JP2024063350A - Electrode catalyst layer and membrane electrode assembly - Google Patents

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Abstract

【課題】電極触媒中の排水性やガス拡散性を向上し、高い発電性能を発揮することが可能な電極触媒層、膜電極接合体、および固体高分子型燃料電池を提供する。【解決手段】電極触媒層10は、触媒物質13と、導電性担体14と、アイオノマー15と、繊維状物質16とを含む。電極触媒層10の断面の各空隙Vの重心を母点とするボロノイ図において、ボロノイ領域の面積の標準偏差をASD、ボロノイ領域の平均面積をAAVとしたときに、ASD/AAVにより定義されるボロノイ領域の面積の分散度が0.4~0.55である。【選択図】図1[Problem] To provide an electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, and a solid polymer electrolyte fuel cell that can improve drainage and gas diffusion in an electrode catalyst and exhibit high power generation performance. [Solution] An electrode catalyst layer 10 includes a catalyst material 13, a conductive support 14, an ionomer 15, and a fibrous material 16. In a Voronoi diagram in which the center of gravity of each void V in the cross section of the electrode catalyst layer 10 is used as a generating point, when the standard deviation of the area of the Voronoi regions is ASD and the average area of the Voronoi regions is AAV, the degree of dispersion of the area of the Voronoi regions defined by ASD/AAV is 0.4 to 0.55. [Selected Figure] Figure 1

Description

本発明は、電極触媒層、膜電極接合体に関する。 The present invention relates to an electrode catalyst layer and a membrane electrode assembly.

近年、脱炭素社会への関心の高まりから、燃料電池が注目を浴びている。燃料電池とは水素等の燃料を酸素等の酸化剤を用いて酸化し、これに伴う化学エネルギーを電気エネルギーに変換するシステムである。燃料電池は用いられる電解質の種類によりアルカリ型、リン酸型、高分子型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等に分類される。固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池(PEFC)は、低温で作動し、高い出力密度を維持しながら小型・軽量化が可能であることから、携帯用電源、家庭用電源、移動体用動力源としての応用が期待されている。 In recent years, fuel cells have been attracting attention due to the growing interest in a decarbonized society. A fuel cell is a system that oxidizes fuel such as hydrogen using an oxidizing agent such as oxygen, and converts the resulting chemical energy into electrical energy. Fuel cells are classified into alkaline, phosphoric acid, polymer, molten carbonate, solid oxide, etc. depending on the type of electrolyte used. Polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) that use solid polymer membranes operate at low temperatures and can be made small and lightweight while maintaining a high output density, so they are expected to be used as portable power sources, domestic power sources, and power sources for mobile vehicles.

固体高分子型燃料電池(PEFC)は、高分子電解質膜と一対の電極を備える。一対の電極はそれぞれ燃料極(アノード)と空気極(カソード)と呼ばれ、電解質膜側から触媒層およびガス拡散層を備えた積層体である。アノード側に水素を含む燃料ガス、カソード側に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることで、それぞれ下記の化学反応を通じて発電する。 A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) comprises a polymer electrolyte membrane and a pair of electrodes. The pair of electrodes are called the fuel electrode (anode) and the air electrode (cathode), and are laminates that comprise a catalyst layer and a gas diffusion layer from the electrolyte membrane side. When a fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode side and an oxidant gas containing oxygen is supplied to the cathode side, electricity is generated through the following chemical reactions:

アノード:H → 2H+ + 2e
カソード:1/2O + 2H+ + 2e → H
上記の化学反応式に示されるように、アノード側電極触媒層に供給された燃料ガスは触媒層に含まれる触媒の作用によってプロトンと電子となる。プロトンは電極触媒層内に含まれる高分子電解質(アイオノマー)、高分子電解質膜を伝導し、カソード側電極触媒層へ移動する。電子は外部回路を通り、プロトン同様カソード電極触媒層に移動する。カソード側電極触媒層では移動してきたプロトンと電子が外部から供給された酸化剤ガスと反応し、水を生成する。これら一連の過程で電子が外部回路を通過することで電気エネルギーを取りだす仕組みである。
Anode: H2 → 2H+ + 2e-
Cathode: 1/ 2O2 + 2H+ + 2e-H2O
As shown in the chemical reaction formula above, fuel gas supplied to the anode electrode catalyst layer becomes protons and electrons through the action of the catalyst contained in the catalyst layer. The protons are conducted through the polymer electrolyte (ionomer) and polymer electrolyte membrane contained in the electrode catalyst layer, and move to the cathode electrode catalyst layer. The electrons pass through an external circuit and move to the cathode electrode catalyst layer, just like the protons. At the cathode electrode catalyst layer, the protons and electrons that have moved there react with oxidant gas supplied from the outside, producing water. Through this series of processes, the electrons pass through an external circuit, producing electrical energy.

燃料電池の性能向上を図るためには、酸化還元の反応場である三相界面への電子伝導性、プロトン伝導性、およびガス拡散性を高めることが重要である。電極触媒層内でのガスの拡散経路は電極触媒層内の細孔であり、この細孔は、カソード側電極触媒層内においては反応によって生成した水分の排出経路でもある。したがって、電極触媒層内の3次元的な構造を設計することは、燃料電池の性能向上のために重要である。 To improve the performance of fuel cells, it is important to increase the electronic conductivity, proton conductivity, and gas diffusivity to the three-phase interface, which is the site of the redox reaction. The gas diffusion path within the electrode catalyst layer is the pores in the electrode catalyst layer, and these pores also serve as the discharge path for water produced by the reaction within the cathode electrode catalyst layer. Therefore, designing the three-dimensional structure within the electrode catalyst layer is important for improving the performance of fuel cells.

アイオノマー及び高分子電解質膜はプロトン伝導性を有するが、プロトン伝導には水分が必要であるため、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿したうえで供給することが通常行われる。 Ionomer and polymer electrolyte membranes have proton conductivity, but since moisture is required for proton conduction, fuel gas and oxidant gas are usually humidified before being supplied.

電極触媒層の構成として、特許文献1には電極触媒層の構造が密とならないようコントロールし、発電性能を向上する手段として、例えば、異なる粒子径のカーボン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(特許文献1、2)。 As for the configuration of the electrode catalyst layer, Patent Document 1 proposes, for example, an electrode catalyst layer containing carbon or carbon fibers of different particle sizes as a means of controlling the structure of the electrode catalyst layer so that it does not become dense and improving power generation performance (Patent Documents 1 and 2).

特開平10-241703号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-241703 特許第5537178号公報Patent No. 5537178

特許文献1、2では、異なるカーボン材料を含むことにより電極触媒層内に空孔が生じ、排水性やガス拡散性の向上が期待できると記載されている。しかし、空隙率を高めると、厚みが大きくなり、電子あるいはプロトンの移動距離が長くなり、抵抗が大きくなる。このことにより、発電性能が低下する。また、カーボン材料の大きさ、形状や含有量についての記載はあるが、触媒層の構造についての記載がなく、その効果については具体的には検証されてはいない。 Patent Documents 1 and 2 state that by including different carbon materials, pores are generated in the electrode catalyst layer, which is expected to improve drainage and gas diffusion. However, increasing the porosity increases the thickness, which lengthens the travel distance of electrons or protons and increases resistance. This reduces power generation performance. Furthermore, although there is a description of the size, shape, and content of the carbon material, there is no description of the structure of the catalyst layer, and its effects have not been specifically verified.

本発明は上記のような点に着目してなされたものであり、電極触媒中の排水性やガス拡散性を向上し、高い発電性能を発揮することが可能な電極触媒層、膜電極接合体、および固体高分子型燃料電池を提供することを課題とする。 The present invention has been made with a focus on the above points, and aims to provide an electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, and a solid polymer fuel cell that can improve drainage and gas diffusion in the electrode catalyst and exhibit high power generation performance.

[1]触媒物質と、導電性担体と、アイオノマーと、繊維状物質とを含む電極触媒層であって、前記電極触媒層の断面の各空隙の重心を母点とするボロノイ図において、ボロノイ領域の面積の標準偏差をASD、ボロノイ領域の平均面積をAAVとしたときに、ASD/AAVにより定義されるボロノイ領域の面積の分散度が0.4~0.55である、電極触媒層。 [1] An electrode catalyst layer comprising a catalyst material, a conductive support, an ionomer, and a fibrous material, in which, in a Voronoi diagram in which the center of gravity of each void in the cross section of the electrode catalyst layer is the generating point, the standard deviation of the area of the Voronoi regions is ASD and the average area of the Voronoi regions is AAV, the degree of dispersion of the area of the Voronoi regions defined by ASD/AAV is 0.4 to 0.55.

[2]前記断面の全面積に対する、前記断面の全空隙の面積の分率が4~12%である、請求項1に記載の電極触媒層。 [2] The electrode catalyst layer according to claim 1, wherein the ratio of the area of all voids in the cross section to the total area of the cross section is 4 to 12%.

[3]:[1]または[2]に記載の電極触媒層を含む膜電極接合体。 [3]: A membrane electrode assembly including the electrode catalyst layer described in [1] or [2].

本発明の電極触媒層によれば、電極触媒層中の物質輸送特性が向上し、高い発電性能を発揮することが可能な電極触媒層、膜電極接合体、および固体高分子型燃料電池を提供することが可能となる。 The electrode catalyst layer of the present invention improves the material transport properties in the electrode catalyst layer, making it possible to provide an electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, and a solid polymer electrolyte fuel cell that are capable of exhibiting high power generation performance.

本発明の一実施形態に係る触媒層の構造を模式的に示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a schematic structure of a catalyst layer according to one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る膜電極接合体の構造を説明する断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a membrane electrode assembly according to one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る固体高分子型燃料電池の単セルの内部構造を示す分解斜視図である。1 is an exploded perspective view showing the internal structure of a unit cell of a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention;

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は、以下に記載する実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識を基に設計の変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も、本発明の範囲に含まれるものである。また、各図面は、理解を容易にするため適宜誇張して表現している。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments described below, and modifications such as design changes can be made based on the knowledge of those skilled in the art, and such modified embodiments are also included in the scope of the present invention. In addition, the drawings are appropriately exaggerated to make them easier to understand.

[電極触媒層の構成]
本実施形態に係る電極触媒層10は、図1に示すように、触媒物質13、導電性担体14、アイオノマー15及び繊維状物質16を有する。
[Configuration of electrode catalyst layer]
As shown in FIG. 1, the electrode catalyst layer 10 according to this embodiment has a catalyst material 13, a conductive support 14, an ionomer 15, and a fibrous material 16.

(触媒物質)
本実施形態に係る触媒物質13としては、例えば、金族元素、金属及びこれらの合金、酸化物、複酸化物、炭化物等を用いることができる。白金族元素としては、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムがある。金属としては、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、アルミニウム等が例示できる。その中でも、触媒物質13としては白金や白金合金が好ましい。また、これらの触媒物質の粒径は、大きすぎると触媒活性が低下し、小さすぎると触媒物質の安定性が低下するため、0.5~20nmが好ましい。さらに好ましくは1~5nmがよい。なお、触媒物質の粒径は、レーザ回折/散乱法による体積平均径D50である。
(Catalyst material)
As the catalyst material 13 according to this embodiment, for example, metal group elements, metals, and their alloys, oxides, double oxides, carbides, etc. can be used. Examples of platinum group elements include platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, and osmium. Examples of metals include iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum. Among them, platinum and platinum alloys are preferable as the catalyst material 13. In addition, the particle size of these catalyst materials is preferably 0.5 to 20 nm because if it is too large, the catalytic activity decreases, and if it is too small, the stability of the catalyst material decreases. More preferably, it is 1 to 5 nm. The particle size of the catalyst material is the volume average diameter D50 measured by the laser diffraction/scattering method.

(導電性担体)
導電性担体14としては、微粒子状で導電性を有し、触媒物質及び高分子電解質に侵されずに触媒物質を担持可能なものであれば、どのようなものでも構わないが、一般的には導電性担体としてカーボン粒子が使用される。カーボン粒子としては、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、フラーレンを用いることができる。
(Conductive Support)
Any conductive support 14 may be used as long as it is in the form of fine particles, has electrical conductivity, and is capable of supporting the catalytic substance without being affected by the catalytic substance and the polymer electrolyte, but carbon particles are generally used as the conductive support 14. Examples of the carbon particles that can be used include carbon black, graphite, activated carbon, carbon nanotubes, carbon nanofibers, and fullerenes.

カーボン粒子の粒径は、10~1000nm程度が好ましく、更に好ましくは、10~100nm程度がよい。小さすぎると電極触媒層において密に詰まり過ぎて電極触媒層のガス拡散性を低下させる恐れがあり、また、大きすぎると電極触媒層にひび割れが生じたり触媒の利用率が低下したりする恐れがあるため好ましくない。なお、カーボン粒子の粒径は、レーザ回折/散乱法による体積平均径D50である。また、高比表面積の導電性担体に触媒物質を担持することで、高密度な触媒物質の担持ができ、触媒活性を向上させることができる。 The particle size of the carbon particles is preferably about 10 to 1000 nm, and more preferably about 10 to 100 nm. If the particle size is too small, it may become too dense in the electrode catalyst layer, reducing the gas diffusion properties of the electrode catalyst layer, and if the particle size is too large, it may cause cracks in the electrode catalyst layer or reduce the catalyst utilization rate, which is not preferable. The particle size of the carbon particles is the volume average diameter D50 measured by the laser diffraction/scattering method. In addition, by supporting the catalyst substance on a conductive support with a high specific surface area, the catalyst substance can be supported at a high density, improving the catalytic activity.

(アイオノマー(高分子電解質))
高分子電解質膜や電極触媒層に含まれるアイオノマーとしては、プロトン伝導性を有するものであればどのようなものでもよく、フッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質を用いることができる。フッ素系高分子電解質としてはテトラフルオロエチレン骨格を有する高分子電解質、例えばNafion(ケマーズ社製、商標登録)等を、炭化水素系高分子電解質としては、例えば、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等を用いることができる。高分子電解質膜に含まれるアイオノマーと、電極触媒層に含まれるアイオノマーとは、高分子電解質膜と電極触媒層との界面抵抗や、湿度変化時の高分子電解質膜と電極触媒層とにおける寸法変化を考慮すると、互いに同じものであるか類似の成分のものであることが好適である。
(Ionomer (Polyelectrolyte))
The ionomer contained in the polymer electrolyte membrane or the electrode catalyst layer may be any one having proton conductivity, and may be a fluorine-based polymer electrolyte or a hydrocarbon-based polymer electrolyte. The fluorine-based polymer electrolyte may be a polymer electrolyte having a tetrafluoroethylene skeleton, such as Nafion (manufactured by Chemours, registered trademark), and the hydrocarbon-based polymer electrolyte may be, for example, sulfonated polyether ketone, sulfonated polyether sulfone, sulfonated polyether ether sulfone, sulfonated polysulfide, or sulfonated polyphenylene. Considering the interface resistance between the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer and the dimensional change between the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer when the humidity changes, it is preferable that the ionomer contained in the polymer electrolyte membrane and the ionomer contained in the electrode catalyst layer are the same or have similar components.

(繊維状物質)
繊維状物質としては、触媒物質及びアイオノマーに侵されずに繊維形状を維持可能なものであればどのようなものでも構わないが、例えば、高分子化合物、カーボン、導電性酸化物を繊維状に加工したナノファイバーを挙げることができる。繊維状物質は、以下に示す繊維のうち一種のみを単独で使用してもよいが、二種以上を併せて用いてもよい。電極触媒層の抵抗を下げるため、繊維状物質は電子伝導性またはプロトン伝導性を示すものが好ましい。電極触媒層中の物質輸送性およびプロトン伝導性を同時に向上できる点で、プロトン伝導性または塩基性を有する高分子繊維を少なくとも含むのが好ましい。
(Fibrous material)
The fibrous material may be any material that can maintain its fibrous shape without being affected by the catalyst material and the ionomer, and examples of such materials include nanofibers made by processing polymer compounds, carbon, and conductive oxides into fibers. The fibrous material may be one of the fibers shown below, or two or more of them may be used in combination. In order to reduce the resistance of the electrode catalyst layer, the fibrous material preferably exhibits electronic conductivity or proton conductivity. In order to simultaneously improve the material transportability and proton conductivity in the electrode catalyst layer, it is preferable that the fibrous material contains at least a polymer fiber having proton conductivity or basicity.

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

プロトン伝導性の繊維状物質としては、プロトン伝導性を有する高分子電解質を繊維状に加工したナノファイバーを挙げることができ、例えば、フッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質を用いることができる。フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製Nafion(登録商標)、旭硝子(株)製Flemion(登録商標)、旭化成(株)製Aciplex(登録商標)、ゴア社製Gore Select(登録商標)などが挙げられる。炭化水素系高分子電解質としては、例えば、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレンなどの電解質が挙げられる。また、酸をドープすることでプロトン伝導性を発現する酸ドープ型ポリベンゾアゾール類も好適に用いることができる。 Examples of proton-conductive fibrous materials include nanofibers made by processing proton-conductive polymer electrolytes into fibers, and for example, fluorine-based polymer electrolytes and hydrocarbon-based polymer electrolytes can be used. Examples of fluorine-based polymer electrolytes include Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Corporation, and Gore Select (registered trademark) manufactured by Gore. Examples of hydrocarbon-based polymer electrolytes include electrolytes such as sulfonated polyether ketone, sulfonated polyether sulfone, sulfonated polyether ether sulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene. In addition, acid-doped polybenzoazoles that exhibit proton conductivity by doping with acid can also be used suitably.

また、繊維状物質としては、主鎖骨格、あるいは側鎖官能基に、酸性物質と相互作用可能な塩基性官能基を有する樹脂繊維も挙げられる。これらは、高分子電解質に含まれる酸性物質と相互作用することで、樹脂繊維の表面が高分子電解質に被覆されて、プロトン伝導性を示すことが可能となる。特にその分子構造中に窒素(N)原子を含む塩基性官能基を有していることで、高分子電解質が高分子繊維に均一に被覆し、電極触媒層10中の物質輸送性およびプロトン伝導性を同時に向上することが可能となる。酸性物質と相互作用可能な塩基性官能基としては、=N-基、-NH基、>NH基、>N-基、アンモニウム基、アミン誘導体、ピリジン誘導体、イミダゾール誘導体、イミダゾリウム基等を挙げることができる。具体的な樹脂繊維としては、ポリベンズイミダゾール(PBI)、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチオアゾール、ポリビニルイミダゾール、ポリアリルアミン等を挙げることができ、特に、プロトン伝導性および加工の観点から、アゾール構造を有するポリベンズイミダゾール(PBI)が好ましい。 In addition, examples of fibrous materials include resin fibers having a basic functional group in the main chain skeleton or side chain functional group that can interact with acidic substances. These interact with the acidic substances contained in the polymer electrolyte, and the surface of the resin fiber is covered with the polymer electrolyte, making it possible to exhibit proton conductivity. In particular, by having a basic functional group containing a nitrogen (N) atom in its molecular structure, the polymer electrolyte can be uniformly covered on the polymer fiber, and the material transport property and proton conductivity in the electrode catalyst layer 10 can be improved at the same time. Examples of basic functional groups that can interact with acidic substances include =N- group, -NH 2 group, >NH group, >N- group, ammonium group, amine derivatives, pyridine derivatives, imidazole derivatives, imidazolium group, etc. Specific examples of resin fibers include polybenzimidazole (PBI), polybenzoxazole, polybenzothioazole, polyvinyl imidazole, polyallylamine, etc., and in particular, polybenzimidazole (PBI) having an azole structure is preferable from the viewpoint of proton conductivity and processing.

繊維状物質の平均繊維径としては、100~400nmが好ましく、100~250nmがより好ましい。平均繊維径をこの範囲にすることにより、電極触媒層内の空隙を増加させるとともに伝導性の低下を抑制することができ、高出力化が可能になる。また、繊維状物質の平均繊維長は1~100μmが好ましく、5~50μmがより好ましい。平均繊維長をこの範囲にすることにより、電極触媒層の強度を高めることができ、ひいては、電極触媒層を形成するときにクラックが生じることを抑制できる。加えて、電極触媒層内の空隙を増加させることができ、高出力化が可能になる。 The average fiber diameter of the fibrous material is preferably 100 to 400 nm, more preferably 100 to 250 nm. By setting the average fiber diameter within this range, the voids in the electrode catalyst layer can be increased and a decrease in conductivity can be suppressed, enabling a higher output. The average fiber length of the fibrous material is preferably 1 to 100 μm, more preferably 5 to 50 μm. By setting the average fiber length within this range, the strength of the electrode catalyst layer can be increased, and thus the occurrence of cracks when forming the electrode catalyst layer can be suppressed. In addition, the voids in the electrode catalyst layer can be increased, enabling a higher output.

(触媒層の構造)
電極触媒層10は、図1に示す触媒層の構造に示すように、触媒物質13、導電性担体14、アイオノマー15、繊維状物質16のいずれも存在しない領域である空隙Vを有する。
(Structure of catalyst layer)
As shown in the structure of the catalyst layer in FIG. 1, the electrode catalyst layer 10 has voids V which are regions where none of the catalyst material 13, the conductive support 14, the ionomer 15, and the fibrous material 16 are present.

そして、電極触媒層10の断面における空隙Vの一つ一つの重心を母点としたボロノイ図において、ボロノイ領域の面積の標準偏差をASD、ボロノイ領域の平均面積をAAAとしたときに、ASD/AAVで表されるボロノイ領域の面積の分散度が0.40~0.55を満たす。分散度は、0.54以下であってよく、0.53以下であってもよい。 In a Voronoi diagram in which the center of gravity of each void V in the cross section of the electrode catalyst layer 10 is used as the generating point, when the standard deviation of the area of the Voronoi regions is ASD and the average area of the Voronoi regions is AAA, the degree of dispersion of the area of the Voronoi regions expressed as ASD/AAV satisfies 0.40 to 0.55. The degree of dispersion may be 0.54 or less, or may be 0.53 or less.

まず、電極触媒層の断面における空隙の検出方法について説明する。電極触媒層の断面の空隙Vは、電極触媒層の断面を、走査型電子顕微鏡(SEM)により観察した画像に基づいて検出することができる。例えば観察倍率5000倍から20000倍程度の電極触媒層の厚み全体が収まる視野で撮像したSEM観察画像から、画像処理によって空隙部分を抽出することができる。 First, a method for detecting voids in the cross section of the electrode catalyst layer will be described. The voids V in the cross section of the electrode catalyst layer can be detected based on an image of the cross section of the electrode catalyst layer observed with a scanning electron microscope (SEM). For example, the void portion can be extracted by image processing from an SEM observation image taken in a field of view that includes the entire thickness of the electrode catalyst layer at an observation magnification of about 5000 to 20000 times.

電子顕微鏡画像の取得条件は、電極触媒層に含まれるアイオノマーにダメージを与えない加速電圧であれば特に限定しないが、たとえば加速電圧1kVから3kVが好ましい。また、撮像時には輝度のヒストグラムが0~255以内に収まるように像の明るさやコントラストを調整する必要がある。また、検出することのできる空隙の大きさは保存する画像のサイズと倍率に依存し、少なくとも0.02μm/px以上の解像度であることが好ましい。誤差を小さくするために、少なくとも5か所以上、好ましくは10か所以上の視野において同様に撮像し計測することが好ましい。電極触媒層の断面を露出させる方法としては、加工の際に触媒層の形状を保てる手法であれば制限はなく、例えば、イオンミリング、ウルトラミクロトーム等の公知の手法を用いることができる。断面とは、厚み方向に沿う断面である。 The conditions for acquiring the electron microscope image are not particularly limited as long as the accelerating voltage does not damage the ionomer contained in the electrode catalyst layer, but for example, an accelerating voltage of 1 kV to 3 kV is preferable. In addition, when capturing an image, it is necessary to adjust the brightness and contrast of the image so that the brightness histogram falls within a range of 0 to 255. In addition, the size of the void that can be detected depends on the size and magnification of the image to be saved, and it is preferable that the resolution is at least 0.02 μm/px or more. In order to reduce errors, it is preferable to capture and measure images in the same manner in at least five or more, preferably 10 or more, fields of view. There are no limitations on the method for exposing the cross section of the electrode catalyst layer as long as the shape of the catalyst layer can be maintained during processing, and known methods such as ion milling and ultramicrotome can be used. The cross section is a cross section along the thickness direction.

次に、各空隙Vの重心を母点とするボロノイ図におけるボロノイ領域の面積の分散度の求め方について説明する。 Next, we will explain how to calculate the variance of the area of the Voronoi region in a Voronoi diagram with the center of gravity of each void V as the generating point.

「ボロノイ図」とは、平面上に存在する隣接する2つの母点を結ぶ線にそれぞれ垂直二等分線(ボロノイ分割線)を引き、垂直二等分線同士を結ぶことにより、平面を各母点の最近接領域(ボロノイ領域)に分割した図である。 A "Voronoi diagram" is a diagram in which perpendicular bisectors (Voronoi division lines) are drawn on the line connecting two adjacent kernel points on a plane, and the plane is divided into the regions (Voronoi regions) closest to each kernel point by connecting the perpendicular bisectors.

本実施形態では、触媒層の断面における空隙Vの重心をそれぞれ母点としてボロノイ図を取得する。そして、ボロノイ領域の面積の分散度は、ボロノイ領域の面積の標準偏差をASD、ボロノイ領域の面積の算術平均面積をAAVとしたときに、ASD/AAVと定義される。この分散度の値が小さいほど数多くの空隙が空間的に高い分散性をもって断面内に分布していることになる。 In this embodiment, a Voronoi diagram is obtained by using the centers of gravity of the voids V in the cross section of the catalyst layer as the generating points. The degree of dispersion of the areas of the Voronoi regions is defined as ASD/AAV, where ASD is the standard deviation of the areas of the Voronoi regions and AAV is the arithmetic mean area of the areas of the Voronoi regions. The smaller the value of this degree of dispersion, the greater the number of voids distributed in the cross section with high spatial dispersion.

本明細書において、少なくとも5カ所以上の視野の上記のSEM画像のそれぞれに基づいてボロノイ図を作成し、各視野に含まれる全てのボロノイ領域の面積に基づいて、標準偏差および算術平均面積を求める。ボロノイ面積は、0.04~0.17μmであってよい。 In this specification, a Voronoi diagram is created based on each of the above SEM images of at least five or more fields of view, and the standard deviation and arithmetic mean area are calculated based on the areas of all the Voronoi regions included in each field of view. The Voronoi area may be 0.04 to 0.17 μm2 .

また、空隙部分にもとづいて、断面全体に占める全空隙Vの面積の分率を算出することができる。断面の全面積に対する、断面の全空隙の面積の分率は、4~14%であってよい。当該分率は12%以下、11%以下であってよく、5%以上であってよい。 In addition, the percentage of the area of all voids V in the entire cross section can be calculated based on the void portion. The percentage of the area of all voids in the cross section with respect to the total area of the cross section may be 4 to 14%. This percentage may be 12% or less, 11% or less, or 5% or more.

(電極触媒層の厚み)
電極触媒層の厚さは1μm以上10μm以下が好ましい。厚さが10μmよりも厚い場合には、ひび割れが生じやすくなるうえに燃料電池に用いた場合にガスや生成する水分の拡散性および導電性が低下して出力が低下する。また厚さが1μmよりも薄い場合には層厚にばらつきが生じやすくなり、触媒物質や導電性担体、アイオノマーが不均一となりやすい。電極触媒層表面のひび割れや厚さ及び材料の不均一性は、燃料電池として長期運転した際の耐久性に悪影響を及ぼす。
(Thickness of electrode catalyst layer)
The thickness of the electrode catalyst layer is preferably 1 μm or more and 10 μm or less. If the thickness is thicker than 10 μm, cracks are likely to occur, and when used in a fuel cell, the diffusibility and conductivity of gas and generated water are reduced, resulting in a decrease in output. If the thickness is thinner than 1 μm, the layer thickness is likely to vary, and the catalyst material, conductive carrier, and ionomer are likely to become non-uniform. Cracks on the surface of the electrode catalyst layer and non-uniformity in thickness and material have a negative effect on the durability of the fuel cell when operated for a long period of time.

電極触媒層の厚さは、例えば膜電極接合体の断面を、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察することで計測することができる。例えば観察倍率1000倍から100000倍程度の触媒層全体が収まる視野内において、電極触媒層の厚みを測長することによって計測することが可能である。偏りなく厚さを把握するために、少なくとも20か所以上の観察点において同様に計測することが好ましい。膜電極接合体の断面を露出させる方法には、例えば、イオンミリング、ウルトラミクロトーム等の公知の手法を用いることができる。 The thickness of the electrode catalyst layer can be measured, for example, by observing the cross section of the membrane electrode assembly using a scanning electron microscope (SEM). For example, it is possible to measure the thickness of the electrode catalyst layer by measuring the length within a field of view that contains the entire catalyst layer at an observation magnification of about 1000 to 100,000 times. In order to grasp the thickness without bias, it is preferable to measure similarly at at least 20 or more observation points. For example, known methods such as ion milling and ultramicrotome can be used to expose the cross section of the membrane electrode assembly.

[膜電極接合体の構成]
次に、図2を参照しつつ、本実施形態に係る電極触媒層を備えた膜電極接合体の具体的を説明する。図2に示すように、膜電極接合体20は、高分子電解質膜1と、高分子電解質膜1のそれぞれの面に接合された電極触媒層10とを備えている。本実施形態では、高分子電解質膜1の上面に形成される電極触媒層10は、酸素極を構成するカソード側電極触媒層2であり、高分子電解質膜の下面に形成される電極触媒層10は、燃料極を構成するアノード側電極触媒層3である。以下、一対の電極触媒層は、区別する必要がない場合には、「電極触媒層」と略記する場合がある。なお、電極触媒層の外周部は、ガスケット等(図示せず)によりシールされていてもよい。
[Configuration of membrane electrode assembly]
Next, referring to Fig. 2, a membrane electrode assembly including an electrode catalyst layer according to this embodiment will be specifically described. As shown in Fig. 2, the membrane electrode assembly 20 includes a polymer electrolyte membrane 1 and electrode catalyst layers 10 bonded to each surface of the polymer electrolyte membrane 1. In this embodiment, the electrode catalyst layer 10 formed on the upper surface of the polymer electrolyte membrane 1 is a cathode-side electrode catalyst layer 2 constituting an oxygen electrode, and the electrode catalyst layer 10 formed on the lower surface of the polymer electrolyte membrane is an anode-side electrode catalyst layer 3 constituting a fuel electrode. Hereinafter, the pair of electrode catalyst layers may be abbreviated to "electrode catalyst layers" when there is no need to distinguish between them. The outer periphery of the electrode catalyst layer may be sealed by a gasket or the like (not shown).

[電極触媒層および膜電極接合体の製造方法]
以下、上述した電極触媒層および膜電極接合体の製造方法を説明する。まず、触媒インクを作製する。少なくとも上述した触媒物質、導電性担体、アイオノマー、および、繊維状物質を分散媒に混合し、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製する。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。
[Method of manufacturing electrode catalyst layer and membrane electrode assembly]
The manufacturing method of the above-mentioned electrode catalyst layer and membrane electrode assembly will be described below. First, a catalyst ink is prepared. At least the above-mentioned catalyst material, conductive support, ionomer, and fibrous material are mixed in a dispersion medium, and then the mixture is subjected to a dispersion treatment to prepare the catalyst 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として使用される溶媒は、触媒物質や導電性担体、高分子電解質及び繊維状物質を浸食することがなく、流動性の高い状態で高分子電解質を溶解又は微細ゲルとして分散できるものあれば、どのようなものでもよい。一般的に用いられる溶媒としては、水、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール、1-ブタノール、2-ブタノール、イソブチルアルコール、tert-ブチルアルコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、メチルブチルケトン、メチルイゾブチルケトン、メチルアミルケトン、ペンタノン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジエチルケトン、ジプロピルケトン、ジイソブチルケトンなどのケトン類、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル等のエーテル類、イソプロピルアミン、ブチルアミン、イソブチルアミン、シクロヘキシルアミン、ジエチルアミン、アニリンなどのアミン類、蟻酸プロピル、蟻酸イソブチル、蟻酸アミル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸ブチルなどのエステル類、その他酢酸、プロピオン酸、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン等を用いてもよい。また、グリコール、グリコールエーテル系溶媒としては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、ジアセトンアルコール、1-メトキシ-2-プロパノール、1-エトキシ-2-プロパノールなどが挙げられる。
溶媒は、水及びアルコールの混合物であることが好適であり、好適な水:アルコール質量比は30:70~70:30である。
The solvent used as the dispersion medium of the catalyst ink may be any solvent that does not corrode the catalyst material, conductive carrier, polymer electrolyte, or fibrous material, and that can dissolve the polymer electrolyte or disperse it as a fine gel in a highly fluid state. Commonly used solvents include water, alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, and tert-butyl alcohol, ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl propyl ketone, methyl butyl ketone, methyl isobutyl ketone, methyl amyl ketone, pentanone, heptanone, cyclohexanone, methylcyclohexanone, acetonylacetone, diethyl ketone, dipropyl ketone, and diisobutyl ketone, tetrahydrofuran, tetrahydropyran, dioxane, diethylene glycol dimethyl ether, and the like. Other examples of the solvent that may be used include ethers such as ether, anisole, methoxytoluene, diethyl ether, dipropyl ether, dibutyl ether, and the like, amines such as isopropylamine, butylamine, isobutylamine, cyclohexylamine, diethylamine, aniline, and the like, esters such as propyl formate, isobutyl formate, amyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, butyl acetate, isobutyl acetate, pentyl acetate, isopentyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, butyl propionate, and the like, as well as acetic acid, propionic acid, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, and the like. Examples of glycol and glycol ether solvents include ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, diacetone alcohol, 1-methoxy-2-propanol, and 1-ethoxy-2-propanol.
The solvent is preferably a mixture of water and alcohol, with a preferred water:alcohol weight ratio of 30:70 to 70:30.

触媒インク中には、揮発性の液体有機溶媒が少なくとも含まれることが望ましいが、溶剤として低級アルコールを用いたものは発火の危険性が高いため、このような溶媒を用いる際は水との混合溶媒にするのが好ましい。水の添加量は、高分子電解質が分離して白濁を生じたり、ゲル化したりしない程度であれば特に制限はない。 It is desirable for the catalyst ink to contain at least a volatile liquid organic solvent, but since lower alcohols used as solvents have a high risk of ignition, it is preferable to use such solvents in a mixed solvent with water. There are no particular restrictions on the amount of water added, so long as it is enough to prevent the polymer electrolyte from separating and becoming cloudy or gelling.

作製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成分が除去されて、基材上に電極触媒層が形成される。基材には、高分子電解質膜、または、転写用基材、ガス拡散層などを用いることができる。 The catalyst ink thus prepared is applied to a substrate and then dried, thereby removing the solvent components from the coating of the catalyst ink and forming an electrode catalyst layer on the substrate. The substrate may be a polymer electrolyte membrane, a transfer substrate, a gas diffusion layer, or the like.

高分子電解質膜を基材として用いる場合には、例えば、高分子電解質膜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を形成することができる。その後、高分子電解質膜を挟んで電極触媒層と対向するように、高分子電解質膜の反対側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を形成し、膜電極接合体を得ることができる。 When a polymer electrolyte membrane is used as the substrate, for example, a catalyst ink can be applied directly to the surface of the polymer electrolyte membrane, and then the solvent can be removed from the coating of the catalyst ink to form an electrode catalyst layer. Then, a catalyst ink can be applied directly to the surface opposite the polymer electrolyte membrane so as to face the electrode catalyst layer across the polymer electrolyte membrane, and then the solvent can be removed from the coating of the catalyst ink to form an electrode catalyst layer, thereby obtaining a membrane electrode assembly.

転写用基材やガス拡散層を用いる場合には、例えば、転写用基材またはガス拡散層の上に電極触媒層を形成し、その後、電極触媒層の表面と高分子電解質膜とを接触させた状態で、加熱および加圧を行うことで電極触媒層と高分子電解質膜とを接合させることで膜電極接合体を製造することができる。 When using a transfer substrate or a gas diffusion layer, for example, an electrode catalyst layer is formed on the transfer substrate or the gas diffusion layer, and then, with the surface of the electrode catalyst layer in contact with the polymer electrolyte membrane, heating and pressure are applied to bond the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane, thereby producing a membrane electrode assembly.

高分子電解質膜に直接触媒層を形成する方法は、高分子電解質膜と触媒層との密着性が高く、触媒層が潰れる恐れがないため、好ましい。 The method of forming a catalyst layer directly on a polymer electrolyte membrane is preferred because it provides strong adhesion between the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer and there is no risk of the catalyst layer being crushed.

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分以下程度であることが好ましい。 Various coating methods can be used to apply the catalyst ink to the substrate. Examples of the coating methods include die coating, roll coating, curtain coating, spray coating, and squeegee. It is preferable to use die coating as the coating method. Die coating is preferable because the film thickness during the coating period is stable and intermittent coating can be performed. Methods for drying the coating film of the catalyst ink include drying using a hot air oven, IR (far infrared) drying, drying using a hot plate, and reduced pressure drying. The drying temperature is 40°C or higher and 200°C or lower, and preferably 40°C or higher and 120°C or lower. The drying time is 0.5 minutes or higher and 1 hour or lower, and preferably 1 minute or higher and 30 minutes or lower.

転写用基材またはガス拡散層に電極触媒層を形成する場合には、電極触媒層の転写時に電極触媒層に加わる圧力や温度が膜電極接合体の発電性能に影響する。発電性能が高い膜電極接合体を得る上では、電極触媒層に加わる圧力は、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、電極触媒層と高分子電解質膜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、高分子電解質膜と電極触媒層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、または、電極触媒層が含む高分子電解質のガラス転移点付近であることが好ましい。 When forming an electrode catalyst layer on a transfer substrate or a gas diffusion layer, the pressure and temperature applied to the electrode catalyst layer during transfer affect the power generation performance of the membrane electrode assembly. In order to obtain a membrane electrode assembly with high power generation performance, the pressure applied to the electrode catalyst layer is preferably 0.1 MPa or more and 20 MPa or less. By setting the pressure to 20 MPa or less, excessive compression of the electrode catalyst layer is suppressed. By setting the pressure to 0.1 MPa or more, a decrease in power generation performance due to a decrease in the bonding strength between the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane is suppressed. In consideration of improving the bonding strength at the interface between the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer and suppressing the interface resistance, the temperature during bonding is preferably near the glass transition point of the polymer electrolyte membrane or the polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer.

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。 For example, a polymer film and a sheet formed of a fluororesin can be used as the transfer substrate. Fluororesin has excellent transferability. Examples of fluororesins include ethylene tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroperfluoroalkylvinylether copolymer (PFA), and polytetrafluoroethylene (PTFE). Examples of polymers that form the polymer film include polyimide, polyethylene terephthalate, polyamide (nylon (registered trademark)), polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyetherimide, polyarylate, and polyethylene naphthalate.

ここで、電極触媒層中のアイオノマー(高分子電解質)の配合率、電極触媒中の繊維状物質の配合率、触媒インクの溶媒組成、触媒インク調整時の分散強度、塗布した触媒インクの加熱温度やその加熱速度、などを調整する事により、電極触媒層の断面における空隙の重心を母点とするボロノイ図におけるボロノイ領域の面積の分散度を0.55以下に設定することができる。 Here, by adjusting the blending ratio of the ionomer (polymer electrolyte) in the electrode catalyst layer, the blending ratio of the fibrous material in the electrode catalyst, the solvent composition of the catalyst ink, the dispersion strength when preparing the catalyst ink, the heating temperature and heating rate of the applied catalyst ink, etc., it is possible to set the degree of dispersion of the area of the Voronoi region in the Voronoi diagram with the center of gravity of the void in the cross section of the electrode catalyst layer as the generating point to 0.55 or less.

例えば、電極触媒層中のアイオノマー(高分子電解質)の量は、導電性担体の質量に対して同程度から半分程度、すなわち、50~100質量%が好ましい。
また、電極触媒層中の繊維状物質の配合率は、導電性担体の質量に対して1~100質量%程度が好ましい。電極触媒層中の繊維状物質16の配合率が導電性担体の質量に対して1質量%よりも少ないと、プロトン伝導抵抗の低減およびガス拡散性向上の効果が十分に得られない上、電極触媒層を形成するときにクラックが生じて長期的に運転した際の耐久性が低下する。一方、電極触媒層中の繊維状物質の配合率が導電性担体の質量に対して100質量%よりも多いと、触媒反応を阻害して電池性能が低下する可能性がある。また、繊維状物質が高分子繊維である場合、予め分散液の状態としてインクに配合することで繊維状物質の電極触媒層での分散性を高め、結果として空隙のボロノイ分散度を下げることができる。
For example, the amount of ionomer (polymer electrolyte) in the electrode catalyst layer is preferably about the same as or about half the mass of the conductive carrier, that is, 50 to 100 mass %.
The blending ratio of the fibrous material in the electrode catalyst layer is preferably about 1 to 100% by mass relative to the mass of the conductive carrier. If the blending ratio of the fibrous material 16 in the electrode catalyst layer is less than 1% by mass relative to the mass of the conductive carrier, the effect of reducing the proton conduction resistance and improving the gas diffusion is not sufficiently obtained, and cracks are generated when forming the electrode catalyst layer, resulting in a decrease in durability during long-term operation. On the other hand, if the blending ratio of the fibrous material in the electrode catalyst layer is more than 100% by mass relative to the mass of the conductive carrier, the catalytic reaction may be inhibited and the battery performance may decrease. In addition, when the fibrous material is a polymer fiber, it can be blended in the ink in the form of a dispersion liquid in advance to increase the dispersibility of the fibrous material in the electrode catalyst layer, and as a result, the Voronoi dispersion degree of the voids can be reduced.

また、触媒層用インクにおける溶媒の量は、触媒物質、導電性担体、及び、高分子電解質の合計質量が、触媒層用インクの合計質量に対して、5~20質量%となることが好適であり、10質量%以上でもよい。また、インクの塗布後の加熱温度は75~90℃とすることが好ましい。
乾燥は静置して行うことが好ましいが、炉内を移動させて乾燥してもよく、その場合の移動速度は4m/min以下であることが好適である。
また、触媒層用インクの固形分比率は、薄膜に塗工できる範囲で、高いほうが好ましい。触媒インクの静置粘度は、300~7000mPaであってよい。
The amount of the solvent in the ink for the catalyst layer is preferably 5 to 20% by mass, and may be 10% by mass or more, based on the total mass of the ink for the catalyst layer, of the catalyst substance, the conductive carrier, and the polymer electrolyte. The heating temperature after application of the ink is preferably 75 to 90° C.
The drying is preferably carried out by leaving the material stationary, but the material may be dried by moving it within a furnace, in which case the moving speed is preferably 4 m/min or less.
The solid content ratio of the catalyst layer ink is preferably as high as possible within the range that allows the ink to be applied in a thin film. The static viscosity of the catalyst ink may be 300 to 7000 mPa.

(作用効果)
すなわち、本実施形態の電極触媒層は、触媒物質と、前記触媒物質を担持する導電性担体と、高分子電解質と、繊維状物質を有し、触媒層断面において、空隙の重心を母点とするボロノイ図のボロノイ面積の分散度が0.55以下となっている。この構成によれば、空隙が空間的に均一に分散しているので、排水性やガス拡散性が向上され、高出力が可能な高分子型燃料電池用の電極触媒層を提供することができる。
また、空隙の面積分率が4~12%であると、空隙の量が適切に確保されて、物質輸送がより効率的に行われる。
(Action and Effect)
That is, the electrode catalyst layer of this embodiment includes a catalyst material, a conductive carrier that supports the catalyst material, a polymer electrolyte, and a fibrous material, and in the cross section of the catalyst layer, the degree of dispersion of the Voronoi area of a Voronoi diagram with the center of gravity of the void as the generating point is 0.55 or less. With this configuration, the voids are spatially uniformly dispersed, so that drainage and gas diffusion are improved, and it is possible to provide an electrode catalyst layer for a polymer fuel cell that is capable of high output.
Furthermore, when the area fraction of voids is 4 to 12%, an appropriate amount of voids is ensured, and material transport is more efficient.

そして、本実施形態の電極触媒層は、例えば、固体高分子型燃料電池に適用して極めて好適である。 The electrode catalyst layer of this embodiment is highly suitable for use in, for example, polymer electrolyte fuel cells.

[膜電極接合体の構成]
次に、図3を参照して、固体高分子型燃料電池11について説明する。図3は、本実施形態に係る電極触媒層10を備えた膜電極接合体20を装着した固体高分子型燃料電池11の構成例を示す分解斜視図である。
膜電極接合体20は、高分子電解質膜1と、高分子電解質膜1の表裏面にそれぞれ接合された電極触媒層2(10)、3(10)とを備えている。本実施形態では、高分子電解質膜1の上面(表面)に形成される電極触媒層10は、酸素極を構成するカソード側電極触媒層2であり、高分子電解質膜1の下面(裏面)に形成される電極触媒層10は、燃料極を構成するアノード側電極触媒層3である。以下、一対の電極触媒層2,3は、区別する必要がない場合には、「電極触媒層10」と略記する場合がある。本実施形態による膜電極接合体20において、電極触媒層10は、高分子電解質膜1の少なくとも一方の面に備えられていればよい。また、高分子電解質膜1の電極触媒層10が接合されていない外周部分からのガスリークを防ぐため、膜電極接合体20には酸素極側のガスケット16C及び燃料極側のガスケット16Aが配置されている。
[Configuration of membrane electrode assembly]
Next, the polymer electrolyte fuel cell 11 will be described with reference to Fig. 3. Fig. 3 is an exploded perspective view showing an example of the configuration of a polymer electrolyte fuel cell 11 equipped with a membrane electrode assembly 20 including an electrode catalyst layer 10 according to this embodiment.
The membrane electrode assembly 20 includes a polymer electrolyte membrane 1 and electrode catalyst layers 2 (10), 3 (10) bonded to the front and back surfaces of the polymer electrolyte membrane 1, respectively. In this embodiment, the electrode catalyst layer 10 formed on the upper surface (front surface) of the polymer electrolyte membrane 1 is a cathode-side electrode catalyst layer 2 constituting an oxygen electrode, and the electrode catalyst layer 10 formed on the lower surface (back surface) of the polymer electrolyte membrane 1 is an anode-side electrode catalyst layer 3 constituting a fuel electrode. Hereinafter, the pair of electrode catalyst layers 2, 3 may be abbreviated as "electrode catalyst layer 10" when there is no need to distinguish them. In the membrane electrode assembly 20 according to this embodiment, the electrode catalyst layer 10 may be provided on at least one surface of the polymer electrolyte membrane 1. In addition, in order to prevent gas leakage from the outer periphery of the polymer electrolyte membrane 1 to which the electrode catalyst layer 10 is not bonded, a gasket 16C on the oxygen electrode side and a gasket 16A on the fuel electrode side are arranged in the membrane electrode assembly 20.

固体高分子型燃料電池11は、さらに、カソード(酸素極)側のガス拡散層4と、アノード(燃料極)側のガス拡散層5とを備えている。ガス拡散層4は、膜電極接合体20の酸素極側のカソード側電極触媒層2である電極触媒層10と対向して配置されている。また、ガス拡散層5は、膜電極接合体20の燃料極側のアノード側電極触媒層3である電極触媒層10と対向して配置されている。そして、電極触媒層2及びガス拡散層4から酸素極6が構成され、電極触媒層3及びガス拡散層5から燃料極7が構成されている。 The solid polymer electrolyte fuel cell 11 further includes a gas diffusion layer 4 on the cathode (oxygen electrode) side and a gas diffusion layer 5 on the anode (fuel electrode) side. The gas diffusion layer 4 is disposed opposite the electrode catalyst layer 10, which is the cathode side electrode catalyst layer 2 on the oxygen electrode side of the membrane electrode assembly 20. The gas diffusion layer 5 is disposed opposite the electrode catalyst layer 10, which is the anode side electrode catalyst layer 3 on the fuel electrode side of the membrane electrode assembly 20. The electrode catalyst layer 2 and the gas diffusion layer 4 form the oxygen electrode 6, and the electrode catalyst layer 3 and the gas diffusion layer 5 form the fuel electrode 7.

更に、固体高分子型燃料電池11は、酸素極6に対向して配置されたセパレーター30Cと、燃料極7に対向して配置されたセパレーター30Aと、を備えている。セパレーター30Cは、ガス拡散層4に対向する面に形成された反応ガス流通用のガス流路8と、ガス流路8が形成された面と反対側の面に形成された冷却水流通用の冷却水流路9とを備えている。 The solid polymer electrolyte fuel cell 11 further includes a separator 30C arranged opposite the oxygen electrode 6, and a separator 30A arranged opposite the fuel electrode 7. The separator 30C includes a gas flow path 8 for flowing reactant gas formed on the surface facing the gas diffusion layer 4, and a cooling water flow path 9 for flowing cooling water formed on the surface opposite to the surface on which the gas flow path 8 is formed.

また、セパレーター30Aは、セパレーター30Cと同様の構成を有しており、ガス拡散層5に対向する面に形成されたガス流路8と、ガス流路8が形成された面と反対側の面に形成された冷却水流路9とを備えている。セパレーター30C、30Aは、導電性でかつガス不透過性の材料からなる。 Separator 30A has the same configuration as separator 30C, and includes a gas flow path 8 formed on the surface facing gas diffusion layer 5, and a cooling water flow path 9 formed on the surface opposite to the surface on which gas flow path 8 is formed. Separators 30C and 30A are made of a material that is conductive and gas impermeable.

そして、固体高分子型燃料電池11は、セパレーター30Cのガス流路8を通って空気や酸素等の酸化剤が酸素極6に供給され、セパレーター30Aのガス流路8を通って水素を含む燃料ガス若しくは有機物燃料が燃料極7に供給されて、発電を行う。 The polymer electrolyte fuel cell 11 generates electricity by supplying an oxidant such as air or oxygen to the oxygen electrode 6 through the gas flow path 8 of the separator 30C, and supplying a fuel gas containing hydrogen or an organic fuel to the fuel electrode 7 through the gas flow path 8 of the separator 30A.

[実施例1]
(カソード触媒層用スラリー)
白金担持カーボン(TEC10E50E、田中貴金属社製)20g(触媒10g及びカーボン(導電性担体)10g)を容器にとり、水を加えて混合後、1-プロパノール、高分子電解質(Nafion(登録商標)分散液、和光純薬工業:カーボン(導電性担体)の質量に対して高分子電解質を60質量%)6g、繊維状物質としてカーボンナノファイバー(昭和電工社製、商品名「VGCF」、繊維径約150nm、繊維長約10μm)5g(カーボン(導電性担体)の質量に対して50質量%)を加えて撹拌して、カソード触媒層用スラリーを得た。インクの溶媒である水及び1-プロパノールの質量比は60:40であり、水及び1-プロパノールの量は、白金担持カーボン及び高分子電解質の合計質量が触媒層用スラリーの13質量%を占めるように設定した。
(アノード触媒層用スラリー)
白金担持カーボン(TEC10E50E、田中貴金属社製)20g(触媒10g及びカーボン(導電性担体)10g)を容器にとり、水を加えて混合後、1-プロパノール、高分子電解質(Nafion(登録商標)分散液、和光純薬工業:カーボン(導電性担体)の質量に対して高分子電解質を100質量%)10g、繊維状物質としてカーボンナノファイバー(昭和電工社製、商品名「VGCF」、繊維径約150nm、繊維長約10μm)5g(カーボン(導電性担体)の質量に対して50質量%)を加えて撹拌して、アノード触媒層用スラリーを得た。インクの溶媒である水及び1-プロパノールの質量比は70:30であり、水及び1-プロパノールの量は、白金担持カーボン及び高分子電解質の合計質量が触媒層用スラリーの10質量%を占めるように設定した。
得られた触媒層用スラリーを高分子電解質膜(ケマーズ社製、Nafion212)の両面にダイコーティング法で塗工し、80℃の炉内で乾燥することで実施例1の電極触媒層(カソード及びアノード)を有した膜電極接合体を得た。得られた触媒層断面におけるASD/AAVにより定義されるボロノイ領域の面積の分散度は0.51であった。
[Example 1]
(Slurry for cathode catalyst layer)
20 g of platinum-supported carbon (TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) (10 g of catalyst and 10 g of carbon (conductive carrier)) was placed in a container, water was added and mixed, and then 6 g of 1-propanol, polymer electrolyte (Nafion (registered trademark) dispersion, Wako Pure Chemical Industries: 60% by mass of polymer electrolyte relative to the mass of carbon (conductive carrier)), and 5 g of carbon nanofiber (manufactured by Showa Denko KK, product name "VGCF", fiber diameter about 150 nm, fiber length about 10 μm) as a fibrous substance (50% by mass relative to the mass of carbon (conductive carrier)) were added and stirred to obtain a slurry for a cathode catalyst layer. The mass ratio of water and 1-propanol, which are the solvents for the ink, was 60:40, and the amounts of water and 1-propanol were set so that the total mass of the platinum-supported carbon and polymer electrolyte accounted for 13% by mass of the slurry for the catalyst layer.
(Slurry for anode catalyst layer)
20 g of platinum-supported carbon (TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) (10 g of catalyst and 10 g of carbon (conductive carrier)) was placed in a container, water was added and mixed, and then 1-propanol, 10 g of polymer electrolyte (Nafion (registered trademark) dispersion, Wako Pure Chemical Industries: 100% by mass of polymer electrolyte relative to the mass of carbon (conductive carrier)), and 5 g of carbon nanofiber (manufactured by Showa Denko KK, product name "VGCF", fiber diameter about 150 nm, fiber length about 10 μm) as a fibrous substance (50% by mass relative to the mass of carbon (conductive carrier)) were added and stirred to obtain a slurry for an anode catalyst layer. The mass ratio of water and 1-propanol, which are the solvents for the ink, was 70:30, and the amounts of water and 1-propanol were set so that the total mass of the platinum-supported carbon and polymer electrolyte accounted for 10% by mass of the slurry for the catalyst layer.
The obtained catalyst layer slurry was applied to both sides of a polymer electrolyte membrane (Nafion 212, manufactured by Chemours) by die coating and dried in an oven at 80° C. to obtain a membrane electrode assembly having electrode catalyst layers (cathode and anode) of Example 1. The degree of dispersion of the area of the Voronoi region defined by ASD/AAV in the cross section of the obtained catalyst layer was 0.51.

[実施例2]
カソード触媒層用スラリーの製造において、繊維状物質としてアゾール構造を有する樹脂繊維(繊維径約300nm、繊維長約20μm)を予め分散液の状態として混合したこと、繊維状物質の配合量をカーボン(導電性担体)の質量に対して10質量%の1gとしたこと、水及び1-プロパノールの量は、白金担持カーボン及び電解質の合計質量が触媒層用スラリーの10質量%を占めるように設定した以外は、実施例1と同様の手順で実施例2の電極触媒層(カソード)を有した膜電極接合体を得た。
[Example 2]
In producing the slurry for the cathode catalyst layer, a membrane electrode assembly having an electrode catalyst layer (cathode) of Example 2 was obtained in the same procedure as in Example 1, except that resin fibers having an azole structure (fiber diameter: approximately 300 nm, fiber length: approximately 20 μm) were mixed as a fibrous material in advance in the form of a dispersion liquid, the amount of the fibrous material was 1 g, which was 10 mass % relative to the mass of the carbon (conductive support), and the amounts of water and 1-propanol were set so that the total mass of the platinum-supported carbon and the electrolyte accounted for 10 mass % of the slurry for the catalyst layer.

[実施例3]
カソード触媒層用スラリーの製造において、繊維状物質としてアゾール構造を有する樹脂繊維(繊維径約200nm、繊維長約20μm)を用いたこと、繊維状物質の配合量をカーボン(導電性担体)の質量に対して10質量%の1gとしたこと、水及び1-プロパノールの量は、白金担持カーボン及び電解質の合計質量が触媒層用スラリーの10質量%を占めるように設定した以外は、実施例1と同様の手順で実施例3の電極触媒層(カソード)を有した膜電極接合体を得た。
[Example 3]
In producing the slurry for the cathode catalyst layer, a membrane electrode assembly having an electrode catalyst layer (cathode) of Example 3 was obtained in the same procedure as in Example 1, except that a resin fiber having an azole structure (fiber diameter: approximately 200 nm, fiber length: approximately 20 μm) was used as the fibrous material, the amount of the fibrous material was 1 g, which was 10 mass % relative to the mass of the carbon (conductive carrier), and the amounts of water and 1-propanol were set so that the total mass of the platinum-supported carbon and the electrolyte accounted for 10 mass % of the slurry for the catalyst layer.

[実施例4]
カソード触媒層用スラリーの製造において、繊維状物質としてアゾール構造を有する樹脂繊維(繊維径約200nm、繊維長約20μm)を用い、繊維状物質の配合量をカーボン(導電性担体)の質量に対して5質量%の0.5gとし、水及び1-プロパノールの量は、白金担持カーボン及び電解質の合計質量が触媒層用スラリーの10質量%を占めるように設定し、インクの溶媒である水及び1-プロパノールの質量比は70:30とした以外は、実施例1と同様の手順で実施例4の電極触媒層(カソード)を有した膜電極接合体を得た。
[Example 4]
In producing the slurry for the cathode catalyst layer, a membrane electrode assembly having an electrode catalyst layer (cathode) of Example 4 was obtained in the same procedure as in Example 1, except that resin fibers having an azole structure (fiber diameter: approximately 200 nm, fiber length: approximately 20 μm) were used as the fibrous material, the amount of the fibrous material was 0.5 g, which was 5 mass % relative to the mass of the carbon (conductive carrier), the amounts of water and 1-propanol were set so that the total mass of the platinum-supported carbon and the electrolyte accounted for 10 mass % of the slurry for the catalyst layer, and the mass ratio of water and 1-propanol, which are the solvents for the ink, was 70:30.

[実施例5]
カソード触媒層用スラリーの製造において、繊維状物質としてアゾール構造を有する樹脂繊維(繊維径約300nm、繊維長約20μm)を用い、繊維状物質の配合量をカーボン(導電性担体)の質量に対して10質量%の1gとし、高分子電解質の添加量をカーボン(導電性担体)の質量に対して45質量%のすなわち実施例1の3/4である4.5gとし、水及び1-プロパノールの量は、白金担持カーボン及び電解質の合計質量が触媒層用スラリーの10質量%を占めるように設定しインクの溶媒である水及び1-プロパノールの質量比は70:30とした以外は、実施例1と同様の手順で実施例3の電極触媒層(カソード)を有した膜電極接合体を得た。
[Example 5]
In producing the slurry for the cathode catalyst layer, a membrane electrode assembly having an electrode catalyst layer (cathode) of Example 3 was obtained in the same procedure as in Example 1, except that resin fibers having an azole structure (fiber diameter: approximately 300 nm, fiber length: approximately 20 μm) were used as the fibrous material, the amount of the fibrous material was 1 g, which was 10 mass % relative to the mass of the carbon (conductive support), the amount of the polymer electrolyte added was 45 mass % relative to the mass of the carbon (conductive support), i.e., 4.5 g, which was 3/4 of Example 1, the amounts of water and 1-propanol were set so that the total mass of the platinum-supported carbon and the electrolyte accounted for 10 mass % of the slurry for the catalyst layer, and the mass ratio of water and 1-propanol, which was the ink solvent, was 70:30.

[比較例1]
カソード触媒層用スラリーの製造において、繊維状物質を加えず、水及び1-プロパノールの量は、白金担持カーボン及び電解質の合計質量が触媒層用スラリーの7質量%を占めるように設定し、インクの溶媒である水及び1-プロパノールの質量比は70:30とし、PET基材に塗工し、熱圧着により電解質膜に転写した以外は、実施例1と同様の手順で比較例1の電極触媒層(カソード)を有した膜電極接合体を得た。
[Comparative Example 1]
In producing the slurry for the cathode catalyst layer, no fibrous material was added, the amounts of water and 1-propanol were set so that the total mass of the platinum-supported carbon and the electrolyte accounted for 7 mass% of the slurry for the catalyst layer, and the mass ratio of water and 1-propanol as the ink solvent was set to 70:30. The slurry was applied to a PET substrate and transferred to the electrolyte membrane by thermocompression bonding. Except for these, a membrane electrode assembly having an electrode catalyst layer (cathode) of Comparative Example 1 was obtained in the same manner as in Example 1.

[比較例2]
カソード触媒層用スラリーの製造において、繊維状物質としてアゾール構造を有する樹脂繊維(繊維径約200nm、繊維長約20μm)を用い、繊維状物質の配合量をカーボン(導電性担体)の質量に対して10質量%の1gとし、水及び1-プロパノールの量は、白金担持カーボン及び電解質の合計質量が触媒層用スラリーの9質量%を占めるように設定し、高分子電解質の添加量をカーボン(導電性担体)の質量に対して120質量%すなわち実施例1の2倍である12gとしインクの溶媒である水及び1-プロパノールの質量比は70:30とした以外は実施例1と同様の手順で比較例2の電極触媒層(カソード)を有した膜電極接合体を得た。
[Comparative Example 2]
In producing the slurry for the cathode catalyst layer, a membrane electrode assembly having an electrode catalyst layer (cathode) of Comparative Example 2 was obtained by the same procedure as in Example 1, except that resin fibers having an azole structure (fiber diameter: approximately 200 nm, fiber length: approximately 20 μm) were used as the fibrous material, the amount of the fibrous material was 1 g, which was 10% by mass relative to the mass of the carbon (conductive support), the amounts of water and 1-propanol were set so that the total mass of the platinum-supported carbon and the electrolyte accounted for 9% by mass of the slurry for the catalyst layer, the amount of the polymer electrolyte added was 120% by mass relative to the mass of the carbon (conductive support), i.e., 12 g, which was twice that of Example 1, and the mass ratio of water and 1-propanol, which are the solvents of the ink, was 70:30.

実施例、比較例の膜電極接合体の発電評価ならびに、断面の構造の解析を行った。発電評価では、1.5A/cm2における電圧が0.630V以上を〇、それ以下を×とした。 The power generation evaluation and cross-sectional structure analysis of the membrane electrode assemblies of the examples and comparative examples were performed. In the power generation evaluation, a voltage of 0.630 V or more at 1.5 A/cm2 was evaluated as ◯, and an x was evaluated as below.

断面の露出にはクライオクロスセクションポリッシャー(日本電子株式会社)を用い、電子顕微鏡は走査電子顕微鏡SU8010(日立ハイテクノロジーズ株式会社)を用いた。 A cryo-cross-section polisher (JEOL Ltd.) was used to expose the cross-section, and a scanning electron microscope SU8010 (Hitachi High-Technologies Corporation) was used as the electron microscope.

解析する画像のサイズは統一する必要があり、10000倍、1280×960 pixelの画像を用いて解析を行った。空隙の抽出は、電子顕微鏡画像の処理や解析に広く使用されるフリーソフトであるImageJ Fiji内のTrainable Weka Segmentation機能を用いた。電極触媒層断面における空隙とは触媒物質、導電性担体、アイオノマー、繊維状物質のいずれも存在しない領域であるが、空隙の抽出においては断面の最表面が空隙であり、かつその奥行きが導電性担体の一次粒子径1個に相当するよりも深い部分を空隙として抽出した。空隙の奥行きが導電性担体の一次粒子径1個程度かそれ以下の場合にはガス拡散や排水には関与しないくぼみであると見做した。具体的には導電性担体および触媒物質の領域、アイオノマーの領域、繊維状物質の領域、空隙の領域をそれぞれ15か所以上ラベリングし、セグメンテーションを実行した。
表1に空隙を母点としたボロノイ分割法による分散度、細孔断面に占める空隙の割合、および発電性能評価の結果を示す。
The size of the image to be analyzed must be uniform, and the analysis was performed using an image of 10,000 times magnification, 1280 x 960 pixels. The extraction of voids was performed using the Trainable Weka Segmentation function in ImageJ Fiji, a free software widely used for processing and analyzing electron microscope images. A void in the cross section of the electrode catalyst layer is a region in which none of the catalyst material, conductive support, ionomer, or fibrous material exists, but in the extraction of voids, the outermost surface of the cross section is a void, and a portion whose depth is deeper than one primary particle diameter of the conductive support was extracted as a void. When the depth of the void is about one primary particle diameter of the conductive support or less, it was considered to be a depression that does not contribute to gas diffusion or drainage. Specifically, 15 or more regions of the conductive support and catalyst material, ionomer, fibrous material, and void regions were labeled and segmented.
Table 1 shows the degree of dispersion determined by the Voronoi division method using voids as the generating points, the ratio of voids to the cross section of the pores, and the results of the power generation performance evaluation.

Figure 2024063350000002
Figure 2024063350000002

ボロノイ分割法による分散度が0.4~0.55のMEAが高い性能を示すことがわかった。また、さらに、空隙の断面全体に占める割合が4~12%のMEAが高い性能を示した。インク組成、乾燥温度等の最適化により空隙の分散性が高くなり、電極触媒層全体の物質輸送特性が改善した結果、高負荷における性能が向上したと考えられる。 It was found that MEAs with a degree of dispersion of 0.4 to 0.55, as determined by the Voronoi tessellation method, showed high performance. Furthermore, MEAs with voids accounting for 4 to 12% of the total cross section showed high performance. It is believed that the performance under high loads was improved as a result of optimizing the ink composition, drying temperature, etc., which increased the dispersibility of the voids and improved the material transport properties of the entire electrode catalyst layer.

2、3,10…電極触媒層、20…膜電極接合体、13…触媒物質、14…導電性担体、15…アイオノマー、16…繊維状物質、V…空隙。

2, 3, 10...electrode catalyst layer, 20...membrane electrode assembly, 13...catalyst material, 14...conductive support, 15...ionomer, 16...fibrous material, V...void.

Claims (3)

触媒物質と、導電性担体と、アイオノマーと、繊維状物質とを含む電極触媒層であって、
前記電極触媒層の断面の各空隙の重心を母点とするボロノイ図において、ボロノイ領域の面積の標準偏差をASD、ボロノイ領域の平均面積をAAVとしたときに、ASD/AAVにより定義されるボロノイ領域の面積の分散度が0.40~0.55である、電極触媒層。
An electrode catalyst layer comprising a catalyst material, a conductive support, an ionomer, and a fibrous material,
An electrode catalyst layer, wherein in a Voronoi diagram using the center of gravity of each void in a cross section of the electrode catalyst layer as a generating point, when a standard deviation of the area of the Voronoi regions is ASD and an average area of the Voronoi regions is AAV, the degree of dispersion of the area of the Voronoi regions defined by ASD/AAV is 0.40 to 0.55.
前記断面の全面積に対する、前記断面の全空隙の面積の分率が4~14%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 the ratio of the area of all voids in the cross section to the total area of the cross section is 4 to 14%. 請求項1または2に記載の電極触媒層を含む膜電極接合体。

A membrane electrode assembly comprising the electrode catalyst layer according to claim 1 or 2.

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