JP2017054670A - Membrane-electrode assembly manufacturing method, membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane-electrode assembly having an electrode catalyst layer which increases reactive gas diffusibility, raises a water retention property without obstructing removal of water generated by an electrode reaction, and shows a high power generation property even under a low humidification condition.SOLUTION: A membrane-electrode assembly comprises: a polymer electrolyte membrane 1; and a pair of electrode catalyst layers 2 and 3 holding the polymer electrolyte membrane 1 therebetween. At least one of the electrode catalyst layers 2 and 3 has: a first electrode catalyst part (2a or 3a); and a second electrode catalyst part (2b or 3b) adjacent to the first electrode catalyst part (2a or 3a) in a direction of a plane of the polymer electrolyte membrane 1. In addition, a volume of pores having a diameter of 1.0 μm or less in the second electrode catalyst part (2b or 3b), in terms of equivalent values determined by a mercury penetration method according to cylinder approximation of pores is larger than that of the first electrode catalyst part (2a or 3a).SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、膜電極接合体とその製造方法及びその膜電極接合体を備えてなる固体高分子形燃料電池に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly, a method for producing the same, and a polymer electrolyte fuel cell including the membrane electrode assembly.

燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて、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。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、プロトン伝導性高分子膜を用いた電池は、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 water electrolysis at an electrode including a catalyst using 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 systems, and is attracting attention as a clean energy source in the future. There are several types depending on the type of ion conductor used, and a battery using a proton conductive polymer membrane is called a solid polymer fuel cell.

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、高分子電解質膜の両面に一対の電極触媒層を配置させた膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:以下、MEAと称すことがある)を、一対のセパレータ板で挟持した電池である。一方のセパレータ板には、電極の一方に水素を含有する燃料ガスを供給するためのガス流路が形成されており、他方のセパレータ板には、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が形成されている。ここで、燃料ガスが供給される上述した他方の電極を燃料極、酸化剤ガスが供給される上述した一方の電極を空気極とする。これらの電極は、高分子電解質と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を積層してなる電極触媒層、及びガス通気性と電子伝導性とを兼ね備えたガス拡散層を備えている。また、これらの電極は、ガス拡散層がセパレータと対向するように配置されている。   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. In a polymer electrolyte fuel cell, a membrane electrode assembly (hereinafter sometimes referred to as MEA) in which a pair of electrode catalyst layers is disposed on both sides of a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of separator plates. Battery. One separator plate is formed with a gas flow path for supplying a fuel gas containing hydrogen to one of the electrodes, and the other separator plate is supplied with an oxidant gas containing oxygen to the other electrode. A gas flow path is formed for this purpose. Here, the above-mentioned other electrode to which the fuel gas is supplied is referred to as a fuel electrode, and the above-mentioned one electrode to which the oxidant gas is supplied is referred to as an air electrode. These electrodes include an electrode catalyst layer formed by laminating a polymer electrolyte and carbon particles carrying a catalyst substance such as a platinum-based noble metal, and a gas diffusion layer having both gas permeability and electronic conductivity. Yes. Moreover, these electrodes are arrange | positioned so that a gas diffusion layer may oppose a separator.

ここで、電極触媒層に対しては、燃料電池の出力密度を向上させるため、ガス拡散性を高める取り組みがなされてきた。電極触媒層中の細孔は、セパレータ板からガス拡散層を通じた先に位置し、複数の物質を輸送する通路の役割を果たす。燃料極は、酸化還元の反応場である三相界面に燃料ガスを円滑に供給するだけでなく、生成したプロトンを高分子電解質膜内で円滑に伝導させるための水を供給する機能を果たす。空気極は、酸化剤ガスの供給と共に、電極反応で生成した水を円滑に除去する機能を果たす。固体高分子形燃料電池では、燃料極及び空気極における物質輸送の妨げにより発電反応が停止する、いわゆる「フラッディング」と呼ばれる現象を防止するため、これまで排水性を高める構成が検討されてきた(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4参照)。   Here, with respect to the electrode catalyst layer, efforts have been made to increase gas diffusibility in order to improve the output density of the fuel cell. The pores in the electrode catalyst layer are located in front of the separator plate through the gas diffusion layer and serve as a passage for transporting a plurality of substances. The fuel electrode not only smoothly supplies fuel gas to the three-phase interface, which is a redox reaction field, but also functions to supply water for smoothly conducting the generated protons in the polymer electrolyte membrane. The air electrode functions to smoothly remove water generated by the electrode reaction together with the supply of the oxidant gas. In the polymer electrolyte fuel cell, in order to prevent a so-called “flooding” phenomenon in which the power generation reaction is stopped due to obstruction of material transport in the fuel electrode and the air electrode, a configuration for improving drainage has been studied so far ( For example, see Patent Document 1, Patent Document 2, Patent Document 3, and Patent Document 4.)

また、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(コスト削減)である。
この低コスト化の手段の一つに、加湿器の削減が挙げられる。膜電極接合体の中心に位置する高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸膜や炭化水素系膜が広く用いられている。そして、優れたプロトン伝導性を得るためには飽和水蒸気圧雰囲気に近い水分管理が必要とされており、現在、加湿器によって外部から水分供給を行っている。そこで、低消費電力やシステムの簡略化のために、加湿器を必要としないような、低加湿条件下であっても、十分なプロトン伝導性を示す高分子電解質膜の開発が進められている。
In addition, examples of the problem toward the practical application of the polymer electrolyte fuel cell include improvement of output density and durability, but the biggest problem is cost reduction (cost reduction).
One way to reduce the cost is to reduce the number of humidifiers. As the polymer electrolyte membrane located at the center of the membrane electrode assembly, a perfluorosulfonic acid membrane or a hydrocarbon-based membrane is widely used. In order to obtain excellent proton conductivity, water management close to a saturated water vapor pressure atmosphere is required, and water is currently supplied from the outside by a humidifier. Therefore, in order to reduce power consumption and simplify the system, polymer electrolyte membranes that exhibit sufficient proton conductivity even under low humidification conditions that do not require a humidifier are being developed. .

しかしながら、排水性を高めた電極触媒層では、低加湿条件下において高分子電解質がドライアップするため、電極触媒層構造の最適化を行い、保水性を向上させる必要がある。これまで、低加湿条件下における燃料電池の保水性を向上させるため、例えば、電極触媒層とガス拡散層の間に、湿度調整フィルムを挟み込む方法が考案されている。   However, in an electrode catalyst layer with improved drainage, the polymer electrolyte dries up under low humidification conditions, so it is necessary to optimize the electrode catalyst layer structure and improve water retention. Until now, in order to improve the water retention of the fuel cell under low humidification conditions, for example, a method of sandwiching a humidity adjusting film between the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer has been devised.

例えば、特許文献5には、導電性炭素質粉末とポリテトラフルオロエチレンから構成された湿度調整フィルムが、湿度調節機能を示してドライアップを防止する方法が考案されている。
特許文献6には、高分子電解質膜と接する触媒電極層の表面に溝を設ける方法が考案されている。触媒電極層の表面に0.1〜0.3mmの幅を有する溝を形成することで、低加湿条件下における発電性能の低下を抑制する方法が考案されている。
For example, Patent Document 5 devises a method in which a humidity adjustment film composed of conductive carbonaceous powder and polytetrafluoroethylene exhibits a humidity adjustment function and prevents dry-up.
Patent Document 6 devises a method of providing a groove on the surface of the catalyst electrode layer in contact with the polymer electrolyte membrane. A method has been devised in which a groove having a width of 0.1 to 0.3 mm is formed on the surface of the catalyst electrode layer to suppress a decrease in power generation performance under low humidification conditions.

特開2006−120506号公報JP 2006-120506 A 特開2006−332041号公報JP 2006-332041 A 特開2007−87651号公報JP 2007-87651 A 特開2007−80726号公報JP 2007-80726 A 特開2006−252948号公報JP 2006-252948 A 特開2007−141588号公報JP 2007-141588 A

しかしながら、これらの特許文献に記載された膜電極接合体は、満足できる発電性能を備えていないという問題があった。また、製造方法が煩雑でありコストが高いという問題があった。
そこで、本発明にあっては、反応ガスの拡散性を高めると共に、電極反応で生成した水の除去等を阻害せずに保水性を高め、低加湿条件下でも高い発電特性を示す電極触媒層を備える膜電極接合体及びその膜電極接合体の製造方法、並びに固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。
However, the membrane electrode assemblies described in these patent documents have a problem that they do not have satisfactory power generation performance. In addition, the manufacturing method is complicated and the cost is high.
Accordingly, in the present invention, an electrode catalyst layer that enhances the diffusibility of the reaction gas, enhances water retention without hindering removal of water produced by the electrode reaction, and exhibits high power generation characteristics even under low humidification conditions And a method for producing the membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell.

本発明の一態様に係る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触媒層で挟持した膜電極接合体の製造方法であって、触媒インクを作製する触媒インク作製工程と、前記触媒インク作製工程で作製した前記触媒インクを基材に塗布して、前記基材上に前記電極触媒層となる電極膜を形成する電極膜形成工程と、前記電極膜を高分子電解質膜の一方の面に加圧しながら転写して、一方の前記電極触媒層を形成する第1の電極触媒層形成工程と、前記電極膜を前記高分子電解質膜の他方の面に加圧しながら転写して、他方の前記電極触媒層を形成する第2の電極触媒層形成工程と、を備え、前記第1の電極触媒層形成工程又は前記第2の電極触媒層形成工程のうちの少なくとも一方において、前記電極膜を前記高分子電解質膜に加圧しながら転写して第1の電極触媒部を形成し、かつ前記電極膜を前記第1の電極触媒部形成時よりも低い圧力で加圧しながら前記高分子電解質膜の平面方向において前記第1の電極触媒部に隣接する位置に転写して、第2の電極触媒部を形成することを特徴とする。   A method for producing a membrane electrode assembly according to one 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 electrode catalyst layers, and a catalyst ink production step for producing a catalyst ink; Applying the catalyst ink prepared in the catalyst ink preparation step to a base material to form an electrode film to be the electrode catalyst layer on the base material; and forming the electrode film as a polymer electrolyte membrane A first electrode catalyst layer forming step of forming one of the electrode catalyst layers while applying pressure to one surface of the electrode, and transferring the electrode film while applying pressure to the other surface of the polymer electrolyte membrane. A second electrode catalyst layer forming step of forming the other electrode catalyst layer, and in at least one of the first electrode catalyst layer forming step or the second electrode catalyst layer forming step, Add the electrode membrane to the polymer electrolyte membrane. The first electrode catalyst part is formed by transfer, and the first electrode catalyst part is formed in the plane direction of the polymer electrolyte membrane while pressurizing the electrode film at a pressure lower than that at the time of forming the first electrode catalyst part. It transfers to the position adjacent to an electrode catalyst part, and forms the 2nd electrode catalyst part, It is characterized by the above-mentioned.

また、本発明の他の態様に係る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触媒層で挟持した膜電極接合体の製造方法であって、触媒インクを作製する触媒インク作製工程と、前記触媒インク作製工程で作製した前記触媒インクを基材に塗布して、前記基材上に第1の電極触媒層又は第2の電極触媒層となる電極膜を形成する電極膜形成工程と、前記電極膜を高分子電解質膜の一方の面に加熱しながら転写して、一方の前記電極触媒層を形成する第1の電極触媒層形成工程と、前記電極膜を前記高分子電解質膜の他方の面に加熱しながら転写して、他方の前記電極触媒層を形成する第2の電極触媒層形成工程と、を備え、前記第1の電極触媒層形成工程又は前記第2の電極触媒層形成工程のうちの少なくとも一方において、前記電極膜を加熱しながら前記高分子電解質膜に転写して第1の電極触媒部を形成し、かつ前記電極膜を前記第1の電極触媒部形成時よりも低い温度で加熱しながら前記高分子電解質膜の平面方向において前記第1の電極触媒部に隣接する位置に転写して、第2の電極触媒部を形成することを特徴とする。   A method for producing a membrane / electrode assembly according to another 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 electrode catalyst layers. An electrode film that forms a first electrode catalyst layer or a second electrode catalyst layer on the base material by applying the catalyst ink prepared in the preparation step and the catalyst ink preparation step to the base material A first electrode catalyst layer forming step of forming one of the electrode catalyst layers by transferring the electrode film to one surface of the polymer electrolyte membrane while heating, and forming the electrode film into the polymer A second electrode catalyst layer forming step of forming the other electrode catalyst layer by transferring while heating to the other surface of the electrolyte membrane, the first electrode catalyst layer forming step or the second electrode catalyst layer forming step In at least one of the electrode catalyst layer forming steps, Transferring the electrode membrane to the polymer electrolyte membrane while heating the electrode membrane to form the first electrode catalyst portion, and heating the electrode membrane at a temperature lower than that at the time of forming the first electrode catalyst portion The second electrode catalyst portion is formed by transferring to a position adjacent to the first electrode catalyst portion in the planar direction of the electrolyte membrane.

また、本発明の一態様に係る膜電極接合体は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟持する一対の電極触媒層と、を備え、少なくとも一方の前記電極触媒層は、第1の電極触媒部と、前記高分子電解質膜の平面方向において前記第1の電極触媒部に隣接する第2の電極触媒部とを有し、前記第2の電極触媒部の直径1.0μm以下の細孔容積の値が、水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算値で、前記第1の電極触媒部の直径1.0μm以下の細孔容積の値よりも大きくなっていることを特徴とする。
また、本発明の一態様に係る固体高分子形燃料電池は、上述した膜電極接合体を備えることを特徴とする。
The membrane / electrode assembly according to one embodiment of the present invention includes a polymer electrolyte membrane and a pair of electrode catalyst layers sandwiching the polymer electrolyte membrane, wherein at least one of the electrode catalyst layers is a first electrode catalyst layer. And a second electrode catalyst part adjacent to the first electrode catalyst part in the planar direction of the polymer electrolyte membrane, the diameter of the second electrode catalyst part being 1.0 μm or less The value of the pore volume is a converted value obtained by approximating the pore cylinder obtained by the mercury intrusion method, and is larger than the value of the pore volume of the first electrode catalyst portion having a diameter of 1.0 μm or less. Features.
In addition, a polymer electrolyte fuel cell according to one embodiment of the present invention includes the membrane electrode assembly described above.

本発明の一態様によれば、反応ガスの拡散性を高めると共に、電極反応で生成した水の除去等を阻害せずに保水性を高め、低加湿条件下でも高い発電特性を示す電極触媒層を備える膜電極接合体を効率良く経済的に容易に製造することができる。   According to one embodiment of the present invention, an electrode catalyst layer that enhances the diffusibility of a reaction gas, increases water retention without hindering removal of water generated by an electrode reaction, and exhibits high power generation characteristics even under low humidification conditions. Can be efficiently and economically manufactured easily.

本発明の実施形態に係る膜電極接合体の構造を模式的に示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows typically the structure of the membrane electrode assembly which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池の構造を模式的に示す分解斜視図である。1 is an exploded perspective view schematically showing the structure of a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention.

<実施形態>
以下に、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。なお、本発明は、以下に記載の実施形態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等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うるものである。
<Embodiment>
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. The present invention is not limited to the embodiments described below, and modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art. These forms can also be included in the scope of the present invention.

〔膜電極接合体〕
まず、本実施形態に係る膜電極接合体11について説明する。
図1は、本実施形態に係る膜電極接合体11の構成を模式的に示す分解斜視図である。図1に示すように、膜電極接合体11は、高分子電解質膜1と、高分子電解質膜1を高分子電解質膜1の上下各面から狭持する電極触媒層2(図1中、上側に示す)及び電極触媒層3(図1中、下側に示す)とを備える。また、膜電極接合体11において、2つの電極触媒層2、3の少なくとも一方が、触媒物質担持粒子と高分子電解質とを備える。更に、膜電極接合体11の2つの電極触媒層2、3は、それぞれ高分子電解質膜1の平面方向に2分割されている。より詳細には、図1中、上側に示す電極触媒層2は、ガスの入口側に位置する第1の電極触媒部2aと、ガスの出口側に位置する第2の電極触媒部2bとを有する。同様に、図1中、下側に示す電極触媒層3は、ガスの入口側に位置する第1の電極触媒部3aと、ガスの出口側に位置する第2の電極触媒部3bとを有する。
[Membrane electrode assembly]
First, the membrane electrode assembly 11 according to the present embodiment will be described.
FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing a configuration of a membrane electrode assembly 11 according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, a membrane electrode assembly 11 includes a polymer electrolyte membrane 1 and an electrode catalyst layer 2 that holds the polymer electrolyte membrane 1 from the upper and lower surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 (upper side in FIG. 1). And an electrode catalyst layer 3 (shown on the lower side in FIG. 1). In the membrane electrode assembly 11, at least one of the two electrode catalyst layers 2 and 3 includes catalyst material-carrying particles and a polymer electrolyte. Further, the two electrode catalyst layers 2 and 3 of the membrane electrode assembly 11 are each divided into two in the plane direction of the polymer electrolyte membrane 1. More specifically, in FIG. 1, the upper electrode catalyst layer 2 includes a first electrode catalyst portion 2a located on the gas inlet side and a second electrode catalyst portion 2b located on the gas outlet side. Have. Similarly, in FIG. 1, the lower electrode catalyst layer 3 includes a first electrode catalyst portion 3a located on the gas inlet side and a second electrode catalyst portion 3b located on the gas outlet side. .

膜電極接合体11の電極触媒層2,3は、それぞれ、複数の物質を輸送する通路の役割を果たす細孔を有している。膜電極接合体11では、水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算値で、ガスの入口側に設ける第1の電極触媒部2aの細孔容積の値が、ガスの出口側に設ける第2の電極触媒部2bの細孔容積の値よりも小さいことが好ましい。また、ガスの入口側に設ける第1の電極触媒部2aの細孔容積の値が、ガスの出口側に設ける第2の電極触媒部2bの細孔容積の値よりも小さいことが好ましい。言い換えると、ガスの上流側の第1の電極触媒部2a(又は3a)の細孔容積の値よりも、ガスの下流側の第2の電極触媒部2b(又は3b)の細孔容積の値が大きくなっていることが好ましい。ここで、「細孔容積」とは、水銀圧入法で求められる、細孔の円筒近似による換算での直径1.0μm以下の細孔容積の値をいう。   Each of the electrode catalyst layers 2 and 3 of the membrane electrode assembly 11 has pores that serve as passages for transporting a plurality of substances. In the membrane electrode assembly 11, the value of the pore volume of the first electrode catalyst portion 2 a provided on the gas inlet side is provided on the gas outlet side with a conversion value obtained by approximating the cylinder of the pores obtained by the mercury intrusion method. It is preferably smaller than the value of the pore volume of the second electrode catalyst part 2b. The pore volume value of the first electrode catalyst part 2a provided on the gas inlet side is preferably smaller than the pore volume value of the second electrode catalyst part 2b provided on the gas outlet side. In other words, the value of the pore volume of the second electrode catalyst part 2b (or 3b) on the downstream side of the gas is larger than the value of the pore volume of the first electrode catalyst part 2a (or 3a) on the upstream side of the gas. Is preferably large. Here, the “pore volume” refers to the value of the pore volume having a diameter of 1.0 μm or less, which is obtained by mercury porosimetry and is converted by cylindrical approximation of the pores.

膜電極接合体11では、ガスの入口側に設ける第1の電極触媒部2a,3aを、ガスの出口側に設ける第2の電極触媒部2b、3bと比較して密な構造にすることによって、ガスの入口側に設ける第1の電極触媒部2a、3aで保水性を高め、ガスの出口側に設ける第2の電極触媒部2b,3bで水の除去を促進している。このように、膜電極接合体11は、電極反応で生成した水の排水性と低加湿条件下における保水性を両立している。
膜電極接合体11では、従来の湿度調整フィルムの適用や、電極触媒層表面への溝の形成によって低加湿化を図る場合と異なり、界面抵抗の増大による発電特性の低下が見られない。このことより、従来の膜電極接合体を備えた固体高分子形燃料電池に比べ、膜電極接合体11を備える固体高分子形燃料電池は、低加湿条件下でも高い発電特性を示すという顕著な効果を奏する。
In the membrane electrode assembly 11, the first electrode catalyst parts 2a and 3a provided on the gas inlet side are made denser than the second electrode catalyst parts 2b and 3b provided on the gas outlet side. The first electrode catalyst portions 2a and 3a provided on the gas inlet side enhance water retention, and the second electrode catalyst portions 2b and 3b provided on the gas outlet side promote water removal. Thus, the membrane electrode assembly 11 has both the drainage of water generated by the electrode reaction and water retention under low humidification conditions.
In the membrane / electrode assembly 11, unlike the case of reducing humidity by applying a conventional humidity adjusting film or forming grooves on the surface of the electrode catalyst layer, the power generation characteristics are not deteriorated due to an increase in interface resistance. From this, the solid polymer fuel cell provided with the membrane electrode assembly 11 is remarkably high in power generation characteristics even under low humidification conditions, compared with the solid polymer fuel cell provided with the conventional membrane electrode assembly. There is an effect.

また、第2の電極触媒部2b(又は3b)の直径1.0μm以下の細孔容積の値と、第1の電極触媒部2a(又は3a)の直径1.0μm以下の細孔容積の値との差が、水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算値で、0.1mL/g以上1.0mL/g以下であることが好ましい。上述した細孔容積の値の差が0.1mL/gに満たない場合にあっては、電極反応で生成した水の排水性と低加湿条件下における保水性を両立することが困難となる場合がある。また、上述した細孔容積の値の差が1.0mL/gを超える場合にあっても、電極反応で生成した水の排水性と低加湿条件下における保水性を両立することが困難となる場合がある。   In addition, the value of the pore volume of the second electrode catalyst portion 2b (or 3b) having a diameter of 1.0 μm or less and the value of the pore volume of the first electrode catalyst portion 2a (or 3a) having a diameter of 1.0 μm or less. Is a conversion value by cylindrical approximation of pores obtained by the mercury intrusion method, and is preferably 0.1 mL / g or more and 1.0 mL / g or less. When the difference between the pore volume values mentioned above is less than 0.1 mL / g, it becomes difficult to achieve both the drainage of water produced by the electrode reaction and the water retention under low humidification conditions. There is. Moreover, even when the difference in the above-mentioned pore volume values exceeds 1.0 mL / g, it becomes difficult to achieve both the drainage of water produced by the electrode reaction and the water retention under low humidification conditions. There is a case.

なお、膜電極接合体11において、各電極触媒層2、3の分割数は2つ(例えば第1の電極触媒部2a及び第2の電極触媒部2b)に限定されるものではない。各電極触媒層2、3の分割数は3つ以上であっても良い。各電極触媒層2、3の分割数を3つ以上にする場合、電極触媒層2、3における、水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算値での直径1.0μm以下の細孔容積が、ガスの上流側からガスの下流側に、段階的に変化する。言い換えると、電極触媒層の分割数が3つ以上であっても、電極触媒層2、3のガスの上流側の領域の細孔容積の値よりも、ガスの下流側の領域の細孔容積の値が大きくなるように変化させる。   In the membrane / electrode assembly 11, the number of divisions of the electrode catalyst layers 2 and 3 is not limited to two (for example, the first electrode catalyst portion 2a and the second electrode catalyst portion 2b). The number of divided electrode catalyst layers 2 and 3 may be three or more. When the number of divisions of each of the electrode catalyst layers 2 and 3 is 3 or more, pores having a diameter of 1.0 μm or less in the electrode catalyst layers 2 and 3 in terms of a converted value by cylindrical approximation of the pores obtained by the mercury intrusion method The volume changes stepwise from the upstream side of the gas to the downstream side of the gas. In other words, even if the number of divisions of the electrode catalyst layer is 3 or more, the pore volume in the region downstream of the gas is larger than the value of the pore volume in the region upstream of the gas in the electrode catalyst layers 2 and 3. To increase the value of.

また、膜電極接合体11において、高分子電解質膜1の両面に形成される2つの電極触媒層2、3のうちの一方のみ(電極触媒層2又は3)が、異なる細孔容積を有する2以上の領域に分割されていても良い。電極触媒層2又は3の一方のみを異なる細孔容積を有する2以上の領域に分割する場合、異なる細孔容積を有する2以上の領域に分割した電極触媒層は、電極反応により水が発生する空気極(カソード)(図1中、上側の電極触媒層2で示す)側に配置されることが好ましい。但し、低加湿条件下における高分子電解質膜1の水分保持の点から、異なる細孔容積を有する2以上の領域に分割した電極触媒層は、高分子電解質膜1の両面に形成されることが、より好ましい。   Further, in the membrane electrode assembly 11, only one of the two electrode catalyst layers 2 and 3 (electrode catalyst layer 2 or 3) formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 has different pore volumes 2. It may be divided into the above regions. When only one of the electrode catalyst layers 2 or 3 is divided into two or more regions having different pore volumes, water is generated by the electrode reaction in the electrode catalyst layer divided into two or more regions having different pore volumes. It is preferably disposed on the air electrode (cathode) (indicated by the upper electrode catalyst layer 2 in FIG. 1). However, the electrode catalyst layer divided into two or more regions having different pore volumes may be formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 from the viewpoint of water retention of the polymer electrolyte membrane 1 under low humidification conditions. More preferable.

〔固体高分子形燃料電池〕
次に、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池12について説明する。
図2は、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池12を模式的に示す分解斜視図である。固体高分子形燃料電池12は、膜電極接合体11の電極触媒層2と対向するように配置される空気極側のガス拡散層4と、電極触媒層3と対向するように配置される燃料極側のガス拡散層5とを備える。電極触媒層2とガス拡散層4とは、空気極(カソード)6を形成する。電極触媒層3とガス拡散層5とは、燃料極(アノード)7を形成する。また、ガス流通用のガス流路8(8a,8b)と、冷却水流通用の冷却水流路9(9a,9b)とを備えた、導電性及び不透過性を有する材料よりなる一組のセパレータ10(10a、10b)が、ガス拡散層4及び5の外側にそれぞれ配置される。燃料極7側のセパレータ10bのガス流路8bからは、燃料ガスとして例えば水素ガスが供給される。一方、空気極6側のセパレータ10aのガス流路8aからは、酸化剤ガスとして例えば酸素ガスが供給される。燃料ガスの水素と、酸化剤ガスの酸素とを触媒の存在下で電極反応させることにより、燃料極と空気極の間に起電力を生じさせることができる。
[Solid polymer fuel cell]
Next, the polymer electrolyte fuel cell 12 according to this embodiment will be described.
FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing the polymer electrolyte fuel cell 12 according to the present embodiment. The polymer electrolyte fuel cell 12 includes a gas diffusion layer 4 on the air electrode side disposed so as to face the electrode catalyst layer 2 of the membrane electrode assembly 11 and a fuel disposed so as to face the electrode catalyst layer 3. A gas diffusion layer 5 on the pole side. The electrode catalyst layer 2 and the gas diffusion layer 4 form an air electrode (cathode) 6. The electrode catalyst layer 3 and the gas diffusion layer 5 form a fuel electrode (anode) 7. Also, a set of separators made of a material having conductivity and impermeability, including a gas flow path 8 (8a, 8b) for gas flow and a cooling water flow path 9 (9a, 9b) for flow of cooling water. 10 (10a, 10b) are arranged outside the gas diffusion layers 4 and 5, respectively. For example, hydrogen gas is supplied as the fuel gas from the gas flow path 8b of the separator 10b on the fuel electrode 7 side. On the other hand, for example, oxygen gas is supplied as an oxidant gas from the gas flow path 8a of the separator 10a on the air electrode 6 side. An electromotive force can be generated between the fuel electrode and the air electrode by causing an electrode reaction between hydrogen of the fuel gas and oxygen of the oxidant gas in the presence of the catalyst.

ここで、セパレータ10aは、ガス流路8aの形成方向(ガスが流れる方向)が電極触媒層2の分割方向(第1の電極触媒部2a及び第2の電極触媒部2bの境界の方向)と略直交するように配置される。また、セパレータ10bは、ガス流路8bの形成方向(ガスが流れる方向)が電極触媒層3の分割方向(第1の電極触媒部3a及び第2の電極触媒部3bの境界の方向)と略直交するように配置される。これにより、電極触媒層2の第1の電極触媒部2aがガス流路8aの上流側に位置し、第1の電極触媒部2aの細孔容積よりも大きい細孔容積を有する第2の電極触媒部2bがガス流路8aの下流側に位置する。同様に、電極触媒層3の第1の電極触媒部3aがガス流路8bの上流側に位置し、第1の電極触媒部3aの細孔容積よりも大きい細孔容積を有する第2の電極触媒部3bがガス流路8bの下流側に位置する。
固体高分子形燃料電池12は、一組のセパレータ10a、10bに、高分子電解質膜1と、2つの電極触媒層2、3と、ガス拡散層4及び5とが狭持されている。固体高分子形燃料電池12は単セル構造の燃料電池であるが、セパレータ10a又は10bを介して複数のセルを積層して固体高分子形燃料電池としても良い。
Here, in the separator 10a, the direction in which the gas flow path 8a is formed (the direction in which the gas flows) is the direction in which the electrode catalyst layer 2 is divided (the direction of the boundary between the first electrode catalyst portion 2a and the second electrode catalyst portion 2b). It arrange | positions so that it may cross substantially orthogonally. In the separator 10b, the direction in which the gas flow path 8b is formed (the direction in which the gas flows) is substantially the same as the direction in which the electrode catalyst layer 3 is divided (the direction of the boundary between the first electrode catalyst portion 3a and the second electrode catalyst portion 3b). It arrange | positions so that it may orthogonally cross. Thereby, the 1st electrode catalyst part 2a of the electrode catalyst layer 2 is located in the upstream of the gas flow path 8a, and the 2nd electrode which has a pore volume larger than the pore volume of the 1st electrode catalyst part 2a The catalyst part 2b is located downstream of the gas flow path 8a. Similarly, the second electrode having the pore volume larger than the pore volume of the first electrode catalyst portion 3a, the first electrode catalyst portion 3a of the electrode catalyst layer 3 being located upstream of the gas flow path 8b. The catalyst part 3b is located downstream of the gas flow path 8b.
In the polymer electrolyte fuel cell 12, a polymer electrolyte membrane 1, two electrode catalyst layers 2 and 3, and gas diffusion layers 4 and 5 are sandwiched between a pair of separators 10 a and 10 b. The polymer electrolyte fuel cell 12 is a fuel cell having a single cell structure, but a plurality of cells may be stacked via the separator 10a or 10b to form a polymer electrolyte fuel cell.

〔膜電極接合体の製造方法〕
次に、本実施形態に係る膜電極接合体11の製造方法の一例について説明する。
本実施形態に係る膜電極接合体11の製造方法は、以下の各工程を含む。なお、本実施形態に係る膜電極接合体11の製造方法では、膜電極接合体11の電極触媒層2が、第1の電極触媒部2a及び第2の電極触媒部2bを有し、電極触媒層3が、第1の電極触媒部3a及び第2の電極触媒部3bを有している。
(第1工程) 触媒を担持した粒子と高分子電解質とを溶媒に分散させて触媒インクを作製する工程
(第2工程) 触媒インクを基材に塗布して、空気極(カソード)6を構成する電極触媒層2となる電極膜と、基材上に燃料極(アノード)7を構成する電極触媒層3となる電極膜と、を形成する工程
(第3工程) 空気極(カソード)6を構成する電極触媒層2となる電極膜及び燃料極(アノード)7を構成する電極触媒層3となる電極膜を転写して、第1の電極触媒部(2a,3a)を形成する工程
(第4工程) 空気極(カソード)6を構成する電極触媒層2となる電極膜及び燃料極(アノード)7を構成する電極触媒層3となる電極膜を転写して、第1の電極触媒部(2a,3a)に隣接する第2の電極触媒部(2b,3b)を形成する工程
[Production method of membrane electrode assembly]
Next, an example of the manufacturing method of the membrane electrode assembly 11 according to the present embodiment will be described.
The manufacturing method of the membrane electrode assembly 11 according to the present embodiment includes the following steps. In addition, in the manufacturing method of the membrane electrode assembly 11 which concerns on this embodiment, the electrode catalyst layer 2 of the membrane electrode assembly 11 has the 1st electrode catalyst part 2a and the 2nd electrode catalyst part 2b, and is an electrode catalyst. The layer 3 has the 1st electrode catalyst part 3a and the 2nd electrode catalyst part 3b.
(First step) Step of producing catalyst ink by dispersing catalyst-supported particles and polymer electrolyte in a solvent (second step) The catalyst ink is applied to a substrate to form an air electrode (cathode) 6 Forming an electrode film to be the electrode catalyst layer 2 and an electrode film to be the electrode catalyst layer 3 constituting the fuel electrode (anode) 7 on the base material (third process) air electrode (cathode) 6 A step of transferring the electrode film to be the electrode catalyst layer 2 and the electrode film to be the electrode catalyst layer 3 constituting the fuel electrode (anode) 7 to form the first electrode catalyst portions (2a, 3a) (first step) 4 process) The electrode film used as the electrode catalyst layer 2 which comprises the air electrode (cathode) 6 and the electrode film used as the electrode catalyst layer 3 which comprises the fuel electrode (anode) 7 are transferred, and the 1st electrode catalyst part ( 2a, 3a) for forming the second electrode catalyst part (2b, 3b) adjacent to About

なお、第1工程は触媒インク作製工程に対応し、第2工程は電極膜形成工程に対応する。また、第3工程は、第1の電極触媒層形成工程における第1の電極触媒部の形成及び第2の電極触媒層形成工程における第1の電極触媒部の形成を同時に行う工程であり、第4工程は、第1の電極触媒層形成工程における第2の電極触媒部の形成及び第2の電極触媒層形成工程における第2の電極触媒部の形成を同時に行う工程である。   The first step corresponds to the catalyst ink preparation step, and the second step corresponds to the electrode film formation step. The third step is a step of simultaneously forming the first electrode catalyst portion in the first electrode catalyst layer forming step and the first electrode catalyst portion in the second electrode catalyst layer forming step. The fourth step is a step of simultaneously performing the formation of the second electrode catalyst part in the first electrode catalyst layer forming step and the formation of the second electrode catalyst part in the second electrode catalyst layer forming step.

各電極触媒層2,3は、触媒を担持した粒子と高分子電解質とを溶媒に分散させた触媒インクを基材に塗布して塗膜を形成し、該塗膜中の溶媒を除去し、溶媒除去後の塗膜(以下、電極膜と称することがある)を高分子電解質膜1に転写することにより形成される。このとき、電極膜の転写圧力を調整することで、転写後の各電極触媒層2,3の細孔容積を調整することができる。すなわち、転写圧力を大きくした場合、転写圧力を小さくした場合と比較して、形成される電極触媒層2,3の細孔容積を小さくすることができる。また、転写圧力を小さくした場合、転写圧力を大きくした場合と比較して、形成される電極触媒層2,3の細孔容積を大きくすることができる。   Each of the electrode catalyst layers 2 and 3 forms a coating film by applying a catalyst ink in which particles carrying a catalyst and a polymer electrolyte are dispersed in a solvent to a base material, and removing the solvent in the coating film. It is formed by transferring a coating film after solvent removal (hereinafter sometimes referred to as an electrode film) to the polymer electrolyte membrane 1. At this time, the pore volume of each of the electrode catalyst layers 2 and 3 after transfer can be adjusted by adjusting the transfer pressure of the electrode film. That is, when the transfer pressure is increased, the pore volume of the formed electrode catalyst layers 2 and 3 can be reduced as compared with the case where the transfer pressure is decreased. Further, when the transfer pressure is reduced, the pore volume of the formed electrode catalyst layers 2 and 3 can be increased as compared with the case where the transfer pressure is increased.

このため、第3工程における第1の電極触媒部(2a,3a)形成時の転写圧力よりも、第4工程における第2の電極触媒部(2b,3b)形成時の転写圧力を低くする。これにより、細孔容積の異なる電極触媒部(第1の電極触媒部(2a,3a)、第2の電極触媒部(2b,3b))を形成することができる。
膜電極接合体11の製造方法では、第1の電極触媒部(2a,3a)を形成する工程(第3工程)における電極膜の転写圧力を、第2の電極触媒部(2b,3b)を形成する工程(第4工程)における電極膜の転写圧力よりも大きくする。これにより、第3工程において転写して形成される第1の電極触媒部(2a,3a)の細孔容積を、第4工程において転写して形成される第2の電極触媒部(2b,3b)の細孔容積よりも小さくすることができる。
For this reason, the transfer pressure at the time of forming the second electrode catalyst part (2b, 3b) in the fourth step is made lower than the transfer pressure at the time of forming the first electrode catalyst part (2a, 3a) in the third step. Thereby, the electrode catalyst part (1st electrode catalyst part (2a, 3a), 2nd electrode catalyst part (2b, 3b)) from which pore volume differs can be formed.
In the manufacturing method of the membrane electrode assembly 11, the transfer pressure of the electrode film in the step (third step) of forming the first electrode catalyst portion (2a, 3a) is set to the second electrode catalyst portion (2b, 3b). The transfer pressure of the electrode film in the forming step (fourth step) is made larger. Thereby, the pore volume of the first electrode catalyst portion (2a, 3a) formed by transfer in the third step is transferred to the second electrode catalyst portion (2b, 3b) formed by transfer in the fourth step. ) Pore volume.

第1の電極触媒部(2a,3a)を形成する工程(第3工程)における転写圧力と、第2の電極触媒部(2b,3b)を形成する工程(第4工程)における転写圧力の比率は、1:0.2以上1:0.8以下の範囲内であることが好ましい。第3工程における転写圧力と第4工程における転写圧力との比率が1:0.2に満たない場合は、形成された第1の電極触媒部(2a,3a)の細孔容積と第2の電極触媒部(2b,3b)の細孔容積との差が大きくなる。このため、膜電極接合体11において、電極反応で生成した水の排水性と低加湿条件下における保水性とを両立することが困難となる場合がある。また、第3工程における転写圧力と第4工程における転写圧力との比率が1:0.8を超える場合は、形成された第1の電極触媒部(2a,3a)の細孔容積と第2の電極触媒部(2b,3b)の細孔容積との差が小さくなる。このため、膜電極接合体11において、電極反応で生成した水の排水性と低加湿条件下における保水性とを両立することが困難となる場合がある。   Ratio of transfer pressure in the step of forming the first electrode catalyst portion (2a, 3a) (third step) and transfer pressure in the step of forming the second electrode catalyst portion (2b, 3b) (fourth step) Is preferably in the range of 1: 0.2 or more and 1: 0.8 or less. When the ratio of the transfer pressure in the third step and the transfer pressure in the fourth step is less than 1: 0.2, the pore volume of the formed first electrode catalyst portion (2a, 3a) and the second volume The difference from the pore volume of the electrode catalyst part (2b, 3b) becomes large. For this reason, in membrane electrode assembly 11, it may become difficult to make compatible the drainage nature of the water generated by electrode reaction, and the water retention under low humidification conditions. When the ratio between the transfer pressure in the third step and the transfer pressure in the fourth step exceeds 1: 0.8, the pore volume of the formed first electrode catalyst part (2a, 3a) and the second The difference from the pore volume of the electrode catalyst part (2b, 3b) is reduced. For this reason, in membrane electrode assembly 11, it may become difficult to make compatible the drainage nature of the water generated by electrode reaction, and the water retention under low humidification conditions.

また、各電極触媒部は、触媒を担持した粒子と高分子電解質とを溶媒に分散させた触媒インクを基材上に塗布して塗膜を形成し、該塗膜中の溶媒を除去し、溶媒除去後の塗膜(電極膜)を高分子電解質膜1に転写することにより形成される。このとき、電極膜の転写温度を調整することで、転写後の各電極触媒部の細孔容積を調整することができる。すなわち、転写温度を高くした場合、転写温度を低くした場合と比較して、形成される電極触媒部の細孔容積を小さくすることができる。また、転写温度を低くした場合、転写温度を高くした場合と比較して、形成される電極触媒部の細孔容積を大きくすることができる。   In addition, each electrode catalyst portion is formed by applying a catalyst ink in which particles supporting a catalyst and a polymer electrolyte are dispersed in a solvent to form a coating film, and removing the solvent in the coating film. It is formed by transferring the coating film (electrode film) after removing the solvent to the polymer electrolyte membrane 1. At this time, the pore volume of each electrode catalyst portion after transfer can be adjusted by adjusting the transfer temperature of the electrode film. That is, when the transfer temperature is increased, the pore volume of the formed electrode catalyst portion can be reduced as compared with the case where the transfer temperature is decreased. Further, when the transfer temperature is lowered, the pore volume of the electrode catalyst portion to be formed can be increased as compared with the case where the transfer temperature is raised.

このため、第3工程における第1の電極触媒部(2a,3a)形成時の転写温度よりも、第4工程における第2の電極触媒部(2b,3b)形成時の転写温度を低くする。これにより、細孔容積の異なる電極触媒部(第1の電極触媒部(2a,3a)、第2の電極触媒部(2b,3b))を形成することができる。
膜電極接合体11の製造方法では、第1の電極触媒部(2a,3a)を形成する工程(第3工程)における電極膜の転写温度を、第2の電極触媒部(2b,3b)を形成する工程(第4工程)における電極膜の転写温度よりも高くする。これにより、第3工程において転写して形成される第1の電極触媒部(2a,3a)の細孔容積を、第4工程において転写して形成される第2の電極触媒部(2b,3b)の細孔容積よりも小さくすることができる。
For this reason, the transfer temperature at the time of forming the second electrode catalyst part (2b, 3b) in the fourth step is made lower than the transfer temperature at the time of forming the first electrode catalyst part (2a, 3a) in the third step. Thereby, the electrode catalyst part (1st electrode catalyst part (2a, 3a), 2nd electrode catalyst part (2b, 3b)) from which pore volume differs can be formed.
In the manufacturing method of the membrane electrode assembly 11, the transfer temperature of the electrode film in the step (third step) of forming the first electrode catalyst portion (2a, 3a) is set to the second electrode catalyst portion (2b, 3b). The temperature is higher than the transfer temperature of the electrode film in the forming step (fourth step). Thereby, the pore volume of the first electrode catalyst portion (2a, 3a) formed by transfer in the third step is transferred to the second electrode catalyst portion (2b, 3b) formed by transfer in the fourth step. ) Pore volume.

第1の電極触媒部(2a,3a)を形成する際(第3工程)の電極膜の転写温度と、第2の電極触媒部(2b,3b)を形成する際(第4工程)の電極膜の転写温度の差は、2℃以上20℃以下の範囲内であることが好ましい。第3工程における転写温度と第4工程における転写温度の差が2℃に満たない場合は、形成された第1の電極触媒部(2a,3a)の細孔容積と第2の電極触媒部(2b,3b)の細孔容積との差が小さくなり、電極反応で生成した水の排水性と低加湿条件下における保水性とを両立することが困難となる場合がある。また、第3工程における転写温度と第4工程における転写温度の差が20℃を超える場合は、形成された第1の電極触媒部(2a,3a)の細孔容積と第2の電極触媒部(2b,3b)の細孔容積との差が大きくなり、電極反応で生成した水の排水性と低加湿条件下における保水性とを両立することが困難となる場合がある。   The transfer temperature of the electrode film when forming the first electrode catalyst part (2a, 3a) (third process) and the electrode when forming the second electrode catalyst part (2b, 3b) (fourth process) The difference in the transfer temperature of the film is preferably in the range of 2 ° C. or more and 20 ° C. or less. When the difference between the transfer temperature in the third step and the transfer temperature in the fourth step is less than 2 ° C., the pore volume of the formed first electrode catalyst portion (2a, 3a) and the second electrode catalyst portion ( The difference between the pore volume of 2b and 3b) becomes small, and it may be difficult to achieve both the drainage of the water produced by the electrode reaction and the water retention under low humidification conditions. When the difference between the transfer temperature in the third step and the transfer temperature in the fourth step exceeds 20 ° C., the pore volume of the formed first electrode catalyst portion (2a, 3a) and the second electrode catalyst portion The difference from the pore volume of (2b, 3b) becomes large, and it may be difficult to achieve both the drainage of the water produced by the electrode reaction and the water retention under low humidification conditions.

第1の電極触媒部(2a,3a)における直径1.0μm以下の細孔容積の値と、第2の電極触媒部(2b,3b)における直径1.0μm以下の細孔容積の値との差が、水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算値で、0.1mL/g以上1.0mL/g以下となるように、電極膜の転写圧力又は転写温度を調整することが好ましい。上述した細孔容積の値の差が0.1mL/gに満たない場合は、電極反応で生成した水の排水性と低加湿条件下における保水性とを両立することが困難となる場合がある。また、上述した細孔容積の値の差が1.0mL/gを超える場合であっても、電極反応で生成した水の排水性と低加湿条件下における保水性とを両立することが困難となる場合がある。   The value of the pore volume of 1.0 μm or less in diameter in the first electrode catalyst part (2a, 3a) and the value of the pore volume of 1.0 μm or less in diameter in the second electrode catalyst part (2b, 3b) It is preferable to adjust the transfer pressure or the transfer temperature of the electrode film so that the difference is a conversion value by cylindrical approximation of the pores determined by the mercury intrusion method and is 0.1 mL / g or more and 1.0 mL / g or less. . If the difference between the pore volume values described above is less than 0.1 mL / g, it may be difficult to achieve both the drainage of water produced by the electrode reaction and the water retention under low humidification conditions. . Moreover, even when the difference in the above-mentioned pore volume values exceeds 1.0 mL / g, it is difficult to achieve both the drainage of the water generated by the electrode reaction and the water retention under low humidification conditions. There is a case.

〔詳細〕
以下、本実施形態に係る膜電極接合体11及び固体高分子形燃料電池12について更に詳細に説明する。
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良く、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の例として、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)等を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、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等の電解質膜を用いることができる。特に、高分子電解質膜1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。
[Details]
Hereinafter, the membrane electrode assembly 11 and the polymer electrolyte fuel cell 12 according to this embodiment will be described in more detail.
The polymer electrolyte membrane 1 only needs to have proton conductivity, and a fluorine polymer electrolyte membrane or a hydrocarbon 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. As the hydrocarbon polymer electrolyte membrane, electrolyte membranes such as sulfonated polyether ketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene can be used. In particular, as the polymer electrolyte membrane 1, a Nafion (registered trademark) material manufactured by DuPont can be suitably used.

また、電極触媒層2,3は、触媒インクを用いて高分子電解質膜1の両面に形成される。触媒インクは、少なくとも高分子電解質及び溶媒を含む。
上述の触媒インクに含まれる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良く、高分子電解質膜1と同様の材料を用いることができ、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の例として、デュポン社製Nafion(登録商標)系材料等を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、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等の電解質を用いることができる。特に、フッ素系高分子電解質として、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。なお、電極触媒層2,3と、高分子電解質膜1との密着性を考慮すると、触媒インクに含まれる高分子電解質には高分子電解質膜1と同一の材料を用いることが好ましい。
The electrode catalyst layers 2 and 3 are formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 using a catalyst ink. The catalyst ink includes at least a polymer electrolyte and a solvent.
The polymer electrolyte contained in the above-described catalyst ink is not particularly limited as long as it has proton conductivity, and the same material as that of the polymer electrolyte membrane 1 can be used. Fluorine polymer electrolyte, hydrocarbon polymer An electrolyte can be used. As an example of the fluorine-based polymer electrolyte, a Nafion (registered trademark) material manufactured by DuPont, etc. can be used. As the hydrocarbon polymer electrolyte, electrolytes such as sulfonated polyether ketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene can be used. In particular, as a fluorine-based polymer electrolyte, a Nafion (registered trademark) material manufactured by DuPont can be suitably used. In consideration of the adhesion between the electrode catalyst layers 2 and 3 and the polymer electrolyte membrane 1, it is preferable to use the same material as the polymer electrolyte membrane 1 for the polymer electrolyte contained in the catalyst ink.

本実施形態で用いる触媒物質(以下、触媒粒子あるいは触媒と称すことがある)としては、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素の他、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウムもしくはアルミニウム等の金属又はこれらの合金、酸化物もしくは複酸化物等を用いることができる。触媒粒子が、白金、金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、及び、イリジウムから選ばれた1種又は2種以上の金属である場合、電極反応性に優れ、電極反応を効率良く安定して行うことができる。触媒粒子が、白金、金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、及び、イリジウムから選ばれた1種又は2種以上の金属である場合、電極触媒層2,3を備えた固体高分子形燃料電池12が高い発電特性を示すので好ましい。
また、上述した触媒粒子の平均粒子径は、0.5nm以上20nm以下が好ましく、1nm以上5nm以下がより好ましい。ここで、平均粒子径とは、カーボン粒子などの担体に担持された触媒であれば、X線回折法から求めた平均粒径をいう。また、平均粒子径とは、担体に担持されていない触媒であれば、粒度測定から求めた算術平均粒径をいう。触媒粒子の平均粒子径が0.5nm以上20nm以下の範囲にある場合、触媒の活性及び安定性が向上するため好ましい。
The catalyst substance used in the present embodiment (hereinafter sometimes referred to as catalyst particles or catalyst) includes platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, osmium, platinum group elements, iron, lead, copper, chromium, cobalt. In addition, metals such as nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum, or alloys, oxides or double oxides thereof can be used. When the catalyst particles are one or more metals selected from platinum, gold, palladium, rhodium, ruthenium, and iridium, the electrode reactivity is excellent and the electrode reaction can be performed efficiently and stably. it can. When the catalyst particles are one or more metals selected from platinum, gold, palladium, rhodium, ruthenium, and iridium, the polymer electrolyte fuel cell 12 including the electrode catalyst layers 2 and 3 is provided. It is preferable because it shows high power generation characteristics.
Moreover, the average particle diameter of the catalyst particles described above is preferably 0.5 nm or more and 20 nm or less, and more preferably 1 nm or more and 5 nm or less. Here, the average particle diameter means an average particle diameter obtained from an X-ray diffraction method in the case of a catalyst supported on a carrier such as carbon particles. In addition, the average particle diameter means an arithmetic average particle diameter obtained from particle size measurement in the case of a catalyst not supported on a carrier. When the average particle diameter of the catalyst particles is in the range of 0.5 nm or more and 20 nm or less, the activity and stability of the catalyst are improved, which is preferable.

上述の触媒物質を担持する電子伝導性の粉末としては、一般的にカーボン粒子が使用される。カーボン粒子の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒におかされないものであれば限定されるものではないが、カーボンブラックやグラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレンを用いることができる。
カーボン粒子の平均粒子径は、10nm以上1000nm以下程度が好ましく、10nm以上100nm以下がより好ましい。ここで、平均粒子径とは、SEM(Scanning Electron Microscope:走査型電子顕微鏡)像から求めた平均粒径をいう。カーボン粒子の平均粒子径が10nm以上1000nm以下の範囲にある場合、触媒の活性及び安定性が向上するため好ましい。電子伝導パスが形成されやすくなり、また、2つの電極触媒層2、3のガス拡散性や触媒の利用率が向上するため好ましい。
Generally, carbon particles are used as the electron conductive powder supporting the above-described catalyst substance. The type of carbon particles is not limited as long as they are in the form of fine particles and have conductivity and are not affected by the catalyst, but carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotube, fullerene should be used. Can do.
The average particle diameter of the carbon particles is preferably about 10 nm to 1000 nm, more preferably 10 nm to 100 nm. Here, an average particle diameter means the average particle diameter calculated | required from the SEM (Scanning Electron Microscope: Scanning electron microscope) image. When the average particle diameter of the carbon particles is in the range of 10 nm to 1000 nm, the activity and stability of the catalyst are improved, which is preferable. It is preferable because an electron conduction path is easily formed and the gas diffusibility of the two electrode catalyst layers 2 and 3 and the utilization factor of the catalyst are improved.

触媒インクの分散媒として使用される溶媒は、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又は微細ゲルとして分散できるものあれば特に限定されるものではない。しかしながら、溶媒には、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。触媒インクの分散媒として使用される溶媒の例として、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、イソブチルアルコール、tert−ブチルアルコール、ペンタノール等のアルコール類、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等のケトン系溶剤、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、ジブチルエーテル等のエーテル系溶剤、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−プロパノール等の極性溶剤等を用いることができる。また、溶媒は、上述の材料のうち二種以上を混合させた混合溶媒を用いても良い。   The solvent used as a dispersion medium for the catalyst ink is not particularly limited as long as it 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 as a fine gel. It is not something. However, it is desirable that the solvent contains at least a volatile organic solvent. Examples of the solvent used as the dispersion medium of the catalyst ink include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, tert-butyl alcohol, pentanol and other alcohols, acetone , Ketone solvents such as methyl ethyl ketone, pentanone, methyl isobutyl ketone, heptanone, cyclohexanone, methyl cyclohexanone, acetonyl acetone, diisobutyl ketone, ether solvents such as tetrahydrofuran, dioxane, diethylene glycol dimethyl ether, anisole, methoxy toluene, dibutyl ether, etc. Dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, ethylene glycol, diethylene glycol, diacetone alcohol , It can be used polar solvents such as 1-methoxy-2-propanol. Moreover, you may use the mixed solvent which mixed 2 or more types among the above-mentioned materials as a solvent.

また、触媒インクの分散媒として使用される溶媒として、低級アルコールを用いたものは発火の危険性が高いため、低級アルコールを用いる場合は、水との混合溶媒にするのが好ましい。更に、高分子電解質となじみが良い水(親和性が高い水)が含まれていても良い。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特に制限されるものではない。
触媒物質担持粒子を分散させるために、触媒インクに分散剤が含まれていても良い。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等を挙げることができる。
In addition, a solvent using a lower alcohol as a solvent used as a dispersion medium of the catalyst ink has a high risk of ignition. Therefore, when using a lower alcohol, it is preferable to use a mixed solvent with water. Furthermore, water (water having high affinity) that is compatible with the polymer electrolyte may be contained. The amount of water added is not particularly limited as long as the polymer electrolyte does not separate and cause white turbidity or gelation.
In order to disperse the catalyst material-carrying particles, the catalyst ink may contain a dispersant. Examples of the dispersant include an anionic surfactant, a cationic surfactant, an amphoteric surfactant, and a nonionic surfactant.

アニオン界面活性剤の例として、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等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、スルホコハク酸ジアルキル塩、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等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、高度硫酸化油等の硫酸エステル型界面活性剤、リン酸(モノ又はジ)アルキル塩、(モノ又はジ)アルキルホスフェート、(モノ又はジ)アルキルリン酸エステル塩、リン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・リン酸塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、リン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・リン酸塩、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等のリン酸エステル型界面活性剤等が挙げられる。   Examples of anionic surfactants include alkyl ether carboxylates, ether carboxylates, alkanoyl sarcosine, alkanoyl glutamate, acyl glutamate, oleic acid / N-methyl taurine, potassium oleate / diethanolamine salt, alkyl ether sulfate / trimethyl Ethanolamine 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 salt of high molecular weight polyether ester acid , Amine salt of special modified phosphate ester, amide amine salt of high molecular weight polyester acid, amide amine salt of special fatty acid derivative, alkylamine salt of higher fatty acid, amide of high molecular weight polycarboxylic acid Carboxylic acid type surfactants such as amine 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, alkanoyl Methyl tauride, lauryl sulfate sodium salt, cetyl sulfate sodium salt, stearyl sulfate sodium salt, oleyl sulfate ester Tellurium salt, lauryl ether sulfate, sodium alkylbenzene sulfonate, oil-soluble alkylbenzene sulfonate, α-olefin sulfonate, and other sulfonate surfactants, alkyl sulfate, alkyl sulfate, alkyl sulfate, alkyl Ether sulfate, polyoxyethylene alkyl ether sulfate, alkyl polyethoxy sulfate, polyglycol ether sulfate, alkyl polyoxyethylene sulfate, sulfated oil, highly sulfated sulfate type surfactant, phosphoric acid (mono or Di) alkyl salts, (mono or di) alkyl phosphates, (mono or di) alkyl phosphate esters, alkyl polyoxyethylene salts of phosphates, alkyl ether phosphates, alkyl polyethoxy compounds Acid salt, polyoxyethylene alkyl ether, alkylphenyl phosphate polyoxyethylene salt, alkylphenyl ether phosphate, alkylphenyl polyethoxy phosphate, polyoxyethylene alkylphenyl ether phosphate, higher alcohol phosphate monoester Examples thereof include phosphate type surfactants such as disodium salt, higher alcohol phosphate diester disodium salt and zinc dialkyldithiophosphate.

カチオン界面活性剤の例として、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等が挙げられる。   Examples of cationic surfactants include benzyldimethyl {2- [2- (P-1,1,3,3-tetramethylbutylphenoxy) ethoxy] ethyl} ammonium chloride, octadecylamine acetate, tetradecylamine acetate , Octadecyltrimethylammonium chloride, tallow trimethylammonium chloride, dodecyltrimethylammonium chloride, coconut trimethylammonium chloride, hexadecyltrimethylammonium chloride, behenyltrimethylammonium chloride, coconut dimethylbenzylammonium chloride, tetradecyldimethylbenzylammonium chloride, octadecyldimethylbenzylammonium chloride Dioleoyldimethylammonium chloride, 1-hydroxyethyl 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 Examples include ethylene oxide adducts, polyacrylamide amine salts, modified polyacrylamide amine salts, and perfluoroalkyl quaternary ammonium iodides.

両性界面活性剤の例として、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等が挙げられる。   Examples of amphoteric surfactants include dimethyl coconut betaine, dimethyl lauryl betaine, sodium laurylaminoethylglycine, sodium laurylaminopropionate, 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 and the like can be mentioned.

非イオン界面活性剤の例として、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等が挙げられる。   Examples of nonionic surfactants 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: 1). Type), oleic acid diethanolamide (1: 1 type), hydroxyethyl lauryl amine, polyethylene glycol lauryl amine, polyethylene glycol coconut 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 pyro Don, 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, Examples include sugar fatty acid esters.

上述した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等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等を考慮すると、分散剤として、好適に用いることができる。   Among the surfactants mentioned above, sulfonic acid type surfactants such as alkylbenzene sulfonic acid, oil-soluble alkyl benzene sulfonic acid, α-olefin sulfonic acid, sodium alkyl benzene sulfonate, oil-soluble alkyl benzene sulfonate, α-olefin sulfonate, etc. The agent can be suitably used as the dispersant in consideration of the carbon dispersion effect, the change in catalyst performance due to the remaining dispersant, and the like.

触媒インク中の高分子電解質の量を多くすると細孔容積は一般に小さくなる。一方、触媒インク中のカーボン粒子の量を多くすると、細孔容積は大きくなる。また、分散剤を使用すると、細孔容積は小さくなる。
また、触媒インクは必要に応じて分散処理が行われる。触媒インクの粘度と、触媒インクに含まれる粒子のサイズとを、触媒インクの分散処理の条件によって制御することができる。分散処理は、様々な装置を採用して行うことができる。特に、分散処理の方法は限定されるものではない。例えば、分散処理としては、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、超音波分散処理等が挙げられる。また、遠心力で攪拌を行うホモジナイザー等を採用しても良い。細孔容積は、分散時間が長くなるのに伴い、触媒物質担持粒子の凝集体が破壊されて小さくなる。
Increasing the amount of polymer electrolyte in the catalyst ink generally decreases the pore volume. On the other hand, increasing the amount of carbon particles in the catalyst ink increases the pore volume. In addition, when a dispersant is used, the pore volume is reduced.
Further, the catalyst ink is subjected to a dispersion treatment as necessary. The viscosity of the catalyst ink and the size of the particles contained in the catalyst ink can be controlled by the conditions of the catalyst ink dispersion treatment. Distributed processing can be performed using various apparatuses. In particular, the distributed processing method is not limited. For example, as the dispersion treatment, treatment with a ball mill or roll mill, treatment with a shear mill, treatment with a wet mill, ultrasonic dispersion treatment, and the like can be given. Moreover, you may employ | adopt the homogenizer etc. which stir with centrifugal force. As the dispersion time becomes longer, the pore volume becomes smaller due to the destruction of the aggregate of the catalyst material-carrying particles.

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及び3の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が、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質量%(wt%)以上50質量%以下であることが好ましい。また、固形分は、触媒物質担持粒子と高分子電解質からなるが、固形分のうち、触媒物質担持粒子の含有量を多くすると、同じ固形分含有量でも粘度は高くなる。一方、固形分のうち、触媒物質担持粒子の含有量を少なくすると、同じ固形分含有量でも粘度は低くなる。したがって、固形分に占める触媒物質担持粒子の割合は10質量%以上80質量%以下が好ましい。また、触媒インクの粘度は、0.1cP以上500cP以下(0.0001Pa・s以上0.5Pa・s以下)程度が好ましく、5cP以上100cP以下(0.005Pa・s以上0.1Pa・s以下)がより好ましい。また触媒インクの分散時に分散剤を添加することで、粘度の制御をすることもできる。   If the solid content in the catalyst ink is too large, the viscosity of the catalyst ink increases, and therefore cracks are likely to occur on the surfaces of the electrode catalyst layers 2 and 3. 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% by mass (wt%) or more and 50% by mass or less. The solid content is composed of catalyst material-supported particles and a polymer electrolyte. If the content of catalyst material-supported particles is increased in the solid content, the viscosity increases even with the same solid content. On the other hand, when the content of the catalyst substance-supporting particles is reduced in the solid content, the viscosity is lowered even with the same solid content. Therefore, the ratio of the catalyst substance-supporting particles in the solid content is preferably 10% by mass or more and 80% by mass or less. Further, the viscosity of the catalyst ink is preferably about 0.1 cP to 500 cP (0.0001 Pa · s to 0.5 Pa · s), preferably 5 cP to 100 cP (0.005 Pa · s to 0.1 Pa · s). Is more preferable. Further, the viscosity can be controlled by adding a dispersing agent when the catalyst ink is dispersed.

また、触媒インクに造孔剤が含まれていても良い。造孔剤は、電極触媒層の形成後に除去することで、細孔を形成することができる。酸やアルカリ、水に溶ける物質や、ショウノウ等の昇華する物質、熱分解する物質等を挙げることができる。造孔剤が、温水で溶ける物質であれば、発電時に発生する水で取り除いても良い。   Further, the catalyst ink may contain a pore forming agent. By removing the pore-forming agent after the formation of the electrode catalyst layer, pores can be formed. Examples include substances that are soluble in acids, alkalis, and water, substances that sublime such as camphor, and substances that thermally decompose. If the pore-forming agent is a substance that is soluble in warm water, it may be removed with water generated during power generation.

酸やアルカリ、水に溶ける造孔剤としては、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、酸化マグネシウム等の酸可溶性無機塩類、アルミナ、シリカゲル、シリカゾル等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、鉄等の酸又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等の水溶性無機塩類、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール等の水溶性有機化合物類等が挙げられる。また、上述した造孔剤は1種単独であるいは2種以上を組み合わせて用いても良いが、2種以上を組み合わせて用いることが好ましい。
触媒インクを基材上に塗布する塗布方法としては、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等を採用することができる。
Examples of pore-forming agents that are soluble in acids, alkalis 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, 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, monosodium phosphate, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol Water-soluble organic compounds such as Moreover, although the pore former mentioned above may be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types, it is preferable to use in combination of 2 or more types.
As a coating method for coating the catalyst ink on the substrate, a doctor blade method, a dipping method, a screen printing method, a roll coating method, or the like can be employed.

電極触媒層2,3の製造に用いる基材としては、転写シートを用いることができる。
基材として用いられる転写シートとしては、転写性が良い材質であれば良く、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)等のフッ素系樹脂を用いることができる。また、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等の高分子シート、高分子フィルムを転写シートとして用いることができる。また、基材として転写シートを用いた場合には、高分子電解質膜1に溶媒除去後の塗膜である電極膜を接合した後に転写シートを剥離し、高分子電解質膜1の両面に電極触媒層2,3を備える膜電極接合体11とすることができる。
A transfer sheet can be used as a base material used for manufacturing the electrode catalyst layers 2 and 3.
The transfer sheet used as the substrate may be any material having good transferability. For example, ethylene tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroper Fluorocarbon resins such as fluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA) and polytetrafluoroethylene (PTFE) can be used. In addition, polyimide, polyethylene terephthalate, polyamide (nylon), polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyetherimide, polyarylate, polyethylene naphthalate, polymer sheets and polymer films are transferred. It can be used as a sheet. When a transfer sheet is used as the substrate, the electrode sheet, which is a coating film after removal of the solvent, is bonded to the polymer electrolyte membrane 1, and then the transfer sheet is peeled off. The electrode catalyst is formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1. It can be set as the membrane electrode assembly 11 provided with the layers 2 and 3.

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、ガス拡散層4,5として、カーボンクロス、カーボンペーパー、不織布等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10(10a,10b)としては、カーボンタイプあるいは金属タイプのもの等を用いることができる。なお、ガス拡散層4,5とセパレータ10(10a,10b)はそれぞれ一体構造となっていても良い。また、セパレータ10(10a,10b)もしくは電極触媒層2,3が、ガス拡散層4,5の機能を果たす場合は、ガス拡散層4,5は省略しても良い。固体高分子形燃料電池12は、ガス供給装置、冷却装置等、その他付随する装置を組み立てることにより製造することができる。
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 gas diffusion layers 4 and 5.
As the separator 10 (10a, 10b), a carbon type or a metal type can be used. The gas diffusion layers 4 and 5 and the separators 10 (10a and 10b) may each have an integral structure. Further, when the separator 10 (10a, 10b) or the electrode catalyst layers 2, 3 fulfills the function of the gas diffusion layers 4, 5, the gas diffusion layers 4, 5 may be omitted. The polymer electrolyte fuel cell 12 can be manufactured by assembling other accompanying devices such as a gas supply device and a cooling device.

以下に、本実施形態における固体高分子形燃料電池用電極触媒層の製造方法について具体的な実施例及び比較例を挙げて説明するが、本実施形態は下記の実施例及び比較例によって制限されるものではない。
<実施例1>
〔触媒インクの調整〕
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(商品名:Nafion(登録商標)、デュポン社製)とを溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで分散処理を行った。このとき、分散時間を30分間とし、触媒インクを調整した。調整した触媒インクの出発原料の組成比は、カーボン担体:高分子電解質を質量比で1:1とした。触媒インクの溶媒は、超純水と1−プロパノールを体積比で1:1とした。また、触媒インクにおける固形分含有量は10質量%とした。
Hereinafter, the method for producing an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to this embodiment will be described with reference to specific examples and comparative examples. However, this embodiment is limited by the following examples and comparative examples. It is not something.
<Example 1>
[Adjustment of catalyst ink]
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 (trade name: Nafion (registered trademark), manufactured by DuPont) are used as solvents. The mixture was mixed and dispersed with a planetary ball mill. At this time, the dispersion time was set to 30 minutes, and the catalyst ink was adjusted. The composition ratio of the starting material of the prepared catalyst ink was 1: 1 by mass ratio of carbon carrier: polymer electrolyte. The solvent of the catalyst ink was 1: 1 by volume ratio of ultrapure water and 1-propanol. The solid content in the catalyst ink was 10% by mass.

〔基材〕
転写シートである、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シートを基材として用いた。
〔基材上への電極触媒層の形成方法〕
ドクターブレード法により、上述したようにして調整した触媒インクを基材上に塗布し、大気雰囲気中80℃で乾燥させた。触媒インクの塗布量は、燃料極(アノード)となる電極触媒層では白金担持量0.1mg/cmとし、空気極(カソード)となる電極触媒層では白金担持量0.3mg/cmとなるようにそれぞれ調整した。
〔Base material〕
A polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet, which is a transfer sheet, was used as a substrate.
[Method for forming electrode catalyst layer on substrate]
The catalyst ink prepared as described above was applied onto the substrate by the doctor blade method, and dried at 80 ° C. in an air atmosphere. The amount of catalyst ink applied was 0.1 mg / cm 2 for the platinum supported amount in the electrode catalyst layer serving as the fuel electrode (anode), and 0.3 mg / cm 2 for the platinum supported amount in the electrode catalyst layer serving as the air electrode (cathode). Each was adjusted to be.

〔膜電極接合体の作製〕
アノードとなる電極触媒層と、カソードとなる電極触媒層を形成した基材を5cm×2.5cmにそれぞれ打ち抜いた。高分子電解質膜(商品名:Nafion(登録商標)、デュポン社製)上に、第1の電極触媒部をガスの入口側に、第2の電極触媒部をガスの出口側に配置し、5cm×5cmの電極触媒層となるように転写した。第1の電極触媒部は、転写温度130℃、転写圧力9.0×10Paの条件で転写して形成した。また、第2の電極触媒部の形成は、転写温度130℃、転写圧力4.0×106Paの条件で転写して形成した。
転写温度130℃、転写圧力9.0×10Paの条件で熱処理した第1の電極触媒部と、転写温度130℃、転写圧力4.0×10Paの条件で熱処理した第2の電極触媒部の細孔容積の測定を水銀ポロシメータで行った。その結果、ガスの入口側に設けた第1の電極触媒部の円筒近似による換算での直径1.0μm以下の細孔容積よりも、ガスの出口側に設けた第2の電極触媒部の円筒近似による換算での直径1.0μm以下の細孔容積が大きくなり、その差は0.14mL/gであった。
[Production of membrane electrode assembly]
The base material on which the electrode catalyst layer to be the anode and the electrode catalyst layer to be the cathode were formed was each punched out to 5 cm × 2.5 cm. On the polymer electrolyte membrane (trade name: Nafion (registered trademark), manufactured by DuPont), the first electrode catalyst part is disposed on the gas inlet side, and the second electrode catalyst part is disposed on the gas outlet side. It transferred so that it might become a 5 cm electrode catalyst layer. The first electrode catalyst part was formed by transfer under conditions of a transfer temperature of 130 ° C. and a transfer pressure of 9.0 × 10 6 Pa. The second electrode catalyst part was formed by transfer under conditions of a transfer temperature of 130 ° C. and a transfer pressure of 4.0 × 10 6 Pa.
A first electrode catalyst portion heat-treated at a transfer temperature of 130 ° C. and a transfer pressure of 9.0 × 10 6 Pa, and a second electrode heat-treated at a transfer temperature of 130 ° C. and a transfer pressure of 4.0 × 10 6 Pa The pore volume of the catalyst part was measured with a mercury porosimeter. As a result, the cylinder of the second electrode catalyst portion provided on the gas outlet side is smaller than the pore volume of 1.0 μm or less in diameter in terms of the cylinder approximation of the first electrode catalyst portion provided on the gas inlet side. The pore volume with a diameter of 1.0 μm or less in terms of approximation increased, and the difference was 0.14 mL / g.

<実施例2>
〔触媒インクの調整〕
実施例1の触媒インクと同様に調整した。
〔基材〕
実施例1の基材と同様にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シートを用いた。
〔基材上への電極触媒層の形成方法〕
実施例1の電極触媒層と同様に、アノードとなる電極触媒層と、カソードとなる電極触媒層を形成した。
<Example 2>
[Adjustment of catalyst ink]
The same adjustment as that of the catalyst ink of Example 1 was performed.
〔Base material〕
A polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet was used in the same manner as the base material of Example 1.
[Method for forming electrode catalyst layer on substrate]
Similar to the electrode catalyst layer of Example 1, an electrode catalyst layer serving as an anode and an electrode catalyst layer serving as a cathode were formed.

〔膜電極接合体の作製〕
アノードとなる電極触媒層と、カソードとなる電極触媒層を形成した基材を5cm×2.5cmにそれぞれ打ち抜いた。高分子電解質膜(商品名:Nafion(登録商標)、デュポン社製)上に、第1の電極触媒部をガスの入口側に、第2の電極触媒部をガスの出口側に配置し、5cm×5cmの電極触媒層となるように転写した。第1の電極触媒部は、転写温度140℃、転写圧力4.0×10Paの条件で転写して形成した。また、第2の電極触媒部は、転写温度130℃、転写圧力4.0×10Paの条件で転写して形成した。
転写温度140℃、転写圧力4.0×10Paの条件で熱処理した第1の電極触媒部と、転写温度130℃、転写圧力4.0×10Paの条件で熱処理した第2の電極触媒部の細孔容積の測定を水銀ポロシメータで行った。その結果、ガスの入口側に設けた第1の電極触媒部の円筒近似による換算での直径1.0μm以下の細孔容積よりも、ガスの出口側に設けた第2の電極触媒部の円筒近似による換算での直径1.0μm以下の細孔容積が大きくなり、その差は0.17mL/gであった。
[Production of membrane electrode assembly]
The base material on which the electrode catalyst layer to be the anode and the electrode catalyst layer to be the cathode were formed was each punched out to 5 cm × 2.5 cm. On the polymer electrolyte membrane (trade name: Nafion (registered trademark), manufactured by DuPont), the first electrode catalyst part is disposed on the gas inlet side, and the second electrode catalyst part is disposed on the gas outlet side. It transferred so that it might become a 5 cm electrode catalyst layer. The first electrode catalyst part was formed by transfer under conditions of a transfer temperature of 140 ° C. and a transfer pressure of 4.0 × 10 6 Pa. Further, the second electrode catalyst part was formed by transfer under conditions of a transfer temperature of 130 ° C. and a transfer pressure of 4.0 × 10 6 Pa.
A first electrode catalyst portion heat-treated at a transfer temperature of 140 ° C. and a transfer pressure of 4.0 × 10 6 Pa, and a second electrode heat-treated at a transfer temperature of 130 ° C. and a transfer pressure of 4.0 × 10 6 Pa The pore volume of the catalyst part was measured with a mercury porosimeter. As a result, the cylinder of the second electrode catalyst portion provided on the gas outlet side is smaller than the pore volume of 1.0 μm or less in diameter in terms of the cylinder approximation of the first electrode catalyst portion provided on the gas inlet side. The pore volume with a diameter of 1.0 μm or less in terms of approximation increased, and the difference was 0.17 mL / g.

<比較例>
〔触媒インクの調整〕
実施例1及び実施例2の触媒インクと同様に調整した。
〔基材〕
実施例1及び実施例2の基材と同様にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シートを用いた。
〔基材上への電極触媒層の形成方法〕
実施例1及び実施例2の電極触媒層と同様に、アノードとなる電極触媒層と、カソードとなる電極触媒層を形成した。
〔膜電極接合体の作製〕
電極触媒部を形成した基材を25cm(5cm×5cm)の正方形に打ち抜き、高分子電解質膜の両面に対面するように電極触媒部を配置させ、転写温度130℃、転写圧力4.0×10Paの条件で転写して膜電極接合体を得た。すなわち、ガスの上流側と下流側の電極触媒層との間に細孔容積の違いを形成しなかった。
<Comparative example>
[Adjustment of catalyst ink]
The catalyst inks of Examples 1 and 2 were prepared in the same manner.
〔Base material〕
A polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet was used in the same manner as the base materials of Example 1 and Example 2.
[Method for forming electrode catalyst layer on substrate]
Similar to the electrode catalyst layers of Example 1 and Example 2, an electrode catalyst layer to be an anode and an electrode catalyst layer to be a cathode were formed.
[Production of membrane electrode assembly]
The base material on which the electrode catalyst part is formed is punched into a 25 cm 2 (5 cm × 5 cm) square, the electrode catalyst part is disposed so as to face both surfaces of the polymer electrolyte membrane, a transfer temperature of 130 ° C., and a transfer pressure of 4.0 ×. The film was transferred under the condition of 10 6 Pa to obtain a membrane electrode assembly. In other words, no difference in pore volume was formed between the gas catalyst upstream and downstream electrode catalyst layers.

<評価>
〔発電特性〕
実施例及び比較例で作製した膜電極接合体を挟持するように、ガス拡散層として用いるカーボンペーパーを貼りあわせ、発電評価セル内に設置した。燃料電池測定装置を用いて、セル温度80℃とし、以下に示す2つの運転条件で電流電圧測定を行った。燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を用い、利用率一定による流量制御を行った。なお、背圧は100kPaとした。
〔運転条件〕
1.フル加湿:相対湿度 アノード100%RH、カソード100%RH
2.低加湿:相対湿度 アノード30%RH、カソード30%RH
<Evaluation>
[Power generation characteristics]
Carbon paper used as a gas diffusion layer was bonded and placed in a power generation evaluation cell so as to sandwich the membrane electrode assemblies produced in Examples and Comparative Examples. Using the fuel cell measurement device, the cell voltage was set to 80 ° C., and current voltage measurement was performed under the following two operating conditions. Hydrogen was used as the fuel gas and air was used as the oxidant gas, and the flow rate was controlled at a constant utilization rate. The back pressure was 100 kPa.
[Operating conditions]
1. Full humidification: relative humidity anode 100% RH, cathode 100% RH
2. Low humidification: Relative humidity Anode 30% RH, Cathode 30% RH

〔測定結果〕
実施例1及び実施例2で作製した膜電極接合体は、比較例で作製した膜電極接合体よりも、低加湿の運転条件下で優れた発電性能を示した。また、実施例1及び実施例2で作製した膜電極接合体は、低加湿の運転条件下においても、フル加湿の運転条件下と同等レベルの発電性能であった。特に電流密度0.5A/cm付近の発電性能が向上した。実施例1で作製した膜電極接合体の電流密度0.5A/cmにおけるセル電圧は、比較例で作製した膜電極接合体の電流密度0.5A/cmにおけるセル電圧と比べて72mV高い発電特性を示した。また、実施例2で作製した膜電極接合体の電流密度0.5A/cmにおけるセル電圧は、比較例で作製した膜電極接合体の電流密度0.5A/cmにおけるセル電圧と比べて53mV高い発電特性を示した。実施例1及び実施例2で作製した膜電極接合体と、比較例で作製した膜電極接合体との発電特性の結果から、ガスの入口側に設けた第1の電極触媒部の細孔容積の値よりも、ガスの出口側に設けた第2の電極触媒部の細孔容積の値を大きくした膜電極接合体は保水性が高まり、低加湿の運転条件下における発電特性が、フル加湿の運転条件下と同等の発電特性を示すことが確認された。
〔Measurement result〕
The membrane / electrode assembly produced in Example 1 and Example 2 exhibited better power generation performance under low humidification operating conditions than the membrane / electrode assembly produced in Comparative Example. Moreover, the membrane electrode assembly produced in Example 1 and Example 2 had the same level of power generation performance as in the fully humidified operating condition even under the low humidified operating condition. In particular, the power generation performance near a current density of 0.5 A / cm 2 was improved. The cell voltage at a current density of 0.5 A / cm 2 of the membrane electrode assembly produced in Example 1 is 72 mV higher than the cell voltage at a current density of 0.5 A / cm 2 of the membrane electrode assembly produced in Comparative Example. The power generation characteristics are shown. Further, the cell voltage at a current density of 0.5A / cm 2 of the membrane electrode assembly fabricated in Example 2, as compared with the cell voltage at a current density of 0.5A / cm 2 of the membrane electrode assembly produced in Comparative Example The power generation characteristic was 53 mV higher. From the results of power generation characteristics of the membrane electrode assemblies produced in Example 1 and Example 2 and the membrane electrode assemblies produced in Comparative Examples, the pore volume of the first electrode catalyst portion provided on the gas inlet side The membrane electrode assembly in which the pore volume value of the second electrode catalyst portion provided on the gas outlet side is larger than the value of the above value increases the water retention, and the power generation characteristics under the low humidifying operation conditions are fully humidified. It was confirmed that the power generation characteristics were the same as those under the operating conditions.

また、フル加湿の運転条件下では、実施例1で作製した膜電極接合体の電流密度0.5A/cmにおけるセル電圧は、比較例で作製した膜電極接合体の電流密度0.5A/cmにおけるセル電圧と比べて38mV高い発電特性を示した。また、実施例2で作製した膜電極接合体の電流密度0.5A/cmにおけるセル電圧は、比較例で作製した膜電極接合体の電流密度0.5A/cmにおけるセル電圧と比べて29mV高い発電特性を示した。実施例1及び実施例2で作製した膜電極接合体と、比較例で作製した膜電極接合体との発電特性の結果から、反応ガスの拡散性、電極反応で生成した水の除去等を阻害していないことが確認された。 Moreover, under the full humidification operation conditions, the cell voltage at the current density of 0.5 A / cm 2 of the membrane electrode assembly produced in Example 1 was 0.5 A / cm. The power generation characteristics were 38 mV higher than the cell voltage at cm 2 . Further, the cell voltage at a current density of 0.5A / cm 2 of the membrane electrode assembly fabricated in Example 2, as compared with the cell voltage at a current density of 0.5A / cm 2 of the membrane electrode assembly produced in Comparative Example The power generation characteristic was 29 mV higher. From the results of the power generation characteristics of the membrane electrode assembly produced in Example 1 and Example 2 and the membrane electrode assembly produced in Comparative Example, the diffusibility of the reaction gas, the removal of water generated by the electrode reaction, etc. are inhibited. It was confirmed that they did not.

<まとめ>
本実施形態は、低加湿条件下で高い発電特性を示す膜電極接合体とその製造方法及びその膜電極接合体を備えてなる固体高分子形燃料電池に関するものである。
本実施形態に係る膜電極接合体は、高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟持した膜電極接合体である。ここで、少なくとも一方の電極触媒層は、第1の電極触媒部と、高分子電解質膜の平面方向において第1の電極触媒部に隣接する第2の電極触媒部との少なくとも2つに分割されている。そして、第2の電極触媒部の直径1.0μm以下の細孔容積の値が、第1の電極触媒部の直径1.0μm以下の細孔容積の値よりも大きくなっている。
<Summary>
The present embodiment relates to a membrane electrode assembly that exhibits high power generation characteristics under low humidification conditions, a method for manufacturing the membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell including the membrane electrode assembly.
The membrane electrode assembly according to the present embodiment is a membrane electrode assembly in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode catalyst layers. Here, at least one of the electrode catalyst layers is divided into at least two parts: a first electrode catalyst part and a second electrode catalyst part adjacent to the first electrode catalyst part in the planar direction of the polymer electrolyte membrane. ing. And the value of the pore volume of 1.0 μm or less in diameter of the second electrode catalyst part is larger than the value of the pore volume of 1.0 μm or less in diameter of the first electrode catalyst part.

上述した膜電極接合体の製造方法は、触媒インクを作製する工程と、触媒インクを基材上に塗布して電極膜を形成する工程と、電極膜を高分子電解質膜に転写して第1の電極触媒層を形成する工程と、電極膜を高分子電解質膜に転写して第2の電極触媒層を形成する工程とを有する。また、いずれかの電極触媒層形成時において、第1の電極触媒部形成時における転写圧力と、第2の電極触媒部形成時における転写圧力との比率を、1:0.2以上1:0.8以下の範囲内としている。また、第1の電極触媒部形成時における転写温度と、第2の電極触媒部形成時における転写温度の差を2℃以上20℃以下の範囲内としている。   The above-described method for manufacturing a membrane electrode assembly includes a step of producing a catalyst ink, a step of applying the catalyst ink on a substrate to form an electrode film, and transferring the electrode film to a polymer electrolyte membrane. Forming an electrode catalyst layer, and transferring the electrode film to a polymer electrolyte membrane to form a second electrode catalyst layer. In addition, when any one of the electrode catalyst layers is formed, the ratio of the transfer pressure when the first electrode catalyst part is formed to the transfer pressure when the second electrode catalyst part is formed is 1: 0.2 or more and 1: 0. Within the range of .8 or less. Further, the difference between the transfer temperature at the time of forming the first electrode catalyst portion and the transfer temperature at the time of forming the second electrode catalyst portion is set in the range of 2 ° C. or more and 20 ° C. or less.

また、本実施形態に係る膜電極接合体の製造方法で製造された膜電極接合体は、第2の電極触媒部の直径1.0μm以下の細孔容積の値が、水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算値で、前記第1の電極触媒部の直径1.0μm以下の細孔容積の値よりも大きくなるように第1及び第2の電極触媒部が形成されている。さらに、本実施形態に係る膜電極接合体の製造方法で製造された膜電極接合体は、第2の電極触媒部の直径1.0μm以下の細孔容積と、第1の電極触媒部の直径1.0μm以下の細孔容積との差が、水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算値で、0.1mL/g以上1.0mL/g以下となるように第1及び第2の電極触媒部が形成されている。
また、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池は、上述の膜電極接合体を備えている。
Further, in the membrane electrode assembly manufactured by the method for manufacturing the membrane electrode assembly according to the present embodiment, the value of the pore volume of the second electrode catalyst portion having a diameter of 1.0 μm or less is obtained by the mercury intrusion method. The first and second electrode catalyst portions are formed so as to be larger than the value of the pore volume of the first electrode catalyst portion having a diameter of 1.0 μm or less by a conversion value obtained by approximating the pores to a cylinder. Furthermore, the membrane electrode assembly manufactured by the method for manufacturing a membrane electrode assembly according to the present embodiment has a pore volume of a diameter of 1.0 μm or less of the second electrode catalyst part and a diameter of the first electrode catalyst part. The first and second so that the difference from the pore volume of 1.0 μm or less is 0.1 mL / g or more and 1.0 mL / g or less as a converted value by cylindrical approximation of the pores obtained by the mercury intrusion method. The electrode catalyst part is formed.
Moreover, the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment includes the above-described membrane electrode assembly.

このため、本実施形態に係る膜電極接合体の製造方法で製造された膜電極接合体は、電極反応で生成した水の除去等を阻害せずに保水性を高め、低加湿条件下でも高い発電特性を示す。また、本実施形態に係る膜電極接合体の製造方法は、上述したような膜電極接合体を効率良く経済的に容易に製造することができる。
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、実際には、上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の変更があっても本発明に含まれる。
For this reason, the membrane / electrode assembly manufactured by the method for manufacturing a membrane / electrode assembly according to the present embodiment increases water retention without hindering removal of water generated by the electrode reaction, and is high even under low humidification conditions. The power generation characteristics are shown. Moreover, the manufacturing method of the membrane electrode assembly which concerns on this embodiment can manufacture the above membrane electrode assembly efficiently efficiently easily.
As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail, actually, it is not restricted to said embodiment, Even if there is a change of the range which does not deviate from the summary of this invention, it is included in this invention.

1…高分子電解質膜
2…電極触媒層
2a…第1の電極触媒部
2b…第2の電極触媒部
3…電極触媒層
3a…第1の電極触媒部
3b…第2の電極触媒部
4…ガス拡散層
5…ガス拡散層
6…空気極(カソード)
7…燃料極(アノード)
8,8a,8b…ガス流路
9,9a,9b…冷却水流路
10,10a,10b…セパレータ
11…膜電極接合体
12…固体高分子形燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Polymer electrolyte membrane 2 ... Electrode catalyst layer 2a ... 1st electrode catalyst part 2b ... 2nd electrode catalyst part 3 ... Electrode catalyst layer 3a ... 1st electrode catalyst part 3b ... 2nd electrode catalyst part 4 ... Gas diffusion layer 5 ... Gas diffusion layer 6 ... Air electrode (cathode)
7. Fuel electrode (anode)
8, 8a, 8b ... gas flow paths 9, 9a, 9b ... cooling water flow paths 10, 10a, 10b ... separator 11 ... membrane electrode assembly 12 ... polymer electrolyte fuel cell

Claims (8)

高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟持した膜電極接合体の製造方法であって、
触媒インクを作製する触媒インク作製工程と、
前記触媒インク作製工程で作製した前記触媒インクを基材に塗布して、前記基材上に前記電極触媒層となる電極膜を形成する電極膜形成工程と、
前記電極膜を高分子電解質膜の一方の面に加圧しながら転写して、一方の前記電極触媒層を形成する第1の電極触媒層形成工程と、
前記電極膜を前記高分子電解質膜の他方の面に加圧しながら転写して、他方の前記電極触媒層を形成する第2の電極触媒層形成工程と、
を備え、
前記第1の電極触媒層形成工程又は前記第2の電極触媒層形成工程のうちの少なくとも一方において、前記電極膜を前記高分子電解質膜に加圧しながら転写して第1の電極触媒部を形成し、かつ前記電極膜を前記第1の電極触媒部形成時よりも低い圧力で加圧しながら前記高分子電解質膜の平面方向において前記第1の電極触媒部に隣接する位置に転写して、第2の電極触媒部を形成する
膜電極接合体の製造方法。
A method for producing a membrane electrode assembly in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode catalyst layers,
A catalyst ink production process for producing a catalyst ink;
An electrode film forming step of applying the catalyst ink prepared in the catalyst ink preparation step to a substrate and forming an electrode film to be the electrode catalyst layer on the substrate;
A first electrode catalyst layer forming step of transferring the electrode film while applying pressure to one surface of the polymer electrolyte membrane to form one of the electrode catalyst layers;
A second electrode catalyst layer forming step of transferring the electrode film to the other surface of the polymer electrolyte membrane while applying pressure to form the other electrode catalyst layer;
With
In at least one of the first electrode catalyst layer forming step and the second electrode catalyst layer forming step, the electrode membrane is transferred to the polymer electrolyte membrane while being pressed to form the first electrode catalyst portion. And transferring the electrode membrane to a position adjacent to the first electrode catalyst portion in the planar direction of the polymer electrolyte membrane while pressurizing the electrode membrane at a pressure lower than that at the time of forming the first electrode catalyst portion, A method for producing a membrane electrode assembly, wherein the electrode catalyst part of 2 is formed.
前記第1の電極触媒部形成時における転写圧力と、前記第2の電極触媒部形成時における転写圧力との比率が、1:0.2以上1:0.8以下の範囲内にある請求項1に記載の膜電極接合体の製造方法。   The ratio between the transfer pressure at the time of forming the first electrode catalyst portion and the transfer pressure at the time of forming the second electrode catalyst portion is in the range of 1: 0.2 to 1: 0.8. 2. A method for producing a membrane electrode assembly according to 1. 高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟持した膜電極接合体の製造方法であって、
触媒インクを作製する触媒インク作製工程と、
前記触媒インク作製工程で作製した前記触媒インクを基材に塗布して、前記基材上に第1の電極触媒層又は第2の電極触媒層となる電極膜を形成する電極膜形成工程と、
前記電極膜を高分子電解質膜の一方の面に加熱しながら転写して、一方の前記電極触媒層を形成する第1の電極触媒層形成工程と、
前記電極膜を前記高分子電解質膜の他方の面に加熱しながら転写して、他方の前記電極触媒層を形成する第2の電極触媒層形成工程と、
を備え、
前記第1の電極触媒層形成工程又は前記第2の電極触媒層形成工程のうちの少なくとも一方において、前記電極膜を加熱しながら前記高分子電解質膜に転写して第1の電極触媒部を形成し、かつ前記電極膜を前記第1の電極触媒部形成時よりも低い温度で加熱しながら前記高分子電解質膜の平面方向において前記第1の電極触媒部に隣接する位置に転写して、第2の電極触媒部を形成する
膜電極接合体の製造方法。
A method for producing a membrane electrode assembly in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode catalyst layers,
A catalyst ink production process for producing a catalyst ink;
An electrode film forming step in which the catalyst ink prepared in the catalyst ink preparation step is applied to a base material to form an electrode film to be a first electrode catalyst layer or a second electrode catalyst layer on the base material;
A first electrode catalyst layer forming step of transferring the electrode film to one surface of the polymer electrolyte membrane while heating to form one of the electrode catalyst layers;
A second electrode catalyst layer forming step of transferring the electrode film to the other surface of the polymer electrolyte membrane while heating and forming the other electrode catalyst layer;
With
In at least one of the first electrode catalyst layer forming step and the second electrode catalyst layer forming step, the electrode film is transferred to the polymer electrolyte membrane while being heated to form the first electrode catalyst portion. And transferring the electrode film to a position adjacent to the first electrode catalyst part in the plane direction of the polymer electrolyte membrane while heating the electrode film at a temperature lower than that at the time of forming the first electrode catalyst part, A method for producing a membrane electrode assembly, wherein the electrode catalyst part of 2 is formed.
前記第1の電極触媒部形成時における転写温度と、前記第2の電極触媒部形成時における転写温度との差が、2℃以上20℃以下の範囲内にある請求項3に記載の膜電極接合体の製造方法。   4. The membrane electrode according to claim 3, wherein a difference between a transfer temperature at the time of forming the first electrode catalyst portion and a transfer temperature at the time of forming the second electrode catalyst portion is in a range of 2 ° C. or more and 20 ° C. or less. Manufacturing method of joined body. 高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟持する一対の電極触媒層と、
を備え、
少なくとも一方の前記電極触媒層は、第1の電極触媒部と、前記高分子電解質膜の平面方向において前記第1の電極触媒部に隣接する第2の電極触媒部とを有し、
前記第2の電極触媒部の直径1.0μm以下の細孔容積の値が、水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算値で、前記第1の電極触媒部の直径1.0μm以下の細孔容積の値よりも大きくなっている
膜電極接合体。
A polymer electrolyte membrane;
A pair of electrode catalyst layers sandwiching the polymer electrolyte membrane;
With
At least one of the electrode catalyst layers has a first electrode catalyst part and a second electrode catalyst part adjacent to the first electrode catalyst part in the planar direction of the polymer electrolyte membrane,
The value of the pore volume of the second electrode catalyst portion having a diameter of 1.0 μm or less is a conversion value obtained by approximating the pore cylinder obtained by mercury porosimetry, and the diameter of the first electrode catalyst portion is 1.0 μm or less. A membrane electrode assembly having a pore volume larger than that of the membrane electrode assembly.
前記第2の電極触媒部の直径1.0μm以下の細孔容積と、前記第1の電極触媒部の直径1.0μm以下の細孔容積の値との差が、水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算値で、0.1mL/g以上1.0mL/g以下である、請求項5に記載の膜電極接合体。   The difference between the pore volume of the second electrode catalyst portion having a diameter of 1.0 μm or less and the value of the pore volume of the first electrode catalyst portion having a diameter of 1.0 μm or less is a fine value determined by a mercury intrusion method. The membrane electrode assembly according to claim 5, which is a conversion value by cylindrical approximation of the hole and is 0.1 mL / g or more and 1.0 mL / g or less. 請求項5又は6に記載の膜電極接合体を備える、固体高分子形燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 5. 前記膜電極接合体を挟持し、前記電極触媒層に対してガスを供給するガス流路を有する一対のセパレータを備え、
前記第1の電極触媒部は、前記ガス流路の上流側に位置し、前記第2の電極触媒部は、前記ガス流路の下流側に位置する、請求項7に記載の固体高分子形燃料電池。
A pair of separators having a gas flow path for sandwiching the membrane electrode assembly and supplying gas to the electrode catalyst layer;
The solid polymer form according to claim 7, wherein the first electrode catalyst part is located upstream of the gas flow path, and the second electrode catalyst part is located downstream of the gas flow path. Fuel cell.
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