JP2019160428A - Catalyst layer, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Catalyst layer, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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Abstract

To provide a catalyst layer, as a catalyst layer constituting a membrane electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell, which is good in drainage and gas diffusion properties and in which cracks are suppressed and a membrane electrode assembly is also suppressed from being bulky.SOLUTION: A catalyst layer of the present invention includes a carbon particle, a catalyst supported on the carbon particle, a polymer electrolyte, and a fibrous material. A first fibrous material is included as the fibrous material, and the fiber length distribution of the first fibrous material satisfies a relationship of σ1<σ2 where σ1 represents a first standard deviation in a region 31 where fiber lengths are longer than a most frequent value, and σ2 represents a second standard deviation in a region 32 where fiber lengths are shorter than the most frequent value, in a histogram having a fiber length as a horizontal axis and a volume as a vertical axis.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池用の触媒層に関する。   The present invention relates to a catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell.

近年、環境問題やエネルギー問題の有効な解決策として、燃料電池が注目を浴びている。燃料電池は、水素などの燃料を酸素などの酸化剤を用いて酸化し、これに伴う化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。
燃料電池は、電解質の種類によって、アルカリ形、リン酸形、固体高分子形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形などに分類される。固体高分子形燃料電池(PEFC)は、低温作動、高出力密度であり、小型化・軽量化が可能であることから、携帯用電源、家庭用電源、車載用動力源としての応用が期待されている。
In recent years, fuel cells have attracted attention as effective solutions for environmental problems and energy problems. A fuel cell oxidizes a fuel such as hydrogen using an oxidant such as oxygen, and converts chemical energy associated therewith into electric energy.
Fuel cells are classified into alkaline, phosphoric acid, solid polymer, molten carbonate, solid oxide, etc., depending on the type of electrolyte. The polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is operated at low temperature, has high output density, and can be reduced in size and weight, so it is expected to be applied as a portable power source, household power source, and in-vehicle power source. ing.

固体高分子形燃料電池(PEFC)は、電解質膜である高分子電解質膜を燃料極(アノード)と空気極(カソード)で挟んだ構造を有し、燃料極側に水素を含む燃料ガス、空気極側に酸素を含む酸化剤ガスを供給することで、下記の電気化学反応により発電する。
アノード:H → 2H+ 2e・・・(1)
カソード:1/2O + 2H + 2e → HO ・・・(2)
A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has a structure in which a polymer electrolyte membrane as an electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode (anode) and an air electrode (cathode), and a fuel gas containing hydrogen on the fuel electrode side, air Electric power is generated by the following electrochemical reaction by supplying an oxidant gas containing oxygen to the pole side.
Anode: H 2 → 2H + + 2e (1)
Cathode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O ··· (2)

アノードおよびカソードは、それぞれ触媒層とガス拡散層の積層構造からなる。アノード側触媒層に供給された燃料ガスは、触媒によりプロトンと電子となる(上記(1)の反応)。プロトンは、アノード側触媒層内の高分子電解質、高分子電解質膜を通り、カソードに移動する。電子は、外部回路を通り、カソードに移動する。カソード側触媒層では、プロトンと電子と外部から供給された酸化剤ガスが反応して水を生成する(上記(2)の反応)。このように、電子が外部回路を通ることにより発電する。
このような固体高分子形燃料電池には、高電流密度域で運転した場合でも、高い出力を実現することが求められている。しかし、高電流密度域での運転では、多くの生成水が発生するため、触媒層やガス拡散層に水が溢れ、ガスの供給が妨げられるフラッディングが生じる。これに起因して、燃料電池の出力が著しく低下する課題がある。
The anode and cathode each have a laminated structure of a catalyst layer and a gas diffusion layer. The fuel gas supplied to the anode side catalyst layer is converted into protons and electrons by the catalyst (reaction (1) above). Protons move to the cathode through the polymer electrolyte and polymer electrolyte membrane in the anode catalyst layer. The electrons travel through the external circuit to the cathode. In the cathode side catalyst layer, protons, electrons, and an oxidant gas supplied from the outside react to generate water (reaction (2) above). In this way, power is generated by electrons passing through an external circuit.
Such a polymer electrolyte fuel cell is required to realize a high output even when operated in a high current density region. However, in the operation in a high current density region, a large amount of generated water is generated, so that water overflows in the catalyst layer and the gas diffusion layer, and flooding that prevents gas supply occurs. Due to this, there is a problem that the output of the fuel cell is significantly reduced.

上記課題を解決するための提案として、特許文献1には、電極(触媒層)を、粒径の分布中心を少なくとも2つ有するカーボン粒子を備えたものとし、粒径の大きな分布中心を有するカーボン粒子により電極の骨体を形成し、粒径の小さな分布中心を有するカーボン粒子に触媒を担持させることが記載されている。
特許文献2では、固体高分子形燃料電池の耐久性を十分に確保しながら、触媒層における電気伝導性及びガス拡散性の両方の向上を実現させるために、触媒層の触媒担持体として、カーボン粒子とカーボン繊維とを混合して用いることが提案されている。
As a proposal for solving the above problem, Patent Document 1 discloses that an electrode (catalyst layer) includes carbon particles having at least two particle size distribution centers and carbon having a large particle size distribution center. It is described that a bone body of an electrode is formed by particles, and a catalyst is supported on carbon particles having a distribution center with a small particle size.
In Patent Document 2, carbon catalyst is used as a catalyst carrier of the catalyst layer in order to realize improvement in both electric conductivity and gas diffusibility in the catalyst layer while sufficiently ensuring the durability of the polymer electrolyte fuel cell. It has been proposed to use a mixture of particles and carbon fibers.

特許第3617237号Japanese Patent No. 3617237 特許第4337406号Japanese Patent No. 4337406

特許文献1の提案では、異なるカーボン材料を含むことにより触媒層内に空孔が生じ、排水性やガス拡散性の向上が期待できる。しかし、カーボン材料が粒子のみの場合、触媒層のクラックが誘発されやすく、それに伴う耐久性の低下が問題となる。
特許文献2の提案では、触媒が担持されたカーボン粒子の他に繊維状カーボンを添加しているため、触媒層のクラックを抑制しながら高い発電効率を実現できると期待できる。しかし、繊維状カーボンを使用すると触媒層の体積が大きくなるため、多数の膜電極接合体を積層(スタック)した際に、燃料電池そのものが巨大化し、車載用を始めとする多くの燃料電池で求められる小型化・軽量化が実現し難いという問題がある。
According to the proposal of Patent Document 1, pores are generated in the catalyst layer by including different carbon materials, and improvement in drainage and gas diffusibility can be expected. However, when the carbon material is only particles, cracks in the catalyst layer are likely to be induced, resulting in a decrease in durability associated therewith.
In the proposal of Patent Document 2, since fibrous carbon is added in addition to the carbon particles carrying the catalyst, it can be expected that high power generation efficiency can be realized while suppressing cracks in the catalyst layer. However, when fibrous carbon is used, the volume of the catalyst layer increases, so when many membrane electrode assemblies are stacked, the fuel cell itself becomes enormous, and in many fuel cells including in-vehicle use There is a problem that it is difficult to achieve the required reduction in size and weight.

本発明の課題は、固体高分子形燃料電池の膜電極接合体を構成する触媒層として、排水性やガス拡散性が良好で、クラックが抑制され、膜電極接合体が嵩張ることも抑制された触媒層を提供することである。   The problem of the present invention is that the catalyst layer constituting the membrane electrode assembly of the polymer electrolyte fuel cell has good drainage and gas diffusibility, cracks are suppressed, and the membrane electrode assembly is also prevented from being bulky. It is to provide a catalyst layer.

上記課題を解決するために、本発明の第一態様は、固体高分子形燃料電池の膜電極接合体を構成し、炭素粒子、炭素粒子に担持された触媒、高分子電解質、および繊維状物質を含む触媒層であって、下記の構成(1)を有することを特徴とする。
(1)繊維状物質として第一の繊維状物質を含む。第一の繊維状物質の繊維長分布は、横軸を繊維長、縦軸を体積としたヒストグラムで、繊維長が最頻値よりも長い領域での第一標準偏差σ1と、繊維長が最頻値よりも短い領域における第二標準偏差σ2と、の関係が、σ1<σ2を満たす。
In order to solve the above-mentioned problems, a first aspect of the present invention comprises a membrane electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell, comprising carbon particles, a catalyst supported on the carbon particles, a polymer electrolyte, and a fibrous substance And a catalyst layer having the following configuration (1).
(1) The first fibrous material is included as the fibrous material. The fiber length distribution of the first fibrous material is a histogram in which the horizontal axis is the fiber length and the vertical axis is the volume. The first standard deviation σ1 in the region where the fiber length is longer than the mode value and the fiber length is the maximum. The relationship with the second standard deviation σ2 in the region shorter than the frequent value satisfies σ1 <σ2.

本発明の第二態様は、固体高分子形燃料電池の膜電極接合体を構成し、炭素粒子、炭素粒子に担持された触媒、高分子電解質、および繊維状物質を含む触媒層であって、上記構成(1)と、下記の構成(2)(3)を有することを特徴とする。
(2)繊維状物質として第二の繊維状物質をさらに含む。第二の繊維状物質の繊維長分布は、横軸を繊維長、縦軸を体積としたヒストグラムで、繊維長が最頻値よりも長い領域での第三標準偏差σ3と、繊維長が最頻値よりも短い領域における第四標準偏差σ4と、の関係が、σ3<σ4を満たす。第二の繊維状物質の繊維長の最頻値は、第一の繊維状物質の繊維長の最頻値より短い領域に存在する。
(3)第一の繊維状物質の体積は、第一の繊維状物質と第二の繊維状物質との合計体積の60%以上を占める。
A second aspect of the present invention is a catalyst layer comprising a membrane electrode assembly of a solid polymer fuel cell, comprising carbon particles, a catalyst supported on the carbon particles, a polymer electrolyte, and a fibrous material, It has the above configuration (1) and the following configurations (2) and (3).
(2) A second fibrous material is further included as the fibrous material. The fiber length distribution of the second fibrous substance is a histogram in which the horizontal axis is the fiber length and the vertical axis is the volume, and the third standard deviation σ3 in the region where the fiber length is longer than the mode value and the fiber length is the maximum. The relationship with the fourth standard deviation σ4 in the region shorter than the frequent value satisfies σ3 <σ4. The mode value of the fiber length of the second fibrous substance exists in a region shorter than the mode value of the fiber length of the first fibrous substance.
(3) The volume of the first fibrous substance occupies 60% or more of the total volume of the first fibrous substance and the second fibrous substance.

本発明の態様の触媒層は、排水性やガス拡散性が良好で、クラックが抑制され、膜電極接合体が嵩張ることも抑制された触媒層となり、これを備えた固体高分子形燃料電池によれば、高電流密度域での運転においても高い出力を実現することが期待できる。   The catalyst layer of the embodiment of the present invention has a good drainage property and gas diffusibility, is a catalyst layer in which cracks are suppressed, and the membrane electrode assembly is also suppressed from being bulky. Therefore, it can be expected that a high output is realized even in an operation in a high current density region.

本発明の一実施形態である固体高分子形燃料電池を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the polymer electrolyte fuel cell which is one Embodiment of this invention. 図1の固体高分子形燃料電池を構成する単位セルを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the unit cell which comprises the polymer electrolyte fuel cell of FIG. 図2の単位セルを構成する触媒層の構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the catalyst layer which comprises the unit cell of FIG. 第一例の触媒層に含まれる炭素繊維の繊維長分布を示すグラフである。It is a graph which shows fiber length distribution of the carbon fiber contained in the catalyst layer of a 1st example. 第二例の触媒層に含まれる炭素繊維の繊維長分布を示すグラフである。It is a graph which shows fiber length distribution of the carbon fiber contained in the catalyst layer of a 2nd example. 実施例で得られた結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result obtained in the Example.

以下、本発明の実施の形態(以下、「実施形態」と称する。)について説明する。なお、本発明は、以下に記載する各実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれる。   Embodiments of the present invention (hereinafter referred to as “embodiments”) will be described below. The present invention is not limited to the embodiments described below, and modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art, and such modifications have been added. Embodiments are also included in the scope of the present invention.

図1に示すように、実施形態の固体高分子形燃料電池11は、膜電極接合体12を備えている。膜電極接合体12は、高分子電解質膜1、アノード触媒層2、カソード触媒層3、および枠状のガスケット4からなる。高分子電解質膜1の両面に、それぞれアノード触媒層2及びカソード触媒層3が配置され、アノード触媒層2及びカソード触媒層3の外周に、ガスケット4が配置されている。
また、固体高分子形燃料電池11は、一対のガス拡散層5と一対のセパレータ10を備えている。各ガス拡散層5は、アノード触媒層2及びカソード触媒層3と対向して配置されている。
As shown in FIG. 1, the polymer electrolyte fuel cell 11 of the embodiment includes a membrane electrode assembly 12. The membrane electrode assembly 12 includes a polymer electrolyte membrane 1, an anode catalyst layer 2, a cathode catalyst layer 3, and a frame-shaped gasket 4. An anode catalyst layer 2 and a cathode catalyst layer 3 are respectively disposed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1, and a gasket 4 is disposed on the outer periphery of the anode catalyst layer 2 and the cathode catalyst layer 3.
The polymer electrolyte fuel cell 11 includes a pair of gas diffusion layers 5 and a pair of separators 10. Each gas diffusion layer 5 is disposed to face the anode catalyst layer 2 and the cathode catalyst layer 3.

セパレータ10は、導電性を有し、かつ不透過性の材料よりなる。セパレータ10の一方の面にはガス流通用のガス流路8が形成され、他方の面(ガス流路8が形成された面の反対面)には、冷却水流通用の冷却水流路9が形成されている。一対のセパレータ10は、各ガス拡散層5を介して、膜電極接合体12を挟持するよう配置されている。
アノード触媒層2側のセパレータ10のガス流路8からは燃料ガスが供給される。燃料ガスとしては、例えば水素ガスが挙げられる。カソード触媒層3側のセパレータ10のガス流路8からは、酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガスとしては、例えば空気などの酸素を含むガスが供給される。
The separator 10 is made of a material that is conductive and impermeable. A gas flow path 8 for gas flow is formed on one side of the separator 10, and a cooling water flow path 9 for flow of cooling water is formed on the other side (the surface opposite to the surface where the gas flow path 8 is formed). Has been. The pair of separators 10 are arranged so as to sandwich the membrane electrode assembly 12 via the gas diffusion layers 5.
Fuel gas is supplied from the gas flow path 8 of the separator 10 on the anode catalyst layer 2 side. An example of the fuel gas is hydrogen gas. Oxidant gas is supplied from the gas flow path 8 of the separator 10 on the cathode catalyst layer 3 side. As the oxidant gas, for example, a gas containing oxygen such as air is supplied.

固体高分子形燃料電池11は、1組のセパレータ10に、高分子電解質膜1と、アノード触媒層2と、カソード触媒層3と、ガスケット4と、ガス拡散層5とが挟持された、いわゆる単セル構造の固体高分子型燃料電池である。しかし、セパレータ10を介して複数のセル(図2に示す単位セル13)を直列に積層したスタック構造を採用することも出来る。   The polymer electrolyte fuel cell 11 is a so-called solid electrolyte fuel cell in which a polymer electrolyte membrane 1, an anode catalyst layer 2, a cathode catalyst layer 3, a gasket 4 and a gas diffusion layer 5 are sandwiched between a pair of separators 10. This is a polymer electrolyte fuel cell having a single cell structure. However, it is also possible to employ a stack structure in which a plurality of cells (unit cells 13 shown in FIG. 2) are stacked in series via the separator 10.

図2に示すように、単位セル13は、膜電極接合体を構成する高分子電解質膜1、アノード触媒層2、およびカソード触媒層3と、アノード触媒層2の表面(高分子電解質膜1とは反対側の面)201およびカソード触媒層3の表面301に配置された一対のガス拡散層5と、枠状のガスケット4とからなる。ガス拡散層5もガスケット4内に配置されている。
図3に示すように、アノード触媒層2及びカソード触媒層3は、触媒21、炭素粒子22、高分子電解質23、及び炭素繊維(繊維状物質)24からなる。以下では炭素繊維24が図4の繊維長分布を有する場合(第一例)と、図5の繊維長分布を有する場合(第二例)について説明する。
As shown in FIG. 2, the unit cell 13 includes a polymer electrolyte membrane 1, an anode catalyst layer 2, a cathode catalyst layer 3 and a surface of the anode catalyst layer 2 (polymer electrolyte membrane 1 and Is a pair of gas diffusion layers 5 disposed on the surface 301 of the cathode catalyst layer 3 and the surface 301 of the cathode catalyst layer 3, and a frame-like gasket 4. A gas diffusion layer 5 is also disposed in the gasket 4.
As shown in FIG. 3, the anode catalyst layer 2 and the cathode catalyst layer 3 include a catalyst 21, carbon particles 22, a polymer electrolyte 23, and carbon fibers (fibrous substances) 24. Hereinafter, the case where the carbon fiber 24 has the fiber length distribution of FIG. 4 (first example) and the case of the carbon fiber 24 having the fiber length distribution of FIG. 5 (second example) will be described.

第一例では、炭素繊維24が、図4に示すように、横軸を繊維長、縦軸を体積としたヒストグラムで、繊維長が最頻値(15μm)よりも長い領域31での第一標準偏差σ1と、繊維長が最頻値よりも短い領域32における第二標準偏差σ2と、の関係が、σ1<σ2を満たしている。破線33で示す最頻値(15μm)は、破線34で示す平均値より大きな値となっている。第一例の炭素繊維24は第一の繊維状物質に相当する。なお、図4では最頻値が15μmの場合を例示しているが、第一標準偏差σ1と第二標準偏差σ2との関係がσ1<σ2を満たしていればよく、最頻値は15μmに限定されない。   In the first example, as shown in FIG. 4, the carbon fiber 24 is a histogram in which the horizontal axis is the fiber length and the vertical axis is the volume, and the first in the region 31 where the fiber length is longer than the mode value (15 μm). The relationship between the standard deviation σ1 and the second standard deviation σ2 in the region 32 where the fiber length is shorter than the mode value satisfies σ1 <σ2. The mode value (15 μm) indicated by the broken line 33 is larger than the average value indicated by the broken line 34. The carbon fiber 24 in the first example corresponds to the first fibrous material. FIG. 4 illustrates the case where the mode value is 15 μm, but it is sufficient that the relationship between the first standard deviation σ1 and the second standard deviation σ2 satisfies σ1 <σ2, and the mode value is 15 μm. It is not limited.

このヒストグラムにおいて、繊維長分布は非対称分布となるが、最頻値を境に大きい側と小さい側をそれぞれ異なる正規分布(ガウス分布)に近似することで、第一標準偏差及び第二標準偏差を算出できる。
これにより、触媒層内に含有する炭素繊維24の繊維長分布がσ1<σ2を満たさないものと比較して、固体高分子形燃料電池の出力を向上させることが出来、且つ触媒層の厚みも薄くすることができる。
In this histogram, the fiber length distribution is an asymmetric distribution, but the first standard deviation and the second standard deviation are obtained by approximating the large side and the small side with different normal distributions (Gaussian distributions) with the mode value as the boundary. It can be calculated.
Thereby, the output of the polymer electrolyte fuel cell can be improved as compared with the case where the fiber length distribution of the carbon fiber 24 contained in the catalyst layer does not satisfy σ1 <σ2, and the thickness of the catalyst layer is also increased. Can be thinned.

第二例では、炭素繊維24が、繊維長分布の異なる第一の炭素繊維および第二の炭素繊維からなり、第一の炭素繊維(図4の繊維長分布を有する炭素繊維)の体積割合が、炭素繊維全体の体積に対して60%以上である。図5に示すように、第二の炭素繊維は、横軸を繊維長、縦軸を体積としたヒストグラムで、繊維長が最頻値よりも長い領域41での第三標準偏差σ3と、繊維長が最頻値よりも短い領域42における第四標準偏差σ4と、の関係が、σ3<σ4を満たしている。また、第二の炭素繊維の最頻値は10μmであり、第一の炭素繊維の最頻値(15μm)よりも短い領域に存在する。なお、図5では第一の炭素繊維の最頻値が15μm、第二の炭素繊維の最頻値が10μmの場合を例示しているが、これは一例であり、上記関係を満たせばよい。   In the second example, the carbon fiber 24 includes a first carbon fiber and a second carbon fiber having different fiber length distributions, and the volume ratio of the first carbon fiber (the carbon fiber having the fiber length distribution of FIG. 4) is , 60% or more based on the total volume of the carbon fiber. As shown in FIG. 5, the second carbon fiber is a histogram in which the horizontal axis is the fiber length and the vertical axis is the volume, and the third standard deviation σ3 in the region 41 where the fiber length is longer than the mode value, and the fiber The relationship with the fourth standard deviation σ4 in the region 42 whose length is shorter than the mode value satisfies σ3 <σ4. Further, the mode value of the second carbon fiber is 10 μm and exists in a region shorter than the mode value (15 μm) of the first carbon fiber. In addition, although FIG. 5 illustrates the case where the mode value of the first carbon fiber is 15 μm and the mode value of the second carbon fiber is 10 μm, this is an example, and the above relationship may be satisfied.

第二の例では、固体高分子形燃料電池の高い発電性能を維持しながら、第一の例よりも触媒層の厚みを薄くすることができる。
ここでいう炭素繊維の体積とは、炭素繊維の直径と長さから算出されるものであって、例えば直径が等しく長さが2倍の炭素繊維を考える場合には、その体積は2倍とする。また、例えば直径が等しく長さが3:2となる二種類の炭素繊維を同数混在させた場合、その体積比は60:40となる。
繊維長分布の異なる炭素繊維を複数混在させてもよい。繊維長分布の異なる複数の炭素繊維を混在させることにより、繊維長に対する度数分布を描いた際に、複数の極大値を有する多峰性ヒストグラムとなることが多い。
In the second example, the thickness of the catalyst layer can be made thinner than in the first example while maintaining the high power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell.
The volume of the carbon fiber here is calculated from the diameter and length of the carbon fiber. For example, when considering a carbon fiber having the same diameter and twice the length, the volume is twice. To do. For example, when the same number of two types of carbon fibers having the same diameter and a length of 3: 2 are mixed, the volume ratio is 60:40.
A plurality of carbon fibers having different fiber length distributions may be mixed. By mixing a plurality of carbon fibers having different fiber length distributions, a multimodal histogram having a plurality of maximum values is often obtained when a frequency distribution with respect to the fiber length is drawn.

ただし、混合させる前の炭素繊維の繊維分布によっては、混在させた際に多峰性ヒストグラムとならない場合もあり、そのヒストグラムが単峰性であっても多峰性であっても、上記炭素繊維の体積割合の範囲内であれば有用性を発揮することが出来る。
ここでいう多峰性とは、ある系において、各区間に該当する頻度もしくは存在確率をプロットしたとき、複数の極大値を持つことを指す。また単峰性とは、単一の極大値を持つことを指す。
第二例の炭素繊維は、繊維長分布の最頻値が10μmの第二の炭素繊維と繊維長分布の最頻値が15μmの第一の炭素繊維を混合したものである。図5に示すように、各炭素繊維の繊維長分布は非対称分布となるが、最頻値を境に大きい側と小さい側をそれぞれ異なる正規分布(ガウス分布)に近似できる。
However, depending on the fiber distribution of the carbon fibers before mixing, there may not be a multimodal histogram when mixed, and the carbon fiber may be monomodal or multimodal, even if the histogram is unimodal or multimodal. As long as the volume ratio is within the range, the usefulness can be exhibited.
The term “multimodality” as used herein refers to having a plurality of maximum values when a frequency or existence probability corresponding to each section is plotted in a certain system. Unimodality means having a single maximum value.
The carbon fiber of the second example is a mixture of a second carbon fiber having a fiber length distribution mode value of 10 μm and a first carbon fiber having a fiber length distribution mode value of 15 μm. As shown in FIG. 5, the fiber length distribution of each carbon fiber is an asymmetric distribution, but the large side and the small side can be approximated to different normal distributions (Gaussian distributions) with the mode value as a boundary.

各炭素繊維の頻度を実線で、混合した炭素繊維の各繊維長における体積を破線で示した。一定区間の体積値を積分することにより、体積比を算出することが出来る。
炭素繊維の繊維長は、レーザー回折式粒度分布測定装置を用いて実測することが出来る。繊維長を正確に測定・算出できるのであれば、湿式測定であっても良いし乾式測定であっても良い。
粉砕ビーズ等を用いて炭素繊維を粉砕する方法や、フィルター等を用いて炭素繊維を篩い分けすることにより、繊維長分布・存在確率を変動させることも出来る。篩い分けをした場合であっても、上記炭素繊維の体積割合の範囲内であれば有用性を発揮することが出来る。
The frequency of each carbon fiber is indicated by a solid line, and the volume of each mixed carbon fiber at each fiber length is indicated by a broken line. The volume ratio can be calculated by integrating the volume value of a certain section.
The fiber length of the carbon fiber can be measured using a laser diffraction particle size distribution measuring device. As long as the fiber length can be measured and calculated accurately, wet measurement or dry measurement may be used.
The fiber length distribution and existence probability can be changed by pulverizing carbon fibers using pulverized beads or by sieving the carbon fibers using a filter or the like. Even when sieving, the usefulness can be exhibited as long as the volume ratio of the carbon fiber is within the above range.

触媒層に含まれる炭素繊維の繊維長は例えば0.1〜200μm、好ましくは0.5〜100μm、更に好ましくは1〜50μm程度である。上記範囲にすることにより、触媒層の強度を高めることができ、形成時にクラックが生じることを抑制できる。また、触媒層内の空孔を長大化させることができ、高出力化が可能になる。
上述したように、固体高分子形燃料電池では燃料ガス及び酸化剤ガスが持続的に供給されるため、ガスを触媒層の深奥部まで充分に侵入させることにより反応点を増やすことが出来る。
The fiber length of the carbon fiber contained in the catalyst layer is, for example, about 0.1 to 200 μm, preferably about 0.5 to 100 μm, and more preferably about 1 to 50 μm. By setting it as the said range, the intensity | strength of a catalyst layer can be raised and it can suppress that a crack arises at the time of formation. Further, the pores in the catalyst layer can be lengthened, and high output can be achieved.
As described above, in the polymer electrolyte fuel cell, since the fuel gas and the oxidant gas are continuously supplied, the reaction point can be increased by allowing the gas to sufficiently penetrate deep into the catalyst layer.

炭素繊維を含まない触媒層と比較して、炭素繊維を含む触媒層は多数の空孔を有し、特に触媒層内を貫通する長い空孔を有することから、触媒層内のガス流動性が確保され、その結果として出力が向上する。
同様に、膜電極接合体内に発生した水が充分に排出されず、発電効率が低下するフラッディング(水詰まり)に関しても、触媒層に含まれる炭素繊維が寄与する。
炭素繊維を含まない触媒層と比較して、炭素繊維を含む触媒層は多数の空孔を有し、特に触媒層内を貫通する長い空孔を有することから、触媒層内の排水性が確保され、高分子形燃料電池の効率低下を抑制できる。
Compared with a catalyst layer not containing carbon fibers, a catalyst layer containing carbon fibers has a large number of pores, and in particular, has long pores penetrating through the catalyst layer. As a result, the output is improved.
Similarly, the carbon fiber contained in the catalyst layer contributes to flooding (water clogging) in which water generated in the membrane electrode assembly is not sufficiently discharged and power generation efficiency is reduced.
Compared with a catalyst layer that does not contain carbon fiber, the catalyst layer that contains carbon fiber has a large number of pores, especially long pores that penetrate through the catalyst layer, ensuring drainage in the catalyst layer. Therefore, it is possible to suppress a decrease in efficiency of the polymer fuel cell.

触媒、炭素粒子、高分子電解質のみからなる触媒層の場合でも、高分子電解質の比率を小さくする等の手段で空孔を増やすことはできるが、激しいクラックが誘発されて触媒層の形成が困難になるなど、好ましくない。
しかしながら、炭素繊維を用いた場合には触媒層の構造的な強度が増し、触媒層内の空孔が多い場合でもクラックを抑制することが可能となる。
炭素繊維を含まない触媒層と比較して、炭素繊維を含む触媒層は体積が大きく、作製した膜電極接合体の厚みが増すことによって、スタックした燃料電池の大型化に直結する。これを抑制するため、繊維長分布の異なる複数の炭素繊維を混在させることにより膜電極接合体の厚みを増減させることが出来、発電性能と膜厚のバランスを調整することが可能となる。
Even in the case of a catalyst layer consisting only of a catalyst, carbon particles, and polymer electrolyte, it is possible to increase the number of pores by means such as reducing the ratio of the polymer electrolyte, but it is difficult to form a catalyst layer because severe cracks are induced. It is not preferable.
However, when carbon fibers are used, the structural strength of the catalyst layer is increased, and cracks can be suppressed even when there are many pores in the catalyst layer.
Compared with a catalyst layer that does not contain carbon fiber, the catalyst layer that contains carbon fiber has a large volume, and the thickness of the produced membrane electrode assembly increases, which directly leads to an increase in the size of the stacked fuel cell. In order to suppress this, the thickness of the membrane electrode assembly can be increased or decreased by mixing a plurality of carbon fibers having different fiber length distributions, and the balance between the power generation performance and the film thickness can be adjusted.

炭素繊維としては、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、導電性高分子ナノファイバー等が例示できる。特に、導電性や分散性の点でカーボンナノファイバー又はカーボンナノチューブが好ましい。
この実施形態では繊維状物質として炭素繊維を用いているが、炭素繊維以外の繊維状物質を用いてもよい。
繊維状物質としては、電子伝導性繊維およびプロトン伝導性繊維が使用できる。繊維状物質の例を以下に示す。これらの繊維のうち一種のみを単独で使用してもよいが、二種以上を併用してもよく、電子伝導性繊維とプロトン伝導性繊維を併せて用いても良い。
Examples of the carbon fiber include carbon fiber, carbon nanotube, carbon nanohorn, and conductive polymer nanofiber. In particular, carbon nanofibers or carbon nanotubes are preferable in terms of conductivity and dispersibility.
In this embodiment, carbon fibers are used as the fibrous material, but fibrous materials other than carbon fibers may be used.
As the fibrous material, an electron conductive fiber and a proton conductive fiber can be used. Examples of fibrous materials are shown below. Of these fibers, only one kind may be used alone, but two or more kinds may be used in combination, and an electron conductive fiber and a proton conductive fiber may be used in combination.

電子伝導性繊維としては、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、導電性高分子ナノファイバー等が例示できる。特に、導電性や分散性の点でカーボンナノファイバーが好ましい。また、触媒能のある電子伝導性繊維を用いることで、貴金属からなる触媒の使用量を低減できるのでより好ましい。
固体高分子形燃料電池の空気極として用いられる場合には、カーボンナノファイバーから作製したカーボンアロイ触媒が例示できる。また、酸素還元電極用の電極活物質を繊維状に加工したものであってもよく、Ta、Nb、Ti、Zrから選択される、少なくとも一つの遷移金属元素を含む物質を使用してもよい。これらの遷移金属元素の炭窒化物の部分酸化物、または、これらの遷移金属元素の導電性酸化物や導電性酸窒化物が例示できる。
Examples of the electron conductive fiber include carbon fiber, carbon nanotube, carbon nanohorn, and conductive polymer nanofiber. In particular, carbon nanofibers are preferable in terms of conductivity and dispersibility. Further, it is more preferable to use an electron conductive fiber having catalytic ability because the amount of the catalyst made of a noble metal can be reduced.
When used as an air electrode of a polymer electrolyte fuel cell, a carbon alloy catalyst prepared from carbon nanofibers can be exemplified. Further, the electrode active material for the oxygen reduction electrode may be processed into a fiber shape, and a material containing at least one transition metal element selected from Ta, Nb, Ti, and Zr may be used. . Examples thereof include partial oxides of carbonitrides of these transition metal elements, or conductive oxides and conductive oxynitrides of these transition metal elements.

プロトン伝導性繊維としては、プロトン伝導性を有する高分子電解質を繊維状に加工したものであればよく、フッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質を用いることができる。フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製Nafion(登録商標)、旭硝子(株)製Flemion(登録商標)、旭化成(株)製Aciplex(登録商標)、ゴア社製Gore Select(登録商標)などを用いることができる。
炭化水素系高分子電解質としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレンなどの電解質を用いることができる。中でも、高分子電解質としてデュポン社製Nafion(登録商標)系材料を好適に用いることができる。炭化水素系高分子電解質としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレンなどの電解質を用いることができる。
The proton conductive fiber is not particularly limited as long as the polymer electrolyte having proton conductivity is processed into a fiber shape, and a fluorine-based polymer electrolyte and a hydrocarbon-based polymer electrolyte can be used. Examples of the fluoropolymer electrolyte include Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., and Gore Select (registered trademark) manufactured by Gore. Etc. can be used.
As the hydrocarbon polymer electrolyte, electrolytes such as sulfonated polyetherketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene can be used. Among these, a Nafion (registered trademark) material manufactured by DuPont can be suitably used as the polymer electrolyte. As the hydrocarbon polymer electrolyte, electrolytes such as sulfonated polyetherketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene can be used.

炭素繊維の繊維径は、例えば0.5〜500nm、好ましくは5〜400nm、更に好ましくは10〜300nm程度である。上記範囲にすることにより、触媒層内の空孔を増加させることができ、高出力化が可能になる。
触媒としては、白金やパラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素の他、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウムなどの金属又はこれらの合金、または酸化物、複酸化物等が使用できる。その中でも、白金や白金合金が好ましい。また、これらの触媒の粒径は、大きすぎると触媒の活性が低下し、小さすぎると触媒の安定性が低下するため、0.5nm〜20nmが好ましい。更に好ましくは、1nm〜5nmが良い。
The fiber diameter of the carbon fiber is, for example, about 0.5 to 500 nm, preferably about 5 to 400 nm, and more preferably about 10 to 300 nm. By setting it within the above range, the number of pores in the catalyst layer can be increased, and high output can be achieved.
Catalysts include platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, osmium, platinum group elements, iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum and other metals or alloys thereof. Alternatively, oxides, double oxides, and the like can be used. Of these, platinum and platinum alloys are preferred. Moreover, since the activity of a catalyst will fall when the particle size of these catalysts is too large, and stability of a catalyst will fall when too small, 0.5 nm-20 nm are preferable. More preferably, 1 nm-5 nm are good.

炭素粒子としては、微粒子状で導電性を有し、触媒におかされないものであれば特に限定は無い。例えば、カーボンブラック(アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック等)、グラファイト、黒鉛、活性炭、フラーレン等が挙げられる。
炭素粒子の粒径は、小さすぎると電子伝導パスが形成されにくくなり、また大きすぎると触媒層が厚くなり抵抗が増加することで、出力特性が低下したりするので、10nm〜1000nm程度が好ましい。更に好ましくは、10nm〜100nmが良い。
高表面積の炭素粒子に触媒を担持することで、高密度で触媒が担持でき、触媒活性を向上させることができる。
The carbon particles are not particularly limited as long as they are in the form of fine particles and have electrical conductivity and are not affected by the catalyst. Examples thereof include carbon black (acetylene black, furnace black, ketjen black, etc.), graphite, graphite, activated carbon, fullerene and the like.
When the particle size of the carbon particles is too small, it is difficult to form an electron conduction path. When the particle size is too large, the catalyst layer becomes thick and the resistance increases, so that the output characteristics are lowered. Therefore, about 10 nm to 1000 nm is preferable. . More preferably, 10 nm-100 nm are good.
By supporting the catalyst on carbon particles having a high surface area, the catalyst can be supported at a high density, and the catalytic activity can be improved.

高分子電解質としては、プロトン伝導性を有する樹脂成分であれば特に限定は無く、なかでもフッ素系高分子電解質若しくは炭化水素系高分子電解質が好適に用いられる。
フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製Nafion(登録商標)等を用いることができる。
炭化水素系高分子電解質としては、例えば、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等の電解質を用いることができる。
高分子電解質としては、触媒層と電解質膜の密着性の観点から、高分子電解質膜と同質の材料を選択することが好ましい。
高分子電解質膜の平均厚みは、例えば1μm〜500μm、好ましくは3μm〜200μm、更に好ましくは5μm〜100μm程度である。
The polymer electrolyte is not particularly limited as long as it is a resin component having proton conductivity, and among them, a fluorine-based polymer electrolyte or a hydrocarbon-based polymer electrolyte is preferably used.
For example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont can be used as the fluorine-based polymer electrolyte.
As the hydrocarbon polymer electrolyte, for example, electrolytes such as sulfonated polyether ketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene can be used.
As the polymer electrolyte, it is preferable to select the same material as the polymer electrolyte membrane from the viewpoint of adhesion between the catalyst layer and the electrolyte membrane.
The average thickness of the polymer electrolyte membrane is, for example, about 1 μm to 500 μm, preferably about 3 μm to 200 μm, and more preferably about 5 μm to 100 μm.

触媒層内に含有する炭素繊維の繊維長が上記の範囲になっていれば、触媒層は単層でも良いし、複層構造でも良い。
触媒層を複層構造にする場合、界面抵抗による極端な発電性能の低下を抑制するため、多くとも四層以下にすることが好ましい。また、各層の厚みは全て同じであっても良いし、各層の厚みが異なっていても良い。
触媒層を複層構造にする場合、各層における触媒、炭素粒子、高分子電解質、炭素繊維、溶媒等の組成は同じであっても良いし、異なっていても良い。
触媒層を複層構造にする場合、各層の境界面は平坦であっても良いし、曲面を含んでいても良い。
If the fiber length of the carbon fiber contained in the catalyst layer is in the above range, the catalyst layer may be a single layer or a multilayer structure.
When the catalyst layer has a multilayer structure, at most four layers or less are preferable in order to suppress an extreme decrease in power generation performance due to interface resistance. Moreover, all the thickness of each layer may be the same, and the thickness of each layer may differ.
When the catalyst layer has a multilayer structure, the composition of the catalyst, carbon particles, polymer electrolyte, carbon fiber, solvent, etc. in each layer may be the same or different.
When the catalyst layer has a multilayer structure, the boundary surface of each layer may be flat or may include a curved surface.

(触媒層の製造方法)
触媒層は、触媒層用スラリーを作製し、転写基材またはガス拡散層に塗工・乾燥することで製造できる。
触媒層用スラリーは、触媒、炭素粒子、高分子電解質、炭素繊維及び溶媒からなる。触媒層用スラリーの溶媒としては、高分子電解質と触媒を溶解または分散できるものであれば特に限定は無い。
(Method for producing catalyst layer)
The catalyst layer can be produced by preparing a slurry for the catalyst layer, and coating and drying the transfer substrate or gas diffusion layer.
The slurry for the catalyst layer includes a catalyst, carbon particles, a polymer electrolyte, carbon fiber, and a solvent. The solvent for the catalyst layer slurry is not particularly limited as long as it can dissolve or disperse the polymer electrolyte and the catalyst.

例えば、水、アルコール類(メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、3−ブタノール、ペンタノール、エチレングリコール、ジアセトンアルコール、1−メトキシ−2−プロパノールなど)、ケトン類(アセトン、メチルエチルケトン、ペンタノン、メチルイソブチルケトン、ジイソブチルケトン等)、エーテル類(ジオキサン、テトラヒドロフラン等)、スルホキシド類(ジメチルスルホキシド等)、アミド類(ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等)等が挙げられ、単独若しくは複数種を組み合わせて使用できる。   For example, water, alcohols (methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, 3-butanol, pentanol, ethylene glycol, diacetone alcohol, 1-methoxy-2-propanol, etc.) , Ketones (acetone, methyl ethyl ketone, pentanone, methyl isobutyl ketone, diisobutyl ketone, etc.), ethers (dioxane, tetrahydrofuran, etc.), sulfoxides (dimethyl sulfoxide, etc.), amides (dimethylformamide, dimethylacetamide, etc.), etc. These can be used singly or in combination.

また、触媒インクに用いられる溶媒は加熱によって除去しやすいものが好ましく、特に沸点が150℃以下のものが好適に用いられる。
触媒層用スラリー中の溶質(導電性粒子、触媒粒子、高分子電解質)の濃度は、例えば、1〜80重量%、好ましくは5〜60重量%、更に好ましくは10〜40重量%程度で用いられる。
触媒層用スラリーに用いられる高分子電解質としては、プロトン伝導性を有する樹脂成分であれば特に限定は無く、なかでもフッ素系高分子電解質若しくは炭化水素系高分子電解質が好適に用いられる。
The solvent used in the catalyst ink is preferably one that can be easily removed by heating, and one having a boiling point of 150 ° C. or less is particularly suitable.
The concentration of the solute (conductive particles, catalyst particles, polymer electrolyte) in the slurry for the catalyst layer is, for example, 1 to 80% by weight, preferably 5 to 60% by weight, more preferably about 10 to 40% by weight. It is done.
The polymer electrolyte used in the catalyst layer slurry is not particularly limited as long as it is a resin component having proton conductivity, and among them, a fluorine polymer electrolyte or a hydrocarbon polymer electrolyte is preferably used.

フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製Nafion(登録商標)等を用いることができる。
炭化水素系高分子電解質としては、例えば、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等の電解質を用いることができる。
触媒層用スラリーは上記の触媒、炭素粒子、高分子電解質、炭素繊維、溶媒を混合し、分散処理を加えることで作製できる。分散方法としては、ボールミル、ビーズミル、ロールミル、剪断ミル、湿式ミル、超音波分散、ホモジナイザー等が挙げられる。
For example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont can be used as the fluorine-based polymer electrolyte.
As the hydrocarbon polymer electrolyte, for example, electrolytes such as sulfonated polyether ketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene can be used.
The slurry for the catalyst layer can be prepared by mixing the catalyst, carbon particles, polymer electrolyte, carbon fiber, and solvent and applying a dispersion treatment. Examples of the dispersion method include ball mill, bead mill, roll mill, shear mill, wet mill, ultrasonic dispersion, and homogenizer.

上記の触媒層用スラリーを基材上に塗布する手法として、慣用的なコーティング法を用いることが出来る。
具体的なコーティング法として、例えば、ロールコーター、エアナイフコーター、ブレードコーター、ロッドコーター、リバースコーター、バーコーター、コンマコーター、ダイコーター、グラビアコーター、スクリーンコーター、スプレー、スピナーなどが挙げられる。
なお、最終的に同様の触媒インクを塗布できるならば、その塗工手段については特に制限は無い。
As a method of applying the catalyst layer slurry onto the substrate, a conventional coating method can be used.
Specific coating methods include, for example, roll coaters, air knife coaters, blade coaters, rod coaters, reverse coaters, bar coaters, comma coaters, die coaters, gravure coaters, screen coaters, sprayers, spinners and the like.
If the same catalyst ink can be finally applied, the coating means is not particularly limited.

上記の触媒層用スラリーを基材上に塗布し、加熱によって触媒インク中の溶媒を揮発させることによって、所望の触媒層を得ることができる。
触媒層用スラリーの乾燥方法としては、温風乾燥、IR乾燥などが挙げられる。乾燥温度は、40〜200℃、好ましくは40〜120℃程度である。乾燥時間は、0.5分〜1時間、好ましくは1分〜30分程度である。
また乾燥工程は、単一の乾燥機構であっても良いし、複数の乾燥機構を組み合わせて使用しても良い。
A desired catalyst layer can be obtained by applying the catalyst layer slurry on a substrate and volatilizing the solvent in the catalyst ink by heating.
Examples of the method for drying the catalyst layer slurry include warm air drying and IR drying. The drying temperature is about 40 to 200 ° C, preferably about 40 to 120 ° C. The drying time is about 0.5 minute to 1 hour, preferably about 1 minute to 30 minutes.
The drying step may be a single drying mechanism or a combination of a plurality of drying mechanisms.

触媒層用スラリーを乾燥することで得られる触媒層の平均厚みは、例えば0.1〜100μm、好ましくは0.5〜50μm、更に好ましくは1〜20μm程度である。
転写基材としては、少なくとも片面に触媒層用スラリーを塗布することができ、加熱によって触媒層を形成でき、形成した触媒層を高分子電解質膜1に転写できるものであれば特に限定は無い。
The average thickness of the catalyst layer obtained by drying the catalyst layer slurry is, for example, about 0.1 to 100 μm, preferably about 0.5 to 50 μm, and more preferably about 1 to 20 μm.
The transfer substrate is not particularly limited as long as the catalyst layer slurry can be applied to at least one surface, the catalyst layer can be formed by heating, and the formed catalyst layer can be transferred to the polymer electrolyte membrane 1.

例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリイミド、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリアミドイミド、ポリアクリレート、ポリエチレンナフタレート、ポリパルバン酸アラミド等の高分子フィルム、若しくはポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体等の耐熱性フッ素樹脂フィルムを用いることができる。   For example, polyethylene terephthalate, polyamide, polyimide, polystyrene, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone, polyetherimide, polybenzimidazole, polyamideimide, polyacrylate, polyethylene naphthalate, polypalvanic acid aramid, etc. Heat resistance of molecular film or polytetrafluoroethylene, polychlorotrifluoroethylene, polyvinylidene fluoride, ethylene tetrafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroperfluoroalkyl vinyl ether copolymer, etc. Fluorine resin film can be used.

また、これらの基材に離型処理したもの、若しくは共押出等により離型層が一体となった複層構造のものを用いても良い。
基材は、シート、フィルム、板、膜、若しくは箔、又はこれらのうち少なくとも1つを粘着、接着、癒着、若しくは貼合したものであっても良い。
基材が複層構造である場合、最表面に位置するフィルムが開口部を有していてもよい。ここでいう開口部とは、断裁や打ち抜き等の手段によりフィルムの一部を取り除いた箇所を指す。
また、開口部の形状によって乾燥後の触媒インク(即ち、電極)の形状を成形してもよい。
Moreover, you may use what carried out the mold release process to these base materials, or the thing of the multilayer structure with which the release layer was integrated by coextrusion etc.
The base material may be a sheet, a film, a plate, a film, a foil, or a material obtained by sticking, adhering, adhering, or bonding at least one of these.
When the substrate has a multilayer structure, the film located on the outermost surface may have an opening. Here, the opening refers to a portion where a part of the film has been removed by means such as cutting or punching.
Further, the shape of the dried catalyst ink (that is, electrode) may be formed depending on the shape of the opening.

(膜電極接合体の製造方法)
膜電極接合体の製造方法としては、転写基材またはガス拡散層に触媒層を形成し、高分子電解質膜に熱圧着で触媒層を形成する方法や、高分子電解質膜に直接触媒層を形成する方法が挙げられる。また、高分子電解質膜に直接触媒層を形成する方法は、高分子電解質膜と触媒層との密着性が高く、触媒層が潰れる恐れがないため、好ましい。
ガスケット4に用いられる部材としては、少なくとも片面に粘着材を塗布若しくは貼合することができ、高分子電解質膜1に貼合で切るものであれば特に限定は無い。
(Method for producing membrane electrode assembly)
As a method of manufacturing a membrane electrode assembly, a catalyst layer is formed on a transfer substrate or a gas diffusion layer, a catalyst layer is formed on a polymer electrolyte membrane by thermocompression bonding, or a catalyst layer is formed directly on a polymer electrolyte membrane. The method of doing is mentioned. Further, the method of directly forming the catalyst layer on the polymer electrolyte membrane is preferable because the adhesion between the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer is high and the catalyst layer is not crushed.
The member used for the gasket 4 is not particularly limited as long as it can apply or bond an adhesive material to at least one surface and cut the polymer electrolyte membrane 1 by bonding.

例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリイミド、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリアミドイミド、ポリアクリレート、ポリエチレンナフタレート、ポリパルバン酸アラミド等の高分子フィルム、若しくはポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体等の耐熱性フッ素樹脂フィルムを用いることができる。   For example, polyethylene terephthalate, polyamide, polyimide, polystyrene, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone, polyetherimide, polybenzimidazole, polyamideimide, polyacrylate, polyethylene naphthalate, polypalvanic acid aramid, etc. Heat resistance of molecular film or polytetrafluoroethylene, polychlorotrifluoroethylene, polyvinylidene fluoride, ethylene tetrafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroperfluoroalkyl vinyl ether copolymer, etc. Fluorine resin film can be used.

また、これらの基材に離型処理したもの、若しくは共押出等により離型層が一体となった複層構造のものを用いても良い。
ガスケット4に用いられる部材は、シート、フィルム、板、膜、若しくは箔、又はこれらのうち少なくとも1つを粘着、接着、癒着、若しくは貼合したものであっても良い。
ガスケット4の平均厚みは、例えば1μm〜500μm、好ましくは3μm〜200μm、更に好ましくは5μm〜100μm程度である。
以上のように作製された膜電極接合体は、触媒層に炭素繊維を含有することに起因して、触媒層内を貫通する空孔の割合が増大し、ガス透過性や排水性を確保したままクラックが抑制されるとともに、繊維長分布が異なる炭素繊維を混在させることで触媒層の厚みを制御できる。よって、この膜電極接合体を用いて製造された単セル若しくは固体高分子形燃料電池は、従来品より高い発電性能を発揮出来る。
Moreover, you may use what carried out the mold release process to these base materials, or the thing of the multilayer structure with which the release layer was integrated by coextrusion etc.
The member used for the gasket 4 may be a sheet, a film, a plate, a membrane, a foil, or a member obtained by sticking, adhering, adhering, or pasting at least one of them.
The average thickness of the gasket 4 is, for example, about 1 μm to 500 μm, preferably about 3 μm to 200 μm, and more preferably about 5 μm to 100 μm.
The membrane electrode assembly produced as described above has increased the proportion of pores penetrating through the catalyst layer due to the carbon fiber contained in the catalyst layer, ensuring gas permeability and drainage. While the crack is suppressed as it is, the thickness of the catalyst layer can be controlled by mixing carbon fibers having different fiber length distributions. Therefore, a single cell or a polymer electrolyte fuel cell manufactured using this membrane electrode assembly can exhibit higher power generation performance than a conventional product.

以下、本発明の実施例および比較例について説明する。
[サンプルNo.1]
白金担持カーボン触媒(TEC10EA50E,田中貴金属工業社製)と、水と、1−プロパノールと、高分子電解質である「ナフィオン(登録商標)分散液」(和光純薬工業社製)と、図4に示す繊維長分布を有する第一の炭素繊維(つまり、最頻値が15μmであって、σ1<σ2を満たす炭素繊維)と、を混合し、遊星型ボールミルで30分間分散処理を行い、触媒インクを調製した。
Examples of the present invention and comparative examples will be described below.
[Sample No.1]
FIG. 4 shows a platinum-supported carbon catalyst (TEC10EA50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.), water, 1-propanol, and a polymer electrolyte “Nafion (registered trademark) dispersion” (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). The first carbon fiber having the fiber length distribution shown (that is, the carbon fiber having a mode value of 15 μm and satisfying σ1 <σ2) is mixed and dispersed for 30 minutes in a planetary ball mill, and the catalyst ink Was prepared.

第一の炭素繊維としては、カーボンナノファイバー(気相成長炭素繊維)である「VGCF(登録商標)−H」(昭和電工社製)であって、上記繊維長分布を有し、繊維径が10nm〜30nmであるものを用いた。
調製した触媒インクを、高分子電解質膜である「ナフィオン211(登録商標)」(Dupont社製)の両表面にスリットダイコーターを用いて塗布し、80℃の温風オーブンに入れて触媒インクのタックがなくなるまで乾燥させ、実施例1の膜電極接合体を得た。
The first carbon fiber is “VGCF (registered trademark) -H” (manufactured by Showa Denko KK), which is a carbon nanofiber (vapor-grown carbon fiber), having the above fiber length distribution, and having a fiber diameter. What was 10 nm-30 nm was used.
The prepared catalyst ink was applied to both surfaces of “Nafion 211 (registered trademark)” (manufactured by Dupont), which is a polymer electrolyte membrane, using a slit die coater, and placed in a warm air oven at 80 ° C. The membrane electrode assembly of Example 1 was obtained by drying until the tack disappeared.

[サンプルNo.2]
白金担持カーボン触媒(TEC10EA50E,田中貴金属工業社製)と、水と、1−プロパノールと、高分子電解質である「ナフィオン(登録商標)分散液」(和光純薬工業社製)と、No.1と同じ第一の炭素繊維と、最頻値が10μmであって、σ3<σ4を満たす第二の炭素繊維とを混合し、遊星型ボールミルで30分間分散処理を行い、触媒インクを調製した。その際に、第一の炭素繊維の添加体積を、第一の炭素繊維および第二の炭素繊維の合計体積の95%とした。
第二の炭素繊維としては、カーボンナノファイバー(気相成長炭素繊維)である「VGCF(登録商標)−H」(昭和電工社製)であって、上記繊維長分布を有し、繊維径が10nm〜30nmであるものを用いた。
これ以外の点はNo.1と同様の手順で、No.2の膜電極接合体を得た。
[Sample No.2]
Platinum-supported carbon catalyst (TEC10EA50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.), water, 1-propanol, polymer electrolyte “Nafion (registered trademark) dispersion” (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), No. 1 The first carbon fiber and the second carbon fiber having a mode value of 10 μm and satisfying σ3 <σ4 were mixed and subjected to a dispersion treatment for 30 minutes with a planetary ball mill to prepare a catalyst ink. At that time, the addition volume of the first carbon fiber was 95% of the total volume of the first carbon fiber and the second carbon fiber.
The second carbon fiber is “VGCF (registered trademark) -H” (manufactured by Showa Denko KK), which is a carbon nanofiber (vapor-grown carbon fiber), having the above fiber length distribution, and having a fiber diameter. What was 10 nm-30 nm was used.
Except for this point, a No. 2 membrane electrode assembly was obtained in the same procedure as No. 1.

[サンプルNo.3]
第一の炭素繊維の添加体積を、第一の炭素繊維および第二の炭素繊維の合計体積の90%とした以外は、No.2と同様の手順でNo.3の膜電極接合体を得た。
[サンプルNo.4]
第一の炭素繊維の添加体積を、第一の炭素繊維および第二の炭素繊維の合計体積の80%とした以外は、No.2と同様の手順でNo.4の膜電極接合体を得た。
[Sample No.3]
A membrane electrode assembly of No. 3 was obtained in the same procedure as No. 2, except that the added volume of the first carbon fiber was 90% of the total volume of the first carbon fiber and the second carbon fiber. It was.
[Sample No.4]
A membrane electrode assembly of No. 4 was obtained in the same procedure as No. 2, except that the addition volume of the first carbon fiber was 80% of the total volume of the first carbon fiber and the second carbon fiber. It was.

[サンプルNo.5]
第一の炭素繊維の添加体積を、第一の炭素繊維および第二の炭素繊維の合計体積の70%とした以外は、No.2と同様の手順でNo.5の膜電極接合体を得た。
[サンプルNo.6]
第一の炭素繊維の添加体積を、第一の炭素繊維および第二の炭素繊維の合計体積の60%とした以外は、No.2と同様の手順でNo.6の膜電極接合体を得た。図5のグラフは、このサンプルの触媒層に含まれる炭素繊維の繊維長分布を示す。
[Sample No.5]
A membrane electrode assembly of No. 5 was obtained in the same procedure as No. 2, except that the addition volume of the first carbon fiber was 70% of the total volume of the first carbon fiber and the second carbon fiber. It was.
[Sample No.6]
A membrane electrode assembly of No. 6 was obtained in the same procedure as No. 2, except that the addition volume of the first carbon fiber was 60% of the total volume of the first carbon fiber and the second carbon fiber. It was. The graph of FIG. 5 shows the fiber length distribution of carbon fibers contained in the catalyst layer of this sample.

[サンプルNo.7]
第一の炭素繊維の添加体積を、第一の炭素繊維および第二の炭素繊維の合計体積の50%とした以外は、No.2と同様の手順でNo.7の膜電極接合体を得た。
[サンプルNo.8]
第一の炭素繊維の添加体積を、第一の炭素繊維および第二の炭素繊維の合計体積の30%とした以外は、No.2と同様の手順でNo.8の膜電極接合体を得た。
[Sample No.7]
A membrane electrode assembly of No. 7 was obtained in the same procedure as No. 2, except that the addition volume of the first carbon fiber was 50% of the total volume of the first carbon fiber and the second carbon fiber. It was.
[Sample No.8]
A membrane electrode assembly of No. 8 was obtained in the same procedure as No. 2, except that the addition volume of the first carbon fiber was 30% of the total volume of the first carbon fiber and the second carbon fiber. It was.

[サンプルNo.9]
第一の炭素繊維(つまり、最頻値が15μmであって、σ1<σ2を満たす炭素繊維)の代わりに第三の炭素繊維(つまり、最頻値が15μmであって、σ1=σ2を満たす炭素繊維)を使用して、触媒インクを調製した以外は、No.1と同様の手順でNo.9の膜電極接合体を得た。
[サンプルNo.10]
炭素繊維を添加しないで触媒インクを調製した以外は、No.1と同様の手順でNo.10の膜電極接合体を得た。
[Sample No.9]
Instead of the first carbon fiber (that is, the carbon fiber that has a mode value of 15 μm and satisfies σ1 <σ2), the third carbon fiber (that is, the mode value is 15 μm and satisfies σ1 = σ2) No. 9 membrane electrode assembly was obtained in the same procedure as No. 1, except that the catalyst ink was prepared using carbon fiber.
[Sample No. 10]
A membrane electrode assembly of No. 10 was obtained in the same procedure as No. 1, except that the catalyst ink was prepared without adding carbon fiber.

各例で調製した各触媒インクは、レーザー回折式粒度分布測定装置を用いて測定し、繊維長の算出を行った。また、ダイコーターでの塗布工程を行った後、ダイコーターから触媒インクを回収し、触媒インクの粒度分布が変化していないことを確認した。
第一および第二の炭素繊維の含有比調整では、繊維長分布の異なる二種の気相成長炭素繊維を混錬しており、それらの繊維長分布の中心(最頻値)は第二の炭素繊維で約10μm、第一の炭素繊維で15μmである。しかし、調液を繰り返す際、各繊維長分布の中心が正確に10μm及び15μmとなるものではなく、それぞれ8.5μm以上11.5μm以下及び13.5μm以上16.5μm以下程度にばらつきが生じるが、同様に体積比の調整を行うものとした。
このようにして得られた各サンプルの膜電極接合体を備えた固体高分子形燃料電池の発電性能と、カソード側の触媒層の厚み(μm)を、以下のようにして測定した。
Each catalyst ink prepared in each example was measured using a laser diffraction particle size distribution measuring device, and the fiber length was calculated. Moreover, after performing the application | coating process with a die coater, catalyst ink was collect | recovered from the die coater and it confirmed that the particle size distribution of the catalyst ink was not changing.
In adjusting the content ratio of the first and second carbon fibers, two types of vapor-grown carbon fibers having different fiber length distributions are kneaded, and the center (mode) of these fiber length distributions is the second. It is about 10 μm for the carbon fiber and 15 μm for the first carbon fiber. However, when the preparation is repeated, the centers of the fiber length distributions are not exactly 10 μm and 15 μm, and there are variations of about 8.5 μm to 11.5 μm and 13.5 μm to 16.5 μm, respectively. Similarly, the volume ratio was adjusted.
The power generation performance and the thickness (μm) of the catalyst layer on the cathode side of the solid polymer fuel cell provided with the membrane electrode assembly of each sample thus obtained were measured as follows.

[発電性能の測定]
ガス拡散層としてカーボンクロスを用い、各膜電極接合体の両面にカーボンクロスを配置し、これらを一対のセパレータで挟持することにより、単セル構造の各固体高分子形燃料電池を得た。そして、燃料電池測定装置(東陽テクニカ社製APMT−02)を用い、各固体高分子形燃料電池のI−V特性を計測した。この際、燃料ガスとして純水素を、酸化剤ガスとして空気を、参照電極に可逆水素電極(RHE)を用い、0.5A/cm2出力時の出力電圧を計測した。測定はN=3で実施し、平均値を算出した。
[Measurement of power generation performance]
Using a carbon cloth as a gas diffusion layer, disposing carbon cloth on both surfaces of each membrane electrode assembly, and sandwiching them with a pair of separators, each solid polymer fuel cell having a single cell structure was obtained. And the IV characteristic of each polymer electrolyte fuel cell was measured using the fuel cell measuring device (APMT-02 by Toyo Technica Co., Ltd.). At this time, pure hydrogen was used as the fuel gas, air was used as the oxidant gas, and a reversible hydrogen electrode (RHE) was used as the reference electrode, and the output voltage at 0.5 A / cm 2 output was measured. The measurement was performed at N = 3, and the average value was calculated.

各平均値を、サンプルNo.10の膜電極接合体(触媒層内に炭素繊維を含まないもの)を用いた固体高分子形燃料電池の出力電圧で除算することにより、サンプルNo.10を100.0とした出力電圧の相対値を算出した。この値を、各例の触媒層に含まれる第一の炭素繊維の比率とともに、表1に示す。
また、各サンプルの触媒層に含まれる炭素繊維中の第一の炭素繊維の比率(含有比)と、発電性能の相対値(性能比)と、の関係を図6のグラフに示す。図6のグラフには、実測値(相対値)の中央値及び誤差範囲が記載してある。
By dividing each average value by the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell using the membrane electrode assembly of sample No. 10 (without the carbon fiber in the catalyst layer), sample No. 10 was 100 The relative value of the output voltage was calculated as 0.0. This value is shown in Table 1 together with the ratio of the first carbon fiber contained in the catalyst layer of each example.
Moreover, the relationship between the ratio (content ratio) of the first carbon fibers in the carbon fibers contained in the catalyst layer of each sample and the relative value (performance ratio) of the power generation performance is shown in the graph of FIG. In the graph of FIG. 6, the median value and the error range of the actual measurement value (relative value) are described.

[触媒層の厚み計測]
触媒層の厚みは、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて触媒層の断面を観察して計測した。具体的には、日立ハイテクノロジー社製FE-SEM S-4800を使用して1000倍で観察し、5カ所の観察点における触媒層の厚みを計測して、その平均値を電極触媒層の厚みとした。この値も表1に示す。
その際、触媒層内に含有される炭素繊維が全て第三の炭素繊維である膜電極接合体を用いた場合(No.9)を基準とし、基準よりも触媒層の厚みが小さかった場合に、膜電極接合体が嵩張ることを抑制できる効果が認められるものと判断した。
[Measurement of catalyst layer thickness]
The thickness of the catalyst layer was measured by observing the cross section of the catalyst layer using a scanning electron microscope (SEM). Specifically, using a FE-SEM S-4800 manufactured by Hitachi High-Technology Co., Ltd., observing at 1000 times, measuring the thickness of the catalyst layer at five observation points, the average value is the thickness of the electrode catalyst layer It was. This value is also shown in Table 1.
At that time, when the membrane electrode assembly in which the carbon fibers contained in the catalyst layer are all third carbon fibers is used (No. 9), the thickness of the catalyst layer is smaller than the standard. Therefore, it was judged that the effect of suppressing the bulkiness of the membrane electrode assembly was observed.

Figure 2019160428
Figure 2019160428

[触媒層の外観の観察]
高分子電解質膜に、各サンプルの触媒インクを塗工・乾燥して触媒層を形成した後に、反射光及び透過光による触媒層の目視検査を行った。
その結果、触媒層内に炭素繊維を含まない膜電極接合体を用いた場合(No.10)には多くのクラックが生じていたが、サンプルNo.1〜9の膜電極接合体は、No.10との比較において、全てクラックが減少していることが確認できた。
[Observation of catalyst layer appearance]
After the catalyst ink of each sample was applied to the polymer electrolyte membrane and dried to form a catalyst layer, the catalyst layer was visually inspected by reflected light and transmitted light.
As a result, when a membrane electrode assembly containing no carbon fiber was used in the catalyst layer (No. 10), many cracks occurred, but the membrane electrode assemblies of Samples Nos. 1 to 9 In comparison with .10, it was confirmed that all cracks were reduced.

以上の結果から、触媒層内に第一の炭素繊維(最頻値が15μmであって、σ1<σ2を満たす炭素繊維)を含む膜電極接合体を用いることで、触媒層内に炭素繊維を含まない膜電極接合体を用いた場合と比較して、固体高分子形燃料電池の発電性能を高くすることができると共に、触媒層にクラックを抑制することができ、触媒層内に第三の炭素繊維(最頻値が15μmであって、σ1=σ2である炭素繊維)を含む膜電極接合体を用いた場合と比較して、膜電極接合体が嵩張ることも抑制できることが分かる。
さらに、触媒層内に繊維長分布が異なる第一の炭素繊維および第二の炭素繊維(最頻値が10μmであって、σ3<σ4を満たす炭素繊維)が混在し、第一の炭素繊維が炭素繊維全体の60体積%以上である膜電極接合体を用いることで、触媒層にクラックを抑制することができるとともに、固体高分子形燃料電池の発電性能を特に高くすることができ、膜電極接合体が嵩張ることを抑制できる効果が高いことが分かる。
From the above results, by using a membrane electrode assembly including a first carbon fiber (a carbon fiber having a mode value of 15 μm and satisfying σ1 <σ2) in the catalyst layer, the carbon fiber is contained in the catalyst layer. Compared to the case of using a membrane electrode assembly that does not contain, the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell can be increased, cracks can be suppressed in the catalyst layer, and the third in the catalyst layer. It can be seen that the membrane electrode assembly can be suppressed from being bulky as compared to the case of using the membrane electrode assembly including carbon fibers (the carbon fiber having the mode value of 15 μm and σ1 = σ2).
Further, the first carbon fiber and the second carbon fiber (mode fibers having a mode value of 10 μm and satisfying σ3 <σ4) having different fiber length distributions are mixed in the catalyst layer, and the first carbon fiber is By using a membrane electrode assembly that is 60% by volume or more of the entire carbon fiber, cracks can be suppressed in the catalyst layer, and the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell can be particularly enhanced. It turns out that the effect which can suppress that a joined body is bulky is high.

本発明によれば、固体高分子形燃料電池の運転において問題となるフラッディング現象を回避するのに必要十分な排水性およびガス拡散性を有し、長期的に高い発電性能を発揮することが可能な電極触媒層、膜電極接合体および固体高分子形燃料電池を提供することができる。
したがって、本発明は、固体高分子形燃料電池を利用した、定置型コジェネレーションシステムや燃料電池自動車等に好適に用いることができるため、産業上の利用価値が大きい。
According to the present invention, it has sufficient drainage and gas diffusibility necessary to avoid flooding, which is a problem in the operation of polymer electrolyte fuel cells, and can exhibit high power generation performance over the long term. An electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell can be provided.
Therefore, since the present invention can be suitably used for a stationary cogeneration system using a solid polymer fuel cell, a fuel cell vehicle, and the like, the industrial utility value is great.

1・・・高分子電解質膜
2・・・アノード触媒層
3・・・カソード触媒層
4・・・ガスケット
5・・・ガス拡散層
8・・・ガス流路
9・・・冷却水流路
10・・・セパレータ
11・・・固体高分子形燃料電池
12・・・膜電極接合体
13・・・単位セル
21・・・触媒
22・・・炭素粒子
23・・・高分子電解質
24・・・炭素繊維
31・・・第一の炭素繊維の繊維長分布で繊維長が最頻値よりも長い領域
32・・・第一の炭素繊維の繊維長分布で繊維長が最頻値よりも短い領域
41・・・第二の炭素繊維の繊維長分布で繊維長が最頻値よりも長い領域
42・・・第二の炭素繊維の繊維長分布で繊維長が最頻値よりも短い領域
201・・・アノード触媒層の表面(高分子電解質膜とは反対側の面)
301・・・カソード触媒層の表面(高分子電解質膜とは反対側の面)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Polymer electrolyte membrane 2 ... Anode catalyst layer 3 ... Cathode catalyst layer 4 ... Gasket 5 ... Gas diffusion layer 8 ... Gas flow path 9 ... Cooling water flow path 10. ..Separator 11 ... Polymer fuel cell 12 ... Membrane electrode assembly 13 ... Unit cell 21 ... Catalyst 22 ... Carbon particle 23 ... Polymer electrolyte 24 ... Carbon Fiber 31... Region where the fiber length is longer than the mode value in the fiber length distribution of the first carbon fiber 32... Region 41 where the fiber length is shorter than the mode value in the fiber length distribution of the first carbon fiber 41 ... A region where the fiber length is longer than the mode value in the fiber length distribution of the second carbon fiber 42 ... A region 201 where the fiber length is shorter than the mode value in the fiber length distribution of the second carbon fiber・ Surface of the anode catalyst layer (surface opposite to the polymer electrolyte membrane)
301 ... surface of the cathode catalyst layer (surface opposite to the polymer electrolyte membrane)

Claims (7)

固体高分子形燃料電池の膜電極接合体を構成する触媒層であって、
炭素粒子、前記炭素粒子に担持された触媒、高分子電解質、および繊維状物質を含み、
前記繊維状物質として第一の繊維状物質を含み、
前記第一の繊維状物質の繊維長分布は、横軸を繊維長、縦軸を体積としたヒストグラムで、繊維長が最頻値よりも長い領域での第一標準偏差σ1と、繊維長が前記最頻値よりも短い領域における第二標準偏差σ2と、の関係が、σ1<σ2を満たす触媒層。
A catalyst layer constituting a membrane electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell,
Including carbon particles, a catalyst supported on the carbon particles, a polymer electrolyte, and a fibrous material,
Including a first fibrous material as the fibrous material;
The fiber length distribution of the first fibrous substance is a histogram in which the horizontal axis is the fiber length and the vertical axis is the volume, and the first standard deviation σ1 in the region where the fiber length is longer than the mode value and the fiber length is A catalyst layer in which the relationship with the second standard deviation σ2 in a region shorter than the mode value satisfies σ1 <σ2.
前記繊維状物質として第二の繊維状物質をさらに含み、
前記第二の繊維状物質の繊維長分布は、横軸を繊維長、縦軸を体積としたヒストグラムで、繊維長が最頻値よりも長い領域での第三標準偏差σ3と、繊維長が前記最頻値よりも短い領域における第四標準偏差σ4と、の関係が、σ3<σ4を満たし、
前記第二の繊維状物質の繊維長の最頻値は、前記第一の繊維状物質の繊維長の最頻値より短い領域に存在し、
前記第一の繊維状物質の体積は、前記第一の繊維状物質と前記第二の繊維状物質との合計体積の60%以上を占める請求項1記載の触媒層。
The fibrous material further includes a second fibrous material,
The fiber length distribution of the second fibrous substance is a histogram in which the horizontal axis is the fiber length and the vertical axis is the volume, and the third standard deviation σ3 in the region where the fiber length is longer than the mode value and the fiber length is The relationship with the fourth standard deviation σ4 in the region shorter than the mode value satisfies σ3 <σ4,
The mode value of the fiber length of the second fibrous substance exists in a region shorter than the mode value of the fiber length of the first fibrous substance,
The catalyst layer according to claim 1, wherein the volume of the first fibrous material occupies 60% or more of the total volume of the first fibrous material and the second fibrous material.
前記第一の繊維状物質の繊維長の最頻値は、13.5μm以上16.5μm以下である請求項1または2記載の触媒層。   The mode of the fiber length of said 1st fibrous substance is 13.5 micrometers or more and 16.5 micrometers or less, The catalyst layer of Claim 1 or 2. 前記第一の繊維状物質は、電子伝導性繊維およびプロトン伝導性繊維の少なくともいずれかである請求項1乃至3のいずれか一項に記載の触媒層。   The catalyst layer according to any one of claims 1 to 3, wherein the first fibrous substance is at least one of an electron conductive fiber and a proton conductive fiber. 前記第一の繊維状物質は電子伝導性繊維であり、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、および遷移金属含有繊維から選択される少なくとも一種である請求項4記載の触媒層。   The catalyst layer according to claim 4, wherein the first fibrous material is an electron conductive fiber and is at least one selected from carbon nanofibers, carbon nanotubes, and transition metal-containing fibers. 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面にそれぞれ配置されたアノード側触媒層およびカソード側触媒層と、を有する膜電極接合体であって、
前記アノード側触媒層および前記カソード側触媒層の少なくともいずれかが、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の触媒層である膜電極接合体。
A membrane electrode assembly comprising a polymer electrolyte membrane, and an anode side catalyst layer and a cathode side catalyst layer respectively disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane,
The membrane electrode assembly in which at least one of the anode side catalyst layer and the cathode side catalyst layer is a catalyst layer according to any one of claims 1 to 5.
請求項6記載の膜電極接合体を備えた固体高分子形燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 6.
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