JP2009187866A - Membrane-electrode assembly - Google Patents

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Naoki Takehiro
直樹 竹広
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane-electrode assembly for restraining deterioration in an electrolyte membrane caused by platinum separated in the electrolyte membrane and having excellent durability. <P>SOLUTION: In the membrane-electrode assembly having the electrolyte membrane 1 and a catalyst layer arranged on the surface of the electrolyte membrane and containing at least platinum fine particles, a platinum atom 10 is created at random on the electrolyte membrane by making the electrolyte membrane contain gold fine particles 9, and an exposed surface area of the platinum is lessened in a growing process of a platinum particle in comparison with the case that the platinum particle 11 grows. Generation of hydrogen peroxide caused by a catalyst action is restrained as its results, and deterioration in the polymer electrolyte membrane and the other formation members are prevented. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、膜・電極接合体に関する。   The present invention relates to a membrane / electrode assembly.

燃料電池は、電気的に接続された2つの電極に燃料と酸化剤を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。   A fuel cell directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. Unlike thermal power generation, fuel cells are not subject to the Carnot cycle, and thus exhibit high energy conversion efficiency. A fuel cell is usually formed by laminating a plurality of single cells having a basic structure of a membrane / electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes. Among them, a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte membrane has advantages such as easy miniaturization and operation at a low temperature. It is attracting attention as a power source for the body.

固体高分子電解質型燃料電池において、燃料極(アノード)では下記(1)式の反応が進行する。
2 → 2H+ + 2e- ・・・(1)
(1)式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、酸化剤極(カソード)に到達する。そして、(1)式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、電気浸透により固体高分子電解質膜内を燃料極側から酸化剤極側に移動する。
一方、酸化剤極では下記(2)式の反応が進行する。
4H+ + O2 + 4e- → 2H2O ・・・(2)
In the solid polymer electrolyte fuel cell, the reaction of the following formula (1) proceeds at the fuel electrode (anode).
H 2 → 2H + + 2e (1)
The electrons generated by the equation (1) reach the oxidant electrode (cathode) after working with an external load via an external circuit. Then, the proton generated in the formula (1) moves in the solid polymer electrolyte membrane from the fuel electrode side to the oxidant electrode side by electroosmosis while being hydrated with water.
On the other hand, the reaction of the following formula (2) proceeds at the oxidant electrode.
4H + + O 2 + 4e → 2H 2 O (2)

燃料ガスの不足時や燃料電池のアイドル時等、燃料電池の作動環境下、カソード電位が一時的に上昇することがある。このようなカソード電位の変動により、酸化剤極の触媒層に電極触媒として含有される白金は、溶解(Pt2+)する。そして、生成した白金イオンは、プロトン伝導性を有する電解質膜内を拡散し、燃料極から拡散してきた水素ガスにより還元されて白金原子(Pt2+ + H →Pt + 2H)となり、電解質膜内で析出することが知られている。このようにして析出した白金原子は、白金粒子成長の核となり、白金粒子が形成されたり、膜内で凝集し、該凝集体を核として白金粒子が成長すると考えられている。 The cathode potential may rise temporarily under the operating environment of the fuel cell, such as when the fuel gas is insufficient or when the fuel cell is idle. Due to such a change in cathode potential, platinum contained as an electrode catalyst in the catalyst layer of the oxidizer electrode is dissolved (Pt 2+ ). The generated platinum ions diffuse in the electrolyte membrane having proton conductivity and are reduced by the hydrogen gas diffused from the fuel electrode to become platinum atoms (Pt 2+ + H 2 → Pt + 2H + ). It is known to precipitate within. The platinum atoms thus deposited serve as nuclei for platinum particle growth, and platinum particles are formed or aggregated in the film, and it is considered that platinum particles grow using the aggregates as nuclei.

近年、電解質、酸素、水素及び白金の共存状態が、燃料電池の劣化の原因であることがわかってきた。つまり、上記のように電解質膜における白金粒子の析出は、電解質膜やその他燃料電池の構成部材の劣化を招く大きな要因の1つとなる。電解質膜内に白金が析出している状態で、燃料極側から水素ガス及び酸化剤極側から酸素ガスが拡散してくると、該白金の触媒作用によって過酸化水素が生成すると考えられている。過酸化水素は、酸化力が強く、また、酸化力の強いヒドロキシラジカル等のラジカルの生成源でもあり、電解質等の燃料電池構成材料を劣化させる原因物質のひとつである。
電解質、酸素、水素及び白金粒子の共存状態は、電解質膜の種類によっては、燃料電池の運転開始後、十数時間で形成されることも報告されており、燃料電池の長寿命化のためには、この共存状態を回避することが大きな課題となっている。
In recent years, it has been found that the coexistence state of electrolyte, oxygen, hydrogen and platinum is a cause of deterioration of the fuel cell. That is, as described above, precipitation of platinum particles in the electrolyte membrane is one of the major factors that cause deterioration of the electrolyte membrane and other components of the fuel cell. It is considered that hydrogen gas is generated by the catalytic action of platinum when hydrogen gas diffuses from the fuel electrode side and oxygen gas diffuses from the oxidant electrode side while platinum is deposited in the electrolyte membrane. . Hydrogen peroxide has a strong oxidizing power and is a source of radicals such as a hydroxy radical having a strong oxidizing power, and is one of the causative substances that cause deterioration of fuel cell constituent materials such as electrolytes.
It has been reported that the coexistence state of electrolyte, oxygen, hydrogen, and platinum particles is formed in several tens of hours after the start of operation of the fuel cell depending on the type of the electrolyte membrane. Therefore, avoiding this coexistence has become a major issue.

特許文献1には、電解質膜中で析出した白金粒子が凝集して形成される、いわゆる白金バンドの位置を変化させることで、電解質膜の局所的な劣化を防止し、電解質膜及び燃料電池スタックの耐久性を向上させることを目的とした燃料電池の運転方法が記載されている。具体的には、規定のタイミングによって、水素ガスと酸素ガスの分圧比を変化、又は燃料極と酸化剤極の差圧を変化、又は、酸素ガスと水素ガスの湿度を変化させる等して、固体高分子電解質膜中に白金粒子が凝集して形成される白金バンドの位置を変える運転方法が記載されている。   In Patent Document 1, by changing the position of a so-called platinum band formed by aggregation of platinum particles precipitated in an electrolyte membrane, local degradation of the electrolyte membrane is prevented, and the electrolyte membrane and the fuel cell stack A fuel cell operating method for improving the durability of the battery is described. Specifically, by changing the partial pressure ratio between the hydrogen gas and the oxygen gas, changing the differential pressure between the fuel electrode and the oxidant electrode, or changing the humidity of the oxygen gas and the hydrogen gas at a specified timing, An operation method for changing the position of a platinum band formed by aggregation of platinum particles in a solid polymer electrolyte membrane is described.

一方、反応ガスに含まれる不純物やそれに由来するイオン成分、燃料電池の運転に悪影響を与える汚れなどを洗浄する燃料電池システムも提案されている。例えば、特許文献2には、単電池(単セル)を複数積層して構成された燃料電池において、該燃料電池内を複数の領域毎に加湿可能な加湿手段と、前記複数の領域の一部が一時的に過剰湿度の状態となるよう前記加湿手段を制御する加湿制御手段とを備える燃料電池システムが記載されている。特許文献2に記載の技術は、燃料電池内の複数の領域のうちの一部を過剰加湿の状態、つまり、飽和相対湿度を超えた状態とすることにより、凝縮水を生成させ、この凝縮水を利用して燃料電池内の不純物を洗浄するものである。   On the other hand, a fuel cell system that cleans impurities contained in the reaction gas, ion components derived therefrom, and dirt that adversely affects the operation of the fuel cell has also been proposed. For example, Patent Document 2 discloses a fuel cell configured by stacking a plurality of single cells (single cells), humidifying means capable of humidifying the inside of the fuel cell for each of a plurality of regions, and a part of the plurality of regions. Describes a fuel cell system comprising a humidification control means for controlling the humidification means so as to temporarily reach an excessive humidity state. The technique described in Patent Document 2 generates condensed water by setting a part of the plurality of regions in the fuel cell to an excessively humidified state, that is, a state exceeding the saturation relative humidity. Is used to clean impurities in the fuel cell.

特開2006−302578号公報JP 2006-302578 A 特開2003−163023号公報JP 2003-163023 A

しかしながら、特許文献1の手法では、白金原子から白金粒子が形成される位置を変化させることは可能であるが、白金イオンが水素ガスにより還元されて白金原子が析出する位置は変化させることができない。また、本発明者の知見によれば、白金粒子が成長する位置を変化させることによる電解質膜の劣化抑制効果は低い。
また、特許文献2に代表される、凝縮水、キレート剤、電気浸透などを利用した洗浄方法では、イオンや水溶性の低分子を燃料電池から除去することは可能であるが、一旦、電解質膜内に析出したPt原子や粒子を洗浄除去することはできない。
However, in the method of Patent Document 1, it is possible to change the position where platinum particles are formed from platinum atoms, but it is not possible to change the position where platinum ions are reduced by hydrogen gas and platinum atoms are deposited. . Further, according to the knowledge of the present inventor, the effect of suppressing the deterioration of the electrolyte membrane by changing the position where the platinum particles grow is low.
In addition, the cleaning method using condensed water, a chelating agent, electroosmosis and the like represented by Patent Document 2 can remove ions and water-soluble low molecules from the fuel cell. The Pt atoms and particles deposited inside cannot be washed away.

本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、電解質膜内に析出した白金による電解質膜の劣化抑制が可能であり、耐久性に優れた膜・電極接合体を提供することを目的とする。   The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a membrane / electrode assembly that can suppress deterioration of the electrolyte membrane due to platinum deposited in the electrolyte membrane and has excellent durability. To do.

本発明の膜・電極接合体は、電解質膜と、該電解質膜の表面に設けられ、少なくとも白金粒子を含有する触媒層と、を備える膜・電極接合体であって、前記電解質膜が、金微粒子を含有することを特徴とするものである。   The membrane / electrode assembly of the present invention is a membrane / electrode assembly comprising an electrolyte membrane and a catalyst layer provided on the surface of the electrolyte membrane and containing at least platinum particles, wherein the electrolyte membrane is a gold It contains fine particles.

本発明の膜・電極接合体においては、燃料極側から拡散してきた水素ガスによる、電解質膜内の白金イオンの還元反応が、電解質膜内に含有された金微粒子表面で選択的に進行する。すなわち、前記金微粒子を核として、白金粒子が成長する。このように、予め、粒子の成長核となる金微粒子を電解質膜に含有させることによって、電解質膜で無秩序に白金原子が生成し、それらが凝集して白金微粒子を形成したり、白金原子や白金微粒子を核として白金粒子が成長する場合と比較して、白金粒子の成長過程における白金の露出表面積が小さくなる。その結果、白金の触媒作用による過酸化水素の発生が抑制され、高分子電解質膜やその他の構成部材の劣化を防止することができる。   In the membrane / electrode assembly of the present invention, the reduction reaction of platinum ions in the electrolyte membrane by the hydrogen gas diffusing from the fuel electrode side proceeds selectively on the surface of the gold fine particles contained in the electrolyte membrane. That is, platinum particles grow using the gold fine particles as nuclei. In this way, by containing gold fine particles that serve as particle growth nuclei in advance in the electrolyte membrane, platinum atoms are randomly generated in the electrolyte membrane, and they aggregate to form platinum fine particles. Compared with the case where platinum particles grow using fine particles as nuclei, the exposed surface area of platinum in the growth process of platinum particles becomes smaller. As a result, the generation of hydrogen peroxide due to the catalytic action of platinum is suppressed, and deterioration of the polymer electrolyte membrane and other components can be prevented.

金の使用量低減及び電解質膜に金微粒子を分散させる際の金微粒子の安定性の観点から、前記金微粒子は、粒径が20〜200nmであることが好ましい。
また、白金原子を充分に捕獲しつつ、白金粒子の成長過程における白金の露出表面積を抑制する観点から、前記電解質膜は、フッ素系高分子電解質を含有し、且つ、前記金微粒子を0.5〜5個/μm3含有するか、或いは、炭化水素系高分子電解質を含有し、且つ、前記金微粒子を5〜50個/μm3含有することが好ましい。
From the viewpoint of reducing the amount of gold used and the stability of the gold fine particles when the gold fine particles are dispersed in the electrolyte membrane, the gold fine particles preferably have a particle size of 20 to 200 nm.
In addition, from the viewpoint of suppressing the exposed surface area of platinum in the growth process of platinum particles while sufficiently capturing platinum atoms, the electrolyte membrane contains a fluorine-based polymer electrolyte, and the gold fine particles are reduced to 0.5%. It is preferable to contain -5 particles / μm 3 , or a hydrocarbon polymer electrolyte and 5-50 gold particles / μm 3 .

本発明の膜・電極接合体は、電解質膜において析出する白金の露出表面積を小さくすることが可能であるため、電解質膜内における過酸化水素の生成を抑制することができる。従って、電解質膜内で生成する過酸化水素に起因する膜・電極接合体の構成部材、特に、電解質膜の劣化を防止することができる。   Since the membrane / electrode assembly of the present invention can reduce the exposed surface area of platinum deposited on the electrolyte membrane, it is possible to suppress the generation of hydrogen peroxide in the electrolyte membrane. Therefore, it is possible to prevent deterioration of the constituent members of the membrane-electrode assembly, particularly the electrolyte membrane, caused by hydrogen peroxide generated in the electrolyte membrane.

本発明の膜・電極接合体は、電解質膜と、該電解質膜の表面に設けられ、少なくとも白金粒子を含有する触媒層と、を備える膜・電極接合体であって、前記電解質膜が、金微粒子を含有することを特徴とするものである。   The membrane / electrode assembly of the present invention is a membrane / electrode assembly comprising an electrolyte membrane and a catalyst layer provided on the surface of the electrolyte membrane and containing at least platinum particles, wherein the electrolyte membrane is a gold It contains fine particles.

以下、図1〜図2を参照しながら本発明により提供される膜・電極接合体について説明する。図1は、本発明の膜・電極接合体を備える単セルの一形態例を示す断面模式図である。
図1において、単セル100は、高分子電解質膜(以下、単に電解質膜ということがある)1の一面側に燃料極(アノード)2、及び酸化剤極(カソード)3が設けられた膜・電極接合体6を有している。燃料極2は電解質膜1側から順に燃料極側触媒層4a、燃料極側ガス拡散層5aが積層した構成となっている。酸化剤極3も同様に電解質膜1側から順に酸化剤極側触媒層4b、酸化剤極側ガス拡散層5bが積層された構成となっている。
The membrane / electrode assembly provided by the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of a single cell provided with the membrane / electrode assembly of the present invention.
In FIG. 1, a single cell 100 is a membrane in which a fuel electrode (anode) 2 and an oxidant electrode (cathode) 3 are provided on one surface side of a polymer electrolyte membrane (hereinafter sometimes simply referred to as an electrolyte membrane) 1. An electrode assembly 6 is provided. The fuel electrode 2 has a structure in which a fuel electrode side catalyst layer 4a and a fuel electrode side gas diffusion layer 5a are laminated in order from the electrolyte membrane 1 side. Similarly, the oxidant electrode 3 has a configuration in which an oxidant electrode side catalyst layer 4b and an oxidant electrode side gas diffusion layer 5b are laminated in order from the electrolyte membrane 1 side.

膜・電極接合体6は、二つのセパレータ7a、7bで狭持され、単セル100が構成されている。各セパレータ7a、7bは、各反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)の流路を形成する溝が形成されており、各電極2、3の最外面と反応ガスを供給・排出するための流路8a、8bが画成される。燃料極側の流路8aは、燃料ガス(水素を含む又は水素を発生させる気体)を燃料極2に供給及び燃料ガスの未反応分を排出するための流路であり、酸化剤極側の流路8bは、酸化剤ガス(酸素を含む又は酸素を発生させる気体)を酸化剤極3に供給及び酸化剤ガスの未反応分を排出するための流路である。   The membrane / electrode assembly 6 is sandwiched between two separators 7 a and 7 b to constitute a single cell 100. Each separator 7a, 7b is formed with a groove that forms a flow path for each reaction gas (fuel gas, oxidant gas), and a flow for supplying and discharging the reaction gas and the outermost surface of each electrode 2, 3. Paths 8a and 8b are defined. The flow path 8a on the fuel electrode side is a flow path for supplying fuel gas (a gas containing hydrogen or generating hydrogen) to the fuel electrode 2 and discharging unreacted fuel gas, and on the oxidant electrode side. The flow path 8b is a flow path for supplying an oxidant gas (a gas containing oxygen or generating oxygen) to the oxidant electrode 3 and discharging an unreacted portion of the oxidant gas.

尚、図1において、各電極(燃料極、酸化剤極)は、共に、触媒層とガス拡散層とが積層した構造を有しているが、触媒層のみからなる単層構造の他、触媒層とガス拡散層の他に機能層を設けた構造でもよい。   In FIG. 1, each electrode (fuel electrode, oxidant electrode) has a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated. A structure in which a functional layer is provided in addition to the layer and the gas diffusion layer may be used.

図2は、本発明の膜・電極接合体における電解質膜の拡大断面模式図であり、電解質膜1は金微粒子9を含有している。
酸化剤極の電位上昇等によりカソード電位が変動すると、酸化剤極の電極触媒である白金粒子は溶解し、生成した白金イオン(Pt2+)が、濃度勾配により電解質膜内に移動してくる。電解質膜内の白金イオンは、燃料極に供給されて電解質膜内を拡散してきた水素ガスにより還元され、白金原子10となり析出する。このとき、電解質膜1内に金微粒子9を含有する本発明の膜・電極接合体においては、白金原子10の生成は、金微粒子9の表面にて選択的に進行し、該金微粒子9を核として白金粒子11が成長する。
FIG. 2 is an enlarged schematic cross-sectional view of the electrolyte membrane in the membrane / electrode assembly of the present invention. The electrolyte membrane 1 contains gold fine particles 9.
When the cathode potential fluctuates due to an increase in the potential of the oxidant electrode or the like, the platinum particles that are the electrode catalyst for the oxidant electrode are dissolved, and the generated platinum ions (Pt 2+ ) move into the electrolyte membrane due to the concentration gradient. The platinum ions in the electrolyte membrane are reduced by the hydrogen gas that has been supplied to the fuel electrode and diffused in the electrolyte membrane, and precipitates as platinum atoms 10. At this time, in the membrane / electrode assembly of the present invention containing the gold fine particles 9 in the electrolyte membrane 1, the generation of platinum atoms 10 proceeds selectively on the surface of the gold fine particles 9, Platinum particles 11 grow as nuclei.

一方、粒成長の核となる金微粒子が存在しない従来の電解質膜の場合、電解質膜内でそれぞれ生成した白金原子が凝集して安定な核を形成し、該核の表面で白金イオンの還元が進行したり、或いは、白金原子の表面で白金イオンの還元が進行することで、白金粒子が成長する。このような白金原子又は白金原子の凝集体を核とする白金粒子の形成は、粒形成の速度が遅いため、数多くの微小な白金原子やその凝集体、白金粒子が電解質膜内に存在することとなる。   On the other hand, in the case of a conventional electrolyte membrane that does not contain gold fine particles that serve as the nucleus of grain growth, the platinum atoms generated in the electrolyte membrane aggregate to form stable nuclei, and platinum ions are reduced on the surface of the nuclei. Platinum particles grow by progressing or by reducing platinum ions on the surface of platinum atoms. The formation of platinum particles with such platinum atoms or aggregates of platinum atoms as the nucleus is slow in the formation of the grains, so that many minute platinum atoms, aggregates thereof, and platinum particles exist in the electrolyte membrane. It becomes.

これに対して、本発明の膜・電極接合体の電解質膜における上記金微粒子を核とする白金粒子の成長は、該金微粒子が核となること、白金原子の生成が該金微粒子表面において選択的に進行することから、白金粒子の粒成長が速く、粒径の大きな白金粒子が形成される。
すなわち、同量の白金が電解質膜内に存在している場合、金微粒子を含有する本発明に係る電解質膜では、金微粒子を含有しない従来の電解質膜と比較して、白金の露出表面積(比表面積)が小さくなる。白金の露出表面積が小さくなる結果、白金の触媒作用が低下するため、本発明によれば、過酸化水素の生成及び過酸化水素のラジカル生成等、白金の触媒作用による劣化原因物質の生成を抑制することができる。
以上のように、本発明によれば、過酸化水素やラジカルの生成を抑制することが可能であり、これら劣化原因物質による膜・電極接合体の構成材料、特に電解質膜の劣化を抑えることができるため、耐久性に優れた膜・電極接合体を提供することができる。
On the other hand, in the electrolyte membrane of the membrane / electrode assembly of the present invention, the growth of platinum particles with the gold fine particles as the nucleus is selected such that the gold fine particles become the nucleus and the formation of platinum atoms is selected on the surface of the gold fine particles. Therefore, platinum particles grow rapidly and platinum particles having a large particle diameter are formed.
That is, when the same amount of platinum is present in the electrolyte membrane, the electrolyte membrane according to the present invention containing gold fine particles has an exposed surface area (ratio of platinum) as compared with the conventional electrolyte membrane not containing gold fine particles. Surface area) is reduced. As the exposed surface area of platinum is reduced, the catalytic action of platinum is reduced. Therefore, according to the present invention, the generation of deterioration-causing substances due to the catalytic action of platinum, such as the generation of hydrogen peroxide and the generation of hydrogen peroxide radicals, is suppressed. can do.
As described above, according to the present invention, it is possible to suppress the generation of hydrogen peroxide and radicals, and to suppress the deterioration of the constituent materials of the membrane / electrode assembly, particularly the electrolyte membrane, caused by these deterioration-causing substances. Therefore, a membrane / electrode assembly excellent in durability can be provided.

さらには、金と白金が共存する金属微粒子では、微粒子表面が金で覆われる傾向が強いことが知られている(Applied Surface Science.Vol.26, Issue 1, June-July 1986,Pages27-41)。従って、金微粒子を核として、その表面に白金原子が析出した場合には、金微粒子の表面第1層の金原子とその表面に存在する白金原子が入れ替わる可能性がある。この場合、白金の露出表面積をさらに小さくすることができるため、白金の触媒作用がさらに低下し、劣化原因物質生成の抑制効果の向上が期待できる。   Furthermore, it is known that metal fine particles in which gold and platinum coexist have a strong tendency to be covered with gold (Applied Surface Science. Vol. 26, Issue 1, June-July 1986, Pages 27-41). . Accordingly, when platinum atoms are deposited on the surface of the gold fine particles as nuclei, there is a possibility that the gold atoms in the first layer of the gold fine particles and the platinum atoms present on the surface are exchanged. In this case, since the exposed surface area of platinum can be further reduced, the catalytic action of platinum can be further reduced, and an improvement in the effect of suppressing the generation of deterioration-causing substances can be expected.

電解質膜における白金粒子の成長核としては、燃料電池の運転環境における電位範囲(0V〜1.23V)において溶解しないことが望ましく、このような金属としては、金しか存在しないことから、本発明においては金微粒子を用いる。   As a growth nucleus of platinum particles in the electrolyte membrane, it is desirable that the platinum particles do not dissolve in the potential range (0 V to 1.23 V) in the operating environment of the fuel cell, and since only such gold exists as such a metal, Uses gold fine particles.

金微粒子の粒径は、金の使用量低減(コスト低減)及び電解質膜に金微粒子を分散させる際の金微粒子の安定性の観点から、粒径が3〜200nm、特に20〜200nmであることが好ましい。金微粒子の粒径が200nmを超えると金の使用量が増加し、コストが増大するおそれがある。
金微粒子の粒径は、例えば、光散乱法等によって測定することができる。尚、金微粒子の粒径は、一次粒子径でも、二次粒子径でもよい。
The particle size of the gold fine particles is 3 to 200 nm, particularly 20 to 200 nm, from the viewpoint of reducing the amount of gold used (cost reduction) and the stability of the gold fine particles when the gold fine particles are dispersed in the electrolyte membrane. Is preferred. If the particle size of the gold fine particles exceeds 200 nm, the amount of gold used increases and the cost may increase.
The particle size of the gold fine particles can be measured by, for example, a light scattering method. The gold fine particles may have a primary particle size or a secondary particle size.

電解質膜における金微粒子の含有量は、金微粒子の密度が低すぎると、金微粒子が白金粒子の成長核として効果的に作用せず、白金原子を充分に捕獲することができない一方、金微粒子の密度が高すぎると、白金粒子の成長過程における白金の露出表面積を充分に抑制できないおそれがある。このような観点から、電解質膜は金微粒子を0.5〜100個/μm3、特に、0.5〜50個/μm3有することが好ましい。
特に、高分子電解質としてフッ素系高分子電解質を含有する場合には、金微粒子を0.5〜10個/μm3、さらには、0.5〜5個/μm3含有することが好ましく、高分子電解質として炭化水素系高分子電解質を含有する場合には、金微粒子を5〜100個/μm3、さらには、5〜50個/μm3含有することが好ましい。電解質膜に含有される高分子電解質の種類によってガス透過性が異なり、炭化水素系高分子電解質はフッ素系高分子電解質と比較して、ガス遮断性が高い傾向があり、燃料極からの水素ガスの拡散速度が低い。すなわち、炭化水素系高分子電解質を含有する電解質膜は、フッ素系高分子電解質を含有する電解質膜と比較して、白金粒子の速度が遅く、白金粒子成長過程における白金の露出表面積が高くなる。そこで、上記のように、電解質膜に含有される高分子電解質にあわせて、金微粒子の含有量を調節することで、白金原子を充分に捕獲しつつ、白金粒子の成長過程における白金の露出表面積を抑制することができる。
The content of the gold fine particles in the electrolyte membrane is such that if the density of the gold fine particles is too low, the gold fine particles do not act effectively as the growth nuclei of the platinum particles, and the platinum atoms cannot be sufficiently captured. If the density is too high, the exposed surface area of platinum in the growth process of platinum particles may not be sufficiently suppressed. From such a viewpoint, it is preferable that the electrolyte membrane has 0.5 to 100 gold particles / μm 3 , particularly 0.5 to 50 gold particles / μm 3 .
In particular, when containing a fluorine-based polymer electrolyte as the polymer electrolyte, 0.5 to 10 pieces of gold particles / [mu] m 3, more preferably contains 0.5 to 5 pieces / [mu] m 3, high when it contains a hydrocarbon-based polymer electrolyte as a polymer electrolyte is 5 to 100 fine gold particles / [mu] m 3, more preferably it is 3 containing 5 to 50 / [mu] m. Gas permeability varies depending on the type of polymer electrolyte contained in the electrolyte membrane, and hydrocarbon polymer electrolytes tend to have higher gas barrier properties than fluorine polymer electrolytes. Hydrogen gas from the fuel electrode The diffusion rate is low. That is, an electrolyte membrane containing a hydrocarbon-based polymer electrolyte has a slower rate of platinum particles than an electrolyte membrane containing a fluorine-based polymer electrolyte, and the exposed surface area of platinum in the platinum particle growth process is high. Therefore, as described above, by adjusting the content of the gold fine particles according to the polymer electrolyte contained in the electrolyte membrane, the platinum exposed surface area in the growth process of the platinum particles while sufficiently capturing the platinum atoms. Can be suppressed.

金微粒子は、膜全体に均一に分散されていてもよいし、或いは、特定の領域に限定的に配置してもよい。金微粒子の特定領域における配置の具体例としては、例えば、電解質膜の膜厚方向における位置を、カソード側表面を0、アノード側表面を1として特定する場合に、0.1〜0.6の位置に該当する領域に金微粒子を偏在させたり、或いは、予め、同等の構造を有する燃料電池を用いて電解質膜の白金粒子の析出を観察し、白金粒子の析出が観察された領域に金微粒子を偏在させる形態が挙げられる。このように白金粒子の析出が発生しやすい領域に限定的に金微粒子を配置することで、金微粒子の使用量を低減させることができる。   The gold fine particles may be uniformly dispersed throughout the film, or may be limited to a specific region. As a specific example of the arrangement of the gold fine particles in the specific region, for example, when the position in the film thickness direction of the electrolyte membrane is specified as 0 on the cathode side surface and 1 on the anode side surface, 0.1 to 0.6 The gold fine particles are unevenly distributed in the region corresponding to the position, or the precipitation of platinum particles in the electrolyte membrane is observed in advance using a fuel cell having an equivalent structure, and the gold fine particles are observed in the region where the precipitation of platinum particles is observed. The form which makes uneven distribution exist. Thus, the amount of gold fine particles used can be reduced by disposing gold fine particles in a limited area in which precipitation of platinum particles is likely to occur.

金微粒子を含有する電解質膜の製造方法は特に限定されない。例えば、金微粒子を含有する金コロイド溶液は、Turkevich法として知られる手法により、塩化白金酸溶液にクエン酸を加えることで得ることができる。このとき、クエン酸の量を調節することで、金微粒子の粒子径を制御することができる。そして金コロイド溶液を、高分子電解質溶液と混合し、得られる混合液を流延塗布、蒸発乾固することで金微粒子を含有する電解質膜を得ることができる。   The manufacturing method of the electrolyte membrane containing gold fine particles is not particularly limited. For example, a colloidal gold solution containing fine gold particles can be obtained by adding citric acid to a chloroplatinic acid solution by a technique known as the Turkevich method. At this time, the particle diameter of the gold fine particles can be controlled by adjusting the amount of citric acid. Then, the colloidal gold solution is mixed with the polymer electrolyte solution, and the resulting mixed solution is cast-coated and evaporated to dryness to obtain an electrolyte membrane containing gold fine particles.

高分子電解質としては、固体高分子型燃料電池の電解質として利用可能なものを用いることができる。例えば、ナフィオン(商品名)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜等のフッ素系高分子電解質の他、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン等の炭化水素系樹脂にスルホン酸基、リン酸基、カルボキシル基等のイオン交換基を導入した炭化水素系高分子電解質等が挙げられる。   As a polymer electrolyte, what can be used as an electrolyte of a polymer electrolyte fuel cell can be used. For example, in addition to a fluorine-based polymer electrolyte such as a perfluorocarbon sulfonic acid resin film represented by Nafion (trade name), a sulfonic acid group, a hydrocarbon resin such as polyether ketone, polyether ether ketone, and polyether sulfone, Examples thereof include hydrocarbon polymer electrolytes into which ion exchange groups such as phosphate groups and carboxyl groups are introduced.

電解質膜1の両面に設けられる触媒層4は、通常、各電極における電極反応に対して触媒活性を有する電極触媒と電解質材料とを含有する触媒インクを用いて形成される。
電極触媒としては、通常、触媒成分を導電性粒子に担持させたものが用いられる。触媒成分としては、燃料極の燃料の酸化反応又は酸化剤極の酸化剤の還元反応に対して触媒活性を有しているものであればよいが、通常、白金粒子が用いられる。白金粒子としては、純白金の他、白金合金からなるものも含まれる。白金合金としては、ルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、銅、イリジウム、オスミウム等の金属と白金との合金が挙げられる。白金粒子以外の触媒成分を白金粒子と組み合わせて使用してもよい。
触媒担体である導電性粒子としては、カーボンブラック等の炭素粒子や炭素繊維のような導電性炭素材料、金属粒子や金属繊維等の金属材料も用いることができる。
電解質材料としては、電解質膜を構成する高分子電解質として例示したものを用いることができる。
The catalyst layers 4 provided on both surfaces of the electrolyte membrane 1 are usually formed using a catalyst ink containing an electrode catalyst having catalytic activity for an electrode reaction in each electrode and an electrolyte material.
As the electrode catalyst, one in which a catalyst component is supported on conductive particles is usually used. As the catalyst component, any catalyst component may be used as long as it has catalytic activity for the oxidation reaction of the fuel at the fuel electrode or the reduction reaction of the oxidant at the oxidant electrode, but usually platinum particles are used. The platinum particles include those made of a platinum alloy in addition to pure platinum. Examples of the platinum alloy include alloys of platinum and a metal such as ruthenium, iron, nickel, manganese, cobalt, copper, iridium, and osmium. Catalyst components other than platinum particles may be used in combination with platinum particles.
As the conductive particles as the catalyst carrier, carbon particles such as carbon black, conductive carbon materials such as carbon fibers, and metal materials such as metal particles and metal fibers can also be used.
As the electrolyte material, those exemplified as the polymer electrolyte constituting the electrolyte membrane can be used.

触媒インクは上記のような電極触媒と電解質材料とを、溶媒に溶解又は分散させることで得ることができる。触媒インクの溶媒は、適宜選択すればよく、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルスルホキシド(DMSO)等の有機溶媒、又はこれら有機溶媒の混合物やこれら有機溶媒と水との混合物を用いることができる。触媒インクには、電極触媒及び電解質材料以外にも、必要に応じて結着剤や撥水性樹脂等のその他の成分を含有させてもよい。   The catalyst ink can be obtained by dissolving or dispersing the electrode catalyst and the electrolyte material as described above in a solvent. The solvent of the catalyst ink may be appropriately selected. For example, alcohols such as methanol, ethanol and propanol, organic solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and dimethyl sulfoxide (DMSO), or organic solvents such as these Mixtures and mixtures of these organic solvents and water can be used. In addition to the electrode catalyst and the electrolyte material, the catalyst ink may contain other components such as a binder and a water repellent resin as necessary.

触媒層の形成方法は特に限定されず、例えば、触媒インクをガス拡散層となるガス拡散層シートの表面に塗布、乾燥することによって、ガス拡散層表面に触媒層を形成することができる。また、電解質膜表面に触媒インクを塗布、乾燥することによって、電解質膜表面に触媒層を形成することができる。或いは、転写用基材表面に触媒インクを塗布、乾燥することによって、転写シートを作製し、該転写シートを、電解質膜又はガス拡散層シートと熱圧着等により接合することで、電解質膜表面又はガス拡散層表面に触媒層を形成することができる。   The method for forming the catalyst layer is not particularly limited. For example, the catalyst layer can be formed on the surface of the gas diffusion layer by applying and drying the catalyst ink on the surface of the gas diffusion layer sheet serving as the gas diffusion layer. Moreover, a catalyst layer can be formed on the electrolyte membrane surface by applying and drying the catalyst ink on the electrolyte membrane surface. Alternatively, a transfer sheet is prepared by applying and drying a catalyst ink on the surface of the transfer substrate, and the transfer sheet is bonded to the electrolyte film or the gas diffusion layer sheet by thermocompression bonding or the like. A catalyst layer can be formed on the surface of the gas diffusion layer.

その表面に触媒層が形成された電解質膜は、ガス拡散層シートと重ね合わせて熱圧着等し、互いに接合することで、ガス拡散層−触媒層−電解質膜が積層した膜・電極接合体が得られる。また、その表面に触媒層が形成されたガス拡散層シートは、該触媒層をガス拡散層と電解質膜とで挟み込むように、電解質膜と重ね合わせて熱圧着等し、互いに接合することで、ガス拡散層−触媒層−電解質膜が積層した膜・電極接合体が得られる。上記熱圧着における加熱温度、圧力等の具体的な条件は適宜設定すればよい。   The electrolyte membrane with the catalyst layer formed on the surface is superposed on the gas diffusion layer sheet and thermocompression-bonded, and joined together to form a membrane / electrode assembly in which the gas diffusion layer-catalyst layer-electrolyte membrane is laminated. can get. Further, the gas diffusion layer sheet having a catalyst layer formed on the surface thereof is superposed on the electrolyte membrane so that the catalyst layer is sandwiched between the gas diffusion layer and the electrolyte membrane, and is bonded to each other by thermocompression bonding. A membrane / electrode assembly in which a gas diffusion layer-catalyst layer-electrolyte membrane is laminated is obtained. Specific conditions such as heating temperature and pressure in the thermocompression bonding may be set as appropriate.

触媒インクの塗布方法、乾燥方法等は適宜選択することができる。例えば、塗布方法としては、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法などが挙げられる。また、乾燥方法としては、例えば、減圧乾燥、加熱乾燥、減圧加熱乾燥などが挙げられる。減圧乾燥、加熱乾燥における具体的な条件に制限はなく、適宜設定すればよい。
触媒インクの塗布量は、触媒インクの組成や、電極触媒に用いられる触媒金属の触媒性能等によって異なるが、単位面積当りの触媒成分量が、0.1〜2.0mg/cm程度となるようにすればよい。また、触媒層の膜厚は、特に限定されないが、1〜50μm程度とすればよい。
The method for applying the catalyst ink, the drying method, and the like can be selected as appropriate. For example, examples of the coating method include a spray method, a screen printing method, a doctor blade method, a gravure printing method, and a die coating method. Examples of the drying method include reduced-pressure drying, heat drying, and reduced-pressure heat drying. There is no restriction | limiting in the specific conditions in reduced pressure drying and heat drying, What is necessary is just to set suitably.
The amount of catalyst ink applied varies depending on the composition of the catalyst ink and the catalyst performance of the catalyst metal used in the electrode catalyst, but the amount of catalyst component per unit area is about 0.1 to 2.0 mg / cm 2. What should I do? The thickness of the catalyst layer is not particularly limited, but may be about 1 to 50 μm.

ガス拡散層と触媒層の間には、必要に応じて、撥水層を設けることもできる。撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものである。撥水層は、必ずしも必要なものではないが、触媒層及び電解質膜内の水分量を適度に保持しつつ、ガス拡散層の排水性を高めることができる上に、触媒層とガス拡散層間の電気的接触を改善することができるという利点がある。   A water-repellent layer can be provided between the gas diffusion layer and the catalyst layer as necessary. The water-repellent layer usually has a porous structure containing conductive particles such as carbon particles and carbon fibers, water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE), and the like. The water-repellent layer is not always necessary, but it can improve the drainage of the gas diffusion layer while maintaining an appropriate amount of water in the catalyst layer and the electrolyte membrane. There is an advantage that electrical contact can be improved.

ガス拡散層と触媒層の間に撥水層を形成する方法は特に限定されない。例えば、炭素粒子等の導電性粉粒体と撥水性樹脂、及び必要に応じてその他の成分を、エタノール、プロパノール、プロピレングリコール等の有機溶剤、水又はこれらの混合物等の溶剤と混合した撥水層インクを、ガス拡散層シートの触媒層に面する側に塗布し、その後、乾燥及び/又は焼成すればよい。撥水層の厚さは、通常、1〜50μm程度でよい。撥水層インクをガス拡散層シートに塗布する方法としては、例えば、スクリーン印刷法、スプレー法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等が挙げられる。   The method for forming the water repellent layer between the gas diffusion layer and the catalyst layer is not particularly limited. For example, water repellent obtained by mixing conductive particles such as carbon particles, water repellent resin, and other components as necessary with an organic solvent such as ethanol, propanol, propylene glycol, water or a mixture thereof. The layer ink may be applied to the side of the gas diffusion layer sheet facing the catalyst layer, and then dried and / or fired. The thickness of the water repellent layer may usually be about 1 to 50 μm. Examples of the method of applying the water repellent layer ink to the gas diffusion layer sheet include a screen printing method, a spray method, a doctor blade method, a gravure printing method, and a die coating method.

作製された膜・電極接合体は、さらに、セパレータで狭持され、単セルを形成する。セパレータとしては、導電性及びガスシール性を有し、集電体及びガスシール体として機能しうるもの、例えば、炭素繊維を高濃度に含有し、樹脂との複合材からなるカーボンセパレータや、金属材料を用いた金属セパレータ等を用いることができる。金属セパレータとしては、耐腐食性に優れた金属材料からなるものや、表面をカーボンや耐腐食性に優れた金属材料等で被覆し、耐腐食性を高めるコーティングが施されたもの等が挙げられる。   The produced membrane / electrode assembly is further sandwiched between separators to form a single cell. The separator has conductivity and gas sealing properties, and can function as a current collector and gas sealing body, for example, a carbon separator containing a high concentration of carbon fiber and made of a composite material with resin, metal A metal separator using a material can be used. Examples of the metal separator include those made of a metal material excellent in corrosion resistance, and those coated with a coating that enhances the corrosion resistance by coating the surface with carbon or a metal material excellent in corrosion resistance. .

本発明の膜・電極接合体を備える単セルの一形態例を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows one example of a single cell provided with the membrane electrode assembly of this invention. 本発明の膜・電極接合体を構成する電解質膜の拡大断面模式図である。It is an expanded section schematic diagram of an electrolyte membrane which constitutes a membrane electrode assembly of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…電解質膜
2…燃料極(アノード)
3…酸化剤極(カソード)
4a…燃料極側触媒層
4b…酸化剤極側触媒層
5a…燃料極側ガス拡散層
5b…酸化剤極側ガス拡散層
6…膜・電極接合体
7a…燃料極側セパレータ
7b…酸化剤極側セパレータ
8a…燃料極側ガス流路
8b…酸化剤極側ガス流路
9…金微粒子
10…白金原子
11…白金粒子
100…単セル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrolyte membrane 2 ... Fuel electrode (anode)
3 ... Oxidant electrode (cathode)
4a ... Fuel electrode side catalyst layer 4b ... Oxidant electrode side catalyst layer 5a ... Fuel electrode side gas diffusion layer 5b ... Oxidant electrode side gas diffusion layer 6 ... Membrane / electrode assembly 7a ... Fuel electrode side separator 7b ... Oxidant electrode Side separator 8a ... Fuel electrode side gas flow path 8b ... Oxidant electrode side gas flow path 9 ... Gold fine particle 10 ... Platinum atom 11 ... Platinum particle 100 ... Single cell

Claims (3)

電解質膜と、該電解質膜の表面に設けられ、少なくとも白金粒子を含有する触媒層と、を備える膜・電極接合体であって、
前記電解質膜が、金微粒子を含有することを特徴とする、膜・電極接合体。
A membrane-electrode assembly comprising an electrolyte membrane and a catalyst layer provided on the surface of the electrolyte membrane and containing at least platinum particles,
The membrane / electrode assembly, wherein the electrolyte membrane contains gold fine particles.
前記金微粒子は、粒径が20〜200nmである、請求項1に記載の膜・電極接合体。   The membrane / electrode assembly according to claim 1, wherein the gold fine particles have a particle size of 20 to 200 nm. 前記電解質膜は、フッ素系高分子電解質を含有し、且つ、前記金微粒子を0.5〜5個/μm3含有するか、或いは、炭化水素系高分子電解質を含有し、且つ、前記金微粒子を5〜50個/μm3含有する、請求項1又は2に記載の膜・電極接合体。 The electrolyte membrane contains a fluorine polymer electrolyte and contains 0.5 to 5 gold fine particles / μm 3 or contains a hydrocarbon polymer electrolyte and the gold fine particles. The membrane / electrode assembly according to claim 1, wherein 5 to 50 / μm 3 is contained.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2012099118A1 (en) * 2011-01-17 2012-07-26 住友化学株式会社 Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly and fuel cell

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