JP2020136216A - Method of manufacturing catalytic ink - Google Patents

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一臣 山西
Kazutomi Yamanishi
一臣 山西
秋田 靖浩
Yasuhiro Akita
靖浩 秋田
森 崇
Takashi Mori
崇 森
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Abstract

To provide a method of manufacturing a catalytic ink capable of easily manufacturing a catalytic ink having a viscosity comparable to that of a conventional one.SOLUTION: The method for manufacturing a catalytic ink includes: a step of preparing a catalyst dispersion containing catalyst-supported particles, a highly oxygen-permeable ionomer, and a solvent; and a step of applying a shear treatment to the catalyst dispersion using a centrifugal disc-type high-speed agitator.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、燃料電池電極用の触媒インクの製造方法に関する。 The present disclosure relates to a method for producing a catalyst ink for a fuel cell electrode.

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池として固体高分子型燃料電池がエネルギー源として注目されている。固体高分子型燃料電池では、一般に、電解質膜である固体高分子電解質の両面に、それぞれ、触媒層からなる電極(空気極及び燃料極)を接合してなる膜電極接合体(「燃料極−固体高分子電解質膜−空気極」)(MEAともいう)が配置される。 A solid polymer fuel cell is attracting attention as an energy source as a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas. In a polymer electrolyte fuel cell, a membrane electrode assembly (“fuel electrode-”” generally formed by bonding electrodes (air electrode and fuel electrode) composed of a catalyst layer to both sides of a solid polymer electrolyte, which is an electrolyte membrane, respectively. A solid polymer electrolyte membrane-air electrode ") (also called MEA) is arranged.

各電極は、触媒層から形成され、触媒層は、触媒層中に含まれる電極触媒によって電極反応をおこなわせるための層である。電極反応を進行させるためには、電解質、触媒及び反応ガスの三相が共存する三相界面が必要であることから、触媒層は、一般に、触媒及び電解質を含む。 Each electrode is formed from a catalyst layer, and the catalyst layer is a layer for causing an electrode reaction by an electrode catalyst contained in the catalyst layer. The catalyst layer generally includes a catalyst and an electrolyte because a three-phase interface in which the three phases of the electrolyte, the catalyst and the reaction gas coexist is required to allow the electrode reaction to proceed.

膜電極接合体において、各電極は、電解質膜の表面に、触媒インクを塗布して乾燥させることによって形成される。この触媒インクは、一般に、触媒、プロトン(H)伝導性を有する電解質、並びに触媒及び電解質を分散させる分散溶媒を含んでいる。 In the membrane electrode assembly, each electrode is formed by applying a catalyst ink to the surface of the electrolyte membrane and drying it. The catalyst ink generally contains a catalyst, a proton (H + ) conductive electrolyte, and a dispersion solvent that disperses the catalyst and the electrolyte.

例えば、特許文献1には、触媒電極の形成に用いられる触媒インクの製造方法であって、
(a)触媒が担持された導電性粒子である触媒担持粒子を溶媒に分散させて触媒分散液を生成する工程と、
(b)アイオノマーと揮発性溶媒とを混合してゲル体を作成する工程と、
(c)前記触媒分散液と、前記ゲル体とを攪拌混合して触媒インクを作成する工程と、を備える、製造方法が記載されている。
For example, Patent Document 1 describes a method for producing a catalyst ink used for forming a catalyst electrode.
(A) A step of dispersing catalyst-supported particles, which are conductive particles on which a catalyst is supported, in a solvent to generate a catalyst dispersion liquid.
(B) A step of mixing an ionomer and a volatile solvent to prepare a gel body, and
(C) A manufacturing method including a step of stirring and mixing the catalyst dispersion liquid and the gel body to prepare a catalyst ink is described.

国際公開公報2013/031060号International Publication No. 2013/031060

特許文献1には、上記方法によれば、触媒電極の性能を向上させることができる触媒インクを提供することができると記載されている。しかし、特許文献1の方法では、アイオノマーをゲル状にするためのゲル化工程が必要となり、そのような工程は製造スペースの拡大やコストの増加に繋がる。それゆえ、ゲル化工程等の複雑な工程が不要であり、従来と同等の粘性を有する触媒インクを製造する方法が求められている。 Patent Document 1 describes that according to the above method, it is possible to provide a catalyst ink capable of improving the performance of the catalyst electrode. However, the method of Patent Document 1 requires a gelling step for gelling the ionomer, and such a step leads to an expansion of the manufacturing space and an increase in cost. Therefore, a complicated step such as a gelling step is not required, and a method for producing a catalyst ink having the same viscosity as the conventional one is required.

そこで、本開示の目的は、従来と同等の粘性を有する触媒インクを容易に製造することができる触媒インクの製造方法を提供することである。 Therefore, an object of the present disclosure is to provide a method for producing a catalyst ink, which can easily produce a catalyst ink having the same viscosity as the conventional one.

本実施形態の態様例は以下の通りである。 An example of the embodiment of this embodiment is as follows.

(1) 触媒担持粒子と、高酸素透過性アイオノマーと、溶媒とを含む触媒分散液を調製する工程と、
遠心ディスク型高速撹拌器を用いて触媒分散液にせん断処理を施し、触媒インクを調製する工程と、
を含む、触媒インクの製造方法。
(2) せん断処理におけるせん断速度が、1.0×10〜5.5×10[1/s]である、(1)に記載の触媒インクの製造方法。
(3) 得られる触媒インクのせん断粘度が、35〜110[mPa・s]である、(1)又は(2)に記載の触媒インクの製造方法。
(4) せん断処理におけるクリアランスが、0.3mm以下である、(1)〜(3)のいずれか1つに記載の触媒インクの製造方法。
(5) 高酸素透過性アイオノマーが、高真空法にて温度100℃の条件で測定した酸素透過係数が1×10−12〔cm(Normal)・cm/cm・s・Pa〕以上であり且つ100℃の酸素/窒素分離係数が2.5以上であるポリマーである、(1)〜(4)のいずれか1つに記載の触媒インクの製造方法。
(6) 触媒担持粒子を溶媒中に分散させた溶液に、高酸素透過性アイオノマーを添加することにより触媒分散液を調製する、(1)〜(5)のいずれか1つに記載の触媒インクの製造方法。
(7) せん断処理後に、濾過処理及び/又は脱泡処理を含む、(1)〜(6)のいずれか1つに記載の触媒インクの製造方法。
(1) A step of preparing a catalyst dispersion containing catalyst-supporting particles, a highly oxygen-permeable ionomer, and a solvent.
The process of preparing the catalyst ink by shearing the catalyst dispersion using a centrifugal disk type high-speed stirrer.
A method for producing a catalytic ink, including.
(2) The method for producing a catalyst ink according to (1), wherein the shear rate in the shearing treatment is 1.0 × 10 5 to 5.5 × 10 5 [1 / s].
(3) The method for producing a catalyst ink according to (1) or (2), wherein the obtained catalyst ink has a shear viscosity of 35 to 110 [mPa · s].
(4) The method for producing a catalyst ink according to any one of (1) to (3), wherein the clearance in the shearing treatment is 0.3 mm or less.
(5) The oxygen permeability coefficient of the high oxygen permeable ionomer measured by the high vacuum method at a temperature of 100 ° C. is 1 × 10 -12 [cm 3 (Normal) · cm / cm 2 · s · Pa] or more. The method for producing a catalyst ink according to any one of (1) to (4), which is a polymer having an oxygen / nitrogen separation coefficient at 100 ° C. of 2.5 or more.
(6) The catalyst ink according to any one of (1) to (5), wherein a catalyst dispersion is prepared by adding a high oxygen permeable ionomer to a solution in which catalyst-supporting particles are dispersed in a solvent. Manufacturing method.
(7) The method for producing a catalyst ink according to any one of (1) to (6), which comprises a filtration treatment and / or a defoaming treatment after the shearing treatment.

本開示により、従来と同等の粘性を有する触媒インクを容易に製造することができる触媒インクの製造方法を提供することができる。 The present disclosure can provide a method for producing a catalyst ink, which can easily produce a catalyst ink having the same viscosity as the conventional one.

本実施形態に係る製造方法の工程を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the process of the manufacturing method which concerns on this Embodiment. 本実施形態に係る製造方法で使用する遠心ディスク型高速撹拌器の構成例を説明するための模式的概略図である。It is a schematic schematic diagram for demonstrating the structural example of the centrifugal disk type high-speed stirrer used in the manufacturing method which concerns on this embodiment. 実施例1の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of Example 1. FIG. 実施例2〜5の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of Examples 2-5.

本実施形態に係る触媒インクの製造方法は、触媒担持粒子と、高酸素透過性アイオノマーと、溶媒とを含む触媒分散液を調製する工程と、遠心ディスク型高速撹拌器を用いて触媒分散液にせん断処理を施し、触媒インクを調製する工程と、を含む。 The method for producing the catalyst ink according to the present embodiment is a step of preparing a catalyst dispersion containing catalyst-supporting particles, a high oxygen permeable ionomer, and a solvent, and using a centrifugal disk type high-speed stirrer to prepare the catalyst dispersion. Includes a step of shearing and preparing a catalytic ink.

図1は、本実施形態に係る製造方法の工程を説明するための模式図である。まず、触媒担持粒子と、高酸素透過性アイオノマーと、溶媒とを混合し、触媒分散液を調製する。そして、得られた触媒分散液を、遠心ディスク型高速撹拌器を用いてせん断処理し、触媒インクを調製する。このせん断処理により、触媒分散液のせん断粘度を増加させることができる。そのため、本実施形態に係る触媒インクの製造方法により、従来と同等の粘性を有する触媒インクを容易に製造することができる。 FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the process of the manufacturing method according to the present embodiment. First, the catalyst-supported particles, the highly oxygen-permeable ionomer, and the solvent are mixed to prepare a catalyst dispersion. Then, the obtained catalyst dispersion is sheared using a centrifugal disk type high-speed stirrer to prepare a catalyst ink. By this shearing treatment, the shear viscosity of the catalyst dispersion can be increased. Therefore, according to the method for producing a catalyst ink according to the present embodiment, a catalyst ink having the same viscosity as the conventional one can be easily produced.

以下、本実施形態について説明する。 Hereinafter, the present embodiment will be described.

(1)触媒分散液調製工程
本実施形態に係る製造方法は、触媒担持粒子と、高酸素透過性アイオノマーと、溶媒とを含む触媒分散液を調製する工程(触媒分散液調製工程)を含む。
(1) Catalyst dispersion preparation step The production method according to the present embodiment includes a step of preparing a catalyst dispersion containing catalyst-supporting particles, a highly oxygen-permeable ionomer, and a solvent (catalyst dispersion preparation step).

触媒担持粒子は、触媒が担持された導電性粒子である。触媒担持粒子の担体(導電性粒子)としては、当該技術分野で公知の担体を使用することができ、限定されるものではないが、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー等の炭素材料、又は炭化ケイ素等の炭素化合物等を使用することができる。カーボンブラックとしては、例えば、アセチレンブラック系カーボンブラック(ケッチェン等)、ファーネスブラック系カーボンブラック(バルカン等)等が挙げられる。担体としては、アセチレンブラック系カーボンブラックが好ましい。 The catalyst-supported particles are conductive particles on which a catalyst is supported. As the carrier (conductive particles) of the catalyst-supported particles, a carrier known in the art can be used, and the carrier is not limited, but is, for example, a carbon material such as carbon black, carbon nanotube, or carbon nanofiber. , Or a carbon compound such as silicon carbide can be used. Examples of the carbon black include acetylene black-based carbon black (Gepanzerter Manns, etc.), furnace black-based carbon black (Vulcan, etc.) and the like. As the carrier, acetylene black-based carbon black is preferable.

担体に担持されている触媒は、MEAの電極での反応
空気極(カソード):O+4H+4e→2H
燃料極(アノード):2H→4H+4e
において触媒作用を示すものであれば限定されるものではなく、当該技術分野で公知の金属触媒を使用することができる。触媒としては、限定されるものではないが、例えば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウム等を使用することができる。また、白金合金としては、例えば、白金と、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、チタン、鉛のうちの少なくとも一種との合金、例えば白金コバルト等が挙げられる。触媒としては、白金が好ましい。
The catalyst supported on the carrier is the reaction at the electrode of MEA. Air electrode (cathode): O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O
Fuel electrode (anode): 2H 2 → 4H + + 4e
The metal catalyst known in the art can be used without limitation as long as it exhibits a catalytic action. As the catalyst, for example, platinum, platinum alloy, palladium, rhodium, gold, silver, osmium, iridium and the like can be used without limitation. Examples of platinum alloys include platinum and aluminum, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, gallium, zirconium, molybdenum, ruthenium, rhodium, palladium, vanadium, tungsten, rhenium, osmium, iridium, titanium, and lead. An alloy with at least one of them, for example, platinum cobalt and the like can be mentioned. Platinum is preferable as the catalyst.

触媒担持粒子としては、好ましくは、白金担持炭素粒子、白金・ルテニウム担持炭素粒子、又はニッケル担持炭素粒子等が挙げられる。 Preferred examples of the catalyst-supported particles include platinum-supported carbon particles, platinum / ruthenium-supported carbon particles, and nickel-supported carbon particles.

触媒担持粒子は、当該技術分野で公知の方法により製造することができる。 The catalyst-supported particles can be produced by a method known in the art.

触媒の含有量は、触媒担持粒子の総質量に基づいて、通常1質量%〜60質量%、好ましくは10質量%〜50質量%である。 The content of the catalyst is usually 1% by mass to 60% by mass, preferably 10% by mass to 50% by mass, based on the total mass of the catalyst-supporting particles.

触媒担持粒子の含有量は、触媒分散液の総質量に基づいて、通常3質量%〜20質量%、好ましくは5質量%〜15質量%である。 The content of the catalyst-supported particles is usually 3% by mass to 20% by mass, preferably 5% by mass to 15% by mass, based on the total mass of the catalyst dispersion.

本実施形態では、イオン電導性を有するポリマーとして、高酸素透過性アイオノマーを用いる。高酸素透過性アイオノマーは、好ましくは、高真空法にて温度100℃の条件で測定した酸素透過係数が1×10−12〔cm(Normal)・cm/cm・s・Pa〕以上であり且つ100℃の酸素/窒素分離係数が2.5以上であるポリマーである。高酸素透過性アイオノマーの酸素透過係数が1×10−12〔cm(Normal)・cm/cm・s・Pa〕以上である場合、反応場における酸素濃度が高くなり、反応が進行しやすくなる。なお、高酸素透過性アイオノマーの酸素透過係数の上限は特に限定されないが、通常は5×10−11〔cm(Normal)・cm/cm・s・Pa〕未満である。また、高酸素透過性アイオノマーの100℃の酸素/窒素分離係数が2.5以上である場合、反応場における酸素濃度が充分に高まり、発電特性が向上する。 In this embodiment, a highly oxygen permeable ionomer is used as the polymer having ionic conductivity. The high oxygen permeable ionomer preferably has an oxygen permeability coefficient of 1 × 10 -12 [cm 3 (Normal) · cm / cm 2 · s · Pa] or more measured under the condition of a temperature of 100 ° C. by a high vacuum method. It is a polymer having an oxygen / nitrogen separation coefficient of 2.5 or more at 100 ° C. When the oxygen permeability coefficient of the highly oxygen permeable ionomer is 1 × 10-12 [cm 3 (Normal) · cm / cm 2 · s · Pa] or more, the oxygen concentration in the reaction field becomes high and the reaction easily proceeds. Become. The upper limit of the oxygen permeability coefficient of the highly oxygen permeable ionomer is not particularly limited, but is usually less than 5 × 10-11 [cm 3 (Normal) · cm / cm 2 · s · Pa]. Further, when the oxygen / nitrogen separation coefficient of the high oxygen permeable ionomer at 100 ° C. is 2.5 or more, the oxygen concentration in the reaction field is sufficiently increased and the power generation characteristics are improved.

高酸素透過性アイオノマーの酸素透過係数は、固体高分子電解質ポリマーから作製したキャスト膜をガス透過測定装置にセットし、高真空法に基づいて温度100℃の条件で測定したキャスト膜の酸素透過係数である。 The oxygen permeability coefficient of the high oxygen permeability ionomer is the oxygen permeability coefficient of the cast membrane measured at a temperature of 100 ° C. based on the high vacuum method by setting a cast membrane made from a solid polymer electrolyte polymer in a gas permeability measuring device. Is.

高酸素透過性アイオノマーの100℃の酸素/窒素分離係数は、固体高分子電解質ポリマーから作製したキャスト膜をガス透過測定装置にセットし、高真空法に基づいて温度100℃の条件で測定したキャスト膜の酸素透過係数と窒素透過係数との比である。 The oxygen / nitrogen separation coefficient of the high oxygen permeable ionomer at 100 ° C is obtained by setting a cast membrane made of a solid polymer electrolyte polymer in a gas permeation measuring device and measuring the cast at a temperature of 100 ° C based on the high vacuum method. It is the ratio of the oxygen permeation coefficient and the nitrogen permeation coefficient of the membrane.

高酸素透過性アイオノマーの質量平均分子量は、好ましくは1×10〜1×10であり、より好ましくは5×10〜5×10であり、さらに好ましくは1×10〜3×10である。 The weight average molecular weight of the high oxygen permeability ionomer is preferably 1 × 10 4 ~1 × 10 7 , more preferably an 5 × 10 4 ~5 × 10 6 , more preferably 1 × 10 5 ~3 × 10 is a 6.

高酸素透過性アイオノマーの含有量は、触媒分散液の総質量に基づいて、通常3質量%〜20質量%、好ましくは5質量%〜15質量%である。 The content of the highly oxygen permeable ionomer is usually 3% by mass to 20% by mass, preferably 5% by mass to 15% by mass, based on the total mass of the catalyst dispersion.

溶媒としては、例えば、水又はアルコール等が挙げられる。アルコールとしては、例えば、脂肪族アルコール(例えばメタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール)等が挙げられる。溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。溶媒としては、水とアルコール(特に1−プロパノール)の混合溶媒が好ましい。水とアルコールの混合溶媒では、水とアルコールの混合比(水:アルコール)は、質量比で、通常40:60〜95:5、好ましくは60:40〜80:20である。 Examples of the solvent include water, alcohol and the like. Examples of the alcohol include aliphatic alcohols (for example, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol) and the like. As the solvent, one type may be used alone, or two or more types may be used in combination. As the solvent, a mixed solvent of water and alcohol (particularly 1-propanol) is preferable. In the mixed solvent of water and alcohol, the mixing ratio of water and alcohol (water: alcohol) is usually 40:60 to 95: 5, preferably 60:40 to 80:20 in terms of mass ratio.

その他のインクの製造に必要な材料については、目的とするインクの粘度や濃度等に応じて常法に従い決定することができる。 The materials required for producing other inks can be determined according to a conventional method according to the viscosity and concentration of the target ink.

触媒分散液調製工程において、具体的には、触媒担持粒子を溶媒中に分散させた溶液に、高酸素透過性アイオノマーを添加することにより触媒分散液を調製することができる。 In the catalyst dispersion preparation step, specifically, a catalyst dispersion can be prepared by adding a high oxygen permeable ionomer to a solution in which catalyst-supporting particles are dispersed in a solvent.

各材料は、十分に混合されて均一に分散される。材料の混合には、例えば、連続式二軸混練機、バッチ式混練機、圧力式ホモジナイザー、ビーズミル、超音波振動装置等を用いることができる。 Each material is well mixed and evenly dispersed. For mixing the materials, for example, a continuous twin-screw kneader, a batch kneader, a pressure homogenizer, a bead mill, an ultrasonic vibration device, or the like can be used.

(2)せん断処理工程
本実施形態に係る製造方法は、遠心ディスク型高速撹拌器を用いて触媒分散液にせん断処理を施し、触媒インクを調製する工程(せん断処理工程)を含む。
(2) Shearing Step The manufacturing method according to the present embodiment includes a step (shearing step) of preparing a catalyst ink by subjecting the catalyst dispersion to a shearing treatment using a centrifugal disk type high-speed stirrer.

せん断処理工程では、遠心ディスク型高速撹拌器を用いて、上述の触媒分散液をせん断する。遠心ディスク型高速撹拌器を用いることにより、遠心ディスク、加圧衝突、薄膜旋回等による高せん断力を触媒分散液に付与することができ、スラリーのせん断粘度を増加させることができる。また、高せん断力の付与により、高酸素透過性アイオノマーを触媒担持粒子に絡ませることができる。 In the shearing process, the above-mentioned catalyst dispersion is sheared using a centrifugal disk type high-speed stirrer. By using the centrifugal disk type high-speed stirrer, a high shearing force due to the centrifugal disk, pressure collision, thin film swirling, etc. can be applied to the catalyst dispersion, and the shear viscosity of the slurry can be increased. Further, by applying a high shearing force, a high oxygen permeable ionomer can be entangled with the catalyst-supported particles.

図2は、遠心ディスク型高速撹拌器の構成例を示す概略図である。この攪拌装置100は、容器110と、ディスク120とを備える。容器110内部の上壁面111には、せん断処理対象である触媒分散液を容器110内に供給するための供給口130が配置されている。また、容器110の底部には排出口140が配置されている。この排出口140を供給配管130と接続することにより、連続的に触媒分散液を処理することも可能である。 FIG. 2 is a schematic view showing a configuration example of a centrifugal disc type high-speed stirrer. The stirring device 100 includes a container 110 and a disk 120. On the upper wall surface 111 inside the container 110, a supply port 130 for supplying the catalyst dispersion liquid to be sheared into the container 110 is arranged. Further, a discharge port 140 is arranged at the bottom of the container 110. By connecting the discharge port 140 to the supply pipe 130, it is possible to continuously process the catalyst dispersion liquid.

ディスク120は、駆動モータ160により回転軸150を介して高速回転される。ディスク120と容器110内部の上壁面111の間には、クリアランスが設けられており、このクリアランスが狭い程、せん断力が大きくなる。また、ディスクの回転数が多い程、せん断力が大きくなる。 The disk 120 is rotated at high speed by the drive motor 160 via the rotating shaft 150. A clearance is provided between the disk 120 and the upper wall surface 111 inside the container 110, and the narrower the clearance, the greater the shearing force. Further, the higher the rotation speed of the disk, the larger the shearing force.

遠心ディスク型高速撹拌器は、遠心力を利用した中空旋回薄膜撹拌により均一で高いせん断力を与えるものであり、例えば、商品名「ディスパライザー」(新東工業株式会社製)等が挙げられる。 The centrifugal disk type high-speed stirrer gives a uniform and high shearing force by stirring a hollow swirling thin film using centrifugal force, and examples thereof include the trade name "Disparizer" (manufactured by Shinto Kogyo Co., Ltd.).

触媒インクの狙いせん断粘度は、せん断速度が562[1/s]である条件で測定した場合、35mPa・s〜110mPa・sであることが好ましい。このせん断粘度を得る観点から、せん断速度を1.0×10〜5.5×10[1/s]に設定することが好ましく、1.1×10〜5.2×10[1/s]に設定することがより好ましく、1.2×10〜5.0×10[1/s]に設定することがさらに好ましい。せん断速度が1.0×10[1/s]未満である場合、狙いのせん断粘度まで粘性が上昇しない場合がある。また、せん断速度が5.5×10[1/s]を超える場合、狙いのせん断粘度を超える粘性が得られる場合があり、これは塗工不具合の原因となる。 The target shear viscosity of the catalyst ink is preferably 35 mPa · s to 110 mPa · s when measured under the condition that the shear rate is 562 [1 / s]. From the viewpoint of obtaining this shear viscosity, it is preferable to set the shear rate to 1.0 × 10 5 to 5.5 × 10 5 [1 / s], and 1.1 × 10 5 to 5.2 × 10 5 [ It is more preferable to set it to [1 / s], and it is further preferable to set it to 1.2 × 10 5 to 5.0 × 10 5 [1 / s]. If the shear rate is less than 1.0 × 10 5 [1 / s ], there are cases where the viscosity does not rise to the shear viscosity of the aim. Further, if the shear rate exceeds 5.5 × 10 5 [1 / s ], there are cases where the viscosity exceeding the shear viscosity of the aim obtained which causes the coating defect.

ディスクの回転数は、所望のせん断速度及びクリアランスを考慮して、適宜選択することができる。具体的には、ディスクの回転速度は、例えば、1,000〜36,000rpmの中から適宜選択することができる。参考として、クリアランスが0.05mmの場合、回転数を1,000〜5,000rpmに設定することで、得られる触媒インクのせん断粘度が35mPa・s〜110mPa・s(562[1/s])の範囲に収まることが確認されている。また、クリアランスが0.3mmの場合、回転数を8,000〜36,000rpmに設定することで、得られる触媒インクのせん断粘度が35mPa・s〜110mPa・s(562[1/s])の範囲に収まることが確認されている。 The rotation speed of the disc can be appropriately selected in consideration of the desired shear rate and clearance. Specifically, the rotation speed of the disc can be appropriately selected from, for example, 1,000 to 36,000 rpm. As a reference, when the clearance is 0.05 mm, the shear viscosity of the obtained catalyst ink is 35 mPa · s to 110 mPa · s (562 [1 / s]) by setting the rotation speed to 1,000 to 5,000 rpm. It has been confirmed that it falls within the range of. When the clearance is 0.3 mm, the shear viscosity of the obtained catalyst ink is 35 mPa · s to 110 mPa · s (562 [1 / s]) by setting the rotation speed to 8,000 to 36,000 rpm. It has been confirmed that it falls within the range.

クリアランスは、0.3mm以下であることが好ましい。クリアランスが0.3mmを超えると、触媒担持粒子の凝集を解砕し難くなり、発電性能がばらつく可能性がある。 The clearance is preferably 0.3 mm or less. If the clearance exceeds 0.3 mm, it becomes difficult to crush the agglomeration of the catalyst-supported particles, and the power generation performance may vary.

せん断処理後に、濾過処理及び/又は脱泡処理を含んでもよい。 After the shearing treatment, a filtration treatment and / or a defoaming treatment may be included.

以上の工程により得られた触媒インクを使用して、燃料電池電極用触媒層を、当該技術分野で公知の方法により、例えば以下のように製造することができる。触媒インクを、ドクターブレード法、スプレー法、スクリーン印刷法、グラビアコーティング法、ダイ塗工法、インクジェット法等の塗布(塗工)方法により、電解質膜に一定の厚さで塗布し、乾燥する。 Using the catalyst ink obtained in the above steps, the catalyst layer for a fuel cell electrode can be produced by a method known in the art, for example, as follows. The catalyst ink is applied to the electrolyte film to a certain thickness by a coating method such as a doctor blade method, a spray method, a screen printing method, a gravure coating method, a die coating method, or an inkjet method, and dried.

得られた燃料電池電極用触媒層は、固体高分子形燃料電池等の各種電気化学デバイスのMEAに含まれる空気極及び/又は燃料極として使用することができる。 The obtained catalyst layer for fuel cell electrodes can be used as an air electrode and / or a fuel electrode contained in the MEA of various electrochemical devices such as polymer electrolyte fuel cells.

以下、本実施形態を実施例により説明する。なお、本実施形態は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, this embodiment will be described with reference to Examples. The present embodiment is not limited to the following examples.

[実施例]
触媒担持粒子(白金担持カーボン)を溶媒(水及びエタノールの混合溶媒)中に分散させた溶液に、高酸素透過性アイオノマー含有溶液を添加して混合し、触媒分散液を調製した。触媒分散液のせん断粘度は、20[mPa・s](562[1/s])であった。
[Example]
A highly oxygen-permeable ionomer-containing solution was added to a solution in which catalyst-supported particles (platinum-supported carbon) were dispersed in a solvent (mixed solvent of water and ethanol) and mixed to prepare a catalyst dispersion. The shear viscosity of the catalyst dispersion was 20 [mPa · s] (562 [1 / s]).

次に、遠心ディスク型高速撹拌器「ディスパライザー」(新東工業株式会社製、型式:CDMX−150TH、ディスク径:80mm)を用いて、上記触媒分散液に下記表1に記載の条件で高せん断力を付加した。得られた触媒インクのせん断粘度も下記表1に示す。 Next, using a centrifugal disk type high-speed stirrer "Disparizer" (manufactured by Shinto Kogyo Co., Ltd., model: CDMX-150TH, disk diameter: 80 mm), the above catalyst dispersion was charged under the conditions shown in Table 1 below. Shear force was applied. The shear viscosities of the obtained catalyst ink are also shown in Table 1 below.

また、図3に、上記触媒分散液のせん断粘度(処理前)と、実施例1で得られた触媒インクのせん断粘度(処理後)を示すグラフを示す。また、図4に、実施例2〜5について、縦軸に回転数、横軸にクリアランスをプロットしたグラフを示す。 Further, FIG. 3 shows a graph showing the shear viscosity of the catalyst dispersion (before treatment) and the shear viscosity of the catalyst ink obtained in Example 1 (after treatment). Further, FIG. 4 shows a graph in which the number of revolutions is plotted on the vertical axis and the clearance is plotted on the horizontal axis for Examples 2 to 5.

これらの実施例により、本実施形態の構成とすることで、従来と同等の粘性(35mPa・s〜110mPa・s)を有する触媒インクを容易に製造することができることがわかる。また、35mPa・s〜110mPa・s(規格範囲)のせん断粘度を有する触媒インクを得る観点から、せん断速度を1.0×10〜5.5×10[1/s]に設定することが好ましいことがわかる。 From these examples, it can be seen that the catalyst ink having the same viscosity as the conventional one (35 mPa · s to 110 mPa · s) can be easily produced by the configuration of the present embodiment. Further, from the viewpoint of obtaining a catalyst ink having a shear viscosity of 35 mPa · s to 110 mPa · s (standard range), the shear rate should be set to 1.0 × 10 5 to 5.5 × 10 5 [1 / s]. Is preferable.

100 遠心ディスク型高速撹拌器
110 容器
111 上壁面
120 ディスク
130 供給口
140 排出口
150 回転軸
160 駆動モータ
100 Centrifugal disk type high-speed agitator 110 Container 111 Upper wall surface 120 Disk 130 Supply port 140 Discharge port 150 Rotating shaft 160 Drive motor

Claims (1)

触媒担持粒子と、高酸素透過性アイオノマーと、溶媒とを含む触媒分散液を調製する工程と、
遠心ディスク型高速撹拌器を用いて触媒分散液にせん断処理を施し、触媒インクを調製する工程と、
を含む、触媒インクの製造方法。
A step of preparing a catalyst dispersion containing catalyst-supported particles, a highly oxygen-permeable ionomer, and a solvent, and
The process of preparing the catalyst ink by shearing the catalyst dispersion using a centrifugal disk type high-speed stirrer.
A method for producing a catalytic ink, including.
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