JP2019083112A - Membrane electrode assembly for fuel cell and manufacturing method thereof, and solid polymer fuel cell - Google Patents

Membrane electrode assembly for fuel cell and manufacturing method thereof, and solid polymer fuel cell Download PDF

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Abstract

To provide an electrode catalyst layer for fuel cell improving water retention under low humidification condition without blocking removal of water produced by electrode reaction, and showing high power generation performance even under low humidification condition, the electrode catalyst layer being able to be manufactured at a low cost.SOLUTION: At least one electrode catalyst layer, out of a pair of electrode catalyst layers 2, 3 sandwiching a polymer electrolyte membrane 1, is provided with at least two electrode catalyst parts, i.e., a first electrode catalyst part 2a (or 3a) provided on the inlet side of gas, and a second electrode catalyst part 2b (or 3b) provided on the outlet side of gas, where the mass ratio of a fibrous material to carbon particles in the second electrode catalyst part 2b (or 3b) is larger than the mass ratio of the fibrous material to carbon particles in the first electrode catalyst part 2a (or 3a) in the membrane electrode assembly for fuel cell.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、膜電極接合体と、こ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技術である。   The present invention relates to a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly.

燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて、触媒を含む電極で水の電気分解の逆反応を起こさせ、熱と同時に電気を生み出す発電システムである。この発電システムは、従来の発電方式と比較して高効率で低環境負荷、低騒音などの特徴を有し、将来のクリーンなエネルギー源として注目されている。燃料電池は、用いるイオン伝導体の種類によってタイプがいくつかあり、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。
燃料電池の中でも固体高分子形燃料電池は、室温付近で使用可能なことから、車載用電源や家庭据置用電源などへの使用が有望視されており、近年、固体高分子形燃料電池について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。
A fuel cell is a power generation system that uses a hydrogen-containing fuel gas and an oxygen-containing oxidant gas to cause the reverse reaction of water electrolysis at a catalyst-containing electrode to generate electricity simultaneously with heat. This power generation system has features such as high efficiency, low environmental load, and low noise as compared with the conventional power generation system, and is attracting attention as a future clean energy source. There are several types of fuel cells depending on the type of ion conductor used, and a cell using a proton conductive polymer membrane is called a polymer electrolyte fuel cell.
Among fuel cells, polymer electrolyte fuel cells can be used at around room temperature, and their use in automotive power sources and home stationary power sources is expected to be promising. In recent years, various types of polymer electrolyte fuel cells have been proposed. Research and development is underway. In a polymer electrolyte fuel cell, a membrane electrode assembly (Membrane Electrode Assembly: hereinafter sometimes referred to as MEA) in which a pair of electrode catalyst layers are disposed on both sides of a polymer electrolyte membrane is sandwiched by a pair of separator plates. Battery.

一方のセパレータ板には、一対の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、一対の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側の電極を燃料極、酸化剤ガスが供給される側の電極を空気極とする。これらの電極は、高分子電解質と白金系の貴金属などの触媒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。
In one separator plate, a gas flow path for supplying a fuel gas containing hydrogen is formed in one of the pair of electrodes, and in the other separator plate, oxidation is performed including oxygen in the other of the pair of electrodes. A gas flow path for supplying the agent gas is formed.
Here, the electrode to which the fuel gas is supplied is a fuel electrode, and the electrode to which the oxidant gas is supplied is an air electrode. These electrodes are provided with an electrode catalyst layer formed by laminating a polymer electrolyte and carbon particles carrying a catalyst such as a platinum-based noble metal, and a gas diffusion layer having both gas permeability and electron conductivity. . In addition, these electrodes are disposed such that the gas diffusion layer faces the separator.

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。このため、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及び特許文献4を参照)。
For the electrode catalyst layer, efforts have been made to improve the gas diffusivity in order to improve the power density of the fuel cell. The pores in the electrode catalyst layer are located ahead from the separator plate through the gas diffusion layer and play a role of a passage for transporting a plurality of substances. The fuel electrode not only smoothly supplies the fuel gas to the three-phase interface which is the reaction site of the oxidation reduction, but also functions to supply water for conducting the generated protons smoothly in the polymer electrolyte membrane. The air electrode, together with the supply of the oxidant gas, functions to smoothly remove the water produced by the electrode reaction.
In the polymer electrolyte fuel cell, the phenomenon of so-called "flooding" in which the power generation reaction is stopped due to the obstruction of the substance transport at the fuel electrode and the air electrode is prevented. For this reason, the structure which improves drainage property until now is examined (for example, refer patent document 1, patent document 2, patent document 3, and patent document 4).

また、固体高分子形燃料電池の実用化に向けての課題は、出力密度や耐久性の向上などが挙げられるが、最大の課題は低コスト化(コスト削減)である。
この低コスト化の手段の一つに、加湿器の削減が挙げられる。膜電極接合体の中心に位置する高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸膜や炭化水素系膜が広く用いられている。そして、優れたプロトン伝導性を得るためには飽和水蒸気圧雰囲気に近い水分管理が必要とされており、現在、加湿器によって外部から水分供給を行っている。そこで、低消費電力やシステムの簡略化のために、加湿器を必要としないような、低加湿条件下であっても、十分なプロトン伝導性を示す高分子電解質膜の開発が進められている。
Moreover, although the subject for practical use of a polymer electrolyte fuel cell includes the improvement of power density and durability, etc., the biggest subject is cost reduction (cost reduction).
One way to reduce costs is to reduce the number of humidifiers. Perfluorosulfonic acid membranes and hydrocarbon-based membranes are widely used as polymer electrolyte membranes located at the center of membrane electrode assemblies. And, in order to obtain excellent proton conductivity, water management close to a saturated water vapor pressure atmosphere is required, and at present, water is supplied from the outside by a humidifier. Therefore, for the purpose of low power consumption and simplification of the system, development of a polymer electrolyte membrane showing sufficient proton conductivity even under low humidification conditions that does not require a humidifier has been promoted. .

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。
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記載されている。
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記載されている。特許文献6に記載の方法では、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している。
However, in the case of the electrode catalyst layer having enhanced drainage performance, the polymer electrolyte is dried up under low humidification conditions, so it is necessary to optimize the structure of the electrode catalyst layer to improve the water retention. Heretofore, in order to improve the water retentivity of the fuel cell under low humidification conditions, for example, a method of sandwiching a humidity control film between the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer has been devised.
For example, Patent Document 5 describes a method in which a humidity control film composed of conductive carbonaceous powder and polytetrafluoroethylene exhibits a humidity control function to prevent dry-up.
Patent Document 6 describes a method of providing a groove on the surface of a catalyst electrode layer in contact with a polymer electrolyte membrane. In the method described in Patent Document 6, by forming a groove having a width of 0.1 to 0.3 mm on the surface of the catalyst electrode layer, a decrease in power generation performance under low humidification conditions is suppressed.

特開2006−120506号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2006-120506 特開2006−332041号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2006-332041 特開2007−87651号公報JP 2007-87651A 特開2007−80726号公報JP 2007-80726 A 特開2006−252948号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2006-252948 特開2007−141588号公報Japanese Patent Application Publication No. 2007-141588

特許文献5および6に記載された方法によれば、電極触媒層の排水性を高める(電極反応で生成した水の除去を阻害しない)と同時に、電極触媒層の低加湿条件下での保水性を改善することが期待できる。しかし、これらの方法で得られた電極触媒層を用いた燃料電池には、低加湿条件下での発電性能や耐久性の点で改善の余地がある。また、これらの方法は煩雑であり、電極触媒層の製造コストが高いという問題点もある。
本発明は、上記のような点に着目したもので、電極反応で生成した水の除去を阻害せずに、低加湿条件下での保水性が改善され、また、低加湿条件下でも高い発電性能と耐久性を示す燃料電池用膜電極接合体を提供することを目的とする。
According to the methods described in Patent Documents 5 and 6, it is possible to enhance the drainage of the electrode catalyst layer (do not inhibit the removal of water generated by the electrode reaction), and at the same time, to retain water of the electrode catalyst layer under low humidification conditions. Can be expected to improve. However, fuel cells using the electrode catalyst layer obtained by these methods have room for improvement in terms of power generation performance under low humidification conditions and durability. In addition, these methods are complicated, and there is also a problem that the production cost of the electrode catalyst layer is high.
The present invention focuses on the above points, and the water retention under low humidification conditions is improved without inhibiting the removal of water generated by the electrode reaction, and high power generation even under low humidification conditions An object of the present invention is to provide a fuel cell membrane electrode assembly exhibiting performance and durability.

課題を解決するために、本発明の一態様は、高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟持し、上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、上記高分子電解質膜と対向する第一の電極触媒部と第二の電極触媒部とを有し、上記第一の電極触媒部と上記第二の電極触媒部の相対的な配置として、上記電極触媒層に流入するガスの流れ方向に対し、上記第一の電極触媒部を上記流れ方向の入口側に配置し、上記第二の電極触媒部を上記流れ方向の出口側に配置し、上記第一の電極触媒部及び上記第二の電極触媒部は、触媒が担持されたカーボン粒子からなる触媒担持粒子と、平均繊維長が1μm以上15μm以下の繊維状物質と、高分子電解質と、を含み、上記カーボン粒子に対する上記繊維状物質の質量比について、上記第二の電極触媒部の質量比が、上記第一の電極触媒部の質量比よりも大きいことを特徴とする。   In order to solve the problems, one aspect of the present invention is that a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode catalyst layers, and at least one of the pair of electrode catalyst layers is the polymer electrolyte membrane A gas having a first electrode catalyst portion and a second electrode catalyst portion facing each other and flowing into the electrode catalyst layer as a relative arrangement of the first electrode catalyst portion and the second electrode catalyst portion And the second electrode catalyst portion is disposed at the outlet side of the flow direction, and the first electrode catalyst portion is disposed at the inlet side of the flow direction. The second electrode catalyst portion includes a catalyst-supporting particle consisting of carbon particles supporting a catalyst, a fibrous substance having an average fiber length of 1 μm to 15 μm, and a polymer electrolyte, and the above-mentioned carbon particle Regarding the mass ratio of fibrous material, the second electrode It is characterized in that the mass ratio of the catalyst part is larger than the mass ratio of the first electrode catalyst part.

本発明の一態様によれば、電極反応で生成した水の除去を阻害せずに、低加湿条件下での保水性が改善され、低加湿条件下でも高い発電性能を示す燃料電池用膜電極接合体を提供可能となる。その結果、本発明の一態様によれば、上記効果を備えた燃料電池用膜電極接合体を低コストで製造できるようになる。   According to one aspect of the present invention, a membrane electrode for a fuel cell, which has improved water retention under low humidification conditions and exhibits high power generation performance even under low humidification conditions without inhibiting removal of water generated by electrode reaction. A conjugate can be provided. As a result, according to one aspect of the present invention, a fuel cell membrane electrode assembly having the above effects can be manufactured at low cost.

本発明の実施形態の膜電極接合体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 membrane electrode assembly of embodiment of this invention. 図1の膜電極接合体を備えた固体高分子形燃料電池の構造を模式的に示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows typically the structure of the polymer electrolyte fuel cell provided with the membrane electrode assembly of FIG.

<実施形態>
以下に、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。なお、本発明は、以下に記載の実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
Embodiment
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings. The present invention is not limited to the embodiments described below, and modifications such as design changes can be made based on the knowledge of those skilled in the art, and such modifications can be made. Is also within 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、電極触媒層に流入する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.
As shown in FIG. 1, the membrane electrode assembly 11 comprises a polymer electrolyte membrane 1 and an electrode catalyst layer 2 sandwiching the polymer electrolyte membrane 1 from the upper and lower surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 (in FIG. And an electrode catalyst layer 3 (shown below in FIG. 1). Furthermore, 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 inlet side of the gas flowing into the electrode catalyst layer and a second electrode located on the outlet side of the gas And a catalyst portion 2b. 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.

2つの電極触媒層2、3の少なくとも一方の電極触媒層は、下記の構成(a)及び(b)を有する。2つの電極触媒層2、3が共に下記構成を満たすことが好ましい。
(a)触媒担持粒子と、繊維状物質と、高分子電解質と、を含む。繊維状物質の平均繊維長は1μm以上、15μm以下である。
(b)第二の電極触媒部2b(又は3b)における、カーボン粒子に対する繊維状物質の質量比は、第一の電極触媒部2a(又は3a)における、カーボン粒子に対する繊維状物質の質量比よりも大きい。
At least one of the two electrode catalyst layers 2 and 3 has the following configurations (a) and (b). It is preferable that the two electrode catalyst layers 2 and 3 satisfy the following configuration.
(A) A catalyst supporting particle, a fibrous substance, and a polymer electrolyte. The average fiber length of the fibrous material is 1 μm or more and 15 μm or less.
(B) The mass ratio of fibrous material to carbon particles in the second electrode catalyst portion 2b (or 3b) is based on the mass ratio of fibrous material to carbon particles in the first electrode catalyst portion 2a (or 3a) Too big.

上述の構成(a)及び(b)を有する電極触媒層2、3は、高い結晶性の繊維状物質の絡み合いによって、耐久性低下の起因となる電極触媒層のクラック発生を抑制するなど、高い耐久性と機械特性が得られる。繊維状物質の平均繊維長が1μmに満たない場合は、繊維状物質の絡み合いが弱いため、機械特性が低下する場合がある。また、繊維状物質の平均繊維長が15μmを超える場合は、繊維状物質の絡み合いが強いため、インクとして分散できない場合がある。   The electrode catalyst layers 2 and 3 having the above-mentioned configurations (a) and (b) are high in such a manner that the generation of cracks in the electrode catalyst layer causing the deterioration of durability is suppressed by the entanglement of highly crystalline fibrous substances. Durability and mechanical properties are obtained. If the average fiber length of the fibrous material is less than 1 μm, the mechanical properties may be deteriorated because the entanglement of the fibrous material is weak. When the average fiber length of the fibrous material exceeds 15 μm, the fibrous material may not be dispersed as ink because the entanglement of the fibrous material is strong.

また、カーボン粒子に対する繊維状物質の質量比を大きくすることで、繊維状物質によって電極触媒層内に形成される細孔が増加し、水の除去が促進する。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)におけるカーボン粒子に対する繊維状物質の質量比を、ガスの出口側に設ける第二の電極触媒部2b(又は3b)と比較して小さくしている。このため、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。   Further, by increasing the mass ratio of the fibrous material to the carbon particles, the number of pores formed in the electrode catalyst layer by the fibrous material is increased, and the removal of water is promoted. In the membrane electrode assembly 11, the mass ratio of the fibrous substance to the carbon particles in the first electrode catalyst portion 2a (or 3a) provided on the gas inlet side is the second electrode catalyst portion 2b (on the gas outlet side) Or 3b) compared to the smaller. For this reason, the water retentivity is enhanced by the first electrode catalyst portion 2a (or 3a) provided on the gas inlet side, and the removal of water is promoted in the second electrode catalyst portion 2b (or 3b) provided on the gas outlet side. ing. Thus, the membrane electrode assembly 11 has both the drainage property of the water generated by the electrode reaction and the water retention property under the low humidification condition.

上記構成(a)(b)を有する電極触媒層2、3は、更に下記の構成(c)を有することが好ましい。
(c)第一の電極触媒部2a(又は3a)における、カーボン粒子に対する繊維状物質の質量比は、0.1以上1.2以下の範囲内であり、第二の電極触媒部2b(又は3b)における、カーボン粒子に対する繊維状物質の質量比は、0.2以上2.5以下の範囲内である。
第一の電極触媒部2a(又は3a)における、カーボン粒子に対する繊維状物質の質量比が0.1に満たない場合は、繊維状物質の絡み合いが弱いため、第一の電極触媒部2a(又は3a)の機械特性が低下する場合がある。また、第一の電極触媒部2a(又は3a)における、カーボン粒子に対する繊維状物質の質量比が1.2を超える場合は、水の保持が困難となり、プロトン伝導性が低下する場合がある。
The electrode catalyst layers 2 and 3 having the above configurations (a) and (b) preferably further have the following configuration (c).
(C) The mass ratio of the fibrous substance to the carbon particles in the first electrode catalyst portion 2a (or 3a) is in the range of 0.1 or more and 1.2 or less, and the second electrode catalyst portion 2b (or The mass ratio of the fibrous material to the carbon particles in 3b) is in the range of 0.2 or more and 2.5 or less.
If the mass ratio of fibrous material to carbon particles in the first electrode catalyst portion 2a (or 3a) is less than 0.1, the entanglement of the fibrous material is weak, so the first electrode catalyst portion 2a (or The mechanical properties of 3a) may be degraded. In addition, when the mass ratio of the fibrous material to the carbon particles in the first electrode catalyst portion 2a (or 3a) exceeds 1.2, it may be difficult to retain water and the proton conductivity may be reduced.

第二の電極触媒部2b(又は3b)における、カーボン粒子に対する繊維状物質の質量比が0.2に満たない場合は、繊維状物質によって形成される細孔が少ないため、水の除去が困難となる場合がある。また、第二の電極触媒部2b(又は3b)における、カーボン粒子に対する繊維状物質の質量比が2.5を超える場合は、水の保持が困難となり、プロトン伝導性が低下する場合がある。
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。
When the mass ratio of fibrous material to carbon particles in the second electrode catalyst portion 2b (or 3b) is less than 0.2, it is difficult to remove water because the number of pores formed by the fibrous material is small It may be In addition, when the mass ratio of the fibrous material to the carbon particles in the second electrode catalyst portion 2b (or 3b) exceeds 2.5, it may be difficult to retain water and the proton conductivity may be reduced.
Unlike the case where the low humidity is achieved by applying a conventional humidity control film or forming a groove on the surface of the electrode catalyst layer, the membrane electrode assembly 11 does not show deterioration in power generation characteristics due to an increase in interface resistance. Therefore, the polymer electrolyte fuel cell provided with the membrane electrode assembly 11 has a remarkable effect of having high power generation characteristics even under low humidification conditions, as compared with the polymer electrolyte fuel cell provided with the conventional membrane electrode assembly. Play.

〔固体高分子形燃料電池〕
次に、図2を用いて、実施形態の膜電極接合体11を備えた固体高分子形燃料電池について説明する。
図2に示すように、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8a、8bと、冷却水流通用の冷却水流路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。
Polymer Electrolyte Fuel Cell
Next, a polymer electrolyte fuel cell provided with the membrane electrode assembly 11 of the embodiment will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 2, the polymer electrolyte fuel cell 12 is opposed to the 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 the electrode catalyst layer 3. And a gas diffusion layer 5 on the fuel electrode side arranged to 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.
In addition, a pair of separators 10a and 10b made of a conductive and impermeable material, provided with gas flow paths 8a and 8b for gas flow and cooling water flow paths 9a and 9b for cooling water flow, It is disposed outside the diffusion layers 4 and 5, respectively.

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。
固体高分子形燃料電池12は、一組のセパレータ10a、10bに、高分子電解質膜1と、2つの電極触媒層2、3と、ガス拡散層4,5とが狭持されている。固体高分子形燃料電池12は単セル構造の燃料電池であるが、セパレータ10a又はセパレータ10bを介して複数のセルを積層して固体高分子形燃料電池としても良い。
For example, hydrogen gas is supplied as 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. By causing electrode reaction between hydrogen of the fuel gas and oxygen of the oxidant gas in the presence of the catalyst, an electromotive force can be generated between the fuel electrode and the air electrode.
In the polymer electrolyte fuel cell 12, the polymer electrolyte membrane 1, the two electrode catalyst layers 2 and 3, and the gas diffusion layers 4 and 5 are sandwiched between a pair of separators 10a and 10b. The polymer electrolyte fuel cell 12 is a single cell fuel cell, but a plurality of cells may be stacked via the separator 10a or the separator 10b to form a polymer electrolyte fuel cell.

〔膜電極接合体の製造方法〕
次に、上記構成(a),(b),(c)を有する膜電極接合体11の製造方法の一例を説明する。
上記構成(a)(b),(c)を有する膜電極接合体11は、下記の触媒インク作製工程と触媒部形成工程と積層工程とを含む方法で製造される。
触媒インク作製工程は、触媒が担持されたカーボン粒子からなる触媒担持粒子、平均繊維長は1μm以上15μm以下の繊維状物質、高分子電解質、および溶媒を含む触媒インクを製造する工程である。触媒インク作製工程では、カーボン粒子に対する繊維状物質の質量比の異なる二種類の触媒インクを作製する。カーボン粒子に対する上記繊維状物質の質量比が小さい触媒インクを第一の触媒インク、カーボン粒子に対する上記繊維状物質の質量比が大きい触媒インクを第二の触媒インクとした。
[Method of producing membrane electrode assembly]
Next, an example of a method of manufacturing the membrane electrode assembly 11 having the above configurations (a), (b), and (c) will be described.
The membrane electrode assembly 11 having the above configurations (a), (b) and (c) is manufactured by a method including the following catalyst ink manufacturing step, catalyst portion forming step and lamination step.
The catalyst ink production step is a step of producing a catalyst ink comprising catalyst-supporting particles consisting of carbon particles carrying a catalyst, an average fiber length of a fibrous substance of 1 μm to 15 μm, a polymer electrolyte, and a solvent. In the catalyst ink preparation step, two kinds of catalyst inks having different mass ratios of fibrous material to carbon particles are prepared. A catalyst ink having a small mass ratio of the fibrous material to carbon particles is used as a first catalyst ink, and a catalyst ink having a large mass ratio of the fibrous material to carbon particles is used as a second catalyst ink.

触媒部形成工程は、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2a(又は3a)を形成する第一工程及び、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2b(又は3b)を形成する第二工程を有する。
触媒部形成工程において、基材に対する、第一の触媒インクの塗布領域と上記第二の触媒インクの塗布領域とが重ならいように塗布を行う。
積層工程では、基材に形成した電極触媒層を高分子電解質膜1の上に貼り付けて積層する工程である。積層工程において、電極触媒層に流入するガスの流れ方向に対し、第一の電極触媒部を上記流れ方向の入口側に、第二の電極触媒部を上記流れ方向の出口側になるように設定して貼り付ける。なお、基材が高分子電解質膜1である場合には、触媒部形成工程を行うことで積層工程を行うこととなる。
In the catalyst portion forming step, a first catalyst ink is applied to a substrate and dried to form a first electrode catalyst portion 2a (or 3a), and a second catalyst ink is used as a substrate. It has the 2nd process of forming the 2nd electrode catalyst part 2b (or 3b) by making it apply and drying.
In the catalyst portion forming step, the coating is performed such that the application region of the first catalyst ink and the application region of the second catalyst ink overlap with the substrate.
In the laminating step, the electrode catalyst layer formed on the base material is attached and laminated on the polymer electrolyte membrane 1. In the stacking step, the first electrode catalyst portion is set to the inlet side of the flow direction and the second electrode catalyst portion is set to the outlet side of the flow direction in the flow direction of the gas flowing into the electrode catalyst layer. Paste it. In addition, when a base material is the polymer electrolyte membrane 1, a lamination process will be performed by performing a catalyst part formation process.

電極触媒層2、3を高分子電解質膜1の上下各面に貼り付けることで、膜電極接合体11が得られる。電極触媒層2、3の両方が上述の方法で製造されたものであってもよいし、一方が上述の方法で製造され、他方が従来の方法で製造されたものであってもよい。
ここで、触媒インク作製工程のうちの第一の触媒インクを作製する工程及び触媒部形成工程のうちの第一工程が第一の工程に対応し、触媒インク作製工程のうちの第二の触媒インクを作製する工程及び触媒部形成工程のうちの第二工程が第二の工程に対応する。
By attaching the electrode catalyst layers 2 and 3 to the upper and lower surfaces of the polymer electrolyte membrane 1, the membrane electrode assembly 11 is obtained. Both of the electrode catalyst layers 2 and 3 may be manufactured by the method described above, or one may be manufactured by the method described above and the other may be manufactured by a conventional method.
Here, the first step in the step of producing the first catalyst ink in the catalyst ink producing step and the first step in the catalyst portion forming step correspond to the first step, and the second catalyst in the catalyst ink producing step The second step of the step of producing the ink and the step of forming the catalyst portion corresponds to the second step.

〔詳細説明〕
以下、膜電極接合体11及び固体高分子形燃料電池12について更に詳細に説明する。
高分子電解質膜1としては、プロトン伝導性を有するものであれば良く、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系高分子電解質膜を用いることができる。フッ素系高分子電解質膜の例として、デュポン社製Nafion(登録商標)、旭硝子(株)製Flemion(登録商標)、旭化成(株)製Aciplex(登録商標)、ゴア社製Gore Select(登録商標)等を用いることができる。
[Detailed description]
Hereinafter, the membrane electrode assembly 11 and the polymer electrolyte fuel cell 12 will be described in more detail.
The polymer electrolyte membrane 1 may be one having proton conductivity, and a fluorine-based polymer electrolyte membrane or a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane can be used. As an example of a fluorine-based polymer electrolyte membrane, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Corp., Gore Select (registered trademark) manufactured by Gore Etc. can be used.

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。
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。電極触媒層2,3用の触媒インクは、触媒担持粒子と高分子電解質と溶媒を含む。また、電極触媒層2,3の少なくともいずれかに用いる触媒インクは、触媒担持粒子、繊維状物質、高分子電解質、および溶媒を含み、カーボン粒子に対する繊維状物質の質量比の異なる二種類の組成を用いる。
Further, as the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane, an electrolyte membrane of sulfonated polyether ketone, sulfonated polyether sulfone, sulfonated polyether ether sulfone, sulfonated polysulfide, sulfonated polyphenylene, or the like can be used. In particular, Nafion (registered trademark) -based materials manufactured by DuPont can be suitably used as the polymer electrolyte membrane 1.
The electrode catalyst layers 2 and 3 are formed on both sides of the polymer electrolyte membrane 1 using a catalyst ink. The catalyst ink for the electrode catalyst layers 2 and 3 contains catalyst supporting particles, a polymer electrolyte and a solvent. In addition, the catalyst ink used for at least one of the electrode catalyst layers 2 and 3 contains two types of compositions including catalyst-supporting particles, a fibrous substance, a polymer electrolyte, and a solvent, and the mass ratio of the fibrous substance to carbon particles is different. Use

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 polymer electrolyte contained in the catalyst ink may be any one having proton conductivity, and the same material as that of the polymer electrolyte membrane 1 can be used, and a fluorine-based polymer electrolyte and a hydrocarbon-based polymer electrolyte can be used. It can be used. As an example of a fluorine-based polymer electrolyte, Nafion (registered trademark) -based material manufactured by DuPont can be used. Further, as the hydrocarbon-based polymer electrolyte, electrolytes such as sulfonated polyether ketone, sulfonated polyether sulfone, sulfonated polyether ether sulfone, sulfonated polysulfide, sulfonated polyphenylene and the like can be used. In particular, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont can be suitably used as the fluorine-based polymer electrolyte.

本実施形態で用いる触媒(以下、触媒粒子あるいは触媒と称すことがある)としては、白金族元素、金属、その金属の合金や酸化物、複酸化物等を用いることができる。白金族元素としては、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムがあり、金属としては、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が例示できる。なお、ここでいう複酸化物とは2種類の金属からなる酸化物のことをいう。
触媒粒子が、白金、金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、及び、イリジウムから選ばれた1種又は2種以上の金属である場合、電極反応性に優れ、電極反応を効率良く安定して行うことができる。触媒粒子が、白金、金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、及び、イリジウムから選ばれた1種又は2種以上の金属である場合、電極触媒層2,3を備えた固体高分子形燃料電池12が高い発電特性を示すので好ましい。
As a catalyst used in the present embodiment (hereinafter sometimes referred to as catalyst particles or catalyst), platinum group elements, metals, alloys or oxides of the metals, composite oxides, etc. can be used. Examples of platinum group elements include platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium and osmium, and examples of metals include iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium and aluminum. The term "multiple oxide" as used herein means an oxide composed of two types of metals.
When the catalyst particles are one or more metals selected from platinum, gold, palladium, rhodium, ruthenium, and iridium, they are excellent in electrode reactivity and efficiently and stably perform electrode reactions. it can. When the catalyst particles are one or more metals selected from platinum, gold, palladium, rhodium, ruthenium, and iridium, the polymer electrolyte fuel cell 12 provided with the electrode catalyst layers 2 and 3 is It is preferable because it exhibits high 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、カーボン粒子などの担体に担持された触媒であれば、X線回折法から求めた平均粒子径である。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粒子径である。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。
上述の触媒を担持する電子伝導性の粉末(担体)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。
Moreover, 0.5 nm or more and 20 nm or less are preferable, and, as for the average particle diameter of the catalyst particle mentioned above, 1 nm or more and 5 nm or less are more preferable. Here, the average particle size is an average particle size obtained from an X-ray diffraction method if it is a catalyst supported on a carrier such as carbon particles. In addition, if the catalyst is not supported on the carrier, it is the arithmetic mean particle size 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 preferably improved.
Carbon particles are generally used as the electron conductive powder (support) supporting the above-mentioned catalyst. The type of carbon particles is not limited as long as it is particulate and conductive and is not dependent on a catalyst, but carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotubes, fullerene may be used Can.

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像から求めた平均粒子径である。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。
繊維状物質としては導電性繊維を用いることができる。導電性繊維としては、カーボンナノファイバーやカーボンナノチューブ、気相成長炭素繊維が例示できる。気相成長炭素繊維の例として、昭和電工社製VGCF(登録商標)等を用いることができる。また、高分子電解質を繊維状に加工した電解質繊維でもよい。電解質繊維を用いることでプロトン伝導性を向上することができる。これらの繊維状物質は、1種のみを単独で使用してもよいが、2種以上を併用してもよく、導電性繊維と電解質繊維を一緒に用いても良い。
The average particle diameter of the carbon particles is preferably about 10 nm or more and 1000 nm or less, and more preferably 10 nm or more and 100 nm or less. Here, the average particle size is an average particle size obtained from a SEM 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 diffusivity of the two electrode catalyst layers 2 and 3 and the utilization of the catalyst are improved.
As the fibrous material, conductive fibers can be used. Examples of conductive fibers include carbon nanofibers, carbon nanotubes, and vapor grown carbon fibers. As an example of the vapor grown carbon fiber, VGCF (registered trademark) manufactured by Showa Denko K. K. can be used. In addition, an electrolyte fiber obtained by processing a polymer electrolyte into a fiber may be used. The proton conductivity can be improved by using an electrolyte fiber. These fibrous substances may be used alone or in combination of two or more, and conductive fibers and electrolyte fibers may be used together.

触媒インクの分散媒として使用される溶媒は、触媒物質担持粒子や高分子電解質を浸食することがなく、高分子電解質を流動性の高い状態で溶解又は微細ゲルとして分散できるものあれば特に限定されるものではない。しかしながら、溶媒には、揮発性の有機溶媒が少なくとも含まれていることが望ましい。触媒インクの分散媒として使用される溶媒の例として、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、イソブチルアルコール、tert−ブチルアルコール、ペンタノール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ペンタノン、メチルイソブチルケトン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジイソブチルケトン等のケトン系溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジブチルエーテル等のエーテル系溶剤、その他ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジアセトンアルコール、1−メトキシ−2−プロパノール等の極性溶剤等を用いることができる。また、溶媒は、上述の材料のうち二種以上を混合させた混合溶媒を用いても良い。   The solvent used as a dispersion medium for the catalyst ink is not particularly limited as long as it can dissolve the polymer electrolyte in a highly fluid state or disperse as a fine gel without eroding the catalyst material-supporting particles and the polymer electrolyte. It is not a thing. However, the solvent preferably contains at least a volatile organic solvent. Examples of the solvent used as a dispersion medium for the catalyst ink include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, alcohols such as isobutyl alcohol, tert-butyl alcohol and pentanol, and acetone Ketone solvents such as methyl ethyl ketone, pentanone, methyl isobutyl ketone, heptanone, cyclohexanone, methyl cyclohexanone, acetonyl acetone, diisobutyl ketone, etc., ether solvents such as tetrahydrofuran, dioxane, diethylene glycol dimethyl ether, anisole, methoxytoluene, dibutyl ether, etc. Dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, ethylene glycol, diethylene glycol, diacetone alcohol , It can be used polar solvents such as 1-methoxy-2-propanol. Moreover, you may use the mixed solvent which mixed 2 or more types among the above-mentioned materials as a solvent.

また、触媒インクの分散媒として使用される溶媒として、低級アルコールを用いたものは発火の危険性が高いため、低級アルコールを用いる場合は、水との混合溶媒にするのが好ましい。更に、高分子電解質となじみが良い水(親和性が高い水)が含まれていても良い。水の添加量は、高分子電解質が分離して白濁を生じたり、ゲル化したりしない程度であれば特に制限されるものではない。
触媒物質担持粒子を分散させるために、触媒インクに分散剤が含まれていても良い。分散剤としては、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤等を挙げることができる。
Moreover, since the thing using a lower alcohol as a solvent used as a dispersion medium of a catalyst ink has a high danger of ignition, when using a lower alcohol, it is preferable to set it as the mixed solvent with water. Furthermore, water that is compatible with the polymer electrolyte (water with high affinity) may be included. The amount of water added is not particularly limited as long as the polymer electrolyte is not separated to cause white turbidity or gelation.
A dispersant may be contained in the catalyst ink in order to disperse the catalyst material supporting particles. As a dispersing agent, an anionic surfactant, a cationic surfactant, an amphoteric surfactant, a nonionic surfactant etc. can be mentioned.

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 sarcosines, alkanoyl glutamates, acyl glutamates, oleic acid / N-methyl taurine, potassium oleate / diethanolamine salts, alkyl ether sulfates / triols Ethanolamine salt, polyoxyethylene alkyl ether sulfate triethanolamine salt, amine salt of specially modified polyether ester acid, amine salt of higher fatty acid derivative, amine salt of specially modified polyester acid, amine salt of high molecular weight polyether ester acid Amine salts of specially modified phosphoric esters, high molecular weight polyester acid amidoamine salts, amidoamine salts of special fatty acid derivatives, alkylamine salts of higher fatty acids, amides of high molecular weight polycarboxylic acids Minates, carboxylic acid type surfactants such as sodium laurate, sodium stearate, sodium oleate, dialkyl sulfosuccinates, dialkyl sulfosuccinates, 1,2-bis (alkoxycarbonyl) -1-ethane sulfonates, Alkyl sulfonates, alkyl sulfonates, paraffin sulfonates, α-olefin sulfonates, linear alkyl benzene sulfonates, alkyl benzene sulfonates, polynaphthyl methane sulfonates, polynaphthyl methane sulfonates, naphthalene sulfonate-formalin condensates, alkyl naphthalene sulfonates, alkanoyl Methyl taurine, lauryl sulfate sodium salt, cetyl sulfate sodium salt, stearyl sulfate sodium salt, oleyl sulfate S Sulfonic acid type surfactants such as ter sodium salt, lauryl ether sulfuric acid ester salt, sodium alkyl benzene sulfonate, oil-soluble alkyl benzene sulfonic acid salt, α-olefin sulfonic acid salt, alkyl sulfuric acid ester salt, sulfuric acid alkyl salt, alkyl sulfate, alkyl Ether sulfate, polyoxyethylene alkyl ether sulfate, alkyl polyethoxy sulfate, polyglycol ether sulfate, alkyl polyoxyethylene sulfate, sulfated surfactant such as sulfated oil, highly sulfated oil, phosphoric acid (mono or Di) alkyl salts, (mono or di) alkyl phosphates, (mono or di) alkyl phosphoric acid ester salts, phosphoric acid alkylpolyoxyethylene salts, alkyl ether phosphates, alkyl polyethoxy. Acid salt, polyoxyethylene alkyl ether, phosphoric acid alkylphenyl polyoxyethylene salt, alkylphenyl ether phosphate, alkylphenyl polyethoxy phosphate, polyoxyethylene alkylphenyl ether phosphate, higher alcohol phosphoric acid monoester Disodium salt, higher alcohol phosphoric acid diester disodium salt, phosphoric acid ester type surfactants such as zinc dialkyl dithiophosphate, etc. may be mentioned.

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 Octadecyl trimethyl ammonium chloride, tallow trimethyl ammonium chloride, dodecyl trimethyl ammonium chloride, coconut trimethyl ammonium chloride, hexadecyl trimethyl ammonium chloride, behenyl trimethyl ammonium chloride, coconut dimethyl benzyl ammonium chloride, tetradecyl dimethyl benzyl ammonium chloride, octadecyl dimethyl benzyl ammonium chloride , Dioleyl dimethyl ammonium chloride, 1-hydroxyethyene -2- tallow imidazoline quaternary salt, 2-heptadecenyl-hydroxyethyl imidazoline, stearamide ethyl diethylamine acetate, stearamide ethyl diethylamine hydrochloride, triethanolamine monostearate formate, alkyl pyridinium salt, higher alkyl amine Ethylene oxide adduct, polyacrylamide amine salt, modified polyacrylamide amine salt, perfluoroalkyl quaternary ammonium iodide and the like can be mentioned.

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。   As an example of amphoteric surfactants, dimethyl coconut betaine, dimethyl lauryl betaine, sodium lauryl aminoethyl glycine, sodium lauryl amino propionate, stearyl dimethyl betaine, lauryl dihydroxyethyl betaine, amido betaine, imidazolinium betaine, lecithin, 3- [ Examples include sodium ω-fluoroalkanoyl-N-ethylamino] -1-propanesulfonic acid, N- [3- (perfluorooctanesulfonamido) propyl] -N, N-dimethyl-N-carboxymethylene ammonium betaine and the like.

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), bovine fatty acid diethanolamide (1: 1 type) Type), oleic acid diethanolamide (1: 1 type), hydroxyethyl lauryl amine, polyethylene glycol lauryl amine, polyethylene glycol coyl amine, polyethylene glycol stearyl amine, polyethylene glycol tallow amine, polyethylene glycol tallow propylene diamine, polyethylene glycol dioleyl amine, Dimethyl lauryl amine oxide, dimethyl stearyl amine oxide, dihydroxyethyl lauryl amine oxide, perfluoroalkyl amine oxide, polyvinyl pyro Don, higher alcohol ethylene oxide adduct, alkylphenol ethylene oxide adduct, fatty acid ethylene oxide adduct, polypropylene glycol ethylene oxide adduct, fatty acid ester of glycerin, fatty acid ester of pentaerythritol, fatty acid ester of Sorbit, fatty acid ester of sorbitan, The fatty acid ester of sugar etc. are mentioned.

上述した界面活性剤の中でも、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。スルホン酸型の界面活性剤としては、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が例示できる。
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。
Among the above-described surfactants, a sulfonic acid type surfactant can be suitably used as a dispersant, in consideration of the dispersion effect of carbon, the change of the catalyst performance due to the remaining of the dispersant, and the like. Examples of sulfonic acid type surfactants include alkyl benzene sulfonic acid, oil soluble alkyl benzene sulfonic acid, α-olefin sulfonic acid, sodium alkyl benzene sulfonate, oil soluble alkyl benzene sulfonate, α-olefin sulfonate and the like.
Pore volume generally decreases as the amount of polyelectrolyte in the catalyst ink is increased. On the other hand, when the amount of carbon particles in the catalyst ink is increased, the pore volume is increased. Also, the use of dispersants reduces the pore volume.

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。   In addition, the catalyst ink is subjected to dispersion processing as needed. 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 dispersion process of the catalyst ink. Distributed processing can be performed by employing various devices. In particular, the method of distributed processing 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 mentioned. Moreover, you may employ | adopt the homogenizer etc. which stir by a centrifugal force. The pore volume is reduced as the dispersion time of the dispersion time is broken, the aggregates of the catalyst supporting 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分含有量が、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分含有量は、1質量%(wt%)以上50質量%以下であることが好ましい。また、固形分は、触媒物質担持粒子と高分子電解質からなるが、固形分のうち、触媒物質担持粒子の含有量を多くすると、同じ固形分含有量でも粘度は高くなる。一方、固形分のうち、触媒物質担持粒子の含有量を少なくすると、同じ固形分含有量でも粘度は低くなる。したがって、固形分に占める触媒物質担持粒子の割合は10質量%以上80質量%以下が好ましい。また、触媒インクの粘度は、0.1cP以上500cP以下(0.0001Pa・s以上0.5Pa・s以下)程度が好ましく、5cP以上100cP以下(0.005Pa・s以上0.1Pa・s以下)がより好ましい。また触媒インクの分散時に分散剤を添加することで、粘度の制御をすることもできる。   If the solid content in the catalyst ink is too large, the viscosity of the catalyst ink becomes high, so that the surface of the electrode catalyst layers 2 and 3 is easily cracked. On the other hand, when the solid content in the catalyst ink is too small, the film forming rate is very slow, and the productivity is lowered. Therefore, the solid content in the catalyst ink is preferably 1% by mass (wt%) or more and 50% by mass or less. The solid content is composed of catalyst material-supporting particles and a polymer electrolyte, but when the content of catalyst material-supporting particles in the solid content is increased, the viscosity becomes high even with the same solid content. On the other hand, when the content of the catalyst substance-supporting particles in the solid content is reduced, the viscosity decreases even at the same solid content. Therefore, the proportion of the catalyst substance-supporting particles in the solid content is preferably 10% by mass to 80% by mass. 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 preferred. The viscosity can also be controlled by adding a dispersant at the time of dispersing the catalyst ink.

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。
酸やアルカリ、水に溶ける造孔剤としては、酸可溶性無機塩類、アルカリ水溶液に可溶性の無機塩類、酸又はアルカリに可溶性の金属類、水溶性無機塩類、水溶性有機化合物類等が挙げられる。酸可溶性無機塩類としては、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が挙げられる。アルカリ水溶液に可溶性の無機塩類としては、アルミナ、シリカゲル、シリカゾル等が挙げられる。酸又はアルカリに可溶性の金属類としては、アルミニウム、亜鉛、スズ、ニッケル、鉄等が挙げられる。水溶性無機塩類としては、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が挙げられる。水溶性有機化合物類としては、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール等が挙げられる。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。
In addition, the catalyst ink may contain a pore forming agent. The pore forming agent can be removed after the formation of the electrode catalyst layer to form pores. Examples thereof include acids and alkalis, substances soluble in water, substances to be sublimated such as camphor, and substances to be thermally decomposed. If the pore forming agent is a substance soluble in warm water, it may be removed by water generated at the time of power generation.
Examples of the pore-forming agent soluble in acid, alkali and water include acid-soluble inorganic salts, inorganic salts soluble in alkaline aqueous solution, metals soluble in acid or alkali, water-soluble inorganic salts, water-soluble organic compounds and the like. Examples of acid-soluble inorganic salts include calcium carbonate, barium carbonate, magnesium carbonate, magnesium sulfate, magnesium oxide and the like. Alumina, silica gel, silica sol etc. are mentioned as an inorganic salt soluble in alkaline aqueous solution. Metals soluble in acid or alkali include aluminum, zinc, tin, nickel, iron and the like. Examples of water-soluble inorganic salts include sodium chloride, potassium chloride, ammonium chloride, sodium carbonate, sodium sulfate, monosodium phosphate and the like. Examples of water-soluble organic compounds include polyvinyl alcohol and polyethylene glycol. Moreover, although the pore making agent 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.

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。
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、フッ素系樹脂を用いることができる。フッ素系樹脂としては、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)等が挙げることができる。また、転写シートとして、高分子シート、高分子フィルムを用いることもできる。高分子シート、高分子フィルムの材料とては、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(登録商標))、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を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。
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 adopted.
A transfer sheet can be used as a base material used for manufacture of the electrode catalyst layers 2 and 3.
The transfer sheet used as the substrate may be made of a material having good transferability, and, for example, a fluorine-based resin can be used. As a fluorine resin, ethylene tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroperfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), polytetrafluoroethylene (PTFE) Etc. can be mentioned. Moreover, a polymer sheet and a polymer film can also be used as a transfer sheet. Examples of materials for polymer sheet and polymer film include polyimide, polyethylene terephthalate, polyamide (nylon (registered trademark)), polysulfone, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, polyether / ether ketone, polyether imide, and polyarylate And polyethylene naphthalate can be used. When a transfer sheet is used as the substrate, the transfer sheet is peeled off after the polymer electrolyte membrane 1 is bonded to the electrode membrane which is a coating after solvent removal, and the electrode catalyst is formed on both sides of the polymer electrolyte membrane 1. The membrane electrode assembly 11 can be provided with the layers 2 and 3.

ガス拡散層4,5としては、ガス拡散性と導電性とを有する材質を用いることができる。例えば、ガス拡散層4,5として、カーボンクロス、カーボンペーパー、不織布等のポーラスカーボン材を用いることができる。
セパレータ10(10a,10b)としては、カーボンタイプあるいは金属タイプのもの等を用いることができる。なお、ガス拡散層4,5とセパレータ10(10a,10b)はそれぞれ一体構造となっていても良い。また、セパレータ10(10a,10b)もしくは電極触媒層2,3が、ガス拡散層4,5の機能を果たす場合は、ガス拡散層4,5は省略しても良い。固体高分子形燃料電池12は、ガス供給装置、冷却装置等、その他付随する装置を組み立てることにより製造することができる。
As the gas diffusion layers 4 and 5, a material having gas diffusivity and conductivity can be used. For example, as the gas diffusion layers 4 and 5, porous carbon materials such as carbon cloth, carbon paper, and non-woven fabric can be used.
As the separator 10 (10a, 10b), a carbon type or metal type can be used. The gas diffusion layers 4 and 5 and the separators 10 (10a and 10b) may be integrally formed. When the separators 10 (10a, 10b) or the electrode catalyst layers 2, 3 perform 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 a gas supply device, a cooling device, and other associated devices.

以下に、本実施形態における固体高分子形燃料電池用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が、本実施形態は下記の実施例及び比較例によって制限されるものではない。   Hereinafter, the method for producing a membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell in the present embodiment will be described with reference to specific examples and comparative examples, but the present embodiment is limited by the following examples and comparative examples. It is not something to be done.

<効果その他>
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)におけるカーボン粒子に対する繊維状物質の質量比を、ガスの出口側に設ける第二の電極触媒部2b(又は3b)での質量比と比較して小さくする。あkら
この構成によれば、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。
<Others>
In the electrode catalyst layers 2 and 3 of the membrane electrode assembly 11 according to the present embodiment, the mass ratio of the fibrous substance to the carbon particles in the first electrode catalyst portion 2a (or 3a) provided on the gas inlet side The mass ratio of the second electrode catalyst portion 2b (or 3b) provided on the outlet side is smaller than that of the second electrode catalyst portion 2b (or 3b). According to this configuration, the water retentivity is enhanced by the first electrode catalyst portion 2a (or 3a) provided on the gas inlet side, and the second electrode catalyst portion 2b (or 3b) provided on the gas outlet side It can promote the removal of water.

第二の電極触媒部2b(又は3b)での質量比を、第一の電極触媒部2a(又は3a)での質量比の2倍以上とすることが好ましい。
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、本実施形態の膜電極接合体11は、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、カーボン粒子に対する繊維状物質の質量比を異ならせることによって、実現することができる。
It is preferable to make the mass ratio in the second electrode catalyst portion 2b (or 3b) twice or more the mass ratio in the first electrode catalyst portion 2a (or 3a).
Therefore, it is possible to increase the water retentivity without inhibiting the removal of water generated by the electrode reaction and the like, and to obtain high power generation characteristics even under low humidification conditions.
In the membrane electrode assembly 11 of the present embodiment, if the mass ratio of the fibrous material to the carbon particles is different between the first electrode catalyst portion 2a (or 3a) and the second electrode catalyst portion 2b (or 3b). It can be realized by

このため、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。
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、カーボン粒子に対する繊維状物質の質量比が、ガスの下流側の電極触媒部よりも小さくなるようにすることが好ましい。
For this reason, high power generation characteristics can be obtained without significant change of the manufacturing process and the like and without a significant increase in cost.
In the above-mentioned embodiment, although the case where the 1st electrode catalyst part and the 2nd electrode catalyst part were provided in each of electrode catalyst layers 2 and 3 was explained, it does not restrict to this, and electrode catalyst layer Each of 2 and 3 may be provided with three or more electrode catalyst parts. When three or more electrode catalyst parts are provided in each of the electrode catalyst layers 2 and 3, the mass ratio of the fibrous material to the carbon particles is closer to the upstream side of the gas than the electrode catalyst part on the gas downstream side. It is preferable to make it smaller.

例えば、第三の電極触媒部は、第一の電極触媒部2a、3a用の触媒インクと第二の電極触媒部2b、3b用の触媒インクとが混ざり合った混合部として形成する。もっとも、第三の電極触媒部を、上述の構成(a),(b)とは異なる組成から構成しても良い。ただし、上述の構成(a),(b)とは異なる組成から構成する場合、第三の電極触媒部は、電極触媒層全体の面積の20%以下とすることが好ましい。また、各電極触媒部間の境界線は、平面視で直線状で無くても良い。境界線は蛇行状などの形状であっても良い。
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。
For example, the third electrode catalyst portion is formed as a mixing portion in which the catalyst ink for the first electrode catalyst portions 2a and 3a and the catalyst ink for the second electrode catalyst portions 2b and 3b are mixed. However, the third electrode catalyst portion may be composed of a composition different from the above-described configurations (a) and (b). However, when it comprises from composition different from the above-mentioned composition (a) and (b), it is preferred to make the 3rd electrode catalyst part into 20% or less of the area of the whole electrode catalyst layer. In addition, the boundary between the electrode catalyst portions may not be linear in plan view. The boundary may have a serpentine shape or the like.
In the membrane electrode assembly 11, the first electrode catalyst portion and the second electrode catalyst portion are formed only on one of the electrode catalyst layers 2 and 3 out of the electrode catalyst layers 2 and 3 formed on both sides of the polymer electrolyte membrane 1. An electrode catalyst portion may be provided.

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。
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%)の例を示しているが、これに限定されない。
When the first electrode catalyst portion and the second electrode catalyst portion are provided only in one of the electrode catalyst layers 2 and 3, the electrode catalyst layer having two electrode catalyst portions is an air electrode (where water is generated due to an electrode reaction) It is preferable to arrange on the cathode side. However, it is more preferable that the electrode catalyst layer having two electrode catalyst parts be formed on both sides of the polymer electrolyte membrane 1 from the viewpoint of water retention of the polymer electrolyte under low humidification conditions.
Further, in FIG. 1, the first electrode catalyst portion and the second electrode catalyst portion of the electrode catalyst layer 2 or 3 are divided into two by the same area (area ratio of the first electrode catalyst portion to the electrode catalyst layer 2 Shows an example of 50%), but is not limited thereto.

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。   The area ratio of the first electrode catalyst portion to the electrode catalyst layer 2 or 3 is preferably 15% or more and 60% or less from the viewpoint of gas reactivity. If the area ratio of the first electrode catalyst portion to the electrode catalyst layer 2 or 3 is less than 15%, the water retention effect under the low humidity condition is weak, and high power generation characteristics can not be obtained. In addition, when the area ratio of the first electrode catalyst portion to the electrode catalyst layer 2 or 3 exceeds 60%, the phenomenon of power generation reaction is stopped due to the obstruction of the material transport in the fuel electrode and the air electrode, so high power generation No property is obtained.

次に、本実施形態に関する発明の実施例について説明する。
〔触媒インクの調整〕
担持密度30質量%である白金担持カーボン触媒と、平均繊維長が1.5μmである繊維状物質と、イオン交換容量が1.4meq/gである高分子電解質を含む25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。第一の触媒インクは、カーボン粒子に対する繊維状物質の質量比が0.3の組成比として、カーボン粒子と繊維状物質と高分子電解質との配合比を質量比で1:0.3:1.3とした。
Next, examples of the invention relating to the present embodiment will be described.
[Adjustment of catalyst ink]
25 mass% polymer electrolyte solution containing a platinum-supported carbon catalyst having a mass density of 30 mass%, a fibrous material having an average fiber length of 1.5 μm, and a polymer electrolyte having an ion exchange capacity of 1.4 meq / g The mixture was mixed in a solvent and dispersed for 30 minutes in a planetary ball mill to prepare a first catalyst ink. The first catalyst ink has a mass ratio of the fibrous substance to the carbon particles of 0.3, and the mass ratio of the carbon particles to the fibrous substance and the polymer electrolyte is 1: 0.3: 1. .3.

次に、担持密度30質量%である白金担持カーボン触媒と、平均繊維長が1.5μmである繊維状物質と、イオン交換容量が1.4meq/gである高分子電解質を含む25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。第二の触媒インクは、カーボン粒子に対する繊維状物質の質量比が0.5の組成比として、カーボン粒子と繊維状物質と高分子電解質との配合比を質量比で1:0.5:1.5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8質量%となるように調整した。
Next, 25% by mass of a platinum-supported carbon catalyst having a supported density of 30% by mass, a fibrous material having an average fiber length of 1.5 μm, and a polymer electrolyte having an ion exchange capacity of 1.4 meq / g The molecular electrolyte solution was mixed in a solvent, and dispersion treatment was performed for 30 minutes in a planetary ball mill to prepare a second catalyst ink. The second catalyst ink has a mass ratio of the fibrous substance to the carbon particles of 0.5, and the mass ratio of the carbon particles, the fibrous substance and the polymer electrolyte is 1: 0.5: 1. .5.
The solvent of each catalyst ink was 1: 1 in the volume ratio of ultrapure water and 1-propanol. In addition, the solid content in each catalyst ink was adjusted to be 8% 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、作製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(第一の電極触媒部)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(第二の電極触媒部)を形成した。
[Formation of electrode catalyst layer]
The prepared catalyst ink was applied by a doctor blade method to a substrate of a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet, and dried at 80 ° C. in an air atmosphere. The coating amount of the first catalyst ink is adjusted so that the supported amount of platinum is 0.1 mg / cm 2 as the fuel electrode (anode), and the supported amount of platinum is 0.3 mg / cm 2 as the air electrode (cathode). To form an electrode catalyst layer (first electrode catalyst portion). In addition, the coating amount of the second catalyst ink is adjusted so that the supported amount of platinum is 0.1 mg / cm 2 as the fuel electrode (anode), and the supported amount of platinum is 0.3 mg / cm 2 as the air electrode (cathode). To form an electrode catalyst layer (second electrode catalyst part).

〔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。
[Fabrication of membrane electrode assembly]
The substrate on which each electrode catalyst layer is formed is punched out to 5 cm × 2.5 cm, and the first electrode catalyst portion is disposed on the gas inlet side, and the second electrode catalyst portion is disposed on the gas outlet side. , 5 cm × 5 cm as an electrode catalyst layer. This electrode catalyst layer was disposed on both sides 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30質量%である白金担持カーボン触媒と、平均繊維長が1.5μmである繊維状物質と、高分子電解質溶液としてイオン交換容量が1.4meq/gである高分子電解質を含む25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。触媒インクは、カーボン粒子に対する繊維状物質の質量比が0.4の組成比として、カーボン粒子と繊維状物質と高分子電解質との配合比を質量比で1:0.4:1.4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8質量%となるように調整した。
これにより、触媒インクが得られた。この触媒インクは、実施例における第一の触媒インクと第二の触媒インクの全ての成分を一度に混合、分散して得られたものである。
Comparative Example
[Adjustment of catalyst ink]
25 mass including a platinum-supported carbon catalyst having a mass density of 30% by mass, a fibrous substance having an average fiber length of 1.5 μm, and a polymer electrolyte having an ion exchange capacity of 1.4 meq / g as a polymer electrolyte solution % Polymer electrolyte solution was mixed in a solvent, and dispersion treatment was performed for 30 minutes with a planetary ball mill to prepare a catalyst ink. In the catalyst ink, the composition ratio of the carbon particles, the fibrous substance and the polymer electrolyte is 1: 0.4: 1.4 in mass ratio as the composition ratio of the mass ratio of the fibrous substance to the carbon particles is 0.4. did. The solvent of the catalyst ink was 1: 1 in the volume ratio of ultrapure water and 1-propanol. In addition, the solid content in the catalyst ink was adjusted to 8% by mass.
Thus, a catalyst ink was obtained. This catalyst ink is obtained by mixing and dispersing all components of the first catalyst ink and the second catalyst ink in the example at one time.

〔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、作製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 by a doctor blade method to a substrate of a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet, and dried at 80 ° C. in an air atmosphere. The coating amount of the catalyst ink is adjusted so that the supported amount of platinum is 0.1 mg / cm 2 as the fuel electrode (anode) and the supported amount of platinum is 0.3 mg / cm 2 as the air electrode (cathode). Formed.
[Fabrication of membrane electrode assembly]
The substrate 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 conditions of transfer temperature 130 ° C., transfer pressure 5.0 × 10 6 Pa Hot pressing was performed to obtain a membrane electrode assembly.

<評価>
〔発電特性〕
実施例および比較例で得られた各膜電極接合体を挟持するように、ガス拡散層としてカーボンペーパーを貼りあわせて、発電評価セル内に設置し、燃料電池測定装置を用いて電流電圧測定を行った。測定時のセル温度は80℃とし、運転条件は以下に示すフル加湿と低加湿を採用した。また、燃料ガスとして水素を、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〕
条件1(フル加湿):相対湿度 アノード100%RH、カソード100%RH
条件2(低加湿) :相対湿度 アノード30%RH、カソード30%RH
<Evaluation>
[Power generation characteristics]
A carbon paper is pasted together as a gas diffusion layer so as to sandwich each membrane electrode assembly obtained in the example and the comparative example, installed in a power generation evaluation cell, and a current / voltage measurement using a fuel cell measuring device. went. The cell temperature at the time of measurement was 80 ° C., and the operating conditions were full humidification and low humidification shown below. In addition, hydrogen was used as the fuel gas, air was used as the oxidant gas, and flow control was performed with a constant utilization rate. The back pressure was 50 kPa.
[Operating conditions]
Condition 1 (full humidification): relative humidity anode 100% RH, cathode 100% RH
Condition 2 (low humidity): 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。
〔Measurement result〕
The membrane electrode assembly produced in the example exhibited superior power generation performance under the low humidification operating condition than the membrane electrode assembly produced in the comparative example. In addition, the membrane electrode assembly manufactured in the example had the power generation performance at the same level as the full humidification operating condition even under the low humidification operating condition. In particular, the power generation performance near the 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 manufactured in the example is 0.27 V compared to the cell voltage at a current density of 0.5 A / cm 2 of the membrane electrode assembly manufactured in the comparative example. It showed high power generation characteristics.

実施例で作製した膜電極接合体と比較例で作製した膜電極接合体との発電特性の結果から、実施例の膜電極接合体は保水性が高まり、低加湿の運転条件下における発電特性が、フル加湿の運転条件下と同等の発電特性を示すことが確認された。
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0.18V高い発電特性を示した。
実施例で作製した膜電極接合体と比較例で作製した膜電極接合体との発電特性の結果から、実施例で作製した膜電極接合体では、反応ガスの拡散性が高く、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。
From the results of the power generation characteristics of the membrane electrode assembly manufactured in the example and the membrane electrode assembly manufactured in the comparative example, the membrane electrode assembly of the example has a higher water retention, and the power generation characteristic under the low humidification operating condition is It has been confirmed that the power generation characteristics equivalent to the full humidification operating conditions are exhibited.
In addition, under the full humidification operating conditions, the cell voltage at a current density of 0.5 A / cm 2 of the membrane electrode assembly produced in the example is the current density of 0.5 A / cm of the membrane electrode assembly produced in the comparative example. It showed a power generation characteristic 0.18 V higher than the cell voltage at 2 .
From the results of the power generation characteristics of the membrane electrode assembly fabricated in the example and the membrane electrode assembly fabricated in the comparative example, the membrane electrode assembly fabricated in the example has high diffusivity of the reaction gas and is generated by the electrode reaction. It was confirmed that the removal of water was not inhibited.

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。   As mentioned above, although the embodiment of the present invention has been described in detail, the present invention is not limited to the above embodiment in fact, and the present invention is included in the present invention even if there are changes within the scope of the present 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: first electrode catalyst unit 2b: second electrode catalyst unit 3: electrode catalyst layer 3a: first electrode catalyst unit 3b: second electrode catalyst unit 4: Gas diffusion layer 5 ... gas diffusion layer 6 ... air electrode (cathode)
7 ... Fuel electrode (anode)
8, 8a, 8b: gas flow channels 9, 9a, 9b: cooling water flow channels 10, 10a, 10b: separators 11: membrane electrode assembly 12: solid polymer fuel cell

Claims (5)

高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟持し、
上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、上記高分子電解質膜と対向する第一の電極触媒部と第二の電極触媒部とを有し、
上記第一の電極触媒部と上記第二の電極触媒部の相対的な配置として、上記電極触媒層に流入するガスの流れ方向に対し、上記第一の電極触媒部を上記流れ方向の入口側に配置し、上記第二の電極触媒部を上記流れ方向の出口側に配置し、
上記第一の電極触媒部及び上記第二の電極触媒部は、触媒が担持されたカーボン粒子からなる触媒担持粒子と、平均繊維長が1μm以上15μm以下の繊維状物質と、高分子電解質と、を含み、
上記カーボン粒子に対する上記繊維状物質の質量比について、上記第二の電極触媒部の質量比が、上記第一の電極触媒部の質量比よりも大きいことを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。
The polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode catalyst layers,
At least one of the pair of electrode catalyst layers has a first electrode catalyst portion and a second electrode catalyst portion facing the polymer electrolyte membrane,
As the relative arrangement of the first electrode catalyst portion and the second electrode catalyst portion, the inlet direction of the first electrode catalyst portion with respect to the flow direction of the gas flowing into the electrode catalyst layer And the second electrocatalyst portion is disposed at the outlet side of the flow direction,
Each of the first electrode catalyst portion and the second electrode catalyst portion includes catalyst-supporting particles consisting of carbon particles supporting a catalyst, a fibrous substance having an average fiber length of 1 μm to 15 μm, and a polymer electrolyte. Including
Regarding a mass ratio of the fibrous material to the carbon particles, a mass ratio of the second electrode catalyst portion is larger than a mass ratio of the first electrode catalyst portion. .
上記第一の電極触媒部における上記質量比は、0.1以上1.2以下の範囲内であり、
上記第二の電極触媒部における上記質量比は、0.2以上2.5以下の範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用膜電極接合体。
The mass ratio in the first electrode catalyst portion is in the range of 0.1 or more and 1.2 or less,
The fuel cell membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the mass ratio of the second electrode catalyst portion is in the range of 0.2 or more and 2.5 or less.
高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟持し、
上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、触媒が担持されたカーボン粒子からなる触媒担持粒子と、平均繊維長が1μm以上15μm以下の繊維状物質と、高分子電解質と、を含み、
上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、上記カーボン粒子に対する上記繊維状物質の質量比が、上記電極触媒層に流入するガスの流れ方向の入口側から出口側に向けて、連続的若しくは段階的に大きくなっていることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。
The polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode catalyst layers,
Among the pair of electrode catalyst layers, at least one of the electrode catalyst layers comprises catalyst-supporting particles consisting of carbon particles supporting a catalyst, a fibrous substance having an average fiber length of 1 μm to 15 μm, and a polymer electrolyte Including
The mass ratio of the fibrous substance to the carbon particles in at least one of the pair of electrode catalyst layers is from the inlet side to the outlet side in the flow direction of the gas flowing into the electrode catalyst layer. What is claimed is: 1. A fuel cell membrane electrode assembly characterized by being continuously or stepwise increased.
請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池用膜電極接合体を備える、固体高分子形燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the fuel cell membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3. 請求項1に記載した燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、
触媒が担持されたカーボン粒子からなる触媒担持粒子、平均繊維長が1μm以上15μm以下の繊維状物質及び高分子電解質を溶媒に分散させた第一の触媒インクを作製し、上記第一の触媒インクを基材に塗布した後乾燥させて上記第一の電極触媒部を形成する第一の工程と、
触媒が担持されたカーボン粒子からなる触媒担持粒子、平均繊維長が1μm以上15μm以下の繊維状物質及び高分子電解質を溶媒に分散させた第二の触媒インクを作製し、上記第二の触媒インクを上記基材に塗布した後乾燥させて上記第二の電極触媒部を形成する第二の工程と、
第一及び第二の工程で形成した上記第一の電極触媒部及び上記第二の電極触媒部を有する電極触媒層を、高分子電解質膜に積層する積層工程と、を含み、
上記基材に対する、上記第一の触媒インクの塗布領域と上記第二の触媒インクの塗布領域とが重ならないように上記塗布を行い、
上記積層工程において、電極触媒層に流入するガスの流れ方向に対し、上記第一の電極触媒部が上記流れ方向の入口側に、上記第二の電極触媒部が上記流れ方向の出口側になるように設定し、
上記第二の触媒インクにおける、上記カーボン粒子に対する上記繊維状物質の質量比が、上記第一の触媒インクにおける、上記カーボン粒子に対する上記繊維状物質の質量比よりも大きくなるように調整したことを特徴とする燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
A method of manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly according to claim 1, wherein
A first catalyst ink is prepared by dispersing a catalyst-supporting particle comprising carbon particles supporting a catalyst, a fibrous substance having an average fiber length of 1 μm to 15 μm and a polymer electrolyte in a solvent, and the first catalyst ink After applying to a base material and drying to form the first electrode catalyst portion;
A second catalyst ink is prepared by dispersing, in a solvent, catalyst-supporting particles comprising carbon particles supporting a catalyst, a fibrous substance having an average fiber length of 1 μm to 15 μm, and a polymer electrolyte, and the second catalyst ink A second step of applying to the above-mentioned substrate and then drying to form the above-mentioned second electrode catalyst portion;
And laminating the electrode catalyst layer having the first and second electrode catalyst parts formed in the first and second steps on a polymer electrolyte membrane,
Performing the application such that the application region of the first catalyst ink and the application region of the second catalyst ink do not overlap the substrate;
In the stacking step, the first electrode catalyst portion is on the inlet side of the flow direction and the second electrode catalyst portion is on the outlet side of the flow direction with respect to the flow direction of the gas flowing into the electrode catalyst layer. Set as
The mass ratio of the fibrous substance to the carbon particles in the second catalyst ink is adjusted to be larger than the mass ratio of the fibrous substance to the carbon particles in the first catalyst ink The manufacturing method of the membrane electrode assembly for fuel cells characterized by the above-mentioned.
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