JP2019186192A - Electrode catalyst layer, membrane-electrode assembly and solid polymer fuel cell - Google Patents

Electrode catalyst layer, membrane-electrode assembly and solid polymer fuel cell Download PDF

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Abstract

To provide an electrode catalyst layer, a membrane-electrode assembly and a solid polymer fuel cell which enable the enhancement of a power generation performance under a high-humidity condition.SOLUTION: The electrode catalyst layer 12 is joined with a solid electrolyte film in a solid polymer fuel cell. The electrode catalyst layer comprises: a catalyst substance 21; conductive carriers 22; a polymer electrolyte 23; and a fibrous substance 24. The polymer electrolyte 23 is a fluorine-based polymer electrolyte. Of cavities contained in the electrode catalyst layer 12, cavities having a diameter of 0.01 μm or more and 1 μm or less are pores. In a distribution of pore volumes to a pore diameter determined according to a mercury intrusion method, which is normalized with the pore volume so that the minimum pore volume is 0 and the maximum pore volume is 1, the pore diameter when the pore volume is maximum is the maximum volume diameter; the distribution has a shoulder peak point in a region where the pore diameter is smaller than the maximum volume diameter and the pore volume is 0.2 or more.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、電極触媒層、膜電極接合体、および、固体高分子形燃料電池に関する。   The present invention relates to an electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池は、水素と酸素との化学反応から電流を生成する。燃料電池は、従来の発電方式と比べて高効率、低環境負荷、かつ、低騒音であって、クリーンなエネルギー源として注目されている。特に、室温付近での使用が可能な固体高分子形燃料電池は、車載用電源や家庭用定置電源などへの適用が有望視されている。   A fuel cell generates an electric current from a chemical reaction between hydrogen and oxygen. Fuel cells are attracting attention as a clean energy source because they have higher efficiency, lower environmental load, and lower noise than conventional power generation systems. In particular, polymer electrolyte fuel cells that can be used near room temperature are expected to be applied to in-vehicle power sources and household stationary power sources.

固体高分子形燃料電池は、一般的に、多数の単セルが積層された構造を有している。単セルは、膜電極接合体が2つのセパレーターによって挟まれた構造である。膜電極接合体は、高分子電解質膜と、燃料ガスを供給する燃料極(アノード)と、酸化剤を供給する酸素極(カソード)とを備える。高分子電解質膜における第1面に燃料極が接合し、第1面とは反対の第2面に酸素極が接合している。セパレーターは、ガス流路および冷却水流路を有している。燃料極および酸素極は、別々に電極触媒層とガス拡散層とを備えている。各電極において、電極触媒層が高分子電解質膜に接している。電極触媒層は、白金系の貴金属などの触媒物質、導電性担体、および、高分子電解質を含んでいる。ガス拡散層は、ガスの通気性と、導電性とを兼ね備えている。   A polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which a large number of single cells are stacked. A single cell has a structure in which a membrane electrode assembly is sandwiched between two separators. The membrane electrode assembly includes a polymer electrolyte membrane, a fuel electrode (anode) for supplying a fuel gas, and an oxygen electrode (cathode) for supplying an oxidant. The fuel electrode is bonded to the first surface of the polymer electrolyte membrane, and the oxygen electrode is bonded to the second surface opposite to the first surface. The separator has a gas channel and a cooling water channel. The fuel electrode and the oxygen electrode are separately provided with an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer. In each electrode, the electrode catalyst layer is in contact with the polymer electrolyte membrane. The electrode catalyst layer includes a catalyst substance such as a platinum-based noble metal, a conductive carrier, and a polymer electrolyte. The gas diffusion layer has both gas permeability and conductivity.

固体高分子形燃料電池は、以下の電気化学反応を経て電流を生成する。まず、燃料極の電極触媒層において、燃料ガスに含まれる水素が触媒物質により酸化されて、プロトンおよび電子が生成される。生成されたプロトンは、電極触媒層内の高分子電解質、および、高分子電解質膜を通り、酸素極の電極触媒層に達する。プロトンと同時に生成された電子は、電極触媒層内の導電性担体、ガス拡散層、セパレーター、および、外部回路を通って酸素極の電極触媒層に達する。酸素極の電極触媒層において、プロトンおよび電子が酸化剤ガスに含まれる酸素と反応して水を生成する。   The polymer electrolyte fuel cell generates an electric current through the following electrochemical reaction. First, in the electrode catalyst layer of the fuel electrode, hydrogen contained in the fuel gas is oxidized by the catalyst material to generate protons and electrons. The generated protons pass through the polymer electrolyte in the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane, and reach the electrode catalyst layer of the oxygen electrode. The electrons generated simultaneously with the protons reach the electrode catalyst layer of the oxygen electrode through the conductive carrier in the electrode catalyst layer, the gas diffusion layer, the separator, and the external circuit. In the electrode catalyst layer of the oxygen electrode, protons and electrons react with oxygen contained in the oxidant gas to generate water.

ガス拡散層は、セパレーターから供給されるガスを拡散して電極触媒層に供給する。電極触媒層の細孔は、ガスや生成水などの複数の物質を輸送する。燃料極の細孔は、酸化還元の反応場である三相界面に燃料ガスを円滑に供給する機能を求められる。酸素極の細孔は、電極触媒層内に酸化剤ガスを円滑に供給する機能を求められる。燃料ガスおよび酸素ガスを円滑に供給するためには、ひいては、燃料電池の発電性能を高めるためには、電極触媒層が細孔間に間隔を設け、これによって、細孔の緻密な分布を抑制することが求められる。細孔の緻密な分布を抑制する構成として、例えば、カーボン粒子またはカーボン繊維を含む電極触媒層が提案されている(例えば、特許文献1、2を参照)。   The gas diffusion layer diffuses the gas supplied from the separator and supplies it to the electrode catalyst layer. The pores of the electrode catalyst layer transport a plurality of substances such as gas and generated water. The pores of the fuel electrode are required to have a function of smoothly supplying fuel gas to the three-phase interface, which is a redox reaction field. The pores of the oxygen electrode are required to have a function of smoothly supplying an oxidant gas into the electrode catalyst layer. In order to smoothly supply the fuel gas and oxygen gas, and in order to improve the power generation performance of the fuel cell, the electrode catalyst layer has a space between the pores, thereby suppressing the fine distribution of the pores. It is required to do. As a configuration for suppressing the fine distribution of pores, for example, an electrode catalyst layer containing carbon particles or carbon fibers has been proposed (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

特開平10−241703号公報JP-A-10-241703 特許第5537178号公報Japanese Patent No. 5537178

特許文献1では、互いに異なる粒径を有するカーボン粒子を組み合わせることで、電極触媒層中における細孔の分布が密になることを抑えている。また、特許文献2では、互いに異なる長さを有するカーボン繊維を組み合わせることで、電極触媒層中における細孔の分布が密になることを抑えている。一方で、カーボン粒子の組み合わせが互いに等しい層であっても、層の組成や層形成の条件などに応じて、細孔の大きさや細孔の分布は互いに異なる。また、カーボン繊維の組み合わせが互いに等しい層であっても、同様に、細孔の大きさや細孔の分布は互いに異なる。燃料電池における発電性能は、細孔の大きさや細孔の分布によって大きく変わるものであるから、結局のところ、カーボン粒子の組み合わせやカーボン繊維の組み合わせを用いる方法では、発電性能を高める観点において、依然として改良の余地がある。   In Patent Document 1, the distribution of pores in the electrode catalyst layer is suppressed from being dense by combining carbon particles having different particle sizes. Moreover, in patent document 2, it is suppressing that the distribution of the pore in an electrode catalyst layer becomes dense by combining the carbon fiber which has mutually different length. On the other hand, even in a layer in which the combination of carbon particles is the same, the size of pores and the distribution of pores differ from each other depending on the composition of the layer, the conditions for forming the layer, and the like. Moreover, even if the carbon fiber combination is the same layer, the pore size and the pore distribution are different from each other. Since the power generation performance in a fuel cell varies greatly depending on the pore size and pore distribution, in the end, the method using a combination of carbon particles and a combination of carbon fibers is still in terms of improving the power generation performance. There is room for improvement.

本発明は、高湿下での発電性能を高めることを可能にした電極触媒層、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を目的とする。   An object of the present invention is to provide an electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell that can improve power generation performance under high humidity.

上記課題を解決するための電極触媒層は、固体高分子形燃料電池において固体電解質膜に接合する電極触媒層であって、触媒物質と、導電性担体と、高分子電解質と、繊維状物質を含み、前記高分子電解質は、フッ素系高分子電解質であり、前記電極触媒層に含まれる空隙のなかで、0.01μm以上1μm以下の直径を有する空隙が細孔であり、水銀圧入法により得られる細孔直径に対する細孔容積の分布であって、前記細孔容積の最小値が0であり、かつ、前記細孔容積の最大値が1であるように前記細孔容積が正規化された分布において、前記細孔容積が最大値であるときの細孔直径が最大容積直径であり、前記細孔直径が前記最大容積直径よりも小さく、かつ、前記細孔容積が0.2以上である領域にショルダーピーク点を有する。   An electrode catalyst layer for solving the above problems is an electrode catalyst layer bonded to a solid electrolyte membrane in a polymer electrolyte fuel cell, and comprises a catalyst substance, a conductive carrier, a polymer electrolyte, and a fibrous substance. In addition, the polymer electrolyte is a fluorine-based polymer electrolyte, and among the voids included in the electrode catalyst layer, voids having a diameter of 0.01 μm or more and 1 μm or less are pores, and obtained by a mercury intrusion method. Distribution of pore volume with respect to pore diameter to be obtained, wherein the pore volume is normalized so that the minimum value of the pore volume is 0 and the maximum value of the pore volume is 1 In the distribution, the pore diameter when the pore volume is the maximum value is the maximum volume diameter, the pore diameter is smaller than the maximum volume diameter, and the pore volume is 0.2 or more. Has shoulder peak points in the region.

上記電極触媒層において、前記ショルダーピーク点における細孔容積は、0.3以上0.8以下であってもよい。
上記電極触媒層において、前記ショルダーピーク点における特異細孔直径は、0.03μm以上0.06μm以下であってもよい。
In the electrode catalyst layer, the pore volume at the shoulder peak point may be 0.3 or more and 0.8 or less.
In the electrode catalyst layer, the specific pore diameter at the shoulder peak point may be 0.03 μm or more and 0.06 μm or less.

上記電極触媒層において、前記ショルダーピーク点における特異細孔直径と、前記最大容積直径との差が、0.02μm以上0.07μm以下であってもよい。
上記電極触媒層において、前記最大値を取るピークのガウス関数による近似曲線での前記ショルダーピーク点での特異細孔直径における細孔容積と、前記ショルダーピーク点における細孔容積との差分値が、0.03以上であってもよい。
In the electrode catalyst layer, the difference between the specific pore diameter at the shoulder peak point and the maximum volume diameter may be 0.02 μm or more and 0.07 μm or less.
In the electrode catalyst layer, the difference value between the pore volume at the specific pore diameter at the shoulder peak point in the approximate curve by the Gaussian function of the peak taking the maximum value, and the pore volume at the shoulder peak point, It may be 0.03 or more.

上記電極触媒層において、前記繊維状物質は、電子伝導性繊維、および、プロトン伝導性繊維から選択される一種または二種以上の繊維状物質を含み、前記電子伝導性繊維は、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構成される群から選択される少なくとも一種を含んでもよい。   In the electrode catalyst layer, the fibrous substance includes one or two or more fibrous substances selected from electron conductive fibers and proton conductive fibers, and the electron conductive fibers include carbon nanofibers, It may include at least one selected from the group consisting of carbon nanotubes and transition metal-containing fibers.

上記電極触媒層において、前記遷移金属含有繊維は、Ta、Nb、Ti、および、Zrから構成される群から選択される少なくとも一つの遷移金属元素を含んでもよい。
上記課題を解決するための膜電極接合体は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜において対向する2つの面の少なくとも一方に接合された上記電極触媒層と、を備える。
In the electrode catalyst layer, the transition metal-containing fiber may include at least one transition metal element selected from the group consisting of Ta, Nb, Ti, and Zr.
A membrane / electrode assembly for solving the above problems includes a solid polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer bonded to at least one of two opposing surfaces of the solid polymer electrolyte membrane.

上記課題を解決するための固体高分子形燃料電池は、上記膜電極接合体を備える。   A polymer electrolyte fuel cell for solving the above-described problems includes the membrane electrode assembly.

本発明によれば、高湿下での発電性能を高めることができる。   According to the present invention, the power generation performance under high humidity can be enhanced.

一実施形態における膜電極接合体の構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the membrane electrode assembly in one Embodiment. 一実施形態における電極触媒層の構造を模式的に示す模式図。The schematic diagram which shows typically the structure of the electrode catalyst layer in one Embodiment. 細孔直径の分布曲線の一例を示すグラフ。The graph which shows an example of the distribution curve of a pore diameter. 細孔直径の分布曲線の他の例を示すグラフ。The graph which shows the other example of the distribution curve of a pore diameter. 細孔直径の分布曲線の別の他の例を示すグラフ。The graph which shows another example of the distribution curve of a pore diameter. 一実施形態における固体高分子形燃料電池の構成を示す分解斜視図。The disassembled perspective view which shows the structure of the polymer electrolyte fuel cell in one Embodiment.

図1から図6を参照して、電極触媒層、膜電極接合体、および、固体高分子形燃料電池の一実施形態を説明する。以下では、膜電極接合体の構成、電極触媒層の構成、固体高分子形燃料電池を構成する単セルの構成、膜電極接合体の製造方法、および、実施例を順に説明する。   An embodiment of an electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell will be described with reference to FIGS. Below, the structure of a membrane electrode assembly, the structure of an electrode catalyst layer, the structure of the single cell which comprises a solid polymer fuel cell, the manufacturing method of a membrane electrode assembly, and an Example are demonstrated in order.

[膜電極接合体の構成]
図1を参照して、膜電極接合体の構成を説明する。図1は、膜電極接合体の厚さ方向に沿う断面構造を示している。
[Configuration of membrane electrode assembly]
With reference to FIG. 1, the structure of a membrane electrode assembly is demonstrated. FIG. 1 shows a cross-sectional structure along the thickness direction of the membrane electrode assembly.

図1が示すように、膜電極接合体10は、高分子電解質膜11と、カソード側電極触媒層12Cと、アノード側電極触媒層12Aとを備えている。高分子電解質膜11は、固体状の高分子電解質膜である。高分子電解質膜11において対向する一対の面において、一方の面にカソード側電極触媒層12Cが接合し、他方の面にアノード側電極触媒層12Aが接合している。カソード側電極触媒層12Cは酸素極(カソード)を構成する電極触媒層であり、アノード側電極触媒層12Aは燃料極(アノード)を構成する電極触媒層である。電極触媒層12の外周部は、不図示のガスケットなどによって封止されてもよい。   As shown in FIG. 1, the membrane / electrode assembly 10 includes a polymer electrolyte membrane 11, a cathode-side electrode catalyst layer 12C, and an anode-side electrode catalyst layer 12A. The polymer electrolyte membrane 11 is a solid polymer electrolyte membrane. In a pair of surfaces facing each other in the polymer electrolyte membrane 11, the cathode side electrode catalyst layer 12C is bonded to one surface, and the anode side electrode catalyst layer 12A is bonded to the other surface. The cathode side electrode catalyst layer 12C is an electrode catalyst layer constituting an oxygen electrode (cathode), and the anode side electrode catalyst layer 12A is an electrode catalyst layer constituting a fuel electrode (anode). The outer periphery of the electrode catalyst layer 12 may be sealed with a gasket (not shown) or the like.

[電極触媒層の構成]
図2から図5を参照して、電極触媒層の構成をより詳しく説明する。なお、以下に説明する電極触媒層は、カソード側電極触媒層12Cおよびアノード側電極触媒層12Aの両方に適用される構成であるが、カソード側電極触媒層12Cおよびアノード側電極触媒層12Aのいずれか一方のみに、以下の構成が適用されてもよい。
[Configuration of electrode catalyst layer]
The configuration of the electrode catalyst layer will be described in more detail with reference to FIGS. The electrode catalyst layer described below is applied to both the cathode-side electrode catalyst layer 12C and the anode-side electrode catalyst layer 12A, but either of the cathode-side electrode catalyst layer 12C or the anode-side electrode catalyst layer 12A is used. The following configuration may be applied to only one of them.

図2が示すように、電極触媒層12は、触媒物質21、導電性担体22、高分子電解質23、および、繊維状物質24を含んでいる。触媒物質21は、導電性担体22に担持されている。電極触媒層12の中で触媒物質21、導電性担体22、高分子電解質23、および、繊維状物質24が存在しない部分が空隙である。触媒担体は、導電性担体22と、導電性担体22に担持された触媒物質21とから構成される。本実施形態では、空隙のなかで、0.01μm以上1μm以下の直径を有する空隙を細孔と定義する。   As shown in FIG. 2, the electrode catalyst layer 12 includes a catalyst material 21, a conductive carrier 22, a polymer electrolyte 23, and a fibrous material 24. The catalyst material 21 is supported on a conductive carrier 22. A portion of the electrode catalyst layer 12 where the catalyst material 21, the conductive carrier 22, the polymer electrolyte 23, and the fibrous material 24 are not present is a void. The catalyst carrier includes a conductive carrier 22 and a catalyst material 21 supported on the conductive carrier 22. In the present embodiment, voids having a diameter of 0.01 μm or more and 1 μm or less are defined as pores among the voids.

電極触媒層12において、水銀圧入法によって測定された細孔容積Vpから算出された細孔の直径が細孔直径Dである。なお、細孔直径Dは、水銀圧入法により得られる円筒モデル化した細孔の直径Dと定義される。本実施形態において、細孔直径Dは0.01μm以上1μm以下の範囲に含まれる。   In the electrode catalyst layer 12, the pore diameter calculated from the pore volume Vp measured by the mercury intrusion method is the pore diameter D. The pore diameter D is defined as the diameter D of a cylindrical modeled pore obtained by mercury porosimetry. In the present embodiment, the pore diameter D is included in the range of 0.01 μm to 1 μm.

電極触媒層12における細孔容積Vpのなかで最大となる値は、最大容積Vmaxであり、最大容積Vmaxを有した細孔での細孔直径Dは、最大容積直径Dmaxである。本実施形態では、電極触媒層12における各細孔容積Vpに対して、細孔容積Vpの最小値を0とし、最大容積Vmaxを1とする正規化(比例変換)が行われる。   The maximum value among the pore volumes Vp in the electrode catalyst layer 12 is the maximum volume Vmax, and the pore diameter D in the pores having the maximum volume Vmax is the maximum volume diameter Dmax. In the present embodiment, normalization (proportional conversion) is performed with respect to each pore volume Vp in the electrode catalyst layer 12 such that the minimum value of the pore volume Vp is 0 and the maximum volume Vmax is 1.

電極触媒層12において、細孔直径Dに対する細孔容積Vpの分布(細孔容積分布)は、第1ピークトップ(Vmax,Dmax)を有する。さらに、電極触媒層12の細孔容積分布は、下記条件を満たす。そして、電極触媒層12の細孔容積分布が条件を満たすことによって、電極触媒層12には、十分なガス拡散性、および、排水性を備えた空隙が形成される。   In the electrode catalyst layer 12, the distribution of the pore volume Vp with respect to the pore diameter D (pore volume distribution) has a first peak top (Vmax, Dmax). Furthermore, the pore volume distribution of the electrode catalyst layer 12 satisfies the following conditions. Then, when the pore volume distribution of the electrode catalyst layer 12 satisfies the condition, a gap having sufficient gas diffusibility and drainage is formed in the electrode catalyst layer 12.

[条件]
細孔容積分布は、最大容積直径Dmaxより小さい領域、かつ、細孔容積Vpが0.2以上となる領域にショルダーピーク点(Di,Vi)を有する。
[conditions]
The pore volume distribution has shoulder peak points (Di, Vi) in a region smaller than the maximum volume diameter Dmax and in a region where the pore volume Vp is 0.2 or more.

ここで、上記の細孔容積分布について説明する。細孔容積分布は、細孔直径Dに対する細孔容積Vpの分布関数(=dVp/dlogD)によって示される。細孔容積Vpの分布は、水銀圧入法によって得られる。   Here, the pore volume distribution will be described. The pore volume distribution is represented by a distribution function of the pore volume Vp with respect to the pore diameter D (= dVp / dlogD). The distribution of the pore volume Vp is obtained by the mercury intrusion method.

水銀は高い表面張力を有するため、細孔に水銀を侵入させる場合には、所定の圧力Pを加える必要がある。細孔に水銀を進入させるために加えた圧力Pと、細孔に圧入された水銀量とから、細孔容積Vpの分布や、比表面積を求めることができる。加えられた圧力Pと、その圧力Pにおいて水銀が侵入可能な細孔直径Dとの関係は、Washbumの式として知られる式(1)で表すことができる。なお、以下の式(1)において、γは水銀の表面張力であり、θは水銀と細孔壁面の接触角である。本実施形態では、表面張力γを0.48N/mとし、かつ、接触角θを130°として、細孔直径Dを計算している。   Since mercury has a high surface tension, it is necessary to apply a predetermined pressure P when mercury enters the pores. The distribution of the pore volume Vp and the specific surface area can be determined from the pressure P applied to cause mercury to enter the pores and the amount of mercury injected into the pores. The relationship between the applied pressure P and the pore diameter D through which mercury can enter at the pressure P can be expressed by equation (1) known as the Washbum equation. In the following formula (1), γ is the surface tension of mercury, and θ is the contact angle between mercury and the pore wall surface. In the present embodiment, the pore diameter D is calculated by setting the surface tension γ to 0.48 N / m and the contact angle θ to 130 °.

D = −4γcosθ/P … 式(1)
なお、水銀圧入法を用いて実際に測定を行うときには、圧入された水銀の容積を相互に異なる圧力Pの印加によって別々に記録する。そして、上記式(1)に基づいて、各圧力Pを細孔直径Dに換算する。また、圧入された水銀の容積と細孔容積Vpとは等しいとして、細孔直径がDからD+dDまでに増加したときの細孔容積Vpの増加分である細孔容積増加分dVを細孔直径Dに対してプロットする。
D = −4γcos θ / P Equation (1)
When the actual measurement is performed using the mercury intrusion method, the volume of the injected mercury is recorded separately by applying different pressures P. And each pressure P is converted into the pore diameter D based on said Formula (1). Further, assuming that the volume of the injected mercury and the pore volume Vp are equal, the pore volume increase dV, which is an increase of the pore volume Vp when the pore diameter increases from D to D + dD, is defined as the pore diameter. Plot against D.

以下では、図3から図5に示すように、横軸を細孔直径D、縦軸を細孔容積Vpとし、上述した正規化後の分布を用いて説明する。図3は、繊維状物質24を含まない電極触媒層12の細孔容積分布である。図4は、本実施形態に係る電極触媒層12の細孔容積分布の一例である。図5は、本実施形態に係る電極触媒層12の細孔容積分布の他の例である。   Hereinafter, as shown in FIG. 3 to FIG. 5, the horizontal axis is the pore diameter D, and the vertical axis is the pore volume Vp. FIG. 3 is a pore volume distribution of the electrode catalyst layer 12 that does not include the fibrous substance 24. FIG. 4 is an example of the pore volume distribution of the electrode catalyst layer 12 according to this embodiment. FIG. 5 is another example of the pore volume distribution of the electrode catalyst layer 12 according to this embodiment.

図3が示す細孔容積分布には、ショルダーピーク点が認められない、あるいは、最大容積直径Dmaxより小さい領域にショルダーピーク点は認められない。これに対して、図4が示す分布には、最大容積直径Dmaxより小さい領域、かつ、細孔容積Vpが0.2以上となる領域にショルダーピーク点が認められる。図4では理解を容易にするためショルダーピーク点を円で囲っている。   In the pore volume distribution shown in FIG. 3, no shoulder peak point is observed, or no shoulder peak point is observed in a region smaller than the maximum volume diameter Dmax. On the other hand, in the distribution shown in FIG. 4, shoulder peak points are recognized in a region smaller than the maximum volume diameter Dmax and in a region where the pore volume Vp is 0.2 or more. In FIG. 4, the shoulder peak points are circled for easy understanding.

ショルダーピークは、細孔容積分布において、大きさが異なる2つ以上のピークが重なることによって出現する。ショルダーピークは、第1ピークトップ(Vmax,Dmax)を頂点とするピークの一部となって現れる。   The shoulder peak appears when two or more peaks having different sizes overlap in the pore volume distribution. The shoulder peak appears as a part of a peak having the first peak top (Vmax, Dmax) as a vertex.

図4が示すように、極大点であるピークトップを有したショルダーピークでは、そのショルダーピークにおけるピークトップがショルダーピーク点(Vi,Di)である。
一方、図5が示すように、極大点であるピークトップを有しないショルダーピークでは、まず、第1ピークトップ(Vmax,Dmax)を頂点とする第1ピークの近似曲線が算出される。第1ピークの近似には、ガウス関数が用いられる。次いで、近似曲線における細孔直径Dpのときの細孔容積(第1細孔容積Vp1)と、細孔容積分布における細孔直径Dpのときの細孔容積Vpとの差分値(Vp−Vp1)が算出される。そして、差分値(Vp−Vp1)が最大値を得るときの細孔直径Dpが、特異細孔直径Diとして定められ、このときのVpが細孔容積Viとして定められる。すなわち、ショルダーピーク点(Vi,Di)が定められる。この際、0.01以下の差分値(Vp−Vp1)は、微差であり、ショルダーピークによる機能が発揮され難く、ショルダーピーク点(Vi,Di)の特定には用いられない。
As shown in FIG. 4, in the shoulder peak having the peak top that is the maximum point, the peak top in the shoulder peak is the shoulder peak point (Vi, Di).
On the other hand, as shown in FIG. 5, in the shoulder peak that does not have the peak top that is the maximum point, first, an approximate curve of the first peak having the first peak top (Vmax, Dmax) as a vertex is calculated. A Gaussian function is used to approximate the first peak. Next, the difference value (Vp−Vp1) between the pore volume (first pore volume Vp1) at the pore diameter Dp in the approximate curve and the pore volume Vp at the pore diameter Dp in the pore volume distribution. Is calculated. Then, the pore diameter Dp when the difference value (Vp−Vp1) obtains the maximum value is determined as the specific pore diameter Di, and Vp at this time is determined as the pore volume Vi. That is, a shoulder peak point (Vi, Di) is determined. At this time, the difference value (Vp−Vp1) of 0.01 or less is a slight difference, and the function by the shoulder peak is difficult to be exhibited, and is not used for specifying the shoulder peak point (Vi, Di).

細孔容積分布が複数のショルダーピークを含むとき、複数のショルダーピークの中で、第1ピークトップ(Vmax,Dmax)に最も近いショルダーピークでショルダーピーク点(Vi,Di)が定められる。   When the pore volume distribution includes a plurality of shoulder peaks, the shoulder peak point (Vi, Di) is determined by the shoulder peak closest to the first peak top (Vmax, Dmax) among the plurality of shoulder peaks.

なお、ピークトップ(Vmax,Dmax)を頂点とする第1ピークは、細孔容積分布をガウス関数とした近似方法や、細孔容積分布をローレンツ関数とした近似方法などによって得られる。ローレンツ関数はガウス関数と比較してすそのが広くなる傾向があるため、本実施形態においては、ガウス関数が用いられる。   The first peak having the peak top (Vmax, Dmax) as the apex is obtained by an approximation method using the pore volume distribution as a Gaussian function, an approximation method using the pore volume distribution as a Lorentz function, or the like. Since the Lorentz function tends to be broader than the Gaussian function, the Gaussian function is used in this embodiment.

最大容積Vmaxは、繊維状物質24の配合比や直径や長さなどの性状、および、この性状と触媒担体の性状との相互作用に起因する。特異細孔容積Viは、触媒担体の配合比や大きさなどの性状、および、この性状と繊維状物質24の性状との相互作用に起因する。本実施形態では、触媒担体の性状に由来するショルダーピーク点(Di,Vi)と、繊維状物質24の性状に由来した第1ピークトップ(Vmax,Dmax)とが上記条件を満たすように、繊維状物質24と触媒担体とが組み合わせられている。これによって、細孔直径Dに対する細孔容積Vpの分布は不均一となり、三相界面を維持しつつ、ガスの拡散性や生成水の排出性が向上する。   The maximum volume Vmax is caused by the blending ratio, the diameter, the length, and other properties of the fibrous substance 24 and the interaction between the properties and the properties of the catalyst support. The specific pore volume Vi is attributed to properties such as the mixing ratio and size of the catalyst carrier and the interaction between this property and the properties of the fibrous substance 24. In the present embodiment, the fiber is so formed that the shoulder peak point (Di, Vi) derived from the properties of the catalyst carrier and the first peak top (Vmax, Dmax) derived from the properties of the fibrous material 24 satisfy the above conditions. The material 24 and the catalyst carrier are combined. As a result, the distribution of the pore volume Vp with respect to the pore diameter D becomes non-uniform, and the gas diffusibility and the discharged water of the generated water are improved while maintaining the three-phase interface.

なお、特異細孔容積Viが0.2以下に存在すると、細孔容積分布がピーク点を頂点とする単調な正規分布となってしまい、細孔直径Dの分布を部分的に不均一にすることが難しい。また、特異細孔容積Viが最大容積Vmaxよりも大きくなると、最大容積直径Dmaxよりも小さい特異細孔直径Diの細孔容積Vpが電極触媒層12の大部分を占めることになり、十分なガス拡散性および排水性を得られなくなる。特異細孔容積Viは0.3以上0.8以下の範囲内にあることがより好ましく、0.45以上0.7以下の範囲内であることが特に好ましい。これらの範囲内にショルダーピーク点(Vi,Di)が存在することによって、細孔容積分布が単調な正規分布形状となることをより効果的に抑えることができる。   If the specific pore volume Vi is 0.2 or less, the pore volume distribution becomes a monotonous normal distribution with the peak point as the apex, and the distribution of the pore diameter D is partially uneven. It is difficult. Further, when the specific pore volume Vi becomes larger than the maximum volume Vmax, the pore volume Vp having the specific pore diameter Di smaller than the maximum volume diameter Dmax occupies most of the electrode catalyst layer 12, and sufficient gas Diffusability and drainage cannot be obtained. The specific pore volume Vi is more preferably in the range of 0.3 to 0.8, and particularly preferably in the range of 0.45 to 0.7. The presence of the shoulder peak points (Vi, Di) within these ranges can more effectively suppress the pore volume distribution from becoming a monotonous normal distribution shape.

特異細孔直径Diは、0.03μm以上0.06μm以下であり、最大容積直径Dmaxは、0.06μm以上0.1μm以下であることが好ましい。特異細孔容積Viと最大容積Vmaxが上記範囲内であることで、繊維状物質24に起因して細孔が相対的に疎で大きい領域と、触媒担体に起因して細孔が相対的に密で小さい領域との両立が図られて、ガス拡散性と排水性を向上することができる。   The specific pore diameter Di is preferably 0.03 μm or more and 0.06 μm or less, and the maximum volume diameter Dmax is preferably 0.06 μm or more and 0.1 μm or less. When the specific pore volume Vi and the maximum volume Vmax are within the above ranges, the pores are relatively sparse and large due to the fibrous material 24, and the pores are relatively relatively free from the catalyst support. Achieving compatibility with a dense and small region can improve gas diffusibility and drainage.

特異細孔直径Diと最大容積直径Dmaxとの差(Dmax−Di)は、0.02μm以上であることが好ましい。差(Dmax−Di)が0.02μm以上である構成では、細孔容積分布が多峰性に近づくため、十分なガス拡散性、および、排水性が得られやすい。なお、差(Dmax−Di)が0.07μmよりも大きい構成では、細孔の粗密差が大きくなるため、高湿環境下においては良好な発電性能を得られるものの、低湿環境下では発電性能が低下する傾向にある。   The difference (Dmax−Di) between the specific pore diameter Di and the maximum volume diameter Dmax is preferably 0.02 μm or more. In the configuration in which the difference (Dmax−Di) is 0.02 μm or more, the pore volume distribution approaches multimodality, so that sufficient gas diffusibility and drainage are easily obtained. Note that, in the configuration where the difference (Dmax−Di) is larger than 0.07 μm, the pore density difference is large, so that good power generation performance can be obtained in a high humidity environment, but the power generation performance is low in a low humidity environment. It tends to decrease.

第1ピークトップ(Vmax,Dmax)を頂点とする第1ピーク(近似曲線)の細孔容積Vp1と、細孔容積分布における細孔容積Vpとの差分値(Vp−Vp1)は、ショルダーピーク点(Vi,Di)において、0.03以上であることが好ましく、より好ましくは0.06以上である。差分値(Vp−Vp1)が0.03以上である構成では、細孔容積分布が多峰性になりやすい。なお、差分値(Vp−Vp1)の上限値は、繊維状物質24に起因して細孔が相対的に疎で大きい領域と、触媒担体に起因して細孔が相対的に密で小さい領域のバランスをとるうえで、0.2以下であることがより好ましい。   The difference value (Vp−Vp1) between the pore volume Vp1 of the first peak (approximate curve) having the peak at the first peak top (Vmax, Dmax) and the pore volume Vp in the pore volume distribution is a shoulder peak point. In (Vi, Di), it is preferably 0.03 or more, more preferably 0.06 or more. In the configuration in which the difference value (Vp−Vp1) is 0.03 or more, the pore volume distribution tends to be multimodal. Note that the upper limit value of the difference value (Vp−Vp1) is an area where the pores are relatively sparse and large due to the fibrous substance 24 and an area where the pores are relatively dense and small due to the catalyst carrier. Is more preferably 0.2 or less.

電極触媒層12の厚さは、5μm以上30μm以下であることが好ましい。電極触媒層12の厚さが30μm以下であることによって、クラックが生じることが抑えられる。また、電極触媒層12を固体高分子形燃料電池に用いた場合に、ガスや生成した水の拡散性、および、導電性が低下することが抑えられ、ひいては、固体高分子形燃料電池の出力が低下することが抑えられる。また、電極触媒層12の厚さが5μm以上であることによって、電極触媒層12において厚さのばらつきが生じにくくなり、電極触媒層12に含まれる触媒物質21や高分子電解質23の分布が不均一になることが抑えられる。なお、電極触媒層12の表面におけるひび割れや、厚さの不均一性は、電極触媒層12を固体高分子形燃料電池の一部として使用し、かつ、固体高分子形燃料電池を長期に渡り運転した場合に、固体高分子形燃料電池の耐久性に悪影響を及ぼす可能性が高い点で、好ましくない。   The thickness of the electrode catalyst layer 12 is preferably 5 μm or more and 30 μm or less. When the thickness of the electrode catalyst layer 12 is 30 μm or less, generation of cracks is suppressed. Further, when the electrode catalyst layer 12 is used in a polymer electrolyte fuel cell, it is possible to suppress a decrease in the diffusibility and conductivity of gas and generated water, and consequently the output of the polymer electrolyte fuel cell. Is suppressed from decreasing. In addition, since the thickness of the electrode catalyst layer 12 is 5 μm or more, thickness variations are less likely to occur in the electrode catalyst layer 12, and the distribution of the catalyst substance 21 and the polymer electrolyte 23 contained in the electrode catalyst layer 12 is not good. Uniformity is suppressed. In addition, the crack in the surface of the electrode catalyst layer 12 and the non-uniformity of the thickness are obtained when the electrode catalyst layer 12 is used as a part of the polymer electrolyte fuel cell and the polymer electrolyte fuel cell is used for a long time. It is not preferable in that it has a high possibility of adversely affecting the durability of the polymer electrolyte fuel cell when operated.

電極触媒層12の厚さは、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて電極触媒層12の断面を観察することで計測することができる。電極触媒層12の断面を露出させる方法には、例えば、イオンミリング、および、ウルトラミクロトームなどの方法を用いることができる。電極触媒層12の断面を露出させる加工を行うときには、電極触媒層12を冷却することが好ましい。これにより、電極触媒層12が含む高分子電解質23に対するダメージを軽減することができる。   The thickness of the electrode catalyst layer 12 can be measured, for example, by observing a cross section of the electrode catalyst layer 12 using a scanning electron microscope (SEM). As a method of exposing the cross section of the electrode catalyst layer 12, for example, methods such as ion milling and ultramicrotome can be used. When performing processing that exposes the cross section of the electrode catalyst layer 12, it is preferable to cool the electrode catalyst layer 12. Thereby, damage to the polymer electrolyte 23 included in the electrode catalyst layer 12 can be reduced.

[固体高分子形燃料電池の構成]
図6を参照して、膜電極接合体10を備える固体高分子形燃料電池の構成を説明する。以下に説明する構成は、固体高分子形燃料電池の一例における構成である。また、図3は、固体高分子形燃料電池が備える単セルの構成を示している。固体高分子形燃料電池は、複数の単セルを備え、かつ、複数の単セルが積層された構成でもよい。
[Configuration of polymer electrolyte fuel cell]
With reference to FIG. 6, the structure of the polymer electrolyte fuel cell provided with the membrane electrode assembly 10 is demonstrated. The configuration described below is an example of a polymer electrolyte fuel cell. FIG. 3 shows the configuration of a single cell included in the polymer electrolyte fuel cell. The polymer electrolyte fuel cell may include a plurality of single cells and a plurality of single cells stacked.

図6が示すように、固体高分子形燃料電池30は、膜電極接合体10、一対のガス拡散層、および、一対のセパレーターを備えている。一対のガス拡散層は、カソード側ガス拡散層31Cとアノード側ガス拡散層31Aとから構成されている。一対のセパレーターは、カソード側セパレーター32Cとアノード側セパレーター32Aとから構成されている。   As shown in FIG. 6, the polymer electrolyte fuel cell 30 includes a membrane electrode assembly 10, a pair of gas diffusion layers, and a pair of separators. The pair of gas diffusion layers includes a cathode side gas diffusion layer 31C and an anode side gas diffusion layer 31A. The pair of separators includes a cathode side separator 32C and an anode side separator 32A.

カソード側ガス拡散層31Cは、カソード側電極触媒層12Cに接している。カソード側電極触媒層12Cとカソード側ガス拡散層31Cとが、酸素極(カソード)30Cを構成している。アノード側ガス拡散層31Aは、アノード側電極触媒層12Aに接している。アノード側電極触媒層12Aとアノード側ガス拡散層31Aとが、燃料極(アノード)30Aを構成している。   The cathode side gas diffusion layer 31C is in contact with the cathode side electrode catalyst layer 12C. The cathode side electrode catalyst layer 12C and the cathode side gas diffusion layer 31C constitute an oxygen electrode (cathode) 30C. The anode side gas diffusion layer 31A is in contact with the anode side electrode catalyst layer 12A. The anode side electrode catalyst layer 12A and the anode side gas diffusion layer 31A constitute a fuel electrode (anode) 30A.

高分子電解質膜11において、カソード側電極触媒層12Cが接合された面がカソード面であり、アノード側電極触媒層12Aが接合された面がアノード面である。カソード面のなかで、カソード側電極触媒層12Cによって覆われていない部分が外周部である。外周部には、カソード側ガスケット13Cが位置している。アノード面のなかで、アノード側電極触媒層12Aによって覆われていない部分が外周部である。外周部には、アノード側ガスケット13Aが位置している。ガスケット13C,13Aによって、各面の外周部からガスが漏れることが抑えられる。   In the polymer electrolyte membrane 11, the surface where the cathode-side electrode catalyst layer 12C is bonded is the cathode surface, and the surface where the anode-side electrode catalyst layer 12A is bonded is the anode surface. A portion of the cathode surface that is not covered with the cathode-side electrode catalyst layer 12C is an outer peripheral portion. A cathode side gasket 13C is located on the outer periphery. A portion of the anode surface that is not covered with the anode-side electrode catalyst layer 12A is an outer peripheral portion. An anode side gasket 13A is located on the outer periphery. Gaskets 13C and 13A prevent gas from leaking from the outer periphery of each surface.

カソード側セパレーター32Cとアノード側セパレーター32Aとは、固体高分子形燃料電池30の厚さ方向において、膜電極接合体10、および、2つのガス拡散層31C,31Aから構成される多層体を挟んでいる。カソード側セパレーター32Cは、カソード側ガス拡散層31Cに対向している。アノード側セパレーター32Aは、アノード側ガス拡散層31Aに対向している。   The cathode side separator 32C and the anode side separator 32A sandwich the multilayer body composed of the membrane electrode assembly 10 and the two gas diffusion layers 31C and 31A in the thickness direction of the polymer electrolyte fuel cell 30. Yes. The cathode side separator 32C faces the cathode side gas diffusion layer 31C. The anode side separator 32A is opposed to the anode side gas diffusion layer 31A.

カソード側セパレーター32Cにおいて対向する一対の面は、それぞれ複数の溝を有している。一対の面のなかで、カソード側ガス拡散層31Cと対向する対向面が有する溝は、ガス流路32Cgである。一対の面のなかで、対向面とは反対側の面が有する溝は、冷却水流路32Cwである。   A pair of surfaces facing each other in the cathode-side separator 32C have a plurality of grooves. Of the pair of surfaces, the groove of the facing surface facing the cathode-side gas diffusion layer 31C is a gas flow path 32Cg. Of the pair of surfaces, the groove on the surface opposite to the facing surface is the cooling water channel 32Cw.

アノード側セパレーター32Aにおいて対向する一対の面は、それぞれ複数の溝を有している。一対の面のなかで、アノード側ガス拡散層31Aと対向する対向面が有する溝は、ガス流路32Agである。一対の面のなかで、対向面とは反対側の面が有する溝は、冷却水流路32Awである。   A pair of surfaces facing each other in the anode side separator 32A have a plurality of grooves. Of the pair of surfaces, the groove of the facing surface facing the anode-side gas diffusion layer 31A is a gas flow path 32Ag. Of the pair of surfaces, the groove on the surface opposite to the facing surface is the cooling water flow path 32Aw.

各セパレーター32C,32Aは、導電性を有し、かつ、ガスに対する不透過性を有した材料によって形成されている。
固体高分子形燃料電池30では、カソード側セパレーター32Cのガス流路32Cgを通じて酸素剤が酸素極30Cに供給される。アノード側セパレーター32Aのガス流路32Agを通じて燃料が供給される。これにより、固体高分子形燃料電池30が発電を行う。なお、酸素剤には、例えば空気および酸素などを挙げることができる。燃料には、例えば水素を含む燃料ガス、および、有機物燃料などを挙げることができる。
Each of the separators 32C and 32A is made of a material that is conductive and impermeable to gas.
In the polymer electrolyte fuel cell 30, the oxygen agent is supplied to the oxygen electrode 30C through the gas flow path 32Cg of the cathode side separator 32C. Fuel is supplied through the gas flow path 32Ag of the anode side separator 32A. Thereby, the polymer electrolyte fuel cell 30 generates electric power. Examples of the oxygen agent include air and oxygen. Examples of the fuel include a fuel gas containing hydrogen and an organic fuel.

[膜電極接合体の製造方法]
以下、上述した膜電極接合体の製造方法を説明する。
膜電極接合体10を製造するときには、まず、触媒物質21、導電性担体22、高分子電解質23、および、繊維状物質24を分散媒に混合し、その後、混合物に分散処理を施すことによって触媒インクを作成する。分散処理は、例えば、遊星型ボールミル、ビーズミル、および、超音波ホモジナイザーなどを用いて行うことができる。
[Production method of membrane electrode assembly]
Hereinafter, the manufacturing method of the membrane electrode assembly mentioned above is demonstrated.
When manufacturing the membrane electrode assembly 10, first, the catalyst material 21, the conductive carrier 22, the polymer electrolyte 23, and the fibrous material 24 are mixed in a dispersion medium, and then the mixture is subjected to a dispersion treatment. Create ink. The dispersion treatment can be performed using, for example, a planetary ball mill, a bead mill, an ultrasonic homogenizer, or the like.

触媒インクの分散媒には、触媒物質21、導電性担体22、高分子電解質23、および、繊維状物質24を浸食せず、かつ、分散媒の流動性が高い状態で、高分子電解質23を溶解することができる、または、高分子電解質23を微細なゲルとして分散することが可能な溶媒を用いることができる。分散媒には水が含まれてもよく、水は高分子電解質23とのなじみがよい。触媒インクは、揮発性の液体有機溶媒を含むことが好ましい。溶媒が低級アルコールである場合には発火のおそれがあるため、こうした溶媒には、水が混合されることが好ましい。溶媒には、高分子電解質23が分離することによって、触媒インキが白濁したりゲル化したりしない範囲で水を混合することができる。   In the dispersion medium of the catalyst ink, the polymer electrolyte 23 is not eroded by the catalyst substance 21, the conductive carrier 22, the polymer electrolyte 23, and the fibrous substance 24, and the dispersion medium has high fluidity. A solvent that can be dissolved or can disperse the polymer electrolyte 23 as a fine gel can be used. The dispersion medium may contain water, and the water is familiar with the polymer electrolyte 23. The catalyst ink preferably contains a volatile liquid organic solvent. When the solvent is a lower alcohol, there is a risk of ignition, so it is preferable to mix water with such a solvent. Water can be mixed into the solvent as long as the polymer electrolyte 23 is separated so that the catalyst ink does not become cloudy or gel.

作成した触媒インクを基材に塗布した後に乾燥することによって、触媒インクの塗膜から溶媒が除去される。これにより、基材上に電極触媒層12が形成される。基材には、高分子電解質膜11、または、転写用基材を用いることができる。高分子電解質膜11を基材として用いる場合には、例えば、高分子電解質膜11の表面に触媒インクを直に塗布した後、触媒インクの塗膜から溶媒を除去することによって電極触媒層12を形成する方法を用いることができる。   The solvent is removed from the coating film of the catalyst ink by applying the prepared catalyst ink to the substrate and then drying. Thereby, the electrode catalyst layer 12 is formed on the base material. As the base material, the polymer electrolyte membrane 11 or a transfer base material can be used. When the polymer electrolyte membrane 11 is used as a substrate, for example, the catalyst ink is directly applied to the surface of the polymer electrolyte membrane 11, and then the electrode catalyst layer 12 is formed by removing the solvent from the coating film of the catalyst ink. The forming method can be used.

転写用基材を用いる場合には、転写用基材の上に触媒インキを塗布した後に乾燥することによって、触媒層付き基材を作成する。その後、例えば、触媒層付き基材における電極触媒層12の表面と、高分子電解質膜11とを接触させた状態で、加熱および加圧を行うことによって、電極触媒層12と高分子電解質膜11とを接合させる。高分子電解質膜11の両面に電極触媒層12を接合することによって、膜電極接合体10を製造することができる。   In the case of using a transfer substrate, a substrate with a catalyst layer is prepared by applying a catalyst ink on the transfer substrate and then drying. Thereafter, for example, the electrode catalyst layer 12 and the polymer electrolyte membrane 11 are formed by heating and pressing in a state where the surface of the electrode catalyst layer 12 in the substrate with the catalyst layer is in contact with the polymer electrolyte membrane 11. And join. The membrane electrode assembly 10 can be manufactured by joining the electrode catalyst layers 12 to both surfaces of the polymer electrolyte membrane 11.

触媒インクを基材に塗布する方法には、様々な塗工方法を用いることができる。塗工方法には、例えば、ダイコート、ロールコート、カーテンコート、スプレーコート、および、スキージーなどを挙げることができる。塗工方法には、ダイコートを用いることが好ましい。ダイコートは、塗布期間の中間における膜厚が安定し、かつ、間欠的な塗工を行うことが可能である点で好ましい。触媒インクの塗膜を乾燥させる方法には、例えば、温風オーブンを用いた乾燥、IR(遠赤外線)乾燥、ホットプレートを用いた乾燥、および、減圧乾燥などを用いることができる。乾燥温度は、40℃以上200℃以下であり、40℃以上120℃以下程度であることが好ましい。乾燥時間は、0.5分以上1時間以下であり、1分以上30分以下程度であるが好ましい。   Various coating methods can be used for applying the catalyst ink to the substrate. Examples of the coating method include die coating, roll coating, curtain coating, spray coating, and squeegee. It is preferable to use a die coat for the coating method. The die coating is preferable in that the film thickness in the middle of the coating period is stable and intermittent coating can be performed. Examples of the method for drying the coating film of the catalyst ink include drying using a warm air oven, IR (far infrared) drying, drying using a hot plate, and drying under reduced pressure. The drying temperature is 40 ° C. or more and 200 ° C. or less, and preferably about 40 ° C. or more and 120 ° C. or less. The drying time is 0.5 minutes or more and 1 hour or less, preferably about 1 minute or more and 30 minutes or less.

転写用基材に電極触媒層12を形成する場合には、電極触媒層12の転写時に電極触媒層12に掛かる圧力や温度が膜電極接合体10の発電性能に影響する。発電性能が高い膜電極接合体10を得る上では、多層体に掛かる圧力は、0.1MPa以上20MPa以下であることが好ましい。圧力が20MPa以下であることによって、電極触媒層12が過剰に圧縮されることが抑えられる。圧力が0.1MP以上であることによって、電極触媒層12と高分子電解質膜11との接合性の低下により発電性能が低下することが抑えられる。接合時の温度は、高分子電解質膜11と電極触媒層12との界面の接合性の向上や、界面抵抗の抑制を考慮すると、高分子電解質膜11、または、電極触媒層12が含む高分子電解質23のガラス転移点付近とであることが好ましい。   When the electrode catalyst layer 12 is formed on the transfer substrate, the pressure and temperature applied to the electrode catalyst layer 12 during the transfer of the electrode catalyst layer 12 affect the power generation performance of the membrane electrode assembly 10. In order to obtain the membrane electrode assembly 10 having high power generation performance, the pressure applied to the multilayer body is preferably 0.1 MPa or more and 20 MPa or less. When the pressure is 20 MPa or less, the electrode catalyst layer 12 is suppressed from being excessively compressed. When the pressure is 0.1 MP or more, it is possible to suppress a decrease in power generation performance due to a decrease in bondability between the electrode catalyst layer 12 and the polymer electrolyte membrane 11. The temperature at the time of bonding is determined based on the polymer electrolyte membrane 11 or the polymer contained in the electrode catalyst layer 12 in consideration of improvement of the bondability at the interface between the polymer electrolyte membrane 11 and the electrode catalyst layer 12 and suppression of interface resistance. The vicinity of the glass transition point of the electrolyte 23 is preferable.

転写用基材には、例えば、高分子フィルム、および、フッ素系樹脂によって形成されたシート体を用いることができる。フッ素系樹脂は、転写性に優れている。フッ素系樹脂には、例えば、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン‐ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、および、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などを挙げることができる。高分子フィルムを形成する高分子には、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタラート、ポリアミド(ナイロン(登録商標))、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル・エーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、および、ポリエチレンナフタレートなどを挙げることができる。転写用基材には、ガス拡散層を用いることもできる。   For the transfer substrate, for example, a polymer film and a sheet formed of a fluororesin can be used. The fluororesin is excellent in transferability. Examples of the fluororesin include ethylene tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroperfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), and polytetra A fluoroethylene (PTFE) etc. can be mentioned. Examples of the polymer that forms the polymer film include polyimide, polyethylene terephthalate, polyamide (nylon (registered trademark)), polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyetherimide, and polyarylate. And polyethylene naphthalate. A gas diffusion layer can also be used for the transfer substrate.

電極触媒層12の細孔の大きさおよび分布は、触媒インクの塗膜を加熱する温度、塗膜を加熱する速度、触媒インクが乾燥するまでの加圧条件、繊維状物質24の配合率、触媒インクの溶媒組成、触媒インクを調整するときの分散強度などを調整することによって調整することが可能である。   The size and distribution of the pores of the electrode catalyst layer 12 include the temperature at which the coating film of the catalyst ink is heated, the speed at which the coating film is heated, the pressurizing conditions until the catalyst ink is dried, the blending ratio of the fibrous substance 24, It can be adjusted by adjusting the solvent composition of the catalyst ink, the dispersion strength when adjusting the catalyst ink, and the like.

例えば、触媒担体の配合率を高めるほど、ショルダーピーク点(Vi,Di)が出現しやすい一方で、触媒担体の配合率が過剰に高い場合には、最大容積直径Dmaxより大きい領域にショルダーピークが出現する。例えば、繊維状物質24を配合すると、ショルダーピーク点(Vi,Di)が出現やすい一方で、繊維状物質24の配合率が過剰に高い場合には、分布がブロードとなりショルダーピークが出現しない。例えば、触媒担体のサイズを繊維状物質24の直径よりも小さくするほど、ショルダーピーク点(Vi,Di)は、低細孔直径側にシフトする。   For example, the shoulder peak points (Vi, Di) are more likely to appear as the catalyst carrier content is increased. On the other hand, when the catalyst carrier content is excessively high, a shoulder peak appears in a region larger than the maximum volume diameter Dmax. Appear. For example, when the fibrous substance 24 is blended, the shoulder peak point (Vi, Di) is likely to appear, but when the blending ratio of the fibrous substance 24 is excessively high, the distribution becomes broad and the shoulder peak does not appear. For example, as the size of the catalyst support is made smaller than the diameter of the fibrous material 24, the shoulder peak points (Vi, Di) shift to the low pore diameter side.

触媒物質21には、例えば、白金族に含まれる金属、白金族以外の金属、および、これら金属の合金、酸化物、複酸化物、および、炭化物などを用いることができる。白金族に含まれる金属は、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、および、オスミウムである。白金族以外の金属には、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、および、アルミニウムなどを用いることができる。   As the catalyst material 21, for example, a metal included in the platinum group, a metal other than the platinum group, and alloys, oxides, double oxides, and carbides of these metals can be used. The metals included in the platinum group are platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, and osmium. Examples of metals other than the platinum group include iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum.

導電性担体22には、導電性を有し、かつ、触媒物質21に侵食されることなく触媒物質21を担持することが可能な担体を用いることができる。導電性担体22には、カーボン粒子を用いることができる。カーボン粒子には、例えば、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、および、フラーレンを用いることができる。カーボン粒子の粒径は、10nm以上1000nm以下程度であることが好ましく、10nm以上100nm以下程度であることがさらに好ましい。粒径が10nm以上であることによって、カーボン粒子が電極触媒層12において密に詰まり過ぎず、これによって、電極触媒層12のガス拡散性を低下させることが抑えられる。粒径が1000nm以下であることによって、電極触媒層12にクラックを生じさせることが抑えられる。   As the conductive carrier 22, a carrier that has conductivity and can carry the catalyst material 21 without being eroded by the catalyst material 21 can be used. Carbon particles can be used for the conductive carrier 22. As the carbon particles, for example, carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon nanotubes, carbon nanofibers, and fullerenes can be used. The particle size of the carbon particles is preferably about 10 nm to 1000 nm, more preferably about 10 nm to 100 nm. When the particle diameter is 10 nm or more, the carbon particles are not densely packed in the electrode catalyst layer 12, thereby suppressing the gas diffusibility of the electrode catalyst layer 12 from being lowered. When the particle size is 1000 nm or less, the generation of cracks in the electrode catalyst layer 12 can be suppressed.

高分子電解質膜11および電極触媒層12に含まれる高分子電解質には、プロトン伝導性を有する電解質を用いることができる。高分子電解質には、例えば、フッ素系高分子電解質、および、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には、テトラフルオロエチレン骨格を有する高分子電解質を用いることができる。なお、テトラフルオロエチレン骨格を有する高分子電解質には、デュポン社製のNafion(登録商標)を例示することができる。炭化水素系高分子電解質には、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、および、スルホン化ポリフェニレンなどを用いることができる。   As the polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte membrane 11 and the electrode catalyst layer 12, an electrolyte having proton conductivity can be used. As the polymer electrolyte, for example, a fluorine-based polymer electrolyte and a hydrocarbon-based polymer electrolyte can be used. As the fluorine-based polymer electrolyte, a polymer electrolyte having a tetrafluoroethylene skeleton can be used. An example of the polymer electrolyte having a tetrafluoroethylene skeleton is Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont. As the hydrocarbon polymer electrolyte, for example, sulfonated polyether ketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, sulfonated polyphenylene, and the like can be used.

高分子電解質膜11に含まれる高分子電解質と、電極触媒層12に含まれる高分子電解質23とは、互いに同じ電解質であってもよいし、互いに異なる電解質であってもよい。ただし、高分子電解質膜11と電極触媒層12との界面における界面抵抗や、湿度が変化した場合において、高分子電解質膜11と電極触媒層12とにおける寸法変化率を考慮すると、高分子電解質膜11に含まれる高分子電解質と、電極触媒層12に含まれる高分子電解質23とは、互いに同じ電解質であるか、類似の電解質であることが好ましい。   The polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte membrane 11 and the polymer electrolyte 23 contained in the electrode catalyst layer 12 may be the same electrolyte or different electrolytes. However, when the interface resistance at the interface between the polymer electrolyte membrane 11 and the electrode catalyst layer 12 and the humidity change, the dimensional change rate between the polymer electrolyte membrane 11 and the electrode catalyst layer 12 is taken into consideration, and the polymer electrolyte membrane 11 and the polymer electrolyte 23 contained in the electrode catalyst layer 12 are preferably the same electrolyte or similar electrolytes.

繊維状物質24には、電子伝導性繊維およびプロトン伝導性繊維を用いることができる。電子伝導性繊維には、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、および、導電性高分子ナノファイバーなどを挙げることができる。導電性や分散性の観点から、カーボンナノファイバーを繊維状物質24として用いることが好ましい。   As the fibrous material 24, an electron conductive fiber and a proton conductive fiber can be used. Examples of the electron conductive fiber include carbon fiber, carbon nanotube, carbon nanohorn, and conductive polymer nanofiber. From the viewpoint of conductivity and dispersibility, it is preferable to use carbon nanofibers as the fibrous material 24.

触媒能を有する電子伝導性繊維は、貴金属によって形成される触媒の使用量を低減できる点でより好ましい。電極触媒層12が酸素極を構成する電極触媒層12として用いられる場合には、触媒能を有する電子伝導性繊維には、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を挙げることができる。触媒能を有する電子伝導性繊維は、燃料極用の電極活物質を繊維状に加工した繊維であってもよい。電極活物質には、Ta、Nb、Ti、および、Zrから構成される群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用いることができる。遷移金属元素を含む物質には、遷移金属元素の炭窒化物の部分酸化物、または、遷移金属元素の導電性酸化物、および、遷移金属元素の導電性酸窒化物を挙げることができる。   The electron conductive fiber having catalytic ability is more preferable in that the amount of the catalyst formed by the noble metal can be reduced. When the electrode catalyst layer 12 is used as the electrode catalyst layer 12 constituting the oxygen electrode, examples of the electron conductive fiber having catalytic ability include a carbon alloy catalyst prepared from carbon nanofibers. The electron conductive fiber having catalytic ability may be a fiber obtained by processing an electrode active material for a fuel electrode into a fiber shape. As the electrode active material, a material containing at least one transition metal element selected from the group consisting of Ta, Nb, Ti, and Zr can be used. Examples of the substance containing a transition metal element include a partial oxide of a transition metal element carbonitride, a conductive oxide of a transition metal element, and a conductive oxynitride of a transition metal element.

プロトン伝導性繊維は、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繊維であればよい。プロトン伝導性繊維を形成するための材料には、フッ素系高分子電解質、および、炭化水素系高分子電解質などを用いることができる。フッ素系高分子電解質には、例えば、デュポン社製のNafion(登録商標)、旭硝子(株)製のFlemion(登録商標)、旭化成(株)製のAciplex(登録商標)、および、ゴア社製の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には、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、および、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 may be a fiber obtained by processing a polymer electrolyte having proton conductivity into a fiber shape. As a material for forming the proton conductive fiber, a fluorine-based polymer electrolyte, a hydrocarbon-based polymer electrolyte, or the like can be used. For example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., and Gore Corporation For example, Gore Select (registered trademark) 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.

繊維状物質24には、上述した繊維のうちの一種のみが用いられてもよいし、二種以上が用いられてもよい。繊維状物質24として、電子伝導性繊維とプロトン伝導性繊維とを併せて用いてもよい。繊維状物質24は、上述した繊維状物質24のなかでも、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、および、電解質繊維から構成される群から選択される少なくとも1つを含むことが好ましい。   As the fibrous material 24, only one kind of the above-described fibers may be used, or two or more kinds may be used. As the fibrous material 24, an electron conductive fiber and a proton conductive fiber may be used together. The fibrous substance 24 preferably includes at least one selected from the group consisting of carbon nanofibers, carbon nanotubes, and electrolyte fibers among the fibrous substances 24 described above.

繊維状物質24の繊維径は、0.5nm以上500nm以下であることが好ましく、5nm以上200nm以下であることがより好ましい。繊維径を0.5nm以上500nm以下の範囲に設定することにより、電極触媒層12内の空隙を増加させることができ、ひいては、固体高分子形燃料電池30の高出力化が可能である。繊維状物質24の繊維長は、1μm以上40μm以下であることが好ましく、1μm以上20μm以下であることがより好ましい。繊維長を1μm以上40μm以下の範囲に設定することにより、電極触媒層12の強度を高めることができ、ひいては、電極触媒層12を形成するときに、電極触媒層12にクラックが生じることが抑えられる。加えて、電極触媒層12内の空隙を増加させることができ、ひいては、固体高分子形燃料電池30の高出力化が可能である。   The fiber diameter of the fibrous substance 24 is preferably 0.5 nm or more and 500 nm or less, and more preferably 5 nm or more and 200 nm or less. By setting the fiber diameter in the range of 0.5 nm or more and 500 nm or less, the voids in the electrode catalyst layer 12 can be increased, and as a result, the output of the polymer electrolyte fuel cell 30 can be increased. The fiber length of the fibrous substance 24 is preferably 1 μm or more and 40 μm or less, and more preferably 1 μm or more and 20 μm or less. By setting the fiber length in the range of 1 μm or more and 40 μm or less, the strength of the electrode catalyst layer 12 can be increased. As a result, when the electrode catalyst layer 12 is formed, generation of cracks in the electrode catalyst layer 12 is suppressed. It is done. In addition, voids in the electrode catalyst layer 12 can be increased, and as a result, the output of the polymer electrolyte fuel cell 30 can be increased.

[実施例1]
白金担持カーボン触媒(TEC10E50E、田中貴金属工業(株)製)、水、1‐プロパノール、高分子電解質(ナフィオン(登録商標)分散液、和光純薬工業(株)製)、および、カーボンナノファイバー(VGCF(登録商標)−H、昭和電工(株)製)を混合した。混合物に対して遊星型ボールミルを用いて60分間にわたって分散処理を行った。これにより、触媒インクを調製した。
[Example 1]
Platinum-supported carbon catalyst (TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.), water, 1-propanol, polymer electrolyte (Nafion (registered trademark) dispersion, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and carbon nanofiber ( VGCF (registered trademark) -H, manufactured by Showa Denko KK). The mixture was dispersed for 60 minutes using a planetary ball mill. Thereby, a catalyst ink was prepared.

触媒インクを、高分子電解質膜(ナフィオン(登録商標)211、Dupont社製)の両面にスリットダイコーターを用いて塗布することによって塗膜を形成した。次いで、塗膜が形成された高分子電解質膜を80度の温風オーブンに配置し、塗膜のタックがなくなるまで塗膜を乾燥させた。これにより、実施例1の膜電極接合体を得た。   A coating film was formed by applying the catalyst ink on both surfaces of a polymer electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) 211, manufactured by Dupont) using a slit die coater. Next, the polymer electrolyte membrane on which the coating film was formed was placed in a warm air oven at 80 degrees, and the coating film was dried until there was no tackiness of the coating film. Thereby, the membrane electrode assembly of Example 1 was obtained.

[実施例2]
カーボンナノファイバーに代えてカーボンナノチューブ(NC7000、Nanocyl社製)を用いた以外は、実施例1と同様の方法によって実施例2の膜電極接合体を得た。
[Example 2]
A membrane / electrode assembly of Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that carbon nanotubes (NC7000, manufactured by Nanocyl) were used instead of carbon nanofibers.

[実施例3]
触媒インクを調製するときに、固形分比率を実施例1の3分の2とした以外は、実施例1と同様の方法によって、実施例3の膜電極接合体を得た。
[Example 3]
A membrane / electrode assembly of Example 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the solid content ratio was changed to two-thirds of Example 1 when the catalyst ink was prepared.

[実施例4]
実施例1と同様の方法によって、触媒インクを調製した。触媒インクを、PTFEフィルムの表面にスリットダイコーターを用いて塗布することによって塗膜を形成した。次いで、80度の温風オーブンに配置し、塗膜のタックがなくなるまで塗膜を乾燥させた。これにより、触媒層付き基材を得た。カソード側電極触媒層を含む基材と、アノード側電極触媒層を含む基材とを準備した。そして、高分子電解質膜(ナフィオン(登録商標)211、Dupont社製)における一対の面に対し、触媒層付き基材が1つずつ各面に対向するように配置し、積層体を形成した。120℃、5MPaの条件で積層体をホットプレスすることによって、高分子電解質膜に2つの電極触媒層を接合した。次いで、各電極触媒層からPTFEフィルムを剥離することによって、実施例5の膜電極接合体を得た。
[Example 4]
A catalyst ink was prepared in the same manner as in Example 1. A coating film was formed by applying the catalyst ink to the surface of the PTFE film using a slit die coater. Next, the film was placed in a warm air oven at 80 degrees, and the coating film was dried until there was no tackiness of the coating film. This obtained the base material with a catalyst layer. A base material including a cathode side electrode catalyst layer and a base material including an anode side electrode catalyst layer were prepared. And it arrange | positioned so that a base material with a catalyst layer might face each surface one by one with respect to a pair of surface in a polymer electrolyte membrane (Nafion (trademark) 211, DuPont company make), and the laminated body was formed. Two electrode catalyst layers were joined to the polymer electrolyte membrane by hot pressing the laminate at 120 ° C. and 5 MPa. Subsequently, the membrane electrode assembly of Example 5 was obtained by peeling off the PTFE film from each electrode catalyst layer.

[実施例5]
触媒インクを調製するときに、カーボンナノファイバーの量を実施例1の3倍に変更した以外は、実施例1と同様の方法によって、実施例5の膜電極接合体を得た。
[Example 5]
A membrane / electrode assembly of Example 5 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount of carbon nanofibers was changed to 3 times that in Example 1 when preparing the catalyst ink.

[比較例1]
触媒インクを調製するときに、固形分比率を実施例1の3分の1とした以外は、実施例1と同様の方法によって、比較例1の膜電極接合体を得た。
[Comparative Example 1]
A membrane / electrode assembly of Comparative Example 1 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the solid content ratio was set to 1/3 of Example 1 when the catalyst ink was prepared.

[比較例2]
触媒インクを調製するときに、カーボンナノファイバーを添加しなかった以外は、実施例1と同様の方法によって、比較例2の膜電極接合体を得た。
[Comparative Example 2]
A membrane / electrode assembly of Comparative Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that carbon nanofibers were not added when preparing the catalyst ink.

[比較例3]
触媒インクを調製するときに、カーボンナノファイバーの量を実施例1の3分の1とした以外は、実施例1と同様の方法によって、比較例3の膜電極接合体を得た。
[Comparative Example 3]
A membrane electrode assembly of Comparative Example 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount of carbon nanofibers was set to one third of that in Example 1 when the catalyst ink was prepared.

[細孔容積分布]
細孔容積分布は、水銀圧入法により測定した。具体的には、高分子電解質膜における一方の面のみに電極触媒層が形成された膜電極接合体を用いて、自動ポロシメーター(マイクロメリティックス社製、オートポアIV9510)を用いて、細孔容積Vpを測定した。測定セルの容積は約5cmであり、水銀圧入の圧力を3kPaから400MPaまで昇圧した。これにより、各圧力における水銀の圧入量、つまり細孔容積Vpを得た。水銀圧入の圧力をWashbumの式を用いて細孔直径Dに換算し、細孔直径Dに対する細孔容積Vpの分布関数dVp/dlogDのプロットを作成した。なお、表面張力γを0.48N/mとし、かつ、接触角θを130°とした。このプロットが細孔容積分布であり、細孔容積分布の正規化を行った。
[Pore volume distribution]
The pore volume distribution was measured by mercury porosimetry. Specifically, the pore volume was determined using an automatic porosimeter (manufactured by Micromeritics, Autopore IV9510) using a membrane electrode assembly in which an electrode catalyst layer was formed only on one surface of the polymer electrolyte membrane. Vp was measured. The volume of the measurement cell was about 5 cm 3 , and the pressure of mercury intrusion was increased from 3 kPa to 400 MPa. Thereby, the amount of mercury injected at each pressure, that is, the pore volume Vp was obtained. The pressure of mercury intrusion was converted to the pore diameter D using the Washbum equation, and a plot of the distribution function dVp / dlogD of the pore volume Vp against the pore diameter D was created. The surface tension γ was 0.48 N / m, and the contact angle θ was 130 °. This plot is the pore volume distribution, and the pore volume distribution was normalized.

正規化後の細孔容積分布から最大容積Vmaxと最大容積直径Dmaxを検出した。なお、最大容積Vmaxは正規化後であるため1である。次に、細孔容積分布を用いて、特異細孔容積Vi、特異細孔直径Di、および、差分値(Vp−Vp1)を検出した。   The maximum volume Vmax and the maximum volume diameter Dmax were detected from the pore volume distribution after normalization. The maximum volume Vmax is 1 because it is after normalization. Next, the specific pore volume Vi, the specific pore diameter Di, and the difference value (Vp−Vp1) were detected using the pore volume distribution.

[電極触媒層の厚さ計測]
走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて電極触媒層の断面を観察することによって、電極触媒層の厚さを計測した。具体的には、電極触媒層の断面を、走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジー社製、FE-SEM S-4800)を用いて、1000倍の倍率で観察した。電極触媒層の断面における30カ所の観察点において電極触媒層の厚さを計測した。30カ所の観察点における厚さの平均値を電極触媒層の厚さとした。
[Measurement of electrode catalyst layer thickness]
The thickness of the electrode catalyst layer was measured by observing a cross section of the electrode catalyst layer using a scanning electron microscope (SEM). Specifically, the cross section of the electrode catalyst layer was observed at a magnification of 1000 times using a scanning electron microscope (manufactured by Hitachi High-Technology Corporation, FE-SEM S-4800). The thickness of the electrode catalyst layer was measured at 30 observation points in the cross section of the electrode catalyst layer. The average thickness at 30 observation points was taken as the thickness of the electrode catalyst layer.

[発電性能の測定]
発電性能の測定には、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)が刊行した小冊子である「セル評価解析プロトコル」に準拠する方法を用いた。膜電極接合体の各面に、ガス拡散層、ガスケット、および、セパレーターを配置し、所定の面圧となるように締め付けたJARI標準セルを評価用単セルとして用いた。そして、「セル評価解析プロトコル」に記載された方法に準拠してI‐V測定を実施した。このときの条件を標準条件に設定した。また、アノードの相対湿度とカソードの相対湿度とをRH100%としてI‐V測定を実施した。このときの条件を高湿条件に設定した。
[Measurement of power generation performance]
For the measurement of power generation performance, a method based on the “cell evaluation analysis protocol” which is a booklet published by the New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) was used. A JARI standard cell in which a gas diffusion layer, a gasket, and a separator are arranged on each surface of the membrane electrode assembly and tightened to a predetermined surface pressure was used as an evaluation single cell. And IV measurement was implemented based on the method described in the "cell evaluation analysis protocol." The conditions at this time were set as standard conditions. Further, IV measurement was performed with the relative humidity of the anode and the relative humidity of the cathode being 100% RH. The conditions at this time were set to high humidity conditions.

[耐久性の測定]
耐久性の測定には、発電性能の測定に用いた評価用単セルと同一の単セルを評価用単セルとして用いた。そして、上述した「セル評価解析プロトコル」に記載の湿度サイクル試験によって耐久性を測定した。
[Durability measurement]
For the durability measurement, the same single cell as the evaluation single cell used for the measurement of the power generation performance was used as the evaluation single cell. And durability was measured by the humidity cycle test as described in the above-mentioned "cell evaluation analysis protocol."

[比較結果]
実施例1から5、および、比較例1から3の膜電極接合体を備えた燃料電池のそれぞれの測定結果と、発電性能と、耐久性とを表1に示す。
[Comparison result]
Table 1 shows the measurement results, power generation performance, and durability of the fuel cells provided with the membrane electrode assemblies of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3.

発電性能において、標準条件では、単セルにおいて、電圧が0.6Vのときの電流が25A以上である場合を「○」に設定し、25A未満である場合を「×」に設定した。また、高湿条件では、単セルにおいて、電圧が0.6Vのときの電流が30A以上である場合を「○」に設定し、30A未満である場合を「×」に設定した。耐久性において、8000サイクル後の水素クロスリーク電流が初期値の10倍未満である場合を「○」に設定し、10倍以上である場合を「×」に設定した。   In terms of power generation performance, under standard conditions, the case where the current when the voltage was 0.6 V in the single cell was 25 A or more was set to “◯”, and the case where it was less than 25 A was set to “X”. Further, in the high humidity condition, in the single cell, the case where the current when the voltage was 0.6 V was 30 A or more was set to “◯”, and the case where it was less than 30 A was set to “X”. In terms of durability, the case where the hydrogen cross leak current after 8000 cycles was less than 10 times the initial value was set to “◯”, and the case where it was 10 times or more was set to “x”.

表1に示すように、実施例1から5のいずれも、細孔容積分布の最大容積直径Dmaxよりも小さい領域、かつ、細孔容積Vpが0.2以上となる領域に、条件を満たすショルダーピーク点(Vi,Di)が認められた。そして、高湿下での発電性能、および、耐久性が「○」であることが認められた。すなわち、実施例1から5においては、高湿下での発電性能、および、耐久性に優れた燃料電池を構成可能な膜電極接合体が得られた。   As shown in Table 1, in all of Examples 1 to 5, a shoulder that satisfies the conditions in a region smaller than the maximum volume diameter Dmax of the pore volume distribution and a region in which the pore volume Vp is 0.2 or more. Peak points (Vi, Di) were observed. It was confirmed that the power generation performance under high humidity and the durability were “◯”. That is, in Examples 1 to 5, membrane electrode assemblies capable of constituting a fuel cell excellent in power generation performance under high humidity and durability were obtained.

一方、比較例においては、比較例1から3のいずれも、細孔容積分布の最大容積直径Dmaxよりも小さい領域、かつ、細孔容積Vpが0.2以上となる領域にショルダーピーク点(Vi,Di)が認められなかった。そして、高湿下での発電性能について「×」であることが認められた。   On the other hand, in Comparative Examples, all of Comparative Examples 1 to 3 have shoulder peak points (Vi) in a region smaller than the maximum volume diameter Dmax of the pore volume distribution and a region in which the pore volume Vp is 0.2 or more. , Di) was not observed. It was confirmed that the power generation performance under high humidity was “x”.

言い換えれば、比較例1、3では、ショルダーピーク点(Vi,Di)が検出されず、また、比較例2では、最大容積Vmaxが触媒担体に由来したものであるから、細孔直径Dに対する細孔容積Vpの分布の不均一さが、高湿下で発電性能が向上される程度にまで至っていない。これに対して、実施例1から5では、ショルダーピーク点(Vi,Di)が検出されて、細孔直径Dに対する細孔容積Vpの分布の不均一さが、高湿下で発電性能が向上される程度に到達している。   In other words, in Comparative Examples 1 and 3, the shoulder peak point (Vi, Di) is not detected, and in Comparative Example 2, the maximum volume Vmax is derived from the catalyst support. The nonuniform distribution of the pore volume Vp has not reached the level where the power generation performance is improved under high humidity. In contrast, in Examples 1 to 5, the shoulder peak point (Vi, Di) is detected, and the nonuniform distribution of the pore volume Vp with respect to the pore diameter D improves the power generation performance under high humidity. Has been reached.

以上説明したように、電極触媒層、膜電極接合体、および、燃料電池の一実施形態によれば、以下に列挙する効果を得ることができる。
(1)細孔容積分布の中に、最大容積直径Dmaxよりも小さく、かつ、細孔容積Vpが0.2以上である領域に、ショルダーピーク点(Vi,Di)を有する場合には、電極触媒層12が十分なガス拡散性、および、排水性を備えるだけの空隙が含まれて、高湿下での発電性能が向上可能である。
As described above, according to one embodiment of the electrode catalyst layer, the membrane electrode assembly, and the fuel cell, the effects listed below can be obtained.
(1) When the pore volume distribution has a shoulder peak point (Vi, Di) in a region smaller than the maximum volume diameter Dmax and the pore volume Vp is 0.2 or more, the electrode The catalyst layer 12 includes gaps sufficient to provide sufficient gas diffusibility and drainage, and power generation performance under high humidity can be improved.

(2)特異細孔容積Viが0.3以上0.8以下である場合には、細孔容積分布が単調な正規分布形状となることをより効果的に抑えることができ、上記(1)に準じた効果が高められる。   (2) When the specific pore volume Vi is 0.3 or more and 0.8 or less, it is possible to more effectively suppress the pore volume distribution from becoming a monotonous normal distribution shape. The effect according to is enhanced.

(3)また、差分値(Vp−Vp1)が0.03以上である場合にも、細孔容積分布が単調な正規分布形状となることをより効果的に抑えることができ、上記(1)に準じた効果が高められる。   (3) Moreover, even when the difference value (Vp−Vp1) is 0.03 or more, the pore volume distribution can be more effectively suppressed from becoming a monotonous normal distribution shape, and the above (1) The effect according to is enhanced.

(4)特異細孔直径Diが0.03μm以上0.06μm以下である場合には、細孔が相対的に疎で大きい領域と、細孔が相対的に密で小さい領域との両立が図られて、上記(1)に準じた効果が高められる。   (4) When the specific pore diameter Di is not less than 0.03 μm and not more than 0.06 μm, both the relatively sparse and large pores and the relatively dense and small pores can be achieved. Thus, the effect according to the above (1) is enhanced.

(5)特異細孔直径Diと最大容積直径Dmaxとの差が、0.02μm以上0.07μm以下である場合には、標準的な環境下での発電性能を得ることに適した細孔の粗密差を得られる。   (5) When the difference between the specific pore diameter Di and the maximum volume diameter Dmax is 0.02 μm or more and 0.07 μm or less, pores suitable for obtaining power generation performance in a standard environment A density difference can be obtained.

10…膜電極接合体、11…高分子電解質膜、12…電極触媒層、12A…アノード側電極触媒層、12C…カソード側電極触媒層、13A…アノード側ガスケット、13C…カソード側ガスケット、21…触媒物質、22…導電性担体、23…高分子電解質、24…繊維状物質、30…固体高分子形燃料電池、30A…燃料極、30C…酸素極、31A…アノード側ガス拡散層、31C…カソード側ガス拡散層、32A…アノード側セパレーター、32Ag,32Cg…ガス流路、32Aw,32Cw…冷却水流路、32C…カソード側セパレーター。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Membrane electrode assembly, 11 ... Polymer electrolyte membrane, 12 ... Electrode catalyst layer, 12A ... Anode side electrode catalyst layer, 12C ... Cathode side electrode catalyst layer, 13A ... Anode side gasket, 13C ... Cathode side gasket, 21 ... Catalytic material, 22 ... conductive support, 23 ... polymer electrolyte, 24 ... fibrous material, 30 ... solid polymer fuel cell, 30A ... fuel electrode, 30C ... oxygen electrode, 31A ... anode side gas diffusion layer, 31C ... Cathode side gas diffusion layer, 32A ... anode side separator, 32Ag, 32Cg ... gas flow path, 32Aw, 32Cw ... cooling water flow path, 32C ... cathode side separator.

Claims (9)

固体高分子形燃料電池において固体電解質膜に接合する電極触媒層であって、
触媒物質と、
導電性担体と、
高分子電解質と、
繊維状物質を含み、
前記高分子電解質は、フッ素系高分子電解質であり、
前記電極触媒層に含まれる空隙のなかで、0.01μm以上1μm以下の直径を有する空隙が細孔であり、
水銀圧入法により得られる細孔直径に対する細孔容積の分布であって、前記細孔容積の最小値が0であり、かつ、前記細孔容積の最大値が1であるように前記細孔容積が正規化された分布において、
前記細孔容積が最大値であるときの細孔直径が最大容積直径であり、
前記細孔直径が前記最大容積直径よりも小さく、かつ、前記細孔容積が0.2以上である領域にショルダーピーク点を有する
電極触媒層。
An electrode catalyst layer bonded to a solid electrolyte membrane in a polymer electrolyte fuel cell,
A catalytic material,
A conductive carrier;
A polymer electrolyte;
Contains fibrous material,
The polymer electrolyte is a fluorine-based polymer electrolyte,
Among the voids included in the electrode catalyst layer, voids having a diameter of 0.01 μm or more and 1 μm or less are pores,
The pore volume distribution with respect to the pore diameter obtained by the mercury intrusion method, wherein the pore volume is such that the minimum value of the pore volume is 0 and the maximum value of the pore volume is 1. In the normalized distribution,
The pore diameter when the pore volume is the maximum value is the maximum volume diameter,
An electrode catalyst layer having a shoulder peak point in a region where the pore diameter is smaller than the maximum volume diameter and the pore volume is 0.2 or more.
前記ショルダーピーク点における細孔容積は、0.3以上0.8以下である
請求項1に記載の電極触媒層。
The electrode catalyst layer according to claim 1, wherein a pore volume at the shoulder peak point is 0.3 or more and 0.8 or less.
前記ショルダーピーク点における特異細孔直径は、0.03μm以上0.06μm以下である
請求項1または2に記載の電極触媒層。
The electrode catalyst layer according to claim 1 or 2, wherein a specific pore diameter at the shoulder peak point is 0.03 µm or more and 0.06 µm or less.
前記ショルダーピーク点における特異細孔直径と、前記最大容積直径との差が、0.02μm以上0.07μm以下である
請求項1から3のいずれか一項に記載の電極触媒層。
The electrode catalyst layer according to any one of claims 1 to 3, wherein a difference between the specific pore diameter at the shoulder peak point and the maximum volume diameter is 0.02 µm or more and 0.07 µm or less.
前記最大値を取るピークのガウス関数による近似曲線での前記ショルダーピーク点での特異細孔直径における細孔容積と、前記ショルダーピーク点における細孔容積との差分値が、0.03以上である
請求項1から4のいずれか一項に記載の電極触媒層。
The difference value between the pore volume at the specific pore diameter at the shoulder peak point and the pore volume at the shoulder peak point in the approximate curve by the Gaussian function of the peak taking the maximum value is 0.03 or more. The electrode catalyst layer according to any one of claims 1 to 4.
前記繊維状物質は、電子伝導性繊維、および、プロトン伝導性繊維から選択される一種または二種以上の繊維状物質を含み、
前記電子伝導性繊維は、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構成される群から選択される少なくとも一種を含む
請求項1から5のいずれか一項に記載の電極触媒層。
The fibrous material includes one or more fibrous materials selected from electron conductive fibers and proton conductive fibers,
The electrode catalyst layer according to any one of claims 1 to 5, wherein the electron conductive fiber includes at least one selected from the group consisting of carbon nanofibers, carbon nanotubes, and transition metal-containing fibers.
前記遷移金属含有繊維は、Ta、Nb、Ti、および、Zrから構成される群から選択される少なくとも一つの遷移金属元素を含む
請求項6に記載の電極触媒層。
The electrocatalyst layer according to claim 6, wherein the transition metal-containing fiber includes at least one transition metal element selected from the group consisting of Ta, Nb, Ti, and Zr.
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜において対向する2つの面の少なくとも一方に接合された電極触媒層と、を備え、
前記電極触媒層が、請求項1から7のいずれか一項に記載の電極触媒層である
膜電極接合体。
A solid polymer electrolyte membrane;
An electrode catalyst layer bonded to at least one of two opposing surfaces of the solid polymer electrolyte membrane,
The membrane electrode assembly, wherein the electrode catalyst layer is the electrode catalyst layer according to any one of claims 1 to 7.
請求項8に記載の膜電極接合体を備える固体高分子形燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 8.
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