JP2011028978A - Electrode catalyst layer of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、触媒金属近傍に空隙を形成することにより、触媒金属への酸素供給量を増加させ、発電性能を向上させる、燃料電池の電極触媒層に関する。 The present invention relates to an electrode catalyst layer of a fuel cell that forms an air gap in the vicinity of a catalyst metal, thereby increasing the amount of oxygen supplied to the catalyst metal and improving power generation performance.
燃料電池は、水素および酸素を電気化学的に反応させて電力を得るため、発電に伴って生じる生成物は原理的に水のみである。それ故、地球環境への負荷がほとんどないクリーンな発電システムとして注目されている。 Since a fuel cell obtains electric power by electrochemically reacting hydrogen and oxygen, the product produced by power generation is in principle only water. Therefore, it is attracting attention as a clean power generation system that has little impact on the global environment.
燃料電池は、電解質の種類によって、固体高分子型(PEFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)のように分類される。このうち、固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性のイオン交換性固体高分子電解質膜を電解質として使用する。一般的には、電極触媒層を固体高分子電解質膜に接合して触媒塗布膜(catalyst coated membrane; CCM)を形成し、さらに電極触媒層の表面にガス拡散層を接合することによって膜電極接合体(membrane electrode assembly; MEA)を作製する。固体高分子型燃料電池は、この膜電極接合体を基本単位として作製される。 Fuel cells are classified into solid polymer type (PEFC), phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), and solid oxide type (SOFC) depending on the type of electrolyte. Among these, the polymer electrolyte fuel cell uses a proton conductive ion-exchange solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte. In general, membrane electrode bonding is performed by bonding the electrode catalyst layer to a solid polymer electrolyte membrane to form a catalyst coated membrane (CCM), and then bonding a gas diffusion layer to the surface of the electrode catalyst layer. The body (membrane electrode assembly; MEA) is made. A polymer electrolyte fuel cell is produced using this membrane electrode assembly as a basic unit.
燃料電池は、一方の電極(燃料極:アノード)側に水素を含む燃料ガスを、もう一方の電極(空気極:カソード)側に酸素を含む酸化ガスを供給することにより起電力を得る。ここで、アノード側では下記の(1)式に示す酸化反応が、カソード側では下記の(2)式に示す還元反応が進行し、全体として(3)式に示す反応が進行して外部回路に起電力を供給する。
H2→2H++2e- (1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O (2)
H2+(1/2)O2→H2O (3)
A fuel cell obtains an electromotive force by supplying a fuel gas containing hydrogen to one electrode (fuel electrode: anode) side and an oxidizing gas containing oxygen to the other electrode (air electrode: cathode) side. Here, the oxidation reaction shown in the following formula (1) proceeds on the anode side, and the reduction reaction shown in the following formula (2) progresses on the cathode side, and the reaction shown in the formula (3) progresses as a whole, and the external circuit To supply electromotive force.
H 2 → 2H + + 2e - (1)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)
上記の反応は、電極触媒層の全体で均一に進行するのではなく、固相である触媒金属、液相である高分子電解質膜、気相である反応ガスが接触するいわゆる三相界面領域でのみ進行する。触媒金属が高分子電解質膜に接触していない、または触媒金属に対する反応ガス供給が不足しているなど、三相界面を形成しない部位に存在する触媒金属は、上記の酸化還元反応に参加できないので、かかる触媒金属を多く含む燃料電池においては、実際の発電性能が、使用した触媒金属の量から期待される発電性能を大きく下回ることとなる。それ故、電極触媒層に含まれる触媒金属の活性を無駄なく活用できる高性能の燃料電池を製造するためには、電極触媒層の三相界面領域を増加させることが重要となる。 The above reaction does not proceed uniformly in the entire electrode catalyst layer, but in a so-called three-phase interface region where a catalytic metal as a solid phase, a polymer electrolyte membrane as a liquid phase, and a reactive gas as a gas phase are in contact. Only progress. Since the catalyst metal is not in contact with the polymer electrolyte membrane or the reaction gas supply to the catalyst metal is insufficient, the catalyst metal present at a site that does not form a three-phase interface cannot participate in the above redox reaction. In a fuel cell containing a large amount of such catalytic metals, the actual power generation performance is significantly lower than the power generation performance expected from the amount of catalyst metal used. Therefore, in order to manufacture a high-performance fuel cell that can utilize the activity of the catalytic metal contained in the electrode catalyst layer without waste, it is important to increase the three-phase interface region of the electrode catalyst layer.
固体高分子型燃料電池の場合、高分子電解質膜と同種または異種のイオン交換樹脂(高分子電解質;アイオノマ)で電極触媒を被覆して電極触媒層を形成することにより、高分子電解質膜に直接接触していない部位に存在する触媒金属も、アイオノマを介して高分子電解質膜に連結することが可能となった。これに対して、反応ガスはガス拡散層から電極触媒層に供給されるため、電極触媒の表面がアイオノマによって完全に被覆されると、電極触媒層の内部に存在する触媒金属への反応ガス供給が制約されるため、反応ガス供給量の減少を招くという側面も併せ持っている。それ故、アイオノマを使用して固液二相領域の連結を高めつつ、触媒金属への反応ガスの供給経路を確保して、三相界面領域を増加させることを目的とする技術開発が進められた。例えば特許文献1は、粒径の分布中心を少なくとも2つ有するカーボン粒子を備え、前記カーボン粒子のうち粒径の大きな分布中心を有するカーボン粒子により電極の骨体を形成し、前記カーボン粒子のうち粒径の小さな分布中心を有するカーボン粒子に触媒を担持させてなる電極を記載している。前記文献によれば、かかる構成を採用することにより、電極内のカーボン粒子の詰まり方が密となるのを回避し、反応ガスの微細な通路を確保することが可能となる。また、引用文献1は、平均粒径200 nmの亜鉛粒子からなる造孔剤を前記カーボン粒子とともに混合してインクを調製し、高分子電解質膜に塗布した後に該造孔剤を酸で溶出する方法も記載している。 In the case of a polymer electrolyte fuel cell, an electrode catalyst layer is formed by coating an electrode catalyst with an ion exchange resin (polymer electrolyte; ionomer) of the same type or different from that of the polymer electrolyte membrane, so that the polymer electrolyte membrane directly Catalytic metals present at the non-contacting sites can also be linked to the polymer electrolyte membrane via the ionomer. In contrast, since the reaction gas is supplied from the gas diffusion layer to the electrode catalyst layer, when the surface of the electrode catalyst is completely covered with the ionomer, the reaction gas is supplied to the catalyst metal existing inside the electrode catalyst layer. Therefore, there is an aspect that the reaction gas supply amount is reduced. Therefore, technological development aimed at increasing the three-phase interface region by securing the reaction gas supply path to the catalyst metal while enhancing the connection of the solid-liquid two-phase region using ionomer It was. For example, Patent Document 1 includes carbon particles having at least two distribution centers of particle diameter, and the electrode body is formed of carbon particles having a distribution center having a large particle diameter among the carbon particles. An electrode is described in which a catalyst is supported on carbon particles having a distribution center with a small particle size. According to the above-mentioned document, by adopting such a configuration, it is possible to prevent the carbon particles in the electrode from becoming clogged and to secure a fine passage of the reaction gas. Also, in Cited Document 1, an ink is prepared by mixing a pore-forming agent composed of zinc particles having an average particle size of 200 nm together with the carbon particles, and the pore-forming agent is eluted with an acid after being applied to a polymer electrolyte membrane. A method is also described.
電極触媒層に空隙を形成して反応ガスの供給経路を確保する場合、空隙の空間占有体積だけでなく、空隙の空間形状や空間位置も重要な要素となる。すなわち、空隙の空間占有体積が大きい場合や、その空間位置が高分子電解質膜やガス拡散層との接合面近傍である場合には、電極触媒層の強度が低下し、接合面からの剥離が生じる可能性が高くなる。それ故、空隙の空間形状や空間位置を制御する技術も開発されている。例えば特許文献2は、細長い形状の細孔を有することでガス透過性を高めた電極として、少なくとも径の2倍以上の長さに亘って該径が一定に形成された複数の細孔を有する燃料電池の電極を記載している。前記文献は、水溶性の有機高分子により形成された略一定の径の短繊維をカーボンとともに混合してインクを調製し、高分子電解質膜に塗布した後に該短繊維を温水で溶出する方法を記載している。特許文献3は、磁束密度分布のある磁場内で磁性を有する造孔剤を含む触媒インクの塗布または溶媒の蒸発工程を行うことにより、磁場によって造孔剤を配向させ、高分子電解質膜に対して連続的に傾斜した配向性を持つ細孔を形成する方法を記載している。
When forming a gap in the electrode catalyst layer to secure a reaction gas supply path, not only the space occupied volume of the gap but also the space shape and position of the gap are important factors. That is, when the space occupied volume of the void is large, or when the spatial position is in the vicinity of the joint surface with the polymer electrolyte membrane or the gas diffusion layer, the strength of the electrode catalyst layer decreases, and peeling from the joint surface occurs. Is more likely to occur. Therefore, a technique for controlling the space shape and the space position of the air gap has been developed. For example,
上記のように、電極触媒層の内部に空隙を形成することは、反応ガスの供給経路を確保して電極触媒層内の三相界面領域を増加させることとなるため、担持された触媒金属の活性を可及的に引き出し、燃料電池の発電性能を十分に発揮させるために重要である。特に、空隙の空間形状や空間位置は、電極触媒層の強度を維持し、接合面からの剥離を防止する上で無視できない要素であるだけでなく、発電性能の向上にも重要な要素である。すなわち、空隙が触媒金属の近傍に形成されると、触媒金属に対する反応ガスの供給量をより効果的に増加させることができると考えられるからである。 As described above, the formation of voids in the electrode catalyst layer secures a reaction gas supply path and increases the three-phase interface region in the electrode catalyst layer. This is important in order to draw out the activity as much as possible and to fully demonstrate the power generation performance of the fuel cell. In particular, the space shape and space position of the gap are not only elements that cannot be ignored in maintaining the strength of the electrode catalyst layer and preventing separation from the joint surface, but are also important elements for improving power generation performance. . That is, if the voids are formed in the vicinity of the catalyst metal, it is considered that the amount of reaction gas supplied to the catalyst metal can be increased more effectively.
それ故、空隙形成による発電性能の向上を企図する場合、電極触媒層を形成する工程において、空隙形成のための材料を触媒金属の近傍に局在させることが有効と考えられる。しかしながら、前記特許文献をはじめとする従来技術では、空隙の形成位置を触媒金属の近傍に制御することは困難である。また、特許文献1および3のように、金属粒子を空隙形成のために用いる場合、溶解した金属イオンが電極触媒層内に残留して高分子電解質膜のイオン交換基と結合し、高分子電解質膜の性能を低下させる問題も存在する。それ故本発明は、空隙形成工程で金属イオンを生成しない材料を使用することにより、電極触媒層の内部、好ましくは触媒金属の近傍に空隙を形成して触媒金属への反応ガス供給量を増加させ、膜電極接合体の発電性能を向上させる方法を提供することを目的とする。 Therefore, when the improvement of power generation performance by void formation is intended, it is considered effective to localize the material for void formation in the vicinity of the catalyst metal in the step of forming the electrode catalyst layer. However, it is difficult to control the position where the void is formed in the vicinity of the catalyst metal in the prior art including the above-mentioned patent documents. Further, as in Patent Documents 1 and 3, when metal particles are used to form voids, dissolved metal ions remain in the electrode catalyst layer and bind to the ion exchange groups of the polymer electrolyte membrane, so that the polymer electrolyte There are also problems that degrade the performance of the membrane. Therefore, according to the present invention, by using a material that does not generate metal ions in the void formation step, a void is formed inside the electrode catalyst layer, preferably in the vicinity of the catalyst metal, thereby increasing the amount of reaction gas supplied to the catalyst metal. An object of the present invention is to provide a method for improving the power generation performance of a membrane electrode assembly.
本発明者は、前記課題を解決するための手段を種々検討した結果、高分子有機化合物の粒子を含む電極触媒層を高分子電解質膜に接合し、その後有機溶剤を用いて該粒子を除去することによって、触媒金属近傍におけるアイオノマの表面積を増大させ、結果として燃料電池の発電性能を向上させることができることを見出し、本発明を完成した。 As a result of various studies on means for solving the above problems, the present inventor joined an electrode catalyst layer containing particles of a polymer organic compound to a polymer electrolyte membrane, and then removed the particles using an organic solvent. Thus, it was found that the surface area of the ionomer in the vicinity of the catalyst metal can be increased, and as a result, the power generation performance of the fuel cell can be improved, and the present invention has been completed.
すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
(1) 高分子電解質膜と、該高分子電解質膜の両面に配置された、内部に複数の空隙が形成されている電極触媒層とを備える膜電極接合体の製造方法であって、
カーボン担体に担持された触媒金属を含む触媒粉末およびアイオノマを、高分子有機化合物の粒子と混合して電極触媒インクを作製する、電極触媒インク作製工程;
高分子電解質膜の表面に電極触媒インクを塗布して電極触媒層を形成する、電極触媒層形成工程:
膜電極接合体を有機溶剤に浸漬して高分子有機化合物の粒子を除去し、複数の空隙を形成する、空隙形成工程;
を含むことを特徴とする前記方法。
(2) 高分子有機化合物の粒子とカーボン担体の粒径比が1:2〜2:1であることを特徴とする、前記(1)の方法。
(3) 高分子有機化合物の粒子がポリスチレンからなることを特徴とする、前記(1)または(2)の方法。
(4) 高分子有機化合物の粒子の表面が、スルホン酸基を導入することによって親水化処理されていることを特徴とする、前記(1)〜(3)のいずれか1項の方法。
(5) 前記(1)〜(4)のいずれか1項の方法で製造された膜電極接合体。
(6) 前記(5)の膜電極接合体を備える燃料電池。
That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) A method for producing a membrane electrode assembly comprising a polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane and having a plurality of voids formed therein,
An electrode catalyst ink preparation step of preparing an electrode catalyst ink by mixing a catalyst powder containing a catalyst metal supported on a carbon carrier and an ionomer with particles of a polymer organic compound;
Electrocatalyst layer formation step of forming an electrode catalyst layer by applying an electrode catalyst ink to the surface of the polymer electrolyte membrane:
A void forming step of immersing the membrane electrode assembly in an organic solvent to remove particles of the polymer organic compound and forming a plurality of voids;
The method comprising the steps of:
(2) The method according to (1) above, wherein the particle size ratio of the polymer organic compound particles to the carbon support is 1: 2 to 2: 1.
(3) The method of (1) or (2) above, wherein the polymer organic compound particles are made of polystyrene.
(4) The method according to any one of (1) to (3) above, wherein the surface of the polymer organic compound particles is subjected to a hydrophilic treatment by introducing a sulfonic acid group.
(5) The membrane electrode assembly manufactured by the method of any one of said (1)-(4).
(6) A fuel cell comprising the membrane electrode assembly of (5).
本発明により、電極触媒層の内部、好ましくは触媒金属の近傍に空隙を形成して触媒金属への反応ガス供給量を増加させ、膜電極接合体の発電性能を向上させることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to improve the power generation performance of the membrane electrode assembly by forming voids in the electrode catalyst layer, preferably in the vicinity of the catalyst metal, thereby increasing the amount of reaction gas supplied to the catalyst metal.
以下、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
1.膜電極接合体
本発明の膜電極接合体の全体構成を図1に示す。
図1に示すように、本発明の膜電極接合体11は、高分子電解質膜12と、該高分子膜12の両面に配置された電極触媒層13とを備えており、電極触媒層13はその内部に形成された複数の空隙17を含む。一般に、燃料電池を高出力で運転するためには、反応量の増加に対応して、反応ガス(酸素および水素)の供給量を増加させる必要がある。電極触媒層に含まれる触媒金属表面への反応ガスの供給量を規定する要因としては、アイオノマへの反応ガスの溶解量およびアイオノマ中での反応ガスの拡散抵抗が挙げられる。ここでアイオノマへの反応ガスの溶解量は、反応ガスに曝露されるアイオノマの表面積を増大させることによって増加させることができる。それ故、本発明の膜電極接合体11は、電極触媒層13の内部に空隙17を形成することによって、アイオノマの表面積を増大させ、結果として触媒金属への反応ガス供給量を増加させることが可能となる。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
1. Membrane / electrode assembly The overall structure of the membrane / electrode assembly of the present invention is shown in FIG.
As shown in FIG. 1, the
なお、本明細書において、「膜電極接合体」は、上記の構成を含む部材を意味し、上記の三層構造を有する触媒塗布膜だけでなく、触媒塗布膜の両面にガス拡散層をさらに接合した部材も前記膜電極接合体に包含するものとする。 In this specification, the “membrane electrode assembly” means a member including the above-described configuration, and not only the catalyst coating film having the above three-layer structure, but also gas diffusion layers on both sides of the catalyst coating film. The joined member is also included in the membrane electrode assembly.
本発明の膜電極接合体に含まれる各部材について以下に説明する。
1−1.電極触媒層
以下では、電極触媒層の構成を、図2に基づいて説明する。
本発明の膜電極接合体において使用される電極触媒層23は、カーボン担体24に担持された触媒金属25を含む触媒粉末と、触媒粉末を被覆するアイオノマ26とを含む。本発明の電極触媒層23は、高分子有機化合物の粒子の除去によって形成された複数の空隙27が触媒金属25の近傍に分布する構成を有しているため、触媒金属25の近傍におけるアイオノマ26の表面積増大に寄与することが可能となる。
Each member included in the membrane electrode assembly of the present invention will be described below.
1-1. Below the electrode catalyst layer, the structure of the electrode catalyst layer, will be described with reference to FIG.
The
本発明の電極触媒層23に含まれる空隙27は、以下において詳細に説明する空隙形成工程によって形成される。空隙27は、複数の球形または略球形の形状であることが好ましく、それぞれの空隙27は互いに独立していてもよく、隣接する空隙27が互いに連通していてもよい。また、空隙27は、電極触媒層23の内部において、互いに略均一な間隔で分散して形成されていてもよいが、カーボン担体24に担持された触媒金属25の近傍に局在して形成されていることがより好ましい。
The void 27 included in the
空隙27の内径および体積は、使用される高分子有機化合物の粒子の粒径によって制御することができる。本発明の膜電極接合体において、空隙27の内径とカーボン担体24の粒径の比は、1:2〜2:1であることが好ましい。例えば、カーボン担体24の粒径が10〜50 nmである場合において、空隙27の内径は、5〜100 nmであることが好ましく、10〜50 nmであることがより好ましい。また、空隙27の体積は、カーボン担体24の全体積に対して10〜100体積%であることが好ましい。上記の好適な構成の空隙27を含むことにより、本発明の膜電極接合体は、アイオノマの表面積を増大させ、触媒金属への反応ガス供給量を増加させることが可能となる。
The inner diameter and volume of the void 27 can be controlled by the particle size of the polymer organic compound particles used. In the membrane electrode assembly of the present invention, the ratio of the inner diameter of the
なお、上記の高分子有機化合物の粒子およびカーボン担体の粒径は、下記2−1の項において説明する方法によって測定された値を意味する。 The particle diameters of the polymer organic compound particles and the carbon support mean values measured by the method described in the section 2-1 below.
本発明の膜電極接合体において使用されるカーボン担体24は、触媒成分を担持するための担体としてだけでなく、電極としても機能する。それ故、触媒成分を担持できるとともに、それ自体が導電性を具備するものであれば特に限定されるものではない。燃料電池用電極に慣用されている様々なカーボン担体を使用することができる。また、カーボン担体24の形状は、球形または略球形であることが好ましい。この場合において、カーボン担体24は、少なくとも1組の粒径の分布中心を有する。複数の粒径の分布中心を有する実施形態において、本明細書で使用される用語「カーボン担体の粒径」は、複数の分布中心の中で最も大きい分布中心を意味する。本発明の膜電極接合体において使用されるカーボン担体24の粒径は、10〜100 nmであることが好ましく、10〜50 nmであることがより好ましい。本発明の膜電極接合体において好適なカーボン担体は、限定するものではないが、例えばKetjen EC(ケチェンブラックインターナショナル製)、アセチレンブラック(ケチェンブラックインターナショナル製)、バルカンXC-72R(Cabot製)、デンカブラック(DENKA製)、Printex XE2(Degussa製)およびPrintex XE2-B(Degussa製)のようなカーボン粉末である。
The
本発明の膜電極接合体において使用される触媒金属25は、前記カーボン担体24に担持され、その表面において酸化還元反応を触媒することにより起電力を得るために使用される。本発明の燃料電池用電極触媒において使用される触媒金属は、白金、または白金およびコバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、バナジウム、銅、モリブデン、パラジウム、金、クロム、亜鉛、タングステン、オスミウム、銀、マンガン、ジルコニウム、イリジウム、チタン、鉄もしくはニオブなどの遷移金属からなる白金合金であることが好ましい。白金は高価な貴金属であり、アノード触媒、カソード触媒ともに、少ない担持量で十分な性能を発揮させることが好ましい。本発明の膜電極接合体は、電極触媒層23の内部に空隙27を形成して三相界面領域を増加させることにより、触媒活性を損なうことなく白金使用量を削減することが可能となる。
The
なお、触媒金属の担持密度は、電極触媒の総重量に対する担持された触媒金属の重量%で定義される。かかる担持密度は、触媒金属が白金である場合には、白金重量/(白金重量+担体重量)×100の計算式により算出される。また、触媒金属が白金合金である場合には、(白金重量+遷移金属重量)/(白金重量+遷移金属重量+担体重量)×100の計算式により算出される。本発明の膜電極接合体において、触媒金属の担持密度は10〜60重量%であることが好ましい。 The catalyst metal loading density is defined as the weight percentage of the catalyst metal supported relative to the total weight of the electrode catalyst. When the catalyst metal is platinum, the loading density is calculated by a calculation formula of platinum weight / (platinum weight + support weight) × 100. Further, when the catalyst metal is a platinum alloy, it is calculated by a formula of (platinum weight + transition metal weight) / (platinum weight + transition metal weight + support weight) × 100. In the membrane electrode assembly of the present invention, the catalyst metal loading density is preferably 10 to 60% by weight.
触媒金属に白金合金を使用する場合、その組成は、担持された白金合金の総重量に対する白金および/または遷移金属の重量%で定義される。かかる組成は、白金重量/(白金重量+遷移金属重量)×100の計算式により算出される。本発明の膜電極接合体において、白金合金の組成は白金が90〜98重量%に対して遷移金属が2〜10重量%であることが好ましい。 When a platinum alloy is used as the catalyst metal, its composition is defined by the weight percent of platinum and / or transition metal relative to the total weight of the supported platinum alloy. Such a composition is calculated by a formula of platinum weight / (platinum weight + transition metal weight) × 100. In the membrane electrode assembly of the present invention, the composition of the platinum alloy is preferably 90 to 98% by weight of platinum and 2 to 10% by weight of transition metal.
本発明の膜電極接合体において使用されるアイオノマ26は、触媒粉末を被覆し、それにより電極触媒層内の三相界面領域の増加を図るために使用される。それ故、本発明において使用されるアイオノマ26は、触媒粉末および高分子電解質膜22の双方と親和性が高く、かつ均質な被覆が可能な材料が好ましく、使用される高分子電解質膜22と同種の骨格構造およびイオン交換基を有する高分子有機化合物またはその類縁体が特に好ましい。好適なアイオノマは、限定するものではないが、例えばナフィオン(登録商標)DE2020およびDE2029(デュポン社製)のような、パーフルオロスルホン酸基を有する高分子有機化合物である。
The
1−2.高分子電解質膜
本発明の膜電極接合体において使用される高分子電解質膜22は、燃料極と空気極を隔てるとともに、両電極間で起きるプロトン伝導のための電解質として機能する。それ故、本発明に使用される高分子電解質膜22は、プロトン伝導性(導電性)が高く、かつ親水性が高い膜であることが好ましい。かかる高分子電解質膜22を構成する材料は、限定するものではないが、スルホン酸基、リン酸基、ホスホン酸基などの強酸性官能基や、カルボキシル基などの弱酸性官能基を有する高分子有機化合物が好ましい。酸性官能基を有することにより、高分子電解質膜は水を含んだ状態でプロトン伝導性(導電性)を発揮することが可能となる。
1-2. Polymer Electrolyte Membrane The
また、本発明において使用される高分子電解質膜22は、電極触媒層23と密着して接合されることから、柔軟性が高く、かつ電極触媒層23との親和性が高いことが好ましい。本発明の膜電極接合体において使用される高分子電解質膜22は、限定するものではないが、例えばナフィオン(登録商標)N112およびN111(デュポン社製)のような高分子電解質膜であることが好ましい。
In addition, since the
2.膜電極接合体の製造方法
本発明の膜電極接合体の製造方法は、電極触媒層形成後に該電極触媒層内に含まれる高分子有機化合物の粒子を溶出除去して複数の空隙を形成することを特徴とする。これにより、触媒金属の近傍におけるアイオノマの表面積増大に寄与することが可能となる。
2. Method for Producing Membrane / Electrode Assembly The method for producing a membrane / electrode assembly of the present invention is to form a plurality of voids by eluting and removing particles of the polymer organic compound contained in the electrode catalyst layer after forming the electrode catalyst layer. It is characterized by. This can contribute to an increase in the surface area of the ionomer in the vicinity of the catalytic metal.
以下、本発明の膜電極接合体の製造方法の各工程を、図3に基づいて説明する。なお、高分子電解質膜32、電極触媒層33、カーボン担体34、触媒金属35およびアイオノマ36は、それぞれ高分子電解質膜22、電極触媒層23、カーボン担体24、触媒金属25およびアイオノマ26について上述した特徴を具備するものとする。
Hereinafter, each process of the manufacturing method of the membrane electrode assembly of this invention is demonstrated based on FIG. The
2−1.電極触媒インク作製工程
本工程は、カーボン担体34に担持された触媒金属35を含む触媒粉末およびアイオノマ36を、高分子有機化合物の粒子38と混合することによって、好適な分散状態にある電極触媒インクを作製することを目的とする。ここで「好適な分散状態」とは、電極触媒インク中の触媒粉末および高分子有機化合物の粒子が、それぞれ別個に凝集することなく、好ましくは、カーボン担体の表面に担持された触媒金属の近傍に高分子有機化合物の粒子が配置されるような状態で、分散している状態を意味する。かかる状態にある電極触媒インクを作製することにより、下記の工程において、触媒金属の近傍に空隙が形成された電極触媒層を得ることが可能となる。
2-1. Electrocatalyst ink production process This process comprises mixing the catalyst powder containing the
本発明の膜電極接合体の製造方法に使用される高分子有機化合物の粒子38の形状は、限定されるものではないが、球形または略球形であることが好ましい。球形または略球形のビーズを高分子有機化合物の粒子38として使用する場合、高分子有機化合物の粒子38の粒径は、触媒粉末に含まれるカーボン担体34の粒径と同一または略同一であることが好ましく、高分子有機化合物の粒子38とカーボン担体34の粒径比が1:2〜2:1であることがより好ましい。例えば、カーボン担体34の粒径が10〜50 nmである場合において、高分子有機化合物の粒子38の粒径は5〜100 nmであることが好ましく、10〜50 nmであることがより好ましい。上記の構成の高分子有機化合物の粒子38を使用することにより、結果として得られる膜電極接合体において、反応ガスに曝露されるアイオノマの表面積が増大し、三相界面に対する反応ガス供給量が増加することとなる。
The shape of the polymer
なお、高分子化合物の粒子およびカーボン担体の粒径は、動的光散乱法、レーザー回折散乱法または透過型電子顕微鏡(TEM)観測などの方法によって測定することができる。高分子化合物の粒子の粒径は、動的光散乱法によって測定することが好ましく、カーボン担体の粒径は、TEM観測によって測定することが好ましい。 The particle size of the polymer compound particles and the carbon support can be measured by a method such as dynamic light scattering, laser diffraction scattering, or transmission electron microscope (TEM) observation. The particle size of the polymer compound particles is preferably measured by a dynamic light scattering method, and the particle size of the carbon support is preferably measured by TEM observation.
本発明の膜電極接合体の製造方法に使用される高分子有機化合物の粒子38は、電極触媒インク作製工程で使用される溶媒に不溶であり、かつ空隙形成工程で使用される有機溶剤に易溶であれば、特に限定されるものではない。様々な材料からなる高分子有機化合物の粒子を使用することができる。好適であるのは、ポリスチレンなどの高分子有機化合物の粒子である。かかる高分子有機化合物の粒子はそのままの状態で使用してもよいが、一般に高分子有機化合物の粒子の表面は疎水的な性質を有するため、あらかじめスルホン酸基、硫酸基、リン酸基、ホスホン酸基、カルボキシル基などの解離性官能基を導入することによって、該高分子有機化合物の粒子の表面を親水化処理することがより好ましい。一例として、ポリスチレンからなる高分子有機化合物の粒子を使用する場合、親水化処理は、クロロスルホン酸、発煙硫酸などの親水性官能基導入剤中に高分子有機化合物の粒子を浸漬することによって実施することができる。上記の場合、親水性官能基導入剤は0.01〜0.5 mol/Lの濃度であることが好ましい。浸漬処理は、0〜60℃で行うことが好ましい。また、浸漬処理は、24〜72時間行うことが好ましい。
The polymer
本工程で使用される高分子有機化合物の粒子38の含有量は、所望の空隙体積に応じて適宜設定することができる。電極触媒層におけるアイオノマへの反応ガスの溶解量を増加させるためには、空隙体積は大きいことが好ましい。しかしながら、空隙体積が大きくなると、電極触媒層の強度低下、高分子電解質膜からの剥離や電気抵抗の上昇などの好ましくない影響を生じうる。それ故、本工程に使用される高分子有機化合物の粒子38は、カーボン担体の全体積に対して10〜100体積%であることが好ましい。上記の好適な範囲で高分子有機化合物の粒子を添加することにより、電極触媒層の剥離や電気抵抗の上昇などの好ましくない影響を生じることなく、アイオノマへの反応ガスの溶解量を増加させることが可能となる。
The content of the polymer
上記で説明した触媒粉末およびアイオノマ36を高分子有機化合物の粒子38と混合することによって、触媒インクが調製される。混合処理は、所望のインク粘度の分散液を得るために、上記の各成分、特に高分子有機化合物の粒子38に実質的な影響を及ぼさない溶媒中で実施することが好ましい。好適な溶媒は、限定するものではないが、水、エタノール、シクロヘキサノン、プロパノールおよびそれらの混合液である。上記の構成で各成分を混合することにより、好適な分散状態にある電極触媒インクを作製することが可能となる。
A catalyst ink is prepared by mixing the catalyst powder and
2−2.電極触媒層形成工程
本工程は、高分子電解質膜32の表面に電極触媒インクを塗布して、カーボン担体34に担持された触媒金属35を含む触媒粉末、アイオノマ36および高分子有機化合物の粒子38を含む電極触媒層33を形成することを目的とする。触媒インクの塗布は、例えばスクリーン印刷法のような転写法や、スプレー塗布、刷毛による塗布などの様々な方法により実施することが好ましく、転写法によって実施することが特に好ましい。上記の電極触媒インク作製工程で作製した触媒インクをこれらの方法で塗布することにより、触媒粉末および高分子有機化合物の粒子38を好適な分散状態で含む電極触媒層33を形成することが可能となる。
2-2. Electrode catalyst layer forming step This step consists in applying an electrode catalyst ink to the surface of the
2−3.空隙形成工程
本工程は、上記の工程で接合された電極触媒層33に含まれる高分子有機化合物の粒子38を除去し、電極触媒層33の内部に複数の空隙を形成することを目的とする。すでに説明したように、本発明の製造方法で使用される高分子有機化合物の粒子38は、有機溶剤に易溶な高分子有機化合物からなる。これに対して、アイオノマ36および高分子電解質膜32もまた、高分子有機化合物からなる。それ故、本工程において使用される有機溶剤は、高分子有機化合物の粒子38を溶出除去することができ、かつ高分子電解質膜32やアイオノマ36などの、膜電極接合体を構成する他の部材には実質的な影響を与えないものが選択される。好適であるのは、クロロホルム、アセトンおよびジメチルスルホキシド(DMSO)などの有機溶剤である。
2-3. Void formation step This step aims to remove the polymer
上記の電極触媒層形成工程において作製された膜電極接合体を有機溶剤に浸漬することによって、電極触媒層33から高分子有機化合物の粒子38を溶出除去することができる。上記の好適な有機溶剤を使用する場合、浸漬温度は0〜60℃であることが好ましい。また、浸漬時間は24〜72時間であることが好ましい。上記の条件で浸漬した後、膜電極接合体を有機溶剤から取り出し、エタノールおよびイソプロピルアルコールなどの水溶性有機溶剤で洗浄し、次いで水でさらに洗浄する。上記の条件で当該工程を実施することにより、膜電極接合体に損傷を与えることなく高分子有機化合物の粒子38を除去することが可能となる。
By immersing the membrane / electrode assembly produced in the above electrode catalyst layer forming step in an organic solvent, the polymer
以上説明したように、本発明の膜電極接合体の製造方法は、電極触媒層において、触媒金属の近傍に空隙を形成することにより、触媒金属への反応ガス供給の効率を向上させ、高出力運転時の電圧低下を抑制することが可能となる。また、本発明の膜電極接合体の製造方法を用いることにより、電極触媒層に使用される触媒金属の三相界面面積を増大させることが可能となり、結果として触媒金属の使用量を削減することが可能となる。 As described above, the method for producing a membrane electrode assembly according to the present invention improves the efficiency of the reaction gas supply to the catalyst metal by forming a void in the vicinity of the catalyst metal in the electrode catalyst layer, thereby achieving high output. It is possible to suppress a voltage drop during operation. Further, by using the method for producing a membrane electrode assembly of the present invention, it becomes possible to increase the three-phase interface area of the catalyst metal used in the electrode catalyst layer, and consequently reduce the amount of catalyst metal used. Is possible.
以下、実施例および比較例によって本発明をさらに詳細に説明する。
[電極触媒の作製]
白金および遷移金属の合金を含む触媒金属がカーボン担体に担持された燃料電池用電極触媒を、以下の工程にしたがって作製した。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples.
[Production of electrode catalyst]
A fuel cell electrode catalyst in which a catalyst metal including an alloy of platinum and a transition metal was supported on a carbon support was produced according to the following steps.
所定量の白金および遷移金属塩を、湿式法によってカーボン担体(粒径30 nm)に担持した。その後、還元剤を用いて、カーボン担体に担持された白金および遷移金属塩を還元処理して金属化し、さらに不活性ガス中で熱処理することにより、カーボン担体に担持された白金および遷移金属を合金化した。その後、酸洗浄によって未合金の遷移金属を除去することにより、白金および遷移金属の合金を含む触媒金属がカーボン担体に担持された電極触媒粉末とした。 A predetermined amount of platinum and a transition metal salt were supported on a carbon support (particle size: 30 nm) by a wet method. Thereafter, using a reducing agent, platinum and transition metal salt supported on the carbon support are reduced to be metallized, and further heat-treated in an inert gas, whereby platinum and transition metal supported on the carbon support are alloyed. Turned into. Thereafter, an unalloyed transition metal was removed by acid cleaning to obtain an electrode catalyst powder in which a catalyst metal containing an alloy of platinum and a transition metal was supported on a carbon support.
[触媒インクの作製]
比較例および各実施例試料の組成を表1に示す。なお、表中、実施例2の「スルホン化ポリスチレンビーズ」は、実施例1と同一のポリスチレンビーズの表面を親水化処理した材料であって、該ポリスチレンビーズを、0.1 mol/Lクロロスルホン酸のエタノール溶液中に室温で24時間撹拌しながら浸漬して調製した。
[Preparation of catalyst ink]
Table 1 shows the compositions of the comparative example and each example sample. In the table, “sulfonated polystyrene beads” in Example 2 is a material obtained by hydrophilizing the surface of the same polystyrene beads as in Example 1, and the polystyrene beads are made of 0.1 mol / L chlorosulfonic acid. It was prepared by immersing in an ethanol solution at room temperature with stirring for 24 hours.
各試料を、以下の手順で調製した。比較例の試料については、1.0 gの電極触媒粉末(白金担持密度40重量%)および0.45 g(乾燥重量)のアイオノマ(ナフィオン(登録商標)DE2020(デュポン社製))を、また実施例1および2の試料については、これらに加えて0.4 gの高分子有機化合物の粒子(粒径50 nm;ナノビーズ(商品名)(テクノケミカル社製)(実施例1)またはそのスルホン化物(実施例2))を、それぞれ純水、エタノールに加えて混合物とした。この場合、高分子有機化合物の粒子の含有量は、電極触媒粉末に含まれるカーボン担体の全体積に対して50体積%に相当する。これらの混合物を超音波処理して触媒インクを調製した。 Each sample was prepared by the following procedure. For the comparative sample, 1.0 g of electrocatalyst powder (platinum loading density 40 wt%) and 0.45 g (dry weight) of ionomer (Nafion® DE2020 (DuPont)) were also used. In addition to these, 0.4 g of polymer organic compound particles (particle size 50 nm; nanobeads (trade name) (manufactured by Techno Chemical Co., Ltd.) (Example 1) or a sulfonated product thereof (Example 2) ) Were added to pure water and ethanol, respectively, to prepare a mixture. In this case, the content of the polymer organic compound particles corresponds to 50% by volume with respect to the total volume of the carbon support contained in the electrode catalyst powder. These mixtures were sonicated to prepare catalyst inks.
[膜電極接合体の作製]
比較例および各実施例の触媒インクを、転写法により高分子電解質膜(ナフィオン(登録商標)N112(デュポン社製))の両面に塗布して、高分子電解質膜の両面に電極触媒層を備える触媒塗布膜を作製した。次に、触媒塗布膜両面の電極触媒層にガス拡散層を接合して膜電極接合体(MEA)を作製した。得られた比較例および各実施例のMEAを、クロロホルム中に室温で24時間浸漬して、電極触媒層に含まれる高分子有機化合物の粒子を溶出除去して複数の空隙を形成した。その後、各MEAをクロロホルム中から取り出し、エタノールおよび水で順次洗浄した。
[Production of membrane electrode assembly]
The catalyst inks of the comparative example and each example were applied to both surfaces of a polymer electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) N112 (manufactured by DuPont)) by a transfer method, and electrode catalyst layers were provided on both surfaces of the polymer electrolyte membrane. A catalyst-coated film was prepared. Next, a gas diffusion layer was joined to the electrode catalyst layers on both sides of the catalyst coated film to produce a membrane electrode assembly (MEA). The obtained MEAs of Comparative Examples and Examples were soaked in chloroform at room temperature for 24 hours to elute and remove the polymer organic compound particles contained in the electrode catalyst layer to form a plurality of voids. Thereafter, each MEA was taken out from chloroform and washed successively with ethanol and water.
[評価]
上記の方法で得られた比較例および各実施例のMEAについて、それぞれの電極触媒層に含まれるアイオノマのBET表面積、アイオノマ中の酸素拡散抵抗および各MEAの発電性能を測定した。アイオノマのBET表面積は、定容法を用いて窒素による吸着脱離等温線を測定した後、BET多点法により算出した。アイオノマ中の酸素拡散抵抗は、空気−水素を供給した場合と酸素−水素を供給した場合のI-V特性を測定する過電圧分離試験により算出した。MEAの発電性能は、温度80℃、相対湿度40%、1.0 A/cm2における出力電圧の測定値で評価した。結果を図4〜6に示す。なお、図中の値は、比較例の測定値を「1」として規格化した相対値である。
[Evaluation]
Regarding the MEAs of the comparative examples and the examples obtained by the above method, the BET surface area of the ionomer, the oxygen diffusion resistance in the ionomer, and the power generation performance of each MEA were measured. The BET surface area of the ionomer was calculated by the BET multipoint method after measuring the adsorption / desorption isotherm by nitrogen using the constant volume method. The oxygen diffusion resistance in the ionomer was calculated by an overvoltage separation test in which IV characteristics were measured when air-hydrogen was supplied and when oxygen-hydrogen was supplied. MEA power generation performance of the temperature 80 ° C., 40% relative humidity, was evaluated by measurement of the output voltage at 1.0 A / cm 2. The results are shown in FIGS. In addition, the value in a figure is a relative value which normalized the measured value of the comparative example as "1".
図4に示すように、実施例1および2のアイオノマのBET表面積は、比較例のそれに対してそれぞれ1.3倍および1.7倍となり、高分子有機化合物の粒子を加えて電極触媒層を形成することにより、アイオノマのBET表面積が増大することが明らかとなった。また、実施例1および2を比較すると、かかる効果は、添加する高分子有機化合物の粒子の表面親水性が高いほどより顕著になることが明らかとなった。 As shown in FIG. 4, the BET surface areas of the ionomers of Examples 1 and 2 were 1.3 times and 1.7 times that of the comparative example, respectively. By adding the polymer organic compound particles, the electrode catalyst layer was formed. It was found that the BET surface area of ionomers increased. Moreover, when Examples 1 and 2 were compared, it became clear that this effect becomes more remarkable as the surface hydrophilicity of the particles of the polymer organic compound to be added increases.
図5に示すように、実施例1および2のアイオノマ中の酸素拡散抵抗は、比較例のそれに対してそれぞれ0.8倍および0.6倍となり、図4に示すアイオノマのBET表面積の比較とは対照的な結果となった。 As shown in FIG. 5, the oxygen diffusion resistance in the ionomers of Examples 1 and 2 was 0.8 times and 0.6 times that of the comparative example, respectively, in contrast to the comparison of the ionomer BET surface areas shown in FIG. As a result.
図6に示すように、実施例1および2のMEAの発電性能は、比較例のそれに対してそれぞれ1.2倍および1.4倍となり、アイオノマのBET表面積の結果(図4)と高い相関を示した。 As shown in FIG. 6, the power generation performance of the MEAs of Examples 1 and 2 was 1.2 times and 1.4 times that of the comparative example, respectively, and showed a high correlation with the ionomer BET surface area results (FIG. 4).
以上の結果を考察する。燃料電池は、アノードおよびカソードの電極触媒層に含まれる触媒表面の酸化還元反応によって起電力を得る。このため、連続的に発電するためには、反応ガスである酸素および水素を継続して供給する必要があり、特に高出力時には反応量の増加に対応して、酸素および水素の供給量も増加させる必要がある。電極触媒層に含まれる触媒表面への反応ガスの供給量を規定する要因としては、アイオノマへの反応ガスの溶解量およびアイオノマ中での反応ガスの拡散抵抗が挙げられる。このうち、アイオノマへの反応ガスの溶解量は、反応ガスに曝露されるアイオノマの表面積を増大させることによって、増加させることができると推測された。上記で述べたように、実施例1および2のアイオノマのBET表面積ならびにそれらのMEAの発電性能は、いずれも比較例のそれに対して向上した(図4および6)。このことから、実施例1および2のMEAの発電性能の向上は、高分子有機化合物の粒子の添加およびその溶出除去によって、実施例1および2のアイオノマのBET表面積が増加したことに起因すると推測される。 Consider the above results. The fuel cell obtains an electromotive force by an oxidation-reduction reaction on the surface of the catalyst contained in the anode and cathode electrode catalyst layers. For this reason, in order to continuously generate power, it is necessary to continuously supply oxygen and hydrogen, which are reaction gases, and the supply amount of oxygen and hydrogen increases corresponding to the increase in reaction amount, especially at high output. It is necessary to let Factors that define the amount of reactant gas supplied to the catalyst surface contained in the electrode catalyst layer include the amount of reactant gas dissolved in the ionomer and the diffusion resistance of the reactant gas in the ionomer. Among these, it was speculated that the amount of the reaction gas dissolved in the ionomer can be increased by increasing the surface area of the ionomer exposed to the reaction gas. As mentioned above, the BET surface areas of the ionomers of Examples 1 and 2 and the power generation performance of their MEAs were both improved relative to those of the comparative examples (FIGS. 4 and 6). From this, it is surmised that the improvement in the power generation performance of the MEAs of Examples 1 and 2 is due to the increase in the BET surface area of the ionomers of Examples 1 and 2 due to the addition and removal of the polymer organic compound particles. Is done.
本発明の膜電極接合体の製造方法により、触媒金属への反応ガス供給の効率を向上させ、高出力運転時の電圧低下を抑制することが可能となる。これにより、電極触媒層に使用した触媒金属の触媒活性を効果的に利用することが可能となり、結果として触媒金属の使用量を削減して低コスト化を図ることが可能となる。 According to the method for manufacturing a membrane electrode assembly of the present invention, it is possible to improve the efficiency of supply of the reaction gas to the catalyst metal and suppress the voltage drop during the high output operation. As a result, the catalytic activity of the catalytic metal used for the electrode catalyst layer can be effectively utilized, and as a result, the amount of catalytic metal used can be reduced and the cost can be reduced.
11…膜電極接合体
12,22,32…高分子電解質膜
13,23,33…電極触媒層
24,34…カーボン担体
25,35…触媒金属
26,36…アイオノマ
17,27…空隙
38…高分子有機化合物の粒子
DESCRIPTION OF
Claims (6)
カーボン担体に担持された触媒金属を含む触媒粉末およびアイオノマを、高分子有機化合物の粒子と混合して電極触媒インクを作製する、電極触媒インク作製工程;
高分子電解質膜の表面に電極触媒インクを塗布して電極触媒層を形成する、電極触媒層形成工程:
膜電極接合体を有機溶剤に浸漬して高分子有機化合物の粒子を除去し、複数の空隙を形成する、空隙形成工程;
を含むことを特徴とする前記方法。 A method for producing a membrane electrode assembly comprising a polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane and having a plurality of voids formed therein,
An electrode catalyst ink preparation step of preparing an electrode catalyst ink by mixing a catalyst powder containing a catalyst metal supported on a carbon carrier and an ionomer with particles of a polymer organic compound;
Electrocatalyst layer formation step of forming an electrode catalyst layer by applying an electrode catalyst ink to the surface of the polymer electrolyte membrane:
A void forming step of immersing the membrane electrode assembly in an organic solvent to remove particles of the polymer organic compound and forming a plurality of voids;
The method comprising the steps of:
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Cited By (3)
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KR101604400B1 (en) | 2014-02-10 | 2016-03-18 | 한국기계연구원 | Manufacturing equipment for an electrode with low-temperature sintering |
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-
2009
- 2009-07-24 JP JP2009173017A patent/JP2011028978A/en active Pending
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