JP2011258452A - Electrode catalyst, membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode catalyst capable of decreasing both an activation overvoltage loss and a gas diffusion overvoltage loss, which are the main factors of a voltage loss, by regulating a polymer electrolyte relative to the electrode catalyst composed of conductive carriers having various specific surface areas, within an appropriate range which is uniquely defined, to improve power generation performance of a fuel cell, and to provide a membrane electrode assembly having the electrode catalyst as well as a polymer electrolyte fuel cell having the membrane electrode assembly.SOLUTION: The electrode catalyst 20 of a polymer electrolyte fuel cell is composed of a catalyst carrying carrier 3 and a polymer electrolyte 4, the amount of the polymer electrolyte 4 in the electrode catalyst 20 being within a scope of 22 to 27 vol.%.

Description

本発明は、電極触媒と膜電極接合体、およびこの膜電極接合体を具備する固体高分子型燃料電池に関するものである。   The present invention relates to an electrode catalyst, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell including the membrane electrode assembly.

固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側およびカソード側の各電極触媒層(電極触媒)と、から膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を成し、各電極触媒層の外側にガス流れの促進と集電効率を高めるためのガス拡散層(GDL)が設けられて電極体(MEGA:MEAとGDLの接合体)を成し、このガス拡散層の外側にセパレータが配されて燃料電池セルが形成されている。実際には、これらの燃料電池セルが発電性能に応じた基数だけ積層され、燃料電池スタックが形成されることになる。   A fuel cell of a polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA: an ion permeable electrolyte membrane) and electrode catalyst layers (electrode catalysts) on the anode side and the cathode side that sandwich the electrolyte membrane. Membrane Electrode Assembly), gas diffusion layers (GDL) for promoting gas flow and increasing current collection efficiency are provided outside each electrode catalyst layer, and an electrode body (MEGA: MEA and GDL joined body) is formed. And a fuel cell is formed by arranging a separator outside the gas diffusion layer. Actually, these fuel cells are stacked in the number corresponding to the power generation performance to form a fuel cell stack.

上記する従来の触媒層の形成方法は、たとえば、テフロンシート(テフロン:登録商標、デュポン社)等の基材表面に、触媒を担持した触媒担持担体、高分子電解質(アイオノマ)、分散溶媒を含んだ触媒溶液(触媒インク)を塗工し、次いでこの触媒溶液の表面をホットプレート等で乾燥させること(湿式塗工法)で触媒層が形成されている。なお、この塗工作業においては、スプレーで塗布する方法やドクターブレードを使用する方法などがある。   The conventional method for forming a catalyst layer described above includes, for example, a catalyst-supported carrier supporting a catalyst, a polymer electrolyte (ionomer), and a dispersion solvent on the surface of a substrate such as a Teflon sheet (Teflon: registered trademark, DuPont). A catalyst layer is formed by applying a catalyst solution (catalyst ink) and then drying the surface of the catalyst solution with a hot plate or the like (wet coating method). In addition, in this coating operation, there are a method of applying by spray, a method of using a doctor blade, and the like.

ところで、水素等の燃料ガスの燃焼によるエネルギーはその全てが燃料電池の発電に寄与するものではなく、そのうちの何割かは複数種の電圧ロス要素による熱損失として失われている。   By the way, not all of the energy generated by the combustion of fuel gas such as hydrogen contributes to the power generation of the fuel cell, and some of the energy is lost as heat loss due to multiple types of voltage loss elements.

この電圧ロスには、活性化過電圧ロスやガス拡散過電圧ロス、抵抗過電圧ロスなどがあるが、本発明者等によれば、電極触媒を形成する高分子電解質の量を調整することによって、このうちの活性化過電圧ロスとガス拡散過電圧ロスをともに小さな値に制御でき、もって電圧ロスを可及的に低減できるとの知見が得られている。   This voltage loss includes activation overvoltage loss, gas diffusion overvoltage loss, resistance overvoltage loss, etc., but according to the present inventors, by adjusting the amount of the polymer electrolyte forming the electrode catalyst, It has been found that both the activation overvoltage loss and the gas diffusion overvoltage loss can be controlled to small values, and the voltage loss can be reduced as much as possible.

ここで、「活性化過電圧」とは、たとえばカソード側の電極触媒において、アノード側から伝導されたプロトンと提供された酸素ガスによって1/2O2 + 2H+ + 2e- → H20の電気化学反応がおこなわれるが、この電気化学反応に当たり、この反応を生じさせるのに必要となるエネルギーのことである。 Here, "activation overvoltage", for example, the cathode side of the electrode catalyst, 1 / 2O 2 + 2H + + 2e by oxygen gas provided a conduction protons from the anode side - → H 2 0 electrochemical The reaction takes place, which is the energy required to cause this reaction during this electrochemical reaction.

導電性担体に担持された触媒金属の表面において高分子電解質で十分に被覆されていない領域がある場合に、この領域では上記する電気化学反応がおこなわれず、高分子電解質で被覆されている領域に電気化学反応が集中することになる。そして、この電気化学反応が集中する領域では活性化エネルギーが過度に増えてしまうことになり、言い換えれば、活性化過電圧が増加することになる。   When there is a region that is not sufficiently covered with the polymer electrolyte on the surface of the catalytic metal supported on the conductive support, the above-described electrochemical reaction does not occur in this region, and the region covered with the polymer electrolyte is not covered. The electrochemical reaction will be concentrated. And in this area | region where an electrochemical reaction concentrates, activation energy will increase too much, in other words, activation overvoltage will increase.

したがって、高分子電解質の量が少な過ぎて触媒金属の表面で高分子電解質による被覆不十分な領域が形成されている場合に、この活性化過電圧が増加する傾向にある。   Accordingly, this activation overvoltage tends to increase when the amount of the polymer electrolyte is too small and an insufficiently coated region with the polymer electrolyte is formed on the surface of the catalyst metal.

一方、「ガス拡散過電圧」とは、触媒金属の表面を被覆する高分子電解質においてこの厚みが大き過ぎる領域、すなわち、酸素の拡散距離が長過ぎる領域がある場合に、この領域では酸素提供が他の領域に比して追い付かずに触媒反応がおこなわれ難く、他の領域のみで触媒反応がおこなわれるためにこの領域で増大する負荷エネルギーのことである。   On the other hand, “gas diffusion overvoltage” refers to a region where the thickness of the polymer electrolyte covering the surface of the catalytic metal is too large, that is, a region where the oxygen diffusion distance is too long. This is the load energy that is increased in this region because the catalytic reaction is difficult to occur without catching up with the region, and the catalytic reaction is performed only in other regions.

したがって、高分子電解質の量が多過ぎて触媒金属の表面で酸素の拡散距離が長過ぎる領域が形成されている場合に、このガス拡散過電圧が増加する傾向にある。   Therefore, this gas diffusion overvoltage tends to increase when the amount of the polymer electrolyte is too large and a region where the oxygen diffusion distance is too long is formed on the surface of the catalyst metal.

以上のことから、活性化過電圧とガス拡散過電圧の双方を低減するには、高分子電解質の量をある適正な範囲内に制御すればよいことになる。   From the above, in order to reduce both the activation overvoltage and the gas diffusion overvoltage, the amount of the polymer electrolyte may be controlled within a certain appropriate range.

また、電極触媒の形成に使用される導電性担体には多様な比表面積のものが存在しているが、上記する高分子電解質の量を電極触媒の質量(高分子電解質と触媒担持担体の総質量)に対する高分子電解質の質量分率で規定しようとすると、比表面積の大小でこの適正範囲は全く異なるものとなる。より具体的には、比表面積が小さな導電性担体の場合にはアイオノマの適正範囲が相対的に小さな質量分率範囲へシフトするし、比表面積が大きな導電性担体の場合にはアイオノマの適正範囲が相対的に大きな質量分率範囲へシフトしてしまう。したがって、活性化過電圧とガス拡散過電圧をともに小さな値とするアイオノマの適正範囲を、導電性担体の比表面積ごとに規定する必要が生じてしまうことになる。   In addition, there are various specific surface areas of conductive carriers used for the formation of the electrode catalyst, but the amount of the polymer electrolyte described above is the mass of the electrode catalyst (the total amount of the polymer electrolyte and the catalyst-supported carrier). If the mass fraction of the polymer electrolyte with respect to (mass) is to be defined, the appropriate range is completely different depending on the specific surface area. More specifically, in the case of a conductive carrier having a small specific surface area, the appropriate range of ionomer shifts to a relatively small mass fraction range, and in the case of a conductive carrier having a large specific surface area, the appropriate range of ionomer. Shift to a relatively large mass fraction range. Therefore, it becomes necessary to define an appropriate range of ionomer for which both the activation overvoltage and the gas diffusion overvoltage are small values for each specific surface area of the conductive carrier.

ここで、従来の公開技術として、特許文献1には、触媒層中の高分子電解質の含有率が電子伝導性物質(導電性担体)に対して質量比で0.1以上に調整された電極触媒の開示がある。   Here, as a conventional published technique, Patent Document 1 discloses an electrode in which the content of the polymer electrolyte in the catalyst layer is adjusted to 0.1 or more by mass ratio with respect to the electron conductive substance (conductive support). There is a catalyst disclosure.

これは、アイオノマの量を導電性担体に対する質量比で規定したものであるが、本発明者等によれば、100m/g以下程度の比表面積の小さな導電性担体に対して質量比0.1以上ではアイオノマの被覆厚が増加してしまい、ガス拡散性が低下するとの知見が得られている。 In this method, the amount of ionomer is defined by the mass ratio with respect to the conductive carrier. According to the present inventors, the mass ratio of the ionomer to the conductive carrier having a small specific surface area of about 100 m 2 / g or less is 0.00. It has been found that when the number is 1 or more, the coating thickness of the ionomer increases and the gas diffusibility decreases.

一方、他の公開技術として、ダイレクトメタノール型燃料電池の膜電極接合体に関し、これを構成する触媒層が高分子電解質の多い層と少ない層の複層構造を呈し、多い層の高分子電解質量が60体積%以上であり、少ない層の高分子電解質量が30体積%未満である膜電極接合体が特許文献2に開示されている。   On the other hand, as another open technology, a membrane electrode assembly of a direct methanol fuel cell has a multi-layer structure in which the catalyst layer constituting the layer is composed of a polymer electrolyte-rich layer and a few polymer electrolyte layers. Discloses a membrane / electrode assembly in which the polymer electrolysis mass of a small number of layers is less than 30% by volume.

これは、水素を燃料ガスに使用するものではなく、メタノールを燃料液体に使用する燃料電池であることから、これまで述べてきた固体高分子型燃料電池とは対象が大きく異なるものである。しかし、高分子電解質の量を体積分率で規定することにより、上記する質量分率で規定する場合のように、導電性担体の比表面積の大小で高分子電解質の適正範囲が変化することがなくなり、高分子電解質の適正範囲を一義的に決定することが可能となる。   This is a fuel cell that does not use hydrogen as a fuel gas but methanol as a fuel liquid, and is therefore a subject that is significantly different from the polymer electrolyte fuel cells described so far. However, by defining the amount of the polymer electrolyte in terms of volume fraction, the appropriate range of the polymer electrolyte may change depending on the specific surface area of the conductive support, as in the case of defining in the mass fraction described above. Thus, the appropriate range of the polymer electrolyte can be uniquely determined.

また、特許文献3には、触媒粒子とアイオノマの体積比率が55:45〜90:10である燃料電池用の触媒インクが開示されている。   Patent Document 3 discloses a catalyst ink for fuel cells in which the volume ratio of catalyst particles to ionomer is 55:45 to 90:10.

この技術もアイオノマの制御範囲を体積分率で規定するものであるが、本発明者等によれば、この数値範囲は触媒層中の空隙を一切考慮しておらず、したがって、触媒層におけるアイオノマの体積分率が実際にどの範囲に制御されることになるのかが不明である。さらに、この技術は、発電性能を高めるために電圧ロスの主要因である活性化過電圧ロスとガス拡散過電圧ロスの双方を低減することを課題に掲げるものではなく、したがって、この課題を解消できる高分子電解質の適正範囲を提供するものではない。   This technique also defines the control range of the ionomer in terms of volume fraction, but according to the present inventors, this numerical range does not take into account any voids in the catalyst layer, and therefore, the ionomer in the catalyst layer is not considered. It is unclear to which range the volume fraction of is actually controlled. In addition, this technology does not raise the problem of reducing both the activation overvoltage loss and the gas diffusion overvoltage loss, which are the main causes of voltage loss, in order to improve the power generation performance. It does not provide an appropriate range of molecular electrolytes.

特開2008−4298号公報JP 2008-4298 A 国際公開第2006/123529パンフレットInternational Publication No. 2006/123529 Pamphlet 特開2009−152112号公報JP 2009-152112 A

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、多様な比表面積の導電性担体からなる電極触媒に対して高分子電解質を一義的に決定される適正な範囲に制御することにより、電圧ロスの主要因である活性化過電圧ロスとガス拡散過電圧ロスの双方を小さくでき、もって燃料電池の発電性能を向上させることのできる電極触媒と、この電極触媒を備えた膜電極接合体、この膜電極接合体を備えた固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the problems described above, and the voltage is controlled by controlling the polymer electrolyte to an appropriate range that is uniquely determined for an electrode catalyst composed of a conductive support having various specific surface areas. Electrode catalyst capable of reducing both the activation overvoltage loss and gas diffusion overvoltage loss, which are the main causes of loss, and thereby improving the power generation performance of the fuel cell, and a membrane electrode assembly including this electrode catalyst, this membrane An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell provided with an electrode assembly.

前記目的を達成すべく、本発明による電極触媒は、触媒担持担体と高分子電解質とからなる固体高分子型燃料電池の電極触媒であって、電極触媒における高分子電解質の量が22〜27体積%の範囲に調整されたものである。   In order to achieve the above object, the electrode catalyst according to the present invention is an electrode catalyst of a solid polymer fuel cell comprising a catalyst-supporting carrier and a polymer electrolyte, and the amount of the polymer electrolyte in the electrode catalyst is 22 to 27 volumes. % Adjusted.

本発明の電極触媒は、水素を燃料ガスに使用する固体高分子型燃料電池に供されるものであり、活性化過電圧ロスとガス拡散過電圧ロスの双方を小さくできる高分子電解質(アイオノマ)の適正範囲を22〜27体積%に規定したものである。   The electrode catalyst of the present invention is used in a polymer electrolyte fuel cell using hydrogen as a fuel gas, and is suitable for a polymer electrolyte (ionomer) that can reduce both an activation overvoltage loss and a gas diffusion overvoltage loss. The range is defined as 22 to 27% by volume.

ここで、上記する高分子電解質の体積分率にかかる数値範囲は、触媒担持担体と高分子電解質、および空隙からなる電極触媒の全体積に対する高分子電解質の比率である。   Here, the numerical range concerning the volume fraction of the polymer electrolyte described above is the ratio of the polymer electrolyte to the total volume of the electrode catalyst composed of the catalyst-supporting carrier, the polymer electrolyte, and the voids.

既述するように、高分子電解質の量が少な過ぎる場合には、触媒金属の表面で高分子電解質による被覆不十分な領域が形成されて活性化過電圧が大きくなり易く、高分子電解質の量が多過ぎる場合には、触媒金属の表面で酸素の拡散距離が長過ぎる領域が形成されてガス拡散過電圧が大きくなり易い。   As described above, when the amount of the polymer electrolyte is too small, an insufficiently coated region with the polymer electrolyte is formed on the surface of the catalyst metal, and the activation overvoltage is likely to increase. When the amount is too large, a region where the oxygen diffusion distance is too long is formed on the surface of the catalyst metal, and the gas diffusion overvoltage tends to increase.

本発明者等は、多様な比表面積の導電性担体を使用してこれら活性化過電圧とガス拡散過電圧を測定し、この測定結果から活性化過電圧とガス拡散過電圧がともに小さくなる高分子電解質の最適範囲として上記する22〜27体積%を規定している。すなわち、高分子電解質の量が22体積%を下回ると、実験対象のすべての比表面積の導電性担体において活性化過電圧が増加傾向を示し、27体積%を上回ると、実験対象のすべての比表面積の導電性担体においてガス拡散過電圧が増加傾向を示すことより、これらの数値が高分子電解質の適正範囲を規定する上下限値の臨界意義を有するものとなる。   The present inventors measured the activation overvoltage and the gas diffusion overvoltage using conductive carriers having various specific surface areas, and based on the measurement results, the optimum polymer electrolyte having both the activation overvoltage and the gas diffusion overvoltage decreased. As a range, the above-mentioned 22-27% by volume is specified. That is, when the amount of the polymer electrolyte is less than 22% by volume, the activation overvoltage tends to increase in the conductive carrier having all the specific surface areas of the experiment target, and when the amount of the polymer electrolyte exceeds 27% by volume, all of the specific surface area of the test object is measured. Since the gas diffusion overvoltage tends to increase in these conductive carriers, these numerical values have critical significance of the upper and lower limits that define the appropriate range of the polymer electrolyte.

上記するような適正範囲に制御された高分子電解質と触媒担持担体を分散溶媒に投入し、攪拌して触媒溶液(触媒インク)を生成する。   A polymer electrolyte and a catalyst-supporting carrier controlled in an appropriate range as described above are put into a dispersion solvent and stirred to produce a catalyst solution (catalyst ink).

そして、生成された触媒溶液は、電解質膜等の基材にたとえば塗工ブレードにて層状に引き伸ばされて塗膜が形成され、温風乾燥炉等で乾燥することによって少なくともカソード側の電極触媒(触媒層)が形成され、膜電極接合体が得られる。   The produced catalyst solution is stretched in a layer form on a base material such as an electrolyte membrane by, for example, a coating blade to form a coating film, and dried in a warm air drying oven or the like to dry at least a cathode-side electrode catalyst ( Catalyst layer) is formed, and a membrane electrode assembly is obtained.

この膜電極接合体を備えた固体高分子型燃料電池は、電極触媒中の高分子電解質の量が発電ロスを少なくする適正な範囲に制御されていることから、発電性能に優れたものとなる。したがって、この固体高分子型燃料電池は、近時その生産が拡大しており、車載機器に一層の高性能を要求している電気自動車やハイブリッド車に好適である。   The polymer electrolyte fuel cell equipped with this membrane electrode assembly has excellent power generation performance because the amount of the polymer electrolyte in the electrode catalyst is controlled within an appropriate range to reduce power generation loss. . Therefore, production of this polymer electrolyte fuel cell has recently been expanded, and it is suitable for electric vehicles and hybrid vehicles that require higher performance for in-vehicle devices.

以上の説明から理解できるように、本発明の電極触媒とこれを少なくともカソード側に備えた膜電極接合体、さらにはこの膜電極接合体を備えた固体高分子型燃料電池によれば、電極触媒中の高分子電解質の量が、活性化過電圧とガス拡散過電圧がともに小さくなる最適な範囲である22〜27体積%の範囲に規定されていることにより、電極触媒の発電ロスを可及的に低減でき、もって固体高分子型燃料電池の発電性能を向上させることができる。   As can be understood from the above description, according to the electrode catalyst of the present invention, the membrane electrode assembly including the electrode catalyst on at least the cathode side, and the polymer electrolyte fuel cell including the membrane electrode assembly, The amount of the polymer electrolyte in the electrode is regulated within the range of 22 to 27% by volume, which is an optimal range in which both the activation overvoltage and the gas diffusion overvoltage are reduced, thereby reducing the power generation loss of the electrode catalyst as much as possible. Therefore, the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell can be improved.

(a)は膜電極接合体を示した模式図であり、(b)は図1aのb部を拡大した模式図である。(A) is the schematic diagram which showed the membrane electrode assembly, (b) is the schematic diagram which expanded the b section of FIG. 1a. 比表面積の異なる複数の導電性担体からなる電極触媒を有する燃料電池セルの活性化過電圧とガス拡散過電圧を測定した実験結果と、この結果に基づいて規定された電極触媒中の高分子電解質の体積分率の適正範囲を示す図である。Experimental results of measuring the activation overvoltage and gas diffusion overvoltage of a fuel cell having an electrode catalyst composed of a plurality of conductive supports having different specific surface areas, and the volume of the polymer electrolyte in the electrode catalyst defined based on this result It is a figure which shows the appropriate range of a fraction.

以下、図面を参照して本発明の電極触媒を概説する。   The electrode catalyst of the present invention will be outlined below with reference to the drawings.

図1aは膜電極接合体を示した模式図であり、図1bは図1aのb部を拡大した模式図であって、電極触媒のミクロ構造を模擬した図である。   FIG. 1a is a schematic diagram showing a membrane electrode assembly, and FIG. 1b is a schematic diagram enlarging a part b of FIG. 1a, simulating the microstructure of the electrode catalyst.

図1aで示す膜電極接合体40は、電解質膜10をカソード側の電極触媒20とアノード側の電極触媒30が挟持して構成されている。   The membrane electrode assembly 40 shown in FIG. 1 a is configured by sandwiching an electrolyte membrane 10 between a cathode-side electrode catalyst 20 and an anode-side electrode catalyst 30.

そして、たとえばカソード側の電極触媒20は、図1bで示すように、導電性担体1に触媒金属2が担持されてできた触媒担持担体3と、その周囲を被覆して酸素やプロトンの移動路となる高分子電解質4と、さらには、これらの間に形成された空隙Gとから構成されている。なお、アノード側の電極触媒30も同様の構造を有している。   For example, as shown in FIG. 1 b, the cathode-side electrode catalyst 20 includes a catalyst-supporting carrier 3 formed by supporting a catalytic metal 2 on a conductive carrier 1, and a moving path of oxygen and protons covering the periphery thereof. And a gap G formed between them. The anode-side electrode catalyst 30 also has the same structure.

そして、特にカソード側の電極触媒20では、図1bで示す単位面積A(単位奥行きを勘案して単位体積)内において、触媒担持担体3、高分子電解質4、空隙Gからなる全面積A(全体積)中の高分子電解質4の体積分率が22〜27体積%の範囲に制御されている。なお、アノード側の電極触媒30の高分子電解質は、必ずしもこの範囲に制御されている必要はない。   In particular, in the case of the electrode catalyst 20 on the cathode side, the entire area A (the entire area) composed of the catalyst carrier 3, the polymer electrolyte 4, and the gap G within the unit area A (unit volume in consideration of the unit depth) shown in FIG. The volume fraction of the polymer electrolyte 4 in the product) is controlled in the range of 22 to 27% by volume. Note that the polymer electrolyte of the anode-side electrode catalyst 30 is not necessarily controlled within this range.

カソード側電極触媒20において高分子電解質4の量が22〜27体積%の範囲に制御されていることにより、発電ロスの主たる要因である活性化過電圧とガス拡散過電圧をともに小さくすることができ、固体高分子型燃料電池の発電性能を向上させることができる。   By controlling the amount of the polymer electrolyte 4 in the cathode side electrode catalyst 20 in the range of 22 to 27% by volume, it is possible to reduce both the activation overvoltage and the gas diffusion overvoltage, which are the main causes of power generation loss, The power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell can be improved.

また、高分子電解質の適正範囲を体積分率で規定したことにより、比表面積が異なる多様な導電性担体に対して、一律に上記する高分子電解質の体積範囲を適用することができる。   Further, by defining the appropriate range of the polymer electrolyte by the volume fraction, the above-described volume range of the polymer electrolyte can be uniformly applied to various conductive carriers having different specific surface areas.

なお、導電性担体は、微球状の1次粒子が癒着したアグリゲート(1次凝集体)、このアグリゲートが物理吸着してなるアグロメレート(2次凝集体)という構造を呈しており、これらアグリゲートやアグロメレートの発達過程は導電性担体種や後処理によって相違する。これにアイオノマを含有させた場合、アイオノマは主に導電性担体の2次細孔(アグリゲートを構成する導電性担体で包囲された細孔、隣接するアグリゲートで包囲された細孔など)を埋めていくため、導電性担体のアグロメレートの大きさが電極触媒の体積を決定する主要因となる。   The conductive carrier has a structure of an aggregate (primary aggregate) in which fine spherical primary particles are adhered, and an agglomerate (secondary aggregate) formed by physical adsorption of the aggregate. The development process of gates and agglomerates differs depending on the type of conductive carrier and post-treatment. When ionomer is included in this, the ionomer mainly contains secondary pores of the conductive carrier (pores surrounded by the conductive carrier constituting the aggregate, pores surrounded by the adjacent aggregate, etc.). In order to fill, the size of the agglomerate of the conductive carrier is the main factor determining the volume of the electrode catalyst.

ここで、図示する膜電極接合体40の製造方法を概説する。まず、不図示の容器内に収容された分散溶媒内に、導電性担体1と触媒金属2の前駆体を投入し、攪拌しながら熱処理をおこない、必要に応じて還元剤をこれに添加することによって、前駆体から触媒金属2を還元析出させて導電性担体1の表面に担持させ、触媒担持担体3の粉末が得られる。   Here, the manufacturing method of the membrane electrode assembly 40 shown in the figure will be outlined. First, the conductive carrier 1 and the precursor of the catalyst metal 2 are put into a dispersion solvent accommodated in a container (not shown), heat treatment is performed with stirring, and a reducing agent is added thereto as necessary. Thus, the catalyst metal 2 is reduced and deposited from the precursor and supported on the surface of the conductive support 1 to obtain a powder of the catalyst support 3.

ここで、上記する導電性担体1としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物などを挙げることができ、触媒金属としては、たとえば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウムなどのうちのいずれか一種を使用することができ、好ましくは白金または白金合金を使用するのがよい。さらに、この白金合金としては、たとえば、白金と、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、チタンおよび鉛のうちの少なくとも一種との合金を挙げることができる。   Here, examples of the conductive carrier 1 include carbon materials such as carbon black, carbon nanotubes, and carbon nanofibers, as well as carbon compounds typified by silicon carbide, etc. Examples of the catalyst metal include: Any one of platinum, platinum alloy, palladium, rhodium, gold, silver, osmium, iridium and the like can be used, and platinum or a platinum alloy is preferably used. Further, examples of the platinum alloy include platinum, aluminum, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, gallium, zirconium, molybdenum, ruthenium, rhodium, palladium, vanadium, tungsten, rhenium, osmium, iridium, titanium, and lead. An alloy with at least one of them can be mentioned.

さらに、分散溶媒としては、水のほか、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、酢酸エチルや酢酸ブチルなどのエステル類、芳香族系あるいはハロゲン系の種々の溶媒を挙げることができ、さらには、これらを単独で、もしくは混合液として使用することができる。   Furthermore, as a dispersion solvent, in addition to water, alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, ethylene glycol, diethylene glycol, acetone, methyl ethyl ketone, dimethylformamide, dimethylimidazolidinone, dimethyl sulfoxide, dimethylacetamide, Examples include N-methylpyrrolidone, propylene carbonate, esters such as ethyl acetate and butyl acetate, and various aromatic or halogen solvents, and these may be used alone or as a mixture. it can.

製造された触媒担持担体3を、分散溶媒内に投入し、さらに、高分子電解質4を投入して、超音波ホモジナイザー、ビーズミル、ボールミルなどを使用して攪拌等することにより、触媒溶液(触媒インク)が生成される。   The produced catalyst-supporting carrier 3 is put into a dispersion solvent, and further, a polymer electrolyte 4 is put and stirred using an ultrasonic homogenizer, a bead mill, a ball mill, etc. ) Is generated.

この高分子電解質4としては、プロトン伝導性ポリマーである、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレンなどのスルホアルキル化プラスチック系電解質などを挙げることができる。なお、市販素材としては、ナフィオン(Nafion)(登録商標、デュポン社製)やフレミオン(Flemion)(登録商標、旭硝子株式会社製)などを使用することができる。   Examples of the polymer electrolyte 4 include proton exchange polymers, ion-exchange resins having an organic fluorine-containing polymer as a skeleton, such as perfluorocarbon sulfonic acid resin, sulfonated polyether ketone, sulfonated polyethersulfone, sulfone. Sulfonated plastic electrolytes such as sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfone, sulfonated polysulfide, sulfonated polyphenylene, sulfoalkylated polyetheretherketone, sulfoalkylated polyethersulfone, sulfoalkylated polyetherethersulfone, sulfoalkyl And sulfoalkylated plastic electrolytes such as sulfonated polysulfone, sulfoalkylated polysulfide, and sulfoalkylated polyphenylene. As commercially available materials, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like can be used.

生成された触媒溶液は、基材である電解質膜10、ガス拡散層、支持フィルムのいずれか一種に塗工等され、温風乾燥、ホットプレス等されることによって基材表面に触媒層(電極触媒)が形成される。ここで、この電解質膜10は、たとえば、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成されるものである。また、ガス拡散層は、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材やこれらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等から形成されるものである。さらに、支持フィルムは、ポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、ポリテトラフルオロエチレンフィルム、エチレン/テトラフルオロエチレン共重合体フィルム、テトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体フィルム、ポリフッ化ビニリデンフィルム、ポリイミドフィルム、ポリアミドフィルム、ポリエチレンテレフタレートフィルムなどを挙げることができ、これらの素材からなるシートを2層以上積層して基材としてもよい。なお、市販素材であるテフロンシート(テフロン:登録商標、デュポン社)などを使用することもできる。   The produced catalyst solution is applied to any one of the electrolyte membrane 10, the gas diffusion layer, and the support film, which is a base material, and is heated on a base layer by hot air drying or hot pressing. Catalyst) is formed. Here, the electrolyte membrane 10 is, for example, a fluorine-based ion exchange membrane having a sulfonic acid group or a carbonyl group, a substituted phenylene oxide, a sulfonated polyaryletherketone, a sulfonated polyarylethersulfone, a sulfonated phenylenesulfide, or the like. It is formed from a non-fluorine polymer or the like. The gas diffusion layer is formed from a fired body made of polyacrylonitrile, a fired body made of pitch, carbon materials such as graphite and expanded graphite, nanocarbon materials thereof, stainless steel, molybdenum, titanium, and the like. Furthermore, the support film is a polyethylene film, a polypropylene film, a polytetrafluoroethylene film, an ethylene / tetrafluoroethylene copolymer film, a tetrafluoroethylene / perfluoro (alkyl vinyl ether) copolymer film, a polyvinylidene fluoride film, a polyimide film. , Polyamide film, polyethylene terephthalate film, and the like. Two or more sheets made of these materials may be laminated to form a base material. A commercially available material such as a Teflon sheet (Teflon: registered trademark, DuPont) may also be used.

図1aで示す膜電極接合体40の両側にガス拡散層が配され、さらにその外側に不図示のセパレータが配されて燃料電池セルが構成され、発電性能に応じた基数の燃料電池セルがスタッキングされることによって固体高分子型燃料電池が形成される。   A gas diffusion layer is arranged on both sides of the membrane electrode assembly 40 shown in FIG. 1a, and a separator (not shown) is arranged outside thereof to constitute a fuel cell, and a fuel cell of a radix corresponding to the power generation performance is stacked. As a result, a polymer electrolyte fuel cell is formed.

[燃料電池セルの活性化過電圧とガス拡散過電圧を測定した実験とその結果]
本発明者等は、比表面積の相違する5種類の導電性担体を使用し、それぞれの導電性担体に対してアイオノマの体積分率を種々変化させて膜電極接合体とし、それぞれの膜電極接合体にガス拡散層を取り付けて燃料電池セルを製作した。そして、この燃料電池セルに対して燃料ガスと酸化剤ガスを提供して電気化学反応を起させ、その際の活性化過電圧とガス拡散過電圧を測定した。
[Experiment and results of measuring activation overvoltage and gas diffusion overvoltage of fuel cells]
The inventors of the present invention use five types of conductive carriers having different specific surface areas, change the volume fraction of the ionomer to each of the conductive carriers, and form membrane electrode assemblies. A fuel cell was fabricated by attaching a gas diffusion layer to the body. And fuel gas and oxidant gas were provided with respect to this fuel battery cell, the electrochemical reaction was started, and the activation overvoltage and gas diffusion overvoltage in that case were measured.

より具体的には、純白金担持カーボンブラック担体を使用し、白金重量対カーボン重量は3対7、白金の平均粒径は4nm、担体種は以下の表1の5種類でカソード側の電極触媒を製作した。また、アノード側の触媒にはTEC10E30E(田中貴金属社製)、電解質膜はNRE211CS(デュポン社製)、アイオノマはDE2020CS(デュポン社製)を使用した。また、電極触媒の組成に関し、カソード側の白金目付け量は0.1mg/cm、アノード側の白金目付け量は0.05mg/cmでアイオノマ量はカーボン担体1gに対して0.7gに調整した。また、触媒、アイオノマ、水、エタノールを混合し、超音波ホモジナイザーで分散させて触媒インクを調合し、これをポリマーフィルムにキャストし、溶媒を乾燥させて得られた触媒シートを電解質膜と熱圧着にて一体化した。 More specifically, a pure platinum-supported carbon black carrier is used, the platinum weight to carbon weight is 3 to 7, the average particle diameter of platinum is 4 nm, and the carrier types are five types of the following Table 1 and the cathode side electrode catalyst. Was made. Moreover, TEC10E30E (manufactured by Tanaka Kikinzoku) was used as the catalyst on the anode side, NRE211CS (manufactured by DuPont) was used as the electrolyte membrane, and DE2020CS (manufactured by DuPont) was used as the ionomer. In addition, regarding the composition of the electrode catalyst, the amount of platinum on the cathode side was adjusted to 0.1 mg / cm 2 , the amount of platinum on the anode side was adjusted to 0.05 mg / cm 2 , and the ionomer amount was adjusted to 0.7 g with respect to 1 g of the carbon support. did. Also, catalyst, ionomer, water and ethanol are mixed and dispersed with an ultrasonic homogenizer to prepare a catalyst ink. This is cast onto a polymer film and the solvent is dried. The resulting catalyst sheet is then thermocompression bonded to the electrolyte membrane. Integrated.

Figure 2011258452
Figure 2011258452

ここで、アイオノマの体積分率に関して詳述すると、カソード側電極触媒においては、カーボン担体1gに対して0.5gのアイオノマを使用し、上記方法でカソード側電極触媒を形成した。また、膜電極接合体の断面をSEM(透過電子顕微鏡)にて観察してカソード側電極触媒の厚みを測定した。また、別途求めたアイオノマの比重とアイオノマ使用量の関係からアイオノマの体積分率を算出した。これらをもとにアイオノマの体積分率の0〜50%水準が振れるようにアイオノマの量を調整して、カソード側の電極触媒を得た。   Here, the ionomer volume fraction will be described in detail. In the cathode side electrode catalyst, 0.5 g of ionomer was used with respect to 1 g of the carbon support, and the cathode side electrode catalyst was formed by the above method. Further, the thickness of the cathode electrode catalyst was measured by observing a cross section of the membrane electrode assembly with an SEM (transmission electron microscope). In addition, the volume fraction of the ionomer was calculated from the relationship between the specific gravity of the ionomer and the amount of ionomer used separately obtained. Based on these, the amount of ionomer was adjusted so that the 0-50% level of the ionomer's volume fraction fluctuated to obtain an electrode catalyst on the cathode side.

ガス拡散層としてカーボンペーパーを接触させて評価用の燃料電池セルとした。この燃料電池セルのアノード側に湿度が100%RH、保圧が150kPaの水素ガスを提供し、カソード側に湿度が100%RH、保圧が150kPaの空気を提供した。そして、電子負荷装置で電気化学反応を生じさせ、0.1A/cmで制御した際の電圧値と電流値で観測された電解質膜抵抗値から電解質膜抵抗過電圧の補正電圧を算出した。ここで、電解質膜抵抗値は交流インピーダンス法によって求めている。そして、燃料電池セルの起電力1.23Vと電解質膜抵抗過電圧の補正電圧との差を活性化過電圧とした。 Carbon paper was contacted as a gas diffusion layer to obtain a fuel cell for evaluation. Hydrogen gas having a humidity of 100% RH and a holding pressure of 150 kPa was provided on the anode side of the fuel cell, and air having a humidity of 100% RH and a holding pressure of 150 kPa was provided on the cathode side. And the electrochemical reaction was produced with the electronic load apparatus, and the correction voltage of electrolyte membrane resistance overvoltage was computed from the electrolyte membrane resistance value observed by the voltage value and electric current value when controlling at 0.1 A / cm < 2 >. Here, the electrolyte membrane resistance value is obtained by an AC impedance method. The difference between the electromotive force of the fuel cell 1.23V and the electrolyte membrane resistance overvoltage correction voltage was defined as the activation overvoltage.

また、活性化過電圧の測定における電気化学反応において、カソード側への導入ガスが酸素の場合と空気の場合において、1.5A/cmで制御した際に測定された電圧値と電解質膜抵抗過電圧の補正電圧との差をガス拡散過電圧とした。実験結果を図2に示している。 In addition, in the electrochemical reaction in the measurement of the activation overvoltage, when the gas introduced to the cathode side is oxygen and in the case of air, the voltage value and the electrolyte membrane resistance overvoltage measured when controlled at 1.5 A / cm 2 The difference from the correction voltage was defined as the gas diffusion overvoltage. The experimental results are shown in FIG.

同図より、5種類の導電性担体A〜Eを電極触媒に有する各燃料電池セルにおいて、アイオノマの体積分率が22体積%を下回ると活性化過電圧が増加することが分かった。これは、アイオノマが不足していることにより、アイオノマに被覆されない白金が存在しているためである。   From the figure, it was found that, in each fuel cell having five types of conductive carriers A to E as electrode catalysts, the activation overvoltage increases when the volume fraction of ionomer is less than 22% by volume. This is because there is platinum that is not covered by the ionomer due to the lack of the ionomer.

さらに、アイオノマの体積分率が27体積%を上回ると活性化過電圧が増加することが分かった。これは、アイオノマが多すぎるためにアイオノマがアグリゲート間に入り込み、導電性担体間における電子伝導抵抗が増加したためである。   Furthermore, it was found that the activation overvoltage increases when the volume fraction of the ionomer exceeds 27% by volume. This is because since there are too many ionomers, the ionomer penetrates between the aggregates, and the electron conduction resistance between the conductive carriers is increased.

一方、アイオノマの体積分率が27体積%を上回ると、ガス拡散過電圧が増加することが分かった。これは、白金に対するアイオノマの被覆厚が大きくなり、白金への酸素供給が阻害されているためである。   On the other hand, it was found that the gas diffusion overvoltage increases when the volume fraction of the ionomer exceeds 27% by volume. This is because the thickness of the ionomer coating on platinum is increased and the supply of oxygen to platinum is hindered.

同図より、活性化過電圧とガス拡散過電圧はともにアイオノマの体積分率に対して概ね下に突の挙動を示しており、それぞれの最小値は導電性担体種によって異なるものの、これらの最小値を示すアイオノマの体積分率の範囲は22〜27体積%に入っており、この範囲がアイオノマ量の適正範囲となる。   From the figure, both the activation overvoltage and the gas diffusion overvoltage show a downward behavior with respect to the volume fraction of the ionomer, and each minimum value varies depending on the conductive carrier type, but these minimum values are The range of the volume fraction of the ionomer shown is in the range of 22 to 27% by volume, and this range is an appropriate range of the ionomer amount.

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。   The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and there are design changes and the like without departing from the gist of the present invention. They are also included in the present invention.

1…導電性担体、2…触媒金属、3…触媒担持担体、4…高分子電解質(アイオノマ)、10…電解質膜、20…カソード側の電極触媒(触媒層)30…アノード側の電極触媒、40…膜電極接合体、G…空隙 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electroconductive support | carrier, 2 ... Catalyst metal, 3 ... Catalyst support | carrier, 4 ... Polymer electrolyte (ionomer), 10 ... Electrolyte membrane, 20 ... Electrode catalyst (catalyst layer) 30 ... Cathode side electrode catalyst, 40 ... Membrane electrode assembly, G ... Gap

Claims (3)

触媒担持担体と高分子電解質とからなる固体高分子型燃料電池の電極触媒であって、
電極触媒における高分子電解質の量が22〜27体積%の範囲である電極触媒。
An electrode catalyst for a polymer electrolyte fuel cell comprising a catalyst carrier and a polymer electrolyte,
An electrode catalyst in which the amount of the polymer electrolyte in the electrode catalyst is in the range of 22 to 27% by volume.
請求項1に記載の電極触媒を少なくともカソード側電極に備えてなる膜電極接合体。   A membrane electrode assembly comprising the electrode catalyst according to claim 1 at least on a cathode side electrode. 請求項2に記載の膜電極接合体を備えてなる固体高分子型燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 2.
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