JP2010140699A - Paste for catalyst layer - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a paste for a catalyst layer which can maintain high power generation efficiency and durability performance by securely preventing generation of fine cracks in coating and drying, can prevent degradation of a catalyst layer coating composition by maintaining a drying temperature after coating the paste for a catalyst layer low so as to reduce a load in a drying process. <P>SOLUTION: The paste for a catalyst layer is for a fuel cell electrode to form a catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell formed mainly of a polymer electrolyte film. The paste for a catalyst layer is made by mixing an organic solvent, which is mixed with water at an optional ratio within a boiling point range of 120-150 °C, with mixture paste containing catalyst support carbon, ion exchange resin, and solvent containing 40 wt.% or more of water, at a ratio of 50-200 pts.wt. to 100 pts.wt. of the catalyst-supporting carbon. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられる電極の触媒層を形成するための燃料電池電極用の触媒層用ペーストに関し、特に、塗膜乾燥時に微細なひび割れを生じて発電効率や耐久性能を低下させることのない触媒層用ペーストに関するものである。   The present invention relates to a catalyst layer paste for a fuel cell electrode for forming a catalyst layer of an electrode used in a polymer electrolyte fuel cell, and in particular, generates fine cracks when the coating film is dried to generate power generation efficiency and durability performance. The present invention relates to a paste for a catalyst layer that does not lower the temperature.

固体高分子型燃料電池においては、高分子電解質膜の両面にカソード側電極及びアノード側電極を形成しており、通常、これらのカソード側電極及びアノード側電極は、白金等の触媒を担持したカーボンブラックとイオン交換樹脂からなる電極触媒層と、カーボンクロスやカーボンペーパー等のカーボン基材に導電性を付与するためのカーボンブラック粉末等と撥水性を付与するためのポリテトラフルオロエチレンディスパージョン等を混練した撥水ペーストを塗布してなるガス拡散層によって構成されている。   In a polymer electrolyte fuel cell, a cathode side electrode and an anode side electrode are formed on both sides of a polymer electrolyte membrane. Usually, the cathode side electrode and the anode side electrode are carbon carrying a catalyst such as platinum. Electrocatalyst layer composed of black and ion exchange resin, carbon black powder for imparting conductivity to carbon substrate such as carbon cloth and carbon paper, and polytetrafluoroethylene dispersion for imparting water repellency The gas diffusion layer is formed by applying a kneaded water repellent paste.

ここで、固体高分子型燃料電池を実用化するためには、電極触媒層を量産する必要があるが、電極触媒層を連続的に製造するために触媒層用ペーストを連続自動塗布して乾燥する場合、従来の触媒層用ペーストでは乾燥塗膜に微細なひび割れを生じ、このひび割れ部分が高分子電解質膜やガス拡散層と接触していないために、発電効率の低下や耐久性能の低下を引き起こしていた。   Here, in order to put the polymer electrolyte fuel cell to practical use, it is necessary to mass-produce the electrode catalyst layer, but in order to continuously produce the electrode catalyst layer, the catalyst layer paste is continuously applied automatically and dried. In the case of the conventional catalyst layer paste, fine cracks are generated in the dried coating film, and this cracked portion is not in contact with the polymer electrolyte membrane or the gas diffusion layer. It was causing.

そこで、特許文献1に開示された発明においては、このひび割れの発生を防止するために、触媒層用ペーストにエチレングリコールを添加している。これによって、触媒層用ペーストの乾燥塗膜に微細なひび割れが生ずるのを確実に防止することができ、発電効率や耐久性能の低下を防ぐことができるとしている。
特開2002−280003号公報
Therefore, in the invention disclosed in Patent Document 1, ethylene glycol is added to the catalyst layer paste in order to prevent the occurrence of cracks. Accordingly, it is possible to surely prevent fine cracks from occurring in the dry coating film of the catalyst layer paste, and to prevent a decrease in power generation efficiency and durability performance.
JP 2002-280003 A

しかしながら、上記特許文献1に記載された技術においては、沸点が198℃と高いエチレングリコールを添加しているために、触媒層用ペーストを塗布してなる塗膜の乾燥温度を150℃以上の高温とする必要があり、かかる高温乾燥によって触媒層塗膜成分が劣化してしまうとともに、触媒層用ペースト塗布後の乾燥工程の負荷も増大するという問題点があった。   However, in the technique described in Patent Document 1, since ethylene glycol having a high boiling point of 198 ° C. is added, the drying temperature of the coating film formed by applying the catalyst layer paste is set to a high temperature of 150 ° C. or higher. The catalyst layer coating film component deteriorates due to such high temperature drying, and the load of the drying process after application of the catalyst layer paste increases.

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであって、塗膜乾燥時における微細なひび割れの発生を確実に防止して発電効率や耐久性能を高く維持することができるとともに、触媒層用ペースト塗布後の乾燥温度を低温に保つことによって、触媒層塗膜成分の劣化を防止し、乾燥工程の負荷も低減することができる触媒層用ペーストの提供を目的とするものである。   Therefore, the present invention has been made to solve such problems, and can reliably prevent generation of fine cracks during drying of the coating film and maintain high power generation efficiency and durability performance, An object of the present invention is to provide a catalyst layer paste that can prevent deterioration of the catalyst layer coating film component and reduce the load of the drying step by keeping the drying temperature after coating the layer paste at a low temperature.

請求項1の発明に係る触媒層用ペーストは、高分子電解質膜を中心として構成される固体高分子型燃料電池の触媒層を形成するための燃料電池電極用の触媒層用ペーストであって、触媒担持カーボンと、イオン交換樹脂と、水を40重量%以上含む溶媒とを含有する混合ペーストに、沸点が120℃〜150℃の範囲内であって水と自由な割合で混合する有機溶媒を、前記触媒担持カーボン100重量部に対して50重量部〜200重量部の割合で混合してなるものである。   The paste for a catalyst layer according to the invention of claim 1 is a paste for a catalyst layer for a fuel cell electrode for forming a catalyst layer of a solid polymer type fuel cell constituted mainly by a polymer electrolyte membrane, An organic solvent that has a boiling point in the range of 120 ° C. to 150 ° C. and is mixed with water at a free ratio to a mixed paste containing catalyst-supporting carbon, an ion exchange resin, and a solvent containing 40% by weight or more of water. , And 50 parts by weight to 200 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the catalyst-supporting carbon.

ここで、「沸点が120℃〜150℃の範囲内であって水と自由な割合で混合する有機溶媒」としては、例えば、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノn−プロピルエーテル、等のプロピレングリコールモノアルキルエーテル、等がある。   Here, examples of the “organic solvent having a boiling point within the range of 120 ° C. to 150 ° C. and mixed with water at a free ratio” include propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether, propylene glycol mono n-propyl. And propylene glycol monoalkyl ethers such as ether.

請求項2の発明に係る触媒層用ペーストは、請求項1の構成において、前記混合ペーストにおいて、前記触媒担持カーボンと前記イオン交換樹脂と前記溶媒との混合比は、前記触媒担持カーボンが5重量%〜15重量%の範囲内、前記イオン交換樹脂が2重量%〜10重量%の範囲内、前記溶媒が75重量%〜93重量%の範囲内であるものである。   The catalyst layer paste according to the invention of claim 2 is the structure of claim 1, wherein the mixing ratio of the catalyst-carrying carbon, the ion-exchange resin, and the solvent is 5% by weight of the catalyst-carrying carbon. % To 15% by weight, the ion exchange resin in the range of 2% to 10% by weight, and the solvent in the range of 75% to 93% by weight.

ここで、「溶媒」には、触媒担持カーボンやイオン交換樹脂が溶液を含む状態で混合される場合には、それらの溶液をも含むものとする。   Here, when the catalyst-supporting carbon and the ion exchange resin are mixed in a state including a solution, the “solvent” includes those solutions.

請求項3の発明に係る触媒層用ペーストは、請求項1または請求項2の構成において、前記混合ペーストの溶媒はその80重量%以上が水とエタノールとの混合物であり、かつ、その40重量%〜60重量%の範囲内が水であるものである。   The catalyst layer paste according to the invention of claim 3 is the structure of claim 1 or claim 2, wherein 80% by weight or more of the solvent of the mixed paste is a mixture of water and ethanol, and 40% by weight. % To 60% by weight is water.

請求項1に係る発明においては、触媒担持カーボンと、イオン交換樹脂と、水を40重量%以上含む溶媒とを含有する混合ペーストに、沸点が120℃〜150℃の範囲内の有機溶媒を混合することによって、触媒層用ペーストを塗布してなる塗膜を乾燥する際に、ひび割れが発生する事態を確実に防止することができ、当該有機溶媒は水と自由な割合で混合することからも、触媒層用ペーストの均一性・安定性・塗工性を損なうことがなく、乾燥時のひび割れの原因となることもない。   In the invention according to claim 1, an organic solvent having a boiling point in the range of 120 ° C. to 150 ° C. is mixed with a mixed paste containing catalyst-supporting carbon, an ion exchange resin, and a solvent containing 40% by weight or more of water. Thus, when drying the coating film formed by applying the catalyst layer paste, it is possible to reliably prevent the occurrence of cracks, and the organic solvent is also mixed with water in a free ratio. In addition, the uniformity, stability, and coatability of the catalyst layer paste are not impaired, and it does not cause cracks during drying.

そして、当該有機溶媒は沸点が120℃〜150℃の範囲内であることから、100℃程度の加熱条件下で乾燥させることができるため、エチレングリコールを添加した上記特許文献1に係る発明の場合のように、高温乾燥が必要となって高温によって触媒層塗膜成分が劣化してしまう恐れも全くなく、触媒層用ペースト塗布後の乾燥工程の負荷が増大することもない。   And since the said organic solvent has a boiling point in the range of 120 degreeC-150 degreeC, since it can be dried on the heating conditions of about 100 degreeC, in the case of the invention which concerns on the said patent document 1 which added ethylene glycol Thus, there is no possibility that the high temperature drying is required and the catalyst layer coating film component is deteriorated by the high temperature, and the load of the drying process after the application of the catalyst layer paste is not increased.

更に、本発明者は、かかる有機溶媒に特有の効果を得るための添加量について鋭意実験研究を積み重ねた結果、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂と溶媒とを含有する混合ペーストに添加するに際して、触媒担持カーボン100重量部に対してかかる有機溶媒を50重量部〜200重量部の割合で混合することによって、乾燥時のひび割れの発生を確実に防止できるとともに100℃程度の低温で完全に乾燥できることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成したものである。   Furthermore, as a result of accumulating earnest experimental research on the addition amount for obtaining an effect specific to such an organic solvent, the present inventor has found that when adding to a mixed paste containing a catalyst-supporting carbon, an ion exchange resin, and a solvent, By mixing 50 parts by weight to 200 parts by weight of the organic solvent with respect to 100 parts by weight of the supported carbon, it is possible to reliably prevent cracks during drying and to completely dry at a low temperature of about 100 ° C. The present invention has been completed based on the finding and this finding.

すなわち、触媒担持カーボン100重量部に対して有機溶媒の添加量が50重量部未満であると、溶媒より沸点が高い有機溶媒の添加による乾燥時のひび割れ防止効果を十分に得ることができず、他方、触媒担持カーボン100重量部に対して有機溶媒の添加量が200重量部を超えると、混合ペーストの溶媒より沸点が高い有機溶媒の乾燥に時間が掛かって好ましくない。したがって、触媒担持カーボン100重量部に対する有機溶媒の添加量は、50重量部〜200重量部の割合であることが好ましい。   That is, if the addition amount of the organic solvent is less than 50 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the catalyst-supporting carbon, it is not possible to sufficiently obtain the cracking prevention effect during drying due to the addition of the organic solvent having a boiling point higher than that of the solvent. On the other hand, when the addition amount of the organic solvent exceeds 200 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the catalyst-supporting carbon, it is not preferable because it takes time to dry the organic solvent having a higher boiling point than the solvent of the mixed paste. Therefore, the amount of the organic solvent added to 100 parts by weight of the catalyst-carrying carbon is preferably 50 to 200 parts by weight.

このようにして、塗膜乾燥時における微細なひび割れの発生を確実に防止して発電効率や耐久性能を高く維持することができるとともに、触媒層用ペースト塗布後の乾燥温度を低温に保つことによって、触媒層塗膜成分の劣化を防止し、乾燥工程の負荷も低減することができる触媒層用ペーストとなる。   In this way, it is possible to reliably prevent generation of fine cracks during drying of the coating film and maintain high power generation efficiency and durability performance, and by keeping the drying temperature after applying the catalyst layer paste at a low temperature. Thus, the catalyst layer paste can be prevented from deterioration of the coating component of the catalyst layer and the load of the drying process can be reduced.

請求項2に係る発明においては、混合ペーストにおいて、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂と溶媒との混合比が、触媒担持カーボンが5重量%〜15重量%の範囲内、イオン交換樹脂が2重量%〜10重量%の範囲内、溶媒が75重量%〜93重量%の範囲内である。   In the invention according to claim 2, in the mixed paste, the mixing ratio of the catalyst-carrying carbon, the ion exchange resin and the solvent is within the range of 5 to 15% by weight of the catalyst-carrying carbon and 2% by weight of the ion exchange resin. The solvent is in the range of 10% by weight and the solvent is in the range of 75% by weight to 93% by weight.

本発明者は、混合ペーストにおける触媒担持カーボンとイオン交換樹脂と溶媒との混合比について、鋭意実験研究を積み重ねた結果、触媒担持カーボンが5重量%〜15重量%の範囲内、イオン交換樹脂が2重量%〜10重量%の範囲内、溶媒が75重量%〜93重量%の範囲内である場合に、乾燥時のひび割れの発生を確実に防止できるとともに塗工性にも優れ、更に請求項1に係る発明の効果に加えて、より高効率の固体高分子型燃料電池を得ることができることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成したものである。   The present inventor has conducted extensive experimental research on the mixing ratio of the catalyst-carrying carbon, the ion-exchange resin, and the solvent in the mixed paste. As a result, the catalyst-carrying carbon is in the range of 5 to 15% by weight, and the ion-exchange resin is When the solvent is in the range of 2 wt% to 10 wt% and the solvent is in the range of 75 wt% to 93 wt%, it is possible to reliably prevent the occurrence of cracks during drying and to have excellent coating properties, and further, In addition to the effect of the invention according to No. 1, it has been found that a more efficient polymer electrolyte fuel cell can be obtained, and the present invention has been completed based on this finding.

請求項3に係る発明においては、触媒層用ペーストは、混合ペーストの溶媒の80重量%以上が水とエタノールとの混合物であり、かつ、その40重量%〜60重量%の範囲内が水である。   In the invention according to claim 3, in the catalyst layer paste, 80% by weight or more of the solvent of the mixed paste is a mixture of water and ethanol, and the range of 40% by weight to 60% by weight is water. is there.

本発明者は、混合ペーストにおける溶媒の組成について、鋭意実験研究を積み重ねた結果、混合ペーストの溶媒の80重量%以上が水とエタノールとの混合物であり、かつ、その40重量%〜60重量%の範囲内が水である場合に、乾燥時のひび割れの発生を確実に防止できるとともに塗工性にも優れ、更に請求項1または請求項2に係る発明の効果に加えて、より高効率の固体高分子型燃料電池を得ることができることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成したものである。   As a result of accumulating extensive experimental research on the composition of the solvent in the mixed paste, the present inventor found that 80% by weight or more of the solvent in the mixed paste is a mixture of water and ethanol, and 40% to 60% by weight of the mixture. In the case where the water content is water, it is possible to reliably prevent the occurrence of cracks during drying and to be excellent in coating properties, and in addition to the effect of the invention according to claim 1 or claim 2, The present inventors have found that a polymer electrolyte fuel cell can be obtained, and have completed the present invention based on this finding.

以下、本発明の実施の形態に係る固体高分子型燃料電池電極に使用される触媒層用ペースト、及びその製造方法について説明する。   Hereinafter, a paste for a catalyst layer used for a polymer electrolyte fuel cell electrode according to an embodiment of the present invention and a method for producing the same will be described.

まず、本発明の実施の形態に係る触媒層用ペーストの元になる、混合ペーストの配合について説明する。本実施の形態に係る触媒層用ペーストの元になる混合ペーストは、触媒担持カーボンとしてのPt(白金)50%担持カーボンブラック、成分20%イオン交換樹脂溶液としての和光純薬(株)製の20%Nafionディスパージョン、溶媒としての蒸留水及びエタノールを含有するペースト状混合物である。本実施の形態に係る触媒層用ペーストの元になる混合ペーストの配合を、表1に示す。   First, blending of the mixed paste, which is the basis of the catalyst layer paste according to the embodiment of the present invention, will be described. The mixed paste used as the base of the catalyst layer paste according to the present embodiment is made of 50% Pt (platinum) -supported carbon black as catalyst-supported carbon, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. as a component 20% ion-exchange resin solution. It is a paste-like mixture containing 20% Nafion dispersion, distilled water as a solvent and ethanol. Table 1 shows the composition of the mixed paste that is the basis of the catalyst layer paste according to the present embodiment.

Figure 2010140699
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次に、本実施の形態に係る触媒層用ペーストの製造方法について、説明する。最初に、Pt50%担持カーボンブラック、20%Nafionディスパージョン、蒸留水及びエタノールを、表1の配合にしたがって計量・配合し、ディスパーによって攪拌した後、超音波ホモジナイザーで分酸処理を行なった。こうして製造した混合ペーストに、実施例1として有機溶媒Aを、実施例2として有機溶媒Bを、実施例3として有機溶媒Cを、それぞれ混合することによって、本実施の形態に係る三種類の触媒層用ペーストを製造した。   Next, the manufacturing method of the paste for catalyst layers concerning this Embodiment is demonstrated. First, 50% Pt-supported carbon black, 20% Nafion dispersion, distilled water and ethanol were weighed and blended according to the blending in Table 1, stirred with a disperser, and then subjected to a split acid treatment with an ultrasonic homogenizer. Three kinds of catalysts according to the present embodiment are prepared by mixing the organic solvent A as Example 1, the organic solvent B as Example 2, and the organic solvent C as Example 3 into the mixed paste thus manufactured. A layer paste was produced.

また、比較のために、同様にして製造した混合ペーストに、比較例1乃至比較例8として有機溶媒D乃至Kをそれぞれ混合することによって、また比較例9として有機溶媒を何も添加しないことによって、比較例1乃至比較例9に係る触媒層用ペーストを製造した。実施例1乃至実施例3及び比較例1乃至比較例9に係る触媒層用ペーストの配合内容について、表2の上段にまとめて示す。   Further, for comparison, by mixing organic solvents D to K as Comparative Examples 1 to 8, respectively, and adding no organic solvent as Comparative Example 9 to the mixed pastes produced in the same manner. The catalyst layer pastes according to Comparative Examples 1 to 9 were manufactured. The contents of the catalyst layer pastes according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 9 are summarized in the upper part of Table 2.

Figure 2010140699
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ここで、有機溶媒の水(H2O)への溶解性において、「完溶」とは、有機溶媒と水とが任意の割合で混ざり合うことをいう。また、有機溶媒A乃至Kの内容については、表2の下に示されている。これらの実施例1乃至実施例3及び比較例1乃至比較例9に係る触媒層用ペーストについて、乾燥性及びひび割れ防止性についての評価試験を実施した。 Here, in the solubility of the organic solvent in water (H 2 O), “complete dissolution” means that the organic solvent and water are mixed at an arbitrary ratio. The contents of the organic solvents A to K are shown below Table 2. The catalyst layer pastes according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 9 were subjected to evaluation tests for drying properties and crack prevention properties.

乾燥性の評価方法としては、具体的には、撥水処理を行なった拡散層上に、Pt担持量が1mg/cm2 となるように触媒層用ペーストをアプリケーターで塗布し、内部温度を80℃及び100℃に設定した乾燥機内で30分間乾燥を行い、触媒塗膜を形成した。この触媒塗膜を、100℃,3KPaの真空乾燥機を用いて8時間の追加乾燥を行なって、減量が見られないもの(すなわち、真空乾燥前に完全に乾燥しているもの)を○と評価し、減量が見られたものを×と評価した。 Specifically, the drying property was evaluated by applying a catalyst layer paste with an applicator so that the amount of Pt supported was 1 mg / cm 2 on the water-repellent diffusion layer, and the internal temperature was 80 Drying was carried out for 30 minutes in a dryer set at ℃ and 100 ℃ to form a catalyst coating film. The catalyst coating film was additionally dried for 8 hours using a vacuum dryer at 100 ° C. and 3 KPa, and a film showing no weight loss (that is, a film completely dried before vacuum drying) was marked with ○. Evaluation was made, and a weight loss was evaluated as x.

また、ひび割れ防止性の評価方法としては、具体的には、撥水処理を行なった拡散層上に、Pt担持量が1mg/cm2 となるように触媒層用ペーストをアプリケーターで塗布し、内部温度を100℃に設定した乾燥機内で30分間乾燥を行い、触媒塗膜を形成した。この触媒塗膜について、対物レンズ10倍×対眼レンズ10倍の金属顕微鏡で表面観察を行い、ひび割れが見られないものを○と評価し、ひび割れが見られたものを×と評価した。乾燥性及びひび割れ防止性についての評価結果を、表2の下段に示す。 Further, as an evaluation method for crack prevention, specifically, a catalyst layer paste was applied with an applicator so that the amount of Pt supported was 1 mg / cm 2 on the diffusion layer subjected to the water repellent treatment. Drying was performed for 30 minutes in a dryer set at a temperature of 100 ° C. to form a catalyst coating film. The surface of the catalyst coating film was observed with a metal microscope of 10 times objective lens × 10 times eye lens, and the case where no crack was observed was evaluated as “good”, and the case where crack was observed was evaluated as “poor”. The evaluation results on the drying property and cracking prevention property are shown in the lower part of Table 2.

ここで、「触媒*0.2添加」とは、触媒であるPt50%担持カーボンブラックの重量1に対して有機溶媒を重量0.2添加、すなわち、本実施の形態においては表1に示されるように、Pt50%担持カーボンブラックを10g使用しているので、有機溶媒を2g添加したもの、という意味である。以下、同様に、「触媒*0.5添加」とはPt50%担持カーボンブラック10gに対して有機溶媒を5g添加したもの、「触媒*1添加」とはPt50%担持カーボンブラック10gに対して有機溶媒を10g添加したもの、「触媒*2添加」とはPt50%担持カーボンブラック10gに対して有機溶媒を20g添加したもの、である。   Here, “addition of catalyst * 0.2” means that 0.2 weight of organic solvent is added to 1 weight of Pt 50% supported carbon black as a catalyst, that is, Table 1 shows in this embodiment. Thus, 10 g of Pt 50% supported carbon black is used, meaning that 2 g of an organic solvent is added. Hereinafter, similarly, “addition of catalyst * 0.5” means that 5 g of an organic solvent is added to 10 g of Pt 50% supported carbon black, and “addition of catalyst * 1” means organic for 10 g of Pt 50% supported carbon black. “Addition of 10 g of solvent”, “addition of catalyst * 2” means addition of 20 g of organic solvent to 10 g of Pt 50% supported carbon black.

表2の下段に示されるように、本実施の形態に係る実施例1においては、乾燥性については、80℃で30分間乾燥したものも100℃で30分間乾燥したものも○の評価であり、ひび割れ防止性については、有機溶媒Aを2g添加したものについてはひび割れが見られて×の評価であったが、有機溶媒Aを5g,10g,20g添加したものについては、いずれも○の評価であった。   As shown in the lower part of Table 2, in Example 1 according to the present embodiment, the dryness is evaluated as ◯ for those dried at 80 ° C. for 30 minutes and those dried at 100 ° C. for 30 minutes. As for crack prevention, cracks were observed for those added with 2 g of the organic solvent A, and the evaluation was x, but for those added with 5 g, 10 g, and 20 g of the organic solvent A, all were evaluated as ◯. Met.

また、本実施の形態に係る実施例2においては、乾燥性については、80℃で30分間乾燥したものも100℃で30分間乾燥したものも○の評価であり、ひび割れ防止性については、有機溶媒Bを2g添加したものについてはひび割れが見られて×の評価であったが、有機溶媒Bを5g,10g,20g添加したものについては、いずれも○の評価であった。   Moreover, in Example 2 which concerns on this Embodiment, about dryability, what was dried for 30 minutes at 80 degreeC and what was dried for 30 minutes at 100 degreeC are evaluation of (circle), and about crack prevention property, it is organic. Cracks were observed for those added with 2 g of solvent B, and the evaluation was x. However, those with addition of 5 g, 10 g, and 20 g of organic solvent B were all evaluated as o.

更に、本実施の形態に係る実施例3においては、乾燥性については、80℃で30分間乾燥したものについては100℃,3KPaの真空乾燥で減量が見られて×の評価であったが、100℃で30分間乾燥したものについては○の評価であった。これは、有機溶媒Cの沸点が150℃であることから、有機溶媒A,Bに比較して乾燥し難いためと考えられる。ひび割れ防止性については、有機溶媒Cを2g添加したものについてはひび割れが見られて×の評価であったが、有機溶媒Cを5g,10g,20g添加したものについては、いずれも○の評価であった。   Furthermore, in Example 3 which concerns on this Embodiment, about the drying property, about what was dried for 30 minutes at 80 degreeC, the weight loss was seen by vacuum drying of 100 degreeC and 3 KPa, but it was evaluation of x. What was dried for 30 minutes at 100 degreeC was evaluation of (circle). This is thought to be because the boiling point of the organic solvent C is 150 ° C., so that it is difficult to dry compared to the organic solvents A and B. For crack prevention, cracks were observed for those added with 2 g of the organic solvent C, and the evaluation was x, but for those added with 5 g, 10 g, and 20 g of the organic solvent C, all were evaluated as ○. there were.

これらの本実施の形態に係る実施例1乃至実施例3の評価結果より、有機溶媒は「触媒*0.5添加」以上必要であること、すなわちPt50%担持カーボンブラック100重量部に対して、有機溶媒を50重量部以上添加しないと、ひび割れ防止の効果が確実に得られないことが明らかとなった。   From the evaluation results of Examples 1 to 3 according to the present embodiment, the organic solvent needs to be “addition of catalyst * 0.5” or more, that is, with respect to 100 parts by weight of Pt 50% supported carbon black. It has been clarified that the effect of preventing cracks cannot be reliably obtained unless 50 parts by weight or more of the organic solvent is added.

これに対して、比較例1乃至比較例9の触媒層用ペーストについては、比較例1乃至比較例3の触媒層用ペーストの場合には、有機溶媒D,E,Fの沸点がそれぞれ97℃,108℃,118℃と低いため、乾燥性については80℃で30分間乾燥したものも100℃で30分間乾燥したものも○の評価であるが、ひび割れ防止性については、全ての項目についてひび割れが観察されて、×の評価となった。   In contrast, for the catalyst layer pastes of Comparative Examples 1 to 9, the boiling points of the organic solvents D, E, and F were 97 ° C. in the case of the catalyst layer pastes of Comparative Examples 1 to 3, respectively. , 108 ° C and 118 ° C are low, so the dryness is evaluated as ○ for both those dried at 80 ° C for 30 minutes and those dried at 100 ° C for 30 minutes, but the crack prevention property is cracked for all items. Was observed, and was evaluated as x.

同様に、比較例4の触媒層用ペーストの場合には、乾燥性については、80℃で30分間乾燥したものについては100℃,3KPaの真空乾燥で減量が見られて×の評価であったが、100℃で30分間乾燥したものについては○の評価であった。これは、有機溶媒Gの沸点が146℃であるためと考えられる。しかし、ひび割れ防止性については、全ての項目についてひび割れが観察されて、×の評価となった。   Similarly, in the case of the catalyst layer paste of Comparative Example 4, the drying property was evaluated as x when the weight was reduced by vacuum drying at 100 ° C. and 3 KPa for those dried at 80 ° C. for 30 minutes. However, what was dried for 30 minutes at 100 degreeC was evaluation of (circle). This is presumably because the boiling point of the organic solvent G is 146 ° C. However, with regard to crack prevention, cracks were observed for all items, and the evaluation was x.

また、比較例9の触媒層用ペーストの場合には、有機溶媒を添加していない従来例であるため、当然のことながら、乾燥性については80℃で30分間乾燥したものも100℃で30分間乾燥したものも○の評価であるが、ひび割れ防止性については、全ての項目についてひび割れが観察されて、×の評価となった。   Further, in the case of the catalyst layer paste of Comparative Example 9, since it is a conventional example in which no organic solvent is added, as a matter of course, the dryness is 30 ° C. for 30 minutes at 100 ° C. Although the thing dried for minutes was also evaluated as (circle), about the crack prevention property, the crack was observed about all the items and it became evaluation of x.

一方、比較例5乃至比較例8の触媒層用ペーストの場合には、有機溶媒H,I,J,Kの沸点がそれぞれ169℃,170℃,187℃,198℃と高いため、ひび割れ防止性については、比較例6を除いて、有機溶媒を5g,10g,20g添加したものについては、いずれも○の評価で、ひび割れ防止の効果が見られた。しかし、乾燥性については80℃で30分間乾燥したものも100℃で30分間乾燥したものも、全て×の評価であった。   On the other hand, in the case of the catalyst layer pastes of Comparative Examples 5 to 8, the organic solvents H, I, J, and K have high boiling points of 169 ° C., 170 ° C., 187 ° C., and 198 ° C., respectively. For Comparative Example 6, except for Comparative Example 6, the addition of 5 g, 10 g, and 20 g of the organic solvent was evaluated as “Good”, and the effect of preventing cracking was observed. However, the dryness was evaluated as x for both those dried at 80 ° C. for 30 minutes and those dried at 100 ° C. for 30 minutes.

以上の評価結果から、表2の最下段に示されるように、本実施の形態の実施例1乃至実施例3に係る触媒層用ペーストにおいては、総合判定で○の評価となって、十分な実用性を有することが明らかとなった。これに対して、比較例1乃至比較例9の触媒層用ペーストについては、総合判定で×の評価となった。   From the above evaluation results, as shown in the bottom row of Table 2, in the catalyst layer pastes according to Examples 1 to 3 of the present embodiment, the overall judgment is evaluated as “good” and sufficient. It became clear that it has practicality. In contrast, the catalyst layer pastes of Comparative Examples 1 to 9 were evaluated as x in the overall judgment.

このようにして、本実施の形態の実施例1乃至実施例3に係る触媒層用ペーストにおいては、塗膜乾燥時における微細なひび割れの発生を確実に防止して発電効率や耐久性能を高く維持することができるとともに、触媒層用ペースト塗布後の乾燥温度を低温に保つことによって、触媒層塗膜成分の劣化を防止し、乾燥工程の負荷も低減することができる。   In this way, in the catalyst layer paste according to Examples 1 to 3 of the present embodiment, generation of fine cracks during drying of the coating film is surely prevented, and power generation efficiency and durability performance are maintained high. In addition, by maintaining the drying temperature after applying the catalyst layer paste at a low temperature, deterioration of the catalyst layer coating film component can be prevented and the load of the drying process can be reduced.

本実施の形態においては、触媒担持カーボンとしてPt(白金)50%担持カーボンブラックを、イオン交換樹脂として和光純薬(株)製の20%Nafionディスパージョンを、溶媒として蒸留水及びエタノールを用いた場合について説明したが、触媒担持カーボン、イオン交換樹脂、溶媒としては、これらに限られるものではない。   In this embodiment, Pt (platinum) 50% supported carbon black is used as the catalyst-supported carbon, 20% Nafion dispersion manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. is used as the ion exchange resin, and distilled water and ethanol are used as the solvent. Although the case has been described, the catalyst-supporting carbon, the ion exchange resin, and the solvent are not limited to these.

また、本実施の形態においては、有機溶媒としてプロピレングリコールモノメチルエーテル(A)、プロピレングリコールモノエチルエーテル(B)、プロピレングリコールモノn−プロピルエーテル(C)を使用した場合について説明したが、本発明に用いられる有機溶媒としては、これらのプロピレングリコールモノアルキルエーテルに限られるものではなく、「沸点が120℃〜150℃の範囲内であって水と自由な割合で混合する有機溶媒」という条件を満たすものであれば、種々の有機溶媒を用いることができる。   In the present embodiment, the case where propylene glycol monomethyl ether (A), propylene glycol monoethyl ether (B), propylene glycol mono n-propyl ether (C) is used as the organic solvent has been described. The organic solvent used in the above is not limited to these propylene glycol monoalkyl ethers, and the condition that “the organic solvent has a boiling point in the range of 120 ° C. to 150 ° C. and is mixed with water in a free ratio” is used. Various organic solvents can be used as long as they satisfy the requirements.

本発明を実施するに際しては、触媒層用ペーストのその他の構成、成分、材料、配合、形状、大きさ、製造方法等についても、本実施の形態に限定されるものではない。なお、本発明の実施の形態で挙げている数値は、その全てが臨界値を示すものではなく、ある数値は実施に好適な好適値を示すものであるから、上記数値を若干変更してもその実施を否定するものではない。   In carrying out the present invention, other configurations, components, materials, blending, shapes, sizes, manufacturing methods, and the like of the catalyst layer paste are not limited to the present embodiment. Note that the numerical values given in the embodiments of the present invention are not all critical values, and certain numerical values indicate preferred values suitable for implementation, so even if the numerical values are slightly changed. The implementation is not denied.

Claims (3)

高分子電解質膜を中心として構成される固体高分子型燃料電池の触媒層を形成するための燃料電池電極用の触媒層用ペーストであって、
触媒担持カーボンと、イオン交換樹脂と、水を40重量%以上含む溶媒とを含有する混合ペーストに、沸点が120℃〜150℃の範囲内であって水と自由な割合で混合する有機溶媒を、前記触媒担持カーボン100重量部に対して50重量部〜200重量部の割合で混合してなることを特徴とする触媒層用ペースト。
A catalyst layer paste for a fuel cell electrode for forming a catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell composed mainly of a polymer electrolyte membrane,
An organic solvent that has a boiling point in the range of 120 ° C. to 150 ° C. and is mixed with water at a free ratio to a mixed paste containing catalyst-supporting carbon, an ion exchange resin, and a solvent containing 40% by weight or more of water. The catalyst layer paste is a mixture of 50 parts by weight to 200 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the catalyst-supporting carbon.
前記混合ペーストにおいて、前記触媒担持カーボンと前記イオン交換樹脂と前記溶媒との混合比は、前記触媒担持カーボンが5重量%〜15重量%の範囲内、前記イオン交換樹脂が2重量%〜10重量%の範囲内、前記溶媒が75重量%〜93重量%の範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の触媒層用ペースト。   In the mixed paste, the catalyst-supporting carbon, the ion-exchange resin, and the solvent have a mixing ratio of 5 to 15% by weight for the catalyst-supported carbon and 2 to 10% by weight for the ion-exchange resin. The catalyst layer paste according to claim 1, wherein the solvent is in the range of 75 wt% to 93 wt%. 前記混合ペーストの溶媒はその80重量%以上が水とエタノールとの混合物であり、かつ、その40重量%〜60重量%の範囲内が水であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の触媒層用ペースト。   3. The solvent of the mixed paste is 80% by weight or more of a mixture of water and ethanol, and 40 to 60% by weight of the solvent is water. The catalyst layer paste according to 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2017159820A1 (en) * 2016-03-17 2017-09-21 株式会社トクヤマ Paste for forming electrode catalyst layer and method for manufacturing same, and methods for manufacturing membrane-electrode catalyst layer assembly, gas diffusion electrode, solid polymer fuel cell and solid polymer water electrolysis cell
KR20200116949A (en) * 2018-02-09 2020-10-13 쇼와 덴코 가부시키가이샤 Slurry for non-aqueous battery electrode, and manufacturing method of non-aqueous battery electrode and non-aqueous battery

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