JP2012146438A - Catalyst electrode layer, membrane electrode assembly and fuel battery cell - Google Patents

Catalyst electrode layer, membrane electrode assembly and fuel battery cell Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve proton conductivity and gas diffusion properties in a catalyst electrode layer used for a fuel battery.SOLUTION: A catalyst electrode layer used for a fuel battery includes: a conductive particle on which a catalyst is supported; and a polymer electrolyte having proton conductivity. In the conductive particle, an acid group density of the catalyst (mmol/g) that is an acid amount per unit weight satisfies an expression: y=0.03x+z [in the expression, x represents a thickness (μm) of the catalyst electrode layer, y represents an acid group density of the catalyst (mmol/g) and 0.25≤z≤0.35 is satisfied].

Description

本発明は、燃料電池に用いられる触媒電極層、膜電極接合体、および、燃料電池セルに関する。   The present invention relates to a catalyst electrode layer, a membrane electrode assembly, and a fuel cell used for a fuel cell.

一般に、固体高分子型燃料電池等の燃料電池は、Ptなどの触媒を担持させた導電性粒子(例えば、カーボン粒子)と、プロトン伝導性の高分子電解質と、を含んで構成される触媒電極層を備えている。   In general, a fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell is a catalyst electrode including conductive particles (for example, carbon particles) carrying a catalyst such as Pt and a proton conductive polymer electrolyte. With layers.

この触媒電極層について、プロトン伝導性やガス拡散性を向上させるための種々の技術が知られている(特許文献1)。   Various techniques for improving the proton conductivity and gas diffusibility of this catalyst electrode layer are known (Patent Document 1).

特開2008−186798号公報JP 2008-186798 A 特開2008−192490号公報JP 2008-192490 A 特開2005−235461号公報JP 2005-235461 A 特開2006−012476号公報JP 2006-012476 A 特開2007−200855号公報JP 2007-200855 A

しかし、触媒電極層におけるプロトン伝導性の向上とガス拡散性の向上は両立が難しく、これらを向上させることによって、燃料電池の発電効率の向上を図る技術についてはなお改善の余地があった。   However, it is difficult to improve both proton conductivity and gas diffusivity in the catalyst electrode layer, and there is still room for improvement in the technology for improving the power generation efficiency of the fuel cell by improving these.

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池に用いられる触媒電極層において、プロトン伝導性とガス拡散性の向上を図ることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to improve proton conductivity and gas diffusibility in a catalyst electrode layer used in a fuel cell.

上記課題の少なくとも一部を解決するために、本願発明は、以下の態様または適用例として実現することが可能である。   In order to solve at least a part of the above problems, the present invention can be realized as the following aspects or application examples.

[適用例1]
燃料電池に用いられる触媒電極層であって、
触媒が担持された導電性粒子と、
プロトン伝導性の高分子電解質と、を含み、
前記導電性粒子は、単位重量当たりの酸量である触媒酸基密度(mmol/g)が、次式
y=0.03x+z
[式中、xは、前記触媒電極層の厚さ(μm)、yは、前記触媒酸基密度(mmol/g)、0.25≦z≦0.35]
を満たす、触媒電極層。
となる触媒電極層。
[Application Example 1]
A catalyst electrode layer used in a fuel cell,
Conductive particles carrying a catalyst; and
A proton conductive polymer electrolyte, and
The conductive particles have a catalyst acid group density (mmol / g), which is an acid amount per unit weight, of the following formula: y = 0.03x + z
[Wherein x is the thickness (μm) of the catalyst electrode layer, y is the catalyst acid group density (mmol / g), 0.25 ≦ z ≦ 0.35]
Satisfying the catalyst electrode layer.
The catalyst electrode layer.

この構成によれば、導電性粒子の触媒酸基密度(mmol/g)は、y=0.03x+z(xは、触媒電極層の厚さ(μm)、yは、触媒酸基密度(mmol/g)、0.25≦z≦0.35)を満たすため、触媒電極層におけるプロトン伝導性とガス拡散性の向上を図ることができる。   According to this configuration, the catalyst acid group density (mmol / g) of the conductive particles is y = 0.03x + z (x is the thickness (μm) of the catalyst electrode layer, and y is the catalyst acid group density (mmol / g). g) and 0.25 ≦ z ≦ 0.35), the proton conductivity and gas diffusibility in the catalyst electrode layer can be improved.

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、上述した触媒電極層を含む膜電極接合体や燃料電池などによっても実現することができるほか、上述した触媒電極層の製造方法や燃料電池の製造方法などの形態でも実現することができる。   The present invention can be realized in various modes. For example, the present invention can be realized by a membrane electrode assembly or a fuel cell including the above-described catalyst electrode layer. It can also be realized in the form of a manufacturing method, a manufacturing method of a fuel cell, or the like.

第1実施例における燃料電池の概略構成を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating schematic structure of the fuel cell in 1st Example. 触媒電極層の厚さが比較的厚い燃料電池の触媒電極層付近を例示した説明図である。It is explanatory drawing which illustrated the catalyst electrode layer vicinity of the fuel cell whose thickness of a catalyst electrode layer is comparatively thick. 触媒電極層の厚さが比較的薄い燃料電池の触媒電極層付近を例示した説明図である。It is explanatory drawing which illustrated the catalyst electrode layer vicinity of the fuel cell whose thickness of a catalyst electrode layer is comparatively thin. 触媒酸基密度と電圧値との関係を例示した説明図である。It is explanatory drawing which illustrated the relationship between a catalyst acid group density and a voltage value. 触媒電極層の厚さと触媒酸基密度との関係を例示した説明図である。It is explanatory drawing which illustrated the relationship between the thickness of a catalyst electrode layer, and a catalyst acid group density.

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described based on examples.

A.第1実施例:
A−1.燃料電池の構成:
図1は、第1実施例における燃料電池の概略構成を説明するための説明図である。燃料電池10は、固体高分子型燃料電池であり、本発明の特徴部である触媒電極層を含んで構成されている。触媒電極層の詳細については、後に詳述する。
A. First embodiment:
A-1. Fuel cell configuration:
FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining a schematic configuration of a fuel cell in the first embodiment. The fuel cell 10 is a polymer electrolyte fuel cell, and includes a catalyst electrode layer that is a feature of the present invention. Details of the catalyst electrode layer will be described later.

燃料電池10は、複数の単セル14が積層されたスタック構造を有している。単セル14は、燃料電池10における発電を行う単位モジュールであり、水素ガスと空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電を行う。各単セル14は、電解質膜210の各面に触媒電極層220(アノード220aおよびカソード220c)が形成された膜電極接合体(MEAとも呼ばれる)230の両側に一対のガス拡散層240(アノード側拡散層240aおよびカソード側拡散層240c)を配置した発電体200と、発電体200を挟持する一対のセパレータ300(アノード側セパレータ300aおよびカソード側セパレータ300c)によって構成されている。   The fuel cell 10 has a stack structure in which a plurality of single cells 14 are stacked. The single cell 14 is a unit module that generates power in the fuel cell 10 and generates power by an electrochemical reaction between hydrogen gas and oxygen contained in air. Each single cell 14 has a pair of gas diffusion layers 240 (anode side) on both sides of a membrane electrode assembly (also referred to as MEA) 230 in which a catalyst electrode layer 220 (anode 220a and cathode 220c) is formed on each surface of the electrolyte membrane 210. The power generation body 200 is provided with a diffusion layer 240a and a cathode side diffusion layer 240c) and a pair of separators 300 (an anode side separator 300a and a cathode side separator 300c) sandwiching the power generation body 200.

電解質膜210は、フッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン導電性を有する。触媒電極層220(アノード220aおよびカソード220c)は、燃料電池10において電気化学反応が生じる層であり、構成等については、図2、図3を用いて後述する。ガス拡散層240(アノード側拡散層240aおよびカソード側拡散層240c)は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材により形成することができる。ガス拡散層240は、MEA230と接触する面に撥水層を備えていても良い。   The electrolyte membrane 210 is a solid polymer membrane formed of a fluorine resin material or a hydrocarbon resin material, and has good proton conductivity in a wet state. The catalyst electrode layer 220 (the anode 220a and the cathode 220c) is a layer in which an electrochemical reaction occurs in the fuel cell 10, and the configuration and the like will be described later with reference to FIGS. The gas diffusion layer 240 (the anode side diffusion layer 240a and the cathode side diffusion layer 240c) is configured by a member having gas permeability and electronic conductivity. For example, the gas diffusion layer 240 is formed by a porous carbon member such as carbon cloth or carbon paper. Can be formed. The gas diffusion layer 240 may include a water repellent layer on the surface in contact with the MEA 230.

セパレータ300(アノード側セパレータ300aおよびカソード側セパレータ300c)は、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。セパレータ300は、表面にガスや液体が流通する流路を形成するための凹凸形状を有している。アノード側セパレータ300aは、アノード側拡散層240aとの間に、ガスや液体が流通可能なアノードガス流路AGCを形成している。カソード側セパレータ300cは、カソード側拡散層240cとの間に、ガスや液体が流通可能なカソードガス流路CGCを形成している。   The separator 300 (the anode-side separator 300a and the cathode-side separator 300c) is configured by a member having gas barrier properties and electronic conductivity. For example, the separator 300 is made of carbon such as dense carbon that is compressed by gas and impervious to gas. It is formed of a member or a metal member such as press-formed stainless steel. The separator 300 has a concavo-convex shape for forming a flow path through which gas or liquid flows on the surface. Between the anode side separator 300a and the anode side diffusion layer 240a, an anode gas flow path AGC through which gas or liquid can flow is formed. The cathode side separator 300c forms a cathode gas flow path CGC through which gas and liquid can flow between the cathode side diffusion layer 240c.

A−2.触媒電極層の構成:
図2および図3は、触媒電極層の概略構成を説明するための説明図である。図2は、触媒電極層の厚さが比較的厚い燃料電池の触媒電極層付近を例示した説明図であり、図3は、触媒電極層の厚さが比較的薄い燃料電池の触媒電極層付近を例示した説明図である。
A-2. Configuration of catalyst electrode layer:
2 and 3 are explanatory views for explaining a schematic configuration of the catalyst electrode layer. FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating the vicinity of the catalyst electrode layer of a fuel cell having a relatively thick catalyst electrode layer, and FIG. 3 is the vicinity of the catalyst electrode layer of a fuel cell having a relatively thin catalyst electrode layer. It is explanatory drawing which illustrated.

図2および図3に示すように、触媒電極層220(アノード220aおよびカソード220c)は、触媒担持カーボン粒子221と、プロトン伝導性高分子電解質(以後、単に「電解質」とも呼ぶ)222とを含んで構成されている。触媒担持カーボン粒子221は、例えば、親水処理により表面にカルボキシル基cohなどの親水基が付与されたカーボン粒子cpaに、電気化学反応を進行する触媒金属(例えば白金)catを担持させた構成を備えている。また、プロトン伝導性高分子電解質222は、主鎖のポリマー骨格polにフッ素原子を含み、側鎖にスルホン酸基sohなどの親水基を含むフッ素系樹脂等により構成されている。触媒電極層220の作製方法については後述する。   As shown in FIGS. 2 and 3, the catalyst electrode layer 220 (the anode 220 a and the cathode 220 c) includes catalyst-supported carbon particles 221 and a proton conductive polymer electrolyte (hereinafter, also simply referred to as “electrolyte”) 222. It consists of The catalyst-carrying carbon particles 221 include, for example, a structure in which a catalytic metal (for example, platinum) cat that advances an electrochemical reaction is supported on carbon particles cpa having a hydrophilic group such as a carboxyl group coh on the surface by a hydrophilic treatment. ing. The proton conductive polymer electrolyte 222 is composed of a fluorine resin or the like containing a fluorine atom in the polymer skeleton pol of the main chain and a hydrophilic group such as a sulfonic acid group soh in the side chain. A method for producing the catalyst electrode layer 220 will be described later.

触媒電極層220は、その厚さ(μm)によってプロトン伝導性や、ガス拡散性(耐フラッディング性)が異なる。具体的には、図2に示すように、触媒電極層220は、厚さが厚くなるほど、内部において生成水の密度が低くなり、ガス拡散性(耐フラッディング性)が向上するが、発電時に電解質222を移動するプロトンの移動距離(プロトン移動距離)が長くなり、プロトン伝導性が低下する。一方、図3に示すように、触媒電極層220は、厚さが薄くなるほど、発電時に電解質222を移動するプロトンの移動距離(プロトン移動距離)が短くなり、プロトン伝導性が向上するが、内部において生成水の密度が高くなり、ガス拡散性(耐フラッディング性)が低下する。   The catalyst electrode layer 220 has different proton conductivity and gas diffusibility (flooding resistance) depending on its thickness (μm). Specifically, as shown in FIG. 2, as the catalyst electrode layer 220 increases in thickness, the density of generated water decreases in the inside and gas diffusibility (anti-flooding resistance) is improved. Proton movement distance (proton movement distance) of the proton moving through 222 becomes longer, and proton conductivity decreases. On the other hand, as shown in FIG. 3, as the catalyst electrode layer 220 becomes thinner, the proton movement distance (proton movement distance) that moves through the electrolyte 222 during power generation becomes shorter and the proton conductivity is improved. In this case, the density of generated water is increased and gas diffusibility (flooding resistance) is lowered.

これらのことから、本実施例の触媒電極層220は、厚さによって触媒担持カーボン粒子221の単位重量当たりの親水基の量(酸量)である触媒酸基密度(mmol/g)を変えることで保水性を変化させている。具体的には、本実施例の触媒電極層220は、厚さが厚くなるほど、触媒担持カーボン粒子221の触媒酸基密度を高くして保水性を向上させることでプロトン伝導性の低下を抑制している。一方、触媒電極層220は、厚さが薄くなるほど、触媒担持カーボン粒子221の触媒酸基密度を低くして保水性を低下させることでガス拡散性(耐フラッディング性)の低下を抑制している。   From these facts, the catalyst electrode layer 220 of this example changes the catalyst acid group density (mmol / g), which is the amount (acid amount) of hydrophilic groups per unit weight of the catalyst-supporting carbon particles 221 depending on the thickness. The water retention is changed. Specifically, as the thickness of the catalyst electrode layer 220 of this example increases, the catalyst acid group density of the catalyst-carrying carbon particles 221 is increased to improve water retention, thereby suppressing a decrease in proton conductivity. ing. On the other hand, as the thickness of the catalyst electrode layer 220 decreases, the catalyst acid group density of the catalyst-carrying carbon particles 221 is lowered to reduce water retention, thereby suppressing a decrease in gas diffusibility (flooding resistance). .

本実施例の触媒電極層220は、さらに、触媒担持カーボン粒子221の触媒酸基密度(mmol/g)と、触媒電極層220の厚さ(μm)、が以下の式(1)の関係が成り立つように調整されている。
y=0.03x+z ・・・(1)
上記の式(1)において、xは、触媒電極層220の厚さ(μm)、yは、触媒担持カーボン粒子221の触媒酸基密度(mmol/g)、zは、0.25≦z≦0.35を満たす値を表している。
In the catalyst electrode layer 220 of this example, the catalyst acid group density (mmol / g) of the catalyst-carrying carbon particles 221 and the thickness (μm) of the catalyst electrode layer 220 are further represented by the following formula (1). It has been adjusted to hold.
y = 0.03x + z (1)
In the above formula (1), x is the thickness (μm) of the catalyst electrode layer 220, y is the catalyst acid group density (mmol / g) of the catalyst-supporting carbon particles 221, and z is 0.25 ≦ z ≦. It represents a value that satisfies 0.35.

触媒電極層の厚さと触媒酸基密度が式(1)を満たすことにより、触媒電極層220のプロトン伝導性と、ガス拡散性(耐フラッディング性)がともにバランスの良い状態となり、燃料電池の発電性能の向上を図ることができる。触媒電極層220の触媒電極層の厚さと触媒酸基密度が式(1)を満たすことにより燃料電池の発電性能の向上を図ることができる根拠については後述する。なお、式(1)において、切片zが0.25≦z≦0.35と値に幅があるのは、触媒担持カーボン粒子221の単位重量当たりの表面積である比表面積(m/g)の違いによるものである。すなわち、比表面積の大きい触媒担持カーボン粒子を使用する場合には、同じ触媒酸基密度(mmol/g)であっても、表面積当たりの酸量が減少するため、zの値を大きい値(0.35付近の値)に設定することがより望ましい。一方、比表面積が小さい触媒担持カーボン粒子を使用する場合には、同じ触媒酸基密度(mmol/g)であっても、表面積当たりの酸量が大きくなるため、zの値を小さい値(0.25付近の値)に設定することがより望ましい。 When the thickness of the catalyst electrode layer and the catalyst acid group density satisfy the formula (1), the proton conductivity and gas diffusibility (anti-flooding resistance) of the catalyst electrode layer 220 are in a well-balanced state, and the power generation of the fuel cell The performance can be improved. The reason why the power generation performance of the fuel cell can be improved when the thickness of the catalyst electrode layer 220 and the catalyst acid group density satisfy the formula (1) will be described later. In the formula (1), the intercept z has a range of 0.25 ≦ z ≦ 0.35, which is a specific surface area per unit weight of the catalyst-supporting carbon particles 221 (m 2 / g). This is due to the difference. That is, when using catalyst-carrying carbon particles having a large specific surface area, even if the catalyst acid group density (mmol / g) is the same, the amount of acid per surface area decreases. It is more desirable to set the value around .35). On the other hand, when using catalyst-carrying carbon particles having a small specific surface area, even if the catalyst acid group density (mmol / g) is the same, the amount of acid per surface area is large, so the value of z is small (0 It is more desirable to set a value around .25).

A−3.触媒電極層の評価:
ここでは、触媒電極層の厚さと触媒酸基密度が式(1)を満たす触媒電極層を使用することにより、燃料電池の発電性能の向上を図ることができる根拠について説明するため、触媒電極層の厚さ、および、触媒電極層に含まれる触媒担持カーボン粒子の触媒酸基密度の異なる複数の触媒電極層を用いて、燃料電池の発電性能の比較をおこなった。具体的には、触媒電極層の厚さについて、2(μm)、6(μm)、10(μm)、20(μm)、30(μm)の5通り、触媒担持カーボン粒子の触媒酸基密度について、0.3(mmol/g)、0.45(mmol/g)、0.6(mmol/g)、0.9(mmol/g)、1.2(mmol/g)、1.5(mmol/g)の6通りとし、これらを組み合わせた30通りの触媒電極層を用いて、燃料電池の発電性能の比較をおこなった。
A-3. Evaluation of catalyst electrode layer:
Here, in order to explain the reason why the power generation performance of the fuel cell can be improved by using the catalyst electrode layer in which the thickness of the catalyst electrode layer and the catalyst acid group density satisfy the formula (1), the catalyst electrode layer The power generation performance of the fuel cells was compared using a plurality of catalyst electrode layers having different thicknesses and different catalyst acid group densities of the catalyst-supporting carbon particles contained in the catalyst electrode layer. Specifically, the catalyst electrode layer thickness is 2 (μm), 6 (μm), 10 (μm), 20 (μm), 30 (μm), and the catalyst acid group density of the catalyst-supporting carbon particles. 0.3 (mmol / g), 0.45 (mmol / g), 0.6 (mmol / g), 0.9 (mmol / g), 1.2 (mmol / g), 1.5 The power generation performance of the fuel cells was compared using 30 catalyst electrode layers obtained by combining 6 types (mmol / g).

発電性能の比較をおこなうために、上記の各触媒電極層を含むMEAの外側に、カーボン基材と撥水層(カーボン+PTFE)からなるガス拡散層(GDL)を配置して発電体(燃料電池)を構成し、アノード側に水素、カソード側に空気を流すことで発電をおこなった。燃料電池の性能評価は、各負荷電流に対する電圧値を検出することによりおこなった。加湿条件は、セル温度80℃に対して両極とも40%RHとし、負荷電流は1.0A/cmとした。 In order to compare the power generation performance, a gas diffusion layer (GDL) composed of a carbon base material and a water repellent layer (carbon + PTFE) is disposed outside the MEA including each of the catalyst electrode layers described above to generate a power generator (fuel cell). ) And generated electricity by flowing hydrogen on the anode side and air on the cathode side. The performance evaluation of the fuel cell was performed by detecting the voltage value for each load current. The humidification conditions were 40% RH for both electrodes with respect to a cell temperature of 80 ° C., and the load current was 1.0 A / cm 2 .

図4は、触媒酸基密度と電圧値との関係を例示した説明図である。図4の縦軸は、燃料電池の電圧値(V)を示し、横軸は、触媒担持カーボン粒子の触媒酸基密度(mmol/g)を示している。図4には、厚さの等しい触媒電極層ごとのプロットの回帰曲線が示されている。図4に示すように、各回帰曲線は、それぞれ山なり形状となっている。これは、触媒電極層は、各厚さにおいて、触媒担持カーボン粒子の触媒酸基密度が、回帰曲線のピーク、すなわち、最も電圧値が高くなるときの触媒酸基密度(以後、「ピーク時触媒酸基密度」とも呼ぶ)より高い場合には、触媒担持カーボン粒子が必要以上に保水性を備えるために、ガス拡散性(耐フラッディング性)が低下することが示されている。また、触媒担持カーボン粒子の触媒酸基密度がピーク時触媒酸基密度より低い場合には、触媒担持カーボン粒子が必要な保水性を備えていないために、プロトン伝導性が低下することが示されている。よって、触媒電極層は、各厚さにおいて、触媒担持カーボン粒子の触媒酸基密度がピーク時触媒酸基密度に近いほど、ガス拡散性(耐フラッディング性)の低下やプロトン伝導性の低下が抑制されて発電性能が向上する。   FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating the relationship between the catalyst acid group density and the voltage value. The vertical axis in FIG. 4 indicates the voltage value (V) of the fuel cell, and the horizontal axis indicates the catalyst acid group density (mmol / g) of the catalyst-supporting carbon particles. FIG. 4 shows a regression curve of a plot for each catalyst electrode layer having the same thickness. As shown in FIG. 4, each regression curve has a mountain shape. This is because the catalyst electrode layer density of the catalyst-supported carbon particles at each thickness is the peak of the regression curve, that is, the catalyst acid group density when the voltage value is highest (hereinafter referred to as “catalyst at peak time”). When the density is higher than the “acid group density”, the catalyst-carrying carbon particles have water retention more than necessary, which indicates that gas diffusibility (flooding resistance) decreases. In addition, when the catalyst acid group density of the catalyst-carrying carbon particles is lower than the peak catalyst acid group density, the catalyst-carrying carbon particles do not have the necessary water retention capacity, indicating that proton conductivity decreases. ing. Therefore, at each thickness of the catalyst electrode layer, as the catalyst acid group density of the catalyst-supported carbon particles is closer to the peak catalyst acid group density, the decrease in gas diffusibility (flooding resistance) and proton conductivity are suppressed. As a result, power generation performance is improved.

図4に示されている、ピーク時触媒酸基密度と、各ピーク時触媒酸基密度に対応する触媒電極層の厚さとの関係をプロットしたものが図5に相当する。図5は、触媒電極層の厚さと触媒酸基密度との関係を例示した説明図である。図5の縦軸はピーク時触媒酸基密度(mmol/g)を示し、横軸は、ピーク時触媒酸基密度に対応する触媒電極層の厚さ(μm)を示している。図5に示すように、触媒電極層の厚さごとのピーク時触媒酸基密度のプロットに対して直線回帰をおこなうと、回帰式は以下の式(2)となる。
y=0.03x+0.3 ・・・(2)
FIG. 5 is a plot of the relationship between the peak catalyst acid group density and the thickness of the catalyst electrode layer corresponding to each peak catalyst acid group density shown in FIG. FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating the relationship between the thickness of the catalyst electrode layer and the catalyst acid group density. The vertical axis in FIG. 5 indicates the peak catalyst acid group density (mmol / g), and the horizontal axis indicates the thickness (μm) of the catalyst electrode layer corresponding to the peak catalyst acid group density. As shown in FIG. 5, when linear regression is performed on a plot of the peak catalytic acid group density for each thickness of the catalyst electrode layer, the regression equation is expressed by the following equation (2).
y = 0.03x + 0.3 (2)

上記の式(2)において、xは、触媒電極層の厚さ(μm)を示し、yは、触媒酸基密度(mmol/g)を示している。この直線回帰式(2)と、各プロットとの誤差を考慮すると、上記の式(2)において、切片は、0.3±0.05の範囲であっても、触媒電極層において、ガス拡散性(耐フラッディング性)の低下やプロトン伝導性の低下が十分に抑制されて発電性能の向上を図ることができる。すなわち、触媒電極層において、厚さ(μm)x、触媒担持カーボン粒子の触媒酸基密度(mmol/g)yが上記の式(1)を満たすことによって、触媒電極層において、ガス拡散性(耐フラッディング性)の低下やプロトン伝導性の低下が十分に抑制されて発電性能が向上する。以上が触媒電極層の評価に関する説明である。   In the above formula (2), x represents the thickness (μm) of the catalyst electrode layer, and y represents the catalyst acid group density (mmol / g). Considering the error between this linear regression equation (2) and each plot, in the above equation (2), even if the intercept is in the range of 0.3 ± 0.05, the gas diffusion in the catalyst electrode layer The power generation performance can be improved by sufficiently suppressing the decrease in the performance (flooding resistance) and the proton conductivity. That is, in the catalyst electrode layer, when the thickness (μm) x and the catalyst acid group density (mmol / g) y of the catalyst-supporting carbon particles satisfy the above formula (1), the gas diffusibility ( Reduction in flooding resistance and proton conductivity are sufficiently suppressed, and power generation performance is improved. The above is the description regarding the evaluation of the catalyst electrode layer.

A−4.触媒電極層の作製方法:
以下では、触媒電極層の作製方法について簡単に説明する。以下で説明する作製方法は、本実施例の触媒電極層を作製するための方法の一例であり、本実施例の触媒電極層は、以下の方法以外の方法によっても作製することができる。
A-4. Preparation method of catalyst electrode layer:
Below, the preparation method of a catalyst electrode layer is demonstrated easily. The production method described below is an example of a method for producing the catalyst electrode layer of this example, and the catalyst electrode layer of this example can also be produced by a method other than the following method.

<触媒担持カーボン粒子の作製>
触媒(Pt)を担持させるカーボン粒子としてketjen EC(商品名;ケッチェンブラックインターナショナル社製)やVulcan(商品名;Cabot社製)などを用いることができる。ここでは、カーボンブラックVulcan XC72Rを用いた。
<Preparation of catalyst-supported carbon particles>
As carbon particles for supporting the catalyst (Pt), ketjen EC (trade name; manufactured by Ketjen Black International), Vulcan (trade name; manufactured by Cabot), or the like can be used. Here, carbon black Vulcan XC72R was used.

このカーボンブラック7gを蒸留水に懸濁攪拌し、塩化白金酸等のPt化合物をPt重量3g分滴下した。その後、エタノール等の還元剤を滴下することによりPtをカーボン粒子上に析出させた。この混合物をろ過し、固形物を乾燥させることによってPt担持カーボン粒子を得た。このPt担持カーボン粒子に対して逆滴定法により触媒酸基密度を測定したところ、触媒酸基密度は、0.3(mmol/g)であった。また、得られたPt触媒を0.5Nの硝酸水溶液に浸し、温度制御しながら攪拌して親水処理をおこなった。硝酸水溶液の温度と、攪拌時間(酸処理時間)を変化させることにより、上述の触媒電極層の評価で使用した触媒酸基密度の異なる複数のPt担持カーボン粒子を得た。なお、親水処理によりPt担持カーボン粒子には主にカルボン酸基が付与される。   7 g of this carbon black was suspended and stirred in distilled water, and a Pt compound such as chloroplatinic acid was added dropwise for 3 g of Pt weight. Thereafter, a reducing agent such as ethanol was dropped to deposit Pt on the carbon particles. The mixture was filtered and the solid was dried to obtain Pt-supported carbon particles. When the catalytic acid group density was measured for the Pt-supported carbon particles by the back titration method, the catalytic acid group density was 0.3 (mmol / g). Further, the obtained Pt catalyst was immersed in a 0.5N nitric acid aqueous solution, and stirred to perform a hydrophilic treatment while controlling the temperature. By changing the temperature of the aqueous nitric acid solution and the stirring time (acid treatment time), a plurality of Pt-supported carbon particles having different catalyst acid group densities used in the evaluation of the catalyst electrode layer described above were obtained. In addition, a carboxylic acid group is mainly given to Pt carrying | support carbon particle by hydrophilic treatment.

具体的には、硝酸水溶液の温度を50℃、攪拌時間(酸処理時間)を0.5時間として酸基密度0.45(mmol/g)のPt担持カーボン粒子を得た。また、硝酸水溶液の温度を80℃、攪拌時間(酸処理時間)を0.5時間として酸基密度0.6(mmol/g)のPt担持カーボン粒子を得た。また、硝酸水溶液の温度を80℃、攪拌時間(酸処理時間)を24時間として酸基密度0.9(mmol/g)のPt担持カーボン粒子を得た。また、硝酸水溶液の温度を90℃、攪拌時間(酸処理時間)を24時間として酸基密度1.2(mmol/g)のPt担持カーボン粒子を得た。また、硝酸水溶液の温度を90℃、攪拌時間(酸処理時間)を48時間として酸基密度1.5(mmol/g)のPt担持カーボン粒子を得た。   Specifically, the temperature of the aqueous nitric acid solution was 50 ° C., the stirring time (acid treatment time) was 0.5 hour, and Pt-supported carbon particles having an acid group density of 0.45 (mmol / g) were obtained. Further, Pt-supported carbon particles having an acid group density of 0.6 (mmol / g) were obtained by setting the temperature of the aqueous nitric acid solution to 80 ° C. and the stirring time (acid treatment time) to 0.5 hours. Moreover, the temperature of the nitric acid aqueous solution was 80 ° C., the stirring time (acid treatment time) was 24 hours, and Pt-supported carbon particles having an acid group density of 0.9 (mmol / g) were obtained. Moreover, the temperature of the nitric acid aqueous solution was 90 ° C., the stirring time (acid treatment time) was 24 hours, and Pt-supported carbon particles having an acid group density of 1.2 (mmol / g) were obtained. Moreover, the temperature of the nitric acid aqueous solution was 90 ° C., the stirring time (acid treatment time) was 48 hours, and Pt-supported carbon particles having an acid group density of 1.5 (mmol / g) were obtained.

<触媒インク作製>
親水処理をおこなったPt担持カーボン粒子に蒸留水を加えた後、エタノールもしくは1−プロパノール等の溶媒を加えた。プロトン伝導性高分子電解質として、市販のナフィオン溶液(デュポン社製 EW1000)等をさらに加えた。このときの投入量は、スルホン酸密度がPt担持カーボン粒子に対して重量比0.8になるように調製した。これらの混合物を十分に攪拌し、粒子の微粒化や均一分散のため、超音波照射やビーズミルなどによる分散処理をおこない触媒インクを作製した。
<Catalyst ink production>
Distilled water was added to the Pt-supported carbon particles that had been subjected to hydrophilic treatment, and then a solvent such as ethanol or 1-propanol was added. As a proton conductive polymer electrolyte, a commercially available Nafion solution (EW1000 manufactured by DuPont) and the like were further added. The input amount at this time was adjusted so that the sulfonic acid density was 0.8 with respect to the Pt-supported carbon particles. These mixtures were sufficiently stirred, and dispersion treatment by ultrasonic irradiation, bead milling, etc. was performed for atomization and uniform dispersion of particles to prepare catalyst ink.

<MEAの作製>
上記で作製した触媒インクをスプレー方式により電解質膜(ナフィオン112)上に両極塗布することでMEAを形成した。触媒電極層の厚さはスプレーの塗り重ね層数により制御し、2〜30μmの触媒電極層を得た。以上が触媒電極層の作製方法の説明である。
<Production of MEA>
MEA was formed by apply | coating the catalyst ink produced above on the electrolyte membrane (Nafion 112) by the spray system. The thickness of the catalyst electrode layer was controlled by the number of sprayed layers to obtain a catalyst electrode layer of 2 to 30 μm. The above is the description of the method for producing the catalyst electrode layer.

以上説明したように、本実施例の触媒電極層220によれば、触媒電極層の厚さ(μm)をx、導電性粒子の触媒酸基密度(mmol/g)をyとしたときに、触媒電極層の厚さと触媒酸基密度は、y=0.03x+z(0.25≦z≦0.35)となるように調整されているため、触媒電極層におけるプロトン伝導性とガス拡散性の向上を図ることができる。   As described above, according to the catalyst electrode layer 220 of this example, when the thickness (μm) of the catalyst electrode layer is x and the catalyst acid group density (mmol / g) of the conductive particles is y, Since the thickness of the catalyst electrode layer and the catalyst acid group density are adjusted to be y = 0.03x + z (0.25 ≦ z ≦ 0.35), the proton conductivity and gas diffusivity of the catalyst electrode layer are adjusted. Improvements can be made.

具体的には、図4に示すように、燃料電池の電圧値(V)と触媒酸基密度との関係を示す回帰曲線は、厚さの等しい触媒電極層ごとにそれぞれ山なり形状となっている。すなわち、触媒電極層は、触媒酸基密度を回帰曲線のピークの触媒酸基密度(ピーク時触媒酸基密度)に近づけることによって、燃料電池の電圧値をより高くすることができる。これは、触媒電極層の触媒酸基密度を、ピーク時触媒酸基密度に近づけることによって触媒電極層220のプロトン伝導性とガス拡散性(耐フラッディング性)ともにバランスの良い状態となるためである。   Specifically, as shown in FIG. 4, the regression curve indicating the relationship between the voltage value (V) of the fuel cell and the catalyst acid group density has a mountain shape for each catalyst electrode layer having the same thickness. Yes. That is, the catalyst electrode layer can make the voltage value of the fuel cell higher by bringing the catalyst acid group density closer to the catalyst acid group density at the peak of the regression curve (peak catalyst acid group density). This is because by bringing the catalyst acid group density of the catalyst electrode layer close to the peak catalyst acid group density, the proton conductivity and gas diffusibility (anti-flooding resistance) of the catalyst electrode layer 220 are balanced. .

よって、触媒電極層は、触媒電極層の厚さと触媒酸基密度が、図5に示すように、触媒電極層の各厚さにおけるピーク時触媒酸基密度と、対応する触媒電極層の厚さとの関係から算出された直線回帰式である式(2)や触媒担持カーボン粒子の比表面積の違いを考慮した式(1)を満たすことにより、燃料電池の発電性能の向上を図ることができる。   Therefore, the catalyst electrode layer has a thickness of the catalyst electrode layer and a catalyst acid group density, as shown in FIG. 5, the peak catalyst acid group density at each thickness of the catalyst electrode layer, and the thickness of the corresponding catalyst electrode layer. The power generation performance of the fuel cell can be improved by satisfying the equation (2) that is a linear regression equation calculated from the above relationship and the equation (1) that considers the difference in specific surface area of the catalyst-supporting carbon particles.

従来から、燃料電池の高性能化のためには、触媒電極層におけるプロトン伝導性およびガス拡散性(耐フラッディング性)を向上させる必要があることが知られている。通常、触媒電極層は、通常2〜30μmの厚さで構成される。本発明は、触媒電極層の厚さの違いによりプロトン伝導性や耐フラディング性が異なることに着目し、触媒電極層の厚さに応じて触媒酸基密度を最適化することにより、プロトン伝導性やガス拡散性の向上を図るところに特徴がある。   Conventionally, it is known that in order to improve the performance of a fuel cell, it is necessary to improve proton conductivity and gas diffusibility (flooding resistance) in a catalyst electrode layer. Usually, a catalyst electrode layer is normally comprised by the thickness of 2-30 micrometers. The present invention focuses on the fact that proton conductivity and flooding resistance differ depending on the thickness of the catalyst electrode layer. By optimizing the catalyst acid group density according to the thickness of the catalyst electrode layer, the proton conductivity It is characterized by improving the properties and gas diffusibility.

B.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
B. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

B1.変形例1:
本実施例では、燃料電池10は、図2および図3で説明した本発明に係る触媒電極層220をアノード220aおよびカソード220cの両方に備えているものとして説明したが、燃料電池10は、図2および図3で説明した本発明に係る触媒電極層220をアノード220aおよびカソード220cのいずれか一方にのみ備え、他方には、本発明の触媒電極層220と異なる構成の触媒電極層を備えていてもよい。この構成であっても、燃料電池の発電性能の向上を図ることができる。なお、燃料電池10のアノード220aおよびカソード220cのいずれか一方にのみ本発明に係る触媒電極層220を使用する場合には、カソード220cに使用することがより望ましい。
B1. Modification 1:
In this embodiment, the fuel cell 10 has been described as having the catalyst electrode layer 220 according to the present invention described in FIGS. 2 and 3 on both the anode 220a and the cathode 220c. 2 and FIG. 3, the catalyst electrode layer 220 according to the present invention is provided on only one of the anode 220a and the cathode 220c, and the other is provided with a catalyst electrode layer having a configuration different from that of the catalyst electrode layer 220 of the present invention. May be. Even with this configuration, the power generation performance of the fuel cell can be improved. In addition, when the catalyst electrode layer 220 according to the present invention is used for only one of the anode 220a and the cathode 220c of the fuel cell 10, it is more preferable to use the catalyst electrode layer 220 for the cathode 220c.

B2.変形例2:
本実施例では、触媒電極層220に含まれる触媒金属catとして、白金が使用されるものとして説明したが、触媒金属catは、白金に限定されず、例えば、コバルト、パラジウム、ルテニウム、金、ロジウム、オスミウム、イリジウムなどの金属や、上記金属の2種以上からなる合金であってもよいし、金属と有機化合物や無機化合物との錯体や、金属酸化物などであってもよい。
B2. Modification 2:
In the present embodiment, platinum is used as the catalyst metal cat included in the catalyst electrode layer 220. However, the catalyst metal cat is not limited to platinum, for example, cobalt, palladium, ruthenium, gold, rhodium. Further, it may be a metal such as osmium or iridium, an alloy composed of two or more of the above metals, a complex of a metal and an organic compound or an inorganic compound, or a metal oxide.

B3.変形例3:
本実施例では、触媒を担持させる担体として、カーボンブラックが使用されるもとして説明したが、触媒を担持させる担体はカーボンブラックの他に、黒鉛、炭素繊維、活性炭、カーボンナノチューブやアセチレンブラック等であってもよい。
B3. Modification 3:
In this example, it is described that carbon black is used as the carrier for supporting the catalyst, but the carrier for supporting the catalyst is not only carbon black but also graphite, carbon fiber, activated carbon, carbon nanotube, acetylene black, etc. There may be.

10…燃料電池
14…単セル
112…ナフィオン
200…発電体
210…電解質膜
220…触媒電極層
221…触媒担持カーボン粒子
222…プロトン伝導性高分子電解質
240…ガス拡散層
300…セパレータ
AGC…アノードガス流路
CGC…カソードガス流路
cpa…カーボン粒子
cat…触媒金属
coh…カルボキシル基
soh…スルホン酸基
pol…ポリマー骨格
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 14 ... Single cell 112 ... Nafion 200 ... Power generation body 210 ... Electrolyte membrane 220 ... Catalyst electrode layer 221 ... Catalyst carrying | support carbon particle 222 ... Proton conductive polymer electrolyte 240 ... Gas diffusion layer 300 ... Separator AGC ... Anode gas Channel CGC ... Cathode gas channel cpa ... carbon particles cat ... catalyst metal coh ... carboxyl group soh ... sulfonic acid group pol ... polymer skeleton

Claims (3)

燃料電池に用いられる触媒電極層であって、
触媒が担持された導電性粒子と、
プロトン伝導性の高分子電解質と、を含み、
前記導電性粒子は、単位重量当たりの酸量である触媒酸基密度(mmol/g)が、次式
y=0.03x+z
[式中、xは、前記触媒電極層の厚さ(μm)、yは、前記触媒酸基密度(mmol/g)、0.25≦z≦0.35]
を満たす、触媒電極層。
A catalyst electrode layer used in a fuel cell,
Conductive particles carrying a catalyst; and
A proton conductive polymer electrolyte, and
The conductive particles have a catalyst acid group density (mmol / g), which is an acid amount per unit weight, of the following formula: y = 0.03x + z
[Wherein x is the thickness (μm) of the catalyst electrode layer, y is the catalyst acid group density (mmol / g), 0.25 ≦ z ≦ 0.35]
Satisfying the catalyst electrode layer.
燃料電池に用いられる膜電極接合体であって、
電解質膜と、
請求項1に記載された触媒電極層と、を備える膜電極接合体。
A membrane electrode assembly used in a fuel cell,
An electrolyte membrane;
A membrane electrode assembly comprising the catalyst electrode layer according to claim 1.
燃料電池セルであって、
請求項2に記載された膜電極接合体を備える燃料電池セル。
A fuel cell,
A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 2.
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