JP2020145074A - Catalyst ink and catalyst layer - Google Patents

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Abstract

To provide a catalyst ink which can suppress the occurrence of cracking when being dried, and a catalyst layer prepared by use thereof.SOLUTION: A catalyst ink comprises: a catalyst carrier carbon; an ionomer; a nonion-based surfactant of which the HLB value is 16 or larger and smaller than 20; water; and alcohol of which the boiling point is 120°C or under. In the catalyst ink, the content of the nonion-based surfactant (the percentage of a weight of the nonion-based surfactant to a total weight of solid components included in the catalyst ink) is 1 wt% or more and 25 wt% or less. A catalyst layer comprises: a catalyst carrier carbon; an ionomer; and a nonion-based surfactant of which the HLB value is 16 or larger and smaller than 20. In the catalyst layer, the content of the nonion-based surfactant is 2 wt% or more and 25 wt% or less.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、触媒インク及び触媒層に関し、さらに詳しくは、乾燥時におけるクラックを抑制することが可能な触媒インク、及びこれを用いて作製された触媒層に関する。 The present invention relates to a catalyst ink and a catalyst layer, and more particularly to a catalyst ink capable of suppressing cracks during drying, and a catalyst layer produced by using the catalyst ink.

固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に触媒層を含む電極が接合された膜電極接合体(MEA)を基本単位とする。また、固体高分子形燃料電池において、電極は、一般に、拡散層と触媒層の二層構造をとる。拡散層は、触媒層に反応ガス及び電子を供給するためのものであり、カーボンペーパー、カーボンクロス等が用いられる。また、触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、一般に、白金等の電極触媒を担持したカーボンと固体高分子電解質(触媒層アイオノマ)との複合体からなる。 The polymer electrolyte fuel cell has a membrane electrode assembly (MEA) in which electrodes including catalyst layers are bonded to both sides of a solid polymer electrolyte membrane as a basic unit. Further, in a polymer electrolyte fuel cell, the electrode generally has a two-layer structure of a diffusion layer and a catalyst layer. The diffusion layer is for supplying reaction gas and electrons to the catalyst layer, and carbon paper, carbon cloth, or the like is used. The catalyst layer is a portion that serves as a reaction field for the electrode reaction, and is generally composed of a composite of carbon carrying an electrode catalyst such as platinum and a solid polymer electrolyte (catalyst layer ionomer).

固体高分子形燃料電池の電極の作製において、白金を担持させた導電性の担体とアイオノマとを含む触媒インクが用いられる。白金は高価であるため、使用量を少なくすることが望まれる。しかし、白金の使用量を少なくすると、燃料電池の発電性能が低下するという問題がある。そこで、発電性能の低下を抑制するために、特許文献1には、高い酸素透過性を有するアイオノマ(脂肪族環構造を備えた含フッ素イオン交換樹脂)を使用する技術が開示されている。 In the fabrication of electrodes for polymer electrolyte fuel cells, catalytic inks containing a conductive carrier carrying platinum and ionomers are used. Since platinum is expensive, it is desirable to reduce the amount used. However, if the amount of platinum used is reduced, there is a problem that the power generation performance of the fuel cell is lowered. Therefore, in order to suppress the deterioration of power generation performance, Patent Document 1 discloses a technique of using an ionoma (fluorine-containing ion exchange resin having an aliphatic ring structure) having high oxygen permeability.

しかし、このような高い酸素透過性を有するアイオノマを含む触媒インクを用いて電極を作製すると、触媒インクを基材に塗布して乾燥させる際に、電極にクラックが発生する場合がある。電極におけるクラックの発生は、耐久性に悪影響を及ぼす。そのため、これに対する対策法として、従来から種々の提案がなされている。 However, when an electrode is manufactured using a catalyst ink containing ionomer having such high oxygen permeability, cracks may occur in the electrode when the catalyst ink is applied to a substrate and dried. The occurrence of cracks in the electrodes adversely affects durability. Therefore, various proposals have been made conventionally as countermeasures against this.

例えば、特許文献2には、高酸素透過アイオノマを含む触媒層の耐クラック性の向上を目的とするものではないが、
(a)含フッ素イオン交換樹脂(テトラフルオロエチレンに基づく繰り返し単位と、フッ化スルホニルビニルエーテルモノマに基づく繰り返し単位からなる共重合体)の9.0質量%エタノール溶液:5.55g、
(b)水:4.65g、
(c)白金担持カーボン:1.0g、及び、
(d)10質量%ポリオキシエチレンアルキルエーテル(ノニオン系分散剤)水溶液:0.45g
を含む触媒層形成用の混合物が開示されている。
同文献には、触媒と含フッ素イオン交換樹脂とを含む粘性混合物を調製する際に、特定のノニオン系分散剤を添加することにより、粘性混合物の塗工性及び該粘性混合物中の分散物の分散安定性を大きく向上させることができる点が記載されている。
For example, Patent Document 2 does not aim to improve the crack resistance of the catalyst layer containing a high oxygen permeable ionomer, but
(A) 9.0 mass% ethanol solution of fluorine-containing ion exchange resin (copolymer consisting of a repeating unit based on tetrafluoroethylene and a repeating unit based on sulfonyl vinyl fluoride ether monoma): 5.55 g,
(B) Water: 4.65 g,
(C) Platinum-supported carbon: 1.0 g and
(D) 10 mass% polyoxyethylene alkyl ether (nonionic dispersant) aqueous solution: 0.45 g
A mixture for forming a catalyst layer containing the above is disclosed.
In the same document, when a viscous mixture containing a catalyst and a fluorine-containing ion exchange resin is prepared, by adding a specific nonionic dispersant, the coatability of the viscous mixture and the dispersion in the viscous mixture are described. It is described that the dispersion stability can be greatly improved.

特許文献3、4には、触媒を担持させた触媒担体と、低酸素透過性の第1電解質樹脂と、高酸素透過性の第2電解質樹脂とを含む燃料電池用電極が開示されている。
同文献には、
(A)低酸素透過性の第1電解質樹脂を用いると、高酸素透過性の第2電解質樹脂の構造に由来して生じる触媒担体の凝集を緩和することができ、電極のひび割れを防止することができる点、及び、
(B)第1電解質樹脂の割合が20%以上になると、セル電圧が低下する点
が記載されている。
Patent Documents 3 and 4 disclose electrodes for fuel cells including a catalyst carrier carrying a catalyst, a low oxygen permeable first electrolyte resin, and a high oxygen permeable second electrolyte resin.
In the same document,
(A) When the low oxygen permeable first electrolyte resin is used, the aggregation of the catalyst carrier caused by the structure of the high oxygen permeable second electrolyte resin can be alleviated, and the cracking of the electrode can be prevented. And what you can do
(B) It is described that the cell voltage decreases when the ratio of the first electrolyte resin becomes 20% or more.

特許文献5には、高酸素透過アイオノマを含む触媒層の耐クラック性の向上を目的とするものではないが、触媒粒子と、イオン伝導性高分子電解質と、ノニオン系界面活性剤と、沸点が120℃以上である溶剤とを含有する燃料電池用触媒層を形成するためのインクジェット用インキが開示されている。
同文献には、
(A)ノニオン系界面活性剤を使用することにより、炭素粒子の凝集を効果的に防止できる点、及び
(B)インクジェットを用いてインキをイオン伝導性電解質膜上に塗布する場合において、溶媒として高沸点の溶媒を用いると、吐出口でインキが乾燥することによるインキの固着が抑制され、安定した塗布が可能となる点
が記載されている。
Patent Document 5 does not aim to improve the crack resistance of the catalyst layer containing high oxygen permeable ionomer, but the catalyst particles, the ionic conductive polymer electrolyte, the nonionic surfactant, and the boiling point are different. An ink for inkjet for forming a catalyst layer for a fuel cell containing a solvent having a temperature of 120 ° C. or higher is disclosed.
In the same document,
(A) By using a nonionic surfactant, the aggregation of carbon particles can be effectively prevented, and (B) when the ink is applied onto the ion conductive electrolyte membrane by using an inkjet, it is used as a solvent. It is described that when a solvent having a high boiling point is used, sticking of the ink due to drying of the ink at the ejection port is suppressed, and stable coating is possible.

特許文献6には、触媒インクではなく、ガス拡散用撥水ペーストにHLB値14〜20のノニオン系界面活性剤を添加することで、ガス拡散用撥水ペーストの塗工性、及び分散安定性を向上させることが述べられている。
さらに、非特許文献1には、触媒インクにAdditive-Aを加えることによって、触媒インクの分散性を高めるとともに、触媒層のクラックも抑制できることが報告されている。
Patent Document 6 describes the coatability and dispersion stability of the water-repellent paste for gas diffusion by adding a nonionic surfactant having an HLB value of 14 to 20 to the water-repellent paste for gas diffusion instead of the catalyst ink. Is stated to improve.
Further, Non-Patent Document 1 reports that by adding Additive-A to the catalyst ink, the dispersibility of the catalyst ink can be enhanced and cracks in the catalyst layer can be suppressed.

分子内に脂肪族環構造を持つ含フッ素イオン交換樹脂は、高い酸素透過性を有する。しかしながら、このような含フッ素イオン交換樹脂を含む触媒インクを用いて触媒層を作製すると、乾燥過程で触媒層にクラックが入りやすい。これは、脂肪族環構造を持つ含フッ素イオン交換樹脂は、分子が剛直であり、カーボンへの吸着性が悪いために、インク中においてカーボン同士が凝集しやすいためと考えられる。 A fluorine-containing ion exchange resin having an aliphatic ring structure in the molecule has high oxygen permeability. However, when the catalyst layer is produced using the catalyst ink containing such a fluorine-containing ion exchange resin, the catalyst layer is liable to crack in the drying process. It is considered that this is because the fluorine-containing ion exchange resin having an aliphatic ring structure has rigid molecules and poor adsorption to carbon, so that carbons tend to aggregate with each other in the ink.

この問題を解決するために、特許文献3、4では、高酸素透過性アイオノマとナフィオン(登録商標)のような低酸素透過性アイオノマとを混合する方法が提案されている。しかしながら、低酸素透過性アイオノマを用いると、耐クラック性はある程度向上するが、電極性能も低下するという問題がある。
さらに、触媒インクの塗工性等を改善するために、触媒インクに各種の界面活性剤を添加することも行われている。しかしながら、高酸素透過アイオノマを含む場合であっても、電極性能を犠牲にすることなく耐クラック性を向上させることが可能な触媒インクが提案された例は、従来にはない。
In order to solve this problem, Patent Documents 3 and 4 propose a method of mixing a high oxygen permeable ionomer and a low oxygen permeable ionomer such as Nafion (registered trademark). However, when a low oxygen permeable ionomer is used, the crack resistance is improved to some extent, but there is a problem that the electrode performance is also lowered.
Further, in order to improve the coatability of the catalyst ink, various surfactants are added to the catalyst ink. However, there has been no conventional example in which a catalytic ink capable of improving crack resistance without sacrificing electrode performance has been proposed even when a high oxygen permeable ionomer is contained.

特開2003−036856号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-036856 特開2003−045440号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-045440 特許第5851150号公報(特開2013−037940号公報)Japanese Patent No. 5851150 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-037940) 特開2016−058396号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-058396 特開2010−086656号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-086656 特開2016−085894号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-085944

International journal of hydrogen energy, 36(2011)12465-12473International journal of hydrogen energy, 36 (2011) 12465-12473

本発明が解決しようとする課題は、電極性能を犠牲にすることなく、乾燥時におけるクラックを抑制することが可能な触媒インク、及びこれを用いて作製された触媒層を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、アイオノマとして高酸素透過アイオノマを用いた場合であっても、電極性能を犠牲にすることなく、乾燥時におけるクラックを抑制することが可能な触媒インク、及びこれを用いて作製された触媒層を提供することにある。
An object to be solved by the present invention is to provide a catalyst ink capable of suppressing cracks during drying without sacrificing electrode performance, and a catalyst layer produced by using the catalyst ink.
Another problem to be solved by the present invention is a catalyst capable of suppressing cracks during drying without sacrificing electrode performance even when a high oxygen permeable ionomer is used as the ionomer. An object of the present invention is to provide an ink and a catalyst layer produced by using the ink.

上記課題を解決するために本発明に係る触媒インクは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
(1)前記触媒インクは、
触媒担持カーボンと、
アイオノマと、
HLB値が16以上20未満であるノニオン系界面活性剤と、
水と、
沸点が120℃以下であるアルコールと
を備えている。
(2)前記ノニオン系界面活性剤の含有量(前記触媒インクに含まれる全固形分の重量に対する前記ノニオン系界面活性剤の重量の割合)は、1wt%以上23wt%以下である。
In order to solve the above problems, it is a gist that the catalyst ink according to the present invention has the following constitution.
(1) The catalyst ink is
Catalyst-supported carbon and
With ionomer
Nonionic surfactants with an HLB value of 16 or more and less than 20 and
water and,
It includes an alcohol having a boiling point of 120 ° C. or lower.
(2) The content of the nonionic surfactant (the ratio of the weight of the nonionic surfactant to the weight of the total solid content contained in the catalyst ink) is 1 wt% or more and 23 wt% or less.

本発明に係る触媒層は、以下の構成を備えていることを要旨とする。
(1)前記触媒層は、
触媒担持カーボンと、
アイオノマと、
HLB値が16以上20未満であるノニオン系界面活性剤と、
を備えている。
(2)前記ノニオン系界面活性剤の含有量は、1wt%以上23wt%以下である。
It is a gist that the catalyst layer according to the present invention has the following constitution.
(1) The catalyst layer is
Catalyst-supported carbon and
With ionomer
Nonionic surfactants with an HLB value of 16 or more and less than 20 and
Is equipped with.
(2) The content of the nonionic surfactant is 1 wt% or more and 23 wt% or less.

水と、沸点が120℃以下のアルコールとを溶媒とする触媒インク中において、触媒担持カーボン粒子は、溶媒に対する分散性が低いために、3次元ネットワーク構造を形成しやすい。触媒担持カーボンが3次元ネットワーク構造を形成したまま触媒インクを乾燥させると、不均一な大きさの空孔ができ、そこに応力集中することでクラックが発生しやすくなる。この傾向は、アイオノマとして高酸素透過アイオノマを用いた場合に顕著となる。 In a catalyst ink using water and an alcohol having a boiling point of 120 ° C. or lower as a solvent, the catalyst-supported carbon particles tend to form a three-dimensional network structure because of their low dispersibility in the solvent. When the catalyst ink is dried while the catalyst-supported carbon forms a three-dimensional network structure, pores having a non-uniform size are formed, and stress is concentrated there, so that cracks are likely to occur. This tendency becomes remarkable when a high oxygen permeation ionomer is used as the ionomer.

これに対し、触媒インクにHLB値が16〜20であるノニオン系界面活性剤を添加すると、ノニオン系界面活性剤の疎水基がカーボン表面に吸着し、親水基が水を主体とする溶媒との親和性を確保する。そのため、カーボンが分散媒中に分散しやすくなり、触媒担持カーボンの3次元ネットワーク構造を壊すことができる。その結果、触媒層の耐クラック性が向上する。
また、ノニオン系界面活性剤は、溶媒中でイオンを生じないため、アイオノマの発電特性を阻害することがない。さらに、沸点が120℃以下の溶媒を用いているので、乾燥時の熱負荷に起因する生産コストの増大や性能低下を抑制することができる。
On the other hand, when a nonionic surfactant having an HLB value of 16 to 20 is added to the catalyst ink, the hydrophobic group of the nonionic surfactant is adsorbed on the carbon surface, and the hydrophilic group is a solvent mainly composed of water. Ensure affinity. Therefore, the carbon is easily dispersed in the dispersion medium, and the three-dimensional network structure of the catalyst-supported carbon can be broken. As a result, the crack resistance of the catalyst layer is improved.
Moreover, since the nonionic surfactant does not generate ions in the solvent, it does not impair the power generation characteristics of ionomer. Further, since a solvent having a boiling point of 120 ° C. or lower is used, it is possible to suppress an increase in production cost and a decrease in performance due to a heat load during drying.

図1(A)は、ノニオン系界面活性剤の一種であるポリオキシエチレン(n)ステアリルエーテルの分子構造である。図1(B)は、ノニオン系界面活性剤の一種であるポリオキシエチレンオレイルエーテル(E−230)の分子構造である。FIG. 1 (A) shows the molecular structure of polyoxyethylene (n) stearyl ether, which is a kind of nonionic surfactant. FIG. 1B shows the molecular structure of polyoxyethylene oleyl ether (E-230), which is a kind of nonionic surfactant. 図2(A)は、実施例4で得られた触媒層の表面のSEM像である。図2(B)は、比較例1で得られた触媒層の表面のSEM像である。FIG. 2A is an SEM image of the surface of the catalyst layer obtained in Example 4. FIG. 2B is an SEM image of the surface of the catalyst layer obtained in Comparative Example 1.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 触媒インク]
本発明に係る触媒インクは、
触媒担持カーボンと、
アイオノマと、
HLB値が16以上20未満であるノニオン系界面活性剤と、
水と、
沸点が120℃以下であるアルコールと
を備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Catalyst ink]
The catalyst ink according to the present invention is
Catalyst-supported carbon and
With ionomer
Nonionic surfactants with an HLB value of 16 or more and less than 20 and
water and,
It includes an alcohol having a boiling point of 120 ° C. or lower.

[1.1. 触媒担持カーボン]
[1.1.1. 組成]
触媒担持カーボンは、カーボン材料からなる担体表面に、触媒粒子が担持されたものからなる。本発明において、担体及び触媒粒子の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な材料を選択することができる。。
担体としては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、活性炭、天然黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、ガラス状炭素粉末などがある。担体には、これらのいずれか1種を用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。
[1.1. Catalyst-supported carbon]
[1.1.1. composition]
The catalyst-supported carbon is composed of catalyst particles supported on a carrier surface made of a carbon material. In the present invention, the materials of the carrier and the catalyst particles are not particularly limited, and the optimum material can be selected according to the intended purpose. ..
Examples of the carrier include carbon black, carbon nanotubes, carbon nanohorns, activated carbon, natural graphite, mesocarbon microbeads, and glassy carbon powder. Any one of these may be used as the carrier, or two or more of them may be used in combination.

触媒粒子としては、例えば、
(a)貴金属(Pt、Au、Ag、Pd、Rh、Ir、Ru、Os)、
(b)2種以上の貴金属元素を含む合金、
(c)1種又は2種以上の貴金属元素と、1種又は2種以上の卑金属元素(例えば、Fe、Co、Ni、Cr、V、Tiなど)とを含む合金、
などがある。
触媒粒子には、これらのいずれか1種を用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。
Examples of catalyst particles include
(A) Precious metals (Pt, Au, Ag, Pd, Rh, Ir, Ru, Os),
(B) Alloys containing two or more precious metal elements,
(C) An alloy containing one or more noble metal elements and one or more base metal elements (for example, Fe, Co, Ni, Cr, V, Ti, etc.).
and so on.
Any one of these may be used as the catalyst particles, or two or more of them may be used in combination.

これらの中でも、触媒粒子は、Pt又はPt合金が好ましい。これは、燃料電池の電極反応に対して高い活性を有するためである。
Pt合金としては、例えば、Pt−Fe合金、Pt−Co合金、Pt−Ni合金、Pt−Pd合金、Pt−Cr合金、Pt−V合金、Pt−Ti合金、Pt−Ru合金、Pt−Ir合金などがある。
Among these, the catalyst particles are preferably Pt or Pt alloy. This is because it has high activity for the electrode reaction of the fuel cell.
Examples of the Pt alloy include Pt-Fe alloy, Pt-Co alloy, Pt-Ni alloy, Pt-Pd alloy, Pt-Cr alloy, Pt-V alloy, Pt-Ti alloy, Pt-Ru alloy, and Pt-Ir. There are alloys and so on.

[1.1.2. 含有量]
触媒インク中の触媒担持カーボンの含有量は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な含有量を選択することができる。一般に、触媒インク中の触媒担持カーボンの含有量が少なくなりすぎると、触媒層の性能が低下する。従って、触媒担持カーボンの含有量は、1wt%以上が好ましい。含有量は、好ましくは、3wt%以上である。
一方、触媒担持カーボンの含有量が過剰になると、触媒インクの粘度が高くなり過ぎ、塗工時にスジなどの欠陥が発生することがある。従って、触媒担持カーボンの含有量は、20wt%以下が好ましい。含有量は、好ましくは、10wt%以下である。
[1.1.2. Content]
The content of the catalyst-supported carbon in the catalyst ink is not particularly limited, and the optimum content can be selected according to the purpose. In general, if the content of catalyst-supporting carbon in the catalyst ink is too low, the performance of the catalyst layer deteriorates. Therefore, the content of the catalyst-supported carbon is preferably 1 wt% or more. The content is preferably 3 wt% or more.
On the other hand, if the content of the catalyst-supported carbon is excessive, the viscosity of the catalyst ink becomes too high, and defects such as streaks may occur during coating. Therefore, the content of the catalyst-supported carbon is preferably 20 wt% or less. The content is preferably 10 wt% or less.

[1.2. アイオノマ]
[1.2.1. 組成]
アイオノマは、触媒粒子とプロトンの授受を行うためのものである。本発明において、アイオノマの種類は、特に限定されない。
[1.2. Ionomer]
[1.2.1. composition]
Ionomer is for exchanging protons with catalyst particles. In the present invention, the type of ionomer is not particularly limited.

アイオノマとしては、例えば、
(a)分子内に脂肪族環構造と、酸基とを備えた含フッ素イオン交換樹脂(以下、これを「高酸素透過アイオノマ」ともいう)、
(b)ナフィオン(登録商標)、フレミオン(登録商標)、アクイヴィオン(登録商標)、アシプレックス(登録商標)などの、フッ化スルホニルビニルエーテルモノマに基づく繰り返し単位を含む含フッ素イオン交換樹脂(以下、これらを総称して、「低酸素透過アイオノマ」ともいう)
などがある。
アイオノマには、これらのいずれか1種を用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。
As an ionomer, for example
(A) Fluorine-containing ion exchange resin having an aliphatic ring structure and an acid group in the molecule (hereinafter, this is also referred to as "high oxygen permeation ionoma"),
(B) Fluorine-containing ion exchange resins containing repeating units based on fluoride sulfonyl vinyl ether monomas, such as Nafion (registered trademark), Flemion (registered trademark), Aquivion (registered trademark), and Aciplex (registered trademark). Collectively, it is also called "low oxygen permeation ionoma")
and so on.
Any one of these may be used for the ionomer, or two or more of them may be used in combination.

アイオノマは、特に、高酸素透過アイオノマが好ましい。高酸素透過アイオノマを含む触媒インクを用いて作製される触媒層は、高い酸素透過性を示す。そのため、これを空気極側の触媒層として用いると、高い発電性能が得られる。 As the ionomer, a highly oxygen-permeable ionomer is particularly preferable. A catalyst layer made using a catalyst ink containing a highly oxygen permeable ionomer exhibits high oxygen permeability. Therefore, when this is used as a catalyst layer on the air electrode side, high power generation performance can be obtained.

[1.2.2. 含有量]
一般に、触媒層に含まれるカーボン担体の重量に対するアイオノマの重量の比(I/C)は、触媒層の性能に影響を与える。そのため、触媒インク中のアイオノマの含有量は、I/Cが所定の値となるように設定するのが好ましい。一般に、I/C比が小さくなりすぎると、プロトン伝導度が低下し、触媒層の性能が低下する。従って、I/C比は、0.2以上が好ましい。I/C比は、好ましくは、0.4以上である。
一方、I/C比が過剰になると、電極中の細孔容積の減少が大きくなり、触媒層の性能が低下する。従って、I/C比は、1.5以下が好ましい。I/C比は、好ましくは、1.4以下である。
[1.2.2. Content]
In general, the ratio of the weight of the ionomer to the weight of the carbon carrier contained in the catalyst layer (I / C) affects the performance of the catalyst layer. Therefore, the content of ionomer in the catalyst ink is preferably set so that the I / C becomes a predetermined value. In general, if the I / C ratio becomes too small, the proton conductivity decreases and the performance of the catalyst layer deteriorates. Therefore, the I / C ratio is preferably 0.2 or more. The I / C ratio is preferably 0.4 or more.
On the other hand, when the I / C ratio becomes excessive, the decrease in the pore volume in the electrode becomes large, and the performance of the catalyst layer deteriorates. Therefore, the I / C ratio is preferably 1.5 or less. The I / C ratio is preferably 1.4 or less.

[1.3. ノニオン系界面活性剤]
[1.3.1. HLB値]
ノニオン系界面活性剤は、親水基と疎水基とを備えており、疎水基は、カーボン表面に吸着しやすい。また、ノニオン系界面活性剤は、イオン系界面活性剤と異なり、溶媒中でイオンを生じることがない。そのため、触媒インクにノニオン系界面活性剤を添加すると、アイオノマの発電特性を阻害することなく、触媒担持カーボン粒子が形成する3次元ネットワーク構造を破壊することができる。また、これにより、触媒インクの乾燥過程でのクラック発生を抑制することができる。
[1.3. Nonionic Surfactant]
[13.1. HLB value]
The nonionic surfactant has a hydrophilic group and a hydrophobic group, and the hydrophobic group is easily adsorbed on the carbon surface. Further, unlike ionic surfactants, nonionic surfactants do not generate ions in a solvent. Therefore, when a nonionic surfactant is added to the catalyst ink, the three-dimensional network structure formed by the catalyst-supported carbon particles can be destroyed without impairing the power generation characteristics of the ionoma. Further, this makes it possible to suppress the occurrence of cracks in the drying process of the catalyst ink.

本発明において、ノニオン系界面活性剤は、HLB値が所定の範囲内にあるものである必要がある。
ここで、「HLB(Hydrophilic-Lipophilic Balance)値」とは、界面活性剤の分子内の親水基と疎水基のバランスを表す値であって、次の式(1)で表される値をいう。HLB値は、0から20までの値をとり、0に近いほど親油性が高く、20に近いほど親水性が高くなることを表す。
HLB値=20×(親水部の分子量/界面活性剤の分子量) …(1)
In the present invention, the nonionic surfactant needs to have an HLB value within a predetermined range.
Here, the "HLB (Hydrophilic-Lipophilic Balance) value" is a value representing the balance between the hydrophilic group and the hydrophobic group in the molecule of the surfactant, and means a value represented by the following formula (1). .. The HLB value takes a value from 0 to 20, and the closer it is to 0, the higher the lipophilicity, and the closer it is to 20, the higher the hydrophilicity.
HLB value = 20 × (molecular weight of hydrophilic part / molecular weight of surfactant)… (1)

HLB値が小さくなりすぎると、ノニオン系界面活性剤が疎水的で水に十分に溶解せず、触媒担持カーボン粒子を十分に分散させることができない。従って、HLB値は、16以上である必要がある。HLB値は、好ましくは、17以上、さらに好ましくは、18以上である。
一方、HLB値が大きくなりすぎると、ノニオン系界面活性剤が親水的で水に十分溶解するが、触媒担持カーボン粒子に吸着しづらくなり、触媒担持カーボン粒子を分散させることが困難となる。従って、HLB値は、20未満である必要がある。HLB値は、好ましくは、19.5以下、さらに好ましくは、19以下である。
特に、アイオノマが高酸素透過アイオノマからなる場合、ノニオン系界面活性剤のHLB値は、17以上20未満が好ましい。
If the HLB value becomes too small, the nonionic surfactant is hydrophobic and does not dissolve sufficiently in water, and the catalyst-supported carbon particles cannot be sufficiently dispersed. Therefore, the HLB value needs to be 16 or more. The HLB value is preferably 17 or more, more preferably 18 or more.
On the other hand, if the HLB value becomes too large, the nonionic surfactant is hydrophilic and sufficiently soluble in water, but it becomes difficult to adsorb to the catalyst-supported carbon particles, and it becomes difficult to disperse the catalyst-supported carbon particles. Therefore, the HLB value needs to be less than 20. The HLB value is preferably 19.5 or less, more preferably 19 or less.
In particular, when the ionomer is composed of a highly oxygen-permeable ionomer, the HLB value of the nonionic surfactant is preferably 17 or more and less than 20.

[1.3.2. 組成]
ノニオン系界面活性剤の種類は、上記のHLB値の条件を満たす限りにおいて、特に限定されない。
上記の条件を満たすノニオン系界面活性剤としては、例えば、
(a)ポリオキシエチレン(n)ステアリルエーテルを基本骨格に持つノニオン系界面活性剤(例えば、Brij(登録商標)S20、Brij(登録商標)S100、いずれもシグマアルドリッチ製)、
(b)ポリオキシエテンオレイルエーテルを基本骨格に持つノニオン系界面活性剤(例えば、E−230(日油(株)製))、
などがある。
ノニオン系界面活性剤には、これらのいずれか1種を用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。
[1.3.2. composition]
The type of nonionic surfactant is not particularly limited as long as the above conditions for the HLB value are satisfied.
Examples of nonionic surfactants that satisfy the above conditions include, for example.
(A) Nonionic surfactant having polyoxyethylene (n) stearyl ether as a basic skeleton (for example, Brij (registered trademark) S20, Brij (registered trademark) S100, both manufactured by Sigma-Aldrich),
(B) Nonionic surfactant having polyoxyetheneoleyl ether as a basic skeleton (for example, E-230 (manufactured by NOF CORPORATION)),
and so on.
Any one of these may be used as the nonionic surfactant, or two or more of them may be used in combination.

[1.3.3. 含有量]
触媒インクにおいて、「ノニオン系界面活性剤の含有量」とは、触媒インクに含まれる全固形分の重量に対するノニオン系界面活性剤の重量の割合をいう。触媒インク中のノニオン系界面活性剤の含有量は、触媒インク及びこれを用いて作製される触媒層の性状に影響を与える。
[1.3.3. Content]
In the catalyst ink, the "content of the nonionic surfactant" means the ratio of the weight of the nonionic surfactant to the weight of the total solid content contained in the catalyst ink. The content of the nonionic surfactant in the catalyst ink affects the properties of the catalyst ink and the catalyst layer produced by using the catalyst ink.

一般に、触媒インク中のノニオン系界面活性剤の含有量が少なすぎると、触媒担持カーボンが作る3次元ネットワーク構造を十分に破壊することができない。その結果、触媒層の耐クラック性が低下する。高い耐クラック性を得るためには、ノニオン系界面活性剤の含有量は、1wt%以上である必要がある。含有量は、好ましくは、2wt%以上、さらに好ましくは、3wt%以上である。
一方、ノニオン系界面活性剤の含有量が多すぎると、触媒担持カーボン粒子の分散性が高くなりすぎ、空隙を塞いで気体拡散が難しくなり、性能が低下する。従って、ノニオン系界面活性剤の含有量は、23wt%以下である必要がある。含有量は、好ましくは、17wt%以下、さらに好ましくは、15wt%以下、さらに好ましくは、10wt%以下である。
In general, if the content of the nonionic surfactant in the catalyst ink is too small, the three-dimensional network structure formed by the catalyst-supported carbon cannot be sufficiently destroyed. As a result, the crack resistance of the catalyst layer is lowered. In order to obtain high crack resistance, the content of the nonionic surfactant needs to be 1 wt% or more. The content is preferably 2 wt% or more, more preferably 3 wt% or more.
On the other hand, if the content of the nonionic surfactant is too large, the dispersibility of the catalyst-supported carbon particles becomes too high, the voids are closed, gas diffusion becomes difficult, and the performance deteriorates. Therefore, the content of the nonionic surfactant needs to be 23 wt% or less. The content is preferably 17 wt% or less, more preferably 15 wt% or less, still more preferably 10 wt% or less.

特に、アイオノマが高酸素透過アイオノマからなり、ノニオン系界面活性剤のHLB値が17以上20未満である場合、触媒インク中のノオニオン系界面活性剤の含有量は、1wt%以上17wt%以下が好ましい。 In particular, when the ionomer is composed of a highly oxygen-permeable ionomer and the HLB value of the nonionic surfactant is 17 or more and less than 20, the content of the noonion-based surfactant in the catalyst ink is preferably 1 wt% or more and 17 wt% or less. ..

[1.4. 水]
水は、有機溶媒と触媒担持カーボンとが接触したときに、カーボン担体が発火するのを抑制するために添加される。触媒インク中の水の含有量は、カーボン担体の発火を抑制できる限りにおいて、特に限定されない。但し、水の含有量を必要以上に多くするのは、効果に差が無く、実益がない。水の含有量は、通常、10wt%〜70wt%程度である。
[1.4. water]
Water is added to prevent the carbon carrier from igniting when the organic solvent comes into contact with the catalyst-supported carbon. The content of water in the catalyst ink is not particularly limited as long as the ignition of the carbon carrier can be suppressed. However, increasing the water content more than necessary has no difference in effect and has no actual benefit. The water content is usually about 10 wt% to 70 wt%.

[1.5. アルコール]
[1.5.1. 沸点]
アルコールは、アイオノマを分散させるために必要な成分である。しかし、アルコールの沸点が高くなりすぎると、触媒インクの乾燥時の熱負荷が増大し、生産コストの増加を招く。従って、アルコールは、沸点が120℃以下であるものが好ましい。アルコールの沸点は、好ましくは、100℃以下、さらに好ましくは、83℃以下である。
一方、沸点が低くなりすぎると、乾燥が速くなりすぎ、塗膜表面が先に乾いて、内部の溶媒が蒸発するときに割れやムラが発生する場合がある。従って、アルコールの沸点は、40℃以上が好ましい。沸点は、好ましくは、50℃以上、さらに好ましくは、60℃以上である。
[1.5. alcohol]
[1.5.1. boiling point]
Alcohol is a necessary ingredient to disperse ionomers. However, if the boiling point of the alcohol becomes too high, the heat load during drying of the catalyst ink increases, which leads to an increase in production cost. Therefore, the alcohol preferably has a boiling point of 120 ° C. or lower. The boiling point of the alcohol is preferably 100 ° C. or lower, more preferably 83 ° C. or lower.
On the other hand, if the boiling point is too low, the drying becomes too fast, the surface of the coating film dries first, and cracks and unevenness may occur when the solvent inside evaporates. Therefore, the boiling point of alcohol is preferably 40 ° C. or higher. The boiling point is preferably 50 ° C. or higher, more preferably 60 ° C. or higher.

[1.5.2. 組成]
上記の条件を満たすアルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノールなどがある。
アルコールには、これらのいずれか1種を用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。
[1.5.2. composition]
Examples of alcohols satisfying the above conditions include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol and the like.
Any one of these may be used as the alcohol, or two or more of them may be used in combination.

[1.5.3. 含有量]
触媒インク中のアルコールの含有量は、アイオノマの均一分散が可能な限りにおいて、特に限定されない。但し、アルコールの含有量を必要以上に多くするのは、効果に差が無く、実益がない。アルコールの含有量は、通常、20wt%〜80wt%である。
[1.5.3. Content]
The content of alcohol in the catalyst ink is not particularly limited as long as the uniform dispersion of ionomer is possible. However, increasing the alcohol content more than necessary has no difference in effect and has no actual benefit. The alcohol content is usually 20 wt% to 80 wt%.

[2. 触媒層]
本発明に係る触媒層は、
触媒担持カーボンと、
アイオノマと、
HLB値が16以上20未満であるノニオン系界面活性剤と、
を備えている。
[2. Catalyst layer]
The catalyst layer according to the present invention is
Catalyst-supported carbon and
With ionomer
Nonionic surfactants with an HLB value of 16 or more and less than 20 and
Is equipped with.

[2.1. 触媒担持カーボン]
触媒担持カーボンは、カーボン材料からなる担体表面に、触媒粒子が担持されたものからなる。触媒担持カーボンの詳細については上述した通りであるので、説明を省略する。
[2.1. Catalyst-supported carbon]
The catalyst-supported carbon is composed of catalyst particles supported on a carrier surface made of a carbon material. The details of the catalyst-supported carbon are as described above, and thus the description thereof will be omitted.

[2.2. アイオノマ]
アイオノマは、触媒粒子との間でプロトンの授受を行うためのものである。アイオノマの詳細については上述した通りであるので、説明を省略する。
[2.2. Ionomer]
The ionomer is for exchanging protons with the catalyst particles. Since the details of the ionomer are as described above, the description thereof will be omitted.

[2.3. ノニオン系界面活性剤]
[2.3.1. HLB値]
触媒層は、触媒インクに由来するノニオン系界面活性剤を含む。ノニオン系界面活性剤は、HLB値が16以上20未満である必要がある。また、アイオノマが高酸素透過アイオノマからなる場合、ノニオン系界面活性剤のHLB値は、17以上20未満が好ましい。ノニオン系界面活性剤のHLB値に関するその他の点については、上述した通りであるので、説明を省略する。
[2.3. Nonionic Surfactant]
[2.3.1. HLB value]
The catalyst layer contains a nonionic surfactant derived from the catalyst ink. The nonionic surfactant needs to have an HLB value of 16 or more and less than 20. When the ionomer is composed of a highly oxygen-permeable ionomer, the HLB value of the nonionic surfactant is preferably 17 or more and less than 20. Other points regarding the HLB value of the nonionic surfactant are as described above, and thus the description thereof will be omitted.

[2.3.2. 組成]
ノニオン系界面活性剤の組成については、上述した通りであるので、説明を省略する。
[2.3.3. composition]
Since the composition of the nonionic surfactant is as described above, the description thereof will be omitted.

[2.3.3. 含有量]
ノニオン系界面活性剤の含有量は、1wt%以上23wt%以下である必要がある。また、アイオノマが高酸素透過アイオノマからなり、ノニオン系界面活性剤のHLB値が17以上20未満である場合、ノオニオン系界面活性剤の含有量は、1wt%以上17wt%以下が好ましい。ノニオン系界面活性剤の含有量に関するその他の点については、上述した通りであるので、説明を省略する。
[2.3.3. Content]
The content of the nonionic surfactant needs to be 1 wt% or more and 23 wt% or less. When the ionomer is composed of a highly oxygen-permeable ionomer and the HLB value of the nonionic surfactant is 17 or more and less than 20, the content of the noonion-based surfactant is preferably 1 wt% or more and 17 wt% or less. Other points regarding the content of the nonionic surfactant are as described above, and thus the description thereof will be omitted.

[3. 作用]
水と、沸点が120℃以下のアルコールとを溶媒とする触媒インク中において、触媒担持カーボン粒子は、溶媒に対する分散性が低いために、3次元ネットワーク構造を形成しやすい。触媒担持カーボンが3次元ネットワーク構造を形成したまま触媒インクを乾燥させると、不均一な大きさの空孔ができ、そこに応力集中することでクラックが発生しやすくなる。この傾向は、アイオノマとして高酸素透過アイオノマを用いた場合に顕著となる。これは、以下の理由によると考えられる。
[3. Action]
In a catalyst ink using water and an alcohol having a boiling point of 120 ° C. or lower as a solvent, the catalyst-supported carbon particles tend to form a three-dimensional network structure because of their low dispersibility in the solvent. When the catalyst ink is dried while the catalyst-supported carbon forms a three-dimensional network structure, pores having a non-uniform size are formed, and stress is concentrated there, so that cracks are likely to occur. This tendency becomes remarkable when a high oxygen permeation ionomer is used as the ionomer. This is considered to be due to the following reasons.

すなわち、高酸素透過アイオノマは、基本骨格として環状構造を有する環式化合物を含む。このような構造を有する化合物は、一般的に分子鎖が剛直であるため、カーボンへの吸着性が悪く、カーボン同士が凝集して3次元ネットワーク構造を形成する。触媒担持カーボン粒子が3次元ネットワーク構造を形成したまま乾燥すると、不均一な大きさの空孔ができる。そこに応力集中することでクラックが発生しやすくなるため、触媒層の耐クラック性が低くなる。 That is, the high oxygen permeation ionomer contains a cyclic compound having a cyclic structure as a basic skeleton. A compound having such a structure generally has a rigid molecular chain, so that it has poor adsorptivity to carbon, and the carbons aggregate to form a three-dimensional network structure. When the catalyst-supported carbon particles are dried while forming a three-dimensional network structure, pores having a non-uniform size are formed. By concentrating the stress there, cracks are likely to occur, so that the crack resistance of the catalyst layer is lowered.

一方、環状構造を有する環式化合物が少ない又は含まない一般型アイオノマ(例えば、ナフィオン(登録商標)など)を使用すれば、触媒インクの分散性が向上する。そのため、耐クラック性に悪影響を及ぼす3次元ネットワーク構造が壊れやすくなり、高酸素透過アイオノマを含む触媒インクと比較して耐クラック性が向上する。しかし、高酸素透過アイオノマを一般型アイオノマに置き換える方法は、電極性能を犠牲にする方法であり、本質的な解決策ではない。また、いずれのアイオノマを用いる場合であっても、触媒層の耐クラック性をさらに向上させることが望まれる。 On the other hand, if a general-type ionomer (for example, Nafion (registered trademark)) containing few or no cyclic compounds having a cyclic structure is used, the dispersibility of the catalyst ink is improved. Therefore, the three-dimensional network structure that adversely affects the crack resistance becomes fragile, and the crack resistance is improved as compared with the catalyst ink containing the high oxygen permeable ionomer. However, the method of replacing the high oxygen permeable ionomer with a general type ionomer is a method of sacrificing electrode performance and is not an essential solution. Further, regardless of which ionomer is used, it is desired to further improve the crack resistance of the catalyst layer.

これに対し、触媒インクにHLB値が16〜20であるノニオン系界面活性剤を添加すると、ノニオン系界面活性剤の疎水基がカーボン表面に吸着し、親水基が水を主体とする溶媒との親和性を確保する。そのため、カーボンが分散媒中に分散しやすくなり、触媒担持カーボンの3次元ネットワーク構造を壊すことができる。その結果、触媒層の耐クラック性が向上する。また、このような効果は、一般型アイオノマを含む触媒層だけでなく、高酸素透過アイオノマを含む触媒層であっても得られる。
また、ノニオン系界面活性剤は、溶媒中でイオンを生じないため、アイオノマの発電特性を阻害することがない。さらに、沸点が120℃以下の溶媒を用いているので、乾燥時の熱負荷に起因する生産コストの増大や性能低下を抑制することができる。
On the other hand, when a nonionic surfactant having an HLB value of 16 to 20 is added to the catalyst ink, the hydrophobic group of the nonionic surfactant is adsorbed on the carbon surface, and the hydrophilic group is a solvent mainly composed of water. Ensure affinity. Therefore, the carbon is easily dispersed in the dispersion medium, and the three-dimensional network structure of the catalyst-supported carbon can be broken. As a result, the crack resistance of the catalyst layer is improved. Further, such an effect can be obtained not only in the catalyst layer containing the general type ionomer but also in the catalyst layer containing the high oxygen permeation ionomer.
Moreover, since the nonionic surfactant does not generate ions in the solvent, it does not impair the power generation characteristics of ionomer. Further, since a solvent having a boiling point of 120 ° C. or lower is used, it is possible to suppress an increase in production cost and a decrease in performance due to a heat load during drying.

(実施例1〜7、比較例1〜5)
[1. 試料の作製]
[1.1. 触媒インクの作製]
触媒担持カーボンには、白金担持カーボン(田中貴金属工業(株)製、TEC10V30E、カーボン担体:Vulcan(登録商標)XC72R)を用いた。
一般型アイオノマには、Nafion(登録商標)分散液(デュポン社製、DE2020)を用いた。高酸素透過アイオノマには、特許文献1に記載の化学構造を持つアイオノマ(以下、「アイオノマA」ともいう)を用いた。
(Examples 1 to 7, Comparative Examples 1 to 5)
[1. Preparation of sample]
[1.1. Preparation of catalyst ink]
As the catalyst-supported carbon, platinum-supported carbon (TEC10V30E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., carbon carrier: Vulcan (registered trademark) XC72R) was used.
A Nafion (registered trademark) dispersion (manufactured by DuPont, DE2020) was used as the general type ionomer. As the high oxygen permeation ionomer, an ionomer having the chemical structure described in Patent Document 1 (hereinafter, also referred to as “ionomer A”) was used.

ノニオン系界面活性剤には、
(a)ポリオキシエチレン(n)ステアリルエーテルを基本骨格に持つノニオン系界面活性剤(Brij(登録商標)S20、若しくは、Brij(登録商標)S100、いずれもシグマアルドリッチ製)、又は、
(b)ポリオキシエチレンオレイルエーテルを基本骨格に持つノニオン系界面活性剤(E−230、日油(株)製)
を用いた。
For nonionic surfactants,
(A) A nonionic surfactant having polyoxyethylene (n) stearyl ether as a basic skeleton (Brij (registered trademark) S20 or Brij (registered trademark) S100, both manufactured by Sigma-Aldrich), or
(B) Nonionic surfactant having polyoxyethylene oleyl ether as its basic skeleton (E-230, manufactured by NOF CORPORATION)
Was used.

図1(A)に、ポリオキシエチレン(n)ステアリルエーテルの分子構造を示す。図1(B)に、E−230の分子構造を示す。表1に、各界面活性剤の物性値を示す。 FIG. 1 (A) shows the molecular structure of polyoxyethylene (n) stearyl ether. FIG. 1 (B) shows the molecular structure of E-230. Table 1 shows the physical property values of each surfactant.

Figure 2020145074
Figure 2020145074

白金担持カーボンに超純水を加えて、遊星式攪拌・脱泡装置(KURABO社製、MAZERUSTAR KK−50S)を用いて、攪拌と脱泡を各1分ずつ行った。そこにアイオノマと界面活性剤とを加えて、攪拌と脱泡を各1分ずつ行った。
分散液に対し、超音波ホモジナイザー(SMT社製、MODEL UH−600)で6分間の分散処理を行った後、攪拌と脱泡を各1分ずつ行った。さらに、超音波ホモジナイザーで3分間の分散処理を行った後、攪拌と脱泡を各1分ずつ行った。
分散処理後の分散液に1−プロパノールを加えて、攪拌と脱泡を各1分ずつ行い、触媒インクを得た。表2に、触媒インクの組成を示す。
Ultrapure water was added to the platinum-supported carbon, and stirring and defoaming were performed for 1 minute each using a planetary stirring / defoaming device (MAZERUSTAR KK-50S manufactured by KURABO). Ionomer and a surfactant were added thereto, and stirring and defoaming were carried out for 1 minute each.
The dispersion was dispersed with an ultrasonic homogenizer (MODEL UH-600, manufactured by SMT) for 6 minutes, and then stirred and defoamed for 1 minute each. Further, after performing dispersion treatment for 3 minutes with an ultrasonic homogenizer, stirring and defoaming were performed for 1 minute each.
1-Propanol was added to the dispersion liquid after the dispersion treatment, and stirring and defoaming were carried out for 1 minute each to obtain a catalyst ink. Table 2 shows the composition of the catalyst ink.

Figure 2020145074
Figure 2020145074

[1.2. 触媒層の作製]
ガラス基材上に触媒インクをアプリケーターとbyko-drive(BYK Gardner Company社製)を用いて、10mm/sで塗工した。塗膜を室温(24℃、70〜75%RH)で乾燥させ、膜厚が2μm〜18μmの触媒層を得た。
[1.2. Preparation of catalyst layer]
The catalyst ink was applied onto the glass substrate at 10 mm / s using an applicator and byko-drive (manufactured by BYK Gardner Company). The coating film was dried at room temperature (24 ° C., 70 to 75% RH) to obtain a catalyst layer having a film thickness of 2 μm to 18 μm.

[2. 試験方法]
[2.1. SEM観察]
触媒層の表面のSEM観察を行った。
[2. Test method]
[2.1. SEM observation]
SEM observation of the surface of the catalyst layer was performed.

[2.2. 耐クラック性の評価]
グラインドゲージ上に触媒インクを塗布し、乾燥させた。調製した触媒層を、共焦点顕微鏡(レーザーテック社製、OPTELICS H1200)を用いて倍率20倍で観察した。膜厚が薄い方から順に塗面の観察を行い、最初にクラックが現れ始める箇所を見つけ、その箇所の膜厚を測定した。この時の膜厚を、臨界クラック膜厚(CCT)と定義した。CCTが大きいほど、触媒層の耐クラック性が高いことを示している。また、膜厚は、基材と触媒層の段差を、高さ分解能約60nmで読み取ることで測定した。
[2.2. Evaluation of crack resistance]
The catalyst ink was applied on the grind gauge and dried. The prepared catalyst layer was observed with a confocal microscope (Lasertec, OPTELICS H1200) at a magnification of 20 times. The coated surface was observed in order from the thinnest film thickness, the place where cracks began to appear first was found, and the film thickness at that place was measured. The film thickness at this time was defined as the critical crack film thickness (CCT). The larger the CCT, the higher the crack resistance of the catalyst layer. The film thickness was measured by reading the step between the base material and the catalyst layer with a height resolution of about 60 nm.

[3. 結果]
[3.1. SEM観察]
図2(A)及び図2(B)に、それぞれ、実施例4及び比較例1で得られた触媒層の表面のSEM像を示す。図2より、比較例1では多数のクラックが認められるのに対し、実施例4ではクラックがほとんど認められないことが分かる。比較例1において、クラックが発生したのは、アイオノマの触媒担持カーボン粒子への被覆が不十分で、触媒担持カーボン粒子が三次元網目構造を形成する場合には、乾燥時に触媒担持カーボン粒子、アイオノマそれぞれで凝集構造を作ることにより不均一な構造となり、乾燥後にクラックが発生しやすくなるためと考えられる。
[3. result]
[3.1. SEM observation]
2 (A) and 2 (B) show SEM images of the surface of the catalyst layer obtained in Example 4 and Comparative Example 1, respectively. From FIG. 2, it can be seen that a large number of cracks are observed in Comparative Example 1, whereas almost no cracks are observed in Example 4. In Comparative Example 1, the cracks were caused by insufficient coating of the catalyst-supported carbon particles of the ionoma, and when the catalyst-supported carbon particles formed a three-dimensional network structure, the catalyst-supported carbon particles and the ionoma were dried. It is considered that the agglomerated structure is formed in each of them to form a non-uniform structure, and cracks are likely to occur after drying.

[3.2. 耐クラック性の評価]
表3に、結果を示す。表3中、「◎」は、CCTが12μm以上であること(すなわち、耐クラック性が極めて良好であること)を表す。「○」は、CCTが7μm以上12μm未満であること(すなわち、耐クラック性が良好であること)を表す。「×」は、CCTが7μm未満であること(すなわち、耐クラック性が劣っていること)を表す。表3より、以下のことが分かる。
[3.2. Evaluation of crack resistance]
Table 3 shows the results. In Table 3, "⊚" indicates that the CCT is 12 μm or more (that is, the crack resistance is extremely good). “◯” indicates that the CCT is 7 μm or more and less than 12 μm (that is, the crack resistance is good). “X” indicates that the CCT is less than 7 μm (that is, the crack resistance is inferior). From Table 3, the following can be seen.

Figure 2020145074
Figure 2020145074

(1)実施例1〜7は、いずれもCCTが7μm以上であるのに対し、比較例1〜5は、いずれもCCTが7μm未満であった。
(2)アイオノマとして、一般型アイオノマの代表であるNafion(登録商標)を用いた場合、HLB値が16.6、又は18.9のノニオン系界面活性剤を用いると、耐クラック性に優れた触媒層が得られた(実施例1、3、5)。しかし、HLB値が15.6以下になると、耐クラック性が低下した(比較例1)。この理由は、HLB値が低くなると、白金担持カーボンの溶媒への分散性が低下するためと考えられる。このことから、HLB値が16以上20未満であるノニオン系界面活性剤が好ましいことが分かった。
(1) In Examples 1 to 7, the CCT was 7 μm or more, whereas in Comparative Examples 1 to 5, the CCT was less than 7 μm.
(2) When Nafion (registered trademark), which is a representative of general ionomers, is used as the ionomer, crack resistance is excellent when a nonionic surfactant having an HLB value of 16.6 or 18.9 is used. A catalyst layer was obtained (Examples 1, 3, 5). However, when the HLB value was 15.6 or less, the crack resistance decreased (Comparative Example 1). The reason for this is considered to be that when the HLB value becomes low, the dispersibility of the platinum-supported carbon in the solvent decreases. From this, it was found that a nonionic surfactant having an HLB value of 16 or more and less than 20 is preferable.

(3)ノニオン系界面活性剤の含有量が0.9wt%である場合(比較例3)、耐クラック性が低下した。これは、ノニオン系界面活性剤が少なすぎると、耐クラック性に悪影響を及ぼす白金担持カーボン粒子の3次元ネットワーク構造を壊すことができないためと考えられる。また、ノニオン系界面活性剤の含有量が26.6%又は23.1%である場合(比較例4、5)、耐クラック性が低下した。これは、ノニオン系界面活性剤が多すぎると、触媒層の強度が低下するためと考えられる。このことから、ノニオン系界面活性剤の含有量は、1wt%以上23wt%以下が好ましいことが分かった。 (3) When the content of the nonionic surfactant was 0.9 wt% (Comparative Example 3), the crack resistance was lowered. It is considered that this is because if the amount of the nonionic surfactant is too small, the three-dimensional network structure of the platinum-supported carbon particles, which adversely affects the crack resistance, cannot be broken. Further, when the content of the nonionic surfactant was 26.6% or 23.1% (Comparative Examples 4 and 5), the crack resistance was lowered. It is considered that this is because the strength of the catalyst layer decreases when the amount of the nonionic surfactant is too large. From this, it was found that the content of the nonionic surfactant is preferably 1 wt% or more and 23 wt% or less.

(4)高酸素透過アイオノマの代表であるアイオノマAを用いた場合において、HLB値が18.9のノニオン系界面活性剤を用いた時には、CCTは8mm以上となった(実施例2、4、6)。一方、HLB値が16.6以下になると、CCTが若干低下した(実施例7)。このことから、アイオノマAを用いた場合には、HLB値が17以上20未満であるノニオン系界面活性剤を用いるのが好ましいことが分かった。
(5)比較例4、5は、いずれも耐クラック性が低い。これは、ノニオン系界面活性剤の含有量が多すぎるためと考えられる。一方、比較例3は、耐クラック性が低い。これは、ノニオン系界面活性剤の含有量が少なすぎるためと考えられる。これらのことから、ノニオン系界面活性剤の含有量は、1〜23wt%が好ましいことが分かった。
(4) When ionomer A, which is a representative of high oxygen permeation ionomer, was used, the CCT was 8 mm or more when a nonionic surfactant having an HLB value of 18.9 was used (Examples 2, 4, and 3. 6). On the other hand, when the HLB value became 16.6 or less, the CCT decreased slightly (Example 7). From this, it was found that when ionomer A is used, it is preferable to use a nonionic surfactant having an HLB value of 17 or more and less than 20.
(5) Comparative Examples 4 and 5 all have low crack resistance. It is considered that this is because the content of the nonionic surfactant is too large. On the other hand, Comparative Example 3 has low crack resistance. It is considered that this is because the content of the nonionic surfactant is too low. From these facts, it was found that the content of the nonionic surfactant is preferably 1 to 23 wt%.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

本発明に係る触媒インクは、燃料電池などの各種電気化学デバイスの触媒層を製造するために用いることができる。また、本発明に係る触媒層は、燃料電池などの各種電気化学デバイスの触媒層として用いることができる。 The catalyst ink according to the present invention can be used for producing a catalyst layer for various electrochemical devices such as fuel cells. Further, the catalyst layer according to the present invention can be used as a catalyst layer for various electrochemical devices such as fuel cells.

Claims (4)

以下の構成を備えた触媒インク。
(1)前記触媒インクは、
触媒担持カーボンと、
アイオノマと、
HLB値が16以上20未満であるノニオン系界面活性剤と、
水と、
沸点が120℃以下であるアルコールと
を備えている。
(2)前記ノニオン系界面活性剤の含有量(前記触媒インクに含まれる全固形分の重量に対する前記ノニオン系界面活性剤の重量の割合)は、1wt%以上23wt%以下である。
A catalytic ink having the following configurations.
(1) The catalyst ink is
Catalyst-supported carbon and
With ionomer
Nonionic surfactants with an HLB value of 16 or more and less than 20 and
water and,
It includes an alcohol having a boiling point of 120 ° C. or lower.
(2) The content of the nonionic surfactant (the ratio of the weight of the nonionic surfactant to the weight of the total solid content contained in the catalyst ink) is 1 wt% or more and 23 wt% or less.
前記アイオノマは、高酸素透過アイオノマからなり、
前記ノニオン系界面活性剤は、前記HLB値が17以上20未満であり、
前記ノオニオン系界面活性剤の含有量は、1wt%以上17wt%以下である
請求項1に記載の触媒インク。
The ionomer is composed of a highly oxygen permeable ionomer.
The nonionic surfactant has an HLB value of 17 or more and less than 20.
The catalyst ink according to claim 1, wherein the content of the noonion-based surfactant is 1 wt% or more and 17 wt% or less.
以下の構成を備えた触媒層。
(1)前記触媒層は、
触媒担持カーボンと、
アイオノマと、
HLB値が16以上20未満であるノニオン系界面活性剤と、
を備えている。
(2)前記ノニオン系界面活性剤の含有量は、1wt%以上23wt%以下である。
A catalyst layer having the following configuration.
(1) The catalyst layer is
Catalyst-supported carbon and
With ionomer
Nonionic surfactants with an HLB value of 16 or more and less than 20 and
Is equipped with.
(2) The content of the nonionic surfactant is 1 wt% or more and 23 wt% or less.
前記アイオノマは、高酸素透過アイオノマからなり、
前記ノニオン系界面活性剤は、前記HLB値が17以上20未満であり、
前記ノオニオン系界面活性剤の含有量は、1wt%以上17wt%以下である
請求項3に記載の触媒層。
The ionomer is composed of a highly oxygen permeable ionomer.
The nonionic surfactant has an HLB value of 17 or more and less than 20.
The catalyst layer according to claim 3, wherein the content of the noonion-based surfactant is 1 wt% or more and 17 wt% or less.
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