JP2011142009A - Catalyst layer for fuel cell, manufacturing method of catalyst layer for fuel cell, and membrane electrode assembly - Google Patents

Catalyst layer for fuel cell, manufacturing method of catalyst layer for fuel cell, and membrane electrode assembly Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a catalyst layer for a fuel cell, and its manufacturing method, capable of attaining both reduction of a use volume of catalyst fine particles in the catalyst and enhancement of a power output, and that, to provide a membrane electrode assembly equipped with the catalyst layer for a fuel cell. <P>SOLUTION: A cathode catalyst layer 10 of an MEA 1 includes the innumerable number of catalyst made by carrying Pt fine particles on a carbon carrier and polymer electrolyte, and is jointed to one face of an electrolyte layer 11. At least a part of the carbon carrier is one with a low specific surface area with a pore diameter of 4 nm or more. Further, the cathode catalyst layer 10 includes a water-retaining material capable of retaining water, and the water-retaining material has the polymer electrolyte put under insolubilization treatment. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用触媒層と、燃料電池用触媒層の製造方法と、膜電極接合体に関する。   The present invention relates to a fuel cell catalyst layer, a method for producing a fuel cell catalyst layer, and a membrane electrode assembly.

燃料電池のカソード極やアノード極といった電極は、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等のガス透過性のある基材と、この基材の一面に形成された触媒層とからなる。触媒層以外の部分は基材によって構成されており、ここは非電解質層側で触媒層に空気や燃料を拡散する拡散層とされている。また、各電極においては、空気や燃料の拡散及び生成水の排水等を制御するために、触媒層と拡散層との間に細孔を有する中間層を設けることも一般的に良く行われている。触媒層は、触媒と高分子電解質とを含有している。触媒は、カーボン担体に白金(Pt)等の触媒微粒子を担持させてなる。   An electrode such as a cathode electrode or an anode electrode of a fuel cell includes a gas-permeable base material such as carbon cloth, carbon paper, or carbon felt, and a catalyst layer formed on one surface of the base material. The portion other than the catalyst layer is constituted by a base material, which is a diffusion layer that diffuses air and fuel into the catalyst layer on the non-electrolyte layer side. In addition, in each electrode, in order to control the diffusion of air and fuel and the drainage of generated water, an intermediate layer having pores is generally provided between the catalyst layer and the diffusion layer. Yes. The catalyst layer contains a catalyst and a polymer electrolyte. The catalyst is formed by supporting fine catalyst particles such as platinum (Pt) on a carbon support.

燃料電池の性能を向上させるためには、反応の活性点における密度の向上が必要と考え、カーボン担体の比表面積を大きくするとともに、このカーボン担体へより多くの触媒微粒子を高い分散率で担持させることを目指してきた。   In order to improve the performance of the fuel cell, it is considered necessary to improve the density at the active point of the reaction, and the specific surface area of the carbon support is increased, and more catalyst fine particles are supported on the carbon support at a high dispersion rate. I have been aiming for that.

例えば、比表面積が800m2/g以上のカーボン担体を採用し、これにPt微粒子を50wt%以上担持させた場合、Pt微粒子の比表面積は100m2/g−Pt以上とすることができる。このようなカーボン担体としては、ケッチェンブラックEC(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製の商品名(以下、同様))、ケッチェンブラックEC−600JD(以下、KB600JDと省略する。)等を挙げることができる。 For example, when a carbon support having a specific surface area of 800 m 2 / g or more is used and 50 wt% or more of Pt fine particles are supported thereon, the specific surface area of the Pt fine particles can be 100 m 2 / g-Pt or more. Examples of such carbon carriers include Ketjen Black EC (trade name (hereinafter, the same) manufactured by Ketjen Black International), Ketjen Black EC-600JD (hereinafter abbreviated as KB600JD), and the like. it can.

このように触媒微粒子の担持量を多くすることで触媒層の薄膜化が可能となり、高活性でかつ濃度過電圧の低い膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を提供できる。なお、本件に関連する技術を開示する文献としては非特許文献1がある。この非特許文献1には、40nm及び100nm径の細孔を有するカーボン担体が開示されている。   By increasing the amount of catalyst fine particles supported in this way, the catalyst layer can be made thin, and a membrane electrode assembly (MEA) with high activity and low concentration overvoltage can be provided. Note that there is Non-Patent Document 1 as a document disclosing the technology related to the present case. This Non-Patent Document 1 discloses a carbon support having pores with diameters of 40 nm and 100 nm.

J. Electrochem. Soc., Vol. 142, No. 12, December 1995, P4146, right column.J. Electrochem. Soc., Vol. 142, No. 12, December 1995, P4146, right column.

しかし、白金等の触媒微粒子は高価であるので、これを高濃度かつ高分散させると、燃料電池用触媒層、ひいてはMEAの製造コストを増大させることとなる。このため、発明者らは触媒微粒子の使用量を削減すべく鋭意検討を重ねてきた。その結果、下記の知見を見出した。   However, since the catalyst fine particles such as platinum are expensive, if they are dispersed at a high concentration and high, the production cost of the fuel cell catalyst layer and thus the MEA will be increased. For this reason, the inventors have intensively studied to reduce the amount of catalyst fine particles used. As a result, the following knowledge was found.

図1にカーボン担体91としてのKB600JDにPt微粒子92を担持密度60wt%で担持した触媒の3D−TEM観察結果を示す。図(A)は2D−TEM画像を示し、図(B)は3方向スライス像を示す。右図より、触媒の内部にPt微粒子92が存在することが確認される。また、この触媒で触媒層を製造し、この触媒層をもつMEAの一部を図2に拡大して模式的に示す。図2中、Pt微粒子92aを黒丸で示す。図1及び図2に示すように、観察対象の触媒90では、Pt微粒子92の約6割がカーボン担体91内に存在し、その結果、活性点となるPt微粒子92の表面の約5割の面積がカーボン担体91内にあることとなる。   FIG. 1 shows a 3D-TEM observation result of a catalyst in which Pt fine particles 92 are supported at a support density of 60 wt% on KB600JD as a carbon support 91. (A) shows a 2D-TEM image, and (B) shows a three-direction slice image. From the right figure, it is confirmed that Pt fine particles 92 are present inside the catalyst. Moreover, a catalyst layer is manufactured with this catalyst, and a part of MEA having this catalyst layer is schematically shown in an enlarged manner in FIG. In FIG. 2, the Pt fine particles 92a are indicated by black circles. As shown in FIGS. 1 and 2, in the catalyst 90 to be observed, about 60% of the Pt fine particles 92 are present in the carbon support 91, and as a result, about 50% of the surface of the Pt fine particles 92 serving as an active site. The area is within the carbon support 91.

このカーボン担体91内に存在しているPt微粒子92が発電に寄与していないのであれば、担持したPt微粒子92のうちのかなりの割合が無駄に存在していることになる。Pt微粒子92の担持量が十分に多ければ、カーボン担体91の外表面に存在するPt微粒子92のみで充分な高性能を得られるが、Pt微粒子92の使用量の低減のためにPt微粒子92の担持量を減らして、かつ性能を維持するためには、Pt微粒子92がカーボン担体91内に存在する比率をできるだけ少なくし、Pt微粒子92の利用率を上げる必要がある。   If the Pt fine particles 92 present in the carbon carrier 91 do not contribute to power generation, a considerable proportion of the supported Pt fine particles 92 exists in vain. If the amount of Pt fine particles 92 supported is sufficiently large, sufficient performance can be obtained with only the Pt fine particles 92 present on the outer surface of the carbon support 91. However, in order to reduce the amount of Pt fine particles 92 used, In order to reduce the loading amount and maintain the performance, it is necessary to reduce the ratio of the Pt fine particles 92 present in the carbon support 91 as much as possible and increase the utilization rate of the Pt fine particles 92.

図3は触媒層におけるN2吸着の測定結果である。触媒層は、アイオノマーとして機能する高分子電解質と、カーボン担体との重量比(N/C比)を変えて作製されている。 FIG. 3 shows the measurement results of N 2 adsorption in the catalyst layer. The catalyst layer is produced by changing the weight ratio (N / C ratio) between the polymer electrolyte functioning as an ionomer and the carbon support.

図3によれば、N/C比を大きくしたときに減少するカーボン担体の細孔容積は、主に細孔径4nm以上の細孔によるものである。カーボン担体内の細孔径約4nm未満の細孔による細孔容積は、N/C比を大きくしても、ほとんど変化しない。このことから、カーボン担体内の細孔は高分子電解質によって殆どふさがれていないことが分かる。   According to FIG. 3, the pore volume of the carbon support that decreases when the N / C ratio is increased is mainly due to pores having a pore diameter of 4 nm or more. The pore volume due to pores having a pore diameter of less than about 4 nm in the carbon support hardly changes even when the N / C ratio is increased. This shows that the pores in the carbon support are hardly blocked by the polymer electrolyte.

図4は、図3の結果に基づき、N/C比とカーボン担体の細孔容積との関係をグラフ化したものである。図4より、N/C比を大きくしたときに減少する細孔容積は主に細孔径4nm以上のものであり、細孔径4nm未満の細孔による細孔容積はほとんど変化しないことが分かる。   FIG. 4 is a graph showing the relationship between the N / C ratio and the pore volume of the carbon support based on the results of FIG. FIG. 4 shows that the pore volume that decreases when the N / C ratio is increased is mainly that having a pore diameter of 4 nm or more, and the pore volume due to pores having a pore diameter of less than 4 nm hardly changes.

以上の結果から、高分子電解質はカーボン担体の4nm未満の細孔には入らず、4nm未満の細孔に存在する触媒微粒子は電解質に接することができないことが分かる。このような触媒微粒子の周囲には三相界面が形成されず、発電に寄与することができないことも分かる。   From the above results, it can be seen that the polymer electrolyte does not enter the pores of less than 4 nm of the carbon support, and the catalyst fine particles existing in the pores of less than 4 nm cannot contact the electrolyte. It can also be seen that a three-phase interface is not formed around such catalyst fine particles and cannot contribute to power generation.

かかる触媒微粒子に対して電解質を接触させる方策として、高分子電解質を微細化、あるいは低分子化して、細孔径が4nm未満の細孔内まで高分子電解質が入り込めるようにすることが考えられるが、プロトン伝導性の確保のためには高分子電解質の連続性が必要であり、細孔内での高分子電解質の構造制御は難しい。また、4nm未満のような極めて小径な細孔内において、そもそも触媒微粒子に酸素を十分供給し、かつ生成水を排出するといった物質移動が円滑に実行されるか否か疑問でもある。   As a measure for bringing the electrolyte into contact with the catalyst fine particles, it is conceivable that the polymer electrolyte is made fine or low molecular so that the polymer electrolyte can enter into pores having a pore diameter of less than 4 nm. In order to ensure proton conductivity, continuity of the polymer electrolyte is required, and it is difficult to control the structure of the polymer electrolyte in the pores. In addition, there is a question as to whether or not mass transfer such as sufficiently supplying oxygen to the catalyst fine particles and discharging the generated water in a very small pore of less than 4 nm is performed.

発明者らは、上記の知見に基づき、燃料電池用の触媒として、細孔径が4nm以上の細孔のみを有するカーボン担体に触媒微粒子を担持させてなるものが好適であるとの特許出願を行った(特願2009−013219号)。この触媒によれば、高分子電解質が入り込めない細孔に触媒微粒子が入ることを防ぐことができる。このため、このカーボン担体を用いることで触媒微粒子の利用率を高めることができ、結果として白金の使用量の削減が可能となる。   Based on the above findings, the inventors have filed a patent application that a catalyst obtained by supporting catalyst fine particles on a carbon support having only pores having a pore diameter of 4 nm or more is suitable as a catalyst for a fuel cell. (Japanese Patent Application No. 2009-013219). According to this catalyst, catalyst fine particles can be prevented from entering pores into which the polymer electrolyte cannot enter. For this reason, the utilization rate of catalyst fine particles can be increased by using this carbon carrier, and as a result, the amount of platinum used can be reduced.

そして、発明者らは、更なる出力の向上を目指し、この細孔径が4nm未満の細孔を持たないカーボン担体を用いた触媒層について検討した。そして、このような触媒層を有する燃料電池について、更なる高出力化(高電流密度化)を達成するためには、触媒層におけるフラッディングを解消させる必要があることが判明した。   And the inventors examined the catalyst layer using the carbon support | carrier which does not have the pore whose pore diameter is less than 4 nm aiming at the further improvement of an output. It has been found that in order to achieve further higher output (higher current density) for a fuel cell having such a catalyst layer, it is necessary to eliminate flooding in the catalyst layer.

すなわち、触媒と混合される高分子電解質は、触媒層において一時的に水を保持する保水材としての機能を有する。そして、この高分子電解質の保水機能は、過加湿環境及び低加湿環境下での電気化学反応時に、触媒層中の水の量の増減を緩衝させる効果があるとも考えられる。   That is, the polymer electrolyte mixed with the catalyst has a function as a water retaining material that temporarily holds water in the catalyst layer. The water retention function of the polymer electrolyte is also considered to have an effect of buffering the increase and decrease of the amount of water in the catalyst layer during an electrochemical reaction in an overhumidified environment and a low humidified environment.

しかし、触媒微粒子の使用量削減を目的として低比表面積カーボン担体を用いた場合、Pt微粒子92に酸素を充分に供給するためには、KB600JDのような、一般的に良く用いられる、細孔を多く有する比表面積の大きなカーボン担体91の場合と比較して、触媒層中の高分子電解質量を少なくする必要があり、高分子電解質による上記の保水機能が低減する。この結果、高電流領域でこの触媒層にはフラッディングが生じ易くなり、電気化学反応の円滑な進行が妨げられている。   However, when a low specific surface area carbon support is used for the purpose of reducing the amount of catalyst fine particles used, in order to sufficiently supply oxygen to the Pt fine particles 92, generally used pores such as KB600JD are used. Compared to the case of the carbon support 91 having a large specific surface area, it is necessary to reduce the polymer electrolysis mass in the catalyst layer, and the water retention function by the polymer electrolyte is reduced. As a result, flooding is likely to occur in the catalyst layer in a high current region, and smooth progress of the electrochemical reaction is hindered.

また同じく、触媒層中の高分子電解質が少なくなれば、低加湿環境下での電気化学反応時にこの触媒層が乾き易くなる。このため、この触媒層では、低加湿環境下での電気化学反応の円滑な進行も妨げられていると考えられる。   Similarly, if the polymer electrolyte in the catalyst layer is reduced, the catalyst layer is likely to dry during an electrochemical reaction in a low humidified environment. For this reason, in this catalyst layer, it is thought that smooth progress of the electrochemical reaction under a low humidified environment is also hindered.

上記の知見に基づき、発明者らは、低比表面積カーボン担体を有する触媒層中に、水を保水する機能を持たせることで燃料電池の触媒微粒子の使用量低減と高出力化との両立が可能であると考えた。そして、水を保持可能な保水材を含有する燃料電池用触媒層について特許出願を行った(特願2009−253436号)。   Based on the above findings, the inventors can achieve both reduction in the amount of catalyst fine particles used in fuel cells and high output by providing a catalyst layer having a low specific surface area carbon support with the function of retaining water. I thought it was possible. A patent application was filed for a fuel cell catalyst layer containing a water retention material capable of retaining water (Japanese Patent Application No. 2009-253436).

この触媒層によれば、上記の高電流領域でのフラッディングや低加湿環境下での触媒層の乾燥という問題を解消することができ、燃料電池の高出力化を達成することができた。   According to this catalyst layer, the problems of flooding in the high current region and drying of the catalyst layer in a low humidified environment can be solved, and high output of the fuel cell can be achieved.

しかしながら、発明者らが出願した上記燃料電池用触媒層をもってしても、低電流領域での電気化学反応の円滑な進行は未だ十分とはいえず、更なる出力の向上が求められる。   However, even with the fuel cell catalyst layer filed by the inventors, the smooth progress of the electrochemical reaction in the low current region is still not sufficient, and further improvement in output is required.

本発明は、上記の実情に鑑みてなされたものであって、触媒中の触媒微粒子の使用量低減と高出力化との両立が可能な燃料電池用触媒層とその製造方法を提供することを解決すべき課題としている。また、この燃料電池用触媒層を備えた膜電極接合体を提供することも解決すべき課題としている。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a fuel cell catalyst layer capable of achieving both reduction in the amount of catalyst fine particles in the catalyst and high output, and a method for producing the same. This is a problem to be solved. Another object to be solved is to provide a membrane electrode assembly including the fuel cell catalyst layer.

上記の触媒層において、低電流領域での電気化学反応の円滑な進行が不十分となる問題について、発明者らは以下のように推察した。すなわち、この触媒層は、図5に示すように、触媒ペースト50と保水材ペースト51とが混合された混合ペースト52からなる。触媒ペースト50は、触媒90と水とアイオノマー溶液(高分子電解質溶液)とを有する。保水材ペースト51は、親水化カーボン(カーボンブラック)95と高分子電解質溶液とを有する。そして、この混合ペースト52では、保水材ペースト51の方が触媒ペースト50よりも多くの高分子電解質溶液を含む関係にある。このため、混合ペースト52中では、保水材ペースト51の高分子電解質93が溶化するため、その高分子電解質93の一部が触媒90側に移動する。このため、触媒90の周りに形成される高分子電解質93の層が厚くなってしまう。このように触媒90の周りに厚い高分子電解質93の層が形成されると、この触媒層では、電気化学反応の際に、酸素ガスの供給が阻害され易くなる。このため、低電流領域から電気化学反応が円滑に進行され難くなり、結果として、燃料電池の出力の更なる向上が見込めなくなる。   In the above catalyst layer, the inventors have inferred the problem that the smooth progress of the electrochemical reaction in the low current region becomes insufficient as follows. That is, this catalyst layer is composed of a mixed paste 52 in which a catalyst paste 50 and a water retaining material paste 51 are mixed as shown in FIG. The catalyst paste 50 includes a catalyst 90, water, and an ionomer solution (polymer electrolyte solution). The water retaining material paste 51 includes hydrophilic carbon (carbon black) 95 and a polymer electrolyte solution. In the mixed paste 52, the water retaining material paste 51 has a relationship including more polymer electrolyte solution than the catalyst paste 50. For this reason, in the mixed paste 52, the polymer electrolyte 93 of the water retention material paste 51 is solubilized, so that a part of the polymer electrolyte 93 moves to the catalyst 90 side. For this reason, the layer of the polymer electrolyte 93 formed around the catalyst 90 becomes thick. Thus, when the layer of the thick polymer electrolyte 93 is formed around the catalyst 90, in this catalyst layer, the supply of oxygen gas tends to be hindered during the electrochemical reaction. For this reason, it becomes difficult for the electrochemical reaction to proceed smoothly from the low current region, and as a result, further improvement in the output of the fuel cell cannot be expected.

そこで、発明者らは、鋭意研究を行い、以下に示す燃料電池用触媒層を発明するに至った。すなわち、本発明の燃料電池用触媒層は、少なくとも一部は細孔径が4nm以上である低比表面積カーボン担体に触媒微粒子が担持されてなる無数の触媒と、高分子電解質と、水を保持可能な保水材とを含有し、電解質層の一面に接合される燃料電池用触媒層であって、
前記保水材は、核となる物質と、該物質に対して固定された前記高分子電解質とからなることを特徴とする(請求項1)。
Thus, the inventors have conducted intensive research and have invented the following fuel cell catalyst layer. That is, the fuel cell catalyst layer of the present invention can hold a myriad of catalysts in which catalyst fine particles are supported on a low specific surface area carbon support having a pore diameter of 4 nm or more, a polymer electrolyte, and water. A fuel cell catalyst layer that is bonded to one surface of the electrolyte layer,
The water retention material comprises a substance serving as a nucleus and the polymer electrolyte fixed to the substance (Claim 1).

本発明の触媒層を構成する触媒には、図7に示すように、低比表面積カーボン担体91が少なくとも一部に採用されている。低比表面積カーボン担体91とは、細孔径が4nm以上のカーボン担体である。このため、この触媒90を用いた触媒層では、高分子電解質93が入り込めない細孔に触媒微粒子92が入ることを防ぐことができる。このため、この触媒層では、電気化学反応時において触媒微粒子92の利用率を高めることができるとともに、白金等からなる触媒微粒子92の使用量の削減が可能となる。なお、低比表面積カーボン担体91としては、BLACKPEARL880(CABOT社製の商品名、以下、BP880と省略する。)等を挙げることができる。また、触媒90に細孔径が4nm未満のカーボン担体を採用することも可能である。   As shown in FIG. 7, a low specific surface area carbon support 91 is employed in at least a part of the catalyst constituting the catalyst layer of the present invention. The low specific surface area carbon support 91 is a carbon support having a pore diameter of 4 nm or more. For this reason, in the catalyst layer using the catalyst 90, the catalyst fine particles 92 can be prevented from entering the pores into which the polymer electrolyte 93 cannot enter. For this reason, in this catalyst layer, the utilization rate of the catalyst fine particles 92 can be increased during the electrochemical reaction, and the amount of the catalyst fine particles 92 made of platinum or the like can be reduced. Examples of the low specific surface area carbon carrier 91 include BLACKPEARL 880 (trade name, manufactured by CABOT, hereinafter abbreviated as BP880). It is also possible to employ a carbon support having a pore diameter of less than 4 nm for the catalyst 90.

さらに、この触媒層では、水を保持可能な保水材を含有している。このため、この触媒層は、高電流領域においてフラッディングが生じ難く、電気化学反応の円滑な進行が妨げられ難くなる。また、保水材を含有することで、この触媒層は、低加湿環境下での電気化学反応時に触媒層が乾き難くなり、低加湿環境下においても電気化学反応の円滑な進行が妨げられ難い。   Furthermore, this catalyst layer contains a water retention material capable of retaining water. For this reason, in this catalyst layer, flooding is unlikely to occur in a high current region, and smooth progress of the electrochemical reaction is not easily prevented. Further, by containing a water retaining material, the catalyst layer is difficult to dry during an electrochemical reaction in a low humidified environment, and the smooth progress of the electrochemical reaction is hardly hindered even in a low humidified environment.

そして、この保水材では、高分子電解質93が核となる物質に対して固定された状態、すなわち高分子電解質が不溶化されているため、図6に示すように、保水材が有する高分子電解質93が触媒90側へ移動し難くなる。このため、この触媒層では、薄く形成された高分子電解質93の層が厚くなり難い。このため、この触媒層では、電気化学反応時に酸素が充分に供給され、かつ上記のように触媒微粒子92の利用率が高いため、低電流領域から電気化学反応が円滑に進行されて燃料電池の性能が高くなる。   In this water retention material, since the polymer electrolyte 93 is fixed to the core substance, that is, the polymer electrolyte is insolubilized, as shown in FIG. 6, the polymer electrolyte 93 included in the water retention material Becomes difficult to move to the catalyst 90 side. For this reason, in this catalyst layer, the thinly formed polymer electrolyte 93 layer is unlikely to be thick. For this reason, in this catalyst layer, oxygen is sufficiently supplied at the time of the electrochemical reaction, and the utilization rate of the catalyst fine particles 92 is high as described above. Therefore, the electrochemical reaction proceeds smoothly from the low current region, and the fuel cell. Increases performance.

したがって、本発明の燃料電池用触媒層によれば、触媒中の触媒微粒子の使用量低減と高出力化との両立が可能である。   Therefore, according to the catalyst layer for a fuel cell of the present invention, it is possible to achieve both reduction in the amount of catalyst fine particles in the catalyst and high output.

保水材としては、保水能力の他に、燃料電池が動作する環境において、保水材が溶出または変性等をすることがない物質であることが求められる。また、保水材は、燃料電池の動作に悪影響を与えず、触媒層を製造する際に粉砕等の加工が容易な物質であることも好ましい。さらに、上記の触媒層における電気化学反応の効率を向上させる観点から、保水材は、保水性とともに、電子伝導性及びプロトン伝導性を有していることが好ましい。   In addition to the water retention capacity, the water retention material is required to be a substance that does not elute or denature in the environment where the fuel cell operates. The water retention material is also preferably a substance that does not adversely affect the operation of the fuel cell and can be easily processed such as pulverization when the catalyst layer is manufactured. Furthermore, from the viewpoint of improving the efficiency of the electrochemical reaction in the catalyst layer, the water retention material preferably has electron conductivity and proton conductivity as well as water retention.

これらに基づき、保水材の核となる物質としては、カーボンブラック等のカーボン材料全般、導電性樹脂、導電性セラミックス、導電性を付与した金属酸化物等を採用することができる。また、この核となる物質に対して固定される高分子電解質としては、ナフィオン(登録商標、Nafion(Du Pont社製))を挙げることができる。   Based on these, as a substance serving as the core of the water retention material, carbon materials such as carbon black, conductive resins, conductive ceramics, metal oxides imparted with conductivity, and the like can be employed. Moreover, as a polymer electrolyte fixed with respect to the substance used as this nucleus, Nafion (registered trademark, Nafion (made by Du Pont)) can be mentioned.

本発明の燃料電池用触媒層の製造方法は、少なくとも一部は細孔径が4nm以上である低比表面積カーボン担体に触媒微粒子が担持されてなる無数の触媒と、高分子電解質と、水を保持可能な保水材とを含有し、電解質層の一面に接合される燃料電池用触媒層の製造方法であって、
前記触媒と前記高分子電解質とを溶媒とともに混合して触媒ペーストを得る触媒ペースト調製工程と、
核となる物質と該高分子電解質とを溶媒とともに混合して保水材プレペーストを得る保水材プレペースト調製工程と、
該保水材プレペーストに固定化処理を行い、該高分子電解質が該物質に対して固定された固形保水材を得る固定化工程と、
該固形保水材を粉砕して前記保水材とする粉砕工程と、
該触媒ペーストと該保水材とを混合して混合ペーストを得る混合ペースト調製工程とを備えていることを特徴とする(請求項2)。
The method for producing a catalyst layer for a fuel cell according to the present invention comprises a myriad of catalysts in which catalyst fine particles are supported on a low specific surface area carbon support having a pore diameter of 4 nm or more, a polymer electrolyte, and water. A method for producing a catalyst layer for a fuel cell, which contains a possible water retention material and is bonded to one surface of an electrolyte layer,
A catalyst paste preparation step of mixing the catalyst and the polymer electrolyte together with a solvent to obtain a catalyst paste;
A water retention material pre-paste preparation step of mixing a substance serving as a nucleus and the polymer electrolyte together with a solvent to obtain a water retention material pre-paste;
An immobilization step of immobilizing the water retentive material pre-paste to obtain a solid water retentive material in which the polymer electrolyte is fixed to the substance;
A pulverizing step of pulverizing the solid water retaining material into the water retaining material;
And a mixed paste preparation step of mixing the catalyst paste and the water retention material to obtain a mixed paste (Claim 2).

本発明の製造方法における固定化工程により、保水材が有する高分子電解質93が核となる物質に固定化、すなわち高分子電解質93の不溶化処理がされる。このため、この製造方法によって触媒層を製造することで、上記請求項1の触媒層の特徴を備えた触媒層を得ることができる。さらに、この製造方法では、粉砕工程において、固形保水材を粉砕することで保水材を得ている。このため、混合ペースト調製工程で調製された混合ペーストでは、保水材が満遍なく分散された状態となる。このため、この触媒層では、上記の保水材による効果を高くすることができ、触媒層における電気化学反応を均質に生じさせ易くなる。なお、この混合ペースト調製工程では、保水材を溶媒に分散させて保水材ペーストとし、この保水材ペーストと触媒ペーストとを混合して混合ペーストを調製することもできる。   By the immobilization step in the production method of the present invention, the polymer electrolyte 93 included in the water retention material is immobilized on a substance serving as a nucleus, that is, the polymer electrolyte 93 is insolubilized. For this reason, a catalyst layer having the features of the catalyst layer of claim 1 can be obtained by manufacturing the catalyst layer by this manufacturing method. Furthermore, in this manufacturing method, the water retention material is obtained by pulverizing the solid water retention material in the pulverization step. For this reason, in the mixed paste prepared in the mixed paste preparation step, the water retention material is evenly dispersed. For this reason, in this catalyst layer, the effect by said water retention material can be heightened, and it becomes easy to produce the electrochemical reaction in a catalyst layer uniformly. In the mixed paste preparation step, a water retention material can be dispersed in a solvent to obtain a water retention material paste, and the water retention material paste and the catalyst paste can be mixed to prepare a mixed paste.

したがって、本発明の燃料電池用触媒層の製造方法によれば、触媒中の触媒微粒子の使用量低減と高出力化との両立が可能な燃料電池用触媒層を得ることができる。   Therefore, according to the method for producing a fuel cell catalyst layer of the present invention, it is possible to obtain a fuel cell catalyst layer capable of achieving both reduction in the amount of catalyst fine particles in the catalyst and higher output.

固定化工程は、保水材プレペーストを乾燥させて乾燥保水材を得る乾燥工程と、高分子電解質のガラス転移温度以上の温度で乾燥保水材を加熱する加熱工程とからなることが好ましい(請求項3)。この場合、乾燥工程と加熱工程とによって高分子電解質93の不溶化処理を行う。この際、加熱工程において、高分子電解質がガラス転移温度以上で加熱されることで、高分子電解質93の不溶化の度合いが大きくなると考えられる。このため、高分子電解質93が核となる物質に対してより好適に固定化され、高分子電解質93の不溶化処理が十分な状態となると考えられる。このため、より好適な燃料電池用触媒層を得ることが可能となる。   The immobilization step preferably includes a drying step of drying the water retentive material pre-paste to obtain a dry water retentive material, and a heating step of heating the dry water retentive material at a temperature equal to or higher than the glass transition temperature of the polymer electrolyte. 3). In this case, the polymer electrolyte 93 is insolubilized by the drying process and the heating process. At this time, it is considered that the degree of insolubilization of the polymer electrolyte 93 is increased by heating the polymer electrolyte at the glass transition temperature or higher in the heating step. For this reason, it is thought that the polymer electrolyte 93 is more suitably fixed to a substance serving as a nucleus, and the insolubilization treatment of the polymer electrolyte 93 is in a sufficient state. For this reason, it becomes possible to obtain a more suitable fuel cell catalyst layer.

粉砕工程では、保水材が触媒の凝集体と略同径となるように固形保水材を粉砕することが好ましい(請求項4)。この場合、保水材と凝集体となっている触媒とが略同径となるため、混合ペースト52中で保水材がより満遍なく混合された状態とすることができる。このため、触媒層における電気化学反応をより均質に生じさせ易くなる。   In the pulverization step, it is preferable to pulverize the solid water retaining material so that the water retaining material has substantially the same diameter as the aggregates of the catalyst (claim 4). In this case, since the water retaining material and the catalyst in the aggregate form have substantially the same diameter, the water retaining material can be more uniformly mixed in the mixed paste 52. For this reason, it becomes easy to produce the electrochemical reaction in a catalyst layer more homogeneously.

本発明の膜電極接合体は、電解質層と、該電解質層の一面に接合されたカソード触媒層と、該電解質層の他面に接合されたアノード触媒層とを有する膜電極接合体であって、
少なくとも前記カソード触媒層は、無数の触媒と、高分子電解質と、水を保持可能な保水材とを含有し、
各該触媒の少なくとも一部は、細孔径が4nm以上である低比表面積カーボン担体に触媒微粒子が担持されてなるものであり、
該保水材は、核となる物質と、該物質に対して固定された前記高分子電解質とからなることを特徴とする(請求項5)。
The membrane electrode assembly of the present invention is a membrane electrode assembly comprising an electrolyte layer, a cathode catalyst layer bonded to one surface of the electrolyte layer, and an anode catalyst layer bonded to the other surface of the electrolyte layer. ,
At least the cathode catalyst layer contains a myriad of catalysts, a polymer electrolyte, and a water retention material capable of holding water,
At least a part of each catalyst is formed by supporting catalyst fine particles on a low specific surface area carbon support having a pore diameter of 4 nm or more,
The water retention material comprises a substance serving as a nucleus and the polymer electrolyte fixed to the substance (claim 5).

本発明の膜電極接合体において、少なくともカソード触媒層は、上記請求項1の燃料電池用触媒層の特徴を備えている。このため、この膜電極接合体では、高電流領域においてフラッディングが生じ難く、また、低加湿環境下での電気化学反応時に触媒層が乾き難くなる。   In the membrane electrode assembly of the present invention, at least the cathode catalyst layer has the characteristics of the fuel cell catalyst layer according to claim 1. For this reason, in this membrane electrode assembly, flooding is unlikely to occur in a high current region, and the catalyst layer is difficult to dry during an electrochemical reaction in a low humidified environment.

この膜電極接合体において、カソード触媒層側に設けられる触媒層は、低電流領域から電圧を高く確保するため、触媒ペーストにおいて、上記のN/C比が0.5以下であることが好ましい。これにより、上記の図7に示したとおり、触媒90の周囲に形成される高分子電解質93による層が薄くなると考えられる。また、保水材が有する高分子電解質93が不溶化されているため、上記の図6に示したように、この高分子電解質93の一部が触媒90側に移動し難く、触媒90の周囲に形成される高分子電解質93による層が厚くなり難い。このため、電気化学反応時に酸素が充分に供給され、かつ触媒微粒子の利用率が高いため、低電流領域から電気化学反応がより円滑に進行されて燃料電池の性能が高くなる。   In this membrane electrode assembly, the catalyst layer provided on the cathode catalyst layer side preferably has a N / C ratio of 0.5 or less in the catalyst paste in order to ensure a high voltage from the low current region. Thereby, as shown in FIG. 7 described above, it is considered that the layer made of the polymer electrolyte 93 formed around the catalyst 90 becomes thin. Further, since the polymer electrolyte 93 included in the water retention material is insolubilized, as shown in FIG. 6 above, a part of the polymer electrolyte 93 hardly moves to the catalyst 90 side and is formed around the catalyst 90. The layer made of the polymer electrolyte 93 is less likely to be thick. For this reason, oxygen is sufficiently supplied during the electrochemical reaction, and the utilization rate of the catalyst fine particles is high. Therefore, the electrochemical reaction proceeds more smoothly from the low current region, and the performance of the fuel cell is improved.

したがって、本発明の膜電極接合体は、触媒中の触媒微粒子の使用量低減と高出力化との両立が可能である。   Therefore, the membrane electrode assembly of the present invention can achieve both reduction in the amount of catalyst fine particles in the catalyst and high output.

この膜電極接合体において、電解質層とカソード触媒層との間には、高分子電解質からなるバインダ層が設けられていてもよい(請求項6)。上記のように、低比表面積カーボン担体を使用した触媒層では、触媒層中の高分子電解質93の量が少なくなることから、高分子電解質93のバインダとしての効果も低下してしまうと考えられる。このため、本発明の膜電極接合体のように、上記の触媒層でカソード触媒層を形成した場合、電解質層とカソード触媒層とが剥がれ易くなるという可能性が生じる。その際、電解質層とカソード触媒層との間にバインダ層を設けることにより、この問題を解消することができると考えられる。   In this membrane electrode assembly, a binder layer made of a polymer electrolyte may be provided between the electrolyte layer and the cathode catalyst layer. As described above, in the catalyst layer using the low specific surface area carbon support, since the amount of the polymer electrolyte 93 in the catalyst layer is reduced, it is considered that the effect of the polymer electrolyte 93 as a binder is also reduced. . For this reason, when the cathode catalyst layer is formed of the catalyst layer as in the membrane electrode assembly of the present invention, there is a possibility that the electrolyte layer and the cathode catalyst layer are easily peeled off. At this time, it is considered that this problem can be solved by providing a binder layer between the electrolyte layer and the cathode catalyst layer.

約3.5nmの細孔を有するカーボン担体におけるPt微粒子の分布を示す3D−TEM像である。図(A)が2D−TEM画像を示し、図(B)が3方向スライス像を示す。It is a 3D-TEM image showing the distribution of Pt fine particles on a carbon support having pores of about 3.5 nm. The figure (A) shows a 2D-TEM image, and the figure (B) shows a three-direction slice image. 約3.5nmの細孔を有するカーボン担体を有する触媒層における電気化学反応を示す拡大模式図である。It is an expansion schematic diagram which shows the electrochemical reaction in the catalyst layer which has a carbon support | carrier which has a pore of about 3.5 nm. 約3.5nmの細孔を有するカーボン担体を有する触媒を有する触媒層において、N/C比を変化させたときの触媒層の細孔の分布を示すグラフである。It is a graph which shows distribution of the pore of a catalyst layer when a catalyst layer which has a catalyst which has a carbon support which has a pore of about 3.5 nm changes N / C ratio. N/C比と触媒層の細孔容積との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between N / C ratio and the pore volume of a catalyst layer. 不溶化されていない高分子電解質を有する混合ペーストの状態を示す摸式図である。It is a model diagram which shows the state of the mixed paste which has the polymer electrolyte which is not insolubilized. 不溶化された高分子電解質を有する混合ペーストの状態を示す摸式図である。It is a model diagram which shows the state of the mixed paste which has the insolubilized polymer electrolyte. 約4nm以上の細孔を有するカーボン担体を有する触媒層における電気化学反応を示す拡大模式図である。It is an expansion schematic diagram which shows the electrochemical reaction in the catalyst layer which has a carbon support | carrier which has a pore of about 4 nm or more. 実施例1のMEAの一部を示す部分拡大模式図である。2 is a partially enlarged schematic view showing a part of an MEA of Example 1. FIG. BP880及びKB600JDの比表面積を示すグラフである。It is a graph which shows the specific surface area of BP880 and KB600JD. 実施例1に係り、フル加湿状態におけるセル電流とセル電圧との変化予測を示すグラフである。It is a graph which concerns on Example 1 and shows the change prediction of the cell current and cell voltage in a full humidification state. 実施例1に係り、低加湿状態におけるセル電流とセル電圧との変化予測を示すグラフである。It is a graph which concerns on Example 1 and shows the change prediction of the cell current and cell voltage in a low humidification state. 変形例のMEAの一部を示す部分拡大模式図である。It is a partial expansion schematic diagram which shows a part of MEA of a modification.

以下、本発明を具体化した実施例1〜3及び変形例を図面を参照しつつ説明する。   Embodiments 1 to 3 and modifications embodying the present invention will be described below with reference to the drawings.

(実施例1)
図8に示すように、実施例1のMEA1は、ナフィオンからなる電解質膜11と、この電解質膜11の一面に接合されて空気が供給されるカソード極3と、電解質膜11の他面に接合されて水素等の燃料が供給されるアノード極5とを有している。
Example 1
As shown in FIG. 8, the MEA 1 of Example 1 is joined to the electrolyte membrane 11 made of Nafion, the cathode electrode 3 joined to one surface of the electrolyte membrane 11 and supplied with air, and the other surface of the electrolyte membrane 11. And an anode 5 to which a fuel such as hydrogen is supplied.

カソード極3は、カーボンペーパーからなる基材と、この基材の一面に形成されたカソード触媒層10とからなる。カソード極3におけるカソード触媒層10以外の部分は基材によって構成されており、ここは非電解質層側でカソード触媒層10に空気を拡散するカソード拡散層13とされている。アノード極5側はアソード拡散層14とされている。このMEA1のカソード触媒層10は触媒ペーストと、保水材としての保水材ペーストとによって形成されている。   The cathode electrode 3 includes a base material made of carbon paper and a cathode catalyst layer 10 formed on one surface of the base material. A portion other than the cathode catalyst layer 10 in the cathode electrode 3 is formed of a base material, which is a cathode diffusion layer 13 that diffuses air into the cathode catalyst layer 10 on the non-electrolyte layer side. An anode diffusion layer 14 is provided on the anode 5 side. The cathode catalyst layer 10 of the MEA 1 is formed of a catalyst paste and a water retention material paste as a water retention material.

触媒ペーストは以下の製造方法で製造されている。まず、図7に示す低比表面積カーボン担体91として、市販のBP880を用意した。このBP800は1次粒径が15nm程度である。   The catalyst paste is manufactured by the following manufacturing method. First, a commercially available BP880 was prepared as the low specific surface area carbon support 91 shown in FIG. This BP800 has a primary particle size of about 15 nm.

このBP800と、従来からカーボン担体として用いられているKB600JDとのN2の吸着測定結果を図9に示す。図9では、BJH法によって求めた細孔径1.7nm〜300nmのメソ細孔の比表面積と、細孔径4nm〜300nmの比表面積とをそれぞれ棒グラフによって示している。 FIG. 9 shows the N 2 adsorption measurement results of this BP800 and KB600JD conventionally used as a carbon support. In FIG. 9, the specific surface area of mesopores having a pore diameter of 1.7 nm to 300 nm and the specific surface area of pore diameters of 4 nm to 300 nm determined by the BJH method are respectively shown by bar graphs.

図9が示すように、BP880では、細孔径1.7nm〜300nmのメソ細孔の比表面積と細孔径4nm〜300nmとの比表面積とがほぼ等しい。すなわち、4nm未満の細孔が殆ど存在しないことが分かる。一方、KB600JDでは、4nm未満の細孔が全比表面積の半分以上を占めていることが分かる。   As shown in FIG. 9, in BP880, the specific surface area of mesopores having a pore diameter of 1.7 nm to 300 nm and the specific surface area of pore diameters of 4 nm to 300 nm are substantially equal. That is, it can be seen that there are almost no pores of less than 4 nm. On the other hand, in KB600JD, it can be seen that pores of less than 4 nm account for more than half of the total specific surface area.

このBP880に対し、触媒微粒子としてのPt微粒子92(図7参照)を担持密度20wt%で担持させ、触媒90とした。この触媒90に対して水を添加し、自転/公転式遠心攪拌機(キーエンス社製、商品名「ハイブリッドミキサーHM−500」)によって脱泡及び攪拌を行い、触媒90と水とをなじませたプレペーストを得た。   Pt fine particles 92 (see FIG. 7) as catalyst fine particles were supported on this BP880 at a support density of 20 wt% to obtain catalyst 90. Water was added to this catalyst 90, defoamed and stirred with a rotation / revolution centrifugal stirrer (trade name “Hybrid Mixer HM-500” manufactured by Keyence Corporation), and the catalyst 90 and water were blended together. A paste was obtained.

このプレペーストに対し、アイオノマー溶液(ナフィオン溶液(5質量%溶液))を添加した。この際、アイオノマー溶液中のナフィオン(高分子電解質93)の重量と、カーボン担体91の重量比(N/C比)が0.15となるように、触媒90に対してアイオノマー溶液を添加した。その後、これらを自転/公転式遠心攪拌機によってさらに攪拌し、触媒ペースト50を得た(図6参照)。   An ionomer solution (Nafion solution (5% by mass solution)) was added to the pre-paste. At this time, the ionomer solution was added to the catalyst 90 so that the weight ratio (N / C ratio) of the Nafion (polymer electrolyte 93) in the ionomer solution to the carbon support 91 was 0.15. Thereafter, these were further stirred by a rotation / revolution centrifugal stirrer to obtain catalyst paste 50 (see FIG. 6).

一方、保水材ペーストは以下に示す製造方法で製造されている。まず、核となる物質にカーボンブラック95として、Vulcan−XC72R(CABOT社製の商品名)を採用した。そして、このカーボンブラック95に溶媒としてのイソプロピルアルコール(IPA)を添加し、自転/公転式遠心攪拌機によって4分間の攪拌を行い、カーボンブラック95とIPAとをなじませたカーボンペーストを得た。なお、溶媒としては、IPAの他に、水、エタノール又はこれらの混合物を採用することもできる。   On the other hand, the water-retaining material paste is manufactured by the following manufacturing method. First, Vulcan-XC72R (trade name, manufactured by CABOT) was adopted as a carbon black 95 as a core material. Then, isopropyl alcohol (IPA) as a solvent was added to the carbon black 95 and stirred for 4 minutes by a rotation / revolution centrifugal stirrer to obtain a carbon paste in which the carbon black 95 and IPA were blended. In addition to IPA, water, ethanol, or a mixture thereof can be used as the solvent.

このカーボンペーストにナフィオン溶液を添加した。この際、ナフィオン溶液中のナフィオンの重量とカーボンブラック95との重量比(N/C比)が1.0となるようにナフィオン溶液を添加した。その後、これらを自転/公転式遠心攪拌機によって4分間攪拌し、保水材プレペーストを得た。   A Nafion solution was added to the carbon paste. At this time, the Nafion solution was added so that the weight ratio (N / C ratio) between the weight of Nafion in the Nafion solution and the carbon black 95 was 1.0. Then, these were stirred for 4 minutes with a rotation / revolution centrifugal stirrer to obtain a water retention material pre-paste.

次に、この保水材プレペーストをシャーレに注ぎ、この保水材プレペースト中の溶媒が揮発するまで空気中に放置して自然乾燥させた。これにより、膜状となった保水材プレペーストである乾燥保水材を得た。そして、ガラス転移温度以上の温度で1時間以上この乾燥保水材を加熱した。こうして、乾燥保水材中の高分子電解質93をカーボンブラック95に固定させて、高分子電解質93を不溶化処理した固形保水材を得た。なお、実施例1では、ガラス転移温度以上の温度として約160°Cを設定している。   Next, this water retention material pre-paste was poured into a petri dish and left to stand in the air until the solvent in the water retention material pre-paste volatilized and dried naturally. As a result, a dry water retaining material, which is a water retaining material pre-paste in the form of a film, was obtained. And this dry water retention material was heated at the temperature more than a glass transition temperature for 1 hour or more. In this way, the polymer electrolyte 93 in the dried water retention material was fixed to the carbon black 95 to obtain a solid water retention material in which the polymer electrolyte 93 was insolubilized. In Example 1, about 160 ° C. is set as the temperature higher than the glass transition temperature.

この固形保水材をボールミル粉砕用容器に投入し、さらに、粉砕用として直径5mmのジルコニアボールを適量加えつつ、窒素雰囲気中でボールミル粉砕用容器の蓋を密閉した。その後、このボールミル粉砕用容器を遊星回転ボールミル粉砕装置(伊藤製作所製、商品名「遊星回転ポットミル」)に設置し、回転数240rpmで2時間、自転及び公転させて乾式粉砕を行った。これにより、この固形保水材は、微細な粒子状となっている。   The solid water-retaining material was put into a ball mill pulverization container, and the lid of the ball mill pulverization container was sealed in a nitrogen atmosphere while adding an appropriate amount of zirconia balls having a diameter of 5 mm for pulverization. Then, this ball mill pulverizing vessel was placed in a planetary rotating ball mill pulverizing apparatus (trade name “Planet Rotating Pot Mill” manufactured by Ito Seisakusho) and rotated and revolved at a rotational speed of 240 rpm for 2 hours for dry pulverization. Thereby, this solid water retaining material is in the form of fine particles.

この粒子状の固形保水材とIPAとを混合し、自転/公転式遠心攪拌機によってさらに攪拌して保水材ペースト51を得た。なお、この際に界面活性剤を適量混合することもできる。   This particulate solid water retaining material and IPA were mixed and further stirred by a rotation / revolution centrifugal stirrer to obtain a water retaining material paste 51. At this time, an appropriate amount of a surfactant can be mixed.

上記のようにして得られた触媒ペースト50及び保水材ペースト51を固形分重量比0.65:0.35の比率で混合し、混合ペースト52を得た。この比率でこれらを混合することにより、混合ペースト52全体でのN/C比は0.35となる。   The catalyst paste 50 and the water retention material paste 51 obtained as described above were mixed at a solid content weight ratio of 0.65: 0.35 to obtain a mixed paste 52. By mixing these at this ratio, the N / C ratio of the entire mixed paste 52 becomes 0.35.

この混合ペースト52を基材にスクリーン印刷をした後、乾燥させ、図8に示すカソード極3を得た。印刷した部分がカソード触媒層10である。なお、混合ペースト52を基材へ塗布する方法としては、スクリーン印刷の他に、スプレー法、インクジェット法等の手段によっても行い得る。また、アノード極5のアノード触媒層12は、上記の触媒ペースト50を基材にスクリーン印刷することで得ている。   The mixed paste 52 was screen-printed on a substrate and then dried to obtain the cathode electrode 3 shown in FIG. The printed portion is the cathode catalyst layer 10. In addition, as a method of applying the mixed paste 52 to the substrate, it can be performed by means of a spray method, an ink jet method or the like in addition to screen printing. The anode catalyst layer 12 of the anode electrode 5 is obtained by screen printing the catalyst paste 50 on a substrate.

こうして得られたカソード極3とアノード極5とを電解質層11に接合することで、MEA1が得られる。   By joining the cathode electrode 3 and the anode electrode 5 thus obtained to the electrolyte layer 11, the MEA 1 is obtained.

このMEA1では、カソード極3を構成するカソード触媒層10が触媒ペースト50と保水材ペースト51とが混合された混合ペースト52によって形成されている。図7に示すように、触媒ペースト50において、触媒90には低比表面積カーボン担体91が採用されているため、カソード触媒層10では、アイオノマー溶液中の高分子電解質93であるナフィオンが入り込めない細孔にPt微粒子92が入ることを防ぐことができる。このため、このカソード触媒層10を有するカソード極3では、電気化学反応時においてPt微粒子92の利用率を高めることができるとともに、Pt微粒子92の使用量の削減が可能となる。   In this MEA 1, the cathode catalyst layer 10 constituting the cathode electrode 3 is formed by a mixed paste 52 in which a catalyst paste 50 and a water retention material paste 51 are mixed. As shown in FIG. 7, in the catalyst paste 50, since the low specific surface area carbon support 91 is employed for the catalyst 90, Nafion, which is the polymer electrolyte 93 in the ionomer solution, cannot enter the cathode catalyst layer 10. It is possible to prevent the Pt fine particles 92 from entering the pores. For this reason, in the cathode electrode 3 having the cathode catalyst layer 10, the utilization rate of the Pt fine particles 92 can be increased during the electrochemical reaction, and the amount of the Pt fine particles 92 can be reduced.

また、上記の触媒ペースト50によって得られたカソード極3では、触媒ペースト50のN/C比が0.15と小さい、すなわち高分子電解質93の量が少ないため、図2に示す従来のカソード極と比較し、このカソード極3(カソード触媒層10)では、触媒90の周囲に形成される高分子電解質93による層が薄くなる(図7参照)。   Further, in the cathode electrode 3 obtained by the catalyst paste 50, the N / C ratio of the catalyst paste 50 is as small as 0.15, that is, the amount of the polymer electrolyte 93 is small, so that the conventional cathode electrode shown in FIG. In comparison with this, in the cathode electrode 3 (cathode catalyst layer 10), the layer made of the polymer electrolyte 93 formed around the catalyst 90 becomes thin (see FIG. 7).

さらに、このカソード極3は、カソード触媒層10が保水材を含有しているため、高電流領域においてフラッディングが生じ難い。また、保水材ペーストは、上記のN/C比に基づいて、カーボンブラック95と高分子電解質93とが混合されているため、保水材の部分においてプロトンと電子とのパスのためのネットワークが確保されている。これらにより、電気化学反応の円滑な進行が妨げられ難い。また、カソード触媒層10は、保水材を含有しているため、低加湿環境下での電気化学反応時に乾き難く、電気化学反応の円滑な進行が妨げられ難い。さらに、このMEA1では、保水材を構成する保水材ペースト51において、粒子状の固形保水材が高分散された状態にある。このため、混合ペースト52中に満遍なく固形保水材が分散することで、カソード触媒層10中に保水材が満遍なく分散することとなる。このため、上記の保水材による効果が高くなっているとともに、カソード触媒層10における電気化学反応を均質に生じさせ易くなっている。   Furthermore, since the cathode catalyst layer 10 contains a water retention material, the cathode electrode 3 is less likely to be flooded in a high current region. Moreover, since the water retaining material paste is a mixture of carbon black 95 and polymer electrolyte 93 based on the above N / C ratio, a network for proton and electron paths is secured in the water retaining material portion. Has been. As a result, the smooth progress of the electrochemical reaction is hardly hindered. Further, since the cathode catalyst layer 10 contains a water retention material, it is difficult to dry during the electrochemical reaction in a low humidified environment, and the smooth progress of the electrochemical reaction is difficult to be hindered. Furthermore, in this MEA1, the particulate solid water retaining material is in a highly dispersed state in the water retaining material paste 51 constituting the water retaining material. For this reason, the solid water-retaining material is evenly dispersed in the mixed paste 52, so that the water-retaining material is evenly dispersed in the cathode catalyst layer 10. For this reason, while the effect by said water retention material becomes high, it becomes easy to produce the electrochemical reaction in the cathode catalyst layer 10 uniformly.

また、この保水材ペースト51は、保水材ペースト51中の高分子電解質93が不溶化処理されている。特に、この保水材ペースト51では、保水材ペースト51を製造する際、自然乾燥を行い、その後に加熱を行うことで、高分子電解質93がカーボンブラック95に対してより好適に固定化している。つまり、高分子電解質93の不溶化処理が十分な状態となっていると考えられる。このため、カソード触媒層10では、図6に示すように、保水材ペースト51中の高分子電解質93の一部が触媒90側に移動し難く、触媒90の周囲に形成される高分子電解質93による層が厚くなり難い。   Further, in this water retention material paste 51, the polymer electrolyte 93 in the water retention material paste 51 is insolubilized. In particular, in this water-retaining material paste 51, the polymer electrolyte 93 is more suitably fixed to the carbon black 95 by performing natural drying when the water-retaining material paste 51 is manufactured and then heating. That is, it is considered that the insolubilization treatment of the polymer electrolyte 93 is in a sufficient state. For this reason, in the cathode catalyst layer 10, as shown in FIG. 6, a part of the polymer electrolyte 93 in the water retention material paste 51 is difficult to move to the catalyst 90 side, and the polymer electrolyte 93 formed around the catalyst 90. Due to the layer is difficult to thicken.

このため、実施例のMEA1では、電気化学反応時に酸素が充分に供給され、低電流領域から電圧を高くすることができる。また、このMEA1では、上記のようにPt微粒子92の利用率が高いため、低電流領域から電気化学反応がより円滑に進行されて燃料電池の性能を高くできる。   For this reason, in MEA1 of an Example, oxygen is fully supplied at the time of an electrochemical reaction, and a voltage can be made high from a low electric current area | region. Moreover, in this MEA1, since the utilization factor of the Pt fine particles 92 is high as described above, the electrochemical reaction proceeds more smoothly from the low current region, and the performance of the fuel cell can be improved.

したがって、実施例1のMEA1は、触媒90中のPt微粒子92の使用量低減と高出力化との両立が可能である。   Therefore, the MEA 1 of Example 1 can achieve both reduction in the amount of Pt fine particles 92 in the catalyst 90 and high output.

次に、実施例1のMEA1を備えたセルを想定し、実施例1のMEA1の電圧特性について、想定実験に基づく考察を行った。なお、この検証では、比較例として、カソード触媒層が実施例1で得られた触媒ペースト50のみで形成され、他の構成は実施例1のMEA1と同様のMEAを備えたセルを想定した。なお、想定された各セルの構成及び製造方法は公知の方法と同様である。   Next, assuming a cell including the MEA 1 of Example 1, the voltage characteristics of the MEA 1 of Example 1 were considered based on an assumed experiment. In this verification, as a comparative example, a cathode catalyst layer was formed only by the catalyst paste 50 obtained in Example 1, and a cell having an MEA similar to MEA 1 of Example 1 was assumed for the other configurations. In addition, the structure and manufacturing method of each assumed cell are the same as a well-known method.

(想定実験例1)
想定実験例1では、MEA1を備えたセル及び比較例のMEAを備えたセルのそれぞれのセル温度を50°Cに設定し、湿度が100%RHの測定環境(以下、フル加湿状態という。)の下、アノード極5に水素を、カソード極3に空気を流した場合の、各セルの電流及び電圧の変化を予測した。予測結果を図10に示す。
(Expected experiment example 1)
In the assumed experimental example 1, the cell temperature of each of the cell including the MEA 1 and the cell including the MEA of the comparative example is set to 50 ° C., and the humidity is 100% RH (hereinafter referred to as a fully humidified state). The change in current and voltage of each cell when hydrogen was passed through the anode 5 and air was passed through the cathode 3 was predicted. The prediction result is shown in FIG.

図10では、横軸にセル電流(A)を示し、縦軸にセル電圧(V)を示している。図10に示されるように、フル加湿状態において、比較例のMEAを備えたセルよりも、MEA1を備えたセルの方が高電流領域で高い電圧を発揮することが可能であると予測できる。また、MEA1を備えたセルは電流の変化に対する電圧の変化の度合いも小さくなると予測できる。   In FIG. 10, the horizontal axis represents the cell current (A), and the vertical axis represents the cell voltage (V). As shown in FIG. 10, in a fully humidified state, it can be predicted that the cell provided with MEA 1 can exhibit a higher voltage in the high current region than the cell provided with the MEA of the comparative example. In addition, it can be predicted that the cell including the MEA 1 has a small degree of voltage change with respect to current change.

(想定実験例2)
想定実験例2では、MEA1を備えたセル及び比較例のMEAを備えたセルのそれぞれのセル温度を70°Cに設定し、湿度が40%RHの測定環境(以下、低加湿状態という。)の下、アノード極5に水素を、カソード極3に空気を流した場合の、各セルの電流及び電圧の変化を予測した。予測結果を図11に示す。
(Expected experiment example 2)
In the assumed experimental example 2, the cell temperature of each of the cell including the MEA 1 and the cell including the MEA of the comparative example is set to 70 ° C., and the humidity is 40% RH (hereinafter referred to as a low humidified state). The change in current and voltage of each cell when hydrogen was passed through the anode 5 and air was passed through the cathode 3 was predicted. The prediction result is shown in FIG.

図11は、図9と同様、横軸にセル電流(A)を示し、縦軸にセル電圧(V)を示している。図11に示されるように、低加湿状態においても、比較例のMEAを備えたセルよりも、MEA1を備えたセルの方が高電流領域で高い電圧を発揮することが可能であると予測できる。また、この環境下でも、MEA1を備えたセルは、比較例のMEAを備えたセルと比べ、電流の変化に対する電圧の変化の度合いが小さくなると予測できる。   In FIG. 11, as in FIG. 9, the horizontal axis indicates the cell current (A), and the vertical axis indicates the cell voltage (V). As shown in FIG. 11, even in a low humidified state, it can be predicted that the cell provided with MEA 1 can exhibit a higher voltage in the high current region than the cell provided with the MEA of the comparative example. . Further, even in this environment, it can be predicted that the cell including the MEA 1 has a smaller degree of voltage change with respect to the current change than the cell including the comparative example MEA.

これらの想定実験により、MEA1を備えたセルは、比較例のMEAを備えたセルと比較して、フル加湿状態及び低加湿状態のいずれにおいても電流に対する高い電圧特性を示すことが予測できる。つまり、MEA1は比較例のMEAより、環境や電流の変化に対する発電の安定性、すなわち、ロバスト性が高いことが予測される。   From these assumption experiments, it can be predicted that the cell including the MEA 1 exhibits higher voltage characteristics with respect to the current in both the fully humidified state and the low humidified state as compared with the cell including the MEA of the comparative example. That is, the MEA 1 is predicted to have higher power generation stability, that is, robustness against changes in the environment and current than the MEA of the comparative example.

この理由は、カソード触媒層10が有する保水材による効果と考えられる。すなわち、保水材により、高電流領域でのフラッディングや低加湿時におけるドライアップに対するMEA1の耐性が向上したことよるものであると考えられる。   This reason is considered to be the effect of the water retention material that the cathode catalyst layer 10 has. That is, it is considered that the water retaining material has improved MEA1 resistance to flooding in a high current region and dry-up during low humidification.

(実施例2)
実施例2のMEAは、実施例1のMEA1で用いた保水材ペースト51に替えて、以下の工程で製造された保水材ペーストを採用している。
(Example 2)
The MEA of Example 2 employs a water retention material paste manufactured in the following steps in place of the water retention material paste 51 used in the MEA 1 of Example 1.

この保水材ペーストは以下に示す製造方法で製造されている。まず、実施例1と同様に、核となる物質にカーボンブラック95(Vulcan−XC72R)を採用した。そして、このカーボンブラック95に溶媒としての水を添加し、自転/公転式遠心攪拌機によって4分間の攪拌を行い、カーボンブラック95と水とをなじませたカーボンペーストを得た。この際に添加される水の量は、後述の過程において、保水材プレペーストがマイナス30°C〜マイナス40°C程度で凍結し、さらに、保水材プレペースト中に水が50%以上存在させることが可能な量である。なお、水の他に、IPA、エタノール又はこれらの混合物を採用した場合も同様である。   This water-retaining material paste is manufactured by the following manufacturing method. First, in the same manner as in Example 1, carbon black 95 (Vulcan-XC72R) was adopted as a material serving as a nucleus. Then, water as a solvent was added to the carbon black 95 and stirred for 4 minutes with a rotation / revolution centrifugal stirrer to obtain a carbon paste in which the carbon black 95 and water were blended. The amount of water added at this time is such that the water-retaining material pre-paste freezes at about minus 30 ° C. to minus 40 ° C. in the process described later, and more than 50% of the water is present in the water-retaining material pre-paste. Is the amount possible. The same applies when IPA, ethanol, or a mixture thereof is used in addition to water.

このカーボンペーストに対し、実施例1と同じN/C比となる量のナフィオン溶液を添加した後、これらを自転/公転式遠心攪拌機によって4分間攪拌して、保水材プレペーストを得た。   An amount of Nafion solution having the same N / C ratio as in Example 1 was added to the carbon paste, and then the mixture was stirred for 4 minutes by a rotation / revolution centrifugal stirrer to obtain a water retention material pre-paste.

次に、この保水材プレペーストをシャーレに注ぎ、マイナス30°C〜マイナス40°Cに設定した恒温漕内に配置し、保水材プレペーストを凍結させた。その後、真空ポンプを用いて恒温漕内を減圧し、保水材プレペーストを凍結乾燥させて乾燥保水材を得た。そして、実施例1と同じ条件でこの乾燥保水材を加熱した。こうして、乾燥保水材中の高分子電解質93を不溶化処理した固形保水材を得た。   Next, this water retention material pre-paste was poured into a petri dish and placed in a thermostatic oven set to minus 30 ° C. to minus 40 ° C. to freeze the water retention material pre-paste. Thereafter, the inside of the thermostatic chamber was depressurized using a vacuum pump, and the water retention material pre-paste was freeze-dried to obtain a dry water retention material. And this dry water retention material was heated on the same conditions as Example 1. FIG. Thus, a solid water retaining material obtained by insolubilizing the polymer electrolyte 93 in the dried water retaining material was obtained.

次に、この固形保水材をブレードミルによって粉砕した。この際、必要に応じて、濾過法によって所定値より大きい粒径の固形保水材を取り除く分級を行なう。そして、この固形保水材とIPAとを混合し、自転/公転式遠心攪拌機によってさらに攪拌して保水材ペーストを得た。なお、実施例1と同様、この際に界面活性剤を適量混合することもできる。実施例2のMEAの製造における他の工程は実施例1と同様である。   Next, this solid water retaining material was pulverized by a blade mill. At this time, if necessary, classification is performed by removing a solid water retaining material having a particle size larger than a predetermined value by a filtration method. And this solid water retention material and IPA were mixed, and also it stirred with the autorotation / revolution type | formula centrifugal stirrer, and obtained the water retention material paste. As in Example 1, an appropriate amount of a surfactant can be mixed at this time. Other steps in the production of the MEA of Example 2 are the same as those of Example 1.

(実施例3)
実施例3のMEAは、実施例1のMEA1で用いた保水材ペーストに替えて、以下の工程で製造された保水材ペーストを採用している。
(Example 3)
The MEA of Example 3 employs a water retention material paste manufactured in the following steps in place of the water retention material paste used in MEA 1 of Example 1.

この保水材ペーストは以下に示す製造方法で製造されている。まず、実施例1と同じ構成のカーボンペーストを用意し、このカーボンペーストに対し、実施例1と同じN/C比となる量のナフィオン溶液を添加した。その後、これらを自転/公転式遠心攪拌機によって4分間攪拌して、保水材プレペーストを得た。   This water-retaining material paste is manufactured by the following manufacturing method. First, a carbon paste having the same configuration as in Example 1 was prepared, and an amount of Nafion solution having the same N / C ratio as in Example 1 was added to this carbon paste. Then, these were stirred for 4 minutes with a rotation / revolution centrifugal stirrer to obtain a water retention material pre-paste.

次に、実施例1と同じく、この保水材プレペーストをシャーレに注ぎ、空気中に放置して自然乾燥させて乾燥保水材を得た。そして、実施例1と同じ条件でこの乾燥保水材を加熱した。こうして乾燥保水材中の高分子電解質93を不溶化処理した固形保水材を得た。その後、この固形保水材を冷凍粉砕器内に配置し、液体窒素温度で冷却して凍結粉砕を行った。この際、実施例2と同様、必要に応じて濾過法によって所定値より大きい粒径の固形保水材を取り除く分級を行なう。そして、この固形保水材とIPAとを混合し、自転/公転式遠心攪拌機によってさらに攪拌して保水材ペーストを得た。なお、実施例1と同様、この際に界面活性剤を適量混合することもできる。実施例3のMEAの製造における他の工程は実施例1と同様である。   Next, as in Example 1, this water-retaining material pre-paste was poured into a petri dish and left in the air to dry naturally to obtain a dry water-retaining material. And this dry water retention material was heated on the same conditions as Example 1. FIG. In this way, a solid water retaining material obtained by insolubilizing the polymer electrolyte 93 in the dried water retaining material was obtained. Thereafter, this solid water retaining material was placed in a freeze pulverizer and cooled at a liquid nitrogen temperature to perform freeze pulverization. At this time, as in Example 2, classification is performed by removing a solid water retaining material having a particle size larger than a predetermined value by a filtration method as necessary. And this solid water retention material and IPA were mixed, and also it stirred with the autorotation / revolution type | formula centrifugal stirrer, and obtained the water retention material paste. As in Example 1, an appropriate amount of a surfactant can be mixed at this time. Other steps in the production of the MEA of Example 3 are the same as those of Example 1.

これら実施例2、3のMEAの製造において採用される保水材ペーストも、実施例1における保水材ペースト52と同様に、高分子電解質93の不溶化処理がされている。このため、実施例2、3のMEAも実施例1のMEA1と同様の効果を得ることができると考えられる。   The water retention material paste employed in the manufacture of the MEAs of Examples 2 and 3 is also subjected to insolubilization treatment of the polymer electrolyte 93 in the same manner as the water retention material paste 52 of Example 1. For this reason, it is considered that the MEAs of Examples 2 and 3 can obtain the same effects as the MEA 1 of Example 1.

(変形例)
図12に示す変形例のMEA20は、実施例1のMEA1の構成に加えて、電解質膜11とカソード極3との間及び電解質膜11とアノード極5との間に、それぞれバインダ層15a、15bが設けられている。
(Modification)
The MEA 20 of the modification shown in FIG. 12 includes binder layers 15a and 15b between the electrolyte membrane 11 and the cathode electrode 3 and between the electrolyte membrane 11 and the anode electrode 5, respectively, in addition to the configuration of the MEA 1 of Example 1. Is provided.

バインダ層15aは、混合ペースト52を基材にスクリーン印刷をしてカソード触媒層10を得た後、このカソード触媒層10の表面側に、ナフィオン溶液をさらに塗布して乾燥させることで設けられている。また、バインダ層15bは、触媒ペースト50を基材にスクリーン印刷をしてアノード触媒層12を得た後、このアノード触媒層12の表面側に、ナフィオン溶液をさらに塗布して乾燥させることで設けられている。なお、ナフィオン溶液をカソード触媒層10及びアノード触媒層12へ塗布する方法としては、スクリーン印刷の他に、スプレー法、インクジェット法等の手段によっても行い得る。他の構成及び製造方法は実施例1のMEAと同様である。   The binder layer 15a is provided by screen-printing the mixed paste 52 on a base material to obtain the cathode catalyst layer 10, and then further applying a Nafion solution to the surface side of the cathode catalyst layer 10 and drying it. Yes. The binder layer 15b is provided by screen-printing the catalyst paste 50 on a base material to obtain the anode catalyst layer 12, and then applying a Nafion solution to the surface side of the anode catalyst layer 12 and drying it. It has been. In addition, as a method for applying the Nafion solution to the cathode catalyst layer 10 and the anode catalyst layer 12, in addition to screen printing, a spray method, an ink jet method, or the like can be used. Other configurations and manufacturing methods are the same as those of the MEA of the first embodiment.

変形例のMEA20は、実施例1のMEA1の効果に加えて、バインダ層15a、15bが設けられていることから、以下の効果も得られると考えられる。すなわち、低比表面積カーボン担体91を使用したカソード触媒層10及びアノード触媒層12では、触媒層中の高分子電解質93の量が少なくなることから、高分子電解質93のバインダとしての効果も低下すると考えられる。このため、電解質膜11とカソード触媒層10及びアノード触媒層12とが剥がれ易くなるという可能性が生じる。その際、これらのバインダ層15a、15bにより、電解質層11とカソード触媒層10及びアノード触媒層12とが剥がれ難くすることができると考えられる。   Since the MEA 20 of the modified example is provided with the binder layers 15a and 15b in addition to the effects of the MEA 1 of the first embodiment, it is considered that the following effects can also be obtained. That is, in the cathode catalyst layer 10 and the anode catalyst layer 12 using the low specific surface area carbon support 91, the amount of the polymer electrolyte 93 in the catalyst layer is reduced, so that the effect of the polymer electrolyte 93 as a binder is also reduced. Conceivable. For this reason, there is a possibility that the electrolyte membrane 11, the cathode catalyst layer 10, and the anode catalyst layer 12 are easily peeled off. In that case, it is thought that the electrolyte layer 11, the cathode catalyst layer 10, and the anode catalyst layer 12 can be made difficult to peel off by these binder layers 15a and 15b.

以上において、本発明を実施例1〜3及び変形例に即して説明したが、本発明は上記実施例1〜3及び変形例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。   In the above, the present invention has been described according to the first to third embodiments and the modified examples. However, the present invention is not limited to the first to third embodiments and the modified examples, and may be appropriately selected without departing from the spirit of the present invention. Needless to say, it can be changed and applied.

例えば、実施例2、3のMEAにバインダ層15a、15bを設けることもできる。   For example, the binder layers 15a and 15b can be provided on the MEAs of the second and third embodiments.

また、変形例は本発明の他に以下の発明を内在させている。
電解質層と、該電解質層の一面に接合されたカソード触媒層と、該電解質層の他面に接合されたアノード触媒層とを有する膜電極接合体であって、
少なくとも前記カソード触媒層は、無数の触媒と、高分子電解質と、水を保持可能な保水材とを含有し、
各該触媒の少なくとも一部は、細孔径が4nm以上である低比表面積カーボン担体に触媒微粒子が担持されてなるものであり、
前記電解質層と該カソード触媒層との間には、前記高分子電解質からなるバインダ層が設けられていることを特徴とする膜電極接合体。
Moreover, the modified example includes the following invention in addition to the present invention.
A membrane electrode assembly comprising an electrolyte layer, a cathode catalyst layer bonded to one surface of the electrolyte layer, and an anode catalyst layer bonded to the other surface of the electrolyte layer,
At least the cathode catalyst layer contains a myriad of catalysts, a polymer electrolyte, and a water retention material capable of holding water,
At least a part of each catalyst is formed by supporting catalyst fine particles on a low specific surface area carbon support having a pore diameter of 4 nm or more,
A membrane electrode assembly, wherein a binder layer made of the polymer electrolyte is provided between the electrolyte layer and the cathode catalyst layer.

本発明は、電気自動車等の移動用電源、屋外据え置き用電源、ポータブル電源等の燃料電池システムに利用可能である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a fuel cell system such as a moving power source for an electric vehicle, an outdoor stationary power source, and a portable power source.

91…カーボン担体(低比表面積カーボン担体)
92…Pt微粒子(触媒微粒子)
90…触媒
51…保水材ペースト(保水材)
50…触媒ペースト
52…混合ペースト
11…ナフィオン膜(電解質層)
10…カソード触媒層
12…アノード触媒層
1…MEA(膜電極接合体)
15a、15b…バインダ層
91 ... Carbon carrier (low specific surface area carbon carrier)
92 ... Pt fine particles (catalyst fine particles)
90 ... Catalyst 51 ... Water retention paste (water retention material)
50 ... Catalyst paste 52 ... Mixed paste 11 ... Nafion membrane (electrolyte layer)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Cathode catalyst layer 12 ... Anode catalyst layer 1 ... MEA (membrane electrode assembly)
15a, 15b ... Binder layer

Claims (6)

少なくとも一部は細孔径が4nm以上である低比表面積カーボン担体に触媒微粒子が担持されてなる無数の触媒と、高分子電解質と、水を保持可能な保水材とを含有し、電解質層の一面に接合される燃料電池用触媒層であって、
前記保水材は、核となる物質と、該物質に対して固定された前記高分子電解質とからなることを特徴とする燃料電池用触媒層。
One surface of an electrolyte layer containing at least a part of a catalyst having fine particles supported on a low specific surface area carbon support having a pore diameter of 4 nm or more, a polymer electrolyte, and a water retaining material capable of holding water. A fuel cell catalyst layer bonded to
The catalyst layer for a fuel cell, wherein the water retention material comprises a substance serving as a nucleus and the polymer electrolyte fixed to the substance.
少なくとも一部は細孔径が4nm以上である低比表面積カーボン担体に触媒微粒子が担持されてなる無数の触媒と、高分子電解質と、水を保持可能な保水材とを含有し、電解質層の一面に接合される燃料電池用触媒層の製造方法であって、
前記触媒と前記高分子電解質とを溶媒とともに混合して触媒ペーストを得る触媒ペースト調製工程と、
核となる物質と該高分子電解質とを溶媒とともに混合して保水材プレペーストを得る保水材プレペースト調製工程と、
該保水材プレペーストに固定化処理を行い、該高分子電解質が該物質に対して固定された固形保水材を得る固定化工程と、
該固形保水材を粉砕して前記保水材とする粉砕工程と、
該触媒ペーストと該保水材とを混合して混合ペーストを得る混合ペースト調製工程とを備えていることを特徴とする燃料電池用触媒層の製造方法。
One surface of an electrolyte layer containing at least a part of a catalyst having fine particles supported on a low specific surface area carbon support having a pore diameter of 4 nm or more, a polymer electrolyte, and a water retaining material capable of holding water. A method for producing a fuel cell catalyst layer bonded to a fuel cell,
A catalyst paste preparation step of mixing the catalyst and the polymer electrolyte together with a solvent to obtain a catalyst paste;
A water retention material pre-paste preparation step of mixing a substance serving as a nucleus and the polymer electrolyte together with a solvent to obtain a water retention material pre-paste;
An immobilization step of immobilizing the water retentive material pre-paste to obtain a solid water retentive material in which the polymer electrolyte is fixed to the substance;
A pulverizing step of pulverizing the solid water retaining material into the water retaining material;
A method for producing a catalyst layer for a fuel cell, comprising a mixed paste preparation step of mixing the catalyst paste and the water retention material to obtain a mixed paste.
前記固定化工程は、前記保水材プレペーストを乾燥させて乾燥保水材を得る乾燥工程と、
前記高分子電解質のガラス化温度以上の温度で該乾燥保水材を加熱する加熱工程とからなる請求項2記載の燃料電池用触媒層の製造方法。
The immobilization step is a drying step of drying the water retention material pre-paste to obtain a dry water retention material;
The method for producing a catalyst layer for a fuel cell according to claim 2, comprising a heating step of heating the dry water retaining material at a temperature equal to or higher than the vitrification temperature of the polymer electrolyte.
前記粉砕工程では、前記保水材が前記触媒の凝集体と略同径となるように前記固形保水材を粉砕する請求項2又は3記載の燃料電池用触媒層の製造方法。   The method for producing a fuel cell catalyst layer according to claim 2 or 3, wherein, in the pulverization step, the solid water retention material is pulverized so that the water retention material has substantially the same diameter as the aggregate of the catalyst. 電解質層と、該電解質層の一面に接合されたカソード触媒層と、該電解質層の他面に接合されたアノード触媒層とを有する膜電極接合体であって、
少なくとも前記カソード触媒層は、無数の触媒と、高分子電解質と、水を保持可能な保水材とを含有し、
各該触媒の少なくとも一部は、細孔径が4nm以上である低比表面積カーボン担体に触媒微粒子が担持されてなるものであり、
該保水材は、核となる物質と、該物質に対して固定された前記高分子電解質とからなることを特徴とする膜電極接合体。
A membrane electrode assembly comprising an electrolyte layer, a cathode catalyst layer bonded to one surface of the electrolyte layer, and an anode catalyst layer bonded to the other surface of the electrolyte layer,
At least the cathode catalyst layer contains a myriad of catalysts, a polymer electrolyte, and a water retention material capable of holding water,
At least a part of each catalyst is formed by supporting catalyst fine particles on a low specific surface area carbon support having a pore diameter of 4 nm or more,
The membrane electrode assembly, wherein the water retention material comprises a core substance and the polymer electrolyte fixed to the substance.
前記電解質層と前記カソード触媒層との間には、前記高分子電解質からなるバインダ層が設けられている請求項5記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 5, wherein a binder layer made of the polymer electrolyte is provided between the electrolyte layer and the cathode catalyst layer.
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