JP2024078583A - Catalyst layer and electrolyte membrane-electrode assembly for fuel cells - Google Patents

Catalyst layer and electrolyte membrane-electrode assembly for fuel cells Download PDF

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Abstract

Figure 2024078583000001

【課題】本開示は、触媒担体へ供給するプロトン移動量を向上した高効率な燃料電池用の触媒層を提供する。
【解決手段】本開示における触媒層は、触媒と、細孔内部に触媒を担持した導電性の触媒担体と、触媒担体を被覆するプロトン伝導性のアイオノマと、を備え、触媒担体は、表面の結晶化度が58%以上であるので、アイオノマと触媒担体表面との接触面積が減少し、触媒担体の表面に被覆したアイオノマの被覆厚が増加し、間隔を空けた触媒担体同士が、アイオノマを介して接触し易くなったり、アイオノマを介して接触する接触面積が大きくなったりして、触媒担体へ供給するプロトン移動量を向上することができる。
【選択図】図8

Figure 2024078583000001

The present disclosure provides a catalyst layer for a highly efficient fuel cell, which improves the amount of proton transfer supplied to a catalyst support.
[Solution] The catalyst layer in the present disclosure comprises a catalyst, an electrically conductive catalyst support having the catalyst supported inside its pores, and a proton conductive ionomer coating the catalyst support. The catalyst support has a surface crystallinity of 58% or more, which reduces the contact area between the ionomer and the catalyst support surface and increases the coating thickness of the ionomer coating the surface of the catalyst support, making it easier for spaced catalyst supports to come into contact with each other via the ionomer and increasing the contact area via the ionomer, thereby improving the amount of proton transfer supplied to the catalyst support.
[Selected figure] Figure 8

Description

本開示は、燃料電池の触媒層および電解質膜-電極接合体に関する。 This disclosure relates to a catalyst layer and an electrolyte membrane-electrode assembly for a fuel cell.

特許文献1は、触媒担体の細孔内に触媒を担持することで、アイオノマによる触媒の被毒を抑制する触媒担持材料を開示する。この触媒担持材料は、細孔を有する触媒担体と、触媒と、細孔内に触媒を担持した触媒担体を被覆するアイオノマと、を備える。 Patent Document 1 discloses a catalyst support material that suppresses catalyst poisoning by ionomers by supporting the catalyst in the pores of the catalyst support. This catalyst support material includes a catalyst support having pores, a catalyst, and an ionomer that coats the catalyst support with the catalyst supported in the pores.

特開2020-64852号公報JP 2020-64852 A

本開示は、アイオノマと触媒担体表面との接触面積を減少させて、アイオノマ被覆厚を増加することによって、触媒担体へ供給するプロトン移動量を向上できる、高効率な燃料電池の触媒層を提供する。 The present disclosure provides a catalyst layer for a highly efficient fuel cell that can improve the amount of proton transfer supplied to the catalyst carrier by reducing the contact area between the ionomer and the catalyst carrier surface and increasing the ionomer coating thickness.

本開示における燃料電池の触媒層は、触媒と、細孔内部に触媒を担持した導電性の触媒担体と、触媒担体を被覆するプロトン伝導性のアイオノマと、を備え、触媒担体は、表面の結晶化度が58%以上であることを特徴とする。 The catalyst layer of the fuel cell in this disclosure comprises a catalyst, a conductive catalyst carrier that supports the catalyst inside the pores, and a proton-conductive ionomer that coats the catalyst carrier, and the catalyst carrier is characterized in that the degree of crystallinity of the surface is 58% or more.

本開示における燃料電池の触媒層は、表面の結晶化度の高い触媒担体を用いることで、アイオノマと触媒担体表面との接触面積が減少する。 The catalyst layer of the fuel cell disclosed herein uses a catalyst carrier with a high degree of surface crystallinity, which reduces the contact area between the ionomer and the catalyst carrier surface.

これによって、触媒担体表面に対して略垂直方向へアイオノマが配置されるため、触媒担体の表面に被覆したアイオノマの被覆厚が増加して、間隔を空けた触媒担体同士が、アイオノマを介して接触し易くなったり、アイオノマを介して接触する接触面積が大きくなったりすることによって、プロトンパスが増加して、触媒担体へ供給するプロトン移動量を向上することができる。 As a result, the ionomer is arranged in a direction approximately perpendicular to the catalyst carrier surface, increasing the thickness of the ionomer coating on the catalyst carrier surface, making it easier for spaced catalyst carriers to come into contact with each other via the ionomer and increasing the contact area via the ionomer, thereby increasing the proton path and improving the amount of proton transfer supplied to the catalyst carrier.

そのため、アイオノマによる触媒の被毒を抑制しつつ、触媒の利用率が向上した、高効率な燃料電池の触媒層を提供することができる。 This makes it possible to provide a highly efficient fuel cell catalyst layer that improves catalyst utilization while suppressing catalyst poisoning by ionomers.

実施の形態1の燃料電池の触媒層における、触媒が触媒担体に担持された触媒担持材料の断面を示す模式図FIG. 2 is a schematic diagram showing a cross section of a catalyst support material in which a catalyst is supported on a catalyst support in a catalyst layer of the fuel cell according to the first embodiment; 実施の形態1の燃料電池の触媒層をカソードに用いた電解質膜-電極接合体のカソード部分を模式的に示した断面図FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic view of a cathode portion of an electrolyte membrane-electrode assembly in which the catalyst layer of the fuel cell according to the first embodiment is used as the cathode. 実施の形態1の燃料電池の触媒層における、触媒担体に対するアイオノマの被覆状態を模式的に示す要部拡大図FIG. 2 is an enlarged view of a main part of the catalyst layer of the fuel cell according to the first embodiment, showing a state in which the catalyst carrier is covered with an ionomer; 実施の形態1の燃料電池の触媒層をカソードに用いた電解質膜-電極接合体の構成を模式的に示した断面図FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an electrolyte membrane-electrode assembly in which the catalyst layer of the fuel cell according to the first embodiment is used as a cathode. 本発明の実施の形態1におけるアイオノマの構造を示す概略図FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of an ionomer according to a first embodiment of the present invention. 実施の形態1の燃料電池の触媒層に用いた触媒担体の結晶化度と電気化学活性表面積との関係を示す特性図FIG. 1 is a characteristic diagram showing the relationship between the crystallinity and electrochemically active surface area of the catalyst support used in the catalyst layer of the fuel cell according to the first embodiment. 実施の形態1における燃料電池の触媒層の製造工程を示すフローチャートA flowchart showing a manufacturing process of a catalyst layer of a fuel cell according to the first embodiment. 実施の形態1における燃料電池の触媒層に用いた触媒担体の結晶化度がアイオノマの被覆へ与える影響および、触媒担体の結晶化度がカソード触媒のアイオノマの連続性へ与える影響を説明するための説明図FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining the effect of the crystallinity of the catalyst support used in the catalyst layer of the fuel cell in the first embodiment on the coating of the ionomer, and the effect of the crystallinity of the catalyst support on the continuity of the ionomer of the cathode catalyst.

(本開示の基礎となった知見等)
発明者らが本開示に相到するに至った当時、燃料電池の触媒層における三相界面の形成という技術は、プロトン供給の観点から触媒とアイオノマとを接触させることが性能向上につながると考えられてきた。しかし、近年、アイオノマと触媒との接触により触媒がアイオノマに被毒され、むしろ性能を低下することが分かってきた。
(Knowledge and other information that forms the basis of this disclosure)
At the time when the inventors arrived at this disclosure, it was believed that the technology of forming a three-phase interface in the catalyst layer of a fuel cell would improve performance by contacting the catalyst with an ionomer from the viewpoint of proton supply. However, in recent years, it has been found that the catalyst is poisoned by the ionomer when the ionomer comes into contact with the catalyst, and this actually reduces the performance.

そのため、当該業界では、アイオノマによる触媒の被毒を抑制するということを課題として、メソポーラス材料等の大容量のメソ孔を有する触媒担体の中に触媒を内包させることでアイオノマと触媒とを接触させないという製品設計をするのが一般的であった。 Therefore, in order to prevent the poisoning of catalysts by ionomers, the industry has generally designed products in such a way that the ionomers are not in contact with the catalyst by encapsulating the catalyst in a catalyst carrier with large mesopores, such as a mesoporous material.

しかし、メソポーラス材料等の大容量のメソ孔を有する触媒担体は、嵩密度が低いため触媒層厚が厚くなり、所定量のアイオノマを導入しても触媒層において、電解質膜に対して垂直方向にプロトンを遠くの触媒担体まで伝導させるためのアイオノマによるプロトンの通路の断面積が不足し、触媒層全域に渡ってのプロトン供給は十分でないという課題があった。 However, catalyst carriers with large mesopores, such as mesoporous materials, have a low bulk density, which results in a thick catalyst layer. Even when a specified amount of ionomer is introduced, the cross-sectional area of the proton passages through the ionomer to conduct protons perpendicular to the electrolyte membrane to distant catalyst carriers is insufficient, resulting in an insufficient supply of protons throughout the entire catalyst layer.

触媒層において、電解質膜に対して垂直方向にプロトンを遠くの触媒担体まで伝導させるためのアイオノマによるプロトンの通路の断面積を十分に拡大するためにアイオノマ量を増やすと、アイオノマによる触媒の被毒が大きくなり、被毒によって触媒の活性が低下するため、プロトンパスの増加と触媒の被毒抑制とは相反する事象であり、両立することは通常の発想では困難である。 In the catalyst layer, if the amount of ionomer is increased to sufficiently expand the cross-sectional area of the proton passage through the ionomer to conduct protons perpendicular to the electrolyte membrane to a distant catalyst support, the catalyst will become more poisoned by the ionomer, and this poisoning will reduce the activity of the catalyst. Therefore, increasing the proton path and suppressing catalyst poisoning are contradictory phenomena, and it is difficult to achieve both with conventional thinking.

そうした状況下において、発明者らは、触媒担体表面を疎水化すると、触媒担体表面の官能基の数が減少して、触媒担体表面の官能基とアイオノマの官能基の結合数が減少し、その結果、アイオノマと触媒担体表面の接触面積が減少し、アイオノマの内で、触媒担体に接触しない非接触アイオノマは、触媒担体周囲に配置されるということを知った。 Under these circumstances, the inventors learned that when the surface of the catalyst carrier is hydrophobized, the number of functional groups on the catalyst carrier surface decreases, and the number of bonds between the functional groups on the catalyst carrier surface and the functional groups of the ionomer decreases, resulting in a decrease in the contact area between the ionomer and the catalyst carrier surface, and the non-contact ionomer that does not come into contact with the catalyst carrier is disposed around the catalyst carrier.

そして、触媒層において、触媒担体の表面を疎水化することによりアイオノマと触媒担体表面の接触面積を減少させることができれば、アイオノマによる触媒の被毒を抑制しつつ、間隔を空けた触媒担体同士が、アイオノマを介して接触し易くなったり、アイオノマを介して接触する接触面積が大きくなったりして、プロトンパスが増加して、プロトンを供給可能な触媒層領域を拡大するという着想を得た。 Then, we came up with the idea that if we could reduce the contact area between the ionomer and the catalyst carrier surface by hydrophobizing the surface of the catalyst carrier in the catalyst layer, it would be possible to suppress poisoning of the catalyst by the ionomer while making it easier for spaced catalyst carriers to come into contact with each other via the ionomer, and the contact area via the ionomer would increase, thereby increasing the proton path and expanding the area of the catalyst layer that can supply protons.

そして、発明者らは、その着想を実現するには、触媒担体の表面の結晶化度を適切に制御する必要があるという課題があることを発見し、その課題を解決するために、本開示の主題を構成するに至った。 The inventors then discovered that in order to realize this idea, it was necessary to appropriately control the crystallinity of the surface of the catalyst support, and they came to form the subject of the present disclosure in order to solve this problem.

そこで、本開示は、触媒担体の表面の結晶化度を向上することによって、アイオノマによる触媒の被毒を抑制しつつ、触媒担体へ供給するプロトン移動量を向上できる、高効率な触媒層を提供する。 Therefore, the present disclosure provides a highly efficient catalyst layer that can improve the amount of proton transfer supplied to the catalyst carrier while suppressing catalyst poisoning by ionomers by improving the crystallinity of the surface of the catalyst carrier.

以下、図面を参照しながら実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同
一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。
Hereinafter, the embodiments will be described in detail with reference to the drawings. However, more detailed description than necessary may be omitted. For example, detailed description of already well-known matters or duplicate description of substantially the same configuration may be omitted.

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。 The accompanying drawings and the following description are provided to enable those skilled in the art to fully understand the present disclosure, and are not intended to limit the subject matter described in the claims.

(実施の形態1)
以下、図1~図8を用いて、実施の形態1を説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the first embodiment will be described with reference to FIGS.

[1-1.構成]
(電気化学デバイス)
図4に示すように、電気化学デバイス40は、カソードセパレータ24とアノードセパレータ28とによって、電解質膜-電極接合体30が挟持された構成になっている。
[1-1. Configuration]
(Electrochemical Devices)
As shown in FIG. 4, the electrochemical device 40 has a configuration in which an electrolyte membrane-electrode assembly 30 is sandwiched between a cathode separator 24 and an anode separator 28 .

(電解質膜-電極接合体)
電解質膜-電極接合体30は、図4に示すように、電解質膜21と、カソード触媒層22とカソードガス拡散層23とを含むカソード34および、アノード触媒層26とアノードガス拡散層27とを含むアノード35によって構成されている。電解質膜-電極接合体30は、電解質膜21がカソード34とアノード35とによって挟持された構成になっている。
(Electrolyte Membrane-Electrode Assembly)
4, the electrolyte membrane-electrode assembly 30 is composed of an electrolyte membrane 21, a cathode 34 including a cathode catalyst layer 22 and a cathode gas diffusion layer 23, and an anode 35 including an anode catalyst layer 26 and an anode gas diffusion layer 27. The electrolyte membrane-electrode assembly 30 is configured such that the electrolyte membrane 21 is sandwiched between the cathode 34 and the anode 35.

電解質膜21は、カソード34とアノード35との間のプロトン伝導を行う膜であり、プロトン伝導性とガスバリア性とを併せ持つ必要がある。 The electrolyte membrane 21 is a membrane that conducts protons between the cathode 34 and the anode 35, and must have both proton conductivity and gas barrier properties.

本実施の形態の電解質膜-電極接合体30では、電解質膜21として、パーフルオロスルホン酸樹脂膜を用いた。パーフルオロスルホン酸樹脂膜は、プロトン伝導性が高く、例えば、燃料電池の発電環境下でも安定に存在できる。電解質膜21の膜厚は、10μmである。電解質膜21の膜厚が10μmであれば、高いガスバリア性および高いプロトン伝導性を得られる。 In the electrolyte membrane-electrode assembly 30 of this embodiment, a perfluorosulfonic acid resin membrane is used as the electrolyte membrane 21. Perfluorosulfonic acid resin membranes have high proton conductivity and can exist stably even in the power generation environment of a fuel cell, for example. The membrane thickness of the electrolyte membrane 21 is 10 μm. If the membrane thickness of the electrolyte membrane 21 is 10 μm, high gas barrier properties and high proton conductivity can be obtained.

ガス拡散層(カソードガス拡散層23およびアノードガス拡散層27)は、集電作用とガス透過性と撥水性とを併せ持つ層であって、基材とコーティング層を有する。 The gas diffusion layers (cathode gas diffusion layer 23 and anode gas diffusion layer 27) are layers that combine current collection properties with gas permeability and water repellency, and have a substrate and a coating layer.

本実施の形態の電解質膜-電極接合体30では、ガス拡散層の基材として、導電性、ならびに気体・液体の透過性に優れた材料である、カーボンペーパーを用いる。 In the electrolyte membrane-electrode assembly 30 of this embodiment, carbon paper, a material with excellent electrical conductivity and gas and liquid permeability, is used as the base material for the gas diffusion layer.

コーティング層は、基材と触媒層(カソード触媒層22およびアノード触媒層26)との間とに介在して、基材と触媒層との接触抵抗を下げて、水の排水性を向上するための層である。 The coating layer is interposed between the substrate and the catalyst layer (cathode catalyst layer 22 and anode catalyst layer 26) to reduce the contact resistance between the substrate and the catalyst layer and improve water drainage.

本実施の形態の電解質膜-電極接合体30では、ガス拡散層のコーティング層として、導電性材料であるカーボンブラックおよび撥水性樹脂であるポリテトラフルオロエチレンを用いる。 In the electrolyte membrane-electrode assembly 30 of this embodiment, the coating layer of the gas diffusion layer is made of carbon black, which is a conductive material, and polytetrafluoroethylene, which is a water-repellent resin.

カソード触媒層22は、電極の電気化学反応の速度を促進させる層である。カソード触媒層22は、図1に示す、触媒担持材料5を含んでいる。 The cathode catalyst layer 22 is a layer that promotes the rate of electrochemical reactions in the electrode. The cathode catalyst layer 22 contains the catalyst support material 5 shown in FIG. 1.

図2において、有効触媒層領域7は、カソード触媒層22において、電解質膜21からプロトンが到達し得る領域である。 In FIG. 2, the effective catalyst layer area 7 is the area of the cathode catalyst layer 22 where protons can reach from the electrolyte membrane 21.

(触媒担持材料)
触媒担持材料5は、図1と図2に示すように、細孔4を有する導電性の触媒担体1と、触媒担体1に担持された触媒2と、親水性の官能基(側鎖)と疎水性の主鎖を備えたアイオノマ3と、を備えている。触媒担持材料5は、多孔性で導電性の触媒担体1の少なくとも細孔の内部に触媒2を担持し、触媒担体1の外表面の一部がアイオノマ3によって被覆されている。
(Catalyst Support Material)
1 and 2, the catalyst support material 5 includes a conductive catalyst support 1 having pores 4, a catalyst 2 supported on the catalyst support 1, and an ionomer 3 having a hydrophilic functional group (side chain) and a hydrophobic main chain. The catalyst support material 5 supports the catalyst 2 at least inside the pores of the porous and conductive catalyst support 1, and a part of the outer surface of the catalyst support 1 is covered with the ionomer 3.

触媒2は、触媒担体1の外表面に担持された細孔外触媒2aと、触媒担体1の外表面から内部へと連通する細孔4における開口部よりも奥の部分に担持された細孔内触媒2bとに区別される。 The catalyst 2 is divided into an extra-pore catalyst 2a supported on the outer surface of the catalyst carrier 1, and an intra-pore catalyst 2b supported in a portion deeper than the opening of the pores 4 that connect the outer surface of the catalyst carrier 1 to the inside.

なお、本実施の形態では、触媒担持材料5に用いる触媒担体1として、メソポーラスカーボンを例に挙げて説明するが、触媒担体1は、このメソポーラスカーボンに限定されるものではない。触媒担体1は、細孔径や細孔容積がメソポーラスカーボンと同じで導電性であれば、メソポーラスカーボン以外の材料であっても良い。 In this embodiment, mesoporous carbon is used as an example of the catalyst carrier 1 used in the catalyst support material 5, but the catalyst carrier 1 is not limited to mesoporous carbon. The catalyst carrier 1 may be a material other than mesoporous carbon as long as it has the same pore diameter and pore volume as mesoporous carbon and is conductive.

触媒担体1に使用可能なメソポーラスカーボン以外の材料としては、例えば、チタン、スズ、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、アルミニウム、シリコン等の酸化物で構成される材料が挙げられる。 Materials other than mesoporous carbon that can be used for the catalyst carrier 1 include, for example, materials composed of oxides of titanium, tin, niobium, tantalum, zirconium, aluminum, silicon, etc.

本実施の形態において触媒担体1に用いたメソポーラスカーボンは、図1と図2に示すように、外表面から内部へと連通する細孔4を有している。このメソポーラスカーボンの細孔4のモード径は5nmである。細孔4のモード径が5nm以上あれば、触媒担体1の内部に多くの触媒2を担持することができる。 The mesoporous carbon used in the catalyst carrier 1 in this embodiment has pores 4 that communicate from the outer surface to the inside, as shown in Figures 1 and 2. The mode diameter of the pores 4 in this mesoporous carbon is 5 nm. If the mode diameter of the pores 4 is 5 nm or more, a large amount of catalyst 2 can be supported inside the catalyst carrier 1.

触媒担体1に用いたメソポーラスカーボンは、平均粒径が200nm以上1000nm以下となるように構成されている。メソポーラスカーボンの平均粒径が200nm以上であれば、触媒担体1であるメソポーラスカーボンの粒径がアイオノマ3の長さに対して十分に大きいため、アイオノマ3が細孔4内に入り込む領域が、細孔4の細孔容積に対して小さくなるので、アイオノマ3による被毒の影響を受ける触媒2の割合が小さくなる。 The mesoporous carbon used in the catalyst carrier 1 is configured to have an average particle size of 200 nm or more and 1000 nm or less. If the average particle size of the mesoporous carbon is 200 nm or more, the particle size of the mesoporous carbon that is the catalyst carrier 1 is sufficiently large relative to the length of the ionomer 3, so the area where the ionomer 3 penetrates into the pores 4 is small relative to the pore volume of the pores 4, and the proportion of the catalyst 2 that is affected by poisoning by the ionomer 3 is small.

図3において、アイオノマ3は触媒担体1の外表面を被覆している。アイオノマ被覆面積6は、アイオノマ3が触媒担体1に被覆している面積を意味している。触媒担持材料5の外部から供給されたプロトンは、触媒担体1の外表面に吸着したアイオノマ3を経由して、触媒担体1の外表面に存在する細孔外触媒2aまたは、触媒担体1の細孔4の内部に存在する細孔内触媒2bまで搬送される。 In FIG. 3, the ionomer 3 covers the outer surface of the catalyst carrier 1. The ionomer coverage area 6 refers to the area of the catalyst carrier 1 that is covered by the ionomer 3. Protons supplied from outside the catalyst support material 5 are transported via the ionomer 3 adsorbed on the outer surface of the catalyst carrier 1 to the outer pore catalyst 2a present on the outer surface of the catalyst carrier 1 or the inner pore catalyst 2b present inside the pores 4 of the catalyst carrier 1.

触媒2(細孔外触媒2aと細孔内触媒2b)の材料は、白金および白金と異なる金属を含む。白金と異なる金属としては、コバルト、ニッケル、マンガン、チタン、アルミニウム、クロム、鉄、モリブデン、タングステン、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、イリジウム、オスミウム、銅、銀等が挙げられる。中でも、白金とコバルトとの合金は、酸素還元反応に対する触媒活性が高く、かつ燃料電池の発電環境下における耐久性が良好となるため好適である。 The material of catalyst 2 (outside pore catalyst 2a and inside pore catalyst 2b) contains platinum and a metal different from platinum. Examples of metals different from platinum include cobalt, nickel, manganese, titanium, aluminum, chromium, iron, molybdenum, tungsten, ruthenium, palladium, rhodium, iridium, osmium, copper, and silver. Among them, an alloy of platinum and cobalt is preferable because it has high catalytic activity for the oxygen reduction reaction and good durability in the power generation environment of the fuel cell.

本実施の形態において、触媒担持材料5に用いた触媒2は、触媒2における全金属に対する白金および白金と異なる金属のモル比が0.25以上であり、触媒2に含まれる白金と異なる金属はコバルトである。このような組成の触媒2は、高い活性を示す。 In this embodiment, the catalyst 2 used in the catalyst support material 5 has a molar ratio of platinum and metals other than platinum to the total metals in the catalyst 2 of 0.25 or more, and the metal other than platinum contained in the catalyst 2 is cobalt. Catalyst 2 with this composition exhibits high activity.

コバルトは、例えば、燃料電池の発電環境下で溶出しやすく、長時間発電した場合は、燃料電池の発電性能の低下を招く。そこで、触媒2における白金に対するコバルトのモル
比(コバルト/白金)を1以下とすることで、このような発電性能の低下を抑制することができる。触媒2の組成は、PtxCo(xは1以上で4以下)の組成で表される。
Cobalt, for example, is prone to elution in the power generation environment of a fuel cell, and when power is generated for a long period of time, this leads to a decrease in the power generation performance of the fuel cell. Therefore, by setting the molar ratio of cobalt to platinum (cobalt/platinum) in catalyst 2 to 1 or less, it is possible to suppress such a decrease in power generation performance. The composition of catalyst 2 is expressed as PtxCo (x is 1 or more and 4 or less).

アイオノマ3は、電解質膜21を通過してきたプロトンをカソード触媒層22中の触媒2まで伝達する。 The ionomer 3 transmits the protons that have passed through the electrolyte membrane 21 to the catalyst 2 in the cathode catalyst layer 22.

本実施の形態では、アイオノマ3として、電解質膜21と同質のイオン交換性樹脂であるパーフルオロスルホン酸樹脂を用いる。このパーフルオロスルホン酸樹脂は、イオン交換性樹脂の中でもプロトン伝導性が高く、燃料電池の発電環境下でも安定して存在するため好適である。 In this embodiment, the ionomer 3 is a perfluorosulfonic acid resin, which is an ion exchange resin of the same quality as the electrolyte membrane 21. This perfluorosulfonic acid resin is preferable because it has high proton conductivity among ion exchange resins and exists stably even in the power generation environment of a fuel cell.

本実施の形態のカソード触媒層22に用いたアイオノマ3は、図5に示すように、ランダム共重合体からなる高分子鎖と、高分子鎖に結合されたスルホン酸基と、を備えるとともに、疎水部と親水部とを有する。ここで、アイオノマ3の高分子鎖の分子構造は、特に限定されない。また、高分子鎖はC-F結合を含むフッ素系高分子である。 As shown in FIG. 5, the ionomer 3 used in the cathode catalyst layer 22 of this embodiment has a polymer chain made of a random copolymer and a sulfonic acid group bonded to the polymer chain, and also has a hydrophobic portion and a hydrophilic portion. Here, the molecular structure of the polymer chain of the ionomer 3 is not particularly limited. In addition, the polymer chain is a fluorine-based polymer containing a C-F bond.

アイオノマ3における親水部とは、図5に示すように、高分子鎖中において、スルホン酸基が結合している部分の最小の繰り返し単位をいう。親水部は、いずれかの部分にスルホン酸基を備えている。親水部の数は触媒2への被毒に影響を与える。親水部は触媒2と結合しやすく、親水部と結合した触媒2はガス中の酸素との酸素還元反応が阻害されるため、触媒2の触媒活性が低下する。 The hydrophilic portion in ionomer 3 refers to the smallest repeating unit in the polymer chain where a sulfonic acid group is bonded, as shown in Figure 5. The hydrophilic portion has a sulfonic acid group in one of its parts. The number of hydrophilic portions affects the poisoning of catalyst 2. Hydrophilic portions are easily bonded to catalyst 2, and catalyst 2 bonded to hydrophilic portions inhibits the oxygen reduction reaction with oxygen in the gas, so the catalytic activity of catalyst 2 decreases.

アイオノマ3における疎水部とは、図5に示すように、高分子鎖において、酸基(スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基など)が結合していない部分の最小の繰り返し単位をいう。疎水部の構造は特に限定されない。アイオノマ3の重量比は、カソード触媒層22に含まれるカーボンの総重量に対して、0.8~1.5である。このカーボンは、メソポーラスカーボンである。 The hydrophobic portion in the ionomer 3 refers to the smallest repeating unit in the polymer chain to which no acid groups (such as sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, or phosphonic acid groups) are bonded, as shown in FIG. 5. The structure of the hydrophobic portion is not particularly limited. The weight ratio of the ionomer 3 to the total weight of the carbon contained in the cathode catalyst layer 22 is 0.8 to 1.5. This carbon is mesoporous carbon.

アイオノマ3は、触媒担体1の外表面の少なくとも一部を被覆する。触媒担体1は、多数の細孔4を有するため、アイオノマ3による触媒2の被毒を抑制し、かつ触媒2を高担持密度で担持した燃料電池用触媒を得るために有用である。 The ionomer 3 covers at least a portion of the outer surface of the catalyst carrier 1. The catalyst carrier 1 has a large number of pores 4, which is useful for suppressing poisoning of the catalyst 2 by the ionomer 3 and obtaining a fuel cell catalyst in which the catalyst 2 is supported at a high loading density.

(触媒層の製造工程)
上記の内容に基づいて、電気化学デバイス40におけるカソード触媒層22の製造工程について、説明する。図7は触媒層の製造工程を示すフローチャートである。
(Catalyst layer manufacturing process)
Based on the above, a description will be given of the manufacturing process of the cathode catalyst layer 22 in the electrochemical device 40. Fig. 7 is a flow chart showing the manufacturing process of the catalyst layer.

(高結晶化処理工程)
まず、図1に基づいて、電気化学デバイス40におけるカソード触媒層22の製造方法について説明する。
(High crystallization treatment process)
First, a method for producing the cathode catalyst layer 22 in the electrochemical device 40 will be described with reference to FIG.

触媒担体1の設計細孔径が5nmで、触媒担体1における触媒2の担持率が50wt%である触媒担持材料5(田中貴金属製、TECCо(PMPC-S2)52-PN)を、窒素雰囲気下において、2500℃の温度で、5~20h焼成を行う。このように、グラファイト化によって触媒担体1の結晶化度(%)が向上する。ここで、結晶化度(%)は触媒担体1の[002]面について以下の(数1)で表される。 Catalyst support material 5 (Tanaka Precious Metals, TECCo (PMPC-S2) 52-PN), in which the designed pore size of catalyst support 1 is 5 nm and the catalyst 2 loading rate in catalyst support 1 is 50 wt%, is sintered at a temperature of 2500°C for 5 to 20 hours in a nitrogen atmosphere. In this way, the crystallinity (%) of catalyst support 1 is improved by graphitization. Here, the crystallinity (%) is expressed by the following (Equation 1) for the [002] face of catalyst support 1.

Figure 2024078583000002
Figure 2024078583000002

このようにして、高結晶化処理工程(S01)を実施した。 In this way, the high crystallization treatment process (S01) was carried out.

(インク調整工程)
高結晶化処理工程(S01)において高結晶化処理を実施した触媒担体1を含む触媒担持材料5を、エタノール:水=1:1の重量割合でエタノールと水とを含む混合溶媒に投入し、さらに、アイオノマ3(AGC株式会社製、IQ100B)の重量比が触媒担持材料5のカーボン重量に対して1.0となる量のアイオノマ3を投入し、固形分濃度が7%のスラリーを調整する。
(Ink adjustment process)
A catalyst support material 5 including a catalyst carrier 1 that has been subjected to a high crystallization treatment in the high crystallization treatment step (S01) is put into a mixed solvent containing ethanol and water in a weight ratio of ethanol:water = 1:1, and further, an ionomer 3 (IQ100B, manufactured by AGC Inc.) is added in an amount such that the weight ratio of ionomer 3 to the carbon weight of the catalyst support material 5 is 1.0, thereby preparing a slurry with a solid concentration of 7%.

この調整したスラリーを、湿式微粒化装置(スギノマシン製、スターバースト)を用いて、100MPaで粉砕処理した。その後、粉砕処理をしたスラリーを、自公転可変式ミキサー(クラボウ製、マゼルスター)にて20分間撹拌処理した。撹拌処理したスラリーである触媒インクは、脱泡処理のため、常温にて12hのエージングを行った。このようにして、インク調整工程(S02)を実施した。 The adjusted slurry was pulverized at 100 MPa using a wet atomizer (Starburst, manufactured by Sugino Machine). The pulverized slurry was then stirred for 20 minutes in a variable-rotation mixer (Mazerustar, manufactured by Kurabo Industries, Ltd.). The stirred slurry, which was the catalyst ink, was aged at room temperature for 12 hours for degassing. In this manner, the ink adjustment process (S02) was carried out.

(塗布工程)
以上のようにして作製したカソード触媒層22用の触媒インクを、スロットダイ塗工法によって電解質膜21の片方の主面の略中央部に押し出しながら塗布(S03)し乾燥させることで、電解質膜21の片方の主面にカソード触媒層22を作製した。
(Coating process)
The catalyst ink for the cathode catalyst layer 22 prepared as described above was applied to approximately the center of one of the main surfaces of the electrolyte membrane 21 by extruding it using a slot die coating method (S03), and then dried, thereby preparing the cathode catalyst layer 22 on one of the main surfaces of the electrolyte membrane 21.

上記のように調整したカソード触媒層22について、以下の実施例および比較例を実施した。 The following examples and comparative examples were carried out using the cathode catalyst layer 22 prepared as described above.

高結晶化処理工程において、触媒担持材料5の窒素雰囲気下での焼成時間を10hにしたこと以外は、実施の形態の上記の作製法と同様の条件で実施例1のカソード触媒層22を作製した。 The cathode catalyst layer 22 of Example 1 was produced under the same conditions as the above-mentioned production method of the embodiment, except that in the high crystallization treatment step, the catalyst support material 5 was baked for 10 hours under a nitrogen atmosphere.

高結晶化処理工程において、触媒担持材料5の窒素雰囲気下での焼成時間を20hにしたこと以外は、実施の形態の上記の作製法と同様の条件で実施例2のカソード触媒層22を作製した。 The cathode catalyst layer 22 of Example 2 was produced under the same conditions as the above-mentioned production method of the embodiment, except that in the high crystallization treatment process, the catalyst support material 5 was baked for 20 hours under a nitrogen atmosphere.

高結晶化処理工程において、触媒担持材料5の窒素雰囲気下での焼成時間を5hにしたこと以外は、実施の形態の上記の作製法と同様の条件で比較例のカソード触媒層22を作製した。 The comparative cathode catalyst layer 22 was produced under the same conditions as the above-mentioned production method of the embodiment, except that in the high crystallization treatment process, the catalyst support material 5 was baked for 5 hours under a nitrogen atmosphere.

続いて、実施例1と実施例2と比較例のカソード触媒層22が設けられた電解質膜21におけるカソード触媒層22側の面とは反対側の主面の略中央部に、アノード触媒層26を形成した。 Next, an anode catalyst layer 26 was formed in the approximate center of the main surface of the electrolyte membrane 21 on which the cathode catalyst layer 22 of Example 1, Example 2, and Comparative Example was provided, opposite the surface on which the cathode catalyst layer 22 was provided.

アノード触媒層26は、以下のようにして作製される。まず、市販の白金担持カーボンブラック触媒(田中貴金属工業株式会社製、TEC10E50E)を、水とエタノールを同量含む混合溶媒に投入し撹拌してスラリーを調整した。 The anode catalyst layer 26 was prepared as follows. First, a commercially available platinum-supported carbon black catalyst (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC10E50E) was added to a mixed solvent containing equal amounts of water and ethanol and stirred to prepare a slurry.

次に、この調整したスラリーに、アイオノマ(AGC株式会社製、IQ100B)の重
量比が白金カーボンブラック触媒のカーボンに対して0.6となる量のアイオノマ3を投入し、自公転可変式ミキサー(クラボウ製、マゼルスター)にて20分間撹拌処理した。
Next, an amount of ionomer 3 was added to the prepared slurry such that the weight ratio of ionomer (IQ100B, manufactured by AGC Inc.) to the carbon of the platinum carbon black catalyst was 0.6, and the mixture was stirred for 20 minutes using a variable-rotation, planetary-axis mixer (Mazerustar, manufactured by Kurabo Industries, Ltd.).

このようにして作製したアノード触媒層26用の触媒インクは、スプレー法によって、カソード触媒層22が設けられた電解質膜21におけるカソード触媒層22側の面とは反対側の主面の略中央部に塗布し乾燥させることで、電解質膜21におけるカソード触媒層22側の面とは反対側の主面にアノード触媒層26を作製した。 The catalyst ink for the anode catalyst layer 26 thus prepared was applied by spraying to approximately the center of the main surface of the electrolyte membrane 21 opposite the cathode catalyst layer 22 side, on which the cathode catalyst layer 22 is provided, and then dried to prepare the anode catalyst layer 26 on the main surface of the electrolyte membrane 21 opposite the cathode catalyst layer 22 side.

このようにして作製された、実施例1と実施例2と比較例のカソード触媒層22とアノード触媒層26のそれぞれの露出面にガス拡散層(SGLカーボンジャパン株式会社製、GDL25BC)を配置して、140℃の高温環境下において1MPaの圧力を5分間加えることにより、実施例1と実施例2と比較例の電解質膜-電極接合体30を作製した。 A gas diffusion layer (GDL25BC, manufactured by SGL Carbon Japan Co., Ltd.) was placed on the exposed surface of each of the cathode catalyst layer 22 and anode catalyst layer 26 of Examples 1, 2, and the Comparative Example, and a pressure of 1 MPa was applied for 5 minutes in a high-temperature environment of 140°C to produce the electrolyte membrane-electrode assemblies 30 of Examples 1, 2, and the Comparative Example.

得られた実施例1と実施例2と比較例の電解質膜-電極接合体30を、電解質膜-電極接合体30のカソード34と対向する面にサーペンタイン形状の流路が溝状に形成されたカソードセパレータ24と、電解質膜-電極接合体30のアノード35と対向する面にサーペンタイン形状の流路が溝状に形成されたアノードセパレータ28とで挟持し、それを所定の治具に組み込むことで、燃料電池セルとなる、実施例1と実施例2と比較例の電気化学デバイス40を作製した。 The obtained electrolyte membrane-electrode assemblies 30 of Examples 1, 2, and Comparative Example were sandwiched between a cathode separator 24 having a serpentine-shaped flow path formed in a groove on the surface facing the cathode 34 of the electrolyte membrane-electrode assembly 30, and an anode separator 28 having a serpentine-shaped flow path formed in a groove on the surface facing the anode 35 of the electrolyte membrane-electrode assembly 30, and then assembled into a specified jig to produce the electrochemical devices 40 of Examples 1, 2, and Comparative Example, which serve as fuel cell cells.

[1-2.動作]
以上のように構成された電気化学デバイス40について、以下その動作、作用を説明する。
[1-2. motion]
The operation and function of the electrochemical device 40 configured as above will be described below.

電気化学デバイス40の温度を65℃に保ち、アノードセパレータ28とアノード35との間の流路には露点が60℃の水素を、カソードセパレータ24とカソード34との間の流路には露点が65℃の窒素を、それぞれ供給した。 The temperature of the electrochemical device 40 was kept at 65°C, and hydrogen with a dew point of 60°C was supplied to the flow path between the anode separator 28 and the anode 35, and nitrogen with a dew point of 65°C was supplied to the flow path between the cathode separator 24 and the cathode 34.

ポテンショ・ガルバノスタット(HZ-3000、北斗電工株式会社)の作用極をカソード34に、対極および参照極をアノード35に、それぞれ接続して、サイクリックボルタンメトリーを測定し、Ptの水素吸着に起因する電気量を計測した。 The working electrode of a potentio-galvanostat (HZ-3000, Hokuto Denko Corporation) was connected to the cathode 34, and the counter electrode and reference electrode were connected to the anode 35, and cyclic voltammetry was measured to measure the amount of electricity resulting from hydrogen adsorption by Pt.

得られた電気量を、Pt単位表面積あたりの水素吸着電気量の理論値(0.21mC/cm)で割ることにより、電気化学活性表面積(m/g-Pt)を算出した。 The obtained quantity of electricity was divided by the theoretical value of the hydrogen adsorption quantity of electricity per unit surface area of Pt (0.21 mC/cm 2 ) to calculate the electrochemically active surface area (m 2 /g-Pt).

このようにして、実施例1と実施例2と比較例によって作製した電気化学デバイス40において、(数1)で表される触媒担体1の結晶化度(%)が変化した際の電気化学活性表面積の結果を図6に示す。 In this way, the results of the electrochemically active surface area when the crystallinity (%) of the catalyst carrier 1, expressed by (Equation 1), is changed in the electrochemical devices 40 produced in Example 1, Example 2, and Comparative Example are shown in Figure 6.

比較例では、触媒担体1の結晶化度が38%で、電気化学活性表面積が38.6m/g-Ptとなるのに対して、実施例1では、触媒担体1の結晶化度が65%で、電気化学活性表面積が45.1m/g-Ptとなり、実施例2では、触媒担体1の結晶化度が95%で、電気化学活性表面積が43.6m/g-Ptとなった。 In the comparative example, the crystallinity of the catalyst support 1 was 38% and the electrochemically active surface area was 38.6 m 2 /g-Pt, whereas in Example 1, the crystallinity of the catalyst support 1 was 65% and the electrochemically active surface area was 45.1 m 2 /g-Pt, and in Example 2, the crystallinity of the catalyst support 1 was 95% and the electrochemically active surface area was 43.6 m 2 /g-Pt.

図6における、触媒担体1の結晶化度(%)に対する電気化学活性表面積の変化は、図8のように説明できる。アイオノマ3の親水部であるスルホン酸基は、触媒担体1の表面の親水性官能基(ОH基、CООH基など)または細孔外触媒2aと強く相互作用し強く吸着する。 The change in electrochemically active surface area versus the degree of crystallinity (%) of the catalyst support 1 in Figure 6 can be explained as shown in Figure 8. The sulfonic acid groups, which are the hydrophilic parts of the ionomer 3, strongly interact with and adsorb to the hydrophilic functional groups (OH groups, COOH groups, etc.) on the surface of the catalyst support 1 or the outside pore catalyst 2a.

この際、アイオノマ3はインクスラリー中に分散した状態よりも触媒担体1の表面に吸
着した状態の方が熱力学的に安定である。
At this time, the ionomer 3 is more thermodynamically stable when adsorbed on the surface of the catalyst carrier 1 than when dispersed in the ink slurry.

よって、比較例のように触媒担体1の結晶化度(%)が38%と低い場合は、触媒担体1の表面には数多くの親水性官能基(ОH基、CООH基など)が存在するため、触媒担体1に対するアイオノマ3の被覆面積は大きくなる。 Therefore, when the crystallinity (%) of the catalyst carrier 1 is low, at 38%, as in the comparative example, there are many hydrophilic functional groups (OH groups, COOH groups, etc.) on the surface of the catalyst carrier 1, and the coverage area of the ionomer 3 on the catalyst carrier 1 becomes large.

これによって、触媒担体1の外表面を被覆するアイオノマ3の被覆厚は小さくなる。カソード触媒層22を考えた場合に、触媒担体1の外表面を被覆するアイオノマ3の被覆厚が小さいため、近接する触媒担持材料5同士がアイオノマ3を介して接触し合う面積が減少し、有効触媒層領域7が小さくなることで、電気化学活性表面積の減少を招くと考えられる。 This reduces the thickness of the ionomer 3 coating the outer surface of the catalyst carrier 1. When considering the cathode catalyst layer 22, the small thickness of the ionomer 3 coating the outer surface of the catalyst carrier 1 reduces the area of contact between adjacent catalyst support materials 5 via the ionomer 3, reducing the effective catalyst layer area 7 and thus reducing the electrochemically active surface area.

一方で、実施例1のように触媒担体1の結晶化度(%)を65%まで向上すると、触媒担体1の表面における親水性官能基(ОH基、CООH基など)の量は低下する。そのため、アイオノマ3の親水部である、スルホン酸基が触媒担体1の表面の親水性官能基(ОH基、CООH基など)または細孔外触媒2aを介して吸着する量が低下する。 On the other hand, when the crystallinity (%) of the catalyst carrier 1 is increased to 65% as in Example 1, the amount of hydrophilic functional groups (OH groups, COOH groups, etc.) on the surface of the catalyst carrier 1 decreases. Therefore, the amount of sulfonic acid groups, which are the hydrophilic part of the ionomer 3, adsorbed via the hydrophilic functional groups (OH groups, COOH groups, etc.) on the surface of the catalyst carrier 1 or the outside pore catalyst 2a decreases.

だから、実施例1における触媒担体1に対するアイオノマ3の被覆面積は、比較例と比較すると小さくなるため、触媒担体1へ被覆しているアイオノマ3の被覆厚は比較例よりも大きくなる。 Therefore, the coverage area of the ionomer 3 on the catalyst carrier 1 in Example 1 is smaller than that in the comparative example, and the coverage thickness of the ionomer 3 covering the catalyst carrier 1 is greater than that in the comparative example.

実施例1では、カソード触媒層22を考えた場合に、触媒担体1へ被覆しているアイオノマ3の被覆厚が大きいため、近接する触媒担持材料5同士がアイオノマ3を介して接触し合う面積が比較例よりも減少し、有効触媒層領域7を拡大することで、電気化学活性表面積を45.1m/g-Ptまで拡大できたと考えられる。 In Example 1, when considering the cathode catalyst layer 22, the coating thickness of the ionomer 3 coating the catalyst support 1 is large, so the area of contact between adjacent catalyst support materials 5 via the ionomer 3 is reduced compared to the comparative example, and it is believed that by expanding the effective catalyst layer area 7, the electrochemically active surface area could be expanded to 45.1 m 2 /g-Pt.

さらに、実施例2のように触媒担体1の結晶化度(%)を95%まで向上すると、触媒担体1の表面における親水性官能基(ОH基、CООH基など)の量はさらに低下する。そのため、アイオノマ3の親水部である、スルホン酸基が触媒担体1の表面の親水性官能基(ОH基、CООH基など)または細孔外触媒2aを介して吸着する量は実施例1よりもさらに低下する。そのため、アイオノマ3と触媒担体1との接触面積が小さくなり過ぎるため、触媒担体1へ十分なプロトンを供給することができなくなり、実施例2における電気化学活性表面積は43.6m/g-Ptへと再び減少へ転じたと考えられる。 Furthermore, when the crystallinity (%) of the catalyst support 1 is increased to 95% as in Example 2, the amount of hydrophilic functional groups (OH groups, COOH groups, etc.) on the surface of the catalyst support 1 is further reduced. Therefore, the amount of sulfonic acid groups, which are the hydrophilic parts of the ionomer 3, adsorbed via the hydrophilic functional groups (OH groups, COOH groups, etc.) on the surface of the catalyst support 1 or the outside pore catalyst 2a is further reduced compared to Example 1. Therefore, the contact area between the ionomer 3 and the catalyst support 1 becomes too small, making it impossible to supply sufficient protons to the catalyst support 1, and it is believed that the electrochemically active surface area in Example 2 decreased again to 43.6 m 2 /g-Pt.

電気化学活性表面積については、実施例2の電気化学活性表面積の値(43.6m/g-Pt)は、実施例1の電気化学活性表面積の値(45.1m/g-Pt)と比較すると、約4%程度低い値であるが、有効触媒層領域7としては十分な値を有している。 Regarding the electrochemically active surface area, the value of the electrochemically active surface area in Example 2 (43.6 m 2 /g-Pt) is about 4% lower than the value of the electrochemically active surface area in Example 1 (45.1 m 2 /g-Pt), but is still sufficient as the effective catalyst layer region 7.

触媒担体1の結晶化度(%)が38%から65%までの区間において、電気化学活性表面積が直線的に増加すると仮定すると、実施例2の電気化学活性表面積の値である43.6m/g-Pt)と同等の電気化学活性表面積となる触媒担体1の結晶化度(%)値は58%と求めることができる。 Assuming that the electrochemically active surface area increases linearly in the range of crystallinity (%) of catalyst support 1 from 38% to 65%, the crystallinity (%) value of catalyst support 1 that provides an electrochemically active surface area equivalent to the electrochemically active surface area value of 43.6 m 2 /g-Pt in Example 2 can be calculated to be 58%.

よって、触媒担体1の結晶化度(%)は58%以上あれば、実施例2と同等以上の電気化学活性表面積を得ることが可能であると考えられる。 Therefore, if the crystallinity (%) of the catalyst carrier 1 is 58% or more, it is believed possible to obtain an electrochemically active surface area equal to or greater than that of Example 2.

上記から、実施例1のように適正な高結晶化処理工程を実施することで、カソード触媒層22における有効触媒層領域7を拡大し、利用可能な触媒2の表面積を増加させ、触媒2の利用率を向上した、高効率なカソード触媒層22を提供できる。 From the above, by carrying out an appropriate high crystallization treatment process as in Example 1, it is possible to provide a highly efficient cathode catalyst layer 22 by expanding the effective catalyst layer area 7 in the cathode catalyst layer 22, increasing the available surface area of the catalyst 2, and improving the utilization rate of the catalyst 2.

[1-3.効果等]
以上のように、本実施の形態において、カソード触媒層22は、触媒2と、少なくとも細孔4の内部に触媒2を担持した導電性の触媒担体1と、触媒担体1を被覆するプロトン伝導性のアイオノマ3と、を備えている。そして、触媒担体1は、表面の結晶化度が58%以上であることを特徴としている。
[1-3. Effects, etc.]
As described above, in this embodiment, the cathode catalyst layer 22 comprises the catalyst 2, the conductive catalyst support 1 supporting the catalyst 2 at least inside the pores 4, and the proton-conductive ionomer 3 coating the catalyst support 1. The catalyst support 1 is characterized in that the degree of crystallinity of its surface is 58% or more.

これにより、触媒担体1の表面の結晶化度(%)を58%以上に制御することで、触媒担体1の表面の官能基の数が減少し、触媒担体1の表面の官能基とアイオノマ3に含まれる親水部との結合数が減少する。 By controlling the degree of crystallinity (%) of the surface of the catalyst carrier 1 to 58% or more, the number of functional groups on the surface of the catalyst carrier 1 is reduced, and the number of bonds between the functional groups on the surface of the catalyst carrier 1 and the hydrophilic parts contained in the ionomer 3 is reduced.

それによって、アイオノマ3と触媒担体1の表面との接触面積が減少するので、触媒担体1の表面と接触しない非接触のアイオノマ3は触媒担体1の周囲に配置されることとなり、触媒担体1との距離が大きくなるため、触媒担体1に対するアイオノマ3の被覆厚を増加することができる。 As a result, the contact area between the ionomer 3 and the surface of the catalyst carrier 1 is reduced, so that the non-contact ionomer 3 that does not come into contact with the surface of the catalyst carrier 1 is arranged around the catalyst carrier 1, and the distance from the catalyst carrier 1 increases, allowing the coating thickness of the ionomer 3 on the catalyst carrier 1 to be increased.

そして、間隔を空けた触媒担体1同士が、アイオノマ3を介して接触し易くなったり、アイオノマ3を介して接触する接触面積が大きくなったりすることによって、プロトンパスが増加し、プロトンの移動抵抗を低減し、プロトンを供給可能な有効触媒層領域7を拡大するので、アイオノマによる触媒の被毒を抑制しつつ、触媒利用率が向上した、高効率なカソード触媒層22を得ることができる。 The catalyst carriers 1 spaced apart from each other can easily come into contact with each other via the ionomer 3, and the contact area via the ionomer 3 can be increased, thereby increasing the proton path, reducing the resistance to proton movement, and expanding the effective catalyst layer area 7 to which protons can be supplied. This makes it possible to obtain a highly efficient cathode catalyst layer 22 with improved catalyst utilization while suppressing catalyst poisoning by the ionomer.

本実施の形態のように、カソード触媒層22に用いる触媒担体1は、触媒担体1の表面の結晶化度(%)が95%以下であってもよい。 As in this embodiment, the catalyst carrier 1 used in the cathode catalyst layer 22 may have a crystallinity (%) of the surface of the catalyst carrier 1 of 95% or less.

これにより、触媒担体1の表面の結晶化度(%)を95%以下にすることで、アイオノマ3の内で、触媒担体1の表面と接触しない非接触のアイオノマ3の割合を所定値以下に抑制できるので、触媒担体1間に構成される空隙を触媒担体1表面と接触しない非接触のアイオノマ3で閉塞することがないため、空隙径を所定値以上に設定することができる。 By setting the degree of crystallinity (%) of the surface of the catalyst carrier 1 to 95% or less, the proportion of ionomer 3 that is not in contact with the surface of the catalyst carrier 1 can be suppressed to a predetermined value or less. Therefore, the gaps formed between the catalyst carriers 1 are not blocked by the ionomer 3 that is not in contact with the surface of the catalyst carrier 1, and the gap diameter can be set to a predetermined value or more.

そのため、触媒担持材料5間に構成される空隙がアイオノマ3によって閉塞されないため、触媒担持材料5間に構成される空隙を酸素が拡散し、触媒2の近傍まで酸素を供給することができるため、利用可能な触媒2の数を向上し、高効率なカソード触媒層22を得ることができる。 As a result, the gaps formed between the catalyst support materials 5 are not blocked by the ionomer 3, and oxygen can diffuse through the gaps formed between the catalyst support materials 5 and be supplied to the vicinity of the catalyst 2, thereby increasing the number of available catalysts 2 and obtaining a highly efficient cathode catalyst layer 22.

本実施の形態のように、カソード触媒層22は、厚みが10μm以上であってもよい。 As in this embodiment, the cathode catalyst layer 22 may have a thickness of 10 μm or more.

これにより、触媒担体1に対するアイオノマ3の被覆厚を増加することで、カソード触媒層22の厚みが10μm以上であっても、アイオノマ3を介してプロトン伝導性を向上することができる。そのため、電解質膜21から触媒担体1に担持された触媒2までプロトンが十分に供給されるので、利用可能な触媒2の数を向上し、高効率なカソード触媒層22を得ることができる。 By increasing the coating thickness of the ionomer 3 on the catalyst carrier 1, proton conductivity can be improved through the ionomer 3 even if the thickness of the cathode catalyst layer 22 is 10 μm or more. Therefore, protons are sufficiently supplied from the electrolyte membrane 21 to the catalyst 2 supported on the catalyst carrier 1, so that the number of available catalysts 2 can be increased and a highly efficient cathode catalyst layer 22 can be obtained.

本実施の形態のように、電気化学デバイス40は、電解質膜21と、電解質膜21の一方の主面上に設けられたアノード35と、電解質膜21の他方の主面上に設けられたカソード34と、を備え、カソード34は、本実施の形態のカソード触媒層22を含んでもよい。 As in this embodiment, the electrochemical device 40 includes an electrolyte membrane 21, an anode 35 provided on one main surface of the electrolyte membrane 21, and a cathode 34 provided on the other main surface of the electrolyte membrane 21, and the cathode 34 may include the cathode catalyst layer 22 of this embodiment.

これにより、電解質膜-電極接合体30におけるカソード34は、高結晶化処理工程によって結晶化度を向上した触媒担体1を有する触媒担持材料5で構成される、カソード触媒層22を備える。 As a result, the cathode 34 in the electrolyte membrane-electrode assembly 30 has a cathode catalyst layer 22 composed of a catalyst support material 5 having a catalyst carrier 1 whose crystallinity has been improved by a high crystallization process.

そのため、アイオノマ3と触媒担体1の表面との接触面積の減少によって、アイオノマによる触媒の被毒を抑制しつつ、プロトンの移動抵抗を低減し、プロトンを供給可能な有効触媒層領域7を拡大することができるので、高効率なカソード触媒層22となり、電解質膜-電極接合体30を高効率化することができる。 As a result, by reducing the contact area between the ionomer 3 and the surface of the catalyst carrier 1, it is possible to suppress poisoning of the catalyst by the ionomer, while reducing the resistance to proton movement and expanding the effective catalyst layer area 7 to which protons can be supplied, resulting in a highly efficient cathode catalyst layer 22 and making the electrolyte membrane-electrode assembly 30 more efficient.

(他の実施の形態)
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態1を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態1で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
Other Embodiments
As described above, the first embodiment has been described as an example of the technology disclosed in the present application. However, the technology in the present disclosure is not limited to this, and can be applied to embodiments in which modifications, substitutions, additions, omissions, etc. are made. In addition, it is also possible to combine the components described in the first embodiment to create a new embodiment.

そこで、以下、他の実施の形態を例示する。 Therefore, other embodiments are given below as examples.

実施の形態1では、細孔4のモード径が5nmである触媒担体1を、カソード触媒層22に用いた例について説明した。カソード触媒層22に用いる触媒担体1の細孔4のモード径は3nm以上10nm以下であればよい。したがって、カソード触媒層22に用いる触媒担体1の細孔4のモード径は6nmに限定されない。 In the first embodiment, an example was described in which a catalyst carrier 1 with a mode diameter of pores 4 of 5 nm was used in the cathode catalyst layer 22. The mode diameter of the pores 4 of the catalyst carrier 1 used in the cathode catalyst layer 22 may be 3 nm or more and 10 nm or less. Therefore, the mode diameter of the pores 4 of the catalyst carrier 1 used in the cathode catalyst layer 22 is not limited to 6 nm.

ただし、細孔4のモード径が3nm以上の触媒担体1をカソード触媒層22に使用すれば、細孔4内に空気(酸素含有ガス)の酸素の分圧を向上することができる。また、細孔4のモード径が10nm以下の触媒担体1をカソード触媒層22に使用すれば、細孔4内にアイオノマ3が浸入しにくくなるので、高効率なカソード触媒層22を得ることができる。 However, if a catalyst carrier 1 with a mode diameter of pores 4 of 3 nm or more is used in the cathode catalyst layer 22, the partial pressure of oxygen in the air (oxygen-containing gas) in the pores 4 can be improved. Also, if a catalyst carrier 1 with a mode diameter of pores 4 of 10 nm or less is used in the cathode catalyst layer 22, the ionomer 3 is less likely to penetrate into the pores 4, so a highly efficient cathode catalyst layer 22 can be obtained.

実施の形態1では、メソ孔と称される大きさの細孔4を有するメソポーラス材料(メソポーラスカーボン)を、カソード触媒層22の触媒担体1に用いた例について説明した。カソード触媒層22に用いる触媒担体1は、優れた導電性と撥水性を有すればよい。したがって、カソード触媒層22に用いる触媒担体1は、メソ孔と称される大きさの細孔4を有するメソポーラス材料に限定されない。 In the first embodiment, an example was described in which a mesoporous material (mesoporous carbon) having pores 4 of a size called mesopores was used for the catalyst carrier 1 of the cathode catalyst layer 22. The catalyst carrier 1 used for the cathode catalyst layer 22 only needs to have excellent electrical conductivity and water repellency. Therefore, the catalyst carrier 1 used for the cathode catalyst layer 22 is not limited to a mesoporous material having pores 4 of a size called mesopores.

ただし、カソード触媒層22に用いる触媒担体1として、メソ孔と称される大きさの細孔4を有するメソポーラス材料を使用すれば、高い質量活性を有するため、高効率なカソード触媒層22を得ることができる。 However, if a mesoporous material having pores 4 of a size called mesopores is used as the catalyst carrier 1 for the cathode catalyst layer 22, a highly efficient cathode catalyst layer 22 can be obtained because of its high mass activity.

また、カソード触媒層22に用いる触媒担体1として、ケッチェンブラックを用いてもよい。カソード触媒層22に用いる触媒担体1として、ケッチェンブラックを用いれば、優れた導電性と排水性とを有することができるので、高効率なカソード触媒層22を得ることができる。 Ketjen black may also be used as the catalyst carrier 1 used in the cathode catalyst layer 22. If ketjen black is used as the catalyst carrier 1 used in the cathode catalyst layer 22, it can have excellent electrical conductivity and drainage properties, and therefore a highly efficient cathode catalyst layer 22 can be obtained.

実施の形態1では、触媒担体1の細孔4の内部に担持される触媒2が、白金および白金と異なる金属から構成されたカソード触媒層22を説明した。カソード触媒層22の触媒2は、酸化還元反応が進行する材料で構成されていればよい。したがって、カソード触媒層22の触媒担体1の細孔4の内部に担持される触媒2の材料は、白金に限定されない。 In the first embodiment, the catalyst 2 supported inside the pores 4 of the catalyst carrier 1 is a cathode catalyst layer 22 made of platinum and a metal other than platinum. The catalyst 2 of the cathode catalyst layer 22 may be made of a material that allows an oxidation-reduction reaction to proceed. Therefore, the material of the catalyst 2 supported inside the pores 4 of the catalyst carrier 1 of the cathode catalyst layer 22 is not limited to platinum.

カソード触媒層22の触媒担体1の細孔4の内部に担持される触媒2における白金と異なる金属に、コバルト、ニッケル、マンガン、チタン、アルミニウム、クロム、鉄、モリブデン、タングステン、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、イリジウム、オスミウム、銅、銀等を使用すれば、高い質量活性を有するため高効率なカソード触媒層22を得ることができる。 If cobalt, nickel, manganese, titanium, aluminum, chromium, iron, molybdenum, tungsten, ruthenium, palladium, rhodium, iridium, osmium, copper, silver, etc. are used as a metal other than platinum in the catalyst 2 supported inside the pores 4 of the catalyst carrier 1 of the cathode catalyst layer 22, a highly efficient cathode catalyst layer 22 can be obtained because it has high mass activity.

また、触媒2における白金と異なる金属として、コバルトを用いてもよい。触媒2における白金と異なる金属としてコバルトを用いれば、優れた質量活性と耐久性に優れた触媒2を作製することができる。 Cobalt may also be used as the metal different from platinum in catalyst 2. By using cobalt as the metal different from platinum in catalyst 2, a catalyst 2 with excellent mass activity and durability can be produced.

実施の形態1では、膜厚が10μmの電解質膜21を用いた電解質膜-電極接合体30を説明した。電解質膜-電極接合体30に用いる電解質膜21の膜厚は5μm以上50μm以下であればよい。したがって、電解質膜-電極接合体30に用いる電解質膜21の膜厚は10μmに限定されない。 In the first embodiment, an electrolyte membrane-electrode assembly 30 using an electrolyte membrane 21 with a thickness of 10 μm has been described. The thickness of the electrolyte membrane 21 used in the electrolyte membrane-electrode assembly 30 may be 5 μm or more and 50 μm or less. Therefore, the thickness of the electrolyte membrane 21 used in the electrolyte membrane-electrode assembly 30 is not limited to 10 μm.

電解質膜-電極接合体30に用いる電解質膜21の膜厚が5μm以上であれば、高いガスバリア性を得られる。また、電解質膜-電極接合体30に用いる電解質膜21の膜厚が50μm以下であれば、電解質膜21を移動するプロトンの抵抗を低減できるので、高いプロトン伝導性を得られる。 If the thickness of the electrolyte membrane 21 used in the electrolyte membrane-electrode assembly 30 is 5 μm or more, high gas barrier properties can be obtained. Also, if the thickness of the electrolyte membrane 21 used in the electrolyte membrane-electrode assembly 30 is 50 μm or less, the resistance of protons moving through the electrolyte membrane 21 can be reduced, resulting in high proton conductivity.

実施の形態1では、カソード触媒層22の作製方法として、スロットダイ塗工法による手法を説明した。カソード触媒層22の作製方法は電解質膜-電極接合体30で一般的に用いられている手法を用いればよい。したがって、カソード触媒層22の作製方法は、スロットダイ塗工法に限定されない。 In the first embodiment, the method of producing the cathode catalyst layer 22 was described using a slot die coating method. The method of producing the cathode catalyst layer 22 may be any method that is commonly used for the electrolyte membrane-electrode assembly 30. Therefore, the method of producing the cathode catalyst layer 22 is not limited to the slot die coating method.

ただし、カソード触媒層22の作製方法として、スロットダイ塗工法を用いれば、触媒インクが電解質膜に塗布されるまで空気にさらされないため、安定的な塗工が可能で、触媒インクを無駄なく塗工でき、スロットダイ幅サイズの均一な触媒層を作製することができる。また、カソード触媒層22とカソードガス拡散層23の接着が良好となる。 However, if the slot die coating method is used as a method for producing the cathode catalyst layer 22, the catalyst ink is not exposed to air until it is applied to the electrolyte membrane, allowing for stable coating, and the catalyst ink can be applied without waste, making it possible to produce a uniform catalyst layer the size of the slot die width. In addition, the adhesion between the cathode catalyst layer 22 and the cathode gas diffusion layer 23 is good.

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。 The above-described embodiments are intended to illustrate the technology disclosed herein, and various modifications, substitutions, additions, omissions, etc. may be made within the scope of the claims or their equivalents.

本開示は、例えば、燃料電池のセルを構成する電解質膜-電極接合体のカソードにおいて有用である。具体的には、燃料電池スタックなどに本開示は適用可能である。 This disclosure is useful, for example, in the cathode of an electrolyte membrane-electrode assembly that constitutes a cell of a fuel cell. Specifically, this disclosure can be applied to fuel cell stacks, etc.

1 触媒担体
2 触媒
2a 細孔外触媒
2b 細孔内触媒
3 アイオノマ
4 細孔
5 触媒担持材料
6 アイオノマ被覆面積
7 有効触媒層領域
21 電解質膜
22 カソード触媒層
23 カソードガス拡散層
24 カソードセパレータ
26 アノード触媒層
27 アノードガス拡散層
28 アノードセパレータ
30 電解質膜-電極接合体
34 カソード
35 アノード
40 電気化学デバイス
REFERENCE SIGNS LIST 1 Catalyst support 2 Catalyst 2a Catalyst outside pores 2b Catalyst inside pores 3 Ionomer 4 Pore 5 Catalyst support material 6 Ionomer coating area 7 Effective catalyst layer area 21 Electrolyte membrane 22 Cathode catalyst layer 23 Cathode gas diffusion layer 24 Cathode separator 26 Anode catalyst layer 27 Anode gas diffusion layer 28 Anode separator 30 Electrolyte membrane-electrode assembly 34 Cathode 35 Anode 40 Electrochemical device

Claims (5)

触媒と、少なくとも細孔内部に前記触媒を担持した導電性の触媒担体と、前記触媒担体を被覆するプロトン伝導性のアイオノマと、を備え、
前記触媒担体は、表面の結晶化度が58%以上であることを特徴とする、燃料電池の触媒層。
A catalyst, a conductive catalyst support having the catalyst supported at least inside pores, and a proton-conductive ionomer coating the catalyst support,
A catalyst layer for a fuel cell, wherein the catalyst support has a surface crystallinity of 58% or more.
前記触媒担体は、表面の結晶化度が95%以下である、請求項1に記載の燃料電池の触媒層。 The catalyst layer of the fuel cell according to claim 1, wherein the catalyst support has a surface crystallinity of 95% or less. 前記触媒層は、厚みが10μm以上であることを特徴とする、請求項1または2に記載の燃料電池の触媒層。 The catalyst layer of the fuel cell according to claim 1 or 2, characterized in that the catalyst layer has a thickness of 10 μm or more. 電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面上に設けられたアノードと、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソードと、を備え、
前記カソードは、請求項1または2に記載の燃料電池の触媒層を含む、電解質膜-電極接合体。
an electrolyte membrane, an anode provided on one main surface of the electrolyte membrane, and a cathode provided on the other main surface of the electrolyte membrane;
3. An electrolyte membrane-electrode assembly, wherein the cathode comprises the catalyst layer of the fuel cell according to claim 1.
電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面上に設けられたアノードと、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソードと、を備え、
前記カソードは、請求項3に記載の燃料電池の触媒層を含む、電解質膜-電極接合体。
an electrolyte membrane, an anode provided on one main surface of the electrolyte membrane, and a cathode provided on the other main surface of the electrolyte membrane;
The electrolyte membrane-electrode assembly, wherein the cathode comprises the catalyst layer of the fuel cell according to claim 3.
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