JP2013051173A - Composition, membrane-catalyst layer assembly, and method for manufacturing membrane-catalyst layer assembly - Google Patents

Composition, membrane-catalyst layer assembly, and method for manufacturing membrane-catalyst layer assembly Download PDF

Info

Publication number
JP2013051173A
JP2013051173A JP2011189458A JP2011189458A JP2013051173A JP 2013051173 A JP2013051173 A JP 2013051173A JP 2011189458 A JP2011189458 A JP 2011189458A JP 2011189458 A JP2011189458 A JP 2011189458A JP 2013051173 A JP2013051173 A JP 2013051173A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
catalyst
aggregate
particle size
aggregates
membrane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2011189458A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5884044B2 (en
Inventor
Hideo Kasahara
英男 笠原
Haruhiko Shintani
晴彦 新谷
Yoichiro Tsuji
庸一郎 辻
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Corp filed Critical Panasonic Corp
Priority to JP2011189458A priority Critical patent/JP5884044B2/en
Publication of JP2013051173A publication Critical patent/JP2013051173A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5884044B2 publication Critical patent/JP5884044B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a composition improving battery characteristics and raising output of a fuel cell, and also capable of preventing an occurrence of flooding under high humidification conditions and preventing deterioration in catalyst activity under low humidification conditions.SOLUTION: A catalyst ink according to the present invention is a coating liquid which includes catalyst-supporting carbon, a fluorine-containing ion exchange resin and a dispersant, and is coated on a polymer electrolyte membrane for forming a catalyst layer in a polymer electrolyte fuel cell. In the catalyst ink, the catalyst-supporting carbon is contained in a state of an aggregate, an agglomerate, and an associated aggregate, and, when a particle size distribution in the catalyst ink is measured by a laser scattering/diffraction method, the particle size distribution has a main peak in a range corresponding to particle sizes of the associated aggregate.

Description

本発明は、高分子電解質形燃料電池の電極接合体(膜触媒層接合体)に関する。特には、電極接合体の触媒層を形成するために高分子電解質膜に塗工する触媒インク(組成物)に関する。   The present invention relates to an electrode assembly (membrane catalyst layer assembly) of a polymer electrolyte fuel cell. In particular, the present invention relates to a catalyst ink (composition) applied to a polymer electrolyte membrane in order to form a catalyst layer of an electrode assembly.

近年、エネルギーおよび環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、燃料電池が車両用駆動源および定置型電源として注目されている。燃料電池は、電解質の種類や電極の種類等により種々のタイプに分類される。   In recent years, fuel cells have attracted attention as vehicle driving sources and stationary power sources in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems. Fuel cells are classified into various types depending on the type of electrolyte and the type of electrode.

例えば、代表的なものとしてはアルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、高分子電解質形などが挙げられる。この中でも自動車用低公害動力源としては、あまり温度を上げずに(通常100℃以下)作動可能な高分子電解質形燃料電池(PEFC)が注目を集めており、実用化に向けた開発が進められている。ただし、あまり温度を上げずに作動可能なため、高分子電解質形燃料電池は、排熱を補機動力などに有効利用することが難しい。   For example, representative types include alkali type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid electrolyte type, and polymer electrolyte type. Among these, as a low-pollution power source for automobiles, polymer electrolyte fuel cells (PEFC) that can operate without raising the temperature (usually below 100 ° C) are attracting attention, and development for practical use is underway. It has been. However, since the polymer electrolyte fuel cell can be operated without raising the temperature, it is difficult to effectively use the exhaust heat for auxiliary power.

そこで、排熱の有効利用の困難性を補う意味でも、高分子電解質形燃料電池に対して、水素及び酸素の利用率の高い運転条件での、高いエネルギー変換効率及び高い出力密度を実現することが要求されている。   Therefore, in order to make up for the difficulty of effective use of exhaust heat, high energy conversion efficiency and high power density are achieved for polymer electrolyte fuel cells under operating conditions with high utilization rates of hydrogen and oxygen. Is required.

高分子電解質形燃料電池がこの要求をみたすためには、電池を構成する要素のうち特に燃料電池の電極及びこの電極をその両表面に配したイオン交換膜(高分子電解質膜)とからなる電極接合体が重要となる。   In order for the polymer electrolyte fuel cell to meet this requirement, among the elements constituting the cell, in particular, an electrode comprising a fuel cell electrode and an ion exchange membrane (polymer electrolyte membrane) having the electrode disposed on both surfaces thereof The joined body is important.

ここで燃料電池電極は、以下の構成を有する粘性混合物(触媒インク)をイオン交換膜の表面に直接塗布するか、あるいは別のシート基材に塗布して得られる層をイオン交換膜の表面に転写または貼り付けることにより形成されている。   Here, the fuel cell electrode is formed by directly applying a viscous mixture (catalyst ink) having the following configuration on the surface of the ion exchange membrane, or by applying a layer obtained by applying it to another sheet base material on the surface of the ion exchange membrane. It is formed by transferring or pasting.

この触媒インクは、電極反応を促進する触媒担持カーボンと、導電性を高め且つ水蒸気の凝縮による多孔体の閉塞(フラッディング)を防止するために含フッ素イオン交換樹脂とを、エタノールなどのアルコール類の溶媒に溶解又は分散して含んでいる。   This catalyst ink is composed of a catalyst-supporting carbon that promotes an electrode reaction, a fluorine-containing ion exchange resin for enhancing conductivity and preventing clogging (flooding) of a porous body due to condensation of water vapor, and an alcohol such as ethanol. It is dissolved or dispersed in a solvent.

そこで、上述した要求を満たすように、触媒インクにおける触媒成分の改良や、触媒成分の担持法、イオン交換樹脂の被覆による担持触媒の保護及び安定化等が検討され、各種改良案が提案されている。   Therefore, in order to satisfy the above-described requirements, improvement of the catalyst component in the catalyst ink, catalyst component loading method, protection and stabilization of the supported catalyst by coating with an ion exchange resin, etc. have been studied, and various improvements have been proposed. Yes.

例えば、イオン交換樹脂で被覆した触媒粒子の粒度分布や担持触媒粒子の凝集体の粒度分布と電池特性との関係について報告されている(例えば、特許文献1)。   For example, the relationship between the particle size distribution of catalyst particles coated with an ion exchange resin, the particle size distribution of aggregates of supported catalyst particles, and battery characteristics has been reported (for example, Patent Document 1).

すなわち、特許文献1に開示された電極構成原料では、燃料電池用電極構成材料の触媒金属を担持した担持触媒粒子の凝集体が2つの粒度分布ピークを有するように粒度分布の異なる粒子の凝集体を混合して調整している。この2つの粒度分布ピークは、より具体的には、0.1から1.0μmの間、ならびに1.0から10μmの間にそれぞれ1つずつの粒度分布ピークが存在し、かつ0.1から1.0μmの間までの分布を示す粒子の凝集体が全体積の25パーセントを占めている。   That is, in the electrode constituent raw material disclosed in Patent Document 1, the aggregates of particles having different particle size distributions so that the aggregates of the supported catalyst particles carrying the catalyst metal of the fuel cell electrode constituent material have two particle size distribution peaks. It is adjusted by mixing. More specifically, the two particle size distribution peaks have a particle size distribution peak between 0.1 and 1.0 μm and between 1.0 and 10 μm. Agglomerates of particles exhibiting a distribution of up to 1.0 μm account for 25 percent of the total volume.

このように2種類の粒度分布をもつことで、特許文献1に開示された電極構成原料では、粒径が小さ過ぎると細孔容積が減少し、粒径が大き過ぎると触媒利用率が低下して電池特性が低下するというそれぞれの欠点を補完することができる。   By having two types of particle size distributions in this way, the electrode constituent raw material disclosed in Patent Document 1 reduces the pore volume when the particle size is too small, and decreases the catalyst utilization when the particle size is too large. Thus, it is possible to compensate for each of the disadvantages that the battery characteristics deteriorate.

さらにまた、触媒担持カーボン(触媒粒子)と含フッ素イオン交換樹脂とを含み、分散媒からなる塗工液(触媒インク)の粒子サイズの粒度分布において1.0μm以下となる割合が30%体積頻度以上となるように作製する燃料電池電極の作製方法が提案されている(例えば、特許文献2)。   Furthermore, the proportion of the particle size distribution of the particle size of the coating liquid (catalyst ink) containing the catalyst-supporting carbon (catalyst particles) and the fluorine-containing ion exchange resin and having a dispersion medium is 30% volume frequency. A method of manufacturing a fuel cell electrode manufactured as described above has been proposed (for example, Patent Document 2).

特開平8−227716号公報JP-A-8-227716 特開2003−109612号公報JP 2003-109612 A

しかしながら、上述した従来技術は、少なくとも一方の電極に高加湿(相対湿度が80%以上の状態)の反応ガスを導入して運転する場合や、少なくとも一方の電極に低加湿(相対湿度が40%未満の状態)の反応ガスを導入して運転する場合に十分に特性が得られないという問題がある。   However, the above-described prior art is operated when introducing a highly humidified reaction gas (relative humidity of 80% or more) into at least one electrode, or low humidification (relative humidity of 40% relative to at least one electrode). There is a problem that sufficient characteristics cannot be obtained when the reaction gas is introduced and operated.

より具体的には、特許文献1に開示された電極構成原料は、1.0から10μmの間までの分布を示す触媒担持カーボン(触媒粒子)の凝集体が全体積の75%を占め、粒径の大きい触媒担持カーボンの凝集体を多く含むことで電極の細孔容積が確保でき水蒸気の凝縮による多孔体のフラッディングを防止する。しかしながら、特許文献1の電極構成原料を用いて作製された燃料電池を、少なくとも一方の電極に低加湿のガスを導入して運転する場合には、触媒層内部が水蒸気による凝縮が起こりにくい雰囲気下となるため、触媒を十分に活性化することが出来ず電池の出力を十分に発揮することが出来ない。   More specifically, in the electrode constituent raw material disclosed in Patent Document 1, aggregates of catalyst-carrying carbon (catalyst particles) showing a distribution between 1.0 and 10 μm account for 75% of the total volume, By containing many aggregates of catalyst-carrying carbon having a large diameter, the pore volume of the electrode can be secured, and the flooding of the porous body due to condensation of water vapor is prevented. However, when a fuel cell manufactured using the electrode constituent raw material of Patent Document 1 is operated by introducing a low humidified gas into at least one of the electrodes, the inside of the catalyst layer is in an atmosphere where condensation due to water vapor hardly occurs. Therefore, the catalyst cannot be activated sufficiently and the output of the battery cannot be fully exhibited.

つまり、粒径の大きい触媒担持カーボンの凝集体では、その内部においてイオノマー樹脂(アイオノマー樹脂)などのイオン交換樹脂により被膜されていない範囲があり、その結果、触媒担持カーボンにおいて活性化される範囲が小さくなってしまう。つまり、粒径の大きい触媒担体カーボンの凝集体の割合が多くなればなるほど、イオン交換樹脂により被膜されていない範囲が大きくなり、触媒担持カーボンにおける活性化範囲がさらに小さくなることとなる。このため、フラッティングが生じ難い低加湿条件化では、従来の電極構成原料と比較して、引用文献1の電極構成原料の方が触媒の活性化が低下してしまう。   That is, the catalyst-carrying carbon aggregates having a large particle size have a range that is not coated with an ion exchange resin such as an ionomer resin (ionomer resin) inside, and as a result, a range that is activated in the catalyst-carrying carbon. It gets smaller. That is, as the proportion of the aggregate of the catalyst carrier carbon having a large particle size increases, the range not covered with the ion exchange resin increases, and the activation range in the catalyst-supported carbon further decreases. For this reason, under low humidification conditions where flatting is unlikely to occur, the activation of the catalyst is reduced in the electrode constituent raw material of the cited document 1 as compared with the conventional electrode constituent raw material.

一方、特許文献2の高分子電解質形燃料電池電極の製造方法の場合、粒径が1.0μm以下となる凝集体の割合が30%体積頻度以上となる。つまり、1.0μm以下となる小さい粒径の凝集体を多く含み、結果として細孔が小さくなる。したがって、特許文献2の電極構成材料を用いて作製された燃料電池を、少なくとも一方の電極に高加湿のガスを導入して運転する場合には、フラッティングが生じやすくなる。このため、高い加湿条件下ではフラッティングの影響を受け、電池の出力を十分に発揮することができないという問題が生じる。   On the other hand, in the method for producing a polymer electrolyte fuel cell electrode of Patent Document 2, the proportion of aggregates having a particle size of 1.0 μm or less is 30% volume frequency or more. That is, it contains many aggregates having a small particle diameter of 1.0 μm or less, and as a result, the pores become small. Therefore, when a fuel cell manufactured using the electrode constituent material of Patent Document 2 is operated by introducing a highly humidified gas into at least one of the electrodes, flattening easily occurs. For this reason, under the high humidification condition, it is affected by the flatting, and there arises a problem that the output of the battery cannot be sufficiently exhibited.

本発明は、上記従来技術の課題を鑑みてなされたものであり、電池特性を向上させ、燃料電池の出力を高めるとともに、高加湿条件下でのフラッティングを防止し、低加湿条件下で触媒活性の低下を防ぐことができる組成物、膜触媒層接合体、および膜触媒層接合体の製造方法を提供する。   The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and improves battery characteristics, enhances the output of a fuel cell, prevents flattening under high humidification conditions, and catalyzes under low humidification conditions. Provided are a composition capable of preventing a decrease in activity, a membrane catalyst layer assembly, and a method for producing a membrane catalyst layer assembly.

本発明に係る組成物は、上記した課題を解決するために、触媒担持カーボンと、イオン交換樹脂と、分散媒とを含み、燃料電池における触媒層を形成するために高分子電解質膜に塗工する組成物であって、当該組成物中において触媒担持カーボンは、該触媒担持カーボンの粒子が結合して生成された一次凝集体のアグリゲート、該アグリゲートが複数集まって形成された二次凝集体のアグロメレート、ならびに該アグリゲートと該アグロメレートとの中間の凝集状態であり、アグリゲートが複数集まって形成され且つ所定の粒径範囲の粒径を有する凝集体である会合アグリゲートの状態で含まれており、レーザー散乱・回折法により組成物中の粒度分布を測定した場合、前記会合アグリゲートの所定の粒径範囲に粒度分布のメインピークを有する。   In order to solve the above problems, the composition according to the present invention includes a catalyst-supporting carbon, an ion exchange resin, and a dispersion medium, and is applied to a polymer electrolyte membrane to form a catalyst layer in a fuel cell. In the composition, the catalyst-supported carbon is composed of aggregates of primary aggregates formed by combining particles of the catalyst-supported carbon, and secondary aggregates formed by collecting a plurality of the aggregates. Aggregate of aggregates, and an aggregate state intermediate between the aggregate and the agglomerate, including aggregate aggregates that are formed by aggregation of a plurality of aggregates and have a particle size in a predetermined particle size range When the particle size distribution in the composition is measured by a laser scattering / diffraction method, the particle size distribution has a main peak in the predetermined particle size range of the aggregate. That.

本発明に係る膜触媒層接合体は、上記した課題を解決するために、高分子電解質膜と、該高分子電膜上に配置された触媒層とを有する膜触媒層接合体であって、前記触媒層は、触媒担持カーボンと、イオン交換樹脂と、分散媒とを含み、触媒担持カーボンが、該触媒担持カーボンの粒子が結合して生成された一次凝集体のアグリゲート、該アグリゲートが複数集まって形成された二次凝集体のアグロメレート、ならびに該アグリゲートと該アグロメレートとの中間の凝集状態でありアグリゲートが複数集まって形成され且つ所定の粒径範囲の粒径を有する凝集体である会合アグリゲートの状態で含まれており、レーザー散乱・回折法により測定することで得られる粒度分布において、前記会合アグリゲートの所定の粒径範囲に粒度分布のメインピークを有する組成物を、高分子電解質膜に塗工することで形成される。   A membrane catalyst layer assembly according to the present invention is a membrane catalyst layer assembly comprising a polymer electrolyte membrane and a catalyst layer disposed on the polymer electrode membrane in order to solve the above-described problems, The catalyst layer includes a catalyst-carrying carbon, an ion exchange resin, and a dispersion medium. The catalyst-carrying carbon is an aggregate of primary aggregates formed by combining particles of the catalyst-carrying carbon, and the aggregate is Agglomerates of secondary aggregates formed by aggregating, and agglomerates that are in an intermediate agglomerated state between the aggregate and the agglomerate and are formed by aggregating a plurality of aggregates and having a particle size in a predetermined particle size range. In a particle size distribution that is included in a state of an aggregate and is obtained by measurement by a laser scattering / diffraction method, the particle size distribution may be within a predetermined particle size range of the aggregate. A composition having a peak is formed by coating the polymer electrolyte membrane.

本発明に係る膜触媒層接合体の製造方法は、上記した課題を解決するために、高分子電解質膜を準備し、この高分子電解質膜上に、触媒担持カーボンと、イオン交換樹脂と、分散媒とを含み、触媒担持カーボンの一次粒子が結合して生成されたアグリゲートの凝集状態として、触媒担持カーボンの粒子が結合して生成された一次凝集体のアグリゲート、該アグリゲートが複数集まって形成された二次凝集体のアグロメレート、ならびに該アグリゲートと該アグロメレートとの中間の凝集状態でありアグリゲートが複数集まって形成され、且つ所定の粒径範囲の粒径を有する凝集体である会合アグリゲートとを含み、レーザー散乱・回折法により測定することで得られる粒度分布において、前記会合アグリゲートの所定の粒径範囲にメインピークを有する組成物を塗工する。   In order to solve the above-mentioned problems, a method for producing a membrane / catalyst layer assembly according to the present invention prepares a polymer electrolyte membrane, and on this polymer electrolyte membrane, a catalyst-supporting carbon, an ion exchange resin, and a dispersion As agglomeration state of the aggregate formed by combining the primary particles of the catalyst-supporting carbon, the aggregate of primary aggregates formed by combining the particles of the catalyst-supported carbon, and a plurality of the aggregates are collected Agglomerates of secondary agglomerates formed in this way, and agglomerates that are agglomerated between the aggregates and the agglomerates, are formed by aggregating a plurality of aggregates, and have a particle size in a predetermined particle size range In a particle size distribution obtained by measurement by a laser scattering / diffraction method, the main peak is within a predetermined particle size range of the aggregate. Coating the composition with.

本発明は以上に説明したように構成され、電池特性を向上させ、燃料電池の出力を高めるとともに、高加湿条件下でのフラッティングを防止し、低加湿条件下で触媒活性の低下を防ぐことができるという効果を奏する。   The present invention is configured as described above, improves battery characteristics, increases fuel cell output, prevents flattening under high humidification conditions, and prevents a decrease in catalyst activity under low humidification conditions. There is an effect that can be.

本実施の形態に係る燃料電池単セルの概略構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of schematic structure of the fuel cell single cell which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係るカーボン粒子の凝集体である単独アグリゲートの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the single aggregate which is the aggregate of the carbon particle which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係るカーボン粒子の凝集体であるアグロメレートの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the agglomerate which is the aggregate of the carbon particle which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係るカーボン粒子の凝集体である会合アグリゲートの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the aggregation aggregate which is the aggregate of the carbon particle which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る触媒インクにおけるカーボン粒子の凝集体の粒度分布を示すグラフである。It is a graph which shows the particle size distribution of the aggregate of the carbon particle in the catalyst ink which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る触媒インクの分散媒中において、会合アグリゲート間に単独アグリゲートが接続した状態の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the state which the single aggregate connected between the association aggregates in the dispersion medium of the catalyst ink which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る触媒インクの製造工程の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the manufacturing process of the catalyst ink which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る触媒担持カーボンに対するせん断時間と、凝集体の粒径およびその体積頻度との関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between the shear time with respect to the catalyst carrying | support carbon which concerns on this Embodiment, the particle size of the aggregate, and its volume frequency.

(燃料電池単セル)
本実施形態に係る燃料電池単セル1の構成について、図1を参照しながら説明する。図1は、本実施の形態に係る燃料電池単セル1の概略構成の一例を示す図である。なお、本実施の形態に係る燃料電池単セル1は、高分子電解質形燃料電池(PEFC)のセルとして説明する。
(Single fuel cell)
The configuration of the single fuel cell 1 according to this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a schematic configuration of a fuel cell single cell 1 according to the present embodiment. In addition, the fuel cell single cell 1 which concerns on this Embodiment is demonstrated as a cell of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC).

図1に示すように、燃料電池単セル1は、高分子電解質膜2の両側に、2つの電極(燃料極3と空気極4)が形成され、これらがMEA(膜・電極接合体)5として一体化されてなる構成である。電極は、高分子電解質膜2側に配される触媒層(燃料極触媒層31と空気極触媒層41)と、この触媒層の外側に配される導電性を有する多孔質の部材であるガス拡散層32,42とを備える。この電極は、触媒担持カーボン及び含フッ素イオン交換樹脂を含んでいる。   As shown in FIG. 1, the fuel cell single cell 1 has two electrodes (a fuel electrode 3 and an air electrode 4) formed on both sides of a polymer electrolyte membrane 2, and these are MEA (membrane electrode assembly) 5. It is the structure formed by integrating. The electrodes are a catalyst layer (fuel electrode catalyst layer 31 and air electrode catalyst layer 41) disposed on the polymer electrolyte membrane 2 side, and a gas that is a porous member having conductivity disposed outside the catalyst layer. Diffusion layers 32 and 42 are provided. This electrode contains a catalyst-supporting carbon and a fluorine-containing ion exchange resin.

また、ガス拡散層32,42の外側には水素および酸素などの反応ガスの供給通路をかねているセパレータ6、7が配されており、これらセパレータ6、7によってMEA5は挟持されている。   In addition, separators 6 and 7 that serve as supply passages for reaction gases such as hydrogen and oxygen are disposed outside the gas diffusion layers 32 and 42, and the MEA 5 is sandwiched between the separators 6 and 7.

触媒層(燃料極触媒層31と空気極触媒層41)を形成する触媒としては、アノード及びカソードで電極反応を促進する物質が使用され、特に白金などの白金族金属又はその合金が好適である。触媒は金属粒子をそのまま使用してもよいが、本実施形態では比表面積が300m/g以上の触媒担持カーボンを触媒として利用する。なお、金属の担持量は触媒担持カーボン全質量に対して10〜70%質量であることが好ましい。 As the catalyst for forming the catalyst layer (the fuel electrode catalyst layer 31 and the air electrode catalyst layer 41), a substance that promotes the electrode reaction at the anode and the cathode is used, and a platinum group metal such as platinum or an alloy thereof is particularly suitable. . As the catalyst, metal particles may be used as they are, but in the present embodiment, catalyst-supporting carbon having a specific surface area of 300 m 2 / g or more is used as a catalyst. The metal loading is preferably 10 to 70% by mass with respect to the total mass of the catalyst-carrying carbon.

2つの電極と隣接し、これらの電極に挟持されている高分子電解質膜2(イオン交換膜)は、イオン交換容量が0.6〜2.2ミリ当量/gであることが好ましく、特に1.1〜1.6ミリ当量/gのものが好ましい。また、燃料電池の電極の厚さは1〜50μm、特に10〜30μmであることが好ましい。   The polymer electrolyte membrane 2 (ion exchange membrane) adjacent to and sandwiched by the two electrodes preferably has an ion exchange capacity of 0.6 to 2.2 meq / g, particularly 1 .1 to 1.6 meq / g is preferable. Further, the thickness of the electrode of the fuel cell is preferably 1 to 50 μm, particularly preferably 10 to 30 μm.

高分子電解質膜2を構成する材料としては、電極の形成に使用される含フッ素イオン交換樹脂として例示されたものと同様のものが好適である。すなわち、この含フッ素イオン交換樹脂は、テトラフルオロエチレンに基づく重合単位と、スルホン酸基を有するパーフルオロビニルエーテルに基づく重合単位と含む共重合体からなるものが好ましい。   The material constituting the polymer electrolyte membrane 2 is preferably the same as that exemplified as the fluorine-containing ion exchange resin used for forming the electrode. That is, the fluorine-containing ion exchange resin is preferably composed of a copolymer containing a polymer unit based on tetrafluoroethylene and a polymer unit based on perfluorovinyl ether having a sulfonic acid group.

スルホン酸基を有するパーフルオロビニルエーテルとしては、CF2=CF−(OCF2CFX)―O−(CF2)n−SOH(式中、mは0〜3、nは1〜12、pは0又は1、XはF又はCF3)で表されるものが好ましい。 The perfluorovinyl ether having a sulfonic acid group, CF 2 = CF- (OCF 2 CFX) m -O p - in (CF2) n -SO 3 H (wherein, m is 0 to 3, n is 1 to 12, P is preferably 0 or 1, and X is F or CF 3 ).

また、これらガス拡散層32,42の外側には水素や酸素などの反応ガスの供給通路を兼ねているセパレータ6,7が配されており、これらセパレータ6,7によってMEA5が挟持された構成である。   In addition, separators 6 and 7 that also serve as supply passages for reaction gases such as hydrogen and oxygen are disposed outside the gas diffusion layers 32 and 42, and the MEA 5 is sandwiched between the separators 6 and 7. is there.

ところで、高分子電解質形燃料電池において、水素および酸素の利用率の高い運転条件でも高いエネルギー変換効率および高い出力密度を実現するためには、MEA5の性能が重要となる。特に、電極(燃料極3と空気極4)の触媒層(燃料極触媒層31と空気極触媒層41)を形成する触媒インク(組成物)によって性能が左右される。なお、本明細書では、特に燃料極触媒層31と空気極触媒層41とを区別して説明する必要が無い場合は、単に触媒層と称する。また、燃料極3と空気極4とを区別して説明する必要が無い場合は、電極と称するものとする。   By the way, in the polymer electrolyte fuel cell, the performance of the MEA 5 is important in order to realize high energy conversion efficiency and high power density even under operating conditions with high utilization rates of hydrogen and oxygen. In particular, the performance depends on the catalyst ink (composition) that forms the catalyst layers (fuel electrode catalyst layer 31 and air electrode catalyst layer 41) of the electrodes (fuel electrode 3 and air electrode 4). In the present specification, the fuel electrode catalyst layer 31 and the air electrode catalyst layer 41 are simply referred to as catalyst layers unless there is a need to distinguish between them. Further, when it is not necessary to distinguish between the fuel electrode 3 and the air electrode 4, they are referred to as electrodes.

触媒インクは、電極反応を促進する触媒担持カーボンと、導電性を高め、かつ水蒸気の凝集によるフラッティングを防止するための含フッ素イオン交換樹脂と、分散媒としてアルコール、エーテル、ジアルキルスルホシキド及び水からなる群から一種類以上を含む分散媒を使用する。   The catalyst ink is composed of a catalyst-supporting carbon that promotes an electrode reaction, a fluorine-containing ion exchange resin for enhancing conductivity and preventing fluttering due to water vapor aggregation, alcohol, ether, dialkyl sulfoxide as a dispersion medium, and A dispersion medium containing one or more kinds from the group consisting of water is used.

この触媒インクは、高分子電解質膜2に直接塗布されるか、あるいは別のシート状基材に塗布して得られる層を高分子電解質膜2の表面に転写もしくは張り付けられる。   The catalyst ink is applied directly to the polymer electrolyte membrane 2 or a layer obtained by applying the catalyst ink to another sheet-like substrate is transferred or pasted to the surface of the polymer electrolyte membrane 2.

以下において、高分子電解質膜2に塗布する触媒インクの詳細について説明する。   Details of the catalyst ink applied to the polymer electrolyte membrane 2 will be described below.

(触媒インク)
まず、触媒インクに含まれる含フッ素イオン交換樹脂は、導電性及びガスの透過性の点からイオン交換容量が0.6〜2.2ミリ当量/gであることが好ましく、特に1.1〜1.6ミリ当量/gのものが好ましい。また、含フッ素イオン交換樹脂は、テトラフルオロエチレンに基づく重合単位と、スルホン酸基を有するパーフルオロビニルエーテルに基づく重合単位とを含む共重合体からなるものが好ましい。
(Catalyst ink)
First, the fluorine-containing ion exchange resin contained in the catalyst ink preferably has an ion exchange capacity of 0.6 to 2.2 meq / g from the viewpoint of conductivity and gas permeability. Those having 1.6 meq / g are preferred. The fluorine-containing ion exchange resin is preferably made of a copolymer containing a polymer unit based on tetrafluoroethylene and a polymer unit based on perfluorovinyl ether having a sulfonic acid group.

スルホン酸基を有するパーフルオロビニルエーテルとしては、CF=CF(OCFCFX)−O―(CF)−SOHで表されるものが好ましい。ここでXはフッ素原子又はトリフルオロメチル基であり、mは0〜3の整数、nは1〜12の整数、pは0又は1である。より好ましい具体例として以下の化合物が挙げられる。なお、下記の式中、q、rは1〜8の整数、tは1〜3の整数である。 The perfluorovinyl ether having a sulfonic acid group, CF 2 = CF (OCF 2 CFX) m -O p - (CF 2) are preferably those represented by -SO 3 H. Here, X is a fluorine atom or a trifluoromethyl group, m is an integer of 0 to 3, n is an integer of 1 to 12, and p is 0 or 1. More preferable specific examples include the following compounds. In the following formula, q and r are integers of 1 to 8, and t is an integer of 1 to 3.

CF2=CFO(CF2SO
CF=CFOCFCF(CF)O(CFSO
CF=CF(OCFCF(CF))O(CF2SO
また、電極に含まれる触媒担持カーボンと含フッ素イオン交換樹脂とは、質量比で触媒担持カーボン:含フッ素イオン交換樹脂=60:40〜70:30であることが、この電極の導電性と物質輸送の点から好ましい。なお、ここでいう触媒担持カーボンは、触媒のみの場合も含むものとする。
CF 2 = CFO (CF 2 ) q SO 3 H
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) O (CF 2 ) r SO 3 H
CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3)) t O (CF 2) 2 SO 3 H
In addition, the catalyst-carrying carbon and the fluorinated ion exchange resin contained in the electrode have a mass ratio of catalyst-carrying carbon: fluorinated ion exchange resin = 60: 40 to 70:30. It is preferable from the viewpoint of transportation. In addition, the catalyst carrying | support carbon here shall include the case of only a catalyst.

次に触媒インクに含まれる分散媒について説明する。分散媒は、水を含む水性分散媒、特に水とアルコールの混合溶媒を用いることが好ましい。アルコール及びエーテルはその炭素数が1〜6の範囲であるものが好ましく、ジアルキルスルホシキドはその炭素数が2〜6の範囲であるものが好ましい。上記に該当する溶媒の好ましい具体例としては、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、1,4−ジオキサンなどが挙げられる。   Next, the dispersion medium contained in the catalyst ink will be described. The dispersion medium is preferably an aqueous dispersion medium containing water, particularly a mixed solvent of water and alcohol. Alcohols and ethers preferably have 1 to 6 carbon atoms, and dialkyl sulfoxides preferably have 2 to 6 carbon atoms. Preferable specific examples of the solvent corresponding to the above include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, 1,4-dioxane and the like.

また、ジアルキルスルホシキドとしては、ジメチルスルホシキド、ジエチルスルホキシドなどが挙げられる。   Examples of the dialkyl sulfoxide include dimethyl sulfoxide and diethyl sulfoxide.

さらにまた、触媒インクには、触媒を担持する触媒粒子としてカーボン粒子(触媒担持カーボン)が含まれており、このカーボン粒子(ドメイン)が強い力で結合した凝集体を、本実施形態では、主として図2から4に示すように粒径サイズの異なる以下の3種類の凝集体に分類する。なお、カーボン粒子の最小単位は、10〜50(0.01〜0.05μm)nmサイズである。   Furthermore, the catalyst ink contains carbon particles (catalyst-carrying carbon) as catalyst particles carrying the catalyst, and in this embodiment, the aggregate in which the carbon particles (domains) are bonded with a strong force is mainly used. As shown in FIGS. 2 to 4, the following three types of aggregates having different particle sizes are classified. The minimum unit of carbon particles is 10 to 50 (0.01 to 0.05 μm) nm size.

まず1種類目の凝集体は、図2に示すようにいくつかのカーボン粒子同士を強い力で凝集した一次凝集体であるアグリゲートである。これ以降、他の凝集体と区別するために、このアグリゲートを単独アグリゲートと称する。なお、図2は、本実施の形態に係るカーボン粒子の凝集体である単独アグリゲートの一例を示す図である。この単独アグリゲートの粒径サイズは約300nm(約0.3μm)である。この単独アグリゲートは、反応過程で液晶状態の粒子が溶融結合して出来た骨格に、さらに炭化水素が結合し、その後炭化して生成されるものと考えられている。   First, the first type of aggregate is an aggregate which is a primary aggregate obtained by aggregating several carbon particles with a strong force as shown in FIG. Hereinafter, this aggregate is referred to as a single aggregate in order to distinguish it from other aggregates. FIG. 2 is a diagram showing an example of a single aggregate that is an aggregate of carbon particles according to the present embodiment. The particle size of this single aggregate is about 300 nm (about 0.3 μm). This single aggregate is considered to be produced by further bonding hydrocarbons to a skeleton formed by melting and bonding liquid crystal particles in the reaction process and then carbonizing.

次に2種類目の凝集体は、図3に示すように一次凝集体である単独アグリゲート同士がファンデルワールス力や単なる集合、絡み合い等による力で凝集した2次凝集体であるアグロメレートである。図3は本実施の形態に係るカーボン粒子の凝集体であるアグロメレートの一例を示す図である。なお、このアグロメレートの粒径サイズは約十数μmから数百μmである。   Next, as shown in FIG. 3, the second type of aggregate is an agglomerate that is a secondary aggregate obtained by aggregating single aggregates that are primary aggregates by van der Waals force, force due to simple aggregation, entanglement, or the like. . FIG. 3 is a diagram showing an example of an agglomerate that is an aggregate of carbon particles according to the present embodiment. The particle size of the agglomerate is about a dozen μm to a few hundred μm.

3種類目の凝集体は、図4に示すように単独アグリゲートがファンデルワールス力や単なる集合、絡み合い等による力で数個程度凝集したものであり、アグリゲートと該アグロメレートとの中間の凝集状態となる凝集体である。本明細書ではこの凝集体を会合アグリゲートと称する。図4は、本実施の形態に係るカーボン粒子の凝集体である会合アグリゲートの一例を示す図である。なお、この会合アグリゲートの粒径サイズは、約0.5μm以上1.5μm以下の範囲である。本実施の形態において、会合アグリゲートは、アグロメレートとはこのように粒径によって区別して定義される。   As shown in FIG. 4, the third type of aggregate is an aggregate in which several single aggregates are aggregated by van der Waals force, simple aggregation, entanglement, etc., and an intermediate aggregate between the aggregate and the agglomerate. It is an aggregate that becomes a state. In the present specification, this aggregate is referred to as an association aggregate. FIG. 4 is a diagram showing an example of an association aggregate that is an aggregate of carbon particles according to the present embodiment. The particle size of the aggregate is in the range of about 0.5 μm to 1.5 μm. In the present embodiment, the aggregate aggregate is defined so as to be distinguished from the agglomerate by the particle size.

つまり、本実施の形態に係る触媒インク中には、上述した単独アグリゲート、会合アグリゲート、及びアグロメレートがそれぞれ所定の割合ずつ存在しており、レーザー散乱・回析法により測定される粒度分布では、会合アグリゲートの粒径サイズの範囲にこの粒度分布のメインピークがくる。すなわち、触媒インク中には、特に会合アグリゲートの体積頻度が最も高くなっている。   That is, in the catalyst ink according to the present embodiment, the above-described single aggregate, association aggregate, and agglomerate are present in a predetermined ratio, respectively. In the particle size distribution measured by the laser scattering / diffraction method, The main peak of this particle size distribution comes in the range of the particle size of the aggregate. That is, the volume frequency of the association aggregate is the highest in the catalyst ink.

なお、ここで粒度分布の測定は、レーザー散乱・回析法により、具体的にはマイクロトラック(登録商標)社製粒度分布装置HRA moderu9320-X100を用いて評価した。   Here, the particle size distribution was measured by a laser scattering / diffraction method, specifically using a particle size distribution apparatus HRA model 9320-X100 manufactured by Microtrac (registered trademark).

ところで、出願人は、触媒インク中のカーボン粒子の凝集体の粒度分布に起因して、この触媒インクを塗布して作製した燃料電池電極を用いた高分子電解質形燃料電池の性能が異なることを見出した。   By the way, the applicant stated that the performance of the polymer electrolyte fuel cell using the fuel cell electrode produced by applying this catalyst ink differs due to the particle size distribution of the aggregates of the carbon particles in the catalyst ink. I found it.

特に、触媒インク中のカーボン粒子の凝集体の粒度分布として図5に示すように、単独アグリゲート、会合アグリゲート及びアグロメレートが存在しており、その中で会合アグリゲートの粒子の割合が全分散粒子に対して体積頻度が最も高くなるようにすると、燃料電池の性能が向上することを見出した。図5は、本実施の形態に係る触媒インクにおけるカーボン粒子の凝集体の粒度分布を示すグラフである。   In particular, as shown in FIG. 5 as the particle size distribution of the aggregates of carbon particles in the catalyst ink, there are single aggregates, associated aggregates, and agglomerates, in which the proportion of the aggregate aggregate particles is totally dispersed. It has been found that the fuel cell performance is improved by increasing the volume frequency relative to the particles. FIG. 5 is a graph showing the particle size distribution of the aggregates of carbon particles in the catalyst ink according to the present embodiment.

図5に示すように、粒径が1μmとなる前後に会合アグリゲートを示す体積頻度の大きなピークがあり、粒径が0.3μm、十数μmそれぞれの前後に単独アグリゲート、およびアグロメレートそれぞれが現れる。   As shown in FIG. 5, there is a large volume frequency peak indicating an aggregate aggregate before and after the particle size becomes 1 μm, and a single aggregate and an agglomerate respectively before and after the particle size of 0.3 μm and tens of μm. appear.

図5に示すような粒度分布にしたがって凝集体が存在するように、触媒担持カーボンおよび含フッ素イオン交換樹脂と分散媒とを混合させ、超音波分散機、攪拌脱泡装置、湿式ジェットミルなどの分散機を用いて分散させれば、良好な電池出力を実現することができる。   The catalyst-supporting carbon and the fluorine-containing ion exchange resin and the dispersion medium are mixed so that the agglomerates exist according to the particle size distribution as shown in FIG. 5, and an ultrasonic disperser, a stirring deaerator, a wet jet mill, etc. If it is dispersed using a disperser, good battery output can be achieved.

(凝集体の粒度分布と電池出力の関係)
以下において、より具体的に触媒インク中の凝集体の粒度分布と高分子電解質形燃料電池の電池出力との関係を説明する。
(Relationship between aggregate particle size distribution and battery output)
Hereinafter, the relationship between the particle size distribution of aggregates in the catalyst ink and the battery output of the polymer electrolyte fuel cell will be described more specifically.

まず、触媒インク中の触媒担持カーボンの分散として単独アグリゲート、会合アグリゲート及びアグロメレートが存在している中で、全体に対する単独アグリゲートの体積頻度が最も高くなる場合、高加湿条件下においてフラッティングが生じやすくなる。つまり、単独アグリゲートの割合が高い場合、ガスを通過させるための細孔が小さくなり、結果としてフラッティングの影響を受け、電池出力を十分に発揮することができない。   First, in the presence of single aggregate, association aggregate, and agglomerate as a dispersion of catalyst-supported carbon in the catalyst ink, when the volume frequency of the single aggregate relative to the whole is the highest, flatting is performed under high humidification conditions. Is likely to occur. That is, when the ratio of the single aggregate is high, the pores for allowing the gas to pass through become small, and as a result, the battery output is not sufficiently exhibited due to the influence of flatting.

一方、アグロメレートの割合、すなわち全体に対するアグロメレートの体積頻度が最も高くなる場合、低加湿条件下で、触媒活性が低下し、燃料電池の出力が小さくなる。つまり、アグロメレートの割合が高い場合、その凝集体の内部はイオノマーなどの含フッ素イオン交換樹脂に被覆されていないため、触媒活性が低くなる。   On the other hand, when the ratio of the agglomerate, that is, the volume frequency of the agglomerate with respect to the whole, becomes the highest, the catalyst activity decreases under low humidification conditions, and the output of the fuel cell decreases. That is, when the ratio of agglomerate is high, the inside of the aggregate is not coated with a fluorine-containing ion exchange resin such as an ionomer, and thus the catalytic activity is low.

会合アグリゲートの割合、すなわち全体に対する会合アグリゲートの体積頻度が最も高くなる場合、好ましくは2.5〜4.0%以上となる場合は、三相界面確保に最適なイオノマーの被覆厚みを形成することができる。   When the ratio of the aggregate aggregate, that is, the volume frequency of the aggregate aggregate with respect to the whole is the highest, and preferably 2.5 to 4.0% or more, it is possible to form an ionomer coating thickness that is optimal for securing a three-phase interface. .

つまり、含フッ素イオン交換樹脂存在雰囲気下で単独アグリゲート、会合アグリゲート及びアグロメレートを分散媒中で分散機器によって分散させる場合、アグロメレートのような相対的に大きな凝集体では、体積が大きいため、粒子間における衝突頻度が高くなる。このため、アグロメレートはせん断力がかかりやすく被覆された含フッ素イオン交換樹脂がそぎ落とされる量が大きくなるため、含フッ素イオン交換樹脂の被覆厚みが粒子全体の中で比較的薄くなる。   That is, when a single aggregate, association aggregate, and agglomerate are dispersed in a dispersion medium by a dispersion device in the presence of a fluorine-containing ion exchange resin, a relatively large aggregate such as agglomerate has a large volume. The frequency of collisions between them increases. For this reason, since the agglomerate tends to be subjected to a shearing force and the amount of the coated fluorine-containing ion exchange resin is scraped off, the coating thickness of the fluorine-containing ion exchange resin becomes relatively thin in the whole particle.

逆に、単独アグリゲートのような相対的に小さな凝集体では、体積が小さいためせん断力がかかりにくく、含フッ素イオン交換樹脂の被覆厚みが粒子全体の中で比較的厚くなる。   On the other hand, a relatively small aggregate such as a single aggregate has a small volume, so that it is difficult to apply a shearing force, and the coating thickness of the fluorine-containing ion exchange resin is relatively thick in the entire particle.

これに対して会合アグリゲートのようなアグロメレートと単独アグリゲートとの中間に位置する粒径の凝集体は、適度な体積により、せん断力が凝集体に適度にかかり、被覆された含フッ素イオン交換樹脂の厚みが最適化され三相界面が大きくなり電池特性が向上し燃料電池の出力が高まる。   On the other hand, aggregates with a particle size located between an agglomerate such as an aggregate aggregate and a single aggregate have an appropriate volume and a moderate shearing force applied to the aggregate. The resin thickness is optimized, the three-phase interface is increased, the battery characteristics are improved, and the output of the fuel cell is increased.

このように、会合アグリゲートの体積頻度が高くなることにより触媒担持カーボンに含フッ素イオン交換樹脂が均一に被覆できるようになり、三相界面が大きくなることによって電池特性が向上し、燃料電池の出力が高まる。   As described above, the volume frequency of the association aggregate is increased, so that the catalyst-supported carbon can be uniformly coated with the fluorine-containing ion exchange resin, and the three-phase interface is increased, so that the battery characteristics are improved and the fuel cell is improved. Output increases.

さらにまた、会合アグリゲートよりも体積頻度が小さくはなるが、触媒インク中に単独アグリゲートおよびアグロメレートが存在することにより、以下の効果をもたらすことができる。   Furthermore, although the volume frequency is lower than that of the associated aggregate, the presence of the single aggregate and agglomerate in the catalyst ink can bring about the following effects.

例えば、触媒インク中に単独アグリゲートが存在し、図6に示すように会合アグリゲート間においてこの単独アグリゲートが接続されているとする。なお、図6は、本実施の形態に係る触媒インクの分散媒中において、会合アグリゲート間に単独アグリゲートが接続した状態の一例を示す図である。   For example, it is assumed that a single aggregate exists in the catalyst ink, and the single aggregate is connected between the association aggregates as shown in FIG. FIG. 6 is a diagram showing an example of a state where a single aggregate is connected between the aggregates in the dispersion medium of the catalyst ink according to the present embodiment.

ここで、上述したように単独アグリゲートはイオノマーによって被覆されている。一方、会合アグリゲートがイオノマーによって完全に被覆されている割合は、その表面積の約80パーセント程度であると考えられる。このため、会合アグリゲート間の接合部分にはイオノマーによって完全に被覆されていない部分が存在することになる。   Here, as described above, the single aggregate is covered with the ionomer. On the other hand, the rate at which the aggregate aggregate is completely covered by the ionomer is considered to be about 80 percent of the surface area. For this reason, there is a portion that is not completely covered by the ionomer at the junction between the aggregates.

そこで、この接合部分に形成された間隙に粒子径の小さい単独アグリゲートが入り込むことによって、イオノマーに被覆された状態を形成することができる。これによって、図6に示すように会合アグリゲート間に単独アグリゲートが接続された構造を有する場合、イオノマーが厚く被覆されている単独アグリゲートによってH導電性を補助することができる。 Therefore, when the single aggregate having a small particle diameter enters the gap formed in the joint portion, a state covered with the ionomer can be formed. Accordingly, as shown in FIG. 6, when the single aggregate is connected between the aggregate aggregates, the H + conductivity can be assisted by the single aggregate in which the ionomer is thickly coated.

また、会合アグリゲート間の接合部分における間隙を単独アグリゲートにより埋めることで、接合部分に形成された間隙において単独アグリゲートを介して電気が伝導することができるようになる。すなわち、電気伝導性が向上することとなる。   Further, by filling the gap at the junction between the aggregates with the single aggregate, electricity can be conducted through the single aggregate in the gap formed at the junction. That is, electrical conductivity is improved.

一方、アグロメレートは、図3に示すように空隙を確保することが出来る構造である。このため、アグロメレートが触媒インク中に適度に存在することによりガス拡散ならびに排水性を確保することができる。   On the other hand, the agglomerate has a structure capable of securing a gap as shown in FIG. For this reason, when agglomerates are present appropriately in the catalyst ink, gas diffusion and drainage can be ensured.

したがって、触媒インク中にアグリゲートおよびアグロメレートも適度に存在することにより高加湿条件下でフラッティングが生じることを防止し、低加湿条件下で触媒活性が低下することを防ぐことができる。   Therefore, the presence of moderate aggregates and agglomerates in the catalyst ink can prevent flattening from occurring under high humidification conditions, and prevent the catalytic activity from decreasing under low humidification conditions.

(触媒インクの製造工程)
次に、図7を参照して本実施の形態に係る触媒インクの製造工程について説明する。図7は、本実施の形態に係る触媒インクの製造工程の一例を示すフローチャートである。
(Catalyst ink manufacturing process)
Next, a manufacturing process of the catalyst ink according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a flowchart showing an example of the manufacturing process of the catalyst ink according to the present embodiment.

まず、触媒(例えば白金)担持カーボンの湿潤工程を実施する(ステップS11、これ以降S11と称する)。つまり、触媒担持カーボンに溶媒(分散媒)を添加し、スラリー化させる。   First, a catalyst (for example, platinum) -supporting carbon is wetted (step S11, hereinafter referred to as S11). That is, a solvent (dispersion medium) is added to the catalyst-supporting carbon to make a slurry.

次に、触媒担持カーボンの粉砕工程を実施する(S12)。つまり、市販されている粉末状カーボンは、2次凝集体、すなわちアグロメレートの形態で存在すると考えられる。このため、スラリー化した触媒担持カーボンはアグロメレートの状態となっていると考えられる。そこで、このアグロメレートの触媒担持カーボンを分散機によりほぐし、機械的に分散させる。そして、触媒担持カーボンがアグリゲートの構造を保持した状態で会合アグリゲートの状態に近づけるようにアグロメレートを小さくした状態になるようにせん断力およびせん断時間を制御する。   Next, a catalyst-carrying carbon crushing step is performed (S12). That is, commercially available powdered carbon is considered to exist in the form of secondary aggregates, that is, agglomerates. For this reason, it is considered that the slurry-supported carbon is in an agglomerate state. Therefore, the agglomerate catalyst-carrying carbon is loosened by a disperser and mechanically dispersed. Then, the shearing force and the shearing time are controlled so that the agglomerates are reduced so that the catalyst-supporting carbon maintains the aggregate structure and approaches the aggregated aggregate state.

ステップS12により、触媒担持カーボンをほぐすと、ほぐした状態の触媒担持カーボンに含フッ素イオン交換樹脂を添加させ、インク化させるイオン交換樹脂添加工程を実施する(S13)。なお、触媒担持カーボンに含フッ素イオン交換樹脂を添加させ、インク化させる際に、アニオン系界面活性剤も含フッ素イオン交換樹脂と一緒に混合させてもよい。   When the catalyst-carrying carbon is loosened in step S12, an ion exchange resin addition step is performed in which the fluorine-containing ion exchange resin is added to the loosened catalyst-carrying carbon to form an ink (S13). In addition, when adding a fluorine-containing ion exchange resin to catalyst carrying | support carbon and making it ink, you may mix an anionic surfactant with a fluorine-containing ion exchange resin.

このように、触媒担持カーボンに含フッ素イオン交換樹脂を添加すると、触媒担持カーボンの粒径制御工程を実施する(S14)。すなわち、界面活性剤である含フッ素イオン交換樹脂により、触媒インクの化学分散を進行させる。そしてさらに、会合アグリゲートの粒径範囲内でメインピークとなる分散状態となるようにせん断時間を調整して触媒インクの分散状態を制御する。   As described above, when the fluorine-containing ion exchange resin is added to the catalyst-carrying carbon, a particle size control step of the catalyst-carrying carbon is performed (S14). That is, the chemical dispersion of the catalyst ink is advanced by the fluorine-containing ion exchange resin that is a surfactant. Further, the dispersion state of the catalyst ink is controlled by adjusting the shear time so that the dispersion state becomes the main peak within the particle size range of the aggregate aggregate.

具体的には、図8に示すように、触媒インクにおいて触媒担持カーボンに対するせん断時間の長短により凝集体の粒径と体積頻度との関係が決まる。図8は本実施の形態に係る触媒担持カーボンに対するせん断時間と、凝集体の粒径およびその体積頻度との関係を示すグラフである。   Specifically, as shown in FIG. 8, in the catalyst ink, the relationship between the particle size of the aggregate and the volume frequency is determined by the length of the shear time for the catalyst-supported carbon. FIG. 8 is a graph showing the relationship between the shear time for the catalyst-supported carbon according to the present embodiment, the particle size of the aggregate, and the volume frequency thereof.

つまり、せん断時間がA<B<Cの関係にある場合であって、せん断時間が短いとき(Aのとき)、粒径の大きい凝集体、すなわちアグロメレートの体積頻度が大きくなる。一方、せん断時間が長いとき(Cのとき)、粒径の小さい凝集体、すなわち、アグリゲートの体積頻度が大きくなる。このため、せん断時間をAとCとの間のBとし、会合アグリゲート(粒径が1μm前後)でメインピークとなるような分散状態となるように制御する。   That is, when the shear time is in the relationship of A <B <C, and when the shear time is short (when A), the volume frequency of the aggregate having a large particle size, that is, the agglomerate increases. On the other hand, when the shearing time is long (when C), the volume frequency of the aggregate having a small particle size, that is, the aggregate becomes large. For this reason, the shear time is set to B between A and C, and the dispersion is controlled so that the main peak is obtained in the aggregation aggregate (particle diameter is around 1 μm).

以上のように、会合アグリゲートの粒子の割合が全分散粒子に対して体積頻度が最も高くなるようにするためには、上述したように触媒担持カーボンと含フッ素イオン交換樹脂と分散媒とを混合する。そして、その後、ロールミル、超音波分散、攪拌脱泡装置、湿式ジェットミル等を用いてせん断力をかけて分散させるように制御する。また、適宜アニオン系界面活性剤やノニオン系界面活性剤からなる分散剤を使用してもよい。   As described above, in order for the ratio of the aggregate aggregate particles to be the highest in volume frequency with respect to the total dispersed particles, the catalyst-supporting carbon, the fluorinated ion exchange resin, and the dispersion medium are combined as described above. Mix. After that, control is performed so as to disperse by applying a shearing force using a roll mill, ultrasonic dispersion, stirring deaerator, wet jet mill or the like. Moreover, you may use the dispersing agent which consists of anionic surfactant and a nonionic surfactant suitably.

また、上記ではステップS11の触媒担持カーボンの湿潤工程において、触媒担持カーボンに溶媒(分散媒)を添加していたが、含フッ素イオン交換樹脂と分散媒とをあらかじめ混合させておき、それを触媒担持カーボンに添加してもよい。この場合、ステップS13のイオン交換樹脂添加工程を省略することができる。   In the above, the solvent (dispersion medium) is added to the catalyst-supporting carbon in the catalyst-supporting carbon wetting step in Step S11. However, the fluorine-containing ion exchange resin and the dispersion medium are mixed in advance, It may be added to the supported carbon. In this case, the ion exchange resin addition process of step S13 can be omitted.

しかしながら、上述したように、触媒担持カーボンを分散媒で分散させたものに、含フッ素イオン交換樹脂を混合させた方が、得られる電池特性が向上するので好ましい。   However, as described above, it is preferable to mix the fluorine-containing ion exchange resin with the catalyst-supported carbon dispersed in the dispersion medium because the obtained battery characteristics are improved.

なお、上述した触媒インクには、必要に応じて他の物質を添加してもよい。例えば粘度を調節するための増粘剤又は増孔剤などを添加してもよい。増粘剤としては、セロソルブ系のものが使用でき、希釈剤としては、水、炭化水素、含フッ素炭化水素などが使用できる。増孔剤としては、シリカ、アルミナなどが使用できる。   In addition, you may add another substance to the catalyst ink mentioned above as needed. For example, a thickener or a pore thickener for adjusting the viscosity may be added. As the thickener, cellosolve-based ones can be used, and as the diluent, water, hydrocarbons, fluorine-containing hydrocarbons and the like can be used. Silica, alumina, etc. can be used as the pore-increasing agent.

また、上述した触媒インクの製造工程によって製造した触媒インクからイオン交換膜の表面に燃料電池の電極を形成する場合、この触媒インクをイオン交換膜の表面に直接塗布するか、あるいはカーボンペーパーなど別のシート基材に塗布して得られる層をイオン交換膜の表面に転写または貼り付けることにより形成されていた。   In addition, when the electrode of the fuel cell is formed on the surface of the ion exchange membrane from the catalyst ink produced by the above-described catalyst ink production process, the catalyst ink is applied directly on the surface of the ion exchange membrane, or carbon paper is used. It was formed by transferring or affixing the layer obtained by applying to the sheet base material on the surface of the ion exchange membrane.

触媒インクのイオン交換膜又はシート基材への塗布は、スプレー方式、ダイコータ、リップコータ、コンマコータ、グラビアコータ、スクリーン印刷等の既存の方法が適用できる。電極をシート状基材に形成しこれをイオン交換膜に転写し又は貼り付ける場合、ホットプレス法、接着法などが使用できる。このように形成される電極の厚さは、好ましくは1〜50μm、特に10〜30μmが適切である。   Application of the catalyst ink to the ion exchange membrane or sheet substrate can be performed by an existing method such as a spray method, a die coater, a lip coater, a comma coater, a gravure coater, or screen printing. When an electrode is formed on a sheet-like base material and this is transferred or attached to an ion exchange membrane, a hot press method, an adhesion method, or the like can be used. The thickness of the electrode thus formed is preferably 1 to 50 μm, particularly 10 to 30 μm.

(実施例)
次に、実施例(例1)及び比較例(例2、3)によって具体的態様を詳しく説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
(Example)
Next, specific embodiments will be described in detail by Examples (Example 1) and Comparative Examples (Examples 2 and 3). In addition, this invention is not limited to this Example.

まず、例1について、その具体的な態様について説明する。   First, a specific aspect of Example 1 will be described.

図7のステップS11に示す触媒担持カーボン湿潤工程において、水30.3gを混合した。   In the catalyst-carrying carbon wetting step shown in step S11 of FIG. 7, 30.3 g of water was mixed.

さらにカーボンブラック粉末に白金を担持した白金担持カーボン(白金が触媒担持カーボン全重量中に50質量%)6.0gを添加する。そして、ステップS12に示す触媒担持カーボン粉砕工程では、この分散液を、攪拌脱泡装置を用いて30秒間分散させた。   Further, 6.0 g of platinum-supported carbon in which platinum is supported on carbon black powder (platinum is 50% by mass in the total weight of the catalyst-supported carbon) is added. In the catalyst-carrying carbon pulverization step shown in step S12, this dispersion was dispersed for 30 seconds using a stirring deaerator.

そして、ステップS13のイオン交換樹脂添加工程で、イオン交換樹脂を添加し、ステップS14の粒径制御工程を実行した後、分散後の分散液の粒子の粒度分布を、粒度分布装置を用いて測定した。なお、このとき、ステップS14の粒径制御工程における攪拌脱泡装置での分散処理時間を10分とする。   And after adding an ion exchange resin at the ion exchange resin addition process of step S13 and performing the particle size control process of step S14, the particle size distribution of the particle | grains of the dispersion liquid after dispersion | distribution is measured using a particle size distribution apparatus. did. At this time, the dispersion processing time in the stirring and defoaming device in the particle size control step in step S14 is set to 10 minutes.

また、高分子電解質膜2として、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなるイオン交換膜(厚さ30μm)を使用し、このイオン交換膜に対して、カソード側及びアノード側両面に上記分散液を、いずれも白金含有量が0.3mg/cmとなるようにダイコータで塗工した。 Further, an ion exchange membrane (thickness 30 μm) made of a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group is used as the polymer electrolyte membrane 2, and the above dispersion is applied to both the cathode side and the anode side with respect to this ion exchange membrane. Each was coated with a die coater so that the platinum content was 0.3 mg / cm 2 .

なお、触媒インクを塗工するまでに1日以上放置してから塗工してもかまわない。   The catalyst ink may be applied after being left for at least one day before it is applied.

次いで、80℃にて5分〜10分程度乾燥することにより厚さ約10μmのガス拡散層32,42を高分子電解質膜2の両面に形成したMEA(膜・電極接合体、(膜触媒層接合体))5(電極面積196cm)を作製した。 Subsequently, MEA (membrane / electrode assembly, (membrane catalyst layer) in which gas diffusion layers 32 and 42 having a thickness of about 10 μm are formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 2 by drying at 80 ° C. for about 5 minutes to 10 minutes. Bonded body)) 5 (electrode area 196 cm 2 ) was produced.

次に、作製したMEA5を用いて燃料電池単セル1を組み立て、燃料電池単セル1におけるセル温度を90℃に設定する。そしてアノードに低加湿の水素ガスを、カソードに低加湿の空気を供給した後に電流密度:0.16A/cmで負荷を実施する。そして、12時間にわたり、電流密度一定で電流−電圧測定を実施した後に、今度は燃料電池単セル1のセル温度を65℃に設定する。そしてアノードに高加湿の水素ガスを、カソードに低加湿の空気を供給した後に電流密度:0.24A/cmで負荷を実施する。そして12時間にわたり、電流密度一定で連続して電流−電圧測定を実施した。そしてこの結果、得られた電圧の値を100として表1の例1として示す。 Next, the fuel cell single cell 1 is assembled using the produced MEA 5, and the cell temperature in the fuel cell single cell 1 is set to 90 ° C. Then, after supplying low-humidified hydrogen gas to the anode and low-humidified air to the cathode, loading is performed at a current density of 0.16 A / cm 2 . Then, after performing current-voltage measurement at a constant current density for 12 hours, the cell temperature of the single fuel cell 1 is set to 65 ° C. this time. Then, after supplying highly humidified hydrogen gas to the anode and supplying low humidified air to the cathode, loading is performed at a current density of 0.24 A / cm 2 . The current-voltage measurement was continuously performed at a constant current density over 12 hours. As a result, the obtained voltage value is set as 100 and is shown as Example 1 in Table 1.

これに対して、比較例(例2)として以下の条件でMEAを作製し、燃料電池単セルを組み立てるものとする。   On the other hand, as a comparative example (Example 2), an MEA is manufactured under the following conditions, and a fuel cell single cell is assembled.

すなわち、カソード側、アノード側ともに、塗工する分散液の調整において、つまり、ステップS14の粒径制御工程において、攪拌脱泡装置での分散処理時間を30分に設定する。この分散処理時間以外は上述した例1と同様にしてMEA5を作製し、燃料電池単セル1を組み立て、その性能及び分散液の特性について同様に評価した。このときの結果を表1に示す。   That is, in both the cathode side and the anode side, in the adjustment of the dispersion to be applied, that is, in the particle size control step of step S14, the dispersion processing time in the stirring deaerator is set to 30 minutes. Except for this dispersion treatment time, MEA 5 was produced in the same manner as in Example 1 described above, fuel cell single cell 1 was assembled, and its performance and dispersion characteristics were similarly evaluated. The results are shown in Table 1.

さらに、比較例(例3)として以下の条件でMEAを作製し、燃料電池単セルを組み立てるものとする。   Further, as a comparative example (Example 3), an MEA is manufactured under the following conditions, and a fuel cell single cell is assembled.

すなわち、カソード側、アノード側ともに、塗工する分散液の調整において、つまり、ステップS14の粒径制御工程において、攪拌脱泡装置での分散処理時間を3分に設定する。この分散処理時間以外は上述した例1と同様にしてMEAを作製し、燃料電池単セル1を組み立て、その性能及び分散液の特性について同様に評価した。このときの結果を表1に示す。   That is, on both the cathode side and the anode side, in the adjustment of the dispersion to be applied, that is, in the particle size control step of step S14, the dispersion processing time in the stirring deaerator is set to 3 minutes. Except for this dispersion treatment time, an MEA was produced in the same manner as in Example 1 described above, the fuel cell single cell 1 was assembled, and the performance and the properties of the dispersion were similarly evaluated. The results are shown in Table 1.

以上のように、攪拌脱泡装置での分散処理時間を10分として作製したMEA5を用いた燃料電池単セル1の方が、アノード及びカソードを共に低加湿で運転した場合(セル温度90℃)、アノードを高加湿とし、カソードを低加湿として運転した場合(セル温度を65℃)ともに、安定した結果が得られることが分かる。   As described above, when the fuel cell single cell 1 using the MEA 5 produced with a dispersion treatment time of 10 minutes in the stirring and defoaming apparatus is operated with both the anode and the cathode with low humidification (cell temperature 90 ° C.) It can be seen that stable results are obtained when the anode is operated with high humidification and the cathode is operated with low humidification (cell temperature is 65 ° C.).

以上のように、本発明に係る組成物は、以下の構成を有するものとすることができる。すなわち、本発明に係る組成物は、触媒担持カーボンと、イオン交換樹脂と、分散媒とを含み、燃料電池における触媒層を形成するために高分子電解質膜に塗工する組成物である。そして、組成物中において触媒担持カーボンは、触媒担持カーボンの粒子が結合して生成された一次凝集体のアグリゲート、アグリゲートが複数集まって形成された二次凝集体のアグロメレート、ならびにアグリゲートとアグロメレートとの中間の凝集状態であり、アグリゲートが複数集まって形成され且つ所定の粒径範囲の粒径を有する凝集体である会合アグリゲートの状態で含まれており、レーザー散乱・回折法により組成物中の粒度分布を測定した場合、会合アグリゲートの所定の粒径範囲に粒度分布のメインピークを有する。   As described above, the composition according to the present invention can have the following configuration. That is, the composition according to the present invention is a composition that contains a catalyst-supporting carbon, an ion exchange resin, and a dispersion medium, and is applied to a polymer electrolyte membrane to form a catalyst layer in a fuel cell. In the composition, the catalyst-supported carbon is composed of aggregates of primary aggregates formed by combining particles of catalyst-supported carbon, aggregates of secondary aggregates formed by aggregating a plurality of aggregates, and aggregates. It is an aggregated state intermediate to agglomerates, and is included in the state of aggregated aggregates that are formed by aggregating multiple aggregates and have a particle size in a predetermined particle size range. When the particle size distribution in the composition is measured, it has a main peak of the particle size distribution in a predetermined particle size range of the aggregate.

ここで組成物とは、触媒層を形成するために高分子電解質膜に塗工する塗料であって、液状、ペースト状のものを含む。   Here, the composition is a paint applied to the polymer electrolyte membrane to form a catalyst layer, and includes a liquid or paste-like material.

この構成によると、組成物中には、触媒担持カーボンの一次粒子が結合して生成されたアグリゲートの凝集状態により、アグリゲート単体の状態と、複数のアグリゲートが凝集した会合アグリゲートの状態と、さらに複数のアグリゲートが凝集したアグロメレートの状態とが混在する。そして、本発明に係る組成物では、レーザー散乱・回折法により組成物中の粒度分布を測定した結果、会合アグリゲートの粒径範囲にこの粒度分布のメインピークを有している。つまり、組成物中において会合アグリゲートの状態の触媒担持カーボンが一番多く存在している。なお、会合アグリゲートの粒径範囲とは、0.5μm以上1.5μm以下の範囲である。   According to this configuration, in the composition, depending on the aggregated state of the aggregate formed by the primary particles of the catalyst-supporting carbon, the state of the aggregate alone and the state of the aggregate aggregate in which multiple aggregates are aggregated And an agglomerate state in which a plurality of aggregates are further aggregated. In the composition according to the present invention, as a result of measuring the particle size distribution in the composition by the laser scattering / diffraction method, it has a main peak of this particle size distribution in the particle size range of the aggregate. That is, the catalyst-supported carbon in the aggregated aggregate state is the most present in the composition. The particle size range of the aggregate is a range of 0.5 μm or more and 1.5 μm or less.

このように組成物中に会合アグリゲートが一番多く存在することで、触媒担持カーボンにイオン交換樹脂を均一に被覆させることができ、三相界面が大きくなることによって電池特性が向上し、燃料電池の出力を高めることができる。   Thus, the presence of the largest number of aggregates in the composition enables the catalyst-supporting carbon to be uniformly coated with the ion exchange resin, and the three-phase interface is increased to improve the cell characteristics and improve the fuel. The output of the battery can be increased.

また、会合アグリゲートだけではなく、体積頻度は小さくなるがアグリゲートも存在するため、このアグリゲートが会合アグリゲート間の接合部分の間隙に入り込むことにより、H導電性および電気伝導性を向上させることができる。 In addition to the aggregate aggregate, the volume frequency is small, but aggregates exist, so this aggregate enters the gap at the junction between the aggregate aggregates, improving H + conductivity and electrical conductivity. Can be made.

また、体積頻度は小さくなるが空隙を有するアグロメレートも存在するため、ガス拡散性ならびに排水性を確保することができる。   In addition, agglomerates having voids with a small volume frequency also exist, so that gas diffusibility and drainage can be ensured.

よって、本発明に係る組成物は、電池特性を向上させ、燃料電池の出力を高めるとともに、高加湿条件下でのフラッティングを防止し、低加湿条件下で触媒活性の低下を防ぐことができるという効果を奏する。   Therefore, the composition according to the present invention can improve battery characteristics, increase the output of the fuel cell, prevent flatting under high humidification conditions, and prevent a decrease in catalytic activity under low humidification conditions. There is an effect.

また、以上のように、本発明に係る膜触媒層接合体は、以下の構成を有するものとすることができる。   Moreover, as described above, the membrane catalyst layer assembly according to the present invention can have the following configuration.

すなわち、本発明に係る膜触媒層接合体は、高分子電解質膜と、該高分子電膜上に配置された触媒層とを有する膜触媒層接合体である。そして、触媒層は、触媒担持カーボンと、イオン交換樹脂と、分散媒とを含み、触媒担持カーボンが、該触媒担持カーボンの粒子が結合して生成された一次凝集体のアグリゲート、該アグリゲートが複数集まって形成された二次凝集体のアグロメレート、ならびにアグリゲートとアグロメレートとの中間の凝集状態でありアグリゲートが複数集まって形成され且つ所定の粒径範囲の粒径を有する凝集体である会合アグリゲートの状態で含まれており、レーザー散乱・回折法により測定することで得られる粒度分布において、会合アグリゲートの所定の粒径範囲に粒度分布のメインピークを有する組成物を、高分子電解質膜に塗工することで形成される。   That is, the membrane / catalyst layer assembly according to the present invention is a membrane / catalyst layer assembly having a polymer electrolyte membrane and a catalyst layer disposed on the polymer electrode membrane. The catalyst layer includes a catalyst-carrying carbon, an ion exchange resin, and a dispersion medium. The catalyst-carrying carbon is an aggregate of primary aggregates formed by combining particles of the catalyst-carrying carbon, the aggregate Agglomerates of secondary agglomerates formed by a plurality of aggregates, and agglomerates that are in an intermediate agglomerated state between aggregates and agglomerates and are formed by aggregating a plurality of aggregates and having a particle size in a predetermined particle size range A composition having a main peak of the particle size distribution in a predetermined particle size range of the aggregate in the particle size distribution which is included in the state of the aggregate and obtained by measuring by a laser scattering / diffraction method. It is formed by coating on the electrolyte membrane.

ここで、組成物とは、触媒層を形成するために高分子電解質膜に塗工する塗料であって、液状、ペースト状のものを含む。   Here, the composition is a paint applied to the polymer electrolyte membrane in order to form a catalyst layer, and includes liquid and paste-like materials.

この構成によると、本発明に係る膜触媒層接合体は、触媒担持カーボンの一次粒子が結合して生成されたアグリゲートの凝集状態として、アグリゲート単体の状態と、複数のアグリゲートが凝集した会合アグリゲートの状態と、さらに複数のアグリゲートが凝集したアグロメレートの状態とが混在した組成物を高分子電解質膜に塗工することで形成される。そして、この組成物では、レーザー散乱・回折法により組成物中の粒度分布を測定した結果、会合アグリゲートの粒径に対応する範囲にこの粒度分布のメインピークを有している。つまり、組成物中において会合アグリゲートの状態の触媒担持カーボンが一番多く存在している。なお、会合アグリゲートの粒径に対応する範囲とは、0.5μm以上1.5μm以下の範囲である。   According to this configuration, in the membrane-catalyst layer assembly according to the present invention, the aggregated state of the aggregate formed by the primary particles of the catalyst-supported carbon is aggregated as a single aggregate and a plurality of aggregates are aggregated. It is formed by coating a polymer electrolyte membrane with a composition in which a state of an aggregate aggregate and a state of an agglomerate in which a plurality of aggregates are further aggregated. And as a result of measuring the particle size distribution in the composition by the laser scattering / diffraction method, this composition has a main peak of this particle size distribution in a range corresponding to the particle size of the aggregate. That is, the catalyst-supported carbon in the aggregated aggregate state is the most present in the composition. Note that the range corresponding to the particle size of the aggregate is a range of 0.5 μm or more and 1.5 μm or less.

このように組成物中に会合アグリゲートが一番多く存在することで、触媒担持カーボンにイオン交換樹脂を均一に被覆させることができ、三相界面が大きくなることによって電池特性が向上し、燃料電池の出力を高めることができる。   Thus, the presence of the largest number of aggregates in the composition enables the catalyst-supporting carbon to be uniformly coated with the ion exchange resin, and the three-phase interface is increased to improve the cell characteristics and improve the fuel. The output of the battery can be increased.

また、会合アグリゲートだけではなく、体積頻度は小さくなるがアグリゲートも存在するため、このアグリゲートが会合アグリゲート間の接合部分の間隙に入り込むことにより、H導電性および電気伝導性を向上させることができる。 In addition to the aggregate aggregate, the volume frequency is small, but aggregates exist, so this aggregate enters the gap at the junction between the aggregate aggregates, improving H + conductivity and electrical conductivity. Can be made.

また、体積頻度は小さくなるが空隙を有するアグロメレートも存在するため、ガス拡散性ならびに排水性を確保することができる。   In addition, agglomerates having voids with a small volume frequency also exist, so that gas diffusibility and drainage can be ensured.

よって、本発明に係る膜触媒層接合体は、電池特性を向上させ、燃料電池の出力を高めるとともに、高加湿条件下でのフラッティングを防止し、低加湿条件下で触媒活性の低下を防ぐことができるという効果を奏する。   Therefore, the membrane / catalyst layer assembly according to the present invention improves battery characteristics, increases the output of the fuel cell, prevents flattening under high humidification conditions, and prevents a decrease in catalyst activity under low humidification conditions. There is an effect that can be.

また、以上のように本発明に係る膜触媒層接合体の製造方法は、以下の製造方法を含むものとすることができる。   Moreover, the manufacturing method of the membrane catalyst layer assembly which concerns on this invention as mentioned above shall include the following manufacturing methods.

すなわち、本発明に係る膜触媒層接合体の製造方法は、高分子電解質膜を準備し、この高分子電解質膜上に、触媒担持カーボンと、イオン交換樹脂と、分散媒とを含み、触媒担持カーボンの一次粒子が結合して生成されたアグリゲートの凝集状態として、触媒担持カーボンの粒子が結合して生成された一次凝集体のアグリゲート、アグリゲートが複数集まって形成された二次凝集体のアグロメレート、ならびに該アグリゲートと該アグロメレートとの中間の凝集状態でありアグリゲートが複数集まって形成され、且つ所定の粒径範囲の粒径を有する凝集体である会合アグリゲートとを含み、レーザー散乱・回折法により測定することで得られる粒度分布において、前記会合アグリゲートの所定の粒径範囲にメインピークを有する組成物を塗工する。   That is, the method for producing a membrane / catalyst layer assembly according to the present invention comprises preparing a polymer electrolyte membrane, and containing the catalyst-carrying carbon, the ion exchange resin, and the dispersion medium on the polymer electrolyte membrane, Aggregates of aggregates formed by combining primary particles of carbon and aggregates of primary aggregates formed by combining particles of catalyst-supported carbon, and secondary aggregates formed by aggregating multiple aggregates Agglomerates, and aggregate aggregates that are intermediate aggregate states of the aggregates and the agglomerates, are formed by aggregating a plurality of aggregates, and are aggregates having a particle size in a predetermined particle size range, and a laser In a particle size distribution obtained by measuring by a scattering / diffraction method, a composition having a main peak in a predetermined particle size range of the aggregate is applied. That.

ここで、組成物とは、触媒層を形成するために高分子電解質膜に塗工する塗料であって、液状、ペースト状のものを含む。   Here, the composition is a paint applied to the polymer electrolyte membrane in order to form a catalyst layer, and includes liquid and paste-like materials.

この方法によると、触媒担持カーボン粒子が結合して生成されたアグリゲートの凝集状態として、アグリゲート単体の状態と、数個のアグリゲートが凝集した会合アグリゲートの状態と、さらに複数のアグリゲートが凝集したアグロメレートの状態とが混在した組成物を、高分子電解質膜に塗工することで膜触媒層接合体を形成する。   According to this method, the aggregated state of the aggregate formed by combining the catalyst-supporting carbon particles includes the state of an aggregate alone, the state of an aggregate aggregate in which several aggregates are aggregated, and a plurality of aggregates. A membrane / catalyst layer assembly is formed by coating a polymer electrolyte membrane with a composition mixed with the state of agglomerates in which the agglomerates are aggregated.

そして、この組成物では、レーザー散乱・回折法により組成物中の粒度分布を測定した結果、会合アグリゲートの粒径範囲にこの粒度分布のメインピークを有している。つまり、組成物中において会合アグリゲートの状態の触媒担持カーボンが一番多く存在している。なお、会合アグリゲートの粒径範囲とは、0.5μm以上1.5μm以下の範囲である。   In this composition, as a result of measuring the particle size distribution in the composition by a laser scattering / diffraction method, the composition has a main peak of the particle size distribution in the particle size range of the aggregate. That is, the catalyst-supported carbon in the aggregated aggregate state is the most present in the composition. The particle size range of the aggregate is a range of 0.5 μm or more and 1.5 μm or less.

このように組成物中に会合アグリゲートが一番多く存在することで、触媒担持カーボンにイオン交換樹脂を均一に被覆させることができ、三相界面が大きくなることによって電池特性が向上し、燃料電池の出力を高めることができる。   Thus, the presence of the largest number of aggregates in the composition enables the catalyst-supporting carbon to be uniformly coated with the ion exchange resin, and the three-phase interface is increased to improve the cell characteristics and improve the fuel. The output of the battery can be increased.

また、会合アグリゲートだけではなく、体積頻度は小さくなるがアグリゲートも存在するため、このアグリゲートが会合アグリゲート間の接合部分の間隙に入り込むことにより、H導電性および電気伝導性を向上させることができる。 In addition to the aggregate aggregate, the volume frequency is small, but aggregates exist, so this aggregate enters the gap at the junction between the aggregate aggregates, improving H + conductivity and electrical conductivity. Can be made.

また、体積頻度は小さくなるが空隙を有するアグロメレートも存在するため、ガス拡散性ならびに排水性を確保することができる。   In addition, agglomerates having voids with a small volume frequency also exist, so that gas diffusibility and drainage can be ensured.

よって、本発明に係る膜触媒層接合体の製造方法では、電池特性を向上させ、燃料電池の出力を高めるとともに、高加湿条件下でのフラッティングを防止し、低加湿条件下で触媒活性の低下を防ぐことができるという効果を奏する。   Therefore, in the method for producing a membrane / catalyst layer assembly according to the present invention, the battery characteristics are improved, the output of the fuel cell is increased, the flattening under high humidification conditions is prevented, and the catalytic activity is exhibited under low humidification conditions. There exists an effect that a fall can be prevented.

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。   From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are obvious to one skilled in the art. Accordingly, the foregoing description should be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. The details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.

本発明の高分子電解質形燃料電池は、自動車などの移動体、分散発電システムおよび家
庭用のコージェネレーションシステムなどに好適に利用されることが期待される。
The polymer electrolyte fuel cell of the present invention is expected to be suitably used for mobile objects such as automobiles, distributed power generation systems, and home cogeneration systems.

1 燃料電池単セル
2 高分子電解質膜
3 燃料極
4 空気極
5 MEA
6 セパレータ
7 セパレータ
31 燃料極触媒層
32 ガス拡散層
41 空気極触媒層
42 ガス拡散層
1 Fuel Cell Single Cell 2 Polymer Electrolyte Membrane 3 Fuel Electrode 4 Air Electrode 5 MEA
6 Separator 7 Separator 31 Fuel Electrode Catalyst Layer 32 Gas Diffusion Layer 41 Air Electrode Catalyst Layer 42 Gas Diffusion Layer

Claims (6)

触媒担持カーボンと、イオン交換樹脂と、分散媒とを含み、燃料電池における触媒層を形成するために高分子電解質膜に塗工する組成物であって、
当該組成物中において触媒担持カーボンは、該触媒担持カーボンの粒子が結合して生成された一次凝集体のアグリゲート、該アグリゲートが複数集まって形成された二次凝集体のアグロメレート、ならびに該アグリゲートと該アグロメレートとの中間の凝集状態であり、アグリゲートが複数集まって形成され且つ所定の粒径範囲の粒径を有する凝集体である会合アグリゲートの状態で含まれており、
レーザー散乱・回折法により組成物中の粒度分布を測定した場合、前記会合アグリゲートの所定の粒径範囲に粒度分布のメインピークを有する組成物。
A composition comprising a catalyst-supporting carbon, an ion exchange resin, and a dispersion medium, which is applied to a polymer electrolyte membrane to form a catalyst layer in a fuel cell,
The catalyst-supported carbon in the composition includes an aggregate of primary aggregates formed by combining the particles of the catalyst-supported carbon, an agglomerate of secondary aggregates formed by collecting a plurality of the aggregates, and the aggregates. It is an intermediate aggregate state between the gate and the agglomerate, and is included in the state of an aggregate aggregate that is an aggregate formed by aggregating a plurality of aggregates and having a particle size in a predetermined particle size range,
A composition having a main peak of particle size distribution in a predetermined particle size range of the aggregate when the particle size distribution in the composition is measured by a laser scattering / diffraction method.
前記触媒担持カーボンが担持する触媒は、白金又は白金合金である請求項1に記載の組成物。   The composition according to claim 1, wherein the catalyst supported by the catalyst-supporting carbon is platinum or a platinum alloy. 高分子電解質膜と、該高分子電膜上に配置された触媒層とを有する膜触媒層接合体であって、
前記触媒層は、触媒担持カーボンと、イオン交換樹脂と、分散媒とを含み、触媒担持カーボンが、該触媒担持カーボンの粒子が結合して生成された一次凝集体のアグリゲート、該アグリゲートが複数集まって形成された二次凝集体のアグロメレート、ならびに該アグリゲートと該アグロメレートとの中間の凝集状態でありアグリゲートが複数集まって形成され且つ所定の粒径範囲の粒径を有する凝集体である会合アグリゲートの状態で含まれており、レーザー散乱・回折法により測定することで得られる粒度分布において、前記会合アグリゲートの所定の粒径範囲に粒度分布のメインピークを有する組成物を、高分子電解質膜に塗工することで形成される膜触媒層接合体。
A membrane-catalyst layer assembly comprising a polymer electrolyte membrane and a catalyst layer disposed on the polymer electrode membrane,
The catalyst layer includes a catalyst-carrying carbon, an ion exchange resin, and a dispersion medium. The catalyst-carrying carbon is an aggregate of primary aggregates formed by combining particles of the catalyst-carrying carbon, and the aggregate is Agglomerates of secondary aggregates formed by aggregating, and agglomerates that are in an intermediate agglomerated state between the aggregate and the agglomerate and are formed by aggregating a plurality of aggregates and having a particle size in a predetermined particle size range. In a particle size distribution that is contained in a state of an aggregate and is obtained by measurement by a laser scattering / diffraction method, a composition having a main peak of the particle size distribution in a predetermined particle size range of the aggregate. A membrane-catalyst layer assembly formed by coating a polymer electrolyte membrane.
前記触媒担持カーボンが担持する触媒は、白金又は白金合金である請求項3に記載の膜触媒層接合体。   The membrane / catalyst layer assembly according to claim 3, wherein the catalyst supported by the catalyst-supporting carbon is platinum or a platinum alloy. 高分子電解質膜を準備し、
この高分子電解質膜上に、触媒担持カーボンと、イオン交換樹脂と、分散媒とを含み、触媒担持カーボンの一次粒子が結合して生成されたアグリゲートの凝集状態として、触媒担持カーボンの粒子が結合して生成された一次凝集体のアグリゲート、該アグリゲートが複数集まって形成された二次凝集体のアグロメレート、ならびに該アグリゲートと該アグロメレートとの中間の凝集状態でありアグリゲートが複数集まって形成され且つ所定の粒径範囲の粒径を有する凝集体である会合アグリゲートとを含み、レーザー散乱・回折法により測定することで得られる粒度分布において、前記会合アグリゲートの所定の粒径範囲にメインピークを有する組成物を塗工する、膜触媒層接合体の製造方法。
Prepare a polymer electrolyte membrane,
On this polymer electrolyte membrane, the catalyst-supported carbon particles, the ion-exchange resin, and the dispersion medium, and the aggregated state of the aggregates formed by combining the primary particles of the catalyst-supported carbon, the catalyst-supported carbon particles are Aggregates of primary aggregates formed by combining, agglomerates of secondary aggregates formed by aggregating a plurality of aggregates, and agglomerated states intermediate between the aggregates and the agglomerates and aggregating a plurality of aggregates In the particle size distribution obtained by measurement by a laser scattering / diffraction method, and the predetermined particle size of the aggregate A method for producing a membrane catalyst layer assembly, which comprises applying a composition having a main peak in a range.
前記高分子膜上に前記組成物を、ダイコータ、リップコータ、コンマコータ、グラビアコータ、スクリーン印刷、またはスプレー方式を用いて塗工する請求項5記載の膜触媒層接合体の製造方法。   The method for producing a membrane / catalyst layer assembly according to claim 5, wherein the composition is applied onto the polymer membrane using a die coater, a lip coater, a comma coater, a gravure coater, screen printing, or a spray method.
JP2011189458A 2011-08-31 2011-08-31 Method for producing the composition Active JP5884044B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011189458A JP5884044B2 (en) 2011-08-31 2011-08-31 Method for producing the composition

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011189458A JP5884044B2 (en) 2011-08-31 2011-08-31 Method for producing the composition

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013051173A true JP2013051173A (en) 2013-03-14
JP5884044B2 JP5884044B2 (en) 2016-03-15

Family

ID=48013044

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011189458A Active JP5884044B2 (en) 2011-08-31 2011-08-31 Method for producing the composition

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5884044B2 (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003527735A (en) * 2000-03-22 2003-09-16 スーペリア マイクロパウダーズ リミテッド ライアビリティ カンパニー Electrode catalyst powder, method for producing powder, and device formed from the powder

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003527735A (en) * 2000-03-22 2003-09-16 スーペリア マイクロパウダーズ リミテッド ライアビリティ カンパニー Electrode catalyst powder, method for producing powder, and device formed from the powder

Also Published As

Publication number Publication date
JP5884044B2 (en) 2016-03-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2009252359A (en) Fuel cell
JP5141104B2 (en) Manufacturing method of fuel cell
JP2007214008A (en) Electrode catalyst for polymer electrolyte fuel cell, its manufacturing method and solid polymer fuel cell
JP5332294B2 (en) Manufacturing method of membrane electrode assembly
JP5126812B2 (en) Direct oxidation fuel cell
JP5581583B2 (en) Membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell
JP5428493B2 (en) Method for producing polymer electrolyte fuel cell
JP4918753B2 (en) Electrode, battery, and manufacturing method thereof
JP4858658B2 (en) Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell and polymer electrolyte fuel cell having the same
JP5132699B2 (en) Membrane electrode structure for fuel cell and manufacturing method thereof
JP6819688B2 (en) Method for manufacturing membrane-electrode assembly, membrane-electrode assembly manufactured from now on, and fuel cell containing this
JP5487701B2 (en) Membrane electrode assembly, method for producing the same, and polymer electrolyte fuel cell
JP5884044B2 (en) Method for producing the composition
JP2011070984A (en) Method of manufacturing electrode catalyst layer for fuel cell, and membrane-electrode assembly having the electrode catalyst layer
JP5672645B2 (en) Electrocatalyst ink for fuel cell
JP5790049B2 (en) Membrane electrode assembly, method for producing the same, and polymer electrolyte fuel cell
JP5907065B2 (en) Fuel cell electrode catalyst layer slurry, electrode catalyst layer manufacturing method, membrane electrode assembly manufacturing method, and fuel cell manufacturing method
JP7452480B2 (en) Catalyst layer and its manufacturing method
JP2009245932A (en) Electrode catalyst ink for fuel cell, electrode catalyst layer, membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell
JP7315079B2 (en) Electrode catalyst layer, membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell
JP2009193910A (en) Membrane-electrode assembly and solid polymer fuel cell
JP5434051B2 (en) Membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell
JP2016042442A (en) Catalyst ink, and method for manufacturing the same
JP2011198502A (en) Manufacturing method of membrane electrode assembly for solid polymer fuel cell and membrane electrode assembly using it, fuel cell single cell, fuel cell stack
JP2005166335A (en) Manufacturing method of solid polymer electrolyte type fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20140718

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20141009

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20141011

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20150210

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20150224

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150415

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20151006

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20151009

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 5884044

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151