JP2018060715A - Method for manufacturing membrane-electrode assembly, 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 which has a high power-generation property even under a low-humidification condition, which can increase the diffusibility of reactive gas, and which can enhance a water retention property without interfering with the removal of water produced by an electrode reaction etc.SOLUTION: A membrane-electrode assembly comprises: a polymer electrolyte membrane 1; and a pair of electrode catalyst layers 2, 3 holding the polymer electrolyte membrane therebetween. In the membrane-electrode assembly, an electrode catalyst layer of at least one of the pair of electrode catalyst layers is provided with at least two electrode catalyst parts consisting of: a first electrode catalyst part 2a (or 3a) provided on a gas inlet side; and a second electrode catalyst part 2b (or 3b) provided on a gas outlet side. The ion exchange capacity of a first polymer electrolyte that a first polymer electrolyte solution in a catalyst ink forming the first electrode catalyst part 2a (or 3a) includes is made larger than that of a second polymer electrolyte that a second polymer electrolyte solution in a catalyst ink forming the second electrode catalyst part 2b(or 3b) includes.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、膜電極接合体の製造方法、膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池に関する。   The present invention relates to a method for producing a membrane electrode assembly, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell.

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、低騒音等の特徴を有し、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 methods, 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等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等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 supporting a catalyst material 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等が挙げられるが、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 in 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電極触媒層の発電性能では不十分であり、発電性能のさらなる向上が望まれている。また、これら電極触媒層は、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。
本発明は上記問題に着目してなされたものであり、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膜電極接合体の製造方法、膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。
However, the power generation performance of the electrode catalyst layer described in these patent documents is insufficient, and further improvement in power generation performance is desired. Further, these electrode catalyst layers have a problem that the production method is complicated and the cost is high.
The present invention has been made paying attention to the above-mentioned problems, and enhances the diffusibility of the reaction gas, enhances the water retention without hindering the removal of water produced by the electrode reaction, and generates high power even under low humidification conditions. It is an object of the present invention to provide a method for producing a membrane electrode assembly, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell.

本発明の一態様によれば、高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟持し、一対の電極触媒層のそれぞれは触媒担持粒子と高分子電解質とを含み、一対の電極触媒層のうち少なくとも一方の電極触媒層は、第一の電極触媒部と、高分子電解質膜の平面方向において第一の電極触媒部に隣接する第二の電極触媒部と、を備えた膜電極接合体の製造方法であって、触媒担持粒子と第一の高分子電解質溶液とを溶媒に分散させた第一の触媒インクを作製し、第一の触媒インクを塗布した後乾燥させて第一の電極触媒部を形成する工程と、触媒担持粒子と、イオン交換容量が、第一の高分子電解質溶液に含まれる第一の高分子電解質のイオン交換容量よりも小さい第二の高分子電解質を含む第二の高分子電解質溶液とを溶媒に分散させた第二の触媒インクを作製し、第二の触媒インクを塗布した後乾燥させて第二の電極触媒部を形成する工程と、を有する膜電極接合体の製造方法、が提供される。   According to one aspect of the present invention, a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode catalyst layers, each of the pair of electrode catalyst layers including catalyst-carrying particles and a polymer electrolyte, and at least of the pair of electrode catalyst layers. One electrode catalyst layer includes a first electrode catalyst portion and a second electrode catalyst portion adjacent to the first electrode catalyst portion in the planar direction of the polymer electrolyte membrane. The first catalyst ink in which the catalyst-supporting particles and the first polymer electrolyte solution are dispersed in a solvent is prepared, and after the first catalyst ink is applied and dried, the first electrode catalyst portion is formed. A second high electrolyte comprising a step of forming, a catalyst-supporting particle, and a second polymer electrolyte having an ion exchange capacity smaller than the ion exchange capacity of the first polymer electrolyte contained in the first polymer electrolyte solution. Second catalyst in which molecular electrolyte solution is dispersed in solvent To produce a method for producing a second catalyst ink and forming a second electrode catalyst portion is dried after coating, the a membrane electrode assembly, are provided.

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有する電極触媒層を備える膜電極接合体を効率良く経済的に且つ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 has high power generation characteristics even under low humidification conditions Membrane / electrode assembly including the above can be produced efficiently, economically and easily.

本発明における膜電極接合体の一例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 an example of the membrane electrode assembly in this invention. 本発明における固体高分子形燃料電池の一例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 an example of the polymer electrolyte fuel cell in this invention.

以下に、本発明の一実施形態を適用した膜電極接合体について図面を参照して説明する。ただし、以下に説明する各図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適宜省略する。また、各図面は説明を容易にするために適宜誇張して表現している。
さらに、本発明の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、各部の材質、形状、構造、配置、寸法等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
Hereinafter, a membrane electrode assembly to which an embodiment of the present invention is applied will be described with reference to the drawings. However, the same reference numerals are given to portions corresponding to each other in the drawings to be described below, and description of the overlapping portions will be omitted as appropriate. Each drawing is exaggerated as appropriate for easy explanation.
Furthermore, the embodiment of the present invention exemplifies a configuration for embodying the technical idea of the present invention, and specifies the material, shape, structure, arrangement, dimensions, etc. of each part as follows. Not. The technical idea of the present invention can be variously modified within the technical scope defined by the claims described in the claims.

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得る。
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。さらに、膜電極接合体11の2つの電極触媒層2、3は、高分子電解質膜1の平面方向に2つの領域に分けられている。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一の電極触媒部2aと、ガスの出口側に位置する第二の電極触媒部2bとを有する。同様に、図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一の電極触媒部3aと、ガスの出口側に位置する第二の電極触媒部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). Further, the two electrode catalyst layers 2 and 3 of the membrane electrode assembly 11 are divided into two regions in the planar direction of the polymer electrolyte membrane 1. More specifically, the electrode catalyst layer 2 shown on the upper side in FIG. 1 has 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. . Similarly, the electrode catalyst layer 3 shown on the lower side in the drawing has 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は、電極触媒層2、3における高分子電解質のイオン交換容量の値が、ガスの入口側に設ける第一の電極触媒部2a(又は3a)よりも、ガスの出口側に設ける第二の電極触媒部2b(又は3b)の方が小さい。言い換えると、ガスの上流側の第一の電極触媒部2a(又は3a)の高分子電解質におけるイオン交換容量の値よりも、ガスの下流側の第二の電極触媒部2b(又は3b)の高分子電解質におけるイオン交換容量の値の方が小さい。   In the membrane electrode assembly 11, the value of the ion exchange capacity of the polymer electrolyte in the electrode catalyst layers 2 and 3 is closer to the gas outlet than the first electrode catalyst portion 2a (or 3a) provided on the gas inlet side. The provided second electrode catalyst part 2b (or 3b) is smaller. In other words, the value of the second electrode catalyst part 2b (or 3b) on the downstream side of the gas is higher than the value of the ion exchange capacity in the polymer electrolyte of the first electrode catalyst part 2a (or 3a) on the upstream side of the gas. The value of the ion exchange capacity in the molecular electrolyte is smaller.

膜電極接合体11では、ガスの入口側に設ける第一の電極触媒部2a(又は3a)の高分子電解質におけるイオン交換容量の値を、ガスの出口側に設ける第二の電極触媒部2b(又は3b)と比較して大きくすることで、ガスの入口側に設ける第一の電極触媒部2a(又は3a)で保水性を高め、ガスの出口側に設ける第二の電極触媒部2b(又は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。したがって、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有するという顕著な効果を奏する。
In the membrane electrode assembly 11, the value of the ion exchange capacity in the polymer electrolyte of the first electrode catalyst part 2a (or 3a) provided on the gas inlet side is set to the second electrode catalyst part 2b (on the gas outlet side). Alternatively, the second electrode catalyst part 2b (or the second electrode catalyst part 2b (or 3a) provided on the gas inlet side can be increased by increasing the water retention by the first electrode catalyst part 2a (or 3a) provided on the gas inlet side. 3b) promotes the removal of water. 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. Therefore, compared with the conventional polymer electrolyte fuel cell provided with the membrane electrode assembly, the polymer electrolyte fuel cell provided with the membrane electrode assembly 11 has a remarkable effect that it has high power generation characteristics even under low humidification conditions. Play.

〔固体高分子形燃料電池〕
次に、本実施形態に係る膜電極接合体11を備えた固体高分子形燃料電池12について説明する。
図2は、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 provided with the membrane electrode assembly 11 according to the present embodiment will be described.
FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing the polymer electrolyte fuel cell 12. 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 gas flow paths 8 (8a, 8b) for gas flow and cooling water flow paths 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.

図2に示す固体高分子形燃料電池12は、一組のセパレータ10a及び10b間に、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とが狭持された単セル構造の燃料電池である。ここでは、固体高分子形燃料電池12として、単セル構造の燃料電池を用いているが、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を構成してもよい。   In the polymer electrolyte fuel cell 12 shown in FIG. 2, a polymer electrolyte membrane 1, two electrode catalyst layers 2, 3 and gas diffusion layers 4 and 5 are sandwiched between a pair of separators 10a and 10b. This is a single-cell fuel cell. Here, a single cell structure fuel cell is used as the polymer electrolyte fuel cell 12, but a polymer electrolyte fuel cell may be configured by stacking a plurality of cells via the separator 10a or 10b. .

〔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。
(第一工程) 触媒を担持した粒子と第一の高分子電解質溶液とを溶媒に分散させ第一の触媒インクを作製する工程及び、触媒を担持した粒子と第二の高分子電解質溶液とを溶媒に分散させ第二の触媒インクを作製する工程
(第二工程) 第一の触媒インクを基材に塗布して乾燥させることにより第一の電極触媒部を形成する工程及び、第二の触媒インクを基材に塗布して乾燥させることにより第二の電極触媒部を形成する工程
(第三工程) 高分子電解質膜の少なくとも一方の面に第一の電極触媒部2a、3a及び第二の電極触媒部2b、3bを形成する工程
なお、第一工程は触媒インクの形成工程に対応し、第二工程は電極触媒層の形成工程に対応し、第三工程は膜電極接合体の形成工程に対応する。
[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.
(First Step) A step of preparing a first catalyst ink by dispersing particles carrying a catalyst and a first polymer electrolyte solution in a solvent; and a particle carrying a catalyst and a second polymer electrolyte solution. Step of producing second catalyst ink by dispersing in solvent (second step) Step of forming first electrode catalyst portion by applying first catalyst ink to substrate and drying, and second catalyst Step of forming second electrode catalyst portion by applying ink to substrate and drying (third step) First electrode catalyst portions 2a, 3a and second electrode catalyst portion on at least one surface of the polymer electrolyte membrane Step of forming electrode catalyst parts 2b and 3b The first step corresponds to the step of forming the catalyst ink, the second step corresponds to the step of forming the electrode catalyst layer, and the third step is the step of forming the membrane electrode assembly Corresponding to

第一工程における触媒インクの作製工程において、第一の触媒インクにおける第一の高分子電解質溶液に含まれる第一の高分子電解質のイオン交換容量は、第二の触媒インクにおける第二の高分子電解質溶液に含まれる第二の高分子電解質のイオン交換容量よりも大きい。このようにすることによって、第二工程における電極触媒層の形成工程により形成される第一の電極触媒部2a、3aの高分子電解質のイオン交換容量は、第二の電極触媒部2b、3bの高分子電解質のイオン交換容量よりも大きくなる。その結果、第一の電極触媒部2a、3aは、低加湿条件下でも電極反応で生成した水を保持することができる。また、第二の電極触媒部2b、3bの高分子電解質のイオン交換容量が、第一の電極触媒部2a、3aの高分子電解質のイオン交換容量よりも小さくなることで、反応ガスの拡散性を高めることができる。   In the preparation process of the catalyst ink in the first step, the ion exchange capacity of the first polymer electrolyte contained in the first polymer electrolyte solution in the first catalyst ink is the second polymer in the second catalyst ink. It is larger than the ion exchange capacity of the second polymer electrolyte contained in the electrolyte solution. By doing in this way, the ion exchange capacity of the polymer electrolyte of the first electrode catalyst parts 2a and 3a formed by the formation process of the electrode catalyst layer in the second process is the same as that of the second electrode catalyst parts 2b and 3b. It becomes larger than the ion exchange capacity of the polymer electrolyte. As a result, the first electrode catalyst parts 2a and 3a can retain water generated by the electrode reaction even under low humidification conditions. Further, the ion exchange capacity of the polymer electrolyte of the second electrode catalyst parts 2b and 3b is smaller than the ion exchange capacity of the polymer electrolyte of the first electrode catalyst parts 2a and 3a, so that the diffusibility of the reaction gas is increased. Can be increased.

第一工程における第一の高分子電解質溶液に含まれる第一の高分子電解質のイオン交換容量は、0.9meq/g以上3.0meq/g以下の範囲内であることが好ましい。第一の高分子電解質のイオン交換容量が0.9meq/gに満たない場合は、第一の電極触媒部の高分子電解質における水の保持が困難となり、触媒活性が低下する場合がある。また、第一の高分子電解質のイオン交換容量が3.0meq/gを超える場合は、第一の電極触媒部の高分子電解質が水を過剰に保持し、反応ガスの拡散性の確保が困難となる場合がある。   The ion exchange capacity of the first polymer electrolyte contained in the first polymer electrolyte solution in the first step is preferably in the range of 0.9 meq / g to 3.0 meq / g. When the ion exchange capacity of the first polymer electrolyte is less than 0.9 meq / g, it is difficult to retain water in the polymer electrolyte of the first electrode catalyst part, and the catalyst activity may be reduced. In addition, when the ion exchange capacity of the first polymer electrolyte exceeds 3.0 meq / g, the polymer electrolyte in the first electrode catalyst part holds excessive water, and it is difficult to ensure the diffusibility of the reaction gas. It may become.

第一工程における第二の高分子電解質溶液に含まれる第二の高分子電解質のイオン交換容量は、0.8meq/g以上2.8meq/g以下の範囲内であることが好ましい。第二の高分子電解質のイオン交換容量が0.8meq/gに満たない場合は、第二の電極触媒部の高分子電解質における水の保持が困難となり、触媒活性が低下する場合がある。また、第二の高分子電解質のイオン交換容量が2.8meq/gを超える場合は、第二の電極触媒部の高分子電解質が水を過剰に保持し、反応ガスの拡散性の確保が困難となる場合がある。   The ion exchange capacity of the second polymer electrolyte contained in the second polymer electrolyte solution in the first step is preferably within the range of 0.8 meq / g to 2.8 meq / g. When the ion exchange capacity of the second polymer electrolyte is less than 0.8 meq / g, it is difficult to retain water in the polymer electrolyte of the second electrode catalyst part, and the catalyst activity may be reduced. Further, when the ion exchange capacity of the second polymer electrolyte exceeds 2.8 meq / g, the polymer electrolyte in the second electrode catalyst part holds excessive water, and it is difficult to ensure the diffusibility of the reaction gas. It may become.

〔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についてさらに詳細に説明する。
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。
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.

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一種又は二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一種又は二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が高い発電特性を有するので好ましい。   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 two or more metals selected from platinum, gold, palladium, rhodium, ruthenium, and iridium, they have excellent electrode reactivity and can perform electrode reaction efficiently and stably. . 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 high. It is preferable because it has power generation characteristics.

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、カーボン粒子等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流径である。また、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流径である。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。   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 is an average flow diameter obtained from an X-ray diffraction method in the case of a catalyst supported on a carrier such as carbon particles. In the case of a catalyst not supported on a carrier, the arithmetic average flow diameter obtained from particle size measurement. 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 走査電子顕微鏡)像から求めた平均流径である。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, the average particle diameter is an average flow diameter determined from an SEM (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-carrying 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 a thing. 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。さらに、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-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 as the aggregates of the catalyst-carrying particles are broken.

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、触媒担持粒子と高分子電解質からなるが、固形分のうち、触媒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-supported particles and a polymer electrolyte. If the content of the catalyst-supported particles in the solid content is increased, the viscosity increases even with the same solid content. On the other hand, if the content of the catalyst-carrying particles in the solid content is decreased, the viscosity is lowered even with the same solid content. Therefore, the ratio of the catalyst-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 removing the solvent, is bonded to the polymer electrolyte membrane 1, and then the transfer sheet is peeled off. It can be set as the membrane electrode assembly 11 provided with the layers 2 and 3. FIG.

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。
以下に、本実施形態における膜電極接合体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。なお、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。
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. In addition, 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.
Below, the specific example and comparative example are given and demonstrated about the manufacturing method of the membrane electrode assembly in this embodiment. In addition, this embodiment is not restrict | limited by the following Example and comparative example.

<実施例>
〔触媒インクの調整〕
担持密度50質量%である白金担持カーボン触媒と、第一の高分子電解質溶液としてイオン交換容量が1.2meq/gであるフッ素系高分子電解質からなる第一の高分子電解質を含む、20質量%高分子電解質溶液とを溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで30分間の分散処理を行い、第一の触媒インクを作製した。次に、担持密度50質量%である白金担持カーボン触媒と、第二の高分子電解質溶液としてイオン交換容量が1.0meq/gであるフッ素系高分子電解質からなる第二の高分子電解質を含む、20質量%高分子電解質溶液とを溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで30分間の分散処理を行い、第二の触媒インクを作製した。各触媒インクにおける出発原料の組成比は、白金担持カーボン触媒におけるカーボン担体:高分子電解質の質量比で1:1とした。各触媒インクの溶媒は、超純水と1−プロパノールの体積比で1:1とした。また、各触媒インクにおける固形分含有量は、それぞれ10質量%となるように調整した。
<Example>
[Adjustment of catalyst ink]
20 masses including a platinum-supported carbon catalyst having a loading density of 50 mass% and a first polymer electrolyte comprising a fluorine-based polymer electrolyte having an ion exchange capacity of 1.2 meq / g as the first polymer electrolyte solution. % Polymer electrolyte solution was mixed in a solvent and subjected to a dispersion treatment for 30 minutes with a planetary ball mill to prepare a first catalyst ink. Next, a platinum-supported carbon catalyst having a supporting density of 50% by mass and a second polymer electrolyte comprising a fluorine-based polymer electrolyte having an ion exchange capacity of 1.0 meq / g as the second polymer electrolyte solution are included. Then, a 20% by mass polymer electrolyte solution was mixed in a solvent and subjected to a dispersion treatment for 30 minutes with a planetary ball mill to prepare a second catalyst ink. The composition ratio of the starting materials in each catalyst ink was 1: 1 as the mass ratio of carbon support: polymer electrolyte in the platinum-supported carbon catalyst. The solvent of each catalyst ink was 1: 1 by volume ratio of ultrapure water and 1-propanol. The solid content in each catalyst ink was adjusted to 10% by mass.

〔電極触媒層の形成〕
ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シートの基材に対し、調整した触媒インクをドクターブレード法で塗布し、大気雰囲気中80℃で乾燥させた。第一の触媒インクの塗布量は、燃料極(アノード)として白金担持量0.1mg/cmになり、また、空気極(カソード)として白金担持量0.3mg/cmになるように調整し、電極触媒層を形成した。また、第二の触媒インクの塗布量は、燃料極(アノード)として白金担持量0.1mg/cmになり、空気極(カソード)として白金担持量0.3mg/cmになるように調整し、電極触媒層を形成した。
[Formation of electrode catalyst layer]
The prepared catalyst ink was applied to a base material of a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet by a doctor blade method and dried at 80 ° C. in an air atmosphere. The coating amount of the first catalyst ink is adjusted so that the platinum loading amount is 0.1 mg / cm 2 as the fuel electrode (anode) and the platinum loading amount is 0.3 mg / cm 2 as the air electrode (cathode). Then, an electrode catalyst layer was formed. Also, the coating amount of the second catalyst ink is adjusted so that the platinum loading amount is 0.1 mg / cm 2 as the fuel electrode (anode) and the platinum loading amount is 0.3 mg / cm 2 as the air electrode (cathode). Then, an electrode catalyst layer was formed.

〔膜電極接合体の作製〕
それぞれの電極触媒層を形成した基材を5cm×2.5cmにそれぞれ打ち抜き、第一の電極触媒部がガスの入口側、第二の電極触媒部がガスの出口側となるように配置させて、5cm×5cmの電極触媒層とした。この電極触媒層を高分子電解質膜1の両面に配置させ、転写温度130℃、転写圧力5.0×10Paの条件でホットプレスを行い、膜電極接合体11を得た。
[Production of membrane electrode assembly]
The base material on which each electrode catalyst layer is formed is punched out to 5 cm × 2.5 cm, and arranged such that the first electrode catalyst part is on the gas inlet side and the second electrode catalyst part is on the gas outlet side. The electrode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. This electrode catalyst layer was disposed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1, and hot pressing was performed under the conditions of a transfer temperature of 130 ° C. and a transfer pressure of 5.0 × 10 6 Pa to obtain a membrane electrode assembly 11.

<比較例>
〔触媒インクの調整〕
担持密度50質量%である白金担持カーボン触媒と、第一の高分子電解質溶液としてイオン交換容量が1.2meq/gであるフッ素系高分子電解質を含む、20質量%高分子電解質溶液と、第二の高分子電解質溶液としてイオン交換容量が1.0meq/gであるフッ素系高分子電解質を含む、20質量%高分子電解質溶液とを溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで30分間の分散処理を行い、触媒インクを作製した。触媒インクにおける出発原料の組成比は、白金担持カーボン触媒におけるカーボン担体:第一の高分子電解質:第二の高分子電解質の質量比で2:1:1とした。触媒インクの溶媒は、超純水と1−プロパノールの体積比で1:1とした。また、触媒インクにおける固形分含有量は、それぞれ10質量%となるように調整した。
<Comparative example>
[Adjustment of catalyst ink]
A 20% by mass polymer electrolyte solution comprising a platinum-supported carbon catalyst having a supported density of 50% by mass, and a fluorine-based polymer electrolyte having an ion exchange capacity of 1.2 meq / g as the first polymer electrolyte solution; As a second polymer electrolyte solution, a 20% by mass polymer electrolyte solution containing a fluorine polymer electrolyte having an ion exchange capacity of 1.0 meq / g is mixed in a solvent, and dispersed for 30 minutes with a planetary ball mill. To prepare a catalyst ink. The composition ratio of the starting materials in the catalyst ink was 2: 1: 1 in terms of the mass ratio of carbon support: first polymer electrolyte: second polymer electrolyte in the platinum-supported carbon catalyst. 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 adjusted to 10% by mass.

〔電極触媒層の形成〕
ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シートの基材に対し、調整した触媒インクをドクターブレード法で塗布し、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)として白金担持量0.1mg/cmになり、空気極(カソード)として白金担持量0.3mg/cmになるように調整し、電極触媒層を形成した。
〔膜電極接合体の作製〕
それぞれの電極触媒層を形成した基材を5cm×5cmにそれぞれ打ち抜き、この電極触媒層を高分子電解質膜の両面に配置させ、転写温度130℃、転写圧力5.0×10Paの条件でホットプレスを行い、膜電極接合体を得た。
[Formation of electrode catalyst layer]
The prepared catalyst ink was applied to a base material of a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet by a doctor blade method and dried at 80 ° C. in an air atmosphere. The coating amount of the catalyst ink was adjusted so that the supported amount of platinum was 0.1 mg / cm 2 as the fuel electrode (anode) and the supported amount of platinum was 0.3 mg / cm 2 as the air electrode (cathode). Formed.
[Production of membrane electrode assembly]
The base material on which each electrode catalyst layer is formed is punched out to 5 cm × 5 cm, and this electrode catalyst layer is disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane, under the conditions of a transfer temperature of 130 ° C. and a transfer pressure of 5.0 × 10 6 Pa. Hot pressing was performed to obtain a membrane electrode assembly.

<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、膜電極接合体の両側にガス拡散層としてカーボンペーパーを貼りあわせ、発電評価用の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50kPa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 was bonded as a gas diffusion layer on both sides of the membrane electrode assembly so as to sandwich the membrane electrode assemblies produced in the examples and comparative examples, and was installed in a power generation evaluation cell for power generation evaluation. 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 50 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〕
実施例で作製した膜電極接合体11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。
実施例で作製した膜電極接合体11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0.22V高い発電特性を示した。実施例で作製した膜電極接合体11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、実施例の膜電極接合体11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有することが確認された。
〔Measurement result〕
The membrane electrode assembly 11 produced in the example showed better power generation performance under low humidification operating conditions than the membrane electrode assembly produced in the comparative example. In addition, the membrane / electrode assembly produced in the example had the same level of power generation performance as that under full humidification even under low humidification conditions. 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 11 produced in the example is 0. 0 compared with the cell voltage at a current density of 0.5 A / cm 2 of the membrane electrode assembly produced in the comparative example. The power generation characteristic is 22V higher. From the results of the power generation characteristics of the membrane / electrode assembly 11 produced in the example and the membrane / electrode assembly produced in the comparative example, the membrane / electrode assembly 11 of the example has increased water retention and is operated under low humidification operating conditions. It was confirmed that the power generation characteristics were equivalent to those under the fully humidified operating conditions.

また、フル加湿の運転条件下では、実施例で作製した膜電極接合体11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0.27V高い発電特性を示した。実施例で作製した膜電極接合体11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 11 produced in the example is 0.5 A / cm in the current density of the membrane electrode assembly produced in the comparative example. The power generation characteristic was higher by 0.27 V than the cell voltage at cm 2 . From the results of the power generation characteristics of the membrane / electrode assembly 11 produced in the example and the membrane / electrode assembly produced in the comparative example, the diffusibility of the reaction gas, the removal of water generated by the electrode reaction, and the like are not inhibited. Was confirmed.

<まとめ>
本実施形態は、低加湿条件下で高い発電特性を有する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11の電極触媒層2、3において、ガスの入口側に設ける第一の電極触媒部2a(又は3a)の高分子電解質におけるイオン交換容量の値を、ガスの出口側に設ける第二の電極触媒部2b(又は3b)と比較して大きくすることで、ガスの入口側に設ける第一の電極触媒部2a(又は3a)で保水性を高め、ガスの出口側に設ける第二の電極触媒部2b(又は3b)で水の除去を促進することができる。
<Summary>
The present embodiment relates to a membrane electrode assembly having high power generation characteristics under low humidification conditions, a method for producing the membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly.
In the electrode catalyst layers 2 and 3 of the membrane electrode assembly 11 according to this embodiment, the value of the ion exchange capacity in the polymer electrolyte of the first electrode catalyst part 2a (or 3a) provided on the gas inlet side By increasing the size compared with the second electrode catalyst part 2b (or 3b) provided on the outlet side, the water retention is increased by the first electrode catalyst part 2a (or 3a) provided on the gas inlet side, and the gas outlet The removal of water can be promoted by the second electrode catalyst portion 2b (or 3b) provided on the side.

そのため、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ると共に、低加湿条件下でも高い発電特性を得ることができる。また、第一の電極触媒部2a(又は3a)と第二の電極触媒部2b(又は3b)とでイオン交換容量を異ならせることによって、実現することができるため、製造工程の大幅な変更等を伴うことなく、またコストの大幅な増加を伴うことなく、高い発電特性を得ることができる。   Therefore, water retention can be enhanced without hindering removal of water generated by the electrode reaction, and high power generation characteristics can be obtained even under low humidification conditions. In addition, since the first electrode catalyst part 2a (or 3a) and the second electrode catalyst part 2b (or 3b) can be realized by different ion exchange capacities, a significant change in the manufacturing process, etc. In addition, high power generation characteristics can be obtained without a significant increase in cost.

なお、上記実施形態においては、電極触媒層2及び3のそれぞれに第一の電極触媒部と第二の電極触媒部とを設けた場合について説明したが、これに限るものではなく、電極触媒層2及び3のそれぞれに、三つ以上の電極触媒部を設けてもよい。電極触媒層2及び3それぞれに三つ以上の電極触媒部を設ける場合には、ガスの上流側に近いほど、電極触媒部のイオン交換容量が、ガスの下流側の電極触媒部のイオン交換容量に比較してより大きくなるようにすればよい。   In the above embodiment, the case where the first electrode catalyst portion and the second electrode catalyst portion are provided in each of the electrode catalyst layers 2 and 3 has been described. However, the present invention is not limited to this. Each of 2 and 3 may be provided with three or more electrode catalyst portions. When three or more electrode catalyst portions are provided in each of the electrode catalyst layers 2 and 3, the ion exchange capacity of the electrode catalyst portion becomes closer to the upstream side of the gas, and the ion exchange capacity of the electrode catalyst portion on the downstream side of the gas. What is necessary is just to make it larger compared with.

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電極触媒層2及び3のうち、一方の電極触媒層2又は3のみに、第一の電極触媒部と第二の電極触媒部とが設けられていてもよい。一方の電極触媒層2又は3のみに第一の電極触媒部及び第二の電極触媒部を設けた場合、二つの電極触媒部を有する電極触媒層は、電極反応により水が発生する空気極(カソード)側に配置することが好ましい。ただし、低加湿条件下における高分子電解質の水分保持の点から、二つの電極触媒部を有する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, the electrode catalyst layers 2 and 3 formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 have only one electrode catalyst layer 2 or 3 and the first electrode catalyst portion and the second electrode catalyst layer 2. An electrode catalyst part may be provided. When the first electrode catalyst portion and the second electrode catalyst portion are provided only on one of the electrode catalyst layers 2 or 3, the electrode catalyst layer having two electrode catalyst portions is an air electrode that generates water by an electrode reaction ( It is preferable to arrange on the cathode) side. However, it is more preferable that the electrode catalyst layers having two electrode catalyst portions are formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 from the viewpoint of water retention of the polymer electrolyte under low humidification conditions.

また、図1では電極触媒層2又は3の第一の電極触媒部と第二の電極触媒部とが同等の面積で二分割されている(電極触媒層2に対する第一の電極触媒部の面積率が50%)例を示しているが、これに限定されない。電極触媒層2又は3に対する第一の電極触媒部の面積率は15%以上60%以下であることがガスの反応性の面から好ましい。電極触媒層2又は3に対する第一の電極触媒部の面積率が15%に満たない場合は、低加湿条件下における保水効果が弱く、高い発電特性が得られない。また、電極触媒層2又は3に対する第一の電極触媒部の面積率が60%を超える場合は、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フラッディング現象が生じるため、高い発電特性が得られない。
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。
Moreover, in FIG. 1, the 1st electrode catalyst part of the electrode catalyst layer 2 or 3 and the 2nd electrode catalyst part are divided into two by the equivalent area (area of the 1st electrode catalyst part with respect to the electrode catalyst layer 2) The rate is 50%), but the present invention is not limited to this. The area ratio of the first electrode catalyst portion relative to the electrode catalyst layer 2 or 3 is preferably 15% or more and 60% or less from the viewpoint of gas reactivity. When the area ratio of the 1st electrode catalyst part with respect to the electrode catalyst layer 2 or 3 is less than 15%, the water retention effect in low humidification conditions is weak, and a high electric power generation characteristic is not acquired. In addition, when the area ratio of the first electrode catalyst portion with respect to the electrode catalyst layer 2 or 3 exceeds 60%, a flooding phenomenon in which the power generation reaction stops due to hindering material transport in the fuel electrode and the air electrode occurs. Characteristics are not obtained.
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…第一の電極触媒部
2b…第二の電極触媒部
3…電極触媒層
3a…第一の電極触媒部
3b…第二の電極触媒部
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 (4)

高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟持し、前記一対の電極触媒層のそれぞれは触媒担持粒子と高分子電解質とを含み、前記一対の電極触媒層のうち少なくとも一方の電極触媒層は、第一の電極触媒部と、前記高分子電解質膜の平面方向において前記第一の電極触媒部に隣接する第二の電極触媒部と、を備えた膜電極接合体の製造方法であって、
前記触媒担持粒子と第一の高分子電解質溶液とを溶媒に分散させた第一の触媒インクを作製し、前記第一の触媒インクを塗布した後乾燥させて前記第一の電極触媒部を形成する工程と、
前記触媒担持粒子と、イオン交換容量が、前記第一の高分子電解質溶液に含まれる第一の高分子電解質のイオン交換容量よりも小さい第二の高分子電解質を含む第二の高分子電解質溶液とを溶媒に分散させた第二の触媒インクを作製し、前記第二の触媒インクを塗布した後乾燥させて前記第二の電極触媒部を形成する工程と、
を有することを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
A polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode catalyst layers, each of the pair of electrode catalyst layers includes catalyst-supporting particles and a polymer electrolyte, and at least one of the pair of electrode catalyst layers includes: A method for producing a membrane electrode assembly comprising: a first electrode catalyst part; and a second electrode catalyst part adjacent to the first electrode catalyst part in a planar direction of the polymer electrolyte membrane,
A first catalyst ink in which the catalyst-carrying particles and the first polymer electrolyte solution are dispersed in a solvent is prepared, and the first electrode ink is applied and then dried to form the first electrode catalyst portion. And a process of
A second polymer electrolyte solution comprising the catalyst-supported particles and a second polymer electrolyte having an ion exchange capacity smaller than the ion exchange capacity of the first polymer electrolyte contained in the first polymer electrolyte solution A second catalyst ink dispersed in a solvent, and applying the second catalyst ink and then drying to form the second electrode catalyst portion;
A process for producing a membrane electrode assembly, comprising:
前記第一の高分子電解質は、イオン交換容量が0.9meq/g以上3.0meq/g以下の範囲であり、
前記第二の高分子電解質は、イオン交換容量が、前記第一の高分子電解質のイオン交換容量よりも小さく、且つ0.8meq/g以上2.8meq/g以下の範囲であることを特徴とする請求項1に記載の膜電極接合体の製造方法。
The first polymer electrolyte has an ion exchange capacity of 0.9 meq / g or more and 3.0 meq / g or less,
The second polymer electrolyte has an ion exchange capacity smaller than that of the first polymer electrolyte and in a range of 0.8 meq / g to 2.8 meq / g. The manufacturing method of the membrane electrode assembly of Claim 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であって、
前記一対の電極触媒層のそれぞれは触媒担持粒子と高分子電解質とを含み、前記一対の電極触媒層のうち少なくとも一方の電極触媒層は、第一の電極触媒部と、前記高分子電解質膜の平面方向において前記第一の電極触媒部に隣接する第二の電極触媒部とを有し、
前記第一の電極触媒部に含まれる高分子電解質のイオン交換容量は、前記第二の電極触媒部に含まれる高分子電解質のイオン交換容量よりも小さいことを特徴とする膜電極接合体。
A membrane electrode assembly in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode catalyst layers,
Each of the pair of electrode catalyst layers includes catalyst-supporting particles and a polymer electrolyte, and at least one of the pair of electrode catalyst layers includes a first electrode catalyst portion and the polymer electrolyte membrane. A second electrode catalyst portion adjacent to the first electrode catalyst portion in the planar direction,
The membrane electrode assembly, wherein the ion exchange capacity of the polymer electrolyte contained in the first electrode catalyst part is smaller than the ion exchange capacity of the polymer electrolyte contained in the second electrode catalyst part.
請求項3に記載の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、
前記第一の電極触媒部は前記ガス流路の上流側に位置し、前記第二の電極触媒部は前記ガス流路の下流側に位置することを特徴とする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 according to claim 3 and supplying gas to the electrode catalyst layer,
3. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, 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.
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