JP2019102345A - Catalyst ink for fuel cell, and manufacturing method thereof - Google Patents

Catalyst ink for fuel cell, and manufacturing method thereof Download PDF

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丈志 寺本
Takeshi Teramoto
丈志 寺本
安本 栄一
Eiichi Yasumoto
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Abstract

To provide a catalyst ink for a fuel cell, which is arranged so that the worsening of the catalyst activity attributed to the change in the composition of metal catalyst particles can be suppressed.SOLUTION: In a catalyst ink 900 for a fuel cell, the ion-exchange group concentration of an ionomer 601 which is located in a region in close proximity to an exposed surface of a metal catalyst particle 400 exposed from a carrier particle 300, which is in contact with the exposed surface of the metal catalyst particle 400 and which covers the exposed surface of the metal catalyst particle 400 is lower than the ion-exchange group concentration of an ionomer 701 which is located in a region more distant from the exposed surface of the metal catalyst particle 400 than the ionomer 601, and which covers the exposed surface of the metal catalyst particle 400 and a region in close proximity to the metal catalyst particle 400 in the surface of the carrier particle 300 with the ionomer 601 interposed between itself and the exposed surface of the metal catalyst particle 400 without touching the exposed surface of the metal catalyst particle 400.SELECTED DRAWING: Figure 1

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、家庭用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関するものである。   The present invention relates to a fuel cell used for portable power sources, power sources for portable devices, power sources for electric vehicles, household cogeneration systems, and the like.

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、水素を含む燃料ガスと、酸素を含む酸化剤と、を電気化学反応させることで発電する。   A conventional common fuel cell includes an electrolyte membrane-electrode assembly in which an anode and a cathode are formed on both sides of an electrolyte membrane, and a fuel gas containing hydrogen is electrochemically reacted with an oxidant containing oxygen. Generate electricity.

燃料電池の電気化学反応は、アノードに供給された燃料ガスを酸化反応させることで、電子とプロトンを形成し、電子は外部回路を経由してカソードに移動し、プロトンは電解質膜を経由してカソードに移動する。そして、カソードに供給された酸化剤ガスを、アノードで形成されたプロトンおよび電子と還元反応させることで発電する。   The electrochemical reaction of the fuel cell is an oxidation reaction of the fuel gas supplied to the anode to form electrons and protons, the electrons are transferred to the cathode via an external circuit, and the protons are passed via the electrolyte membrane Move to the cathode. Then, the oxidant gas supplied to the cathode is generated by reduction reaction with protons and electrons formed at the anode.

アノードおよびカソードは、電極触媒と、アイオノマーからなる電極触媒層を有している。電極触媒は、担体粒子の表面に高分散担持された2種類以上の遷移金属が合金された金属触媒粒子を有している。アイオノマーは、プロトン伝導性の酸性のイオン交換基を有している。   The anode and the cathode have an electrocatalyst and an electrocatalyst layer consisting of an ionomer. The electrode catalyst has metal catalyst particles in which two or more types of transition metals supported in a highly dispersed manner on the surface of carrier particles are alloyed. The ionomer has a proton-conductive acidic ion exchange group.

電気化学反応サイトとなる電極触媒に、反応ガスと、プロトンと、を供給するために、電極触媒層は、アイオノマーで薄く被覆された電極触媒が凝集体を形成しており、凝集体内および凝集体間に連続孔を有する。   In order to supply the reaction gas and protons to the electrode catalyst that is to be an electrochemical reaction site, the electrode catalyst layer is formed of aggregates of an ionomer thinly coated with an ionomer, so that aggregates and aggregates are formed. There is a continuous hole between them.

このような電極触媒層の1例として、特許文献1に示すような、酸性のイオン交換基を多く有するアイオノマーを電極触媒層に用いる電解質膜−電極接合体が提案されている。   As one example of such an electrode catalyst layer, there is proposed an electrolyte membrane-electrode assembly as shown in Patent Document 1, which uses an ionomer having a large number of acidic ion exchange groups for the electrode catalyst layer.

この電解質膜−電極接合体では、電極触媒へのアイオノマーの被覆厚みを厚くすることなく、アイオノマー中のプロトンを輸送するイオンチャネルを増加させることができるため、電極触媒層の電極触媒への反応ガスの拡散性を維持した状態で、電極触媒層内のプロトン伝導率を向上させている。   In this electrolyte membrane-electrode assembly, the ion channels for transporting protons in the ionomer can be increased without increasing the thickness of the ionomer coating on the electrode catalyst, so that the reaction gas for the electrode catalyst of the electrode catalyst layer can be increased. The proton conductivity in the electrode catalyst layer is improved while maintaining the diffusibility of

国際公開第2009/119017号WO 2009/119017

しかしながら、前記従来の構成では、電極触媒層を形成するための燃料電池用触媒インクに含まれる、電極触媒の金属触媒粒子と、アイオノマーが有する酸性のイオン交換基とが直接接触する。   However, in the conventional configuration, the metal catalyst particles of the electrode catalyst contained in the fuel cell catalyst ink for forming the electrode catalyst layer are in direct contact with the acidic ion exchange groups of the ionomer.

これにより、特に、金属触媒粒子の一部がイオン化し、アイオノマー中に溶出することで、金属触媒粒子の組成が変化する。この金属触媒粒子の組成変化により、金属触媒粒子の触媒活性が低下するという課題を有していた。   Thereby, the composition of the metal catalyst particles is changed, in particular, by ionizing part of the metal catalyst particles and eluting into the ionomer. The compositional change of the metal catalyst particles has a problem that the catalytic activity of the metal catalyst particles is reduced.

本発明は、前記従来課題を解決するもので、金属触媒粒子の組成変化による触媒活性の低下が抑制された燃料電池用触媒インクとその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide a catalyst ink for a fuel cell in which a decrease in catalytic activity due to a change in composition of metal catalyst particles is suppressed and a method for producing the same.

前記従来の課題を解決するために、本発明による燃料電池用触媒インクは、金属触媒粒子が担体粒子に担持された電極触媒と、酸性のイオン交換基を有するアイオノマーと、で構成された燃料電池用触媒インクであって、金属触媒粒子と担体粒子の表面はアイオノマーで被覆され、金属触媒粒子の表面に近接する領域のアイオノマーのイオン交換基の濃度が、担体粒子の表面を被覆している領域のアイオノマーのイオン交換基の濃度よりも低いことを特徴とする燃料電池用触媒インクとしたものである。   In order to solve the above-mentioned conventional problems, a fuel cell catalyst ink according to the present invention comprises a fuel cell comprising an electrode catalyst having metal catalyst particles supported on carrier particles, and an ionomer having an acidic ion exchange group. Catalyst ink, wherein the surfaces of the metal catalyst particles and the carrier particles are coated with an ionomer, and the concentration of ion exchange groups of the ionomer in the region close to the surface of the metal catalyst particles covers the surface of the carrier particles The catalyst ink for a fuel cell is characterized in that the concentration is lower than the ion exchange group concentration of the ionomer.

これにより、燃料電池用触媒インク中の電極触媒を構成する金属触媒粒子に直接接触する酸性のイオン交換基が少ないため、金属触媒粒子の組成変化による触媒活性の低下が抑制された燃料電池用触媒インクを提供することができる。   As a result, the amount of acidic ion exchange groups directly contacting the metal catalyst particles constituting the electrode catalyst in the fuel cell catalyst ink is small, so that the catalyst for fuel cells is inhibited from the decrease in the catalytic activity due to the composition change of the metal catalyst particles. Ink can be provided.

また、本発明による燃料電池用触媒インクの製造方法は、金属触媒粒子が担体粒子に担持された電極触媒と、酸性のイオン交換基を有するアイオノマーと、塩基と、溶媒と、を混合することで、電極触媒に前記アイオノマーを被覆する第1工程と、金属触媒粒子の表面に近接する領域のアイオノマーからイオン交換基を除去する第2工程と、を有することを特徴とする燃料電池用触媒インクの製造方法としたものである。   In the method for producing a catalyst ink for a fuel cell according to the present invention, an electrode catalyst in which metal catalyst particles are supported on carrier particles, an ionomer having an acidic ion exchange group, a base, and a solvent are mixed. A first step of coating the ionomer on the electrode catalyst, and a second step of removing ion exchange groups from the ionomer in a region close to the surface of the metal catalyst particles; It is a manufacturing method.

これにより、燃料電池用触媒インク中のアイオノマーの酸性のイオン交換基に塩基が配位するため、アイオノマーのイオン交換基の酸性度を低下させることができる。   As a result, since the base is coordinated to the acidic ion exchange group of the ionomer in the fuel cell catalyst ink, the acidity of the ion exchange group of the ionomer can be reduced.

このため、金属触媒粒子の表面に被覆されたアイオノマーの酸性のイオン交換基の濃度が低くなる。その結果、燃料電池用触媒インク中の電極触媒を構成する金属触媒粒子に直接接触する酸性のイオン交換基が低減され、金属触媒粒子の組成変化による触媒活性の低下が抑制された燃料電池用触媒インクを製造することができる。   For this reason, the concentration of the acidic ion exchange groups of the ionomer coated on the surface of the metal catalyst particles is lowered. As a result, the acidic ion exchange group in direct contact with the metal catalyst particles constituting the electrode catalyst in the fuel cell catalyst ink is reduced, and the catalyst for the fuel cell is suppressed in the reduction of the catalyst activity due to the composition change of the metal catalyst particles The ink can be manufactured.

本発明の燃料電池用触媒インクは、金属触媒粒子に直接接触する酸性のイオン交換基が少ないため、金属触媒粒子の組成変化による触媒活性の低下が抑制されている。   The catalyst ink for a fuel cell of the present invention has a small amount of acidic ion exchange groups in direct contact with the metal catalyst particles, so that the decrease in the catalytic activity due to the composition change of the metal catalyst particles is suppressed.

そのため、本発明の燃料電池用触媒インクを用いて燃料電池を構成することで、燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。   Therefore, by forming a fuel cell using the catalyst ink for a fuel cell of the present invention, it is possible to suppress a decrease in the power generation efficiency of the fuel cell.

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概略構成を示す断面図FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell catalyst ink according to Embodiment 1 of the present 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概略構成を示す断面図FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell catalyst ink according to Embodiment 2 of the present 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製造工程を示すフローチャートFlow chart showing manufacturing process of fuel cell catalyst ink according to Embodiment 2 of the present invention 本発明の実施の形態2にかかる燃料電池の概略構成を示す断面図FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention. 本発明の実施の形態3にかかる燃料電池用触媒インクの概略構成を示す断面図FIG. 6 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell catalyst ink according to Embodiment 3 of the present invention. 本発明の実施の形態3にかかる燃料電池用触媒インクの製造工程を示すフローチャートFlowchart showing manufacturing process of fuel cell catalyst ink according to Embodiment 3 of the present invention 本発明の実施の形態3にかかる燃料電池の概略構成を示す断面図Sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention 本発明の実施の形態4にかかる燃料電池用触媒インクの概略構成を示す断面図FIG. 6 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell catalyst ink according to Embodiment 4 of the present invention. 本発明の実施の形態4にかかる燃料電池用触媒インクの製造工程を示すフローチャートFlowchart showing manufacturing process of fuel cell catalyst ink according to Embodiment 4 of the present invention 本発明の実施の形態4にかかる燃料電池の概略構成を示す断面図FIG. 6 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell according to Embodiment 4 of the present invention. 本発明の実施の形態5にかかる燃料電池用触媒インクの概略構成を示す断面図FIG. 6 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell catalyst ink according to Embodiment 5 of the present invention. 本発明の実施の形態5にかかる燃料電池用触媒インクの製造工程を示すフローチャートFlowchart showing manufacturing steps of fuel cell catalyst ink according to Embodiment 5 of the present invention 本発明の実施の形態5にかかる燃料電池の概略構成を示す断面図FIG. 6 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell according to Embodiment 5 of the present invention.

第1の発明は、金属触媒粒子が担体粒子に担持された電極触媒と、酸性のイオン交換基を有するアイオノマーと、で構成された燃料電池用触媒インクであって、金属触媒粒子と担体粒子の表面はアイオノマーで被覆され、金属触媒粒子の表面に近接する領域のアイオノマーのイオン交換基の濃度が、担体粒子の表面を被覆している領域のアイオノマーのイオン交換基の濃度よりも低いことを特徴とする燃料電池用触媒インクである。   The first invention is a fuel cell catalyst ink comprising an electrode catalyst in which metal catalyst particles are supported on carrier particles, and an ionomer having an acidic ion exchange group, which comprises metal catalyst particles and carrier particles. The surface is coated with an ionomer, and the ion exchange group concentration of the ionomer in the area close to the surface of the metal catalyst particle is characterized by being lower than the ion exchange group concentration of the ionomer in the area covering the surface of the carrier particle. Fuel cell catalyst ink.

これにより、金属触媒粒子に直接接触する酸性のイオン交換基が少ないため、金属触媒粒子の組成変化による触媒活性の低下を抑制できる。   Since there are few acidic ion exchange groups directly contacted to metal catalyst particles by this, the fall of the catalyst activity by composition change of metal catalyst particles can be controlled.

第2の発明は、金属触媒粒子が担体粒子に担持された電極触媒と、酸性のイオン交換基を有するアイオノマーと、塩基と、溶媒と、を混合することで、電極触媒にアイオノマーを被覆する第1工程と、金属触媒粒子の表面に近接する領域のアイオノマーからイオン交換基を除去する第2工程と、を有することを特徴とする燃料電池用触媒インクの製造方法である。   In the second invention, the electrocatalyst is coated with an ionomer by mixing an electrocatalyst in which metal catalyst particles are supported on a carrier particle, an ionomer having an acidic ion exchange group, a base, and a solvent. A method for producing a fuel cell catalyst ink, comprising: one step; and a second step of removing ion exchange groups from an ionomer in a region close to the surface of the metal catalyst particles.

これにより、アイオノマーの酸性のイオン交換基に塩基が配位するため、アイオノマーのイオン交換基の酸性度を低下させることができる。このため、金属触媒粒子の表面に被覆されたアイオノマーの酸性のイオン交換基の濃度が低くなる。その結果、酸性のイオン交換基が直接金属触媒粒子に接触することを低減できるため、金属触媒粒子の組成変化による触媒活性の低下が抑制された燃料電池用触媒インクを製造することができる。   Thereby, since the base is coordinated to the acidic ion exchange group of the ionomer, the acidity of the ion exchange group of the ionomer can be reduced. For this reason, the concentration of the acidic ion exchange groups of the ionomer coated on the surface of the metal catalyst particles is lowered. As a result, direct contact of the acidic ion exchange group with the metal catalyst particles can be reduced, and therefore, a fuel cell catalyst ink can be manufactured in which the decrease in catalyst activity due to the composition change of the metal catalyst particles is suppressed.

第3の発明は、特に、第2の発明における第1工程で、アイオノマーと、塩基と、溶媒と、を先に混合してから、電極触媒を混ぜるものである。   In the third invention, in particular, in the first step in the second invention, the ionomer, the base and the solvent are first mixed, and then the electrode catalyst is mixed.

これにより、アイオノマーのイオン交換基に塩基が配位する割合が増加し、金属触媒粒子にアイオノマーの酸性のイオン交換基が直接接触することがより低減され、金属触媒粒子の組成変化による触媒活性の低下をより抑制できる。   As a result, the ratio of coordination of the base to the ion exchange group of the ionomer is increased, and direct contact of the acidic ion exchange group of the ionomer with the metal catalyst particle is further reduced, and catalytic activity due to composition change of the metal catalyst particle The drop can be further suppressed.

第4の発明は、特に、第2または第3の発明における塩基の濃度が、アイオノマーが有するイオン交換基の濃度よりも高いものである。   In the fourth invention, in particular, the concentration of the base in the second or third invention is higher than the concentration of ion exchange groups possessed by the ionomer.

これにより、アイオノマーのイオン交換基に塩基が配位する割合が更に増加し、金属触媒粒子にアイオノマーの酸性のイオン交換基が直接接触することが更に低減され、金属触媒粒子の組成変化による触媒活性の低下を更に抑制できる。   As a result, the ratio of coordination of the base to the ion exchange group of the ionomer is further increased, and the direct contact of the acidic ion exchange group of the ionomer with the metal catalyst particle is further reduced. Can be further suppressed.

第5の発明は、特に、第2の発明における第1工程で、電極触媒と、塩基と、溶媒と、を先に混合してから、アイオノマーを混ぜるものである。   In the fifth invention, in particular, in the first step in the second invention, the electrocatalyst, the base and the solvent are first mixed, and then the ionomer is mixed.

これにより、金属触媒粒子の表面に塩基が配位することで、金属触媒粒子にアイオノマーの酸性のイオン交換基が直接接触することが低減され、金属触媒粒子の組成変化による触媒活性の低下を確実に抑制できる。   As a result, the base is coordinated to the surface of the metal catalyst particles, whereby the direct contact of the acidic ion exchange groups of the ionomer with the metal catalyst particles is reduced, and the catalyst activity is reduced due to the composition change of the metal catalyst particles. Can be suppressed.

第6の発明は、第2から第5のいずれか1つの発明における第2工程で、金属触媒粒子の表面に近接している領域のアイオノマーから、求電子置換反応によりイオン交換基を除去するものである。   According to a sixth aspect of the present invention, in the second step according to any one of the second to fifth aspects, ion exchange groups are removed from the ionomer in a region close to the surface of the metal catalyst particles by electrophilic substitution reaction. It is.

これにより、電子密度が高く、且つ、結合エネルギーが低い分子鎖を有するイオン交換基を選択的に切断できるようになるため、イオン交換基の除去反応の反応サイトの選択性および反応速度を向上させることが可能となり、効率的に燃料電池用触媒インクを製造することができる。   This enables selective cleavage of an ion exchange group having a molecular chain with high electron density and low binding energy, thereby improving the selectivity and reaction rate of the reaction site of the ion exchange group removal reaction. As a result, the fuel cell catalyst ink can be produced efficiently.

第7の発明は、第2から第6のいずれか1つの発明に加えて、燃料電池用触媒インクに含まれる塩基を除去する第3工程を有するものである。   According to a seventh invention, in addition to any one of the second to sixth inventions, a third step of removing a base contained in a fuel cell catalyst ink is provided.

これにより、アイオノマーに含まれる塩基が除去されるため、アイオノマーのイオン交換基の酸性度が増加し、塩基によるアイオノマーのプロトン伝導性の低下を抑制することができる。   As a result, the base contained in the ionomer is removed, so the acidity of the ion exchange group of the ionomer can be increased, and the reduction in proton conductivity of the ionomer due to the base can be suppressed.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1にかかる燃料電池用触媒インクの概略構成を示す断面図である。
Embodiment 1
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell catalyst ink according to Embodiment 1 of the present invention.

図1に示すように、本実施の形態の燃料電池用触媒インク900は、担体粒子300の表面に金属触媒粒子400が担持された電極触媒500と、アイオノマー800と、溶媒30と、から構成されている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell catalyst ink 900 of the present embodiment comprises an electrode catalyst 500 having metal catalyst particles 400 supported on the surface of carrier particles 300, an ionomer 800, and a solvent 30. ing.

アイオノマー800は、担体粒子300から露出した金属触媒粒子400の露出表面に近接する領域に位置し、金属触媒粒子400の露出表面に接触して金属触媒粒子400の露出表面を覆うアイオノマー600と、アイオノマー600の外側(アイオノマー600よりも金属触媒粒子400の露出表面から離れた領域)に位置し、金属触媒粒子400の露出表面に接触せずに金属触媒粒子400の露出表面との間にアイオノマー600を介在させて金属触媒粒子400の露出表面と担体粒子300の表面における金属触媒粒子400に近接する領域を覆うアイオノマー700とから構成される。   The ionomer 800 is located in a region close to the exposed surface of the metal catalyst particle 400 exposed from the carrier particle 300, and an ionomer 600 in contact with the exposed surface of the metal catalyst particle 400 to cover the exposed surface of the metal catalyst particle 400; Located outside of 600 (area farther from the exposed surface of the metal catalyst particle 400 than the ionomer 600) and between the exposed surface of the metal catalyst particle 400 and the exposed surface of the metal catalyst particle 400 without contacting the exposed surface of the metal catalyst particle 400 It consists of an ionomer 700 which is interposed to cover the exposed surface of the metal catalyst particles 400 and the area of the surface of the carrier particles 300 adjacent to the metal catalyst particles 400.

アイオノマー600のイオン交換基の濃度は、アイオノマー700のイオン交換基の濃度よりも低い。言い換えると、アイオノマー700のイオン交換基の濃度は、アイオノマー600のイオン交換基の濃度よりも高い。   The concentration of ion exchange groups of ionomer 600 is lower than the concentration of ion exchange groups of ionomer 700. In other words, the concentration of ion exchange groups of ionomer 700 is higher than the concentration of ion exchange groups of ionomer 600.

ここで、本実施の形態における、燃料電池用触媒インク900と、燃料電池用触媒インク900を用いた燃料電池について、より詳細に説明する。   Here, the fuel cell catalyst ink 900 according to the present embodiment and the fuel cell using the fuel cell catalyst ink 900 will be described in more detail.

溶媒30は、水とエタノールが質量比で1:1に混合された溶媒とする。担体粒子300は、炭素粒子とし、金属触媒粒子400は、白金コルト合金触媒粒子とする。なお、白金コバルト合金触媒粒子は、炭素粒子に52wt%担持された白金コバルト合金触媒担持炭素とする。   The solvent 30 is a solvent in which water and ethanol are mixed in a mass ratio of 1: 1. The carrier particles 300 are carbon particles, and the metal catalyst particles 400 are platinum Colt alloy catalyst particles. The platinum-cobalt alloy catalyst particles are platinum-cobalt alloy catalyst-supporting carbon carried 52 wt% on carbon particles.

アイオノマー700は、パーフルオロスルホン酸とし、イオン交換基は酸性のスルホン酸基とする。また、アイオノマー600は、アイオノマー700のパーフルオロスルホン酸から、イオン交換基の一部を除去したものとする。   The ionomer 700 is a perfluorosulfonic acid, and the ion exchange group is an acidic sulfonic acid group. The ionomer 600 is a perfluorosulfonic acid of the ionomer 700 with some of the ion exchange groups removed.

アイオノマー700のイオン交換基のモル濃度は、200mol/mとする。アイオ
ノマー600のイオン交換基量のモル濃度は、0.2mol/mとする。アイオノマー800の量は、担体粒子300と同量とする。
The molar concentration of ion exchange groups of the ionomer 700 is 200 mol / m 3 . The molar concentration of the amount of ion exchange groups of the ionomer 600 is 0.2 mol / m 3 . The amount of ionomer 800 is the same as that of carrier particles 300.

以上のように、実施の形態1の燃料電池用触媒インク900は、金属触媒粒子400が担体粒子300に担持された電極触媒500と、酸性のイオン交換基を有するアイオノマー800と、で構成された燃料電池用触媒インク900であって、金属触媒粒子400と担体粒子300の表面はアイオノマー800(アイオノマー600とアイオノマー700)で被覆され、金属触媒粒子400の露出表面に近接する領域に位置し、金属触媒粒子400の露出表面に接触して金属触媒粒子400の露出表面を覆うアイオノマー600のイオン交換基の濃度が、アイオノマー600の外側(アイオノマー600よりも金属触媒粒子400の露出表面から離れた領域)に位置し、金属触媒粒子400の露出表面に接触せずに金属触媒粒子400の露出表面との間にアイオノマー600を介在させて金属触媒粒子400の露出表面と担体粒子300の表面における金属触媒粒子400に近接する領域を覆うアイオノマー700のイオン交換基の濃度よりも低いことを特徴とする。   As described above, the fuel cell catalyst ink 900 according to Embodiment 1 includes the electrode catalyst 500 in which the metal catalyst particles 400 are supported on the carrier particles 300, and the ionomer 800 having an acidic ion exchange group. A catalyst ink 900 for a fuel cell, wherein the surfaces of the metal catalyst particles 400 and the carrier particles 300 are coated with an ionomer 800 (ionomer 600 and ionomer 700) and located in a region close to the exposed surface of the metal catalyst particles 400 The concentration of ion exchange groups of the ionomer 600 in contact with the exposed surface of the catalyst particle 400 and covering the exposed surface of the metal catalyst particle 400 is outside the ionomer 600 (area farther from the exposed surface of the metal catalyst particle 400 than the ionomer 600) Exposure of the metal catalyst particles 400 without contacting the exposed surface of the metal catalyst particles 400 Characterized in that the concentration of ion exchange groups of the ionomer 700 covering an area adjacent to the metal catalyst particles 400 on the exposed surface of the metal catalyst particles 400 and the surface of the carrier particles 300 with the ionomer 600 interposed between the surfaces. Do.

その結果、金属触媒粒子400に直接接触する酸性のイオン交換基が少ないため、金属触媒粒子400の組成変化による触媒活性の低下を抑制できる。   As a result, since there are few acidic ion exchange groups directly in contact with the metal catalyst particles 400, it is possible to suppress a decrease in catalyst activity due to a change in composition of the metal catalyst particles 400.

なお、本実施の形態においては、金属触媒粒子400を白金コバルト合金触媒粒子としたが、これ以外にも、白金、ルテニウム、パラジウム、鉄、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、等の金属およびこれらの合金などを用いることができる。   In the present embodiment, the metal catalyst particle 400 is a platinum-cobalt alloy catalyst particle, but in addition to this, metals such as platinum, ruthenium, palladium, iron, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese and the like and These alloys can be used.

なお、本実施の形態においては、アイオノマー700をパーフルオロスルホン酸としたが、これ以外にも、フッ素化合物にスルホン酸基以外のイオン交換基を導入した含むアイオノマーや、炭化水素にスルホン酸基もしくはスルホン酸基以外のイオン交換基を導入したアイオノマーを用いることもできる。   In this embodiment, although the ionomer 700 is a perfluorosulfonic acid, in addition to this, an ionomer containing an ion exchange group other than a sulfonic acid group in a fluorine compound, a sulfonic acid group in a hydrocarbon or It is also possible to use an ionomer in which an ion exchange group other than a sulfonic acid group is introduced.

(実施の形態2)
図2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概略構成を示す断面図である。図3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製造工程を示すフローチャートである。図4は、本発明の実施の形態2にかかる燃料電池の概略構成を示す断面図である。
Second Embodiment
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell catalyst ink according to a second embodiment of the present invention. FIG. 3 is a flow chart showing steps of producing a catalyst ink for a fuel cell according to a second embodiment of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention.

図2に示すように、本実施の形態の燃料電池用触媒インク901は、担体粒子300の表面に金属触媒粒子400が担持された電極触媒500と、アイオノマー801と、溶媒30と、から構成されている。   As shown in FIG. 2, the fuel cell catalyst ink 901 according to the present embodiment comprises an electrode catalyst 500 having metal catalyst particles 400 supported on the surface of carrier particles 300, an ionomer 801, and a solvent 30. ing.

アイオノマー801は、担体粒子300から露出した金属触媒粒子400の露出表面に近接する領域に位置し、金属触媒粒子400の露出表面に接触して金属触媒粒子400の露出表面を覆うアイオノマー601と、アイオノマー601の外側(アイオノマー601よりも金属触媒粒子400の露出表面から離れた領域)に位置し、金属触媒粒子400の露出表面に接触せずに金属触媒粒子400の露出表面との間にアイオノマー601を介在させて金属触媒粒子400の露出表面と担体粒子300の表面における金属触媒粒子400に近接する領域を覆うアイオノマー701とから構成される。   The ionomer 801 is located in a region close to the exposed surface of the metal catalyst particle 400 exposed from the carrier particle 300 and is in contact with the exposed surface of the metal catalyst particle 400 to cover the exposed surface of the metal catalyst particle 400; Located outside 601 (region farther from the exposed surface of the metal catalyst particle 400 than the ionomer 601), the ionomer 601 is interposed between the exposed surface of the metal catalyst particle 400 without contacting with the exposed surface of the metal catalyst particle 400 It is composed of an ionomer 701 which covers the exposed surface of the metal catalyst particle 400 and the region of the surface of the carrier particle 300 adjacent to the metal catalyst particle 400.

アイオノマー601のイオン交換基の濃度は、アイオノマー701のイオン交換基の濃度よりも低い。言い換えると、アイオノマー701のイオン交換基の濃度は、アイオノマー601のイオン交換基の濃度よりも高い。   The concentration of ion exchange groups of the ionomer 601 is lower than the concentration of ion exchange groups of the ionomer 701. In other words, the concentration of ion exchange groups of the ionomer 701 is higher than the concentration of ion exchange groups of the ionomer 601.

ここで、本実施の形態における、燃料電池用触媒インク901と、その製造方法、およ
び、燃料電池用触媒インク901を用いた燃料電池101についてより詳細に説明する。
Here, the fuel cell catalyst ink 901, the method for producing the fuel cell catalyst ink 901, and the fuel cell 101 using the fuel cell catalyst ink 901 in the present embodiment will be described in more detail.

溶媒30は、水とエタノールが質量比で1:1に混合された溶媒とする。担体粒子300は、炭素粒子とし、金属触媒粒子400は、白金コルト合金触媒粒子とする。なお、白金コバルト合金触媒粒子は、炭素粒子に52wt%担持された白金コバルト合金触媒担持炭素とする。   The solvent 30 is a solvent in which water and ethanol are mixed in a mass ratio of 1: 1. The carrier particles 300 are carbon particles, and the metal catalyst particles 400 are platinum Colt alloy catalyst particles. The platinum-cobalt alloy catalyst particles are platinum-cobalt alloy catalyst-supporting carbon carried 52 wt% on carbon particles.

アイオノマー701は、パーフルオロスルホン酸とし、イオン交換基は酸性のスルホン酸基とする。また、アイオノマー601は、アイオノマー701のパーフルオロスルホン酸から、イオン交換基の一部を除去したものとする。   The ionomer 701 is a perfluorosulfonic acid, and the ion exchange group is an acidic sulfonic acid group. In addition, the ionomer 601 is obtained by removing a part of ion exchange groups from the perfluorosulfonic acid of the ionomer 701.

アイオノマー701のイオン交換基のモル濃度は、200mol/mとする。アイオノマー601のイオン交換基量のモル濃度は、40mol/mとする。アイオノマー801の量は、担体粒子300と同量とする。 The molar concentration of ion exchange groups of the ionomer 701 is 200 mol / m 3 . The molar concentration of the amount of ion exchange groups of the ionomer 601 is 40 mol / m 3 . The amount of ionomer 801 is the same as that of carrier particles 300.

次に、本実施の形態の燃料電池用触媒インク901の製造方法について説明する。   Next, a method of manufacturing the fuel cell catalyst ink 901 according to the present embodiment will be described.

図3に示すように、燃料電池用触媒インク901の製造方法は、S11からS21の担体粒子300から露出した金属触媒粒子400にアイオノマー701を被覆する第1工程と、S31からS41の金属触媒粒子400の露出表面に近接する領域のアイオノマー701からイオン交換基を除去することで、金属触媒粒子400の露出表面から離れた領域のアイオノマー701に比べて、低いイオン交換基濃度を有するアイオノマー601を金属触媒粒子400の露出表面に近接する領域に形成する第2工程と、S51からS61の燃料電池用触媒インク901から塩基を除去する第3工程を有する。   As shown in FIG. 3, in the method of producing the catalyst ink 901 for fuel cell, the first step of coating the ionomer 701 on the metal catalyst particles 400 exposed from the carrier particles 300 of S11 to S21, and the metal catalyst particles of S31 to S41. By removing the ion exchange groups from the ionomer 701 in the area adjacent to the exposed surface of 400, the ionomer 601 having a lower ion exchange group concentration than the ionomer 701 in the area away from the exposed surface of the metal catalyst particle 400 can be metalized. It has a second step of forming in a region close to the exposed surface of the catalyst particle 400 and a third step of removing a base from the fuel cell catalyst ink 901 from S51 to S61.

先ず、S11で電極触媒500を白金量で15gと、アイオノマー701を13gと、塩基を30mgと、溶媒30を200mlと、を秤量する。塩基には、アンモニアを用いる。アンモニアの添加量は、アンモニアにより形成されるアンモニウムイオンのモル濃度が、アイオノマー701に含まれるイオン交換基のモル濃度の1.5倍となる添加量を設定する。   First, in S11, 15 g of the electrode catalyst 500 in platinum amount, 13 g of the ionomer 701, 30 mg of the base, and 200 ml of the solvent 30 are weighed. Ammonia is used as the base. The amount of ammonia added is set such that the molar concentration of ammonium ions formed by ammonia is 1.5 times the molar concentration of ion exchange groups contained in the ionomer 701.

次に、S21で電極触媒500と、アイオノマー701と、溶媒30と、を分散混合させて、アンモニアがアイオノマー700の酸性のイオン交換基に配位した、水素イオン濃度が低い触媒分散液を作製する。   Next, the electrode catalyst 500, the ionomer 701, and the solvent 30 are dispersed and mixed in S21 to prepare a catalyst dispersion liquid having a low hydrogen ion concentration, in which ammonia is coordinated to the acidic ion exchange group of the ionomer 700. .

次に、S31で触媒分散液に酸素ガス4%を含む水素ガスを8L/minのガス流量で10分間供給し、金属触媒粒子400の露出表面に近接する領域のアイオノマー701から、イオン交換基の一部を除去することで、イオン交換基の濃度が40mol/mとなるアイオノマー601を作製する。 Next, in step S31, hydrogen gas containing 4% of oxygen gas is supplied to the catalyst dispersion at a gas flow rate of 8 L / min for 10 minutes, and the ionomer 701 in the region close to the exposed surface of the metal catalyst particles 400 By removing a portion, an ionomer 601 having an ion exchange group concentration of 40 mol / m 3 is produced.

次に、S41で触媒分散液に窒素ガスを1L/minのガス流量で1分間供給し、触媒分散液から水素を脱気する。次に、S51でオートクレーブを用いて、窒素充填された触媒分散液を、150℃、3h、高温高圧処理することで、触媒分散液に含まれるアンモニアを酸化分解する。   Next, in step S41, nitrogen gas is supplied to the catalyst dispersion at a gas flow rate of 1 L / min for 1 minute to degas the hydrogen from the catalyst dispersion. Next, the catalyst dispersion liquid filled with nitrogen is subjected to a high temperature and high pressure treatment at 150 ° C. for 3 hours using an autoclave in S51 to oxidize and decompose ammonia contained in the catalyst dispersion liquid.

次に、S61で触媒分散液を冷却することで、燃料電池用触媒インク901の製造が完了する。   Next, the catalyst dispersion liquid is cooled in S61, and the production of the fuel cell catalyst ink 901 is completed.

次に、S21の触媒分散液に含まれる塩基であるアンモニアがアイオノマー701のスルホン酸基に配位し、水素イオン濃度が低下する反応の詳細について説明する。   Next, the details of the reaction in which ammonia, which is a base contained in the catalyst dispersion liquid of S21, is coordinated to the sulfonic acid group of the ionomer 701 and the hydrogen ion concentration decreases will be described.

アンモニアを溶媒30に混合することで、溶媒30に含まれる水と、アンモニアと、が反応することで、アンモニウムイオンと、水酸化物イオンと、が形成される。形成されたアンモニウムイオンは、隣接するアイオノマー701に含まれるスルホン酸基とイオン結合を形成することで、スルホン酸基の外周部に配位する。   By mixing ammonia into the solvent 30, the water contained in the solvent 30 and the ammonia react with each other to form ammonium ions and hydroxide ions. The formed ammonium ion is coordinated to the outer periphery of the sulfonic acid group by forming an ionic bond with the sulfonic acid group contained in the adjacent ionomer 701.

その結果、触媒分散液に含まれる水酸化物イオンの濃度が上昇することで、触媒分散液の水素イオン濃度を低下させることができる。   As a result, the concentration of hydroxide ions contained in the catalyst dispersion increases, whereby the hydrogen ion concentration of the catalyst dispersion can be reduced.

また次に、S31のアイオノマー701から、イオン交換基を除去する反応の詳細について説明する。   Next, details of the reaction for removing ion exchange groups from the ionomer 701 of S31 will be described.

まず、金属触媒粒子400の表面で水素と酸素を反応させることで過酸化水素が形成される。次に、形成された過酸化水素が金属触媒粒子400の表面に近接する領域に存在するコバルトイオンと反応することで、求電子置換反応の反応種となる、ヒドロキシルラジカルが形成される。   First, hydrogen and oxygen are reacted on the surface of the metal catalyst particles 400 to form hydrogen peroxide. Next, the formed hydrogen peroxide reacts with cobalt ions present in a region close to the surface of the metal catalyst particles 400 to form hydroxyl radicals which become reactive species of the electrophilic substitution reaction.

このヒドロキシルラジカルは、反応性が非常に高く、また、高い電子密度で、且つ、結合エネルギーが低い分子鎖と反応する特徴を有している。   The hydroxyl radical is very reactive, has a feature of reacting with a molecular chain with high electron density and low binding energy.

アイオノマー701として用いているパーフルオロスルホン酸は、イオン交換基であるスルホン酸基の炭素と硫黄の間の結合および酸素と水素の間の結合ネルギーが低いため、これらの反応サイトにヒドロキシルラジカルが攻撃することで、金属触媒粒子400の表面に近接する領域に被覆されているアイオノマー701のスルホン酸基を切断することが可能となる。   The perfluorosulfonic acid used as the ionomer 701 has a low bond energy between carbon and sulfur and a low bond energy between oxygen and hydrogen of the ion exchange group sulfonic acid group, so hydroxyl radicals attack these reaction sites. By doing this, it becomes possible to cleave the sulfonic acid group of the ionomer 701 coated in the region close to the surface of the metal catalyst particle 400.

次に、本実施の形態の燃料電池用触媒インク901を用いた燃料電池101について説明する。   Next, a fuel cell 101 using the fuel cell catalyst ink 901 of the present embodiment will be described.

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。   As shown in FIG. 4, in the fuel cell 101 of the present embodiment, an electrolyte membrane-electrode assembly 91, an anode separator 70a, and a cathode separator 70b are stacked.

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。アノードセパレータ70aおよびカソードセパレータ70bは、カーボンセパレータを用いる。   A fuel gas channel 71 a is provided on the surface of the anode separator 70 a facing the electrolyte membrane-electrode assembly 91. Similarly, an oxidant gas channel 71 b is provided on the surface of the cathode separator 70 b facing the electrolyte membrane-electrode assembly 91. The anode separator 70a and the cathode separator 70b use a carbon separator.

電解質膜10と、電解質膜10を挟持するアノード61aとカソード61bを備える。電解質膜10には、パーフルオロスルホン酸膜を用いる。アノード61aは、電極触媒層81と、ガス拡散層40から構成されている。カソード61bは、電極触媒層81と、ガス拡散層40から構成されている。   An electrolyte membrane 10 and an anode 61 a and a cathode 61 b sandwiching the electrolyte membrane 10 are provided. For the electrolyte membrane 10, a perfluorosulfonic acid membrane is used. The anode 61 a includes an electrode catalyst layer 81 and a gas diffusion layer 40. The cathode 61 b is composed of an electrode catalyst layer 81 and a gas diffusion layer 40.

電極触媒層81は、燃料電池用触媒インク901を電解質膜10の両側に白金量で0.1mg/cmになるよう塗布して、60℃で乾燥させることで、作製されたものを用いる。 The electrode catalyst layer 81 is prepared by applying the catalyst ink 901 for a fuel cell on both sides of the electrolyte membrane 10 so that the amount of platinum is 0.1 mg / cm 2 and drying at 60 ° C.

電解質膜−電極接合体91には、両側に電極触媒層81が形成された電解質膜10の両側にガス拡散層40を積層した状態で、120℃、10kgf/cmで熱圧着することで、アノード61aおよびカソード61bを電解質膜10に接合させたものを用いる。 The electrolyte membrane-electrode assembly 91 is thermocompression-bonded at 120 ° C. and 10 kgf / cm 2 in a state where the gas diffusion layers 40 are laminated on both sides of the electrolyte membrane 10 having the electrode catalyst layers 81 formed on both sides. The one in which the anode 61 a and the cathode 61 b are bonded to the electrolyte membrane 10 is used.

燃料電池101は、アノード61aに供給される燃料ガスと、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。燃料ガスには水素ガスを、酸化剤ガスには空気を用いる。   The fuel cell 101 generates electric power by the reaction of the fuel gas supplied to the anode 61a and the oxidant gas supplied to the cathode 61b. Hydrogen gas is used as the fuel gas, and air is used as the oxidant gas.

以上のように、実施の形態2の燃料電池用触媒インク901は、金属触媒粒子400が担体粒子300に担持された電極触媒500と、酸性のイオン交換基を有するアイオノマー801と、で構成された燃料電池用触媒インク901であって、金属触媒粒子400と担体粒子300の表面はアイオノマー801(アイオノマー601とアイオノマー701)で被覆され、金属触媒粒子400の露出表面に近接する領域に位置し、金属触媒粒子400の露出表面に接触して金属触媒粒子400の露出表面を覆うアイオノマー601のイオン交換基の濃度が、アイオノマー601の外側(アイオノマー601よりも金属触媒粒子400の露出表面から離れた領域)に位置し、金属触媒粒子400の露出表面に接触せずに金属触媒粒子400の露出表面との間にアイオノマー601を介在させて金属触媒粒子400の露出表面と担体粒子300の表面における金属触媒粒子400に近接する領域を覆うアイオノマー701のイオン交換基の濃度よりも低いことを特徴とする。   As described above, the fuel cell catalyst ink 901 according to the second embodiment includes the electrode catalyst 500 in which the metal catalyst particles 400 are supported on the carrier particles 300, and the ionomer 801 having an acidic ion exchange group. A catalyst ink 901 for a fuel cell, wherein the surfaces of the metal catalyst particles 400 and the carrier particles 300 are coated with an ionomer 801 (ionomer 601 and ionomer 701) and located in a region close to the exposed surface of the metal catalyst particles 400 The ion exchange group concentration of the ionomer 601 in contact with the exposed surface of the catalyst particle 400 and covering the exposed surface of the metal catalyst particle 400 is outside the ionomer 601 (region farther from the exposed surface of the metal catalyst particle 400 than the ionomer 601) Exposure of the metal catalyst particles 400 without contacting the exposed surface of the metal catalyst particles 400 Characterized in that the concentration of ion exchange groups of the ionomer 701 covering an area adjacent to the metal catalyst particles 400 on the exposed surface of the metal catalyst particles 400 and the surface of the carrier particles 300 with the ionomer 601 interposed between the surfaces. Do.

その結果、燃料電池用触媒インク901の金属触媒粒子400に直接接触する酸性のイオン交換基が少ないため、金属触媒粒子400の組成変化による触媒活性の低下を抑制できる。また、本実施の形態の燃料電池用触媒インク901を用いて燃料電池101を構成することで、燃料電池101の発電効率の低下を抑制することができる。   As a result, since there are few acidic ion exchange groups directly in contact with the metal catalyst particles 400 of the fuel cell catalyst ink 901, it is possible to suppress a decrease in catalyst activity due to a change in the composition of the metal catalyst particles 400. Further, by forming the fuel cell 101 using the fuel cell catalyst ink 901 of the present embodiment, it is possible to suppress a decrease in the power generation efficiency of the fuel cell 101.

更に、燃料電池用触媒インク901の製造方法は、金属触媒粒子400が担体粒子300に担持された電極触媒500と、酸性のイオン交換基を有するアイオノマー701と、塩基と、溶媒30と、を混合することで、電極触媒500にアイオノマー701を被覆する第1工程と、金属触媒粒子400の表面に近接する領域のアイオノマー701からイオン交換基を除去する第2工程と、を有することを特徴とする。   Furthermore, in the method for producing the catalyst ink 901 for fuel cell, the electrode catalyst 500 in which the metal catalyst particles 400 are supported on the carrier particles 300, the ionomer 701 having an acidic ion exchange group, a base and the solvent 30 are mixed. , And the second step of removing ion exchange groups from the ionomer 701 in a region close to the surface of the metal catalyst particle 400. .

これにより、アイオノマー701のイオン交換基に塩基が配位することで、アイオノマー701のイオン交換基の酸性度を低下させることができる。また、金属触媒粒子400の表面に被覆されたアイオノマー701のイオン交換基の濃度を低くすることができる。その結果、酸性のイオン交換基が金属触媒粒子400に直接接触することが低減され、金属触媒粒子400の組成変化による触媒活性の低下が抑制された燃料電池用触媒インク901を製造することができる。   Thereby, the acidity of the ion exchange group of the ionomer 701 can be reduced by the base being coordinated to the ion exchange group of the ionomer 701. In addition, the concentration of ion exchange groups of the ionomer 701 coated on the surface of the metal catalyst particles 400 can be lowered. As a result, it is possible to manufacture a fuel cell catalyst ink 901 in which the acidic ion exchange group is not in direct contact with the metal catalyst particles 400, and the decrease in the catalytic activity due to the composition change of the metal catalyst particles 400 is suppressed. .

また、塩基の濃度が、アイオノマー701が有するイオン交換基の濃度よりも高い構成とすることで、アイオノマー701のイオン交換基に塩基が配位する割合が更に増加し、金属触媒粒子400にアイオノマー701の酸性のイオン交換基が直接接触することが更に低減され、金属触媒粒子400の組成変化による触媒活性低下を更に抑制できる。   Further, by setting the concentration of the base to be higher than the concentration of the ion exchange group possessed by the ionomer 701, the ratio of coordination of the base to the ion exchange group of the ionomer 701 is further increased. The direct contact of the acidic ion exchange groups of the above can be further reduced, and the reduction in catalyst activity due to the composition change of the metal catalyst particles 400 can be further suppressed.

また、燃料電池用触媒インク901の製造方法の第2工程を、金属触媒粒子400の表面に近接している領域のアイオノマー701から、求電子置換反応によりイオン交換基を除去する構成としているので、電子密度が高く、且つ、結合エネルギーが低い分子鎖を有するイオン交換基を選択的に切断できるようになるため、イオン交換基の除去反応の反応サイトの選択性および反応速度を向上させることが可能となり、効率的に燃料電池用触媒インク901を製造することができる。   Further, since the second step of the method for producing the fuel cell catalyst ink 901 is configured to remove ion exchange groups from the ionomer 701 in a region close to the surface of the metal catalyst particles 400 by electrophilic substitution reaction, Since it is possible to selectively cleave an ion exchange group having a molecular chain with high electron density and low binding energy, it is possible to improve the selectivity and reaction rate of the reaction site of the ion exchange group removal reaction. As a result, the fuel cell catalyst ink 901 can be manufactured efficiently.

また、燃料電池用触媒インク901に含まれる塩基を除去する第3工程を有する構成とすることで、アイオノマー801に含まれる塩基が除去されるため、アイオノマー801のイオン交換基の酸性度が増加し、塩基によるアイオノマー801のプロトン伝導性の低下を抑制することができる。   In addition, since the base included in the ionomer 801 is removed by the configuration including the third step of removing the base included in the fuel cell catalyst ink 901, the acidity of the ion exchange group of the ionomer 801 is increased. It is possible to suppress the decrease in proton conductivity of the ionomer 801 due to the base.

なお、本実施の形態においては、金属触媒粒子400を白金コバルト合金触媒粒子としたが、これ以外にも、白金、ルテニウム、パラジウム、鉄、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、等の金属およびこれらの合金などを用いることができる。   In the present embodiment, the metal catalyst particle 400 is a platinum-cobalt alloy catalyst particle, but in addition to this, metals such as platinum, ruthenium, palladium, iron, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese and the like and These alloys can be used.

なお、本実施の形態においては、アイオノマー701をパーフルオロスルホン酸としたが、これ以外にも、フッ素化合物にスルホン酸基以外のイオン交換基を導入した含むアイオノマーや、炭化水素にスルホン酸基もしくはスルホン酸基以外のイオン交換基を導入したアイオノマーを用いることもできる。   In this embodiment, although the ionomer 701 is a perfluorosulfonic acid, in addition to this, an ionomer containing an ion exchange group other than a sulfonic acid group in a fluorine compound, a sulfonic acid group in a hydrocarbon or It is also possible to use an ionomer in which an ion exchange group other than a sulfonic acid group is introduced.

なお、本実施の形態においては、塩基をアンモニアとしたが、これ以外にも、アルカリ金属やアルカリ土類金属などの水酸化物を用いることもできる。   Although ammonia is used as the base in the present embodiment, hydroxides such as alkali metals and alkaline earth metals can also be used besides this.

なお、本実施の形態においては、イオン交換基を除去する製造工程に、水素ガスと酸素ガスを用いたが、これ以外にも、過酸化水素を形成できる、酸化物質と還元物質とすることもできる。   Although hydrogen gas and oxygen gas are used in the manufacturing process for removing ion exchange groups in the present embodiment, it is also possible to use an oxide substance and a reduction substance which can form hydrogen peroxide besides this. it can.

なお、本実施の形態においては、イオン交換基を除去する製造工程に、ヒドロキシルラジカルを用いたが、これ以外の求電子種とすることもできる。   In the present embodiment, a hydroxyl radical is used in the manufacturing process for removing the ion exchange group, but other electrophilic species may be used.

なお、本実施の形態においては、塩基を除去する製造工程に、塩基の酸化分解反応を用いたが、リン酸ジルコニウムなどを添加し、イオン交換により塩基を除去することもできる。   In the present embodiment, the oxidative decomposition reaction of the base is used in the production process for removing the base, but zirconium phosphate or the like may be added to remove the base by ion exchange.

(実施の形態3)
図5は、本発明の実施の形態3にかかる燃料電池用触媒インクの概略構成を示す断面図である。図6は、本発明の実施の形態3にかかる燃料電池用触媒インクの製造工程を示すフローチャートである。図7は、本発明の実施の形態3にかかる燃料電池の概略構成を示す断面図である。
Third Embodiment
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell catalyst ink according to a third embodiment of the present invention. FIG. 6 is a flowchart showing steps of manufacturing a fuel cell catalyst ink according to a third embodiment of the present invention. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention.

図5に示すように、本実施の形態の燃料電池用触媒インク902は、担体粒子300の表面に金属触媒粒子400が担持された電極触媒500と、アイオノマー802と、塩基22と、溶媒30と、から構成されている。   As shown in FIG. 5, the fuel cell catalyst ink 902 according to the present embodiment includes an electrode catalyst 500 having metal catalyst particles 400 supported on the surface of carrier particles 300, an ionomer 802, a base 22, and a solvent 30. , Is composed of.

アイオノマー802は、担体粒子300から露出した金属触媒粒子400の露出表面に近接する領域に位置し、金属触媒粒子400の露出表面に接触して金属触媒粒子400の露出表面を覆うアイオノマー602と、アイオノマー602の外側(アイオノマー602よりも金属触媒粒子400の露出表面から離れた領域)に位置し、金属触媒粒子400の露出表面に接触せずに金属触媒粒子400の露出表面との間にアイオノマー602を介在させて金属触媒粒子400の露出表面と担体粒子300の表面における金属触媒粒子400に近接する領域を覆うアイオノマー702とから構成される。   The ionomer 802 is located in a region close to the exposed surface of the metal catalyst particle 400 exposed from the carrier particle 300 and is in contact with the exposed surface of the metal catalyst particle 400 to cover the exposed surface of the metal catalyst particle 400; The ionomer 602 is located between the exposed surface of the metal catalyst particle 400 and is located on the outside of the 602 (region farther from the exposed surface of the metal catalyst particle 400 than the ionomer 602) and without contacting the exposed surface of the metal catalyst particle 400. It is comprised from the ionomer 702 which intervenes and covers the area | region close to the metal catalyst particle 400 in the exposed surface of the metal catalyst particle 400, and the surface of the support | carrier particle 300. FIG.

アイオノマー602のイオン交換基の濃度は、アイオノマー702のイオン交換基の濃度よりも低い。言い換えると、アイオノマー702のイオン交換基の濃度は、アイオノマー602のイオン交換基の濃度よりも高い。   The concentration of ion exchange groups of ionomer 602 is lower than the concentration of ion exchange groups of ionomer 702. In other words, the concentration of ion exchange groups of ionomer 702 is higher than the concentration of ion exchange groups of ionomer 602.

ここで、本実施の形態における、燃料電池用触媒インク902と、その製造方法、および、燃料電池用触媒インク902を用いた燃料電池102についてより詳細に説明する。   Here, the fuel cell catalyst ink 902, the method for producing the fuel cell catalyst ink 902, and the fuel cell 102 using the fuel cell catalyst ink 902 in the present embodiment will be described in more detail.

溶媒30は、水とエタノールが質量比で1:1に混合された溶媒とする。塩基22は、
炭酸アンモニウムとする。担体粒子300は、炭素粒子とし、金属触媒粒子400は、白金コルト合金触媒粒子とする。なお、白金コバルト合金触媒粒子は、炭素粒子に52wt%担持された白金コバルト合金触媒担持炭素とする。
The solvent 30 is a solvent in which water and ethanol are mixed in a mass ratio of 1: 1. The base 22 is
It is ammonium carbonate. The carrier particles 300 are carbon particles, and the metal catalyst particles 400 are platinum Colt alloy catalyst particles. The platinum-cobalt alloy catalyst particles are platinum-cobalt alloy catalyst-supporting carbon carried 52 wt% on carbon particles.

アイオノマー702は、パーフルオロスルホン酸とし、イオン交換基は酸性のスルホン酸基とする。また、アイオノマー602は、アイオノマー702のパーフルオロスルホン酸から、イオン交換基の一部を除去したものとする。また、アイオノマー802のイオン交換基の一部には、塩基22が配位した構成とする。   The ionomer 702 is a perfluorosulfonic acid, and the ion exchange group is an acidic sulfonic acid group. Further, the ionomer 602 is obtained by removing some of the ion exchange groups from the perfluorosulfonic acid of the ionomer 702. Further, a base 22 is coordinated to a part of the ion exchange group of the ionomer 802.

アイオノマー702のイオン交換基のモル濃度は、200mol/mとする。アイオノマー602のイオン交換基量のモル濃度は、2mol/mとする。アイオノマー802の量は、担体粒子300と同量とする。 The molar concentration of ion exchange groups of the ionomer 702 is 200 mol / m 3 . The molar concentration of the amount of ion exchange groups of the ionomer 602 is 2 mol / m 3 . The amount of ionomer 802 is the same as that of carrier particles 300.

次に、本実施の形態の燃料電池用触媒インク902の製造方法について説明する。   Next, a method of manufacturing the fuel cell catalyst ink 902 according to the present embodiment will be described.

図6に示すように、燃料電池用触媒インク902の製造方法は、S12からS42の担体粒子300から露出した金属触媒粒子400の露出表面にアイオノマー702を被覆する第1工程と、S52からS62の金属触媒粒子400の露出表面に近接する領域のアイオノマー702からイオン交換基を除去することで、金属触媒粒子400の露出表面から離れた領域のアイオノマー702に比べて、低いイオン交換基濃度を有するアイオノマー602を形成する第2工程を有する。   As shown in FIG. 6, in the method of producing the fuel cell catalyst ink 902, a first step of coating the ionomer 702 on the exposed surface of the metal catalyst particles 400 exposed from the carrier particles 300 of S12 to S42; By removing ion exchange groups from the ionomer 702 in the area close to the exposed surface of the metal catalyst particle 400, an ionomer having a lower ion exchange group concentration as compared to the ionomer 702 in the area away from the exposed surface of the metal catalyst particle 400 It has the 2nd process of forming 602.

先ず、S12でアイオノマー702を13gと、塩基22を115mgと、溶媒30を200mlと、を秤量する。次に、S22でアイオノマー702と、塩基22と、溶媒30と、を分散混合することで、塩基22がアイオノマー702の酸性のイオン交換基に配位した、水素イオン濃度が低いアイオノマー混合溶液を作製する。   First, in S12, 13 g of the ionomer 702, 115 mg of the base 22, and 200 ml of the solvent 30 are weighed. Next, by dispersing and mixing the ionomer 702, the base 22, and the solvent 30 in S22, an ionomer mixed solution having a low hydrogen ion concentration, in which the base 22 is coordinated to the acidic ion exchange group of the ionomer 702, is prepared. Do.

また、塩基22である炭酸アンモニアの添加量は、炭酸アンモニアにより形成されるアンモニウムイオンのモル濃度が、アイオノマー702に含まれるイオン交換基のモル濃度の2倍となる添加量を設定する。   Further, the addition amount of ammonia carbonate which is the base 22 is set such that the molar concentration of the ammonium ion formed by the ammonia ammonia is twice the molar concentration of the ion exchange group contained in the ionomer 702.

次に、S32で電極触媒500を白金量で15gを秤量する。次に、S42で電極触媒500と、予めアイオノマー702のイオン交換基に、塩基22が配位したアイオノマー702を有する、アイオノマー混合溶液と、を分散混合し、触媒分散液を作製する。   Next, in S32, 15 g of the electrode catalyst 500 in the amount of platinum is weighed. Next, in step S42, the electrode catalyst 500 and an ionomer mixed solution having the ionomer 702 in which the base 22 is coordinated to the ion exchange group of the ionomer 702 are dispersed and mixed to prepare a catalyst dispersion.

次に、S52で触媒分散液に酸素ガス4%を含む水素ガスを10L/minのガス流量で10分間供給して、金属触媒粒子400の表面に近接する領域に被覆されたアイオノマー702から、イオン交換基の一部を除去することで、イオン交換基の濃度が2mol/mとなるアイオノマー602を作製する。 Next, in step S52, hydrogen gas containing 4% of oxygen gas is supplied to the catalyst dispersion at a gas flow rate of 10 L / min for 10 minutes, and the ionomer 702 is coated in a region close to the surface of the metal catalyst particles 400. By removing a part of the exchange groups, an ionomer 602 having a concentration of ion exchange groups of 2 mol / m 3 is produced.

次に、S61で触媒分散液に窒素ガスを1L/minのガス流量で1分間供給し、触媒分散液から水素を脱気することで、燃料電池用触媒インク902の製造が完了する。   Next, in S61, nitrogen gas is supplied to the catalyst dispersion at a gas flow rate of 1 L / min for 1 minute to degas the hydrogen from the catalyst dispersion, thereby completing the manufacture of the fuel cell catalyst ink 902.

次に、S22のアイオノマー混合液に含まれる塩基22がアイオノマー702のスルホン酸基に配位し、水素イオン濃度が低下する反応の詳細について説明する。   Next, details of the reaction in which the base 22 contained in the ionomer mixed solution of S22 is coordinated to the sulfonic acid group of the ionomer 702 and the hydrogen ion concentration decreases will be described.

塩基22である炭酸アンモニウムを溶媒30に混合することで、溶媒30に含まれる水と、炭酸アンモニウムと、が反応することで、アンモニウムイオンと、二酸化炭素と、水酸化物イオンと、を形成する。形成されたアンモニウムイオンは、隣接するアイオノマー702に含まれるスルホン酸基とイオン結合を形成することで、スルホン酸基の外周部に
配位する。
By mixing ammonium carbonate which is the base 22 with the solvent 30, water contained in the solvent 30 and ammonium carbonate react to form ammonium ions, carbon dioxide and hydroxide ions. . The formed ammonium ion is coordinated to the outer periphery of the sulfonic acid group by forming an ionic bond with the sulfonic acid group contained in the adjacent ionomer 702.

その結果、アイオノマー混合溶液に含まれる水酸化物イオンの濃度が上昇することで、アイオノマー混合溶液の水素イオン濃度を低下させることができる。   As a result, by increasing the concentration of hydroxide ions contained in the ionomer mixed solution, the hydrogen ion concentration of the ionomer mixed solution can be reduced.

また次に、S52のアイオノマー702から、イオン交換基を除去する反応の詳細について説明する。   Next, the details of the reaction for removing ion exchange groups from the ionomer S702 of S52 will be described.

まず、金属触媒粒子400の露出表面で水素と酸素を反応させることで過酸化水素が形成される。次に、形成された過酸化水素が金属触媒粒子400の露出表面に近接する領域に存在するコバルトイオンと反応することで、求電子置換反応の反応種となる、ヒドロキシルラジカルが形成される。   First, hydrogen and oxygen are reacted on the exposed surface of the metal catalyst particles 400 to form hydrogen peroxide. Next, the formed hydrogen peroxide reacts with cobalt ions present in a region close to the exposed surface of the metal catalyst particles 400 to form hydroxyl radicals which become reactive species of the electrophilic substitution reaction.

このヒドロキシルラジカルは、反応性が非常に高く、また、高い電子密度で、且つ、結合エネルギーが低い分子鎖と反応する特徴を有している。アイオノマー702として用いているパーフルオロスルホン酸は、イオン交換基であるスルホン酸基の炭素と硫黄の間の結合および酸素と水素の間の結合ネルギーが低いため、これらの反応サイトにヒドロキシルラジカルが攻撃することで、金属触媒粒子400の表面に近接する領域に被覆されているアイオノマー702のスルホン酸基を切断することが可能となる。   The hydroxyl radical is very reactive, has a feature of reacting with a molecular chain with high electron density and low binding energy. The perfluorosulfonic acid used as the ionomer 702 has a low bond energy between carbon and sulfur and a low bond energy between oxygen and hydrogen of the ion exchange group sulfonic acid group, so hydroxyl radicals attack these reaction sites. By doing this, it becomes possible to cleave the sulfonic acid group of the ionomer 702 coated in the area close to the surface of the metal catalyst particle 400.

次に、本実施の形態の燃料電池用触媒インク902を用いた燃料電池102について説明する。   Next, a fuel cell 102 using the fuel cell catalyst ink 902 of the present embodiment will be described.

図7に示すように、本実施の形態の燃料電池102は、電解質膜−電極接合体92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。   As shown in FIG. 7, in the fuel cell 102 of the present embodiment, an electrolyte membrane-electrode assembly 92, an anode separator 70a, and a cathode separator 70b are stacked.

アノードセパレータ70aの電解質膜−電極接合体92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。アノードセパレータ70aおよびカソードセパレータ70bは、カーボンセパレータを用いる。   A fuel gas channel 71 a is provided on the surface of the anode separator 70 a facing the electrolyte membrane-electrode assembly 92. Similarly, an oxidant gas channel 71 b is provided on the surface of the cathode separator 70 b facing the electrolyte membrane-electrode assembly 91. The anode separator 70a and the cathode separator 70b use a carbon separator.

電解質膜10と、電解質膜10を挟持するアノード62aとカソード62bを備える。電解質膜10には、パーフルオロスルホン酸膜を用いる。アノード62aは、電極触媒層82と、ガス拡散層40から構成されている。カソード62bは、電極触媒層82と、ガス拡散層40から構成されている。   An electrolyte membrane 10 and an anode 62 a and a cathode 62 b sandwiching the electrolyte membrane 10 are provided. For the electrolyte membrane 10, a perfluorosulfonic acid membrane is used. The anode 62 a includes an electrode catalyst layer 82 and a gas diffusion layer 40. The cathode 62 b is composed of an electrode catalyst layer 82 and a gas diffusion layer 40.

電極触媒層82は、燃料電池用触媒インク902をガス拡散層40に白金量で0.1mg/cmになるよう塗布し、60℃で乾燥させることで、作製されたものを用いる。 The electrode catalyst layer 82 is prepared by applying the fuel cell catalyst ink 902 to the gas diffusion layer 40 so that the amount of platinum is 0.1 mg / cm 2 and drying at 60 ° C.

電解質膜−電極接合体92には、アノード62aおよびカソード62bを、電解質膜10に積層した状態で、120℃、10kgf/cmで熱圧着することで、アノード62aおよびカソード62bを電解質膜10に接合させたものを用いる。 The anode 62 a and the cathode 62 b are attached to the electrolyte membrane 10 by thermocompression bonding at 120 ° C. and 10 kgf / cm 2 with the anode 62 a and the cathode 62 b laminated on the electrolyte membrane 10 in the electrolyte membrane-electrode assembly 92. Use the bonded one.

燃料電池102は、アノード62aに供給される燃料ガスと、カソード62bに供給される酸化剤ガスとの反応により発電を行う。燃料ガスには水素ガスを、酸化剤ガスには空気を用いる。   The fuel cell 102 generates electric power by the reaction of the fuel gas supplied to the anode 62a and the oxidant gas supplied to the cathode 62b. Hydrogen gas is used as the fuel gas, and air is used as the oxidant gas.

以上のように、実施の形態3の燃料電池用触媒インク902は、金属触媒粒子400が担体粒子300に担持された電極触媒500と、酸性のイオン交換基を有するアイオノマー802と、で構成された燃料電池用触媒インク902であって、金属触媒粒子400と
担体粒子300の表面はアイオノマー802(アイオノマー602とアイオノマー702)で被覆され、担体粒子300から露出した金属触媒粒子400の露出表面に近接する領域に位置し、金属触媒粒子400の露出表面に接触して金属触媒粒子400の露出表面を覆うアイオノマー602のイオン交換基の濃度が、アイオノマー602の外側(アイオノマー602よりも金属触媒粒子400の露出表面から離れた領域)に位置し、金属触媒粒子400の露出表面に接触せずに金属触媒粒子400の露出表面との間にアイオノマー602を介在させて金属触媒粒子400の露出表面と担体粒子300の表面における金属触媒粒子400に近接する領域を覆うアイオノマー702のイオン交換基の濃度よりも低いことを特徴とする。
As described above, the fuel cell catalyst ink 902 according to Embodiment 3 includes the electrode catalyst 500 in which the metal catalyst particles 400 are supported on the carrier particles 300, and the ionomer 802 having an acidic ion exchange group. A fuel cell catalyst ink 902, wherein the surfaces of the metal catalyst particles 400 and the carrier particles 300 are coated with an ionomer 802 (ionomers 602 and ionomers 702) and close to the exposed surfaces of the metal catalyst particles 400 exposed from the carrier particles 300. The ion exchange group concentration of the ionomer 602 located in the area and in contact with the exposed surface of the metal catalyst particle 400 covers the exposed surface of the metal catalyst particle 400 is higher than that of the ionomer 602 (the metal catalyst particle 400 is exposed than the ionomer 602). Located in an area away from the surface, without contacting the exposed surface of the metal catalyst particles 400 Based on the concentration of ion exchange groups of ionomer 702 covering an area adjacent to metal catalyst particle 400 on the exposed surface of metal catalyst particle 400 and the surface of support particle 300 with ionomer 602 interposed between the exposed surface of metal catalyst particle 400 Is also characterized by low.

その結果、燃料電池用触媒インク902の金属触媒粒子400に直接接触する酸性のイオン交換基が少ないため、金属触媒粒子400の組成変化による触媒活性の低下を抑制できる。また、本実施の形態の燃料電池用触媒インク902を用いて燃料電池102を構成することで、燃料電池102の発電効率の低下を抑制することができる。   As a result, since there are few acidic ion exchange groups in direct contact with the metal catalyst particles 400 of the fuel cell catalyst ink 902, it is possible to suppress a decrease in catalyst activity due to a change in composition of the metal catalyst particles 400. Further, by forming the fuel cell 102 using the fuel cell catalyst ink 902 of the present embodiment, it is possible to suppress a decrease in the power generation efficiency of the fuel cell 102.

更に、本実施の形態の燃料電池用触媒インク902の製造方法は、金属触媒粒子400が担体粒子300に担持された電極触媒500と、酸性のイオン交換基を有するアイオノマー702と、塩基22と、溶媒30と、を混合することで、電極触媒500にアイオノマー702を被覆する第1工程と、金属触媒粒子400の露出表面に近接する領域のアイオノマー702からイオン交換基を除去する第2工程と、を有することを特徴とする。   Furthermore, in the method of producing catalyst ink for fuel cell 902 of the present embodiment, an electrode catalyst 500 having metal catalyst particles 400 supported on carrier particles 300, an ionomer 702 having an acidic ion exchange group, a base 22, and A first step of coating the ionomer 702 on the electrode catalyst 500 by mixing the solvent 30; and a second step of removing ion exchange groups from the ionomer 702 in a region close to the exposed surface of the metal catalyst particle 400; It is characterized by having.

これにより、アイオノマー702のイオン交換基に塩基22が配位することで、アイオノマー702のイオン交換基の酸性度を低下させることができる。また、イオン交換基の除去により金属触媒粒子400の露出表面に近接する領域のアイオノマー702のイオン交換基の濃度を低くすることができる。   Thereby, the acidity of the ion exchange group of the ionomer 702 can be reduced by the coordination of the base 22 to the ion exchange group of the ionomer 702. In addition, removal of ion exchange groups can lower the concentration of ion exchange groups of the ionomer 702 in a region close to the exposed surface of the metal catalyst particle 400.

その結果、酸性のイオン交換基が金属触媒粒子400に直接接触することが低減され、金属触媒粒子400の組成変化による触媒活性の低下が抑制された燃料電池用触媒インク902を製造することができる。   As a result, direct contact of the acidic ion exchange group with the metal catalyst particles 400 can be reduced, and a fuel cell catalyst ink 902 can be manufactured in which the decrease in catalyst activity due to the composition change of the metal catalyst particles 400 is suppressed. .

また、燃料電池用触媒インク902の製造方法の第1工程を、アイオノマー702と、塩基22と、溶媒30と、を先に混合してから、電極触媒500を混ぜる構成とすることで、アイオノマー702のイオン交換基に塩基22が配位する割合が増加して、金属触媒粒子400にアイオノマー702の酸性のイオン交換基が直接接触することがより低減され、金属触媒粒子400の組成変化による触媒活性の低下をより抑制できる。   Further, the first step of the method for producing the fuel cell catalyst ink 902 is configured such that the ionomer 702, the base 22, and the solvent 30 are first mixed, and then the electrode catalyst 500 is mixed. The ratio in which the base 22 is coordinated to the ion exchange group of the metal catalyst particle 400 is increased, and the direct contact of the acidic ion exchange group of the ionomer 702 with the metal catalyst particle 400 is further reduced. Can be further suppressed.

また、塩基22の濃度が、アイオノマー702が有するイオン交換基の濃度よりも高い構成とすることで、アイオノマー702のイオン交換基に塩基22が配位する割合が更に増加し、金属触媒粒子400にアイオノマー702の酸性のイオン交換基が直接接触することが更に低減され、金属触媒粒子400の組成変化による触媒活性低下を更に抑制できる。   In addition, by setting the concentration of the base 22 to be higher than the concentration of the ion exchange group possessed by the ionomer 702, the ratio of coordination of the base 22 to the ion exchange group of the ionomer 702 is further increased. The direct contact of the acidic ion exchange groups of the ionomer 702 is further reduced, and the reduction in catalytic activity due to the change in the composition of the metal catalyst particles 400 can be further suppressed.

また、燃料電池用触媒インク902の製造方法の第2工程を、金属触媒粒子400の露出表面に近接している領域のアイオノマー702から、求電子置換反応によりイオン交換基を除去する構成とすることで、電子密度が高く、且つ、結合エネルギーが低い分子鎖を有するイオン交換基を選択的に切断できるようになるため、イオン交換基の除去反応の反応サイトの選択性および反応速度を向上させることが可能となり、効率的に燃料電池用触媒インク902を製造することができる。   Further, the second step of the method for producing the fuel cell catalyst ink 902 is configured to remove the ion exchange group from the ionomer 702 in a region close to the exposed surface of the metal catalyst particles 400 by an electrophilic substitution reaction. Since the ion exchange group having a molecular chain with high electron density and low binding energy can be selectively cleaved, the selectivity and reaction rate of the reaction site of the removal reaction of ion exchange group can be improved As a result, the fuel cell catalyst ink 902 can be manufactured efficiently.

なお、本実施の形態においては、金属触媒粒子400を白金コバルト合金触媒粒子とし
たが、これ以外にも、白金、ルテニウム、パラジウム、鉄、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、等の金属およびこれらの合金などを用いることができる。
In the present embodiment, the metal catalyst particle 400 is a platinum-cobalt alloy catalyst particle, but in addition to this, metals such as platinum, ruthenium, palladium, iron, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese and the like and These alloys can be used.

なお、本実施の形態においては、アイオノマー702をパーフルオロスルホン酸としたが、これ以外にも、フッ素化合物にスルホン酸基以外のイオン交換基を導入した含むアイオノマーや、炭化水素にスルホン酸基もしくはスルホン酸基以外のイオン交換基を導入したアイオノマーを用いることもできる。   In this embodiment, the ionomer 702 is a perfluorosulfonic acid, but in addition to this, an ionomer containing an ion exchange group other than a sulfonic acid group in a fluorine compound, a sulfonic acid group in a hydrocarbon or It is also possible to use an ionomer in which an ion exchange group other than a sulfonic acid group is introduced.

なお、本実施の形態においては、塩基22を炭酸アンモニウムとしたが、これ以外にも、炭酸水素アンモニウム、カルバミン酸アンモニウムなどのアンモニウム塩を用いることもできる。   In the present embodiment, the base 22 is ammonium carbonate, but in addition to this, ammonium salts such as ammonium hydrogen carbonate and ammonium carbamate can also be used.

なお、本実施の形態においては、イオン交換基を除去する製造工程に、水素ガスと酸素ガスを用いたが、これ以外にも、過酸化水素を形成できる、酸化物質と還元物質とすることもできる。   Although hydrogen gas and oxygen gas are used in the manufacturing process for removing ion exchange groups in the present embodiment, it is also possible to use an oxide substance and a reduction substance which can form hydrogen peroxide besides this. it can.

なお、本実施の形態においては、イオン交換基を除去する製造工程に、ヒドロキシルラジカルを用いたが、これ以外の求電子種とすることもできる。   In the present embodiment, a hydroxyl radical is used in the manufacturing process for removing the ion exchange group, but other electrophilic species may be used.

(実施の形態4)
図8は、本発明の実施の形態4にかかる燃料電池用触媒インクの概略構成を示す断面図である。図9は、本発明の実施の形態4にかかる燃料電池用触媒インクの製造工程を示すフローチャートである。図10は、本発明の実施の形態4にかかる燃料電池の概略構成を示す断面図である。
Embodiment 4
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell catalyst ink according to a fourth embodiment of the present invention. FIG. 9 is a flow chart showing a manufacturing process of a fuel cell catalyst ink according to a fourth embodiment of the present invention. FIG. 10 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell according to Embodiment 4 of the present invention.

図8に示すように、本実施の形態の燃料電池用触媒インク903は、担体粒子300の表面に金属触媒粒子400が担持された電極触媒500と、アイオノマー803と、塩基23と、溶媒30と、から構成されている。   As shown in FIG. 8, the fuel cell catalyst ink 903 of the present embodiment has an electrode catalyst 500 in which metal catalyst particles 400 are supported on the surface of carrier particles 300, an ionomer 803, a base 23, and a solvent 30. , Is composed of.

アイオノマー803は、担体粒子300から露出した金属触媒粒子400の露出表面に近接する領域に位置し、金属触媒粒子400の露出表面に接触して金属触媒粒子400の露出表面を覆うアイオノマー603と、アイオノマー603の外側(アイオノマー603よりも金属触媒粒子400の露出表面から離れた領域)に位置し、金属触媒粒子400の露出表面に接触せずに金属触媒粒子400の露出表面との間にアイオノマー603を介在させて金属触媒粒子400の露出表面と担体粒子300の表面における金属触媒粒子400に近接する領域を覆うアイオノマー703とから構成される。   The ionomer 803 is located in a region close to the exposed surface of the metal catalyst particle 400 exposed from the carrier particle 300, and an ionomer 603 which contacts the exposed surface of the metal catalyst particle 400 and covers the exposed surface of the metal catalyst particle 400; Located outside of 603 (area farther from the exposed surface of the metal catalyst particle 400 than the ionomer 603), and between the exposed surface of the metal catalyst particle 400 and the exposed surface of the metal catalyst particle 400 without contacting the exposed surface of the metal catalyst particle 400 It consists of an ionomer 703 which covers the exposed surface of the metal catalyst particles 400 and the region of the surface of the carrier particles 300 adjacent to the metal catalyst particles 400.

アイオノマー603のイオン交換基の濃度は、アイオノマー703のイオン交換基の濃度よりも低い。言い換えると、アイオノマー703のイオン交換基の濃度は、アイオノマー603のイオン交換基の濃度よりも高い。   The concentration of ion exchange groups of the ionomer 603 is lower than the concentration of ion exchange groups of the ionomer 703. In other words, the concentration of ion exchange groups of ionomer 703 is higher than the concentration of ion exchange groups of ionomer 603.

ここで、本実施の形態における、燃料電池用触媒インク903と、その製造方法、および、燃料電池用触媒インク903を用いた燃料電池103についてより詳細に説明する。   Here, the fuel cell catalyst ink 903 in the present embodiment, the method for producing the fuel cell catalyst ink 903, and the fuel cell 103 using the fuel cell catalyst ink 903 will be described in more detail.

溶媒30は、水とエタノールが質量比で1:1に混合された溶媒とする。塩基23は、イミダゾールとする。担体粒子300は、炭素粒子とし、金属触媒粒子400は、白金コルト合金触媒粒子とする。なお、白金コバルト合金触媒粒子は、炭素粒子に52wt%担持された白金コバルト合金触媒担持炭素とする。   The solvent 30 is a solvent in which water and ethanol are mixed in a mass ratio of 1: 1. The base 23 is imidazole. The carrier particles 300 are carbon particles, and the metal catalyst particles 400 are platinum Colt alloy catalyst particles. The platinum-cobalt alloy catalyst particles are platinum-cobalt alloy catalyst-supporting carbon carried 52 wt% on carbon particles.

アイオノマー703は、パーフルオロスルホン酸とし、イオン交換基は酸性のスルホン
酸基とする。また、アイオノマー603は、アイオノマー703のパーフルオロスルホン酸から、イオン交換基の一部を除去したものとする。また、アイオノマー803のイオン交換基の一部には、塩基23が配位した構成とする。また、金属触媒粒子400の表面の一部にも塩基22が吸着した構成とする。
The ionomer 703 is a perfluorosulfonic acid, and the ion exchange group is an acidic sulfonic acid group. Further, the ionomer 603 is obtained by removing a part of ion exchange groups from the perfluorosulfonic acid of the ionomer 703. The base 23 is coordinated to a part of the ion exchange group of the ionomer 803. Further, the base 22 is also adsorbed to a part of the surface of the metal catalyst particle 400.

アイオノマー703のイオン交換基のモル濃度は、200mol/mとする。アイオノマー603のイオン交換基量のモル濃度は、0.2mol/mとする。アイオノマー803の量は、担体粒子300と同量とする。 The molar concentration of ion exchange groups of the ionomer 703 is 200 mol / m 3 . The molar concentration of the amount of ion exchange groups of the ionomer 603 is 0.2 mol / m 3 . The amount of ionomer 803 is the same as that of carrier particles 300.

次に、本実施の形態の燃料電池用触媒インク903の製造方法について説明する。   Next, a method of manufacturing the fuel cell catalyst ink 903 of the present embodiment will be described.

図9に示すように、燃料電池用触媒インク903の製造方法は、S13からS43の担体粒子300から露出した金属触媒粒子400の露出表面にアイオノマー703を被覆する第1工程と、S53からS63の金属触媒粒子400の露出表面に近接する領域のアイオノマー703からイオン交換基を除去することで、金属触媒粒子400の露出表面に近接する領域にアイオノマー703に比べて、低いイオン交換基濃度を有するアイオノマー603を形成する第2工程を有する。   As shown in FIG. 9, in the method of producing the catalyst ink 903 for fuel cell, the first step of coating the ionomer 703 on the exposed surface of the metal catalyst particles 400 exposed from the carrier particles 300 of S13 to S43; An ionomer having an ion exchange group concentration lower than that of the ionomer 703 in a region close to the exposed surface of the metal catalyst particle 400 by removing ion exchange groups from the ionomer 703 in the region close to the exposed surface of the metal catalyst particle 400 And the second step of forming 603.

先ず、S13で電極触媒500を白金量で15g、塩基23を40mgと、溶媒30を200mlと、を秤量する。   First, in S13, 15 g of the electrode catalyst 500, 40 mg of the base 23, and 200 ml of the solvent 30 are weighed.

次に、S23で電極触媒500と、塩基23と、溶媒30と、を分散混合することで、電極触媒500の金属触媒粒子400の表面に塩基23を吸着させた、水素イオン濃度が低い触媒混合溶液を作製する。   Next, in step S23, the base 23 is adsorbed on the surface of the metal catalyst particles 400 of the electrode catalyst 500 by dispersing and mixing the electrode catalyst 500, the base 23, and the solvent 30, and the catalyst mixture with a low concentration of hydrogen ions Make a solution.

次に、S33でアイオノマー703を13g秤量する。次に、S43でアイオノマー703と、予め金属触媒粒子400の表面に塩基23を吸着させた触媒混合溶液と、を分散混合することで、触媒分散液を作製する。   Next, 13 g of the ionomer 703 is weighed in S33. Next, a catalyst dispersion is prepared by dispersing and mixing the ionomer 703 and the catalyst mixed solution in which the base 23 is adsorbed on the surface of the metal catalyst particles 400 in S43.

次に、S53で触媒分散液に酸素ガス4%を含む水素ガスを10L/minのガス流量で10分間供給し、金属触媒粒子400の表面に近接する領域に被覆されたアイオノマー703から、イオン交換基の一部を除去することで、イオン交換基の濃度が0.2mol/mとなるアイオノマー603を作製する。 Next, in S53, hydrogen gas containing 4% of oxygen gas is supplied to the catalyst dispersion at a gas flow rate of 10 L / min for 10 minutes, and ion exchange is performed from the ionomer 703 coated in a region close to the surface of the metal catalyst particles 400. By removing a part of the groups, an ionomer 603 with a concentration of ion exchange groups of 0.2 mol / m 3 is produced.

次に、S63で触媒分散液に窒素ガスを1L/minのガス流量で1分間供給し、触媒分散液から水素を脱気することで、燃料電池用触媒インク903の製造が完了する。   Next, in S63, nitrogen gas is supplied to the catalyst dispersion at a gas flow rate of 1 L / min for 1 minute to degas the hydrogen from the catalyst dispersion, thereby completing the production of the fuel cell catalyst ink 903.

次に、S23の触媒混合溶液に含まれる塩基23が金属触媒粒子400の表面に吸着して、水素イオン濃度が低下する反応の詳細について説明する。   Next, the details of the reaction in which the base 23 contained in the catalyst mixed solution of S23 is adsorbed on the surface of the metal catalyst particles 400 to reduce the hydrogen ion concentration will be described.

塩基23であるイミダゾールと、溶媒30と、電極触媒500と、を混合することで、イミダゾールの電子密度が高い、窒素の孤立電子対が、不飽和結合が存在する金属触媒粒子400の表面に特異吸着する。   By mixing the imidazole which is the base 23, the solvent 30, and the electrode catalyst 500, the lone electron pair of nitrogen whose electron density of imidazole is high is unique to the surface of the metal catalyst particle 400 in which the unsaturated bond exists. Adsorb.

また、イミダゾールは、溶媒30の水と反応することで、水酸化物イオンを形成するため、触媒混合溶液の水酸化物イオンの濃度が上昇することで、水素イオン濃度を低下させることができる。   In addition, imidazole reacts with water of the solvent 30 to form hydroxide ions, so that the concentration of hydroxide ions in the catalyst mixed solution can be increased to reduce the hydrogen ion concentration.

また次に、S53のアイオノマー703から、イオン交換基を除去する反応の詳細について説明する。   Next, details of the reaction for removing ion exchange groups from the ionomer S703 of S53 will be described.

まず、金属触媒粒子400の表面で水素と酸素を反応させることで過酸化水素が形成される。次に、形成された過酸化水素が金属触媒粒子400の表面に近接する領域に存在するコバルトイオンと反応することで、求電子置換反応の反応種となる、ヒドロキシルラジカルが形成される。   First, hydrogen and oxygen are reacted on the surface of the metal catalyst particles 400 to form hydrogen peroxide. Next, the formed hydrogen peroxide reacts with cobalt ions present in a region close to the surface of the metal catalyst particles 400 to form hydroxyl radicals which become reactive species of the electrophilic substitution reaction.

このヒドロキシルラジカルは、反応性が非常に高く、また、高い電子密度で、且つ、結合エネルギーが低い分子鎖と反応する特徴を有している。   The hydroxyl radical is very reactive, has a feature of reacting with a molecular chain with high electron density and low binding energy.

アイオノマー703として用いているパーフルオロスルホン酸は、イオン交換基であるスルホン酸基の炭素と硫黄の間の結合および酸素と水素の間の結合ネルギーが低いため、これらの反応サイトにヒドロキシルラジカルが攻撃することで、金属触媒粒子400の表面に近接する領域に被覆されているアイオノマー703のスルホン酸基を切断することが可能となる。   The perfluorosulfonic acid used as the ionomer 703 has a low bond energy between the carbon and sulfur of the sulfonic acid group which is an ion exchange group and a low bond energy between oxygen and hydrogen, so hydroxyl radicals attack these reaction sites. By doing so, it becomes possible to cleave the sulfonic acid group of the ionomer 703 coated in the area close to the surface of the metal catalyst particle 400.

次に、本実施の形態の燃料電池用触媒インク903を用いた燃料電池103について説明する。   Next, a fuel cell 103 using the fuel cell catalyst ink 903 of the present embodiment will be described.

図10に示すように、本実施の形態の燃料電池103は、電解質膜−電極接合体93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。   As shown in FIG. 10, in the fuel cell 103 of the present embodiment, an electrolyte membrane-electrode assembly 93, an anode separator 70a, and a cathode separator 70b are stacked.

アノードセパレータ70aの電解質膜−電極接合体93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。アノードセパレータ70aおよびカソードセパレータ70bは、カーボンセパレータを用いる。   A fuel gas channel 71 a is provided on the surface of the anode separator 70 a facing the electrolyte membrane-electrode assembly 93. Similarly, an oxidant gas channel 71 b is provided on the surface of the cathode separator 70 b facing the electrolyte membrane-electrode assembly 91. The anode separator 70a and the cathode separator 70b use a carbon separator.

電解質膜10と、電解質膜10を挟持するアノード63aとカソード63bを備える。電解質膜10には、パーフルオロスルホン酸膜を用いる。アノード63aは、電極触媒層83と、ガス拡散層40から構成されている。カソード63bは、電極触媒層83と、ガス拡散層40から構成されている。   An electrolyte membrane 10 and an anode 63 a and a cathode 63 b sandwiching the electrolyte membrane 10 are provided. For the electrolyte membrane 10, a perfluorosulfonic acid membrane is used. The anode 63 a includes an electrode catalyst layer 83 and a gas diffusion layer 40. The cathode 63 b is composed of an electrode catalyst layer 83 and a gas diffusion layer 40.

電極触媒層83は、燃料電池用触媒インク903をガス拡散層40に白金量で0.1mg/cmになるよう塗布し、60℃で乾燥させることで、作製されたものを用いる。 The electrode catalyst layer 83 is prepared by applying the fuel cell catalyst ink 903 to the gas diffusion layer 40 so that the amount of platinum is 0.1 mg / cm 2 and drying at 60 ° C.

電解質膜−電極接合体93には、アノード63aおよびカソード63bを、電解質膜10に積層した状態で、120℃、10kgf/cmで熱圧着することで、アノード63aおよびカソード63bを電解質膜10に接合させたものを用いる。 The anode 63 a and the cathode 63 b are attached to the electrolyte membrane 10 by thermocompression bonding at 120 ° C. and 10 kgf / cm 2 with the anode 63 a and the cathode 63 b laminated on the electrolyte membrane 10 in the electrolyte membrane-electrode assembly 93. Use the bonded one.

燃料電池103は、アノード63aに供給される燃料ガスと、カソード63bに供給される酸化剤ガスとの反応により発電を行う。燃料ガスには水素ガスを、酸化剤ガスには空気を用いる。   The fuel cell 103 generates electric power by the reaction between the fuel gas supplied to the anode 63a and the oxidant gas supplied to the cathode 63b. Hydrogen gas is used as the fuel gas, and air is used as the oxidant gas.

以上のように、実施の形態4の燃料電池用触媒インク903は、金属触媒粒子400が担体粒子300に担持された電極触媒500と、酸性のイオン交換基を有するアイオノマー803と、で構成された燃料電池用触媒インク903であって、金属触媒粒子400と担体粒子300の表面はアイオノマー803(アイオノマー603とアイオノマー703)で被覆され、担体粒子300から露出した金属触媒粒子400の露出表面に近接する領域に位置し、金属触媒粒子400の露出表面に接触して金属触媒粒子400の露出表面を覆うアイオノマー603のイオン交換基の濃度が、アイオノマー603の外側(アイオノマー603よりも金属触媒粒子400の露出表面から離れた領域)に位置し、金属触媒粒
子400の露出表面に接触せずに金属触媒粒子400の露出表面との間にアイオノマー603を介在させて金属触媒粒子400の露出表面と担体粒子300の表面における金属触媒粒子400に近接する領域を覆うアイオノマー703のイオン交換基の濃度よりも低いことを特徴とする。
As described above, the fuel cell catalyst ink 903 of the fourth embodiment is composed of the electrode catalyst 500 in which the metal catalyst particles 400 are supported on the carrier particles 300, and the ionomer 803 having an acidic ion exchange group. A catalyst ink 903 for a fuel cell, in which the surfaces of the metal catalyst particles 400 and the carrier particles 300 are coated with an ionomer 803 (ionomer 603 and ionomer 703) and close to the exposed surface of the metal catalyst particles 400 exposed from the carrier particles 300. The ion exchange group concentration of the ionomer 603 located in the area and in contact with the exposed surface of the metal catalyst particle 400 covers the exposed surface of the metal catalyst particle 400 is higher than that of the ionomer 603 (the metal catalyst particle 400 is exposed than the ionomer 603). Located in an area away from the surface, without contacting the exposed surface of the metal catalyst particles 400 From the concentration of ion exchange groups of ionomer 703 covering an area adjacent to metal catalyst particle 400 on the exposed surface of metal catalyst particle 400 and the surface of support particle 300 with ionomer 603 interposed between the exposed surface of metal catalyst particle 400 Is also characterized by low.

その結果、燃料電池用触媒インク903の金属触媒粒子400に直接接触する酸性のイオン交換基が少ないため、金属触媒粒子400の組成変化による触媒活性の低下を抑制できる。また、本実施の形態の燃料電池用触媒インク903を用いて燃料電池103を構成することで、燃料電池103の発電効率の低下を抑制することができる。   As a result, since there are few acidic ion exchange groups directly in contact with the metal catalyst particles 400 of the fuel cell catalyst ink 903, it is possible to suppress a decrease in catalyst activity due to a change in the composition of the metal catalyst particles 400. Further, by forming the fuel cell 103 using the fuel cell catalyst ink 903 of the present embodiment, it is possible to suppress a decrease in the power generation efficiency of the fuel cell 103.

更に、燃料電池用触媒インク903の製造方法は、金属触媒粒子400が担体粒子300に担持された電極触媒500と、酸性のイオン交換基を有するアイオノマー703と、塩基23と、溶媒30と、を混合することで、電極触媒500にアイオノマー703を被覆する第1工程と、金属触媒粒子400の露出表面に近接する領域のアイオノマー703からイオン交換基を除去する第2工程と、を有することを特徴とする。   Further, the method for producing the fuel cell catalyst ink 903 comprises: an electrode catalyst 500 in which the metal catalyst particles 400 are supported on the carrier particles 300; an ionomer 703 having an acidic ion exchange group; a base 23; It has a first step of coating the ionomer 703 on the electrode catalyst 500 by mixing, and a second step of removing ion exchange groups from the ionomer 703 in a region close to the exposed surface of the metal catalyst particles 400. I assume.

これにより、アイオノマー703のイオン交換基に塩基23が配位することで、アイオノマー703のイオン交換基の酸性度を低下させることができる。また、金属触媒粒子400の表面に被覆されたアイオノマー703のイオン交換基の濃度を低くすることができる。   Thereby, the acidity of the ion exchange group of the ionomer 703 can be reduced by the base 23 being coordinated to the ion exchange group of the ionomer 703. In addition, the concentration of ion exchange groups of the ionomer 703 coated on the surface of the metal catalyst particles 400 can be lowered.

その結果、酸性のイオン交換基が金属触媒粒子400に直接接触することが低減され、金属触媒粒子400の組成変化による触媒活性の低下が抑制された燃料電池用触媒インク903を製造することができる。   As a result, direct contact of the acidic ion exchange group with the metal catalyst particles 400 can be reduced, and a fuel cell catalyst ink 903 can be manufactured in which the decrease in the catalytic activity due to the composition change of the metal catalyst particles 400 is suppressed. .

また、燃料電池用触媒インク903の製造方法の第1工程を、電極触媒500と、塩基23と、溶媒30と、を先に混合することで、金属触媒粒子400の表面に溶媒30が吸着することで、金属触媒粒子400にアイオノマー703の酸性のイオン交換基が直接接触することが低減され、金属触媒粒子400の組成変化による触媒活性の低下を確実に抑制できる。   In addition, the solvent 30 is adsorbed on the surface of the metal catalyst particles 400 by first mixing the electrode catalyst 500, the base 23, and the solvent 30 in the first step of the method for producing the fuel cell catalyst ink 903. Thus, the direct contact of the acidic ion exchange group of the ionomer 703 with the metal catalyst particles 400 can be reduced, and a decrease in catalyst activity due to a change in the composition of the metal catalyst particles 400 can be reliably suppressed.

また、燃料電池用触媒インク903の製造方法の第2工程を、金属触媒粒子400の表面に近接している領域のアイオノマー703から、求電子置換反応によりイオン交換基を除去する構成とすることで、電子密度が高く、且つ、結合エネルギーが低い分子鎖を有するイオン交換基を選択的に切断できるようになるため、イオン交換基の除去反応の反応サイトの選択性および反応速度を向上させることが可能となり、効率的に燃料電池用触媒インク903を製造することができる。   Further, the second step of the method for producing the fuel cell catalyst ink 903 is configured to remove the ion exchange group from the ionomer 703 in a region close to the surface of the metal catalyst particles 400 by an electrophilic substitution reaction. Since the ion exchange group having a molecular chain with high electron density and low binding energy can be selectively cleaved, the selectivity and reaction rate of the reaction site of the removal reaction of the ion exchange group can be improved. As a result, the fuel cell catalyst ink 903 can be manufactured efficiently.

なお、本実施の形態においては、金属触媒粒子400を白金コバルト合金触媒粒子としたが、これ以外にも、白金、ルテニウム、パラジウム、鉄、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、等の金属およびこれらの合金などを用いることができる。   In the present embodiment, the metal catalyst particle 400 is a platinum-cobalt alloy catalyst particle, but in addition to this, metals such as platinum, ruthenium, palladium, iron, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese and the like and These alloys can be used.

なお、本実施の形態においては、アイオノマー703をパーフルオロスルホン酸としたが、これ以外にも、フッ素化合物にスルホン酸基以外のイオン交換基を導入した含むアイオノマーや、炭化水素にスルホン酸基もしくはスルホン酸基以外のイオン交換基を導入したアイオノマーを用いることもできる。   In this embodiment, although the ionomer 703 is a perfluorosulfonic acid, in addition to this, an ionomer containing an ion exchange group other than a sulfonic acid group in a fluorine compound, a sulfonic acid group in a hydrocarbon or It is also possible to use an ionomer in which an ion exchange group other than a sulfonic acid group is introduced.

なお、本実施の形態においては、塩基23をイミダゾールとしたが、これ以外にも、ピリジン、アニリンなどの塩基性窒素を有する芳香族を用いることもできる。   In the present embodiment, the base 23 is imidazole, but in addition to this, an aromatic having a basic nitrogen such as pyridine or aniline can also be used.

なお、本実施の形態においては、イオン交換基を除去する製造工程に、水素ガスと酸素ガスを用いたが、これ以外にも、過酸化水素を形成できる、酸化物質と還元物質とすることもできる。   Although hydrogen gas and oxygen gas are used in the manufacturing process for removing ion exchange groups in the present embodiment, it is also possible to use an oxide substance and a reduction substance which can form hydrogen peroxide besides this. it can.

なお、本実施の形態においては、イオン交換基を除去する製造工程に、ヒドロキシルラジカルを用いたが、これ以外の求電子種とすることもできる。   In the present embodiment, a hydroxyl radical is used in the manufacturing process for removing the ion exchange group, but other electrophilic species may be used.

(実施の形態5)
図11は、本発明の実施の形態5にかかる燃料電池用触媒インクの概略構成を示す断面図である。図12は、本発明の実施の形態5にかかる燃料電池用触媒インクの製造工程を示すフローチャートである。図13は、本発明の実施の形態5にかかる燃料電池の概略構成を示す断面図である。
Fifth Embodiment
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell catalyst ink according to a fifth embodiment of the present invention. FIG. 12 is a flowchart showing steps of producing a catalyst ink for a fuel cell according to a fifth embodiment of the present invention. FIG. 13 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell according to Embodiment 5 of the present invention.

図11に示すように、燃料電池用触媒インク904は、担体粒子300の表面に金属触媒粒子400が担持された電極触媒500と、アイオノマー804と、塩基24と、溶媒30と、から構成されている。   As shown in FIG. 11, the fuel cell catalyst ink 904 is composed of an electrode catalyst 500 having metal catalyst particles 400 supported on the surface of carrier particles 300, an ionomer 804, a base 24, and a solvent 30. There is.

アイオノマー804は、担体粒子300から露出した金属触媒粒子400の露出表面に近接する領域に位置し、金属触媒粒子400の露出表面に接触して金属触媒粒子400の露出表面を覆うアイオノマー604と、アイオノマー604の外側(アイオノマー604よりも金属触媒粒子400の露出表面から離れた領域)に位置し、金属触媒粒子400の露出表面に接触せずに金属触媒粒子400の露出表面との間にアイオノマー604を介在させて金属触媒粒子400の露出表面と担体粒子300の表面における金属触媒粒子400に近接する領域を覆うアイオノマー704とから構成される。   The ionomer 804 is located in a region close to the exposed surface of the metal catalyst particle 400 exposed from the carrier particle 300 and is in contact with the exposed surface of the metal catalyst particle 400 to cover the exposed surface of the metal catalyst particle 400; Located on the outside of 604 (area farther from the exposed surface of the metal catalyst particle 400 than the ionomer 604), the ionomer 604 is placed between the exposed surface of the metal catalyst particle 400 and not in contact with the exposed surface of the metal catalyst particle 400 It is comprised from the ionomer 704 which intervenes and covers the area | region close to the metal catalyst particle 400 in the exposed surface of the metal catalyst particle 400, and the surface of the support | carrier particle 300. FIG.

アイオノマー604のイオン交換基の濃度は、アイオノマー704のイオン交換基の濃度よりも低い。言い換えると、アイオノマー704のイオン交換基の濃度は、アイオノマー604のイオン交換基の濃度よりも高い。   The concentration of ion exchange groups of ionomer 604 is lower than the concentration of ion exchange groups of ionomer 704. In other words, the concentration of ion exchange groups of ionomer 704 is higher than the concentration of ion exchange groups of ionomer 604.

ここで、本実施の形態における、燃料電池用触媒インク904と、その製造方法、および、燃料電池用触媒インク904を用いた燃料電池104についてより詳細に説明する。   Here, the fuel cell catalyst ink 904, the method for producing the fuel cell catalyst ink 904, and the fuel cell 104 using the fuel cell catalyst ink 904 according to the present embodiment will be described in more detail.

溶媒30は、水とエタノールが質量比で1:1に混合された溶媒とする。塩基24は、イミダゾールとする。担体粒子300は、炭素粒子とし、金属触媒粒子400は、白金コルト合金触媒粒子とする。なお、白金コバルト合金触媒粒子は、炭素粒子に52wt%担持された白金コバルト合金触媒担持炭素とする。   The solvent 30 is a solvent in which water and ethanol are mixed in a mass ratio of 1: 1. Base 24 is imidazole. The carrier particles 300 are carbon particles, and the metal catalyst particles 400 are platinum Colt alloy catalyst particles. The platinum-cobalt alloy catalyst particles are platinum-cobalt alloy catalyst-supporting carbon carried 52 wt% on carbon particles.

アイオノマー704は、パーフルオロスルホン酸とし、イオン交換基は酸性のスルホン酸基とする。また、アイオノマー604は、アイオノマー704のパーフルオロスルホン酸から、イオン交換基の一部を除去したものとする。また、アイオノマー804のイオン交換基の一部には、塩基22が配位した構成とする。また、金属触媒粒子400の表面の一部にも塩基24が吸着した構成とする。   The ionomer 704 is a perfluorosulfonic acid, and the ion exchange group is an acidic sulfonic acid group. In addition, the ionomer 604 is obtained by removing a part of ion exchange groups from the perfluorosulfonic acid of the ionomer 704. The base 22 is coordinated to a part of the ion exchange group of the ionomer 804. Further, the base 24 is also adsorbed to a part of the surface of the metal catalyst particle 400.

アイオノマー704のイオン交換基のモル濃度は、200mol/mとする。アイオノマー604のイオン交換基量のモル濃度は、0.2mol/mとする。アイオノマー804の量は、担体粒子300と同量とする。 The molar concentration of ion exchange groups of the ionomer 704 is 200 mol / m 3 . The molar concentration of the ion exchange group weight of the ionomer 604 is 0.2 mol / m 3 . The amount of ionomer 804 is the same as that of carrier particles 300.

次に、本実施の形態の燃料電池用触媒インク904の製造方法について説明する。   Next, a method of manufacturing the fuel cell catalyst ink 904 of the present embodiment will be described.

図12に示すように、本実施の形態の燃料電池用触媒インク904の製造方法は、S1
4からS54の担体粒子300から露出した金属触媒粒子400の露出表面にアイオノマー704を被覆する第1工程と、S64からS74の金属触媒粒子400の露出表面に近接する領域のアイオノマー704からイオン交換基を除去することで、金属触媒粒子400の露出表面に近接する領域にアイオノマー704に比べて、低いイオン交換基濃度を有するアイオノマー604を形成する第2工程を有する。
As shown in FIG. 12, the method for producing the fuel cell catalyst ink 904 of the present embodiment is S1.
Ion exchange groups from the ionomer 704 in a region close to the exposed surface of the metal catalyst particles 400 from the first step of coating the ionomer 704 on the exposed surfaces of the metal catalyst particles 400 exposed from the carrier particles 300 from 4 to S54. The second step is to form an ionomer 604 having a low ion exchange group concentration in a region close to the exposed surface of the metal catalyst particles 400 as compared to the ionomer 704.

先ず、S14で電極触媒500を白金量で15g、塩基24を58mgと、溶媒30を100mlと、を秤量する。   First, in S14, 15 g of the electrode catalyst 500 in platinum amount, 58 mg of the base 24, and 100 ml of the solvent 30 are weighed.

次に、S24で電極触媒500と、塩基24と、溶媒30と、を分散混合することで、電極触媒500の金属触媒粒子400の表面に塩基24を吸着させた、水素イオン濃度が低い触媒混合溶液を作製する。   Next, in step S24, the base 24 is adsorbed on the surface of the metal catalyst particles 400 of the electrode catalyst 500 by dispersing and mixing the electrode catalyst 500, the base 24, and the solvent 30, and the catalyst mixture has a low hydrogen ion concentration. Make a solution.

次に、S34でアイオノマー704を13g、塩基24を58g、秤量する。次に、S44でアイオノマー704と、塩基24と、を分散混合することで、塩基24がアイオノマー704の酸性のイオン交換基に配位した、水素イオン濃度が低いアイオノマー分散液を作製する。   Next, 13 g of the ionomer 704 and 58 g of the base 24 are weighed in S34. Next, by dispersing and mixing the ionomer 704 and the base 24 in S44, an ionomer dispersion having a low hydrogen ion concentration in which the base 24 is coordinated to the acidic ion exchange group of the ionomer 704 is prepared.

また、塩基24である炭酸アンモニアの添加量は、炭酸アンモニアにより形成されるアンモニウムイオンのモル濃度が、アイオノマー704に含まれるイオン交換基のモル濃度と同等となる添加量を設定する。   Further, the addition amount of ammonia carbonate which is the base 24 is set such that the molar concentration of the ammonium ion formed by the ammonia ammonia is equal to the molar concentration of the ion exchange group contained in the ionomer 704.

次に、S54で、アイオノマー分散液と、触媒混合溶液と、を分散混合させることで、触媒分散液を作製する。   Next, in step S54, the ionomer dispersion and the catalyst mixture solution are dispersed and mixed to prepare a catalyst dispersion.

次に、S64で触媒分散液に酸素ガス4%を含む水素ガスを10L/minのガス流量で10分間供給し、金属触媒粒子400の表面に近接する領域に被覆されたアイオノマー704から、イオン交換基の一部を除去することで、イオン交換基の濃度が0.2mol/mとなるアイオノマー604を作製する。 Next, in S64, hydrogen gas containing 4% of oxygen gas is supplied to the catalyst dispersion at a gas flow rate of 10 L / min for 10 minutes, and ion exchange is performed from the ionomer 704 coated in the area close to the surface of the metal catalyst particles 400. By removing a part of the groups, an ionomer 604 with a concentration of ion exchange groups of 0.2 mol / m 3 is produced.

次に、S64で触媒分散液に窒素ガスを1L/minのガス流量で1分間供給し、触媒分散液から水素を脱気することで、燃料電池用触媒インク904の製造が完了する。   Next, in S64, nitrogen gas is supplied to the catalyst dispersion at a gas flow rate of 1 L / min for 1 minute to degas hydrogen from the catalyst dispersion, thereby completing the manufacture of the fuel cell catalyst ink 904.

次に、S24の触媒混合溶液に含まれる塩基24が金属触媒粒子400の露出表面に吸着し、水素イオン濃度が低下する反応の詳細について説明する。   Next, details of the reaction in which the base 24 contained in the catalyst mixed solution of S24 is adsorbed on the exposed surface of the metal catalyst particles 400 and the hydrogen ion concentration decreases will be described.

塩基24である炭酸アンモニウムと、溶媒30と、電極触媒500と、を混合することで、炭酸アンモニウムの電子密度が高い、窒素の孤立電子対が、不飽和結合が存在する金属触媒粒子400の表面に特異吸着する。   By mixing ammonium carbonate which is the base 24, the solvent 30, and the electrode catalyst 500, the electron density of ammonium carbonate is high, and the lone electron pair of nitrogen has a unsaturated bond on the surface of the metal catalyst particle 400. Adsorb specifically to

また、炭酸アンモニウムは、溶媒30の水と反応することで、水酸化物イオンを形成するため、触媒混合溶液の水酸化物イオンの濃度が上昇することで、水素イオン濃度を低下させることができる。   In addition, ammonium carbonate reacts with water of the solvent 30 to form hydroxide ions, so that the concentration of hydroxide ions in the catalyst mixed solution can be increased to reduce the hydrogen ion concentration. .

また次に、S64のアイオノマー704から、イオン交換基を除去する反応の詳細について説明する。   Next, details of the reaction for removing ion exchange groups from the ionomer S704 of S64 will be described.

まず、金属触媒粒子400の表面で水素と酸素を反応させることで過酸化水素が形成される。次に、形成された過酸化水素が金属触媒粒子400の表面に近接する領域に存在するコバルトイオンと反応することで、求電子置換反応の反応種となる、ヒドロキシルラジ
カルが形成される。このヒドロキシルラジカルは、反応性が非常に高く、また、高い電子密度で、且つ、結合エネルギーが低い分子鎖と反応する特徴を有している。
First, hydrogen and oxygen are reacted on the surface of the metal catalyst particles 400 to form hydrogen peroxide. Next, the formed hydrogen peroxide reacts with cobalt ions present in a region close to the surface of the metal catalyst particles 400 to form hydroxyl radicals which become reactive species of the electrophilic substitution reaction. The hydroxyl radical is very reactive, has a feature of reacting with a molecular chain with high electron density and low binding energy.

アイオノマー704として用いているパーフルオロスルホン酸は、イオン交換基であるスルホン酸基の炭素と硫黄の間の結合および酸素と水素の間の結合ネルギーが低いため、これらの反応サイトにヒドロキシルラジカルが攻撃することで、金属触媒粒子400の表面に近接する領域に被覆されているアイオノマー704のスルホン酸基を切断することが可能となる。   The perfluorosulfonic acid used as the ionomer 704 has a low bond energy between carbon and sulfur and a low bond energy between oxygen and hydrogen of the ion exchange group sulfonic acid group, so hydroxyl radicals attack these reaction sites. By doing so, it becomes possible to cleave the sulfonic acid group of the ionomer 704 coated in the area close to the surface of the metal catalyst particle 400.

次に、本実施の形態の燃料電池用触媒インク904を用いた燃料電池104について説明する。   Next, a fuel cell 104 using the fuel cell catalyst ink 904 of the present embodiment will be described.

図13に示すように、本実施の形態の燃料電池104は、電解質膜−電極接合体94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。   As shown in FIG. 13, in the fuel cell 104 of the present embodiment, an electrolyte membrane-electrode assembly 94, an anode separator 70a, and a cathode separator 70b are stacked.

アノードセパレータ70aの電解質膜−電極接合体94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94に臨む面には、酸化剤ガス流路71bが設けられている。アノードセパレータ70aおよびカソードセパレータ70bは、カーボンセパレータを用いる。   A fuel gas channel 71 a is provided on the surface of the anode separator 70 a facing the electrolyte membrane-electrode assembly 94. Similarly, an oxidant gas channel 71 b is provided on the surface of the cathode separator 70 b facing the electrolyte membrane-electrode assembly 94. The anode separator 70a and the cathode separator 70b use a carbon separator.

電解質膜10と、電解質膜10を挟持するアノード64aとカソード64bを備える。電解質膜10には、パーフルオロスルホン酸膜を用いる。アノード64aは、電極触媒層84と、ガス拡散層40から構成されている。カソード64bは、電極触媒層84と、ガス拡散層40から構成されている。   An electrolyte membrane 10 and an anode 64 a and a cathode 64 b sandwiching the electrolyte membrane 10 are provided. For the electrolyte membrane 10, a perfluorosulfonic acid membrane is used. The anode 64 a is composed of an electrode catalyst layer 84 and a gas diffusion layer 40. The cathode 64 b is composed of an electrode catalyst layer 84 and a gas diffusion layer 40.

電極触媒層84は、燃料電池用触媒インク904をガス拡散層40に白金量で0.1mg/cmになるよう塗布し、60℃で乾燥させることで、作製されたものを用いる。 The electrode catalyst layer 84 is prepared by applying the fuel cell catalyst ink 904 to the gas diffusion layer 40 so that the amount of platinum is 0.1 mg / cm 2 and drying at 60 ° C.

電解質膜−電極接合体94には、アノード64aおよびカソード64bを、電解質膜10に積層した状態で、120℃、10kgf/cmで熱圧着することで、アノード64aおよびカソード64bを電解質膜10に接合させたものを用いる。 The anode 64 a and the cathode 64 b are bonded to the electrolyte membrane 10 by thermocompression bonding at 120 ° C. and 10 kgf / cm 2 with the anode 64 a and the cathode 64 b laminated on the electrolyte membrane 10 in the electrolyte membrane-electrode assembly 94. Use the bonded one.

燃料電池104は、アノード64aに供給される燃料ガスと、カソード64bに供給される酸化剤ガスとの反応により発電を行う。燃料ガスには水素ガスを、酸化剤ガスには空気を用いる。   The fuel cell 104 generates electric power by the reaction of the fuel gas supplied to the anode 64a and the oxidant gas supplied to the cathode 64b. Hydrogen gas is used as the fuel gas, and air is used as the oxidant gas.

以上のように、実施の形態5の燃料電池用触媒インク904は、金属触媒粒子400が担体粒子300に担持された電極触媒500と、酸性のイオン交換基を有するアイオノマー804と、で構成された燃料電池用触媒インク904であって、金属触媒粒子400と担体粒子300の表面はアイオノマー804(アイオノマー604とアイオノマー704)で被覆され、担体粒子300から露出した金属触媒粒子400の露出表面に近接する領域に位置し、金属触媒粒子400の露出表面に接触して金属触媒粒子400の露出表面を覆うアイオノマー604のイオン交換基の濃度が、アイオノマー604の外側(アイオノマー604よりも金属触媒粒子400の露出表面から離れた領域)に位置し、金属触媒粒子400の露出表面に接触せずに金属触媒粒子400の露出表面との間にアイオノマー604を介在させて金属触媒粒子400の露出表面と担体粒子300の表面における金属触媒粒子400に近接する領域を覆うアイオノマー704のイオン交換基の濃度よりも低いことを特徴とする。   As described above, the fuel cell catalyst ink 904 according to Embodiment 5 includes the electrode catalyst 500 in which the metal catalyst particles 400 are supported on the carrier particles 300, and the ionomer 804 having an acidic ion exchange group. A catalyst ink 904 for a fuel cell, in which the surfaces of the metal catalyst particles 400 and the carrier particles 300 are coated with an ionomer 804 (ionomer 604 and ionomer 704) and close to the exposed surface of the metal catalyst particles 400 exposed from the carrier particles 300. The concentration of ion exchange groups of the ionomer 604 located in the area and in contact with the exposed surface of the metal catalyst particle 400 covering the exposed surface of the metal catalyst particle 400 is higher than that of the ionomer 604 (the metal catalyst particle 400 is exposed than the ionomer 604). Located in an area away from the surface, without contacting the exposed surface of the metal catalyst particles 400 Based on the concentration of ion exchange groups of ionomer 704 covering an area adjacent to metal catalyst particle 400 on the exposed surface of metal catalyst particle 400 and the surface of support particle 300 with ionomer 604 interposed between the exposed surface of metal catalyst particle 400 Is also characterized by low.

その結果、燃料電池用触媒インク904の金属触媒粒子400に直接接触する酸性のイ
オン交換基が少ないため、金属触媒粒子400の組成変化による触媒活性の低下を抑制できる。また、本実施の形態の燃料電池用触媒インク904を用いて燃料電池104を構成することで、燃料電池104の発電効率の低下を抑制することができる。
As a result, since there are few acidic ion exchange groups directly in contact with the metal catalyst particles 400 of the fuel cell catalyst ink 904, it is possible to suppress a decrease in catalyst activity due to a change in the composition of the metal catalyst particles 400. Further, by forming the fuel cell 104 using the fuel cell catalyst ink 904 according to the present embodiment, it is possible to suppress a decrease in the power generation efficiency of the fuel cell 104.

更に、燃料電池用触媒インク904の製造方法は、金属触媒粒子400が担体粒子300に担持された電極触媒500と、酸性のイオン交換基を有するアイオノマー704と、塩基24と、溶媒30と、を混合することで、電極触媒500にアイオノマー704を被覆する第1工程と、金属触媒粒子400の露出表面に近接する領域のアイオノマー704からイオン交換基を除去する第2工程と、を有することを特徴とする。   Furthermore, the method for producing the catalyst ink 904 for fuel cell comprises: an electrode catalyst 500 in which the metal catalyst particles 400 are supported on the carrier particles 300; an ionomer 704 having an acidic ion exchange group; a base 24; It is characterized by having a first step of coating the ionomer 704 on the electrode catalyst 500 by mixing, and a second step of removing ion exchange groups from the ionomer 704 in a region close to the exposed surface of the metal catalyst particle 400. I assume.

これにより、アイオノマー704のイオン交換基に塩基24が配位することで、アイオノマー704のイオン交換基の酸性度を低下させることができる。また、金属触媒粒子400の表面に被覆されたアイオノマー704のイオン交換基の濃度を低くすることができる。   Thereby, the acidity of the ion exchange group of the ionomer 704 can be reduced by the base 24 being coordinated to the ion exchange group of the ionomer 704. Also, the concentration of ion exchange groups of the ionomer 704 coated on the surface of the metal catalyst particles 400 can be lowered.

その結果、酸性のイオン交換基が金属触媒粒子400に直接接触することが低減され、金属触媒粒子400の組成変化による触媒活性の低下が抑制された燃料電池用触媒インク904を製造することができる。   As a result, direct contact of the acidic ion exchange group with the metal catalyst particles 400 can be reduced, and a fuel cell catalyst ink 904 can be manufactured in which the decrease in catalyst activity due to the composition change of the metal catalyst particles 400 is suppressed. .

また、燃料電池用触媒インク904の製造方法の第1工程を、アイオノマー704と、塩基24と、溶媒30と、を先に混合することで、アイオノマー704のイオン交換基に塩基24が配位する割合が増加し、金属触媒粒子400にアイオノマー704の酸性のイオン交換基が直接接触することがより低減され、金属触媒粒子400の組成変化による触媒活性の低下をより抑制できる。   Further, by mixing the ionomer 704, the base 24 and the solvent 30 in advance in the first step of the method for producing the fuel cell catalyst ink 904, the base 24 is coordinated to the ion exchange group of the ionomer 704. The ratio is increased, and the direct contact of the acidic ion exchange groups of the ionomer 704 with the metal catalyst particles 400 is further reduced, and the reduction of the catalyst activity due to the composition change of the metal catalyst particles 400 can be further suppressed.

また、塩基24の濃度が、アイオノマー704が有するイオン交換基の濃度よりも高い構成とすることで、アイオノマー704のイオン交換基に塩基24が配位する割合が更に増加し、金属触媒粒子400にアイオノマー704の酸性のイオン交換基が直接接触することが更に低減され、金属触媒粒子400の組成変化による触媒活性低下を更に抑制できる。   In addition, by setting the concentration of the base 24 to be higher than the concentration of the ion exchange group possessed by the ionomer 704, the ratio of coordination of the base 24 to the ion exchange group of the ionomer 704 is further increased. The direct contact of the acidic ion exchange groups of the ionomer 704 is further reduced, and the reduction in catalyst activity due to the change in the composition of the metal catalyst particles 400 can be further suppressed.

また、燃料電池用触媒インク904の製造方法の第1工程を、電極触媒500と、塩基24と、溶媒30と、を先に混合することで、金属触媒粒子400にアイオノマー704の酸性のイオン交換基が直接接触することが低減され、金属触媒粒子400の組成変化による触媒活性の低下を確実に抑制できる。   In addition, the first step of the method for producing the catalyst ink 904 for fuel cell is performed by first mixing the electrode catalyst 500, the base 24 and the solvent 30 to make the metal catalyst particles 400 acidic ion exchange of the ionomer 704. Direct contact of the groups is reduced, and a decrease in catalyst activity due to a change in the composition of the metal catalyst particles 400 can be reliably suppressed.

また、燃料電池用触媒インク904の製造方法の第2工程を、金属触媒粒子400の表面に近接している領域のアイオノマー704から、求電子置換反応によりイオン交換基を除去する構成とすることにより、電子密度が高く、且つ、結合エネルギーが低い分子鎖を有するイオン交換基を選択的に切断できるようになるため、イオン交換基の除去反応の反応サイトの選択性および反応速度を向上させることが可能となり、効率的に燃料電池用触媒インク904を製造することができる。   Further, the second step of the method for producing the fuel cell catalyst ink 904 is configured to remove the ion exchange group from the ionomer 704 in a region close to the surface of the metal catalyst particles 400 by an electrophilic substitution reaction. Since the ion exchange group having a molecular chain with high electron density and low binding energy can be selectively cleaved, the selectivity and reaction rate of the reaction site of the removal reaction of the ion exchange group can be improved. As a result, the fuel cell catalyst ink 904 can be manufactured efficiently.

なお、本実施の形態においては、金属触媒粒子400を白金コバルト合金触媒粒子としたが、これ以外にも、白金、ルテニウム、パラジウム、鉄、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、等の金属およびこれらの合金などを用いることができる。   In the present embodiment, the metal catalyst particle 400 is a platinum-cobalt alloy catalyst particle, but in addition to this, metals such as platinum, ruthenium, palladium, iron, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese and the like and These alloys can be used.

なお、本実施の形態においては、アイオノマー704をパーフルオロスルホン酸としたが、これ以外にも、フッ素化合物にスルホン酸基以外のイオン交換基を導入した含むアイオノマーや、炭化水素にスルホン酸基もしくはスルホン酸基以外のイオン交換基を導入し
たアイオノマーを用いることもできる。
In this embodiment, although the ionomer 704 is a perfluorosulfonic acid, in addition to this, an ionomer containing an ion exchange group other than a sulfonic acid group in a fluorine compound, a sulfonic acid group in a hydrocarbon or It is also possible to use an ionomer in which an ion exchange group other than a sulfonic acid group is introduced.

なお、本実施の形態においては、塩基24をイミダゾールとしたが、これ以外にも、ピリジン、アニリンなどの塩基性窒素を有する芳香族を用いることもできる。   In the present embodiment, the base 24 is imidazole, but in addition to this, an aromatic having a basic nitrogen such as pyridine or aniline can also be used.

なお、本実施の形態においては、イオン交換基を除去する製造工程に、水素ガスと酸素ガスを用いたが、これ以外にも、過酸化水素を形成できる、酸化物質と還元物質とすることもできる。   Although hydrogen gas and oxygen gas are used in the manufacturing process for removing ion exchange groups in the present embodiment, it is also possible to use an oxide substance and a reduction substance which can form hydrogen peroxide besides this. it can.

なお、本実施の形態においては、イオン交換基を除去する製造工程に、ヒドロキシルラジカルを用いたが、これ以外の求電子種とすることもできる。   In the present embodiment, a hydroxyl radical is used in the manufacturing process for removing the ion exchange group, but other electrophilic species may be used.

以上のように本発明の燃料電池用触媒インクは、金属触媒粒子に直接接触する酸性のイオン交換基が少なく、金属触媒粒子の組成変化による触媒活性の低下が抑制されているので、家庭用燃料電池システム等の固体高分子形燃料電池に最適である。   As described above, the fuel cell catalyst ink of the present invention has a small amount of acidic ion exchange groups in direct contact with the metal catalyst particles, and the decrease in the catalyst activity due to the composition change of the metal catalyst particles is suppressed. It is most suitable for solid polymer fuel cells such as cell systems.

10 電解質膜
22、23、24 塩基
30 溶媒
40 ガス拡散層
61a、62a、63a、64a アノード
61b、62b、63b、64b 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
81、82、83、84 電極触媒層
91、92、93、94 電解質膜−電極接合体
101、102、103、104 燃料電池
300 担体粒子
400 金属触媒粒子
500 電極触媒
600、601、602、603、604 アイオノマー
700、701、702、703、704 アイオノマー
800、801、802、803、804 アイオノマー
900、901、902、903、904 燃料電池用触媒インク
10 electrolyte membrane 22, 23, 24 base 30 solvent 40 gas diffusion layer 61a, 62a, 63a, 64a anode 61b, 62b, 63b, 64b cathode 70a anode separator 70b cathode separator 71a fuel gas flow path 71b oxidant gas flow path 81, 82, 83, 84 Electrode catalyst layer 91, 92, 93, 94 Electrolyte membrane-electrode assembly 101, 102, 103, 104 Fuel cell 300 Carrier particle 400 Metal catalyst particle 500 Electrode catalyst 600, 601, 602, 603, 604 Ionomer 700, 701, 702, 703, 704 Ionomer 800, 801, 802, 803, 804 Ionomer 900, 901, 902, 903, 904 Fuel cell catalyst ink

Claims (7)

金属触媒粒子が担体粒子に担持された電極触媒と、酸性のイオン交換基を有するアイオノマーと、で構成された燃料電池用触媒インクであって、前記金属触媒粒子と前記担体粒子の表面は前記アイオノマーで被覆され、前記金属触媒粒子の表面に近接する領域の前記アイオノマーのイオン交換基の濃度が、前記担体粒子の表面を被覆している領域の前記アイオノマーの前記イオン交換基の濃度よりも低いことを特徴とする燃料電池用触媒インク。 A catalyst ink for a fuel cell, comprising: an electrode catalyst in which metal catalyst particles are supported on carrier particles; and an ionomer having an acidic ion exchange group, wherein the surfaces of the metal catalyst particles and the carrier particles are the ionomers. The concentration of ion exchange groups of the ionomer in the area adjacent to the surface of the metal catalyst particles is lower than the concentration of the ion exchange groups of the ionomer in the area covering the surface of the carrier particles. Catalyst ink for fuel cells characterized by 金属触媒粒子が担体粒子に担持された電極触媒と、酸性のイオン交換基を有するアイオノマーと、塩基と、溶媒と、を混合することで、前記電極触媒に前記アイオノマーを被覆する第1工程と、前記金属触媒粒子の表面に近接する領域の前記アイオノマーから前記イオン交換基を除去する第2工程と、を有することを特徴とする燃料電池用触媒インクの製造方法。 A first step of coating the electrocatalyst with the ionomer by mixing the electrocatalyst in which the metal catalyst particles are supported on the carrier particles, an ionomer having an acidic ion exchange group, a base, and a solvent; A second step of removing the ion exchange group from the ionomer in a region close to the surface of the metal catalyst particles, and a method of producing a fuel cell catalyst ink. 前記第1工程では、前記アイオノマーと、前記塩基と、前記溶媒と、を先に混合してから、前記電極触媒を混ぜることを特徴とする、請求項2に記載の燃料電池用触媒インクの製造方法。 The fuel cell catalyst ink according to claim 2, wherein in the first step, the ionomer, the base, and the solvent are first mixed, and then the electrode catalyst is mixed. Method. 前記塩基の濃度は、前記アイオノマーが有するイオン交換基の濃度よりも高いことを特徴とする、請求項2または3に記載の燃料電池用触媒インクの製造方法。 The method for producing a fuel cell catalyst ink according to claim 2 or 3, wherein the concentration of the base is higher than the concentration of ion exchange groups possessed by the ionomer. 前記第1工程では、前記電極触媒と、前記塩基と、前記溶媒と、を先に混合してから、前記アイオノマーを混ぜることを特徴とする、請求項2に記載の燃料電池用触媒インクの製造方法。 The fuel cell catalyst ink according to claim 2, wherein in the first step, the electrocatalyst, the base, and the solvent are first mixed, and then the ionomer is mixed. Method. 前記第2工程は、前記金属触媒粒子の表面に近接している領域の前記アイオノマーから、求電子置換反応により前記イオン交換基を除去することを特徴とする請求項2から5のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒インクの製造方法。 6. The ion exchange group is removed from the ionomer in a region close to the surface of the metal catalyst particles by an electrophilic substitution reaction in the second step. The manufacturing method of the catalyst ink for fuel cells as described in-. 前記燃料電池用触媒インクに含まれる塩基を除去する第3工程を有することを特徴とする請求項2から6のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒インクの製造方法。 The method for producing a fuel cell catalyst ink according to any one of claims 2 to 6, further comprising a third step of removing a base contained in the fuel cell catalyst ink.
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