JP2013073852A - Catalyst layer for fuel cell and production method therefor - Google Patents

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俊秀 中田
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菜 早川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve such problems of a catalyst layer for fuel cell using conductive diamond-like carbon or glassy carbon as a carrier that it is difficult to attain high activity, and that the E/C ensuring high output characteristics is different in each humidification state.SOLUTION: The catalyst layer for fuel cell is produced via a step of preparing a main catalyst paste where the catalyst is coated with a first polymer electrolyte layer of first thickness by dispersing a catalyst including a first carbon catalyst composed of conductive diamond-like carbon or glassy carbon into a solution of first polymer electrolyte, a step of preparing a water-retention paste where a second catalyst is coated with a second polymer electrolyte layer of second thickness thicker than the first thickness by dispersing the second catalyst into a solution of second polymer electrolyte, and a step of mixing the main catalyst paste and the water-retention paste.

Description

この発明は燃料電池用触媒層及びその製造方法の改良に関する。   The present invention relates to an improvement in a fuel cell catalyst layer and a method for producing the same.

燃料電池に用いられる膜電極接合体は固体高分子電解質膜を水素極と空気極とで挟んだ構成であり、水素極及び空気極はそれぞれ固体高分子電解質膜側から反応層と拡散層とを順次積層した構造である。
この反応層は触媒と電解質との混合体であり、触媒の担体として導電性ダイヤモンドライクカーボン(以下「DLC」と省略することがある)やグラッシーカーボンを利用できることが特許文献1に提案されている。これらの物質はカーボンブラックに比べて化学的また物理的に安定であるため、触媒活性が安定化する。
活性の低い触媒に対して、電解質を薄く被覆した(即ちE/C(電解質とカーボンの重量比、以下同じ)の小さい)主触媒ペーストと、担体粒子(即ち、触媒金属粒子を担持しない)を厚い電解質層で被覆してなる(即ちE/Cの大きい)保水材ペーストとを混合する技術が特許文献2〜4に提案されている。ここに、触媒を被覆する電解質膜を薄くすると酸素の透過性が良好となるので、触媒が本来備える活性を最大限に引き出せる。他方、電解質を薄くすると、低加湿状態での水分保持機能及び高加湿状態での水分除去機能に劣るおそれがあるので、E/Cの大きい保水材ペーストを加えて、反応層の水分調節を担わせる。
A membrane electrode assembly used in a fuel cell has a structure in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a hydrogen electrode and an air electrode. The hydrogen electrode and the air electrode are each provided with a reaction layer and a diffusion layer from the solid polymer electrolyte membrane side. It is a structure that is sequentially laminated.
This reaction layer is a mixture of a catalyst and an electrolyte, and it is proposed in Patent Document 1 that conductive diamond-like carbon (hereinafter sometimes abbreviated as “DLC”) or glassy carbon can be used as a catalyst support. . Since these materials are chemically and physically stable compared to carbon black, the catalytic activity is stabilized.
A main catalyst paste having a thin coating of an electrolyte (that is, a small E / C (weight ratio of electrolyte to carbon; the same applies hereinafter)) and carrier particles (that is, not supporting catalyst metal particles) with respect to a catalyst having low activity Patent Documents 2 to 4 propose techniques for mixing with a water-retaining material paste coated with a thick electrolyte layer (that is, having a large E / C). Here, if the electrolyte membrane covering the catalyst is thinned, the oxygen permeability is improved, so that the activity inherent to the catalyst can be maximized. On the other hand, if the electrolyte is made thinner, the moisture retention function in the low humidification state and the moisture removal function in the high humidification state may be inferior. Therefore, a water retention paste having a large E / C is added to control the moisture in the reaction layer. Make it.

特開2010−99063号公報JP 2010-99063 A 特開2011−119208号公報JP 2011-119208 A 特開2011−119209号公報JP 2011-119209 A 特開2011−14209号公報JP 2011-14209 A

DLCやグラッシーカーボンを担体に用いた触媒では、カーボンブラックを担体とした触媒に比べて高い活性を得がたかった。
また、特にDLCでは、加湿の状態に応じて好ましいE/Cに違いがあった。たとえば低加湿状態で高い出力特性を確保できるE/Cを採用したときには高加湿状態での出力特性を犠牲にすることとなった。
Catalysts using DLC or glassy carbon as a carrier are difficult to obtain higher activity than catalysts using carbon black as a carrier.
Particularly in DLC, there was a difference in preferable E / C depending on the humidified state. For example, when E / C that can ensure high output characteristics in a low humidified state is employed, the output characteristics in a highly humidified state are sacrificed.

本発明者らは、DLCやグラッシーカーボンを担体とした触媒の低活性の対策として、既述の特許文献2〜4に開示の技術に着目した。
即ち、この発明の第1の局面は次のように規定される。
導電性ダイヤモンドライクカーボン若しくはグラッシーカーボンからなる第1のカーボン担体を備える触媒を第1の高分子電解質の溶液に分散し、前記触媒が第1の膜厚の前記第1の高分子電解質層で被覆されてなる主触媒ペーストを準備するステップと、
第2の担体を第2の高分子電解質の溶液に分散し、前記第2の担体が前記第2の膜厚より厚い第2の膜厚の前記第2の高分子電解質層で被覆されてなる保水材ペーストを準備するステップと、
前記主触媒ペーストと前記保水材ペーストとを混合するステップと、を含む燃料電池用触媒層の製造方法。
The present inventors have paid attention to the techniques disclosed in Patent Documents 2 to 4 described above as a countermeasure against low activity of catalysts using DLC or glassy carbon as a carrier.
That is, the first aspect of the present invention is defined as follows.
A catalyst including a first carbon support made of conductive diamond-like carbon or glassy carbon is dispersed in a first polymer electrolyte solution, and the catalyst is covered with the first polymer electrolyte layer having a first film thickness. Preparing a main catalyst paste comprising:
A second carrier is dispersed in a second polymer electrolyte solution, and the second carrier is covered with the second polymer electrolyte layer having a second film thickness larger than the second film thickness. Preparing a water-retaining material paste;
And a step of mixing the main catalyst paste and the water retention material paste.

このように規定される製造方法で得られた触媒層では、主触媒ペーストから溶媒が蒸発してなる部分(主触媒体)と、保水材ペーストから溶媒が蒸発してなる部分(保水材)とが混在している。そして、電解質膜が薄い前者の部分(主触媒体)で触媒の本来の活性が最大限利用され、電解質膜が厚い後者の部分(保水材)で触媒層中での水分調節が良好に行われる。
その結果、DLCやグラッシーカーボンを担体とする触媒を含む燃料電池用触媒層は高い活性を有する。
In the catalyst layer obtained by the production method defined as described above, a portion where the solvent evaporates from the main catalyst paste (main catalyst body), and a portion where the solvent evaporates from the water retention material paste (water retention material) Are mixed. Then, the original activity of the catalyst is utilized to the maximum in the former part (main catalyst body) where the electrolyte membrane is thin, and the moisture adjustment in the catalyst layer is favorably performed in the latter part (water retention material) where the electrolyte membrane is thick. .
As a result, a fuel cell catalyst layer including a catalyst having DLC or glassy carbon as a carrier has high activity.

さらに注目すべきは、DLCを担体とした触媒を触媒層として用いる燃料電池では、高い出力特性を得られるE/Cが加湿状態毎に異なっていた。
これに対し、この第1の局面の製造方法で製造された触媒層によれば、DLCを担体とした触媒を採用しても、これと保水材とを併用することにより、所定のE/C比において、低加湿状態から高加湿状態のすべての加湿状態において、高い出力特性が得られた。
Further, it should be noted that in a fuel cell using a catalyst with DLC as a support as a catalyst layer, the E / C at which high output characteristics can be obtained differs for each humidified state.
On the other hand, according to the catalyst layer manufactured by the manufacturing method of the first aspect, even if a catalyst using DLC as a carrier is employed, by using this together with a water retaining material, a predetermined E / C can be obtained. In terms of the ratio, high output characteristics were obtained in all humidification states from the low humidification state to the high humidification state.

図1はこの発明の実施例の混合ペーストを示す模式図である。FIG. 1 is a schematic view showing a mixed paste according to an embodiment of the present invention. 図2は実施例及び比較例の触媒層を備えた燃料電池を高加湿条件で運転したときのI−V特性を示す。FIG. 2 shows IV characteristics when a fuel cell provided with catalyst layers of Examples and Comparative Examples is operated under high humidification conditions. 図3は実施例及び比較例の触媒層を備えた燃料電池を低加湿条件で運転したときのI−V特性を示す。FIG. 3 shows IV characteristics when a fuel cell provided with catalyst layers of Examples and Comparative Examples is operated under low humidification conditions. 図4は図5(B)に対応したPFF構造を説明する模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a PFF structure corresponding to FIG. 図5は電解質溶液中の電解質の形態を示す模式図であり、電解質溶液の水分濃度が高い場合(A)と低い場合(B)を示す。FIG. 5 is a schematic diagram showing the form of the electrolyte in the electrolyte solution, and shows a case where the water concentration of the electrolyte solution is high (A) and a case where it is low (B). 図6は図5(A)に対応したPFF構造を説明する模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the PFF structure corresponding to FIG. 図7(A)はプレペーストと電解質溶液との撹拌時間と粘度との関係を示し、図7(B)は同じく撹拌時間と反応層抵抗の関係を示す。FIG. 7 (A) shows the relationship between the stirring time and the viscosity of the pre-paste and the electrolyte solution, and FIG. 7 (B) shows the relationship between the stirring time and the reaction layer resistance. 図8は触媒ペーストの製造装置の模式図を示す。FIG. 8 shows a schematic diagram of an apparatus for producing a catalyst paste.

この発明では、主触媒ペーストと保水材ペーストとを別個に準備してこれらを混合して触媒ペーストを得る。
ここに、主触媒ペーストは第1のカーボン担体を備える触媒を第1の高分子電解質の溶液に分散し、触媒を第1の高分子電解質層で被覆する。
第1のカーボン担体にはDLC若しくはグラッシーカーボンを用いることができる。
In this invention, the main catalyst paste and the water retention material paste are separately prepared and mixed to obtain the catalyst paste.
Here, the main catalyst paste disperses the catalyst including the first carbon support in the first polymer electrolyte solution, and coats the catalyst with the first polymer electrolyte layer.
DLC or glassy carbon can be used for the first carbon support.

ここにDLCとは、ダイヤモンド結合(炭素同士のSP混成軌道結合)とグラファイト結合(炭素同士のSP混成軌道結合)の両方の結合が混在しているアモルファス構造をとるカーボンのうち、導電性が1000Ωcm以下のものをいう。ただし、アモルファス構造以外に、部分的にグラファイト構造からなる結晶構造(すなわちSP混成軌道結合からなる六方晶系結晶構造)からなる相を有し、これにより導電性が発揮されるものも含まれる。グラファイトとダイヤモンドの中間の性質を有するダイヤモンドライクカーボンは、成膜時にダイヤモンドライクカーボンを構成する炭素原子のSP混成軌道結合とSP混成軌道結合の比率を調整することで、導電性を調節することができる。
グラッシーカーボンとは、カーボンが還元性雰囲気下の高温で変性して生じるガラス状のカーボンをいう。
これらに担持される金属触媒粒子は、燃料電池反応の寄与できるものであれば特に限定されないが、白金や白金合金等の微細粒子を採用できる。
Here, DLC is a conductive carbon among carbons having an amorphous structure in which both diamond bonds (SP 3 hybrid orbital bonds between carbons) and graphite bonds (SP 2 hybrid orbital bonds between carbons) are mixed. Means 1000 Ωcm or less. However, in addition to the amorphous structure, those having a phase composed of a crystal structure partially composed of a graphite structure (that is, a hexagonal crystal structure composed of SP 2 hybrid orbital bonds) and thereby exhibiting conductivity are also included. . Diamond-like carbon having properties intermediate between graphite and diamond adjusts the conductivity by adjusting the ratio of SP 2 hybrid orbital bonds and SP 3 hybrid orbital bonds of the carbon atoms constituting diamond-like carbon during film formation. be able to.
Glassy carbon refers to glassy carbon that is generated when carbon is denatured at a high temperature in a reducing atmosphere.
The metal catalyst particles supported on these are not particularly limited as long as they can contribute to the fuel cell reaction, but fine particles such as platinum and platinum alloys can be adopted.

第1の高分子電解質にはパーフルオロスルホン酸が一般的に用いられる。この第1の高分子電解質は混合溶媒(水+アルコール)に溶解され、これを主触媒プレペースト(触媒+水)と混合して主触媒ペーストを得る。
この主触媒ペーストにはPFF構造を採用することが好ましい。PFF構造についてはこの明細書の最後で詳述する。
Perfluorosulfonic acid is generally used for the first polymer electrolyte. This first polymer electrolyte is dissolved in a mixed solvent (water + alcohol) and mixed with a main catalyst pre-paste (catalyst + water) to obtain a main catalyst paste.
This main catalyst paste preferably employs a PFF structure. The PFF structure will be described in detail at the end of this specification.

酸素透過性を確保するため、第1のカーボン担体を備える触媒を被覆する第1の高分子電解質層は可及的に薄膜とすることができる。最適な電解質とカーボンの重量比(E/C)は、用いるカーボン担体の比表面積、細孔容積等によって変動するが、ここで用いるDLCやグラッシーカーボンのような比表面積が300m2/g以下であるような低比表面積担体において、本発明者らの検討によれば、主触媒体のE/Cを0.15〜0.60程度とすることが好ましい。
E/Cを0.15未満とすると、第1の電解質膜が薄くなりすぎて、PFF構造が不安定になる。また、E/Cを0.60より大きくとすると、第1の電解質膜の膜厚(第1の膜厚)が厚くなり過ぎて酸素透過性が低下し、ひいては出力特性が大幅に低下する。
In order to ensure oxygen permeability, the first polymer electrolyte layer covering the catalyst including the first carbon support can be made as thin as possible. The optimum weight ratio (E / C) of the electrolyte and carbon varies depending on the specific surface area of the carbon support used, the pore volume, etc., but the specific surface area such as DLC or glassy carbon used here is 300 m 2 / g or less. In such a low specific surface area carrier, according to the study by the present inventors, it is preferable that the E / C of the main catalyst body is about 0.15 to 0.60.
If E / C is less than 0.15, the first electrolyte membrane becomes too thin and the PFF structure becomes unstable. On the other hand, if E / C is larger than 0.60, the film thickness (first film thickness) of the first electrolyte film becomes too thick, and oxygen permeability is lowered, and as a result, the output characteristics are greatly lowered.

第2の担体としては任意のカーボン担体を用いることができる。製造コストの見地から汎用的なカーボンブラックを用いることが好ましい。
導電性を備えかつカーボンブラックと同等以上の耐久性を確保できるものであれば、第2の担体の材質は特に限定されない。
Any carbon carrier can be used as the second carrier. From the viewpoint of production cost, it is preferable to use general-purpose carbon black.
The material of the second carrier is not particularly limited as long as it has conductivity and can ensure durability equal to or higher than that of carbon black.

第2の高分子電解質にもパーフルオロスルホン酸が用いられる。この第2の高分子電解質を水、アルコールと混合して混合溶液とし、これと保水材プレペースト(第2の担体+水)とを混合して保水材ペーストを得る。
第2の高分子電解質として第1の高分子電解質と同一若しくは同種のものを採用することができる。
なお、保水材ペースト側の第2の高分子電解質が主触媒ペースト側へ移動しないように、第2の高分子電解質を不溶化処理することが好ましい。不溶化処理は保水材ペーストを乾燥し第2の高分子電解質のガラス転移温度以上の温度で保水材ペーストを加熱することにより行える。詳細は特許文献4を参照されたい。
同様の目的のため、第2の高分子電解質の粘度を第1の高分子電解質の粘度より高くすることもできる。
Perfluorosulfonic acid is also used for the second polymer electrolyte. This second polymer electrolyte is mixed with water and alcohol to form a mixed solution, and this is mixed with a water retention material pre-paste (second carrier + water) to obtain a water retention material paste.
The same or the same type as the first polymer electrolyte can be employed as the second polymer electrolyte.
In addition, it is preferable to insolubilize the second polymer electrolyte so that the second polymer electrolyte on the water retention material paste side does not move to the main catalyst paste side. The insolubilization treatment can be performed by drying the water retention material paste and heating the water retention material paste at a temperature equal to or higher than the glass transition temperature of the second polymer electrolyte. For details, see Patent Document 4.
For the same purpose, the viscosity of the second polymer electrolyte can be made higher than that of the first polymer electrolyte.

主触媒ペーストと保水材ペーストとの混合は全体のE/Cが目的の範囲となるよう調整する。
本発明者らの検討によれば、DLCを触媒用担体として用いる場合、主触媒ペーストと保水材ペーストとの混合ペーストにおけるE/Cは0.4〜0.5とすることが好ましい。さらに好ましくは、0.45である。この範囲において、加湿状態にかかわらず、即ち高加湿状態においても低加湿状態においてもともに高い出力特性を維持できる。
The mixing of the main catalyst paste and the water retaining material paste is adjusted so that the entire E / C is within the target range.
According to the study by the present inventors, when DLC is used as a catalyst carrier, the E / C in the mixed paste of the main catalyst paste and the water retaining material paste is preferably 0.4 to 0.5. More preferably, it is 0.45. Within this range, high output characteristics can be maintained regardless of the humidification state, that is, both in the high humidification state and in the low humidification state.

以下、この発明の実施例について説明をする。
DLCとして住石マテリアルズ社製の型番S−7(商品名:SCMファインダイヤ)を用いた。このDLC粉末を担体として、触媒金属粒子としての白金粒子を定法により担持させた。白金の担持量は20wt%である。
このように調製された触媒を水に分散して主触媒プレペーストを得る。
他方、第1の高分子電解質溶液として旭化成ケミカルズ社製のAciplexSS−900/10と2−プロパノールとの混合溶液(2−プロパノール:電解質溶液=1:1(重量比)を準備し、この混合溶液と主触媒プレペーストとを混合する。混合溶液と主触媒プレペーストとの配合比は、混合後のE/Cが0.35になるように調整した。
Examples of the present invention will be described below.
Model number S-7 (trade name: SCM fine diamond) manufactured by Sumiishi Materials Co., Ltd. was used as DLC. Using this DLC powder as a carrier, platinum particles as catalyst metal particles were supported by a conventional method. The supported amount of platinum is 20 wt%.
The catalyst thus prepared is dispersed in water to obtain a main catalyst pre-paste.
On the other hand, a mixed solution (2-propanol: electrolyte solution = 1: 1 (weight ratio)) of Aciplex SS-900 / 10 manufactured by Asahi Kasei Chemicals and 2-propanol was prepared as a first polymer electrolyte solution. The mixing ratio of the mixed solution and the main catalyst pre-paste was adjusted so that E / C after mixing was 0.35.

他方、保水材ペーストを次のように調製した。
第2の担体としてカーボンブラック(Vulcan-XC72R(CABOT社の商品名))を主触媒ペーストと同様に適当量の水に分散して保水材プレペーストを得る。第2の高分子電解質には主触媒ペーストで用いた電解質溶液と同じものを採用し、2−プロパノール:電解質溶液=1:1(重量比)の混合溶液として、これを保水材プレペーストと混合して保水材ペーストとを得る。このとき、保水材ペーストのE/Cが1.0となるように混合溶液の量を調整する。
On the other hand, a water retention paste was prepared as follows.
Carbon black (Vulcan-XC72R (trade name of CABOT)) as a second carrier is dispersed in an appropriate amount of water in the same manner as the main catalyst paste to obtain a water retaining material pre-paste. The second polymer electrolyte is the same as the electrolyte solution used in the main catalyst paste, and mixed with the water retention material pre-paste as a mixed solution of 2-propanol: electrolyte solution = 1: 1 (weight ratio). Thus, a water retention paste is obtained. At this time, the amount of the mixed solution is adjusted so that the E / C of the water retention material paste becomes 1.0.

このようにして得られた主触媒ペーストと保水材ペーストとをハイブリッドミキサーで4分間混合し、実施例の触媒ペースト(混合ペースト)とした。なお、主触媒ペーストと保水材ペーストとの配合重量比は、主触媒ペースト:保水材ペースト=0.812:0.188であり、全体的なE/Cは0.45となる。   The main catalyst paste and water retention material paste thus obtained were mixed for 4 minutes with a hybrid mixer to obtain a catalyst paste (mixed paste) of the example. The blending weight ratio of the main catalyst paste and the water retention material paste is main catalyst paste: water retention material paste = 0.812: 0.188, and the overall E / C is 0.45.

このようにして得られた混合ペーストをカーボンペーパーからなるガス拡散基材1に塗布する(図1)。符号3は主触媒ペースト、符号7は保水材ペーストを示す。
かかる混合ペーストを乾燥して空気極及び燃料極を得る。
これらの電極で固体高分子電解質膜を挟み、ホットプレスによりこれらを接合して膜電極接合体(MEA)とする。
かかる膜電極接合体を備える燃料電池のI−V特性を図2(フル加湿(50℃)及び図3(低加湿(70℃―40%RH)に示す。
図2及び図3において、比較例1〜4は、DLCを担体とした主触媒ペーストのみから触媒層を得たときの結果である。
図2及び図3の結果より、DCLを担体とした主触媒ペーストと保水材ペーストとを混合して触媒ペーストを得るこの実施例では、DCLを担体とした主触媒ペーストのみからなる比較例1〜4に比べ、高いI−V特性を得られることが分かる。
さらには、比較例1〜4では同じ加湿条件においても、E/Cに応じてI−V特性が変化している。低加湿条件である図2の場合はE/C=0.35のとき最も高いI−V特性を示すものの、高加湿条件(図3参照)となると、E/C=0.35のときが最も高いI−V特性を示すものではない。これに対し、実施例の場合は、E/C=0.45において、低加湿条件および高加湿条件ともに優れたI−V特性を奏している。
The mixed paste thus obtained is applied to the gas diffusion substrate 1 made of carbon paper (FIG. 1). Reference numeral 3 represents a main catalyst paste, and reference numeral 7 represents a water retention paste.
The mixed paste is dried to obtain an air electrode and a fuel electrode.
The polymer electrolyte membrane is sandwiched between these electrodes, and these are joined by hot pressing to form a membrane electrode assembly (MEA).
FIG. 2 (full humidification (50 ° C.) and FIG. 3 (low humidification (70 ° C.-40% RH)) show IV characteristics of a fuel cell provided with such a membrane electrode assembly.
2 and 3, Comparative Examples 1 to 4 are results obtained when the catalyst layer is obtained only from the main catalyst paste using DLC as a carrier.
From the results of FIGS. 2 and 3, in this example in which a main catalyst paste using DCL as a carrier and a water retention material paste are mixed to obtain a catalyst paste, Comparative Examples 1 to 1 including only the main catalyst paste using DCL as a carrier are used. It can be seen that a higher IV characteristic can be obtained compared to 4.
Furthermore, in Comparative Examples 1 to 4, even under the same humidification conditions, the IV characteristics change according to E / C. In the case of FIG. 2 which is a low humidification condition, the highest IV characteristic is exhibited when E / C = 0.35, but when the humidification condition is high (see FIG. 3), the case where E / C = 0.35 is obtained. It does not show the highest IV characteristics. On the other hand, in the case of an Example, in E / C = 0.45, it has the IV characteristic which was excellent in both the low humidification conditions and the high humidification conditions.

以下、PFF構造について説明する(ver. 110915)。
ここに、PFF(出願人の登録商標)構造とは高分子電解質の側鎖の親水性官能基が、触媒上に親水層を形成すべく、触媒側に配向している構造をいう。
例えば高分子電解質として汎用されるパーフルオロスルホン酸(ナフィオン等;デュポン社登録商標)においては、疎水性の主鎖E1に対して親水性官能基としてのスルホン酸基(SO )が側鎖E2として結合されており、図2に示す通り、この親水性官能基が触媒C側に配向することで、触媒Cと電解質層Eとの間に連続した親水領域Wが形成される。凝集した触媒Cにおいて、各触媒粒子表面の当該親水領域Wは相互に連通している。PFF構造の親水領域Wにおいてプロトン(H+)及び水(HO)は円滑に移動可能であり、その結果、燃料電池の電気化学反応が促進される。
また、PFF構造によれば、水が触媒Cの周囲に集合しているので、少ない水であってもその大部分が効率的に電気化学反応に寄与し、低加湿状態においても燃料電池の発電能力の低下を防止できる。他方、連続した親水領域Wは過剰な水の排水パスとして機能し、もって高加湿状態においてもフラッディング現象を予防できる。
Hereinafter, the PFF structure will be described (ver. 110915).
Here, the PFF (Applicant's registered trademark) structure refers to a structure in which the hydrophilic functional group of the side chain of the polymer electrolyte is oriented to the catalyst side so as to form a hydrophilic layer on the catalyst.
For example, in perfluorosulfonic acid (Nafion, etc .; registered trademark of DuPont) widely used as a polymer electrolyte, a sulfonic acid group (SO 3 ) as a hydrophilic functional group is a side chain with respect to the hydrophobic main chain E1. As shown in FIG. 2, this hydrophilic functional group is oriented toward the catalyst C, so that a continuous hydrophilic region W is formed between the catalyst C and the electrolyte layer E. In the agglomerated catalyst C, the hydrophilic regions W on the surfaces of the catalyst particles communicate with each other. Proton (H + ) and water (H 2 O) can move smoothly in the hydrophilic region W of the PFF structure, and as a result, the electrochemical reaction of the fuel cell is promoted.
In addition, according to the PFF structure, since water is gathered around the catalyst C, most of the water efficiently contributes to the electrochemical reaction even in a small amount of water. Capability can be prevented from decreasing. On the other hand, the continuous hydrophilic region W functions as a drainage path for excess water, and can prevent flooding even in a highly humidified state.

上記において触媒Cは導電性を備えた担体C1に触媒金属粒子C2を担持させたものをいう。担体C1には導電性と通気性が求められ、多孔質のカーボンブラック粒子を採用することができるが、酸化スズ、チタン酸化合物等を使用することもできる。触媒金属粒子C2は燃料電池反応の活性点を提供できる金属微粒子からなり、白金、コバルト、ルテニウム等の貴金属及び当該貴金属の合金を用いることができる。
担体C1へ触媒金属粒子C2を担持させる方法は両者の材質や触媒の用途に応じて含浸法、コロイド法及び析出沈殿法等の周知の方法のなかから適宜選択できる。
In the above description, the catalyst C is a catalyst in which the catalyst metal particles C2 are supported on the carrier C1 having conductivity. The carrier C1 is required to have electrical conductivity and air permeability, and porous carbon black particles can be used, but tin oxide, titanic acid compounds, and the like can also be used. The catalytic metal particles C2 are made of fine metal particles that can provide an active site for the fuel cell reaction, and a noble metal such as platinum, cobalt, ruthenium, and an alloy of the noble metal can be used.
The method of supporting the catalyst metal particles C2 on the support C1 can be appropriately selected from known methods such as an impregnation method, a colloid method, and a precipitation-precipitation method depending on the material of both and the use of the catalyst.

(触媒の処理)
通常触媒は触媒メーカから提供される。燃料電池に求められる特性等に応じてこの触媒を物理的に及び/又は化学的に処理することが好ましい。
(触媒の物理的処理)
触媒の物理的処理として粉砕処理と脱泡処理とがある。
−粉砕処理−
一般的に触媒はその担体どうしが凝集して、2次粒子、3次粒子を形成している。そこで、触媒の表面積を向上させるために、凝集体を粉砕して微粉末化することが好ましい。そのためには、触媒の凝集体を媒体へ分散させて湿式粉砕することが好ましい。
湿式粉砕を採用することにより、乾式粉砕に比べて、触媒の凝集体へより高いエネルギーを加えてこれをより細かく粉砕可能となる。また、乾式粉砕に比べて、触媒の再結合を効果的に防止できる。湿式粉砕の方法として、ホモジナイザ−、湿式ジェットミル、ボールミル又はビーズミルを採用することができる。
湿式粉砕を採用することにより触媒の担体に付着した不純物を取り除く効果も得られる。媒体には通常水が採用されるが、不純物の特性に応じて、他の媒体(有機溶剤等)を採用してもよい。最初に水を媒体として湿式粉砕を実行し、その後有機溶剤等で触媒から不純物を除去することもできる。
湿式粉砕した触媒を乾燥させるには、昇華により媒体を除去することが好ましい。これにより、触媒の再凝集を防止できる。媒体を昇華させる方法として真空乾燥法が挙げられる。これに対し、加熱乾燥法を採用すると加熱による媒体の移動の際、あるいは、媒体が蒸発する際に、毛管収縮現象が生じて触媒どうしが再結合し、湿式乾燥で得られた高分散状態を維持できなくなる。
湿式粉砕及び必要に応じて不純物除去を、触媒の担体に対して実行し、担体が媒体(例えば水等)に分散した状態でその担体へ触媒金属粒子を担持させることもできる。この場合においても、乾燥工程としては触媒を分散させている媒体を昇華により除去することが好ましい。
(Catalyst treatment)
Usually the catalyst is provided by the catalyst manufacturer. It is preferable to physically and / or chemically treat the catalyst according to the characteristics required for the fuel cell.
(Physical treatment of catalyst)
The physical treatment of the catalyst includes a pulverization treatment and a defoaming treatment.
-Grinding treatment-
In general, in a catalyst, carriers are aggregated to form secondary particles and tertiary particles. Therefore, in order to improve the surface area of the catalyst, it is preferable to pulverize the agglomerates into a fine powder. For this purpose, it is preferable to disperse the agglomerates of the catalyst in a medium and perform wet pulverization.
By adopting wet pulverization, it becomes possible to pulverize the catalyst aggregate more finely by applying higher energy to the agglomerates of the catalyst as compared with dry pulverization. In addition, recombination of the catalyst can be effectively prevented as compared with dry pulverization. As a wet pulverization method, a homogenizer, a wet jet mill, a ball mill or a bead mill can be employed.
By adopting wet pulverization, an effect of removing impurities adhering to the catalyst carrier can be obtained. Usually, water is used as the medium, but other medium (organic solvent or the like) may be used depending on the characteristics of the impurities. It is also possible to first perform wet pulverization using water as a medium, and then remove impurities from the catalyst with an organic solvent or the like.
In order to dry the wet pulverized catalyst, it is preferable to remove the medium by sublimation. Thereby, reaggregation of the catalyst can be prevented. An example of a method for sublimating the medium is a vacuum drying method. On the other hand, when the heat drying method is adopted, when the medium is moved by heating or when the medium evaporates, a capillary contraction phenomenon occurs and the catalysts recombine, and the high dispersion state obtained by wet drying is obtained. It cannot be maintained.
The wet pulverization and, if necessary, impurity removal may be performed on the catalyst support, and the catalyst metal particles may be supported on the support in a state where the support is dispersed in a medium (for example, water). Even in this case, as a drying step, it is preferable to remove the medium in which the catalyst is dispersed by sublimation.

−脱泡処理−
触媒を水に混合分散させた状態で触媒周囲から気泡を除去(脱泡処理)することが好ましい。触媒と電解質層との間に親水領域を形成する際に当該気泡が妨げとなるからである。
この脱泡処理はハイブリッドミキサー(自転/公転式遠心撹拌機)により遠心撹拌法を用いることにより行なうことができる。
勿論、当該遠心撹拌法に限定されるものではなく、その他の撹拌法(ボールミル法、スターラ法、ビーズミル法、ロールミル法等)を用いることもできる。
また、湿式粉砕時に、触媒周囲から気泡を除去できる場合もあり、その場合は独立した脱泡処理は不要である。
-Defoaming treatment-
It is preferable to remove bubbles (defoaming treatment) from around the catalyst in a state where the catalyst is mixed and dispersed in water. This is because the bubbles obstruct the formation of the hydrophilic region between the catalyst and the electrolyte layer.
This defoaming treatment can be performed by using a centrifugal stirring method with a hybrid mixer (rotating / revolving centrifugal stirrer).
Of course, the present invention is not limited to the centrifugal stirring method, and other stirring methods (ball mill method, stirrer method, bead mill method, roll mill method, etc.) can also be used.
In some cases, bubbles may be removed from around the catalyst during wet pulverization, in which case independent defoaming treatment is unnecessary.

(触媒の化学的処理)
触媒を化学的処理して、その触媒金属粒子の表面を特定の親水基で修飾する。
金属触媒粒子の表面を親水基で修飾することにより、触媒金属粒子の周囲の親水性が向上し、触媒Cと電解質層Eとの間の親水領域Wの親水性が高まる。
ここに修飾とは触媒金属粒子表面に当該修飾基が存在し、通常の製造工程を経ても当該修飾基が触媒金属粒子から分離しないことを意味する。
親水基として硝酸基、アミノ基、スルホン酸基、水酸基及びハロゲン基から選ばれる少なくとも1種を挙げることができる。更に好ましくは親水基として硝酸基、アミノ基及びスルホン酸基から選ばれる少なくとも1種を挙げることができる。
これらの親水基が触媒金属粒子の周囲に存在することにより、触媒金属粒子の周囲に親水領域が形成されやすくなる。触媒金属粒子は担体に均等に分散されているので、結果として触媒の表面の親水領域が形成されやすくなり、また形成後はそれが安定する。
触媒金属粒子へ上記の親水基を修飾する方法としてこの発明では触媒金属粒子と同一若しくは同種の金属(貴金属)の錯体であって前記修飾基を含むものを前記触媒金属粒子へ結合する。錯体の利用により触媒の構造へ何らストレスを与えることなく触媒金属粒子へ親水基を修飾できる。
(Chemical treatment of catalyst)
The catalyst is chemically treated to modify the surface of the catalyst metal particles with specific hydrophilic groups.
By modifying the surface of the metal catalyst particles with a hydrophilic group, the hydrophilicity around the catalyst metal particles is improved, and the hydrophilicity of the hydrophilic region W between the catalyst C and the electrolyte layer E is increased.
Here, the modification means that the modifying group is present on the surface of the catalytic metal particle, and the modifying group is not separated from the catalytic metal particle even through a normal production process.
Examples of the hydrophilic group include at least one selected from a nitrate group, an amino group, a sulfonic acid group, a hydroxyl group, and a halogen group. More preferably, at least one selected from a nitric acid group, an amino group, and a sulfonic acid group can be given as a hydrophilic group.
The presence of these hydrophilic groups around the catalyst metal particles makes it easy to form a hydrophilic region around the catalyst metal particles. Since the catalyst metal particles are evenly dispersed in the support, as a result, a hydrophilic region on the surface of the catalyst is likely to be formed, and it is stabilized after the formation.
As a method of modifying the above-mentioned hydrophilic group on the catalyst metal particles, in the present invention, a complex of a metal (noble metal) that is the same as or the same type as the catalyst metal particles and includes the modification group is bonded to the catalyst metal particles. By using the complex, the hydrophilic group can be modified to the catalytic metal particles without any stress on the structure of the catalyst.

触媒金属粒子として白金若しくは白金合金を採用したときは、下記の白金錯体溶液で修飾を行なうことが好ましい。かかる白金錯体溶液として、塩化白金(IV)酸水和物水溶液(H2PtCl6・nH2O/H2O sol.)、塩化白金(IV)酸塩酸溶液(H2PtCl6/HCl sol.)、塩化白金(IV)酸アンモニウム水溶液((NH42PtCl6/H2O sol.)、ジニトロジアンミン白金(II)水溶液(cis−[Pt(NH32(NO22]/H2O sol.)、ジニトロジアンミン白金(II)硝酸溶液(cis−[Pt(NH32(NO22]/HNO3 sol.)、ジニトロジアンミン白金(II)硫酸溶液(cis−[Pt(NH32(NO22]/H2SO4 sol.)、テトラクルル白金(II)酸カリウム水溶液(K2PtCl4)/H2O sol.)、塩化第1白金(II)水溶液(PtCl2/H2O sol.)、塩化第2白金(IV)水溶液(PtCl4/H2O sol.)、テトラアンミン白金(II)ジクロライド水和物水溶液([Pt(NH34]Cl2・H2O/H2O sol.)、テトラアンミン白金(II)水酸化物水溶液([Pt(NH34](OH)2/H2O sol.)、ヘキサアンミン白金(IV)ジクロライド水溶液([Pt(NH36]Cl2/H2O sol.)、ヘキサアンミン白金(IV)水酸化物水溶液([Pt(NH36](OH)2/H2O sol.)、ヘキサヒドロキソ白金(IV)酸水溶液(H2[Pt(OH)6]/H2O sol.)、ヘキサヒドロキソ白金(IV)酸硝酸溶液(H2[Pt(OH)6]/HNO3 sol.)、ヘキサヒドロキソ白金(IV)酸硫酸溶液(H2[Pt(OH)6]/H2SO4 sol.)、エタノールアミン白金溶液(H2[Pt(OH)6]/H2NCH2CH2OH sol.)等を採用することができると考える。 When platinum or a platinum alloy is employed as the catalyst metal particles, the modification is preferably performed with the following platinum complex solution. As such a platinum complex solution, a platinum chloride (IV) acid hydrate aqueous solution (H 2 PtCl 6 .nH 2 O / H 2 O sol.), A platinum chloride (IV) hydrochloride acid solution (H 2 PtCl 6 / HCl sol. ), Platinum chloride (IV) ammonium aqueous solution ((NH 4 ) 2 PtCl 6 / H 2 O sol.), Dinitrodiammine platinum (II) aqueous solution (cis- [Pt (NH 3 ) 2 (NO 2 ) 2 ] / H 2 O sol.), Dinitrodiammine platinum (II) nitric acid solution (cis- [Pt (NH 3 ) 2 (NO 2 ) 2 ] / HNO 3 sol.), Dinitrodiammine platinum (II) sulfuric acid solution (cis- [ Pt (NH 3 ) 2 (NO 2 ) 2 ] / H 2 SO 4 sol.), Potassium tetracurl platinum (II) acid aqueous solution (K 2 PtCl 4 ) / H 2 O sol. ), Platinum (II) chloride aqueous solution (PtCl 2 / H 2 O sol.), Aqueous platinum (IV) chloride (PtCl 4 / H 2 O sol.), Tetraammineplatinum (II) dichloride hydrate aqueous solution ([Pt (NH 3 ) 4 ] Cl 2 .H 2 O / H 2 O sol.), Tetraammineplatinum (II) hydroxide aqueous solution ([Pt (NH 3 ) 4 ] (OH) 2 / H 2 O sol. .), Hexaammine platinum (IV) dichloride aqueous solution ([Pt (NH 3 ) 6 ] Cl 2 / H 2 O sol.), Hexaammine platinum (IV) hydroxide aqueous solution ([Pt (NH 3 ) 6 ] ( OH) 2 / H 2 O sol.), Hexahydroxoplatinum (IV) acid aqueous solution (H 2 [Pt (OH) 6 ] / H 2 O sol.), Hexahydroxoplatinum (IV) acid nitric acid solution (H 2 [ Pt (OH) 6] / HNO 3 sol.), hexahydro Seo platinum (IV) acid sulfuric acid solution (H 2 [Pt (OH) 6] / H 2 SO 4 sol.), Ethanolamine platinum solution (H 2 [Pt (OH) 6] / H 2 NCH 2 CH 2 OH sol .) Etc. can be adopted.

発明者の知見によれば、白金若しくは白金合金からなる触媒金属粒子を修飾する親水基として硝酸基を選択することが好ましい。そのためのニトロ白金錯体溶液としては、NO3 -を親水性イオンとするジニトロジアンミン白金(II)硝酸溶液(cis−[Pt(NH32(NO22]/HNO3 sol.)、ヘキサヒドロキソ白金(IV)酸硝酸溶液((H2Pt(OH)6)/HNO3 sol.)、SO4 2-を親水性イオンとするヘキサヒドロキソ白金(IV)酸硫酸溶液((H2Pt(OH)6)/H2SO4 sol.)、NH4 +を親水性イオンとするテトラアンミン白金(II)水酸化物水溶液([Pt(NH34(OH)2]/H2O sln.)等を採用することができる。 According to the inventor's knowledge, it is preferable to select a nitrate group as a hydrophilic group for modifying the catalytic metal particles made of platinum or a platinum alloy. Nitroplatinum complex solution for that purpose includes dinitrodiammineplatinum (II) nitric acid solution (cis- [Pt (NH 3 ) 2 (NO 2 ) 2 ] / HNO 3 sol.), NO 3 as a hydrophilic ion, hexa hydroxo Pt (IV) acid nitric acid solution ((H 2 Pt (OH) 6) / HNO 3 sol.), hexahydroxoplatinate and SO 4 2-hydrophilic ion source platinum (IV) acid sulfate solution ((H 2 Pt ( OH) 6) / H 2 SO 4 sol.), tetraammineplatinum (II) hydroxide aqueous solution of NH 4 + and hydrophilic ion ([Pt (NH 3) 4 (OH) 2] / H 2 O sln. ) Etc. can be employed.

触媒金属粒子へ親水基を修飾する方法は、触媒金属粒子や親水基の特性に応じて適宜選択可能であるが、例えば触媒金属粒子が白金製若しくは白金合金製の場合は、触媒を白金錯体溶液に混合し、必要に応じ撹拌すればよい。硝酸基を選択したときは、ジニトロジアミン白金(錯体)の硝酸水溶液へ原料触媒を投入し、撹拌することで原料触媒の触媒白金粒子へ白金錯体(ジニトロジアミン白金)が吸着する。また、原料触媒を水に分散させた状態でジニトロジアミン白金(錯体)の硝酸水溶液を添加撹拌してもよい。ここで撹拌は羽根やスターラを用いた機械的な撹拌に限定されず、1つの管路へ2つの溶液を流通させることで実行することも可能である。
なお、親水基と触媒金属粒子との結合を安定するために、加熱処理することが好ましい。
触媒金属粒子として白金粒子を用いる場合は、これに吸着した硝酸基(−NO)を還元して(NO2)とすることが好ましい。還元の方法は特に限定するものではないが、硝酸基を吸着させた触媒白金粒子を有する触媒を不活性雰囲気下で加熱すればよい。かかる安定化処理を施した触媒は、後にホモジナイザ−等の物理的処理により強い力が掛けられても、親水基が触媒金属から離脱しない。
The method of modifying the hydrophilic group on the catalyst metal particles can be appropriately selected according to the characteristics of the catalyst metal particles and the hydrophilic group. For example, when the catalyst metal particles are made of platinum or a platinum alloy, the catalyst is treated with a platinum complex solution. And may be stirred if necessary. When a nitric acid group is selected, the raw material catalyst is put into an aqueous nitric acid solution of dinitrodiamine platinum (complex) and stirred to adsorb the platinum complex (dinitrodiamine platinum) to the catalyst platinum particles of the raw material catalyst. Further, a nitric acid aqueous solution of dinitrodiamine platinum (complex) may be added and stirred in a state where the raw material catalyst is dispersed in water. Here, the stirring is not limited to mechanical stirring using a blade or a stirrer, and can be performed by circulating two solutions through one pipe line.
In addition, in order to stabilize the coupling | bonding of a hydrophilic group and catalyst metal particle, it is preferable to heat-process.
When platinum particles are used as the catalyst metal particles, it is preferable to reduce the nitrate groups (—NO 3 ) adsorbed thereon to (NO 2 ). Although the reduction method is not particularly limited, a catalyst having catalytic platinum particles having adsorbed nitrate groups may be heated in an inert atmosphere. The catalyst subjected to such stabilization treatment does not release the hydrophilic group from the catalyst metal even if a strong force is applied later by a physical treatment such as a homogenizer.

(触媒に対する物理的処理及び化学的処理の順序)
触媒における触媒金属粒子を効率良く親水基で修飾するには、化学的処理に先立ち物理的処理を実行しておくことが好ましい。触媒を物理的処理しておくことにより、触媒粒子の凝集がほぐされて、より多くの触媒金属粒子が親水基を含む処理液へ接触できるようになるからである。更には、物理的処理により空気が脱泡されて、即ち、触媒表面を覆っていた空気層が除去されて、この点からもより多くの触媒金属粒子が親水基を含む処理液へ接触できるようになる。なお、物理処理としてホモジナイザ−等により大きな力を加えると、触媒金属粒子から親水基(例えば-NO3)等が触媒金属粒子から離れるおそれもある。
なお、化学的処理により、触媒が再凝集するおそれがあるときは、化学的処理を行なった後に再度物理的処理を行なうことが好ましい。
勿論、触媒に対する化学的処理を最初に実行し、その後に物理的処理を実行してもよい。
PFF構造を得るには、触媒に対して脱泡処理を行なうことが好ましい。沈殿を防止するためである。
(Physical and chemical treatment order for catalyst)
In order to efficiently modify the catalytic metal particles in the catalyst with a hydrophilic group, it is preferable to perform physical treatment prior to chemical treatment. This is because by physically treating the catalyst, the aggregation of the catalyst particles is loosened, and more catalyst metal particles can come into contact with the treatment liquid containing a hydrophilic group. Furthermore, air is defoamed by physical treatment, that is, the air layer covering the catalyst surface is removed, so that more catalyst metal particles can come into contact with the treatment liquid containing hydrophilic groups. become. When a large force is applied as a physical treatment by a homogenizer or the like, a hydrophilic group (for example, —NO 3 ) or the like may be separated from the catalyst metal particles from the catalyst metal particles.
In addition, when there exists a possibility that a catalyst may re-aggregate by a chemical process, it is preferable to perform a physical process again after performing a chemical process.
Of course, the chemical treatment for the catalyst may be performed first, followed by the physical treatment.
In order to obtain a PFF structure, it is preferable to perform a defoaming treatment on the catalyst. This is to prevent precipitation.

(プレペーストの調製)
触媒を水に分散してなるプレペーストにおいて水分量を調整する。
触媒の表面へ電解質の親水基を対向させて電解質と触媒との間に親水性領域を得るため、触媒と水とを混合し触媒の表面へ水の層を予め形成しておく(触媒の親水化工程)。
本発明者の検討によれば、触媒と水との混合比は触媒の種類(特に触媒の担体の種類、粒度)に応じて適宜選択されるべきものであるが、触媒と水との混合物(プレペースト)がキャピラリ状態(触媒粒子の全周囲に水が存在するも流動性なし)からスラリー状態(触媒粒子の全周囲に水が存在して流動性あり)に変化する水分状態(流動性限界)及びその近傍の水分状態とすることが好ましい。かかる水分量は、触媒の表面を親水化しつつ、触媒と電解質との間に連続する親水性領域を形成できる最適な量となる。
ここに、流動限界とは、混合物がキャピラリ状態からスラリー状態へと変化し、流動し始める水分含量の限界をいう。
(Pre-paste preparation)
The water content is adjusted in a pre-paste obtained by dispersing the catalyst in water.
In order to obtain a hydrophilic region between the electrolyte and the catalyst by causing the hydrophilic group of the electrolyte to face the surface of the catalyst, the catalyst and water are mixed to form a water layer in advance on the surface of the catalyst (catalyst hydrophilicity). Process).
According to the study of the present inventor, the mixing ratio of the catalyst and water should be appropriately selected according to the type of catalyst (especially the type of catalyst carrier and the particle size), but the mixture of catalyst and water ( Moisture state (flowability limit) where the pre-paste changes from a capillary state (water is present around the catalyst particles but no fluidity) to a slurry state (water is present around the catalyst particles and fluidity) ) And the moisture state in the vicinity thereof. Such an amount of water is an optimum amount capable of forming a continuous hydrophilic region between the catalyst and the electrolyte while making the surface of the catalyst hydrophilic.
Here, the flow limit refers to the limit of the moisture content at which the mixture changes from the capillary state to the slurry state and begins to flow.

プレペーストのせん断速度と粘度との関係において、粘度をせん断速度に対して両対数でプロットしたときの近似直線を求めたとき、流動限界は近似直線の傾きが−1となるペースト状態であり、スラリー状態は近似直線の傾きが−0.8となるペースト状態である。
せん断速度に対する粘度の関係における近似直線の傾きが−1以上、すなわち、傾きが緩やかになるとともに流動性の高いスラリー状態になる。過剰な水分を含んだ状態はMEAの性能の低下を招くため、ペーストが流動限界からスラリー状態になる、すなわち、傾き−1〜−0.8の範囲となる水添加量が最適量となる。これにより理想的なプレペーストを得ることができる。プレペーストではこの近似直線の傾きにより必要最小限の水分添加量を規定することが重要である。一方、傾きが−1未満(傾きがきつくなる)のキャピラリ状態では混合物の流動性がなくなるため、混合時におけるエネルギーがより必要となり、水と触媒との攪拌が不十分となり易く、好適なプレペーストが得られる条件として適さない。
In the relationship between the shear rate and the viscosity of the pre-paste, the flow limit is a paste state in which the slope of the approximate line is −1 when the approximate straight line is obtained by plotting the viscosity with logarithm against the shear rate. The slurry state is a paste state in which the slope of the approximate straight line is −0.8.
The slope of the approximate straight line in the relationship of the viscosity to the shear rate is −1 or more, that is, the slope becomes gentle and the slurry state becomes highly fluid. Since the state containing excessive moisture leads to a decrease in MEA performance, the amount of water added in a range from the flow limit to the slurry state, that is, in the range of slope −1 to −0.8, is the optimum amount. Thereby, an ideal pre-paste can be obtained. In the pre-paste, it is important to define the minimum amount of water added based on the slope of this approximate line. On the other hand, in the capillary state where the inclination is less than -1 (the inclination becomes tight), the fluidity of the mixture is lost, so that more energy is required at the time of mixing, and the stirring of water and the catalyst tends to be insufficient, and a suitable pre-paste Is not suitable as a condition for obtaining.

上記最適量より多い水分量においても触媒の周囲には水が存在するので、触媒表面を親水化できる。しかしながら、かかる過剰な水分は、プレペーストを電解質溶液(プレ溶液)と混合する際に、PFF構造構築の妨げとなるおそれがある。過剰な水は触媒を離れ、触媒から離れた領域において電解質の親水基を引き寄せる。従って、触媒に対向する電解質の親水基が減少し、その結果、触媒と電解質との間に形成すべき親水性の領域が狭くなったり、分断されたり、また、当該領域における親水機能の低下(水分の保持力の低下)が生じたりする。
なお、触媒を水中で湿式粉砕する際には、多量の水に触媒を分散させる。ここに水の量は、触媒に対する重量比で5〜100培とすることが好ましい。その後、水分を除去し、プレペーストとして好適な水分量とする。水分除去には湯煎等の方法を採用できる。
Even when the amount of water is greater than the optimum amount, water exists around the catalyst, so that the surface of the catalyst can be hydrophilized. However, such excessive moisture may interfere with the construction of the PFF structure when the pre-paste is mixed with the electrolyte solution (pre-solution). Excess water leaves the catalyst and attracts the electrolyte's hydrophilic groups in a region away from the catalyst. Therefore, the hydrophilic group of the electrolyte facing the catalyst is reduced, and as a result, the hydrophilic region to be formed between the catalyst and the electrolyte is narrowed or divided, and the hydrophilic function in the region is reduced ( Decrease in water retention).
When the catalyst is wet pulverized in water, the catalyst is dispersed in a large amount of water. Here, the amount of water is preferably 5 to 100 in weight ratio to the catalyst. Thereafter, the water is removed to obtain a water content suitable for the pre-paste. For removing water, a method such as hot water bathing can be employed.

(電解質溶液の調製)
電解質には既述のパーフルオロスルホン酸が一般的に用いられる。この電解質は水と有機溶媒との混合溶媒に溶解され、既述のプレペーストと混合される。
有機溶剤は電解質の特性に応じて適宜選択するものであるが、本発明者の検討によれば、有機溶媒は、第2級アルコール及び第3級アルコールの少なくとも1種であることが好ましい。メタノールやエタノールのような第1級アルコールでは、水分濃度を減らしても電解質溶液の粘度が高くならない。イソプロピルアルコール(IPA)のような第2級アルコールやターシャリーブチルアルコール(TBA)のような第3級アルコールが混合されれば、電解質溶液中における電解質の固形分はより解れた状態になる。また、発明者の検討によれば、第2級アルコール及び第3級アルコールが混合されれば、電解質溶液中における電解質の固形分はさらに解れた状態になる。
本発明者は、既述のPFF構造に用いる電解質溶液の最適化を検討した結果、電解質溶液に含まれるべき最適な水分量が、電解質溶液の10重量%以下、更に好ましくは5重量%以下であることに気がついた。
(Preparation of electrolyte solution)
As the electrolyte, the above-mentioned perfluorosulfonic acid is generally used. This electrolyte is dissolved in a mixed solvent of water and an organic solvent and mixed with the above-described pre-paste.
The organic solvent is appropriately selected according to the characteristics of the electrolyte, but according to the study of the present inventor, the organic solvent is preferably at least one of a secondary alcohol and a tertiary alcohol. With primary alcohols such as methanol and ethanol, the viscosity of the electrolyte solution does not increase even when the water concentration is reduced. If a secondary alcohol such as isopropyl alcohol (IPA) or a tertiary alcohol such as tertiary butyl alcohol (TBA) is mixed, the solid content of the electrolyte in the electrolyte solution is more undissolved. Further, according to the inventor's study, when the secondary alcohol and the tertiary alcohol are mixed, the solid content of the electrolyte in the electrolyte solution is further unraveled.
As a result of studying optimization of the electrolyte solution used in the above-described PFF structure, the present inventor has found that the optimal amount of water to be contained in the electrolyte solution is 10% by weight or less, more preferably 5% by weight or less of the electrolyte solution. I realized that there was.

電解質と水分量との間には次の関係がある。
電解質溶液中の水分の濃度を低減させると、電解質溶液における電解質の濃度が同じ場合においても電解質溶液の粘度が高くなり、逆に水分の濃度を高くすると電解質溶液の粘度が低くなることを見出した。その理由は次のように推定される。
即ち、電解質溶液の水分の濃度が高い場合、図5の(A)に示す通り、電解質の側鎖E2に水が吸着し電解質溶液中で電解質の主鎖E1が縮んで、電解質が分離した状態となり、電解質溶液の粘度が低下すると推察した。また、電解質溶液の水分濃度がやや低くなれば、電解質溶液に含有されている有機溶媒の作用によって、図5の(B)に示すように、電解質溶液中で電解質の主鎖E1が開き、相互に絡み易くなるため電解質溶液の粘度が上昇する。
There is the following relationship between the electrolyte and the amount of water.
It has been found that when the concentration of water in the electrolyte solution is reduced, the viscosity of the electrolyte solution increases even when the concentration of the electrolyte in the electrolyte solution is the same. Conversely, when the concentration of water is increased, the viscosity of the electrolyte solution decreases. . The reason is estimated as follows.
That is, when the concentration of water in the electrolyte solution is high, as shown in FIG. 5A, water is adsorbed on the side chain E2 of the electrolyte, the main chain E1 of the electrolyte contracts in the electrolyte solution, and the electrolyte is separated. It was assumed that the viscosity of the electrolyte solution was lowered. Further, when the water concentration of the electrolyte solution is slightly lowered, the electrolyte main chain E1 is opened in the electrolyte solution by the action of the organic solvent contained in the electrolyte solution, as shown in FIG. As a result, the viscosity of the electrolyte solution increases.

電解質(図5のA)の状態で電解質溶液を混合して反応層を形成した場合、この反応層では、図6に示すような状態となっていると考えられる。すなわち、電解質の主鎖が縮んで電解質どうしが分離していることから、これとプレペーストとを混合すると、親水領域Wが分散して形成される可能性が高くなる。
換言すれば、電解質の親水性の側鎖E2を触媒へ対向させて両者の間に親水性の領域を確実に形成するためには、電解質溶液中において電解質は図5の(B)の状態にすることが好ましい。そのためには、既述のとおり、電解質溶液に含まれる水分量を電解質溶液の10重量%以下とする。
When the reaction layer is formed by mixing the electrolyte solution in the state of the electrolyte (A in FIG. 5), it is considered that this reaction layer is in a state as shown in FIG. That is, since the main chain of the electrolyte is shrunk and the electrolytes are separated from each other, when this is mixed with the pre-paste, there is a high possibility that the hydrophilic region W is formed in a dispersed manner.
In other words, in order to make the hydrophilic side chain E2 of the electrolyte face the catalyst and to reliably form a hydrophilic region between the two, the electrolyte is in the state of FIG. 5B in the electrolyte solution. It is preferable to do. For this purpose, as described above, the amount of water contained in the electrolyte solution is set to 10% by weight or less of the electrolyte solution.

図5の(B)の状態の電解質を用いたときのカソード触媒層は図4の状態になると考えられる。
電解質の側鎖E2は一方向に延びた状態にあり、このため、触媒ペースト、すなわち燃料電池用反応層では、親水性のイオン交換基(スルホン酸基、(スルホ基ともいう))がプレペースト中の水を吸着することとなる。このため、図4に示すように、この反応層では、触媒Cの表面に電解質の親水基E2が対向した状態となり、電解質層Eと触媒Cとの間に親水領域Wが形成される。そして、上記のようにスルホン酸基がプレペースト中の水と吸着することで、触媒C周りに親水領域Wが連続して形成され、かつ互いに連通した状態で形成されると考えられる。このため、この触媒ペーストを用いた反応層では、図4に示すように、プロトン及び水が移動し易く、電気化学的反応が円滑に進行される。かかる反応層を有する燃料電池は低加湿状態及び過加湿状態のいずれであっても、発電能力を高くすること可能となる。
The cathode catalyst layer when the electrolyte in the state shown in FIG. 5B is used is considered to be in the state shown in FIG.
The side chain E2 of the electrolyte is in a state extending in one direction. Therefore, in the catalyst paste, that is, in the fuel cell reaction layer, hydrophilic ion exchange groups (sulfonic acid groups, also referred to as sulfo groups) are pre-paste. The water inside will be adsorbed. For this reason, as shown in FIG. 4, in this reaction layer, the electrolyte hydrophilic group E <b> 2 faces the surface of the catalyst C, and a hydrophilic region W is formed between the electrolyte layer E and the catalyst C. And it is thought that the hydrophilic area | region W is continuously formed around the catalyst C, and it is formed in the mutually connected state because a sulfonic acid group adsorb | sucks with the water in a pre paste as mentioned above. For this reason, in the reaction layer using this catalyst paste, as shown in FIG. 4, protons and water easily move, and the electrochemical reaction proceeds smoothly. A fuel cell having such a reaction layer can have a high power generation capacity regardless of whether it is in a low humidified state or an excessively humidified state.

電解質溶液における水分量は、例えば湯煎により電解質溶液から水を蒸発させ、その後、水を適宜添加することにより行なう。
電解質溶液から水を蒸発させる際、電解質溶液に含まれる有機溶剤も揮発する。従って、有機溶剤も必要に応じて添加する。
The amount of water in the electrolyte solution is determined by evaporating water from the electrolyte solution using, for example, a hot water bath, and then adding water appropriately.
When water is evaporated from the electrolyte solution, the organic solvent contained in the electrolyte solution is also volatilized. Accordingly, an organic solvent is also added as necessary.

(プレペーストと電解質溶液との混合)
プレペーストと電解質溶液とを混合して触媒ペーストを得る。
上記のようにして準備されるプレペーストは流動性限界の近傍にあるので高い粘度を有する。また、上記電解質溶液もそこに含まれる水の量が少ないほど粘度が高くなる。
いずれも粘度を高くする条件下で得られたプレペーストと電解質溶液とを混合し撹拌すると、図7(A)に示すように、混合物の粘度が時間とともに低下し、その後一定の値で安定する。
(Mixing of pre-paste and electrolyte solution)
A catalyst paste is obtained by mixing the pre-paste and the electrolyte solution.
The pre-paste prepared as described above has a high viscosity because it is in the vicinity of the fluidity limit. The viscosity of the electrolyte solution increases as the amount of water contained therein decreases.
In any case, when the pre-paste obtained under the condition of increasing the viscosity and the electrolyte solution are mixed and stirred, as shown in FIG. 7A, the viscosity of the mixture decreases with time and then stabilizes at a constant value. .

本発明者はプレペーストと電解質溶液との混合物を撹拌したときの混合物の粘度のかかる挙動に着目した。
図7(B)は撹拌時間(=粘度)と反応層抵抗との関係を示す。
撹拌時間(=粘度)を変化させて得た触媒ペーストを用いて燃料電池を構成し、その反応層のインピーダンスを測定した。
図7(A)及び(B)より、撹拌にともない粘度が低下すると、それに反比例するように、反応層のインピーダンスが高くなることがわかる。インピーダンスが高くなることは反応層中におけるプロトンの移動低下を意味する。
The inventor paid attention to the behavior of the viscosity of the mixture when the mixture of the pre-paste and the electrolyte solution was stirred.
FIG. 7B shows the relationship between stirring time (= viscosity) and reaction layer resistance.
A fuel cell was constructed using the catalyst paste obtained by changing the stirring time (= viscosity), and the impedance of the reaction layer was measured.
7A and 7B, it can be seen that when the viscosity decreases with stirring, the impedance of the reaction layer increases so as to be inversely proportional thereto. An increase in impedance means a decrease in proton movement in the reaction layer.

以上より、プレペーストと電解質溶液とを混合して触媒ペーストを作成する際には、撹拌を手早く行なって、混合物の粘度が低下安定する前までに両者の均一混合を完了することが好ましいことがわかる。換言すれば、プレペーストと電解質溶液とを撹拌する際に両者の混合物の粘度をモニタし、その粘度が低位安定する前までに撹拌を止める。
プレペーストと電解質溶液の混合物を撹拌すると、プレペーストの触媒の周囲が電解質で覆われる。このとき、図5(B)のように開いた状態の電解質はその親水基を触媒に対向させて配向しPFF構造を構築する。しかしながら、PFF構造が構築された後にも撹拌を行なうと(以下、「過撹拌」ということがある)、触媒に対向した電解質が触媒から分離され、そのとき触媒表面の水を奪い、触媒表面から離脱する。触媒表面から離脱した電解質には触媒表面の水が付随するので、電解質は図5(A)の形を取りやすくなる。そのため、触媒ペーストにおける電解質溶液成分の粘度が低下し、これが触媒ペースト自体の粘度の低下を引き起こすと考えられる。また、触媒表面から電解質が離脱することによりPFF構造が脆弱となり、触媒と電解質との間に形成される親水性領域の機能が低下する。これが、反応層抵抗を上昇させる原因と予想される。
そこで、プレペーストと電解質溶液との混合物の粘度を所定の粘度に調製する。これにより、両者の過撹拌を防止することができる。即ち、過撹拌された混合物は既述のようにその粘度を低下させるので、混合物の粘度が所定の挙動を示したときに撹拌を停止することにより、混合物の過撹拌を防止できる。過撹拌を防止することにより常に安定したPFF構造を構築可能となる。
From the above, when preparing the catalyst paste by mixing the pre-paste and the electrolyte solution, it is preferable to quickly stir and complete the uniform mixing of both before the viscosity of the mixture decreases and stabilizes. Recognize. In other words, when the pre-paste and the electrolyte solution are agitated, the viscosity of the mixture of both is monitored, and the agitation is stopped before the viscosity stabilizes to a low level.
When the mixture of the pre-paste and the electrolyte solution is stirred, the periphery of the catalyst of the pre-paste is covered with the electrolyte. At this time, the electrolyte in an open state as shown in FIG. 5B is oriented with its hydrophilic group facing the catalyst to construct a PFF structure. However, if stirring is performed after the PFF structure is constructed (hereinafter sometimes referred to as “over-stirring”), the electrolyte facing the catalyst is separated from the catalyst, and then water on the catalyst surface is taken away from the catalyst surface. break away. Since the electrolyte separated from the catalyst surface is accompanied by water on the catalyst surface, the electrolyte easily takes the form of FIG. Therefore, it is considered that the viscosity of the electrolyte solution component in the catalyst paste decreases, which causes a decrease in the viscosity of the catalyst paste itself. Also, the PFF structure becomes brittle when the electrolyte is detached from the catalyst surface, and the function of the hydrophilic region formed between the catalyst and the electrolyte is lowered. This is expected to increase the reaction layer resistance.
Therefore, the viscosity of the mixture of the pre-paste and the electrolyte solution is adjusted to a predetermined viscosity. Thereby, both over-stirring can be prevented. That is, the over-stirred mixture lowers its viscosity as described above, so that it is possible to prevent over-stirring of the mixture by stopping stirring when the viscosity of the mixture exhibits a predetermined behavior. By preventing over-stirring, a stable PFF structure can always be constructed.

プレペーストと電解質溶液との混合撹拌には自転/公転式遠心撹拌機を用いることが好ましいが、混合撹拌機能を有する一般的なボールミル、ビーズミル、スターラー、ホモジナイザ−等を採用することもできる。
プレペーストと電解質溶液との混合物の粘度は、それぞれの材料や配合比、更には環境温度等によって変化する。従って、混合物の粘度をモニタしてその挙動(粘度の絶対値にあらず)を検出して評価することとなる。
混合物の粘度の挙動とは、混合物の粘度が低位安定する前までの粘度の時間変化を指す。例えば、単位時間あたりの粘度の低下率や初期粘度に対する粘度の低下率などを採用することができる。
図7(A)から明らかなように、混合物の撹拌が一定時間(図7(A)の例では4分)を超えると時間当たりの粘度の低下割合が大きくなる。そこで、撹拌にともなう混合物の粘度の低下割合が所定値を超えた時点で撹拌を停止することができる。
触媒ペーストを製造する工程において粘度管理をしていくうえでは、ハイブリッドミキサーの回転速度を一定に保つことが好ましい。更には、撹拌を一定温度下で行うことが好ましい。
より正確に粘度管理を行うために、攪拌時にリアルタイムで混合物の粘度計測を行うこともできる。例えば、ローター回転制御式粘度計を用いて、プレペーストと電解質溶液の混合と粘度計測を同時に行うこともできる。また、プレペーストと電解質溶液の混合にビーズミルやホモジナイザー等を用い、ペースト循環ラインに音叉型振動式粘度計などリアルタイム計測可能な粘度計を組み込む方法も適用可能である。
いずれの方法も、一定温度下で攪拌及び粘度計測を行うことが好ましい。
A rotating / revolving centrifugal stirrer is preferably used for mixing and stirring the pre-paste and the electrolyte solution, but a general ball mill, bead mill, stirrer, homogenizer or the like having a mixing and stirring function can also be employed.
The viscosity of the mixture of the pre-paste and the electrolyte solution varies depending on each material, the blending ratio, the environmental temperature, and the like. Therefore, the viscosity of the mixture is monitored and its behavior (not the absolute value of the viscosity) is detected and evaluated.
The behavior of the viscosity of the mixture refers to the change in viscosity over time before the viscosity of the mixture is stabilized to a low level. For example, the rate of decrease in viscosity per unit time or the rate of decrease in viscosity with respect to the initial viscosity can be employed.
As is apparent from FIG. 7A, when the stirring of the mixture exceeds a certain time (4 minutes in the example of FIG. 7A), the rate of decrease in viscosity per time increases. Therefore, stirring can be stopped when the rate of decrease in the viscosity of the mixture accompanying stirring exceeds a predetermined value.
In order to manage the viscosity in the process of producing the catalyst paste, it is preferable to keep the rotation speed of the hybrid mixer constant. Furthermore, it is preferable to perform stirring at a constant temperature.
In order to more accurately manage the viscosity, the viscosity of the mixture can be measured in real time during stirring. For example, the mixing of the pre-paste and the electrolyte solution and the viscosity measurement can be simultaneously performed using a rotor rotation control viscometer. In addition, a method of using a bead mill, a homogenizer, or the like for mixing the pre-paste and the electrolyte solution and incorporating a viscometer capable of real-time measurement such as a tuning fork type vibration viscometer into the paste circulation line is also applicable.
In any method, it is preferable to perform stirring and viscosity measurement at a constant temperature.

(反応層の形成)
上記のようにして得られた触媒ペーストをガス拡散基材に塗布し、反応層とする。ガス拡散基材としてカーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等を採用できる。ガス拡散基材の表面(反応層側の面)に撥水層を形成することが好ましい。この撥水層は例えばPTFEで撥水処理したカーボンブラックから形成することができる。触媒ペーストの塗布方法には、スクリーン印刷、スプレー、インクジェット等の任意の方法を採用できる。
上記において、粘度の低い触媒ペーストを用いた反応層を、電極のフラッディングし易い部分、例えば、空気出口近傍、水素出口近傍、電極外周部、冷却板近傍等に設けることができる。これにより、高湿度雰囲気でも安定して高性能を示す。
また、粘度の高い触媒ペーストを用いた反応層を、電極の乾燥し易い部分、例えば、空気入口近傍、水素入口近傍、電極中央部分、冷却板から離れた部位等に設けてもよい。これにより、低加湿雰囲気でも安定して高性能を示す。
ガス拡散基材への触媒ペーストの塗布及び乾燥を所定の回数繰返すことで、空気極(ガス拡散基材+反応層)及び水素極(ガス拡散基材+反応層)が形成される。これら空気極と水素極とで固体高分子電解質膜を挟み、ホットプレス等によりこれらを接合して膜電極接合体(EMA)を得る。この膜電極積層体をセパレータで挟んで最小発電単位である燃料電池が構成される。
(Formation of reaction layer)
The catalyst paste obtained as described above is applied to a gas diffusion substrate to form a reaction layer. Carbon cloth, carbon paper, carbon felt, etc. can be adopted as the gas diffusion base material. It is preferable to form a water repellent layer on the surface (reaction layer side surface) of the gas diffusion substrate. This water repellent layer can be formed from carbon black treated with water repellent with PTFE, for example. As a method for applying the catalyst paste, any method such as screen printing, spraying or ink jetting can be adopted.
In the above, the reaction layer using the catalyst paste having a low viscosity can be provided in a portion where the electrode is easily flooded, for example, in the vicinity of the air outlet, in the vicinity of the hydrogen outlet, in the outer periphery of the electrode, in the vicinity of the cooling plate. As a result, high performance is stably exhibited even in a high humidity atmosphere.
Further, a reaction layer using a high-viscosity catalyst paste may be provided in a portion where the electrode is easily dried, for example, in the vicinity of the air inlet, in the vicinity of the hydrogen inlet, in the center of the electrode, or in a portion away from the cooling plate. As a result, high performance is stably exhibited even in a low humidified atmosphere.
By applying and drying the catalyst paste on the gas diffusion base material a predetermined number of times, an air electrode (gas diffusion base material + reaction layer) and a hydrogen electrode (gas diffusion base material + reaction layer) are formed. A membrane electrode assembly (EMA) is obtained by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between the air electrode and the hydrogen electrode and joining them by hot pressing or the like. The membrane electrode stack is sandwiched between separators to constitute a fuel cell that is a minimum power generation unit.

以上、専ら触媒ペーストの製造方法及び製造に用いる材料について説明してきた。
図8は触媒ペーストを製造するための装置を示すブロック図である。
触媒ペーストの原料となる触媒、水、貴金属錯体及び電解質はそれぞれ、触媒収容部1001、水収容部1021、貴金属錯体溶液収容部1025及び電解質溶液収容部1041に準備される。なお、触媒から有機物を洗浄するための有機溶剤が有機溶剤収容部1023に準備される。各収容部として収容対象に応じた容量及び材質で形成されたタンクを利用できる。
触媒処理部1003は物理的処理部1005及び化学的処理部1007を備える。物理的処理部1005は湿式粉砕部1009及び脱泡部1011を備える。湿式粉砕部1009としてホモジナイザ−や湿式ジェットミル等を用いることができる。脱泡部1011にはハイブリットミキサ等を用いることができる。化学的処理部1007は撹拌羽根を備えた汎用的な撹拌装置を適用できる。金属触媒粒子に対する反応性が高い貴金属錯体を採用したときは、触媒スラリーを流通させる管路へ当該貴金属錯体溶液を注入すること化学的反応を完成させることも可能である。
In the above, the manufacturing method and the material used for manufacture of a catalyst paste have been demonstrated exclusively.
FIG. 8 is a block diagram showing an apparatus for producing a catalyst paste.
The catalyst, water, noble metal complex, and electrolyte that are the raw materials of the catalyst paste are prepared in the catalyst storage unit 1001, the water storage unit 1021, the noble metal complex solution storage unit 1025, and the electrolyte solution storage unit 1041, respectively. Note that an organic solvent for cleaning organic substances from the catalyst is prepared in the organic solvent container 1023. A tank formed of a capacity and a material corresponding to the object to be accommodated can be used as each accommodating part.
The catalyst processing unit 1003 includes a physical processing unit 1005 and a chemical processing unit 1007. The physical processing unit 1005 includes a wet pulverization unit 1009 and a defoaming unit 1011. A homogenizer, a wet jet mill, or the like can be used as the wet pulverization unit 1009. A hybrid mixer or the like can be used for the defoaming portion 1011. The chemical processing unit 1007 can be a general-purpose stirring device provided with stirring blades. When a noble metal complex having high reactivity with the metal catalyst particles is employed, it is possible to complete the chemical reaction by injecting the noble metal complex solution into a conduit through which the catalyst slurry flows.

触媒処理部において触媒は多量の水に分散されスラリー状のプレペーストとなっているので、水分量調整部1031においてプレペーストの水分量を調整する。
この場合、スラリー状のプレペーストから水分を除去することとなるので、周知の濃縮方法(例えば、加熱蒸発装置、濾過装置、遠心分離装置)等を用いることができる。また、水分量はプレペーストの比重から特定可能であるので、水分量調整部は比重測定装置を備えることが好ましい。また、プレペーストの水分量が過少となった場合を想定して、水分補給装置を備えることが好ましい。
In the catalyst processing unit, the catalyst is dispersed in a large amount of water to form a slurry-like pre-paste. Therefore, the water content adjusting unit 1031 adjusts the water content of the pre-paste.
In this case, since moisture is removed from the slurry-like pre-paste, a well-known concentration method (for example, a heating evaporation device, a filtration device, or a centrifuge device) can be used. Moreover, since the water content can be specified from the specific gravity of the pre-paste, the water content adjusting unit preferably includes a specific gravity measuring device. In addition, assuming that the moisture content of the pre-paste becomes too small, it is preferable to provide a moisture supply device.

電解質溶液の水分調整部1043は加熱蒸発装置及び水分補給装置を備えることが好ましい。水分量は比重から特定可能であるので更に比重測定装置を備えることが好ましい。
混合撹拌部1051はそれぞれ水分量の調節されたプレペーストと電解質溶液を混合撹拌し、例えばハイブリッドミキサーを用いることができるが、これに限定されるものではない。なお、過撹拌を避けるために、混合撹拌部1051には粘度計1061を付設することが好ましい。
The electrolyte solution moisture adjusting unit 1043 preferably includes a heating evaporation device and a moisture replenishing device. Since the water content can be specified from the specific gravity, it is preferable to further include a specific gravity measuring device.
The mixing and stirring unit 1051 mixes and stirs the pre-paste and the electrolyte solution each having a controlled amount of water. For example, a hybrid mixer can be used, but is not limited thereto. In order to avoid over-stirring, it is preferable to attach a viscometer 1061 to the mixing and stirring unit 1051.

この発明では、触媒の担体としてDLC及び/又はグラッシーカーボンを採用している。
触媒活性を最大限に引き出すため、PFF構造においてこの触媒を被覆する電解質膜を薄くする。
他方、保水材を準備して触媒層の水保持及び水排出機能を調整している。
In the present invention, DLC and / or glassy carbon is employed as a catalyst support.
In order to maximize the catalytic activity, the electrolyte membrane covering the catalyst in the PFF structure is thinned.
On the other hand, a water retention material is prepared to adjust the water retention and water discharge functions of the catalyst layer.

本発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。   The present invention is not limited to the description of the embodiments and examples of the invention described above. Various modifications are also included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the scope of the claims.

C 触媒
C1 担体
C2 触媒金属粒子
E 電解質層
W 新水領域
C catalyst C1 carrier C2 catalyst metal particle E electrolyte layer W fresh water region

Claims (2)

導電性ダイヤモンドライクカーボン若しくはグラッシーカーボンからなる担体を備える触媒を第1の高分子電解質の溶液に分散し、前記触媒が第1の膜厚の前記第1の高分子電解質層で被覆されてなる主触媒ペーストを準備するステップと、
第2のカーボン担体を第2の高分子電解質の溶液に分散し、前記第2のカーボン担体が前記第1の膜厚より厚い第2の膜厚の前記第2の高分子電解質層で被覆されてなる保水ペーストを準備するステップと、
前記主触媒ペーストと前記保水ペーストとを混合するステップと、を含む燃料電池用触媒層の製造方法。
A catalyst comprising a carrier comprising conductive diamond-like carbon or glassy carbon is dispersed in a first polymer electrolyte solution, and the catalyst is coated with the first polymer electrolyte layer having a first film thickness. Preparing a catalyst paste;
A second carbon carrier is dispersed in a second polymer electrolyte solution, and the second carbon carrier is coated with the second polymer electrolyte layer having a second film thickness that is greater than the first film thickness. Preparing a water retention paste comprising:
And a step of mixing the main catalyst paste and the water retention paste.
導電性ダイヤモンドライクカーボン若しくはグラッシーカーボンからなる担体を備える触媒を第1の膜厚の第1の高分子電解質層で被覆してなる主触媒体と、
第2のカーボン担体を前記第1の膜厚より厚い第2の膜厚の第2の高分子電解質層で被覆してなる保水材と、が混合されている燃料電池用触媒層。
A main catalyst body formed by coating a catalyst comprising a carrier made of conductive diamond-like carbon or glassy carbon with a first polymer electrolyte layer having a first film thickness;
A fuel cell catalyst layer in which a water retention material formed by coating a second carbon carrier with a second polymer electrolyte layer having a second film thickness larger than the first film thickness is mixed.
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