JP2016066510A - Catalyst ink and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a catalyst ink used for producing a catalyst layer, which has high dispersion stability, and enables the enhancement in power generation performance of a fuel battery; and a method for manufacturing such a catalyst ink.SOLUTION: A catalyst ink 1 used for producing a catalyst layer formed on a surface of an electrolyte film in a membrane-electrode assembly including the electrolyte film and the catalyst layer laminated on the electrolyte film comprises: carbon 11 with a catalyst supported thereon; an ionomer 12; and a solvent. The solvent consists of water 13.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、触媒インク及びその製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、電解質膜と該電解質膜に積層された触媒層を備える膜−電極接合体における、前記電解質膜の表面に形成される前記触媒層を作製するために用いられる触媒インクに関する。   The present invention relates to a catalyst ink and a method for producing the same. More specifically, the present invention relates to a catalyst ink used for producing the catalyst layer formed on the surface of the electrolyte membrane in a membrane-electrode assembly comprising an electrolyte membrane and a catalyst layer laminated on the electrolyte membrane. About.

近年、自動車の新たな動力源等として、水素及び酸素を電気化学反応させて発電する燃料電池が注目されている。燃料電池は、電気化学反応により直接的に電気を得るため、発電効率が高い点で好ましいとされている。また燃料電池は、発電時に水しか生成しないため、環境への影響の点からも好ましいとされている。   In recent years, fuel cells that generate electricity by electrochemical reaction of hydrogen and oxygen are attracting attention as new power sources for automobiles. A fuel cell is preferred in terms of high power generation efficiency because it directly obtains electricity through an electrochemical reaction. In addition, since the fuel cell generates only water during power generation, it is considered preferable from the viewpoint of environmental impact.

例えば固体高分子型燃料電池は、数十個から数百個の燃料電池セルが積層されたスタック構造を有する。各燃料電池セルは、膜−電極接合体を、一対のセパレータで挟持して構成される。膜−電極構造体は、アノード電極(陰極)及びカソード電極(陽極)と、これらの電極に挟持された電解質膜とで構成され、両電極は、電解質膜に接する触媒層と、触媒層に接するガス拡散層と、を備える。セパレータには、その一方の面に燃料ガス流路が形成され、他方の面に酸化剤ガス流路が形成される。   For example, a polymer electrolyte fuel cell has a stack structure in which several tens to several hundreds of fuel cells are stacked. Each fuel cell is configured by sandwiching a membrane-electrode assembly between a pair of separators. The membrane-electrode structure is composed of an anode electrode (cathode), a cathode electrode (anode), and an electrolyte membrane sandwiched between these electrodes, and both electrodes are in contact with the catalyst layer and the catalyst layer. A gas diffusion layer. The separator has a fuel gas channel formed on one surface thereof and an oxidant gas channel formed on the other surface thereof.

上記のような構成を備える固体高分子型燃料電池では、燃料ガス流路を介して、アノード電極に燃料ガスとしての水素を供給する。また、酸化剤ガス流路を介して、カソード電極に酸化剤ガスとしての空気を供給する。すると、アノード電極に供給された水素が触媒層上でプロトン化され、生成したプロトンが電解質膜を介してカソード電極へと移動する。このとき、プロトンとともに生成した電子が外部回路に取り出され、電気エネルギーとして利用される。   In the polymer electrolyte fuel cell having the above-described configuration, hydrogen as fuel gas is supplied to the anode electrode via the fuel gas flow path. In addition, air as an oxidant gas is supplied to the cathode electrode via the oxidant gas flow path. Then, the hydrogen supplied to the anode electrode is protonated on the catalyst layer, and the generated proton moves to the cathode electrode through the electrolyte membrane. At this time, electrons generated together with protons are taken out to an external circuit and used as electric energy.

固体高分子型燃料電池の製造においては、撥水シート等の表面に、触媒が担持されたカーボンとイオン伝導性材料としてのアイオノマと溶媒とを含む触媒インクを塗布することで、アノード電極側及びカソード電極側の触媒層が作製される(例えば、特許文献1参照)。   In the production of a polymer electrolyte fuel cell, a catalyst ink containing carbon carrying a catalyst, an ionomer as an ion conductive material, and a solvent is applied to the surface of a water repellent sheet or the like, so that the anode electrode side and A catalyst layer on the cathode electrode side is produced (for example, see Patent Document 1).

特開2010−192238号公報JP 2010-192238 A

ところで、触媒層を作製するために用いられる触媒インクでは、適度な粘性を有するアルコールを溶媒として用いることで、粘度を適切な値に調整し、塗工作業性を向上させている。   By the way, in the catalyst ink used for producing the catalyst layer, the viscosity is adjusted to an appropriate value by using an alcohol having an appropriate viscosity as a solvent, thereby improving the coating workability.

図9は、従来の触媒インクの作用について示す模式図である。アイオノマは、良溶媒であるアルコール系溶媒中では、分子の表面積が大きく(分子末端距離が長く)なる。このように、アイオノマの分子間距離が大きくなると、触媒インクの分散安定性が低下し、それに伴って塗工性も低下する。
更に、従来の触媒インクにおいてアイオノマは、触媒が担持されたカーボンよりアルコール系溶媒との親和性が高いため、触媒が担持されたカーボンに吸着し難い。このように、アイオノマが、触媒が担持されたカーボンに吸着し難いと、触媒層において三相界面が形成され難く、燃料電池の発電性能が低下してしまう。なお、触媒インク中の白金等の触媒の含有量を増やせば、燃料電池の発電性能を向上させることができるが、触媒の白金触媒の含有を増やすと燃料電池の製造におけるコストが上がる。
FIG. 9 is a schematic diagram showing the action of a conventional catalyst ink. The ionomer has a large molecular surface area (long molecular end distance) in an alcohol solvent that is a good solvent. As described above, when the intermolecular distance of the ionomer is increased, the dispersion stability of the catalyst ink is lowered, and the coatability is also lowered accordingly.
Furthermore, in conventional catalyst inks, the ionomer has a higher affinity with an alcohol solvent than the carbon on which the catalyst is supported, and thus is difficult to adsorb on the carbon on which the catalyst is supported. As described above, if the ionomer is difficult to adsorb on the carbon on which the catalyst is supported, it is difficult to form a three-phase interface in the catalyst layer, and the power generation performance of the fuel cell is degraded. Note that if the content of a catalyst such as platinum in the catalyst ink is increased, the power generation performance of the fuel cell can be improved. However, if the content of the platinum catalyst in the catalyst is increased, the cost in manufacturing the fuel cell increases.

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、触媒層を作製するために用いられる触媒インクであって、高い分散安定性を有し且つ燃料電池の発電性能を向上させることが可能な触媒インク及びその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and is a catalyst ink used for producing a catalyst layer, which has high dispersion stability and can improve the power generation performance of a fuel cell. An object is to provide an ink and a method for producing the same.

上記目的を達成するために、本発明は、電解質膜と該電解質膜に積層された触媒層を備える膜−電極接合体において前記電解質膜の表面に形成される前記触媒層を作製するために用いられる触媒インク(例えば、後述の触媒インク1)であって、触媒が担持されたカーボン(例えば、後述の触媒が担持されたカーボン11)と、アイオノマ(例えば、後述のアイオノマ12)と、溶媒と、を含み、前記溶媒は、水(例えば、水13)のみから構成される触媒インクを提供する。   In order to achieve the above object, the present invention is used to produce the catalyst layer formed on the surface of the electrolyte membrane in a membrane-electrode assembly comprising an electrolyte membrane and a catalyst layer laminated on the electrolyte membrane. A catalyst ink (e.g., catalyst ink 1 described later), a carbon carrying a catalyst (e.g., carbon 11 carrying a catalyst described later), an ionomer (e.g., ionomer 12 described later), a solvent, The solvent provides a catalyst ink composed only of water (for example, water 13).

本発明では、触媒が担持されたカーボンと、アイオノマと、溶媒と、を含む触媒インクにおいて、溶媒を水のみから構成する。
水は、アイオノマの貧溶媒である。従って、触媒インク中において、アイオノマは分子の表面積が小さく(分子末端距離が短く)なるので、触媒インクは分散安定性が高い。触媒インクは、分散安定性が高いことから塗工性も高い。更に、従来の触媒インクにおいてアイオノマは、水よりも触媒が担持されたカーボンとの親和性が高いため、触媒が担持されたカーボンに吸着する。アイオノマが、触媒が担持されたカーボンに吸着することによって、本実施形態に係る触媒インクを用いて形成される触媒層において三相界面が形成されやすくなる。触媒層において三相界面が形成されることで、燃料電池の発電性能が向上する。
In the present invention, in a catalyst ink containing carbon on which a catalyst is supported, an ionomer, and a solvent, the solvent is composed only of water.
Water is a poor solvent for ionomers. Accordingly, in the catalyst ink, the ionomer has a small molecular surface area (short molecular end distance), and thus the catalyst ink has high dispersion stability. Since the catalyst ink has high dispersion stability, the coating property is also high. Further, in the conventional catalyst ink, the ionomer has higher affinity with the carbon on which the catalyst is supported than with water, and thus is adsorbed on the carbon on which the catalyst is supported. When the ionomer is adsorbed on the carbon on which the catalyst is supported, a three-phase interface is easily formed in the catalyst layer formed using the catalyst ink according to the present embodiment. The power generation performance of the fuel cell is improved by forming a three-phase interface in the catalyst layer.

前記触媒が担持されたカーボン及び前記アイオノマの合計含有量は、10〜15質量%であることが好ましい。   The total content of the carbon on which the catalyst is supported and the ionomer is preferably 10 to 15% by mass.

これにより、触媒が担持されたカーボンへのアイオノマの吸着率がより向上する。触媒が担持されたカーボンへのアイオノマの吸着率がより向上することで、形成される触媒層において三相界面が形成されやすくなり、燃料電池性能もより向上する。   Thereby, the adsorption rate of the ionomer to the carbon carrying the catalyst is further improved. Since the adsorption rate of the ionomer to the carbon on which the catalyst is supported is further improved, a three-phase interface is easily formed in the formed catalyst layer, and the fuel cell performance is further improved.

また、本発明は、電解質膜と該電解質膜に積層された触媒層を備える膜−電極接合体における、前記電解質膜の表面に前記触媒層を形成するために用いられる触媒インク(例えば、後述の触媒インク1)の製造方法であって、触媒が担持されたカーボン(例えば、後述の触媒が担持されたカーボン11)、アイオノマ(例えば、後述のアイオノマ12)及び溶媒としての水(例えば、水13)を混合することで混合液を得る混合工程(例えば、後述の混合工程S1)と、前記混合液中の前記触媒が担持されたカーボンを解砕する解砕工程(例えば、後述の解砕工程S2)と、を備える触媒インクの製造方法を提供する。   The present invention also relates to a catalyst ink (for example, described later) used for forming the catalyst layer on the surface of the electrolyte membrane in a membrane-electrode assembly comprising an electrolyte membrane and a catalyst layer laminated on the electrolyte membrane. A method for producing catalyst ink 1), in which a catalyst is supported on carbon (for example, carbon 11 on which a catalyst described later is supported), an ionomer (for example, ionomer 12 described later) and water as a solvent (for example, water 13). ) Are mixed to obtain a mixed solution (for example, a mixing step S1 to be described later), and a crushing step to crush the carbon on which the catalyst is supported in the mixed solution (for example, a crushing step to be described later) S2), and a method for producing a catalyst ink.

本発明では、触媒インクの製造方法が、カーボン、アイオノマ及び溶媒としての水が混合された混合液中の、触媒が担持されたカーボンを解砕する解砕工程を備えるものとする。
これにより、触媒が担持されたカーボンが解砕されて分散された、分散安定性の高い触媒インクを得ることができる。分散安定性の高い触媒インクは塗工性が高い上に、形成される触媒層が均質であり且つ三相界面が形成されやすい。
In the present invention, the method for producing a catalyst ink includes a crushing step of crushing carbon carrying a catalyst in a mixed solution in which carbon, an ionomer, and water as a solvent are mixed.
Thereby, it is possible to obtain a catalyst ink having high dispersion stability in which carbon carrying the catalyst is crushed and dispersed. A catalyst ink having a high dispersion stability has a high coating property, and the formed catalyst layer is homogeneous and a three-phase interface is easily formed.

また、前記解砕工程において、前記混合液を超音波処理することが好ましい。   In the crushing step, the mixed solution is preferably subjected to ultrasonic treatment.

これにより、触媒が担持されたカーボンがより分散されやすくなる。触媒が担持されたカーボンがより分散されることで、上記効果をより得やすくなる。   Thereby, the carbon carrying the catalyst is more easily dispersed. The above effect can be obtained more easily by further dispersing the carbon on which the catalyst is supported.

本発明によれば、高い分散安定性を有し且つ燃料電池の発電性能を向上させることが可能な触媒インク及びその製造方法を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can provide the catalyst ink which has high dispersion stability and can improve the electric power generation performance of a fuel cell, and its manufacturing method.

本発明の一実施形態に係る触媒インクの製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the catalyst ink which concerns on one Embodiment of this invention. 実施例及び比較例の触媒インクのアイオノマ吸着率を示すグラフである。It is a graph which shows the ionomer adsorption rate of the catalyst ink of an Example and a comparative example. 実施例の触媒インクのアイオノマ吸着率を示すグラフであり、触媒インクの固形分濃度とアイオノマ吸着率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the ionomer adsorption rate of the catalyst ink of an Example, and is a graph which shows the relationship between solid content concentration of a catalyst ink, and ionomer adsorption rate. 実施例及び比較例の触媒インクの、電流密度とセル電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the current density and the cell voltage of the catalyst ink of an Example and a comparative example. 実施例及び比較例の触媒インクの、静置した経過日数と触媒が担持されたカーボンのメジアン径との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the elapsed days of standing and the median diameter of the carbon by which the catalyst was carry | supported of the catalyst ink of an Example and a comparative example. 比較例の触媒インクを用いて作製した燃料電池セルの断面のSEM画像である。It is a SEM image of the cross section of the fuel battery cell produced using the catalyst ink of a comparative example. 実施例の触媒インクを用いて作製した燃料電池セルの断面のSEM画像である。It is a SEM image of the cross section of the fuel battery cell produced using the catalyst ink of an Example. 上記実施形態に係る触媒インクの作用について示す模式図である。It is a schematic diagram shown about the effect | action of the catalyst ink which concerns on the said embodiment. 従来の触媒インクの作用について示す模式図である。It is a schematic diagram shown about the effect | action of the conventional catalyst ink.

以下、本発明の一実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.

<膜−電極接合体>
本実施形態における膜−電極接合体は、電解質膜と該電解質膜に積層された触媒層を備える。より詳細には、膜−電極接合体は、電解質膜、触媒層及びガス拡散層の順に積層されることで形成されることが好ましい。
電解質膜は例えば、パーフルオロスルホン酸から構成される固体高分子電解質膜である。この固体高分子電解質膜としては、市販品を用いることができ、例えばデュポン社製の「ナフィオン」を用いることができる。
<Membrane-electrode assembly>
The membrane-electrode assembly in the present embodiment includes an electrolyte membrane and a catalyst layer laminated on the electrolyte membrane. More specifically, the membrane-electrode assembly is preferably formed by laminating an electrolyte membrane, a catalyst layer, and a gas diffusion layer in this order.
The electrolyte membrane is, for example, a solid polymer electrolyte membrane composed of perfluorosulfonic acid. As this solid polymer electrolyte membrane, a commercially available product can be used. For example, “Nafion” manufactured by DuPont can be used.

触媒層は、電解質膜の両面に積層される。触媒層は、例えば、触媒インクをPETフィルムからなるPETシート等の撥水シート上に塗工することで作製することができる。触媒インクを撥水シート等に塗布する方法は、特に限定されず従来公知の塗布方法を用いることができる。従来公知の塗布方法としては、例えば、刷毛塗り、筆塗り、バーコーター塗布、ナイフコーター塗布、ドクターブレード法、スクリーン印刷、スプレー塗布等が挙げられる。   The catalyst layer is laminated on both surfaces of the electrolyte membrane. The catalyst layer can be produced, for example, by coating the catalyst ink on a water-repellent sheet such as a PET sheet made of a PET film. The method for applying the catalyst ink to the water repellent sheet or the like is not particularly limited, and a conventionally known application method can be used. Examples of conventionally known coating methods include brush coating, brush coating, bar coater coating, knife coater coating, doctor blade method, screen printing, and spray coating.

続いて、PETシート上に作製された触媒層によって電解質膜を挟持してホットプレスした後、PETシートを剥がすことで、電解質膜の一方の面にアノード触媒層を積層し、他方の面にカソード触媒層を積層する。触媒層を作製するための触媒インクについては、後段で詳述する。   Subsequently, after sandwiching the electrolyte membrane with the catalyst layer produced on the PET sheet and hot pressing, the PET sheet is peeled off to laminate the anode catalyst layer on one surface of the electrolyte membrane and the cathode on the other surface. A catalyst layer is laminated. The catalyst ink for producing the catalyst layer will be described in detail later.

ガス拡散層は、一対の触媒層の外側面にそれぞれ積層される。ガス拡散層は、カーボンブラック及びPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)粒子を均一に分散させたスラリーを、カーボンペーパに塗布して乾燥することにより作製することができる。アノード触媒層の外側面にアノードガス拡散層を配置し、カソード触媒層の外側面にカソードガス拡散層を配置し、この状態で、ホットプレスする。これにより、膜−電極接合体が作製される。   The gas diffusion layers are laminated on the outer surfaces of the pair of catalyst layers. The gas diffusion layer can be produced by applying a slurry in which carbon black and PTFE (polytetrafluoroethylene) particles are uniformly dispersed to carbon paper and drying the slurry. An anode gas diffusion layer is disposed on the outer surface of the anode catalyst layer, and a cathode gas diffusion layer is disposed on the outer surface of the cathode catalyst layer. In this state, hot pressing is performed. Thereby, a membrane-electrode assembly is produced.

膜−電極接合体に一対のセパレータを積層することで、燃料電池セルが作製される。
セパレータは、一対のガス拡散層の外側面にそれぞれ積層される。セパレータは、金属製の薄板を、プレス成形により波板状に成形することで作製することができる。具体的には、金属製の薄板を、従来公知のプレス成形装置により絞り成形することで、凹凸を有する波板状に成形する。金属製の薄板としては、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板等が用いられる。セパレータは金属セパレータに限定されず、例えば、カーボンセパレータであってもよい。
A fuel cell is produced by laminating a pair of separators on the membrane-electrode assembly.
The separator is laminated on the outer surface of the pair of gas diffusion layers. The separator can be produced by forming a metal thin plate into a corrugated plate by press molding. Specifically, a metal thin plate is formed by drawing with a conventionally known press forming apparatus to form a corrugated plate having irregularities. As the metal thin plate, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, or the like is used. The separator is not limited to a metal separator, and may be a carbon separator, for example.

アノードガス拡散層と一方のセパレータとの間には、燃料ガス(水素)流路が形成され、カソードガス拡散層と他方のセパレータとの間には、酸化剤ガス(酸素)流路が形成される。燃料ガス流路に供給された水素が、アノードガス拡散層中を拡散しアノード触媒層上でプロトン化され、生成したプロトンが電解質膜を介してカソード電極側へと移動する。このとき、プロトンとともに生成した電子が外部回路に取り出され、電気エネルギーとして利用される。   A fuel gas (hydrogen) flow path is formed between the anode gas diffusion layer and one separator, and an oxidant gas (oxygen) flow path is formed between the cathode gas diffusion layer and the other separator. The Hydrogen supplied to the fuel gas channel diffuses in the anode gas diffusion layer and is protonated on the anode catalyst layer, and the generated proton moves to the cathode electrode side through the electrolyte membrane. At this time, electrons generated together with protons are taken out to an external circuit and used as electric energy.

<触媒インク>
本実施形態に係る触媒インクは、触媒が担持されたカーボンと、アイオノマと、溶媒と、を含む。
触媒が担持されたカーボンは、触媒としての触媒金属粒子が導電性担体としてのカーボンに担持された電極触媒である。
<Catalyst ink>
The catalyst ink according to the present embodiment includes carbon on which a catalyst is supported, an ionomer, and a solvent.
The carbon on which the catalyst is supported is an electrode catalyst in which catalytic metal particles as a catalyst are supported on carbon as a conductive carrier.

触媒金属粒子を担持するカーボンとしては、導電性と適度な耐食性を備えていれば特に限定されないが、触媒金属粒子を高分散させるための十分な比表面積を有し、且つ十分な電子伝導性を有することが望ましい。カーボンは、触媒金属粒子を担持するだけではなく、電子を外部回路に取り出す、あるいは外部回路から取り入れるための集電体としての機能を果たす。カーボンの電気抵抗が高いと電池の内部抵抗が高くなり、電池の性能が低下する。そのため、触媒インクの含有するカーボンの電子導電率は十分に高くなければならない。そこで、触媒金属粒子を担持するカーボンとしては、好適には細孔の発達したカーボン材料が用いられる。細孔の発達したカーボン材料としては、カーボンブラックや活性炭等が挙げられる。カーボンブラックとしては、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック等が挙げられる。また、活性炭は、種々の炭素原子を含む材料を炭化、賦活処理して得られる。   The carbon supporting the catalyst metal particles is not particularly limited as long as it has conductivity and moderate corrosion resistance. It is desirable to have. Carbon not only supports the catalyst metal particles but also functions as a current collector for taking out electrons to the external circuit or taking them in from the external circuit. If the electric resistance of carbon is high, the internal resistance of the battery increases, and the performance of the battery decreases. For this reason, the electronic conductivity of carbon contained in the catalyst ink must be sufficiently high. Therefore, a carbon material having fine pores is preferably used as the carbon supporting the catalyst metal particles. Examples of the carbon material having developed pores include carbon black and activated carbon. Examples of carbon black include channel black, furnace black, thermal black, and acetylene black. Activated carbon is obtained by carbonizing and activating materials containing various carbon atoms.

導電性担体に担持させる触媒金属粒子としては、触媒活性を有するものであれば特に限定されないが、白金や白金合金を挙げることができる。白金合金を使用すれば、電極触媒の安定性や活性を付与することもできる。白金合金としては、白金以外の白金族の金属(ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム)、コバルト、鉄、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛、及びスズからなる群より選ばれる1種以上の金属と白金との合金が好ましく、該白金合金には白金と合金化される金属との金属間化合物が含有されていてもよい。   The catalytic metal particles supported on the conductive carrier are not particularly limited as long as they have catalytic activity, and examples thereof include platinum and platinum alloys. If a platinum alloy is used, the stability and activity of the electrode catalyst can be imparted. Platinum alloys include platinum group metals other than platinum (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium), cobalt, iron, titanium, gold, silver, chromium, manganese, molybdenum, tungsten, aluminum, silicon, rhenium, zinc, Further, an alloy of platinum and one or more metals selected from the group consisting of tin and platinum is preferable, and the platinum alloy may contain an intermetallic compound of platinum and a metal to be alloyed.

触媒が担持されたカーボンは、調製したものを用いてもよいし、市販のものを用いてもよい。触媒が担持されたカーボンを調製する場合に、その調製方法は特に限定されず、従来公知の方法を用いることができる。従来公知の触媒の調製方法としては、例えば、白金化合物の溶液、又は懸濁液を担体粉末に加え、蒸発乾固させたあと、酸又はアルカリで不溶化させ、次いで還元処理して担持成分を活性化させる方法等が挙げられる。   As the carbon on which the catalyst is supported, a prepared carbon may be used, or a commercially available carbon may be used. When preparing carbon carrying a catalyst, the preparation method is not particularly limited, and a conventionally known method can be used. As a conventionally known method for preparing a catalyst, for example, a platinum compound solution or suspension is added to a carrier powder, evaporated to dryness, insolubilized with an acid or alkali, and then subjected to a reduction treatment to activate the supported component. And the like.

アイオノマは、触媒層において電極反応に用いられる又は生成されるイオンを伝導する。アイオノマとしては、例えば、高分子骨格の少なくとも一部がフッ素化されたフッ素系高分子体、又は、高分子骨格にフッ素を含まない炭化水素系高分子体であって、イオン交換基を備えたもの等が挙げられる。また、このイオン交換基の種類は特に限定されず、用途に応じて任意に選択することができる。イオン交換基としては、例えば、スルホン酸、カルボン酸、ホスホン酸等が挙げられる。   The ionomer conducts ions used or generated in the electrode reaction in the catalyst layer. Examples of the ionomer include a fluorine-based polymer in which at least a part of the polymer skeleton is fluorinated, or a hydrocarbon-based polymer that does not contain fluorine in the polymer skeleton, and includes an ion exchange group. And the like. Moreover, the kind of this ion exchange group is not specifically limited, It can select arbitrarily according to a use. Examples of the ion exchange group include sulfonic acid, carboxylic acid, and phosphonic acid.

触媒インクにおいて、触媒が担持されたカーボン及びアイオノマの合計含有量は、10〜15質量%であることが好ましい。触媒が担持されたカーボン及びアイオノマの合計含有量が、10質量%未満の場合には、触媒が担持されたカーボンへのアイオノマの吸着率が低下する傾向にある。触媒が担持されたカーボンへのアイオノマの吸着率が低下すると、形成される触媒層において三相界面が形成され難いので、燃料電池性能が低下する。触媒が担持されたカーボン及びアイオノマの合計含有量が、15質量%を超えても、アイオノマの触媒が担持されたカーボンへの吸着率は向上し難い上に、触媒インクの塗工性が低下する傾向にある。   In the catalyst ink, the total content of carbon and ionomer on which the catalyst is supported is preferably 10 to 15% by mass. When the total content of carbon and ionomer on which the catalyst is supported is less than 10% by mass, the adsorption rate of the ionomer on the carbon on which the catalyst is supported tends to decrease. When the adsorption rate of the ionomer on the carbon on which the catalyst is supported is lowered, the three-phase interface is hardly formed in the formed catalyst layer, so that the fuel cell performance is lowered. Even if the total content of carbon and ionomer on which the catalyst is supported exceeds 15% by mass, the adsorption rate of the ionomer on the carbon on which the catalyst is supported is difficult to improve, and the coating property of the catalyst ink decreases. There is a tendency.

触媒が担持されたカーボンとアイオノマとの固形分質量比(触媒が担持されたカーボンの固形分質量/アイオノマの固形分質量)は30/70〜70/30であることが好ましい。触媒が担持されたカーボンとアイオノマとの固形分質量比が、上記の範囲を外れると、形成される触媒層において三相界面が形成され難いことから、燃料電池性能が低下する傾向にある。   The solid mass ratio of the catalyst-supported carbon and the ionomer (the solid mass of the carbon on which the catalyst is supported / the solid content of the ionomer) is preferably 30/70 to 70/30. If the solid content mass ratio between the carbon on which the catalyst is supported and the ionomer is out of the above range, it is difficult to form a three-phase interface in the formed catalyst layer, and the fuel cell performance tends to be lowered.

溶媒は、水のみから構成される。水は、アイオノマの貧溶媒である。
図8は、本実施形態に係る触媒インク1の作用について示す模式図である。アイオノマ12は、貧溶媒である水13中において、分子の表面積が小さく(分子末端距離が短く)なる。更に、従来の触媒インクにおいてアイオノマ12は、水よりも触媒が担持されたカーボン11との親和性が高いため、触媒が担持されたカーボン11に吸着する。
The solvent is composed only of water. Water is a poor solvent for ionomers.
FIG. 8 is a schematic diagram showing the action of the catalyst ink 1 according to this embodiment. The ionomer 12 has a small molecular surface area (a short molecular end distance) in the poor solvent water 13. Further, in the conventional catalyst ink, since the ionomer 12 has a higher affinity with the carbon 11 on which the catalyst is supported than with water, the ionomer 12 is adsorbed on the carbon 11 on which the catalyst is supported.

<触媒インクの製造方法>
続いて、本実施形態に係る触媒インクの製造方法について説明する。
図1は、本実施形態に係る触媒インク1の製造方法を説明するための模式図である。図1に示すように、触媒インク1の製造方法は、上記の、触媒が担持されたカーボン11、アイオノマ12及び溶媒としての水13を混合することで混合液を得る混合工程S1と、混合液中の触媒が担持されたカーボン11を解砕する解砕工程S2と、を備える。
<Method for producing catalyst ink>
Subsequently, a method for producing a catalyst ink according to the present embodiment will be described.
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a method for producing the catalyst ink 1 according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the manufacturing method of the catalyst ink 1 includes a mixing step S1 for obtaining a mixed solution by mixing the carbon 11 supporting the catalyst, the ionomer 12 and water 13 as a solvent, and the mixed solution. A crushing step S2 for crushing the carbon 11 on which the catalyst is supported.

混合工程S1では、触媒が担持されたカーボン11、アイオノマ12及び溶媒としての水13を混合できればよく、混合工程S1における混合の方法は特に限定されない。しかし、触媒が担持されたカーボン11及びアイオノマ12の過度な凝集を防ぐためには、混合工程S1において後述の手順で混合を行うことが好ましい。   In the mixing step S1, it is sufficient that the carbon 11 supporting the catalyst, the ionomer 12 and the water 13 as a solvent can be mixed, and the mixing method in the mixing step S1 is not particularly limited. However, in order to prevent excessive agglomeration of the carbon 11 and the ionomer 12 on which the catalyst is supported, it is preferable to perform the mixing in the procedure described later in the mixing step S1.

まず、触媒が担持されたカーボン11をビーカー等の容器2に入れる(S11)。
続いて、触媒が担持されたカーボン11の入った容器2に、溶媒としての水13を添加する(S12)。
続いて、容器内の触媒が担持されたカーボン11と水13を混合する(S13)。この際、混合の方法は特に限定されない。混合の方法としては、ガラス棒等を用いた手作業による混合や、マグネチックスターラー等の攪拌装置を用いた混合が挙げられる。
First, the carbon 11 carrying the catalyst is placed in a container 2 such as a beaker (S11).
Subsequently, water 13 as a solvent is added to the container 2 containing the carbon 11 carrying the catalyst (S12).
Subsequently, the carbon 11 carrying the catalyst in the container and the water 13 are mixed (S13). At this time, the mixing method is not particularly limited. Examples of the mixing method include manual mixing using a glass rod and the like, and mixing using a stirrer such as a magnetic stirrer.

続いて、触媒が担持されたカーボン11及び水13の混合液14の入った容器2に、アイオノマ12の水分散液を添加する(S14)。
続いて、触媒が担持されたカーボン11、アイオノマ12及び溶媒としての水13をまとめて混合することで混合液15を得る(S15)。この際、混合の方法は特に限定されない。混合の方法としては、S13と同様の方法が挙げられる。
Subsequently, an aqueous dispersion of ionomer 12 is added to the container 2 containing a mixture 14 of carbon 11 and water 13 on which a catalyst is supported (S14).
Subsequently, the carbon 11 on which the catalyst is supported, the ionomer 12 and the water 13 as a solvent are mixed together to obtain a mixed solution 15 (S15). At this time, the mixing method is not particularly limited. As a mixing method, the same method as in S13 can be mentioned.

混合工程S1において混合される、触媒が担持されたカーボン11、アイオノマ12及び溶媒としての水13の質量は、適宜調整される。これらの質量は、触媒インク1の固形分含有量及び固形分中における、触媒が担持されたカーボン11及びアイオノマ12の含有量が上記の範囲となるように調整されるのが好ましい。   The masses of the carbon 11 supporting the catalyst, the ionomer 12 and the water 13 as the solvent mixed in the mixing step S1 are appropriately adjusted. These masses are preferably adjusted so that the solid content of the catalyst ink 1 and the contents of the carbon 11 and the ionomer 12 on which the catalyst is supported are in the above range.

解砕工程S2では、触媒が担持されたカーボン11を解砕できればよく、解砕の方法は特に限定されない。しかし、触媒が担持されたカーボン11を解砕して凝集を防ぐためには、解砕工程S2において混合液15を超音波処理することが好ましい。   In the crushing step S2, it is only necessary to crush the carbon 11 on which the catalyst is supported, and the crushing method is not particularly limited. However, in order to crush the carbon 11 on which the catalyst is supported and prevent aggregation, it is preferable to ultrasonically treat the mixed solution 15 in the crushing step S2.

解砕工程S2における超音波処理は、例えば、超音波ホモジナイザーを用いて行われる。解砕工程S2では、超音波ホモジナイザーの、超音波を発するホーン3の先端を容器2内の混合液15に浸す。超音波処理の際には、容器2を冷浴4に浸して、混合液15(触媒インク1)の温度を60℃以下とすることが好ましい。   The ultrasonic treatment in the crushing step S2 is performed using, for example, an ultrasonic homogenizer. In the crushing step S <b> 2, the tip of the horn 3 that emits ultrasonic waves of an ultrasonic homogenizer is immersed in the mixed solution 15 in the container 2. During the ultrasonic treatment, it is preferable that the container 2 is immersed in the cold bath 4 so that the temperature of the mixed liquid 15 (catalyst ink 1) is 60 ° C. or lower.

解砕工程S2における超音波処理の条件は特に限定されないが、超音波の振幅(解砕の強度)は60〜180μm、処理時間(超音波を照射している時間)は30〜240分であることが好ましい。   The condition of the ultrasonic treatment in the crushing step S2 is not particularly limited, but the amplitude of the ultrasonic wave (crushing intensity) is 60 to 180 μm, and the treatment time (time during which the ultrasonic wave is irradiated) is 30 to 240 minutes. It is preferable.

以上の工程を経ることで、本実施形態に係る触媒インク1を得ることができる。   Through the above steps, the catalyst ink 1 according to this embodiment can be obtained.

本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、触媒が担持されたカーボンと、アイオノマと、溶媒と、を含む触媒インクにおいて、溶媒を水のみから構成した。
水は、アイオノマの貧溶媒である。従って、触媒インク中において、アイオノマは分子の表面積が小さく(分子末端距離が短く)なるので、触媒インクは分散安定性が高い(図8)。触媒インクは、分散安定性が高いことから塗工性も高い。更に、従来の触媒インクにおいてアイオノマは、水よりも触媒が担持されたカーボンとの親和性が高いため、触媒が担持されたカーボンに吸着する(図8)。アイオノマが、触媒が担持されたカーボンに吸着することによって、本実施形態に係る触媒インクを用いて形成される触媒層において三相界面が形成されやすくなる。触媒層において三相界面が形成されることで、燃料電池の発電性能が向上する。
According to this embodiment, the following effects are produced.
In the present embodiment, in the catalyst ink containing the carbon on which the catalyst is supported, the ionomer, and the solvent, the solvent is composed only of water.
Water is a poor solvent for ionomers. Accordingly, in the catalyst ink, the ionomer has a small molecular surface area (short molecular end distance), and thus the catalyst ink has high dispersion stability (FIG. 8). Since the catalyst ink has high dispersion stability, the coating property is also high. Furthermore, in the conventional catalyst ink, the ionomer has higher affinity with the carbon on which the catalyst is supported than with water, so that the ionomer is adsorbed on the carbon on which the catalyst is supported (FIG. 8). When the ionomer is adsorbed on the carbon on which the catalyst is supported, a three-phase interface is easily formed in the catalyst layer formed using the catalyst ink according to the present embodiment. The power generation performance of the fuel cell is improved by forming a three-phase interface in the catalyst layer.

また、本実施形態に係る触媒インクでは、触媒が担持されたカーボン及び前記アイオノマの合計含有量を10〜15質量%とした。
これにより、触媒が担持されたカーボンへのアイオノマの吸着率がより向上する。触媒が担持されたカーボンへのアイオノマの吸着率がより向上することで、形成される触媒層において三相界面が形成されやすくなり、燃料電池性能もより向上する。
In the catalyst ink according to the present embodiment, the total content of carbon carrying the catalyst and the ionomer is 10 to 15% by mass.
Thereby, the adsorption rate of the ionomer to the carbon carrying the catalyst is further improved. Since the adsorption rate of the ionomer to the carbon on which the catalyst is supported is further improved, a three-phase interface is easily formed in the formed catalyst layer, and the fuel cell performance is further improved.

また、本実施形態に係る触媒インクの製造方法では、該製造方法が、カーボン、アイオノマ及び溶媒としての水が混合された混合液中の、触媒が担持されたカーボンを解砕する解砕工程を備えるものとした。
これにより、触媒が担持されたカーボンが解砕されて分散された、分散安定性の高い触媒インクを得ることができる。分散安定性の高い触媒インクは塗工性が高い上に、形成される触媒層が均質であり且つ三相界面が形成されやすい。
Further, in the method for producing a catalyst ink according to the present embodiment, the production method includes a crushing step of crushing carbon carrying the catalyst in a mixed solution in which carbon, an ionomer, and water as a solvent are mixed. It was supposed to be prepared.
Thereby, it is possible to obtain a catalyst ink having high dispersion stability in which carbon carrying the catalyst is crushed and dispersed. A catalyst ink having a high dispersion stability has a high coating property, and the formed catalyst layer is homogeneous and a three-phase interface is easily formed.

また、本実施形態に係る触媒インクの製造方法では、解砕工程において混合液を超音波処理した。
これにより、触媒が担持されたカーボンがより分散されやすくなる。触媒が担持されたカーボンがより分散されることで、上記効果をより得やすくなる。
In the method for producing the catalyst ink according to the present embodiment, the mixed solution was subjected to ultrasonic treatment in the crushing step.
Thereby, the carbon carrying the catalyst is more easily dispersed. The above effect can be obtained more easily by further dispersing the carbon on which the catalyst is supported.

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
上記実施形態においては、触媒インクの製造方法が解砕工程S2を備えるものとしたが、本発明に係る触媒インクは、製造の過程で解砕工程を経ることは必須ではない。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and modifications, improvements, etc. within a scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
In the above embodiment, the method for producing a catalyst ink includes the crushing step S2. However, it is not essential for the catalyst ink according to the present invention to undergo a crushing step in the production process.

なお、本発明に係る触媒インクは、溶媒が水のみから構成されるものとした。ここで「水のみから構成される」とは、意図せず混入したアルコール等の有機溶媒を含有する触媒インクを本発明から排除する趣旨ではない。本発明の効果を得られる範囲で微量の有機溶媒を含む触媒インクも、本発明に含まれる。   In the catalyst ink according to the present invention, the solvent is composed only of water. Here, “consisting only of water” does not mean that the present invention excludes a catalyst ink containing an organic solvent such as alcohol which is unintentionally mixed. A catalyst ink containing a trace amount of an organic solvent within a range where the effects of the present invention can be obtained is also included in the present invention.

次に、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。   Next, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited thereto.

[実施例1]
実施例1の触媒インクを次のように製造した。
まず、白金触媒が担持されたカーボン(TEC10E50E、田中貴金属工業株式会社製)を容器に入れた。続いて、触媒が担持されたカーボンの入った容器に、溶媒としての水を添加した。続いて、容器内の触媒が担持されたカーボンと水を混合した。更に、容器に、アイオノマの水分散液(ナフィオン、デュポン社製)を添加した。最後に、アイオノマを添加した液体を混合した。なお、触媒が担持されたカーボン、アイオノマ及び水の質量は、触媒が担持されたカーボン及びアイオノマの合計含有量(触媒インクの固形分含有量)が15質量%となるように調整した。また、触媒が担持されたカーボンとアイオノマとの固形分質量比(触媒が担持されたカーボンの固形分質量/アイオノマの固形分質量)は1/1となるように調整した。
このようにして得られた混合液を実施例1の触媒インクとした。
[Example 1]
The catalyst ink of Example 1 was produced as follows.
First, carbon carrying a platinum catalyst (TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) was put in a container. Subsequently, water as a solvent was added to a container containing carbon on which a catalyst was supported. Subsequently, carbon carrying the catalyst in the container and water were mixed. Further, an ionomer aqueous dispersion (Nafion, DuPont) was added to the container. Finally, the liquid to which the ionomer was added was mixed. The masses of carbon, ionomer and water carrying the catalyst were adjusted so that the total content of carbon and ionomer carrying the catalyst (solid content of the catalyst ink) was 15% by mass. Further, the solid content mass ratio between the carbon carrying the catalyst and the ionomer (the solid mass of the carbon carrying the catalyst / the solid mass of the ionomer) was adjusted to be 1/1.
The mixed liquid thus obtained was used as the catalyst ink of Example 1.

[実施例2]
実施例1と同様の工程を経て得られた、触媒が担持されたカーボン、アイオノマ及び水が混合された混合液を超音波処理することで、実施例2の触媒インクを得た。
[Example 2]
The catalyst ink of Example 2 was obtained by ultrasonically treating the mixed liquid in which the catalyst-supported carbon, ionomer and water obtained through the same steps as in Example 1 were mixed.

実施例2における解砕工程における超音波処理の条件を、下に示す。超音波処理の際には触媒インクの温度を60℃以下に抑えるために、触媒インクの入った容器を氷浴に浸した。
超音波ホモジナイザー:「BRANSON 450D」(日本エマソン株式会社製)
ホーン:φ13mm
超音波の振幅(解砕の強度):120μm
オペレーション:超音波ON0.5秒−超音波OFF0.5秒の周期の反復
処理時間:180分(超音波ONの時間:90分)
The conditions for ultrasonic treatment in the crushing step in Example 2 are shown below. In order to suppress the temperature of the catalyst ink to 60 ° C. or lower during the ultrasonic treatment, the container containing the catalyst ink was immersed in an ice bath.
Ultrasonic homogenizer: “BRANSON 450D” (manufactured by Emerson Japan)
Horn: φ13mm
Ultrasound amplitude (crushing strength): 120 μm
Operation: Ultrasonic ON 0.5 second-Ultrasonic OFF 0.5 second cycle processing time: 180 minutes (Ultrasonic ON time: 90 minutes)

[実施例3]
触媒が担持されたカーボン及びアイオノマの合計含有量が10質量%となるように調整した以外は、実施例2と同様の工程により、実施例3の触媒インクを得た。
[Example 3]
A catalyst ink of Example 3 was obtained in the same manner as in Example 2, except that the total content of carbon and ionomer on which the catalyst was supported was adjusted to 10% by mass.

[実施例4]
触媒が担持されたカーボン及びアイオノマの合計含有量が5質量%となるように調整した以外は、実施例2と同様の工程により、実施例4の触媒インクを得た。
[Example 4]
A catalyst ink of Example 4 was obtained in the same manner as in Example 2, except that the total content of carbon and ionomer on which the catalyst was supported was adjusted to 5% by mass.

[比較例]
溶媒として水と1−プロパノールの混合溶媒(体積比:水/プロパノール=2/8)を用いた以外は、実施例2と同様の工程により比較例の触媒インクを得た。
[Comparative example]
A catalyst ink of a comparative example was obtained by the same process as in Example 2, except that a mixed solvent of water and 1-propanol (volume ratio: water / propanol = 2/8) was used as the solvent.

<アイオノマ吸着特性>
実施例1〜4及び比較例の触媒インクについて、触媒が担持されたカーボンに吸着していないアイオノマを19F−NMRを用いて定量した。触媒インクの製造に用いたアイオノマの質量と、触媒が担持されたカーボンに吸着していないアイオノマの質量から、触媒が担持されたカーボンに吸着したアイオノマの質量を求めた。そして各触媒インクについて、アイオノマの、触媒が担持されたカーボンへの吸着率を求めた。
結果を図2及び図3に示す。
<Ionomer adsorption characteristics>
About the catalyst ink of Examples 1-4 and a comparative example, the ionomer which is not adsorb | sucking to the carbon with which the catalyst was carry | supported was quantified using 19 F-NMR. From the mass of the ionomer used for the production of the catalyst ink and the mass of the ionomer not adsorbed on the carbon carrying the catalyst, the mass of the ionomer adsorbed on the carbon carrying the catalyst was determined. For each catalyst ink, the adsorption rate of the ionomer to carbon carrying the catalyst was determined.
The results are shown in FIGS.

<発電性能>
実施例1及び2並びに比較例の触媒インクを用いて燃料電池セルを作製した。具体的には、燃料電池セルを以下のように作製した。
まず、触媒インクをPETシート上にスクリーン印刷により塗工した。続いて、触媒インクの塗工されたPETシートによって高分子電解質膜(ナフィオン、デュポン社製)を挟持してホットプレスした後、PETシートを剥がした。ガス拡散層は、カーボンブラック及びPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)粒子を均一に分散させたスラリーを、カーボンペーパに塗布して乾燥することにより作製した。続いて、触媒層の形成された高分子電解質膜の両面に拡散層を配置してホットプレスした。両拡散層の表面には波板状に成形した金属セパレータを配置した。
<Power generation performance>
Fuel cell cells were produced using the catalyst inks of Examples 1 and 2 and Comparative Example. Specifically, the fuel cell was produced as follows.
First, the catalyst ink was applied on a PET sheet by screen printing. Subsequently, the polymer electrolyte membrane (Nafion, manufactured by DuPont) was sandwiched and hot-pressed by the PET sheet coated with the catalyst ink, and then the PET sheet was peeled off. The gas diffusion layer was prepared by applying a slurry in which carbon black and PTFE (polytetrafluoroethylene) particles were uniformly dispersed to carbon paper and drying. Subsequently, diffusion layers were disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane on which the catalyst layer was formed, and hot pressing was performed. A metal separator formed into a corrugated plate shape was disposed on the surfaces of both diffusion layers.

作成された燃料電池セルについて、セル電圧を測定し、電流密度とセル電圧との関係を調べた。結果を図4に示す。   About the produced fuel cell, the cell voltage was measured and the relationship between a current density and a cell voltage was investigated. The results are shown in FIG.

<分散安定性>
実施例2及び比較例の触媒インクを静置し、所定の経過日数において、触媒が担持されたカーボンのメジアン径(D50)を測定した。メジアン径の測定にはレーザー回折式粒度分布測定装置SALD−2200(株式会社島津製作所製)を用いた。
結果を図5に示す。
<Dispersion stability>
The catalyst inks of Example 2 and Comparative Example were allowed to stand, and the median diameter (D50) of the carbon on which the catalyst was supported was measured over a predetermined number of elapsed days. A laser diffraction particle size distribution analyzer SALD-2200 (manufactured by Shimadzu Corporation) was used for measuring the median diameter.
The results are shown in FIG.

<触媒層の断面構造>
上記の発電性能の測定の際に用いた燃料電池セルの断面をSEM(株式会社日立ハイテクノロジーズ製)にて撮影した。
結果を図6及び図7に示す。図6は、比較例の触媒インクを用いて作製した燃料電池セルの断面であり、図7は、実施例2の触媒インクを用いて作製した燃料電池セルの断面である。図6及び図7の画像の拡大比率は、ほぼ同じである。
<Cross sectional structure of catalyst layer>
A cross section of the fuel cell used in the measurement of the power generation performance was taken with a SEM (manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation).
The results are shown in FIGS. FIG. 6 is a cross section of a fuel cell produced using the catalyst ink of the comparative example, and FIG. 7 is a cross section of a fuel cell produced using the catalyst ink of Example 2. The enlargement ratios of the images in FIGS. 6 and 7 are substantially the same.

図2に示した結果から、比較例の触媒インクよりも実施例1の触媒インクの方が、大幅にアイオノマ吸着率が高いことが分かった。この結果から、触媒インクに用いる溶媒を水のみで構成することにより、触媒インク中におけるアイオノマ吸着率が高くなることが確認された。
また、図2に示した結果から、実施例1の触媒インクよりも実施例2の触媒インクの方が、アイオノマ吸着率が高いことが分かった。この結果から、触媒インクの製造において、カーボン、アイオノマ及び水の混合液を超音波処理することによって、触媒インク中におけるアイオノマ吸着率が更に高くなることが確認された。
From the results shown in FIG. 2, it was found that the catalyst ink of Example 1 had a significantly higher ionomer adsorption rate than the catalyst ink of the comparative example. From this result, it was confirmed that the ionomer adsorption rate in the catalyst ink is increased by constituting the solvent used in the catalyst ink only with water.
In addition, the results shown in FIG. 2 indicate that the ionomer adsorption rate of the catalyst ink of Example 2 is higher than that of the catalyst ink of Example 1. From this result, it was confirmed that in the production of the catalyst ink, the ionomer adsorption rate in the catalyst ink is further increased by ultrasonically treating the mixed liquid of carbon, ionomer and water.

図3に示した結果から、実施例4の触媒インクよりも実施例2及び3の触媒インクの方が、アイオノマ吸着率が高いことが分かった。この結果から、触媒インクにおける触媒が担持されたカーボン及びアイオノマの合計含有量を10〜15質量%にすることで、触媒インク中におけるアイオノマ吸着率が高くなることが確認された。なお、触媒インクにおける触媒が担持されたカーボン及びアイオノマの合計含有量を15質量%よりも多くしても、アイオノマ吸着率は高くならず、触媒インクの塗工性が低下する傾向にある。   From the results shown in FIG. 3, it was found that the ionomer adsorption rate of the catalyst inks of Examples 2 and 3 was higher than that of the catalyst ink of Example 4. From this result, it was confirmed that the ionomer adsorption rate in the catalyst ink is increased by setting the total content of carbon and ionomer on which the catalyst is supported in the catalyst ink to 10 to 15% by mass. Even if the total content of carbon and ionomer on which the catalyst is supported in the catalyst ink is more than 15% by mass, the ionomer adsorption rate does not increase, and the coating property of the catalyst ink tends to decrease.

図4に示した結果から、比較例の触媒インクから作製される燃料電池セルよりも実施例1の触媒インクから作製される燃料電池セルの方が発電性能に優れることが分かった。この結果から、触媒インクに用いる溶媒を水のみで構成することにより、作製される燃料電池セルの発電性能が向上することが確認された。
また、図4に示した結果から、実施例1の触媒から作製される燃料電池セルよりも実施例2の触媒インクから作製される燃料電池セルの方が発電性能に優れることが分かった。この結果から、触媒インクの製造において、カーボン、アイオノマ及び水の混合液を超音波処理することによって、作製される燃料電池セルの発電性能が向上することが確認された。
これらの結果は、触媒インク中におけるアイオノマ吸着率が高くなることによって、触媒層において三相界面が形成されやすくなることに因ると考えられる(図2及び4)。
From the results shown in FIG. 4, it was found that the fuel cell produced from the catalyst ink of Example 1 was superior in power generation performance to the fuel cell produced from the catalyst ink of the comparative example. From this result, it was confirmed that the power generation performance of the produced fuel cell is improved by configuring the solvent used for the catalyst ink only with water.
Further, from the results shown in FIG. 4, it was found that the fuel battery cell produced from the catalyst ink of Example 2 was superior in power generation performance to the fuel battery cell produced from the catalyst of Example 1. From this result, it was confirmed that in the production of the catalyst ink, the power generation performance of the produced fuel cell is improved by ultrasonically treating the mixed liquid of carbon, ionomer and water.
These results are thought to be due to the fact that the three-phase interface tends to be formed in the catalyst layer by increasing the ionomer adsorption rate in the catalyst ink (FIGS. 2 and 4).

図5に示した結果から、比較例の触媒インクよりも実施例2の触媒インクの方が、分散安定性が高いことが分かった。この結果から、触媒インクに用いる溶媒を水のみで構成することにより、触媒インクの分散安定性が高くなることが確認された。   From the results shown in FIG. 5, it was found that the dispersion stability of the catalyst ink of Example 2 was higher than that of the catalyst ink of Comparative Example. From this result, it was confirmed that the dispersion stability of the catalyst ink is enhanced by constituting the solvent used in the catalyst ink with only water.

図6及び図7に示した結果から、比較例の触媒インクよりも実施例2の触媒インクの方が、形成される触媒層(図6及び図7の「電極」)に大きな凝集体が少なく、均質な構造であることが分かった。この結果から、触媒インクに用いる溶媒を水のみで構成し、触媒インクの製造において、カーボン、アイオノマ及び水の混合液を超音波処理することによって、均質な構造の触媒層を形成可能な触媒インクが得られることが確認された。
なお、触媒層中に凝集体が多く存在する場合、電解質膜(図6及び図7のPEM)の劣化が進行しやすい。
From the results shown in FIGS. 6 and 7, the catalyst ink of Example 2 has fewer large aggregates in the formed catalyst layer (“electrode” in FIGS. 6 and 7) than the catalyst ink of the comparative example. It was found to be a homogeneous structure. From this result, the catalyst ink which can form the catalyst layer of a homogeneous structure by comprising the solvent used for a catalyst ink only with water, and ultrasonically processing the liquid mixture of carbon, ionomer, and water in manufacture of a catalyst ink. It was confirmed that
In addition, when there are many aggregates in the catalyst layer, deterioration of the electrolyte membrane (PEM in FIGS. 6 and 7) tends to proceed.

1…触媒インク
11…触媒が担持されたカーボン
12…アイオノマ
13…水
15…混合液
S1…混合工程
S2…解砕工程
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Catalyst ink 11 ... Carbon on which the catalyst was supported 12 ... Ionomer 13 ... Water 15 ... Mixture S1 ... Mixing process S2 ... Crushing process

Claims (4)

電解質膜と該電解質膜に積層された触媒層を備える膜−電極接合体における、前記電解質膜の表面に形成される前記触媒層を作製するために用いられる触媒インクであって、
触媒が担持されたカーボンと、アイオノマと、溶媒と、を含み、
前記溶媒は、水のみから構成される触媒インク。
In a membrane-electrode assembly comprising an electrolyte membrane and a catalyst layer laminated on the electrolyte membrane, a catalyst ink used for producing the catalyst layer formed on the surface of the electrolyte membrane,
A catalyst-supported carbon, an ionomer, and a solvent;
The solvent is a catalyst ink composed only of water.
前記触媒が担持されたカーボン及び前記アイオノマの合計含有量は、10〜15質量%である請求項1記載の触媒インク。   2. The catalyst ink according to claim 1, wherein the total content of carbon carrying the catalyst and the ionomer is 10 to 15% by mass. 電解質膜と該電解質膜に積層された触媒層を備える膜−電極接合体における、前記電解質膜の表面に前記触媒層を形成するために用いられる触媒インクの製造方法であって、
触媒が担持されたカーボン、アイオノマ及び溶媒としての水を混合することで混合液を得る混合工程と、
前記混合液中の前記触媒が担持されたカーボンを解砕する解砕工程と、を備える触媒インクの製造方法。
In a membrane-electrode assembly comprising an electrolyte membrane and a catalyst layer laminated on the electrolyte membrane, a method for producing a catalyst ink used for forming the catalyst layer on the surface of the electrolyte membrane,
A mixing step of obtaining a mixed solution by mixing carbon as a catalyst, ionomer, and water as a solvent;
A crushing step of crushing carbon on which the catalyst is supported in the mixed solution.
前記解砕工程において、前記混合液を超音波処理する請求項3記載の触媒インクの製造方法。   The method for producing a catalyst ink according to claim 3, wherein in the crushing step, the mixed solution is subjected to ultrasonic treatment.
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Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08259873A (en) * 1995-03-09 1996-10-08 Johnson Matthey Plc Improved ink for making electrode
JP2004139899A (en) * 2002-10-18 2004-05-13 Matsushita Electric Ind Co Ltd Electrode ink for solid polymer electrolyte fuel cell and manufacturing method of the same
JP2005216661A (en) * 2004-01-29 2005-08-11 Aisin Chem Co Ltd Catalyst paste for fuel cell and its manufacturing method
JP2007287414A (en) * 2006-04-14 2007-11-01 Toyota Motor Corp Membrane electrode assembly for fuel cell and its manufacturing method
JP2009043553A (en) * 2007-08-08 2009-02-26 Toyota Motor Corp Manufacturing method of catalyst ink
JP2009059694A (en) * 2007-08-07 2009-03-19 Toyota Motor Corp Catalyst ink for fuel cell, its manufacturing method, and fuel cell electrode using the same
JP2009140927A (en) * 2007-12-04 2009-06-25 Hanwha Chem Corp Independent electrode catalyst layer for fuel cell and method of manufacturing membrane-electrode assembly using this
JP2010170797A (en) * 2009-01-21 2010-08-05 Toyota Motor Corp Manufacturing method of electrode catalyst layer for fuel cell
JP2011034678A (en) * 2009-07-29 2011-02-17 Toyota Motor Corp Method of forming catalyst for fuel cell
JP2013030287A (en) * 2011-07-27 2013-02-07 Toyota Motor Corp Catalyst ink for fuel cell electrode, membrane electrode assembly, and fuel cell

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08259873A (en) * 1995-03-09 1996-10-08 Johnson Matthey Plc Improved ink for making electrode
JP2004139899A (en) * 2002-10-18 2004-05-13 Matsushita Electric Ind Co Ltd Electrode ink for solid polymer electrolyte fuel cell and manufacturing method of the same
JP2005216661A (en) * 2004-01-29 2005-08-11 Aisin Chem Co Ltd Catalyst paste for fuel cell and its manufacturing method
JP2007287414A (en) * 2006-04-14 2007-11-01 Toyota Motor Corp Membrane electrode assembly for fuel cell and its manufacturing method
JP2009059694A (en) * 2007-08-07 2009-03-19 Toyota Motor Corp Catalyst ink for fuel cell, its manufacturing method, and fuel cell electrode using the same
JP2009043553A (en) * 2007-08-08 2009-02-26 Toyota Motor Corp Manufacturing method of catalyst ink
JP2009140927A (en) * 2007-12-04 2009-06-25 Hanwha Chem Corp Independent electrode catalyst layer for fuel cell and method of manufacturing membrane-electrode assembly using this
JP2010170797A (en) * 2009-01-21 2010-08-05 Toyota Motor Corp Manufacturing method of electrode catalyst layer for fuel cell
JP2011034678A (en) * 2009-07-29 2011-02-17 Toyota Motor Corp Method of forming catalyst for fuel cell
JP2013030287A (en) * 2011-07-27 2013-02-07 Toyota Motor Corp Catalyst ink for fuel cell electrode, membrane electrode assembly, and fuel cell

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