JP5034344B2 - Gas diffusion electrode and fuel cell using the same - Google Patents
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Description
本発明は、ガス拡散電極、特に燃料電池用ガス拡散電極およびそれを用いてなる燃料電池に関するものである。より詳しくは、本発明は、カーボン腐食による電極触媒の劣化および高電流密度条件下での触媒層でのフラッディング現象を抑制することが可能なガス拡散電極、特に燃料電池用ガス拡散電極およびそれを用いてなる燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a gas diffusion electrode, particularly a gas diffusion electrode for a fuel cell and a fuel cell using the same. More specifically, the present invention relates to a gas diffusion electrode, particularly a fuel cell gas diffusion electrode capable of suppressing deterioration of an electrocatalyst due to carbon corrosion and flooding phenomenon in a catalyst layer under a high current density condition. The present invention relates to a fuel cell used.
近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子型燃料電池は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。固体高分子型燃料電池は、電解質膜を、該膜と接触する触媒層及びガス拡散層からなるガス拡散電極で挟持した構造(本明細書では、この構造を「電解質膜−電極接合体」または「MEA」とも称する)を有しており、一般的には、この電解質膜−電極接合体の外側をさらにセパレータが挟持している。 In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. In particular, the polymer electrolyte fuel cell is expected as a power source for electric vehicles because it operates at a relatively low temperature. The polymer electrolyte fuel cell has a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between gas diffusion electrodes comprising a catalyst layer and a gas diffusion layer in contact with the membrane (in this specification, this structure is referred to as an “electrolyte membrane-electrode assembly” or In general, a separator is further sandwiched outside the electrolyte membrane-electrode assembly.
燃料電池では、以下のような電気化学的反応などを通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。まず、アノード(燃料極)側に供給された燃料ガスに含まれる水素が、触媒粒子により酸化され、プロトンおよび電子となる(H2→2H++2e−)。次に、生成したプロトンは、燃料極側電極触媒層に含まれる高分子電解質、さらに電極触媒層と接触している高分子電解質膜を通り、カソード(酸素極)側電極触媒層に達する。また、燃料極側電極触媒層で生成した電子は、電極触媒層を構成している導電性材料、さらに電極触媒層の高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通して酸素極側電極触媒層に達する。そして、酸素極側電極触媒層に達したプロトンおよび電子は酸素極側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する(4H++4e−+1/2O2→H2O)。かような電気化学的反応は、主に、触媒粒子と、高分子電解質と、燃料ガスまたは酸化剤ガスなどの反応ガスとが接触する三相界面において進行するのである。したがって、ガス拡散層は、供給された反応ガスを電極へと均一に供給することが必要とされる。 In a fuel cell, electricity can be taken out through the following electrochemical reaction or the like. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode (fuel electrode) side is oxidized by the catalyst particles to become protons and electrons (H 2 → 2H + + 2e − ). Next, the produced protons pass through the polymer electrolyte contained in the fuel electrode side electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane in contact with the electrode catalyst layer, and reach the cathode (oxygen electrode) side electrode catalyst layer. In addition, the electrons generated in the fuel electrode-side electrode catalyst layer include the conductive material constituting the electrode catalyst layer, the gas diffusion layer in contact with the polymer electrolyte membrane on the electrode catalyst layer, the separator, and the outside. The oxygen electrode side electrode catalyst layer is reached through the circuit. The protons and electrons that reach the oxygen electrode side electrode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the oxygen electrode side to generate water (4H + + 4e − + 1 / 2O 2 → H 2 O ). Such an electrochemical reaction mainly proceeds at a three-phase interface where catalyst particles, a polymer electrolyte, and a reaction gas such as a fuel gas or an oxidant gas are in contact with each other. Therefore, the gas diffusion layer is required to uniformly supply the supplied reaction gas to the electrode.
このような燃料電池は、電池の極性が強制的に逆の極性になる電圧反転状態に置かれる場合がある。電圧反転の間に電気化学的反応が発生すると、アノードに生じた水の電気分解と、上記アノードの成分の酸化(腐食)とが発生してしまう。このような問題を解決することを目的として、本来の燃料ガスを酸化するための触媒組成物に加えて、水から酸素を発生させるための触媒組成物を含むアノードが提案された(特許文献1参照)。
燃料電池における高分子電解質膜は、通常、湿潤していないと高いプロトン伝導性を示さないため、固体高分子型燃料電池に供給する反応ガスを、ガス加湿装置などを用いて加湿することにより、固体高分子電解質膜の湿度分布を均一にする必要がある。特に、高加湿、高電流密度などの運転条件下では、アノードからカソードに向けて固体高分子電解質膜を移動するプロトンに伴って移動する水の量、およびカソード側電極触媒層内に生成して凝集する生成水の量が増加する。この時、これらの生成水は、触媒層、特にカソード側電極触媒層内に滞留するため、反応ガス供給路となっていた細孔を閉塞するフラッディング現象を招く。上記特許文献1に記載のアノードを有する燃料電池では、アノード側に関する問題のみが対象となっており、カソード側でのフラッディング現象や以下に詳述するようなカーボン腐食の問題は、特許文献1の出願当時では明らかになっていなかった。このため、特許文献1では、アノードに生じた水の電気分解及び上記アノードの成分の酸化(腐食)の抑制を目的としており、カソードについてはなんら考慮していなかった。ゆえに、特許文献1に記載のアノードを有する燃料電池では、通常運転時にカソード触媒層の親水性が増し、上記したようなフラッディング現象を起こす。このため、上記特許文献1に記載のアノードを有する燃料電池を用いると、反応ガスの拡散などが阻害され、電気化学的反応が妨げられ、結果として電池性能の低下を招く可能性が高くなるという問題がある。 Since the polymer electrolyte membrane in a fuel cell usually does not show high proton conductivity unless it is wet, the reaction gas supplied to the solid polymer fuel cell is humidified using a gas humidifier or the like, It is necessary to make the humidity distribution of the solid polymer electrolyte membrane uniform. In particular, under operating conditions such as high humidification and high current density, the amount of water that moves with protons that move through the solid polymer electrolyte membrane from the anode to the cathode, and the amount of water that is generated in the cathode-side electrode catalyst layer The amount of product water that agglomerates increases. At this time, since the generated water stays in the catalyst layer, particularly the cathode-side electrode catalyst layer, it causes a flooding phenomenon that closes the pores used as the reaction gas supply path. In the fuel cell having the anode described in Patent Document 1, only the problem on the anode side is targeted. The flooding phenomenon on the cathode side and the problem of carbon corrosion as described in detail below are described in Patent Document 1. It was not clear at the time of filing. For this reason, Patent Document 1 aims to suppress electrolysis of water generated in the anode and oxidation (corrosion) of the components of the anode, and does not consider the cathode at all. Therefore, in the fuel cell having the anode described in Patent Document 1, the hydrophilicity of the cathode catalyst layer is increased during normal operation, causing the above-described flooding phenomenon. For this reason, when the fuel cell having the anode described in Patent Document 1 is used, the diffusion of the reaction gas is hindered, the electrochemical reaction is hindered, and as a result, there is a high possibility that the battery performance is lowered. There's a problem.
したがって、本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、通常運転時の触媒層のフラッディング現象を防ぐことが可能であるガス拡散電極を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a gas diffusion electrode capable of preventing the flooding phenomenon of the catalyst layer during normal operation.
本発明の他の目的は、触媒層、特にカソード側の電極触媒層内のカーボンの腐食及び通常運転時の触媒層、特にカソード触媒層のフラッディング現象を抑制・防止することが可能であるガス拡散電極を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a gas diffusion capable of suppressing and preventing the corrosion of carbon in the catalyst layer, particularly the electrode catalyst layer on the cathode side, and the flooding phenomenon of the catalyst layer, particularly the cathode catalyst layer, during normal operation. It is to provide an electrode.
本発明者は、上記問題を解決すべく鋭意研究を行なった結果、以下に詳述するカソード触媒層でのカーボン担体の腐食による触媒層の薄層化の問題に着目した。すなわち、例えば、燃料電池の運転を停止して数時間以上放置した場合、スタック周囲のシール部からの微量リークや、スタックに繋がるポンプやコンプレッサー等からのリークにより、アノード触媒層系やカソード触媒層系には外気(空気)が混入して、アノード触媒層側に残存する水素は外気中の酸素により消費されるため、最終的にはアノード触媒層−カソード触媒層系は空気−空気のガス雰囲気となっている。このような状態で起動してアノード側に水素が導入されると、アノードの上流(水素供給側)から下流(空気雰囲気)にかけて局部電池が形成する。ここで、アノード下流の空気存在部に対向する領域のカソードは、電解質電位に対して高電位(1.5V程度)になるため、このカソード電位と電解質電位との大きな差が駆動力となって、この領域ではカソード触媒層における電子伝導性物質であるカーボン担体に対して、C+2H2O→CO2+4H++4e−の反応が起こり、カーボンが腐食して、触媒層の空孔構造が壊れて、触媒層が薄層化し、これにより、触媒層のガス拡散性及び排水性が低下して濃度過電圧が増大し、電池特性が低下すると考えられる。このような現象は、上述したように、水素が存在するアノード上流側に対向するカソード触媒層領域や、通常発電時のカソード触媒層においても、非常に遅い速度ではあるものの起こっており、上記したような比較的長期間放置した後に起動した場合には、アノード下流の空気存在部に対向する領域のカソード触媒層領域では腐食の駆動力であるカソード電位と電解質電位の差が特に大きいためカーボンの腐食反応速度が大きくなり、この領域での触媒活性の低下や触媒層の薄層化が顕著である。また、電気化学反応により生成した水分やセパレータに設けられたガス流路を通じて供給されたガスに含まれる水分は、触媒層において停留しやすく、触媒層においてガス流路の入口側から出口側に向かって停留する水分量が多くなるが、カーボン担体の腐食は、上記反応式から明らかなように、水を酸化剤として進行するため、燃料電池の耐久性の低下の要因となるカーボン担体の腐食は、起動停止/連続運転を繰り返すうちに、ガス流路の入口側から出口側に向かうにつれて著しく生じ、それに従って特にカソード触媒層のガス流路の出口側の厚みが薄くなり、触媒層の厚みにバラツキが生じる。このように触媒層においてガス流路の入口側のカーボン担体の腐食が少なくても、出口側のカーボン担体の腐食が大きいことに起因して、触媒層の平滑性が損なわれて電池のシール性が低下して電池全体の発電性能が低下すると考えられる。 As a result of diligent research to solve the above problems, the present inventor has paid attention to the problem of thinning of the catalyst layer due to corrosion of the carbon support in the cathode catalyst layer described in detail below. That is, for example, when the operation of the fuel cell is stopped and left for several hours or more, an anode catalyst layer system or a cathode catalyst layer is caused by a small amount of leak from a seal portion around the stack or a leak from a pump or a compressor connected to the stack. Since the outside air (air) is mixed into the system and the hydrogen remaining on the anode catalyst layer side is consumed by oxygen in the outside air, the anode catalyst layer-cathode catalyst layer system eventually has an air-air gas atmosphere. It has become. When hydrogen is introduced into the anode side after starting in such a state, a local battery is formed from upstream (hydrogen supply side) to downstream (air atmosphere) of the anode. Here, since the cathode in the region facing the air existing part downstream of the anode becomes a high potential (about 1.5 V) with respect to the electrolyte potential, a large difference between the cathode potential and the electrolyte potential becomes a driving force. In this region, a reaction of C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e − occurs with respect to the carbon carrier which is an electron conductive material in the cathode catalyst layer, the carbon is corroded, and the pore structure of the catalyst layer is broken. It is considered that the catalyst layer is thinned, whereby the gas diffusibility and drainage of the catalyst layer are lowered, the concentration overvoltage is increased, and the battery characteristics are lowered. As described above, such a phenomenon occurs in the cathode catalyst layer region facing the upstream side of the anode where hydrogen is present, and also in the cathode catalyst layer during normal power generation, although at a very slow speed. When starting after standing for a relatively long period of time, the difference between the cathode potential, which is the driving force for corrosion, and the electrolyte potential is particularly large in the cathode catalyst layer region in the region facing the air existing portion downstream of the anode. The corrosion reaction rate is increased, and the catalytic activity is decreased and the catalyst layer is thinned in this region. In addition, moisture generated by electrochemical reaction and moisture contained in the gas supplied through the gas flow path provided in the separator are likely to stay in the catalyst layer, and in the catalyst layer, from the inlet side to the outlet side of the gas flow path. However, since the corrosion of the carbon support proceeds using water as an oxidant as is apparent from the above reaction formula, the corrosion of the carbon support, which causes a decrease in the durability of the fuel cell, As the starting / stopping / continuous operation is repeated, the gas flow path is remarkably generated from the inlet side to the outlet side, and accordingly, the thickness of the cathode catalyst layer on the outlet side of the gas flow path is particularly reduced. Variations occur. Thus, even if there is little corrosion of the carbon carrier on the inlet side of the gas flow path in the catalyst layer, the smoothness of the catalyst layer is impaired due to the great corrosion of the carbon carrier on the outlet side, and the battery sealing performance It is considered that the power generation performance of the entire battery is lowered due to the decrease in the battery.
このため、本発明者は、背景技術に記載される問題及び上記問題を解決すべく、ガス拡散層および触媒層からなるガス拡散電極について鋭意研究を行なった結果、水電解活性を有する触媒をガス拡散層と触媒層との界面に配置すると、触媒作用による水電解反応がこの界面で進行し、それによって触媒層で生成する水分が拡散によりガス拡散層側に移動することを知得した。このような水分の触媒層からガス拡散層への移動により、触媒層、特にカソード側電極触媒層内での水の滞留が起こらないまたは起こりにくくなるため、触媒層、特にカソード側電極触媒層内の反応ガス供給路となっていた細孔を閉塞するフラッディング現象を有効に抑制・防止することができることをも知得した。上記知見に加えて、本発明者は、上記したように水電解活性を有する触媒をガス拡散層と触媒層との界面に配置することによって、触媒層内に生成する水を滞留させずに効率よく排出することができるため、特に高電流密度下での触媒層(特にカソード側電極触媒層)内の反応ガス供給路となっていた細孔を閉塞せずに、フラッディング現象が起こらないまたは起こりにくくなることをも見出した。上記知見に基づいて、本発明を完成した。 For this reason, in order to solve the problems described in the background art and the above problems, the present inventor has conducted extensive research on a gas diffusion electrode comprising a gas diffusion layer and a catalyst layer. It has been found that when it is arranged at the interface between the diffusion layer and the catalyst layer, a water electrolysis reaction by catalysis proceeds at this interface, whereby moisture generated in the catalyst layer moves to the gas diffusion layer side by diffusion. Such movement of moisture from the catalyst layer to the gas diffusion layer prevents or prevents water from staying in the catalyst layer, particularly the cathode-side electrode catalyst layer. It was also found that the flooding phenomenon that clogs the pores that were the reaction gas supply path can be effectively suppressed / prevented. In addition to the above knowledge, the present inventor can arrange the catalyst having water electrolysis activity at the interface between the gas diffusion layer and the catalyst layer as described above, thereby improving the efficiency without retaining the water generated in the catalyst layer. Since it can be discharged well, the flooding phenomenon does not occur or does not occur without clogging the pores that were the reaction gas supply path in the catalyst layer (especially cathode side electrode catalyst layer), especially under high current density. I also found it difficult. Based on the above findings, the present invention has been completed.
すなわち、上記目的は、ガス拡散層および触媒層からなるガス拡散電極であって、水電解活性を有する触媒がガス拡散層および触媒層の界面に配置されてなる、ガス拡散電極によって達成される。 That is, the above object is achieved by a gas diffusion electrode comprising a gas diffusion layer and a catalyst layer, wherein a catalyst having water electrolysis activity is disposed at the interface between the gas diffusion layer and the catalyst layer.
本発明のガス拡散電極によれば、カーボン腐食による電極触媒の劣化を抑制・防止し、かつ高電流密度における触媒層、特にカソード側電極触媒層内でのフラッディング現象を抑制・防止することができる。 According to the gas diffusion electrode of the present invention, it is possible to suppress / prevent deterioration of the electrode catalyst due to carbon corrosion, and to suppress / prevent flooding phenomenon in the catalyst layer at a high current density, particularly in the cathode side electrode catalyst layer. .
以下、本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
本発明の第一は、ガス拡散層および触媒層からなるガス拡散電極であって、水電解活性を有する触媒がガス拡散層および触媒層の界面に配置されてなる、ガス拡散電極に関するものである。本発明は、水電解活性を有する触媒をガス拡散層と触媒層との界面に配置することを特徴とするものである。このような構造をとることによって、触媒層とガス拡散層との界面付近で水電解を行なうため、界面付近で水電解活性を有する触媒による作用により水電解反応が進行するため、触媒層から水をひきつけ易く、それによって触媒層で生成する水分が拡散によりガス拡散層側に移動する。このような水分の移動により、触媒層、特に従来問題となっているカソード側電極触媒層内での水の滞留が起こらないまたは起こりにくくなる。ゆえに、触媒層、特にカソード側電極触媒層内の反応ガス供給路となっていた細孔を閉塞するフラッディング現象、特に高電流密度におけるフラッディング現象を有効に抑制・防止することができる。さらに、本発明によると、触媒層内で生成した水をスムーズに触媒層から排出できるため、カソード触媒層における電子伝導性物質(カーボン担体)に対するC+2H2O→CO2+4H++4e−の反応を有効に防止できる。ゆえに、本発明のガス拡散電極は、カーボン腐食、特にカソード側の電極触媒層内のカーボンの腐食をも有効に抑制・防止することができる。上記利点に加えて、本発明では、触媒層から生成水を排出するのに最も有効な触媒層とガス拡散層との界面付近に水電解活性を有する触媒を配置しているため、少ない水電解活性を有する触媒量で、フラッディング現象及びカーボン腐食を抑制・防止できる。 The first of the present invention relates to a gas diffusion electrode comprising a gas diffusion layer and a catalyst layer, wherein the catalyst having water electrolysis activity is disposed at the interface between the gas diffusion layer and the catalyst layer. . The present invention is characterized in that a catalyst having water electrolysis activity is disposed at the interface between the gas diffusion layer and the catalyst layer. By adopting such a structure, water electrolysis is performed near the interface between the catalyst layer and the gas diffusion layer, and the water electrolysis reaction proceeds by the action of the catalyst having water electrolysis activity near the interface. Thus, moisture generated in the catalyst layer moves to the gas diffusion layer side by diffusion. Due to such movement of water, the retention of water in the catalyst layer, particularly the cathode-side electrode catalyst layer, which has been a problem in the past, does not occur or hardly occurs. Therefore, it is possible to effectively suppress and prevent the flooding phenomenon that clogs the pores that have become the reaction gas supply path in the catalyst layer, particularly the cathode side electrode catalyst layer, particularly the flooding phenomenon at a high current density. Furthermore, according to the present invention, since water generated in the catalyst layer can be smoothly discharged from the catalyst layer, the reaction of C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e − to the electron conductive material (carbon support) in the cathode catalyst layer is performed. It can be effectively prevented. Therefore, the gas diffusion electrode of the present invention can effectively suppress and prevent carbon corrosion, particularly corrosion of carbon in the electrode catalyst layer on the cathode side. In addition to the above advantages, in the present invention, since a catalyst having water electrolysis activity is disposed in the vicinity of the interface between the catalyst layer and the gas diffusion layer that is most effective for discharging generated water from the catalyst layer, a small amount of water electrolysis is achieved. A flooding phenomenon and carbon corrosion can be suppressed / prevented with an active catalyst amount.
本発明において、水電解活性を有する触媒の配置形態は、ガス拡散層と触媒層との界面に位置し、かつ界面付近での水電解反応により触媒層から水をひきつけることができる形態であれば特に制限されない。具体的には、(ア)水電解活性を有する触媒を有する層をガス拡散層と触媒層との間に挿入する形態;(イ)水電解活性を有する触媒をガス拡散層中に配置する形態などが好ましく挙げられる。なお、本発明では、触媒層は、水電解活性を有する触媒を実質的に含まない。 In the present invention, the arrangement form of the catalyst having water electrolysis activity is located at the interface between the gas diffusion layer and the catalyst layer and can attract water from the catalyst layer by the water electrolysis reaction in the vicinity of the interface. There is no particular limitation. Specifically, (a) a mode in which a layer having a catalyst having water electrolysis activity is inserted between the gas diffusion layer and the catalyst layer; (a) a mode in which a catalyst having water electrolysis activity is disposed in the gas diffusion layer Etc. are preferred. In the present invention, the catalyst layer does not substantially contain a catalyst having water electrolysis activity.
上記(ア)の形態は、ガス拡散層と触媒層との間に、水電解活性を有する触媒を有する層を新たに設けるものである。当該形態をとることにより、水電解活性を有する触媒の層中への配合量の調節が容易であり、ゆえに、フラッディング現象及びカーボン腐食の抑制・防止効果を所望レベルにまで容易に達成することができる。当該形態(ア)において、水電解活性を有する触媒を有する層は、ガス拡散層と触媒層との界面全体にわたって上記層間に挿入されても、あるいは生成水のたまり易いガス出口部に対応するガス拡散層と触媒層との界面部分になど、ガス拡散層と触媒層との界面の一部に、上記層間に挿入されてもよいが、ガス出口部付近など、生成水のたまり易い部分に対応する場所には少なくとも、水電解活性を有する触媒を有する層が配置されていることが好ましい。また、後者の場合には、水電解活性を有する触媒は、比較的大きな面積の層をガス拡散層及び触媒層の間に単独で若しくは複数挿入してもまたは比較的面積の小さいスポット状にガス拡散層及び触媒層の間に複数挿入してもよい。 In the form (a), a layer having a catalyst having water electrolysis activity is newly provided between the gas diffusion layer and the catalyst layer. By taking this form, it is easy to adjust the amount of the catalyst having water electrolysis activity in the layer, and therefore, it is possible to easily achieve the flooding phenomenon and the effect of suppressing and preventing carbon corrosion to the desired level. it can. In the embodiment (a), the layer having a catalyst having water electrolysis activity is inserted into the above-mentioned layer over the entire interface between the gas diffusion layer and the catalyst layer, or the gas corresponding to the gas outlet portion where the product water is likely to accumulate. It may be inserted between the above-mentioned layers at a part of the interface between the gas diffusion layer and the catalyst layer, such as at the interface part between the diffusion layer and the catalyst layer. It is preferable that a layer having a catalyst having water electrolysis activity is disposed at least in the place where the above is performed. In the latter case, the catalyst having the water electrolysis activity can be obtained even if a layer having a relatively large area is inserted between the gas diffusion layer and the catalyst layer singly or plurally, or the gas is formed in a spot shape having a relatively small area. A plurality may be inserted between the diffusion layer and the catalyst layer.
さらに、水電解活性を有する触媒は、水電解活性を有する触媒を層中、同一の量で配置しても、あるいは異なる量で配置しても、いずれでもよい。後者の場合には、水電解活性を有する触媒は、層中、触媒層と接触する側におよび/またはガス出口部付近に、特に触媒層と接触する側に多く配置されることが好ましい。ガス出口部付近は、生成水のたまり易い部分であるため、このような場所に水電解活性を有する触媒を多く配置することによって、生成した水を効率よく水電解反応に供して、触媒層から水をひきつけ、触媒層内に生成する水の滞留を抑制・防止することができるからである。この際、水電解活性を有する触媒は、層の面方向に対して、ガス出口部付近にのみ配置してもあるいはガス入口部からガス出口部付近にかけて配合量が漸増するように配置してもいずれでもよい。また、触媒層と接触する側に水電解活性を有する触媒を多く配置することによって、触媒層で生成した水を効率よく水電解反応に供することができ、触媒層からガス拡散層までの水濃度勾配によって、生成水が水分の少ないガス拡散層へと良好に移動することができる。この際、水電解活性を有する触媒は、層中、ガス拡散層側から触媒層側に向かって配合量が漸増するように配置されてもあるいは、触媒層と接する部分に所定の厚みで配置されてもいずれでもよい。 Further, the catalyst having water electrolysis activity may be the same or different amount of the catalyst having water electrolysis activity arranged in the layer. In the latter case, it is preferable that a large amount of the catalyst having water electrolysis activity is disposed in the layer on the side in contact with the catalyst layer and / or in the vicinity of the gas outlet, particularly on the side in contact with the catalyst layer. Since the vicinity of the gas outlet is a portion where product water tends to accumulate, by arranging a large amount of a catalyst having water electrolysis activity in such a place, the generated water is efficiently subjected to a water electrolysis reaction, and from the catalyst layer. This is because water can be attracted and retention of water generated in the catalyst layer can be suppressed / prevented. At this time, the catalyst having water electrolysis activity may be disposed only in the vicinity of the gas outlet portion with respect to the plane direction of the layer, or may be disposed so that the blending amount gradually increases from the gas inlet portion to the vicinity of the gas outlet portion. Either is acceptable. In addition, by disposing many catalysts having water electrolysis activity on the side in contact with the catalyst layer, the water generated in the catalyst layer can be efficiently used for the water electrolysis reaction, and the water concentration from the catalyst layer to the gas diffusion layer By the gradient, the generated water can be favorably moved to the gas diffusion layer with less moisture. At this time, the catalyst having water electrolysis activity is arranged in the layer so that the blending amount gradually increases from the gas diffusion layer side to the catalyst layer side, or is arranged at a predetermined thickness in a portion in contact with the catalyst layer. Or either.
水電解活性を有する触媒を層中に配置する量は、触媒層で生成した水の滞留を良好に抑制・防止できる量であれば特に制限されず、水電解活性を有する触媒の種類や層中の配置形態などによっても異なる。例えば、水電解活性を有する触媒を層中、同一の量で配置する場合には、層を構成する成分の合計質量(固形分換算)に対して、好ましくは5〜50質量%、より好ましくは10〜30質量%である。また、水電解活性を有する触媒が、層中、ガス拡散層側から触媒層側に向かってまたはガス入口部からガス出口部付近にかけて配合量を漸増させて配置する場合には、触媒層と接触する側の配合量が、層を構成する成分の合計質量(固形分換算)に対して、好ましくは10〜50質量%、より好ましくは20〜40質量%であり、ガス拡散層と接触する側の配合量が、層を構成する成分の合計質量(固形分換算)に対して、好ましくは5〜20質量%、より好ましくは5〜15質量%となるような濃度勾配とすることができる。この際、濃度勾配は、連続的であってもあるいは段階的であってもよい。 The amount of the catalyst having water electrolysis activity disposed in the layer is not particularly limited as long as it is an amount capable of satisfactorily suppressing / preventing retention of water generated in the catalyst layer. It differs depending on the arrangement form. For example, when the catalyst having water electrolysis activity is arranged in the same amount in the layer, it is preferably 5 to 50% by mass, more preferably based on the total mass (in terms of solid content) of the components constituting the layer. It is 10-30 mass%. In addition, when the catalyst having water electrolysis activity is arranged in the layer from the gas diffusion layer side to the catalyst layer side or from the gas inlet part to the gas outlet part, the catalyst is in contact with the catalyst layer. The blending amount on the side to be used is preferably 10 to 50% by mass, more preferably 20 to 40% by mass with respect to the total mass (solid content conversion) of the components constituting the layer, and the side in contact with the gas diffusion layer The concentration gradient is preferably 5 to 20% by mass, more preferably 5 to 15% by mass with respect to the total mass (in terms of solid content) of the components constituting the layer. At this time, the concentration gradient may be continuous or stepwise.
上記(ア)の形態において、水電解活性を有する触媒を有する層は、電子伝導性粒子をさらに含むことが好ましい。これにより、水電解活性を有する触媒を有する層の電子伝導性が高まり、絶縁抵抗(IR)の増大に伴うセル性能の低下を有意に抑制・防止できる。この際使用できる電子伝導性粒子は、電子伝導性を有するものであれば特に制限されないが、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、活性炭、黒鉛、膨張黒鉛、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボン粒子が挙げられる。これらのうち、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、カーボンブラック、アセチレンブラック及び活性炭が好ましい。電子伝導性粒子はまた、市販品を用いてもよく、このような場合には、キャボット社製バルカンXC−72、バルカンXC−72R、バルカンP、ブラックパールズ880、ブラックパールズ1100、ブラックパールズ1300、ブラックパールズ2000、リーガル400、ライオン社製ケッチェンブラックEC、三菱化学社製#3150、#3250などのオイルファーネスブラック;電気化学工業社製デンカブラックなどのアセチレンブラック等が使用できる。また、カーボンブラックのほか、天然の黒鉛、ピッチ、コークス、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、フラン樹脂などの有機化合物から得られる人工黒鉛や炭素などもまた使用できる。上記電子伝導性粒子は、単独で使用されてあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。また、電子伝導性粒子の粒径は、特に制限されないが、排水性や電極触媒層との接触性を考慮すると、10〜100nm、より好ましくは30〜70nm程度とするのがよい。 In the form (a), the layer having a catalyst having water electrolysis activity preferably further contains electron conductive particles. Thereby, the electronic conductivity of the layer having the catalyst having water electrolysis activity is increased, and the deterioration of the cell performance accompanying the increase of the insulation resistance (IR) can be significantly suppressed / prevented. The electron conductive particles that can be used in this case are not particularly limited as long as they have electron conductivity. For example, carbon black, acetylene black, activated carbon, graphite, expanded graphite, oil furnace black, channel black, lamp black, thermal Examples thereof include carbon particles such as black. Among these, carbon black, acetylene black, and activated carbon are preferable because of excellent electron conductivity and a large specific surface area. A commercially available product may be used as the electron conductive particles. In such a case, Vulcan XC-72, Vulcan XC-72R, Vulcan P, Black Pearls 880, Black Pearls 1100, Black Pearls 1300, manufactured by Cabot Corporation may be used. Oil furnace black such as Black Pearls 2000, Regal 400, Ketjen Black EC manufactured by Lion, and # 3150 and # 3250 manufactured by Mitsubishi Chemical Co., and acetylene black such as Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. can be used. In addition to carbon black, artificial graphite or carbon obtained from organic compounds such as natural graphite, pitch, coke, polyacrylonitrile, phenol resin, furan resin, etc. can also be used. The electron conductive particles may be used alone or in the form of a mixture of two or more. Further, the particle diameter of the electron conductive particles is not particularly limited, but considering the drainage property and the contact property with the electrode catalyst layer, the particle size is preferably 10 to 100 nm, more preferably about 30 to 70 nm.
また、電子伝導性粒子を層中に配置する量は、触媒層で生成した水の滞留を水電解活性を有する触媒が良好に抑制・防止するのを妨げない量であれば特に制限されず、電子伝導性粒子の種類などによっても異なる。例えば、電子伝導性粒子の配合量は、水電解活性を有する触媒に対して、好ましくは5〜80質量%、より好ましくは10〜75質量%である。 In addition, the amount of the electron conductive particles disposed in the layer is not particularly limited as long as it does not prevent the catalyst having water electrolysis activity from suppressing and preventing the retention of water generated in the catalyst layer. It varies depending on the type of electron conductive particles. For example, the blending amount of the electron conductive particles is preferably 5 to 80% by mass, more preferably 10 to 75% by mass with respect to the catalyst having water electrolysis activity.
上記(ア)の形態は、ガス拡散層と触媒層との間に、水電解活性を有する触媒を有する層を新たに設けるものである。水電解活性を有する触媒を有する層の形成方法は、特に制限されず、公知の方法が同様にしてあるいは修飾を加えて適用できる。以下、好ましい方法を記載するが、本発明は、当該方法に限定されるものではない。例えば、水電解活性を有する触媒、電子伝導性粒子、溶媒を適当量混合・分散してスラリー(溶液)を形成し、このスラリー(溶液)をガス拡散層用基材上に塗布した後、乾燥させる。その後、マッフル炉や焼成炉を用いて250〜400℃、より好ましくは300〜400℃程度で熱処理を施すのが好ましい。この際、水電解活性を有する触媒及び電子伝導性粒子の添加量は、上述したとおりである。また、溶媒は、特に制限されず、水電解活性を有する触媒及び電子伝導性粒子の種類に応じて適宜選択できる。例えば、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒などが使用できる。なお、水電解活性を有する触媒および電子伝導性粒子は、そのまま使用されてもあるいは溶液の形態で使用されてもよい。後者の場合に使用される溶媒は、特に制限されず、例えば、上述したような溶媒が使用できる。また、前記スラリー(溶液)をガス拡散層用基材上に塗布し乾燥する代わりに、スラリー(溶液)を一度乾燥させ粉砕することで粉体にし、これを前記ガス拡散層用基材上に塗布する方法などを用いてもよい。また、前記スラリーは、撥水剤をさらに含んでもよい。これにより、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことができる。この際、撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、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)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。撥水剤の添加量は、特に制限されないが、例えば、層を構成する成分の合計質量(固形分換算)に対して、20〜80質量%程度である。なお、特に撥水剤がフッ素系の高分子材料である場合には、水電解活性を有する触媒を有する層におけるフッ素原子を含有する高分子の含量が、電子伝導性粒子の質量1に対して、0.1から2.0が好ましく、より好ましくは0.2から1.8、さらに好ましくは0.3から1.5である。水電解活性を有する触媒を有する層の、撥水性の観点から0.1以上であることが好ましく、導電性の観点から2.0以下であることが好ましい。 In the form (a), a layer having a catalyst having water electrolysis activity is newly provided between the gas diffusion layer and the catalyst layer. The method for forming the layer having a catalyst having water electrolysis activity is not particularly limited, and a known method can be applied in the same manner or with modification. Hereinafter, although a preferable method is described, this invention is not limited to the said method. For example, an appropriate amount of a catalyst having water electrolysis activity, electron conductive particles, and a solvent is mixed and dispersed to form a slurry (solution), and this slurry (solution) is applied onto a substrate for a gas diffusion layer and then dried. Let Then, it is preferable to heat-process at 250-400 degreeC using a muffle furnace or a baking furnace, More preferably, about 300-400 degreeC. At this time, the addition amount of the catalyst having water electrolysis activity and the electron conductive particles is as described above. The solvent is not particularly limited, and can be appropriately selected according to the type of the catalyst having water electrolysis activity and the electron conductive particles. For example, alcohol solvents such as water, perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, methanol and ethanol can be used. The catalyst having electrolysis activity and the electron conductive particles may be used as they are or in the form of a solution. The solvent used in the latter case is not particularly limited, and for example, the solvents described above can be used. Also, instead of applying the slurry (solution) on the gas diffusion layer substrate and drying, the slurry (solution) is once dried and pulverized to form a powder, which is then applied onto the gas diffusion layer substrate. A coating method or the like may be used. The slurry may further include a water repellent. As a result, the water repellency can be further increased to prevent the flooding phenomenon. At this time, the water repellent is not particularly limited, but fluorine such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). Polymer materials such as polypropylene, polypropylene, and polyethylene. Although the addition amount of a water repellent is not specifically limited, For example, it is about 20-80 mass% with respect to the total mass (solid content conversion) of the component which comprises a layer. In particular, when the water repellent is a fluorine-based polymer material, the content of the polymer containing fluorine atoms in the layer having a catalyst having water electrolysis activity is 1 with respect to the mass 1 of the electron conductive particles. 0.1 to 2.0, more preferably 0.2 to 1.8, and still more preferably 0.3 to 1.5. The layer having a catalyst having water electrolysis activity is preferably 0.1 or more from the viewpoint of water repellency, and preferably 2.0 or less from the viewpoint of conductivity.
または、特に水電解活性を有する触媒を電子伝導性粒子と組合わせて使用する場合には、上記方法に加えて、水電解活性を有する触媒を電子伝導性粒子上に担持させてもよい。この際、水電解活性を有する触媒の電子伝導性粒子上への担持方法は、特に制限されず、公知の担持方法が同様にしてあるいは修飾して使用できる。例えば、イリジウムやルテニウムを水電解活性を有する触媒として使用する場合には、下記に詳述するような触媒粒子の担持方法が同様にして使用できる。また、酸化イリジウムや酸化ルテニウムを水電解活性を有する触媒として使用する場合には、下記に詳述するような触媒粒子の担持方法に加えて、溶液還元法や加熱酸化法や電析法などが好ましく使用できる。この際、溶液還元法では、例えば、硝酸イリジウムや塩化イリジウムの水溶液をイリジウム前駆体として用い、そこへ、還元剤、例えば、エタノール、メタノール、プロパノール、ギ酸、ホルムアルデヒド、アスコルビン酸、チオ硫酸ナトリウム、クエン酸等の還元剤及び電子伝導性粒子を混合し、約90℃で4時間加熱攪拌後、ろ過し、乾燥することで、イリジウム前駆体あるいはイリジウムを電子伝導性粒子上に担持できる。さらに、含酸素雰囲気で150℃〜400℃の間で加熱処理をすることで、酸化イリジウムとして担持することもできる。また、加熱酸化法としては、特に制限されないが、例えば、塩化イリジウム(IrCl4・H2O)、塩化イリジウム酸(H2IrCl6・6H2O)、及び樹脂酸イリジウムを、水、エタノール、ブタノール等の溶媒に溶解してイリジウム前駆体溶液を調製し、このイリジウム前駆体溶液を、電子伝導性粒子に塗布して、これを酸素雰囲気(例えば、酸素分圧が0.1〜0.5気圧の条件)下で、200〜800℃の温度で、5〜120分間の条件下で、加熱処理する方法が好ましく使用される。また、電析法としては、特に制限されないが、例えば、イリジウム錯体(例えば、Na2IrO4の水溶液中に、電子伝導性粒子を浸漬して、酸化イリジウム(IrO2)を電着する方法が使用できる。なお、上記方法では、水電解活性を有する触媒として酸化イリジウムを電子伝導性粒子上に担持させる方法について詳述したが、酸化ルテニウムなどの他の水電解活性を有する触媒についても同様の方法が使用できる。 Alternatively, in particular, when a catalyst having water electrolysis activity is used in combination with electron conductive particles, a catalyst having water electrolysis activity may be supported on the electron conductive particles in addition to the above method. At this time, the method for supporting the catalyst having water electrolysis activity on the electron conductive particles is not particularly limited, and a known supporting method can be used similarly or modified. For example, when iridium or ruthenium is used as a catalyst having water electrolysis activity, the catalyst particle supporting method described in detail below can be used in the same manner. In addition, when using iridium oxide or ruthenium oxide as a catalyst having water electrolysis activity, in addition to the catalyst particle loading method as described in detail below, there are a solution reduction method, a heating oxidation method, an electrodeposition method, and the like. It can be preferably used. At this time, in the solution reduction method, for example, an aqueous solution of iridium nitrate or iridium chloride is used as an iridium precursor, and a reducing agent such as ethanol, methanol, propanol, formic acid, formaldehyde, ascorbic acid, sodium thiosulfate, citric acid, or the like. An iridium precursor or iridium can be supported on the electron conductive particles by mixing a reducing agent such as an acid and the electron conductive particles, heating and stirring at about 90 ° C. for 4 hours, filtering, and drying. Furthermore, it can carry | support as iridium oxide by heat-processing between 150 degreeC-400 degreeC in oxygen-containing atmosphere. Further, the heating oxidation method is not particularly limited. For example, iridium chloride (IrCl 4 · H 2 O), iridium chloride (H 2 IrCl 6 · 6H 2 O), and iridium resin acid are mixed with water, ethanol, An iridium precursor solution is prepared by dissolving in a solvent such as butanol. The iridium precursor solution is applied to the electron conductive particles, and this is applied to an oxygen atmosphere (for example, an oxygen partial pressure of 0.1 to 0.5). A method of heat treatment under conditions of atmospheric pressure) at a temperature of 200 to 800 ° C. for 5 to 120 minutes is preferably used. The electrodeposition method is not particularly limited. For example, a method of electrodepositing iridium oxide (IrO 2 ) by immersing electron conductive particles in an iridium complex (for example, an aqueous solution of Na 2 IrO 4 ). In the above method, the method of supporting iridium oxide on the electron conductive particles as a catalyst having water electrolysis activity was described in detail, but the same applies to other catalysts having water electrolysis activity such as ruthenium oxide. The method can be used.
上記(ア)の形態で用いられるガス拡散層としては、従来公知のものであれば特に制限なく用いることができる。具体的には、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料;金属メッシュなどが挙げられる。より具体的には、カーボン布、カーボン紙(カーボンペーパー)、カーボンクロス、カーボン不織布、金属メッシュなどが好ましく使用でき、カーボン布、カーボン紙(カーボンペーパー)、カーボン不織布、金属メッシュがより好ましい。これらの材料は、高い電子電導性を有し、絶縁抵抗(IR)の増大に伴うセル性能の低下を有意に抑制・防止できる。また、ガス拡散層は、市販品を用いることもでき、例えば、東レ株式会社製カーボンペーパーTGPシリーズ、E−TEK社製カーボンクロスなどが挙げられる。 The gas diffusion layer used in the form (a) can be used without particular limitation as long as it is a conventionally known one. Specifically, a sheet-like material having conductivity and porosity such as a carbon woven fabric, a paper-like paper body, a felt, and a non-woven fabric; a metal mesh, and the like can be given. More specifically, carbon cloth, carbon paper (carbon paper), carbon cloth, carbon non-woven fabric, and metal mesh can be preferably used, and carbon cloth, carbon paper (carbon paper), carbon non-woven fabric, and metal mesh are more preferable. These materials have high electronic conductivity, and can significantly suppress / prevent a decrease in cell performance accompanying an increase in insulation resistance (IR). Moreover, a commercial item can also be used for a gas diffusion layer, for example, carbon paper TGP series by Toray Industries, Inc., carbon cloth by E-TEK, etc. are mentioned.
前記ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことを目的として、前記基材に撥水剤を含ませることが好ましい。前記撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、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)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。ガス拡散層に撥水剤を含有させる場合には、一般的な撥水処理方法を用いて行えばよい。例えば、ガス拡散層に用いられる基材を撥水剤の分散液に浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させる方法などが挙げられる。 The gas diffusion layer preferably contains a water repellent in the base material for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon. Although it does not specifically limit as said water repellent, It is fluorine-type, such as a polytetrafluoroethylene (PTFE), a polyvinylidene fluoride (PVDF), a polyhexafluoropropylene, a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). Examples thereof include polymer materials, polypropylene, and polyethylene. When a water repellent is contained in the gas diffusion layer, a general water repellent treatment method may be used. For example, after immersing the base material used for a gas diffusion layer in the dispersion liquid of a water repellent agent, the method of heat-drying with oven etc. is mentioned.
上記(ア)の形態において、水電解活性を有する触媒を有する層の厚みは、特に制限されず、フラッディング現象を十分抑制・防止できる厚みであればよい。具体的には、ガス拡散層及び水電解活性を有する触媒を有する層の合計厚さが、100〜500μm、より好ましくは200〜500μm、さらにより好ましくは200〜400μm、最も好ましくは200〜300μmであることが好ましい。このような厚みであれば、ガス拡散層の機械的強度及び排水性双方を十分確保できる。このうち、ガス拡散層の厚みは、199〜400μm、より好ましくは199〜350μm、最も好ましくは199〜290μmであることが好ましい。このような厚みであれば、ガス拡散層の機械的強度及び排水性双方を十分確保できる。また、水電解活性を有する触媒を有する層の厚みは、1〜100μm、より好ましくは1〜50μm、最も好ましくは1〜10μmであることが好ましい。このような厚みであれば、フラッディング現象及び触媒層の劣化を十分抑制・防止できる。 In the form (a), the thickness of the layer having a catalyst having water electrolysis activity is not particularly limited as long as it can sufficiently suppress and prevent the flooding phenomenon. Specifically, the total thickness of the gas diffusion layer and the layer having a catalyst having water electrolysis activity is 100 to 500 μm, more preferably 200 to 500 μm, still more preferably 200 to 400 μm, and most preferably 200 to 300 μm. Preferably there is. With such a thickness, both the mechanical strength and drainage of the gas diffusion layer can be sufficiently secured. Among these, the thickness of the gas diffusion layer is preferably 199 to 400 μm, more preferably 199 to 350 μm, and most preferably 199 to 290 μm. With such a thickness, both the mechanical strength and drainage of the gas diffusion layer can be sufficiently secured. The thickness of the layer having a catalyst having water electrolysis activity is preferably 1 to 100 μm, more preferably 1 to 50 μm, and most preferably 1 to 10 μm. With such a thickness, the flooding phenomenon and the deterioration of the catalyst layer can be sufficiently suppressed and prevented.
次に、上記(イ)の形態は、水電解活性を有する触媒をガス拡散層中に配置するものである。当該形態をとることにより、触媒層とガス拡散層との間に余分な層を介することがないため、ガス拡散電極の薄膜化が可能であり、また、触媒層と接しているガス拡散層側に水電解活性を有する触媒を高分散できるため、ここで水電解反応が進行して、触媒層中で生成する水をスムーズに排出することができるため、少ない水電解活性を有する触媒量で、フラッディング現象及びカーボン腐食を抑制・防止できる。当該形態(イ)において、水電解活性を有する触媒は、触媒層とガス拡散層との接触面全体にわたって配置されても、あるいは生成水のたまり易いガス出口部に対応する触媒層とガス拡散層との接触面になど、ガス拡散層と触媒層との界面の一部に、配置されてもよいが、ガス出口部付近など、生成水のたまり易い部分に対応する場所には少なくとも、水電解活性を有する触媒を配置することが好ましい。また、後者の場合には、水電解活性を有する触媒は、比較的大きな面積で単独で若しくは複数触媒層とガス拡散層との接触面に配置してもまたは比較的面積の小さいスポットを触媒層とガス拡散層との接触面に複数配置してもよい。 Next, the form of said (a) arrange | positions the catalyst which has water electrolysis activity in a gas diffusion layer. By taking this form, there is no extra layer between the catalyst layer and the gas diffusion layer, so the gas diffusion electrode can be made thin, and the gas diffusion layer side in contact with the catalyst layer Since the catalyst having water electrolysis activity can be highly dispersed, the water electrolysis reaction proceeds here, and the water produced in the catalyst layer can be discharged smoothly. Can control and prevent flooding and carbon corrosion. In the embodiment (a), the catalyst having water electrolysis activity may be disposed over the entire contact surface between the catalyst layer and the gas diffusion layer, or the catalyst layer and the gas diffusion layer corresponding to the gas outlet portion where product water is likely to accumulate. It may be arranged at a part of the interface between the gas diffusion layer and the catalyst layer, such as on the contact surface with the catalyst, but at least in a place corresponding to a portion where the generated water is likely to accumulate, such as near the gas outlet, water electrolysis It is preferable to arrange a catalyst having activity. In the latter case, the catalyst having water electrolysis activity may be a catalyst having a relatively large area or a spot having a relatively small area even if it is disposed on the contact surface between the plurality of catalyst layers and the gas diffusion layer. A plurality of them may be arranged on the contact surface between the gas diffusion layer and the gas diffusion layer.
さらに、水電解活性を有する触媒は、触媒層とガス拡散層との接触面方向で、同一の量で配置しても、あるいは異なる量で配置しても、いずれでもよい。後者の場合には、水電解活性を有する触媒は、触媒層とガス拡散層との接触面において、触媒層と接触する側におよび/またはガス出口部付近に、特に触媒層と接触する側に特に多く配置されることが好ましい。ガス出口部付近は、生成水のたまり易い部分であるため、このような場所に水電解活性を有する触媒を多く配置することによって、生成した水を効率よく水電解反応に供して、水の滞留を抑制・防止することができるからである。この際、水電解活性を有する触媒は、触媒層とガス拡散層との接触面方向に対して、ガス出口部付近にのみ配置してもあるいはガス入口部からガス出口部付近にかけて配合量が漸増するように配置してもいずれでもよい。また、触媒層とガス拡散層との接触面に水電解活性を有する触媒を多く配置することによって、触媒層で生成した水を効率よく水電解反応に供することができ、触媒層からガス拡散層までの水濃度勾配を速やかに形成して、生成水が水分の少ないガス拡散層へと良好に移動することができる。この際、水電解活性を有する触媒は、ガス拡散層の厚み方向において、ガス拡散層の触媒層とは接しない側から触媒層と接する側に向かって配合量が漸増するように配置されてもあるいは、触媒層と接するガス拡散層部分に所定の厚みで配置されてもいずれでもよい。後者の場合、水電解活性を有する触媒は、ガス拡散層の厚みに対して、1〜20%、より好ましくは1〜10%程度、配置されることが好ましい。このような範囲にあれば、水電解活性を有する触媒が効率よく触媒層内の生成水を水電解反応により排出することができる。 Furthermore, the catalyst having water electrolysis activity may be arranged in the same amount or in different amounts in the contact surface direction between the catalyst layer and the gas diffusion layer. In the latter case, the catalyst having water electrolysis activity is present on the contact surface between the catalyst layer and the gas diffusion layer on the side in contact with the catalyst layer and / or near the gas outlet, particularly on the side in contact with the catalyst layer. In particular, it is preferable to arrange many. Since the vicinity of the gas outlet is a portion where product water tends to accumulate, by arranging a large amount of a catalyst having water electrolysis activity in such a place, the generated water is efficiently subjected to a water electrolysis reaction, and water is retained. This is because it can be suppressed / prevented. At this time, the amount of the catalyst having water electrolysis activity is gradually increased from the gas inlet portion to the gas outlet portion even if it is arranged only near the gas outlet portion with respect to the contact surface direction between the catalyst layer and the gas diffusion layer. Any of these may be arranged. In addition, by arranging a large amount of a catalyst having water electrolysis activity on the contact surface between the catalyst layer and the gas diffusion layer, the water generated in the catalyst layer can be efficiently used for the water electrolysis reaction. The water concentration gradient up to is rapidly formed, and the produced water can be favorably transferred to the gas diffusion layer with less moisture. At this time, the catalyst having water electrolysis activity may be arranged so that the blending amount gradually increases from the side not contacting the catalyst layer of the gas diffusion layer toward the side contacting the catalyst layer in the thickness direction of the gas diffusion layer. Alternatively, it may be arranged at a predetermined thickness in the gas diffusion layer portion in contact with the catalyst layer. In the latter case, the catalyst having water electrolysis activity is preferably arranged in an amount of 1 to 20%, more preferably about 1 to 10% with respect to the thickness of the gas diffusion layer. If it exists in such a range, the catalyst which has water electrolysis activity can discharge | emit the water produced | generated in a catalyst layer efficiently by water electrolysis reaction.
水電解活性を有する触媒を層中に配置する量は、触媒層で生成した水の滞留を良好に抑制・防止できる量であれば特に制限されず、水電解活性を有する触媒の種類やガス拡散層中の配置形態などによっても異なる。例えば、水電解活性を有する触媒をガス拡散層中、同一の量で配置する場合には、水電解活性を有する触媒を有する部分において、当該層部分を構成する成分の合計質量(固形分換算)に対して、好ましくは5〜50質量%、より好ましくは10〜30質量%である。また、水電解活性を有する触媒が、層中、ガス拡散層側から触媒層側に向かってまたはガス入口部からガス出口部付近にかけて配合量を漸増させて配置する場合には、触媒層と接触する側の配合量が、層を構成する成分の合計質量(固形分換算)に対して、好ましくは10〜50質量%、より好ましくは20〜40質量%であり、水電解活性を有する触媒が配置されているガス拡散層の中で触媒層とは最も離れている部分での配合量が、層を構成する成分の合計質量(固形分換算)に対して、好ましくは1〜20質量%、より好ましくは5〜15質量%となるような濃度勾配とすることができる。この際、濃度勾配は、連続的であってもあるいは段階的であってもよい。 The amount of the catalyst having water electrolysis activity placed in the layer is not particularly limited as long as it is an amount capable of satisfactorily suppressing / preventing retention of water generated in the catalyst layer, and the type of catalyst having water electrolysis activity and gas diffusion are not limited. It varies depending on the arrangement form in the layer. For example, in the case where the catalyst having water electrolysis activity is arranged in the same amount in the gas diffusion layer, the total mass of components constituting the layer portion (in terms of solid content) in the portion having the catalyst having water electrolysis activity Preferably, it is 5-50 mass%, More preferably, it is 10-30 mass%. In addition, when the catalyst having water electrolysis activity is arranged in the layer from the gas diffusion layer side to the catalyst layer side or from the gas inlet part to the gas outlet part, the catalyst is in contact with the catalyst layer. The catalyst having water electrolysis activity is preferably 10 to 50% by mass, more preferably 20 to 40% by mass, based on the total mass (in terms of solid content) of the components constituting the layer. Among the gas diffusion layers that are arranged, the blending amount in the part farthest from the catalyst layer is preferably 1 to 20% by mass with respect to the total mass (in terms of solid content) of the components constituting the layer, More preferably, the concentration gradient can be 5 to 15% by mass. At this time, the concentration gradient may be continuous or stepwise.
上記(イ)の形態において、ガス拡散層は、電子伝導性粒子をさらに含んでもよい。これにより、水電解活性を有する触媒を有する層の電子伝導性がさらに高まり、絶縁抵抗(IR)の増大に伴うセル性能の低下を有意に抑制・防止できる。この際使用できる電子伝導性粒子は、電子伝導性を有するものであれば特に制限されず、上記(ア)の形態で列挙されたものと同様のものが使用できる。電子伝導性粒子の粒径は、特に制限されないが、排水性や電極触媒層との接触性を考慮すると、10〜100nm、より好ましくは30〜70nm程度とするのがよい。また、電子伝導性粒子を層中に配置する量は、触媒層で生成した水の滞留を水電解活性を有する触媒が良好に抑制・防止するのを妨げない量であれば特に制限されず、電子伝導性粒子の種類などによっても異なる。例えば、電子伝導性粒子の配合量は、層を構成する成分の合計質量(固形分換算)に対して、好ましくは5〜80質量%、より好ましくは10〜75質量%である。 In the form (a), the gas diffusion layer may further include electron conductive particles. Thereby, the electronic conductivity of the layer having the catalyst having water electrolysis activity is further increased, and the deterioration of the cell performance accompanying the increase of the insulation resistance (IR) can be significantly suppressed / prevented. The electron conductive particles that can be used in this case are not particularly limited as long as they have electron conductivity, and the same particles as those listed in the form (a) can be used. The particle size of the electron conductive particles is not particularly limited, but considering the drainage property and the contact property with the electrode catalyst layer, it is preferably about 10 to 100 nm, more preferably about 30 to 70 nm. In addition, the amount of the electron conductive particles disposed in the layer is not particularly limited as long as it does not prevent the catalyst having water electrolysis activity from suppressing and preventing the retention of water generated in the catalyst layer. It varies depending on the type of electron conductive particles. For example, the compounding amount of the electron conductive particles is preferably 5 to 80% by mass, and more preferably 10 to 75% by mass with respect to the total mass (in terms of solid content) of the components constituting the layer.
上記(イ)の形態は、電解活性を有する触媒をガス拡散層中に配置するものである。電解活性を有する触媒をガス拡散層中に配置する方法は、特に制限されず、公知の方法が同様にしてあるいは修飾を加えて適用できる。以下、好ましい方法を記載するが、本発明は、当該方法に限定されるものではない。例えば、水電解活性を有する触媒を、溶媒中に分散してスラリー(溶液)を形成する。次に、ガス拡散層に用いられる基材を、このスラリー(溶液)中に所定の深さまで浸漬した後、取り出して、オーブン等で加熱乾燥させる方法などが挙げられる。この際、水電解活性を有する触媒の添加量は、上述したとおりであり、上記方法では記載しなかったが、水電解活性を有する触媒に加えて、電子伝導性粒子をさらに加えてもよく、この時の電子伝導性粒子の添加量もまた上述したのと同様である。また、溶媒は、特に制限されず、水電解活性を有する触媒及び必要であれば電子伝導性粒子の種類に応じて適宜選択できる。例えば、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒などが使用できる。上記方法において、ガス拡散層に用いられる基材をスラリー中に浸漬する深さは、触媒中で生成した水を効率よく水電解反応に供することができる深さであれば特に制限されないが、好ましくは、水電解活性を有する触媒が、触媒層と接するガス拡散層側から1〜30μm、より好ましくは1〜10μm程度配置されるような深さである。なお、上記したような水電解活性を有する触媒の配合量に達しない場合は、所定量に達するまで、上記工程を複数回繰り返してもよい。また、上記方法において、浸漬条件は、ガス拡散層中に所望の水電解活性を有する触媒が配置できる条件であれば特に制限されないが、通常、60〜120℃で10〜180分間程度、ガス拡散層に用いられる基材をスラリー中に浸漬することが好ましい。また、前記スラリーは、撥水剤をさらに含んでもよい。これにより、ガス拡散層により高い撥水性が付与されるため、フラッディング現象などをより効果的に防ぐことができる。この際、撥水剤としては、特に限定されず、上記(ア)の形態で列挙したのと同様のものが使用でき、また、撥水剤の添加量は、特に制限されないが、例えば、層を構成する成分の合計質量(固形分換算)に対して、5〜80質量%程度である。 In the form (a), a catalyst having electrolytic activity is disposed in the gas diffusion layer. The method for disposing the catalyst having electrolytic activity in the gas diffusion layer is not particularly limited, and a known method can be applied in the same manner or with modification. Hereinafter, although a preferable method is described, this invention is not limited to the said method. For example, a catalyst having water electrolysis activity is dispersed in a solvent to form a slurry (solution). Next, after the base material used for the gas diffusion layer is immersed in this slurry (solution) to a predetermined depth, it is taken out and heated and dried in an oven or the like. At this time, the addition amount of the catalyst having water electrolysis activity is as described above and was not described in the above method, but in addition to the catalyst having water electrolysis activity, electron conductive particles may be further added, The addition amount of the electron conductive particles at this time is also the same as described above. The solvent is not particularly limited, and can be appropriately selected according to the catalyst having water electrolysis activity and, if necessary, the type of electron conductive particles. For example, alcohol solvents such as water, perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, methanol and ethanol can be used. In the above method, the depth of immersing the base material used in the gas diffusion layer in the slurry is not particularly limited as long as the water generated in the catalyst can be efficiently subjected to the water electrolysis reaction. Is such a depth that the catalyst having water electrolysis activity is disposed about 1 to 30 μm, more preferably about 1 to 10 μm from the side of the gas diffusion layer in contact with the catalyst layer. If the blending amount of the catalyst having water electrolysis activity as described above is not reached, the above steps may be repeated a plurality of times until the predetermined amount is reached. Further, in the above method, the immersion conditions are not particularly limited as long as the catalyst having a desired water electrolysis activity can be disposed in the gas diffusion layer. Usually, the gas diffusion is performed at 60 to 120 ° C. for about 10 to 180 minutes. It is preferable to immerse the substrate used for the layer in the slurry. The slurry may further include a water repellent. Thereby, since high water repellency is provided to the gas diffusion layer, flooding phenomenon and the like can be more effectively prevented. At this time, the water repellent is not particularly limited, and those similar to those listed in the form (a) can be used, and the amount of the water repellent added is not particularly limited. Is about 5 to 80% by mass with respect to the total mass (in terms of solid content) of the components constituting the.
または、ガス拡散層に用いられる基材に、水電解活性を有する触媒を溶媒中に分散したスラリー(溶液)を塗布することによって、電解活性を有する触媒をガス拡散層中に配置してもよい。この際、ガス拡散層に用いられる基材上へのスラリーの塗布方法は、特に制限されず、スクリーン印刷法、沈積法、あるいはスプレー法などの公知の方法が同様にして適用できる。このような方法における、塗布部分、溶媒などは、特記しない限り、上記方法と同様である。 Alternatively, the catalyst having electrolysis activity may be disposed in the gas diffusion layer by applying a slurry (solution) in which a catalyst having water electrolysis activity is dispersed in a solvent to the base material used for the gas diffusion layer. . At this time, the method for applying the slurry onto the base material used for the gas diffusion layer is not particularly limited, and a known method such as a screen printing method, a deposition method, or a spray method can be similarly applied. Unless otherwise specified, the application part, the solvent, and the like in such a method are the same as those described above.
または、特に水電解活性を有する触媒を電子伝導性粒子と組合わせて使用する場合には、上記と同様、ガス拡散層中に、水電解活性を有する触媒を電子伝導性粒子上に担持させたものが配置されてもよい。これは、上記と同様の方法によって達成できる。例えば、硝酸イリジウムや塩化イリジウムの水溶液をイリジウム前駆体として用い、そこへ、還元剤、例えば、エタノール、メタノール、プロパノール、ギ酸、ホルムアルデヒド、アスコルビン酸、チオ硫酸ナトリウム、クエン酸等の還元剤及び電子伝導性粒子を混合して混合液を調製し、この混合液にガス拡散層に用いられる基材を上記したような温度及び時間浸漬した後、取り出し、これを約90℃で4時間加熱、乾燥することによって、少なくとも一部電子伝導性粒子上に担持したイリジウムをガス拡散層中に配置する溶液還元法を用いることができる。この際、さらに、含酸素雰囲気で150℃〜400℃の間で加熱処理をすることで、酸化イリジウムが電子伝導性粒子状に担持したものをガス拡散層中に配置することもできる。または、上記と同様にして作製された水電解活性を有する触媒を電子伝導性粒子上に担持させたもの;塩化イリジウム(IrCl4・H2O)、塩化イリジウム酸(H2IrCl6・6H2O)、及び樹脂酸イリジウムを、水、エタノール、ブタノール等の溶媒に溶解してイリジウム前駆体溶液を調製し、このイリジウム前駆体溶液を、電子伝導性粒子に塗布して、これを酸素雰囲気(例えば、酸素分圧が0.1〜0.5気圧の条件)下で、200〜800℃の温度で、5〜120分間の条件下で、加熱処理したもの;イリジウム錯体(例えば、Na2IrO4の水溶液中に、電子伝導性粒子を浸漬して、酸化イリジウム(IrO2)を電着したものなどを、前記スラリーを塗布する方法において、水電解活性を有する触媒として使用してもよい。 Or, in particular, when a catalyst having water electrolysis activity is used in combination with electron conductive particles, a catalyst having water electrolysis activity is supported on the electron conductive particles in the gas diffusion layer as described above. Things may be arranged. This can be achieved by a method similar to that described above. For example, an aqueous solution of iridium nitrate or iridium chloride is used as an iridium precursor, and a reducing agent such as ethanol, methanol, propanol, formic acid, formaldehyde, ascorbic acid, sodium thiosulfate, citric acid, or the like is used. The liquid particles are mixed to prepare a mixed solution, and the base material used for the gas diffusion layer is immersed in the mixed solution at the temperature and time as described above, then taken out and heated at about 90 ° C. for 4 hours and dried. Thus, it is possible to use a solution reduction method in which iridium supported at least partially on the electron conductive particles is disposed in the gas diffusion layer. At this time, by carrying out heat treatment between 150 ° C. and 400 ° C. in an oxygen-containing atmosphere, it is possible to dispose iridium oxide supported in the form of electron conductive particles in the gas diffusion layer. Alternatively, a catalyst having water electrolysis activity prepared in the same manner as described above is supported on electron conductive particles; iridium chloride (IrCl 4 · H 2 O), iridium chloride (H 2 IrCl 6 · 6H 2). O) and iridium resin acid are dissolved in a solvent such as water, ethanol, or butanol to prepare an iridium precursor solution. The iridium precursor solution is applied to electron conductive particles, and this is applied to an oxygen atmosphere ( For example, heat treatment under conditions of oxygen partial pressure of 0.1 to 0.5 atm and temperatures of 200 to 800 ° C. for 5 to 120 minutes; iridium complexes (for example, Na 2 IrO In the method of applying the slurry, an electrode obtained by immersing electron conductive particles in the aqueous solution 4 and electrodepositing iridium oxide (IrO 2 ) is used as a catalyst having water electrolysis activity. May be used.
上記(イ)の形態で用いられるガス拡散層に用いられる基材としては、従来公知のものであれば特に制限なく用いることができる。具体的には、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料;金属メッシュなどが挙げられる。より具体的には、カーボン布、カーボン紙(カーボンペーパー)、カーボンクロス、カーボン不織布、金属メッシュなどが好ましく使用でき、カーボン布、カーボン紙(カーボンペーパー)、カーボン不織布、金属メッシュがより好ましい。これらの材料は、高い電子電導性を有し、絶縁抵抗(IR)の増大に伴うセル性能の低下を有意に抑制・防止できる。また、ガス拡散層に用いられる基材は、市販品を用いることもでき、例えば、東レ株式会社製カーボンペーパーTGPシリーズ、E−TEK社製カーボンクロスなどが挙げられる。また、基材の厚みは、特に制限されず、フラッディング現象を十分抑制・防止できる厚みであればよい。具体的には、ガス拡散層に用いられる基材の厚さが、100〜500μm、より好ましくは150〜400μm、最も好ましくは200〜350μmであることが好ましい。このような厚みであれば、ガス拡散層の機械的強度及び排水性双方を十分確保できる。 As a base material used for the gas diffusion layer used in the form (a) above, any conventionally known base material can be used without particular limitation. Specifically, a sheet-like material having conductivity and porosity such as a carbon woven fabric, a paper-like paper body, a felt, and a non-woven fabric; a metal mesh, and the like can be given. More specifically, carbon cloth, carbon paper (carbon paper), carbon cloth, carbon non-woven fabric, and metal mesh can be preferably used, and carbon cloth, carbon paper (carbon paper), carbon non-woven fabric, and metal mesh are more preferable. These materials have high electronic conductivity, and can significantly suppress / prevent a decrease in cell performance accompanying an increase in insulation resistance (IR). Moreover, the base material used for a gas diffusion layer can also use a commercial item, for example, carbon paper TGP series by Toray Industries, Inc., carbon cloth by E-TEK, etc. are mentioned. The thickness of the substrate is not particularly limited as long as it can sufficiently suppress and prevent the flooding phenomenon. Specifically, the thickness of the substrate used for the gas diffusion layer is preferably 100 to 500 μm, more preferably 150 to 400 μm, and most preferably 200 to 350 μm. With such a thickness, both the mechanical strength and drainage of the gas diffusion layer can be sufficiently secured.
前記ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことを目的として、前記基材に撥水剤を含ませることが好ましい。前記撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、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)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。ガス拡散層に撥水剤を含有させる場合には、一般的な撥水処理方法を用いて行えばよい。例えば、撥水剤の分散水溶液またはアルコール分散溶液に、ガス拡散層に用いられる基材を浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させる方法などが挙げられる。乾燥時の排ガス処理の容易さからは、撥水剤の分散水溶液を用いるのが好ましい。 The gas diffusion layer preferably contains a water repellent in the base material for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon. Although it does not specifically limit as said water repellent, It is fluorine-type, such as a polytetrafluoroethylene (PTFE), a polyvinylidene fluoride (PVDF), a polyhexafluoropropylene, a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). Examples thereof include polymer materials, polypropylene, and polyethylene. When a water repellent is contained in the gas diffusion layer, a general water repellent treatment method may be used. For example, after immersing the base material used for a gas diffusion layer in the dispersion | distribution aqueous solution or alcohol dispersion solution of a water repellent, the method of heat-drying in oven etc. is mentioned. In view of ease of exhaust gas treatment during drying, it is preferable to use a dispersed aqueous solution of a water repellent.
本発明は、水電解活性を有する触媒をガス拡散層と触媒層との界面に配置することを特徴とする。この際、水電解活性を有する触媒は、水電解反応を誘導できるものであれば特に制限されないが、例えば、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、チタンから選ばれる金属単体;酸化イリジウム、酸化ロジウム、酸化ルテニウム、酸化チタンなどの、前記金属の酸化物;ならびにイリジウムとルテニウムとの合金などの前記金属を含む合金などが挙げられる。これらのうち、イリジウム、ロジウム、ルテニウム及びチタンから選ばれる金属、前記金属の酸化物ならびに前記金属を含む合金が好ましい。イリジウム、ロジウム、ルテニウム、チタンは、白金等の他の金属に比して水電解活性が高いため、フラッディング現象を有効に抑制できるガス拡散層を提供することができるからである。また、上記金属形態として種々ある化合物の中でも、金属単体、合金及び酸化物の形態は、他の形態に比して水電解活性が高いため、このような形態の上記金属を水電解活性を有する触媒として使用することにより、フラッディング現象を抑制できるガス拡散層を提供することができる。より具体的には、イリジウム、ルテニウム、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、イリジウムとルテニウムとの合金がより好ましく、酸化イリジウム、イリジウム、ルテニウム、酸化ルテニウムが特に好ましい。 The present invention is characterized in that a catalyst having water electrolysis activity is disposed at the interface between the gas diffusion layer and the catalyst layer. In this case, the catalyst having water electrolysis activity is not particularly limited as long as it can induce a water electrolysis reaction. For example, a simple metal selected from iridium, rhodium, ruthenium, and titanium; iridium oxide, rhodium oxide, ruthenium oxide, Examples thereof include oxides of the metal such as titanium oxide; and alloys containing the metal such as an alloy of iridium and ruthenium. Among these, a metal selected from iridium, rhodium, ruthenium and titanium, an oxide of the metal, and an alloy containing the metal are preferable. This is because iridium, rhodium, ruthenium, and titanium have a higher water electrolysis activity than other metals such as platinum, and therefore can provide a gas diffusion layer that can effectively suppress the flooding phenomenon. In addition, among the compounds having various metal forms, the simple metal, alloy, and oxide forms have higher water electrolysis activity than other forms, and thus the metal in such form has water electrolysis activity. By using it as a catalyst, a gas diffusion layer capable of suppressing the flooding phenomenon can be provided. More specifically, iridium, ruthenium, iridium oxide, ruthenium oxide, an alloy of iridium and ruthenium is more preferable, and iridium oxide, iridium, ruthenium, and ruthenium oxide are particularly preferable.
水電解活性を有する触媒の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒と同様の形状及び大きさが使用できる。例えば、水電解活性を有する触媒は、略粒状や楕円状なども包含する。この際、粒状である場合の水電解活性を有する触媒の平均粒子径は、特に制限されないが、平均粒子径が1〜10nm、より好ましくは3〜5nmの粒状であることが好ましい。このような範囲であれば、水電解活性を有する触媒は、十分な水電解活性を発揮でき、触媒層中で生成した水を効率よく電解できる。なお、本発明における「水電解活性を有する触媒の平均粒子径」は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径あるいは透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値により測定することができる。 The shape and size of the catalyst having water electrolysis activity are not particularly limited, and the same shape and size as known catalysts can be used. For example, the catalyst having water electrolysis activity includes substantially granular and elliptical shapes. In this case, the average particle diameter of the catalyst having water electrolysis activity in the case of granular is not particularly limited, but the average particle diameter is preferably 1 to 10 nm, more preferably 3 to 5 nm. If it is such a range, the catalyst which has water electrolysis activity can exhibit sufficient water electrolysis activity, and can electrolyze the water produced | generated in the catalyst layer efficiently. The “average particle size of the catalyst having water electrolysis activity” in the present invention is the particle size of the catalyst component determined from the crystallite size or transmission electron microscope image obtained from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction It can be measured by the average value of the diameters.
上述したように、本発明は、水電解活性を有する触媒をガス拡散層と触媒層との界面に配置することを特徴とするものであり、触媒層などそれ以外については、公知のものが同様にして使用される。以下、本発明のガス拡散電極の好ましい形成方法について述べるが、本発明は、下記方法に限定されるものではない。 As described above, the present invention is characterized in that a catalyst having water electrolysis activity is disposed at the interface between the gas diffusion layer and the catalyst layer. Used. Hereinafter, although the preferable formation method of the gas diffusion electrode of this invention is described, this invention is not limited to the following method.
本発明において、カソード触媒層に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、アノード触媒層に用いられる触媒成分もまた、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、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、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金が30〜90原子%、合金化する金属が10〜70原子%とするのがよい。カソード触媒をして合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者が適宜選択できるが、白金が30〜90原子%、合金化する他の金属が10〜70原子%とすることが好ましい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、カソード触媒層に用いられる触媒成分及びアノード触媒層に用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択できる。以下の説明では、特記しない限り、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒成分についての説明は、両者について同様の定義であり、一括して、「触媒成分」と称する。しかしながら、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択される。 In the present invention, the catalyst component used in the cathode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxygen reduction reaction, and known catalysts can be used in the same manner. Further, the catalyst component used in the anode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxidation reaction of hydrogen, and a known catalyst can be used in the same manner. Specifically, it is selected from platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum and the like, and alloys thereof. Is done. Among these, those containing at least platinum are preferably used in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance, and the like. The composition of the alloy is preferably 30 to 90 atomic% for platinum and 10 to 70 atomic% for the metal to be alloyed, depending on the type of metal to be alloyed. The composition of the alloy when the alloy is used as a cathode catalyst varies depending on the type of metal to be alloyed and can be appropriately selected by those skilled in the art, but platinum is 30 to 90 atomic%, and other metals to be alloyed are 10 It is preferable to set it to -70 atomic%. In general, an alloy is a generic term for a metal element having one or more metal elements or non-metal elements added and having metallic properties. The alloy structure consists of a eutectic alloy, which is a mixture of the component elements as separate crystals, a component element completely melted into a solid solution, and a component element composed of an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. There is what is formed, and any may be used in the present application. At this time, the catalyst component used for the cathode catalyst layer and the catalyst component used for the anode catalyst layer can be appropriately selected from the above. In the following description, unless otherwise specified, the description of the catalyst component for the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer has the same definition for both, and is collectively referred to as “catalyst component”. However, the catalyst components for the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer do not need to be the same, and are appropriately selected so as to exhibit the desired action as described above.
触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状及び大きさが使用できるが、触媒成分は、粒状であることが好ましい。この際、触媒インクに用いられる触媒粒子の平均粒子径は、小さいほど電気化学反応が進行する有効電極面積が増加するため酸素還元活性も高くなり好ましいが、実際には平均粒子径が小さすぎると却って酸素還元活性が低下する現象が見られる。従って、触媒インクに含まれる触媒粒子の平均粒子径は、1〜30nm、より好ましくは1.5〜20nm、さらにより好ましくは2〜10nm、特に好ましくは2〜5nmの粒状であることが好ましい。担持の容易さという観点から1nm以上であることが好ましく、触媒利用率の観点から30nm以下であることが好ましい。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒子径」は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径あるいは透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値により測定することができる。 The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be used, but the catalyst component is preferably granular. At this time, the smaller the average particle diameter of the catalyst particles used in the catalyst ink, the higher the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds, which is preferable because the oxygen reduction activity is also high, but in practice the average particle diameter is too small. On the other hand, a phenomenon in which the oxygen reduction activity decreases is observed. Therefore, the average particle diameter of the catalyst particles contained in the catalyst ink is preferably 1 to 30 nm, more preferably 1.5 to 20 nm, still more preferably 2 to 10 nm, and particularly preferably 2 to 5 nm. It is preferably 1 nm or more from the viewpoint of easy loading, and preferably 30 nm or less from the viewpoint of catalyst utilization. The “average particle diameter of the catalyst particles” in the present invention is the average value of the particle diameter of the catalyst component determined from the crystallite diameter or transmission electron microscopic image obtained from the half width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction. Can be measured.
本発明において、上述した触媒粒子は導電性担体に担持された電極触媒として触媒インクに含まれる。 In the present invention, the catalyst particles described above are included in the catalyst ink as an electrode catalyst supported on a conductive carrier.
前記導電性担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、本発明において「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。 The conductive carrier may have any specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. The main component is carbon. Preferably there is. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. In the present invention, “the main component is carbon” refers to containing a carbon atom as a main component, and is a concept including both a carbon atom only and a substantially carbon atom. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by mass or less is allowed.
前記導電性担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに十分な比表面積であればよいが、好ましくは20〜1600m2/g、より好ましくは80〜1200m2/gとするのがよい。前記比表面積が上記範囲であると、前記導電性担体への触媒成分および高分子電解質の分散性が良好であり、十分な発電性能が得られ、また、十分な触媒成分および高分子電解質の有効利用率が達成できる。 The BET specific surface area of the conductive carrier may be a specific surface area sufficient to carry the catalyst component in a highly dispersed state, but is preferably 20 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to 1200 m 2 / g. Is good. When the specific surface area is in the above range, the dispersibility of the catalyst component and the polymer electrolyte in the conductive support is good, sufficient power generation performance is obtained, and sufficient catalyst component and polymer electrolyte are effective. Utilization rate can be achieved.
また、前記導電性担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径が5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするのがよい。 Further, the size of the conductive carrier is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the ease of loading, the catalyst utilization, and the thickness of the electrode catalyst layer within an appropriate range, the average particle size is 5 to 200 nm. The thickness is preferably about 10 to 100 nm.
前記導電性担体に触媒成分が担持された電極触媒において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは10〜80質量%、より好ましくは30〜70質量%とするのがよい。前記担持量が上記範囲であると、触媒成分の導電性担体上での高い分散性、優れた発電性能の向上、及び単位質量あたりの満足できる触媒活性が得られる。なお、触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって調べることができる。 In the electrode catalyst in which the catalyst component is supported on the conductive support, the supported amount of the catalyst component is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 30 to 70% by mass with respect to the total amount of the electrode catalyst. Good. When the supported amount is in the above range, high dispersibility of the catalyst component on the conductive support, improvement in excellent power generation performance, and satisfactory catalytic activity per unit mass can be obtained. The amount of the catalyst component supported can be examined by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).
本発明のカソード触媒層/アノード触媒層(以下、単に「触媒層」とも称する)には、電極触媒の他に、高分子電解質が含まれる。前記高分子電解質としては、特に限定されず公知のものを用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であればよい。この際使用できる高分子電解質は、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。 The cathode catalyst layer / anode catalyst layer (hereinafter also simply referred to as “catalyst layer”) of the present invention contains a polymer electrolyte in addition to the electrode catalyst. The polymer electrolyte is not particularly limited, and a known one can be used, but any member having at least high proton conductivity may be used. The polymer electrolyte that can be used in this case is roughly classified into a fluorine-based electrolyte that contains fluorine atoms in the whole or a part of the polymer skeleton and a hydrocarbon-based electrolyte that does not contain fluorine atoms in the polymer skeleton.
前記フッ素系電解質として、具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。 Specific examples of the fluorine electrolyte include perfluorocarbon sulfonic acids such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene A preferred example is a fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer.
前記炭化水素系電解質として、具体的には、ポリスルホンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸等が好適な一例として挙げられる。 Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include polysulfone sulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl phosphonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyether ether ketone sulfonic acid, polyphenyl. A suitable example is sulfonic acid.
高分子電解質は、耐熱性、化学的安定性などに優れることから、フッ素原子を含むのが好ましく、なかでも、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。 The polymer electrolyte preferably contains a fluorine atom because of its excellent heat resistance and chemical stability. Among them, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) Fluorine electrolytes such as Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) are preferred.
また、導電性担体への触媒成分の担持は公知の方法で行うことができる。例えば、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法が使用できる。または、電極触媒は、市販品を用いてもよい。 The catalyst component can be supported on the conductive carrier by a known method. For example, known methods such as impregnation method, liquid phase reduction support method, evaporation to dryness method, colloid adsorption method, spray pyrolysis method, reverse micelle (microemulsion method) can be used. Alternatively, a commercially available electrode catalyst may be used.
本発明の方法では、上記したような電極触媒、高分子電解質及び溶剤からなる触媒インクを、ガス拡散層上に形成された水電解活性を有する触媒を有する層表面、または水電解活性を有する触媒が予め所定の位置に配置されたガス拡散層表面(この際、触媒層は水電解活性を有する触媒が配置される側に形成される)に塗布することによって、触媒層が形成される。この際、溶剤としては、特に制限されず、触媒層を形成するのに使用される通常の溶剤が同様にして使用できる。具体的には、水、シクロヘキサノールやエタノールや2−プロパノール等の低級アルコールが使用できる。また、溶剤の使用量もまた、特に制限されず公知と同様の量が使用できるが、触媒インクにおいて、電極触媒は、所望の作用、即ち、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)を触媒する作用を十分発揮できる量であればいずれの量で、使用されてもよい。電極触媒が、触媒インク中、5〜30質量%、より好ましくは9〜20質量%となるような量で存在することが好ましい。 In the method of the present invention, the catalyst ink comprising the electrode catalyst, the polymer electrolyte and the solvent as described above is applied to the surface of the layer having a catalyst having water electrolysis activity formed on the gas diffusion layer, or the catalyst having water electrolysis activity. Is applied to the surface of the gas diffusion layer previously disposed at a predetermined position (in this case, the catalyst layer is formed on the side where the catalyst having water electrolysis activity is disposed), whereby the catalyst layer is formed. In this case, the solvent is not particularly limited, and usual solvents used for forming the catalyst layer can be used in the same manner. Specifically, water, lower alcohols such as cyclohexanol, ethanol and 2-propanol can be used. Also, the amount of solvent used is not particularly limited, and the same amount as known can be used. In the catalyst ink, the electrode catalyst has a desired action, that is, hydrogen oxidation reaction (anode side) and oxygen reduction reaction. Any amount may be used as long as it can sufficiently exert the action of catalyzing (cathode side). It is preferable that the electrode catalyst is present in the catalyst ink in an amount of 5 to 30% by mass, more preferably 9 to 20% by mass.
本発明の触媒インクは、増粘剤を含んでもよい。増粘剤の使用は、触媒インクが転写用台紙上にうまく塗布できない場合などに有効である。この際使用できる増粘剤は、特に制限されず、公知の増粘剤が使用できるが、例えば、グリセリン、エチレングリコール(EG)、ポリビニルアルコール(PVA)、プロピレングリコール(PG)などが挙げられる。増粘剤を使用する際の、増粘剤の添加量は、本発明の上記効果を妨げない程度の量であれば特に制限されないが、触媒インクの全質量に対して、好ましくは5〜20質量%である。 The catalyst ink of the present invention may contain a thickener. The use of a thickener is effective when the catalyst ink cannot be successfully applied onto a transfer mount. The thickener that can be used in this case is not particularly limited, and a known thickener can be used. Examples thereof include glycerin, ethylene glycol (EG), polyvinyl alcohol (PVA), and propylene glycol (PG). The amount of the thickener added when the thickener is used is not particularly limited as long as it does not interfere with the above effect of the present invention, but is preferably 5 to 20 with respect to the total mass of the catalyst ink. % By mass.
本発明の触媒インクは、電極触媒、電解質及び溶剤、ならびに必要であれば撥水性高分子および/または増粘剤、が適宜混合されたものであればその調製方法は特に制限されない。例えば、電解質を極性溶媒に添加し、この混合液を加熱・攪拌して、電解質を極性溶媒に溶解した後、これに電極触媒を添加することによって、触媒インクが調製できる。または、電解質を、溶剤中に一旦分散/懸濁された後、上記分散/懸濁液を電極触媒と混合して、触媒インクを調製してもよい。また、電解質が予め上記他の溶媒中に調製されている市販の電解質溶液(例えば、デュポン製のナフィオン溶液:1−プロパノール中に5wt%の濃度でナフィオンが分散/懸濁したもの)をそのまま上記方法に使用してもよい。 The catalyst ink of the present invention is not particularly limited in its preparation method as long as an electrode catalyst, an electrolyte and a solvent, and if necessary, a water-repellent polymer and / or a thickener are appropriately mixed. For example, a catalyst ink can be prepared by adding an electrolyte to a polar solvent, heating and stirring the mixed solution to dissolve the electrolyte in the polar solvent, and then adding an electrode catalyst thereto. Alternatively, after the electrolyte is once dispersed / suspended in a solvent, the dispersion / suspension may be mixed with an electrode catalyst to prepare a catalyst ink. In addition, a commercially available electrolyte solution (for example, DuPont Nafion solution: Nafion dispersed / suspended at a concentration of 5 wt% in 1-propanol) in which the electrolyte has been prepared in the above-mentioned other solvent in advance is used as it is. May be used in the method.
上記したような高分子電解質及び溶剤からなる触媒インクを、ガス拡散層上に形成された水電解活性を有する触媒を有する層表面、または水電解活性を有する触媒が予め所定の位置に配置されたガス拡散層表面(この際、触媒層は水電解活性を有する触媒が配置される側に形成される)上に、塗布して、各触媒層が形成される。この際、高分子電解質膜上へのカソード/アノード触媒層の形成条件は、特に制限されず、公知の方法が同様にしてあるいは適宜修飾を加えて使用できる。例えば、触媒インクを高分子電解質膜上に、乾燥後の厚みが5〜20μmになるように、塗布し、真空乾燥機内にてまたは減圧下で、25〜150℃、より好ましくは60〜120℃で、5〜30分間、より好ましくは10〜20分間、乾燥する。なお、上記工程において、触媒層の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで、上記塗布・乾燥工程を繰り返す。 The catalyst ink composed of the polymer electrolyte and the solvent as described above is formed on the surface of the layer having a catalyst having water electrolysis activity formed on the gas diffusion layer, or the catalyst having water electrolysis activity is previously disposed at a predetermined position. Each catalyst layer is formed by coating on the surface of the gas diffusion layer (in this case, the catalyst layer is formed on the side where the catalyst having water electrolysis activity is disposed). At this time, the conditions for forming the cathode / anode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane are not particularly limited, and can be used in the same manner as known methods or appropriately modified. For example, the catalyst ink is applied onto the polymer electrolyte membrane so that the thickness after drying is 5 to 20 μm, and is 25 to 150 ° C., more preferably 60 to 120 ° C. in a vacuum dryer or under reduced pressure. And drying for 5 to 30 minutes, more preferably for 10 to 20 minutes. In addition, in the said process, when the thickness of a catalyst layer is not enough, the said application | coating and drying process is repeated until it becomes desired thickness.
このようにして得られた本発明のガス拡散電極は、触媒層とガス拡散層との界面に水電解活性を有する触媒が配置されてなる構造を有する。このため、水電解活性を有する触媒が界面付近で水電解反応を触媒するため、触媒層から水をひきつけ易く、それによって水蒸気の濃度勾配が触媒層からガス拡散層にかけて形成される。このような勾配により、水分が多く存在する触媒層から水分の少ないガス拡散層へと水分が移動し、このような水分の移動により、触媒層、特に従来問題となっているカソード側電極触媒層内での水の滞留が起こらないまたは起こりにくくなる。ゆえに、本発明のガス拡散電極は、触媒層、特にカソード側電極触媒層内の反応ガス供給路となっていた細孔を閉塞するフラッディング現象、特に高電流密度におけるフラッディング現象;さらにはカーボン腐食、特にカソード側の電極触媒層内のカーボンの腐食をも有効に抑制・防止することができる。したがって、本発明のガス拡散電極は、電解質膜−電極接合体、特に燃料電池用の電解質膜−電極接合体に好適に使用できる。 The gas diffusion electrode of the present invention thus obtained has a structure in which a catalyst having water electrolysis activity is disposed at the interface between the catalyst layer and the gas diffusion layer. For this reason, since the catalyst having water electrolysis activity catalyzes the water electrolysis reaction in the vicinity of the interface, it is easy to attract water from the catalyst layer, thereby forming a water vapor concentration gradient from the catalyst layer to the gas diffusion layer. Due to such a gradient, the moisture moves from the catalyst layer having a large amount of moisture to the gas diffusion layer having a small amount of moisture, and the movement of such moisture causes the catalyst layer, particularly the cathode-side electrode catalyst layer which has been a problem in the past. Water retention does not occur or is difficult to occur. Therefore, the gas diffusion electrode of the present invention has a flooding phenomenon that clogs pores that have been a reaction gas supply path in the catalyst layer, particularly the cathode side electrode catalyst layer, particularly a flooding phenomenon at a high current density; Particularly, corrosion of carbon in the electrode catalyst layer on the cathode side can be effectively suppressed / prevented. Therefore, the gas diffusion electrode of the present invention can be suitably used for an electrolyte membrane-electrode assembly, particularly an electrolyte membrane-electrode assembly for a fuel cell.
したがって、本発明の第二は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の側に配置されたカソード側ガス拡散電極と、前記電解質膜の他方の側に配置されたアノード側ガス拡散電極とを有する電解質膜−電極接合体であって、カソード側ガス拡散電極およびアノード側ガス拡散電極の少なくとも一方が本発明のガス拡散電極である、電解質膜−電極接合体に関するものである。上記したように、本発明は、特にカソード側で生じるフラッディング現象及びカーボン腐食の問題を解消することを意図したものである。このため、少なくともカソード側ガス拡散電極に本発明のガス拡散電極を使用することが好ましく、より好ましくはカソード及びアノード側双方のガス拡散電極に本発明のガス拡散電極を使用する。 Accordingly, the second aspect of the present invention includes an electrolyte membrane, a cathode side gas diffusion electrode disposed on one side of the electrolyte membrane, and an anode side gas diffusion electrode disposed on the other side of the electrolyte membrane. The present invention relates to an electrolyte membrane-electrode assembly, wherein at least one of a cathode side gas diffusion electrode and an anode side gas diffusion electrode is the gas diffusion electrode of the present invention. As described above, the present invention intends to solve the problem of flooding phenomenon and carbon corrosion particularly occurring on the cathode side. For this reason, it is preferable to use the gas diffusion electrode of the present invention at least for the cathode side gas diffusion electrode, and more preferably, the gas diffusion electrode of the present invention is used for both the cathode and anode side gas diffusion electrodes.
本発明の電解質膜−電極接合体は、上記本発明の第一のガス拡散電極をカソード側及びアノード側ガス拡散電極の少なくとも一方に使用するものであり、それ以外については、従来と同様の部材、製造方法などが適用できる。以下、本発明の電解質膜−電極接合体(MEA)の好ましい実施形態を説明する。しかしながら、本発明は、下記実施形態に限定されるものではない。また、下記実施形態は、アノード及びカソード双方のガス拡散電極が本発明のガス拡散電極である形態であるが、いずれか一方のガス拡散電極に一般的なガス拡散層を使用してもよく、この場合には公知のガス拡散層及びその形成方法が同様にして適用される。 The electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention uses the first gas diffusion electrode of the present invention as at least one of the cathode side and anode side gas diffusion electrodes, and the other members are the same as in the conventional case. A manufacturing method can be applied. Hereinafter, preferred embodiments of the electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention will be described. However, the present invention is not limited to the following embodiment. In the following embodiment, the gas diffusion electrodes of both the anode and the cathode are the gas diffusion electrodes of the present invention, but a general gas diffusion layer may be used for any one of the gas diffusion electrodes, In this case, a known gas diffusion layer and its formation method are applied in the same manner.
本発明のガス拡散電極で電解質膜を挟持して積層体を形成し、この積層体についてホットプレスを行なうことにより、本発明のMEAが得られる。この際、ホットプレス条件は、電極触媒層及び電解質膜が十分密接に接合できる条件であれば特に制限されないが、100〜200℃、より好ましくは110〜170℃で、電極面に対して1〜5MPaのプレス圧力で行なうのが好ましい。これにより電解質膜と電極触媒層との接合性を高めることができる。 The MEA of the present invention can be obtained by forming a laminate by sandwiching the electrolyte membrane with the gas diffusion electrode of the present invention and performing hot pressing on the laminate. At this time, the hot press conditions are not particularly limited as long as the electrode catalyst layer and the electrolyte membrane can be sufficiently closely joined, but are 100 to 200 ° C., more preferably 110 to 170 ° C. It is preferable to carry out at a press pressure of 5 MPa. Thereby, the bondability between the electrolyte membrane and the electrode catalyst layer can be enhanced.
本発明のMEAに用いられる電解質膜としては、特に限定されず、触媒層に用いたものと同様の高分子電解質からなる膜が挙げられる。また、デュポン社製の各種のナフィオン(デュポン社登録商標)やフレミオンに代表されるパーフルオロスルホン酸膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜など、一般的に市販されている固体高分子型電解質膜、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。前記高分子電解質膜に用いられる高分子電解質と、各電極触媒層に用いられる高分子電解質とは、同じであっても異なっていてもよいが、各電極触媒層と高分子電解質膜との密着性を向上させる観点から、同じものを用いるのが好ましい。 The electrolyte membrane used for the MEA of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a membrane made of the same polymer electrolyte as that used for the catalyst layer. In addition, various Nafion (registered trademark of DuPont) manufactured by DuPont and perfluorosulfonic acid membranes represented by Flemion, ion exchange resins manufactured by Dow Chemical, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer resin membrane, trifluoro Fluoropolymer electrolytes such as resin membranes based on styrene, hydrocarbon resin membranes with sulfonic acid groups, and other commonly available solid polymer electrolyte membranes and polymer microporous membranes A membrane impregnated with a liquid electrolyte, a membrane in which a porous body is filled with a polymer electrolyte, or the like may be used. The polymer electrolyte used for the polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte used for each electrode catalyst layer may be the same or different, but the adhesion between each electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane From the viewpoint of improving the properties, it is preferable to use the same one.
本発明のMEAに用いられる電解質膜の厚みとしては、得られるMEAの特性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは5〜300μm、より好ましくは10〜200μm、特に好ましくは15〜100μmである。製膜時の強度やMEA作動時の耐久性の観点から5μm以上であることが好ましく、MEA作動時の出力特性の観点から300μm以下であることが好ましい。 The thickness of the electrolyte membrane used in the MEA of the present invention may be appropriately determined in consideration of the properties of the obtained MEA, but is preferably 5 to 300 μm, more preferably 10 to 200 μm, and particularly preferably 15 to 100 μm. is there. From the viewpoint of strength during film formation and durability during MEA operation, it is preferably 5 μm or more, and from the viewpoint of output characteristics during MEA operation, it is preferably 300 μm or less.
また、上記電解質膜としては、上記したようなフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂による膜に加えて、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などから形成された多孔質状の薄膜に、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸したものを使用してもよい。 Further, as the electrolyte membrane, in addition to the above-described fluorine-based polymer electrolyte and a membrane made of a hydrocarbon resin having a sulfonic acid group, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), etc. You may use what formed the porous thin film impregnated with electrolyte components, such as phosphoric acid and an ionic liquid.
なお、上記では、本発明のMEAを、転写法によって製造する方法について述べたが、まず、電解質膜に触媒層を形成した後、これを上記したようにして形成されたガス拡散層上に形成された水電解活性を有する触媒を有する層を形成し、さらに当該水電解活性を有する触媒を有する触媒を有する層上にガス拡散層を形成する方法;または電解質膜に触媒層を形成した後、これに、水電解活性を有する触媒が予め所定の位置に配置されたガス拡散層を、触媒層と水電解活性を有する触媒が配置される側とが合わさるように、積層して、これをホットプレスなどにより接合して、本発明のMEAを製造してもよい。この際、電解質膜に触媒層を形成する方法は、特に制限されず、公知の方法が適用できる。具体的には、(A)上記したような触媒インクを電解質膜上に塗布して、カソード及びアノード用触媒層をそれぞれ形成する方法;(B)上記で調製したような触媒インクを転写用台紙上に塗布・乾燥して、カソード及びアノード用触媒層をそれぞれ形成し、これらの触媒層で電解質膜を挟持した後、この積層体についてホットプレスを行なう方法が好ましく使用できる。上記(A)の方法において、電解質膜上へのカソード/アノード触媒層の形成条件は、特に制限されず、公知の方法が同様にしてあるいは適宜修飾を加えて使用できる。例えば、触媒インクを高分子電解質膜上に、乾燥後の厚みが5〜20μmになるように、塗布し、真空乾燥機内にてまたは減圧下で、25〜150℃、より好ましくは60〜120℃で、5〜30分間、より好ましくは10〜20分間、乾燥する。なお、上記工程において、触媒層の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで、上記塗布・乾燥工程を繰り返す。また、上記(B)の方法において、転写用台紙としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)シート、PET(ポリエチレンテレフタレート)シート等の、ポリエステルシートなどの公知のシートが使用できる。なお、転写用台紙は、使用する触媒インク(特にインク中のカーボン等の導電性担体)の種類に応じて適宜選択される。また、上記工程において、電極触媒層の厚みは、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)の触媒作用が十分発揮できる厚みであれば特に制限されず、従来と同様の厚みが使用できる。具体的には、電極触媒層の厚みは、1〜30μm、より好ましくは1〜20μmである。また、転写用台紙上への触媒インクの塗布方法は、特に制限されず、スクリーン印刷法、沈積法、あるいはスプレー法などの公知の方法が同様にして適用できる。また、塗布された電極触媒層の乾燥条件もまた、電極触媒層から極性溶媒を完全に除去できる条件であれば特に制限されない。具体的には、触媒インクの塗布層(電極触媒層)を真空乾燥機内にて、室温〜100℃、より好ましくは50〜80℃で、30〜60分間、乾燥する。この際、触媒層の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで、上記塗布・乾燥工程を繰り返す。次に、触媒層で電解質膜を挟持した後、この積層体についてホットプレスを行なう条件は、触媒層及び電解質膜が十分密接に接合できる条件であれば特に制限されないが、100〜200℃、より好ましくは110〜170℃で、電極面に対して1〜5MPaのプレス圧力で行なうのが好ましい。これにより高分子電解質膜と電極触媒層との接合性を高めることができる。ホットプレスを行なった後、転写用台紙を剥がすことにより、電極触媒層と高分子電解質膜とからなるMEAを得ることができる。 In the above, the method for manufacturing the MEA of the present invention by the transfer method has been described. First, after forming a catalyst layer on the electrolyte membrane, this is formed on the gas diffusion layer formed as described above. Forming a layer having a catalyst having a water electrolysis activity and further forming a gas diffusion layer on the layer having a catalyst having the catalyst having the water electrolysis activity; or after forming the catalyst layer on the electrolyte membrane, A gas diffusion layer in which a catalyst having water electrolysis activity is previously placed in a predetermined position is laminated so that the catalyst layer and the side on which the catalyst having water electrolysis activity is placed are combined, and this is heated. The MEA of the present invention may be manufactured by bonding with a press or the like. At this time, the method for forming the catalyst layer on the electrolyte membrane is not particularly limited, and a known method can be applied. Specifically, (A) a method of applying the catalyst ink as described above on the electrolyte membrane to form a cathode and an anode catalyst layer, respectively; (B) a transfer mount of the catalyst ink as prepared above. It is preferable to use a method in which a cathode and an anode catalyst layer are respectively formed by coating and drying, and an electrolyte membrane is sandwiched between these catalyst layers, followed by hot pressing of this laminate. In the above method (A), the conditions for forming the cathode / anode catalyst layer on the electrolyte membrane are not particularly limited, and known methods can be used in the same manner or with appropriate modifications. For example, the catalyst ink is applied onto the polymer electrolyte membrane so that the thickness after drying is 5 to 20 μm, and is 25 to 150 ° C., more preferably 60 to 120 ° C. in a vacuum dryer or under reduced pressure. And drying for 5 to 30 minutes, more preferably for 10 to 20 minutes. In addition, in the said process, when the thickness of a catalyst layer is not enough, the said application | coating and drying process is repeated until it becomes desired thickness. In the method (B), a known sheet such as a polyester sheet such as a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet or a PET (polyethylene terephthalate) sheet can be used as the transfer mount. The transfer mount is appropriately selected according to the type of catalyst ink to be used (particularly, a conductive carrier such as carbon in the ink). In the above process, the thickness of the electrode catalyst layer is not particularly limited as long as it can sufficiently exhibit the catalytic action of the hydrogen oxidation reaction (anode side) and the oxygen reduction reaction (cathode side). Thickness can be used. Specifically, the thickness of the electrode catalyst layer is 1 to 30 μm, more preferably 1 to 20 μm. The method for applying the catalyst ink onto the transfer mount is not particularly limited, and a known method such as a screen printing method, a deposition method, or a spray method can be similarly applied. Also, the drying conditions of the applied electrode catalyst layer are not particularly limited as long as the polar solvent can be completely removed from the electrode catalyst layer. Specifically, the catalyst ink coating layer (electrode catalyst layer) is dried in a vacuum dryer at room temperature to 100 ° C., more preferably 50 to 80 ° C., for 30 to 60 minutes. At this time, if the thickness of the catalyst layer is not sufficient, the coating and drying process is repeated until a desired thickness is obtained. Next, after sandwiching the electrolyte membrane between the catalyst layers, the conditions for hot pressing the laminate are not particularly limited as long as the catalyst layer and the electrolyte membrane can be joined sufficiently closely, but the temperature is 100 to 200 ° C. It is preferably performed at 110 to 170 ° C. and a pressing pressure of 1 to 5 MPa with respect to the electrode surface. Thereby, the bondability between the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer can be enhanced. After performing the hot press, the MEA composed of the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane can be obtained by removing the transfer mount.
本発明の電解質膜−電極接合体は、上述した通り、触媒層、特にカソード側電極触媒層内の反応ガス供給路となっていた細孔を閉塞するフラッディング現象、特に高電流密度におけるフラッディング現象;さらにはカーボン腐食、特にカソード側の電極触媒層内のカーボンの腐食をも有効に抑制・防止することができる。かような電解質膜−電極接合体を用いることにより、耐久性にも優れる信頼性の高い燃料電池を提供することができる。したがって、本発明の第三は、本発明の電解質膜−電極接合体を用いてなる燃料電池に関するものである。本発明の燃料電池は、カーボン腐食を抑制しつつ、通常運転時に排水性能が高く、触媒層がフラッディング現象を起こさない。 As described above, the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention has a flooding phenomenon that clogs pores that have become reaction gas supply paths in the catalyst layer, particularly the cathode-side electrode catalyst layer, particularly a flooding phenomenon at a high current density; Furthermore, carbon corrosion, particularly corrosion of carbon in the electrode catalyst layer on the cathode side, can be effectively suppressed / prevented. By using such an electrolyte membrane-electrode assembly, a highly reliable fuel cell having excellent durability can be provided. Accordingly, a third aspect of the present invention relates to a fuel cell using the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention. The fuel cell of the present invention has high drainage performance during normal operation while suppressing carbon corrosion, and the catalyst layer does not cause flooding.
なお、本発明の燃料電池では、本発明のガス拡散電極中で水電解反応により酸素、オゾンおよび過酸化水素が生成するが、これらの酸素、オゾンおよび過酸化水素は、ガス拡散層及び触媒層中の高分子電解質を劣化させるおそれがある。このため、本発明の燃料電池では、起動中、特に起動直後に、瞬間的に供給ガスを過剰供給して、酸素、オゾンおよび過酸化水素をパージして除去することが好ましい。これにより、触媒層およびガス拡散層が上記好ましくない副生成ガス(酸素、オゾンおよび過酸化水素)による悪影響を受けることを有効に抑制・防止できる。 In the fuel cell of the present invention, oxygen, ozone and hydrogen peroxide are produced by the water electrolysis reaction in the gas diffusion electrode of the present invention. These oxygen, ozone and hydrogen peroxide are gas diffusion layer and catalyst layer. There is a possibility of deteriorating the polymer electrolyte inside. For this reason, in the fuel cell of the present invention, it is preferable to instantaneously excessively supply the supply gas during startup, particularly immediately after startup, and purge and remove oxygen, ozone and hydrogen peroxide. Thereby, it is possible to effectively suppress and prevent the catalyst layer and the gas diffusion layer from being adversely affected by the above-mentioned undesirable by-product gases (oxygen, ozone and hydrogen peroxide).
前記燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では高分子電解質型燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、リン酸型燃料電池に代表される酸型電解質の燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、高分子電解質型燃料電池が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用であるが、特にシステムの起動/停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途で特に好適に使用できる。 The type of the fuel cell is not particularly limited. In the above description, the polymer electrolyte fuel cell has been described as an example, but in addition to this, a representative example is an alkaline fuel cell and a phosphoric acid fuel cell. Examples thereof include an acid electrolyte fuel cell, a direct methanol fuel cell, and a micro fuel cell. Among them, a polymer electrolyte fuel cell is preferable because it is small in size, and can achieve high density and high output. The fuel cell is useful as a stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. However, the fuel cell is particularly useful for an automobile application in which system start / stop and output fluctuation frequently occur. It can be particularly preferably used.
前記高分子電解質型燃料電池は、定置用電源の他、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求されることによるカーボン担体の腐食、および、運転時に高い出力電圧が取り出されることにより高分子電解質の劣化が生じやすい自動車などの移動体用電源として用いられるのが特に好ましい。 The polymer electrolyte fuel cell is useful not only as a stationary power source but also as a power source for a moving body such as an automobile having a limited mounting space. In particular, moving bodies such as automobiles that are susceptible to corrosion of the carbon support due to the high output voltage required after a relatively long shutdown, and deterioration of the polymer electrolyte due to the high output voltage being taken out during operation. It is particularly preferred to be used as a power source.
前記燃料電池の構成としては、特に限定されず、従来公知の技術を適宜利用すればよいが、一般的にはMEAをセパレータで挟持した構造を有する。 The configuration of the fuel cell is not particularly limited, and a conventionally known technique may be used as appropriate. Generally, the fuel cell has a structure in which an MEA is sandwiched between separators.
前記セパレータとしては、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、従来公知のものであれば制限なく用いることができる。セパレータは、空気と燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、それらの流路を確保するための流路溝が形成されてもよい。セパレータの厚さや大きさ、流路溝の形状などについては、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。 The separator can be used without limitation as long as it is conventionally known, such as those made of carbon such as dense carbon graphite and a carbon plate, and those made of metal such as stainless steel. The separator has a function of separating air and fuel gas, and a channel groove for securing the channel may be formed. The thickness and size of the separator, the shape of the flow channel, and the like are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of the obtained fuel cell.
また、各触媒層に供給されるガスが外部にリークするのを防止するために、ガスケット層上の触媒層が形成されていない部位にさらにガスシール部が設けられてもよい。前記ガスシール部を構成する材料としては、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリイソブチレンゴム等のゴム材料、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、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)等のフッ素系の高分子材料、ポリオレフィンやポリエステル等の熱可塑性樹脂などが挙げられる。また、ガスシール部の厚さとしては、50μm〜2mm、望ましくは100μm〜1mm程度とすればよい。 Further, in order to prevent the gas supplied to each catalyst layer from leaking to the outside, a gas seal portion may be further provided at a portion where the catalyst layer is not formed on the gasket layer. Examples of the material constituting the gas seal portion include rubber materials such as fluoro rubber, silicon rubber, ethylene propylene rubber (EPDM), polyisobutylene rubber, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoro. Fluorine polymer materials such as propylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and thermoplastic resins such as polyolefin and polyester. In addition, the thickness of the gas seal portion may be about 50 μm to 2 mm, preferably about 100 μm to 1 mm.
さらに、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、セパレータを介してMEAを複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。 Furthermore, a stack in which a plurality of MEAs are stacked via a separator and connected in series may be formed so that the fuel cell can obtain a desired voltage or the like. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.
本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。 The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.
実施例1
厚さ270μmのカーボンペーパー(東レ社製TGP−H−090)をポリテトラフルオロエチレン(PTFE)分散液(ダイキン工業社製ポリフロンD−1E、60重量%)に30分間浸漬後、オーブン内にて80℃、1時間乾燥させることにより、カーボンペーパー中にPTFEを分散させ、撥水処理したガス拡散層を調製した。このとき、ガス拡散層中のPTFE含有量は25wt%であった。
Example 1
A carbon paper having a thickness of 270 μm (TGP-H-090 manufactured by Toray Industries, Inc.) was immersed in a polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion (polyflon D-1E manufactured by Daikin Industries, 60% by weight) for 30 minutes, and then in an oven. By drying at 80 ° C. for 1 hour, PTFE was dispersed in the carbon paper to prepare a water-repellent gas diffusion layer. At this time, the PTFE content in the gas diffusion layer was 25 wt%.
次に、電子伝導性粒子としてバルカンXC72R(CABOT社製)5.4g、PTFE分散液(ダイキン工業社製ポリフロンD−1E、60重量%)1.0g、塩化イリジウム(IV)酸溶液0.5g、水29.6gをホモジナイザーを用いて3時間混合分散し、スラリー化した。このスラリーを、上記で撥水処理したカーボンペーパーの片面上にバーコーターを用いて、乾燥後の厚みが50μmになるように塗布した後、オーブン内にて80℃、1時間乾燥させ、さらにマッフル炉にて350℃、1時間熱処理を行った。その結果、カーボンペーパー1cm2あたりの形成された層の質量は3.0mgであった。この後、一辺6cmの正方形に切り出して、水電解活性を有する触媒を有する層が形成されたガス拡散層を得た。 Next, 5.4 g of Vulcan XC72R (manufactured by CABOT) as the electron conductive particles, 1.0 g of PTFE dispersion (polyflon D-1E, 60% by weight, manufactured by Daikin Industries, Ltd.), 0.5 g of iridium chloride (IV) acid solution Then, 29.6 g of water was mixed and dispersed using a homogenizer for 3 hours to form a slurry. This slurry was applied to one side of the carbon paper treated with water repellency using a bar coater so that the thickness after drying was 50 μm, and then dried in an oven at 80 ° C. for 1 hour, and further muffled. Heat treatment was performed at 350 ° C. for 1 hour in a furnace. As a result, the mass of the formed layer per 1 cm 2 of carbon paper was 3.0 mg. Thereafter, a gas diffusion layer in which a layer having a catalyst having water electrolysis activity was formed by cutting into a square having a side of 6 cm was obtained.
白金担持カーボン微粒子(田中貴金属工業(株)製)(白金含有率49重量%)5gを、市販のNafion溶液(5wt%の濃度でNafionを分散/懸濁したもの、アルドリッチ製)43.9g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.86)、純水12.5g、2−プロパノール5gと混合し、25℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にて、ホモジナイザーを用いて3時間混合分散することで、カソード及びアノード用触媒層インクとした。 53.9 g of platinum-supported carbon microparticles (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) (platinum content: 49% by weight) 43.9 g of a commercially available Nafion solution (dispersed / suspended Nafion at a concentration of 5 wt%, manufactured by Aldrich) The mass of the solid polymer electrolyte is 0.86) with respect to the mass 1 of the total conductive carbon in the catalyst layer, 12.5 g of pure water, and 5 g of 2-propanol. A cathode and anode catalyst layer ink was obtained by mixing and dispersing in a glass container for 3 hours using a homogenizer.
上記で調製した触媒インクを、スクリーンプリンタにてテフロンシート(大きさ:5cm×5cm)上に塗布し、真空乾燥機にて1時間、乾燥させて、転写シートを作製した。この際、触媒層中の白金量が10mgになるまで、上記工程を繰り返して、重ね塗りを行なった。電解質膜(DuPont社製NR−211、厚さ25μm)を上記で作製した転写シート2枚で、触媒層がそれぞれこの電解質膜と接するように、挟みこみ、130℃、2MPaで、10分間、ホットプレスを行なった。ホットプレス後、テフロンシートを剥がして、膜とアノード触媒層とカソード触媒層とが積層した積層体を得た。 The catalyst ink prepared above was applied onto a Teflon sheet (size: 5 cm × 5 cm) with a screen printer and dried with a vacuum dryer for 1 hour to prepare a transfer sheet. At this time, the above process was repeated until the amount of platinum in the catalyst layer reached 10 mg, and overcoating was performed. The electrolyte membrane (NR-211, manufactured by DuPont, thickness 25 μm) was sandwiched between the two transfer sheets prepared above so that the catalyst layer was in contact with the electrolyte membrane, and hot at 130 ° C. and 2 MPa for 10 minutes. A press was performed. After hot pressing, the Teflon sheet was peeled off to obtain a laminate in which the membrane, the anode catalyst layer, and the cathode catalyst layer were laminated.
上記で作製された水電解活性を有する触媒を有する層が形成されたガス拡散層2枚で、このようにして得られた積層体を、触媒層と水電解活性を有する触媒を有する層とが接するように、挟み込み、130℃、2MPaで、10分間、ホットプレスを行ない、図1に示されるような小型サブスケール用のMEA(5cm×5cm:電極面積25cm2)を作製した。 The two layers of the gas diffusion layer formed as described above, each having a layer having a catalyst having water electrolysis activity, were formed into a catalyst layer and a layer having a catalyst having water electrolysis activity. As shown in FIG. 1, sandwiching was performed and hot pressing was performed at 130 ° C. and 2 MPa for 10 minutes to produce a small subscale MEA (5 cm × 5 cm: electrode area 25 cm 2 ) as shown in FIG.
比較例1
実施例1において、塩化イリジウム(IV)酸溶液を添加しない以外は、実施例1に記載の方法に従って、小型サブスケール用の比較用MEA(5cm×5cm:電極面積25cm2)を作製した。
Comparative Example 1
In Example 1, except for not adding an iridium chloride (IV) acid solution, a comparative sub-scale MEA (5 cm × 5 cm: electrode area 25 cm 2 ) was prepared according to the method described in Example 1.
評価試験:性能評価
実施例1で作製したMEA及び比較例1で作製した比較用MEAを、常圧のもと、表1に示す条件で電流−電圧特性を評価した。電流−電圧特性とは、発電した状態のセルに外部から負荷電流をかけることで、強制的に反応を促し、その際の出力電圧の変化を観測する試験である。出力電圧が変化するのは、燃料電池反応が起こることにより、カソード、アノードに過電圧が発生することと電流を流すことで電池に抵抗が発生するためである。
Evaluation Test: Performance Evaluation The current-voltage characteristics of the MEA produced in Example 1 and the comparative MEA produced in Comparative Example 1 were evaluated under the conditions shown in Table 1 under normal pressure. The current-voltage characteristic is a test for observing a change in output voltage at that time by forcibly promoting a reaction by applying a load current from the outside to a cell in a generated state. The output voltage changes because the fuel cell reaction causes an overvoltage to be generated at the cathode and the anode, and a resistance is generated in the battery by causing a current to flow.
結果を、図2に示す。図2より、本発明によるガス拡散電極を有する実施例1のMEAを用いると、比較例1の比較用MEAに比して、高電流密度においても、出力電圧の低下が有意に抑制できることが分かる。これは、実施例1のMEAでは、ガス拡散層および触媒層の界面に配置される水電解活性を有する触媒が水の濃度勾配を形成させて、触媒層内の生成水をスムーズに排出して、フラッディング現象を起こさないで発電しているためであると考察される。これに対して、水電解活性を有する触媒が配置されない比較例1の比較用MEAでは、触媒層中の電極触媒は、カソードでは高電位にさらされているので、酸化物状態のほうが安定に存在できるが、金属酸化物は極性を持つため、水分を引きつけやすい性質、すなわち親水性を帯びているため逆に周りの水分を引きつけやすく、触媒層中の生成水がうまく排出されずに、フラッディング現象が起こり、高電流密度下では出力電圧が低下してしまうと考えられる。 The results are shown in FIG. FIG. 2 shows that when the MEA of Example 1 having the gas diffusion electrode according to the present invention is used, a decrease in output voltage can be significantly suppressed even at a high current density as compared with the comparative MEA of Comparative Example 1. . This is because, in the MEA of Example 1, the catalyst having water electrolysis activity arranged at the interface between the gas diffusion layer and the catalyst layer forms a water concentration gradient, and the generated water in the catalyst layer is smoothly discharged. It is considered that this is because power is generated without causing the flooding phenomenon. On the other hand, in the comparative MEA of Comparative Example 1 in which no catalyst having water electrolysis activity is arranged, the electrode catalyst in the catalyst layer is exposed to a high potential at the cathode, so that the oxide state exists more stably. However, since metal oxides have polarity, they tend to attract moisture, that is, they are hydrophilic, so they tend to attract moisture around them, and the generated water in the catalyst layer is not drained well. It is considered that the output voltage decreases under high current density.
Claims (12)
。 An electrolyte membrane-electrode assembly having an electrolyte membrane, a cathode side gas diffusion electrode disposed on one side of the electrolyte membrane, and an anode side gas diffusion electrode disposed on the other side of the electrolyte membrane, An electrolyte membrane-electrode assembly, wherein the cathode-side gas diffusion electrode is the gas diffusion electrode according to any one of claims 1 to 10.
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