JP2011028973A - Method for evaluating catalyst layer of solid polymer fuel cell - Google Patents

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幹裕 片岡
Yosuke Horiuchi
洋輔 堀内
Akihiro Hori
彰宏 堀
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for evaluating the proton conductivity of the catalyst layer of a solid polymer fuel cell. <P>SOLUTION: The proton conductivity of the catalyst layer of the solid polymer fuel cell including carbon powder where a catalyst is supported and hydrophilic treatment is applied, and proton conductive polymer electrolyte is evaluated in accordance with a proton moving distance coefficient defined by an expression :(proton moving distance coefficient)=d×A×S×r<SP>×</SP>, where d is the thickness (μm) of the catalyst layer, A is the acid amount (mmol/g) per unit weight of the carbon powder where the catalyst is supported and the hydrophilic treatment is applied, S is a carrier shape factor determined by the shape of the carbon powder, r is a weight ratio P/C of the proton conductive polymer electrolyte (P) to the carbon powder (C) where thr catalyst is supported and the hydrophilic treatment is applied, in the catalyst layer, and x is -1. It is Preferable to control the proton moving distance coefficient to be 0.05-0.8. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池の触媒層におけるプロトン伝導性を評価する方法に関する。さらに、その評価方法を利用して最適化された触媒層を有する固体高分子型燃料電池に関する。   The present invention relates to a method for evaluating proton conductivity in a catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell. Furthermore, the present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell having a catalyst layer optimized using the evaluation method.

固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜の両面に一対の電極を設け、水素ガスを燃料ガスとして一方の電極(燃料極:アノード)へ供給し、酸素ガスあるいは空気を酸化剤として他方の電極(空気極:カソード)へ供給することによって起電力を得るものである。固体高分子型燃料電池は、高い電池特性を得られることに加え、小型軽量化が容易であることから、電気自動車等の移動車両や、小型コジェネレーションシステムの電源等として実用化が期待されている。   A polymer electrolyte fuel cell is provided with a pair of electrodes on both sides of a proton conductive solid polymer electrolyte membrane, supplies hydrogen gas as a fuel gas to one electrode (fuel electrode: anode), and supplies oxygen gas or air. An electromotive force is obtained by supplying the other electrode (air electrode: cathode) as an oxidant. Solid polymer fuel cells are expected to be put to practical use as mobile vehicles such as electric vehicles and power sources for small cogeneration systems because they are easy to reduce in size and weight in addition to obtaining high battery characteristics. Yes.

通常、固体高分子型燃料電池に使用されるガス拡散性の電極は、プロトン伝導性高分子電解質で被覆された触媒担持カーボン粉末を含有する触媒層と、この触媒層に反応ガスを供給すると共に電子を集電するガス拡散層とから構成される。そして、触媒層内には、カーボンの二次粒子間あるいは三次粒子間に形成される微小な細孔からなる空隙部が存在し、その空隙部が反応ガスの拡散流路として機能している。   Normally, a gas diffusible electrode used for a polymer electrolyte fuel cell includes a catalyst layer containing a catalyst-supporting carbon powder coated with a proton conductive polymer electrolyte, and supplies a reaction gas to the catalyst layer. And a gas diffusion layer for collecting electrons. In the catalyst layer, there are voids composed of minute pores formed between the carbon secondary particles or the tertiary particles, and the voids function as a reaction gas diffusion channel.

カーボン粉末に担持させるカソード及びアノード触媒としては、白金又は白金合金等の貴金属が用いられる。例えば、白金担持カーボン粉末は、塩化白金酸水溶液に、亜硫酸水素ナトリウムを加えた後、過酸化水素水と反応させ、生じた白金コロイドをカーボンブラック等の粉末に担持させ、洗浄後、必要に応じて熱処理することにより調製される。この白金担持カーボン粉末をプロトン伝導性高分子電解質の溶液に分散させて触媒インクを調製し、その触媒インクをカーボンペーパーなどのガス拡散基材に塗布し、乾燥することによって電極が作製される。この2枚の電極で固体高分子電解質膜を挟み、ホットプレス等することにより電解質膜−電極接合体(MEA)が組立てられる。   As the cathode and anode catalyst supported on the carbon powder, a noble metal such as platinum or a platinum alloy is used. For example, platinum-supported carbon powder is prepared by adding sodium hydrogen sulfite to a chloroplatinic acid aqueous solution and then reacting with hydrogen peroxide. The resulting platinum colloid is supported on a powder such as carbon black, washed, and if necessary. It is prepared by heat treatment. The platinum-supported carbon powder is dispersed in a proton conductive polymer electrolyte solution to prepare a catalyst ink. The catalyst ink is applied to a gas diffusion substrate such as carbon paper and dried to produce an electrode. An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) is assembled by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between these two electrodes and performing hot pressing or the like.

固体高分子型燃料電池の発電性能を高めるには、触媒に対してプロトンを効率的に供給することが望まれる。そのために、触媒層内におけるプロトン伝導性を向上させることが必要である。また、従来は、効率良く燃料電池を作動させるために、触媒層に対して反応ガスとともに水蒸気を供給し、高分子電解質膜を常に湿潤状態に保持している。しかし、湿潤状態にするには空気供給路又は水素供給路に加湿器を別途設けなければならず、それによって燃料電池が大型化し、製造コストが上昇するという欠点があった。そのため、低加湿条件下でも運転可能な技術の開発が望まれているが、低加湿条件下では、通常、触媒層内におけるプロトンの物質移動抵抗が増加し、燃料電池の出力性能は低下する傾向がある。したがって、低加湿条件下での運転においては触媒層内でのプロトン伝導性の向上はより重要な課題となる。   In order to improve the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell, it is desired to efficiently supply protons to the catalyst. Therefore, it is necessary to improve proton conductivity in the catalyst layer. Conventionally, in order to operate the fuel cell efficiently, water vapor is supplied to the catalyst layer together with the reaction gas to keep the polymer electrolyte membrane in a wet state. However, in order to obtain a wet state, a humidifier must be separately provided in the air supply path or the hydrogen supply path, which has the disadvantage that the fuel cell becomes larger and the manufacturing cost increases. Therefore, development of technology that can operate even under low humidification conditions is desired, but under low humidification conditions, the mass transfer resistance of protons in the catalyst layer usually increases and the output performance of the fuel cell tends to decrease. There is. Therefore, improvement of proton conductivity in the catalyst layer becomes a more important issue in operation under low humidification conditions.

触媒層のプロトン伝導性を高めるための技術が従来提案されている。例えば、(特許文献1)には、親水化処理された触媒担持カーボンの粒子が高分子電解質で被覆されているマイクロ/ナノカプセルを含む燃料電池用の触媒層が開示されている。親水化処理により、触媒担持カーボンの粒子が比較的均一な高分子電解質の層で覆われ、粒子表面近傍にプロトン伝導性に優れた領域ができるとされている。しかし、この技術は、個々の触媒担持カーボン粒子におけるプロトン伝導性を検討したものに留まり、触媒層全体でのプロトン伝導性を評価し、最適化したものでないという点で不十分であった。   Techniques for increasing the proton conductivity of the catalyst layer have been conventionally proposed. For example, Patent Document 1 discloses a catalyst layer for a fuel cell including micro / nanocapsules in which catalyst-supported carbon particles subjected to a hydrophilic treatment are coated with a polymer electrolyte. By the hydrophilization treatment, the catalyst-supported carbon particles are covered with a relatively uniform polymer electrolyte layer, and an area having excellent proton conductivity is formed in the vicinity of the particle surface. However, this technique is not sufficient in that the proton conductivity in the individual catalyst-supported carbon particles is examined, and the proton conductivity in the entire catalyst layer is evaluated and not optimized.

また、(特許文献2)には、プロトン伝導性を有する電解質膜と、前記電解質膜上に接合された第1電極とを備える膜−電極接合体であって、前記第1電極は、触媒と、前記触媒を被覆しプロトン交換基として機能する第1アイオノマ(プロトン伝導性高分子電解質)とを含み、前記第1電極において、前記膜−電極接合体の定格出力点における生成水量(mol/min)/第1アイオノマ体積(cm)が1350以上であることを特徴とする膜−電極接合体が開示されている。この構成により、第1アイオノマにおける水分濃度が十分に高くなり、プロトン移動抵抗を低下させることができるが、触媒層全体におけるプロトン伝導性を評価し、触媒層の構成を最適化する手法として、なお改良の余地があった。 Further, (Patent Document 2) includes a membrane-electrode assembly including an electrolyte membrane having proton conductivity and a first electrode joined on the electrolyte membrane, wherein the first electrode includes a catalyst, And a first ionomer (proton conductive polymer electrolyte) that covers the catalyst and functions as a proton exchange group. In the first electrode, the amount of water produced (mol / min) at the rated output point of the membrane-electrode assembly ) / First ionomer volume (cm 3 ) is 1350 or more, a membrane-electrode assembly is disclosed. With this configuration, the water concentration in the first ionomer becomes sufficiently high and the proton transfer resistance can be lowered. However, as a technique for evaluating the proton conductivity in the entire catalyst layer and optimizing the configuration of the catalyst layer, There was room for improvement.

特開2006−286329号公報JP 2006-286329 A 特開2008−192490号公報JP 2008-192490 A

そこで本発明は、上記従来の状況に鑑み、固体高分子型燃料電池の触媒層における、プロトン伝導性を評価する方法を提供することを目的とする。また、その評価方法を利用して、優れたプロトン伝導性を有し発電性能の高い触媒層を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for evaluating proton conductivity in a catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell in view of the above conventional situation. Another object of the present invention is to provide a catalyst layer having excellent proton conductivity and high power generation performance by utilizing the evaluation method.

上記課題に対し、本発明者は、触媒層の厚さや、触媒が担持され且つ親水処理が施されたカーボン粉末の酸量等に基づく「プロトン移動距離係数」を定義し、このプロトン移動距離係数と電池性能との関係を調べたところ、相関性が認められたため、この知見に基づき本発明を完成した。すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。   In response to the above problems, the present inventor has defined a “proton transfer distance coefficient” based on the thickness of the catalyst layer, the acid amount of the carbon powder on which the catalyst is supported and subjected to the hydrophilic treatment, and the like. As a result of investigating the relationship between the battery performance and the battery performance, a correlation was observed, and the present invention was completed based on this finding. That is, the gist of the present invention is as follows.

(1)触媒が担持され且つ親水処理が施されたカーボン粉末とプロトン伝導性高分子電解質とを含む固体高分子型燃料電池の触媒層におけるプロトン伝導性を、次式
(プロトン移動距離係数)=d×A×S×r
[式中、dは触媒層の厚さ(μm)、Aは触媒が担持され且つ親水処理が施されたカーボン粉末の単位重量当たりの酸量(mmol/g)、Sはカーボン粉末の形状によって決まる担体形状因子、rは触媒層中における、プロトン伝導性高分子電解質(P)及び触媒が担持され且つ親水処理が施されたカーボン粉末(C)の重量比P/C、xは−1]
で定義されるプロトン移動距離係数に基づいて評価する方法。
(1) The proton conductivity in the catalyst layer of a solid polymer fuel cell containing a catalyst-supported carbon powder subjected to hydrophilic treatment and a proton-conductive polymer electrolyte is expressed by the following formula (proton transfer distance coefficient) = d × A × S × r x
[Wherein, d is the thickness of the catalyst layer (μm), A is the amount of acid per unit weight (mmol / g) of the carbon powder on which the catalyst is supported and subjected to the hydrophilic treatment, and S is the shape of the carbon powder. The carrier form factor determined, r is the weight ratio P / C of the proton conductive polymer electrolyte (P) and the carbon powder (C) on which the catalyst is supported and subjected to the hydrophilic treatment in the catalyst layer, x is −1]
The evaluation method is based on the proton transfer distance coefficient defined in 1.

(2)触媒が担持され且つ親水処理が施されたカーボン粉末とプロトン伝導性高分子電解質とを含む固体高分子型燃料電池の触媒層におけるプロトン伝導性を、次式
(プロトン移動距離係数)=W×A×S×r
[式中、Wは触媒が担持され且つ親水処理が施されたカーボン粉末の、触媒層の単位面積当たりの量(mg/cm)、Aは触媒が担持され且つ親水処理が施されたカーボン粉末の単位重量当たりの酸量(mmol/g)、Sはカーボン粉末の形状によって決まる担体形状因子、rは触媒層中における、プロトン伝導性高分子電解質(P)及び触媒が担持され且つ親水処理が施されたカーボン粉末(C)の重量比P/C、xは−1]
で定義されるプロトン移動距離係数に基づいて評価する方法。
(2) The proton conductivity in the catalyst layer of a solid polymer fuel cell containing a catalyst-supported carbon powder that has been subjected to hydrophilic treatment and a proton-conducting polymer electrolyte is expressed by the following formula (proton transfer distance coefficient) = W x A x S x r x
[Where, W is the amount (mg / cm 2 ) per unit area of the catalyst layer of the carbon powder on which the catalyst is supported and subjected to the hydrophilic treatment, and A is the carbon powder on which the catalyst is supported and subjected to the hydrophilic treatment. Acid amount per unit weight of the powder (mmol / g), S is a carrier form factor determined by the shape of the carbon powder, r is a catalyst layer in which the proton conductive polymer electrolyte (P) and the catalyst are supported and hydrophilic treatment Weight ratio P / C of carbon powder (C) to which is applied, x is −1]
The evaluation method is based on the proton transfer distance coefficient defined in 1.

(3)上記(1)に記載のプロトン移動距離係数が0.05〜0.8である触媒層を有する固体高分子型燃料電池。 (3) A polymer electrolyte fuel cell having a catalyst layer having a proton transfer distance coefficient of 0.05 to 0.8 as described in (1) above.

本発明によれば、プロトン移動距離係数という新たな概念を採用することによって、固体高分子型燃料電池の触媒層内におけるプロトン伝導性を評価することが可能となる。また、プロトン移動距離係数が0.05〜0.8になるよう制御することによって、触媒粒子へのプロトンの伝導効率が向上し、発電性能を高めることができる。特に、MEA内に水分が少ない環境では一般にプロトン伝導性が低下する傾向にあるため、本発明によって最適化された触媒層の、発電性能の向上に対する寄与は大きいといえる。   According to the present invention, it is possible to evaluate proton conductivity in the catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell by adopting a new concept of proton transfer distance coefficient. Moreover, by controlling the proton transfer distance coefficient to be 0.05 to 0.8, the efficiency of proton conduction to the catalyst particles can be improved, and the power generation performance can be improved. In particular, since proton conductivity generally tends to decrease in an environment where there is little moisture in the MEA, it can be said that the catalyst layer optimized by the present invention greatly contributes to the improvement of power generation performance.

本発明の評価方法を説明するための、触媒層内の状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state in a catalyst layer for demonstrating the evaluation method of this invention. 本発明の評価方法を説明するための、触媒層内の状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state in a catalyst layer for demonstrating the evaluation method of this invention. 本発明の評価方法を説明するための、触媒層内の状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state in a catalyst layer for demonstrating the evaluation method of this invention. 酸処理時間と触媒担持カーボン粉末の酸量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between acid treatment time and the acid amount of catalyst carrying | support carbon powder. 酸処理温度と触媒担持カーボン粉末の酸量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between an acid treatment temperature and the acid amount of catalyst carrying | support carbon powder. 触媒担持カーボン粉末の酸量とプロトン伝導過電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the acid amount of a catalyst carrying | support carbon powder, and a proton conduction overvoltage. プロトン移動距離係数に対する発電性能の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the power generation performance with respect to a proton movement distance coefficient.

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の方法では、触媒が担持され且つ親水処理が施されたカーボン粉末と、プロトン伝導性高分子電解質とを含む固体高分子型燃料電池の触媒層全体におけるプロトン伝導性を評価するに当たり、特に、触媒層の厚みと、親水処理が施された上記触媒担持カーボン粉末の酸量に注目する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
In the method of the present invention, in evaluating the proton conductivity in the entire catalyst layer of a solid polymer fuel cell including a carbon powder carrying a catalyst and subjected to a hydrophilic treatment, and a proton conductive polymer electrolyte, Attention is paid to the thickness of the catalyst layer and the acid amount of the catalyst-supported carbon powder subjected to the hydrophilic treatment.

上記の厚み及び酸量とプロトン伝導性の関係について、触媒層の状態を模式的に示す図1及び図2に基づき説明する。図1に示すように、触媒層は、触媒2が担持され且つ親水処理が施されたカーボン粉末1と、それを取り囲むプロトン伝導性高分子電解質3とを含んでいる。このとき、触媒層の厚みdに依存してプロトンHの移動距離が増減する。すなわち、触媒層の厚みdが大きくなるほど、プロトンの移動距離が大きくなることが分かる。また、図2に示すように、触媒2が担持されたカーボン粉末1は、酸を作用させること等によって表面にカルボキシル基等の親水基が付与されるが、この親水基の量(酸量)が多い場合(図2(a))、触媒担持カーボン粉末の表面は、同様に親水基を有するプロトン伝導性高分子電解質3によって薄く均一に被覆され、その結果、Hが触媒1に接触することで生成するプロトンHは薄いプロトン伝導性高分子電解質3の層に沿って非直線的に進み(矢印)、プロトンの移動距離は増大する。一方、酸量が少ない場合(図2(b))には、触媒担持カーボン粉末の表面にプロトン伝導性高分子電解質3が不均一に被覆され、その結果としてプロトンの移動距離が小さくなる伝導経路が形成される(矢印)。したがって、プロトンの移動距離を小さくする観点からは酸量は小さくなるように制御することが好ましい。 The relationship between the thickness, acid amount and proton conductivity will be described with reference to FIGS. 1 and 2 schematically showing the state of the catalyst layer. As shown in FIG. 1, the catalyst layer includes a carbon powder 1 on which a catalyst 2 is supported and subjected to a hydrophilic treatment, and a proton conductive polymer electrolyte 3 surrounding the carbon powder 1. At this time, the movement distance of proton H + increases or decreases depending on the thickness d of the catalyst layer. That is, it can be seen that as the catalyst layer thickness d increases, the proton transfer distance increases. In addition, as shown in FIG. 2, the carbon powder 1 carrying the catalyst 2 is given a hydrophilic group such as a carboxyl group on the surface by the action of an acid, etc. The amount of this hydrophilic group (acid amount) When there is a large amount (FIG. 2 (a)), the surface of the catalyst-supporting carbon powder is similarly thinly and uniformly covered with the proton conductive polymer electrolyte 3 having a hydrophilic group, and as a result, H 2 contacts the catalyst 1. Proton H + generated in this way travels nonlinearly (arrow) along the thin proton-conductive polymer electrolyte 3 layer, and the proton movement distance increases. On the other hand, when the amount of acid is small (FIG. 2 (b)), the surface of the catalyst-carrying carbon powder is non-uniformly coated with the proton conductive polymer electrolyte 3, and as a result, a conduction path in which the proton moving distance is reduced. Is formed (arrow). Therefore, it is preferable to control the acid amount to be small from the viewpoint of reducing the proton movement distance.

以上の知見に基づき、本発明者は、以下に定義される「プロトン移動距離係数」を用いて、触媒層におけるプロトンの移動しやすさを表し得ることを見出した。すなわち、プロトン移動距離係数は、
(プロトン移動距離係数)=d×A×S×r (1)
[式中、dは触媒層の厚さ(μm)、Aは触媒が担持され且つ親水処理が施されたカーボン粉末の単位重量当たりの酸量(mmol/g)、Sはカーボン粉末の形状によって決まる担体形状因子、rは触媒層中における、プロトン伝導性高分子電解質(P)及び触媒が担持され且つ親水処理が施されたカーボン粉末(C)の重量比P/C、xは−1]
によって求められる。
Based on the above findings, the present inventor has found that the ease of proton movement in the catalyst layer can be expressed using the “proton transfer distance coefficient” defined below. That is, the proton transfer distance coefficient is
(Proton transfer distance coefficient) = d × A × S × r x (1)
[Wherein, d is the thickness of the catalyst layer (μm), A is the amount of acid per unit weight (mmol / g) of the carbon powder on which the catalyst is supported and subjected to the hydrophilic treatment, and S is the shape of the carbon powder. The carrier form factor determined, r is the weight ratio P / C of the proton conductive polymer electrolyte (P) and the carbon powder (C) on which the catalyst is supported and subjected to the hydrophilic treatment in the catalyst layer, x is −1]
Sought by.

ここで、酸量(mmol/g)は、例えば、親水処理が施された触媒担持カーボン粉末を中和し、その中和に要したアルカリの量から求めることができる。また、担体形状因子とは、Ketjen EC(商品名;ケッチェンブラックインターナショナル社製)に対するプロトン移動経路の屈曲の度合を示し、比表面積が大きな担体ほど大きな値となる傾向があり、0.1〜2の範囲で変動する値である。具体例として、Ketjen EC(比表面積:約800m/g)の担体形状因子が1、Vulcan(Cabot社製、比表面積:約250m/g)では0.3、アセチレンブラック(電気化学工業社製、比表面積:約60m/g)では0.1、Ketjen EC 600JD(ケッチェンブラックインターナショナル社製、比表面積:約1200m/g)では1.5である。これらの担体形状因子は、各担体の比表面積のおよその比に基づいて求めることができる。 Here, the acid amount (mmol / g) can be determined, for example, from the amount of alkali required for neutralizing the catalyst-supported carbon powder that has been subjected to the hydrophilic treatment and neutralizing the same. Further, the carrier form factor indicates the degree of bending of the proton transfer path relative to Ketjen EC (trade name; manufactured by Ketjen Black International), and the carrier having a larger specific surface area tends to have a larger value. The value fluctuates in the range of 2. As specific examples, the carrier form factor of Ketjen EC (specific surface area: about 800 m 2 / g) is 1, Vulcan (manufactured by Cabot, specific surface area: about 250 m 2 / g), 0.3, acetylene black (Electrochemical Industry Co., Ltd.) Manufactured, specific surface area: about 60 m 2 / g) is 0.1, and Ketjen EC 600JD (manufactured by Ketjen Black International, specific surface area: about 1200 m 2 / g) is 1.5. These carrier form factors can be determined based on an approximate ratio of specific surface areas of the respective carriers.

さらに、上記プロトン移動距離係数は、プロトン伝導性高分子電解質/親水処理が施された触媒担持カーボン粉末の重量比rが、触媒層の厚み方向において一定でなく、変動する場合にも求めることができる。具体的には、重量比rが一定とみなせる厚み部分について、個々にプロトン移動距離係数を算出し、それらを合計することによって全体の触媒層のプロトン移動距離係数を求めることができる。例えば、図3に示すように、触媒層が、プロトン伝導性高分子電解質/親水処理が施された触媒担持カーボン粉末の重量比がrである厚さdの部分と、重量比がrである厚さdの部分から構成される場合、触媒層全体のプロトン移動距離係数は次式で求められる。
(プロトン移動距離係数)=d×A×S×r +d×A×S×r (2)
Further, the proton transfer distance coefficient can be obtained even when the weight ratio r of the proton-conductive polymer electrolyte / hydrocarbon-treated catalyst-supported carbon powder is not constant and varies in the thickness direction of the catalyst layer. it can. Specifically, the proton transfer distance coefficient of the entire catalyst layer can be obtained by calculating the proton transfer distance coefficient individually for the thickness portions where the weight ratio r can be considered constant, and adding them together. For example, as shown in FIG. 3, the catalyst layer has a portion of thickness d 1 where the weight ratio of proton conductive polymer electrolyte / hydrophilic treated catalyst-supported carbon powder is r 1 , and the weight ratio is r If composed of the thickness d 2 of the parts is two, proton transfer distance coefficient of the entire catalyst layer is given by the following equation.
(Proton transfer distance coefficient) = d 1 × A × S × r 1 x + d 2 × A × S × r 2 x (2)

触媒層において十分なプロトン伝導性が発揮され、高い発電性能を得るためには、上記式で求められるプロトン移動距離係数が0.05〜0.8、特に0.1〜0.5となるように触媒層を設計することが好ましい。これらの好ましい範囲は、アノード側及びカソード側のいずれの触媒層についても同様に当てはまる。触媒層のプロトン移動距離係数は、上記式に基づき、触媒層の厚さ、触媒担持カーボン粉末を親水処理する際の条件(酸処理時間、酸処理温度、酸濃度等)、カーボン粉末の種類、及びプロトン伝導性高分子電解質/触媒担持カーボン粉末の重量比等によって任意に制御することができる。例えば、0.05〜0.8のプロトン移動距離係数を得るための条件としては、触媒層の厚さを0.3〜2.5μm、酸量を0.20〜0.35mmol/g(酸処理温度80〜90℃、酸処理時間0〜1時間)とすることが好ましいが、これに限定されるものではない。なお、従来知られている触媒層は、例として厚さが3μm以上、酸量は0.4mmol/g程度であり、プロトン移動距離係数は概ね1.0以上である。   In order to exhibit sufficient proton conductivity in the catalyst layer and to obtain high power generation performance, the proton transfer distance coefficient obtained by the above formula is 0.05 to 0.8, particularly 0.1 to 0.5. It is preferable to design a catalyst layer. These preferable ranges apply similarly to any of the catalyst layers on the anode side and the cathode side. The proton transfer distance coefficient of the catalyst layer is based on the above formula, the thickness of the catalyst layer, the conditions for hydrotreating the catalyst-supported carbon powder (acid treatment time, acid treatment temperature, acid concentration, etc.), the type of carbon powder, The weight ratio of the proton conductive polymer electrolyte / catalyst-supported carbon powder can be arbitrarily controlled. For example, the conditions for obtaining a proton transfer distance coefficient of 0.05 to 0.8 include a catalyst layer thickness of 0.3 to 2.5 μm and an acid amount of 0.20 to 0.35 mmol / g (acid The treatment temperature is preferably 80 to 90 ° C. and the acid treatment time is 0 to 1 hour, but is not limited thereto. The conventionally known catalyst layer has, for example, a thickness of 3 μm or more, an acid amount of about 0.4 mmol / g, and a proton transfer distance coefficient of about 1.0 or more.

なお、上記式における触媒層の厚さdは、親水処理が施された触媒担持カーボン粉末の、触媒層の単位面積当たりの量Wと比例するため、dをWに置き換えても良い。すなわち、次式に従ってプロトン移動係数を求めることができる。
(プロトン移動距離係数)=W×A×S×r (3)
[式中、Wは触媒が担持され且つ親水処理が施されたカーボン粉末の、触媒層の単位面積当たりの量(mg/cm)、Aは触媒が担持され且つ親水処理が施されたカーボン粉末の単位重量当たりの酸量(mmol/g)、Sはカーボン粉末の形状によって決まる担体形状因子、rは触媒層中における、プロトン伝導性高分子電解質(P)及び触媒が担持され且つ親水処理が施されたカーボン粉末(C)の重量比P/C、xは−1]
In addition, since the thickness d of the catalyst layer in the above formula is proportional to the amount W of the catalyst-supported carbon powder subjected to the hydrophilic treatment per unit area of the catalyst layer, d may be replaced with W. That is, the proton transfer coefficient can be obtained according to the following equation.
(Proton transfer distance coefficient) = W × A × S × r x (3)
[Where, W is the amount (mg / cm 2 ) per unit area of the catalyst layer of the carbon powder on which the catalyst is supported and subjected to the hydrophilic treatment, and A is the carbon powder on which the catalyst is supported and subjected to the hydrophilic treatment. Acid amount per unit weight of the powder (mmol / g), S is a carrier form factor determined by the shape of the carbon powder, r is a catalyst layer in which the proton conductive polymer electrolyte (P) and the catalyst are supported and hydrophilic treatment Weight ratio P / C of carbon powder (C) to which is applied, x is −1]

上記(3)式を用いてプロトン移動距離係数を求めた場合、高い発電性能を得る観点から、好ましい範囲は0.0025〜0.04、好ましくは0.005〜0.025である。   When the proton transfer distance coefficient is obtained using the above formula (3), the preferred range is 0.0025 to 0.04, preferably 0.005 to 0.025, from the viewpoint of obtaining high power generation performance.

触媒を担持させるカーボン粉末としては、上記式により得られるプロトン移動距離係数の値を考慮しつつ適宜選択することができ、特に限定されない。比表面積が200m/g以上であることが好ましい。カーボンブラックが一般的に使用される。その他、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維、活性炭、カーボンナノチューブ等が適用可能である。好適な例として、Ketjen EC(ケッチェンブラックインターナショナル社製)やVulcan(Cabot社製)が挙げられる。 The carbon powder for supporting the catalyst can be appropriately selected in consideration of the value of the proton transfer distance coefficient obtained by the above formula, and is not particularly limited. The specific surface area is preferably 200 m 2 / g or more. Carbon black is generally used. In addition, acetylene black, graphite, carbon fiber, activated carbon, carbon nanotube, and the like are applicable. Preferable examples include Ketjen EC (Ketjen Black International) and Vulcan (Cabot).

また、カーボン粉末に担持させる触媒としては、白金、コバルト、パラジウム、ルテニウム、金、ロジウム、オスミウム、イリジウム等の金属、あるいは上記金属の2種以上からなる合金、金属と有機化合物や無機化合物との錯体、金属酸化物等を挙げることができる。   Further, as a catalyst to be supported on carbon powder, platinum, cobalt, palladium, ruthenium, gold, rhodium, osmium, iridium, or other metals, or alloys composed of two or more of the above metals, metals and organic compounds or inorganic compounds A complex, a metal oxide, etc. can be mentioned.

触媒層に用いるプロトン伝導性高分子電解質としては、含フッ素イオン交換樹脂等が適用可能であり、特に、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体が好ましく用いられる。好適な例として、Nafion(デュポン社製)が挙げられる。   As the proton conductive polymer electrolyte used in the catalyst layer, a fluorine-containing ion exchange resin or the like is applicable, and in particular, a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer is preferably used. A suitable example is Nafion (manufactured by DuPont).

カーボン粉末に触媒を担持させるに当たっては、従来の方法により行うことができる。具体的には、例えば、カーボン粉末を水等に懸濁させ、これに塩化白金酸等の触媒金属の化合物を滴下し、還元剤を滴下することによってカーボン粉末上に触媒を析出させる。得られた触媒担持カーボン粉末における触媒とカーボン粉末との割合は、触媒の種類等によって異なるが、一般に重量比率で触媒:カーボン粉末=1:9〜5:5とすることが好ましい。合金を担持させる場合は、さらに別の金属をカーボン粉末上に析出させ、高温で熱処理を行って合金化する。   The catalyst can be supported on the carbon powder by a conventional method. Specifically, for example, carbon powder is suspended in water or the like, a catalyst metal compound such as chloroplatinic acid is added dropwise thereto, and a reducing agent is added dropwise to deposit the catalyst on the carbon powder. Although the ratio of the catalyst to the carbon powder in the obtained catalyst-supporting carbon powder varies depending on the type of the catalyst and the like, it is generally preferable that catalyst: carbon powder = 1: 9 to 5: 5 by weight ratio. In the case of supporting an alloy, another metal is precipitated on the carbon powder and heat-treated at a high temperature to form an alloy.

触媒を担持させたカーボン粉末は、プロトン伝導性高分子電解質による被覆性を改善するため、親水処理を行って表面にカルボキシル基等の親水基を付与する。親水処理としては、例えば、硝酸等の酸による処理、オゾン酸化、プラズマ処理、酸化雰囲気での熱処理等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。上記に挙げた各親水処理における諸条件(酸処理条件、熱処理条件等)は、プロトン移動距離係数の値に影響する他の因子との関係で決まり、また上述の通り、プロトン移動距離係数の値が好ましい範囲内となるよう適宜設定することができる。一例として、触媒担持カーボン粉末を硝酸水溶液で処理する場合の好ましい条件は、硝酸水溶液の濃度0.01〜5N、酸処理温度が室温〜100℃、酸処理時間0.5〜50時間であるが、これに限定されるものではない。   The carbon powder carrying the catalyst is subjected to a hydrophilic treatment to impart hydrophilic groups such as carboxyl groups to the surface in order to improve the covering property with the proton conductive polymer electrolyte. Examples of the hydrophilic treatment include treatment with an acid such as nitric acid, ozone oxidation, plasma treatment, and heat treatment in an oxidizing atmosphere, but are not limited thereto. The various conditions (acid treatment conditions, heat treatment conditions, etc.) in each of the hydrophilic treatments mentioned above are determined by the relationship with other factors affecting the value of the proton transfer distance coefficient, and as described above, the value of the proton transfer distance coefficient Can be appropriately set so as to be within a preferable range. As an example, preferable conditions for treating the catalyst-supported carbon powder with a nitric acid aqueous solution are a nitric acid aqueous solution concentration of 0.01 to 5 N, an acid treatment temperature of room temperature to 100 ° C., and an acid treatment time of 0.5 to 50 hours. However, the present invention is not limited to this.

続いて、親水処理を施した触媒担持カーボン粉末と、プロトン伝導性高分子電解質とを、溶媒に加え、超音波照射やビーズミル等による分散処理を行うことにより、触媒インクを作製する。ここで用いる溶媒としては、水、及びエタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール等のアルコールや、含フッ素アルコール、含フッ素エーテル等を挙げることができる。そして、触媒インクを、燃料電池の高分子電解質膜又はガス拡散層となるカーボンクロス等に塗布し、乾燥させることによって触媒層を形成することができる。また、別途用意した基材上に上記触媒インクを塗布し乾燥させたものを、高分子電解質膜上に転写することによって高分子電解質上に触媒層を形成しても良い。   Subsequently, the catalyst-supporting carbon powder subjected to the hydrophilic treatment and the proton conductive polymer electrolyte are added to the solvent, and dispersion treatment is performed by ultrasonic irradiation, bead mill, or the like, thereby producing a catalyst ink. Examples of the solvent used here include water, alcohols such as ethanol, ethylene glycol, and propylene glycol, fluorine-containing alcohols, and fluorine-containing ethers. And a catalyst layer can be formed by apply | coating catalyst ink to the carbon electrolyte etc. which become the polymer electrolyte membrane of a fuel cell, or a gas diffusion layer, and making it dry. Alternatively, the catalyst layer may be formed on the polymer electrolyte by transferring a catalyst prepared by applying the catalyst ink onto a separately prepared substrate and drying it.

触媒インクにおける、親水処理が施された触媒担持カーボン粉末に対するプロトン伝導性高分子電解質の重量比率は、プロトン移動距離係数を0.05〜0.8に制御する観点から、0.5〜1.5とすることが好ましい。また、触媒インク全体に対する水の重量比率は20〜50重量%とすることが好ましい。   In the catalyst ink, the weight ratio of the proton conductive polymer electrolyte to the catalyst-supported carbon powder subjected to the hydrophilic treatment is 0.5 to 1. 5 is preferable. Further, the weight ratio of water to the entire catalyst ink is preferably 20 to 50% by weight.

燃料電池におけるカソード及びアノードの触媒層の層厚は、適宜設定することができる。一般には、1〜30μm、好ましくは2〜15μmである。   The thickness of the cathode and anode catalyst layers in the fuel cell can be set as appropriate. Generally, it is 1 to 30 μm, preferably 2 to 15 μm.

カソード及びアノードの触媒層に挟まれる高分子電解質膜の材料としては、湿潤条件下で良好なプロトン伝導性を示す材料であれば適用可能である。例えば、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体、ポリスルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を挙げることができる。中でも、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体が好ましく用いられる。なお、この高分子電解質膜は、触媒層に含まれるプロトン伝導性高分子電解質と同じ樹脂であっても良く、異なる樹脂から構成しても良い。   As a material for the polymer electrolyte membrane sandwiched between the cathode and anode catalyst layers, any material that exhibits good proton conductivity under wet conditions can be used. Examples thereof include a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group, a polysulfone resin, a perfluorocarbon polymer having a phosphonic acid group or a carboxylic acid group. Among these, sulfonic acid type perfluorocarbon polymers are preferably used. The polymer electrolyte membrane may be the same resin as the proton conductive polymer electrolyte contained in the catalyst layer, or may be composed of a different resin.

触媒層をガス拡散層上に形成した場合には、触媒層と高分子電解質膜とを接着やホットプレス等により接合することによって、電解質膜−電極接合体(MEA)が組立てられる。また、高分子電解質膜上に触媒層を形成した場合には、触媒層のみでアノード及びカソードを構成しても良いし、さらに触媒層に隣接してガス拡散層を配置し、アノード及びカソードとしても良い。   When the catalyst layer is formed on the gas diffusion layer, the electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) is assembled by bonding the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane by adhesion or hot pressing. Further, when the catalyst layer is formed on the polymer electrolyte membrane, the anode and the cathode may be constituted only by the catalyst layer, and further, the gas diffusion layer is disposed adjacent to the catalyst layer so as to serve as the anode and the cathode. Also good.

アノード及びカソードの外側には、通常、ガスの流路が形成されたセパレータが配置され、本発明の固体高分子型燃料電池が作製される。セパレータの流路に対し、アノードには水素を含むガス、カソードには酸素又は空気を含むガスが供給されて発電が行われる。   On the outside of the anode and the cathode, a separator having a gas flow path is usually disposed, and the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is produced. Electric power is generated by supplying a gas containing hydrogen to the anode and a gas containing oxygen or air to the cathode.

以下、実施例及び比較例により本発明をさらに詳細に説明するが、これに限定されるものではない。
<触媒担持カーボン粉末の作製>
Pt担持させるカーボン粉末としてカーボンブラックKetjen EC(商品名;ケッチェンブラックインターナショナル社製)を用いた。担体形状因子は1である。このカーボンブラック2.0〜4.5gを蒸留水に懸濁攪拌し、塩化白金酸15%を3〜20g滴下した。次に、還元剤としてエタノール5〜30gを滴下することによりPtをカーボン上に析出させた。この混合物をろ過し、固形物を乾燥させることによってPt担持カーボン粉末を得た。なお、これらの作製条件は、調製したい触媒担持カーボン粉末におけるPtとカーボンとの重量比率(Pt/C比)や、1バッチ当たりの触媒担持カーボン粉末の量によって変動する。上記各条件は、Pt/C=1/9〜6/4、5g/バッチを目安とした場合の条件である。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further in detail, it is not limited to this.
<Preparation of catalyst-supported carbon powder>
Carbon black Ketjen EC (trade name; manufactured by Ketjen Black International) was used as the carbon powder to carry Pt. The carrier form factor is 1. 2.0 to 4.5 g of this carbon black was suspended and stirred in distilled water, and 3 to 20 g of 15% chloroplatinic acid was added dropwise. Next, 5 to 30 g of ethanol was dropped as a reducing agent to deposit Pt on the carbon. The mixture was filtered and the solid was dried to obtain Pt-supported carbon powder. These production conditions vary depending on the weight ratio of Pt to carbon (Pt / C ratio) in the catalyst-supported carbon powder to be prepared and the amount of catalyst-supported carbon powder per batch. Each of the above conditions is a condition when Pt / C = 1/9 to 6/4, 5 g / batch is used as a guide.

<親水処理>
次に、得られたPt担持カーボン粉末を、硝酸水溶液に浸し、低温制御しながら攪拌して親水処理を行った。
<Hydrophilic treatment>
Next, the obtained Pt-supported carbon powder was immersed in an aqueous nitric acid solution and stirred while being controlled at a low temperature to perform a hydrophilic treatment.

<酸量の測定>
上記の親水処理を施したPt担持カーボン粉末0.5gを、0.1N水酸化ナトリウム20mlに加え、20分間超音波攪拌した後にろ過を行い、Pt担持カーボン粉末をろ別した。ろ液5mlに対して指示薬であるメチルオレンジ0.05mlを攪拌しながら加え、0.05N塩酸で滴定を行って、親水処理を施したPt担持カーボン粉末の単位重量当たりの酸量(mmol/g)を求めた。硝酸水溶液中での攪拌時間(酸処理時間)を0、21、及び45時間としたとき(温度は全て80℃)の酸量の変化(Pt/C比は同一)を図4に示す。また、硝酸水溶液による処理温度を80、90、及び95℃にしたとき(酸処理時間は全て21時間)の酸量の変化(Pt/C比は同一)を図5に示す。図4及び図5の結果から、酸処理時間、及び酸処理温度によってPt担持カーボン粉末の酸量の制御が可能であることが分かった。
<Measurement of acid amount>
0.5 g of the Pt-supported carbon powder subjected to the above hydrophilic treatment was added to 20 ml of 0.1N sodium hydroxide, and the mixture was subjected to ultrasonic stirring for 20 minutes, followed by filtration to separate the Pt-supported carbon powder. To 5 ml of the filtrate, 0.05 ml of the indicator methyl orange was added with stirring, titrated with 0.05N hydrochloric acid, and the acid amount per unit weight of the Pt-supported carbon powder subjected to hydrophilic treatment (mmol / g) ) FIG. 4 shows changes in the amount of acid (Pt / C ratio is the same) when the stirring time (acid treatment time) in the aqueous nitric acid solution is 0, 21, and 45 hours (all temperatures are 80 ° C.). FIG. 5 shows changes in the amount of acid (Pt / C ratio is the same) when the treatment temperature with the aqueous nitric acid solution is 80, 90, and 95 ° C. (all acid treatment times are 21 hours). From the results of FIGS. 4 and 5, it was found that the acid amount of the Pt-supported carbon powder can be controlled by the acid treatment time and the acid treatment temperature.

<触媒インクの作製>
親水処理を施したPt担持カーボン粉末に蒸留水を加えた後、エタノールを加えた。プロトン伝導性高分子電解質として、市販のナフィオン溶液(デュポン社製)をさらに加えた。このときの全体重量に対する水の重量比率は、40重量%とした。また、親水処理を施したPt担持カーボン粉末に対するプロトン伝導性高分子電解質の重量比率は1になるように設定した。これらの混合物を十分に攪拌し、粒子の微粒化や均一分散のため、超音波ホモジナイザーによる分散処理を行い、触媒インクを作製した。
<Preparation of catalyst ink>
Distilled water was added to the Pt-supported carbon powder that had been subjected to hydrophilic treatment, and then ethanol was added. A commercially available Nafion solution (manufactured by DuPont) was further added as a proton conductive polymer electrolyte. The weight ratio of water to the total weight at this time was 40% by weight. The weight ratio of the proton conductive polymer electrolyte to the Pt-supported carbon powder subjected to the hydrophilic treatment was set to 1. These mixtures were sufficiently stirred and subjected to a dispersion treatment with an ultrasonic homogenizer for the purpose of atomization and uniform dispersion of particles, thereby preparing a catalyst ink.

<触媒層の作製>
上記で作製した各触媒インクを、テフロンの基材上に様々な厚さに塗布し、乾燥して触媒層を形成した。
<Preparation of catalyst layer>
Each catalyst ink produced above was applied on a Teflon substrate in various thicknesses and dried to form a catalyst layer.

<MEAの作製>
上記で作製した触媒層をアノード側に用い、一方のカソード側には、Pt担持カーボン粉末(Pt:C=1:1(重量比率))、及び40重量%の水を含み、さらにプロトン伝導性高分子電解質のPt担持カーボン粉末に対する比率が0.75になるように調製した触媒インクによって形成した触媒層を用いた。高分子電解質膜にはフッ素系ポリマーである20−JT−VIILA(商品名;ゴア社製)を用い、この高分子電解質膜の両面に上記カソード及びアノード触媒層を130℃ホットプレスにより接合させ、テフロン基材を除去した。得られた電解質膜−電極接合体(MEA)を以下の発電性能評価に用いた。なお、プロトン移動距離係数の算出に必要な触媒層の厚みは、MEAの一部を切り出して樹脂包埋し、ミクロトームを用いて超薄切片を作製し、この超薄切片のサンプルをFE−SEMにて断面観察することにより測定した。そして、各作製条件におけるプロトン移動距離係数を上記(1)式に従って算出した。
<Production of MEA>
The catalyst layer prepared above is used on the anode side, and one cathode side contains Pt-supported carbon powder (Pt: C = 1: 1 (weight ratio)) and 40% by weight of water, and further has proton conductivity. A catalyst layer formed of a catalyst ink prepared so that the ratio of the polymer electrolyte to the Pt-supported carbon powder was 0.75 was used. For the polymer electrolyte membrane, 20-JT-VIILA (trade name; manufactured by Gore), which is a fluorine-based polymer, is used, and the cathode and anode catalyst layers are bonded to both sides of the polymer electrolyte membrane by 130 ° C. hot pressing, The Teflon substrate was removed. The obtained electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) was used for the following power generation performance evaluation. In addition, the thickness of the catalyst layer necessary for calculating the proton transfer distance coefficient is obtained by cutting out a part of MEA and embedding it with resin, producing an ultrathin section using a microtome, and preparing a sample of the ultrathin section from FE-SEM. It was measured by observing the cross section at. And the proton movement distance coefficient in each preparation conditions was computed according to the said (1) formula.

<燃料電池の性能評価>
MEAの外側に、カーボン基材と撥水層(PTFE)とからなるガス拡散層(GDL)を配置して固体高分子型燃料電池を作製し、アノード側に水素、カソード側に空気を流すことで発電させた。負荷電流に対する電圧値により燃料電池の性能評価を行った。加湿条件はセル温度80℃に対して両極とも40%RHとし、負荷電流は1.0A/cmとした。
<Performance evaluation of fuel cell>
A gas diffusion layer (GDL) composed of a carbon base material and a water repellent layer (PTFE) is disposed outside the MEA to produce a polymer electrolyte fuel cell, and hydrogen is supplied to the anode side and air is supplied to the cathode side. It was made to generate electricity. The performance of the fuel cell was evaluated based on the voltage value with respect to the load current. The humidification conditions were 40% RH for both electrodes with respect to a cell temperature of 80 ° C., and the load current was 1.0 A / cm 2 .

図6に、アノード触媒層の厚みを固定し、酸量を変えてプロトン伝導の過電圧(プロトン抵抗により生じる電圧のロス)を評価した結果を図6に示す。一般に、電圧が低下する理由としては主に、(a)触媒表面での反応の過電圧(活性化過電圧)、(b)酸素拡散の過電圧、(c)プロトン伝導の過電圧、及び(d)抵抗過電圧が考えられる。これらの過電圧の合計値が大きいほど、電池性能は低下する。図6におけるプロトン伝導過電圧は、カソードに供給するガスをOとすることによって(b)酸素拡散の過電圧を0と仮定し、測定された全過電圧から、(a)活性化過電圧、及び(d)抵抗過電圧を除くことにより求めた。このときの(a)活性化過電圧は0.43V、(d)抵抗過電圧は0.14Vであるとして計算した。 FIG. 6 shows the results of evaluating the proton conduction overvoltage (voltage loss caused by proton resistance) while fixing the thickness of the anode catalyst layer and changing the acid amount. In general, the main reasons for the voltage drop are (a) reaction overvoltage (activation overvoltage) on the catalyst surface, (b) oxygen diffusion overvoltage, (c) proton conduction overvoltage, and (d) resistance overvoltage. Can be considered. The battery performance decreases as the total value of these overvoltages increases. The proton conduction overvoltage in FIG. 6 is obtained by assuming that the gas supplied to the cathode is O 2 , (b) assuming that the oxygen diffusion overvoltage is 0, and from the total overvoltage measured, (a) the activation overvoltage, and (d ) Calculated by removing resistance overvoltage. At this time, the calculation was made assuming that (a) the activation overvoltage was 0.43 V, and (d) the resistance overvoltage was 0.14 V.

図6の結果から、Pt担持カーボン粉末の酸量の増加に伴い、Pt担持カーボン粉末の表面がプロトン伝導性高分子電解質によって薄く均一に被覆されるため、プロトンの移動距離が増加し、プロトン伝導の過電圧が増加したことが示唆された。   From the result of FIG. 6, as the acid amount of the Pt-supported carbon powder increases, the surface of the Pt-supported carbon powder is thinly and uniformly covered with the proton conductive polymer electrolyte, so that the proton transfer distance increases and the proton conductivity. It was suggested that the overvoltage increased.

図7に、アノード触媒層の厚み及び触媒酸量を変えることで様々なプロトン移動距離係数になるように設計した燃料電池の電圧値を示す。図7の結果より、プロトン移動距離係数が低下するに伴って性能は向上し、0.05〜0.8の範囲内では高い電圧値が維持されることが分かった。このことから、アノード電極にはプロトン移動距離係数が0.8以下の触媒層を用いることによって、発電性能の高い燃料電池が得られることが明らかとなった。   FIG. 7 shows the voltage values of a fuel cell designed to have various proton transfer distance coefficients by changing the thickness of the anode catalyst layer and the amount of catalyst acid. From the results of FIG. 7, it was found that the performance improved as the proton transfer distance coefficient decreased, and that a high voltage value was maintained within the range of 0.05 to 0.8. From this, it became clear that a fuel cell with high power generation performance can be obtained by using a catalyst layer having a proton transfer distance coefficient of 0.8 or less for the anode electrode.

1 カーボン粉末
2 触媒
3 プロトン伝導性高分子電解質
1 Carbon powder 2 Catalyst 3 Proton conductive polymer electrolyte

Claims (3)

触媒が担持され且つ親水処理が施されたカーボン粉末とプロトン伝導性高分子電解質とを含む固体高分子型燃料電池の触媒層におけるプロトン伝導性を、次式
(プロトン移動距離係数)=d×A×S×r
[式中、dは触媒層の厚さ(μm)、Aは触媒が担持され且つ親水処理が施されたカーボン粉末の単位重量当たりの酸量(mmol/g)、Sはカーボン粉末の形状によって決まる担体形状因子、rは触媒層中における、プロトン伝導性高分子電解質(P)及び触媒が担持され且つ親水処理が施されたカーボン粉末(C)の重量比P/C、xは−1]
で定義されるプロトン移動距離係数に基づいて評価する方法。
The proton conductivity in the catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell including a catalyst-supported carbon powder subjected to hydrophilic treatment and a proton-conducting polymer electrolyte is expressed by the following formula (proton transfer distance coefficient) = d × A × S × r x
[Wherein, d is the thickness of the catalyst layer (μm), A is the amount of acid per unit weight (mmol / g) of the carbon powder on which the catalyst is supported and subjected to the hydrophilic treatment, and S is the shape of the carbon powder. The carrier form factor determined, r is the weight ratio P / C of the proton conductive polymer electrolyte (P) and the carbon powder (C) on which the catalyst is supported and subjected to the hydrophilic treatment in the catalyst layer, x is −1]
The evaluation method is based on the proton transfer distance coefficient defined in 1.
触媒が担持され且つ親水処理が施されたカーボン粉末とプロトン伝導性高分子電解質とを含む固体高分子型燃料電池の触媒層におけるプロトン伝導性を、次式
(プロトン移動距離係数)=W×A×S×r
[式中、Wは触媒が担持され且つ親水処理が施されたカーボン粉末の、触媒層の単位面積当たりの量(mg/cm)、Aは触媒が担持され且つ親水処理が施されたカーボン粉末の単位重量当たりの酸量(mmol/g)、Sはカーボン粉末の形状によって決まる担体形状因子、rは触媒層中における、プロトン伝導性高分子電解質(P)及び触媒が担持され且つ親水処理が施されたカーボン粉末(C)の重量比P/C、xは−1]
で定義されるプロトン移動距離係数に基づいて評価する方法。
The proton conductivity in the catalyst layer of a solid polymer fuel cell containing a catalyst-supported carbon powder that has been subjected to hydrophilic treatment and a proton-conductive polymer electrolyte is expressed by the following formula (proton transfer distance coefficient) = W × A × S × r x
[Where, W is the amount (mg / cm 2 ) per unit area of the catalyst layer of the carbon powder on which the catalyst is supported and subjected to the hydrophilic treatment, and A is the carbon powder on which the catalyst is supported and subjected to the hydrophilic treatment. Acid amount per unit weight of the powder (mmol / g), S is a carrier form factor determined by the shape of the carbon powder, r is a catalyst layer in which the proton conductive polymer electrolyte (P) and the catalyst are supported and hydrophilic treatment Weight ratio P / C of carbon powder (C) to which is applied, x is −1]
The evaluation method is based on the proton transfer distance coefficient defined in 1.
請求項1に記載のプロトン移動距離係数が0.05〜0.8である触媒層を有する固体高分子型燃料電池。   The polymer electrolyte fuel cell which has a catalyst layer whose proton transfer distance coefficient of Claim 1 is 0.05-0.8.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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