JP2013178908A - Catalyst ink and method for manufacturing fuel cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve power generation performance of a fuel cell by improving a catalyst ink for forming a catalyst electrode layer.SOLUTION: A method for manufacturing a catalyst ink for forming a catalyst electrode layer including a polymer electrolyte having proton conductivity and a catalyst particle having a catalyst comprises steps of: preparing a polymer electrolyte precursor which turns into a polymer electrolyte having proton conductivity via hydrolysis treatment, a high oxygen permeable resin which is a fluorine resin having higher oxygen permeability than the polymer electrolyte, and a fluorine-based solvent which can dissolve the high oxygen permeable resin; and mixing the polymer electrolyte precursor, the high oxygen permeable resin, and the fluorine-based solvent and dispersing the polymer electrolyte precursor into a resin solution in which the high oxygen permeable resin is dissolved in the fluorine-based solvent.

Description

本発明は、触媒インクおよび燃料電池の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a catalyst ink and a method for producing a fuel cell.

固体高分子形燃料電池は、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜と、この電解質膜上に形成される触媒電極層であるアノードおよびカソードとを備える。触媒電極層は、一般に、触媒金属を備える触媒粒子と、プロトン伝導性を有する高分子電解質とを備える。このような燃料電池の性能向上のために、従来、種々の検討がなされてきた。   The polymer electrolyte fuel cell includes a polymer electrolyte membrane having proton conductivity, and an anode and a cathode which are catalyst electrode layers formed on the electrolyte membrane. The catalyst electrode layer generally includes catalyst particles including a catalyst metal and a polymer electrolyte having proton conductivity. Conventionally, various studies have been made to improve the performance of such fuel cells.

燃料電池の性能を向上させる方策の一つとして、カソード側の触媒電極層に、酸素溶解性の高い高分子化合物を含有させる構成が提案されている(例えば、特許文献1参照)。このように、酸素溶解性の高い高分子化合物をカソード中に含有させることにより、触媒金属近傍の酸素濃度を高め、カソードにおける水生成反応を促進し(交換電流密度を高め)、活性化過電圧を低下させることによって、電池性能を向上させることができる。   As one of the measures for improving the performance of the fuel cell, there has been proposed a structure in which a polymer compound having high oxygen solubility is contained in the cathode catalyst electrode layer (see, for example, Patent Document 1). In this way, by incorporating a polymer compound having high oxygen solubility in the cathode, the oxygen concentration in the vicinity of the catalyst metal is increased, the water generation reaction at the cathode is promoted (the exchange current density is increased), and the activation overvoltage is reduced. Battery performance can be improved by lowering.

特開2011−113739号公報JP 2011-1113739 A 特開2011−241344号公報JP 2011-241344 A 特開2011−181344号公報JP 2011-181344 A

ここで、触媒電極層は、一般に、触媒粒子と高分子電解質とを溶剤中に分散させた触媒インクを作製し、触媒インクを基材上に塗布することによって形成される。そのため、酸素溶解性の高い高分子化合物を触媒電極層中に含有させる方法としては、例えば、触媒インク中に酸素溶解性の高い高分子化合物を混合する方法が考えられる。しかしながら、酸素溶解性の高い高分子化合物と、高分子電解質のように、異なる性質を有する複数の高分子を溶剤中に均一に分散させることは、困難である。充分な分散状態にない触媒インクを用いて触媒電極層を形成すると、触媒金属の周囲に充分な分散状態で高分子電解質が存在しない触媒電極層となる可能性がある。触媒金属の周囲に充分な分散状態で高分子電解質が存在しないと、電解質膜から触媒金属へのプロトンの受け渡しの効率が不十分となり、燃料電池の発電効率が低下する可能性がある。   Here, the catalyst electrode layer is generally formed by preparing a catalyst ink in which catalyst particles and a polymer electrolyte are dispersed in a solvent, and applying the catalyst ink on a substrate. Therefore, as a method of incorporating a polymer compound having high oxygen solubility in the catalyst electrode layer, for example, a method of mixing a polymer compound having high oxygen solubility in the catalyst ink can be considered. However, it is difficult to uniformly disperse a plurality of polymers having different properties such as a polymer compound having high oxygen solubility and a polymer electrolyte in a solvent. If a catalyst electrode layer is formed using a catalyst ink that is not in a sufficiently dispersed state, there is a possibility that the catalyst electrode layer does not have a polymer electrolyte in a sufficiently dispersed state around the catalyst metal. If the polymer electrolyte does not exist in a sufficiently dispersed state around the catalyst metal, the efficiency of proton transfer from the electrolyte membrane to the catalyst metal becomes insufficient, and the power generation efficiency of the fuel cell may be reduced.

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、触媒電極層を形成するための触媒インクを改良することにより、燃料電池の発電性能を向上させることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to improve the power generation performance of a fuel cell by improving a catalyst ink for forming a catalyst electrode layer.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実施することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

[適用例1]
プロトン伝導性を有する高分子電解質と、触媒を備える触媒粒子と、を備える触媒電極層を形成するための触媒インクの製造方法であって、
加水分解処理によってプロトン伝導性を有する高分子電解質となる高分子電解質前駆体と、前記高分子電解質よりも酸素透過性が高いフッ素樹脂である高酸素透過性樹脂と、前記高酸素透過性樹脂を溶解可能なフッ素系溶剤と、を用意する準備工程と、
前記高分子電解質前駆体と、前記高酸素透過性樹脂と、前記フッ素系溶剤と、を混合して、前記フッ素系溶剤に前記高酸素透過性樹脂が溶解された樹脂溶液中に、前記高分子電解質前駆体を分散させる分散工程と、
を備える触媒インクの製造方法。
[Application Example 1]
A method for producing a catalyst ink for forming a catalyst electrode layer comprising a polymer electrolyte having proton conductivity and catalyst particles comprising a catalyst,
A polymer electrolyte precursor that becomes a polymer electrolyte having proton conductivity by hydrolysis treatment, a high oxygen permeable resin that is a fluororesin having a higher oxygen permeability than the polymer electrolyte, and the high oxygen permeable resin. A preparation step of preparing a soluble fluorine-based solvent;
The polymer electrolyte precursor, the high oxygen permeable resin, and the fluorine solvent are mixed, and the polymer is added to a resin solution in which the high oxygen permeable resin is dissolved in the fluorine solvent. A dispersion step of dispersing the electrolyte precursor;
A method for producing a catalyst ink comprising:

適用例1に記載の触媒インクの製造方法によれば、フッ素系溶剤に高酸素透過性樹脂が溶解された樹脂溶液中に電解質前駆体を分散させるため、高酸素透過性樹脂と電解質前駆体とが均一に混合された触媒インクを得ることができる。そのため、上記触媒インクを用いて触媒電極層を作製するならば、高酸素透過性樹脂を加えることで、触媒近傍の酸素濃度を高めて活性化過電圧を低下させた触媒電極層とすることができると共に、触媒に対して高分子電解質を充分に均一に分散させて配置することができる。さらに、高酸素透過性樹脂として用いる樹脂が、耐薬品性および耐熱性に優れたフッ素樹脂であるため、触媒インクから作製される触媒電極層の耐久性が、高酸素透過性樹脂の添加によって損なわれることを抑えることができる。   According to the method for producing the catalyst ink described in Application Example 1, in order to disperse the electrolyte precursor in the resin solution in which the high oxygen permeable resin is dissolved in the fluorinated solvent, the high oxygen permeable resin, the electrolyte precursor, Can be obtained by uniformly mixing the catalyst ink. Therefore, if a catalyst electrode layer is produced using the catalyst ink, a catalyst electrode layer can be obtained by increasing the oxygen concentration in the vicinity of the catalyst and reducing the activation overvoltage by adding a high oxygen permeable resin. At the same time, it is possible to disperse the polymer electrolyte sufficiently uniformly with respect to the catalyst. Furthermore, since the resin used as the high oxygen permeable resin is a fluororesin excellent in chemical resistance and heat resistance, the durability of the catalyst electrode layer produced from the catalyst ink is impaired by the addition of the high oxygen permeable resin. Can be suppressed.

[適用例2]
適用例1記載の触媒インクの製造方法であって、前記高酸素透過性樹は、骨格中に環構造を有するフッ素樹脂であることを特徴とする触媒インクの製造方法。
適用例2に記載の触媒インクの製造方法によれば、このような製造方法により製造した触媒インクを用いることで、触媒近傍の酸素濃度を高めて活性化過電圧を低下させる効果に優れた触媒電極層を作製することができる。
[Application Example 2]
The method for producing a catalyst ink according to Application Example 1, wherein the high oxygen permeable tree is a fluororesin having a ring structure in a skeleton.
According to the method for producing a catalyst ink described in Application Example 2, by using the catalyst ink produced by such a production method, a catalyst electrode excellent in the effect of increasing the oxygen concentration in the vicinity of the catalyst and reducing the activation overvoltage. Layers can be made.

[適用例3]
適用例2記載の触媒インクの製造方法であって、前記分散工程は、前記高分子電解質前駆体に対する前記高酸素透過性樹脂の重量比が1〜50wt%となるように、前記高分子電解質前駆体と前記高酸素透過性樹脂とを混合して行なう工程である触媒インクの製造方法。
適用例3に記載の触媒インクの製造方法によれば、このような製造方法により製造した触媒インクを用いることで、触媒近傍の酸素濃度を高めて活性化過電圧を低下させる効果に特に優れた触媒電極層を作製することができる。
[Application Example 3]
It is a manufacturing method of the catalyst ink of the application example 2, Comprising: The said dispersion | distribution process WHEREIN: The said polymer electrolyte precursor is such that the weight ratio of the said high oxygen permeability resin with respect to the said polymer electrolyte precursor will be 1-50 wt%. A method for producing a catalyst ink, which is a step of mixing a body and the high oxygen permeable resin.
According to the method for producing a catalyst ink described in Application Example 3, by using the catalyst ink produced by such a production method, a catalyst particularly excellent in the effect of increasing the oxygen concentration in the vicinity of the catalyst and reducing the activation overvoltage An electrode layer can be produced.

[適用例4]
プロトン伝導性を示す電解質膜と、該電解質膜上に設けられた触媒電極層と、を備える燃料電池の製造方法であって、
適用例1ないし3いずれか記載の触媒インクの製造方法により前記触媒インクを製造する第1の工程と、
前記触媒インクから成る層を、前記触媒電極層を形成するための第1の基板上に形成する第2の工程と、
前記第1の基板上に形成した前記触媒インクから成る層に対して、加水分解処理を施して、前記高分子電解質と前記触媒粒子とを備える前記触媒電極層を形成する第3の工程と、
を備える燃料電池の製造方法。
[Application Example 4]
A method for producing a fuel cell, comprising: an electrolyte membrane exhibiting proton conductivity; and a catalyst electrode layer provided on the electrolyte membrane,
A first step of producing the catalyst ink by the catalyst ink production method according to any one of Application Examples 1 to 3,
A second step of forming a layer of the catalyst ink on a first substrate for forming the catalyst electrode layer;
A third step of subjecting the layer made of the catalyst ink formed on the first substrate to a hydrolysis treatment to form the catalyst electrode layer comprising the polymer electrolyte and the catalyst particles;
A method for manufacturing a fuel cell comprising:

適用例4に記載の燃料電池の製造方法によれば、触媒近傍の酸素濃度を高めて活性化過電圧を低下させると共に、触媒に対して高分子電解質を充分に均一に分散させて配置した触媒電極層を備える燃料電池を得ることができる。そのため、燃料電池全体の発電性能を向上させることができる。   According to the method of manufacturing a fuel cell described in Application Example 4, the catalyst electrode in which the oxygen concentration in the vicinity of the catalyst is increased to lower the activation overvoltage and the polymer electrolyte is sufficiently dispersed in the catalyst. A fuel cell comprising a layer can be obtained. Therefore, the power generation performance of the entire fuel cell can be improved.

[適用例5]
適用例4に記載の燃料電池の製造方法であって、前記第1の基板は、加水分解処理によって前記電解質膜となる前駆体膜であり、前記燃料電池の製造方法は、さらに、前記第1の工程の後、前記第2の工程に先立って、前記触媒インクから成る層を、前記触媒インクの塗布用の第2の基板上に塗布する第3の工程と、前記第2の基板上に塗布した前記触媒インクの層を乾燥させる第4の工程と、を備え、前記第2の工程は、前記第4の工程で乾燥させた前記触媒インクの層を、前記前駆体膜上に転写する工程であり、前記第3の工程は、前記前駆体膜と、該前駆体膜上に形成した前記触媒インクから成る層とを、一体で加水分解処理する工程である燃料電池の製造方法。
適用例5に記載の燃料電池の製造方法によれば、第4の工程で触媒インクの層を乾燥させることで、触媒インクの層において、高分子電解質前駆体は触媒粒子近傍に配置され、高酸素透過性樹脂は触媒インクの層の表面近傍に配置される。そのため、高酸素透過性樹脂が充分なイオン伝導性を有していなくても、触媒電極層全体の酸素透過性を高めることができ、燃料電池の性能を向上させることができる。また、触媒インクから成る層と前駆体膜とを一体で加水分解処理するため、製造工程の複雑化を抑制できる。
[Application Example 5]
The fuel cell manufacturing method according to Application Example 4, wherein the first substrate is a precursor film that becomes the electrolyte film by hydrolysis, and the fuel cell manufacturing method further includes the first substrate. After the step, prior to the second step, a third step of applying a layer made of the catalyst ink on the second substrate for applying the catalyst ink, and on the second substrate A fourth step of drying the applied catalyst ink layer, and the second step transfers the catalyst ink layer dried in the fourth step onto the precursor film. The method of manufacturing a fuel cell, wherein the third step is a step of subjecting the precursor film and the layer made of the catalyst ink formed on the precursor film to an integral hydrolysis treatment.
According to the method for producing a fuel cell described in Application Example 5, the catalyst ink layer is dried in the fourth step, so that the polymer electrolyte precursor is disposed in the vicinity of the catalyst particles in the catalyst ink layer. The oxygen permeable resin is disposed near the surface of the catalyst ink layer. Therefore, even if the high oxygen permeable resin does not have sufficient ion conductivity, the oxygen permeability of the entire catalyst electrode layer can be increased, and the performance of the fuel cell can be improved. Moreover, since the layer made of the catalyst ink and the precursor film are integrally hydrolyzed, the manufacturing process can be prevented from becoming complicated.

[適用例6]
適用例4に記載の燃料電池の製造方法であって、さらに、前記第2の工程の後、前記第3の工程に先立って、前記第1の基板上に塗布した前記触媒インクの層を乾燥させる第5の工程と、前記第3の工程の後、前記第1の基板上に形成された前記触媒電極層を、前記電解質膜上に転写する第6の工程と、を備える燃料電池の製造方法。
適用例6に記載の燃料電池の製造方法によれば、第5の工程で触媒インクの層を乾燥させることで、触媒インクの層において、高分子電解質前駆体は触媒粒子近傍に配置され、高酸素透過性樹脂は触媒インクの層の表面近傍に配置される。そのため、高酸素透過性樹脂が充分なイオン伝導性を有していなくても、触媒電極層全体の酸素透過性を高めることができ、燃料電池の性能を向上させることができる。
[Application Example 6]
The method of manufacturing a fuel cell according to Application Example 4, wherein after the second step, the catalyst ink layer applied on the first substrate is dried before the third step. And a sixth step of transferring the catalyst electrode layer formed on the first substrate onto the electrolyte membrane after the third step. Method.
According to the method of manufacturing a fuel cell described in Application Example 6, the catalyst ink layer is dried in the fifth step, so that the polymer electrolyte precursor is disposed in the vicinity of the catalyst particles in the catalyst ink layer. The oxygen permeable resin is disposed near the surface of the catalyst ink layer. Therefore, even if the high oxygen permeable resin does not have sufficient ion conductivity, the oxygen permeability of the entire catalyst electrode layer can be increased, and the performance of the fuel cell can be improved.

[適用例7]
適用例4に記載の燃料電池の製造方法であって、前記第1の基板は、加水分解処理によって前記電解質膜となる前駆体膜であり、前記燃料電池の製造方法は、さらに、前記第2の工程の後、前記第3の工程に先立って、前記前駆体膜上に塗布した前記触媒インクの層を乾燥させる第7の工程を備え、前記第3の工程は、前記前駆体膜と、該前駆体膜上に形成した前記触媒インクから成る層とを、一体で加水分解処理する工程である燃料電池の製造方法。
適用例7に記載の燃料電池の製造方法によれば、第7の工程で触媒インクの層を乾燥させることで、触媒インクの層において、高分子電解質前駆体は触媒粒子近傍に配置され、高酸素透過性樹脂は触媒インクの層の表面近傍に配置される。そのため、高酸素透過性樹脂が充分なイオン伝導性を有していなくても、触媒電極層全体の酸素透過性を高めることができ、燃料電池の性能を向上させることができる。また、触媒インクから成る層と前駆体膜とを一体で加水分解処理するため、製造工程の複雑化を抑制できる。
[Application Example 7]
The fuel cell manufacturing method according to Application Example 4, wherein the first substrate is a precursor film that becomes the electrolyte film by hydrolysis, and the fuel cell manufacturing method further includes the second substrate. After the step, prior to the third step, the method includes a seventh step of drying the catalyst ink layer applied on the precursor film, and the third step includes the precursor film, A method for producing a fuel cell, which is a step of subjecting the layer made of the catalyst ink formed on the precursor film to an integral hydrolysis treatment.
According to the method for producing a fuel cell described in Application Example 7, the catalyst ink layer is dried in the seventh step, so that the polymer electrolyte precursor is disposed in the vicinity of the catalyst particles in the catalyst ink layer. The oxygen permeable resin is disposed near the surface of the catalyst ink layer. Therefore, even if the high oxygen permeable resin does not have sufficient ion conductivity, the oxygen permeability of the entire catalyst electrode layer can be increased, and the performance of the fuel cell can be improved. Moreover, since the layer made of the catalyst ink and the precursor film are integrally hydrolyzed, the manufacturing process can be prevented from becoming complicated.

[適用例8]
適用例4に記載の燃料電池の製造方法であって、前記第1の基板は、前記電解質膜であり、 前記燃料電池の製造方法は、さらに、前記第2の工程の後、前記第3の工程に先立って、前記電解質膜上に塗布した前記触媒インクの層を乾燥させる第8の工程を備える燃料電池の製造方法。
適用例8に記載の燃料電池の製造方法によれば、第8の工程で触媒インクの層を乾燥させることで、触媒インクの層において、高分子電解質前駆体は触媒粒子近傍に配置され、高酸素透過性樹脂は触媒インクの層の表面近傍に配置される。そのため、高酸素透過性樹脂が充分なイオン伝導性を有していなくても、触媒電極層全体の酸素透過性を高めることができ、燃料電池の性能を向上させることができる。
[Application Example 8]
The fuel cell manufacturing method according to Application Example 4, wherein the first substrate is the electrolyte membrane, and the fuel cell manufacturing method further includes the third step after the second step. Prior to the step, a method of manufacturing a fuel cell comprising an eighth step of drying the catalyst ink layer applied on the electrolyte membrane.
According to the method for producing a fuel cell described in Application Example 8, the catalyst ink layer is dried in the eighth step, so that the polymer electrolyte precursor is disposed in the vicinity of the catalyst particles in the catalyst ink layer. The oxygen permeable resin is disposed near the surface of the catalyst ink layer. Therefore, even if the high oxygen permeable resin does not have sufficient ion conductivity, the oxygen permeability of the entire catalyst electrode layer can be increased, and the performance of the fuel cell can be improved.

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本願の触媒インクの製造方法により製造された触媒電極、あるいは、本願の燃料電池の製造方法により製造された燃料電池などの形態で実現することが可能である。   The present invention can be realized in various forms other than the above, for example, a form of a catalyst electrode manufactured by the method for manufacturing a catalyst ink of the present application, or a fuel cell manufactured by a method for manufacturing a fuel cell of the present application. Can be realized.

燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram showing schematic structure of a fuel cell. カソードの構成を模式的に表わす説明図である。It is explanatory drawing which represents the structure of a cathode typically. 膜−電極接合体の製造工程の概略を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the outline of the manufacturing process of a membrane-electrode assembly. 膜−電極接合体の製造途中の様子を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the mode in the middle of manufacture of a membrane-electrode assembly. 膜−電極接合体の製造途中の様子を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the mode in the middle of manufacture of a membrane-electrode assembly. 発電性能の評価結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the evaluation result of electric power generation performance. 膜−電極接合体の製造工程の概略を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the outline of the manufacturing process of a membrane-electrode assembly. 膜−電極接合体の製造工程の概略を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the outline of the manufacturing process of a membrane-electrode assembly. 膜−電極接合体の製造工程の概略を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the outline of the manufacturing process of a membrane-electrode assembly. 膜−電極接合体の製造工程の概略を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the outline of the manufacturing process of a membrane-electrode assembly.

A.燃料電池の構成:
図1は、本発明の第1の実施形態としての触媒インクの製造方法によって製造された触媒インクを用いて製造された燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。本実施形態の燃料電池は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池は、複数の単セル10が積層されたスタック構造を有しており、図1では、単セル10の構造を示している。
A. Fuel cell configuration:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell manufactured using a catalyst ink manufactured by a catalyst ink manufacturing method as a first embodiment of the present invention. The fuel cell of the present embodiment is a solid polymer fuel cell that generates power upon receiving supply of hydrogen and oxygen as reaction gases. The fuel cell has a stack structure in which a plurality of single cells 10 are stacked, and FIG. 1 shows the structure of the single cells 10.

単セル10は、MEA(膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly)27と、ガス拡散層23,24と、ガスセパレータ25,26と、を備えている。MEA27は、電解質膜20と、電解質膜20の各々の面に形成された触媒電極層であるアノード21およびカソード22と、によって構成される。MEA27は、ガス拡散層23,24によって挟持されており、MEA27およびガス拡散層23,24から成るサンドイッチ構造は、さらに両側からガスセパレータ25,26によって挟持されている。   The single cell 10 includes an MEA (Membrane Electrode Assembly) 27, gas diffusion layers 23 and 24, and gas separators 25 and 26. The MEA 27 includes an electrolyte membrane 20 and an anode 21 and a cathode 22 that are catalyst electrode layers formed on each surface of the electrolyte membrane 20. The MEA 27 is sandwiched between the gas diffusion layers 23 and 24, and the sandwich structure composed of the MEA 27 and the gas diffusion layers 23 and 24 is further sandwiched between the gas separators 25 and 26 from both sides.

電解質膜20は、高分子電解質材料、例えばフッ素樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。具体的には、例えば、側鎖末端にスルホ基(−SO3H基)を有するパーフルオロスルホン酸ポリマから成る膜を用いることができる。 The electrolyte membrane 20 is a proton conductive ion exchange membrane formed of a polymer electrolyte material, for example, a fluororesin, and exhibits good electrical conductivity in a wet state. Specifically, for example, a membrane made of a perfluorosulfonic acid polymer having a sulfo group (—SO 3 H group) at the end of the side chain can be used.

カソード22およびアノード21は、電気化学反応を進行する触媒金属を担持するカーボン粒子と、プロトン伝導性を有する高分子電解質と、を備えている。触媒金属としては、例えば、白金や、白金とルテニウムなどの他の金属とから成る白金合金を用いることができる。高分子電解質は、例えば、側鎖末端にスルホ基(−SO3H基)を有するパーフルオロスルホン酸ポリマを用いることができる。触媒電極層が備える高分子電解質は、電解質膜20を構成する高分子電解質と同種のポリマであっても良く、異種のポリマであっても良い。なお、本実施形態では、カソード22は、さらに高酸素透過性樹脂を備えている。カソード22および高酸素透過性樹脂に係る詳しい説明は、後述する。 The cathode 22 and the anode 21 include carbon particles supporting a catalytic metal that proceeds with an electrochemical reaction, and a polymer electrolyte having proton conductivity. As the catalyst metal, for example, platinum or a platinum alloy made of platinum and another metal such as ruthenium can be used. As the polymer electrolyte, for example, a perfluorosulfonic acid polymer having a sulfo group (—SO 3 H group) at a side chain end can be used. The polymer electrolyte provided in the catalyst electrode layer may be the same kind of polymer as the polymer electrolyte constituting the electrolyte membrane 20 or may be a different kind of polymer. In the present embodiment, the cathode 22 further includes a high oxygen permeable resin. Detailed description of the cathode 22 and the high oxygen permeable resin will be described later.

ガス拡散層23,24は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、発泡金属や金属メッシュなどの金属製部材や、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン製部材により形成することができる。   The gas diffusion layers 23 and 24 are made of a member having gas permeability and electronic conductivity, and are formed of, for example, a metal member such as foam metal or metal mesh, or a carbon member such as carbon cloth or carbon paper. can do.

ガスセパレータ25,26は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼などの金属製部材により形成されている。ガスセパレータ25,26において、触媒電極層と対向する表面には、反応ガスが流れる流路溝28,29が形成されている。なお、ガスセパレータ25,26とガス拡散層23,24との間に、セル内ガス流路を形成するための多孔質体を配置しても良く、この場合には、流路溝28,29を省略しても良い。   The gas separators 25 and 26 are formed of a gas-impermeable conductive member, for example, a carbon-made member such as dense carbon that has been made to be gas-impermeable by compressing carbon, or a metal member such as press-molded stainless steel. ing. In the gas separators 25 and 26, flow channel grooves 28 and 29 through which a reaction gas flows are formed on the surface facing the catalyst electrode layer. A porous body for forming an in-cell gas flow path may be disposed between the gas separators 25 and 26 and the gas diffusion layers 23 and 24. In this case, the flow path grooves 28 and 29 are provided. May be omitted.

燃料電池の内部には、さらに、セル間冷媒流路が形成されている(図示せず)。このような冷媒流路は、例えば、積層されたすべての単セル間に形成しても良く、あるいは、単セルを所定数積層する毎に形成しても良い。   An inter-cell refrigerant flow path is further formed inside the fuel cell (not shown). Such a refrigerant flow path may be formed, for example, between all the stacked single cells, or may be formed every time a predetermined number of single cells are stacked.

さらに、燃料電池には、燃料電池を、その積層方向に貫通する複数の流路が形成されている。具体的には、各セルとの間で反応ガスを供給・排出するためのガスマニホールドや、既述した冷媒流路との間で冷媒を供給・排出するための冷媒マニホールドが形成されている。さらに、燃料電池には、MEA27の外周あるいはガスセパレータ25,26間の所定の位置に、シール部材(図示せず)が配置されている。このようなシール部材によって、流体の漏洩が防止されると共に、各ガスセパレータ25,26間の短絡が防止されている。   Further, the fuel cell is formed with a plurality of flow paths that penetrate the fuel cell in the stacking direction. Specifically, a gas manifold for supplying / discharging the reaction gas to / from each cell and a refrigerant manifold for supplying / discharging the refrigerant to / from the refrigerant flow path described above are formed. Further, in the fuel cell, a seal member (not shown) is arranged at a predetermined position between the outer periphery of the MEA 27 or the gas separators 25 and 26. Such a seal member prevents fluid leakage and prevents short circuit between the gas separators 25 and 26.

B.カソードの構成:
図2は、カソード22の構成を模式的に表わす説明図である。触媒電極層であるカソード22は、既述したように、触媒金属を担持するカーボン粒子(触媒担持カーボン30)と、高分子電解質と高酸素透過性樹脂とから成る樹脂層35と、を備えている。図2に示すように、樹脂層35は、触媒担持カーボン30の近傍側に配置する高分子電解質部32と、上記樹脂層35の表面側に配置する高酸素透過性樹脂部34と、を備える2層構造を有している。高分子電解質部32は、主として高分子電解質によって構成される。高酸素透過性樹脂部34は、主として高酸素透過性樹脂によって構成される。
B. Cathode configuration:
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of the cathode 22. As described above, the cathode 22 serving as the catalyst electrode layer includes the carbon particles (catalyst-supporting carbon 30) supporting the catalyst metal, and the resin layer 35 made of the polymer electrolyte and the high oxygen permeable resin. Yes. As shown in FIG. 2, the resin layer 35 includes a polymer electrolyte portion 32 disposed on the vicinity side of the catalyst-carrying carbon 30 and a high oxygen permeable resin portion 34 disposed on the surface side of the resin layer 35. It has a two-layer structure. The polymer electrolyte part 32 is mainly composed of a polymer electrolyte. The high oxygen permeable resin portion 34 is mainly composed of a high oxygen permeable resin.

本実施形態で用いる高酸素透過性樹脂とは、樹脂層35が備える高分子電解質よりも酸素透過性が高い(酸素透過係数が大きい)フッ素樹脂である。このような高酸素透過性樹脂の具体例としては、例えば、旭硝子社製のCYTOP(CYTOPは登録商標)や、Du Pont社製のTeflon AF(Teflonは登録商標)や、ソルベイソレクシス社製のHyflon AD(Hyflonは登録商標)を挙げることができる。以下に、高酸素透過性樹脂の構造式を例示する。(1)式は、CYTOPの構造式であり、(2)式は、Teflon AFの構造式である。   The high oxygen permeable resin used in the present embodiment is a fluororesin having a higher oxygen permeability (a larger oxygen permeability coefficient) than the polymer electrolyte provided in the resin layer 35. Specific examples of such a high oxygen permeable resin include CYTOP manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. (CYTOP is a registered trademark), Teflon AF manufactured by Du Pont (Teflon is a registered trademark), and Solvay Solexis Hyflon AD (Hyflon is a registered trademark). The structural formula of the high oxygen permeable resin is exemplified below. Formula (1) is a structural formula of CYTOP, and Formula (2) is a structural formula of Teflon AF.

Figure 2013178908
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(1)式および(2)式に示すように、高酸素透過性樹脂は、パーフルオロ構造を有する骨格中に、含フッ素脂肪族環構造(例えば、5角形の含酸素環状構造)が導入されている。このような高酸素透過性樹脂は、骨格中に環構造が導入されることにより、規則性が崩れて非晶質となっている。高酸素透過性樹脂は、上記のように環構造が導入されて、樹脂密度が低下する(立体構造が粗となる)ことにより、酸素透過性が高まると考えられる。なお、例えばCYTOPには、末端基の異なる複数種類の樹脂が知られている。このような末端基の構造に関わらす、本発明における高酸素透過性樹脂としては、いずれも使用することができる。   As shown in the formulas (1) and (2), the high oxygen permeable resin has a fluorine-containing aliphatic ring structure (for example, a pentagonal oxygen-containing cyclic structure) introduced into a skeleton having a perfluoro structure. ing. Such a high oxygen permeable resin is amorphous due to the loss of regularity due to the introduction of a ring structure in the skeleton. It is considered that the oxygen permeability of the high oxygen permeable resin is increased when the ring structure is introduced as described above and the resin density is lowered (the steric structure becomes rough). For example, a plurality of types of resins having different end groups are known for CYTOP. Regardless of the structure of the terminal group, any of the high oxygen permeable resins in the present invention can be used.

C.膜電極接合体の製造工程:
図3は、本実施形態のMEA27の製造工程を表わす説明図である。また、図4および図5は、MEA27の製造途中の様子を表わす説明図である。MEA27を製造するには、まず、前駆体膜を用意する(ステップS100)。前駆体膜とは、燃料電池が備える電解質膜20の前駆体となる膜である。具体的には、電解質膜20と同様のフッ素樹脂であって、イオン交換基であるスルホ基(−SO3H基)に代えて、「−SO2F基」を有するパーフルオロカーボンスルフォニルフルオライドのポリマから成る膜である。このような前駆体膜は、加水分解処理を行ない、スルホ基を「−SO3H基」に変換することにより、電解質膜20とすることができる。なお、本実施形態では、前駆体膜は、特許請求の範囲における「第1の基板」に相当する。
C. Manufacturing process of membrane electrode assembly:
FIG. 3 is an explanatory view showing a manufacturing process of the MEA 27 of the present embodiment. 4 and 5 are explanatory diagrams showing a state during the manufacture of the MEA 27. FIG. In order to manufacture the MEA 27, first, a precursor film is prepared (step S100). A precursor film | membrane is a film | membrane used as the precursor of the electrolyte membrane 20 with which a fuel cell is provided. Specifically, it is a fluororesin similar to the electrolyte membrane 20 and is a perfluorocarbon sulfonyl fluoride having a “—SO 2 F group” instead of a sulfo group (—SO 3 H group) which is an ion exchange group. A film made of polymer. Such a precursor film can be made into the electrolyte film 20 by performing a hydrolysis treatment and converting a sulfo group into a “—SO 3 H group”. In the present embodiment, the precursor film corresponds to the “first substrate” in the claims.

また、触媒インク材料を用意する(ステップS110)。具体的には、電解質前駆体と、既述した高酸素透過性樹脂と、フッ素系溶剤と、既述した触媒担持カーボン30とを用意する。   Also, a catalyst ink material is prepared (step S110). Specifically, an electrolyte precursor, the above-described high oxygen permeable resin, a fluorinated solvent, and the above-described catalyst-supporting carbon 30 are prepared.

電解質前駆体とは、「−SO2F基」を有し、加水分解処理によって「−SO2F基」をスルホ基に変換することにより、プロトン伝導性を有する高分子電解質となるフッ素樹脂(パーフルオロカーボンスルフォニルフルオライドのポリマ)である。電解質前駆体は、前駆体膜を構成するフッ素樹脂と同種のポリマであっても良く、異種のポリマであっても良い。 The electrolyte precursor, "- SO 2 F groups" have, by converting the "-SO 2 F groups" sulfo groups by hydrolysis, fluorocarbon resin as a polymer electrolyte having proton conductivity ( Perfluorocarbon sulfonyl fluoride polymer). The electrolyte precursor may be the same type of polymer as that of the fluororesin constituting the precursor film, or may be a different type of polymer.

フッ素系溶剤とは、高酸素透過性樹脂を溶解可能な溶剤である。高酸素透過性樹脂は、既述したように、骨格中に環構造が導入された非晶質なフッ素樹脂である。そのため、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の直鎖状のフッ素樹脂とは異なり、特定のフッ素系溶剤に溶解することができる。ステップS110では、用いる高酸素透過性樹脂に応じて、この高酸素透過性樹脂を溶解可能なフッ素系溶剤を用意すればよい。フッ素系溶剤としては、ヒドロフルオロエーテル(HFE)、例えば、住友スリーエム株式会社のNovec(Novecは登録商標)7100、7300、7600を用いることができる。   The fluorine-based solvent is a solvent that can dissolve the high oxygen-permeable resin. As described above, the high oxygen permeable resin is an amorphous fluororesin in which a ring structure is introduced into the skeleton. Therefore, unlike a linear fluororesin such as polytetrafluoroethylene (PTFE), it can be dissolved in a specific fluorine-based solvent. In step S110, a fluorine-based solvent capable of dissolving the high oxygen permeable resin may be prepared according to the high oxygen permeable resin to be used. As the fluorine-based solvent, hydrofluoroether (HFE), for example, Novec (Novec is a registered trademark) 7100, 7300, 7600 manufactured by Sumitomo 3M Limited can be used.

触媒担持カーボン30は、例えばカーボンブラックから成るカーボン粒子を、白金化合物の溶液中に分散させて、含浸法や共沈法、あるいはイオン交換法によって作製することができる。白金化合物の溶液としては、例えば、テトラアンミン白金塩溶液、ジニトロジアンミン白金溶液、白金硝酸塩溶液、あるいは塩化白金酸溶液などを用いることができる。   The catalyst-supporting carbon 30 can be manufactured by, for example, dispersing carbon particles made of carbon black in a platinum compound solution and performing an impregnation method, a coprecipitation method, or an ion exchange method. As the platinum compound solution, for example, a tetraammine platinum salt solution, a dinitrodiammine platinum solution, a platinum nitrate solution, or a chloroplatinic acid solution can be used.

ステップS110の後、電解質前駆体と高酸素透過性樹脂とフッ素系溶剤とを混合し、高酸素透過性樹脂がフッ素系溶剤に溶解して成る高酸素透過性樹脂溶液(以下、単に樹脂溶液ともいう)中に、電解質前駆体を分散させる(ステップS120)。ステップS120で行なう処理は、樹脂溶液中で電解質前駆体を充分に分散可能な処理であれば良く、例えば、攪拌処理と、超音波処理と、加熱処理とを、適宜組み合わせて行なえばよい。   After step S110, an electrolyte precursor, a high oxygen permeable resin, and a fluorinated solvent are mixed, and a high oxygen permeable resin solution (hereinafter simply referred to as a resin solution) formed by dissolving the high oxygen permeable resin in the fluorinated solvent. The electrolyte precursor is dispersed (step S120). The treatment performed in step S120 may be a treatment that can sufficiently disperse the electrolyte precursor in the resin solution. For example, the stirring treatment, the ultrasonic treatment, and the heat treatment may be appropriately combined.

ステップS120の後、電解質前駆体を分散させた樹脂溶液中に、さらに触媒担持カーボン30を投入し、混合する(ステップS130)。触媒担持カーボン30の混合量は、例えば、触媒担持カーボン30のカーボン重量に対する電解質前駆体の重量比が、0.5〜1.2となる範囲とすればよい。そして、さらに分散処理(例えば、攪拌処理と超音波処理とを組み合わせた処理)を行なって、触媒担持カーボン30が分散された触媒インクを作製する(ステップS140)。   After step S120, the catalyst-supporting carbon 30 is further charged and mixed in the resin solution in which the electrolyte precursor is dispersed (step S130). The mixing amount of the catalyst-supporting carbon 30 may be, for example, in a range where the weight ratio of the electrolyte precursor to the carbon weight of the catalyst-supporting carbon 30 is 0.5 to 1.2. Further, a dispersion process (for example, a process combining a stirring process and an ultrasonic process) is performed to produce a catalyst ink in which the catalyst-supporting carbon 30 is dispersed (step S140).

その後、作製した触媒インクを、基板上に塗布し、乾燥させる(ステップS150)。ここで、基板とは、触媒インクを塗布することによって膜状に成形可能であれば良い。剥離性や耐熱性を考慮して、基板は、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)やポリテトラフルオロエチレン(PTFE)によって構成した薄膜とすることができる。ステップS150で用いる基板は、特許請求の範囲における「第2の基板」に相当する。また、ステップS150における塗布の方法は、特に限定されない。例えば、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、ダイコート法等を用いることができる。   Thereafter, the produced catalyst ink is applied on the substrate and dried (step S150). Here, the substrate may be any film that can be formed into a film by applying a catalyst ink. In consideration of peelability and heat resistance, the substrate can be a thin film made of, for example, polyethylene terephthalate (PET) or polytetrafluoroethylene (PTFE). The substrate used in step S150 corresponds to the “second substrate” in the claims. Further, the coating method in step S150 is not particularly limited. For example, a spray method, a screen printing method, a doctor blade method, a die coating method, or the like can be used.

図4(A)には、ステップS150で基板40上に触媒インクを塗布して触媒インクから成る層(以下、触媒インク層42と呼ぶ)を形成した様子を示す。また、図4(B)には、図4(A)の状態から触媒インクを乾燥させて、触媒インク中のフッ素系溶剤を揮発させた様子を示す。触媒インクを乾燥させて溶剤を揮発させると、触媒インク層42が多孔質層になると共に、触媒インク層42において固形成分である高酸素透過性樹脂が析出する。その際に、電解質前駆体と高酸素透過性樹脂とは性質が異なる樹脂であるため、触媒インク層42層中において、主として電解質前駆体を含む部分と、主として高酸素透過性樹脂を含む部分とが分離する。このとき、電解質前駆体は、触媒担持カーボン30に引き寄せられて電解質前駆体部43を形成し、高酸素透過性樹脂は表面側に配置されて高酸素透過性樹脂部34を形成する。このような層分離が起こる理由として、電解質前駆体が有する「−SO2F基」は、吸着性が高い官能基であるため、電解質前駆体が触媒担持カーボン30(特にカーボン粒子)に引き寄せられるためと考えられる。また、高酸素透過性樹脂は、骨格中に環構造が導入されて直線性を失うことにより吸着性が低下しているため、相対的に触媒担持カーボン30から離間することになるためと考えられる。なお、高酸素透過性樹脂の層と電解質前駆体の層とが分離する性質を有する様子は、例えば、樹脂溶液中に電解質前駆体を分散させた分散液を適当な基板上に塗布して乾燥させれば、光学顕微鏡を用いることで、容易に観察できる。なお、ステップS150における乾燥の工程では、触媒インクからフッ素系溶剤の少なくとも一部が揮発して、触媒インク層42において、電解質前駆体と高酸素透過性樹脂の各々が触媒インク層42全体に対して偏在する上記した現象が生じればよい。そのため、温度や時間は任意に設定可能である。 FIG. 4A shows a state in which the catalyst ink is applied on the substrate 40 in step S150 to form a layer made of the catalyst ink (hereinafter referred to as catalyst ink layer 42). FIG. 4B shows a state in which the catalyst ink is dried from the state of FIG. 4A and the fluorinated solvent in the catalyst ink is volatilized. When the catalyst ink is dried to volatilize the solvent, the catalyst ink layer 42 becomes a porous layer, and a high oxygen-permeable resin that is a solid component is deposited in the catalyst ink layer 42. At that time, since the electrolyte precursor and the high oxygen permeable resin are resins having different properties, in the catalyst ink layer 42, a portion mainly containing the electrolyte precursor and a portion mainly containing the high oxygen permeable resin Is separated. At this time, the electrolyte precursor is attracted to the catalyst-supporting carbon 30 to form the electrolyte precursor portion 43, and the high oxygen permeable resin is disposed on the surface side to form the high oxygen permeable resin portion 34. The reason why such layer separation occurs is that the “—SO 2 F group” of the electrolyte precursor is a functional group having high adsorptivity, so that the electrolyte precursor is attracted to the catalyst-supporting carbon 30 (particularly, carbon particles). This is probably because of this. In addition, it is considered that the high oxygen permeable resin is relatively separated from the catalyst-supporting carbon 30 because the adsorptivity is reduced due to the loss of linearity due to the introduction of a ring structure in the skeleton. . For example, the high oxygen-permeable resin layer and the electrolyte precursor layer may be separated from each other by applying a dispersion in which the electrolyte precursor is dispersed in a resin solution onto a suitable substrate and drying. Then, it can be easily observed by using an optical microscope. In the drying step in step S150, at least a part of the fluorinated solvent is volatilized from the catalyst ink, and in the catalyst ink layer 42, each of the electrolyte precursor and the high oxygen permeable resin is in the entire catalyst ink layer 42. The above-mentioned phenomenon that is unevenly distributed may be generated. Therefore, the temperature and time can be set arbitrarily.

ステップS150の後、基板40上の触媒インク層42を、ステップS100で用意した前駆体膜上に転写する(ステップS160)。図4では、触媒インク層42を前駆体膜44側へと転写する様子を併せて示している。基板40側から前駆体膜44側への触媒インク層42の転写は、例えば、熱圧転写(ホットプレス)により行なえばよい。転写後、基板40は、触媒インク層42から剥離される。前駆体膜44上に触媒インク層42が転写された様子を、図5(A)に示す。   After step S150, the catalyst ink layer 42 on the substrate 40 is transferred onto the precursor film prepared in step S100 (step S160). FIG. 4 also shows how the catalyst ink layer 42 is transferred to the precursor film 44 side. The transfer of the catalyst ink layer 42 from the substrate 40 side to the precursor film 44 side may be performed by, for example, hot pressure transfer (hot press). After the transfer, the substrate 40 is peeled from the catalyst ink layer 42. FIG. 5A shows a state in which the catalyst ink layer 42 is transferred onto the precursor film 44.

ステップS160の後、前駆体膜44上に触媒インク層42を形成した構造全体を加水分解処理する(ステップS170)。加水分解処理の具体的な内容は、以下の通りである。
(1)触媒インク層42が形成された前駆体膜44を、アルカリ溶液(NaOH溶液)に浸漬させ、前駆体膜44および触媒インク層42の電解質前駆体が有する「−SO2F基」を「−SO3Na基」に変性させる。
(2)触媒インク層42が形成された前駆体膜44を水洗した後、酸性溶液(H2SO4溶液あるいはHNO3溶液)に浸漬させて、前段階で変性された「−SO3Na基」を、さらに、「−SO3H基」へと変性させる。
After step S160, the entire structure in which the catalyst ink layer 42 is formed on the precursor film 44 is hydrolyzed (step S170). Specific contents of the hydrolysis treatment are as follows.
(1) The precursor film 44 on which the catalyst ink layer 42 is formed is immersed in an alkaline solution (NaOH solution), and the “—SO 2 F group” of the precursor film 44 and the electrolyte precursor of the catalyst ink layer 42 is contained. It is modified to “—SO 3 Na group”.
(2) After the precursor film 44 on which the catalyst ink layer 42 is formed is washed with water, it is immersed in an acidic solution (H 2 SO 4 solution or HNO 3 solution), and the “-SO 3 Na group modified in the previous step is used. Is further modified into a “—SO 3 H group”.

この工程によって、前駆体膜44および触媒インク層42に含まれる電解質前駆体にはプロトン伝導性が付与される。即ち、前駆体膜44はイオン交換膜である電解質膜20となる。また、電解質前駆体部43が高分子電解質部32となることにより、触媒インク層42はカソード22となる。   By this step, proton conductivity is imparted to the electrolyte precursor contained in the precursor film 44 and the catalyst ink layer 42. That is, the precursor film 44 becomes the electrolyte membrane 20 which is an ion exchange membrane. Further, the catalyst precursor layer 43 becomes the polymer electrolyte portion 32, whereby the catalyst ink layer 42 becomes the cathode 22.

その後、電解質膜20上に、さらにアノード21を形成して(ステップS180)、MEA27を完成する。アノード21は、例えば、イオン交換基である「−SO3H基」を有するパーフルオロスルホン酸ポリマと触媒担持カーボン30とを溶剤中に分散させた触媒インクを用いて形成することができる。このような触媒インクを所定の基板上に塗布して乾燥することによりアノード21と成し、その後、電解質膜20上に転写すればよい。 Thereafter, an anode 21 is further formed on the electrolyte membrane 20 (step S180) to complete the MEA 27. The anode 21 can be formed using, for example, a catalyst ink in which a perfluorosulfonic acid polymer having “—SO 3 H groups” that are ion exchange groups and a catalyst-supporting carbon 30 are dispersed in a solvent. Such a catalyst ink may be applied to a predetermined substrate and dried to form the anode 21 and then transferred onto the electrolyte membrane 20.

以上のように構成された本実施形態の触媒インクの製造方法によれば、特定のフッ素系溶剤を用いた高酸素透過性樹脂溶液中に電解質前駆体を分散させるため、高酸素透過性樹脂と電解質前駆体とが均一に混合された触媒インクを得ることができる。そのため、カソード22に高酸素透過性樹脂を加えることにより、触媒金属近傍の酸素濃度を高めて活性化過電圧を低下させる効果が得られると共に、触媒金属に対して、高分子電解質を充分に均一に分散させて配置することができる。その結果、全体として、カソード22における反応性を高め、燃料電池全体の発電性能を向上させることができる。   According to the method for producing the catalyst ink of the present embodiment configured as described above, in order to disperse the electrolyte precursor in the high oxygen permeable resin solution using the specific fluorine-based solvent, the high oxygen permeable resin and A catalyst ink in which the electrolyte precursor is uniformly mixed can be obtained. Therefore, by adding a high oxygen permeable resin to the cathode 22, an effect of increasing the oxygen concentration in the vicinity of the catalyst metal and lowering the activation overvoltage can be obtained, and the polymer electrolyte can be sufficiently uniform with respect to the catalyst metal. It can be distributed. As a result, as a whole, the reactivity at the cathode 22 can be increased, and the power generation performance of the entire fuel cell can be improved.

触媒インクを製造する際には、一般には、電解質前駆体ではなく、イオン交換基を有する高分子電解質を、溶剤中に分散させる。このように高分子電解質を溶剤中に分散させると、高分子電解質は、通常、ミセル構造を形成する。すなわち、高分子電解質が溶剤中で粒状に会合して液滴の分散系を形成する。そのため、高分子電解質とは性質の異なる高酸素透過性樹脂を触媒インク中にさらに加えても、高分子電解質と高酸素透過性樹脂とを充分に均一に分散させることは困難になる。本実施形態では、高酸素透過性樹脂として、骨格中に環構造が導入されて酸素透過性が高められたフッ素樹脂を用いているため、このようなフッ素樹脂は、上記環構造が導入された特徴的な構造により、特定のフッ素系溶剤に溶解可能となっている。そのため、このようなフッ素系溶剤を用いることで、高酸素透過性樹脂を溶液の状態で用意することができる。さらに、高酸素透過性樹脂を溶解できる溶剤が疎水性のフッ素系溶剤であり、また、高分子電解質に代えて「−SO2F基」を有する電解質前駆体を用いるため、電解質前駆体を、ミセル化することなく樹脂溶液中に均一に分散させることが可能になる。そのため、電解質前駆体と高酸素透過性樹脂とが充分に均一に分散した触媒インクを得ることができ、カソード22において、触媒金属に対して高分子電解質を充分に分散した状態で配置することができる。 In producing a catalyst ink, generally, a polymer electrolyte having an ion exchange group, not an electrolyte precursor, is dispersed in a solvent. When the polymer electrolyte is dispersed in the solvent as described above, the polymer electrolyte usually forms a micelle structure. That is, the polymer electrolyte is associated with particles in a solvent to form a droplet dispersion system. For this reason, even if a high oxygen-permeable resin having properties different from those of the polymer electrolyte is further added to the catalyst ink, it is difficult to sufficiently uniformly disperse the polymer electrolyte and the high oxygen-permeable resin. In the present embodiment, a fluororesin in which a ring structure is introduced into the skeleton and oxygen permeability is increased is used as the high oxygen permeable resin. Therefore, in the fluororesin, the above ring structure is introduced. Due to its characteristic structure, it can be dissolved in a specific fluorine-based solvent. Therefore, by using such a fluorinated solvent, a high oxygen permeable resin can be prepared in a solution state. Furthermore, since the solvent capable of dissolving the high oxygen permeable resin is a hydrophobic fluorine-based solvent, and an electrolyte precursor having a “—SO 2 F group” is used instead of the polymer electrolyte, the electrolyte precursor is It becomes possible to disperse uniformly in the resin solution without forming micelles. Therefore, a catalyst ink in which the electrolyte precursor and the high oxygen permeable resin are sufficiently uniformly dispersed can be obtained, and the polymer electrolyte can be disposed in the cathode 22 in a state in which the polymer electrolyte is sufficiently dispersed. it can.

特に、本実施形態のカソード22では、触媒担持カーボン30の近傍に高分子電解質部32が形成され、表面側に高酸素透過性樹脂部34が形成されるため、プロトン伝導性を有しない高酸素透過性樹脂を溶解が加わっても、燃料電池全体としての発電性能を高めることができる。プロトン伝導性を有しない高酸素透過性樹脂を加えることで発電性能が向上する理由は、以下のように考えられる。高酸素透過性樹脂は、高分子電解質よりも酸素透過性が高い(酸素透過係数が大きい)高分子である。酸素透過性(酸素透過係数)は、一般に、酸素溶解性(酸素の溶解度係数)と酸素拡散性(酸素の拡散係数)の積として理解される。本実施形態で用いる高酸素透過性樹脂は、骨格中に環構造が導入されて立体構造が粗となることにより、高分子電解質に比べて、少なくとも酸素溶解性が優れていると考えられる。そのため、高酸素透過性樹脂をカソード22の表面側に配置することで、カソード22全体の高分子電解質濃度が多少低下しても、酸素溶解性が高まる結果カソード22全体の酸素透過性が高まる効果の方が大きく、電池性能を向上させることができると考えられる。   In particular, in the cathode 22 of the present embodiment, the polymer electrolyte portion 32 is formed in the vicinity of the catalyst-supporting carbon 30, and the high oxygen-permeable resin portion 34 is formed on the surface side. Even if the permeable resin is dissolved, the power generation performance of the entire fuel cell can be improved. The reason why the power generation performance is improved by adding a high oxygen permeable resin not having proton conductivity is considered as follows. The high oxygen permeable resin is a polymer having a higher oxygen permeability (a larger oxygen permeability coefficient) than that of the polymer electrolyte. Oxygen permeability (oxygen permeability coefficient) is generally understood as the product of oxygen solubility (oxygen solubility coefficient) and oxygen diffusivity (oxygen diffusion coefficient). The high oxygen-permeable resin used in the present embodiment is considered to have at least oxygen solubility superior to that of the polymer electrolyte by introducing a ring structure into the skeleton and making the steric structure coarse. Therefore, by disposing the high oxygen permeable resin on the surface side of the cathode 22, even if the polymer electrolyte concentration of the entire cathode 22 is somewhat reduced, the oxygen solubility is increased, and as a result, the oxygen permeability of the entire cathode 22 is increased. Is larger, and it is considered that battery performance can be improved.

さらに、本実施形態では、前駆体膜44上に触媒インク層42を形成して、両者を一体で加水分解処理しているため、触媒電極層と電解質膜の各々についてイオン交換基を導入するための加水分解が1度で済む。そのため、電解質前駆体を備える触媒インクを用いても、製造工程の複雑化を抑制できる。   Furthermore, in this embodiment, since the catalyst ink layer 42 is formed on the precursor film 44 and both are integrally hydrolyzed, an ion exchange group is introduced into each of the catalyst electrode layer and the electrolyte film. Hydrolysis of is required only once. Therefore, even if the catalyst ink provided with the electrolyte precursor is used, the manufacturing process can be prevented from becoming complicated.

また、高酸素透過性樹脂として用いる樹脂が、耐薬品性および耐熱性に優れたフッ素樹脂であるため、酸性雰囲気で使用するカソード22の耐久性が、高酸素透過性樹脂の添加によって損なわれることを抑えることができる。   Further, since the resin used as the high oxygen permeable resin is a fluororesin excellent in chemical resistance and heat resistance, the durability of the cathode 22 used in an acidic atmosphere is impaired by the addition of the high oxygen permeable resin. Can be suppressed.

D.発電性能の評価:
図6は、カソードに加える高酸素透過性樹脂の量、種類、および製造方法を異ならせて、燃料電池の発電性能を評価した結果を示す説明図である。図6では、カソードの構成が異なるサンプル1〜12の燃料電池について、発電性能を評価している。
D. Evaluation of power generation performance:
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the results of evaluating the power generation performance of the fuel cell with different amounts, types, and manufacturing methods of the high oxygen permeable resin added to the cathode. In FIG. 6, the power generation performance is evaluated for the fuel cells of Samples 1 to 12 having different cathode configurations.

サンプル1〜5、および11の燃料電池は、カソードが備える高酸素透過性樹脂としてCYTOP(末端官能基は−CF3)を用いており、サンプル6〜9、および12の燃料電池は、カソードが備える高酸素透過性樹脂としてTeflon AF 2400を用いた。サンプル10の燃料電池は、カソード中に、高酸素透過性樹脂を混合していない。 The fuel cells of Samples 1 to 5 and 11 use CYTOP (the terminal functional group is —CF 3 ) as a high oxygen permeable resin included in the cathode, and the fuel cells of Samples 6 to 9 and 12 have a cathode of Teflon AF 2400 was used as the high oxygen permeable resin provided. In the fuel cell of Sample 10, a high oxygen permeable resin is not mixed in the cathode.

サンプル1〜9の燃料電池の膜−電極接合体は、図6に示す条件で、図3に示す製造工程により製造した。具体的には、ステップS110において触媒インク材料を用意する際には、サンプル1、2、3、4、5では、電解質前駆体に対するCYTOPの重量比は、それぞれ、1wt%、10wt%、30wt%、50wt%、75wt%とした(図6参照)。また、サンプル6、7、8、9では、電解質前駆体に対するTeflon AF 2400の重量比は、それぞれ、10wt%、30wt%、50wt%、75wt%とした(図6参照)。   The fuel cell membrane-electrode assemblies of Samples 1 to 9 were manufactured by the manufacturing process shown in FIG. 3 under the conditions shown in FIG. Specifically, when preparing the catalyst ink material in step S110, in samples 1, 2, 3, 4, and 5, the weight ratio of CYTOP to the electrolyte precursor is 1 wt%, 10 wt%, and 30 wt%, respectively. , 50 wt%, and 75 wt% (see FIG. 6). In Samples 6, 7, 8, and 9, the weight ratio of Teflon AF 2400 to the electrolyte precursor was 10 wt%, 30 wt%, 50 wt%, and 75 wt%, respectively (see FIG. 6).

サンプル1〜9のいずれにおいても、ステップS110では、触媒担持粒子として、カーボン粒子に50wt%の白金を担持させた触媒担持カーボンを用意した。また、ステップS110では、フッ素系溶剤として、Novec7300を用意した。また、ステップS120において樹脂溶液中に電解質前駆体層を分散させる際には、フッ素系溶剤に対する固形分(電解質前駆体+高酸素透過性樹脂)の割合は、5〜10wt%となるように調整した。ステップS120における分散の動作は、60℃に加熱して、1時間以上攪拌を行ない、その後、超音波分散を0.5時間以上行なった。なお、ステップS120の分散の工程で、電解質前駆体が、ミセルを形成することなく樹脂溶液中で充分に均一に分散されることは、レーザ式粒度分布計で樹脂溶液中の電解質前駆体の粒度を測定することにより確認した。   In any of samples 1 to 9, in step S110, catalyst-supporting carbon in which 50 wt% platinum was supported on carbon particles was prepared as catalyst-supporting particles. In Step S110, Novec7300 was prepared as a fluorine-based solvent. In addition, when the electrolyte precursor layer is dispersed in the resin solution in step S120, the ratio of the solid content (electrolyte precursor + high oxygen permeable resin) to the fluorine-based solvent is adjusted to be 5 to 10 wt%. did. In the dispersion operation in step S120, the mixture was heated to 60 ° C. and stirred for 1 hour or longer, and then ultrasonic dispersion was performed for 0.5 hour or longer. In the dispersion step of step S120, the electrolyte precursor is sufficiently uniformly dispersed in the resin solution without forming micelles. The particle size of the electrolyte precursor in the resin solution is determined by a laser particle size distribution meter. It was confirmed by measuring.

ステップS130では、触媒担持カーボンのカーボン重量に対する電解質前駆体の重量比が75wt%となるように、触媒担持カーボンを分散液に加えた。ステップS140では、ステップS120と同様の条件で、触媒担持カーボンの分散処理を行なった。ステップS150では、PTFEの基板上に触媒インクを塗布し、室温で5分間放置して乾燥させた。ステップS170では、触媒インクを塗布した前駆体膜を、9規定の水酸化ナトリウム水溶液(9N−NaOH)中に20分間浸漬し、水洗の後、1規定の硝酸水溶液(1N−HNO3)中に20分間浸漬した。 In step S130, the catalyst-carrying carbon was added to the dispersion so that the weight ratio of the electrolyte precursor to the carbon weight of the catalyst-carrying carbon was 75 wt%. In step S140, the catalyst-supporting carbon was dispersed under the same conditions as in step S120. In step S150, the catalyst ink was applied on a PTFE substrate and allowed to dry at room temperature for 5 minutes. In step S170, the precursor film coated with the catalyst ink is immersed in a 9N aqueous sodium hydroxide solution (9N-NaOH) for 20 minutes, washed with water, and then washed in a 1N aqueous nitric acid solution (1N-HNO 3 ). Soaked for 20 minutes.

図7は、サンプル10〜12の燃料電池が備える膜−電極接合体の製造工程を表わす説明図である。図7では、まず、電解質膜を用意した(ステップS200)。ステップS200で用意する電解質膜は、側鎖末端にスルホ基(−SO3H基)を有するパーフルオロスルホン酸ポリマから成る膜である。市販の電解質膜としては、例えば、Du Pont社製のNafion膜(Nafionは登録商標)や、Dow Chemical社のDOW膜(DOWは登録商標)、旭化成社のアシプレックス(アシプレックスは登録商標)を用いることができる。サンプル10〜12の燃料電池を製造するためには、DOW膜を用いた。 FIG. 7 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of the membrane-electrode assembly included in the fuel cells of Samples 10 to 12. In FIG. 7, first, an electrolyte membrane was prepared (step S200). The electrolyte membrane prepared in step S200 is a membrane made of a perfluorosulfonic acid polymer having a sulfo group (—SO 3 H group) at the end of the side chain. Examples of commercially available electrolyte membranes include Nafion membranes manufactured by Du Pont (Nafion is a registered trademark), DOW membranes manufactured by Dow Chemical (DOW is a registered trademark), and Aciplex (Aciplex is a registered trademark) manufactured by Asahi Kasei. Can be used. In order to manufacture the fuel cells of Samples 10 to 12, a DOW membrane was used.

ステップS210では、触媒インク材料を用意した。ここでは、ステップS110とは異なり、電解質前駆体ではなく高分子電解質、具体的には、側鎖末端にスルホ基(−SO3H基)を有するパーフルオロスルホン酸ポリマを用意した。また、ステップS210において、サンプル10では高酸素透過性樹脂を用意していないが、サンプル11では高酸素透過性樹脂としてCYTOPを用意しており、サンプル12はTeflon AF 2400を用意した。また、ステップS210では、溶剤として、アルコール水溶液を用意した。触媒担持粒子としては、サンプル1〜9と同様の触媒担持カーボンを用意した。 In step S210, a catalyst ink material was prepared. Here, unlike step S110, a polymer electrolyte instead of an electrolyte precursor, specifically, a perfluorosulfonic acid polymer having a sulfo group (—SO 3 H group) at the end of the side chain was prepared. In step S210, sample 10 does not prepare a high oxygen permeable resin, but sample 11 provides CYTOP as a high oxygen permeable resin, and sample 12 prepared Teflon AF 2400. In step S210, an aqueous alcohol solution was prepared as a solvent. As catalyst-carrying particles, the same catalyst-carrying carbon as Samples 1-9 was prepared.

ステップS220では、溶剤中で、電解質と、触媒担持カーボンと、サンプル11、12においてはさらに高酸素透過性樹脂と、を同時に混合して、ステップS120と同様の分散処理を行なった。このとき、触媒担持カーボンのカーボン重量に対する高分子電解質の重量比が75wt%となるように、触媒担持カーボンと高分子電解質とを混合した。また、サンプル11、12では、高分子電解質に対する高酸素透過性樹脂の重量比は、30wt%とした(図6参照)。   In step S220, the electrolyte, the catalyst-supporting carbon, and, in the samples 11 and 12, the high oxygen permeable resin in the solvent were mixed at the same time, and the same dispersion treatment as in step S120 was performed. At this time, the catalyst-carrying carbon and the polymer electrolyte were mixed so that the weight ratio of the polymer electrolyte to the carbon weight of the catalyst-carrying carbon was 75 wt%. In Samples 11 and 12, the weight ratio of the high oxygen permeable resin to the polymer electrolyte was 30 wt% (see FIG. 6).

ステップS230における触媒インクの塗布・乾燥の工程は、ステップS150と同様に行なった。ステップS240における転写の工程は、ステップS160と同様に行なったが、サンプル10〜12では、ステップS200で用意した電解質膜に対して転写を行なった。サンプル10〜12では、転写の対象が電解質膜であり、触媒インクは高分子電解質を含んでいるため、加水分解処理は行なっていない。   The process of applying and drying the catalyst ink in step S230 was performed in the same manner as in step S150. The transfer process in step S240 was performed in the same manner as in step S160. However, in samples 10 to 12, transfer was performed on the electrolyte membrane prepared in step S200. In Samples 10 to 12, the transfer target is an electrolyte membrane, and the catalyst ink contains a polymer electrolyte, and therefore, the hydrolysis treatment is not performed.

なお、サンプル1〜12のいずれにおいても、アノードは、サンプル10のカソードと同様にして作製した。すなわち、高分子電解質を含み、高酸素透過性樹脂を含まない触媒インクを用いて作製した。このようにして各々のサンプルについて膜−電極接合体を作製し、さらに、ガス拡散層23,24およびガスセパレータ25,26を組み付けて単セルを作製し、単セルを用いて発電性能の評価を行なった。図6では、サンプル1〜12の燃料電池の評価結果として、評価条件の異なる「発電評価1」および「発電評価2」の結果を示している。   In any of Samples 1 to 12, the anode was prepared in the same manner as the cathode of Sample 10. That is, a catalyst ink containing a polymer electrolyte and not containing a high oxygen permeable resin was used. In this way, a membrane-electrode assembly is prepared for each sample, and further, a single cell is manufactured by assembling the gas diffusion layers 23 and 24 and the gas separators 25 and 26, and the power generation performance is evaluated using the single cell. I did it. FIG. 6 shows the results of “power generation evaluation 1” and “power generation evaluation 2” with different evaluation conditions as the evaluation results of the fuel cells of samples 1 to 12.

「発電評価1」の評価条件は以下の通りである。アノードには、燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソードには、酸化ガスとして酸素濃度1%(残余は窒素)のガスを供給した。各反応ガスの流量は、燃料ガスは0.5L/min(ntp)とし、酸化ガスは1.1L/min(ntp)とした。また、燃料ガスおよび酸化ガスは、75%RHとなるように加湿した。発電時のセル温度は、80℃とした。「発電評価1」では、このような条件下で、0.1(A/cm2)の電流密度にて発電を行なわせ、そのときの単セルの出力電圧を測定した。 The evaluation conditions of “power generation evaluation 1” are as follows. Hydrogen gas was supplied to the anode as a fuel gas, and a gas having an oxygen concentration of 1% (remaining nitrogen) was supplied to the cathode as an oxidizing gas. The flow rate of each reactive gas was 0.5 L / min (ntp) for the fuel gas and 1.1 L / min (ntp) for the oxidizing gas. Further, the fuel gas and the oxidizing gas were humidified to 75% RH. The cell temperature during power generation was 80 ° C. In “power generation evaluation 1”, power was generated at a current density of 0.1 (A / cm 2 ) under such conditions, and the output voltage of the single cell at that time was measured.

「発電評価2」の評価条件は以下の通りである。アノードには、燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソードには、酸化ガスとして空気(酸素濃度21%)を供給した。各反応ガスの流量は、燃料ガスは0.5L/min(ntp)とし、酸化ガスは2.0L/min(ntp)とした。また、燃料ガスおよび酸化ガスは、23%RHとなるように加湿した。発電時のセル温度は、95℃とした。「発電評価2」では、このような条件下で、1.2(A/cm2)の電流密度にて発電を行なわせ、そのときの単セルの出力電圧を測定した。 The evaluation conditions of “Power generation evaluation 2” are as follows. Hydrogen gas was supplied to the anode as a fuel gas, and air (oxygen concentration 21%) was supplied to the cathode as an oxidizing gas. The flow rates of the reaction gases were 0.5 L / min (ntp) for the fuel gas and 2.0 L / min (ntp) for the oxidizing gas. Further, the fuel gas and the oxidizing gas were humidified so as to be 23% RH. The cell temperature during power generation was 95 ° C. In “power generation evaluation 2”, power was generated at a current density of 1.2 (A / cm 2 ) under such conditions, and the output voltage of the single cell at that time was measured.

「発電評価1」は、酸化ガス中の酸素分圧を低くして、触媒に酸素が供給される工程を律速段階にしつつ、低出力で発電させることにより、触媒電極層における酸素透過性の向上の程度を出力電圧によって評価するものである。ここで、供給ガスの加湿量が不足すると、電解質膜あるいは触媒電極層中の高分子電解質が乾燥することにより、プロトン移動速度の低下に起因して過電圧が上昇する可能性がある。また、供給ガスの加湿量が過剰であると、触媒電極層中に液水が生じることにより、濃度過電圧が上昇する可能性がある。そのため、上記した過電圧の上昇を抑制可能な値として、供給ガスの加湿量は75%RHに設定した。   “Power generation evaluation 1” improves oxygen permeability in the catalyst electrode layer by lowering the partial pressure of oxygen in the oxidizing gas and generating power at a low output while making the process of supplying oxygen to the catalyst a rate-limiting step. Is evaluated by the output voltage. Here, if the amount of humidification of the supply gas is insufficient, the polymer electrolyte in the electrolyte membrane or the catalyst electrode layer is dried, which may increase the overvoltage due to a decrease in the proton transfer rate. Further, if the amount of humidification of the supply gas is excessive, liquid concentration is generated in the catalyst electrode layer, which may increase the concentration overvoltage. Therefore, the humidification amount of the supply gas is set to 75% RH as a value that can suppress the increase in overvoltage.

「発電評価2」は、燃料電池が実際に使用される条件に近い条件下で発電させることにより、燃料電池としての性能向上の程度を評価した。なお、近年、燃料電池においては、構成の簡素化のために加湿器の小型化や削減が望まれており、より低い加湿状態で充分な発電性能を得ることが望まれている。そのため、「発電評価2」では、より厳しい加湿条件での性能を評価するために、供給ガスの加湿量は23%RHに設定した。   “Power generation evaluation 2” evaluated the degree of improvement in performance as a fuel cell by generating power under conditions close to the conditions under which the fuel cell is actually used. In recent years, in fuel cells, it has been desired to reduce the size or reduce the humidifier in order to simplify the configuration, and it is desired to obtain sufficient power generation performance in a lower humidified state. Therefore, in “power generation evaluation 2”, the humidification amount of the supply gas is set to 23% RH in order to evaluate the performance under more severe humidification conditions.

図6に示すように、サンプル1〜4およびサンプル6〜8は、「発電評価1」「発電評価2」のいずれにおいても、サンプル10よりも出力電圧がより高い値となった。すなわち、高酸素透過性樹脂としてCYTOPとTeflon AF 2400のいずれを用いる場合であっても、電解質前駆体に対する高酸素透過性樹脂の重量比を1〜50wt%としたときには、プロトン伝導性を有しない樹脂を加えたにもかかわらず、電池性能が向上することが確認された。   As shown in FIG. 6, Samples 1 to 4 and Samples 6 to 8 had higher output voltages than Sample 10 in both “Power Generation Evaluation 1” and “Power Generation Evaluation 2”. That is, even when using either CYTOP or Teflon AF 2400 as the high oxygen permeable resin, when the weight ratio of the high oxygen permeable resin to the electrolyte precursor is 1 to 50 wt%, it does not have proton conductivity. It was confirmed that the battery performance improved despite the addition of resin.

また、「発電評価1」「発電評価2」のいずれにおいても、サンプル1〜4はサンプル11よりも出力電圧が高く、サンプル6〜8はサンプル12よりも出力電圧が高くなった。すなわち、高酸素透過性樹脂としてCYTOPとTeflon AF 2400のいずれを用いる場合であっても、本実施形態の触媒インクの製造方法を採用することで、燃料電池の発電性能が向上することが確認された。   In both “power generation evaluation 1” and “power generation evaluation 2”, samples 1 to 4 had a higher output voltage than sample 11, and samples 6 to 8 had a higher output voltage than sample 12. That is, it is confirmed that the power generation performance of the fuel cell is improved by adopting the method for producing the catalyst ink of this embodiment regardless of whether CYTOP or Teflon AF 2400 is used as the high oxygen permeable resin. It was.

なお、サンプル5はサンプル11に比べて「発電評価1」の結果が良好であり、サンプル9はサンプル12に比べて「発電評価1」の結果が良好である。そのため、電解質前駆体に対する高酸素透過性樹脂の重量比を75%まで増加させても、本実施形態の触媒インクの製造方法を採用することで、カソード22における酸素透過性能を向上させることができ、条件によっては燃料電池の発電性能が向上することが確認された。   Sample 5 has a better “power generation evaluation 1” result than sample 11, and sample 9 has a better “power generation evaluation 1” result than sample 12. Therefore, even if the weight ratio of the high oxygen permeable resin to the electrolyte precursor is increased to 75%, the oxygen permeation performance at the cathode 22 can be improved by employing the method for producing the catalyst ink of the present embodiment. Depending on the conditions, it was confirmed that the power generation performance of the fuel cell was improved.

E.第2の実施形態:
図8は、第2の実施形態におけるMEA27の製造工程を表わす説明図である。第2の実施形態以降の実施形態では、第1の実施形態と同様の構成の燃料電池を製造する際の製造工程が若干異なっている。第2の実施形態以降の実施形態に係る説明では、燃料電池の各構成要素については、第1の実施形態と同じ参照番号を付して、詳しい説明を省略する。また、各実施形態における製造工程において、第1の実施形態と共通する工程には、同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
E. Second embodiment:
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of the MEA 27 in the second embodiment. In the second and subsequent embodiments, the manufacturing process for manufacturing a fuel cell having the same configuration as that of the first embodiment is slightly different. In the description of the second and subsequent embodiments, the same reference numerals as those in the first embodiment are assigned to the components of the fuel cell, and detailed description thereof is omitted. Moreover, in the manufacturing process in each embodiment, the same reference number is attached | subjected to the process which is common in 1st Embodiment, and detailed description is abbreviate | omitted.

第2の実施形態において、MEA27を製造するには、まず、電解質膜20を用意する(ステップS300)。ステップS300で用意する電解質膜は、側鎖末端にスルホ基(−SO3H基)を有するパーフルオロスルホン酸ポリマから成る膜であり、図7のステップS200と同様に実行することができる。 In the second embodiment, to manufacture the MEA 27, first, the electrolyte membrane 20 is prepared (step S300). The electrolyte membrane prepared in step S300 is a membrane made of a perfluorosulfonic acid polymer having a sulfo group (—SO 3 H group) at the side chain end, and can be executed in the same manner as in step S200 of FIG.

また、第1の実施形態のS110と同様に、電解質前駆体と、高酸素透過性樹脂と、フッ素系溶剤と、触媒担持カーボン30とを、触媒インク材料として用意する。そして、さらにステップS120〜S150を実行し、基板上に触媒インク層42を形成する。   Similarly to S110 of the first embodiment, an electrolyte precursor, a high oxygen permeable resin, a fluorine-based solvent, and catalyst-supporting carbon 30 are prepared as catalyst ink materials. Then, Steps S120 to S150 are further performed to form the catalyst ink layer 42 on the substrate.

その後、基板上に形成した触媒インク層42を加水分解処理する(ステップS360)。加水分解処理の具体的な内容は、ステップS170と同様である。これにより、イオン交換基が導入された高分子電解質を備えるカソード22が、基板上に形成される。なお、本実施形態では、ステップS150で触媒インクを塗布する基板が、特許請求の範囲における「第1の基板」に相当する。   Thereafter, the catalyst ink layer 42 formed on the substrate is hydrolyzed (step S360). The specific content of the hydrolysis treatment is the same as in step S170. Thereby, the cathode 22 provided with the polymer electrolyte into which the ion exchange group is introduced is formed on the substrate. In the present embodiment, the substrate on which the catalyst ink is applied in step S150 corresponds to the “first substrate” in the claims.

その後、基板上に形成したカソード22を、ステップS300で用意した電解質膜20上に転写する(ステップS370)。そして、さらにアノード21を形成して(ステップS180)、MEA27を完成する。   Thereafter, the cathode 22 formed on the substrate is transferred onto the electrolyte membrane 20 prepared in step S300 (step S370). Then, the anode 21 is further formed (step S180), and the MEA 27 is completed.

このような構成としても、第1の実施形態と同様の触媒インクを作製し、第1の実施形態と同様の燃料電池を製造することができる。   Even with such a configuration, a catalyst ink similar to that of the first embodiment can be produced, and a fuel cell similar to that of the first embodiment can be manufactured.

F.第3の実施形態:
図9は、第3の実施形態におけるMEA27の製造工程を表わす説明図である。第3の実施形態では、まず、ステップS100〜S140を実行する。これにより、第1の実施形態と同様に前駆体膜44を用意すると共に、電解質前駆体および高酸素透過性樹脂が均一に混合された触媒インクを作製する。その後、触媒インクを、前駆体膜44上に塗布して乾燥させる(ステップS450)。これにより、前駆体膜44上に触媒インク層42が形成される。その後、ステップS170を行なって、前駆体膜44を電解質膜20にすると共に、触媒インク層42をカソード22にする。そして、さらにアノード21を形成して(ステップS180)、MEA27を完成する。なお、本実施形態では、前駆体膜44が、特許請求の範囲における「第1の基板」に相当する。
F. Third embodiment:
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the manufacturing process of the MEA 27 in the third embodiment. In the third embodiment, first, steps S100 to S140 are executed. As a result, the precursor film 44 is prepared as in the first embodiment, and a catalyst ink in which the electrolyte precursor and the high oxygen permeable resin are uniformly mixed is produced. Thereafter, the catalyst ink is applied on the precursor film 44 and dried (step S450). Thereby, the catalyst ink layer 42 is formed on the precursor film 44. Thereafter, Step S <b> 170 is performed to change the precursor film 44 into the electrolyte film 20 and the catalyst ink layer 42 into the cathode 22. Then, the anode 21 is further formed (step S180), and the MEA 27 is completed. In the present embodiment, the precursor film 44 corresponds to a “first substrate” in the claims.

このような構成としても、第1の実施形態と同様の触媒インクを作製し、第1の実施形態と同様の燃料電池を製造することができる。また、第3の実施形態によれば、前駆体膜44上に触媒インクを直接塗布するため、触媒インク層42の転写の工程を省略することができる。また、前駆体膜44上に触媒インク層42を形成して、両者を一体で加水分解処理しているため、加水分解処理に伴う製造工程の複雑化を抑制できる。   Even with such a configuration, a catalyst ink similar to that of the first embodiment can be produced, and a fuel cell similar to that of the first embodiment can be manufactured. Further, according to the third embodiment, since the catalyst ink is directly applied onto the precursor film 44, the step of transferring the catalyst ink layer 42 can be omitted. In addition, since the catalyst ink layer 42 is formed on the precursor film 44 and both are integrally hydrolyzed, the complexity of the manufacturing process associated with the hydrolyzing process can be suppressed.

G.第4の実施形態:
図10は、第4の実施形態におけるMEA27の製造工程を表わす説明図である。第4の実施形態では、まず、電解質膜20を用意する(ステップ500)。ステップS300で用意する電解質膜20は、側鎖末端にスルホ基(−SO3H基)を有するパーフルオロスルホン酸ポリマから成る膜であり、図7のステップS200と同様に実行することができる。
G. Fourth embodiment:
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of the MEA 27 in the fourth embodiment. In the fourth embodiment, first, the electrolyte membrane 20 is prepared (step 500). The electrolyte membrane 20 prepared in step S300 is a membrane made of a perfluorosulfonic acid polymer having a sulfo group (—SO 3 H group) at the end of the side chain, and can be executed in the same manner as in step S200 of FIG.

また、ステップS110〜S140を実行して、第1の実施形態と同様に、電解質前駆体および高酸素透過性樹脂が均一に混合された触媒インクを作製する。その後、触媒インクを、電解質膜20上に塗布して乾燥させる(ステップS550)。これにより、電解質膜20上に触媒インク層42が形成される。その後、電解質膜20上に形成した触媒インク層42を加水分解処理する(ステップS570)。加水分解処理の具体的な内容は、ステップS170と同様である。これにより、イオン交換基が導入された高分子電解質を備えるカソード22が、電解質膜20上に形成される。そして、さらにアノード21を形成して(ステップS180)、MEA27を完成する。なお、本実施形態では、ステップS550で触媒インクを塗布する電解質膜20が、特許請求の範囲における「第1の基板」に相当する。   Also, Steps S110 to S140 are executed to produce a catalyst ink in which the electrolyte precursor and the high oxygen permeable resin are uniformly mixed, as in the first embodiment. Thereafter, the catalyst ink is applied on the electrolyte membrane 20 and dried (step S550). Thereby, the catalyst ink layer 42 is formed on the electrolyte membrane 20. Thereafter, the catalyst ink layer 42 formed on the electrolyte membrane 20 is hydrolyzed (step S570). The specific content of the hydrolysis treatment is the same as in step S170. Thereby, the cathode 22 including the polymer electrolyte into which the ion exchange group is introduced is formed on the electrolyte membrane 20. Then, the anode 21 is further formed (step S180), and the MEA 27 is completed. In the present embodiment, the electrolyte membrane 20 to which the catalyst ink is applied in step S550 corresponds to the “first substrate” in the claims.

このような構成としても、第1の実施形態と同様の触媒インクを作製し、第1の実施形態と同様の燃料電池を製造することができる。   Even with such a configuration, a catalyst ink similar to that of the first embodiment can be produced, and a fuel cell similar to that of the first embodiment can be manufactured.

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

H1.変形例1(工程の順序に係る変形):
第1ないし第4の実施形態では、触媒インクを作製する際には、まず、高酸素透過性樹脂が溶解した樹脂溶液中に電解質前駆体を分散させ、その後、触媒担持カーボン30をさらに混合したが、異なる構成としても良い。例えば、触媒担持カーボン30は、電解質前駆体と高酸素透過性樹脂とフッ素系溶剤とを混合する際に、同時に混合しても良い。あるいは、樹脂溶液中に電解質前駆体を分散させるのに先立って、触媒担持カーボン30を樹脂溶液中に分散させても良い。
H1. Modification 1 (Modification related to the order of steps):
In the first to fourth embodiments, when preparing the catalyst ink, first, the electrolyte precursor is dispersed in the resin solution in which the high oxygen permeable resin is dissolved, and then the catalyst-supporting carbon 30 is further mixed. However, a different configuration may be used. For example, the catalyst-supporting carbon 30 may be mixed at the same time when the electrolyte precursor, the high oxygen permeable resin, and the fluorinated solvent are mixed. Alternatively, the catalyst-supporting carbon 30 may be dispersed in the resin solution prior to dispersing the electrolyte precursor in the resin solution.

また、第1ないし第4の実施形態では、アノード21は、カソード22を形成した後に形成したが、異なる構成としても良い。例えば、カソード22の形成に先立って、ステップS300やステップS500で用意する電解質膜20上にアノード21を形成することとしても良い。   In the first to fourth embodiments, the anode 21 is formed after the cathode 22 is formed. However, a different configuration may be used. For example, prior to forming the cathode 22, the anode 21 may be formed on the electrolyte membrane 20 prepared in step S300 or step S500.

H2.変形例2(触媒粒子に係る変形):
第1ないし第4の実施形態では、触媒を備える触媒粒子としては、触媒金属を担持したカーボン粒子を用いたが、異なる構成としても良い。例えば、金属粒子や導電性セラミック粒子など、カーボン粒子以外の導電性の触媒担体上に、触媒金属を担持して成る触媒粒子を用いても良い。このような構成としても、触媒インクを基材や前駆体膜や電解質膜上に塗布したときには、触媒インクの乾燥に伴って、吸着性がより高い電解質前駆体が触媒粒子側に引き寄せられて、第1ないし第4の実施形態と同様に、触媒インク層42で層分離が起こる。
H2. Modification 2 (deformation relating to catalyst particles):
In the first to fourth embodiments, the carbon particles carrying the catalyst metal are used as the catalyst particles including the catalyst. However, different configurations may be used. For example, catalyst particles obtained by supporting a catalyst metal on a conductive catalyst carrier other than carbon particles, such as metal particles and conductive ceramic particles, may be used. Even in such a configuration, when the catalyst ink is applied onto the base material, the precursor film, or the electrolyte film, the electrolyte precursor having higher adsorptivity is attracted to the catalyst particle side as the catalyst ink is dried. As in the first to fourth embodiments, layer separation occurs in the catalyst ink layer 42.

H3.変形例3(電解質および電解質膜に係る変形):
第1ないし第4の実施形態では、電解質膜20として、パーフルオロスルホン酸ポリマ(フッ素樹脂)から成る膜を用いたが、異なる構成としても良い。例えば、炭化水素系の高分子電解質膜を用いても良い。炭化水素系の電解質膜を用いる構成を、例えば第1の実施形態に適用して、ステップS100において前駆体膜の状態で用意して、加水分解処理によって前駆体膜にプロトン伝導性を付与することとしても良い。炭化水素系の電解質膜としては、例えば、ポリエーテルエーテルケトンなどの芳香族ポリエーテルケトンや、ポリイミド、ポリフォスファゼン、ポリベンゾイミダゾ−ル、ポリビニルアルコールなどであって、スルホン化等によりイオン交換基を導入されたものが挙げられる。
H3. Modification 3 (deformation relating to electrolyte and electrolyte membrane):
In the first to fourth embodiments, a membrane made of perfluorosulfonic acid polymer (fluorine resin) is used as the electrolyte membrane 20, but different configurations may be used. For example, a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane may be used. Applying a configuration using a hydrocarbon-based electrolyte membrane to the first embodiment, for example, in the state of the precursor membrane in step S100, and imparting proton conductivity to the precursor membrane by hydrolysis treatment It is also good. Examples of the hydrocarbon electrolyte membrane include aromatic polyether ketone such as polyether ether ketone, polyimide, polyphosphazene, polybenzimidazole, polyvinyl alcohol, and the like, which are ion exchange groups by sulfonation or the like. Is introduced.

また、第1ないし第4の実施形態では、触媒インクを構成する電解質前駆体は、側鎖末端に「−SO2F基」を有するパーフルオロカーボンスルフォニルフルオライドのポリマとしたが、異なる電解質前駆体を用いても良い。例えば、加水分解処理によりカルボキシル基やリン酸基を導入可能となる官能基を有する前駆体等、「−SO2F基」以外のイオン交換基前駆体を備えていてもよい。加水分解によりイオン交換基を導入し、プロトン伝導性を付与可能であればよい。 In the first to fourth embodiments, the electrolyte precursor constituting the catalyst ink is a perfluorocarbon sulfonyl fluoride polymer having a “—SO 2 F group” at the end of the side chain. However, different electrolyte precursors are used. May be used. For example, an ion exchange group precursor other than the “—SO 2 F group” such as a precursor having a functional group capable of introducing a carboxyl group or a phosphate group by hydrolysis treatment may be provided. Any ion exchange group may be introduced by hydrolysis to impart proton conductivity.

10…単セル
20…電解質膜
21…アノード
22…カソード
23,24…ガス拡散層
25,26…ガスセパレータ
27…MEA
28,29…流路溝
30…触媒担持カーボン
32…高分子電解質部
34…高酸素透過性樹脂部
35…樹脂層
40…基板
42…触媒インク層
43…電解質前駆体部
44…前駆体膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Single cell 20 ... Electrolyte membrane 21 ... Anode 22 ... Cathode 23, 24 ... Gas diffusion layer 25, 26 ... Gas separator 27 ... MEA
28, 29 ... Channel groove 30 ... Catalyst support carbon 32 ... Polymer electrolyte part 34 ... High oxygen permeable resin part 35 ... Resin layer 40 ... Substrate 42 ... Catalyst ink layer 43 ... Electrolyte precursor part 44 ... Precursor film

Claims (8)

プロトン伝導性を有する高分子電解質と、触媒を備える触媒粒子と、を備える触媒電極層を形成するための触媒インクの製造方法であって、
加水分解処理によってプロトン伝導性を有する高分子電解質となる高分子電解質前駆体と、前記高分子電解質よりも酸素透過性が高いフッ素樹脂である高酸素透過性樹脂と、前記高酸素透過性樹脂を溶解可能なフッ素系溶剤と、を用意する準備工程と、
前記高分子電解質前駆体と、前記高酸素透過性樹脂と、前記フッ素系溶剤と、を混合して、前記フッ素系溶剤に前記高酸素透過性樹脂が溶解された樹脂溶液中に、前記高分子電解質前駆体を分散させる分散工程と、
を備える触媒インクの製造方法。
A method for producing a catalyst ink for forming a catalyst electrode layer comprising a polymer electrolyte having proton conductivity and catalyst particles comprising a catalyst,
A polymer electrolyte precursor that becomes a polymer electrolyte having proton conductivity by hydrolysis treatment, a high oxygen permeable resin that is a fluororesin having a higher oxygen permeability than the polymer electrolyte, and the high oxygen permeable resin. A preparation step of preparing a soluble fluorine-based solvent;
The polymer electrolyte precursor, the high oxygen permeable resin, and the fluorine solvent are mixed, and the polymer is added to a resin solution in which the high oxygen permeable resin is dissolved in the fluorine solvent. A dispersion step of dispersing the electrolyte precursor;
A method for producing a catalyst ink comprising:
請求項1記載の触媒インクの製造方法であって、
前記高酸素透過性樹は、骨格中に環構造を有するフッ素樹脂であることを特徴とする
触媒インクの製造方法。
A method for producing the catalyst ink according to claim 1, comprising:
The method for producing a catalyst ink, wherein the high oxygen permeable tree is a fluororesin having a ring structure in a skeleton.
請求項2記載の触媒インクの製造方法であって、
前記分散工程は、前記高分子電解質前駆体に対する前記高酸素透過性樹脂の重量比が1〜50wt%となるように、前記高分子電解質前駆体と前記高酸素透過性樹脂とを混合して行なう工程である
触媒インクの製造方法。
A method for producing a catalyst ink according to claim 2,
The dispersion step is performed by mixing the polymer electrolyte precursor and the high oxygen permeable resin so that a weight ratio of the high oxygen permeable resin to the polymer electrolyte precursor is 1 to 50 wt%. A process for producing a catalyst ink, which is a process.
プロトン伝導性を示す電解質膜と、該電解質膜上に設けられた触媒電極層と、を備える燃料電池の製造方法であって、
請求項1ないし3いずれか記載の触媒インクの製造方法により前記触媒インクを製造する第1の工程と、
前記触媒インクから成る層を、前記触媒電極層を形成するための第1の基板上に形成する第2の工程と、
前記第1の基板上に形成した前記触媒インクから成る層に対して、加水分解処理を施して、前記高分子電解質と前記触媒粒子とを備える前記触媒電極層を形成する第3の工程と、
を備える燃料電池の製造方法。
A method for producing a fuel cell, comprising: an electrolyte membrane exhibiting proton conductivity; and a catalyst electrode layer provided on the electrolyte membrane,
A first step of producing the catalyst ink by the method of producing a catalyst ink according to any one of claims 1 to 3,
A second step of forming a layer of the catalyst ink on a first substrate for forming the catalyst electrode layer;
A third step of subjecting the layer made of the catalyst ink formed on the first substrate to a hydrolysis treatment to form the catalyst electrode layer comprising the polymer electrolyte and the catalyst particles;
A method for manufacturing a fuel cell comprising:
請求項4に記載の燃料電池の製造方法であって、
前記第1の基板は、加水分解処理によって前記電解質膜となる前駆体膜であり、
前記燃料電池の製造方法は、さらに、
前記第1の工程の後、前記第2の工程に先立って、前記触媒インクから成る層を、前記触媒インクの塗布用の第2の基板上に塗布する第3の工程と、
前記第2の基板上に塗布した前記触媒インクの層を乾燥させる第4の工程と、
を備え、
前記第2の工程は、前記第4の工程で乾燥させた前記触媒インクの層を、前記前駆体膜上に転写する工程であり、
前記第3の工程は、前記前駆体膜と、該前駆体膜上に形成した前記触媒インクから成る層とを、一体で加水分解処理する工程である
燃料電池の製造方法。
A method for producing a fuel cell according to claim 4,
The first substrate is a precursor film that becomes the electrolyte film by hydrolysis treatment,
The method for manufacturing the fuel cell further includes:
After the first step, prior to the second step, a third step of applying a layer of the catalyst ink on the second substrate for applying the catalyst ink;
A fourth step of drying the catalyst ink layer coated on the second substrate;
With
The second step is a step of transferring the catalyst ink layer dried in the fourth step onto the precursor film,
The third step is a method of manufacturing a fuel cell, wherein the precursor film and a layer made of the catalyst ink formed on the precursor film are integrally hydrolyzed.
請求項4に記載の燃料電池の製造方法であって、さらに、
前記第2の工程の後、前記第3の工程に先立って、前記第1の基板上に塗布した前記触媒インクの層を乾燥させる第5の工程と、
前記第3の工程の後、前記第1の基板上に形成された前記触媒電極層を、前記電解質膜上に転写する第6の工程と、
を備える燃料電池の製造方法。
The method of manufacturing a fuel cell according to claim 4, further comprising:
After the second step, prior to the third step, a fifth step of drying the catalyst ink layer applied on the first substrate;
After the third step, a sixth step of transferring the catalyst electrode layer formed on the first substrate onto the electrolyte membrane;
A method for manufacturing a fuel cell comprising:
請求項4に記載の燃料電池の製造方法であって、
前記第1の基板は、加水分解処理によって前記電解質膜となる前駆体膜であり、
前記燃料電池の製造方法は、さらに、
前記第2の工程の後、前記第3の工程に先立って、前記前駆体膜上に塗布した前記触媒インクの層を乾燥させる第7の工程を備え、
前記第3の工程は、前記前駆体膜と、該前駆体膜上に形成した前記触媒インクから成る層とを、一体で加水分解処理する工程である
燃料電池の製造方法。
A method for producing a fuel cell according to claim 4,
The first substrate is a precursor film that becomes the electrolyte film by hydrolysis treatment,
The method for manufacturing the fuel cell further includes:
After the second step, prior to the third step, a seventh step of drying the catalyst ink layer applied on the precursor film,
The third step is a method of manufacturing a fuel cell, wherein the precursor film and a layer made of the catalyst ink formed on the precursor film are integrally hydrolyzed.
請求項4に記載の燃料電池の製造方法であって、
前記第1の基板は、前記電解質膜であり、
前記燃料電池の製造方法は、さらに、
前記第2の工程の後、前記第3の工程に先立って、前記電解質膜上に塗布した前記触媒インクの層を乾燥させる第8の工程を備える
燃料電池の製造方法。
A method for producing a fuel cell according to claim 4,
The first substrate is the electrolyte membrane;
The method for manufacturing the fuel cell further includes:
After the second step, prior to the third step, there is provided an eighth step of drying the catalyst ink layer applied on the electrolyte membrane.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014216231A (en) * 2013-04-26 2014-11-17 日産自動車株式会社 Fuel battery

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