solution that maintains and adjusts the anode electrode catalyst layer in a high water content state, promotes the proton generation reaction, and increases the conductivity of the generated protons.

また、固体高分子形燃料電池の性能および耐久性の向上には、カソード触媒層の活性化過電圧を低減(酸素還元活性の向上)が有効であるため、反応ガス(酸素)の拡散透過性と利用効率の向上、生成水の拡散や除去などが課題である。   In addition, reducing the activation overvoltage of the cathode catalyst layer (improving the oxygen reduction activity) is effective in improving the performance and durability of the polymer electrolyte fuel cell. Improvements in utilization efficiency, diffusion and removal of generated water are issues.

水素の拡散透過性に比べ、酸素の拡散透過性は、ガス拡散層や電極触媒層などの多孔構造体の微細孔構造の影響を強く受けると考えられ、従来は多孔体構造の微細孔構造の改善が行われてきた。多孔体構造の微細孔構造の改善は、反応ガス(酸素)の拡散透過性、生成水の拡散や除去に対しては有効である一方、酸素利用効率の飛躍的な改善効果が得られていないのが実情であった。   Compared to hydrogen diffusion permeability, oxygen diffusion permeability is considered to be strongly influenced by the microporous structure of porous structures such as gas diffusion layers and electrode catalyst layers. Improvements have been made. The improvement of the microporous structure of the porous structure is effective for the diffusion permeability of the reaction gas (oxygen) and the diffusion and removal of the produced water, but the effect of dramatically improving the oxygen utilization efficiency has not been obtained. It was the actual situation.

したがって、カソード触媒層では、反応ガス(酸素)の拡散透過性と利用効率の向上が重要な課題と推測される。カソード触媒層内の酸素拡散透過性と酸素利用効率を向上するには、電極触媒層内に含有される電解質(イオノマー)内を拡散・溶解する酸素を高い状態(濃度)に保持することが必要である。   Therefore, in the cathode catalyst layer, it is presumed that improvement of diffusion permeability and utilization efficiency of the reaction gas (oxygen) is an important issue. In order to improve oxygen diffusion permeability and oxygen utilization efficiency in the cathode catalyst layer, it is necessary to maintain a high state (concentration) of oxygen that diffuses and dissolves in the electrolyte (ionomer) contained in the electrode catalyst layer. It is.

イオノマー内の酸素拡散性・溶解性は、電解質の分子骨格中(側鎖)のスルホン酸基量を増やし(EW値を下げる)酸素溶解性を向上することが最も有効であるが、イオノマーの改善にも限界がある。このため、カソード電極触媒層内のイオノマーを高含水上状態に維持・調整し、プロトン生成反応を促進し、生成したプロトンの導電性を高める新規な解決手段が求められている。   In terms of oxygen diffusibility and solubility in ionomers, increasing the amount of sulfonic acid groups in the electrolyte molecular skeleton (side chain) (decreasing the EW value) to improve oxygen solubility is the most effective, but improving ionomers There are also limitations. Therefore, there is a need for a new solution that maintains and adjusts the ionomer in the cathode electrode catalyst layer in a highly water-containing state, promotes the proton generation reaction, and increases the conductivity of the generated protons.

本発明によると、カソード触媒層に酸素吸蔵放出作用を有する物質を配置する。当該配
置により、PtやPt合金等の触媒成分の近傍に酸素吸蔵放出作用を有する物質を配置する。ゆえに、触媒成分表面に吸着酸素や格子酸素を供給できるため、酸素還元活性を向上できる。また、当該配置により、触媒層内に含有される高分子電解質(イオノマー)中を拡散・溶解する酸素を高い濃度に保持できるため、酸素還元反応促進を図ることができる。特に、低酸素条件下や高負荷運転下で触媒層内に含有される高分子電解質(イオノマー)中を拡散・溶解する酸素を高い濃度に保持できるため、酸素還元反応の促進を図ることができる。
According to the present invention, a substance having an oxygen storage / release action is disposed in the cathode catalyst layer. By this arrangement, a substance having an oxygen storage / release action is arranged in the vicinity of the catalyst component such as Pt or Pt alloy. Therefore, adsorption oxygen and lattice oxygen can be supplied to the surface of the catalyst component, so that the oxygen reduction activity can be improved. In addition, with this arrangement, oxygen that diffuses and dissolves in the polymer electrolyte (ionomer) contained in the catalyst layer can be maintained at a high concentration, so that the oxygen reduction reaction can be promoted. In particular, oxygen that diffuses and dissolves in the polymer electrolyte (ionomer) contained in the catalyst layer under low oxygen conditions or under high load operation can be maintained at a high concentration, so that the oxygen reduction reaction can be promoted. .

一般的に、白金板や白金線のサイクリックボルタモグラム(CV)では、0.8V付近から白金酸化反応が進行する。これに対して、白金担持カーボンのCVでは、0.65V付近から白金酸化反応が進行する。したがって、従来の白金担持カーボンでは、通常の運転条件下(0.6V(定格1A付近)〜0.95V(自然電位あるいはアイドル保持電位))で、より低電位で白金の酸化還元サイクルが進行し、白金溶解が進行する。しかしながら、本発明によると、酸素吸蔵放出作用を有する物質をカソード触媒層内に配置するため、活性サイトである白金をはじめとする触媒成分の表面に吸着(脱離)する酸素や白金表面に配位する酸素が増大する。このため、カーボン上の白金粒子近傍、あるいは、白金担持カーボンの近傍に、酸素吸蔵放出作用を有す物質が存在すると、通常の運転条件下で白金粒子表面に酸素被覆層(PtOx)が形成・維持され易くなる。このため、白金の酸化還元サイクルが進行しても白金溶解の抑制を図ることができる。   Generally, in a cyclic voltammogram (CV) of a platinum plate or a platinum wire, a platinum oxidation reaction proceeds from around 0.8V. On the other hand, in the CV of platinum-supporting carbon, the platinum oxidation reaction proceeds from around 0.65V. Therefore, in the conventional platinum-supported carbon, the oxidation-reduction cycle of platinum proceeds at a lower potential under normal operating conditions (0.6 V (nearly rated 1 A) to 0.95 V (natural potential or idle holding potential)). Platinum dissolution proceeds. However, according to the present invention, since the substance having an oxygen storage / release action is disposed in the cathode catalyst layer, it is adsorbed (desorbed) on the surface of the catalyst component such as platinum which is the active site, and is disposed on the surface of the platinum. Increased oxygen increases. For this reason, when a substance having an oxygen storage / release action is present in the vicinity of the platinum particles on the carbon or in the vicinity of the platinum-supporting carbon, an oxygen coating layer (PtOx) is formed on the surface of the platinum particles under normal operating conditions. It is easy to be maintained. For this reason, even if the oxidation-reduction cycle of platinum proceeds, platinum dissolution can be suppressed.

また、本発明によると、アノード触媒層に親水性を有する物質を配置する。当該配置により、PtやPt合金等の触媒成分の近傍に親水性を有する物質を配置する。ゆえに、担体上の触媒成分近傍に配位水を供給できるため、水素酸化活性を向上できる。また、当該配置により、触媒層内に含有される高分子電解質(イオノマー)の含水状態を、常に高含水状態に保持できるため、プロトン生成反応促進とプロトンの導電性の向上を図ることができる。特に、低加湿条件下や高負荷運転下において、触媒層内に含有される高分子電解質(イオノマー)の含水状態を、高含水状態に保持できる。ゆえに、本発明に係るアノード触媒層では、プロトン生成反応促進及びプロトンの導電性を向上できる。   According to the present invention, a hydrophilic substance is disposed in the anode catalyst layer. With this arrangement, a hydrophilic substance is arranged in the vicinity of the catalyst component such as Pt or Pt alloy. Therefore, since the coordination water can be supplied in the vicinity of the catalyst component on the carrier, the hydrogen oxidation activity can be improved. In addition, with this arrangement, the water content of the polymer electrolyte (ionomer) contained in the catalyst layer can always be maintained at a high water content, so that the proton generation reaction can be promoted and the proton conductivity can be improved. In particular, the water content of the polymer electrolyte (ionomer) contained in the catalyst layer can be maintained at a high water content under low humidification conditions or under high load operation. Therefore, in the anode catalyst layer according to the present invention, it is possible to promote proton generation reaction and improve proton conductivity.

したがって、本発明に係るカソード触媒層および/またはアノード触媒層を用いてなる電解質膜−電極接合体(MEA)は、発電性能および耐久性に優れる。   Therefore, the electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) using the cathode catalyst layer and / or the anode catalyst layer according to the present invention is excellent in power generation performance and durability.

以下、本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

本発明では、カソード触媒層が、触媒成分が担持された担体と、酸素吸蔵放出作用を有する物質と、高分子電解質とを含む、および/またはアノード触媒層が、触媒成分が担持された担体と、親水性を有する物質と、高分子電解質とを含む。ここで、発電性能および耐久性を考慮すると、少なくともカソード触媒層に酸素吸蔵放出作用を有する物質を配置することが好ましい。より好ましくは、カソード触媒層に酸素吸蔵放出作用を有する物質を、およびアノード触媒層に親水性を有する物質を、それぞれ配置することが好ましい。   In the present invention, the cathode catalyst layer includes a carrier on which the catalyst component is supported, a substance having an oxygen storage / release action, and a polymer electrolyte, and / or the anode catalyst layer is a carrier on which the catalyst component is supported. And a hydrophilic substance and a polymer electrolyte. Here, in consideration of power generation performance and durability, it is preferable to dispose a substance having an oxygen storage / release action at least in the cathode catalyst layer. More preferably, it is preferable to dispose a substance having an oxygen storage / release action in the cathode catalyst layer and a substance having hydrophilicity in the anode catalyst layer.

本発明において、カソード触媒層に配置する酸素吸蔵放出作用を有する物質は、酸素吸蔵放出作用を有するものであれば特に制限されず、公知の物質が使用できる。具体的には、希土類元素の複合酸化物が挙げられる。ここで、希土類元素の複合酸化物としては、酸素吸蔵放出作用を有するものであれば特に制限されず、特開平10−216509号公報、特開平10−218620号公報、特開2000−072437号公報、特開2000−072447号公報、特開2000−128537号公報、特開2004−337840号公報、特開2005−296880号公報、特開2006−068677号公報などに開示される、公知の物質が使用できる。より具体的には、CeO、ZrO、Cex1Zr1−x1Y1(x1は、Ceの原子比であり、0<x1<1である、Y1は、上
記各成分の原子価を満足するのに必要な酸素原子数である)、Prx2Zr1−x2Y2(x2は、Prの原子比であり、0<x2<1である、Y2は、上記各成分の原子価を満足するのに必要な酸素原子数である)、およびPrx3Ce1−x3Y3(x3は、Prの原子比であり、0<x3<1である、Y3は、上記各成分の原子価を満足するのに必要な酸素原子数である)などが好ましく挙げられる。このような物質は、触媒成分表面に十分量の吸着酸素や格子酸素を供給でき、触媒層内に含有される電解質(イオノマー)中を拡散・溶解する酸素を高い濃度に保持できる。このため、酸素還元活性を向上できる。特に、低酸素条件下や高負荷運転下において、触媒層内に含有される電解質(イオノマー)中を拡散・溶解する酸素を高い濃度に保持できるため、酸素還元反応促進を図ることができる。また、酸素吸蔵放出作用を有する物質の吸着酸素や格子酸素が、低電位〜高電位の範囲(0.6V(定格)付近〜0.95V)にわたって触媒成分表面に供給できる。このため、活性サイトである白金の表面に吸着(脱離)する酸素や白金表面に配位する酸素が増大することで、触媒成分表面には酸素被覆層(例えば、PtO)が形成する。ゆえに、触媒成分の酸化還元サイクルが起こり難くなり、触媒成分(特に白金)の溶出を有効に抑制できる。なお、上記酸素吸蔵放出作用を有する物質は、単独で使用してもあるいは2種以上の混合物の状態で使用してもよい。また、本発明では、酸素吸蔵放出作用を有する物質は、カソード触媒層に用いられる触媒成分と複合化していない、即ち、酸素吸蔵放出作用を有する物質とカソード触媒層に用いられる触媒成分とは複合酸化物を形成しない。酸素吸蔵放出作用を有する物質と触媒成分とが別個に存在すると、触媒成分が結晶格子からの出入りによらずに機能できるため、触媒成分がより有効に所望の効果を発揮できる。
In the present invention, the substance having an oxygen storage / release action disposed in the cathode catalyst layer is not particularly limited as long as it has an oxygen storage / release action, and a known substance can be used. Specifically, a complex oxide of rare earth elements can be given. Here, the complex oxide of the rare earth element is not particularly limited as long as it has an oxygen storage / release action, and is disclosed in JP-A-10-216509, JP-A-10-218620, and JP-A-2000-072437. JP-A-2000-072447, JP-A-2000-128537, JP-A-2004-337840, JP-A-2005-296880, JP-A-2006-068677, etc. Can be used. More specifically, CeO 2, ZrO 2, Ce x1 Zr 1-x1 O Y1 (x1 is an atomic ratio of Ce, which is 0 <x1 <1, Y1 is satisfied valences of the respective components Pr x2 Zr 1-x2 O Y2 (x2 is the atomic ratio of Pr, 0 <x2 <1, Y2 satisfies the valence of each of the above components) And Pr x3 Ce 1-x3 O Y3 (x3 is the atomic ratio of Pr, 0 <x3 <1, Y3 is the valence of each of the above components) Preferably, it is the number of oxygen atoms necessary for satisfaction. Such a substance can supply a sufficient amount of adsorbed oxygen and lattice oxygen to the surface of the catalyst component, and can maintain a high concentration of oxygen that diffuses and dissolves in the electrolyte (ionomer) contained in the catalyst layer. For this reason, oxygen reduction activity can be improved. In particular, the oxygen reduction reaction can be promoted because oxygen that diffuses and dissolves in the electrolyte (ionomer) contained in the catalyst layer can be maintained at a high concentration under low oxygen conditions or under high load operation. Further, adsorbed oxygen and lattice oxygen of a substance having an oxygen storage / release action can be supplied to the catalyst component surface over a range of low potential to high potential (near 0.6 V (rated) to 0.95 V). For this reason, oxygen adsorbed (desorbed) on the surface of platinum, which is an active site, and oxygen coordinated on the platinum surface increase, whereby an oxygen coating layer (eg, PtO x ) is formed on the surface of the catalyst component. Therefore, the oxidation-reduction cycle of the catalyst component is difficult to occur, and elution of the catalyst component (particularly platinum) can be effectively suppressed. The substance having an oxygen storage / release action may be used alone or in the form of a mixture of two or more. In the present invention, the substance having the oxygen storage / release action is not combined with the catalyst component used in the cathode catalyst layer, that is, the substance having the oxygen storage / release action and the catalyst component used in the cathode catalyst layer are combined. Does not form oxides. When the substance having the oxygen storage / release action and the catalyst component are present separately, the catalyst component can function regardless of entering and exiting from the crystal lattice, so that the catalyst component can exhibit a desired effect more effectively.

また、本発明に係る酸素吸蔵放出作用を有する物質のカソード触媒層への配置量は、酸素還元反応促進や触媒成分の溶出抑制を図ることができる量であれば特に制限されない。好ましくは、酸素吸蔵放出作用を有する物質を、酸素吸蔵放出作用を有する物質の含有量が、酸素吸蔵放出作用を有する物質、触媒成分、担体及び高分子電解質の総量に対して、0.01〜20質量%となるような量で配置する。酸素吸蔵放出作用を有する物質の含有量は、酸素吸蔵放出作用を有する物質、触媒成分、担体及び高分子電解質の総量に対して、より好ましくは0.1〜15質量%、さらにより好ましくは0.1〜10質量%である。このような範囲であれば、カソード触媒層では、PtやPt合金等の触媒成分の近傍に十分量の酸素吸蔵放出作用を有する物質を配置することができる。このため、触媒成分表面に十分量の吸着酸素や格子酸素が供給でき、酸素還元活性を向上できる。また、酸素吸蔵放出作用を有する物質の吸着酸素や格子酸素が、低電位〜高電位の範囲(0.6V(定格)付近〜0.95V)にわたって触媒成分表面に供給できる。このため、触媒成分表面には酸素被覆層が形成し、触媒成分の酸化還元サイクルが起こり難くなり、触媒成分(特に白金)の溶出を有効に抑制できる。   In addition, the amount of the substance having an oxygen storage / release action according to the present invention disposed in the cathode catalyst layer is not particularly limited as long as it is an amount capable of promoting the oxygen reduction reaction and suppressing the elution of the catalyst component. Preferably, the substance having an oxygen storage / release action is contained in a content of the substance having an oxygen storage / release action from 0.01 to the total amount of the substance having the oxygen storage / release action, the catalyst component, the carrier and the polymer electrolyte. It arrange | positions in the quantity which will be 20 mass%. The content of the substance having an oxygen storage / release action is more preferably 0.1 to 15% by mass, still more preferably 0, based on the total amount of the substance having an oxygen storage / release action, the catalyst component, the carrier and the polymer electrolyte. .1 to 10% by mass. Within such a range, in the cathode catalyst layer, a sufficient amount of a substance having an oxygen storage / release action can be disposed in the vicinity of the catalyst component such as Pt or Pt alloy. Therefore, a sufficient amount of adsorbed oxygen and lattice oxygen can be supplied to the catalyst component surface, and the oxygen reduction activity can be improved. Further, adsorbed oxygen and lattice oxygen of a substance having an oxygen storage / release action can be supplied to the catalyst component surface over a range of low potential to high potential (near 0.6 V (rated) to 0.95 V). For this reason, an oxygen coating layer is formed on the surface of the catalyst component, and the oxidation-reduction cycle of the catalyst component hardly occurs, and elution of the catalyst component (particularly platinum) can be effectively suppressed.

さらに、本発明に係る酸素吸蔵放出作用を有する物質の形状や大きさは、特に制限されない。酸素吸蔵放出作用を有する物質の形状は粒状であることが好ましい。この際の酸素吸蔵放出作用を有する物質の平均粒径もまた、特に制限されない。好ましくは、酸素吸蔵放出作用を有する物質の平均粒径は、1μm以下、より好ましくは1〜100nm、特に好ましくは5〜50nmである。このような範囲であれば、酸素吸蔵放出作用を有する物質上にPtやPt合金等の触媒成分を担持した際に、酸素吸蔵放出作用を有する物質の吸着酸素や格子酸素が移動(マイグレーション)し易くなる。なお、本発明における「酸素吸蔵放出作用を有する物質の平均粒径」は、X線回折における当該物質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粒子径の平均値により測定することができる。   Furthermore, the shape and size of the substance having an oxygen storage / release action according to the present invention are not particularly limited. The shape of the substance having an oxygen storage / release action is preferably granular. The average particle diameter of the substance having an oxygen storage / release action at this time is also not particularly limited. Preferably, the average particle size of the substance having an oxygen storage / release action is 1 μm or less, more preferably 1 to 100 nm, and particularly preferably 5 to 50 nm. Within such a range, when a catalyst component such as Pt or Pt alloy is supported on a substance having an oxygen storage / release action, the adsorbed oxygen or lattice oxygen of the substance having an oxygen storage / release action migrates. It becomes easy. The “average particle diameter of a substance having an oxygen storage / release action” in the present invention is a particle diameter determined from a crystallite diameter or a transmission electron microscope image obtained from a half-value width of a diffraction peak of the substance in X-ray diffraction. The average value can be measured.

本発明において、アノード触媒層に配置する親水性を有する物質は、親水性を有するものであれば特に制限されず、公知の物質が使用できる。具体的には、親水性金属酸化物、
および高表面積な炭素材料などが挙げられる。本明細書において、「親水性」とは、物質(例えば、金属酸化物)自体が保水性を有することを意味する。また、「高表面積な炭素材料」とは、担体上の触媒成分粒子近傍に十分の配位水を供給できるように大きな表面積を有する炭素材料を意味する。好ましくは、「高表面積な炭素材料」は、50m/g以上のBET比表面積を有する炭素材料である。より具体的には、親水性金属酸化物としては、シリコン、チタン、アルミニウム、ジルコニウム、タンタル、イットリウム、スズ、タングステン、インジウム、及びアンチモンからなる群より選択される少なくとも一種の金属の酸化物などが挙げられる。また、高表面積な炭素材料としては、活性炭などが挙げられる。これらのうち、二酸化チタン(TiO)、二酸化ケイ素(SiO)、ジルコニア(ZrO)等の親水性酸化物、ならびに活性炭等の高表面積な炭素材料などがより好ましく使用できる。このような物質は、担体上の触媒成分粒子近傍に十分量の配位水を供給できる。また、親水性を有する物質により配位した水が、特に低加湿条件下や高負荷運転下においても、触媒層内に含有される電解質(イオノマー)を高含水状態に保持できる。このため、触媒成分近傍の高分子電解質(イオノマー)のプロトン生成反応の促進とプロトン導電性を増大するため、水素酸化活性を向上できる。なお、上記親水性を有する物質は、単独で使用してもあるいは2種以上の混合物の状態で使用してもよい。また、本発明では、親水性を有する物質は、アノード触媒層に用いられる触媒成分と複合化していない、即ち、親水性を有する物質とアノード触媒層に用いられる触媒成分とは複合酸化物を形成しない。親水性を有する物質と触媒成分とが別個に存在すると、触媒成分が結晶格子からの出入りによらずに機能できるため、触媒成分がより有効に所望の効果を発揮できる。
In the present invention, the hydrophilic substance disposed in the anode catalyst layer is not particularly limited as long as it has hydrophilicity, and a known substance can be used. Specifically, hydrophilic metal oxides,
And a carbon material having a high surface area. In the present specification, “hydrophilic” means that the substance (for example, metal oxide) itself has water retention. The “high surface area carbon material” means a carbon material having a large surface area so that sufficient coordination water can be supplied in the vicinity of the catalyst component particles on the support. Preferably, the “high surface area carbon material” is a carbon material having a BET specific surface area of 50 m 2 / g or more. More specifically, the hydrophilic metal oxide includes an oxide of at least one metal selected from the group consisting of silicon, titanium, aluminum, zirconium, tantalum, yttrium, tin, tungsten, indium, and antimony. Can be mentioned. Moreover, activated carbon etc. are mentioned as a high surface area carbon material. Of these, hydrophilic materials such as titanium dioxide (TiO 2 ), silicon dioxide (SiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), and high surface area carbon materials such as activated carbon can be used more preferably. Such a substance can supply a sufficient amount of coordination water in the vicinity of the catalyst component particles on the support. Further, the water coordinated by the substance having hydrophilicity can keep the electrolyte (ionomer) contained in the catalyst layer in a high water content state even under low humidification conditions or under high load operation. For this reason, since the proton production reaction of the polymer electrolyte (ionomer) in the vicinity of the catalyst component is accelerated and the proton conductivity is increased, the hydrogen oxidation activity can be improved. The hydrophilic substance may be used alone or in a mixture of two or more. In the present invention, the hydrophilic substance is not complexed with the catalyst component used in the anode catalyst layer, that is, the hydrophilic substance and the catalyst component used in the anode catalyst layer form a complex oxide. do not do. When the hydrophilic substance and the catalyst component are present separately, the catalyst component can function regardless of entering and exiting from the crystal lattice, so that the catalyst component can exhibit a desired effect more effectively.

また、本発明に係る親水性を有する物質のアノード触媒層への配置量は、プロトン生成反応促進及びプロトンの導電性を向上できる量であれば特に制限されない。好ましくは、親水性を有する物質を、親水性を有する物質の含有量が、親水性を有する物質触媒成分、担体及び高分子電解質の総量に対して、0.01〜20質量%となるような量で配置する。親水性を有する物質の含有量は、親水性を有する物質触媒成分、担体及び高分子電解質の総量に対して、より好ましくは0.1〜15質量%、さらにより好ましくは0.1〜10質量%である。このような範囲であれば、アノード触媒層では、PtやPt合金等の触媒成分の近傍に親水性を有する物質を単に配置することで、担体上の触媒成分粒子近傍に十分の配位水が供給でき、水素酸化活性を向上できる。また、親水性を有する物質により配位した水が、低加湿雰囲気下でも、触媒成分近傍の高分子電解質(イオノマー)のプロトン導電性を増大し、水素酸化活性を向上できる。   In addition, the amount of the hydrophilic substance according to the present invention disposed in the anode catalyst layer is not particularly limited as long as it is an amount that can promote proton generation reaction and improve proton conductivity. Preferably, the content of the hydrophilic substance is 0.01 to 20% by mass with respect to the total amount of the hydrophilic substance catalyst component, the carrier and the polymer electrolyte. Arrange by quantity. The content of the hydrophilic substance is more preferably 0.1 to 15% by mass, still more preferably 0.1 to 10% by mass, based on the total amount of the hydrophilic substance catalyst component, the carrier and the polymer electrolyte. %. Within such a range, in the anode catalyst layer, by simply placing a hydrophilic substance in the vicinity of the catalyst component such as Pt or Pt alloy, sufficient coordination water is provided in the vicinity of the catalyst component particles on the support. The hydrogen oxidation activity can be improved. In addition, water coordinated by a hydrophilic substance can increase proton conductivity of the polymer electrolyte (ionomer) in the vicinity of the catalyst component and improve hydrogen oxidation activity even in a low humidified atmosphere.

さらに、本発明に係る親水性を有する物質の形状や大きさは、特に制限されない。親水性を有する物質の形状は粒状であることが好ましい。この際の親水性を有する物質の平均粒径もまた、特に制限されない。好ましくは、親水性を有する物質の平均粒径は、1μm以下、より好ましくは1〜100nm、特に好ましくは5〜50nmである。このような範囲であれば、担体上にPtやPt合金等の触媒成分と共に担持した親水性を有する物質による配位水や吸着水が三相界面のイオノマー内に移動し易くなる。このため、プロトンの導電性をさらに向上でき、水素酸化活性の向上が図れる。さらに、アノード触媒層側に配置するガス拡散層(GDL)を、カソード触媒層側に配置するガス拡散層(GDL)よりも保水性を高いものとした場合には、アノード触媒層内が高加湿状態になるため、水素酸化活性の向上をさらに図ることができ、より好ましい。なお、本発明における「親水性を有する物質の平均粒径」は、X線回折における当該物質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粒子径の平均値により測定することができる。   Furthermore, the shape and size of the hydrophilic substance according to the present invention are not particularly limited. It is preferable that the hydrophilic substance has a granular shape. In this case, the average particle diameter of the hydrophilic substance is not particularly limited. Preferably, the average particle size of the hydrophilic substance is 1 μm or less, more preferably 1 to 100 nm, and particularly preferably 5 to 50 nm. Within such a range, the coordinated water and adsorbed water due to the hydrophilic substance carried together with the catalyst component such as Pt or Pt alloy on the support easily move into the ionomer at the three-phase interface. For this reason, the conductivity of protons can be further improved, and the hydrogen oxidation activity can be improved. Further, when the gas diffusion layer (GDL) disposed on the anode catalyst layer side has higher water retention than the gas diffusion layer (GDL) disposed on the cathode catalyst layer side, the inside of the anode catalyst layer is highly humidified. Since it will be in a state, improvement of hydrogen oxidation activity can further be aimed at and it is more preferred. The “average particle diameter of the hydrophilic substance” in the present invention is the average value of the crystallite diameter determined from the half width of the diffraction peak of the substance in X-ray diffraction or the particle diameter determined from a transmission electron microscope image. Can be measured.

本発明において、カソード触媒層に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、アノー
ド触媒層に用いられる触媒成分もまた、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、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が挙げられる。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。前記合金の組成は、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。好ましくは、合金の組成は、白金が30〜90原子%、合金化する他の金属が70〜10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。この際、カソード触媒層に用いられる触媒成分及びアノード触媒層に用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択できる。以下の説明では、特記しない限り、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒成分についての説明は、両者について同様の定義であり、一括して、「触媒成分」と称する。しかしながら、カソード触媒層及びアノード触媒層の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択される。
In the present invention, the catalyst component used in the cathode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxygen reduction reaction, and known catalysts can be used in the same manner. Further, the catalyst component used in the anode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxidation reaction of hydrogen, and a known catalyst can be used in the same manner. Specific examples include metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum, and alloys thereof. It is done. Among these, those containing at least platinum are preferably used in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance, and the like. The composition of the alloy varies depending on the type of metal to be alloyed and can be appropriately selected by those skilled in the art. Preferably, the composition of the alloy is preferably 30 to 90 atomic% for platinum and 70 to 10 atomic% for the other metal to be alloyed. 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 the component elements as separate crystals, a component element completely melted into a solid solution, and a component element composed of 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. At this time, the catalyst component used for the cathode catalyst layer and the catalyst component used for the anode catalyst layer can be appropriately selected from the above. In the following description, unless otherwise specified, the description of the catalyst component for the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer has the same definition for both, and is collectively referred to as “catalyst component”. However, the catalyst components of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer do not need to be the same, and are appropriately selected so as to exhibit the desired action as described above.

カソード触媒層及びアノード触媒層に用いられる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、粒状であることが好ましい。また、触媒成分の大きさ(平均粒径)は、1〜10nm、より好ましくは1〜5nmであることが好ましい。ここで、触媒成分の平均粒径が1nm未満であると、触媒成分の表面積が大きくなるものの、電位の変化で溶出しやすくなり、経時的な性能低下が大きい可能性がある。また、触媒成分の平均粒径が10nmを超えると、触媒成分の表面積が小さくなりすぎて、3相界面を十分確保することが難しく、また、発電性能が低下する可能性がある。特に、触媒成分の大きさ(平均粒径)が2nmである場合には、触媒成分による活性が高いため好ましい。なお、カソード触媒層及びアノード触媒層の触媒成分の大きさ(平均粒径)は、同一であってもあるいは異なるものであってもよく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択される。また、本発明における「触媒成分の平均粒径」は、X線回折における当該物質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粒子径の平均値により測定することができる。   The shape and size of the catalyst component used for the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer 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. The size (average particle diameter) of the catalyst component is preferably 1 to 10 nm, more preferably 1 to 5 nm. Here, when the average particle size of the catalyst component is less than 1 nm, although the surface area of the catalyst component is increased, elution is easily caused by a change in potential, and there is a possibility that performance deterioration with time is large. On the other hand, if the average particle size of the catalyst component exceeds 10 nm, the surface area of the catalyst component becomes too small, and it is difficult to ensure a sufficient three-phase interface, and the power generation performance may be reduced. In particular, when the size (average particle diameter) of the catalyst component is 2 nm, the activity by the catalyst component is high, which is preferable. The sizes (average particle diameters) of the catalyst components of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer may be the same or different, and are appropriately selected so as to achieve the desired action as described above. Is done. The “average particle diameter of the catalyst component” in the present invention is measured by the crystallite diameter obtained from the half-value width of the diffraction peak of the substance in X-ray diffraction or the average value of the particle diameter determined from a transmission electron microscope image. be able to.

本発明では、上記触媒成分を担体に担持して、電極触媒となる。ここで、担体としては、導電性を有するものであれば特に制限されず、公知の担体が使用できる。このような導電性担体としては、触媒粒子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、主成分がカーボンであるのが好ましい。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 the present invention, the catalyst component is supported on a carrier to form an electrode catalyst. Here, the carrier is not particularly limited as long as it has conductivity, and a known carrier can be used. As such a conductive carrier, any material may be used as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. Carbon is preferred. 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.

前記担体(導電性担体;以下、同様)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。前記比表面積が上記範囲であれば、前記導電性担体への触媒成分および高分子電解質の分散性が良好であり、十分な発電性能が達成でき、また、十分な触媒成分および高分子電解質の有効利用率が達成できる。 The BET specific surface area of the carrier (conductive carrier; hereinafter the same) may be a specific surface area sufficient to support the catalyst component in a highly dispersed state, preferably 20 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to It is good to set it as 1200 m < 2 > / g. When the specific surface area is in the above range, the dispersibility of the catalyst component and the polymer electrolyte in the conductive support is good, sufficient power generation performance can be achieved, and sufficient catalyst component and polymer electrolyte are effective. Utilization rate can be achieved.

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。担持量が前記範囲であれば、十分な触媒成分の導電性担体上での分散度、発電性能の向上、経済上での利点、単位質量あたりの触媒活性が達成できるため好ましい。なお、触媒成分の担持量は、カソード触媒層及びアノード触媒層で、同じであってもあるいは異なる量であってもよい。また、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 is within the above range, it is preferable because a sufficient degree of dispersion of the catalyst components on the conductive support, improvement in power generation performance, economic advantages, and catalytic activity per unit mass can be achieved. The supported amount of the catalyst component may be the same or different in the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer. Further, 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。   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.

本発明において、上記では、触媒成分のみを導電性担体上に担持することを説明したが、カソード触媒層において、酸素吸蔵放出作用を有する物質を、触媒成分と共に導電性担体上に担持してもよい。このような場合、酸素吸蔵放出作用を有する物質および触媒成分を担持する順番は、特に制限されず、いずれか一方を先に担持した後、他方を担持する方法;または双方を同時に担持する方法のいずれでもよい。好ましくは、酸素吸蔵放出作用を有する物質をまず導電性担体上に担持した後、触媒成分を担持する方法が好ましい。また、当該場合における酸素吸蔵放出作用を有する物質の導電性担体上への担持方法は、上記と同様の方法が使用できる。   In the present invention, in the above description, it has been described that only the catalyst component is supported on the conductive support. However, in the cathode catalyst layer, a substance having an oxygen storage / release action may be supported on the conductive support together with the catalyst component. Good. In such a case, the order in which the substance having the oxygen storage / release action and the catalyst component are supported is not particularly limited, and the method of supporting one after the other is supported first; Either is acceptable. Preferably, a method in which a substance having an oxygen storage / release action is first supported on a conductive carrier and then a catalyst component is supported. In this case, the same method as described above can be used as a method for supporting a substance having an oxygen storage / release action on a conductive carrier.

同様にして、アノード触媒層においても、親水性を有する物質を、触媒成分と共に導電性担体上に担持してもよい。このような場合、親水性を有する物質および触媒成分を担持する順番は、特に制限されず、いずれか一方を先に担持した後、他方を担持する方法;または双方を同時に担持する方法のいずれでもよい。好ましくは、親水性を有する物質をまず導電性担体上に担持した後、触媒成分を担持する方法が好ましい。また、当該場合における親水性を有する物質の導電性担体上への担持方法は、上記と同様の方法が使用できる。   Similarly, in the anode catalyst layer, a hydrophilic substance may be supported on a conductive carrier together with the catalyst component. In such a case, the order in which the hydrophilic substance and the catalyst component are supported is not particularly limited, and either one of the methods of supporting one of them first and then supporting the other; Good. Preferably, a method of supporting a catalyst component after first supporting a hydrophilic substance on a conductive carrier is preferable. In this case, the same method as described above can be used as the method for supporting the hydrophilic substance on the conductive carrier.

または、本発明において、電極触媒は市販品を使用してもよい。このような市販品としては、例えば、田中貴金属工業製、エヌ・イー・ケムキャット製、E−TEK製、ジョンソンマッセイ製などの電極触媒が使用できる。これらの電極触媒は、カーボン担体に、白金や白金合金を担持(触媒種の担持濃度、30〜70質量%)したものである。上記において、カーボン担体としては、ケッチェンブラック、バルカン、アセチレンブラック、ブラックパール、予め高温で熱処理した黒鉛化処理カーボン担体(例えば、黒鉛化処理ケッチェンブラック)、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンファイバーなどがある。   Alternatively, in the present invention, a commercially available electrode catalyst may be used. As such commercially available products, for example, electrode catalysts such as those manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., N.E. Chemcat, E-TEK, and Johnson Matthey can be used. These electrode catalysts are obtained by supporting platinum or a platinum alloy on a carbon support (supporting concentration of catalyst species, 30 to 70% by mass). In the above, examples of the carbon support include ketjen black, vulcan, acetylene black, black pearl, graphitized carbon support (for example, graphitized ketjen black) previously heat treated at high temperature, carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon fiber, etc. There is.

本発明のカソード触媒層は、酸素吸蔵放出作用を有する物質及び電極触媒の他に、高分子電解質を含む。同様にして、本発明のアノード触媒層は、親水性を有する物質及び電極触媒の他に、高分子電解質を含む。前記高分子電解質としては、特に限定されず公知のものを用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であればよい。この際使用できる高分子電解質は、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 cathode catalyst layer of the present invention contains a polymer electrolyte in addition to a substance having an oxygen storage / release action and an electrode catalyst. Similarly, the anode catalyst layer of the present invention contains a polymer electrolyte in addition to the hydrophilic substance and the electrode catalyst. The polymer electrolyte is not particularly limited, and a known one can be used, but any member having at least high proton conductivity may be used. The polymer electrolyte that can be used in this case is roughly classified into a fluorine-based electrolyte that contains fluorine atoms in the whole or a part of the polymer skeleton and a hydrocarbon-based electrolyte that does not contain fluorine atoms in the polymer skeleton.

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.

高分子電解質は、耐熱性、化学的安定性などに優れることから、フッ素原子を含むのが好ましい。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。特に、本発明において、高分子電解質としてナフィオン(登録商標、デュポン社製)等のスルホン酸基を有するものを使用する場合には、EWが600〜1100程度のものを使用することが好ましい。なお、EW(Equivalent Weight)は、スルホン酸基1モル当たりの乾燥膜重量を表わし、小さいほどスルホン酸基の比重が大きいことを意味する。   The polymer electrolyte preferably contains a fluorine atom because it is excellent in heat resistance, chemical stability, and the like. Among these, fluorine electrolytes such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) and the like are preferable. In particular, in the present invention, when a polymer electrolyte having a sulfonic acid group such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) is used, it is preferable to use one having an EW of about 600 to 1100. In addition, EW (Equivalent Weight) represents the dry film weight per 1 mol of sulfonic acid groups, and means that the specific gravity of sulfonic acid groups is larger as it is smaller.

また、高分子電解質の量は、特に制限されない。導電性担体質量(C)に対する前記高分子電解質質量(I)の比(Ionomer/Carbon;I/C)が、0.5〜2.0、より好ましくは0.7〜1.6となるような量であることが好ましい。このような範囲であると、十分なプロトン伝導性およびガス拡散性が達成しうる。なお、上記I/C比は、以下に詳述する触媒インク(スラリー)を作製する際に予め混合する触媒層中に含まれる導電性担体質量および電解質固形分を測定しておき、これらの混合比を調整することにより、算出され、また、制御できる。また、電極触媒層を分析して、前記I/Cを求める際の、導電性担体の質量(C)とは、電極触媒の質量から触媒成分の質量を差し引いたものとする。触媒成分の質量は誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって定量することができる。電極触媒層を分析して、前記I/Cを求める際の、触媒層中の高分子電解質質量(I)は、19F NMRによる高分子電解質の構造解析、および、電量滴定によるS原子の定量、の2つを組合わせることで定量することができる。 Further, the amount of the polymer electrolyte is not particularly limited. The ratio (Ionomer / Carbon; I / C) of the polymer electrolyte mass (I) to the conductive carrier mass (C) is 0.5 to 2.0, more preferably 0.7 to 1.6. It is preferable that the amount is small. In such a range, sufficient proton conductivity and gas diffusivity can be achieved. The above I / C ratio is determined by measuring the conductive carrier mass and the electrolyte solid content contained in the catalyst layer to be mixed in advance when preparing the catalyst ink (slurry) described in detail below. It can be calculated and controlled by adjusting the ratio. In addition, the mass (C) of the conductive support when the electrode catalyst layer is analyzed to determine the I / C is obtained by subtracting the mass of the catalyst component from the mass of the electrode catalyst. The mass of the catalyst component can be quantified by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP). The polymer electrolyte mass (I) in the catalyst layer when the electrode catalyst layer is analyzed to determine the I / C is determined by the structure analysis of the polymer electrolyte by 19 F NMR and the determination of S atoms by coulometric titration. It is possible to quantify by combining the two.

本発明では、カソード触媒層は、酸素吸蔵放出作用を有する物質、触媒成分が担持された担体(電極触媒)、高分子電解質及び溶剤からなる触媒インクを、転写法などの方法によって製造できる。あるいは、カソード触媒層は、酸素吸蔵放出作用を有する物質及び触媒成分が担持された担体、高分子電解質及び溶剤からなる触媒インクを、転写法などの方法によって製造できる。同様にして、アノード触媒層は、親水性を有する物質、触媒成分が担持された担体(電極触媒)、高分子電解質及び溶剤からなる触媒インクを、転写法などの方法によって製造できる。あるいは、アノード触媒層は、親水性を有する物質及び触媒成分が担持された担体、高分子電解質及び溶剤からなる触媒インクを、転写法などの方法によって製造できる。   In the present invention, the cathode catalyst layer can be produced by a method such as a transfer method using a material having an oxygen storage / release action, a carrier (electrode catalyst) carrying a catalyst component, a polymer electrolyte and a solvent. Alternatively, the cathode catalyst layer can be produced by a method such as a transfer method using a carrier ink carrying a substance having an oxygen storage / release action and a catalyst component, a polymer electrolyte, and a solvent. Similarly, the anode catalyst layer can be produced by a method such as a transfer method using a hydrophilic substance, a carrier (electrode catalyst) carrying a catalyst component, a polymer electrolyte and a solvent. Alternatively, the anode catalyst layer can be produced by a method such as a transfer method using a catalyst ink comprising a carrier having a hydrophilic substance and a catalyst component supported thereon, a polymer electrolyte, and a solvent.

このような場合の電極触媒層の製造方法は、特に制限されず、公知の転写方法が同様にしてあるいは適宜修飾を加えて使用できるが、例えば、以下のような方法が使用できる。すなわち、カソード触媒層及びアノード触媒層形成用の触媒インクをそれぞれ調製する。次に、各触媒インクを転写用台紙上にそれぞれ塗布・乾燥して、各触媒層を形成する。   The production method of the electrode catalyst layer in such a case is not particularly limited, and a known transfer method can be used in the same manner or with appropriate modification. For example, the following method can be used. That is, a catalyst ink for forming a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer is prepared. Next, each catalyst ink is applied and dried on a transfer mount to form each catalyst layer.

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)シート等の、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。   At this time, as the transfer mount, a known sheet such as a polyester sheet such as a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet or a PET (polyethylene terephthalate) 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).

また、溶剤としては、特に制限されず、電極触媒層を形成するのに使用される通常の溶剤が同様にして使用できる。具体的には、水、シクロヘキサノール、エタノール、n−プロピルアルコール、2−プロピルアルコール等の低級アルコールが使用できる。   Moreover, it does not restrict | limit especially as a solvent, The normal solvent used for forming an electrode catalyst layer can be used similarly. Specifically, lower alcohols such as water, cyclohexanol, ethanol, n-propyl alcohol, and 2-propyl alcohol can be used.

また、溶剤の使用量もまた、特に制限されず公知と同様の量が使用できる。例えば、カソード触媒層では、触媒成分が担持された担体は、所望の作用、即ち、酸素の還元反応を触媒する作用を十分発揮できる量であれば特に制限されない。好ましくは、触媒成分が担持された担体が、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。また、酸素吸蔵放出作用を有する物質の量もまた、上記したような触媒層中の含有量になれば特に制限されない。   Further, the amount of the solvent used is not particularly limited, and a known amount can be used. For example, in the cathode catalyst layer, the carrier on which the catalyst component is supported is not particularly limited as long as it has an amount capable of sufficiently exhibiting a desired action, that is, an action of catalyzing an oxygen reduction reaction. Preferably, the carrier on which the catalyst component is supported is preferably present in the catalyst ink in an amount of 5 to 30% by mass, more preferably 9 to 20% by mass. Further, the amount of the substance having an oxygen storage / release action is not particularly limited as long as the content in the catalyst layer is as described above.

同様にして、アノード触媒層では、触媒成分が担持された担体は、所望の作用、即ち、水素の酸化反応を触媒する作用を十分発揮できる量であれば特に制限されない。好ましくは、触媒成分が担持された担体が、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。また、親水性を有する物質の量もまた、上記したような触媒層中の含有量になれば特に制限されない。   Similarly, in the anode catalyst layer, the support on which the catalyst component is supported is not particularly limited as long as it has an amount capable of sufficiently exhibiting a desired action, that is, an action for catalyzing an oxidation reaction of hydrogen. Preferably, the carrier on which the catalyst component is supported is preferably present in the catalyst ink in an amount of 5 to 30% by mass, more preferably 9 to 20% by mass. Further, the amount of the hydrophilic substance is not particularly limited as long as the content in the catalyst layer is as described above.

本発明に係る触媒インクは、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。例えば、グリセリン、エチレングリコール(EG)、ポリビニルアルコール(PVA)、プロピレングリコール(PG)などが挙げられる。これらのうち、プロピレングリコール(PG)が好ましく使用される。これは、プロピレングリコール(PG)を使用することにより、触媒インクの沸点が高まり溶媒蒸発速度が小さくなる。例えば、転写法で電解質膜に電極触媒層を形成する上で、まず膜とは別の転写用台紙上にスクリーンプリンターなどを使用して触媒インクを塗布、乾燥する。この際、触媒インク中にPGを添加することにより、塗布された触媒インク中の溶媒蒸発速度が抑制され、前記乾燥過程後の電極触媒層にひび割れ(クラック)が生じることを抑制・防止できる。また、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。   The catalyst ink according to 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. For example, glycerin, ethylene glycol (EG), polyvinyl alcohol (PVA), propylene glycol (PG) and the like can be mentioned. Of these, propylene glycol (PG) is preferably used. The use of propylene glycol (PG) increases the boiling point of the catalyst ink and decreases the solvent evaporation rate. For example, when an electrode catalyst layer is formed on an electrolyte membrane by a transfer method, a catalyst ink is first applied onto a transfer mount different from the membrane using a screen printer and dried. At this time, by adding PG to the catalyst ink, the solvent evaporation rate in the applied catalyst ink can be suppressed, and the electrode catalyst layer after the drying process can be suppressed / prevented from cracking. Further, the amount of the thickener added when using the thickener is not particularly limited as long as it does not interfere with the above-described effects of the present invention, but is preferably 5 with respect to the total mass of the catalyst ink. ˜20 mass%.

また、本発明に係る触媒インクは、撥水性高分子を含んでもよい。撥水性高分子の使用は、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。この際使用できる撥水性高分子は、特に制限されず、公知の撥水性高分子が使用できる。例えば、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。また、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0.1〜20質量%である。   The catalyst ink according to the present invention may contain a water repellent polymer. The use of the water-repellent polymer is effective when the catalyst ink cannot be applied well onto the transfer mount. The water-repellent polymer that can be used in this case is not particularly limited, and a known water-repellent polymer can be used. Examples include fluorine-based polymer materials such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), polypropylene, and polyethylene. It is done. In addition, the amount of the water-repellent polymer added when the water-repellent polymer is used is not particularly limited as long as it is an amount that does not interfere with the above-described effect of the present invention. Is 0.1 to 20% by mass.

本発明に係るカソード触媒用触媒インクは、酸素吸蔵放出作用を有する物質、電極触媒、高分子電解質及び溶剤、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。同様にして、本発明に係るアノード触媒用触媒インクは、親水性を有する物質、電極触媒、高分子電解質及び溶剤
、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。また、触媒インクは、上記したようにして混合されたスラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散する、あるいは、この混合スラリーをサンドグラインダー、循環式ボールミル、循環式ビーズミルなどの装置でよく粉砕させた後、減圧脱泡操作を加えることによって作製されることが好ましい。
The catalyst ink for cathode catalyst according to the present invention is a mixture of a substance having an oxygen storage / release action, an electrode catalyst, a polymer electrolyte and a solvent, and, if necessary, a water-repellent polymer and / or a thickener. If so, the preparation method is not particularly limited. Similarly, the catalyst ink for an anode catalyst according to the present invention is appropriately mixed with a hydrophilic substance, an electrode catalyst, a polymer electrolyte and a solvent, and if necessary, a water-repellent polymer and / or a thickener. If it is a thing, the preparation method in particular is not restrict | limited. In addition, the catalyst ink is obtained by dispersing the slurry mixed as described above with an ultrasonic homogenizer, or after thoroughly pulverizing the mixed slurry with an apparatus such as a sand grinder, a circulating ball mill, or a circulating bead mill. It is preferable to prepare by adding a vacuum degassing operation.

また、本発明において、電極触媒層の厚みは、アノード触媒層の平均厚み(Ya)が前記カソード触媒層の平均厚み(Yc)よりも小さいことが好ましい。上述したように、本発明では、触媒層内の保湿性を向上することができる。このため、アノード触媒層を薄層化(塗布量を低減)しても、水素酸化活性の改善が図れる。また、カソード触媒層の耐久性の向上も図れる。より具体的には、YaおよびYcが、好ましくはYa/Yc=0.1〜0.6の関係を満たす。このような関係に触媒層の厚みを制御することによって、上記効果を有効に達成しうる。   In the present invention, the electrode catalyst layer is preferably such that the average thickness (Ya) of the anode catalyst layer is smaller than the average thickness (Yc) of the cathode catalyst layer. As described above, in the present invention, the moisture retention in the catalyst layer can be improved. For this reason, even if the anode catalyst layer is thinned (the coating amount is reduced), the hydrogen oxidation activity can be improved. Further, the durability of the cathode catalyst layer can be improved. More specifically, Ya and Yc preferably satisfy the relationship of Ya / Yc = 0.1 to 0.6. By controlling the thickness of the catalyst layer in such a relationship, the above effect can be effectively achieved.

本発明において、アノード触媒層の平均厚み(Ya)は、好ましくは0.5〜20μm、より好ましくは1〜15μmである。また、カソード触媒層の平均厚み(Yc)は、好ましくは1〜40μm、より好ましくは5〜20μmである。この範囲とすることにより、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。   In the present invention, the average thickness (Ya) of the anode catalyst layer is preferably 0.5 to 20 μm, more preferably 1 to 15 μm. Moreover, the average thickness (Yc) of the cathode catalyst layer is preferably 1 to 40 μm, more preferably 5 to 20 μm. By setting it within this range, the catalytic action of hydrogen oxidation reaction (anode side) and oxygen reduction reaction (cathode side) can be sufficiently exhibited.

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。   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.

上記方法において、それぞれ塗布されたカソード/アノード触媒層の乾燥条件は、各触媒層から溶剤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(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、1〜50時間、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、このようにして積層された本発明に係る電極触媒層で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、カソード触媒層−電解質膜−アノード触媒層の積層体(CCM)を得ることができる。   In the above method, the drying conditions of the applied cathode / anode catalyst layer are not particularly limited as long as the solvent can be completely removed from each catalyst layer. Specifically, the coating layer (catalyst layer) of the catalyst ink is dried in a vacuum dryer at room temperature to 100 ° C., more preferably 50 to 80 ° C., for 1 to 50 hours. 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 polymer electrolyte membrane between the electrode catalyst layers according to the present invention laminated in this manner, 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 polymer electrolyte membrane can be sufficiently closely bonded, but are 100 to 200 ° C., more preferably 110 to 170 ° C. It is preferable to carry out at a press pressure of 1 to 5 MPa. Thereby, the bondability between the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer can be enhanced. After performing the hot press, the transfer mount is peeled off to obtain a cathode catalyst layer-electrolyte membrane-anode catalyst layer laminate (CCM).

なお、上記では、触媒インクを転写法によって塗布することにより、CCMを作製する方法について述べてきたが、当該CCMは、電解質膜表面に、上記したカソード触媒用触媒インクまたはアノード触媒用触媒インクを直接塗布した後、塗布・乾燥して、電解質膜に触媒層を形成する方法を使用してもよい。この際、電解質膜上への電極触媒層の形成条件は、特に制限されず、公知の方法が同様にしてあるいは適宜修飾を加えて使用できる。例えば、触媒インクを電解質膜上に、乾燥後の厚みが上記したような厚みになるように、塗布し、真空乾燥機内にてまたは減圧下で、25〜150℃、より好ましくは60〜120℃で、5〜30分間、より好ましくは10〜20分間、乾燥する。なお、上記工程において、電極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。   In the above description, the method for producing the CCM by applying the catalyst ink by the transfer method has been described. However, the CCM has the above-described cathode catalyst catalyst ink or anode catalyst catalyst ink on the electrolyte membrane surface. A method of forming a catalyst layer on the electrolyte membrane by directly applying and then applying and drying may be used. In this case, the conditions for forming the electrode catalyst layer on the electrolyte membrane are not particularly limited, and can be used in the same manner as known methods or with appropriate modifications. For example, the catalyst ink is applied onto the electrolyte membrane so that the thickness after drying is as described above, and is 25 to 150 ° C., more preferably 60 to 120 ° C. in a vacuum dryer or under reduced pressure. And drying for 5 to 30 minutes, more preferably for 10 to 20 minutes. In addition, in the said process, when the thickness of an electrode catalyst layer is not enough, the said application | coating and drying process is repeated until it becomes desired thickness.

上記CCMに用いられる電解質膜としては、特に限定されず、電極触媒層に用いたものと同様の高分子電解質からなる膜が挙げられる。また、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)やフレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)に代表されるパーフルオロスルホン
酸膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜など、一般的に市販されている固体高分子型電解質膜、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。前記電解質膜に用いられる高分子電解質と、各電極触媒層に用いられる高分子電解質とは、同じであっても異なっていてもよいが、各電極触媒層と電解質膜との密着性を向上させる観点から、同じものを用いるのが好ましい。
The electrolyte membrane used for the CCM is not particularly limited, and examples thereof include a membrane made of the same polymer electrolyte as that used for the electrode catalyst layer. In addition, perfluorosulfonic acid membranes represented by Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), ion exchange resins manufactured by Dow Chemical Company, and ethylene-tetrafluoroethylene copolymer Fluoropolymer electrolytes such as resin membranes, resin membranes based on trifluorostyrene, and hydrocarbon polymer resin membranes with sulfonic acid groups, such as polymer electrolyte membranes that are generally commercially available, A membrane obtained by impregnating a microporous membrane with a liquid electrolyte, a membrane obtained by filling a porous body with a polymer electrolyte, or the like may be used. The polymer electrolyte used for the electrolyte membrane and the polymer electrolyte used for each electrode catalyst layer may be the same or different, but improve the adhesion between each electrode catalyst layer and the electrolyte membrane. From the viewpoint, it is preferable to use the same one.

前記電解質膜の厚みとしては、得られるCCM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15〜100μmである。製膜時の強度やMEA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、MEA作動時の出力特性の観点から300μm以下であることが好ましい。   The thickness of the electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained CCM, but is preferably 5 to 300 μm, more preferably 10 to 200 μm, and particularly preferably 15 to 100 μm. From the viewpoint of strength during film formation and durability during MEA operation, it is preferably 5 μm or more, and from the viewpoint of output characteristics during MEA operation, it is preferably 300 μm or less.

また、上記電解質膜としては、上記したような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による膜に加えて、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)などから形成された多孔質状の薄膜に、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸したものを使用してもよい。   Further, as the electrolyte membrane, in addition to the above-described fluorine-based polymer electrolyte and a membrane made of a hydrocarbon resin having a sulfonic acid group, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), etc. You may use what formed the porous thin film impregnated with electrolyte components, such as phosphoric acid and an ionic liquid.

なお、本発明のMEAは、上記CCMに加えて、下記に詳述されるようにガス拡散層をさらに有している。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た、あるいは上記で作製さ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、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。   In addition to the CCM, the MEA of the present invention further includes a gas diffusion layer as described in detail below. At this time, it is preferable that the gas diffusion layer is further bonded to each electrode catalyst layer in the above method by peeling off the transfer mount or sandwiching the bonded body prepared above with the gas diffusion layer. Alternatively, an electrode catalyst layer is previously formed on the surface of the gas diffusion layer to produce an electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly, and then the electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly is used as an electrolyte in the same manner as described above. It is also preferable to sandwich and bond the films by hot pressing.

この際、MEAに用いられるガス拡散層(GDL)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 (GDL) used in the MEA is not particularly limited, and a known one can be used in the same manner. For example, conductive and porous materials such as carbon woven fabric, paper-like paper body, felt, and non-woven fabric can be used. The thing which uses the sheet-like material which has quality 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.

本発明において、アノード側のガス拡散層が、カソード側のガス拡散層よりも、低いガス透過性、低い透水性、高い保水性、および高い保湿性からなる群より選択される少なくとも一の特性を有することが好ましい。これにより、触媒層内の保湿性が向上するため、低加湿条件下でも水素酸化活性/酸素還元活性の改善が図れる。なお、当該特性は、下記に記載される撥水剤の種類、カーボン粒子と撥水剤との混合比などを適宜選択することによって、調節できる。   In the present invention, the gas diffusion layer on the anode side has at least one characteristic selected from the group consisting of low gas permeability, low water permeability, high water retention, and high moisture retention than the cathode side gas diffusion layer. It is preferable to have. Thereby, since the moisture retention in the catalyst layer is improved, the hydrogen oxidation activity / oxygen reduction activity can be improved even under low humidification conditions. In addition, the said characteristic can be adjusted by selecting suitably the kind of water repellent described below, the mixing ratio of a carbon particle and a water repellent.

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. The water repellent is not particularly limited, but polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF),
Examples thereof include fluorine-based polymer materials such as polyhexafluoropropylene and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), 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 of the carbon particles to the water repellent may be insufficient to obtain water repellency as expected when there are too many carbon particles. If there are too many water repellents, sufficient electron conductivity may be obtained. 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、溶媒中に分散させることによりスラリーを調製する。次に、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。上記方法において、スラリーの調製に使用される溶媒としては、特に制限されない。例えば、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、メタノールやエタノール等のアルコール系溶媒が好ましく使用できる。   When a carbon particle layer is formed on a substrate in the gas diffusion layer, a slurry is prepared by dispersing carbon particles, a water repellent, and the like in a solvent. Next, the slurry may be applied on a substrate and dried, or the slurry may be dried once and pulverized to form a powder, which may be applied onto the gas diffusion layer. Then, it is preferable to heat-process at about 250-400 degreeC using a muffle furnace or a baking furnace. In the above method, the solvent used for preparing the slurry is not particularly limited. For example, water, perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, alcohol solvents such as methanol and ethanol can be preferably used.

なお、電極触媒層と電解質膜と、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 electrolyte membrane, and preferably the gas diffusion layer is not limited to the method described above. That is, a method in which a catalyst ink is applied and dried on an electrolyte membrane, followed by hot pressing, the electrode catalyst layer is joined to the electrolyte membrane, and the obtained joined body is sandwiched between gas diffusion layers to form MEA; Ink may be applied to the gas diffusion layer and dried to form an electrode catalyst layer, which may be joined to the electrolyte membrane by hot pressing, or any other known technique may be used as appropriate.

上述したように、本発明のMEAは、カソード触媒層に酸素吸蔵放出作用を有する物質を配置する。これにより、酸素還元反応の促進および白金溶解の抑制を図れる。また、アノード触媒層に親水性を有する物質を配置する。これにより、プロトン生成反応促進及びプロトンの導電性の向上が図れる。したがって、本発明に係るカソード触媒層および/ま
たはアノード触媒層を用いてなる電解質膜−電極接合体(MEA)は、発電性能および耐久性に優れる。
As described above, in the MEA of the present invention, a substance having an oxygen storage / release action is disposed in the cathode catalyst layer. Thereby, promotion of oxygen reduction reaction and suppression of platinum dissolution can be achieved. Further, a hydrophilic substance is disposed in the anode catalyst layer. Thereby, the proton production reaction can be promoted and the conductivity of the proton can be improved. Therefore, the electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) using the cathode catalyst layer and / or the anode catalyst layer according to the present invention is excellent in power generation performance and durability.

ゆえに、本発明のMEAを用いることにより、発電性能及び耐久性にも優れる信頼性の高い燃料電池を提供することができる。したがって、本発明はまた、本発明の電解質膜−電極接合体を用いてなる燃料電池を提供するものである。   Therefore, by using the MEA of the present invention, it is possible to provide a highly reliable fuel cell that is excellent in power generation performance and durability. Therefore, the present invention also provides a fuel cell using the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention.

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高分子電解質形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、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ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、高分子電解質形燃料電池(PEFC)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 type of the fuel cell is not particularly limited. In the above description, the polymer electrolyte fuel cell has been described as an example. In addition, an alkaline fuel cell, a direct methanol fuel cell, a micro cell, and the like are used. Examples include a fuel cell. Among them, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 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.

前記燃料電池の適用用途は特に限定されるものではないが、車両に適用することが好ましい。本発明の電解質膜−電極接合体は、発電性能および耐久性に優れ、小型化が実現可能である。このため、本発明の燃料電池は、車載性の点から、車両に該燃料電池を適用した場合、特に有利である。   The application of the fuel cell is not particularly limited, but it is preferably applied to a vehicle. The electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention is excellent in power generation performance and durability, and can be downsized. For this reason, the fuel cell of this invention is especially advantageous when this fuel cell is applied to a vehicle from the point of in-vehicle property.

特に、前記高分子電解質形燃料電池は、定置用電源の他、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求されることによるカーボン担体や触媒金属(Ptなど)の腐食が生じやすい自動車などの移動体用電源として用いられるのが特に好ましい。   In particular, the polymer electrolyte fuel cell is useful as a power source for a mobile body such as an automobile in which a mounting space is limited in addition to a stationary power source. In particular, it is particularly preferable to be used as a power source for a mobile body such as an automobile in which corrosion of a carbon support or a catalytic metal (such as Pt) is likely to occur due to a high output voltage required after a relatively long shutdown.

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。   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.

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 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.

また、各触媒層に供給されるガスが外部にリークするのを防止するために、ガスケット層上の触媒層が形成されていない部位にさらにガスシール部が設けられてもよい。前記ガスシール部を構成する材料としては、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリイソブチレンゴム等のゴム材料、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)等のフッ素系の高分子材料、ポリオレフィンやポリエステル等の熱可塑性樹脂などが挙げられる。また、ガスシール部の厚さとしては、2mm〜50μm、望ましくは1mm〜100μm程度とすればよい。   Further, in order to prevent the gas supplied to each catalyst layer from leaking to the outside, a gas seal portion may be further provided at a portion where the catalyst layer is not formed on the gasket layer. Examples of the material constituting the gas seal portion include rubber materials such as fluoro rubber, silicon rubber, ethylene propylene rubber (EPDM), polyisobutylene rubber, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoro. Fluorine polymer materials such as propylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and thermoplastic resins such as polyolefin and polyester. The thickness of the gas seal portion may be 2 mm to 50 μm, preferably about 1 mm to 100 μm.

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

本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。   The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.

実施例1
1.アノード触媒層の作製
導電性炭素材料としてカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)にPtを担持して、電極触媒を得た。なお、上記電極触媒は、Pt粒子の平均粒径は2.6nmであり、Pt担持濃度は50質量%であった。この電極触媒10gに対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、4.3倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.2/1.0とした。
Example 1
1. Preparation of anode catalyst layer Pt was supported on carbon black (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) as a conductive carbon material to obtain an electrode catalyst. The electrode catalyst had an average particle diameter of Pt particles of 2.6 nm and a Pt support concentration of 50% by mass. Five times the amount of purified water was added to 10 g of this electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 4.3 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.2 / 1.0.

得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを2回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるアノード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm(アノード触媒層の平均厚み7μm)となるように調整した。こうしてアノード触媒層塗布シートA1を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by screen printing in two portions according to the desired thickness and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed anode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the anode catalyst layer was 7 μm). Thus, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained.

2.カソード触媒層の作製
導電性炭素材料としてカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)にPtを担持した。その後、Ptを担持したカーボンブラックを、10%体積水素−90%体積窒素のガス流通雰囲気下、700℃で2時間処理して電極触媒(Pt粒子の平均粒径3.2nm、Pt担持濃度50質量%)を得た。このようにして得られた電極触媒10gに対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、4.3倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.2/1.0とした。次いで、上記混合物にセリウム酸化物(CeO、平均粒径50nm)を、0.01gを加え、混合スラリーを調製した。
2. Preparation of Cathode Catalyst Layer Pt was supported on carbon black (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International, BET surface area = 800 m 2 / g) as a conductive carbon material. Thereafter, the carbon black supporting Pt was treated at 700 ° C. for 2 hours in a gas flow atmosphere of 10% volume hydrogen-90% volume nitrogen to obtain an electrode catalyst (average particle diameter of Pt particles: 3.2 nm, Pt supported concentration: 50). Mass%). 5 g of purified water was added to 10 g of the electrode catalyst thus obtained, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 4.3 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.2 / 1.0. Next, 0.01 g of cerium oxide (CeO 2 , average particle size 50 nm) was added to the above mixture to prepare a mixed slurry.

得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを4回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.4mg/cm(カソード触媒層の平均厚み15μm)になるように調整した。こうしてカソード触媒層塗布シートB1を得た
3.電解質膜電極接合体(MEA)の作製
固体高分子電解質膜としてNafion NRE211(膜厚25μm)と、先に作製したポリテトラフルオロエチレンシート上に形成された電極触媒層(アノード側にアノード触媒層塗布シートA1、カソード側にカソード触媒層塗布シートB1)を重ね合わせた。その際には、アノード触媒層、固体高分子電解質膜、カソード触媒層を、この順序で積層させた。その後、130℃、2.0MPaで、10分間ホットプレスし、ポリテトラフルオロエチレンシートのみを剥がして、膜電極接合体(MEA)M1を得た。
The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by screen printing in four portions in an amount corresponding to the desired thickness, and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. The coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.4 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 15 μm). Thus, a cathode catalyst layer coated sheet B1 was obtained. Preparation of Electrolyte Membrane Electrode Assembly (MEA) Nafion NRE211 (film thickness 25 μm) as a solid polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer formed on the previously prepared polytetrafluoroethylene sheet (anode catalyst layer coated on the anode side) The cathode catalyst layer coated sheet B1) was superposed on the sheet A1 and the cathode side. At that time, the anode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer were laminated in this order. Thereafter, hot pressing was performed at 130 ° C. and 2.0 MPa for 10 minutes, and only the polytetrafluoroethylene sheet was peeled off to obtain a membrane electrode assembly (MEA) M1.

この膜電極接合体M1は、カソード触媒層の電極面積が25cmで、Pt担持量が見かけの電極面積1cmあたり0.4mg、アノード触媒層の電極面積が25cmで、Pt担持量が見かけの電極面積1cmあたり0.2mgであった。 In this membrane electrode assembly M1, the electrode area of the cathode catalyst layer is 25 cm 2 , the amount of Pt supported is 0.4 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, the electrode area of the anode catalyst layer is 25 cm 2 , and the amount of Pt supported is apparent The electrode area was 0.2 mg per 1 cm 2 .

4.MEAの性能評価
得られた膜電極接合体M1の性能を以下のように評価した。
4). MEA Performance Evaluation The performance of the obtained membrane / electrode assembly M1 was evaluated as follows.

電解質膜−電極接合体M1の両面側に、ガス拡散層として市販のミル層付きカーボンペーパ(SGLカーボン社製24BC、大きさ6.0cm×5.5cmに切り出し、カーボンペーパー厚さ200μm)と、ガス流路付きガスセパレータとを各々配置し、さらに金メッキしたステンレス製集電板により挟持して、評価用単位セルとした。   On both sides of the electrolyte membrane-electrode assembly M1, commercially available carbon paper with a mill layer as a gas diffusion layer (24BC manufactured by SGL Carbon Co., Ltd., cut into a size of 6.0 cm × 5.5 cm, carbon paper thickness of 200 μm), A gas separator with a gas flow path was disposed, and was further sandwiched between gold-plated stainless steel current collector plates to form evaluation unit cells.

評価用単セルの、アノード側に燃料として水素を供給し、カソード側には酸化剤として空気を供給した。両ガスとも供給圧力は大気圧とし、水素は58.6℃および相対湿度60%、空気は54.8℃および相対湿度50%、セル温度は70℃に設定した。また、水素利用率は67%、空気利用率は40%とした。この条件下で、電流密度1.0A/cmで発電させた際のセル電圧を初期セル電圧として測定した。 In the evaluation unit cell, hydrogen was supplied as a fuel to the anode side, and air was supplied as an oxidant to the cathode side. The supply pressure of both gases was atmospheric pressure, hydrogen was set to 58.6 ° C. and relative humidity 60%, air was set to 54.8 ° C. and relative humidity 50%, and the cell temperature was set to 70 ° C. The hydrogen utilization rate was 67% and the air utilization rate was 40%. Under this condition, the cell voltage when power was generated at a current density of 1.0 A / cm 2 was measured as the initial cell voltage.

本実施例のアノード及びカソード触媒層の組成ならびに上記性能試験の結果を表1に示す。なお、下記表1において、「酸素吸蔵放出作用を有する物質」を、「酸素吸蔵放出材」と、「親水性を有する物質」を、「親水性材」と、それぞれ、表わす。   Table 1 shows the compositions of the anode and cathode catalyst layers of this example and the results of the performance test. In Table 1 below, “a substance having an oxygen storage / release action” is expressed as “oxygen storage / release material”, and “a hydrophilic substance” is expressed as “hydrophilic material”, respectively.

実施例2〜8
1.アノード触媒層の作製
実施例1 1.において、表1に示されるような組成になるようにした以外は、実施例1 1.と同様にして、アノード触媒層(アノード触媒層塗布シートA2〜8)を作製した。
Examples 2-8
1. Preparation of anode catalyst layer Example 1 In Example 1, except that the composition shown in Table 1 was used. In the same manner as above, anode catalyst layers (anode catalyst layer coated sheets A2 to 8) were produced.

2.カソード触媒層の作製
実施例1 2.において、表1に示されるような組成になるようにした以外は、実施例1 2.と同様にして、カソード触媒層(カソード触媒層塗布シートB2〜8)を作製した。
2. Production of cathode catalyst layer Example 1 In Example 1, except that the composition shown in Table 1 was used. In the same manner, cathode catalyst layers (cathode catalyst layer coated sheets B2 to 8) were produced.

3.電解質膜電極接合体(MEA)の作製
上記1.で作製したアノード触媒層塗布シートA2〜8および上記2.で作製したカソード触媒層塗布シートB2〜8をそれぞれ代わりに使用する以外は、上記実施例1 3.と同様にして電極接合体(MEA)M2〜8を得た。
3. Production of electrolyte membrane electrode assembly (MEA) 1. Anode catalyst layer-coated sheets A2 to 8 prepared in 2 above and 2. Example 1 except that the cathode catalyst layer-coated sheets B2 to 8 prepared in 1 were used instead. In the same manner, electrode assemblies (MEA) M2 to 8 were obtained.

4.MEAの性能評価
得られた膜電極接合体M2〜8性能を、上記実施例1 4.と同様にして評価した。
4). 3. MEA performance evaluation The performance of the obtained membrane electrode assembly M2-8 was determined by referring to Example 1 described above. And evaluated in the same manner.

本実施例のアノード及びカソード触媒層の組成ならびに上記性能試験の結果を表1に示す。   Table 1 shows the compositions of the anode and cathode catalyst layers of this example and the results of the performance test.

実施例9
1.アノード触媒層の作製
実施例3 1.と同様にして、アノード触媒層塗布シートA9を得た。
Example 9
1. Preparation of anode catalyst layer Example 3 In the same manner as above, an anode catalyst layer-coated sheet A9 was obtained.

2.カソード触媒層の作製
導電性炭素材料としてカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル
社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)にPtを担持して、電極触媒を得た。なお、上記電極触媒は、Pt粒子の平均粒径は2.6nmであり、Pt担持濃度は50質量%であった。この電極触媒10gに対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、4.3倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.2/1.0とした。次いで、実施例1と同様にして、上記混合スラリーにセリウム酸化物6.0gを加えた。
2. Preparation of Cathode Catalyst Layer Pt was supported on carbon black (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) as a conductive carbon material to obtain an electrode catalyst. The electrode catalyst had an average particle diameter of Pt particles of 2.6 nm and a Pt support concentration of 50% by mass. Five times the amount of purified water was added to 10 g of this electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 4.3 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.2 / 1.0. Next, 6.0 g of cerium oxide was added to the mixed slurry in the same manner as in Example 1.

得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを5回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるアノード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.4mg/cmとなるように調整した。こうしてカソード触媒層塗布シートB9を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by a screen printing method in an amount corresponding to the desired thickness in five portions and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed anode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.4 mg / cm 2 . Thus, a cathode catalyst layer coated sheet B9 was obtained.

3.電解質膜電極接合体(MEA)の作製
上記1.で作製したアノード触媒層塗布シートA9および上記2.で作製したカソード触媒層塗布シートB9を代わりに使用する以外は、上記実施例1 3.と同様にして電極接合体(MEA)M9を得た。
3. Production of electrolyte membrane electrode assembly (MEA) 1. The anode catalyst layer coated sheet A9 produced in 1 above and 2. Example 1 above, except that the cathode catalyst layer coated sheet B9 prepared in 1 was used instead. In the same manner, an electrode assembly (MEA) M9 was obtained.

この膜電極接合体M9は、カソード触媒層の電極面積が25cmで、Pt担持量が見かけの電極面積1cmあたり0.4mg、アノード触媒層の電極面積が25cmで、Pt担持量が見かけの電極面積1cmあたり0.2mgであった。 In this membrane electrode assembly M9, the electrode area of the cathode catalyst layer is 25 cm 2 , the amount of Pt supported is 0.4 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, the electrode area of the anode catalyst layer is 25 cm 2 , and the amount of Pt supported is apparent The electrode area was 0.2 mg per 1 cm 2 .

4.MEAの性能評価
得られた膜電極接合体M9の性能を、上記実施例1 4.と同様にして評価した。
4). 3. MEA Performance Evaluation The performance of the obtained membrane electrode assembly M9 was evaluated as in Example 1 above. And evaluated in the same manner.

本実施例のアノード及びカソード触媒層の組成ならびに上記性能試験の結果を表1に示す。   Table 1 shows the compositions of the anode and cathode catalyst layers of this example and the results of the performance test.

実施例10
1.アノード触媒層の作製
導電性炭素材料としてカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)にPtを担持して、電極触媒を得た。なお、上記電極触媒は、Pt粒子の平均粒径は2.6nmであり、Pt担持濃度は50質量%であった。この電極触媒10gに対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、4.3倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.2/1.0とした。次いで、上記混合スラリーにシリカゾル(固形分10%、SiOの平均粒径30nm)を、0.1gを加えた。
Example 10
1. Preparation of anode catalyst layer Pt was supported on carbon black (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) as a conductive carbon material to obtain an electrode catalyst. The electrode catalyst had an average particle diameter of Pt particles of 2.6 nm and a Pt support concentration of 50% by mass. Five times the amount of purified water was added to 10 g of this electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 4.3 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.2 / 1.0. Next, 0.1 g of silica sol (solid content 10%, SiO 2 average particle size 30 nm) was added to the mixed slurry.

得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを3回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるアノード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm(アノード触媒層の平均厚み7μm)となるように調整した。こうしてアノード
触媒層塗布シートA10を得た。
The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by a screen printing method in three times according to the desired thickness, and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed anode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the anode catalyst layer was 7 μm). Thus, an anode catalyst layer coated sheet A10 was obtained.

2.カソード触媒層の作製
導電性炭素材料としてカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)にPtを担持して、電極触媒を得た。なお、上記電極触媒は、Pt粒子の平均粒径は2.6nmであり、Pt担持濃度は50質量%であった。この電極触媒10gに対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、4.3倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon=1.2/1.0(I/C比)とした。
2. Preparation of Cathode Catalyst Layer Pt was supported on carbon black (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) as a conductive carbon material to obtain an electrode catalyst. The electrode catalyst had an average particle diameter of Pt particles of 2.6 nm and a Pt support concentration of 50% by mass. Five times the amount of purified water was added to 10 g of this electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 4.3 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the electrode catalyst was Ionomer / Carbon = 1.2 / 1.0 (I / C ratio).

得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを5回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.4mg/cm(カソード触媒層の平均厚み16μm)になるように調整した。こうしてカソード触媒層塗布シートB10を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by a screen printing method in an amount corresponding to the desired thickness in five portions and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. The coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.4 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 16 μm). Thus, a cathode catalyst layer coated sheet B10 was obtained.

3.電解質膜電極接合体(MEA)の作製
固体高分子電解質膜としてNafion NRE211(膜厚25μm)と、先に作製したポリテトラフルオロエチレンシート上に形成された電極触媒層(アノード側にアノード触媒層塗布シートA10、カソード側にカソード触媒層塗布シートB10)を重ね合わせた。その際には、アノード触媒層、固体高分子電解質膜、カソード触媒層を、この順序で積層させた。その後、130℃、2.0MPaで、10分間ホットプレスし、ポリテトラフルオロエチレンシートのみを剥がして、膜電極接合体(MEA)M10を得た。
3. Preparation of Electrolyte Membrane Electrode Assembly (MEA) Nafion NRE211 (film thickness 25 μm) as a solid polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer formed on the previously prepared polytetrafluoroethylene sheet (anode catalyst layer coated on the anode side) The cathode catalyst layer coated sheet B10) was superposed on the sheet A10 and the cathode side. At that time, the anode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer were laminated in this order. Thereafter, hot pressing was performed at 130 ° C. and 2.0 MPa for 10 minutes, and only the polytetrafluoroethylene sheet was peeled off to obtain a membrane electrode assembly (MEA) M10.

この膜電極接合体M10は、カソード触媒層の電極面積が25cmで、Pt担持量が見かけの電極面積1cmあたり0.4mg、アノード触媒層の電極面積が25cmで、Pt担持量が見かけの電極面積1cmあたり0.2mgであった。 In this membrane electrode assembly M10, the electrode area of the cathode catalyst layer is 25 cm 2 , the amount of Pt supported is 0.4 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, the electrode area of the anode catalyst layer is 25 cm 2 , and the amount of Pt supported is apparent The electrode area was 0.2 mg per 1 cm 2 .

4.MEAの性能評価
得られた膜電極接合体M10の性能を、上記実施例1 4.と同様にして評価した。
4). MEA Performance Evaluation The performance of the obtained membrane / electrode assembly M10 was evaluated in Example 1 4. And evaluated in the same manner.

本実施例のアノード及びカソード触媒層の組成ならびに上記性能試験の結果を表1に示す。   Table 1 shows the compositions of the anode and cathode catalyst layers of this example and the results of the performance test.

実施例11〜17
1.アノード触媒層の作製
実施例10 1.において、表1に示されるような組成になるようにした以外は、実施例10 1.と同様にして、アノード触媒層(アノード触媒層塗布シートA11〜17)を作製した。
Examples 11-17
1. Preparation of anode catalyst layer Example 10 In Example 10, except that the composition shown in Table 1 was used. In the same manner as above, anode catalyst layers (anode catalyst layer-coated sheets A11 to A-17) were produced.

2.カソード触媒層の作製
実施例10 2.において、表1に示されるような組成になるようにした以外は、実施例10 2.と同様にして、カソード触媒層(カソード触媒層塗布シートB11〜17)を作製した。なお、実施例15〜17において、活性炭は、BET表面積3000m/gであった。
2. Preparation of cathode catalyst layer Example 10 In Example 10, except that the composition shown in Table 1 was used. In the same manner, cathode catalyst layers (cathode catalyst layer coated sheets B11 to 17) were produced. In Examples 15 to 17, the activated carbon had a BET surface area of 3000 m 2 / g.

3.電解質膜電極接合体(MEA)の作製
上記1.で作製したアノード触媒層塗布シートA11〜17および上記2.で作製したカソード触媒層塗布シートB11〜17をそれぞれ代わりに使用する以外は、上記実施例10 3.と同様にして電極接合体(MEA)M11〜17を得た。
3. Production of electrolyte membrane electrode assembly (MEA) 1. Anode catalyst layer coated sheets A11-17 prepared in 1 above and 2. Example 10 except that the cathode catalyst layer-coated sheets B11 to B-17 prepared in the above were used instead. In the same manner, electrode assemblies (MEA) M11 to 17 were obtained.

4.MEAの性能評価
得られた膜電極接合体M11〜17の発電性能を、上記実施例1 4.と同様にして評価した。
4). 3. MEA Performance Evaluation The power generation performance of the obtained membrane electrode assemblies M11 to M17 is shown in Example 1 above. And evaluated in the same manner.

本実施例のアノード及びカソード触媒層の組成ならびに上記性能試験の結果を表1に示す。   Table 1 shows the compositions of the anode and cathode catalyst layers of this example and the results of the performance test.

実施例18
1.アノード触媒層の作製
導電性炭素材料としてカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)にPtを担持して、電極触媒を得た。なお、上記電極触媒は、Pt粒子の平均粒径は2.6nmであり、Pt担持濃度は50質量%であった。この電極触媒10gに対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、4.3倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon=1.2/1.0(I/C比)とした。次いで、上記混合スラリーに活性炭6.0gを加えた。なお、本実施例において、活性炭は、BET表面積3000m/gであった。
Example 18
1. Preparation of anode catalyst layer Pt was supported on carbon black (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) as a conductive carbon material to obtain an electrode catalyst. The electrode catalyst had an average particle diameter of Pt particles of 2.6 nm and a Pt support concentration of 50% by mass. Five times the amount of purified water was added to 10 g of this electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 4.3 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the electrode catalyst was Ionomer / Carbon = 1.2 / 1.0 (I / C ratio). Next, 6.0 g of activated carbon was added to the mixed slurry. In this example, the activated carbon had a BET surface area of 3000 m 2 / g.

得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを6回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるアノード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm(アノード触媒層の平均厚み9μm)となるように調整した。こうしてアノード触媒層塗布シートA18を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by a screen printing method in an amount corresponding to the desired thickness in 6 portions and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed anode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the anode catalyst layer was 9 μm). Thus, an anode catalyst layer coated sheet A18 was obtained.

2.カソード触媒層の作製
実施例12 2.と同様にして、カソード触媒層塗布シートB18を得た。
2. Preparation of cathode catalyst layer Example 12 In the same manner as above, a cathode catalyst layer-coated sheet B18 was obtained.

3.電解質膜電極接合体(MEA)の作製
固体高分子電解質膜としてNafion NRE211(膜厚25μm)と、先に作製したポリテトラフルオロエチレンシート上に形成された電極触媒層(アノード側にアノード触媒層塗布シートA18、カソード側にカソード触媒層塗布シートB18)を重ね合わせた。その際には、アノード触媒層、固体高分子電解質膜、カソード触媒層を、この順序で積層させた。その後、130℃、2.0MPaで、10分間ホットプレスし、ポリテトラフルオロエチレンシートのみを剥がして、膜電極接合体(MEA)M18を得た。
3. Preparation of Electrolyte Membrane Electrode Assembly (MEA) Nafion NRE211 (film thickness 25 μm) as a solid polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer formed on the previously prepared polytetrafluoroethylene sheet (anode catalyst layer coated on the anode side) Sheet A18 and a cathode catalyst layer coated sheet B18) were superposed on the cathode side. At that time, the anode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer were laminated in this order. Thereafter, hot pressing was performed at 130 ° C. and 2.0 MPa for 10 minutes, and only the polytetrafluoroethylene sheet was peeled off to obtain a membrane electrode assembly (MEA) M18.

この膜電極接合体M18は、カソード触媒層の電極面積が25cmで、Pt担持量が見かけの電極面積1cmあたり0.4mg、アノード触媒層の電極面積が25cmで、Pt担持量が見かけの電極面積1cmあたり0.2mgであった。 In this membrane electrode assembly M18, the electrode area of the cathode catalyst layer is 25 cm 2 , the amount of Pt supported is 0.4 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, the electrode area of the anode catalyst layer is 25 cm 2 , and the amount of Pt supported is apparent The electrode area was 0.2 mg per 1 cm 2 .

4.MEAの性能評価
得られた膜電極接合体M18の性能を、上記実施例1 4.と同様にして評価した。
4). 3. MEA Performance Evaluation The performance of the obtained membrane electrode assembly M18 was evaluated in the same manner as in Example 1 4. And evaluated in the same manner.

本実施例のアノード及びカソード触媒層の組成ならびに上記性能試験の結果を表1に示す。   Table 1 shows the compositions of the anode and cathode catalyst layers of this example and the results of the performance test.

実施例19
1.アノード触媒層の作製
導電性炭素材料としてカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)にPtを担持した。その後、Ptを担持したカーボンブラックを、10%体積水素−90%体積窒素のガス流通雰囲気下、700℃で2時間処理して、電極触媒(Pt粒子の平均粒径3.2nm、Pt担持濃度50質量%)を得た。このようにして得られた電極触媒10gに対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、4.3倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.2/1.0とした。次いで、上記混合スラリーに活性炭(BET表面積3000m/g)を、1.5gを加えた。
Example 19
1. Preparation of anode catalyst layer Pt was supported on carbon black (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) as a conductive carbon material. Thereafter, the carbon black supporting Pt was treated at 700 ° C. for 2 hours in a gas flow atmosphere of 10% volume hydrogen-90% volume nitrogen to obtain an electrode catalyst (average particle diameter of Pt particles 3.2 nm, Pt supported concentration). 50% by mass) was obtained. 5 g of purified water was added to 10 g of the electrode catalyst thus obtained, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 4.3 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.2 / 1.0. Next, 1.5 g of activated carbon (BET surface area of 3000 m 2 / g) was added to the mixed slurry.

得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを5回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるアノード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm(アノード触媒層の平均厚み10μm)となるように調整した。こうしてアノード触媒層塗布シートA19を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by a screen printing method in an amount corresponding to the desired thickness in five portions and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed anode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the anode catalyst layer was 10 μm). Thus, an anode catalyst layer coated sheet A19 was obtained.

2.カソード触媒層の作製
導電性炭素材料としてカーボンブラック(デンカ製アセチレンブラック、BET表面積=850m/g)にPtを担持した。その後、Ptを担持したカーボンブラックを、10%体積水素−90%体積窒素のガス流通雰囲気下、700℃で2時間処理して、電極触媒(Pt粒子の平均粒径3.6nm、Pt担持濃度50質量%)を得た。このようにして得られた電極触媒10gに対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、4.3倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.2/1.0とした。次いで、上記混合スラリーにセリウム含有ジルコニウム酸化物(Ce0.2Zr0.8Y1、平均粒径50nm)を、0.5gを加えた。
2. Preparation of Cathode Catalyst Layer Pt was supported on carbon black (DENKA acetylene black, BET surface area = 850 m 2 / g) as a conductive carbon material. Thereafter, the carbon black supporting Pt was treated at 700 ° C. for 2 hours under a gas flow atmosphere of 10% volume hydrogen-90% volume nitrogen to obtain an electrode catalyst (average particle diameter of Pt particles 3.6 nm, Pt supported concentration). 50% by mass) was obtained. 5 g of purified water was added to 10 g of the electrode catalyst thus obtained, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 4.3 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.2 / 1.0. Next, 0.5 g of cerium-containing zirconium oxide (Ce 0.2 Zr 0.8 O Y1 , average particle size 50 nm) was added to the mixed slurry.

得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを6回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.4mg/cm(カソード触媒層の平均厚み17μm)なるように調整した。こうしてカソード触媒層塗布シートB19を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by a screen printing method in an amount corresponding to the desired thickness in 6 portions and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. The coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.4 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 17 μm). Thus, a cathode catalyst layer coated sheet B19 was obtained.

3.電解質膜電極接合体(MEA)の作製
固体高分子電解質膜としてNafion NRE211(膜厚25μm)と、先に作製したポリテトラフルオロエチレンシート上に形成された電極触媒層(アノード側にアノー
ド触媒層塗布シートA19、カソード側にカソード触媒層塗布シートB19)を重ね合わせた。その際には、アノード触媒層、固体高分子電解質膜、カソード触媒層を、この順序で積層させた。その後、130℃、2.0MPaで、10分間ホットプレスし、ポリテトラフルオロエチレンシートのみを剥がして、膜電極接合体(MEA)M19を得た。
3. Preparation of Electrolyte Membrane Electrode Assembly (MEA) Nafion NRE211 (film thickness 25 μm) as a solid polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer formed on the previously prepared polytetrafluoroethylene sheet (anode catalyst layer coated on the anode side) The cathode catalyst layer coated sheet B19) was superposed on the sheet A19 and the cathode side. At that time, the anode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer were laminated in this order. Thereafter, hot pressing was performed at 130 ° C. and 2.0 MPa for 10 minutes, and only the polytetrafluoroethylene sheet was peeled off to obtain a membrane electrode assembly (MEA) M19.

この膜電極接合体M19は、カソード触媒層の電極面積が25cmで、Pt担持量が見かけの電極面積1cmあたり0.4mg、アノード触媒層の電極面積が25cmで、Pt担持量が見かけの電極面積1cmあたり0.2mgであった。 In this membrane electrode assembly M19, the electrode area of the cathode catalyst layer is 25 cm 2 , the amount of Pt supported is 0.4 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, the electrode area of the anode catalyst layer is 25 cm 2 , and the amount of Pt supported is apparent The electrode area was 0.2 mg per 1 cm 2 .

4.MEAの性能評価
得られた膜電極接合体M19の性能を、上記実施例1 4.と同様にして評価した。
4). MEA Performance Evaluation The performance of the membrane electrode assembly M19 thus obtained was evaluated in Example 1 above. And evaluated in the same manner.

本実施例のアノード及びカソード触媒層の組成ならびに上記性能試験の結果を表1に示す。   Table 1 shows the compositions of the anode and cathode catalyst layers of this example and the results of the performance test.

実施例20〜26
1.アノード触媒層の作製
実施例19 1.において、表1に示されるような組成になるようにした以外は、実施例19 1.と同様にして、アノード触媒層(アノード触媒層塗布シートA20〜26)を作製した。
Examples 20-26
1. Preparation of anode catalyst layer Example 19 In Example 19, except that the composition shown in Table 1 was used. In the same manner as above, anode catalyst layers (anode catalyst layer coated sheets A20 to A26) were produced.

2.カソード触媒層の作製
実施例19 2.において、表1に示されるような組成になるようにした以外は、実施例19 2.と同様にして、カソード触媒層(カソード触媒層塗布シートB20〜26)を作製した。
2. Preparation of cathode catalyst layer Example 19 In Example 19, except that the composition shown in Table 1 was used. In the same manner as above, cathode catalyst layers (cathode catalyst layer coated sheets B20 to B26) were produced.

3.電解質膜電極接合体(MEA)の作製
上記1.で作製したアノード触媒層塗布シートA20〜26および上記2.で作製したカソード触媒層塗布シートB20〜26をそれぞれ代わりに使用する以外は、上記実施例19 3.と同様にして電極接合体(MEA)M20〜26を得た。
3. Production of electrolyte membrane electrode assembly (MEA) 1. Anode catalyst layer coated sheets A20 to A26 prepared in 2 above and 2. Example 19 except that the cathode catalyst layer-coated sheets B20 to B26 prepared in 1 were used instead. In the same manner, electrode assemblies (MEA) M20 to M26 were obtained.

4.MEAの性能評価
得られた膜電極接合体M20〜26の発電性能を、上記実施例1 4.と同様にして評価した。
4). 3. MEA Performance Evaluation The power generation performance of the obtained membrane electrode assemblies M20 to M26 was determined as in Example 1 above. And evaluated in the same manner.

本実施例のアノード及びカソード触媒層の組成ならびに上記性能試験の結果を表1に示す。   Table 1 shows the compositions of the anode and cathode catalyst layers of this example and the results of the performance test.

実施例27
1.アノード触媒層の作製
実施例1 1.と同様にして、アノード触媒層(アノード触媒層塗布シートA27)を作製した。
Example 27
1. Preparation of anode catalyst layer Example 1 In the same manner as described above, an anode catalyst layer (anode catalyst layer-coated sheet A27) was produced.

2.カソード触媒層の作製
導電性炭素材料としてカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)5gに、10%硝酸セリウム水溶液8.7gと10%硝酸ジルコニウム水溶液25.8gとを添加・混合した。この混合物を攪拌した後、5%アンモニア水を添加し、カーボン表面にセリウム−ジルコニウム水和物を形成した。これらを濾取した後、150℃で12時間乾燥し、次いで、500℃で2時間焼成した。こうして、セリウム含有ジルコニウム酸化物(Ce0.2Zr
.8Y1)0.1gを担持したカーボン5.1gを得た。
2. Preparation of Cathode Catalyst Layer Carbon black (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) as a conductive carbon material, 8.7 g of 10% cerium nitrate aqueous solution and 10% zirconium nitrate aqueous solution 25.8 g was added and mixed. After stirring this mixture, 5% aqueous ammonia was added to form cerium-zirconium hydrate on the carbon surface. These were collected by filtration, dried at 150 ° C. for 12 hours, and then calcined at 500 ° C. for 2 hours. Thus, cerium-containing zirconium oxide (Ce 0.2 Zr 0
. 5.1 g of carbon carrying 0.1 g of 8 O Y1 ) was obtained.

次に、上記セリウム含有ジルコニウム酸化物担持カーボン5.1gに、10%ジニトロジアンミン白金酸水溶液50gを加え混合・攪拌した後、メタノールを還元剤として白金を析出させた。これにより、セリウム含有ジルコニウム酸化物担持カーボンに白金を担持した電極触媒(Pt粒子の平均粒径2.6nm、Pt担持濃度50質量%)10.1gを得た。   Next, 50 g of a 10% dinitrodiammineplatinic acid aqueous solution was added to 5.1 g of the cerium-containing zirconium oxide-supported carbon, mixed and stirred, and then platinum was precipitated using methanol as a reducing agent. As a result, 10.1 g of an electrode catalyst (Pt particles having an average particle diameter of 2.6 nm, Pt carrying concentration of 50% by mass) carrying platinum on cerium-containing zirconium oxide-carrying carbon was obtained.

上記電極触媒10.1gに対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、4.3倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.2/1.0とした。   Five times the amount of purified water was added to 10.1 g of the electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 4.3 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.2 / 1.0.

得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを5回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.4mg/cm(カソード触媒層の平均厚み18μm)となるように調整した。こうしてカソード触媒層塗布シートB27を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by a screen printing method in an amount corresponding to the desired thickness in five portions and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.4 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 18 μm). Thus, a cathode catalyst layer coated sheet B27 was obtained.

3.電解質膜電極接合体(MEA)の作製
固体高分子電解質膜としてNafion NRE211(膜厚25μm)と、先に作製したポリテトラフルオロエチレンシート上に形成された電極触媒層(アノード側にアノード触媒層塗布シートA27、カソード側にカソード触媒層塗布シートB27)を重ね合わせた。その際には、アノード触媒層、固体高分子電解質膜、カソード触媒層を、この順序で積層させた。その後、130℃、2.0MPaで、10分間ホットプレスし、ポリテトラフルオロエチレンシートのみを剥がして、膜電極接合体(MEA)M27を得た。
3. Preparation of Electrolyte Membrane Electrode Assembly (MEA) Nafion NRE211 (film thickness 25 μm) as a solid polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer formed on the previously prepared polytetrafluoroethylene sheet (anode catalyst layer coated on the anode side) Sheet A27 and a cathode catalyst layer coated sheet B27) were superposed on the cathode side. At that time, the anode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer were laminated in this order. Thereafter, hot pressing was performed at 130 ° C. and 2.0 MPa for 10 minutes, and only the polytetrafluoroethylene sheet was peeled off to obtain a membrane electrode assembly (MEA) M27.

この膜電極接合体M27は、カソード触媒層の電極面積が25cmで、Pt担持量が見かけの電極面積1cmあたり0.4mg、アノード触媒層の電極面積が25cmで、Pt担持量が見かけの電極面積1cmあたり0.2mgであった。 In this membrane electrode assembly M27, the electrode area of the cathode catalyst layer is 25 cm 2 , the amount of Pt supported is 0.4 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, the electrode area of the anode catalyst layer is 25 cm 2 , and the amount of Pt supported is apparent The electrode area was 0.2 mg per 1 cm 2 .

4.MEAの性能評価
得られた膜電極接合体M27の性能を、上記実施例1 4.と同様にして評価した。
4). 3. MEA Performance Evaluation The performance of the obtained membrane electrode assembly M27 was evaluated in the above Example 1 4. And evaluated in the same manner.

本実施例のアノード及びカソード触媒層の組成ならびに上記性能試験の結果を表1に示す。   Table 1 shows the compositions of the anode and cathode catalyst layers of this example and the results of the performance test.

実施例28
1.アノード触媒層の作製
導電性炭素材料としてカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)にPtを担持して、電極触媒を得た。なお、上記電極触媒は、Pt粒子の平均粒径は2.6nmであり、Pt担持濃度は50質量%であった。この電極触媒10gに対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、4.3倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.2/1.0とした。次いで
、上記混合スラリーにシリカゾル(固形分10%、SiOの平均粒径30nm)を、0.5gを加えた。
Example 28
1. Preparation of anode catalyst layer Pt was supported on carbon black (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) as a conductive carbon material to obtain an electrode catalyst. The electrode catalyst had an average particle diameter of Pt particles of 2.6 nm and a Pt support concentration of 50% by mass. Five times the amount of purified water was added to 10 g of this electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 4.3 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.2 / 1.0. Next, 0.5 g of silica sol (solid content 10%, SiO 2 average particle size 30 nm) was added to the mixed slurry.

得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを3回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるアノード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm(アノード触媒層の平均厚み8μm)となるように調整した。こうしてアノード触媒層塗布シートA28を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by a screen printing method in three times according to the desired thickness, and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed anode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the anode catalyst layer was 8 μm). Thus, an anode catalyst layer coated sheet A28 was obtained.

2.カソード触媒層の作製
導電性炭素材料としてカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)にPtを担持して、電極触媒を得た。なお、上記電極触媒は、Pt粒子の平均粒径は2.6nmであり、Pt担持濃度は50質量%であった。この電極触媒10gに対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、4.3倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.2/1.0とした。
2. Preparation of Cathode Catalyst Layer Pt was supported on carbon black (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) as a conductive carbon material to obtain an electrode catalyst. The electrode catalyst had an average particle diameter of Pt particles of 2.6 nm and a Pt support concentration of 50% by mass. Five times the amount of purified water was added to 10 g of this electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 4.3 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.2 / 1.0.

得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを5回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.4mg/cm(カソード触媒層の平均厚み18μm)になるように調整した。こうしてカソード触媒層塗布シートB28を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by a screen printing method in an amount corresponding to the desired thickness in five portions and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. The coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.4 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 18 μm). In this way, a cathode catalyst layer coated sheet B28 was obtained.

3.電解質膜電極接合体(MEA)の作製
固体高分子電解質膜としてNafion NRE211(膜厚25μm)と、先に作製したポリテトラフルオロエチレンシート上に形成された電極触媒層(アノード側にアノード触媒層塗布シートA28、カソード側にカソード触媒層塗布シートB28)を重ね合わせた。その際には、アノード触媒層、固体高分子電解質膜、カソード触媒層を、この順序で積層させた。その後、130℃、2.0MPaで、10分間ホットプレスし、ポリテトラフルオロエチレンシートのみを剥がして、膜電極接合体(MEA)M28を得た。
3. Preparation of Electrolyte Membrane Electrode Assembly (MEA) Nafion NRE211 (film thickness 25 μm) as a solid polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer formed on the previously prepared polytetrafluoroethylene sheet (anode catalyst layer coated on the anode side) The cathode catalyst layer coated sheet B28) was superposed on the sheet A28 and the cathode side. At that time, the anode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer were laminated in this order. Thereafter, hot pressing was performed at 130 ° C. and 2.0 MPa for 10 minutes, and only the polytetrafluoroethylene sheet was peeled off to obtain a membrane electrode assembly (MEA) M28.

この膜電極接合体M28は、カソード触媒層の電極面積が25cmで、Pt担持量が見かけの電極面積1cmあたり0.4mg、アノード触媒層の電極面積が25cmで、Pt担持量が見かけの電極面積1cmあたり0.2mgであった。 In this membrane electrode assembly M28, the electrode area of the cathode catalyst layer is 25 cm 2 , the amount of Pt supported is 0.4 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, the electrode area of the anode catalyst layer is 25 cm 2 , and the amount of Pt supported is apparent The electrode area was 0.2 mg per 1 cm 2 .

4.MEAの性能評価
得られた膜電極接合体M28の性能を、上記実施例1 4.と同様にして評価した。
4). MEA Performance Evaluation The performance of the membrane electrode assembly M28 thus obtained was evaluated in the above Example 1 4. And evaluated in the same manner.

本実施例のアノード及びカソード触媒層の組成ならびに上記性能試験の結果を表1に示す。   Table 1 shows the compositions of the anode and cathode catalyst layers of this example and the results of the performance test.

実施例29
1.アノード触媒層の作製
導電性炭素材料としてカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル
社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)にPtを担持して、電極触媒を得た。なお、上記電極触媒は、Pt粒子の平均粒径は2.6nmであり、Pt担持濃度は50質量%であった。この電極触媒10gに対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、4.3倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.2/1.0とした。次いで、上記混合スラリーにシリカゾル(固形分10%、SiOの平均粒径30nm)を、0.5gを加えた。
Example 29
1. Preparation of anode catalyst layer Pt was supported on carbon black (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) as a conductive carbon material to obtain an electrode catalyst. The electrode catalyst had an average particle diameter of Pt particles of 2.6 nm and a Pt support concentration of 50% by mass. Five times the amount of purified water was added to 10 g of this electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 4.3 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.2 / 1.0. Next, 0.5 g of silica sol (solid content 10%, SiO 2 average particle size 30 nm) was added to the mixed slurry.

得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを2回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるアノード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm(アノード触媒層の平均厚み7μm)となるように調整した。こうしてアノード触媒層塗布シートA29を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by screen printing in two portions according to the desired thickness and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed anode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the anode catalyst layer was 7 μm). Thus, an anode catalyst layer coated sheet A29 was obtained.

2.カソード触媒層の作製
導電性炭素材料としてカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)5gに、10%硝酸セリウム水溶液8.7gと10%硝酸ジルコニウム水溶液25.8gとを添加・混合した。この混合物を攪拌した後、5%アンモニア水を添加し、カーボン表面にセリウム−ジルコニウム水和物を形成した。これらを濾取した後、150℃で12時間乾燥し、次いで、500℃で2時間焼成した。こうして、セリウム含有ジルコニウム酸化物(Ce0.2Zr0.8Y1)0.1gを担持したカーボン5.1gを得た。
2. Preparation of Cathode Catalyst Layer Carbon black (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) as a conductive carbon material, 8.7 g of 10% cerium nitrate aqueous solution and 10% zirconium nitrate aqueous solution 25.8 g was added and mixed. After stirring this mixture, 5% aqueous ammonia was added to form cerium-zirconium hydrate on the carbon surface. These were collected by filtration, dried at 150 ° C. for 12 hours, and then calcined at 500 ° C. for 2 hours. Thus, 5.1 g of carbon carrying 0.1 g of cerium-containing zirconium oxide (Ce 0.2 Zr 0.8 O Y1 ) was obtained.

次に、上記セリウム含有ジルコニウム酸化物担持カーボン5.1gに、10%ジニトロジアンミン白金酸水溶液50gを加え混合・攪拌した後、メタノールを還元剤として白金を析出させた。これにより、セリウム含有ジルコニウム酸化物担持カーボンに白金を担持した電極触媒(Pt粒子の平均粒径2.6nm、Pt担持濃度50質量%)10.1gを得た。   Next, 50 g of a 10% dinitrodiammineplatinic acid aqueous solution was added to 5.1 g of the cerium-containing zirconium oxide-supported carbon, mixed and stirred, and then platinum was precipitated using methanol as a reducing agent. As a result, 10.1 g of an electrode catalyst (Pt particles having an average particle diameter of 2.6 nm, Pt carrying concentration of 50% by mass) carrying platinum on cerium-containing zirconium oxide-carrying carbon was obtained.

上記電極触媒10.1gに対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、4.3倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.2/1.0とした。   Five times the amount of purified water was added to 10.1 g of the electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 4.3 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.2 / 1.0.

得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを6回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.4mg/cm(カソード触媒層の平均厚み18μm)になるように調整した。こうしてカソード触媒層塗布シートB29を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by a screen printing method in an amount corresponding to the desired thickness in 6 portions and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. The coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.4 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 18 μm). Thus, a cathode catalyst layer coated sheet B29 was obtained.

3.電解質膜電極接合体(MEA)の作製
固体高分子電解質膜としてNafion NRE211(膜厚25μm)と、先に作製したポリテトラフルオロエチレンシート上に形成された電極触媒層(アノード側にアノー
ド触媒層塗布シートA29、カソード側にカソード触媒層塗布シートB29)を重ね合わせた。その際には、アノード触媒層、固体高分子電解質膜、カソード触媒層を、この順序で積層させた。その後、130℃、2.0MPaで、10分間ホットプレスし、ポリテトラフルオロエチレンシートのみを剥がして、膜電極接合体(MEA)M29を得た。
3. Preparation of Electrolyte Membrane Electrode Assembly (MEA) Nafion NRE211 (film thickness 25 μm) as a solid polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer formed on the previously prepared polytetrafluoroethylene sheet (anode catalyst layer coated on the anode side) The cathode catalyst layer coated sheet B29) was superposed on the sheet A29 and the cathode side. At that time, the anode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer were laminated in this order. Thereafter, hot pressing was performed at 130 ° C. and 2.0 MPa for 10 minutes, and only the polytetrafluoroethylene sheet was peeled off to obtain a membrane electrode assembly (MEA) M29.

この膜電極接合体M29は、カソード触媒層の電極面積が25cmで、Pt担持量が見かけの電極面積1cmあたり0.4mg、アノード触媒層の電極面積が25cmで、Pt担持量が見かけの電極面積1cmあたり0.2mgであった。 In this membrane electrode assembly M29, the electrode area of the cathode catalyst layer is 25 cm 2 , the amount of Pt supported is 0.4 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, the electrode area of the anode catalyst layer is 25 cm 2 , and the amount of Pt supported is apparent The electrode area was 0.2 mg per 1 cm 2 .

4.MEAの性能評価
得られた膜電極接合体M29の性能を、上記実施例1 4.と同様にして評価した。
4). MEA Performance Evaluation The performance of the membrane electrode assembly M29 thus obtained was evaluated in the above Example 1 4. And evaluated in the same manner.

本実施例のアノード及びカソード触媒層の組成ならびに上記性能試験の結果を表1に示す。   Table 1 shows the compositions of the anode and cathode catalyst layers of this example and the results of the performance test.

実施例30
1.アノード触媒層の作製
導電性炭素材料としてカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)にPtを担持して、電極触媒を得た。なお、上記電極触媒は、Pt粒子の平均粒径は2.6nmであり、Pt担持濃度は50質量%であった。この電極触媒10gに対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、4.3倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.2/1.0とした。次いで、上記混合スラリーに活性炭6.0gを加えた。なお、本実施例において、活性炭は、BET表面積3000m/gであった。
Example 30
1. Preparation of anode catalyst layer Pt was supported on carbon black (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) as a conductive carbon material to obtain an electrode catalyst. The electrode catalyst had an average particle diameter of Pt particles of 2.6 nm and a Pt support concentration of 50% by mass. Five times the amount of purified water was added to 10 g of this electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 4.3 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.2 / 1.0. Next, 6.0 g of activated carbon was added to the mixed slurry. In this example, the activated carbon had a BET surface area of 3000 m 2 / g.

得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを6回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるアノード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm(アノード触媒層の平均厚み10μm)となるように調整した。こうしてアノード触媒層塗布シートA30を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by a screen printing method in an amount corresponding to the desired thickness in 6 portions and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed anode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the anode catalyst layer was 10 μm). Thus, an anode catalyst layer coated sheet A30 was obtained.

2.カソード触媒層の作製
導電性炭素材料としてカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)にPtを担持して、電極触媒を得た。なお、上記電極触媒は、Pt粒子の平均粒径は2.6nmであり、Pt担持濃度は50質量%であった。この電極触媒10gに対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、4.3倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.2/1.0とした。次いで、実施例1と同様にして、上記混合スラリーにセリウム酸化物6.0gを加えた。
2. Preparation of Cathode Catalyst Layer Pt was supported on carbon black (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) as a conductive carbon material to obtain an electrode catalyst. The electrode catalyst had an average particle diameter of Pt particles of 2.6 nm and a Pt support concentration of 50% by mass. Five times the amount of purified water was added to 10 g of this electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 4.3 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.2 / 1.0. Next, 6.0 g of cerium oxide was added to the mixed slurry in the same manner as in Example 1.

得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを5回に分けて印刷
し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるアノード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.4mg/cmとなるように調整した。こうしてカソード触媒層塗布シートB30を得た。
The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by a screen printing method in an amount corresponding to the desired thickness in five portions and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed anode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.4 mg / cm 2 . Thus, a cathode catalyst layer coated sheet B30 was obtained.

3.電解質膜電極接合体(MEA)の作製
上記1.で作製したアノード触媒層塗布シートA30および上記2.で作製したカソード触媒層塗布シートB30を代わりに使用する以外は、上記実施例19 3.と同様にして電極接合体(MEA)M30を得た。
3. Production of electrolyte membrane electrode assembly (MEA) 1. The anode catalyst layer coated sheet A30 produced in 1 above and 2. Example 19 above except that the cathode catalyst layer coated sheet B30 produced in the above was used instead. In the same manner as above, an electrode assembly (MEA) M30 was obtained.

この膜電極接合体M30は、カソード触媒層の電極面積が25cmで、Pt担持量が見かけの電極面積1cmあたり0.4mg、アノード触媒層の電極面積が25cmで、Pt担持量が見かけの電極面積1cmあたり0.2mgであった。 In this membrane electrode assembly M30, the electrode area of the cathode catalyst layer is 25 cm 2 , the amount of Pt supported is 0.4 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, the electrode area of the anode catalyst layer is 25 cm 2 , and the amount of Pt supported is apparent The electrode area was 0.2 mg per 1 cm 2 .

4.MEAの性能評価
得られた膜電極接合体M30の性能を、上記実施例1 4.と同様にして評価した。
4). 3. MEA Performance Evaluation The performance of the membrane electrode assembly M30 thus obtained was compared with that of Example 1 described above. And evaluated in the same manner.

本実施例のアノード及びカソード触媒層の組成ならびに上記性能試験の結果を表1に示す。   Table 1 shows the compositions of the anode and cathode catalyst layers of this example and the results of the performance test.

比較例1
1.アノード触媒層の作製
実施例3 1.と同様にして、アノード触媒層塗布シートA3を得た。
Comparative Example 1
1. Preparation of anode catalyst layer Example 3 In the same manner as above, an anode catalyst layer-coated sheet A3 was obtained.

2.カソード触媒層の作製
実施例11 2.と同様にして、カソード触媒層塗布シートB11を得た。
2. Preparation of cathode catalyst layer Example 11 In the same manner as above, a cathode catalyst layer-coated sheet B11 was obtained.

3.電解質膜電極接合体(MEA)の作製
固体高分子電解質膜としてNafion NRE211(膜厚25μm)と、先に作製したポリテトラフルオロエチレンシート上に形成された電極触媒層(アノード側にアノード触媒層塗布シートA3、カソード側にカソード触媒層塗布シートB11)を重ね合わせた。その際には、アノード触媒層、固体高分子電解質膜、カソード触媒層を、この順序で積層させた。その後、130℃、2.0MPaで、10分間ホットプレスし、ポリテトラフルオロエチレンシートのみを剥がして、膜電極接合体(MEA)C1を得た。
3. Preparation of Electrolyte Membrane Electrode Assembly (MEA) Nafion NRE211 (film thickness 25 μm) as a solid polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer formed on the previously prepared polytetrafluoroethylene sheet (anode catalyst layer coated on the anode side) The cathode catalyst layer coated sheet B11) was superposed on the sheet A3 and the cathode side. At that time, the anode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer were laminated in this order. Thereafter, hot pressing was performed at 130 ° C. and 2.0 MPa for 10 minutes, and only the polytetrafluoroethylene sheet was peeled off to obtain a membrane electrode assembly (MEA) C1.

この膜電極接合体C1は、カソード触媒層の電極面積が25cmで、Pt担持量が見かけの電極面積1cmあたり0.4mg、アノード触媒層の電極面積が25cmで、Pt担持量が見かけの電極面積1cmあたり0.2mgであった。 In this membrane electrode assembly C1, the electrode area of the cathode catalyst layer is 25 cm 2 , the amount of Pt supported is 0.4 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, the electrode area of the anode catalyst layer is 25 cm 2 , and the amount of Pt supported is apparent The electrode area was 0.2 mg per 1 cm 2 .

4.MEAの性能評価
得られた膜電極接合体C1の性能を、上記実施例1 4.と同様にして評価した。
4). MEA Performance Evaluation The performance of the membrane electrode assembly C1 thus obtained was evaluated in Example 1 4. And evaluated in the same manner.

本実施例のアノード及びカソード触媒層の組成ならびに上記性能試験の結果を表1に示す。   Table 1 shows the compositions of the anode and cathode catalyst layers of this example and the results of the performance test.

Figure 2009026501
Figure 2009026501

上記表1から、下記のように考察される。
・本発明に係るカソード触媒層および/またはアノード触媒層を有するM1〜30は、比較例1のC1に比して、有意に優れた発電性能を発揮する。
・本発明に係るカソード触媒層及びアノード触媒層双方を有するM19〜26、29、30は、本発明に係るカソード触媒層またはアノード触媒層のいずれか一方のみを有するM1〜18、27、28に比して、高い発電性能を発揮する。
・酸素吸蔵放出作用を有する物質及び親水性を有する物質の含有量が27.3質量%であるM9、18、30は、酸素吸蔵放出作用を有する物質及び親水性を有する物質の含有量が20質量%以下のものに比して、発電性能がやや劣る。これから、酸素吸蔵放出作用を有する物質及び親水性を有する物質の含有量が20質量%以下であることが好ましいと考えられる。
From Table 1 above, it is considered as follows.
-M1-30 which has a cathode catalyst layer and / or an anode catalyst layer according to the present invention exhibits significantly superior power generation performance as compared with C1 of Comparative Example 1.
-M19-26, 29, 30 having both the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer according to the present invention is replaced with M1-18, 27, 28 having only one of the cathode catalyst layer or the anode catalyst layer according to the present invention. Compared to high power generation performance.
M9, 18, and 30 in which the content of a substance having an oxygen storage / release action and a hydrophilic substance is 27.3 mass% are 20% in the content of a substance having an oxygen storage / release action and a hydrophilic substance. The power generation performance is slightly inferior to that of mass% or less. From this, it is considered that the content of the substance having an oxygen storage / release action and the hydrophilic substance is preferably 20% by mass or less.

Claims (6)

高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の一方の側に順次配置された、カソード触媒層およびカソード側ガス拡散性の電極と、前記高分子電解質膜の他方の側に順次配置された、アノード触媒層およびアノード側ガス拡散性の電極と、を有する電解質膜−電極接合体であって、
前記カソード触媒層が、触媒成分が担持された担体と、酸素吸蔵放出作用を有する物質と、高分子電解質とを含む、および/または
前記アノード触媒層が、触媒成分が担持された担体と、親水性を有する物質と、高分子電解質とを含む、電解質膜−電極接合体。
A polymer electrolyte membrane, a cathode catalyst layer and a cathode-side gas diffusible electrode sequentially disposed on one side of the polymer electrolyte membrane, and an anode sequentially disposed on the other side of the polymer electrolyte membrane An electrolyte membrane-electrode assembly having a catalyst layer and an anode-side gas diffusing electrode,
The cathode catalyst layer includes a carrier on which a catalyst component is supported, a substance having an oxygen storage / release action, and a polymer electrolyte, and / or the anode catalyst layer is hydrophilic with a carrier on which the catalyst component is supported. An electrolyte membrane-electrode assembly comprising a material having a property and a polymer electrolyte.
前記カソード触媒層の触媒成分の平均粒径が1〜5nmである、および/または
前記アノード触媒層の触媒成分の平均粒径が1〜5nmである、請求項1に記載の電解質膜−電極接合体。
2. The electrolyte membrane-electrode junction according to claim 1, wherein an average particle diameter of the catalyst component of the cathode catalyst layer is 1 to 5 nm, and / or an average particle diameter of the catalyst component of the anode catalyst layer is 1 to 5 nm. body.
前記カソード触媒層において、酸素吸蔵放出作用を有する物質が、希土類元素の複合酸化物であり、かつ酸素吸蔵放出作用を有する物質の含有量が、酸素吸蔵放出作用を有する物質、触媒成分、担体及び高分子電解質の総量に対して、0.01〜20質量%である、および/または
前記アノード触媒層において、親水性を有する物質が、親水性金属酸化物または高表面積な炭素材料であり、かつ親水性を有する物質の含有量が、親水性を有する物質、触媒成分、担体及び高分子電解質の総量に対して、0.01〜20質量%である、請求項1または2に記載の電解質膜−電極接合体。
In the cathode catalyst layer, the substance having an oxygen storage / release action is a complex oxide of a rare earth element, and the content of the substance having an oxygen storage / release action is a substance having an oxygen storage / release action, a catalyst component, a carrier, and 0.01 to 20% by mass based on the total amount of the polymer electrolyte, and / or in the anode catalyst layer, the hydrophilic substance is a hydrophilic metal oxide or a high surface area carbon material, and The electrolyte membrane according to claim 1 or 2, wherein the content of the hydrophilic substance is 0.01 to 20% by mass with respect to the total amount of the hydrophilic substance, the catalyst component, the carrier and the polymer electrolyte. An electrode assembly.
前記カソード触媒層において、酸素吸蔵放出作用を有する物質が、CeO、ZrO、Cex1Zr1−x1Y1(x1は、Ceの原子比であり、0<x1<1である、Y1は、上記各成分の原子価を満足するのに必要な酸素原子数である)、Prx2Zr1−x2Y2(x2は、Prの原子比であり、0<x2<1である、Y2は、上記各成分の原子価を満足するのに必要な酸素原子数である)、およびPrx3Ce1−x3Y3(x3は、Prの原子比であり、0<x3<1である、Y3は、上記各成分の原子価を満足するのに必要な酸素原子数である)からなる群より選択される少なくとも一種の希土類元素の複合酸化物である、および/または
前記アノード触媒層において、親水性を有する物質が、TiO、SiO、ZrO、および活性炭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1〜3のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。
In the cathode catalyst layer, the substance having an oxygen storage / release function is CeO 2 , ZrO 2 , Ce x1 Zr 1-x1 O Y1 (x1 is an atomic ratio of Ce, and 0 <x1 <1, Y1 is , Pr x2 Zr 1-x2 O Y2 (x2 is the atomic ratio of Pr, 0 <x2 <1, Y2 is the number of oxygen atoms necessary to satisfy the valence of each component) , The number of oxygen atoms necessary to satisfy the valence of each of the above components), and Pr x3 Ce 1-x3 O Y3 (x3 is the atomic ratio of Pr, 0 <x3 <1, Y3 Is a complex oxide of at least one rare earth element selected from the group consisting of the number of oxygen atoms necessary to satisfy the valence of each component, and / or in the anode catalyst layer, material, TiO having sex Is at least one selected from the group consisting of SiO 2, ZrO 2, and activated carbon, the electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 3 - electrode assembly.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体を用いてなる燃料電池。   A fuel cell comprising the electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 4. 請求項5に記載の燃料電池を搭載した車両。   A vehicle equipped with the fuel cell according to claim 5.
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