JP2014192019A - Method for manufacturing electrode for fuel cell, electrode for fuel cell, method for manufacturing membrane electrode assembly for fuel cell, membrane electrode assembly for fuel cell, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for a fuel cell indicating high power generation characteristics and a method for manufacturing the same while using a non-platinum catalyst as a catalyst material.SOLUTION: A first step prepares a first catalyst ink by dispersing a conductive particle and a first polymer electrolyte into a solvent. A second step embeds the conductive particle by the first polymer electrolyte by drying the first catalyst ink. A third step prepares a second catalyst ink by dispersing a mixture in which a catalyst material made of a non-platinum catalyst is added to the dried first catalyst ink and a second polymer electrolyte into the solvent. A fourth step prepares an electrode catalyst layer 2 by applying the second catalyst ink onto a transfer sheet, arranging a gas diffusion layer 4 on the applied second catalyst ink, and drying the second catalyst ink on which the gas diffusion layer 4 has been arranged and forms an electrode 6 in which the electrode catalyst layer 2 and the gas diffusion layer 4 are laminated by peeling the transfer sheet from the prepared electrode catalyst layer 2.

Description

本発明は、燃料電池用電極の製造方法、燃料電池用電極、燃料電池用膜電極接合体の製造法、燃料電池用膜電極接合体、及び固体高分子形燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a fuel cell electrode, a fuel cell electrode, a method for producing a fuel cell membrane electrode assembly, a fuel cell membrane electrode assembly, and a solid polymer fuel cell.

燃料電池は、水素を含む燃料ガスと、酸素を含む酸化剤ガスとに触媒を含む電極で水の電気分解の逆反応を起こさせ、熱と同時に電気を生み出す発電システムである。この発電システムは、従来の発電方式と比較して、高効率で低環境負荷、低騒音などの特徴を有し、将来のクリーンなエネルギー源として注目されている。また、この発電システムは、用いるイオン伝導体の種類によってタイプがいくつかあり、イオン伝導体としてプロトン伝導性高分子膜を用いたものは、固体高分子形燃料電池と呼ばれる。   A fuel cell is a power generation system that generates electricity simultaneously with heat by causing a reverse reaction of electrolysis of water at an electrode containing a catalyst in a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen. This power generation system has features such as high efficiency, low environmental load, and low noise as compared with conventional power generation methods, and is attracting attention as a clean energy source in the future. There are several types of this power generation system depending on the type of ion conductor used, and those using proton conductive polymer membranes as ion conductors are called solid polymer fuel cells.

燃料電池の中でも固体高分子形燃料電池は、室温付近で使用可能なことから、車載用電源や家庭据置用電源などへの使用が有望視されており、近年、様々な研究開発が行われている。固体高分子形燃料電池は、膜電極接合体(以下、MEA(Membrane and Electrode Assembly)と称すことがある)と呼ばれる高分子電解質膜の両面に一対の電極を配置した接合体を、前記電極の一方に水素を含有する燃料ガスを供給し、前記電極の他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのガス流路を形成した一対のセパレーター板で挟持した電池である。ここで、燃料ガスを供給する電極を燃料極、酸化剤を供給する電極を空気極と呼んでいる。これらの電極は、一般に、白金系の貴金属などの触媒物質を担持したカーボン粒子と高分子電解質を積層してなる電極触媒層と、ガス通気性及び電子伝導性を兼ね備えたガス拡散層と、からなる。   Among fuel cells, polymer electrolyte fuel cells can be used near room temperature, so they are considered promising for use in in-vehicle power sources and household stationary power sources. In recent years, various research and development have been conducted. Yes. A polymer electrolyte fuel cell is composed of a membrane electrode assembly (hereinafter sometimes referred to as MEA (Membrane and Electrode Assembly)) in which a pair of electrodes are arranged on both sides of a polymer electrolyte membrane. The battery is sandwiched between a pair of separator plates in which a fuel gas containing hydrogen is supplied to one side and a gas flow path for supplying an oxidant gas containing oxygen to the other electrode is formed. Here, the electrode for supplying the fuel gas is called a fuel electrode, and the electrode for supplying the oxidant is called an air electrode. These electrodes are generally composed of an electrode catalyst layer formed by laminating carbon particles carrying a catalyst material such as a platinum-based noble metal and a polymer electrolyte, and a gas diffusion layer having both gas permeability and electronic conductivity. Become.

固体高分子形燃料電池の実用化に向けての課題は、出力密度や耐久性の向上などが挙げられるが、最大の課題は低コスト化である。現在の固体高分子形燃料電池には、高価な白金が電極触媒(触媒物質)として用いられており、本格普及には、代替材料の開発が強く求められている。特に、空気極では、燃料極よりも多くの白金を使用しているため、空気極において高い酸素還元触媒能を示す白金代替材料(非白金触媒)の開発が盛んである。   Issues for the practical application of polymer electrolyte fuel cells include improvements in power density and durability, but the biggest issue is cost reduction. In current polymer electrolyte fuel cells, expensive platinum is used as an electrocatalyst (catalyst substance), and development of alternative materials is strongly required for full-scale spread. In particular, since the air electrode uses more platinum than the fuel electrode, the development of platinum substitute materials (non-platinum catalysts) that exhibit high oxygen reduction catalytic ability in the air electrode is actively performed.

非白金触媒を触媒物質とする技術としては、例えば、特許文献1には、鉄(遷移金属)の窒化物と貴金属の混合物を電極触媒として用いる技術が記載されている。また、例えば、特許文献2には、モリブデン(遷移金属)の窒化物を電極触媒として用いる技術が記載されている。さらに、特許文献3には、非白金触媒を触媒物質として用いる技術が記載されている。この特許文献3に記載の技術では、白金触媒から電極を製造する際の手法(特許文献4、5などに記載の手法)を用いて、非白金触媒から電極を製造している。   As a technique using a non-platinum catalyst as a catalyst substance, for example, Patent Document 1 describes a technique using a mixture of iron (transition metal) nitride and noble metal as an electrode catalyst. For example, Patent Document 2 describes a technique of using molybdenum (transition metal) nitride as an electrode catalyst. Furthermore, Patent Document 3 describes a technique using a non-platinum catalyst as a catalyst substance. In the technique described in Patent Document 3, an electrode is manufactured from a non-platinum catalyst by using a method for manufacturing an electrode from a platinum catalyst (a method described in Patent Documents 4 and 5).

特開2005−44659号公報JP 2005-44659 A 特開2005−63677号公報JP 2005-63677 A 特開2008−270176号公報JP 2008-270176 A 特公平2−48632号公報Japanese Examined Patent Publication No. 2-48632 特開平5−36418号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-36418

しかしながら、上記特許文献1、2に記載の技術では、酸素還元能が不充分となり、また、触媒物質が溶解する可能性があった。それゆえ、特許文献1、2に記載の技術では、非白金触媒を触媒物質として用いることで、発電特性が低下してしまう可能性があった。また、上記特許文献3に記載の技術では、白金触媒から電極を製造する際の手法を用いて、非白金触媒から電極を製造している。そのため、上記特許文献3に記載の技術では、非白金触媒を触媒物質とする電極の製造に適していないという問題点があった。   However, the techniques described in Patent Documents 1 and 2 have insufficient oxygen reducing ability and may cause the catalyst material to dissolve. Therefore, in the techniques described in Patent Documents 1 and 2, there is a possibility that power generation characteristics may be deteriorated by using a non-platinum catalyst as a catalyst material. Moreover, in the technique of the said patent document 3, the electrode is manufactured from a non-platinum catalyst using the method at the time of manufacturing an electrode from a platinum catalyst. Therefore, the technique described in Patent Document 3 has a problem that it is not suitable for manufacturing an electrode using a non-platinum catalyst as a catalyst material.

本発明は、上記のような点に着目し、非白金触媒を触媒物質として用いつつ、高い発電特性を示す燃料電池用電極及びその製造方法を提供することを課題とする。また、本発明は、該燃料電池用電極を備えた燃料電池用膜電極接合体の製造方法、燃料電池用膜電極接合体、及び固体高分子形燃料電池を提供すること他の目的とする。   This invention pays attention to the above points, and makes it a subject to provide the electrode for fuel cells which shows a high power generation characteristic, and its manufacturing method, using a non-platinum catalyst as a catalyst substance. Another object of the present invention is to provide a method for producing a fuel cell membrane electrode assembly including the fuel cell electrode, a fuel cell membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell.

本発明の発明者は、鋭意検討を重ねた結果、上記課題を解決すべく、本発明を完成するに至った。
本発明の一態様の燃料電池用電極の製造方法は、非白金触媒からなる触媒物質、導電粒子及び高分子電解質を含み、且つ前記導電粒子の比表面積が前記触媒物質の比表面積よりも小さい燃料電池用電極の製造方法であって、前記導電粒子と第1の高分子電解質とを溶媒に分散させて第1の触媒インクを作製する第1工程と、前記第1の触媒インクを乾燥させて前記導電粒子を前記第1の高分子電解質で包埋する第2工程と、乾燥させた前記第1の触媒インクに前記触媒物質を添加した混合物と第2の高分子電解質とを溶媒に分散させて第2の触媒インクを作製する第3工程と、前記第2の触媒インクを転写シート上に塗布し、塗布した前記第2の触媒インク上にガス拡散層を配置し、前記ガス拡散層を配置した前記第2の触媒インクを乾燥させた後に、前記転写シートを剥離して燃料電池用電極を形成する第4工程と、を有することを特徴とする。
As a result of intensive studies, the inventors of the present invention have completed the present invention in order to solve the above problems.
A method for producing an electrode for a fuel cell according to one aspect of the present invention includes a catalyst material comprising a non-platinum catalyst, conductive particles, and a polymer electrolyte, and the specific surface area of the conductive particles is smaller than the specific surface area of the catalyst material. A method for manufacturing a battery electrode, comprising: a first step of producing a first catalyst ink by dispersing the conductive particles and a first polymer electrolyte in a solvent; and drying the first catalyst ink. A second step of embedding the conductive particles with the first polymer electrolyte, a mixture obtained by adding the catalyst substance to the dried first catalyst ink, and a second polymer electrolyte are dispersed in a solvent. A third step of producing a second catalyst ink, applying the second catalyst ink on a transfer sheet, disposing a gas diffusion layer on the applied second catalyst ink, The disposed second catalyst ink is dried. After the, and having a fourth step of forming an electrode for a fuel cell by peeling off the transfer sheet.

また、前記第2工程では、前記導電粒子に対する前記第1の高分子電解質の重量比が10−4以上で且つ0.1未満の範囲内となるように前記第1の触媒インクを乾燥させてもよい。
さらに、前記第2工程では、前記第1の触媒インクを30℃以上で且つ140℃未満の温度で乾燥させてもよい。
In the second step, the first catalyst ink is dried so that a weight ratio of the first polymer electrolyte to the conductive particles is 10 −4 or more and less than 0.1. Also good.
Furthermore, in the second step, the first catalyst ink may be dried at a temperature of 30 ° C. or higher and lower than 140 ° C.

また、前記第3の工程では、前記第2工程で乾燥された前記第1の触媒インクに前記触媒物質を添加して無溶媒で混合した混合物と前記第2の高分子電解質とを溶媒に分散させて前記第2の触媒インクを作製してもよい。
さらに、前記第3の工程では、前記第2工程で乾燥された前記第1の触媒インクに前記触媒物質を添加して無溶媒で混合した混合物に50℃以上で且つ180℃以下の温度で熱処理を行い、熱処理を行った前記導電粒子、前記触媒物質及び前記第1の高分子電解質と第2の高分子電解質とを溶媒に分散させて前記第2の触媒インクを作製してもよい。
Further, in the third step, the mixture of the first catalyst ink dried in the second step and the catalyst material added to the first catalyst ink and mixed without solvent is dispersed in the solvent. In this case, the second catalyst ink may be produced.
Further, in the third step, a heat treatment is performed at a temperature of 50 ° C. or more and 180 ° C. or less to a mixture obtained by adding the catalyst substance to the first catalyst ink dried in the second step and mixing it without solvent. The second catalyst ink may be prepared by dispersing the conductive particles, the catalyst material, the first polymer electrolyte, and the second polymer electrolyte that have been subjected to heat treatment in a solvent.

また、前記触媒物質は、固体高分子形燃料電池の正極として用いられる酸素還元電極用の電極活物質であって、タンタル、ニオブ、チタン及びジルコニウムの少なくとも1つの遷移金属元素を含むものであってもよい。
さらに、前記触媒物質は、前記遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したものであってもよい。
The catalyst material is an electrode active material for an oxygen reduction electrode used as a positive electrode of a polymer electrolyte fuel cell, and contains at least one transition metal element of tantalum, niobium, titanium, and zirconium. Also good.
Furthermore, the catalyst material may be obtained by partially oxidizing the transition metal element carbonitride in an atmosphere containing oxygen.

本発明の一態様の燃料電池用電極は、上記の燃料電池用電極の製造方法により製造されていることを特徴とする。
本発明の一態様の燃料電池用膜電極接合体の製造方法は、高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極接合体の製造方法であって、前記一対の電極のうち、正極側の電極が、上記の燃料電池用電極からなることを特徴とする。
The fuel cell electrode of one embodiment of the present invention is manufactured by the above-described method for manufacturing a fuel cell electrode.
A method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell according to an aspect of the present invention is a method for producing a membrane electrode assembly in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes. The electrode is composed of the fuel cell electrode described above.

本発明の一態様の燃料電池用膜電極接合体は、上記の燃料電池用膜電極接合体の製造方法により製造されていることを特徴とする。
本発明の一態様の固体高分子形燃料電池は、上記の燃料電池用膜電極接合体が一対のセパレーターで狭持されていることを特徴とする。
The membrane electrode assembly for a fuel cell according to one aspect of the present invention is manufactured by the above-described method for manufacturing a membrane electrode assembly for a fuel cell.
The solid polymer fuel cell of one embodiment of the present invention is characterized in that the membrane electrode assembly for a fuel cell is sandwiched between a pair of separators.

本発明の一態様では、導電粒子を第1の高分子電解質で包埋する。それゆえ、本発明の一態様では、導電粒子表面のプロトン伝導性を向上でき、反応活性点を増加できる。その結果、本発明の一態様では、非白金触媒を触媒物質として用いつつ、高い発電特性を示す燃料電池用電極、及びその製造方法を提供できる。また、本発明の一態様は、該燃料電池用電極を備えた燃料電池用膜電極接合体の製造方法、燃料電池用膜電極接合体、及び固体高分子形燃料電池を提供できる。   In one embodiment of the present invention, the conductive particles are embedded with the first polymer electrolyte. Therefore, in one embodiment of the present invention, the proton conductivity on the surface of the conductive particles can be improved, and the reaction active point can be increased. As a result, according to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a fuel cell electrode that exhibits high power generation characteristics while using a non-platinum catalyst as a catalyst substance, and a method for manufacturing the same. Also, one embodiment of the present invention can provide a method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell including the fuel cell electrode, a membrane electrode assembly for a fuel cell, and a polymer electrolyte fuel cell.

固体高分子形燃料電池11の分解断面図である。2 is an exploded cross-sectional view of a polymer electrolyte fuel cell 11. FIG. 膜電極接合体12の断面模式図である。2 is a schematic cross-sectional view of a membrane electrode assembly 12. FIG.

以下に、本発明の実施形態に係る膜電極接合体及びその製造方法、並びに固体高分子形燃料電池について説明する。なお、本発明は、以下に記載の膜電極接合体に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更などの変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれるものである。   Below, the membrane electrode assembly which concerns on embodiment of this invention, its manufacturing method, and a polymer electrolyte fuel cell are demonstrated. The present invention is not limited to the membrane electrode assembly described below, and modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art, and such modifications are added. The embodiments are also included in the scope of the present invention.

(固体高分子形燃料電池11の構成)
まず、本実施形態の固体高分子形燃料電池11の構成について説明する。
図1は、固体高分子形燃料電池11の分解断面図である。
図1に示すように、固体高分子形燃料電池11は、膜電極接合体12と、膜電極接合体12を挟持している一対のセパレーター10と、を備える。
(Configuration of polymer electrolyte fuel cell 11)
First, the configuration of the polymer electrolyte fuel cell 11 of the present embodiment will be described.
FIG. 1 is an exploded cross-sectional view of a polymer electrolyte fuel cell 11.
As shown in FIG. 1, the polymer electrolyte fuel cell 11 includes a membrane electrode assembly 12 and a pair of separators 10 that sandwich the membrane electrode assembly 12.

図2は、本実施形態の膜電極接合体12を示す断面模式図である。
図2に示すように、膜電極接合体12は、高分子電解質膜1と、高分子電解質膜1を挟持する一対の電極触媒層2、3(空気極側の電極触媒層2、燃料極側の電極触媒層3)と、を備える。また、電極触媒層2、3の外側には、ガス拡散層4、5(空気極側のガス拡散層4、燃料極側のガス拡散層5)を備える。そして、電極触媒層2とガス拡散層4とは空気極(カソード。正極)6を構成し、電極触媒層3とガス拡散層5とは燃料極(アノード。負極)7を構成する。空気極6(以下、単に電極と称すことがある)は、非白金触媒からなる触媒物質、導電粒子及び高分子を含む。導電粒子の比表面積は、触媒物質の比表面積よりも小さい。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the membrane electrode assembly 12 of the present embodiment.
As shown in FIG. 2, the membrane electrode assembly 12 includes a polymer electrolyte membrane 1 and a pair of electrode catalyst layers 2 and 3 (an electrode catalyst layer 2 on the air electrode side, a fuel electrode side) sandwiching the polymer electrolyte membrane 1. Electrode catalyst layer 3). Further, gas diffusion layers 4 and 5 (a gas diffusion layer 4 on the air electrode side and a gas diffusion layer 5 on the fuel electrode side) are provided outside the electrode catalyst layers 2 and 3. The electrode catalyst layer 2 and the gas diffusion layer 4 constitute an air electrode (cathode, positive electrode) 6, and the electrode catalyst layer 3 and the gas diffusion layer 5 constitute a fuel electrode (anode, negative electrode) 7. The air electrode 6 (hereinafter may be simply referred to as an electrode) includes a catalyst material made of a non-platinum catalyst, conductive particles, and a polymer. The specific surface area of the conductive particles is smaller than the specific surface area of the catalyst material.

セパレーター10は、ガス流通用のガス流路8と、冷却水流通用の冷却水流路9と、を備える。電極6側のセパレーター10のガス流路8は、酸化剤ガス(例えば、酸素)を含むガスを供給する。一方、燃料極7側のセパレーター10のガス流路8は、燃料ガス(例えば、水素ガス)を供給する。固体高分子形燃料電池11は、酸化剤ガスと燃料ガスとを触媒の存在下で電極反応させることで、電極6と燃料極7との間に起電力を生じる。
なお、本実施形態では、固体高分子形燃料電池11として、単セル構造の燃料電池を形成する例を示したが、他の構成を採用することもできる。例えば、セパレーター10を介して複数のセルを積層した固体高分子形燃料電池11を形成するようにしてもよい。
The separator 10 includes a gas flow path 8 for gas flow and a cooling water flow path 9 for cooling water flow. The gas flow path 8 of the separator 10 on the electrode 6 side supplies a gas containing an oxidant gas (for example, oxygen). On the other hand, the gas flow path 8 of the separator 10 on the fuel electrode 7 side supplies fuel gas (for example, hydrogen gas). The polymer electrolyte fuel cell 11 generates an electromotive force between the electrode 6 and the fuel electrode 7 by causing an electrode reaction between an oxidant gas and a fuel gas in the presence of a catalyst.
In the present embodiment, an example in which a single cell fuel cell is formed as the polymer electrolyte fuel cell 11 has been shown, but other configurations may be adopted. For example, the polymer electrolyte fuel cell 11 in which a plurality of cells are stacked via the separator 10 may be formed.

(電極6の製造方法)
次に、本実施形態の電極6の製造方法について説明する。
電極6は、以下の第1工程〜第4工程を有する製造方法により製造される。
第1工程:導電粒子と第1の高分子電解質とを溶媒に分散させて第1の触媒インクを作製する工程。
第2工程:作製した第1の触媒インクを乾燥(乾燥処理)させて導電粒子を第1の高分子電解質で包埋する工程。
(Manufacturing method of electrode 6)
Next, the manufacturing method of the electrode 6 of this embodiment is demonstrated.
The electrode 6 is manufactured by a manufacturing method having the following first to fourth steps.
First step: A step of producing a first catalyst ink by dispersing conductive particles and a first polymer electrolyte in a solvent.
Second step: a step of drying (drying) the produced first catalyst ink and embedding the conductive particles with the first polymer electrolyte.

第3工程:乾燥させた第1の触媒インクに触媒物質を添加した混合物と第2の高分子電解質とを溶媒に分散させて第2の触媒インクを作製する工程。
第4工程:作製した第2の触媒インクを転写シート(基材)上に塗布し、塗布した第2の触媒インク上にガス拡散層4を配置し、ガス拡散層4を配置した第2の触媒インクを乾燥(乾燥処理)させて電極触媒層2を作製し、作製した電極触媒層2から転写シートを剥離して電極触媒層2及びガス拡散層4が積層した電極6を形成する工程。
Third step: A step of producing a second catalyst ink by dispersing a mixture obtained by adding a catalyst substance to the dried first catalyst ink and a second polymer electrolyte in a solvent.
4th process: The produced 2nd catalyst ink is apply | coated on a transfer sheet (base material), the gas diffusion layer 4 is arrange | positioned on the apply | coated 2nd catalyst ink, and the 2nd which arrange | positioned the gas diffusion layer 4 is carried out. A step of preparing the electrode catalyst layer 2 by drying (drying) the catalyst ink, peeling the transfer sheet from the prepared electrode catalyst layer 2, and forming the electrode 6 in which the electrode catalyst layer 2 and the gas diffusion layer 4 are laminated.

本発明の発明者は、第1の触媒インクを乾燥させて導電粒子を第1の高分子電解質で包埋することで(第2工程)、導電粒子表面のプロトン伝導性を高めることができ、これにより、反応活性点を増加できることを見出し、本発明に至った。したがって、第1工程で第1の触媒インクを作製し、作製した第1の触媒インクの導電粒子を第1の高分子電解質で包埋して導電粒子表面のプロトン伝導性を高めることで、反応活性点を増加できる。   The inventor of the present invention can improve the proton conductivity on the surface of the conductive particles by drying the first catalyst ink and embedding the conductive particles with the first polymer electrolyte (second step), Thereby, it discovered that the reaction active point could be increased and came to this invention. Therefore, the first catalyst ink is produced in the first step, and the conductive particles of the produced first catalyst ink are embedded in the first polymer electrolyte to increase the proton conductivity on the surface of the conductive particles, thereby allowing reaction. Increases active sites.

ちなみに、第1の触媒インクの導電粒子に第1の高分子電解質による包埋を行わない従来の電極6の製造方法では、電極触媒層2の形成時に、比表面積の大きい触媒物質が高分子電解質で優先的に包埋されるため、導電粒子表面のプロトン伝導性が低く、反応活性点を増加させることはできない。また、この従来の電極6の製造方法でも、高分子電解質を高濃度にすることで、導電粒子表面のプロトン伝導性を高めることもできるが、触媒物質に対しては過剰な量の添加となり、発電特性を向上させることは困難である。   Incidentally, in the conventional method for manufacturing the electrode 6 in which the conductive particles of the first catalyst ink are not embedded with the first polymer electrolyte, when the electrode catalyst layer 2 is formed, a catalyst substance having a large specific surface area is used as the polymer electrolyte. Therefore, the proton conductivity on the surface of the conductive particles is low, and the reaction active point cannot be increased. Further, even in this conventional method for producing the electrode 6, the proton conductivity on the surface of the conductive particles can be increased by increasing the concentration of the polymer electrolyte, but an excessive amount is added to the catalyst substance. It is difficult to improve the power generation characteristics.

また、第2工程では、第1の触媒インクを乾燥させて導電粒子を第1の高分子電解質で包埋する際に、乾燥後の導電粒子と第1の高分子電解質との重量比を、第1のインク触媒のインク組成の設定で制御できる。導電粒子と第1の高分子電解質との重量比は、1:10−4以上で且つ1:0.1未満の範囲内であることが好ましい。それゆえ、第2工程では、導電粒子に対する第1の高分子電解質の重量比は、10−4以上で且つ0.1未満の範囲内となるように第1の触媒インクを乾燥させる。導電粒子に対して、第1の高分子電解質の重量比が10−4に満たない場合にあっては、導電粒子表面のプロトン伝導性が変化せず、反応活性点を増加させることが困難であることから、発電特性が向上しない可能性がある。また、導電粒子に対して、第1の高分子電解質の重量比が0.1以上の場合にあっては、反応活性点へのガス拡散性が阻害され、発電特性が向上しない可能性がある。言い換えると、本実施形態では、導電粒子に対する第1の高分子電解質の重量比が10−4以上であるため、導電粒子表面のプロトン伝導性を向上でき、反応活性点を増加でき、発電特性を向上できる。また、本実施形態は、導電粒子に対する第1の高分子電解質の重量比が0.1未満であるため、反応活性点へのガス拡散性を向上でき、発電特性を向上できる。それゆえ、本実施形態では、発電特性をより適切に向上できる。 In the second step, when the first catalyst ink is dried and the conductive particles are embedded with the first polymer electrolyte, the weight ratio between the dried conductive particles and the first polymer electrolyte is set as follows: It can be controlled by setting the ink composition of the first ink catalyst. The weight ratio between the conductive particles and the first polymer electrolyte is preferably 1:10 −4 or more and less than 1: 0.1. Therefore, in the second step, the first catalyst ink is dried so that the weight ratio of the first polymer electrolyte to the conductive particles is in the range of 10 −4 or more and less than 0.1. When the weight ratio of the first polymer electrolyte to the conductive particles is less than 10 −4 , the proton conductivity on the surface of the conductive particles does not change and it is difficult to increase the reactive site. As a result, the power generation characteristics may not be improved. In addition, when the weight ratio of the first polymer electrolyte to the conductive particles is 0.1 or more, gas diffusibility to the reaction active point is hindered, and power generation characteristics may not be improved. . In other words, in this embodiment, since the weight ratio of the first polymer electrolyte to the conductive particles is 10 −4 or more, the proton conductivity on the surface of the conductive particles can be improved, the reaction active points can be increased, and the power generation characteristics can be improved. It can be improved. Moreover, since the weight ratio of the 1st polymer electrolyte with respect to electroconductive particle is less than 0.1, this embodiment can improve the gas diffusibility to the reaction active point, and can improve a power generation characteristic. Therefore, in this embodiment, the power generation characteristics can be improved more appropriately.

また、第2工程では、第1の触媒インクを乾燥させて導電粒子を第1の高分子電解質で包埋する際に、第1の触媒インクを30℃以上で且つ140℃未満の温度で乾燥させる。それゆえ、本実施形態では、第1の触媒インクをより適切に乾燥できる。
本発明の発明者は、乾燥させた第1の触媒インクに触媒物質を添加した混合物と第2の高分子電解質とを溶媒に分散させて第2の触媒インクを作製する際に、乾燥させた第1の触媒インクの触媒物質(第1の高分子電解質で包埋された導電粒子)と添加された触媒物質とを無溶媒で混合することで(第3工程)、反応活性点が増加することを見出し、本発明に至った。ちなみに、第1の触媒インクの触媒物質と添加された触媒物質とを無溶媒で混合する工程を実施しない方法にあっては、触媒物質と導電粒子の接触性が低く、反応活性点を増加せることが困難であることから、発電特性が向上しない可能性がある。言い換えると、本実施形態では、触媒物質と導電粒子の接触性が高く、反応活性点が増加する。それゆえ、本実施形態では、発電特性をより適切に向上できる。
In the second step, when the first catalyst ink is dried to embed the conductive particles with the first polymer electrolyte, the first catalyst ink is dried at a temperature of 30 ° C. or higher and lower than 140 ° C. Let Therefore, in the present embodiment, the first catalyst ink can be dried more appropriately.
The inventor of the present invention dried a mixture of the dried first catalyst ink and a catalyst material added thereto and the second polymer electrolyte in a solvent to prepare the second catalyst ink. By mixing the catalyst material of the first catalyst ink (conductive particles embedded with the first polymer electrolyte) and the added catalyst material without a solvent (third step), the reaction active point is increased. As a result, they have reached the present invention. Incidentally, in a method that does not perform the step of mixing the catalyst material of the first catalyst ink and the added catalyst material in the absence of a solvent, the contact property between the catalyst material and the conductive particles is low, and the reaction active point is increased. Therefore, power generation characteristics may not be improved. In other words, in this embodiment, the contact property between the catalyst substance and the conductive particles is high, and the reaction active point increases. Therefore, in this embodiment, the power generation characteristics can be improved more appropriately.

また、第3工程では、乾燥させた第1の触媒インクの触媒物質と添加した触媒物質とを無溶媒で混合した混合物に熱処理を行い、熱処理を行った混合物と第2の高分子電解質とを溶媒に分散させて第2の触媒インクを作製することが好ましい。熱処理を行わない場合、第2の触媒インクを作製する工程で、反応活性点が減少する可能性がある。熱処理の温度は、50℃以上で且つ180℃以下であることが好ましい。熱処理の温度が50℃に満たない場合には、第2の触媒インクを作製する工程で、導電粒子を包埋する第1の高分子電解質が溶媒に溶解し、また、形成した反応活性点の減少によって発電特性が向上しない可能性がある。また、熱処理の温度が180℃を超える場合には、導電粒子を包埋する第1の高分子電解質のプロトン伝導性が低下し、発電特性が向上しない可能性がある。言い換えると、本実施形態では、熱処理の温度が50℃以上であるため、導電粒子を包埋する第1の高分子電解質が溶媒に溶解することを抑制し、また、反応活性点を増加でき、発電特性を向上できる。また、本実施形態では、熱処理の温度が180℃を超えるため、導電粒子を包埋する第1の高分子電解質のプロトン伝導性を向上でき、発電特性を向上できる。それゆえ、本実施形態では、発電特性をより適切に向上できる。   In the third step, the mixture obtained by mixing the dried catalyst substance of the first catalyst ink and the added catalyst substance without solvent is subjected to heat treatment, and the heat-treated mixture and the second polymer electrolyte are mixed. It is preferable to prepare the second catalyst ink by dispersing in a solvent. In the case where the heat treatment is not performed, there is a possibility that the reactive site is reduced in the step of producing the second catalyst ink. The heat treatment temperature is preferably 50 ° C. or higher and 180 ° C. or lower. If the temperature of the heat treatment is less than 50 ° C., the first polymer electrolyte embedding the conductive particles is dissolved in the solvent in the step of producing the second catalyst ink, and the reaction active sites formed The power generation characteristics may not improve due to the decrease. On the other hand, when the temperature of the heat treatment exceeds 180 ° C., the proton conductivity of the first polymer electrolyte embedding the conductive particles is lowered, and the power generation characteristics may not be improved. In other words, in this embodiment, since the temperature of the heat treatment is 50 ° C. or higher, it is possible to suppress the dissolution of the first polymer electrolyte embedding the conductive particles in the solvent, and to increase the reactive site, Power generation characteristics can be improved. Moreover, in this embodiment, since the temperature of heat processing exceeds 180 degreeC, the proton conductivity of the 1st polymer electrolyte which embeds electroconductive particle can be improved, and a power generation characteristic can be improved. Therefore, in this embodiment, the power generation characteristics can be improved more appropriately.

本発明の発明者は、第2の触媒インクを転写シート上に塗布し、塗布した第2の触媒インク上にガス拡散層4を配置することで(第4工程)、乾燥後に得られる電極触媒層2のクラックが抑制され、これにより、反応活性点を増加できることを見出し、本発明に至った。非白金触媒は白金触媒よりも活性が低い。それゆえ、従来の白金触媒を用いたMEAと同等の発電特性を得るためには、従来の白金触媒を用いたMEAよりも第2の触媒インクの塗布量を増やす必要がある。しかしながら、多量の第2の触媒インクを乾燥させる場合、電極触媒層2とガス拡散層4との密着性が弱くなり、発電特性が著しく低下する問題がある。したがって、第2の触媒インクを転写シート上に塗布した後、塗布した第2の触媒インク上にガス拡散層4を配置することで、電極触媒層2とガス拡散層4との密着性が高められ、高い発電特性を得ることができる。   The inventor of the present invention applies the second catalyst ink onto the transfer sheet, and disposes the gas diffusion layer 4 on the applied second catalyst ink (fourth step), thereby obtaining an electrode catalyst obtained after drying. It was found that cracks in the layer 2 were suppressed, thereby increasing the reactive sites, and the present invention was reached. Non-platinum catalysts are less active than platinum catalysts. Therefore, in order to obtain power generation characteristics equivalent to those of the MEA using the conventional platinum catalyst, it is necessary to increase the coating amount of the second catalyst ink as compared with the MEA using the conventional platinum catalyst. However, when a large amount of the second catalyst ink is dried, there is a problem that the adhesion between the electrode catalyst layer 2 and the gas diffusion layer 4 is weakened, and the power generation characteristics are remarkably lowered. Therefore, the adhesion between the electrode catalyst layer 2 and the gas diffusion layer 4 is improved by applying the second catalyst ink on the transfer sheet and then disposing the gas diffusion layer 4 on the applied second catalyst ink. And high power generation characteristics can be obtained.

触媒物質としては、電極6に一般的に採用されている非白金触媒を用いることができる。好ましくは、固体高分子形燃料電池のカソード(正極)として用いられる酸素還元電極用の電極活物質であって、タンタル、ニオブ、チタン及びジルコニウムの少なくとも1つの遷移金属元素を含む物質を用いることができる。これにより、本実施形態では、高い酸素還元性能が得られ、発電特性をより適切に向上できる。より好ましくは、遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化した物質を用いることができる。具体的には、タンタル炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化した物質(TaCNO)を用いることができる。TaCNOの比表面積は、凡そ1m/g以上で且つ100m/g以下である。これにより、本実施形態では、高い酸素還元性能が得られ、発電特性をより適切に向上できる。 As the catalyst material, a non-platinum catalyst generally employed for the electrode 6 can be used. Preferably, an electrode active material for an oxygen reduction electrode used as a cathode (positive electrode) of a polymer electrolyte fuel cell, wherein a material containing at least one transition metal element of tantalum, niobium, titanium and zirconium is used. it can. Thereby, in this embodiment, high oxygen reduction performance is obtained and power generation characteristics can be improved more appropriately. More preferably, a material obtained by partially oxidizing a transition metal element carbonitride in an atmosphere containing oxygen can be used. Specifically, a substance (TaCNO) obtained by partially oxidizing tantalum carbonitride in an atmosphere containing oxygen can be used. The specific surface area of TaCNO is about 1 m 2 / g or more and 100 m 2 / g or less. Thereby, in this embodiment, high oxygen reduction performance is obtained and power generation characteristics can be improved more appropriately.

導電粒子としては、微粒子状で導電性を有し、且つ触媒物質に浸食されないものであればどのようなものも採用できる。しかしながら、電極6に一般的に用いられている炭素粒子は、起動停止時における高電位腐食が生じる問題点があるため、導電粒子としては、タンタル、ニオブ、チタン、ジルコニウムの少なくとも1つの遷移金属元素を含む物質を用いることが望ましい。また、より好ましくは、遷移金属元素の炭窒化物や窒化物、酸窒化物を採用できる。遷移金属元素の炭化物や窒化物、酸化物は、物質自体の触媒活性は低いものの、高電位腐食が生じにくいため、導電粒子として好適に用いることができる。   Any conductive particles may be used as long as they are in the form of fine particles and have conductivity and are not eroded by the catalyst substance. However, since the carbon particles generally used for the electrode 6 have a problem that high potential corrosion occurs when starting and stopping, the conductive particles include at least one transition metal element such as tantalum, niobium, titanium, and zirconium. It is desirable to use a substance containing More preferably, transition metal element carbonitrides, nitrides, and oxynitrides can be employed. Transition metal element carbides, nitrides, and oxides can be suitably used as conductive particles because the substance itself has low catalytic activity but is less susceptible to high-potential corrosion.

次に、膜電極接合体12及び固体高分子形燃料電池11についてより詳細に説明する。
高分子電解質膜1としては、プロトン伝導性を有するものであればよい。例えば、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系高分子電解質膜を用いることができる。フッ素系高分子電解質膜としては、例えば、デュポン社製Nafion(登録商標)、旭硝子(株)製Flemion(登録商標)、旭化成(株)製Aciplex(登録商標)、ゴア社製Gore Select(登録商標)などを用いることができる。特に、フッ素系高分子電解質膜として、デュポン社製Nafion(登録商標)系材料を好適に用いることができる。また、炭化水素系高分子電解質膜としては、例えば、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレンなどの電解質膜を用いることができる。
Next, the membrane electrode assembly 12 and the polymer electrolyte fuel cell 11 will be described in more detail.
The polymer electrolyte membrane 1 only needs to have proton conductivity. For example, a fluorine-based polymer electrolyte membrane or a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane can be used. Examples of the fluorine-based polymer electrolyte membrane include Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., and Gore Select (registered trademark) manufactured by Gore. ) Etc. can be used. In particular, a Nafion (registered trademark) material manufactured by DuPont can be suitably used as the fluorine-based polymer electrolyte membrane. As the hydrocarbon polymer electrolyte membrane, for example, an electrolyte membrane such as sulfonated polyether ketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene can be used.

電極触媒層2は、第1の触媒インク及び第2の触媒インク(以下、まとめて触媒インクと称すことがある)を用いて形成される。触媒インクは、少なくとも触媒物質、第1の高分子電解質または第2の高分子電解質(以下、まとめて高分子電解質と称すことがある)並びに溶媒を含む。触媒インクの高分子電解質としては、プロトン伝導性を有するものであればよい。例えば、高分子電解質膜1と同様の材料を用いることができる。より具体的には、フッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質を用いることができる。フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製Nafion(登録商標)系材料などを用いることができる。特に、デュポン社製Nafion(登録商標)系材料を好適に用いることができる。また、炭化水素系高分子電解質としては、例えば、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレンなどの電解質を用いることができる。なお、高分子電解質は、電極触媒層2と高分子電解質膜1との密着性を考慮すると、高分子電解質膜1と同一の材料を用いることが好ましい。また、第1の高分子電解質と第2の高分子電解質とは、同一の材料を用いてもよく、異なる材料を用いてもよい。   The electrode catalyst layer 2 is formed using a first catalyst ink and a second catalyst ink (hereinafter, collectively referred to as catalyst ink). The catalyst ink includes at least a catalyst substance, a first polymer electrolyte or a second polymer electrolyte (hereinafter sometimes collectively referred to as a polymer electrolyte) and a solvent. The polymer electrolyte of the catalyst ink may be any one having proton conductivity. For example, the same material as the polymer electrolyte membrane 1 can be used. More specifically, a fluorine-based polymer electrolyte or a hydrocarbon-based polymer electrolyte can be used. As the fluorine-based polymer electrolyte, for example, a Nafion (registered trademark) material manufactured by DuPont can be used. In particular, a Nafion (registered trademark) material manufactured by DuPont can be suitably used. In addition, as the hydrocarbon polymer electrolyte, for example, electrolytes such as sulfonated polyether ketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene can be used. The polymer electrolyte is preferably made of the same material as the polymer electrolyte membrane 1 in consideration of the adhesion between the electrode catalyst layer 2 and the polymer electrolyte membrane 1. Further, the first polymer electrolyte and the second polymer electrolyte may be made of the same material or different materials.

触媒インクの溶媒としては、触媒物質担持粒子や高分子電解質を浸食することがなく、高分子電解質を流動性の高い状態で溶解または微細ゲルとして分散できるものあればよい。しかしながら、揮発性の有機溶媒が少なくとも含まれていることが望ましい。例えば、メタノール、エタノール、1−プロパノ―ル、2−プロパノ―ル、1−ブタノ−ル、2−ブタノ−ル、イソブチルアルコール、tert−ブチルアルコール、ペンタノ−ルなどのアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ペンタノン、メチルイソブチルケトン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジイソブチルケトンなどのケトン系溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジブチルエーテルなどのエーテル系溶剤、その他ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジアセトンアルコール、1−メトキシ−2−プロパノールなどの極性溶剤などを用いることができる。また、触媒インクの溶媒は、1種単独または2種以上を組み合わせて(混合させたものを)用いてもよい。   The solvent for the catalyst ink may be any solvent that does not erode the catalyst substance-supporting particles and the polymer electrolyte and can dissolve or disperse the polymer electrolyte in a highly fluid state. However, it is desirable that at least a volatile organic solvent is contained. For example, alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, tert-butyl alcohol, pentaanol, acetone, methyl ethyl ketone, Ketone solvents such as pentanone, methyl isobutyl ketone, heptanone, cyclohexanone, methyl cyclohexanone, acetonyl acetone, diisobutyl ketone, tetrahydrofuran, dioxane, diethylene glycol dimethyl ether, ether solvents such as anisole, methoxy toluene, dibutyl ether, other dimethylformamide, Such as dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, ethylene glycol, diethylene glycol, diacetone alcohol, 1-methoxy-2-propanol Or the like can be used in the polar solvent. Moreover, you may use the solvent of a catalyst ink individually by 1 type or in combination of 2 or more types (mixed one).

また、触媒インクの溶媒としては、低級アルコールを用いてもよい。しかしながら、低級アルコールは発火の危険性が高い。そのため、低級アルコールを触媒インクの溶媒として用いる場合には、低級アルコールと水との混合溶媒にすることが好ましい。さらに、触媒インクの溶媒としては、例えば、高分子電解質となじみがよい水が添加されていてもよい。水の添加量は、高分子電解質が分離して白濁を生じたり、ゲル化したりしない程度であればどのようなものでもよい。また、第1の触媒インクの溶媒と第2の触媒インクの溶媒とは、同一の材料を用いてもよく、異なる材料を用いてもよい。
なお、触媒インクには、触媒物質や導電粒子を分散させるために、さらに、分散剤が含まれていてもよい。分散剤としては、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤などを用いることができる。
Further, a lower alcohol may be used as a solvent for the catalyst ink. However, lower alcohols have a high risk of ignition. Therefore, when a lower alcohol is used as a solvent for the catalyst ink, it is preferable to use a mixed solvent of a lower alcohol and water. Furthermore, as a solvent for the catalyst ink, for example, water that is compatible with the polymer electrolyte may be added. The amount of water added may be any as long as the polymer electrolyte is not separated to cause white turbidity or gelation. Further, the solvent of the first catalyst ink and the solvent of the second catalyst ink may be the same material or different materials.
The catalyst ink may further contain a dispersant in order to disperse the catalyst substance and the conductive particles. As the dispersant, an anionic surfactant, a cationic surfactant, an amphoteric surfactant, a nonionic surfactant, or the like can be used.

アニオン界面活性剤としては、例えば、アルキルエーテルカルボン酸塩、エーテルカルボン酸塩、アルカノイルザルコシン、アルカノイルグルタミン酸塩、アシルグルタメート、オレイン酸・N−メチルタウリン、オレイン酸カリウム・ジエタノールアミン塩、アルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、特殊変成ポリエーテルエステル酸のアミン塩、高級脂肪酸誘導体のアミン塩、特殊変成ポリエステル酸のアミン塩、高分子量ポリエーテルエステル酸のアミン塩、特殊変成リン酸エステルのアミン塩、高分子量ポリエステル酸アミドアミン塩、特殊脂肪酸誘導体のアミドアミン塩、高級脂肪酸のアルキルアミン塩、高分子量ポリカルボン酸のアミドアミン塩、ラウリン酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウムなどのカルボン酸型界面活性剤、ジアルキルスルホサクシネート、スルホこはく酸ジアルキル塩、1,2−ビス(アルコキシカルボニル)−1−エタンスルホン酸塩、アルキルスルホネート、アルキルスルホン酸塩、パラフィンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホネート、直鎖アルキルベンゼンスルホネート、アルキルベンゼンスルホネート、ポリナフチルメタンスルホネート、ポリナフチルメタンスルホン酸塩、ナフタレンスルホネート−ホルマリン縮合物、アルキルナフタレンスルホネート、アルカノイルメチルタウリド、ラウリル硫酸エステルナトリウム塩、セチル硫酸エステルナトリウム塩、ステアリル硫酸エステルナトリウム塩、オレイル硫酸エステルナトリウム塩、ラウリルエーテル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホン酸塩などのスルホン酸型界面活性剤、アルキル硫酸エステル塩、硫酸アルキル塩、アルキルサルフェート、アルキルエーテルサルフェート、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート、アルキルポリエトキシ硫酸塩、ポリグリコールエーテルサルフェート、アルキルポリオキシエチレン硫酸塩、硫酸化油、高度硫酸化油などの硫酸エステル型界面活性剤、リン酸(モノまたはジ)アルキル塩、(モノまたはジ)アルキルホスフェート、(モノまたはジ)アルキルりん酸エステル塩、りん酸アルキルポリオキシエチレン塩、アルキルエーテルホスフェート、アルキルポリエトキシ・りん酸塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、りん酸アルキルフェニル・ポリオキシエチレン塩、アルキルフェニルエーテル・ホスフェート、アルキルフェニル・ポリエトキシ・りん酸塩、ポリオキシエチレン・アルキルフェニル・エーテルホスフェート、高級アルコールリン酸モノエステルジナトリウム塩、高級アルコールリン酸ジエステルジナトリウム塩、ジアルキルジチオリン酸亜鉛などのりん酸エステル型界面活性剤などを用いることができる。   Examples of the anionic surfactant include alkyl ether carboxylate, ether carboxylate, alkanoyl sarcosine, alkanoyl glutamate, acyl glutamate, oleic acid / N-methyltaurine, potassium oleate / diethanolamine salt, alkyl ether sulfate, Triethanolamine salt, polyoxyethylene alkyl ether sulfate / triethanolamine salt, amine salt of special modified polyether ester acid, amine salt of higher fatty acid derivative, amine salt of special modified polyester acid, amine of high molecular weight polyether ester acid Salt, special modified phosphate ester amine salt, high molecular weight polyester acid amidoamine salt, special fatty acid derivative amidoamine salt, higher fatty acid alkylamine salt, high molecular weight polycarboxylic acid Carboxylic acid type surfactants such as midamine salt, sodium laurate, sodium stearate, sodium oleate, dialkylsulfosuccinate, dialkylsulfosuccinate, 1,2-bis (alkoxycarbonyl) -1-ethanesulfonate , Alkyl sulfonate, alkyl sulfonate, paraffin sulfonate, α-olefin sulfonate, linear alkyl benzene sulfonate, alkyl benzene sulfonate, polynaphthyl methane sulfonate, polynaphthyl methane sulfonate, naphthalene sulfonate-formalin condensate, alkyl naphthalene sulfonate, Alkanoylmethyl tauride, lauryl sulfate sodium salt, cetyl sulfate sodium salt, stearyl sulfate sodium salt, oleyl Sulfate ester sodium salt, lauryl ether sulfate ester salt, sodium alkylbenzene sulfonate, oil-soluble alkylbenzene sulfonate, α-olefin sulfonate and other surfactants, alkyl sulfate ester salts, alkyl sulfate salts, alkyl sulfates, Sulfate ester surfactants such as alkyl ether sulfate, polyoxyethylene alkyl ether sulfate, alkyl polyethoxy sulfate, polyglycol ether sulfate, alkyl polyoxyethylene sulfate, sulfated oil, highly sulfated oil, phosphoric acid (mono Or di) alkyl salt, (mono or di) alkyl phosphate, (mono or di) alkyl phosphate ester salt, alkyl polyoxyethylene phosphate, alkyl ether phosphate, alkyl Polyethoxy / phosphate, polyoxyethylene alkyl ether, alkylphenyl phosphate / polyoxyethylene salt, alkylphenyl ether / phosphate, alkylphenyl / polyethoxy phosphate, polyoxyethylene / alkylphenyl / ether phosphate, higher alcohol phosphorus Phosphate-type surfactants such as acid monoester disodium salt, higher alcohol phosphoric acid diester disodium salt and zinc dialkyldithiophosphate can be used.

カチオン界面活性剤としては、例えば、ベンジルジメチル{2−[2−(P−1,1,3,3−テトラメチルブチルフェノオキシ)エトキシ]エチル}アンモニウムクロライド、オクタデシルアミン酢酸塩、テトラデシルアミン酢酸塩、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、牛脂トリメチルアンモニウムクロライド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシトリメチルアンモニウムクロライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ベヘニルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシジメチルベンジルアンモニウムクロライド、テトラデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、オクタデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、ジオレイルジメチルアンモニウムクロライド、1−ヒドロキシエチル−2−牛脂イミダゾリン4級塩、2−ヘプタデセニルーヒドロキシエチルイミダゾリン、ステアラミドエチルジエチルアミン酢酸塩、ステアラミドエチルジエチルアミン塩酸塩、トリエタノールアミンモノステアレートギ酸塩、アルキルピリジウム塩、高級アルキルアミンエチレンオキサイド付加物、ポリアクリルアミドアミン塩、変成ポリアクリルアミドアミン塩、パーフルオロアルキル第4級アンモニウムヨウ化物などを用いることができる。   Examples of the cationic surfactant include benzyldimethyl {2- [2- (P-1,1,3,3-tetramethylbutylphenoxy) ethoxy] ethyl} ammonium chloride, octadecylamine acetate, tetradecylamine acetic acid. Salt, octadecyltrimethylammonium chloride, tallow trimethylammonium chloride, dodecyltrimethylammonium chloride, coconut trimethylammonium chloride, hexadecyltrimethylammonium chloride, behenyltrimethylammonium chloride, coconut dimethylbenzylammonium chloride, tetradecyldimethylbenzylammonium chloride, octadecyldimethylbenzylammonium chloride Chloride, dioleyldimethylammonium chloride, 1-hydroxy Ethyl-2-tallow imidazoline quaternary salt, 2-heptadecenyl-hydroxyethyl imidazoline, stearamide ethyl diethylamine acetate, stearamide ethyl diethylamine hydrochloride, triethanolamine monostearate formate, alkyl pyridium salt, higher alkyl Amine ethylene oxide adducts, polyacrylamide amine salts, modified polyacrylamide amine salts, perfluoroalkyl quaternary ammonium iodides and the like can be used.

両性界面活性剤としては、例えば、ジメチルヤシベタイン、ジメチルラウリルベタイン、ラウリルアミノエチルグリシンナトリウム、ラウリルアミノプロピオン酸ナトリウム、ステアリルジメチルベタイン、ラウリルジヒドロキシエチルベタイン、アミドベタイン、イミダゾリニウムベタイン、レシチン、3−[ω−フルオロアルカノイル−N−エチルアミノ]−1−プロパンスルホン酸ナトリウム、N−[3−(パーフルオロオクタンスルホンアミド)プロピル]−N,N−ジメチル−N−カルボキシメチレンアンモニウムベタインなどを用いることができる。   Examples of amphoteric surfactants include dimethyl coconut betaine, dimethyl lauryl betaine, sodium laurylaminoethyl glycine, sodium lauryl aminopropionate, stearyl dimethyl betaine, lauryl dihydroxyethyl betaine, amide betaine, imidazolinium betaine, lecithin, 3- [Ω-fluoroalkanoyl-N-ethylamino] -1-propanesulfonic acid sodium, N- [3- (perfluorooctanesulfonamido) propyl] -N, N-dimethyl-N-carboxymethyleneammonium betaine, etc. Can do.

非イオン界面活性剤としては、例えば、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、オレイン酸ジエタノールアミド(1:1型)、ヒドロキシエチルラウリルアミン、ポリエチレングリコールラウリルアミン、ポリエチレングリコールヤシアミン、ポリエチレングリコールステアリルアミン、ポリエチレングリコール牛脂アミン、ポリエチレングリコール牛脂プロピレンジアミン、ポリエチレングリコールジオレイルアミン、ジメチルラウリルアミンオキサイド、ジメチルステアリルアミンオキサイド、ジヒドロキシエチルラウリルアミンオキサイド、パーフルオロアルキルアミンオキサイド、ポリビニルピロリドン、高級アルコールエチレンオキサイド付加物、アルキルフェノールエチレンオキサイド付加物、脂肪酸エチレンオキサイド付加物、ポリプロピレングリコールエチレンオキサイド付加物、グリセリンの脂肪酸エステル、ペンタエリスリットの脂肪酸エステル、ソルビットの脂肪酸エステル、ソルビタンの脂肪酸エステル、砂糖の脂肪酸エステルなどを用いることができる。   Examples of the nonionic surfactant include coconut fatty acid diethanolamide (1: 2 type), coconut fatty acid diethanolamide (1: 1 type), bovine fatty acid diethanolamide (1: 2 type), and bovine fatty acid diethanolamide (1: 2). 1 type), oleic acid diethanolamide (1: 1 type), hydroxyethyl lauryl amine, polyethylene glycol lauryl amine, polyethylene glycol palm amine, polyethylene glycol stearyl amine, polyethylene glycol beef tallow amine, polyethylene glycol beef tallow propylene diamine, polyethylene glycol dioleyl amine , Dimethyl lauryl amine oxide, dimethyl stearyl amine oxide, dihydroxyethyl lauryl amine oxide, perfluoroalkylamine oxide, polyvinyl chloride Pyrrolidone, higher alcohol ethylene oxide adduct, alkylphenol ethylene oxide adduct, fatty acid ethylene oxide adduct, polypropylene glycol ethylene oxide adduct, glycerin fatty acid ester, pentaerythritol fatty acid ester, sorbit fatty acid ester, sorbitan fatty acid ester, Sugar fatty acid esters and the like can be used.

上記の界面活性剤の中でもアルキルベンゼンスルホン酸、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸、α−オレフィンスルホン酸、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホン酸塩などのスルホン酸型の界面活性剤は、カーボンの分散効果、分散剤の残存による触媒性能の変化などを考慮すると、分散剤として好適に用いることができる。   Among the above surfactants, sulfonic acid type surfactants such as alkylbenzene sulfonic acid, oil-soluble alkylbenzene sulfonic acid, α-olefin sulfonic acid, sodium alkylbenzene sulfonate, oil-soluble alkylbenzene sulfonate, α-olefin sulfonate, etc. Can be suitably used as a dispersant in consideration of the carbon dispersion effect, the change in catalyst performance due to the remaining of the dispersant, and the like.

また、触媒インクには、必要に応じて分散処理を行うようにしてもよい。触媒インクの粘度と粒子のサイズとは、触媒インクの分散処理の条件によって制御できる。分散処理は、様々な装置を用いて行うことができる。そのため、分散処理の方法は、特に限定されるものではない。例えば、分散処理には、ボールミルやロールミルによる処理、せん断ミルによる処理、湿式ミルによる処理、超音波分散処理などを用いることができる。また、遠心力で攪拌を行うホモジナイザーなどを用いてもよい。   In addition, the catalyst ink may be subjected to a dispersion process as necessary. The viscosity and particle size of the catalyst ink can be controlled by the conditions of the catalyst ink dispersion treatment. Distributed processing can be performed using various apparatuses. Therefore, the distributed processing method is not particularly limited. For example, a ball mill or roll mill process, a shear mill process, a wet mill process, an ultrasonic dispersion process, or the like can be used for the dispersion process. Moreover, you may use the homogenizer etc. which stir with centrifugal force.

触媒インク中の固形分含有量は、多すぎると触媒インクの粘度が高くなるため、電極触媒層2表面にクラックが入りやすくなる。一方、触媒インク中の固形含有量は、少なすぎると成膜レートが非常に遅く、生産性が低下してしまう。したがって、触媒インク中の固形含有量は、1〜50質量%であることが好ましい。また、固形分は、触媒物質と炭素粒子と過酸化物分解触媒と高分子電解質とからなるが、固形分のうち炭素粒子の含有量を多くすると、同じ固形分含有量でも触媒インクの粘度は高くなる。一方、固形分のうち炭素粒子の含有量を少なくすると、同じ固形分含有量でも触媒インクの粘度は低くなる。したがって、固形分に占める炭素粒子の割合は10〜80質量%が好ましい。また、触媒インクの粘度は、0.1〜500cP(0.0001〜0.5Pa・s)程度が好ましく、さらに好ましくは5〜100cP(0.005〜0.1Pa・s)がよい。また、触媒インクの分散時に分散剤を添加することで、触媒インクの粘度を制御することもできる。   If the solid content in the catalyst ink is too large, the viscosity of the catalyst ink becomes high, so that the surface of the electrode catalyst layer 2 tends to crack. On the other hand, if the solid content in the catalyst ink is too small, the film formation rate is very slow and the productivity is lowered. Therefore, the solid content in the catalyst ink is preferably 1 to 50% by mass. In addition, the solid content is composed of a catalyst substance, carbon particles, a peroxide decomposition catalyst, and a polymer electrolyte. Get higher. On the other hand, when the content of carbon particles in the solid content is reduced, the viscosity of the catalyst ink is lowered even with the same solid content. Therefore, the proportion of carbon particles in the solid content is preferably 10 to 80% by mass. The viscosity of the catalyst ink is preferably about 0.1 to 500 cP (0.0001 to 0.5 Pa · s), more preferably 5 to 100 cP (0.005 to 0.1 Pa · s). Further, the viscosity of the catalyst ink can be controlled by adding a dispersing agent when the catalyst ink is dispersed.

また、触媒インクには、電極触媒層2に細孔を形成するために、さらに、造孔剤が含まれていてもよい。造孔剤は、電極触媒層2の形成後に除去する。造影剤としては、酸、アルカリ、水に溶ける物質、ショウノウなどの昇華する物質、熱分解する物質などを用いることができる。例えば、水で溶ける物質を用いた場合には、発電時に発生する水で造影剤を除去するようにしてよい。   Further, the catalyst ink may further contain a pore forming agent in order to form pores in the electrode catalyst layer 2. The pore-forming agent is removed after the electrode catalyst layer 2 is formed. As the contrast agent, an acid, an alkali, a substance soluble in water, a sublimation substance such as camphor, a thermal decomposition substance, or the like can be used. For example, when a substance that is soluble in water is used, the contrast agent may be removed with water generated during power generation.

酸、アルカリ、水に溶ける物質としては、例えば、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、酸化マグネシウムなどの酸可溶性無機塩類、アルミナ、シリカゲル、シリカゾルなどのアルカリ水溶液に可溶性の無機塩類、アルミニウム、亜鉛、スズ、ニッケル、鉄などの酸またはアルカリに可溶性の金属類、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化アンモニウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、リン酸一ナトリウムなどの水溶性無機塩類、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールなどの水溶性有機化合物類などを用いることができる。また、造孔剤は、1種単独あるいは2種以上を組み合わせて用いてもよいが、2種以上を組み合わせて用いることが好ましい。   Examples of substances that are soluble in acid, alkali, and water include acid-soluble inorganic salts such as calcium carbonate, barium carbonate, magnesium carbonate, magnesium sulfate, and magnesium oxide, inorganic salts soluble in alkaline aqueous solutions such as alumina, silica gel, and silica sol, and aluminum. Metals soluble in acids or alkalis such as zinc, tin, nickel and iron, water-soluble inorganic salts such as sodium chloride, potassium chloride, ammonium chloride, sodium carbonate, sodium sulfate and monosodium phosphate, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol Water-soluble organic compounds such as can be used. Further, the pore-forming agent may be used alone or in combination of two or more, but it is preferable to use two or more in combination.

第1の高分子電解質で包埋した導電粒子は、導電粒子と第1の高分子電解質とを溶媒に分散させた第1の触媒インクを基材(転写シート)に塗布し、塗布した第1の触媒インクを乾燥させることで作製できる。転写シートとしては、転写性がよい材質を用いることができる。例えば、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素系樹脂を用いることができる。また、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタラート、ポリアミド(ナイロン)、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル・エーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレートなどの高分子シート、高分子フィルムを用いることができる。触媒インクの塗布方法としては、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法、スプレー法などを用いることができる。例えば、ドクターブレード法は、触媒インクの量が多く、乾燥で得られる電極触媒層2の厚膜化が容易であるため、好ましい。また、第1の高分子電解質で包埋した導電粒子は、第1の高分子電解質で包埋した導電粒子は、乾燥雰囲気中に第1の触媒インクを噴霧(スプレー)し、噴霧した第1の触媒インクを乾燥させることによっても作製できる。   The conductive particles embedded with the first polymer electrolyte are coated with a first catalyst ink in which the conductive particles and the first polymer electrolyte are dispersed in a solvent on a substrate (transfer sheet). This catalyst ink can be dried. As the transfer sheet, a material having good transferability can be used. For example, fluorine such as ethylene tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroperfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), polytetrafluoroethylene (PTFE), etc. Series resins can be used. Also, for example, polymer sheets such as polyimide, polyethylene terephthalate, polyamide (nylon), polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyetherimide, polyarylate, polyethylene naphthalate, polymer film Can be used. As a method for applying the catalyst ink, a doctor blade method, a dipping method, a screen printing method, a roll coating method, a spray method, or the like can be used. For example, the doctor blade method is preferable because the amount of the catalyst ink is large and it is easy to increase the thickness of the electrode catalyst layer 2 obtained by drying. The conductive particles embedded with the first polymer electrolyte are the first conductive particles embedded with the first polymer electrolyte by spraying the first catalyst ink in a dry atmosphere. This catalyst ink can also be produced by drying.

ガス拡散層4、5としては、ガス拡散性と導電性とを有する材質を用いることができる。例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー、不織布などのポーラスカーボン材を用いることができる。
セパレーター10としては、カーボンタイプあるいは金属タイプのものなどを用いることができる。固体高分子形燃料電池11では、ガス供給装置、冷却装置など、その他付随する装置を組み立てることにより、セパレーター10を製造できる。
As the gas diffusion layers 4 and 5, a material having gas diffusibility and conductivity can be used. For example, porous carbon materials such as carbon cloth, carbon paper, and nonwoven fabric can be used.
As the separator 10, a carbon type or a metal type can be used. In the polymer electrolyte fuel cell 11, the separator 10 can be manufactured by assembling other accompanying devices such as a gas supply device and a cooling device.

(実施例)
次に、本実施形態の電極6の製造方法(第1〜第4工程)について、具体的な実施例及び比較例を挙げて説明する。なお、本発明は、以下に記載の実施例に限定されない。
(第1工程:第1の触媒インクの調製)
第1工程では、導電粒子(TaCN、比表面積2m/g)と、20質量%高分子電解質溶液(商品名:Nafion(登録商標)、デュポン社製。第1の高分子電解質)とを溶媒中で混合した。導電粒子と第1の高分子電解質との質量比は、1:0.01とした。また、溶媒は、超純水と1−プロパノ−ルとを含むものとした。超純水と1−プロパノ−ルとの体積比は、1:1とした。続いて、第1工程では、導電粒子と20質量%高分子電解質溶液とを混合した溶媒にボールミルで分散処理を行った。これにより、第1工程では、第1の触媒インクを作製した。ボールミルのポット及びボールとしては、ジルコニア製のものを用いた。第1の触媒インクの固形分含有量は、14質量%とした。
(Example)
Next, the manufacturing method (first to fourth steps) of the electrode 6 of the present embodiment will be described with specific examples and comparative examples. In addition, this invention is not limited to the Example described below.
(First step: Preparation of first catalyst ink)
In the first step, conductive particles (TaCN, specific surface area 2 m 2 / g) and a 20% by mass polymer electrolyte solution (trade name: Nafion (registered trademark), manufactured by DuPont, first polymer electrolyte) are used as solvents. Mixed in. The mass ratio between the conductive particles and the first polymer electrolyte was 1: 0.01. The solvent included ultrapure water and 1-propanol. The volume ratio of ultrapure water to 1-propanol was 1: 1. Subsequently, in the first step, a dispersion treatment was performed with a ball mill in a solvent in which conductive particles and a 20% by mass polymer electrolyte solution were mixed. Thereby, the 1st catalyst ink was produced in the 1st process. As the ball mill pot and balls, those made of zirconia were used. The solid content of the first catalyst ink was 14% by mass.

(第2工程:第1の高分子電解質で包埋した導電粒子の形成方法)
第2工程では、ドクターブレードにより、第1の触媒インクを基材上に塗布した。基材としては、PTFEシートを用いた。続いて、第2工程では、塗布した第1の触媒インクを大気雰囲気中80℃で5分間乾燥させた。これにより、第2工程では、第1の高分子電解質で包埋した導電粒子を作製した。続いて、第2工程では、第1の高分子電解質で包埋した導電粒子、つまり、乾燥させた第1の触媒インクを基材上から回収した。
(Second Step: Method for Forming Conductive Particles Embedded with First Polymer Electrolyte)
In the second step, the first catalyst ink was applied onto the substrate with a doctor blade. A PTFE sheet was used as the substrate. Subsequently, in the second step, the applied first catalyst ink was dried at 80 ° C. for 5 minutes in the air atmosphere. Thus, in the second step, conductive particles embedded with the first polymer electrolyte were produced. Subsequently, in the second step, the conductive particles embedded with the first polymer electrolyte, that is, the dried first catalyst ink was collected from the substrate.

(第3工程:第1の高分子電解質で包埋した導電粒子と触媒物質との混合及び熱処理)
第3工程では、第1の高分子電解質で包埋した導電粒子と、触媒物質(TaCNO、比表面積10m/g)とをボールミルで混合した。これにより、第3工程では、乾燥させた第1の触媒インクに触媒物質を添加した。ボールミルのポット及びボールとしては、ジルコニア製のものを用いた。導電粒子と触媒物質との質量比は、1:1とした。第1の高分子電解質で包埋した導電粒子と触媒物質とは、無溶媒で混合した。
(Third Step: Mixing and Heat Treatment of Conductive Particles Embedded with First Polymer Electrolyte and Catalyst Material)
In the third step, the conductive particles embedded with the first polymer electrolyte and the catalyst material (TaCNO, specific surface area 10 m 2 / g) were mixed by a ball mill. Thus, in the third step, the catalyst material was added to the dried first catalyst ink. As the ball mill pot and balls, those made of zirconia were used. The mass ratio of the conductive particles to the catalyst material was 1: 1. The conductive particles embedded with the first polymer electrolyte and the catalyst material were mixed without a solvent.

(第3工程:第2の触媒インクの調製)
続いて、第3工程では、第1の高分子電解質で包埋した導電粒子と、乾燥させた第1の触媒インクに触媒物質を添加した混合物に熱処理を加えたものと、20質量%高分子電解質溶液(第2の高分子電解質)とを溶媒中で混合した。導電粒子と、触媒物質、第2の高分子電解質の質量比は、1:1:0.7とした。溶媒は、超純水と1−プロパノ−ルとを含むものとした。超純水と1−プロパノ−ルとの体積比は、1:1とした。続いて、第3工程では、混合した溶媒にボールミルで分散処理を行った。これにより、第3工程では、第2の触媒インクを作製した。ボールミルのポット及びボールには、ジルコニア製のものを用いた。第2の触媒インクの固形分含有量は、14質量%とした。
(Third step: Preparation of second catalyst ink)
Subsequently, in the third step, the conductive particles embedded with the first polymer electrolyte, the mixture obtained by adding the catalyst substance to the dried first catalyst ink, and heat treatment, and the 20 mass% polymer The electrolyte solution (second polymer electrolyte) was mixed in a solvent. The mass ratio of the conductive particles, the catalyst material, and the second polymer electrolyte was 1: 1: 0.7. The solvent contained ultrapure water and 1-propanol. The volume ratio of ultrapure water to 1-propanol was 1: 1. Subsequently, in the third step, the mixed solvent was dispersed with a ball mill. Thereby, the 2nd catalyst ink was produced in the 3rd process. A ball mill pot and balls were made of zirconia. The solid content of the second catalyst ink was 14% by mass.

(第4工程:電極6の作製方法)
第4工程では、ドクターブレードにより、第2の触媒インクを転写シート(基材)上に塗布した。転写シートとしては、PTFEシートを使用した。続いて、第4工程では、塗布した第2の触媒インク上に、ガス拡散層4として目処め層が形成されたカーボンペーパーを配置した。続いて、第4工程では、カーボンペーパを配置した第2の触媒インクを大気雰囲気中80℃で10分間乾燥させた。これにより、第4工程では、電極触媒2を作製した。続いて、第4工程では、作製した電極触媒層2から転写シートを剥離した。これにより、第4工程では、電極触媒層2及びガス拡散層4が積層した電極6を作製した。電極触媒層2の厚さは、触媒物質担持量が10mg/cmになるように調節した。
(4th process: Preparation method of the electrode 6)
In the fourth step, the second catalyst ink was applied onto the transfer sheet (base material) by a doctor blade. A PTFE sheet was used as the transfer sheet. Subsequently, in the fourth step, carbon paper on which a mesh layer was formed as the gas diffusion layer 4 was disposed on the applied second catalyst ink. Subsequently, in the fourth step, the second catalyst ink on which the carbon paper was arranged was dried at 80 ° C. for 10 minutes in the air atmosphere. Thereby, the electrode catalyst 2 was produced in the 4th process. Subsequently, in the fourth step, the transfer sheet was peeled from the produced electrode catalyst layer 2. Thereby, in the 4th process, electrode 6 in which electrode catalyst layer 2 and gas diffusion layer 4 were laminated was produced. The thickness of the electrode catalyst layer 2 was adjusted so that the amount of the catalyst material supported was 10 mg / cm 2 .

(比較例)
(触媒インクの調製)
導電粒子と触媒物質と20質量%高分子電解質溶液とを溶媒中で混合した。導電粒子と触媒物質と高分子電解質との質量比は、1:1:0.7とした。また、溶媒は、超純水と1−プロパノ−ルとを含むものとした。超純水と1−プロパノ−ルとのを体積比は、1:1とした。続いて、第1工程では、混合して作製した混合物にボールミルで分散処理を行った。これにより、触媒インクを調製した。ボールミルのポット及びボールとしては、ジルコニア製のものを用いた。また、触媒インクの固形分含有量は、14質量%とした。
(Comparative example)
(Preparation of catalyst ink)
Conductive particles, a catalyst substance, and a 20% by mass polymer electrolyte solution were mixed in a solvent. The mass ratio of the conductive particles, the catalyst substance, and the polymer electrolyte was 1: 1: 0.7. The solvent included ultrapure water and 1-propanol. The volume ratio of ultrapure water to 1-propanol was 1: 1. Subsequently, in the first step, the mixture prepared by mixing was subjected to dispersion treatment with a ball mill. Thereby, a catalyst ink was prepared. As the ball mill pot and balls, those made of zirconia were used. The solid content of the catalyst ink was 14% by mass.

(電極6の作製方法)
実施例と同様の手法で、作製した触媒インクを基材に塗布し、塗布した触媒インクを乾燥させた。これにより、電極触媒層2を作製した。電極触媒層2の厚さは、触媒物質担持量が10mg/cmになるように調節した。基材としては、実施例と同じ転写シート(PETシート)を使用した。続いて、作製した電極触媒層2の上にガス拡散層4として目処め層が形成されたカーボンペーパーを配置した。これにより、電極6を作製した。
(Method for producing electrode 6)
The prepared catalyst ink was applied to a substrate in the same manner as in the example, and the applied catalyst ink was dried. Thereby, the electrode catalyst layer 2 was produced. The thickness of the electrode catalyst layer 2 was adjusted so that the amount of the catalyst material supported was 10 mg / cm 2 . As the substrate, the same transfer sheet (PET sheet) as in the example was used. Subsequently, carbon paper in which a target layer was formed as the gas diffusion layer 4 was disposed on the produced electrode catalyst layer 2. Thereby, the electrode 6 was produced.

(実施例及び比較例の燃料極7の作製方法)
白金担持量が50質量%である白金担持カーボン触媒(商品名:TEC10E50E、田中貴金属工業製)と、20質量%高分子電解質溶液とを溶媒中で混合した。白金担持カーボン中のカーボンと高分子電解質との質量比は、1:1とした。また、溶媒は、超純水、1−プロパノ−ルを含むものとした。超純水と1−プロパノ−ルとの体積比は、1:1とした。続いて、混合して作製した混合物にボールミルで分散処理を行った。分散時間は60分間とした。これにより、触媒インクを作製した。また、触媒インクの固形分含有量は、10質量%とした。続いて、電極6と同様の手法で、作製した触媒インクを基材に塗布し、塗布した触媒インクを乾燥させた。これにより、電極触媒層3を作製した。電極触媒層3の厚さは、触媒物質担持量が0.3mg/cmになるように調節した。続いて、作製した電極触媒層3の上にガス拡散層5として目処め層が形成されたカーボンペーパーを配置した。これにより、電極触媒層3及びガス拡散層5が積層した燃料極7を作製した。
(Method for Producing Fuel Electrode 7 of Examples and Comparative Examples)
A platinum-supported carbon catalyst (trade name: TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) having a platinum support amount of 50% by mass and a 20% by mass polymer electrolyte solution were mixed in a solvent. The mass ratio of carbon in the platinum-supporting carbon to the polymer electrolyte was 1: 1. The solvent included ultrapure water and 1-propanol. The volume ratio of ultrapure water to 1-propanol was 1: 1. Then, the dispersion process was performed with the ball mill to the mixture produced by mixing. The dispersion time was 60 minutes. This produced the catalyst ink. The solid content of the catalyst ink was 10% by mass. Subsequently, the prepared catalyst ink was applied to the substrate by the same method as that for the electrode 6, and the applied catalyst ink was dried. Thereby, the electrode catalyst layer 3 was produced. The thickness of the electrode catalyst layer 3 was adjusted so that the amount of catalyst material supported was 0.3 mg / cm 2 . Subsequently, carbon paper in which a target layer was formed as the gas diffusion layer 5 was disposed on the produced electrode catalyst layer 3. Thereby, the fuel electrode 7 in which the electrode catalyst layer 3 and the gas diffusion layer 5 were laminated was produced.

(実施例及び比較例の膜電極接合体12の作製方法)
実施例及び比較例で作製した電極6、及び燃料極7を5cmの正方形に打ち抜いた。続いて、高分子電解質膜1(商品名:Nafion(登録商標名)、デュポン社製)の両面に対面するように転写シートを配置した。続いて、転写シートを配置した高分子電解質膜1に130℃、10分間の条件でホットプレスを行った。これにより、膜電極接合体12を作製した。続いて、作製した膜電極接合体12を一対のセパレーター10で挟持した。これにより、単セルの固体高分子形燃料電池11を作製した。
(Method for Producing Membrane / Electrode Assembly 12 of Examples and Comparative Examples)
The electrode 6 and the fuel electrode 7 produced in the example and the comparative example were punched into a 5 cm 2 square. Subsequently, a transfer sheet was disposed so as to face both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 (trade name: Nafion (registered trademark), manufactured by DuPont). Subsequently, the polymer electrolyte membrane 1 on which the transfer sheet was arranged was hot pressed at 130 ° C. for 10 minutes. Thereby, the membrane electrode assembly 12 was produced. Subsequently, the produced membrane electrode assembly 12 was sandwiched between a pair of separators 10. In this way, a single cell polymer electrolyte fuel cell 11 was produced.

(評価)
(評価条件)
実施例で作製した電極6を用いた固体高分子形燃料電池11と、比較例で作製した電極6を用いた固体高分子形燃料電池11との発電特性評価を行った。発電特性評価は、燃料電池測定装置を用いて、セル温度80℃で、燃料極7(アノード)及び空気極6(カソード)ともに100%RHの条件のもとで行った。発電特性評価では、燃料ガスとして純水素を用い、酸化剤ガスとして純酸素を用いて、流量一定による流量制御を行った。
(Evaluation)
(Evaluation conditions)
The power generation characteristics of the polymer electrolyte fuel cell 11 using the electrode 6 produced in the example and the polymer electrolyte fuel cell 11 using the electrode 6 produced in the comparative example were evaluated. The power generation characteristics were evaluated using a fuel cell measurement device at a cell temperature of 80 ° C. and under conditions of 100% RH for both the fuel electrode 7 (anode) and the air electrode 6 (cathode). In the power generation characteristics evaluation, pure hydrogen was used as the fuel gas and pure oxygen was used as the oxidant gas, and the flow rate was controlled at a constant flow rate.

(測定結果)
実施例で作製した固体高分子形燃料電池11は、比較例で作製した固体高分子形燃料電池11よりも、優れた発電性能を示した。特に、0.6V付近の発電性能が向上し、実施例で作製した固体高分子形燃料電池11は、比較例で作製した固体高分子形燃料電池11に比べて、約4.7倍の発電性能を示した。これは、実施例で作製した固体高分子形燃料電池11では、導電粒子を第1の高分子電解質で包埋することで導電粒子表面のプロトン伝導性が高められ、反応活性点が増加したためと推察される。また、実施例で作製した固体高分子形燃料電池11は、電極触媒層2とガス拡散層4との密着性が高く、これにより、高い発電特性が得られたと推察される。これに対して、比較例で作製した固体高分子形燃料電池11は、導電粒子と触媒物質及び高分子電解質を一段階で溶媒中に分散させるため、導電粒子よりも比表面積の大きい触媒粒子に対して高分子電解質が優先的に吸着されることで、導電粒子表面では十分なプロトン伝導性が確保されなかったためと推察される。また、比較例で作製した固体高分子形燃料電池11は、電極触媒層2とガス拡散層4との密着性が低く、これにより、発電特性が低下したと推察される。
本実施形態では、図1、2の空気極(電極)6が燃料電池用電極を構成する。また、図1、2の膜電極接合体12が燃料電池用膜電極接合体を構成する。
(Measurement result)
The polymer electrolyte fuel cell 11 produced in the example showed better power generation performance than the polymer electrolyte fuel cell 11 produced in the comparative example. In particular, the power generation performance in the vicinity of 0.6 V is improved, and the polymer electrolyte fuel cell 11 produced in the example is approximately 4.7 times as much as the polymer electrolyte fuel cell 11 produced in the comparative example. Showed performance. This is because, in the polymer electrolyte fuel cell 11 produced in the example, the proton conductivity on the surface of the conductive particles was increased by embedding the conductive particles with the first polymer electrolyte, and the reaction active points increased. Inferred. The polymer electrolyte fuel cell 11 produced in the example has high adhesion between the electrode catalyst layer 2 and the gas diffusion layer 4, and it is presumed that high power generation characteristics were obtained. On the other hand, the polymer electrolyte fuel cell 11 produced in the comparative example disperses the conductive particles, the catalyst material, and the polymer electrolyte in the solvent in one step, so that the catalyst particles have a specific surface area larger than that of the conductive particles. On the other hand, it is inferred that sufficient proton conductivity was not ensured on the surface of the conductive particles by preferentially adsorbing the polymer electrolyte. The polymer electrolyte fuel cell 11 produced in the comparative example has low adhesion between the electrode catalyst layer 2 and the gas diffusion layer 4, and it is presumed that the power generation characteristics are thereby lowered.
In this embodiment, the air electrode (electrode) 6 of FIGS. 1 and 2 constitutes a fuel cell electrode. The membrane electrode assembly 12 of FIGS. 1 and 2 constitutes a fuel cell membrane electrode assembly.

(本実施形態の効果)
本実施形態は、次のような効果を奏する。
(1)第1工程では、導電粒子と第1の高分子電解質とを溶媒に分散させて第1の触媒インクを作製する。続いて、第2工程では、第1の触媒インクを乾燥させて導電粒子を第1の高分子電解質で包埋する。続いて、第3工程では、乾燥させた第1の触媒インクに非白金触媒からなる触媒物質を添加した混合物と第2の高分子電解質とを溶媒に分散させて第2の触媒インクを作製する。続いて、第4工程では、第2の触媒インクを転写シート上に塗布し、塗布した第2の触媒インク上にガス拡散層4を配置し、ガス拡散層4を配置した第2の触媒インクを乾燥させて電極触媒層2を作製し、作製した電極触媒層2から転写シートを剥離して電極触媒層2及びガス拡散層4が積層した電極6を形成する。
(Effect of this embodiment)
This embodiment has the following effects.
(1) In the first step, the first catalyst ink is prepared by dispersing conductive particles and the first polymer electrolyte in a solvent. Subsequently, in the second step, the first catalyst ink is dried to embed the conductive particles with the first polymer electrolyte. Subsequently, in the third step, a mixture obtained by adding a catalyst material made of a non-platinum catalyst to the dried first catalyst ink and the second polymer electrolyte are dispersed in a solvent to produce a second catalyst ink. . Subsequently, in the fourth step, the second catalyst ink is applied onto the transfer sheet, the gas diffusion layer 4 is disposed on the applied second catalyst ink, and the second catalyst ink in which the gas diffusion layer 4 is disposed. Is dried to produce an electrode catalyst layer 2, and the transfer sheet is peeled from the produced electrode catalyst layer 2 to form an electrode 6 in which the electrode catalyst layer 2 and the gas diffusion layer 4 are laminated.

これにより、本実施形態では、導電粒子を第1の高分子電解質で包埋する。それゆえ、本実施形態では、導電粒子表面のプロトン伝導性を向上でき、反応活性点を増加できる。その結果、本実施形態では、非白金触媒を触媒物質として用いつつ、高い発電特性を示す電極6を提供できる。   Thus, in the present embodiment, the conductive particles are embedded with the first polymer electrolyte. Therefore, in this embodiment, the proton conductivity on the surface of the conductive particles can be improved, and the reactive site can be increased. As a result, in the present embodiment, it is possible to provide an electrode 6 that exhibits high power generation characteristics while using a non-platinum catalyst as a catalyst material.

(2)第2工程では、導電粒子に対する第1の高分子電解質の重量比が10−4以上で且つ0.1未満の範囲内となるように第1の触媒インクを乾燥させる。
これにより、本実施形態では、導電粒子に対する第1の高分子電解質の重量比が10−4以上であるため、導電粒子表面のプロトン伝導性を向上でき、反応活性点を増加でき、発電特性を向上できる。また、本実施形態は、導電粒子に対する第1の高分子電解質の重量比が0.1未満であるため、反応活性点へのガス拡散性を向上でき、発電特性を向上できる。それゆえ、本実施形態では、発電特性をより適切に向上できる。
(2) In the second step, the first catalyst ink is dried so that the weight ratio of the first polymer electrolyte to the conductive particles is 10 −4 or more and less than 0.1.
Thereby, in this embodiment, since the weight ratio of the first polymer electrolyte to the conductive particles is 10 −4 or more, the proton conductivity on the surface of the conductive particles can be improved, the reaction active points can be increased, and the power generation characteristics can be improved. It can be improved. Moreover, since the weight ratio of the 1st polymer electrolyte with respect to electroconductive particle is less than 0.1, this embodiment can improve the gas diffusibility to the reaction active point, and can improve a power generation characteristic. Therefore, in this embodiment, the power generation characteristics can be improved more appropriately.

(3)第2工程では、第1の触媒インクを30℃以上で且つ140℃未満の温度で乾燥させる。
これにより、本実施形態では、第1の触媒インクをより適切に乾燥できる。
(4)第3の工程では、乾燥された第1の触媒インクに触媒物質を添加して無溶媒で混合した混合物と第2の高分子電解質とを溶媒に分散させて第2の触媒インクを作製する。
これにより、本実施形態では、触媒物質と導電粒子の接触性が高く、反応活性点が増加する。それゆえ、本実施形態では、発電特性をより適切に向上できる。
(3) In the second step, the first catalyst ink is dried at a temperature of 30 ° C. or higher and lower than 140 ° C.
Thereby, in this embodiment, the 1st catalyst ink can be dried more appropriately.
(4) In the third step, a mixture obtained by adding a catalyst substance to the dried first catalyst ink and mixing it in the absence of solvent and the second polymer electrolyte are dispersed in a solvent to obtain the second catalyst ink. Make it.
Thereby, in this embodiment, the contact property of a catalyst substance and electroconductive particle is high, and a reaction active point increases. Therefore, in this embodiment, the power generation characteristics can be improved more appropriately.

(5)第3の工程では、乾燥された第1の触媒インクに触媒物質を添加して無溶媒で混合した混合物に50℃以上で且つ180℃以下の温度で熱処理を行う。続いて、第3の工程では、熱処理を行った導電粒子、触媒物質及び第1の高分子電解質と第2の高分子電解質とを溶媒に分散させて第2の触媒インクを作製する。
これにより、本実施形態では、熱処理の温度が50℃以上であるため、導電粒子を包埋する第1の高分子電解質が溶媒に溶解することを抑制し、また、反応活性点を増加でき、発電特性を向上できる。また、本実施形態では、熱処理の温度が180℃を超えるため、導電粒子を包埋する第1の高分子電解質のプロトン伝導性を向上でき、発電特性を向上できる。それゆえ、本実施形態では、発電特性をより適切に向上できる。
(5) In the third step, a heat treatment is performed at a temperature of 50 ° C. or more and 180 ° C. or less to a mixture obtained by adding a catalyst substance to the dried first catalyst ink and mixing it without solvent. Subsequently, in the third step, the second catalyst ink is prepared by dispersing the heat-treated conductive particles, the catalyst substance, the first polymer electrolyte, and the second polymer electrolyte in a solvent.
Thereby, in this embodiment, since the temperature of heat processing is 50 degreeC or more, it can suppress that the 1st polymer electrolyte which embeds electroconductive particle melt | dissolves in a solvent, can also increase a reactive site, Power generation characteristics can be improved. Moreover, in this embodiment, since the temperature of heat processing exceeds 180 degreeC, the proton conductivity of the 1st polymer electrolyte which embeds electroconductive particle can be improved, and a power generation characteristic can be improved. Therefore, in this embodiment, the power generation characteristics can be improved more appropriately.

(6)触媒物質は、固体高分子形燃料電池11の正極として用いられる酸素還元電極用の電極活物質であって、タンタル、ニオブ、チタン及びジルコニウムの少なくとも1つの遷移金属元素を含むものである。
これにより、本実施形態では、発電特性をより適切に向上できる。
(7)触媒物質は、遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したものである。
これにより、本実施形態では、発電特性をより適切に向上できる。
(6) The catalyst material is an electrode active material for an oxygen reduction electrode used as a positive electrode of the polymer electrolyte fuel cell 11, and contains at least one transition metal element of tantalum, niobium, titanium and zirconium.
Thereby, in this embodiment, a power generation characteristic can be improved more appropriately.
(7) The catalyst material is obtained by partially oxidizing a transition metal element carbonitride in an oxygen-containing atmosphere.
Thereby, in this embodiment, a power generation characteristic can be improved more appropriately.

(8)電極6は、上記(1)〜(7)の製造方法で製造した。
これにより、本実施形態では、高い発電特性を示す電極6を提供できる。
(9)一対の電極6、7のうち、正極側の電極6を上記(8)の電極6とした。
これにより、本実施形態では、膜電極接合体12の製造コストをより低減できる。
(8) The electrode 6 was manufactured by the manufacturing method of said (1)-(7).
Thereby, in this embodiment, the electrode 6 which shows a high electric power generation characteristic can be provided.
(9) Of the pair of electrodes 6 and 7, the electrode 6 on the positive electrode side is the electrode 6 of the above (8).
Thereby, in this embodiment, the manufacturing cost of the membrane electrode assembly 12 can be reduced more.

(10)膜電極接合体12は、上記(9)の膜電極接合体12の製造方法で製造した。
これにより、本実施形態では、高い発電特性を示す電極6を備えた膜電極接合体12を提供できる。
(11)固体高分子形燃料電池11は、上記(10)の膜電極接合体12を備える。
これにより、本実施形態では、高い発電特性を示す電極6を備えた固体高分子形燃料電池11を提供できる。
(10) The membrane / electrode assembly 12 was produced by the method for producing the membrane / electrode assembly 12 of (9) above.
Thereby, in this embodiment, the membrane electrode assembly 12 provided with the electrode 6 which shows a high electric power generation characteristic can be provided.
(11) The polymer electrolyte fuel cell 11 includes the membrane electrode assembly 12 of (10) above.
Thereby, in this embodiment, the polymer electrolyte fuel cell 11 provided with the electrode 6 which shows a high electric power generation characteristic can be provided.

本発明の一態様は、触媒物質、導電粒子及び高分子電解質を含み、且つ導電粒子の比表面積が触媒物質の比表面積よりも小さい燃料電池用電極の製造方法であって、導電粒子を第1の高分子電解質で包埋する工程を備えることを特徴とする。これにより、本発明の一態様では、導電粒子表面のプロトン伝導性を向上でき、反応活性点を増加できる。それゆえ、本発明の一態様では、高い発電特性を示す燃料電池用電極を提供できる。   One aspect of the present invention is a method for producing an electrode for a fuel cell, which includes a catalyst material, conductive particles, and a polymer electrolyte, and has a specific surface area of the conductive particles smaller than the specific surface area of the catalyst material. And a step of embedding with the polymer electrolyte. Accordingly, in one embodiment of the present invention, the proton conductivity on the surface of the conductive particles can be improved, and the reactive site can be increased. Therefore, in one embodiment of the present invention, a fuel cell electrode exhibiting high power generation characteristics can be provided.

また、本発明の一態様は、触媒物質、導電粒子及び高分子電解質を含み、且つ導電粒子の比表面積が触媒物質の比表面積よりも小さい燃料電池用電極の製造方法であって、第2の触媒インクを転写シートに塗布し、塗布した触媒インク上にガス拡散層を配置する工程を備えることを特徴とする。これにより、本発明の一態様では、塗布した触媒インク上にガス拡散層を配置することで、電極触媒層とガス拡散層との密着性を高めることができる。その結果、本発明の一態様では、高い発電特性を示す燃料電池用電極を提供できる。また、本発明の一態様は、該燃料電池用電極を備えた燃料電池用膜電極接合体の製造方法、燃料電池用膜電極接合体、及び固体高分子形燃料電池を提供できる。
したがって、本発明の一態様では、触媒物質に非白金触媒を使用した燃料電池用電極において、従来の燃料電池用電極の製造方法よりも、触媒物質の潜在能力を引き出すことができる、という顕著な効果を奏するので、産業上の利用価値が高い。
Another embodiment of the present invention is a method for producing an electrode for a fuel cell that includes a catalyst material, conductive particles, and a polymer electrolyte, and wherein the specific surface area of the conductive particles is smaller than the specific surface area of the catalyst material. The method includes a step of applying a catalyst ink to a transfer sheet and disposing a gas diffusion layer on the applied catalyst ink. Thereby, in 1 aspect of this invention, the adhesiveness of an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer can be improved by arrange | positioning a gas diffusion layer on the apply | coated catalyst ink. As a result, in one embodiment of the present invention, a fuel cell electrode exhibiting high power generation characteristics can be provided. Also, one embodiment of the present invention can provide a method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell including the fuel cell electrode, a membrane electrode assembly for a fuel cell, and a polymer electrolyte fuel cell.
Therefore, in one aspect of the present invention, in a fuel cell electrode using a non-platinum catalyst as a catalyst material, the potential of the catalyst material can be extracted more than a conventional method for producing a fuel cell electrode. Since it has an effect, it has high industrial utility value.

1 固体高分子電解質膜
2 電極触媒層
3 電極触媒層
4 ガス拡散層
5 ガス拡散層
6 空気極(燃料電池用電極)
7 燃料極
8 ガス流路
9 冷却水流路
10 セパレーター
11 固体高分子形燃料電池
12 膜電極接合体(燃料電池用膜電極接合体)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid polymer electrolyte membrane 2 Electrode catalyst layer 3 Electrode catalyst layer 4 Gas diffusion layer 5 Gas diffusion layer 6 Air electrode (electrode for fuel cells)
7 Fuel electrode 8 Gas flow path 9 Cooling water flow path 10 Separator 11 Polymer electrolyte fuel cell 12 Membrane electrode assembly (membrane electrode assembly for fuel cell)

Claims (11)

非白金触媒からなる触媒物質、導電粒子及び高分子電解質を含み、且つ前記導電粒子の比表面積が前記触媒物質の比表面積よりも小さい燃料電池用電極の製造方法であって、
前記導電粒子と第1の高分子電解質とを溶媒に分散させて第1の触媒インクを作製する第1工程と、
前記第1の触媒インクを乾燥させて前記導電粒子を前記第1の高分子電解質で包埋する第2工程と、
乾燥させた前記第1の触媒インクに前記触媒物質を添加した混合物と第2の高分子電解質とを溶媒に分散させて第2の触媒インクを作製する第3工程と、
前記第2の触媒インクを転写シート上に塗布し、塗布した前記第2の触媒インク上にガス拡散層を配置し、前記ガス拡散層を配置した前記第2の触媒インクを乾燥させて電極触媒層を作製し、作製した前記電極触媒層から前記転写シートを剥離して前記電極触媒層及び前記ガス拡散層が積層した燃料電池用電極を形成する第4工程と、を有することを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
A method for producing a fuel cell electrode comprising a catalyst material comprising a non-platinum catalyst, conductive particles and a polymer electrolyte, wherein the specific surface area of the conductive particles is smaller than the specific surface area of the catalyst material,
A first step of producing a first catalyst ink by dispersing the conductive particles and the first polymer electrolyte in a solvent;
A second step of drying the first catalyst ink and embedding the conductive particles with the first polymer electrolyte;
A third step of producing a second catalyst ink by dispersing a mixture obtained by adding the catalyst substance to the dried first catalyst ink and a second polymer electrolyte in a solvent;
The second catalyst ink is applied onto a transfer sheet, a gas diffusion layer is disposed on the applied second catalyst ink, and the second catalyst ink having the gas diffusion layer disposed thereon is dried to form an electrode catalyst. And a fourth step of forming a fuel cell electrode in which the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer are laminated by peeling off the transfer sheet from the produced electrode catalyst layer. Manufacturing method of electrode for fuel cell.
前記第2工程では、前記導電粒子に対する前記第1の高分子電解質の重量比が10−4以上で且つ0.1未満の範囲内となるように前記第1の触媒インクを乾燥させることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用電極の製造方法。 In the second step, the first catalyst ink is dried so that a weight ratio of the first polymer electrolyte to the conductive particles is 10 −4 or more and less than 0.1. A method for producing a fuel cell electrode according to claim 1. 前記第2工程では、前記第1の触媒インクを30℃以上で且つ140℃未満の温度で乾燥させることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池用電極の製造方法。   3. The method for producing a fuel cell electrode according to claim 1, wherein in the second step, the first catalyst ink is dried at a temperature of 30 ° C. or higher and lower than 140 ° C. 4. 前記第3の工程では、乾燥された前記第1の触媒インクに前記触媒物質を添加して無溶媒で混合した混合物と前記第2の高分子電解質とを溶媒に分散させて前記第2の触媒インクを作製することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の燃料電池用電極の製造方法。   In the third step, a mixture obtained by adding the catalyst substance to the dried first catalyst ink and mixing without solvent and the second polymer electrolyte are dispersed in a solvent, and the second catalyst is dispersed. The method for producing an electrode for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein an ink is produced. 前記第3の工程では、乾燥された前記第1の触媒インクに前記触媒物質を添加して無溶媒で混合した前記混合物に50℃以上で且つ180℃以下の温度で熱処理を行い、熱処理を行った前記混合物と前記第2の高分子電解質とを溶媒に分散させて前記第2の触媒インクを作製することを特徴とする請求項4に記載の燃料電池用電極の製造方法。   In the third step, the catalyst material is added to the dried first catalyst ink and mixed in the absence of a solvent, and then the mixture is heat-treated at a temperature of 50 ° C. or more and 180 ° C. or less. 5. The method for producing a fuel cell electrode according to claim 4, wherein the second catalyst ink is prepared by dispersing the mixture and the second polymer electrolyte in a solvent. 前記触媒物質は、固体高分子形燃料電池の正極として用いられる酸素還元電極用の電極活物質であって、タンタル、ニオブ、チタン及びジルコニウムの少なくとも1つの遷移金属元素を含むものであることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の燃料電池用電極の製造方法。   The catalyst material is an electrode active material for an oxygen reduction electrode used as a positive electrode of a polymer electrolyte fuel cell, and includes at least one transition metal element of tantalum, niobium, titanium, and zirconium. The method for producing a fuel cell electrode according to any one of claims 1 to 5. 前記触媒物質は、前記遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したものであることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池用電極の製造方法。   The method for producing a fuel cell electrode according to claim 6, wherein the catalyst material is obtained by partially oxidizing the transition metal element carbonitride in an atmosphere containing oxygen. 前記請求項1から7のいずれか1項に記載の燃料電池用電極の製造方法で製造されていることを特徴とする燃料電池用電極。   An electrode for a fuel cell, which is manufactured by the method for manufacturing an electrode for a fuel cell according to any one of claims 1 to 7. 高分子電解質膜を一対の電極で挟持した燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、
前記一対の電極のうち、正極側の電極が前記請求項8に記載の燃料電池用電極であることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
A method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes,
The method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell, wherein the positive electrode of the pair of electrodes is the fuel cell electrode according to claim 8.
前記請求項9に記載の燃料電池用膜電極接合体の製造方法で製造されていることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。   A fuel cell membrane electrode assembly manufactured by the method for manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly according to claim 9. 前記請求項10に記載の燃料電池用膜電極接合体と、前記燃料電池用膜電極接合体を挟持した一対のセパレーターと、を備えたことを特徴とする固体高分子形燃料電池。   11. A polymer electrolyte fuel cell comprising the fuel cell membrane electrode assembly according to claim 10 and a pair of separators sandwiching the fuel cell membrane electrode assembly.
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