JP2018106920A - Catalyst ink, electrode and electrolyte membrane-electrode assembly - Google Patents

Catalyst ink, electrode and electrolyte membrane-electrode assembly Download PDF

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丈志 寺本
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丈志 寺本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the gas diffusion resistance of a catalyst layer.SOLUTION: A catalyst ink 900, which is to be used for fabricating an electrode of a fuel cell, comprises: conductive particles 500 supporting catalyst particles 400; ionomers 200; and an ionomer absorbing material 300 capable of adsorbing the ionomers 200. The ionomers 200 adsorb on the outer surface of the ionomer absorbing material 300. Therefore, ionomers 200 having a minute colloid size and dispersed in the catalyst ink 900 are allowed to adsorb on the outer surface of the ionomer absorbing material 300. As a result, the ionomers 200 dispersed in the catalyst ink 900 can be suppressed from clogging between aggregates of the conductive particles 500 supporting the catalyst particles 400, or fine cavities in such aggregates, and the gas diffusibility of an electrode, which is formed by use of the catalyst ink 900 can be increased.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、ポータブル電源、携帯機器用電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池の電極を作製するために用いられる触媒インク、電極および電解質膜−電極接合体に関するものである。   The present invention relates to a catalyst ink, an electrode, and an electrolyte membrane-electrode assembly used for producing an electrode of a fuel cell used in a portable power source, a power source for portable devices, a power source for electric vehicles, a domestic cogeneration system, and the like. It is.

従来の一般的な燃料電池は、電解質膜の両側にアノードとカソードを形成した電解質膜−電極接合体を備え、少なくとも水素を含む燃料をアノードに供給し、少なくとも酸素を含む酸化剤をカソードに供給することにより発電する。   A conventional general fuel cell includes an electrolyte membrane-electrode assembly in which an anode and a cathode are formed on both sides of an electrolyte membrane, supplies a fuel containing at least hydrogen to the anode, and supplies an oxidant containing at least oxygen to the cathode. To generate electricity.

アノードおよびカソードには、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応を促進するために、化学的に安定な導電性粒子表面に触媒粒子が高分散担持された触媒担持粒子と、イオン導電性のアイオノマーからなる触媒層を有している。触媒層は、触媒インクを電解質膜もしくは電極基材上に塗布し、乾燥させることにより形成される。   In order to promote the electrochemical reaction between the fuel gas and the oxidant gas, the anode and the cathode have catalyst supported particles in which catalyst particles are highly dispersed and supported on the surface of chemically stable conductive particles, and ion conductive materials. It has a catalyst layer made of ionomer. The catalyst layer is formed by applying a catalyst ink on an electrolyte membrane or an electrode substrate and drying it.

通常、触媒層を形成する電解質膜や電極基材の表面は、表面エネルギーが小さく、撥水性を有している。そのため、水などの極性が高い溶媒を触媒インクに用いる場合は、塗布した触媒インクが電解質膜や電極基材の表面から剥離するという課題があった。   Usually, the surface of the electrolyte membrane or electrode base material forming the catalyst layer has a small surface energy and water repellency. Therefore, when a highly polar solvent such as water is used for the catalyst ink, there is a problem that the applied catalyst ink is peeled off from the surface of the electrolyte membrane or the electrode substrate.

そこで、触媒層を形成するために必要な触媒インクの溶媒として、アルコールと水を用いる触媒インクが提案されている（例えば、特許文献１）。この触媒インクにより、表面エネルギーが小さく、撥水性を有している電解質膜や電極基材の表面にも触媒層を剥離することなく形成することができる。   Therefore, a catalyst ink using alcohol and water as a solvent for the catalyst ink necessary for forming the catalyst layer has been proposed (for example, Patent Document 1). With this catalyst ink, the catalyst layer can be formed on the surface of an electrolyte membrane or electrode substrate having a small surface energy and water repellency without peeling off the catalyst layer.

特開２０１４−１３５２２９号公報JP 2014-135229 A

しかしながら、前記従来の構成では、アルコールが非常に低い極性の飽和炭化水素を有するため、触媒インクの溶媒としてアルコールを用いる場合は、アイオノマーの大部分を構成するフッ化炭素からなる疎水部がアルコールの飽和炭化水素と疎水結合を形成するため、触媒インクの溶媒中にアイオノマーが高分散化し、アイオノマーのコロイド径が減少する。   However, in the conventional configuration, since the alcohol has a saturated hydrocarbon having a very low polarity, when alcohol is used as the solvent of the catalyst ink, the hydrophobic portion made of fluorocarbon constituting most of the ionomer is the alcohol portion. Since a hydrophobic bond is formed with the saturated hydrocarbon, the ionomer is highly dispersed in the solvent of the catalyst ink, and the colloid diameter of the ionomer is reduced.

触媒インクに含まれるアイオノマーのコロイド径が減少すると、触媒担持粒子の凝集体間や凝集体内の微細な空隙にまでアイオノマーが充填されるため、触媒担持粒子の凝集体へのガス拡散経路が閉塞されるという課題を有していた。   When the colloid diameter of the ionomer contained in the catalyst ink is reduced, the ionomer is filled between the agglomerates of the catalyst-carrying particles and the fine voids in the agglomerates, so that the gas diffusion path to the agglomerates of the catalyst-carrying particles is blocked. Had the problem of

そこで、本発明は、触媒層のガス拡散抵抗を低減することができる触媒インクを提供することを目的としている。   Therefore, an object of the present invention is to provide a catalyst ink that can reduce the gas diffusion resistance of the catalyst layer.

前記従来課題を解決するために、本発明による触媒インクは、導電性粒子に触媒が担持されている触媒担持粒子と、アイオノマーと、アイオノマーを吸着することができるアイオノマー吸着材とを含有し、燃料電池の電極を作製するために用いられる触媒インクであ
って、アイオノマーが、アイオノマー吸着材の外表面に吸着していることを特徴とするものである。 In order to solve the above-described conventional problems, a catalyst ink according to the present invention includes catalyst-carrying particles in which a catalyst is carried on conductive particles, an ionomer, and an ionomer adsorbent capable of adsorbing the ionomer, and a fuel. A catalyst ink used for producing an electrode of a battery, wherein an ionomer is adsorbed on the outer surface of an ionomer adsorbent.

これにより、触媒インクに分散した微小なコロイド径を有するアイオノマーをアイオノマー吸着材の外表面に吸着させることができる。その結果、触媒インクに分散したアイオノマーが、触媒担持粒子の凝集体間や凝集体内の微細な空隙を閉塞することを抑制することができる。   Thereby, the ionomer having a fine colloidal diameter dispersed in the catalyst ink can be adsorbed on the outer surface of the ionomer adsorbent. As a result, it is possible to suppress the ionomer dispersed in the catalyst ink from blocking the fine voids between the aggregates of the catalyst-carrying particles and the aggregates.

また、ガスの拡散経路となる触媒担持粒子の凝集体間や凝集体内の微細な空隙が増加するため、この触媒インクを用いて作製された触媒層のガス拡散抵抗を低減することができる。   Further, since fine voids between the agglomerates of the catalyst-carrying particles serving as gas diffusion paths and within the agglomerates increase, the gas diffusion resistance of the catalyst layer produced using this catalyst ink can be reduced.

本発明の触媒インクは、触媒層のガス拡散抵抗を低減することができ、これを用いて構成した燃料電池の電圧を向上させることができる。   The catalyst ink of the present invention can reduce the gas diffusion resistance of the catalyst layer, and can improve the voltage of a fuel cell configured using this.

本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の構成を模式的に示す断面図Sectional drawing which shows typically the structure of the fuel cell concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の電解質膜−電極接合体の構成を模式的に示す断面図Sectional drawing which shows typically the structure of the electrolyte membrane-electrode assembly of the fuel cell concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態１にかかる燃料電池用触媒インクの構成を示す模式図1 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell catalyst ink according to a first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態２にかかる燃料電池の構成を模式的に示す断面図Sectional drawing which shows typically the structure of the fuel cell concerning Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態２にかかる燃料電池の電解質膜−電極接合体の構成を模式的に示す断面図Sectional drawing which shows typically the structure of the electrolyte membrane-electrode assembly of the fuel cell concerning Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態２にかかる燃料電池用触媒インクの構成を示す模式図Schematic diagram showing the configuration of the fuel cell catalyst ink according to the second embodiment of the present invention.

第１の発明は、導電性粒子に触媒が担持されている触媒担持粒子と、アイオノマーと、アイオノマーを吸着することができるアイオノマー吸着材とを含有し、燃料電池の電極を作製するために用いられる触媒インクであって、アイオノマーが、アイオノマー吸着材の外表面に吸着している、触媒インクである。   1st invention contains the catalyst carrying | support particle | grains by which the catalyst is carry | supported by electroconductive particle, ionomer, and the ionomer adsorbent which can adsorb | suck an ionomer, and is used in order to produce the electrode of a fuel cell. It is a catalyst ink, wherein the ionomer is adsorbed on the outer surface of the ionomer adsorbent.

この構成により、触媒インクに分散した微小なコロイド径を有するアイオノマーをアイオノマー吸着材の外表面に吸着させることができる。その結果、触媒インクに分散したアイオノマーが触媒担持粒子の凝集体間や凝集体内の微細な空隙を閉塞することを抑制することができ、触媒層のガス拡散抵抗を低減することができる。   With this configuration, the ionomer having a minute colloidal diameter dispersed in the catalyst ink can be adsorbed on the outer surface of the ionomer adsorbent. As a result, it is possible to suppress the ionomer dispersed in the catalyst ink from blocking the fine voids between the agglomerates of the catalyst-carrying particles and the agglomerates, and the gas diffusion resistance of the catalyst layer can be reduced.

第２の発明は、特に、第１の発明の触媒インクのアイオノマー吸着材が、カチオン交換基を有するデンドリマーであることを特徴とする。   The second invention is particularly characterized in that the ionomer adsorbent of the catalyst ink of the first invention is a dendrimer having a cation exchange group.

この構成により、デンドリマーのカチオン交換基に吸着するオキソニウムイオンとアイオノマーが有するカチオン交換基がイオン結合を形成することで、アイオノマー吸着材の表面により強く吸着させることができる。そのため、触媒インクの溶媒にアルコールを用いる場合であっても、触媒インクに分散した微小なコロイド径を有するアイオノマーをアイオノマー吸着材の外表面に安定的に吸着させることができる。   With this configuration, the oxonium ion adsorbed on the cation exchange group of the dendrimer and the cation exchange group possessed by the ionomer form an ionic bond, whereby the surface of the ionomer adsorbent can be more strongly adsorbed. Therefore, even when alcohol is used as the solvent of the catalyst ink, the ionomer having a fine colloidal diameter dispersed in the catalyst ink can be stably adsorbed on the outer surface of the ionomer adsorbent.

また、デンドリマーは、カチオン導電性を有するため、触媒担持粒子の凝集体間のイオン導電性を向上させることができる。更に、デンドリマーは、嵩高い球状構造を有するため、高いガス透過性を有しており、また、触媒インクに分散したアイオノマーが触媒担持粒子の凝集体間や凝集体内の微細な空隙を閉塞することをより抑制することができる。   In addition, since the dendrimer has a cationic conductivity, the ionic conductivity between the aggregates of the catalyst-carrying particles can be improved. Furthermore, since the dendrimer has a bulky spherical structure, it has high gas permeability, and the ionomer dispersed in the catalyst ink closes the fine voids between the aggregates of the catalyst-supported particles and within the aggregates. Can be further suppressed.

第３の発明は、特に、第２の発明の触媒インクのアイオノマー吸着材が、多価カチオンを有するデンドリマーであることを特徴とする。   The third invention is particularly characterized in that the ionomer adsorbent of the catalyst ink of the second invention is a dendrimer having a polyvalent cation.

この構成により、アイオノマー吸着材が有する多価カチオンとアイオノマーが有するカチオン交換基がイオン結合を形成するため、アイオノマー吸着材の表面にアイオノマーを更に強く吸着させることができるため、触媒インクの溶媒にアルコールを用いる場合であっても、触媒インクに分散した微小なコロイド径を有するアイオノマーをアイオノマー吸着材の外表面により安定的に吸着させることができる。   With this configuration, the polyvalent cation of the ionomer adsorbent and the cation exchange group of the ionomer form an ionic bond, so that the ionomer can be more strongly adsorbed on the surface of the ionomer adsorbent. Even in the case of using, the ionomer having a fine colloidal diameter dispersed in the catalyst ink can be stably adsorbed on the outer surface of the ionomer adsorbent.

その結果、触媒インクに分散したアイオノマーが触媒担持粒子の凝集体間や凝集体内の微細な空隙を閉塞することを更に抑制することができる。   As a result, it is possible to further suppress the ionomer dispersed in the catalyst ink from blocking the fine voids between the aggregates of the catalyst-carrying particles and within the aggregates.

第４の発明は、特に、第１〜第３の発明の触媒インクを用いて形成された電極である。   The fourth invention is an electrode formed using the catalyst inks of the first to third inventions.

この構成により、触媒インクに分散したアイオノマーが触媒担持粒子の凝集体間や凝集体内の微細な空隙を閉塞することを抑制することができ、電極のガス拡散性を向上させるができる。   With this configuration, the ionomer dispersed in the catalyst ink can be prevented from clogging between the agglomerates of the catalyst-carrying particles and fine voids in the agglomerates, and the gas diffusibility of the electrode can be improved.

第５の発明は、特に、第４の発明の電極を、電解質膜の主面の少なくともどちらか一方に有する電解質膜−電極接合体である。   In particular, the fifth invention is an electrolyte membrane-electrode assembly having the electrode of the fourth invention on at least one of the main surfaces of the electrolyte membrane.

この構成により、触媒インクに分散したアイオノマーが触媒担持粒子の凝集体間や凝集体内の微細な空隙を閉塞することを抑制することができ、燃料電池のガス拡散性および電池電圧を向上させることができる。   With this configuration, it is possible to suppress the ionomer dispersed in the catalyst ink from blocking the fine voids between the agglomerates of the catalyst-carrying particles and the agglomerates, thereby improving the gas diffusibility and the cell voltage of the fuel cell. it can.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the embodiments.

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の構成を模式的に示す断面図であり、図２は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の電解質膜−電極接合体の構成を模式的に示す断面図であり、図３は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池用触媒インクの構成を示す模式図である。 (Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 shows an electrolyte membrane-electrode assembly of the fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration of the fuel cell catalyst ink according to the first embodiment of the present invention.

図１に示すように、本実施の形態の燃料電池１００は、電解質膜−電極接合体９０が、アノードセパレータ７０ａとカソードセパレータ７０ｂとで挟まれるように、電解質膜−電極接合体９０とアノードセパレータ７０ａとカソードセパレータ７０ｂとが積層されている。この積層方向に燃料電池１００が複数積層されることで、燃料電池スタック（図示せず）が構成される。   As shown in FIG. 1, the fuel cell 100 according to the present embodiment includes an electrolyte membrane-electrode assembly 90 and an anode separator so that the electrolyte membrane-electrode assembly 90 is sandwiched between the anode separator 70a and the cathode separator 70b. 70a and cathode separator 70b are laminated. A plurality of fuel cells 100 are stacked in this stacking direction to form a fuel cell stack (not shown).

アノードセパレータ７０ａの電解質膜−電極接合体９０に臨む面には、燃料ガス流路７１ａが設けられている。同様に、カソードセパレータ７０ｂの電解質膜−電極接合体９０に臨む面には、酸化剤ガス流路７１ｂが設けられている。   A fuel gas channel 71a is provided on the surface of the anode separator 70a facing the electrolyte membrane-electrode assembly 90. Similarly, an oxidant gas flow path 71b is provided on the surface of the cathode separator 70b facing the electrolyte membrane-electrode assembly 90.

図２に示すように、本実施の形態の電解質膜−電極接合体９０は、電解質膜１０と、電解質膜１０を挟持するアノード６０ａおよびカソード６０ｂを備える。   As shown in FIG. 2, the electrolyte membrane-electrode assembly 90 of this embodiment includes an electrolyte membrane 10, and an anode 60 a and a cathode 60 b that sandwich the electrolyte membrane 10.

アノード６０ａは、電解質膜１０と隣接するアノード触媒層５０ａと、アノードセパレータ７０ａ（燃料ガス流路７１ａ）と隣接するアノードガス拡散層４０ａから構成されて
いる。カソード６０ｂは、電解質膜１０と隣接するカソード触媒層５０ｂと、カソードセパレータ７０ｂ（酸化剤ガス流路７１ｂ）と隣接するカソードガス拡散層４０ｂから構成されている。 The anode 60a includes an anode catalyst layer 50a adjacent to the electrolyte membrane 10, and an anode gas diffusion layer 40a adjacent to the anode separator 70a (fuel gas flow channel 71a). The cathode 60b includes a cathode catalyst layer 50b adjacent to the electrolyte membrane 10, and a cathode gas diffusion layer 40b adjacent to the cathode separator 70b (oxidant gas flow path 71b).

燃料電池１００は、燃料ガス流路７１ａからアノード６０ａに供給される燃料ガスと、酸化剤ガス流路７１ｂからカソード６０ｂに供給される酸化剤ガスとの反応により発電を行う。酸化剤ガスは、空気を用いる。燃料ガスは、水素含有ガスを用いる。   The fuel cell 100 generates electric power by a reaction between a fuel gas supplied from the fuel gas passage 71a to the anode 60a and an oxidant gas supplied from the oxidant gas passage 71b to the cathode 60b. Air is used as the oxidant gas. As the fuel gas, a hydrogen-containing gas is used.

次に、本実施の形態における、アノード触媒層５０ａと、カソード触媒層５０ｂを形成するための触媒インク９００およびその製造方法について、より詳細に説明する。   Next, the catalyst ink 900 for forming the anode catalyst layer 50a and the cathode catalyst layer 50b and the manufacturing method thereof in the present embodiment will be described in more detail.

図３に示すように、燃料電池１００の触媒インク９００は、触媒粒子４００と、導電性粒子５００と、アイオノマー吸着材３００と、アイオノマー２００、溶媒８００から構成されており、アイオノマー２００がアイオノマー吸着材３００に吸着している。   As shown in FIG. 3, the catalyst ink 900 of the fuel cell 100 includes catalyst particles 400, conductive particles 500, an ionomer adsorbent 300, an ionomer 200, and a solvent 800, and the ionomer 200 is an ionomer adsorbent. 300 is adsorbed.

導電性粒子５００は、炭素粒子（ケッチェンブラック）とし、触媒粒子４００は、白金触媒粒子とする。なお、白金触媒粒子は炭素粒子に４６ｗｔ％の担持率で担持された白金担持炭素（田中貴金属工業「ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ」）とする。   The conductive particles 500 are carbon particles (Ketjen black), and the catalyst particles 400 are platinum catalyst particles. The platinum catalyst particles are platinum-supported carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo “TEC10E50E”) supported on carbon particles at a loading rate of 46 wt%.

アイオノマー２００の材質は、パーフルオロスルホン酸（ナフィオン（デュポン社製 商品名「ＤＥ５２０ＣＳ」））とする。添加するアイオノマー２００の重量は、導電性粒子５００の重量を１としたときに、０．７とする。アイオノマー吸着材３００の材質は、カチオン交換基としてスルホン酸基を有するスルホン酸化ポリアミドアミンデンドリマーとする。   The material of the ionomer 200 is perfluorosulfonic acid (Nafion (trade name “DE520CS” manufactured by DuPont)). The weight of the ionomer 200 to be added is 0.7 when the weight of the conductive particles 500 is 1. The material of the ionomer adsorbent 300 is a sulfonated polyamidoamine dendrimer having a sulfonic acid group as a cation exchange group.

また、スルホン酸化ポリアミドアミンデンドリマーの分子量は、スルホン酸化ポリアミドアミンデンドリマーの直径が９ｎｍ以上となる、１８万以上の分子量とする。スルホン酸化ポリアミドアミンデンドリマーの添加量は、アイオノマー２００が有するスルホン酸基のモル数を１としたときに、スルホン酸化ポリアミドアミンが有するスルホン酸基のモル数が１となる添加量とする。   The molecular weight of the sulfonated polyamidoamine dendrimer is 180,000 or more, so that the diameter of the sulfonated polyamidoamine dendrimer is 9 nm or more. The addition amount of the sulfonated polyamidoamine dendrimer is such that when the number of sulfonic acid groups of the ionomer 200 is 1, the number of sulfonate groups of the sulfonated polyamidoamine is 1.

次に、触媒インク９００の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the catalyst ink 900 will be described.

燃料電池１００の触媒インク９００の製造工程は、水とエタノールから成る混合溶媒（水：エタノールの重量比＝５０：５０）と、アイオノマー２００と、アイオノマー吸着材３００とをビーズミルを用いて分散混合し、アイオノマー吸着材３００の外周部にアイオノマー２００を吸着させる。   The manufacturing process of the catalyst ink 900 of the fuel cell 100 includes a mixed solvent (water: ethanol weight ratio = 50: 50), ionomer 200, and ionomer adsorbent 300 dispersed and mixed using a bead mill. The ionomer 200 is adsorbed on the outer periphery of the ionomer adsorbent 300.

次に、水とエタノールの混合溶媒と、アイオノマー２００と、アイオノマー吸着材３００とからなる分散液に、不活性ガスを封入し、触媒粒子４００が担持された導電性粒子５００を添加し、ビーズミルを用いて分散混合させることで、触媒インク９００の製造が完了する。   Next, an inert gas is enclosed in a dispersion liquid composed of a mixed solvent of water and ethanol, an ionomer 200, and an ionomer adsorbent 300, and conductive particles 500 on which catalyst particles 400 are supported are added. By using and dispersing and mixing, the production of the catalyst ink 900 is completed.

上記の方法により得られた触媒インク９００を電解質膜１０の両側に直接塗布し、乾燥することで、電解質膜１０の両側にアノード触媒層５０ａおよびカソード触媒層５０ｂを形成する。   The catalyst ink 900 obtained by the above method is directly applied to both sides of the electrolyte membrane 10 and dried to form the anode catalyst layer 50a and the cathode catalyst layer 50b on both sides of the electrolyte membrane 10.

電解質膜１０は、パーフルオロスルホン酸電解質膜（デュポン社製 商品名「ＮＲＥ２１１」）とする。アノード触媒層５０ａおよびカソード触媒層５０ｂの電極の面積当りの白金担持量は、０．１０ｍｇ／ｃｍ２とする。 The electrolyte membrane 10 is a perfluorosulfonic acid electrolyte membrane (trade name “NRE211” manufactured by DuPont). The amount of platinum supported per electrode area of the anode catalyst layer 50a and the cathode catalyst layer 50b is 0.10 mg / cm 2 .

上記の方法により得られた電解質膜１０の両側にアノード触媒層５０ａおよびカソード触媒層５０ｂを形成したものに、アノードガス拡散層４０ａおよびカソードガス拡散層４０ｂを１２０℃で５分間、熱圧着し、電解質膜−電極接合体９０を形成する。アノードガス拡散層４０ａおよびカソードガス拡散層４０ｂは、カーボンペーパー（ＳＧＬ社製 ２５ＢＣＨ）とする。   The anode gas diffusion layer 40a and the cathode gas diffusion layer 40b were thermocompression bonded at 120 ° C. for 5 minutes to the anode catalyst layer 50a and the cathode catalyst layer 50b formed on both sides of the electrolyte membrane 10 obtained by the above method, An electrolyte membrane-electrode assembly 90 is formed. The anode gas diffusion layer 40a and the cathode gas diffusion layer 40b are carbon paper (25BCH manufactured by SGL).

以上のように、本実施の形態１の触媒インク９００は、触媒粒子４００が担持された導電性粒子５００と、アイオノマー吸着材３００と、アイオノマー２００を含有する触媒インク９００であって、アイオノマー２００が、アイオノマー吸着材３００の表面に吸着していることを特徴とする。   As described above, the catalyst ink 900 according to the first embodiment is a catalyst ink 900 that includes the conductive particles 500 on which the catalyst particles 400 are supported, the ionomer adsorbent 300, and the ionomer 200, and the ionomer 200 includes the ionomer 200. It is adsorbed on the surface of the ionomer adsorbent 300.

これにより、触媒インク９００に分散した微小なコロイド径を有するアイオノマー２００をアイオノマー吸着材３００の外表面に吸着させることができる。その結果、触媒インク９００に分散したアイオノマー２００が、触媒粒子４００が担持された導電性粒子５００の凝集体間や凝集体内の微細な空隙を閉塞することを抑制することができる。   Thereby, the ionomer 200 having a fine colloidal diameter dispersed in the catalyst ink 900 can be adsorbed on the outer surface of the ionomer adsorbent 300. As a result, it is possible to suppress the ionomer 200 dispersed in the catalyst ink 900 from clogging between the aggregates of the conductive particles 500 on which the catalyst particles 400 are supported or between fine aggregates in the aggregates.

また、アイオノマー吸着材３００として、カチオン交換基を有するデンドリマーを用いることで、アイオノマー吸着材３００のカチオン交換基に吸着したアイオノマー２００が有するカチオン交換基がイオン結合を形成するため、アイオノマー吸着材３００の表面により強く吸着させることができる。   Further, by using a dendrimer having a cation exchange group as the ionomer adsorbent 300, the cation exchange group of the ionomer 200 adsorbed on the cation exchange group of the ionomer adsorbent 300 forms an ionic bond. It can be more strongly adsorbed on the surface.

そのため、触媒インク９００の溶媒にアルコールを用いる場合であっても、触媒インク９００に分散した微小なコロイド径を有するアイオノマー２００をアイオノマー吸着材３００の外表面に安定的に吸着させることができる。アイオノマー吸着材３００は、カチオン導電性を有するため、触媒粒子４００が担持された導電性粒子５００の凝集体間のイオン導電性を向上させることができる。   Therefore, even when alcohol is used as the solvent of the catalyst ink 900, the ionomer 200 having a fine colloidal diameter dispersed in the catalyst ink 900 can be stably adsorbed on the outer surface of the ionomer adsorbent 300. Since the ionomer adsorbent 300 has cationic conductivity, the ionic conductivity between the aggregates of the conductive particles 500 on which the catalyst particles 400 are supported can be improved.

更に、アイオノマー吸着材３００としてのカチオン交換基を有するデンドリマーは、嵩高い球状構造を有するため、高いガス透過性を有し、また、アイオノマー２００が、触媒粒子４００が担持された導電性粒子５００の凝集体間や凝集体内の微細な空隙に侵入し、空隙を閉塞することを抑制することができる。   Furthermore, since the dendrimer having a cation exchange group as the ionomer adsorbent 300 has a bulky spherical structure, it has a high gas permeability, and the ionomer 200 is a conductive particle 500 having the catalyst particles 400 supported thereon. It is possible to suppress entry of fine gaps between the aggregates or in the aggregates and blocking the gaps.

触媒インク９００を用いてアノード６０ａとカソード６０ｂを形成することで、アイオノマー２００が、触媒粒子４００が担持された導電性粒子５００の凝集体間や凝集体内の微細な空隙にまで侵入し、アイオノマー２００が緻密に被覆することを抑制することができ、アノード６０ａとカソード６０ｂのガス拡散性を向上させるができる。   By forming the anode 60 a and the cathode 60 b using the catalyst ink 900, the ionomer 200 penetrates between the aggregates of the conductive particles 500 on which the catalyst particles 400 are supported and into the fine voids in the aggregate, and the ionomer 200. Can be prevented from being densely coated, and the gas diffusibility of the anode 60a and the cathode 60b can be improved.

触媒インク９００を用いてアノード６０ａとカソード６０ｂを形成した電解質膜−電極接合体９０とすることで、アイオノマー２００が導電性粒子５００に担持された触媒粒子４００の凝集体間や凝集体内の微細な空隙にまで侵入し、アイオノマー２００が導電性粒子５００に担持された触媒粒子４００の凝集体間や凝集体内の微細な空隙を閉塞することを抑制することができ、燃料電池１００のガス拡散抵抗を低減することができる。その結果、電池電圧を向上させることができる。   By using the catalyst ink 900 to form the electrolyte membrane-electrode assembly 90 in which the anode 60a and the cathode 60b are formed, the ionomer 200 is minute between the agglomerates of the catalyst particles 400 supported by the conductive particles 500 and within the agglomerates. It is possible to prevent the ionomer 200 from entering the voids and closing the fine voids between the agglomerates of the catalyst particles 400 supported by the conductive particles 500 or the fine particles in the agglomerates. Can be reduced. As a result, the battery voltage can be improved.

なお、本実施の形態においては、導電性粒子５００を、炭素粒子（ケッチェンブラック）としたが、これ以外にも、グラファイトケッチェンブラック、オイルファーネスブラック、アセチレンブラック、デンカブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック等のカーボンブラックや、カーボンナノチューブやカーボンファイバーなどの繊維状の炭素などを用いることができる。また、酸化チタン、酸窒化タンタル、酸化イリジウム複合酸化
物などの酸化物を用いることもできる。 In the present embodiment, the conductive particles 500 are carbon particles (Ketjen black), but other than this, graphite ketjen black, oil furnace black, acetylene black, Denka black, thermal black, channel Carbon black such as black and fibrous carbon such as carbon nanotube and carbon fiber can be used. An oxide such as titanium oxide, tantalum oxynitride, or an iridium oxide composite oxide can also be used.

なお、本実施の形態においては、導電性粒子５００および触媒粒子４００を、水とアルコール（エタノール）の溶媒に分散させたが、これ以外にも、水、多価数アルコール（２プロパノール、ブタノール、エチレングリコール等）、その他有機溶媒（ジメチルフォルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド等）およびこれらの混合溶媒を用いることもできる。   In the present embodiment, the conductive particles 500 and the catalyst particles 400 are dispersed in a solvent of water and alcohol (ethanol), but in addition to this, water, polyhydric alcohol (2 propanol, butanol, Ethylene glycol, etc.), other organic solvents (dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, etc.) and mixed solvents thereof can also be used.

なお、本実施の形態においては、アイオノマー吸着材３００を、スルホン酸化ポリアミドアミンデンドリマーとしたが、これ以外にも、ポリピレンイミンデンドリマー、ポリエチレンイミンデンドリマー、アミドアミンデンドリマー、プロピレンイミンデンドリマー等の末端基にヒドロキシル基、カルボニル基、スルホン酸基、亜リン酸基、アミノ基などのカチオン交換基を付与したデンドリマーを用いることもできる。   In this embodiment, the ionomer adsorbent 300 is a sulfonated polyamidoamine dendrimer, but other than this, hydroxyl groups are added to terminal groups of polypyreneimine dendrimer, polyethyleneimine dendrimer, amidoamine dendrimer, propyleneimine dendrimer, and the like. A dendrimer provided with a cation exchange group such as a group, a carbonyl group, a sulfonic acid group, a phosphorous acid group, or an amino group can also be used.

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２にかかる燃料電池の構成を模式的に示す断面図であり、図５は、本発明の実施の形態２にかかる燃料電池の電解質膜−電極接合体の構成を模式的に示す断面図であり、図６は、本発明の実施の形態２にかかる燃料電池用触媒インクの構成を示す模式図である。 (Embodiment 2)
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the fuel cell according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 5 shows the electrolyte membrane-electrode assembly of the fuel cell according to the second embodiment of the present invention. FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of the fuel cell catalyst ink according to the second embodiment of the present invention.

図４から図６に示す実施の形態２において、実施の形態１と同じ構成部材には、同じ符号を付与し、その重複する説明は省略する。   In the second embodiment shown in FIGS. 4 to 6, the same reference numerals are given to the same constituent members as those in the first embodiment, and the overlapping description is omitted.

図４に示すように、本実施の形態の燃料電池１０１は、電解質膜−電極接合体９１が、アノードセパレータ７０ａとカソードセパレータ７０ｂとで挟まれるように、電解質膜−電極接合体９１とアノードセパレータ７０ａとカソードセパレータ７０ｂとが積層されている。この積層方向に燃料電池１０１が複数積層されることで、燃料電池スタック（図示せず）が構成される。   As shown in FIG. 4, the fuel cell 101 of the present embodiment includes an electrolyte membrane-electrode assembly 91 and an anode separator so that the electrolyte membrane-electrode assembly 91 is sandwiched between the anode separator 70a and the cathode separator 70b. 70a and cathode separator 70b are laminated. A plurality of fuel cells 101 are stacked in this stacking direction to form a fuel cell stack (not shown).

アノードセパレータ７０ａの電解質膜−電極接合体９１に臨む面には、燃料ガス流路７１ａが設けられている。同様に、カソードセパレータ７０ｂの電解質膜−電極接合体９１に臨む面には、酸化剤ガス流路７１ｂが設けられている。   A fuel gas passage 71a is provided on the surface of the anode separator 70a facing the electrolyte membrane-electrode assembly 91. Similarly, an oxidant gas flow path 71b is provided on the surface of the cathode separator 70b facing the electrolyte membrane-electrode assembly 91.

図５に示すように、本実施の形態の電解質膜−電極接合体９１は、電解質膜１０と、電解質膜１０を挟持するアノード６１ａおよびカソード６１ｂを備える。   As shown in FIG. 5, the electrolyte membrane-electrode assembly 91 of this embodiment includes an electrolyte membrane 10, and an anode 61 a and a cathode 61 b that sandwich the electrolyte membrane 10.

アノード６１ａは、電解質膜１０と隣接するアノード触媒層５１ａと、アノードセパレータ７０ａ（燃料ガス流路７１ａ）と隣接するアノードガス拡散層４０ａから構成されている。カソード６１ｂは、電解質膜１０と隣接するカソード触媒層５１ｂと、カソードセパレータ７０ｂ（酸化剤ガス流路７１ｂ）と隣接するカソードガス拡散層４０ｂから構成されている。   The anode 61a includes an anode catalyst layer 51a adjacent to the electrolyte membrane 10, and an anode gas diffusion layer 40a adjacent to the anode separator 70a (fuel gas flow channel 71a). The cathode 61b includes a cathode catalyst layer 51b adjacent to the electrolyte membrane 10, and a cathode gas diffusion layer 40b adjacent to the cathode separator 70b (oxidant gas flow path 71b).

燃料電池１０１は、燃料ガス流路７１ａからアノード６１ａに供給される燃料ガスと、酸化剤ガス流路７１ｂからカソード６１ｂに供給される酸化剤ガスとの反応により発電を行う。酸化剤ガスは、空気を用いる。燃料ガスは、水素含有ガスを用いる。   The fuel cell 101 generates electric power by a reaction between a fuel gas supplied from the fuel gas passage 71a to the anode 61a and an oxidant gas supplied from the oxidant gas passage 71b to the cathode 61b. Air is used as the oxidant gas. As the fuel gas, a hydrogen-containing gas is used.

次に、本実施の形態における、アノード触媒層５１ａと、カソード触媒層５１ｂを形成するための触媒インク９０１およびその製造方法について、より詳細に説明する。   Next, the catalyst ink 901 for forming the anode catalyst layer 51a and the cathode catalyst layer 51b and the manufacturing method thereof in the present embodiment will be described in more detail.

図６に示すように、燃料電池１０１の触媒インク９０１は、触媒粒子４００と、導電性
粒子５００と、アイオノマー吸着材３０１と、アイオノマー２００、溶媒８００から構成されており、アイオノマー２００がアイオノマー吸着材３０１に吸着している。 As shown in FIG. 6, the catalyst ink 901 of the fuel cell 101 includes catalyst particles 400, conductive particles 500, an ionomer adsorbent 301, an ionomer 200, and a solvent 800. The ionomer 200 is an ionomer adsorbent. 301 is adsorbed.

導電性粒子５００は、炭素粒子（ケッチェンブラック）とし、触媒粒子４００は、白金触媒粒子とする。なお、白金触媒粒子は炭素粒子に４６ｗｔ％の担持率で担持された白金担持炭素（田中貴金属工業「ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ」）とする。   The conductive particles 500 are carbon particles (Ketjen black), and the catalyst particles 400 are platinum catalyst particles. The platinum catalyst particles are platinum-supported carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo “TEC10E50E”) supported on carbon particles at a loading rate of 46 wt%.

アイオノマー２００の材質は、パーフルオロスルホン酸（ナフィオン（デュポン社製 商品名「ＤＥ５２０ＣＳ」））とする。添加するアイオノマー２００の重量は、導電性粒子５００の重量を１としたときに、０．７とする。アイオノマー吸着材３０１の材質は、カチオン交換基としてスルホン酸基を有するスルホン酸化ポリアミドアミンデンドリマーとする。   The material of the ionomer 200 is perfluorosulfonic acid (Nafion (trade name “DE520CS” manufactured by DuPont)). The weight of the ionomer 200 to be added is 0.7 when the weight of the conductive particles 500 is 1. The material of the ionomer adsorbent 301 is a sulfonated polyamidoamine dendrimer having a sulfonic acid group as a cation exchange group.

また、スルホン酸化ポリアミドアミンデンドリマーの分子量は、スルホン酸化ポリアミドアミンデンドリマーの直径が４ｎｍ以上となる、１万以上の分子量とする。また、アイオノマー吸着材３０１が有する多価カチオン６００は、セリウムイオンとする。また、セリウムイオンの添加量は、スルホン酸化ポリアミドアミンデンドリマーのカチオン交換基のモル数を３としたときに、添加するセリウムイオンのモル数を１とする。   The molecular weight of the sulfonated polyamidoamine dendrimer is set to 10,000 or more so that the diameter of the sulfonated polyamidoamine dendrimer is 4 nm or more. The polyvalent cation 600 included in the ionomer adsorbent 301 is cerium ion. The amount of cerium ions to be added is set so that the number of moles of cerium ions to be added is 1 when the number of moles of the cation exchange group of the sulfonated polyamidoamine dendrimer is 3.

アイオノマー吸着材３０１の添加量は、アイオノマー２００が有するスルホン酸基のモル数を３としたときに、アイオノマー吸着材３０１が有するスルホン酸基のモル数が１となる添加量とする。   The addition amount of the ionomer adsorbent 301 is such that the number of sulfonic acid groups possessed by the ionomer adsorbent 301 is 1 when the number of moles of sulfonic acid groups possessed by the ionomer 200 is 3.

次に、触媒インク９０１の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the catalyst ink 901 will be described.

燃料電池１０１の触媒インク９０１の製造工程は、水とエタノールから成る混合溶媒（水：エタノールの重量比＝５０：５０）と、多価カチオン６００の前駆体と、アイオノマー吸着材３０１とをビーズミルを用いて分散混合し、アイオノマー吸着材３０１のスルホン酸基の水素を多価カチオン６００で置換する。   The manufacturing process of the catalyst ink 901 of the fuel cell 101 is a bead mill using a mixed solvent composed of water and ethanol (water: ethanol weight ratio = 50: 50), a precursor of a polyvalent cation 600, and an ionomer adsorbent 301. Then, the hydrogen of the sulfonic acid group of the ionomer adsorbent 301 is replaced with the polyvalent cation 600.

次に、アイオノマー２００と、水とエタノールから成る混合溶媒とを、多価カチオン６００で置換したアイオノマー吸着材３０１の分散液に添加し、ビーズミルを用いて分散混合させることで、多価カチオン６００を有するアイオノマー吸着材３０１の外周部にアイオノマー２００を吸着させる。   Next, the ionomer 200 and a mixed solvent composed of water and ethanol are added to the dispersion of the ionomer adsorbent 301 substituted with the polyvalent cation 600, and dispersed and mixed using a bead mill, whereby the polyvalent cation 600 is obtained. The ionomer 200 is adsorbed on the outer periphery of the ionomer adsorbent 301 having the same.

次に、水とエタノールの混合溶媒と、アイオノマー２００と、スルホン酸基を多価カチオン６００で置換したアイオノマー吸着材３０１とからなる分散液に、不活性ガスを封入し、触媒粒子４００が担持された導電性粒子５００を添加し、ビーズミルを用いて分散混合させることで、触媒インク９０１の製造が完了する。   Next, an inert gas is sealed in a dispersion liquid composed of a mixed solvent of water and ethanol, an ionomer 200, and an ionomer adsorbent 301 in which a sulfonic acid group is substituted with a polyvalent cation 600, and catalyst particles 400 are supported. The conductive particles 500 are added and dispersed and mixed using a bead mill, whereby the production of the catalyst ink 901 is completed.

上記の方法により得られた触媒インク９０１をアノードガス拡散層４０ａおよびカソードガス拡散層４０ｂの表面に直接塗布し、乾燥することで、アノード６１ａおよびカソード６１ｂを形成する。   The catalyst ink 901 obtained by the above method is directly applied to the surfaces of the anode gas diffusion layer 40a and the cathode gas diffusion layer 40b and dried to form the anode 61a and the cathode 61b.

アノードガス拡散層４０ａおよびカソードガス拡散層４０ｂは、カーボンペーパー（ＳＧＬ社製 ２５ＢＣＨ）とする。以上により、電極が完成する。アノード触媒層５１ａおよびカソード触媒層５１ｂの電極の面積当りの白金担持量は、０．１０ｍｇ／ｃｍ２とする。 The anode gas diffusion layer 40a and the cathode gas diffusion layer 40b are carbon paper (25BCH manufactured by SGL). Thus, the electrode is completed. The amount of platinum supported per area of the anode catalyst layer 51a and the cathode catalyst layer 51b is 0.10 mg / cm 2 .

電解質膜１０は、パーフルオロスルホン酸電解質膜（デュポン社製 商品名「ＮＲＥ２
１１」）とする。上記の方法により得られたアノード６１ａおよびカソード６１ｂを電解質膜１０の両側に１２０℃で５分間、熱圧着し、電解質膜−電極接合体９１を形成する。 The electrolyte membrane 10 is a perfluorosulfonic acid electrolyte membrane (trade name “NRE2” manufactured by DuPont).
11 "). The anode 61 a and the cathode 61 b obtained by the above method are thermocompression bonded at both sides of the electrolyte membrane 10 at 120 ° C. for 5 minutes to form the electrolyte membrane-electrode assembly 91.

以上のように、本実施の形態２の触媒インク９０１は、導電性粒子５００に担持された触媒粒子４００と、アイオノマー吸着材３０１と、アイオノマー２００を含有する触媒インク９０１であって、アイオノマー２００が、アイオノマー吸着材３０１の表面に吸着していることを特徴とする。   As described above, the catalyst ink 901 according to the second embodiment is a catalyst ink 901 containing the catalyst particles 400 supported on the conductive particles 500, the ionomer adsorbent 301, and the ionomer 200. It is characterized by being adsorbed on the surface of the ionomer adsorbent 301.

これにより、触媒インク９０１に分散した微小なコロイド径を有するアイオノマー２００をアイオノマー吸着材３０１の外表面に吸着させることができる。その結果、触媒インク９０１に分散したアイオノマー２００が、触媒粒子４００が担持された導電性粒子５００の凝集体間や凝集体内の微細な空隙を閉塞することを抑制することができる。   Thereby, the ionomer 200 having a minute colloidal diameter dispersed in the catalyst ink 901 can be adsorbed on the outer surface of the ionomer adsorbent 301. As a result, the ionomer 200 dispersed in the catalyst ink 901 can be suppressed from blocking fine voids between the aggregates of the conductive particles 500 on which the catalyst particles 400 are supported or in the aggregates.

また、アイオノマー吸着材３０１としてカチオン交換基を有するデンドリマーを用いることで、アイオノマー吸着材３０１のカチオン交換基に吸着したアイオノマー２００が有するカチオン交換基がイオン結合を形成するため、アイオノマー吸着材３０１の表面により強く吸着させることができる。   Further, by using a dendrimer having a cation exchange group as the ionomer adsorbent 301, the cation exchange group of the ionomer 200 adsorbed on the cation exchange group of the ionomer adsorbent 301 forms an ionic bond, so that the surface of the ionomer adsorbent 301 Can be absorbed more strongly.

そのため、触媒インク９０１の溶媒にアルコールを用いる場合であっても、触媒インク９０１に分散した微小なコロイド径を有するアイオノマー２００をアイオノマー吸着材３０１の外表面に安定的に吸着させることができる。   Therefore, even when alcohol is used as the solvent of the catalyst ink 901, the ionomer 200 having a minute colloidal diameter dispersed in the catalyst ink 901 can be stably adsorbed on the outer surface of the ionomer adsorbent 301.

また、アイオノマー吸着材３０１が、多価カチオン６００を有することとする。これにより、アイオノマー吸着材３０１が有する多価カチオン６００が、アイオノマー２００が有するカチオン交換基とイオン結合を形成するため、アイオノマー吸着材３０１の表面にアイオノマー２００のカチオン交換基を更に強く吸着させることができる。   In addition, the ionomer adsorbent 301 has a polyvalent cation 600. Thereby, since the polyvalent cation 600 of the ionomer adsorbent 301 forms an ionic bond with the cation exchange group of the ionomer 200, the cation exchange group of the ionomer 200 can be more strongly adsorbed on the surface of the ionomer adsorbent 301. it can.

更に、触媒インク９０１の溶媒にアルコールを用いる場合であっても、触媒インク９０１に分散した微小なコロイド径を有するアイオノマー２００をアイオノマー吸着材３０１の外表面により安定的に吸着させることができる。   Further, even when alcohol is used as the solvent of the catalyst ink 901, the ionomer 200 having a minute colloidal diameter dispersed in the catalyst ink 901 can be stably adsorbed on the outer surface of the ionomer adsorbent 301.

その結果、触媒インク９０１に分散したアイオノマー２００が、触媒粒子４００が担持された導電性粒子５００の凝集体間や凝集体内の微細な空隙にまで侵入し、アイオノマー２００が緻密に被覆することを更に抑制することができる。   As a result, the ionomer 200 dispersed in the catalyst ink 901 penetrates between the aggregates of the conductive particles 500 on which the catalyst particles 400 are supported and into the fine voids in the aggregate, and the ionomer 200 is further densely coated. Can be suppressed.

触媒インク９０１を用いて電極を形成することで、アイオノマー２００が、触媒粒子４００が担持された導電性粒子５００の凝集体間や凝集体内の微細な空隙にまで侵入し、アイオノマー２００が緻密に被覆することを抑制することができ、アノード６１ａとカソード６１ｂのガス拡散性を向上させるができる。   By forming an electrode using the catalyst ink 901, the ionomer 200 penetrates between the aggregates of the conductive particles 500 on which the catalyst particles 400 are supported and into the fine voids in the aggregates, and the ionomer 200 is densely covered. Therefore, gas diffusibility of the anode 61a and the cathode 61b can be improved.

触媒インク９０１を用いてアノード６１ａとカソード６１ｂを形成した電解質膜−電極接合体９１とすることで、アイオノマー２００が、触媒粒子４００が担持された導電性粒子５００の凝集体間や凝集体内の微細な空隙にまで侵入し、アイオノマー２００が緻密に被覆することを抑制することができ、燃料電池１０１のガス拡散抵抗を低減することができる。その結果、電池電圧を向上させることができる。   By using the electrolyte membrane-electrode assembly 91 in which the anode 61 a and the cathode 61 b are formed using the catalyst ink 901, the ionomer 200 is fine between the aggregates of the conductive particles 500 on which the catalyst particles 400 are supported or in the aggregates. It is possible to suppress penetration of the ionomer 200 into a fine gap and densely coat the ionomer 200, and to reduce the gas diffusion resistance of the fuel cell 101. As a result, the battery voltage can be improved.

なお、本実施の形態においては、導電性粒子５００を、炭素粒子（ケッチェンブラック）としたが、これ以外にも、グラファイトケッチェンブラック、オイルファーネスブラック、アセチレンブラック、デンカブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック等のカーボンブラックや、カーボンナノチューブやカーボンファイバーなどの繊維状の炭素を
用いることができる。また、酸化チタン、酸窒化タンタル、酸化イリジウム複合酸化物などの酸化物を用いることもできる。 In the present embodiment, the conductive particles 500 are carbon particles (Ketjen black), but other than this, graphite ketjen black, oil furnace black, acetylene black, Denka black, thermal black, channel Carbon black such as black and fibrous carbon such as carbon nanotube and carbon fiber can be used. An oxide such as titanium oxide, tantalum oxynitride, or an iridium oxide composite oxide can also be used.

なお、本実施の形態においては、導電性粒子５００および触媒粒子４００を、水とアルコール（エタノール）の溶媒に分散させたが、これ以外にも、水、多価数アルコール（２プロパノール、ブタノール、エチレングリコール等）、その他有機溶媒（ジメチルフォルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド等）およびこれらの混合溶媒を用いることもできる。   In the present embodiment, the conductive particles 500 and the catalyst particles 400 are dispersed in a solvent of water and alcohol (ethanol), but in addition to this, water, polyhydric alcohol (2 propanol, butanol, Ethylene glycol, etc.), other organic solvents (dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, etc.) and mixed solvents thereof can also be used.

なお、本実施の形態においては、アイオノマー吸着材３０１を、スルホン酸化ポリアミドアミンデンドリマーとしたが、これ以外にも、ポリピレンイミンデンドリマー、ポリエチレンイミンデンドリマー、アミドアミンデンドリマー、プロピレンイミンデンドリマー等の末端基にヒドロキシル基、カルボニル基、スルホン酸基、亜リン酸基、アミノ基などのカチオン交換基を付与したデンドリマーを用いることもできる。   In the present embodiment, the ionomer adsorbent 301 is a sulfonated polyamide amine dendrimer. However, other than this, hydroxyl groups are added to terminal groups of polypyreneimine dendrimer, polyethyleneimine dendrimer, amidoamine dendrimer, propyleneimine dendrimer, and the like. A dendrimer provided with a cation exchange group such as a group, a carbonyl group, a sulfonic acid group, a phosphorous acid group, or an amino group can also be used.

なお、本実施の形態においては、アイオノマー吸着材３０１が有する多価カチオン６００として、セリウムイオンとしたが、これ以外にもマンガンイオン、コバルトイオン、スズイオン、クロムイオン、アルミニウムイオン、鉄イオン、コバルトイオン、カルシウムイオン、ニッケルイオンを用いることもできる。   In the present embodiment, cerium ions are used as the polyvalent cation 600 of the ionomer adsorbent 301. However, manganese ions, cobalt ions, tin ions, chromium ions, aluminum ions, iron ions, cobalt ions are also used. Calcium ions and nickel ions can also be used.

本発明の触媒インクは、触媒層のガス拡散抵抗を低減することができ、これを用いて構成した燃料電池の電圧を向上させることができるので、ポータブル電源、携帯機器用電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池に適用できる。   The catalyst ink of the present invention can reduce the gas diffusion resistance of the catalyst layer, and can improve the voltage of the fuel cell constructed using this, so that it can be used as a portable power source, a power source for portable devices, and a power source for electric vehicles. It can be applied to fuel cells used in domestic cogeneration systems.

１０ 電解質膜
４０ａ アノードガス拡散層
４０ｂ カソードガス拡散層
５０ａ、５１ａ アノード触媒層
５０ｂ、５１ｂ カソード触媒層
６０ａ、６１ａ アノード
６０ｂ、６１ｂ カソード
７０ａ アノードセパレータ
７０ｂ カソードセパレータ
７１ａ 燃料ガス流路
７１ｂ 酸化剤ガス流路
９０、９１ 電解質膜−電極接合体
１００、１０１ 燃料電池
２００ アイオノマー
３００、３０１ アイオノマー吸着材
４００ 触媒粒子
５００ 導電性粒子
６００ 多価カチオン
８００ 溶媒
９００、９０１ 触媒インク DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Electrolyte membrane 40a Anode gas diffusion layer 40b Cathode gas diffusion layer 50a, 51a Anode catalyst layer 50b, 51b Cathode catalyst layer 60a, 61a Anode 60b, 61b Cathode 70a Anode separator 70b Cathode separator 71a Fuel gas channel 71b Oxidant gas channel 90, 91 Electrolyte membrane-electrode assembly 100, 101 Fuel cell 200 Ionomer 300, 301 Ionomer adsorbent 400 Catalyst particle 500 Conductive particle 600 Multivalent cation 800 Solvent 900, 901 Catalyst ink

Claims (5)

導電性粒子に触媒が担持されている触媒担持粒子と、アイオノマーと、前記アイオノマーを吸着することができるアイオノマー吸着材とを含有し、燃料電池の電極を作製するために用いられる触媒インクであって、
前記アイオノマーが、前記アイオノマー吸着材の外表面に吸着している、触媒インク。 A catalyst ink comprising a catalyst-carrying particle in which a catalyst is carried on conductive particles, an ionomer, and an ionomer adsorbent capable of adsorbing the ionomer, and used for producing a fuel cell electrode. ,
A catalyst ink in which the ionomer is adsorbed on an outer surface of the ionomer adsorbent. 前記アイオノマー吸着材は、カチオン交換基を有するデンドリマーである、請求項１に記載の触媒インク。 The catalyst ink according to claim 1, wherein the ionomer adsorbent is a dendrimer having a cation exchange group. 前記アイオノマー吸着材は、多価カチオンを有するデンドリマーである、請求項２に記載の触媒インク。 The catalyst ink according to claim 2, wherein the ionomer adsorbent is a dendrimer having a polyvalent cation. 請求項１から３のいずれか１項に記載の触媒インクを用いて形成された、電極。 The electrode formed using the catalyst ink of any one of Claim 1 to 3. 請求項４に記載の電極を、電解質膜の主面の少なくともどちらか一方に有する、電解質膜−電極接合体。 An electrolyte membrane-electrode assembly having the electrode according to claim 4 on at least one of the main surfaces of the electrolyte membrane.
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