JP2009076246A - Membrane electrode assembly for fuel cell, manufacturing method thereof, and fuel cell - Google Patents

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Hitoshi Koda
仁 甲田
Takashi Chigusa
尚 千草
Akiko Fujisawa
晶子 藤澤
Naoyuki Takazawa
直之 高澤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane electrode assembly which can prevent an agglomeration of catalyst particles and improve life characteristics of a fuel cell. <P>SOLUTION: The membrane electrode assembly 18 for a fuel cell is provided a fuel electrode 13 with a catalyst layer 11, an oxidant electrode 16 with a catalyst layer 14, and an electrolyte membrane 17 pinched by the catalyst layer of the fuel electrode 13 and the catalyst layer 14 of the oxidant electrode 16. At least one of the catalyst layers 11, 14 of the fuel electrode 13 and the oxidant electrode 16 contains particles which can be obtained by a spray-drying of suspension liquid containing conductive fine particles carrying a catalyst and hydrophilic polymers. The fuel cell is provided with the membrane electrode assembly 18. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用膜電極接合体、それを製造する方法、およびそれを用いた燃料電池に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly for a fuel cell, a method for producing the same, and a fuel cell using the same.

近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。なかでも、直接メタノール型燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。   In recent years, attempts have been made to use a fuel cell as a power source for portable electronic devices such as notebook computers and mobile phones so that they can be used for a long time without being charged. A fuel cell is characterized in that it can generate electric power simply by supplying fuel and air, and can generate electric power continuously for a long time if fuel is replenished. For this reason, if the fuel cell can be reduced in size, it can be said that the system is extremely advantageous as a power source for portable electronic devices. Among these, a direct methanol fuel cell (DMFC) is promising as a power source for portable electronic devices because it can be miniaturized and the fuel can be easily handled.

一般に、燃料電池においては、触媒として、例えばPt等の金属触媒を多孔質の担体に担持させて使用している。触媒活性はこのような金属触媒の比表面積に依存しているため、金属触媒の粒径をナノサイズ程度まで小さくして、金属触媒の比表面積を増加させる研究が進められている。しかしながら、ナノサイズ化した金属触媒は、燃料電池の動作中に、担体に担持された金属触媒の粒子同士が互いに凝集して比表面積が減少し、その結果、燃料電池の寿命特性が低下するという問題があった。   In general, in a fuel cell, a metal catalyst such as Pt is used as a catalyst supported on a porous carrier. Since the catalytic activity depends on the specific surface area of such a metal catalyst, research is being conducted to increase the specific surface area of the metal catalyst by reducing the particle size of the metal catalyst to about nano-size. However, the nanosized metal catalyst causes the metal catalyst particles supported on the carrier to agglomerate with each other during the operation of the fuel cell to reduce the specific surface area. As a result, the life characteristics of the fuel cell are deteriorated. There was a problem.

そこで、ナノサイズ化した金属触媒の粒子同士の凝集を抑制するため、担体に担持された金属触媒粒子表面を親水性の高分子で覆うことが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。しかしながら、その効果は必ずしも十分なものではなく、さらなる改善が求められている。
特開2006−19290号公報
Therefore, in order to suppress aggregation of the nanosized metal catalyst particles, it has been proposed to cover the surface of the metal catalyst particles supported on the carrier with a hydrophilic polymer (see, for example, Patent Document 1). . However, the effect is not always sufficient, and further improvement is required.
JP 2006-19290 A

本発明は、燃料電池の動作に伴う触媒粒子同士の凝集を防止して、燃料電池の寿命特性を向上させることができる燃料電池用膜電極接合体、および、このような寿命特性に優れた燃料電池用膜電極接合体を製造することができる方法、さらには、そのような燃料電池用膜電極接合体を具備した出力特性、寿命特性に優れる燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention relates to a membrane electrode assembly for a fuel cell that can improve the life characteristics of the fuel cell by preventing agglomeration of catalyst particles accompanying the operation of the fuel cell, and a fuel excellent in such life characteristics. It is an object of the present invention to provide a method for producing a membrane electrode assembly for a battery, and further to provide a fuel cell having such output characteristics and life characteristics provided with such a membrane electrode assembly for a fuel cell.

本発明の一態様に係る燃料電池用膜電極接合体は、触媒層を備えた燃料極と、触媒層を備えた酸化剤極と、前記燃料極の触媒層と前記酸化剤極の触媒層とで挟持された電解質膜とを具備する燃料電池用膜電極接合体であって、前記燃料極および酸化剤極の少なくとも一方の触媒層は、触媒を担持した導電性微粒子と親水性高分子とを含有する懸濁液を噴霧乾燥することにより得られた粒子を含むことを特徴としている。   A membrane electrode assembly for a fuel cell according to an aspect of the present invention includes a fuel electrode provided with a catalyst layer, an oxidant electrode provided with a catalyst layer, a catalyst layer of the fuel electrode, and a catalyst layer of the oxidant electrode. A membrane electrode assembly for a fuel cell comprising an electrolyte membrane sandwiched between two electrodes, wherein at least one catalyst layer of the fuel electrode and the oxidant electrode comprises conductive fine particles carrying a catalyst and a hydrophilic polymer. It is characterized by containing particles obtained by spray-drying the containing suspension.

本発明の一態様に係る燃料電池用膜電極接合体の製造方法は、触媒層を備えた燃料極と、触媒層を備えた酸化剤極と、前記燃料極の触媒層と前記酸化剤極の触媒層とで挟持された電解質膜とを具備する燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、触媒を担持させた導電性微粒子と親水性高分子とを含有する懸濁液を噴霧乾燥して、触媒を担持した導電性微粒子の表面が親水性高分子の膜で被覆された粒子を得る工程と、前記粒子を用いて、前記燃料極および酸化剤極の少なくとも一方の触媒層を形成する工程と、を含むことを特徴とするとしている。   A method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell according to an aspect of the present invention includes a fuel electrode provided with a catalyst layer, an oxidant electrode provided with a catalyst layer, a catalyst layer of the fuel electrode, and the oxidant electrode. A method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell comprising an electrolyte membrane sandwiched between catalyst layers, wherein a suspension containing conductive fine particles carrying a catalyst and a hydrophilic polymer is spray-dried Then, a step of obtaining particles in which the surface of the conductive fine particles carrying the catalyst is coated with a hydrophilic polymer film is formed, and the catalyst layer of at least one of the fuel electrode and the oxidant electrode is formed using the particles. And the step of performing.

本発明の一態様に係る燃料電池は、上記燃料電池用膜電極接合体を具備することを特徴としている。   The fuel cell which concerns on 1 aspect of this invention comprises the said membrane electrode assembly for fuel cells, It is characterized by the above-mentioned.

本発明の一態様に係る燃料電池用膜電極接合体によれば、燃料電池の動作に伴う触媒粒子同士の凝集を防止することができ、燃料電池の寿命特性を向上させることができる。また、本発明に一態様に係る燃料電池用膜電極接合体の製造方法によれば、そのような燃料電池の寿命特性を向上させることが可能な燃料電池用膜電極接合体を製造することができる。さらに、本発明の一態様に係る燃料電池によれば、そのような燃料電池用膜電極接合体を具備するため、優れた出力性能、寿命特性を有することができる。   According to the membrane electrode assembly for a fuel cell according to one aspect of the present invention, aggregation of catalyst particles accompanying the operation of the fuel cell can be prevented, and the life characteristics of the fuel cell can be improved. In addition, according to the method for manufacturing a membrane electrode assembly for a fuel cell according to one aspect of the present invention, it is possible to manufacture a membrane electrode assembly for a fuel cell that can improve the life characteristics of such a fuel cell. it can. Furthermore, since the fuel cell according to one embodiment of the present invention includes such a fuel cell membrane electrode assembly, it can have excellent output performance and life characteristics.

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、説明は図面に基づいて行うが、それらの図面は単に図解のために提供されるものであって、本発明はそれらの図面により何ら限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. Although the description will be made based on the drawings, the drawings are provided for illustration only, and the present invention is not limited to the drawings.

図1は本発明の一実施形態による燃料電池の要部構成を示す断面図である。図1に示すように、本実施形態の燃料電池は、アノード触媒層11とアノードガス拡散層12とを有するアノード(燃料極)13と、カソード触媒層14とカソードガス拡散層15とを有するカソード(空気極/酸化剤極)16と、アノード触媒層11とカソード触媒層14とで挟持されたプロトン(水素イオン)伝導性の電解質膜17とから構成される膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)18を有している。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell of the present embodiment includes an anode (fuel electrode) 13 having an anode catalyst layer 11 and an anode gas diffusion layer 12, a cathode having a cathode catalyst layer 14 and a cathode gas diffusion layer 15. A membrane / electrode assembly (MEA) comprising an (air electrode / oxidant electrode) 16 and a proton (hydrogen ion) conductive electrolyte membrane 17 sandwiched between the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14. Assembly) 18.

図2は、アノード触媒層11(またはカソード触媒層14)の断面の一部を模式的に示した図である。図2に示すように、アノード触媒層11およびカソード触媒層14は、それぞれ、触媒21を担持した導電性微粒子22の表面が親水性高分子23の膜で被覆された粒子20から構成されている。   FIG. 2 is a diagram schematically showing a part of a cross section of the anode catalyst layer 11 (or the cathode catalyst layer 14). As shown in FIG. 2, the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 are each composed of particles 20 in which the surfaces of conductive fine particles 22 supporting the catalyst 21 are coated with a film of a hydrophilic polymer 23. .

アノード触媒層11およびカソード触媒層14に含有される粒子20は、次のような方法で製造されたものである。   The particles 20 contained in the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 are manufactured by the following method.

まず、触媒21を担持した導電性微粒子22と親水性高分子23を溶媒と混合して懸濁液を得る。この際、適当な攪拌手段や超音波を利用した分散装置等を用いて、触媒21を担持した導電性微粒子22と親水性高分子23が溶媒中に均一に懸濁されるようにすることが好ましい。また、触媒21を担持した導電性微粒子22と親水性高分子の混合比は、質量比で20:80〜80:20の範囲とすることが好ましい。触媒21を担持した導電性微粒子22の割合が前記範囲より少ないと、導電性微粒子22を覆う親水性高分子23の膜厚が厚くなって、触媒21への気体の伝達が阻害されるようになる。逆に触媒21を担持した導電性微粒子22の割合が前記範囲より多くなると、導電性微粒子22の表面全体を親水性高分子23で覆うことが困難になり、プロトンの伝達が低下するとともに、触媒21の凝集を十分に防止することができなくなるおそれがある。なお、溶媒としては、水、イソプロピルアルコールなどのアルコール、これらの混合物等を用いることができる。   First, the conductive fine particles 22 carrying the catalyst 21 and the hydrophilic polymer 23 are mixed with a solvent to obtain a suspension. At this time, it is preferable that the conductive fine particles 22 carrying the catalyst 21 and the hydrophilic polymer 23 are uniformly suspended in the solvent by using a suitable stirring means or a dispersing device using ultrasonic waves. . The mixing ratio of the conductive fine particles 22 carrying the catalyst 21 and the hydrophilic polymer is preferably in the range of 20:80 to 80:20 by mass ratio. When the ratio of the conductive fine particles 22 carrying the catalyst 21 is less than the above range, the film thickness of the hydrophilic polymer 23 covering the conductive fine particles 22 is increased so that the gas transfer to the catalyst 21 is hindered. Become. On the contrary, when the ratio of the conductive fine particles 22 supporting the catalyst 21 is larger than the above range, it becomes difficult to cover the entire surface of the conductive fine particles 22 with the hydrophilic polymer 23, and the proton transmission is reduced. There is a possibility that the aggregation of 21 cannot be sufficiently prevented. As the solvent, water, alcohol such as isopropyl alcohol, a mixture thereof, or the like can be used.

次に、上記懸濁液を噴霧乾燥装置のスプレーノズルから噴霧し乾燥させる。乾燥温度は溶媒の種類にもよるが、通常、100〜200℃、好ましくは120〜180℃の範囲である。これにより懸濁液の溶媒はほぼ完全に除去され、触媒21を担持した導電性微粒子22の表面がほぼ親水性高分子23の膜で被覆された粒子20が得られる。このようにして得られた粒子20においては、親水性高分子23の膜が導電性微粒子22の表面に強固に接着しているため、導電性微粒子22に担持されている触媒21粒子の凝集が抑制される。   Next, the suspension is sprayed from a spray nozzle of a spray drying apparatus and dried. Although drying temperature is based also on the kind of solvent, it is 100-200 degreeC normally, Preferably it is the range of 120-180 degreeC. As a result, the solvent of the suspension is almost completely removed, and particles 20 in which the surfaces of the conductive fine particles 22 carrying the catalyst 21 are coated with a film of the hydrophilic polymer 23 are obtained. In the particles 20 thus obtained, the film of the hydrophilic polymer 23 is firmly adhered to the surface of the conductive fine particles 22, so that the aggregation of the catalyst 21 particles carried on the conductive fine particles 22 is caused. It is suppressed.

なお、粒子20の製造にあたり、本実施形態では、スプレーノズルを備えた噴霧乾燥装置を使用しているが、特にこのような装置に限定されるものではなく、従来より知られる種々の噴霧乾燥装置を使用することができる。   In the present embodiment, the spray drying apparatus provided with the spray nozzle is used in the production of the particles 20, but the present invention is not particularly limited to such an apparatus, and various conventionally known spray drying apparatuses. Can be used.

ここで、粒子20を構成する各成分について説明する。
まず、触媒21としては、例えばPt、Ru、Rh、Ir、Os、Pd等の白金族元素の単体、これらの白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層11にはメタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するPt−RuやPt−Mo等の合金を用いることが好ましい。カソード触媒層14にはPtやPt−Ni等の合金を用いることが好ましい。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。この触媒21は、平均粒径が2〜5nmであることが好ましい。触媒21の平均粒径は、X線回折法(XRD)により測定することができる。
Here, each component constituting the particle 20 will be described.
First, examples of the catalyst 21 include a simple substance of a platinum group element such as Pt, Ru, Rh, Ir, Os, and Pd, and an alloy containing these platinum group elements. The anode catalyst layer 11 is preferably made of an alloy such as Pt—Ru or Pt—Mo that has strong resistance to methanol, carbon monoxide, or the like. The cathode catalyst layer 14 is preferably made of an alloy such as Pt or Pt—Ni. However, the catalyst is not limited to these, and various substances having catalytic activity can be used. The catalyst 21 preferably has an average particle diameter of 2 to 5 nm. The average particle diameter of the catalyst 21 can be measured by an X-ray diffraction method (XRD).

また、このような触媒21を担持する導電性微粒子22としては、例えば、導電性カーボンブラック、活性炭、黒鉛等の粒子状または繊維状の炭素材料が挙げられる。また、アルミナやシリカなどの無機物微粒子を使用することもできるが、導電性、通気性等の観点からは炭素材料が好ましい。   Examples of the conductive fine particles 22 supporting the catalyst 21 include particulate or fibrous carbon materials such as conductive carbon black, activated carbon, and graphite. Further, inorganic fine particles such as alumina and silica can be used, but a carbon material is preferable from the viewpoint of conductivity, air permeability and the like.

さらに、親水性高分子23としては、水と親和性を有し、触媒21へ、もしくは、触媒21からプロトンを伝達することができる高分子が好ましく、例えば、(イ)炭化水素系プロトン伝導体、すなわち、主鎖が炭化水素からなる高分子にプロトン伝導性を付与するためにスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基等のイオン交換基を導入したもの、(ロ)フッ素系プロトン伝導体、主鎖が、フッ素で置換された炭化水素からなる高分子にプロトン伝導性を付与するためにスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基等のイオン交換基を導入したもの、(ハ)主鎖に実質的に炭素原子を含まないポリシロキサン、ポリフォスファゼン等の高分子にプロトン伝導性を付与するためにスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基等のイオン交換基を導入したもの、(ニ)(イ)〜(ハ)のイオン交換基導入前の高分子を構成する繰り返し単位から選ばれる2種以上を繰り返し単位とする共重合体にプロトン伝導性を付与するためにスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基等のイオン交換基を導入したもの等が挙げられる。ここで、「高分子もしくは共重合体にイオン交換基を導入した」とは、「高分子もしくは共重合体骨格にイオン交換基を化学結合を介して導入した」ことを意味する。また、(イ)および(ロ)における主鎖は酸素原子等のヘテロ原子で中断されていてもよい。   Further, the hydrophilic polymer 23 is preferably a polymer that has an affinity for water and can transmit protons to or from the catalyst 21. For example, (a) a hydrocarbon proton conductor That is, a polymer in which an ion exchange group such as a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, or a carboxylic acid group is introduced in order to impart proton conductivity to a polymer whose main chain is composed of hydrocarbon, (b) a fluorine-based proton conductor , In which an ion exchange group such as a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, or a carboxylic acid group is introduced in order to impart proton conductivity to a polymer comprising a hydrocarbon whose main chain is substituted with fluorine. Ion exchange of sulfonic acid groups, phosphonic acid groups, carboxylic acid groups, etc. to give proton conductivity to polymers such as polysiloxanes and polyphosphazenes that do not substantially contain carbon atoms in the chain Proton conductivity is imparted to a copolymer having two or more repeating units selected from repeating units constituting the polymer before introduction of ion exchange groups (d) (i) to (c). For this purpose, those having an ion exchange group such as a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, or a carboxylic acid group introduced. Here, “an ion exchange group introduced into a polymer or copolymer” means “an ion exchange group introduced into the polymer or copolymer skeleton via a chemical bond”. In addition, the main chain in (i) and (b) may be interrupted by a heteroatom such as an oxygen atom.

(イ)炭化水素系プロトン伝導体の具体例としては、主鎖が脂肪族炭化水素からなるものとして、例えば、ポリビニルスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリ(α−メチルスチレン)スルホン酸等が挙げられる。また、主鎖に芳香環を有するものとして、例えば、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリ(アリーレン・エーテル)、ポリイミド、ポリ(4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン)、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニルキノキサレン等の単独重合体のそれぞれにスルホン酸基が導入されたもの、アリールスルホン化ポリベンズイミダゾール、アルキルスルホン化ポリベンズイミダゾール、アルキルホスホン化ポリベンズイミダゾール、ホスホン化ポリ(フェニレンエーテル)等が挙げられる。   (A) Specific examples of the hydrocarbon proton conductor include those whose main chain is made of an aliphatic hydrocarbon, such as polyvinyl sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, poly (α-methylstyrene) sulfonic acid, and the like. . Examples of those having an aromatic ring in the main chain include, for example, polyether ether ketone, polysulfone, polyether sulfone, poly (arylene ether), polyimide, poly (4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene), polyphenylene sulfide. , Sulfonic acid groups introduced into homopolymers such as polyphenylquinoxalen, arylsulfonated polybenzimidazole, alkylsulfonated polybenzimidazole, alkylphosphonated polybenzimidazole, phosphonated poly (phenylene ether) ) And the like.

(ロ)フッ素系プロトン伝導体の具体例としては、例えば、ペルフルオロスルホン酸塩、ホスホン酸基を有するペルフルオロアルキルポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルホン酸、ポリトリフルオロスチレンホスホン酸等が挙げられる。   (B) Specific examples of the fluorine-based proton conductor include perfluorosulfonate, perfluoroalkyl polymer having a phosphonic acid group, polytrifluorostyrene sulfonic acid, polytrifluorostyrene phosphonic acid, and the like.

(ニ)のプロトン伝導体における共重合体は、ランダム共重合体、交互共重合体およびブロック共重合体のいずれであってもよい。ランダム共重合体にイオン交換基が導入されたものとしては、例えば、スルホン化ポリエーテルスルホン−ジヒドロキシビフェニル共重合体等が挙げられる。ブロック共重合体にイオン交換基が導入されたものとしては、例えば、スチレン−(エチレン−ブチレン)−スチレントリブロック共重合体にイオン交換基を導入したもの等が挙げられる。   The copolymer in the proton conductor (d) may be any of a random copolymer, an alternating copolymer, and a block copolymer. As what introduce | transduced the ion exchange group into the random copolymer, a sulfonated polyether sulfone-dihydroxybiphenyl copolymer etc. are mentioned, for example. As what introduce | transduced the ion exchange group into the block copolymer, what introduce | transduced the ion exchange group into the styrene- (ethylene-butylene) -styrene triblock copolymer etc. are mentioned, for example.

親水性高分子23としては、プロトン伝導性やそれ自身の物質安定性の観点から、なかでも、ペルフルオロスルホン酸塩が好ましい。ペルフルオロスルホン酸塩の市販品を例示すると、例えばナフィオン(デュポン社製 商品名)、フレミオン(旭硝子社製 商品名)等が挙げられる。   As the hydrophilic polymer 23, perfluorosulfonic acid salt is preferable from the viewpoint of proton conductivity and stability of the substance itself. Examples of commercially available perfluorosulfonates include Nafion (trade name, manufactured by DuPont) and Flemion (trade name, manufactured by Asahi Glass).

なお、アノード触媒層11およびカソード触媒層14には、それぞれ本発明の効果を阻害しない範囲で、上記粒子20以外の成分、例えば無機粒子やバインダー等が含まれていてもよい。無機粒子は、導電性であっても絶縁性であってもよく、その具体例としては、ケイ素酸化物(例えばガラス、石英粉、珪石粉、珪藻土、シリカフューム、天然シリカ、コロイダルシリカ等)、アルミニウム酸化物(酸化アルミニウム、アルミナ)、酸化チタン、雲母、絹雲母、ゼオライト、セリサイト、カオリンクレー、カオリン、焼成カオリン(メタカオリン)、石綿、マイカ、タルク、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミ、ジルコニア、カーボン等の粒子が挙げられる。また、バインダーとしては、前述した親水性高分子として例示したものが挙げられる。   The anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 may contain components other than the particles 20 such as inorganic particles and a binder as long as the effects of the present invention are not impaired. The inorganic particles may be conductive or insulating, and specific examples thereof include silicon oxide (for example, glass, quartz powder, quartzite powder, diatomaceous earth, silica fume, natural silica, colloidal silica, etc.), aluminum Oxides (aluminum oxide, alumina), titanium oxide, mica, sericite, zeolite, sericite, kaolin clay, kaolin, calcined kaolin (metakaolin), asbestos, mica, talc, silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, zirconia, Examples thereof include particles such as carbon. Moreover, what was illustrated as a hydrophilic polymer mentioned above as a binder is mentioned.

アノード触媒層11に積層されるアノードガス拡散層12は、アノード触媒層11に燃料を均一に供給する機能とともに、アノード触媒層11で生成された電子を効率よく外部へ伝達する集電体としての機能を併せ有する。また、カソード触媒層14に積層されるカソードガス拡散層15は、カソード触媒層14に酸化剤を均一に供給する機能とともに、外部から供給される電子を効率よくカソード触媒層14へ伝達する集電体としての機能を併せ有する。アノードガス拡散層12およびカソードガス拡散層15はいずれも導電性材料で形成された多孔質基材で構成される。   The anode gas diffusion layer 12 laminated on the anode catalyst layer 11 functions as a current collector that uniformly supplies fuel to the anode catalyst layer 11 and efficiently transmits electrons generated in the anode catalyst layer 11 to the outside. It also has functions. The cathode gas diffusion layer 15 laminated on the cathode catalyst layer 14 has a function of uniformly supplying an oxidant to the cathode catalyst layer 14 and also efficiently collects electrons supplied from the outside to the cathode catalyst layer 14. It also has a function as a body. Both the anode gas diffusion layer 12 and the cathode gas diffusion layer 15 are formed of a porous substrate formed of a conductive material.

多孔質基材としては、例えばカーボンファイバ等で形成されるカーボンクロスやカーボンペーパ等のように、導電性繊維をシート状に加工したものを使用することが好ましく、具体的には、例えば繊維径1μm程度以上のカーボンファイバで作られた気孔率50%以上のカーボンペーパあるいはカーボンクロスを使用することができる。多孔質基材は、焼結体であってもよく、金属あるいは金属酸化物(スズ酸化物、チタン酸化物等)を焼結したものを使用することができる。   As the porous substrate, it is preferable to use a conductive fiber that has been processed into a sheet shape, such as carbon cloth or carbon paper formed of carbon fiber or the like. Carbon paper or carbon cloth made of carbon fibers of about 1 μm or more and having a porosity of 50% or more can be used. The porous substrate may be a sintered body, and a sintered metal or metal oxide (tin oxide, titanium oxide, etc.) can be used.

アノードガス拡散層12およびカソードガス拡散層15上に、アノード触媒層11およびカソード触媒層14をそれぞれ形成する際には、前述した方法で製造された粒子20、すなわち触媒21を担持した導電性微粒子22の表面が親水性高分子23の膜で被覆された粒子20、あるいは、このような粒子20と任意成分である上記無機粒子等とを、溶媒に分散させてスラリーを調製し、次いで、このスラリーをコーターやスプレー等により、アノードガス拡散層12およびカソードガス拡散層15を形成する各多孔質基材に、1回ないし複数回に分けて塗付し乾燥させるようにすればよい。溶媒としては、水、イソプロピルアルコールなどのアルコール、これらの混合物などを用いることができる。   When the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 are formed on the anode gas diffusion layer 12 and the cathode gas diffusion layer 15, respectively, the particles 20 manufactured by the above-described method, that is, the conductive fine particles carrying the catalyst 21 are supported. The surface of 22 is coated with a film of hydrophilic polymer 23, or such particles 20 and the above-mentioned inorganic particles as optional components are dispersed in a solvent to prepare a slurry. The slurry may be applied to each porous substrate forming the anode gas diffusion layer 12 and the cathode gas diffusion layer 15 by a coater, spray, or the like in one or more times and dried. As the solvent, water, alcohol such as isopropyl alcohol, a mixture thereof, or the like can be used.

電解質膜17は、炭化水素系電解質膜、すなわち、炭化水素系のプロトン伝導体からなる電解質膜であってもよく、フッ素系電解質膜、すなわち、フッ素系のプロトン伝導体からなる電解質膜であってもよい。また、タングステン酸やリンタングステン酸等の無機材料からなる電解質膜であってもよい。一般的には、ペルフルオロスルホン酸塩からなる膜のナフィオン112(デュポン社製 商品名)等が使用されるが、特にこれに限定されるものではない。   The electrolyte membrane 17 may be a hydrocarbon electrolyte membrane, that is, an electrolyte membrane made of a hydrocarbon proton conductor, or a fluorine electrolyte membrane, ie, an electrolyte membrane made of a fluorine proton conductor. Also good. Alternatively, an electrolyte film made of an inorganic material such as tungstic acid or phosphotungstic acid may be used. In general, Nafion 112 (trade name, manufactured by DuPont) having a membrane made of perfluorosulfonate is used, but it is not particularly limited thereto.

本実施形態の膜電極接合体18は、アノードガス拡散層12上にアノード触媒層11が形成されたアノード(燃料極)13と、カソードガス拡散層15上にカソード触媒層14が形成されたカソード(空気極/酸化剤極)16と、電解質膜17とを、電解質膜17の両面にアノード触媒層11とカソード触媒層15が接するように重ね合わせ、加熱プレスすることにより、形成される。アノードガス拡散層12のアノード触媒層11と反対側の面、およびカソードガス拡散層15のカソード触媒層14と反対側の面には、それぞれ必要に応じて導電層を形成してもよい。これらの導電層としては、例えばAu等の導電性金属材料からなるメッシュ、多孔質膜、薄膜等が用いられる。   The membrane electrode assembly 18 of the present embodiment includes an anode (fuel electrode) 13 in which the anode catalyst layer 11 is formed on the anode gas diffusion layer 12 and a cathode in which the cathode catalyst layer 14 is formed on the cathode gas diffusion layer 15. (Air electrode / oxidizer electrode) 16 and the electrolyte membrane 17 are formed such that the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 15 are in contact with both surfaces of the electrolyte membrane 17 and heated and pressed. A conductive layer may be formed on the surface of the anode gas diffusion layer 12 opposite to the anode catalyst layer 11 and the surface of the cathode gas diffusion layer 15 opposite to the cathode catalyst layer 14 as necessary. As these conductive layers, for example, a mesh, a porous film, a thin film, or the like made of a conductive metal material such as Au is used.

このように構成される膜電極接合体18を備えた燃料電池においては、燃料がアノード(燃料極)13に供給される一方、カソード(空気極/酸化剤極)16に空気、酸素等の酸化性ガスが導入される。燃料はアノードガス拡散層12を拡散してアノード触媒層11に供給される。燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層11で下記(1)式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層14で生成した水や電解質膜17中の水をメタノールと反応させて(1)式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
CHOH+HO → CO+6H+6e …(1)
In the fuel cell including the membrane electrode assembly 18 configured as described above, the fuel is supplied to the anode (fuel electrode) 13 while the cathode (air electrode / oxidant electrode) 16 is oxidized with air, oxygen, or the like. Sex gas is introduced. The fuel diffuses through the anode gas diffusion layer 12 and is supplied to the anode catalyst layer 11. When methanol fuel is used as the fuel, an internal reforming reaction of methanol shown in the following formula (1) occurs in the anode catalyst layer 11. When pure methanol is used as the methanol fuel, the water generated in the cathode catalyst layer 14 or the water in the electrolyte membrane 17 is reacted with methanol to cause the internal reforming reaction of the formula (1). Alternatively, the internal reforming reaction is caused by another reaction mechanism that does not require water.
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e (1)

この反応で生成した電子(e)は外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード(空気極)16に導かれる。また、(1)式の内部改質反応で生成したプロトン(H)は電解質膜17を経てカソード16に導かれる。カソード16に到達した電子(e)とプロトン(H)は、カソード触媒層14で酸素と下記(2)式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
6e+6H+(3/2)O → 3HO …(2)
Electrons (e ) generated by this reaction are guided to the outside, and are operated as so-called electricity, and are then guided to the cathode (air electrode) 16 after operating a portable electronic device or the like. Further, protons (H + ) generated by the internal reforming reaction of the formula (1) are guided to the cathode 16 through the electrolyte membrane 17. Electrons (e ) and protons (H + ) that have reached the cathode 16 react with oxygen in the cathode catalyst layer 14 according to the following formula (2), and water is generated in accordance with this reaction.
6e + 6H + + (3/2) O 2 → 3H 2 O (2)

上述した燃料電池において、良好な寿命特性を得るためには、燃料電池の動作中に導電性微粒子22に担持された触媒21の粒子同士が凝集するのを防止することが重要である。触媒21の粒子同士が凝集すると、触媒21の比表面積が実質的に減少して触媒活性が低下する。   In the fuel cell described above, in order to obtain good life characteristics, it is important to prevent the particles of the catalyst 21 supported on the conductive fine particles 22 from aggregating during the operation of the fuel cell. When the particles of the catalyst 21 are aggregated, the specific surface area of the catalyst 21 is substantially reduced and the catalytic activity is lowered.

本実施形態の燃料電池においては、上述したように、アノード触媒層11およびカソード触媒層14が、触媒21を担持した導電性微粒子22の表面に親水性高分子23の膜が強固に接着した粒子20で構成されているので、触媒21の粒子の移動が防止され、触媒21の粒子同士の凝集が抑制される。このため、かかる凝集に伴う出力の低下、寿命特性の低下を抑制することができる。   In the fuel cell of this embodiment, as described above, the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 are particles in which the membrane of the hydrophilic polymer 23 is firmly adhered to the surface of the conductive fine particles 22 carrying the catalyst 21. Therefore, the movement of the particles of the catalyst 21 is prevented, and the aggregation of the particles of the catalyst 21 is suppressed. For this reason, the fall of the output accompanying such aggregation and the fall of a lifetime characteristic can be suppressed.

なお、本実施形態では、アノード触媒層11およびカソード触媒層14がともに、触媒21を担持した導電性微粒子22の表面を親水性高分子23の膜で被覆した粒子20で構成されているが、いずれか一方のみであってもよい。しかしながら、得られる効果の点からは、少なくともアノード触媒層11が粒子20で構成されていることが好ましい。   In the present embodiment, both the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 are composed of particles 20 in which the surface of the conductive fine particles 22 carrying the catalyst 21 is covered with a film of the hydrophilic polymer 23. Either one may be sufficient. However, from the viewpoint of the obtained effect, it is preferable that at least the anode catalyst layer 11 is composed of the particles 20.

本発明は、高分子電解質膜を備えた各種の固体高分子型燃料電池に広く適用することができるが、一般には、メタノール燃料等の液体燃料を用いる燃料電池に適用される。液体燃料を用いる燃料電池は、燃料の供給方式から、アクティブ型燃料電池とパッシブ型燃料電池に大きく分けられるが、そのいずれにも適用可能である。ちなみに、アクティブ型燃料電池は、液体燃料および空気等を膜電極接合体のアノード極およびカソード極にそれぞれポンプ等により強制的に供給するものであり、また、パッシブ型燃料電池は気化した液体燃料を膜電極接合体のアノード極に自然供給する一方、カソード極に外部の空気を自然供給するものである。さらには燃料供給等、一部にポンプ等を用いたセミパッシブと称される型の燃料電池に対しても本発明を適用することができる。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料収容部から膜電極接合体に供給された燃料は発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部に戻されることはない。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、燃料の供給にポンプを使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。このため、この燃料電池は、上述したようにセミパッシブ方式と呼称される。なお、このセミパッシブ型の燃料電池では、燃料収容部から膜電極接合体への燃料供給が行われる構成であればポンプに代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである   The present invention can be widely applied to various solid polymer fuel cells having a polymer electrolyte membrane, but is generally applied to a fuel cell using a liquid fuel such as methanol fuel. Fuel cells using liquid fuel can be broadly divided into active fuel cells and passive fuel cells depending on the fuel supply system, and any of them can be applied. Incidentally, an active fuel cell forcibly supplies liquid fuel, air, etc. to the anode and cathode electrodes of the membrane electrode assembly, respectively, while a passive fuel cell supplies vaporized liquid fuel. While supplying naturally to the anode pole of a membrane electrode assembly, outside air is naturally supplied to a cathode pole. Furthermore, the present invention can also be applied to a fuel cell of a type called a semi-passive that partially uses a pump or the like, such as fuel supply. In the semi-passive type fuel cell, the fuel supplied from the fuel storage part to the membrane electrode assembly is used for the power generation reaction, and is not circulated thereafter and returned to the fuel storage part. The semi-passive type fuel cell is different from the conventional active method because it does not circulate the fuel, and does not impair the downsizing of the device. Moreover, a pump is used to supply fuel, which is different from a pure passive system such as a conventional internal vaporization type. For this reason, this fuel cell is called a semi-passive system as described above. In this semi-passive type fuel cell, a fuel cutoff valve may be arranged in place of the pump as long as fuel is supplied from the fuel storage portion to the membrane electrode assembly. In this case, the fuel cutoff valve is provided for controlling the supply of liquid fuel through the flow path.

上記液体燃料としては、メタノール水溶液、純メタノール等のメタノール燃料の他、エタノール水溶液、純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、蟻酸、ジメチルエーテル等が挙げられる。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が使用される。なお、MEAへ供給される液体燃料の蒸気においても、全て液体燃料の蒸気を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる。   As the liquid fuel, methanol fuel such as methanol aqueous solution, pure methanol, ethanol aqueous solution, ethanol fuel such as pure ethanol, propanol fuel such as propanol aqueous solution and pure propanol, glycol fuel such as glycol aqueous solution and pure glycol, formic acid, Examples include dimethyl ether. In any case, liquid fuel corresponding to the fuel cell is used. It should be noted that the liquid fuel vapor supplied to the MEA may be all supplied as a liquid fuel vapor, but the present invention can be applied even when a part of the liquid fuel vapor is supplied in a liquid state.

以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されるものでないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範囲内で各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this example. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are of course within the technical scope of the present invention. Is done.

次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。なお、触媒およびカーボン粒子の平均粒径は、XRDにより測定した。   EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these Examples at all. The average particle size of the catalyst and carbon particles was measured by XRD.

[触媒スラリーの製造]
(製造例1)
Pt−Ru微粒子(平均粒径3nm)を担持した平均粒径40nmのカーボン粒子(Pt−Ru含有量:50wt%)1.2g、ペルフルオロスルホン酸塩溶液(ナフィオン(商品名)20重量%含有)1.5g、イオン交換水5g、および、イソプロピルアルコール5gを、マグネティックスターラで10分間攪拌混合し、次いで、この混合物に超音波振動を10分間加え、懸濁液を調製した。この懸濁液を噴霧乾燥装置のスプレーノズルに供給し、噴霧、乾燥を行って粒体を得た。得られた粒体1.5g、イオン交換水5g、および、イソプロピルアルコール2gを均一に混合し、燃料用触媒スラリー(A)を製造した。
[Production of catalyst slurry]
(Production Example 1)
1.2 g of carbon particles having an average particle size of 40 nm (Pt-Ru content: 50 wt%) carrying Pt-Ru fine particles (average particle size of 3 nm), perfluorosulfonate solution (containing 20% by weight of Nafion (trade name)) 1.5 g, 5 g of ion-exchanged water, and 5 g of isopropyl alcohol were stirred and mixed with a magnetic stirrer for 10 minutes, and then ultrasonic vibration was added to the mixture for 10 minutes to prepare a suspension. This suspension was supplied to a spray nozzle of a spray dryer, and sprayed and dried to obtain granules. 1.5 g of the obtained granule, 5 g of ion-exchanged water, and 2 g of isopropyl alcohol were uniformly mixed to produce a fuel catalyst slurry (A).

(製造例2)
Pt−Ru微粒子(平均粒径3nm)を担持した平均粒径40nmのカーボン粒子(Pt−Ru含有量:50wt%)0.3g、ペルフルオロスルホン酸塩溶液(ナフィオン(商品名)20重量%含有)6g、イオン交換水5g、および、イソプロピルアルコール5gを、マグネティックスターラで10分間攪拌混合し、次いで、この混合物に超音波振動を10分間加え、懸濁液を調製した。この懸濁液を噴霧乾燥装置のスプレーノズルに供給し、噴霧、乾燥を行って粒体を得た。得られた粒体1.5g、イオン交換水5g、および、イソプロピルアルコール2gを均一に混合し、燃料用触媒スラリー(B)を製造した。
(Production Example 2)
Carbon particles having an average particle diameter of 40 nm (Pt-Ru content: 50 wt%) carrying Pt-Ru fine particles (average particle diameter of 3 nm), perfluorosulfonate solution (containing 20% by weight of Nafion (trade name)) 6 g, 5 g of ion-exchanged water, and 5 g of isopropyl alcohol were stirred and mixed with a magnetic stirrer for 10 minutes, and then ultrasonic vibration was added to the mixture for 10 minutes to prepare a suspension. This suspension was supplied to a spray nozzle of a spray dryer, and sprayed and dried to obtain granules. 1.5 g of the obtained granule, 5 g of ion-exchanged water, and 2 g of isopropyl alcohol were uniformly mixed to produce a fuel catalyst slurry (B).

(製造例3)
Pt−Ru微粒子(平均粒径3nm)を担持した平均粒径40nmのカーボン粒子(Pt−Ru含有量:50wt%)1.23g、ペルフルオロスルホン酸塩溶液(ナフィオン(商品名)20重量%含有)1.35g、イオン交換水5g、および、イソプロピルアルコール5gを、マグネティックスターラで10分間攪拌混合し、次いで、この混合物に超音波振動を10分間加え、懸濁液を調製した。この懸濁液を噴霧乾燥装置のスプレーノズルに供給し、噴霧、乾燥を行って粒体を得た。得られた粒体1.5g、イオン交換水5g、および、イソプロピルアルコール2gを均一に混合し、燃料用触媒スラリー(C)を製造した。
(Production Example 3)
1.23 g of carbon particles having an average particle size of 40 nm (Pt-Ru content: 50 wt%) carrying Pt-Ru fine particles (average particle size of 3 nm), perfluorosulfonate solution (containing 20% by weight of Nafion (trade name)) 1.35 g, 5 g of ion-exchanged water, and 5 g of isopropyl alcohol were mixed with a magnetic stirrer for 10 minutes, and then ultrasonic vibration was added to the mixture for 10 minutes to prepare a suspension. This suspension was supplied to a spray nozzle of a spray dryer, and sprayed and dried to obtain granules. 1.5 g of the obtained granule, 5 g of ion-exchanged water, and 2 g of isopropyl alcohol were uniformly mixed to produce a fuel catalyst slurry (C).

(製造例4)
Pt−Ru微粒子(平均粒径3nm)を担持した平均粒径40nmのカーボン粒子(Pt−Ru含有量:50wt%)0.27g、ペルフルオロスルホン酸塩溶液(ナフィオン(商品名)20重量%含有)6.15g、イオン交換水5g、および、イソプロピルアルコール5gを、マグネティックスターラで10分間攪拌混合し、次いで、この混合物に超音波振動を10分間加え、懸濁液を調製した。この懸濁液を噴霧乾燥装置のスプレーノズルに供給し、噴霧、乾燥を行って粒体を得た。得られた粒体1.5g、イオン交換水5g、および、イソプロピルアルコール2gを均一に混合し、燃料用触媒スラリー(D)を製造した。
(Production Example 4)
0.27 g of carbon particles having an average particle size of 40 nm (Pt-Ru content: 50 wt%) carrying Pt-Ru fine particles (average particle size of 3 nm), perfluorosulfonate solution (containing 20% by weight of Nafion (trade name)) 6.15 g, 5 g of ion-exchanged water, and 5 g of isopropyl alcohol were stirred and mixed with a magnetic stirrer for 10 minutes, and then ultrasonic vibration was added to the mixture for 10 minutes to prepare a suspension. This suspension was supplied to a spray nozzle of a spray dryer, and sprayed and dried to obtain granules. 1.5 g of the obtained granule, 5 g of ion-exchanged water, and 2 g of isopropyl alcohol were uniformly mixed to produce a fuel catalyst slurry (D).

(製造例5)
Pt−Ru微粒子(平均粒径3nm)を担持した平均粒径40nmのカーボン粒子(Pt−Ru含有量:50wt%)1.2g、ペルフルオロスルホン酸塩溶液(ナフィオン(商品名)20重量%含有)1.5g、イオン交換水5g、および、イソプロピルアルコール2gを均一に混合し、燃料用触媒スラリー(E)を製造した。
(Production Example 5)
1.2 g of carbon particles having an average particle size of 40 nm (Pt-Ru content: 50 wt%) carrying Pt-Ru fine particles (average particle size of 3 nm), perfluorosulfonate solution (containing 20% by weight of Nafion (trade name)) 1.5 g, 5 g of ion-exchanged water, and 2 g of isopropyl alcohol were uniformly mixed to produce a fuel catalyst slurry (E).

(製造例6)
Pt−Ru微粒子(平均粒径3nm)を担持した平均粒径40nmのカーボン粒子(Pt−Ru含有量:50wt%)0.3g、ペルフルオロスルホン酸塩溶液(ナフィオン(商品名)20重量%含有)6g、イオン交換水5g、および、イソプロピルアルコール2gを均一に混合し、燃料用触媒スラリー(F)を製造した。
(Production Example 6)
Carbon particles having an average particle diameter of 40 nm (Pt-Ru content: 50 wt%) carrying Pt-Ru fine particles (average particle diameter of 3 nm), perfluorosulfonate solution (containing 20% by weight of Nafion (trade name)) 6 g, 5 g of ion-exchanged water, and 2 g of isopropyl alcohol were uniformly mixed to produce a fuel catalyst slurry (F).

(製造例7)
Pt微粒子(平均粒径3nm)を担持した平均粒径40nmのカーボン粒子(Pt含有量:50wt%)1.0g、ペルフルオロスルホン酸塩溶液(ナフィオン(商品名)20重量%含有)1.2g、イオン交換水5g、および、イソプロピルアルコール5gを均一に混合し、酸化剤用触媒スラリーを製造した。
(Production Example 7)
1.0 g of carbon particles having an average particle size of 40 nm carrying Pt fine particles (average particle size of 3 nm) (Pt content: 50 wt%), 1.2 g of a perfluorosulfonate solution (containing 20% by weight of Nafion (trade name)), Ion exchange water 5 g and isopropyl alcohol 5 g were uniformly mixed to produce a catalyst slurry for oxidant.

[燃料電池用膜電極接合体および燃料電池の製造]
(実施例1)
撥水処理したカーボンペーパからなる多孔質基材(厚み200μm、面積12cm、気孔率70体積%)の片面に、上記燃料用触媒スラリー(A)を塗布し乾燥させて厚さ100μmの燃料用触媒層を形成した。また、同様の多孔質基材の片面に、上記酸化剤用触媒スラリーを塗布し乾燥させて厚さ100μmの酸化剤用触媒層を形成した。
[Manufacture of membrane electrode assemblies for fuel cells and fuel cells]
Example 1
The fuel catalyst slurry (A) is applied to one side of a porous base material (thickness: 200 μm, area: 12 cm 2 , porosity: 70% by volume) made of water-repellent treated carbon paper and dried for a fuel with a thickness of 100 μm. A catalyst layer was formed. Moreover, the said oxidizing agent catalyst slurry was apply | coated to one side of the same porous base material, and it was made to dry, and the 100-micrometer-thick oxidizing agent catalyst layer was formed.

次いで、上記燃料用触媒層を形成した多孔質基材および上記酸化剤用触媒層を形成した多孔質基材をそれぞれアノード極およびカソード極として、ペルフルオロスルホン酸塩からなる電解質膜(商品名 ナフィオン112)の両面に、各触媒層を電解質膜側に向けて重ね合わせ、150℃、4MPaで10分間、加熱プレスして膜電極接合体を作製し、さらに、これを用いてパッシブ型のDMFCを製造した。   Next, an electrolyte membrane made of perfluorosulfonate (trade name: Nafion 112) was prepared using the porous substrate on which the fuel catalyst layer was formed and the porous substrate on which the oxidant catalyst layer was formed as an anode electrode and a cathode electrode, respectively. ), The catalyst layers are superimposed on the electrolyte membrane side, heated and pressed at 150 ° C. and 4 MPa for 10 minutes to produce a membrane electrode assembly, and a passive type DMFC is manufactured using this. did.

(実施例2)
燃料用触媒層の形成に、燃料用触媒スラリー(B)を用いた以外は実施例1と同様にして、膜電極接合体を作製し、さらに、これを用いてパッシブ型のDMFCを製造した。
(Example 2)
A membrane electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1 except that the fuel catalyst slurry (B) was used for forming the fuel catalyst layer, and a passive DMFC was produced using the membrane electrode assembly.

(実施例3)
燃料用触媒層の形成に、燃料用触媒スラリー(C)を用いた以外は実施例1と同様にして、膜電極接合体を作製し、さらに、これを用いてパッシブ型のDMFCを製造した。
(Example 3)
A membrane electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1 except that the fuel catalyst slurry (C) was used for forming the fuel catalyst layer, and a passive DMFC was produced using the membrane electrode assembly.

(実施例4)
燃料用触媒層の形成に、燃料用触媒スラリー(D)を用いた以外は実施例1と同様にして、膜電極接合体を作製し、さらに、これを用いてパッシブ型のDMFCを製造した。
Example 4
A membrane electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1 except that the fuel catalyst slurry (D) was used for forming the fuel catalyst layer, and a passive DMFC was produced using the membrane electrode assembly.

(比較例1)
燃料用触媒層の形成に、燃料用触媒スラリー(E)を用いた以外は実施例1と同様にして、膜電極接合体を作製し、さらに、これを用いてパッシブ型のDMFCを製造した。
(Comparative Example 1)
A membrane electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1 except that the fuel catalyst slurry (E) was used for forming the fuel catalyst layer, and a passive DMFC was produced using the membrane electrode assembly.

(比較例2)
燃料用触媒層の形成に、燃料用触媒スラリー(F)を用いた以外は実施例1と同様にして、膜電極接合体を作製し、さらに、これを用いてパッシブ型のDMFCを製造した。
(Comparative Example 2)
A membrane electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1 except that the fuel catalyst slurry (F) was used for forming the fuel catalyst layer, and a passive DMFC was produced using the membrane electrode assembly.

上記各実施例および各比較例で作製されたパッシブ型のDMFCの液体燃料タンクに純メタノールを注入し、温度25℃、相対湿度50%の環境下、電流値を変化させて電流・電圧曲線を測定し、単位面積当たりの最大出力を求めた(初期最大出力)。その後、0.4Vの定電圧を500時間運転させ、再度、電流・電圧曲線を測定し、次式より、出力の維持率を算出した。
維持率(%)=(500時間運転後の最大出力/初期最大出力)×100
これらの結果を、表1に、アノード極の触媒層における固形分量等とともに併せ示す。
Pure methanol was injected into the liquid fuel tank of the passive type DMFC prepared in each of the above Examples and Comparative Examples, and the current / voltage curve was changed by changing the current value in an environment of a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50%. The maximum output per unit area was measured (initial maximum output). Thereafter, a constant voltage of 0.4 V was operated for 500 hours, a current-voltage curve was measured again, and an output maintenance ratio was calculated from the following equation.
Maintenance rate (%) = (maximum output after 500 hours of operation / initial maximum output) × 100
These results are shown in Table 1 together with the solid content in the catalyst layer of the anode electrode.

Figure 2009076246
Figure 2009076246

表1から明らかなように、本発明に係る実施例のなかでも、アノード電極を形成する触媒層の触媒担持カーボン粒子と高分子電解質の質量比が、1:4〜4:1の範囲にある例では、初期出力および出力維持率ともに特に良好な結果が得られた。   As apparent from Table 1, among the examples according to the present invention, the mass ratio of the catalyst-supporting carbon particles and the polymer electrolyte in the catalyst layer forming the anode electrode is in the range of 1: 4 to 4: 1. In the example, particularly good results were obtained for both the initial output and the output maintenance rate.

本発明の一実施形態による燃料電池用膜電極接合体の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the membrane electrode assembly for fuel cells by one Embodiment of this invention. 図1に示す触媒層の断面の一部を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically a part of cross section of the catalyst layer shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

11…アノード触媒層、12…アノードガス拡散層、13…アノード(燃料極)、14…カソード触媒層、15…カソードガス拡散層、16…カソード(空気極)、17…電解質膜、18…膜電極接合体、20…粒子、21…触媒、22…導電性微粒子、23…親水性高分子。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Anode catalyst layer, 12 ... Anode gas diffusion layer, 13 ... Anode (fuel electrode), 14 ... Cathode catalyst layer, 15 ... Cathode gas diffusion layer, 16 ... Cathode (air electrode), 17 ... Electrolyte membrane, 18 ... Membrane Electrode assembly, 20 ... particles, 21 ... catalyst, 22 ... conductive fine particles, 23 ... hydrophilic polymer.

Claims (5)

触媒層を備えた燃料極と、触媒層を備えた酸化剤極と、前記燃料極の触媒層と前記酸化剤極の触媒層とで挟持された電解質膜とを具備する燃料電池用膜電極接合体であって、
前記燃料極および酸化剤極の少なくとも一方の触媒層は、触媒を担持した導電性微粒子と親水性高分子とを含有する懸濁液を噴霧乾燥することにより得られた粒子を含むことを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。
A fuel cell membrane electrode joint comprising: a fuel electrode provided with a catalyst layer; an oxidant electrode provided with a catalyst layer; and an electrolyte membrane sandwiched between the catalyst layer of the fuel electrode and the catalyst layer of the oxidant electrode. Body,
The catalyst layer of at least one of the fuel electrode and the oxidant electrode includes particles obtained by spray-drying a suspension containing conductive fine particles supporting a catalyst and a hydrophilic polymer. A membrane electrode assembly for a fuel cell.
導電性微粒子と親水性高分子の質量比が、20:80〜80:20であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池用膜電極接合体。   The membrane electrode assembly for a fuel cell according to claim 1, wherein the mass ratio of the conductive fine particles to the hydrophilic polymer is 20:80 to 80:20. 乾燥温度が、100〜200℃であることを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池用膜電極接合体。   The membrane electrode assembly for fuel cells according to claim 1 or 2, wherein the drying temperature is 100 to 200 ° C. 触媒層を備えた燃料極と、触媒層を備えた酸化剤極と、前記燃料極の触媒層と前記酸化剤極の触媒層とで挟持された電解質膜とを具備する燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、
触媒を担持した導電性微粒子と親水性高分子とを含有する懸濁液を噴霧乾燥して、触媒を担持した導電性微粒子の表面が親水性高分子の膜で被覆された粒子を得る工程と、
前記粒子を用いて、前記燃料極および酸化剤極の少なくとも一方の触媒層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
A fuel cell membrane electrode joint comprising: a fuel electrode provided with a catalyst layer; an oxidant electrode provided with a catalyst layer; and an electrolyte membrane sandwiched between the catalyst layer of the fuel electrode and the catalyst layer of the oxidant electrode. A method for manufacturing a body,
A step of spray-drying a suspension containing conductive fine particles supporting a catalyst and a hydrophilic polymer to obtain particles in which the surface of the conductive fine particles supporting the catalyst is coated with a hydrophilic polymer film; ,
Forming a catalyst layer of at least one of the fuel electrode and the oxidant electrode using the particles;
A method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell, comprising:
請求項1乃至3のいずれか1項記載の燃料電池用膜電極接合体を具備することを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising the fuel cell membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113228354A (en) * 2018-10-09 2021-08-06 凸版印刷株式会社 Membrane electrode assembly for fuel cell and solid polymer fuel cell

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