JP5458801B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池に関するものであり、特に使用環境の制約から十分に触媒層を加湿できない場合や、運転条件の変動により一時的に低加湿運転を強いられる場合においても高い性能を発揮する燃料電池用ガス拡散電極を有する燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell, and in particular, a fuel that exhibits high performance even when the catalyst layer cannot be sufficiently humidified due to restrictions on the use environment, or when low humidification operation is forced temporarily due to fluctuations in operating conditions. The present invention relates to a fuel cell having a gas diffusion electrode for a battery.

本発明が関わる燃料電池の基本構造は、一般的な固体高分子形燃料電池の構造を例に取ると、プロトン伝導性電解質膜を挟んでアノードとカソードとなる触媒層が配置され、これを挟んでさらに外側にガス拡散層が配置され、さらにその外側にセパレーターが配置され、単位セルの燃料電池を構成する。通常、これを必要な出力に合わせて単セルの燃料電池をスタックし、スタックした燃料電池として用いる。   The basic structure of the fuel cell according to the present invention is, for example, a structure of a general polymer electrolyte fuel cell, and a catalyst layer serving as an anode and a cathode is disposed with a proton conductive electrolyte membrane interposed therebetween. Then, a gas diffusion layer is further arranged on the outer side, and a separator is further arranged on the outer side to constitute a unit cell fuel cell. Normally, a single cell fuel cell is stacked according to the required output, and used as a stacked fuel cell.

このような基本構造の燃料電池から電流を取り出すためには、アノードとカソードの両極に配されたセパレーターのガス流路から、カソード側に酸素あるいは空気等の酸化性ガスを、アノード側には水素等の還元性ガスを、ガス拡散層を介して触媒層までそれぞれ供給する。例えば、水素ガスと酸素ガスを利用する場合、アノードの触媒上で起こるH2→2H++2e-(E0=0V)の化学反応と、カソードの触媒上で起こるO2+4H++4e-→2H2O(E0=1.23V)の化学反応のエネルギー差(電位差)を利用して、電流を取り出すこととなる。 In order to take out the current from the fuel cell having such a basic structure, an oxidizing gas such as oxygen or air is supplied to the cathode side from the gas flow path of the separator disposed on both the anode and the cathode, and hydrogen is supplied to the anode side. A reducing gas such as is supplied to the catalyst layer through the gas diffusion layer. For example, when using hydrogen gas and oxygen gas, the chemical reaction of H 2 → 2H + + 2e (E 0 = 0V) occurring on the anode catalyst and O 2 + 4H + + 4e occurring on the cathode catalyst - → The current is extracted using the energy difference (potential difference) of the chemical reaction of 2H 2 O (E 0 = 1.23V).

したがって、セパレーターのガス流路から触媒層内部の触媒まで酸素ガスあるいは水素ガスが移動できるガス拡散経路や、アノード触媒上で発生したプロトン(H+)がプロトン伝導性電解質膜を経由してカソードの触媒まで伝達できるプロトン伝導経路、さらにはアノード触媒上で発生した電子(e-)がガス拡散層、セパレーター、外部回路を通じてカソード触媒まで伝達できる電子伝達経路が、それぞれ分断されることなく連続して連なっていないと、効率良く電流を取り出すことができない。 Therefore, a gas diffusion path through which oxygen gas or hydrogen gas can move from the gas flow path of the separator to the catalyst inside the catalyst layer, and protons (H + ) generated on the anode catalyst pass through the proton conductive electrolyte membrane and proton conduction paths that can be transmitted to the catalyst, more electrons generated on the anode catalyst (e -) is a gas diffusion layer, separator, electron transfer pathway capable of transmitting to the cathode catalyst through an external circuit, continuously without being separated respectively If they are not connected, current cannot be extracted efficiently.

触媒層内部では、一般に、材料の間隙に形成されガス拡散経路となる気孔、プロトン伝導経路となる電解質材料、及び、電子伝導経路となる炭素材料や金属材料等の導電性材料が、それぞれの連続したネットワークを形成していることが重要である。   Inside the catalyst layer, generally, pores that are formed in the gaps between the materials and serve as gas diffusion paths, electrolyte materials that serve as proton conduction paths, and conductive materials such as carbon materials and metal materials that serve as electron conduction paths are continuously connected to each other. It is important to form a network.

また、プロトン伝導性電解質膜や触媒層中のプロトン伝導経路には、高分子電解質材料としてパーフルオロスルホン酸ポリマーに代表されるイオン交換樹脂が用いられている。これら一般に用いられる高分子電解質材料は、湿潤環境下で初めて高いプロトン伝導性を発現し、乾燥環境下ではプロトン導電性が低下してしまう。したがって、効率良く燃料電池を作動させるためには、高分子電解質材料が十分な湿潤状態であることが必須である。   In addition, ion exchange resins typified by perfluorosulfonic acid polymers are used as polymer electrolyte materials for proton conducting paths in proton conducting electrolyte membranes and catalyst layers. These generally used polymer electrolyte materials exhibit high proton conductivity for the first time in a wet environment, and the proton conductivity decreases in a dry environment. Therefore, in order to operate the fuel cell efficiently, it is essential that the polymer electrolyte material is in a sufficiently wet state.

高分子電解質材料が十分な湿潤状態であるための水の供給源の一つとして、発電によってカソードにて生成する水があるが、その生成量は負荷条件(電流密度)に依存する。発電停止時や低負荷運転時には、生成する水の量が少なく、高分子電解質材料が乾燥し、プロトン伝導性が低下し易く、高負荷運転時には生成する水の量が多く、場合によっては高分子電解質材料が吸収しきれない過剰の水がガス拡散経路となる気孔を閉塞し易い。   As one of the water supply sources for the polymer electrolyte material to be in a sufficiently wet state, there is water generated at the cathode by power generation, and the generation amount depends on the load condition (current density). When power generation is stopped or during low-load operation, the amount of water produced is small, the polymer electrolyte material dries, proton conductivity tends to decrease, and the amount of water produced during high-load operation is large. Excess water that cannot be absorbed by the electrolyte material easily closes the pores serving as a gas diffusion path.

負荷条件に依存しない安定した水の供給源としては、加湿器が一般に用いられている。供給するガスを予め一定温度に保温された水中に通じ加湿する方法、一定温度に保温された水を直接セルに供給する方法が用いられている。しかし、システム全体のエネルギー効率を高く設定する目的では、保温のために一定のエネルギーを消耗する加湿器は無い方が好ましく、あったとしても必要最低限のエネルギー消費である方が好ましい。また、システム全体を軽く、小さくする目的でも同様で、加湿器は無い方が好ましく、あったとしても必要最低限の大きさであることが望ましい。したがって、燃料電池の使用目的によっては、十分な加湿器をシステムに搭載できず、十分に電解質材料を加湿できない場合がある。あるいは、定常運転では十分な加湿能力が備わった加湿器が搭載されている場合においても、起動時や負荷変動時においては一時的に低加湿状態に陥ることは避けられない。   A humidifier is generally used as a stable water supply source that does not depend on load conditions. A method of humidifying the gas to be supplied by passing it through water that has been previously kept at a constant temperature and a method of directly supplying water that has been kept at a constant temperature to the cell are used. However, for the purpose of setting the energy efficiency of the entire system high, it is preferable that there is no humidifier that consumes a certain amount of energy for heat retention. Also, the same is true for the purpose of making the whole system light and small, and it is preferable that there is no humidifier. Therefore, depending on the intended use of the fuel cell, a sufficient humidifier cannot be mounted on the system, and the electrolyte material may not be sufficiently humidified. Alternatively, even when a humidifier with sufficient humidification capacity is mounted in steady operation, it is inevitable that the vehicle will temporarily fall into a low humidification state at the time of start-up or load fluctuation.

このように、常に電解質材料に好適な湿潤環境で使用できるとは限らないため、あらゆる負荷条件又は加湿条件においても高い性能を発揮できる燃料電池用触媒層への要求は強く、前記触媒層を具備して制御や運転が容易となる高性能の燃料電池が望まれている。   Thus, since it cannot always be used in a moist environment suitable for an electrolyte material, there is a strong demand for a catalyst layer for a fuel cell that can exhibit high performance under any load condition or humidification condition. Thus, a high-performance fuel cell that can be easily controlled and operated is desired.

主に高分子電解質材料の乾燥を回避する目的で、従来から、ガス拡散層や触媒層、又はガス拡散層と触媒層の間に配置した中間層に親水性を有する成分を使用し、電解質膜や触媒層内部の電解質材料を保湿する方法が提案されてきた。   Conventionally, for the purpose of avoiding drying of the polymer electrolyte material, an electrolyte membrane has been conventionally used by using a hydrophilic component in the gas diffusion layer, the catalyst layer, or an intermediate layer disposed between the gas diffusion layer and the catalyst layer. In addition, a method for moisturizing the electrolyte material inside the catalyst layer has been proposed.

これらの中で、触媒層に親水性を賦与する提案として特許文献1では、加湿量を低減した場合であっても高い電池性能を維持するために、アノードにゼオライトやチタニア等の親水性粒子や親水性担体に含有させることが開示されている。また、特許文献2では、低温雰囲気下でも優れた始動性を示す燃料電池として、アノードの触媒層に水分保湿剤が含有され、該水分保湿剤が親水化処理された導電性材料(親水化処理されたカーボンブラック等)とすることが開示されている。さらに、特許文献3では、広範囲な加湿条件に対応可能な燃料電池を提供する目的で、触媒層中にテフロン(登録商標)粒子を担持したシリカ粒子のような疎水性粒子を担持した親水性粒子を含有させることが開示されている。   Among these, as a proposal for imparting hydrophilicity to the catalyst layer, in Patent Document 1, in order to maintain high battery performance even when the humidification amount is reduced, hydrophilic particles such as zeolite and titania on the anode, It is disclosed that it is contained in a hydrophilic carrier. In Patent Document 2, as a fuel cell exhibiting excellent startability even in a low-temperature atmosphere, a conductive material (hydrophilic treatment) containing a moisture humectant in the catalyst layer of the anode and hydrophilized the moisture humectant. Carbon black etc.). Further, in Patent Document 3, hydrophilic particles carrying hydrophobic particles such as silica particles carrying Teflon (registered trademark) particles in a catalyst layer for the purpose of providing a fuel cell that can cope with a wide range of humidification conditions. Is disclosed.

また、特許文献4では、活性炭を触媒担体とし、該活性炭のBET法(Brunauer-Emmett-Teller比表面積法)による表面積SBETが、SBET≧1500m2/gを満たし、且つ、直径2nm以下のミクロ孔表面積Smicro(m2/g)の全細孔面積Stotal(m2/g)に対する比率が、Smicro/Stotal≧0.5を満たすことを特徴とする燃料電池が提案されている。一方、特許文献5では、メソポーラスカーボン粒子を一部に含む炭素材料からなる担体を触媒担体として使用した燃料電池が提案されている。 In Patent Document 4, activated carbon is used as a catalyst carrier, and the surface area S BET of the activated carbon by the BET method (Brunauer-Emmett-Teller specific surface area method) satisfies S BET ≧ 1500 m 2 / g and has a diameter of 2 nm or less. A fuel cell is proposed in which the ratio of the micropore surface area S micro (m 2 / g) to the total pore area S total (m 2 / g) satisfies S micro / S total ≧ 0.5. On the other hand, Patent Document 5 proposes a fuel cell using a carrier made of a carbon material partially containing mesoporous carbon particles as a catalyst carrier.

更に、燃料電池を実際に使用する環境においては、起動停止や高負荷運転によって、触媒成分の白金等の金属が溶出したり、担体等に用いている炭素材料が腐食したりすることが知られており、白金等の金属の溶出やカーボン腐食を妨げる耐久技術も非常に重要になっている。   Furthermore, in an environment where the fuel cell is actually used, it is known that a metal such as platinum as a catalyst component elutes or a carbon material used for a carrier corrodes due to start / stop or high load operation. Durability technology that prevents elution of metals such as platinum and carbon corrosion is also very important.

触媒担体として用いている炭素材料の腐食を妨げる方策としては、これまで、以下の技術が開示されている。例えば、特許文献6には、熱処理する等して、ラマン分光スペクトルから得られるD-バンドと呼ばれる1300〜1400cm-1の範囲のピーク強度(ID)と、G-バンドと呼ばれる1500〜1600cm-1の範囲のピーク強度(IG)との相対的強度比(ID/IG)を0.9〜1.2に調整した炭素材料を、触媒担体として用いることが開示されている。 As measures for preventing the corrosion of the carbon material used as the catalyst support, the following techniques have been disclosed so far. For example, Patent Document 6 discloses that the peak intensity (I D ) in the range of 1300 to 1400 cm −1 called D-band obtained from the Raman spectrum by heat treatment and the like, and 1500 to 1600 cm called G-band It is disclosed that a carbon material having a relative intensity ratio (I D / I G ) with a peak intensity (I G ) in the range of 1 adjusted to 0.9 to 1.2 is used as a catalyst support.

また、特許文献7には、触媒担体として用いる炭素材料の比表面積を800m2/g以上900m2/g以下にすることによる、発電性能が高く、高電位耐久性及び燃料不足耐久性に優れた固体高分子型燃料電池の電極構造体が開示されている。 In Patent Document 7, the specific surface area of the carbon material used as the catalyst carrier is set to 800 m 2 / g or more and 900 m 2 / g or less, so that power generation performance is high, and high potential durability and fuel shortage durability are excellent. An electrode structure of a polymer electrolyte fuel cell is disclosed.

特開2004-342505号公報JP 2004-342505 A 特開2006-59634号公報JP 2006-59634 A 特開2005-174835号公報JP-A-2005-174835 特開2006-155921号公報JP 2006-155921 A 特開2004-71253号公報JP 2004-71253 A 特開2008-41253号公報JP 2008-41253 JP 特開2006-318707号公報JP 2006-318707 A

しかしながら、特許文献1及び特許文献3では、親水性であるが導電性あるいはプロトン伝導性を持たない材料を触媒層中に含有するため、電子あるいはプロトンの移動経路を分断してしまい、内部抵抗を増大する問題があった。また、特許文献2では、親水化処理された導電性材料の例として硝酸処理されたカーボンブラックを触媒担体として使用しているが、親水性の程度(親水化処理の程度)については記載も示唆もされていない。発明者らの検討によれば、単に親水化処理されたカーボンブラックを含ませるだけでは、低湿条件で優れた保水能力を示すが、高負荷運転時や十分加湿されたときにはガス拡散経路が凝縮した水で閉塞されるという問題が生じることが明らかになった。即ち、親水性の程度によって、保水能力が足りなかったり、あるいは、保水能力が強過ぎて、十分加湿されている条件になったときにガスの拡散経路が水に閉塞されたりすることがあった。   However, in Patent Documents 1 and 3, since the catalyst layer contains a material that is hydrophilic but does not have conductivity or proton conductivity, the transfer path of electrons or protons is interrupted, and the internal resistance is reduced. There was an increasing problem. In Patent Document 2, carbon black treated with nitric acid is used as a catalyst carrier as an example of a conductive material subjected to hydrophilic treatment. However, the degree of hydrophilicity (degree of hydrophilic treatment) is also suggested. It has not been done. According to the study by the inventors, simply including hydrophilic carbon black shows excellent water retention capability under low humidity conditions, but the gas diffusion path is condensed during high load operation or when sufficiently humidified. It became clear that the problem of water blockage occurred. In other words, depending on the degree of hydrophilicity, the water retention capacity may be insufficient, or the gas diffusion path may be blocked by water when the water retention capacity is too strong and the condition is sufficiently humidified. .

また、これまで、本発明者らは、触媒層の主成分である炭素材料を、触媒成分を担持した炭素材料(以下、触媒担体炭素材料)と触媒成分を担持していない炭素材料(以下、ガス拡散炭素材料)とに分けて触媒層に含有させると共に、ガス拡散炭素材料を水和性(水和力)の異なる少なくとも2種類の炭素材料を使用し、低加湿条件では触媒層中の電解質材料を常に好適な湿潤状態に維持しつつ、高加湿条件でもガス拡散経路が凝縮した水によって閉塞することを防ぐことができる燃料電池用触媒層を有する燃料電池、即ち、加湿条件によらず高い性能を発現する燃料電池を開発した。前記燃料電池では、高加湿条件や低加湿条件、それぞれの条件下での高負荷運転や低負荷運転に非常に効果的で、あらゆる条件下で高い性能を発現するものの、保水する部分が触媒を担持していないガス拡散炭素材料であることから、触媒近傍の電解質材料の保水効果という点では、必ずしも十分ではなく、更により高い特性を発現させるためには新たな改良が必要であった。   Further, until now, the present inventors, the carbon material that is the main component of the catalyst layer, a carbon material carrying a catalyst component (hereinafter referred to as a catalyst carrier carbon material) and a carbon material not carrying a catalyst component (hereinafter referred to as a carbon material). The gas diffusion carbon material is contained in the catalyst layer separately, and at least two types of carbon materials having different hydration properties (hydration power) are used for the gas diffusion carbon material. A fuel cell having a catalyst layer for a fuel cell that can prevent the gas diffusion path from being clogged by condensed water even under high humidification conditions while maintaining the material in a suitable wet state at all times, that is, high regardless of humidification conditions We have developed a fuel cell that demonstrates its performance. The fuel cell is very effective for high and low load conditions under high and low humid conditions, and exhibits high performance under all conditions. Since it is an unsupported gas diffusion carbon material, the water retention effect of the electrolyte material in the vicinity of the catalyst is not necessarily sufficient, and a new improvement has been required to develop even higher characteristics.

その点で、触媒担体の保水性が期待できる特許文献4の活性炭を担体とした提案は、触媒粒子近傍の保水性という点では十分ではあり、ガス拡散炭素材料によってガスの移動も確保する工夫はされているものの、より高性能な燃料電池を目指すことを前提とすると、活性炭自身の電子伝導性が低いことや、触媒粒子周辺の親水性が高いあまり触媒のごく近傍のガスの移動が妨げられる等の課題があった。特許文献5のメソポーラスカーボンを触媒担体の一部とした提案は、触媒担体としてメソポーラスカーボン以外の炭素材料と混合することにより、ガスの拡散性や電子伝達性をメソポーラスカーボン単独で用いたときよりも改善したものの、例えば、高加湿条件下の高負荷運転時には、発生する水によってガスが閉塞する傾向が強く、これを回避するためメソポーラスカーボンの比率を下げると、特に低加湿条件下での低負荷運転時に、メソポーラスカーボン以外の炭素材料上の触媒近傍の電解質が乾燥し易くなり、ある特定の混合比率では限定された条件でしか優れた特性を発現できなかった。特に、メソポーラスカーボン以外の炭素材料に反応ガスの拡散性を増強させる機能を期待しているが、メソポーラスカーボン以外の炭素材料にも触媒粒子が存在するため、特に高負荷運転時のカソードでの使用では、触媒粒子で発生する水がガスの拡散を妨げる傾向にあり、あらゆる条件下で万能な触媒層にはなり得なかった。   In that regard, the proposal using the activated carbon of Patent Document 4 that can be expected to maintain the water retention of the catalyst carrier is sufficient in terms of water retention in the vicinity of the catalyst particles, and the idea of ensuring gas movement with the gas diffusion carbon material is also However, assuming the aim of a higher-performance fuel cell, the activated carbon itself has a low electronic conductivity, and the hydrophilicity around the catalyst particles is so high that gas movement in the vicinity of the catalyst is hindered. There were problems such as. The proposal in which the mesoporous carbon of Patent Document 5 is a part of the catalyst carrier is mixed with a carbon material other than mesoporous carbon as the catalyst carrier, so that the gas diffusibility and the electron transfer property are higher than when the mesoporous carbon is used alone. Although improved, for example, during high load operation under high humidification conditions, there is a strong tendency for gas to become clogged by the generated water.To avoid this, lowering the mesoporous carbon ratio reduces the load particularly under low humidification conditions. During operation, the electrolyte in the vicinity of the catalyst on the carbon material other than mesoporous carbon was easily dried, and excellent characteristics could be exhibited only under limited conditions at a specific mixing ratio. In particular, carbon materials other than mesoporous carbon are expected to have a function of enhancing the diffusibility of the reaction gas. However, since carbon particles other than mesoporous carbon also have catalyst particles, they are used especially at the cathode during high-load operation. However, the water generated in the catalyst particles tends to hinder gas diffusion, and cannot be a universal catalyst layer under all conditions.

一方、触媒担体として用いている炭素材料の腐食を妨げる方策としては、特許文献6、7にあるように、炭素材料の黒鉛化度や表面積を制御すること等が挙げられる。しかしながら、黒鉛化度を上げたり、比表面積を減少したりすれば、大まかには酸化消耗耐性が向上することは間違いないが、黒鉛化度や比表面積が同程度でも酸化消耗耐性が高いものと低いものがあり、真に酸化消耗耐性の高い炭素材料を得るためには、それが何に起因するかを明確にする必要があった。また、黒鉛化度を上げたり、比表面積を減少したりすると、触媒粒子の分散性が低下するだけでなく、保湿性が低下し、燃料電池性能が低下することが分かってきた。   On the other hand, as a measure for preventing the corrosion of the carbon material used as the catalyst carrier, as disclosed in Patent Documents 6 and 7, the degree of graphitization and surface area of the carbon material can be controlled. However, if the degree of graphitization is increased or the specific surface area is reduced, there is no doubt that the resistance to oxidation consumption is improved. However, even if the degree of graphitization and the specific surface area are the same, the resistance to oxidation consumption is high. In order to obtain a carbon material that is low and has a high resistance to oxidation exhaustion, it was necessary to clarify what caused it. Further, it has been found that increasing the degree of graphitization or reducing the specific surface area not only lowers the dispersibility of the catalyst particles, but also reduces the moisture retention and the fuel cell performance.

そこで、本発明は、燃料電池に用いられる触媒層中において、ガス、電子、プロトンの移動経路をそれぞれ分断することなく形成させ、低加湿条件又は低負荷運転時では触媒層中の電解質材料を常に好適な湿潤状態に維持しつつ、高加湿条件又は高負荷運転時でもガス拡散経路が凝縮した水によって閉塞することを防ぐことができる燃料電池用触媒層を有する燃料電池、即ち、加湿条件によらず高い性能を発現する燃料電池を提供することを目的とする。また、触媒担体として用いられている炭素材料の酸化消耗耐性を高し、より耐久性に優れた燃料電池を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention provides a catalyst layer for use in a fuel cell that is formed without dividing the movement paths of gas, electrons, and protons, and the electrolyte material in the catalyst layer is always formed under low humidification conditions or low load operation. A fuel cell having a catalyst layer for a fuel cell that can prevent the gas diffusion path from being clogged with condensed water even under high humidification conditions or high load operation while maintaining a suitable wet state, i.e., depending on the humidification conditions. It is an object of the present invention to provide a fuel cell that exhibits high performance. It is another object of the present invention to provide a fuel cell having a higher durability against oxidation consumption of a carbon material used as a catalyst carrier and more excellent in durability.

以上の課題を解決するため、燃料電池に用いられる触媒層中の保水能力に着目し、触媒成分、電解質材料、及び炭素材料の材料特性及び高次構造を検討して、触媒担体上に担持された触媒があらゆる条件下で十分に機能するように触媒層構造を設計した。即ち、触媒層の成分である炭素材料を、触媒成分を担持した触媒担体炭素材料と、触媒成分を担持していないガス拡散炭素材料と、触媒成分を担持していない導電助剤炭素材料と、に分けて触媒層に含有させると共に、前記触媒担体炭素材料を保水性が高く発電によって生成した水や加湿によって供給された水を蓄え易い触媒担体炭素材料Aと、電子伝導性が優れガスが拡散し易い特性を持つ触媒担体炭素材料Bとに分けて複合して用いると、加湿条件や負荷条件によらず高い性能を発揮するという優れた機能が発現できることを見出した。   In order to solve the above problems, paying attention to the water retention capacity in the catalyst layer used in the fuel cell, the material properties and higher order structure of the catalyst component, the electrolyte material, and the carbon material are examined and supported on the catalyst carrier. The catalyst layer structure was designed so that the catalyst worked well under all conditions. That is, a carbon material that is a component of the catalyst layer, a catalyst carrier carbon material that supports the catalyst component, a gas diffusion carbon material that does not support the catalyst component, a conductive auxiliary agent carbon material that does not support the catalyst component, The catalyst carrier carbon material is divided into the catalyst carrier carbon material A and the catalyst carrier carbon material A has high water retention and can easily store water generated by power generation or water supplied by humidification, and has excellent electron conductivity and gas diffusion. It was found that when used separately in combination with the catalyst support carbon material B having the characteristics that it is easy to perform, an excellent function of exhibiting high performance regardless of humidification conditions and load conditions can be expressed.

さらに、保水性の高い触媒担体炭素材料Aを含む触媒層を内層として電解質膜側に、この内層を挟んで電解質膜とは反対側にストラクチャーの発達した触媒担体炭素材料Bを主体とする外層を配置した少なくとも二層構造を有する触媒層にすることによって、加湿条件や負荷条件によらず高い性能を発揮するという優れた機能が発現できることを見出した。   Further, a catalyst layer containing a catalyst carrier carbon material A with high water retention is used as an inner layer on the electrolyte membrane side, and an outer layer mainly composed of a catalyst carrier carbon material B having a structure developed on the opposite side of the electrolyte membrane across the inner layer. It has been found that an excellent function of exhibiting high performance regardless of humidification conditions and load conditions can be expressed by using a catalyst layer having at least a two-layer structure.

このような二層構造にすることで、高加湿条件又は高負荷運転時には、ガス拡散経路が水によって閉塞し辛い外層が主に働きつつ、供給された水や生成した水を内層に含有する保水し易い細孔構造を持った前記触媒担体炭素材料Aに蓄え、低加湿条件又は低負荷条件では、触媒担体炭素材料Aが蓄えた水によって触媒層中の電解質材料の乾燥を防ぎ、発電性能の低下を抑制することができる。   By adopting such a two-layer structure, the water retention water containing the supplied water or the generated water in the inner layer while the outer layer whose gas diffusion path is difficult to block with water mainly works at the time of high humidification conditions or high load operation. It is stored in the catalyst support carbon material A having a pore structure that is easy to form, and under low humidification conditions or low load conditions, the water stored in the catalyst support carbon material A prevents the electrolyte material in the catalyst layer from being dried, The decrease can be suppressed.

さらに、前記触媒担体炭素材料Aのような保水し易い細孔構造を有する炭素材料は、一般的に電子伝導性が十分でない場合が多く、単純な粒子である場合が多いため、このような炭素材料のみで内層を構成すると電子伝導抵抗が増したり、ガス拡散経路となる気孔が発達し辛くなる。これを補完するために電子伝導性が高く、ストラクチャーが発達した炭素材料を導電助剤炭素材料として選択し、触媒担体炭素材料Aと触媒層中に共存させることによって、特に高加湿条件下や高負荷運転時に電子伝導抵抗に起因する内部抵抗上昇やガス拡散経路の水による閉塞を効果的に抑制することができることも見出した。   Further, a carbon material having a pore structure that is easy to retain water, such as the catalyst support carbon material A, generally has insufficient electron conductivity and is often a simple particle. If the inner layer is composed of only the material, the electron conduction resistance increases, and the pores that serve as gas diffusion paths are difficult to develop. To compensate for this, carbon materials with high electron conductivity and developed structures are selected as the conductive auxiliary agent carbon material and coexisted in the catalyst support carbon material A and the catalyst layer. It was also found that the internal resistance rise due to the electron conduction resistance and the blockage of the gas diffusion path by water can be effectively suppressed during the load operation.

さらに、内層と外層のそれぞれにおいて、触媒成分と触媒担持炭素材料A又はBと電解質材料とを凝集させて形成した触媒凝集相と、前記ガス拡散炭素材料を凝集して形成したガス拡散炭素材料凝集相と、の2つの凝集相を有する構造にし、前記触媒凝集相を連続相としてガス拡散炭素材料凝集層相がその中に分散した構造にすると、加湿条件や負荷条件によらず高い性能を発揮するという優れた機能が発現できることを見出した。   Further, in each of the inner layer and the outer layer, a catalyst aggregation phase formed by aggregating the catalyst component, the catalyst-supporting carbon material A or B, and the electrolyte material, and a gas diffusion carbon material aggregation formed by aggregating the gas diffusion carbon material If the catalyst-aggregated phase is used as a continuous phase and the gas-diffused carbon material aggregated layer phase is dispersed in the catalyst-aggregated phase, high performance is exhibited regardless of humidification conditions and load conditions. It has been found that an excellent function of performing can be expressed.

前記触媒層の構造にすることで、電解質材料は、触媒炭素材料近傍に存在することになり、乾燥条件下での含水率低下を防ぐと共に、電解質材料を連続相とすることでプロトン伝導経路即ち電解質材料のネットワークを発達させて、プロトン伝導性に起因する内部抵抗上昇を防ぐ。更に、上記のように、前記触媒凝集相の連続相中にガス拡散炭素材料凝集相を分散させることで、ガスの拡散経路を確保する。前記ガス拡散炭素材料凝集相中には触媒成分が存在しないので、発電時に前記ガス拡散材料凝集相中で水が生成することがなく、よって、より効果的にガス拡散経路を確保することができる。また、前記ガス拡散炭素材料凝集相には、電子伝導性を持たないフッ素化合物等を用いないため、電子伝導経路を分断することなくガス拡散経路を確保できる。また、前記ガス拡散炭素材料凝集相は、電解質物質や触媒成分を含まない独立した凝集相なので、前記凝集相を形成するガス拡散炭素材料に水蒸気吸着特性の低い炭素材料を用いることで、炭素材料表面が元来有する撥水特性を生かすことができるため、効果的にガス拡散経路を確保することができる。   By adopting the structure of the catalyst layer, the electrolyte material is present in the vicinity of the catalytic carbon material, preventing a decrease in the moisture content under dry conditions, and by making the electrolyte material a continuous phase, Develop a network of electrolyte materials to prevent internal resistance rise due to proton conductivity. Further, as described above, the gas diffusion path is ensured by dispersing the gas diffusion carbon material aggregated phase in the continuous phase of the catalyst aggregated phase. Since no catalyst component is present in the gas diffusion carbon material aggregation phase, water is not generated in the gas diffusion material aggregation phase during power generation, and therefore, a gas diffusion path can be more effectively secured. . In addition, since the gas diffusion carbon material aggregated phase does not use a fluorine compound or the like that does not have electron conductivity, a gas diffusion path can be secured without dividing the electron conduction path. Further, since the gas diffusion carbon material aggregate phase is an independent aggregate phase that does not contain an electrolyte substance or a catalyst component, a carbon material having a low water vapor adsorption characteristic is used as the gas diffusion carbon material forming the aggregate phase. Since the water repellency inherent in the surface can be utilized, a gas diffusion path can be effectively secured.

以上のように、触媒層が求められる機能によって触媒層中に使用される炭素材料を複数選択し、さらに選択した炭素材料と共に触媒成分、電解質材料がそれぞれ効率的に作用できるように層構造や凝集相構造を制御することで、これまでに無い広範囲の条件下でも安定して効率的に発電できる燃料電池が得られることを見出し、本発明に至った。   As described above, a plurality of carbon materials used in the catalyst layer are selected according to the function for which the catalyst layer is required, and the layer structure and agglomeration so that the catalyst component and the electrolyte material can work efficiently together with the selected carbon material. By controlling the phase structure, it has been found that a fuel cell capable of generating power stably and efficiently even under a wide range of conditions that has never been obtained has been obtained, and the present invention has been achieved.

また、本発明者らは、耐久性に関し、触媒担体として使用される炭素材料に着目し、炭素材料の黒鉛化度、酸素濃度、比表面積、水蒸気吸着量等を鋭意調べたところ、水蒸気吸着量と酸化消耗耐性、及び、電池性能の傾向が合致していることを見出し、本発明に至った。   In addition, regarding the durability, the present inventors paid attention to the carbon material used as a catalyst carrier, and earnestly investigated the degree of graphitization, oxygen concentration, specific surface area, water vapor adsorption amount, etc. of the carbon material. As a result, the present inventors have found that the oxidation consumption resistance and the battery performance tend to be consistent with each other.

したがって、本発明の要旨とするところは、以下の通りである。
(1) プロトン伝導性電解質膜を挟んだ一対の触媒層を含む燃料電池であって、
少なくともカソードの触媒層が、触媒成分、電解質材料、及び炭素材料を含み、かつ
前記炭素材料が、前記触媒成分を担持した触媒担体炭素材料と、前記触媒成分を担持していない導電助剤炭素材料と、前記触媒成分を担持していないガス拡散炭素材料との3種からなり、かつ
前記触媒担体炭素材料が媒担体炭素材料Aと触媒担体炭素材料Bの2種からなり、かつ
前記カソードの触媒層が少なくとも2層構造であり、
前記プロトン伝導性電解質膜に接する側の内層が、少なくとも前記触媒成分を担持した前記触媒担体炭素材料Aと、前記触媒成分を担持していない導電助剤炭素材料と、前記電解質材料と、前記触媒成分を担持していない前記ガス拡散炭素材料からなる層からなり、かつ
前記プロトン伝導性電解質膜に接しない側の外層は、少なくとも前記触媒成分を担持した前記触媒担体炭素材料Bと、前記電解質材料と、前記触媒成分を担持していない前記ガス拡散炭素材料からなる層を含み、かつ
前記触媒層の内層が、
少なくとも前記触媒成分を担持した前記触媒担体炭素材料Aと、前記触媒成分を担持していない導電助剤炭素材料と、前記電解質材料からなる成分を凝集してなる触媒凝集相と、少なくとも前記触媒成分を担持していない前記ガス拡散炭素材料からなる成分を凝集してなるガス拡散炭素材料凝集相と、の2相混合構造からなり、
前記触媒層の外層が、
少なくとも前記触媒成分を担持した前記触媒担体炭素材料Bと、前記電解質材料からなる成分を凝集してなる触媒凝集相と、少なくとも前記触媒成分を担持していない前記ガス拡散炭素材料からなる成分を凝集してなるガス拡散炭素材料凝集相と、の2相混合構造からなり、かつ
前記内層及び前記外層がそれぞれの層中において、前記触媒凝集相が連続体であり、前記ガス拡散炭素材料凝集相が前記触媒凝集相中に分散した構造であり、かつ
前記触媒担体炭素材料AのBET評価による比表面積SBETが1000m2/g以上4000m2/g以下で、かつtプロット解析による直径2nm以下のミクロ孔表面積Smicroと全表面積Stotalの比Smicro/Stotalが0.5以上であり、かつ
前記触媒担体炭素材料BのDBP吸油量XmL/100gとBET評価による比表面積SBETとの比X/SBETが、0.2以上3.0以下である
ことを特徴とする燃料電池。
(2) 前記触媒層中の前記触媒担体炭素材料Aと前記触媒担体炭素材料Bの質量比A/(A+B)が0.2以上0.95以下であることを特徴とする(1)に記載の燃料電池。
(3) 前記触媒担体炭素材料Aの25℃、相対湿度10%における水蒸気吸着量V10が2ml/g以下であり、且つ、前記触媒担体炭素材料Aの25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量V90が400ml/g以上であることを特徴とする(1)又は(2)に記載の燃料電池。
(4) 前記触媒単体炭素材料Aの25℃、相対湿度10%における水蒸気吸着量V10と、前記触媒担体炭素材料Aの25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量V90の比V10/V90が0.002以下である(1)〜(3)のいずれかに記載の燃料電池。
Therefore, the gist of the present invention is as follows.
(1) A fuel cell comprising a pair of catalyst layers sandwiching a proton conductive electrolyte membrane,
At least the catalyst layer of the cathode includes a catalyst component, an electrolyte material, and a carbon material, and the carbon material carries a catalyst carrier carbon material carrying the catalyst component, and a conductive auxiliary agent carbon material not carrying the catalyst component. When the result of the catalyst component from the three gas-diffusing carbon material not carrying, and consists of two kinds of the catalyst supporting carbon material is catalytic carrier carbon material a and the catalyst supporting carbon material B, and the cathode The catalyst layer has at least a two-layer structure;
The catalyst carrier carbon material A in which the inner layer on the side in contact with the proton conductive electrolyte membrane carries at least the catalyst component, the conductive auxiliary agent carbon material not carrying the catalyst component, the electrolyte material, and the catalyst The outer layer on the side not in contact with the proton-conducting electrolyte membrane comprises at least the catalyst carrier carbon material B carrying the catalyst component and the electrolyte material. And a layer made of the gas diffusion carbon material not supporting the catalyst component, and an inner layer of the catalyst layer,
The catalyst carrier carbon material A carrying at least the catalyst component, the conductive auxiliary agent carbon material not carrying the catalyst component, a catalyst aggregation phase formed by aggregating the component made of the electrolyte material, and at least the catalyst component Consisting of a two-phase mixed structure of a gas diffusion carbon material aggregated phase formed by agglomerating components composed of the gas diffusion carbon material not supporting
The outer layer of the catalyst layer is
Aggregating at least the catalyst carrier carbon material B supporting the catalyst component, a catalyst aggregation phase formed by aggregating the component composed of the electrolyte material, and a component composed of the gas diffusion carbon material not supporting at least the catalyst component A gas diffusion carbon material aggregated phase, and the inner layer and the outer layer in each layer, the catalyst aggregated phase is a continuum, and the gas diffusion carbon material aggregated phase is Microstructure having a structure dispersed in the catalyst agglomerated phase and having a specific surface area S BET of 1000 m 2 / g or more and 4000 m 2 / g or less by t-plot analysis of the catalyst support carbon material A according to BET evaluation. The ratio S micro / S total of the pore surface area S micro and the total surface area S total is 0.5 or more, and the ratio X / S of the DBP oil absorption XmL / 100 g of the catalyst support carbon material B and the specific surface area S BET by BET evaluation BET is, is 0.2 to 3.0 Fuel cell, wherein the door.
(2) The fuel according to (1), wherein a mass ratio A / (A + B) of the catalyst support carbon material A and the catalyst support carbon material B in the catalyst layer is 0.2 or more and 0.95 or less. battery.
(3) The amount of water vapor adsorption V 10 at 25 ° C. and a relative humidity of 10% of the catalyst support carbon material A is 2 ml / g or less, and the water vapor adsorption of the catalyst support carbon material A at 25 ° C. and a relative humidity of 90% the fuel cell according to the amount V 90 is equal to or is 400 ml / g or more (1) or (2).
(4) the 25 ° C. of the catalyst alone carbon material A, and water vapor adsorption amount V 10 at a relative humidity of 10%, the catalyst support 25 ° C. of the carbon material A, the ratio V of the water vapor adsorption amount V 90 at a relative humidity of 90% 10 / The fuel cell according to any one of (1) to (3), wherein V 90 is 0.002 or less.

本発明の燃料電池は、その触媒層中において、ガス、電子、プロトンの移動経路をそれぞれ分断することなく形成させ、低加湿条件や低負荷条件では触媒層中の電解質材料を常に好適な湿潤状態に維持しつつ、高加湿条件や高負荷条件でもガス拡散経路が凝縮した水によって閉塞することを防ぎ、加湿条件や負荷条件によらず高い性能を発現する燃料電池を供給できる。したがって、燃料電池システムの水分(湿度)管理が容易となるため、システム制御や運転が簡便となる。   The fuel cell of the present invention is formed in the catalyst layer without dividing the gas, electron, and proton transfer paths, and the electrolyte material in the catalyst layer is always in a suitable wet state under low humidification conditions and low load conditions. Thus, it is possible to prevent the gas diffusion path from being blocked by condensed water even under high humidification conditions or high load conditions, and to supply a fuel cell that exhibits high performance regardless of the humidification conditions or load conditions. Therefore, since the water (humidity) management of the fuel cell system is facilitated, system control and operation are simplified.

また、本発明の固体高分子型燃料電池に使用される触媒担体炭素材料は、従来使用されている触媒担体炭素材料に比べて、高い酸化消耗耐性を持ち、且つ、高い電池性能を得ることができるという効果がある。本発明の固体高分子型燃料電池を使用すると、自動車用燃料電池や定置用燃料電池等の耐久性を向上させ、且つ、高い電池性能を得ることができることから、貴金属の使用量を低減でき、大幅な低コスト化を実現でき、固体高分子型燃料電池の商業的な市場普及を加速することができる。   Further, the catalyst support carbon material used in the solid polymer fuel cell of the present invention has higher oxidation consumption resistance and higher battery performance than the conventionally used catalyst support carbon material. There is an effect that can be done. When the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is used, durability of an automobile fuel cell, a stationary fuel cell, etc. can be improved, and high cell performance can be obtained. A significant cost reduction can be realized, and commercialization of polymer electrolyte fuel cells can be accelerated.

本発明の内層触媒層の凝集相構造の模式図である(模式図として明確化しているために、各階層構造の相対サイズは、実際とは異なる)。FIG. 2 is a schematic diagram of an aggregated phase structure of an inner catalyst layer of the present invention (because it is clarified as a schematic diagram, the relative size of each hierarchical structure is different from the actual one). 本発明の外層触媒層の凝集相構造の模式図である(模式図として明確化しているために、各階層構造の相対サイズは、実際とは異なる)。FIG. 2 is a schematic diagram of an aggregated phase structure of an outer catalyst layer of the present invention (because it is clarified as a schematic diagram, the relative size of each hierarchical structure is different from the actual one).

本発明の燃料電池は、プロトン伝導性電解質膜を挟んだ一対の触媒層を含む燃料電池である。   The fuel cell of the present invention is a fuel cell including a pair of catalyst layers sandwiching a proton conductive electrolyte membrane.

本発明の燃料電池に含まれる触媒層は、触媒成分と、炭素材料と、電解質材料を含む混合物で構成され、かつ前記炭素材料が、触媒成分を担持した触媒担体炭素材料と、触媒成分を担持していないガス拡散炭素材料とからなり、かつ前記触媒担体炭素材料が特性の異なる2種類の炭素材料、触媒担体炭素材料A及び触媒担体炭素材料Bからなる。   The catalyst layer included in the fuel cell of the present invention is composed of a mixture including a catalyst component, a carbon material, and an electrolyte material, and the carbon material carries a catalyst support carbon material carrying the catalyst component and a catalyst component. The catalyst support carbon material is composed of two types of carbon materials, the catalyst support carbon material A and the catalyst support carbon material B, which have different characteristics.

本発明の各成分には、それぞれに求められる機能があり、その機能を発現させるため、それぞれが最低限の物質特性を有している必要がある。触媒成分であれば触媒としての機能、電解質材料であればプロトンを伝導する機能、特に、炭素材料は3つ以上の炭素材料に機能分担させているのが本発明の特徴で、触媒担持炭素材料Aであれば触媒成分を担持する機能に加えて水を蓄える機能、触媒担持炭素材料Bであれば触媒成分を担持する機能に加えてガスを効率よく拡散させる機能、ガス拡散炭素材料であればガスを効率よく拡散させる機能、導電助剤炭素材料であれば触媒担体炭素材料の電子伝導性を補完する機能、である。   Each component of the present invention has a required function, and each of the components needs to have a minimum material property in order to exhibit the function. If it is a catalyst component, it functions as a catalyst, and if it is an electrolyte material, it conducts protons. In particular, the carbon material is divided into three or more carbon materials. In the case of A, in addition to the function of supporting the catalyst component, the function of storing water, in the case of the catalyst-supporting carbon material B, in addition to the function of supporting the catalyst component, the function of efficiently diffusing gas, the gas diffusion carbon material This is a function of efficiently diffusing gas, and a function of complementing the electron conductivity of the catalyst support carbon material if it is a conductive assistant carbon material.

本発明の触媒層に使用される触媒成分は、求められる反応が触媒成分上で進行すれば限定するものではない。好ましい触媒成分の例としては、白金、パラジウム、ルテニウム、金、ロジウム、オスミウム、イリジウム等の貴金属、これらの貴金属を2種類以上複合化した貴金属の複合体や合金、貴金属と有機化合物や無機化合物との錯体、遷移金属、遷移金属同士あるいは遷移金属と貴金属との複合体や合金、貴金属や遷移金属と有機化合物や無機化合物との錯体、金属酸化物等を挙げることができる。また、これらの2種類以上を複合したもの等も用いることもできる。   The catalyst component used in the catalyst layer of the present invention is not limited as long as the required reaction proceeds on the catalyst component. Examples of preferred catalyst components include noble metals such as platinum, palladium, ruthenium, gold, rhodium, osmium, iridium, noble metal composites and alloys obtained by combining two or more of these noble metals, noble metals and organic compounds and inorganic compounds. And complexes of transition metals, transition metals, composites and alloys of transition metals and noble metals, complexes of noble metals and transition metals with organic compounds and inorganic compounds, metal oxides, and the like. Also, a combination of two or more of these can be used.

本発明に用いられる炭素材料の内、触媒担体炭素材料は、特性の異なる2種類の炭素材料、即ち、保水性の高い触媒担体炭素材料A及びストラクチャーの発達した触媒担体炭素材料Bを選択する。さらに本発明の触媒層では、少なくとも2層構造以上を採用し、電解質膜側に接する側の内層に保水性の高い触媒担体炭素材料Aを、この内層を挟んで電解質膜とは反対側の外層にストラクチャーの発達した触媒担体炭素材料Bを含有する触媒層とする。 Of the carbon material used in the present invention, the catalyst supporting carbon material, two carbon materials different Do that characteristic, i.e., selects the water retention of high catalyst carrier carbon material A and structure of developed catalyst supporting carbon material B . Furthermore, the catalyst layer of the present invention employs at least a two-layer structure, and the catalyst carrier carbon material A having high water retention is provided in the inner layer on the side in contact with the electrolyte membrane side, and the outer layer on the side opposite to the electrolyte membrane with the inner layer interposed therebetween. And a catalyst layer containing the catalyst-supported carbon material B having a developed structure.

本発明の触媒層では、内層がプロトン伝導性電解質膜に接する側に接しており、外層がプロトン伝導性電解質膜に接しない側の最外層であれば、3層構造以上であって良い。即ち、内層と外層の中間に1層以上の中間触媒層があって良い。内層と外層が本発明の構成となっていれば限定するものではないが、前記中間触媒層は内層と外層の中間的な性質を持った触媒層であることが好ましく、例えば、中間層に含有する触媒担体炭素材料が触媒担体炭素材料AとBの混合物であったり、中間層が複数層の場合、内層方向から外層方向に向かって、触媒担体炭素材料Aと触媒担体炭素材料Bの質量比率A/(A+B)が減少する構成が好ましい。また、中間層が1層であって中間層中で触媒担体炭素材料Aと触媒担体炭素材料Bの質量比率A/(A+B)が連続的に変化するような構成であっても構わない。   In the catalyst layer of the present invention, the inner layer may be in contact with the proton conductive electrolyte membrane and the outer layer may be a three-layer structure or more as long as it is the outermost layer on the side not in contact with the proton conductive electrolyte membrane. That is, there may be one or more intermediate catalyst layers between the inner layer and the outer layer. Although the inner layer and the outer layer are not limited as long as they have the structure of the present invention, the intermediate catalyst layer is preferably a catalyst layer having an intermediate property between the inner layer and the outer layer, for example, contained in the intermediate layer. When the catalyst support carbon material to be used is a mixture of catalyst support carbon materials A and B, or when there are multiple intermediate layers, the mass ratio of catalyst support carbon material A and catalyst support carbon material B from the inner layer direction toward the outer layer direction A configuration in which A / (A + B) decreases is preferable. The intermediate layer may be a single layer, and the mass ratio A / (A + B) of the catalyst support carbon material A and the catalyst support carbon material B may be continuously changed in the intermediate layer. .

触媒担体炭素材料Aには、触媒成分を担持する機能の他に、乾燥状態でも安定した発電性能を得るために近傍の電解質材料を加湿できる程度の水を蓄えられる機能を有する炭素材料を選択する。特に、水を蓄えられる機能をより効果的に発現させるために、BET評価法による比表面積SBETが1000m2/g以上4000m2/g以下で、かつtプロット解析による直径2nm以下のミクロ孔表面積Smicroと全表面積Stotalの比Smicro/Stotalが0.5以上であることが必要である。ここで、BET評価による比表面積SBETとは、窒素ガスの液体窒素温度での等温吸着線の測定からBET法により求めた比表面積値である。比表面積SBETが1000m2/g以上4000m2/g以下であると、触媒成分が担持し易く、湿潤条件下では触媒担体炭素材料に水を蓄え易くなり、乾燥条件下では蓄えられた水を徐々に放出し、近傍に存在する電解質材料の含水率の低下を防ぐことができるので、電解質材料のプロトン電導性の低下を抑制することができる。1000m2/g未満であると、触媒担体炭素材料が保水できる量が少なくなり、低加湿条件や低負荷運転時のような乾燥条件下では、触媒層中の電解質物質の含水率が低下し、プロトン伝導性に起因する内部抵抗が上昇し易くなる。また、比表面積の上限は特に限定されないが、実質的に利用できる炭素材料の比表面積として4000m2/g以下である。 For the catalyst carrier carbon material A, in addition to the function of supporting the catalyst component, a carbon material having a function of storing water that can humidify the nearby electrolyte material in order to obtain stable power generation performance even in a dry state is selected. . In particular, in order to express the function of storing water more effectively, the specific surface area S BET by the BET evaluation method is 1000 m 2 / g or more and 4000 m 2 / g or less, and the micropore surface area by the t plot analysis is 2 nm or less in diameter. The ratio S micro / S total of S micro and total surface area S total needs to be 0.5 or more. Here, the specific surface area S BET by BET evaluation is a specific surface area value obtained by the BET method from measurement of an isothermal adsorption line at a liquid nitrogen temperature of nitrogen gas. When the specific surface area S BET is 1000 m 2 / g or more and 4000 m 2 / g or less, the catalyst component is easily supported, and it becomes easy to store water in the catalyst support carbon material under wet conditions, and the stored water under dry conditions. Since the water content of the electrolyte material that is gradually released and is present in the vicinity can be prevented, a decrease in the proton conductivity of the electrolyte material can be suppressed. If the amount is less than 1000 m 2 / g, the amount of water that can be retained by the catalyst-supporting carbon material is reduced, and the moisture content of the electrolyte substance in the catalyst layer decreases under dry conditions such as low humidification conditions and low load operation, The internal resistance due to proton conductivity tends to increase. Moreover, the upper limit of the specific surface area is not particularly limited, but the specific surface area of the carbon material that can be substantially used is 4000 m 2 / g or less.

また、前記触媒担体炭素材料Aに関し、上記のように、tプロット解析による直径2nm以下のミクロ孔表面積Smicroと全表面積Stotalの比Smicro/Stotalが0.5以上であることが必要である。ここで、直径2nm以下の孔として定義されるミクロ孔の比表面積Smicro、及び全表面積Stotalは、窒素ガスの液体窒素温度における等温吸着線から算出されるものであり、t-プロット解析(日本化学会編 コロイド化学I (株)東京化学同人 1995年発行)により算出される値を用いた。ミクロ孔表面積Smicroと全表面積Stotalの比Smicro/Stotalが0.5以上であると、実質的に乾燥条件下での発電性能が更に向上する。詳細なメカニズムは不明ではあるが、直径2nm以下の孔として定義されるミクロ孔は、燃料電池の運転環境において湿潤条件下で水を蓄え易く、乾燥条件下で蓄えていた水を適度に放出する性質を有しており、特に、比表面積SBETが1000m2/g以上4000m2/g以下で、かつSmicro/Stotalが0.5以上であると、触媒成分の担持のし易さが向上すると共に、触媒担持炭素材料が保水できる量、並びに、水の吸放出特性のバランスが良くなり、湿潤条件下でも乾燥条件下でも安定した発電特性が得られると推定している。SmicroがStotalより大きくなることは有り得ないので、Smicro/Stotalの上限は1である。Smicro/Stotalが0.5未満になると、実質的に乾燥条件下での発電性能が低下し、十分な特性が得られない。 As for the catalyst support carbon material A, as described above, the ratio S micro / S total of the micropore surface area S micro and the total surface area S total having a diameter of 2 nm or less by t plot analysis needs to be 0.5 or more. . Here, the specific surface area S micro of the micropores defined as pores having a diameter of 2 nm or less, and the total surface area S total are calculated from the isotherm adsorption line at the liquid nitrogen temperature of nitrogen gas, and t-plot analysis ( The value calculated by Colloid Chemistry I, Tokyo Chemical Doujin (1995) published by the Chemical Society of Japan was used. When the ratio S micro / S total of the micropore surface area S micro and the total surface area S total is 0.5 or more, the power generation performance under the dry condition is further improved. Although the detailed mechanism is unknown, micropores defined as pores with a diameter of 2 nm or less are easy to store water under the wet condition in the operating environment of the fuel cell, and moderately release the water stored under the dry condition In particular, when the specific surface area S BET is 1000 m 2 / g or more and 4000 m 2 / g or less and S micro / S total is 0.5 or more, the ease of supporting the catalyst component is improved. At the same time, it is estimated that the amount of water that can be retained by the catalyst-carrying carbon material and the balance between the water absorption and release characteristics are improved, and stable power generation characteristics can be obtained under both wet and dry conditions. Since S micro is impossible be larger than S total, the upper limit of S micro / S total is 1. When S micro / S total is less than 0.5, the power generation performance under a dry condition is substantially lowered, and sufficient characteristics cannot be obtained.

本発明に用いられる触媒担体炭素材料Aは、一般的に存在する炭素材料であれば特に限定するものではなく、上述のように比表面積SBETが1000m2/g以上4000m2/g以下で、Smicro/Stotalが0.5以上である炭素材料であれば、好ましい炭素材料として用いることができる。特に、本来求められる反応以外の化学反応を起こしたり、凝縮水との接触によって炭素材料を構成する物質が溶出するような材料は好ましくなく、化学的に安定な炭素材料が好ましい。触媒担体炭素材料Aとしては、カーボンブラック、黒鉛、炭素繊維、活性炭等やこれらの粉砕物、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等の炭素化合物等が使用できる。2種類以上を混合して用いることもできる。最も好ましい炭素材料の例として活性炭を挙げることができる。一般に、活性炭はその製造方法に応じて酸素が活性炭の細孔表面に種々の化学的形態で導入される。例示するならば、カルボキシル基、水酸基、キノン型酸素、ラクトン環、環状エーテル等である。本発明者らが鋭意検討した結果、酸素含有量が多過ぎると、燃料電池の触媒層中で長期的に使用されたときに、触媒担体炭素材料A自身が酸化消耗し易く、発電性能の低下につながり易くなる。最適な酸素含有量の範囲は、5質量%以下である。活性炭の酸素含有量が5質量%を超えると、触媒担体炭素材料Aが燃料電池運転環境下で酸化消耗し易くなり、触媒の寿命が低下するため、本発明には適用することができない場合がある。酸素含有官能基の種類は特に限定されるものではない。 The catalyst support carbon material A used in the present invention is not particularly limited as long as it is a generally existing carbon material, and as described above, the specific surface area S BET is 1000 m 2 / g or more and 4000 m 2 / g or less, Any carbon material having S micro / S total of 0.5 or more can be used as a preferred carbon material. In particular, a material that causes a chemical reaction other than the originally required reaction or that elutes a substance constituting the carbon material by contact with condensed water is not preferable, and a chemically stable carbon material is preferable. As the catalyst carrier carbon material A, carbon black, graphite, carbon fiber, activated carbon and the like, pulverized products thereof, carbon compounds such as carbon nanofiber and carbon nanotube, and the like can be used. Two or more types can be mixed and used. An example of the most preferable carbon material is activated carbon. Generally, activated carbon has oxygen introduced into the pore surface of activated carbon in various chemical forms depending on the production method. Illustrative examples include a carboxyl group, a hydroxyl group, a quinone type oxygen, a lactone ring, and a cyclic ether. As a result of intensive studies by the present inventors, when the oxygen content is too high, the catalyst support carbon material A itself is easily oxidized and consumed when used in the catalyst layer of the fuel cell for a long period of time, resulting in a decrease in power generation performance. It becomes easy to connect to. The optimal oxygen content range is 5% by mass or less. If the oxygen content of the activated carbon exceeds 5% by mass, the catalyst support carbon material A is likely to be oxidized and consumed in the fuel cell operating environment, and the life of the catalyst is reduced, so it may not be applicable to the present invention. is there. The kind of oxygen-containing functional group is not particularly limited.

さらに、触媒担体炭素材料Aとして、25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量が100mL/g以上である炭素材料を選ぶと、触媒成分近傍にある電解質が適当な湿潤状態を保ち、プロトン伝導性の低下を防ぐことができるため、カソードの触媒成分上で水があまり生成しない低電流放電時にもプロトン伝導抵抗が上昇せず、燃料電池としてより好ましい状態を維持できる。したがって、本発明の触媒担持炭素材料は、水に対して濡れ易いほど良く、25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量の好ましい範囲の上限値を限定することはできない。仮に25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量の実質的な上限値を例示するならば、高比表面積の活性炭で得られると推定される2000mL/g程度を挙げることができる。触媒担持炭素材料の相対湿度90%における水蒸気吸着量が100mL/gより低いと、乾燥条件下で触媒成分近傍にある電解質が乾き易くなり、プロトン伝導性が低下し易くなるため、好ましくない場合がある。さらに好ましくは、触媒担体炭素材料Aの、25℃、相対湿度90%での水蒸気吸着量が400ml/g以上であると、きびしい乾燥状態でも触媒成分近傍にある電解質が適当な湿潤状態を保ち、プロトン伝導性の低下を防ぐことができるため、燃料電池性能の低下を最小限に抑えることが可能となる。   Furthermore, when a carbon material with a water vapor adsorption amount of 100 mL / g or more at 25 ° C. and a relative humidity of 90% is selected as the catalyst support carbon material A, the electrolyte in the vicinity of the catalyst component remains in an appropriate wet state, and proton conductivity Therefore, the proton conduction resistance does not increase even during a low current discharge in which water is not generated so much on the catalyst component of the cathode, and a more preferable state as a fuel cell can be maintained. Therefore, the catalyst-carrying carbon material of the present invention is so good that it is easily wetted with water, and the upper limit value of the preferable range of the water vapor adsorption amount at 25 ° C. and relative humidity of 90% cannot be limited. If the substantial upper limit of the amount of water vapor adsorption at 25 ° C. and 90% relative humidity is exemplified, about 2000 mL / g estimated to be obtained with activated carbon having a high specific surface area can be mentioned. If the amount of water vapor adsorbed at 90% relative humidity of the catalyst-supporting carbon material is lower than 100 mL / g, the electrolyte in the vicinity of the catalyst component tends to dry under dry conditions, and proton conductivity tends to decrease. is there. More preferably, when the water vapor adsorption amount of the catalyst support carbon material A at 25 ° C. and a relative humidity of 90% is 400 ml / g or more, the electrolyte in the vicinity of the catalyst component maintains an appropriate wet state even in a severe dry state, Since a decrease in proton conductivity can be prevented, a decrease in fuel cell performance can be minimized.

また、燃料電池起動停止時等に、燃料極が空気等の存在によって部分的に水素が欠乏した箇所が存在すると、空気極の電位が上昇し、触媒担体である炭素材料が酸化消耗することが知られているが、本発明の燃料電池の耐久性をさらに強化するためには、触媒担体炭素材料Aの25℃、相対湿度10%における水蒸気吸着量が2ml/g以下であると、上記酸化消耗が抑制され、酸化消耗耐性により優れた触媒とすることができる。触媒担体として用いられる炭素材料の、25℃、相対湿度10%における水蒸気吸着量が2ml/g超であると、上記酸化消耗が著しくなる場合があり、触媒担体の親水性が高まり、排水能が低下する傾向になって、燃料電池性能が低下する場合がある。また、上記酸化消耗に伴って担持されていた触媒が一部脱落する場合や、一部溶出する場合があって、それにより触媒量が減少し、燃料電池性能が低下する場合がある。   Further, when the fuel electrode is partially depleted of hydrogen due to the presence of air or the like when the fuel cell is started or stopped, the potential of the air electrode increases, and the carbon material that is the catalyst carrier may be oxidized and consumed. As is known, in order to further enhance the durability of the fuel cell of the present invention, the amount of water vapor adsorbed at 25 ° C. and 10% relative humidity of the catalyst support carbon material A is 2 ml / g or less. Consumption is suppressed, and a catalyst excellent in oxidation consumption resistance can be obtained. When the carbon material used as the catalyst support has a water vapor adsorption amount of more than 2 ml / g at 25 ° C. and a relative humidity of 10%, the oxidation consumption may be significant, and the hydrophilicity of the catalyst support increases and the drainage capacity increases. In some cases, the fuel cell performance may decrease due to a tendency to decrease. In addition, a part of the supported catalyst may fall off or partly elute due to the above oxidation consumption, which may reduce the amount of the catalyst and lower the fuel cell performance.

相対湿度10%での水蒸気吸着量が2ml/g以下であると、酸化消耗が抑制される物理的根拠は明確ではないが、低い相対湿度での水蒸気吸着は、アグリゲート構造や細孔構造ではなく、表面に吸着している官能基に依存していると考えられ、官能基量と酸化消耗耐性に強い相関があるということは、官能基の種類によってはその存在が酸化消耗を促進し、触媒粒子の脱落や溶出を引き起こしていると推測できる。   If the amount of water vapor adsorption at 10% relative humidity is 2 ml / g or less, the physical basis for suppressing oxidative consumption is not clear, but water vapor adsorption at low relative humidity is not possible with aggregate structures or pore structures. It is thought that it depends on the functional groups adsorbed on the surface, and there is a strong correlation between the amount of functional groups and the resistance to oxidation consumption. It can be inferred that the catalyst particles fall off and are eluted.

触媒担体として用いられる炭素材料の、25℃、相対湿度10%における水蒸気吸着量は、酸化消耗耐性のみを考えるのであれば小さいほど良いが、触媒を担持する際の分散性は官能基の存在によって逆に向上することも考えられるため、触媒担体炭素材料Aの25℃、相対湿度10%における水蒸気吸着量は0.05ml/g以上とすることがより好ましい。   The amount of water vapor adsorption at 25 ° C and relative humidity of 10% of the carbon material used as the catalyst support is better if only considering oxidation resistance, but the dispersibility when supporting the catalyst depends on the presence of functional groups. On the other hand, since improvement is also conceivable, the water vapor adsorption amount at 25 ° C. and 10% relative humidity of the catalyst support carbon material A is more preferably 0.05 ml / g or more.

本発明においては、触媒の保湿能力に対応する指標である25℃、相対湿度90%での水蒸気吸着量(V90)が高い値を有すると同時に、触媒担体炭素材料の高い耐酸化消耗性に対応する指標である25℃、相対湿度10%での水蒸気吸着量(V10)が小さい値を有することが、耐久性と触媒の高活性の両立にはより好ましい。鋭意検討の結果、25℃、相対湿度10%での水蒸気吸着量(V10)と25℃、相対湿度90%での水蒸気吸着量(V90)の比であるV10/V90が0.002以下であると、高い耐久性(耐酸化消耗性)と高い保湿能力の両立に好適であることが見出された。さらに好ましくは、0.0018以下である。V10/V90が0.002を超えると、耐久性の低下、あるいは、保湿性能の低下を生じることになる。 In the present invention, the water vapor adsorption amount (V 90 ) at 25 ° C. and a relative humidity of 90%, which is an index corresponding to the moisturizing ability of the catalyst, has a high value, and at the same time, high oxidation consumption resistance of the catalyst support carbon material It is more preferable that the water vapor adsorption amount (V 10 ) at 25 ° C. and 10% relative humidity as a corresponding index has a small value in order to achieve both durability and high catalyst activity. Result of extensive studies, 25 ° C., the amount of adsorbed water vapor at a relative humidity of 10% (V 10) and 25 ℃, V 10 / V 90 is the ratio of the water vapor adsorption amount at a relative humidity of 90% (V 90) is 0.002 or less It has been found that it is suitable for achieving both high durability (oxidation wear resistance) and high moisturizing ability. More preferably, it is 0.0018 or less. When V 10 / V 90 exceeds 0.002, the durability or the moisture retention performance is deteriorated.

本発明で指標となる25℃、相対湿度10%と90%における水蒸気吸着量は、25℃の環境に置かれた炭素材料1g当たりに吸着した水蒸気量を標準状態の水蒸気体積に換算して示した指標である。炭素材料の25℃、相対湿度10%と90%における水蒸気吸着量の測定は、市販の水蒸気吸着量測定装置を用いて測定することができる。本発明における水蒸気吸着量は、水蒸気の蒸気圧0の真空状態から吸着を開始し、水蒸気の相対圧を高めて徐々に炭素材料に水蒸気を吸着させたときの吸着量、いわゆる、等温吸着曲線における相対湿度10%と90%の値を用いたものである。   The amount of water vapor adsorbed at 25 ° C. and relative humidity of 10% and 90% as an index in the present invention is shown by converting the amount of water vapor adsorbed per 1 g of carbon material placed in an environment of 25 ° C. into the water vapor volume in the standard state. Index. The measurement of the water vapor adsorption amount at 25 ° C. and relative humidity of 10% and 90% of the carbon material can be performed using a commercially available water vapor adsorption amount measuring device. The water vapor adsorption amount in the present invention is an adsorption amount when the water vapor is gradually adsorbed on the carbon material by starting the adsorption from a vacuum state where the vapor pressure of the water vapor is zero, and gradually increasing the relative pressure of the water vapor. Relative humidity values of 10% and 90% are used.

また、触媒担持炭素材料Aの一次粒子径は5μm以下10nm以上がより好ましい。この範囲より大きな炭素材料は粉砕して用いることができ、粉砕する方が好ましい。一次粒子径が5μm超であると、ガス拡散経路やプロトン伝導経路を分断する恐れが高くなる他、特に経済的な理由により触媒成分の使用量が限定され、例えば、厚さ10μm程度の触媒層で性能を発現することが求められた時に、触媒層の触媒担持炭素材料の分布が不均一になり易く、好ましくない場合がある。また、一次粒子径が10nm未満であると、電子伝導性が低くなり、好ましくない場合がある上、Smicro/Stotalが0.5以上の炭素材料が実質的に得られなくなる場合がある。 The primary particle size of the catalyst-carrying carbon material A is more preferably 5 μm or less and 10 nm or more. A carbon material larger than this range can be used after being pulverized, and is preferably pulverized. If the primary particle diameter is more than 5 μm, there is a high risk of disrupting the gas diffusion path and proton conduction path, and the amount of the catalyst component used is particularly limited due to economic reasons. For example, a catalyst layer having a thickness of about 10 μm. When it is required to exhibit performance, the distribution of the catalyst-supporting carbon material in the catalyst layer tends to be non-uniform, which is not preferable. Further, if the primary particle diameter is less than 10 nm, the electron conductivity is lowered, which is not preferable in some cases, and a carbon material having S micro / S total of 0.5 or more may not be substantially obtained.

触媒担体炭素材料Bには、触媒成分を担持する機能の他に、ガスを効率よく拡散させる機能を有する炭素材料を選択する。特に、ガスを効率良く拡散させる機能をより効果的に発現させるために、ストラクチャーが発達した炭素材料が用いられることが好ましい。このためには、触媒担体炭素材料BのDBP吸油量XmL/100gとBET評価による比表面積SBETとの比X/SBETが、0.2以上3.0以下であることが必要である。好ましい材料の例は、カーボンブラックである。カーボンブラックは、一次粒子が複数個融着し、ストラクチャーと呼ばれる二次構造を形成している。種類によっては、このストラクチャーが発達しており、一次粒子のつながりが空間を抱え込んだ構造になっている。触媒担体炭素材料Bにこのような構造を有している炭素材料を用いると、抱え込んだ空間がガスの拡散経路となったり、水の移動経路となったりするため、好ましい。つまり、触媒担体炭素材料Aは水を蓄え易い特性を持った炭素材料を選択するが、このような特性を持った炭素材料は、ストラクチャーが発達していない場合が多く、触媒担体炭素材料A単独で触媒担体炭素材料を構成させた場合、ガス拡散経路を発達させることが難しい。ストラクチャーの発達した触媒担体炭素材料Bを複合することによって、触媒担体炭素材料Aの近傍にガス拡散経路を発達させることができ、特に高負荷運転時や高加湿条件下でガスの拡散経路が水によって閉塞されることを防ぐことができるため、好ましい。 As the catalyst support carbon material B, a carbon material having a function of efficiently diffusing gas in addition to a function of supporting a catalyst component is selected. In particular, in order to more effectively express the function of diffusing gas efficiently, a carbon material with a developed structure is preferably used. For this purpose, the ratio X / S BET between the DBP oil absorption amount XmL / 100 g of the catalyst support carbon material B and the specific surface area S BET by BET evaluation needs to be 0.2 or more and 3.0 or less. An example of a preferred material is carbon black. In carbon black, a plurality of primary particles are fused to form a secondary structure called a structure. Depending on the type, this structure has been developed, and the primary particles are connected to each other in a space. It is preferable to use a carbon material having such a structure as the catalyst support carbon material B because the enclosed space serves as a gas diffusion path or a water movement path. In other words, the carbon material A for the catalyst carrier is selected as a carbon material that has the property of easily storing water, but the carbon material having such a characteristic often has an undeveloped structure, and the catalyst carrier carbon material A alone is selected. It is difficult to develop a gas diffusion path when the catalyst-supporting carbon material is constituted by the above. By compounding the catalyst support carbon material B with a developed structure, it is possible to develop a gas diffusion path in the vicinity of the catalyst support carbon material A, and the gas diffusion path is water in particular under high load operation and high humidification conditions. It is preferable because it can be prevented from being clogged by.

ストラクチャーの程度は、電子顕微鏡で観察して決定する方法もあるが、DBP吸油量と比表面積の関係で判断できる。   The degree of structure can be determined by observing with an electron microscope, but can be determined by the relationship between DBP oil absorption and specific surface area.

DBP吸油量とは、単位質量のカーボンブラックにフタル酸ジブチルを接触させたときに、カーボンブラックに吸収されるフタル酸ジブチルの量のことであり、主に一次粒子の間隙に吸収されるので、ストラクチャーが発達しているとDBP吸油量は大きくなり、ストラクチャーがあまり発達していないとDBP吸油量は小さくなる傾向にある。但し、DBPは、一次粒子の間隙以外に一次粒子内部に形成された微細孔にも吸収されるので、DBP吸油量がそのままストラクチャーの程度を表すとは限らない。窒素吸着量で測定されるような比表面積が大きくなると、微細孔に吸収されるDBPが多くなり、全体のDBP吸油量も大きくなる傾向にあるためである。したがって、高ストラクチャーカーボンブラックでは、窒素吸着量の割にはDBP吸油量が大きくなり、逆に低ストラクチャーカーボンブラックでは、窒素吸着量の割にDBP吸油量が小さくなる。   DBP oil absorption is the amount of dibutyl phthalate absorbed by carbon black when unitary carbon black is brought into contact with dibutyl phthalate, and is mainly absorbed in the gaps between primary particles. When the structure is developed, the DBP oil absorption increases, and when the structure is not so developed, the DBP oil absorption tends to decrease. However, DBP is absorbed not only by the gaps between the primary particles but also by the micropores formed inside the primary particles, so that the DBP oil absorption amount does not always represent the degree of structure. This is because when the specific surface area as measured by the nitrogen adsorption amount increases, the DBP absorbed in the micropores increases, and the total DBP oil absorption amount tends to increase. Therefore, in the high structure carbon black, the DBP oil absorption amount is large for the nitrogen adsorption amount, and conversely, in the low structure carbon black, the DBP oil absorption amount is small for the nitrogen adsorption amount.

触媒担体炭素材料Bに、DBP吸油量XmL/100gとBET評価による比表面積SBETm2/gの比X/SBETが0.2以上3.0以下である炭素材料を用いると、導電経路を確保しつつ、ガス拡散経路や水の移動経路を確保でき、高性能な触媒層を得ることができる。X/SBETの比が0.2未満であると、ガス拡散経路としては空間が貧弱になり、安定して触媒層の性能を引き出すことが難しい。3.0超であると、導電性が損なわれる。 When a carbon material having a DBP oil absorption amount XmL / 100 g and a specific surface area S BET m 2 / g ratio X / S BET of 0.2 to 3.0 is used as the catalyst support carbon material B while securing a conductive path A gas diffusion path and a water movement path can be secured, and a high-performance catalyst layer can be obtained. When the ratio of X / S BET is less than 0.2, the space for the gas diffusion path becomes poor, and it is difficult to stably extract the performance of the catalyst layer. If it exceeds 3.0, the conductivity is impaired.

本発明に用いられる触媒担体炭素材料Bは、一般的に存在する炭素材料であれば特に限定するものではなく、上述のようにDBP吸油量XmL/100gとBET評価による比表面積SBETm2/gの比X/SBETが0.2以上3.0である炭素材料であれば、好ましい炭素材料として用いることができる。特に、本来求められる反応以外の化学反応を起こしたり、凝縮水との接触によって炭素材料を構成する物質が溶出するような材料は好ましくなく、化学的に安定な炭素材料が好ましい。触媒担体炭素材料Bとしては、カーボンブラック、黒鉛、炭素繊維、活性炭等やこれらの粉砕物、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等の炭素化合物等が使用できる。2種類以上を混合して用いることもできる。最も好ましい炭素材料の例としてカーボンブラックを挙げることができる。 The catalyst support carbon material B used in the present invention is not particularly limited as long as it is a generally existing carbon material. As described above, the DBP oil absorption amount XmL / 100 g and the specific surface area S BET m 2 / BET according to BET evaluation. Any carbon material having a g ratio X / S BET of 0.2 or more and 3.0 can be used as a preferred carbon material. In particular, a material that causes a chemical reaction other than the originally required reaction or that elutes a substance constituting the carbon material by contact with condensed water is not preferable, and a chemically stable carbon material is preferable. As the catalyst support carbon material B, carbon black, graphite, carbon fiber, activated carbon and the like, pulverized products thereof, carbon compounds such as carbon nanofiber and carbon nanotube, and the like can be used. Two or more types can be mixed and used. An example of the most preferable carbon material is carbon black.

また、触媒担持炭素材料Bの一次粒子径は5μm以下5nm以上がより好ましい。この範囲より大きな炭素材料は粉砕して用いることができ、粉砕する方が好ましい。一次粒子径が5μm超であると、ガス拡散経路やプロトン伝導経路を分断する恐れが高くなる他、特に経済的な理由により触媒成分の使用量が限定され、例えば、厚さ10μm程度の触媒層で性能を発現することが求められた時に、触媒層の触媒担持炭素材料の分布が不均一になり易く、好ましくない場合がある。また、一次粒子径が5nm未満であると、電子伝導性が低くなり好ましくない場合がある。   The primary particle diameter of the catalyst-carrying carbon material B is more preferably 5 μm or less and 5 nm or more. A carbon material larger than this range can be used after being pulverized, and is preferably pulverized. If the primary particle diameter is more than 5 μm, there is a high risk of disrupting the gas diffusion path and proton conduction path, and the amount of the catalyst component used is particularly limited due to economic reasons. For example, a catalyst layer having a thickness of about 10 μm. When it is required to exhibit performance, the distribution of the catalyst-supporting carbon material in the catalyst layer tends to be non-uniform, which is not preferable. Further, if the primary particle diameter is less than 5 nm, the electron conductivity may be lowered, which is not preferable.

触媒層中における、触媒担体炭素材料A及びBの触媒層中の好ましい含有率は、触媒担体炭素材料A及びBの種類、ガス拡散炭素材料の種類や含有率、触媒成分の種類や担持率によって影響を受けるので、特定することはできないが、触媒担体炭素材料AとB を合わせた触媒層中の含有率が5質量%以上80質量%以下の範囲であれば、少なくとも燃料電池が機能し、本発明の効果を得ることができる。より好ましい範囲を例示するならば、10質量%以上60質量%以下である。この範囲外であると、他の成分とのバランスが悪くなり、効率の良い燃料電池にならない場合がある。例えば、5質量%未満であると、触媒担体炭素材料AやBの上に担持される触媒成分の量が少なく制限され、十分な性能を発揮しない場合がある。また、例えば、80質量%超であると、電解質材料の量が少なくなり過ぎて、プロトンの伝達経路が貧弱になるため、やはり効率の良い電池にはならない場合がある。   The preferred content in the catalyst layer of the catalyst support carbon materials A and B in the catalyst layer depends on the type of catalyst support carbon materials A and B, the type and content of the gas diffusion carbon material, the type of catalyst component and the loading rate. Since it is affected, it cannot be specified, but if the content in the catalyst layer combining the catalyst support carbon materials A and B is in the range of 5% by mass to 80% by mass, at least the fuel cell functions, The effects of the present invention can be obtained. If a more preferable range is illustrated, it is 10 mass% or more and 60 mass% or less. If it is out of this range, the balance with other components is deteriorated, and an efficient fuel cell may not be obtained. For example, if it is less than 5% by mass, the amount of the catalyst component supported on the catalyst-supporting carbon materials A and B is limited, and sufficient performance may not be exhibited. For example, if it exceeds 80% by mass, the amount of the electrolyte material becomes too small and the proton transmission path becomes poor, so that an efficient battery may not be obtained.

本発明の触媒層中に含有する前記触媒担体炭素材料Aと前記触媒担体炭素材料Bの質量比A/(A+B)は、0.2以上0.95以下の範囲であることが好ましい。前記触媒担体炭素材料Aと前記触媒担体炭素材料Bの質量比A/(A+B)が0.2未満であると、触媒担体炭素材料Aの複合効果が得られ難くなり、低負荷運転時や低加湿条件下で触媒層中の電解質物質の含水率が低下し易くなり、プロトン伝導性に起因する内部抵抗が上昇し易くなり、好ましくない。前記触媒担体炭素材料Aと前記触媒担体炭素材料Bの質量比A/(A+B)が0.95超であると、高負荷運転時や高加湿条件下でガス拡散経路が水によって閉塞され易くなるので好ましくない。   The mass ratio A / (A + B) of the catalyst support carbon material A and the catalyst support carbon material B contained in the catalyst layer of the present invention is preferably in the range of 0.2 to 0.95. When the mass ratio A / (A + B) between the catalyst support carbon material A and the catalyst support carbon material B is less than 0.2, it is difficult to obtain the combined effect of the catalyst support carbon material A, and it is difficult to obtain a low load operation or low It is not preferable because the moisture content of the electrolyte substance in the catalyst layer tends to decrease under humidified conditions, and the internal resistance due to proton conductivity tends to increase. When the mass ratio A / (A + B) of the catalyst support carbon material A and the catalyst support carbon material B is more than 0.95, the gas diffusion path is likely to be clogged with water during high load operation or high humidification conditions. Therefore, it is not preferable.

また、保水性の高い触媒担体炭素材料Aを含有する内層には、導電助剤炭素材料を含む。本発明の触媒層で導電助剤炭素材料の種類は、一般的に存在する電子伝導性を有する炭素材料であれば特に限定するものではないが、本来求められる反応以外の化学反応を起したり、凝縮水との接触によって炭素材料を構成する物質が溶出するような材料は好ましくなく、化学的に安定な炭素材料が好ましい。また、前記炭素材料の一次粒子径は1μm以下5nm以上がより好ましい。この範囲より大きな炭素材料は粉砕して用いることができる。一次粒子径が1μm超であると、触媒層中の導電助剤炭素材料の分布が不均一になり易く、好ましくない場合がある。また、一次粒子径が5nm未満であると、電子伝導性が低くなり、好ましくない場合がある。好ましい導電助剤炭素材料としては、カーボンブラックが最も一般的であるが、その他にも、電子伝導性を有するものであれば、黒鉛、炭素繊維、活性炭等やこれらの粉砕物、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等の炭素化合物等が使用できる。また、これらの2種類以上を混合して使用することもできる。中でも、導電助剤炭素材料の電子導電率が、触媒担持炭素材料Aの電子導電率以上であるのがより好ましい(導電助剤炭素材料≧触媒担持炭素材料A)。   Further, the inner layer containing the catalyst carrier carbon material A having high water retention contains a conductive auxiliary agent carbon material. The kind of the conductive auxiliary carbon material in the catalyst layer of the present invention is not particularly limited as long as it is a generally existing carbon material having electron conductivity, but may cause a chemical reaction other than the originally required reaction. A material from which a substance constituting the carbon material is eluted by contact with condensed water is not preferable, and a chemically stable carbon material is preferable. The primary particle size of the carbon material is more preferably 1 μm or less and 5 nm or more. Carbon materials larger than this range can be used after being pulverized. When the primary particle diameter is more than 1 μm, the distribution of the conductive auxiliary agent carbon material in the catalyst layer tends to be non-uniform, which is not preferable. On the other hand, if the primary particle diameter is less than 5 nm, the electron conductivity is lowered, which is not preferable. Carbon black is most commonly used as a preferred conductive aid carbon material, but, in addition, if it has electronic conductivity, graphite, carbon fiber, activated carbon and the like, pulverized products thereof, carbon nanofiber, Carbon compounds such as carbon nanotubes can be used. Also, a mixture of two or more of these can be used. Among them, the electronic conductivity of the conductive auxiliary agent carbon material is more preferably equal to or higher than the electronic electric conductivity of the catalyst supporting carbon material A (conductive auxiliary agent carbon material ≧ catalyst supporting carbon material A).

本発明の導電助剤炭素材料は、ある程度ストラクチャーが発達した炭素材料が用いられることが好ましい。好ましい材料の例は、カーボンブラックである。カーボンブラックは、一次粒子が複数個融着し、ストラクチャーと呼ばれる二次構造を形成している。種類によっては、このストラクチャーが発達しており、一次粒子のつながりが空間を抱え込んだ構造になっている。導電助剤炭素材料にこのような構造を有している炭素材料を用いると、抱え込んだ空間がガスの拡散経路となったり、水の移動経路となったりするため、好ましい。   The conductive auxiliary carbon material of the present invention is preferably a carbon material having a structure developed to some extent. An example of a preferred material is carbon black. In carbon black, a plurality of primary particles are fused to form a secondary structure called a structure. Depending on the type, this structure has been developed, and the primary particles are connected to each other in a space. It is preferable to use a carbon material having such a structure as the conductive assistant carbon material because the enclosed space serves as a gas diffusion path or a water movement path.

導電助剤炭素材料に、DBP吸油量XmL/100gとBET評価による比表面積SBETm2/gの比X/SBETが0.2以上3.0以下である炭素材料を用いると、導電経路を確保しつつ、ガス拡散経路や水の移動経路を確保できるので、より高性能な触媒層を得ることができるので、好ましい。X/SBETの比が0.2未満であると、ガス拡散経路としては空間が貧弱になり、安定して触媒層の性能を引き出すことが難しい場合がある。3.0超であると、導電性が損なわれることがあり、好ましくない場合がある。 Using a carbon material with a DBP oil absorption amount XmL / 100g and a specific surface area S BET m 2 / g ratio X / S BET of 0.2 or more and 3.0 or less as the conductive auxiliary agent carbon material while ensuring a conductive path Since a gas diffusion path and a water movement path can be secured, a higher performance catalyst layer can be obtained, which is preferable. When the ratio of X / S BET is less than 0.2, the space for the gas diffusion path becomes poor, and it may be difficult to stably extract the performance of the catalyst layer. If it exceeds 3.0, the conductivity may be impaired, which may not be preferable.

本発明の導電助剤炭素材料の触媒層内層中における含有率は、3質量%以上30質量%以下の範囲内にあると、好ましい。この範囲内であれば、触媒担体炭素材料A自身の電子伝導性が劣る場合においても、導電助剤炭素材料が触媒成分から効果的に集電することができる。3質量%未満であると、添加効果が小さく、集電効果が低くなることがある。30質量%以上であると、触媒層内層中の触媒成分密度が下がり過ぎてしまい、特に、カソードガスに空気を用いた場合等に濃度分極が大きくなることがあり、好ましくない場合がある。特に、触媒担体炭素材料Aの質量を1としたときに、導電助剤炭素材料の質量が、0.05以上0.4以下の範囲内にあると、より好ましい。この範囲にあると、湿潤条件下の発電特性と乾燥条件下の発電特性との差が小さくなり、条件に左右され難い安定した特性を発揮することができる。0.05未満であると、内層の電子伝導性が低下するため、内部抵抗が上昇し性能低下する場合がある。0.4超であると、触媒層内層中の触媒成分密度が下がり過ぎてしまい、特にカソードガスに空気を用いた場合等に濃度分極が大きくなることがあり、好ましくない場合がある。   The content of the conductive additive carbon material of the present invention in the inner layer of the catalyst layer is preferably in the range of 3% by mass to 30% by mass. Within this range, even when the catalyst carrier carbon material A itself has poor electronic conductivity, the conductive assistant carbon material can effectively collect current from the catalyst component. If it is less than 3% by mass, the effect of addition is small, and the current collecting effect may be low. If it is 30% by mass or more, the density of the catalyst component in the inner layer of the catalyst layer is excessively lowered. In particular, concentration polarization may increase when air is used as the cathode gas, which is not preferable. In particular, when the mass of the catalyst support carbon material A is 1, it is more preferable that the mass of the conductive additive carbon material is in the range of 0.05 to 0.4. Within this range, the difference between the power generation characteristics under wet conditions and the power generation characteristics under dry conditions becomes small, and stable characteristics that are hardly affected by conditions can be exhibited. If it is less than 0.05, the electron conductivity of the inner layer is lowered, so that the internal resistance is increased and the performance may be lowered. If it exceeds 0.4, the density of the catalyst component in the inner layer of the catalyst layer is excessively lowered, and the concentration polarization may be increased particularly when air is used as the cathode gas, which is not preferable.

本発明の導電助剤炭素材料の最適な酸素含有量の範囲は、5質量%以下であり、より好ましくは3質量%以下である。導電助剤炭素材料の酸素含有量が5質量%を超えると、導電助剤炭素材料の集電効果が低下するため、導電助剤炭素材料を使用する効果が得られなくなることがある。酸素含有量の下限値は特になく、殆ど含有する酸素が無くても良好な特性を示す。   The range of the optimal oxygen content of the conductive assistant carbon material of the present invention is 5% by mass or less, more preferably 3% by mass or less. If the oxygen content of the conductive assistant carbon material exceeds 5% by mass, the current collecting effect of the conductive assistant carbon material is reduced, and the effect of using the conductive assistant carbon material may not be obtained. There is no particular lower limit for the oxygen content, and good characteristics are exhibited even when there is almost no oxygen contained.

本発明のガス拡散炭素材料に用いられる炭素材料の種類は、ガス拡散経路が形成できるものであり、本来求められる反応以外の化学反応を起したり、凝縮水との接触によって炭素材料を構成する物質が溶出するような材料は好ましくなく、化学的に安定な炭素材料である。また、ガス拡散炭素材料の一次粒子径は1μm以下5nm以上が好ましい。この範囲より大きな炭素材料は粉砕して用いることができる。一次粒子径が1μm超であると、ガス拡散経路を確保する機能が期待できなくなる他、触媒層中のガス拡散炭素材料の分布が不均一になり易く、好ましくない場合がある。また、一次粒子径が5nm未満であると、好ましいガス拡散経路が得られない場合がある。好ましいガス拡散炭素材料としては、カーボンブラックが最も一般的であるが、その他にも、ガス拡散経路が形成できれば、黒鉛、炭素繊維、活性炭等やこれらの粉砕物、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等の炭素化合物等が使用できる。また、これらの2種類以上を混合して使用することもできる。更に、本発明では、前記ガス拡散炭素材料同士を凝集させた凝集相として触媒層に存在させると、電解質材料にガス拡散経路を閉塞され辛くなり、触媒層中にガスが拡散し易くなるため好ましい。前記の凝集相によって形成させるガス拡散経路は、セルを強く締結したときにでも壊れ難く、触媒層形成時に制御した最適な孔径を長期間にわたって保持し易い。   The type of carbon material used in the gas diffusion carbon material of the present invention is capable of forming a gas diffusion path, and causes a chemical reaction other than the originally required reaction or constitutes the carbon material by contact with condensed water. A material from which the substance is eluted is not preferred, and is a chemically stable carbon material. The primary particle diameter of the gas diffusion carbon material is preferably 1 μm or less and 5 nm or more. Carbon materials larger than this range can be used after being pulverized. If the primary particle diameter is more than 1 μm, the function of securing the gas diffusion path cannot be expected, and the distribution of the gas diffusion carbon material in the catalyst layer tends to be nonuniform, which is not preferable. Further, when the primary particle diameter is less than 5 nm, a preferable gas diffusion path may not be obtained. As a preferred gas diffusion carbon material, carbon black is the most common. However, if a gas diffusion path can be formed, graphite, carbon fiber, activated carbon, etc., pulverized products thereof, carbon nanofiber, carbon nanotube, etc. Carbon compounds can be used. Also, a mixture of two or more of these can be used. Furthermore, in the present invention, it is preferable that the gas diffusion carbon material is present in the catalyst layer as an agglomerated phase in which the gas diffusion carbon materials are aggregated, because the gas diffusion path is hardly blocked by the electrolyte material and the gas is easily diffused in the catalyst layer. . The gas diffusion path formed by the agglomerated phase is not easily broken even when the cell is strongly fastened, and it is easy to maintain the optimum pore diameter controlled at the time of forming the catalyst layer for a long period of time.

本発明のガス拡散炭素材料は、より高ストラクチャーなカーボンブラックを用いるのが好ましい。前記カーボンブラックは、一次粒子が複数個融着し、ストラクチャーと呼ばれる二次構造を形成している。種類によっては、このストラクチャーが発達しており、一次粒子のつながりが空間を抱え込んだ構造になっている。本発明に含まれる触媒層では、ガス拡散炭素材料がこのような空間をつなぎ合わせることによって一次粒子のネットワークに囲まれた空間をガスの拡散経路として連続的に触媒層中に形成させることも狙いの一つとしている。したがって、前記カーボンブラックを使用したガス拡散炭素材料の場合は、ガス拡散炭素材料同士を凝集させるような構造を触媒層に形成し易くなる。前記のガス拡散炭素材料が凝集して形成させたガス拡散経路は、セルを強く締結したときにでも更に壊れ難くなり、触媒層形成時に制御した最適な孔径をより長期間にわたって保持し易い。   The gas diffusion carbon material of the present invention preferably uses carbon black having a higher structure. In the carbon black, a plurality of primary particles are fused to form a secondary structure called a structure. Depending on the type, this structure has been developed, and the primary particles are connected to each other in a space. In the catalyst layer included in the present invention, the gas diffusion carbon material joins such spaces so that a space surrounded by a network of primary particles is continuously formed in the catalyst layer as a gas diffusion path. One of them. Therefore, in the case of the gas diffusion carbon material using the carbon black, a structure that aggregates the gas diffusion carbon materials can be easily formed in the catalyst layer. The gas diffusion path formed by agglomerating the gas diffusion carbon material is more difficult to break even when the cell is strongly fastened, and it is easy to maintain the optimum pore diameter controlled at the time of forming the catalyst layer for a longer period of time.

本発明のガス拡散炭素材料に、DBP吸油量XmL/100gとBET評価による比表面積SBETm2/gの比X/SBETが1以上である炭素材料を用いると、より好ましいガス拡散経路を具備した触媒層が形成できる。X/SBETの比が1以上であると、高ストラクチャーでカーボンブラックの一次粒子の間隙に形成される空間が大きく、電池反応に好ましいガス拡散経路の形成が期待できるためである。X/SBETの比が1未満であると、ストラクチャーによるガス拡散経路は貧弱になり、カーボンブラックの二次粒子間の間隙が主にガス拡散経路を形成することになるので、十分な孔径を確保できなかったり、セル締結時に孔が壊れ易いため、制御し辛く、安定して触媒層の性能を引き出すことが難しい場合がある。より好ましくは、X/SBETの比が1.5以上である。1.5以上であると、ストラクチャーによって形成されるガス拡散経路の孔径が十分に大きく、高電流を取り出したときもフラッディングし難くなる。このようなストラクチャーであれば、ガスが拡散し易く、水によるガス拡散経路の閉塞が更に起こり辛くなるので、触媒層中の触媒を有効に利用でき、少ない触媒量でも高出力な燃料電池を得ることができる。 When a carbon material having a ratio X / S BET of DBP oil absorption XmL / 100g and specific surface area S BET m 2 / g by BET evaluation of 1 or more is used as the gas diffusion carbon material of the present invention, a more preferable gas diffusion path is obtained. The equipped catalyst layer can be formed. This is because if the ratio of X / S BET is 1 or more, a space formed in the gap between the primary particles of carbon black with a high structure is large, and formation of a gas diffusion path preferable for battery reaction can be expected. When the ratio of X / S BET is less than 1, the gas diffusion path due to the structure becomes poor, and the gap between the secondary particles of carbon black mainly forms the gas diffusion path. In some cases, it cannot be ensured or the holes are easily broken when the cells are fastened, so that it is difficult to control and it is difficult to stably extract the performance of the catalyst layer. More preferably, the ratio of X / S BET is 1.5 or more. If it is 1.5 or more, the pore size of the gas diffusion path formed by the structure is sufficiently large, and flooding is difficult even when a high current is taken out. With such a structure, gas easily diffuses, and the gas diffusion path is not easily blocked by water. Therefore, the catalyst in the catalyst layer can be used effectively, and a high output fuel cell can be obtained even with a small amount of catalyst. be able to.

また、本発明のガス拡散炭素材料は、水和力の小さい炭素材料の中から選ばれるとより好ましい。触媒成分が担持されていなくて水和力の小さい炭素材料、即ち、ガス拡散炭素材料を触媒層中に含ませることによって、触媒層中にガスが拡散できる経路を発達させることができ、アノードであれば水素あるいは水素を主体とした混合ガス、カソードであれば酸素あるいは空気等が、触媒層中に拡散し易くなり、多くの触媒表面と接触できる。そのため、効率的に触媒層での反応を進行させ、高い電池性能が得られるものである。ガス拡散炭素材料が水和力の小さい炭素材料を選ぶと、運転条件の変動により触媒層が高加湿条件に曝された時や、高電流密度域での運転により触媒層内に大量の水が発生した時に、水によるガス拡散経路の閉塞を防ぎ、電池性能の低下を防ぐことができる。   The gas diffusion carbon material of the present invention is more preferably selected from carbon materials having a low hydration power. By including in the catalyst layer a carbon material that does not support the catalyst component and has a low hydration power, that is, a gas diffusion carbon material, a path through which gas can diffuse into the catalyst layer can be developed. If it exists, hydrogen or a mixed gas mainly composed of hydrogen, and if it is a cathode, oxygen or air easily diffuses into the catalyst layer and can contact many catalyst surfaces. Therefore, the reaction in the catalyst layer is efficiently advanced, and high battery performance can be obtained. When a carbon material with a low hydration power is selected as the gas diffusion carbon material, a large amount of water is generated in the catalyst layer when the catalyst layer is exposed to high humidification conditions due to fluctuations in operating conditions or when the catalyst layer is operated in a high current density region. When it occurs, it is possible to prevent the gas diffusion path from being blocked by water and to prevent the battery performance from deteriorating.

したがって、本発明の燃料電池に含まれるガス拡散炭素材料の25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量が50mL/g以下の小さい水和力であれば、大電流放電時に生成する水によるガス拡散経路の閉塞を効果的に抑制でき、安定した電圧で電流を取り出すことができる。50mL/g超であると、電流放電時に触媒層中に凝縮水が滞り、ガス拡散経路が遮断され易くなり、電圧挙動が不安定になる場合がある。   Therefore, the gas diffusion carbon material contained in the fuel cell of the present invention has a low water hydration capacity of 50 mL / g or less at 25 ° C. and a relative humidity of 90%. The blocking of the path can be effectively suppressed, and the current can be taken out with a stable voltage. If it exceeds 50 mL / g, the condensed water is stagnated in the catalyst layer during current discharge, the gas diffusion path is likely to be blocked, and the voltage behavior may become unstable.

さらに高い効果を得るためには、水和力がさらに適切な範囲にある炭素材料をガス拡散炭素材料として用いる。具体的には、25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量が1mL/g以上20mL/g以下である炭素材料を、ガス拡散炭素材料として選択することである。この範囲内であると、触媒層中の電解質材料の過度の乾燥を抑制し、かつ、大電流放電時にも、触媒層内部で生成する水を効率良く触媒層外へ排出し、ガスの拡散経路を確保できるため、低負荷から高負荷まで負荷条件によらず、全域にわたって効率の良い電池を得ることができる。25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量が1mL/g未満であると、水和力が小さ過ぎて(撥水性が強くなり過ぎて)、過度の乾燥を招く場合がある。25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量が20mL/g超になると、大電流を継続的に取り出した時等に触媒層内部で生成する水の排出が追いつかず、ガス拡散経路を遮断してしまう場合がある。この場合には、ガス拡散炭素材料を添加する効果が低くなる。   In order to obtain a higher effect, a carbon material having a hydration power in a more appropriate range is used as the gas diffusion carbon material. Specifically, a carbon material having a water vapor adsorption amount of 1 mL / g or more and 20 mL / g or less at 25 ° C. and 90% relative humidity is selected as the gas diffusion carbon material. Within this range, excessive drying of the electrolyte material in the catalyst layer is suppressed, and water generated inside the catalyst layer is efficiently discharged out of the catalyst layer even during a large current discharge, and the gas diffusion path Therefore, an efficient battery can be obtained over the entire region regardless of load conditions from low load to high load. When the water vapor adsorption amount at 25 ° C. and relative humidity 90% is less than 1 mL / g, the hydration power is too small (water repellency becomes too strong), and excessive drying may be caused. If the amount of water vapor adsorption at 25 ° C and 90% relative humidity exceeds 20 mL / g, the water generated inside the catalyst layer cannot catch up when a large current is continuously taken out, and the gas diffusion path is blocked. May end up. In this case, the effect of adding the gas diffusion carbon material is reduced.

触媒層中における、本発明に係るガス拡散炭素材料の触媒層中の含有率は、内層及び外層のそれぞれにおいて3質量%以上30質量%以下の範囲内にあると、より好ましい。3質量%未満では、ガス拡散経路を十分に発達させることができず、ガス拡散炭素材料を含ませる効果が期待できないことがある。30質量%超では、プロトン伝導経路がガス拡散炭素材料によって分断され貧弱になり、IRドロップが大きくなるため、電池性能が低下することがある。3質量%以上30質量%以下の範囲内にあれば、ガス拡散炭素材料の間隙が触媒層中にネットワークを形成し、これがガス拡散経路となるため、触媒層中の触媒成分を有効に利用することができる。使用する炭素材料の種類や形態にもよるが、内層及び外層のそれぞれにおいて5質量%以上25質量%以下が最も好ましい。この範囲にあると、プロトン伝導経路と電子伝導経路を損なうことなく、最適なガス拡散経路を発達させることができるため、極めて効率的な発電特性を持った燃料電池の電極を得ることができる。   The content of the gas diffusion carbon material according to the present invention in the catalyst layer in the catalyst layer is more preferably in the range of 3% by mass to 30% by mass in each of the inner layer and the outer layer. If it is less than 3% by mass, the gas diffusion path cannot be sufficiently developed, and the effect of including the gas diffusion carbon material may not be expected. If it exceeds 30 mass%, the proton conduction path is interrupted by the gas diffusion carbon material and becomes poor, and the IR drop becomes large, so that the battery performance may be deteriorated. If it is within the range of 3% by mass or more and 30% by mass or less, the gap of the gas diffusion carbon material forms a network in the catalyst layer, and this becomes a gas diffusion path, so the catalyst component in the catalyst layer is effectively used. be able to. Although depending on the type and form of the carbon material to be used, it is most preferably 5% by mass or more and 25% by mass or less in each of the inner layer and the outer layer. Within this range, an optimum gas diffusion path can be developed without impairing the proton conduction path and the electron conduction path, so that it is possible to obtain a fuel cell electrode having extremely efficient power generation characteristics.

本発明に含まれる各種炭素材料の水和力の制御は、一般に存在する炭素材料中から水蒸気吸着量を指標に選択することによって達成できる。あるいは、好適な範囲より少ない水蒸気吸着量を持つ炭素材料である場合においても、炭素材料を酸や塩基等で炭素材料表面を処理したり、酸化雰囲気環境に曝したりすることによって、水蒸気吸着量を好適な範囲にまで増加させることができる。限定するものでは無いが、例えば、加温した濃硝酸中で処理したり、過酸化水素水溶液中に浸漬したり、アンモニア気流中で熱処理したり、加温した水酸化ナトリウム水溶液中に浸漬したり、KOHやNaOHの中で加熱したり、希薄酸素や希薄NO、あるいはNO2中で加熱処理したりすることによって、水蒸気吸着量を増加させることができる。逆に、水蒸気吸着量が多過ぎる場合、不活性雰囲気下で焼成することによって、水蒸気吸着量を好適な範囲にまで低下させることもできる。限定するものではないが、例えば、アルゴン、窒素、ヘリウム、真空等の雰囲気下で加熱処理することによって、水蒸気吸着量を低下させることができる。 Control of the hydration power of various carbon materials included in the present invention can be achieved by selecting a water vapor adsorption amount as an index from generally existing carbon materials. Alternatively, even in the case of a carbon material having a water vapor adsorption amount less than the preferred range, the water vapor adsorption amount can be reduced by treating the carbon material surface with an acid, a base, or the like, or exposing the carbon material to an oxidizing atmosphere environment. It can be increased to a suitable range. Without limitation, for example, treatment in warm concentrated nitric acid, immersion in an aqueous hydrogen peroxide solution, heat treatment in an ammonia stream, immersion in a heated aqueous sodium hydroxide solution The amount of water vapor adsorption can be increased by heating in KOH or NaOH, or by heat treatment in dilute oxygen, dilute NO, or NO 2 . On the other hand, when the amount of water vapor adsorption is too large, the water vapor adsorption amount can be reduced to a suitable range by firing in an inert atmosphere. Although not limited, for example, the amount of water vapor adsorption can be reduced by heat treatment in an atmosphere of argon, nitrogen, helium, vacuum, or the like.

本発明の燃料電池は、使用される電解質材料の種類によらず効果を発揮するものであって、使用される電解質材料はプロトンを伝導する機能を有していれば、特に限定されるものではない。本発明の燃料電池に使用される電解質膜や触媒層中に使用される電解質材料は、リン酸基、スルホン酸基等を導入した高分子、例えば、パーフルオロスルホン酸ポリマーやベンゼンスルホン酸が導入されたポリマー等を挙げることができるが、高分子に限定するものではなく、無機系、無機-有機ハイブリッド系等の電解質膜を使用した燃料電池に使用しても差し支えない。特に好適な作動温度範囲を例示するならば、常温〜150℃の範囲内で作動する燃料電池が好ましい。また、触媒層中に含まれる触媒担体炭素材料と電解質材料との質量比は、1/10〜5/1が好ましい。1/10より触媒担体炭素材料が少ないと、触媒表面が電解質材料で過度に覆われてしまい、反応ガスが触媒成分と接触できる面積が小さくなる場合がある。5/1より過剰に触媒担体炭素材料が含有すると、電解質材料のネットワークが貧弱になり、プロトン伝導性が低くなる場合がある。   The fuel cell of the present invention is effective regardless of the type of electrolyte material used, and is not particularly limited as long as the electrolyte material used has a function of conducting protons. Absent. The electrolyte membrane used in the fuel cell of the present invention and the electrolyte material used in the catalyst layer are polymers introduced with phosphoric acid groups, sulfonic acid groups, etc., such as perfluorosulfonic acid polymer or benzenesulfonic acid. However, the polymer is not limited to a polymer, and may be used for a fuel cell using an electrolyte membrane such as an inorganic type or an inorganic-organic hybrid type. If a particularly preferable operating temperature range is exemplified, a fuel cell that operates within a range of normal temperature to 150 ° C. is preferable. Further, the mass ratio of the catalyst support carbon material and the electrolyte material contained in the catalyst layer is preferably 1/10 to 5/1. If the amount of the catalyst-supporting carbon material is less than 1/10, the catalyst surface is excessively covered with the electrolyte material, and the area where the reaction gas can come into contact with the catalyst component may be reduced. If the catalyst support carbon material is contained in excess of 5/1, the electrolyte material network may be poor and proton conductivity may be lowered.

本発明の触媒層では、内層は、触媒成分と前記触媒担体炭素材料Aと導電助剤炭素材料と電解質材料とを凝集させて形成した触媒凝集相と、ガス拡散炭素材料を主成分として凝集形成したガス拡散炭素材料凝集相と、の2つの凝集相構造とし、前記触媒凝集相が連続体であり、前記ガス拡散炭素材料凝集相が前記触媒凝集相中に分散した構造にすると好ましい。また、外層は、触媒成分と前記触媒担体炭素材料Bと電解質材料とを主成分として、必要に応じて導電助剤炭素材料とこれらを凝集させて形成した触媒凝集相と、ガス拡散炭素材料を主成分として凝集形成したガス拡散炭素材料凝集相と、の2つの凝集相構造とし、前記触媒凝集相が連続体であり、前記ガス拡散炭素材料凝集相が前記触媒凝集相中に分散した構造にすると、単に各成分を平均的に混合した触媒層に比べて飛躍的に特性を向上させることができる。図1及び図2に、本発明に係る前記触媒層の内層(図1)、及び、外層(図2)の構造に関し、模式図を示す。図1及び図2では、各材料や凝集相を模式的に明確に表現しているために、各階層構造の相対サイズは、実際とは異なる。   In the catalyst layer of the present invention, the inner layer is agglomerated with a catalyst component, the catalyst support carbon material A, a conductive additive carbon material, and an electrolyte material formed by agglomeration, and a gas diffusion carbon material as a main component. It is preferable that the gas diffusion carbon material aggregated phase has two aggregated phase structures, the catalyst aggregated phase is a continuous body, and the gas diffusion carbon material aggregated phase is dispersed in the catalyst aggregated phase. The outer layer comprises a catalyst component, the catalyst carrier carbon material B, and an electrolyte material as main components, and a conductive agglomerate carbon material, a catalyst agglomerated phase formed by agglomerating these as necessary, and a gas diffusion carbon material. The gas diffusion carbon material aggregate phase formed as a main component and a gas aggregate carbon material aggregate phase, the catalyst aggregate phase is a continuum, and the gas diffusion carbon material aggregate phase is dispersed in the catalyst aggregate phase As a result, the characteristics can be dramatically improved as compared with the catalyst layer in which the respective components are simply mixed on average. FIG. 1 and FIG. 2 schematically show the structure of the inner layer (FIG. 1) and the outer layer (FIG. 2) of the catalyst layer according to the present invention. In FIGS. 1 and 2, since each material and the aggregated phase are schematically expressed clearly, the relative size of each hierarchical structure is different from the actual size.

本発明の触媒層の内層及び外層それぞれが2つの凝集相を持った構造にすることで、第一に、ガス拡散炭素材料を効果的に機能させることができる。即ち、ガス拡散炭素材料の表面にできるだけ触媒成分や電解質材料を接触させないことによって、ガス拡散炭素材料の表面特性やストラクチャーに代表される構造特性を最大限活かすと共に、ガス拡散炭素材料同士を凝集させることによって、ガス拡散炭素材料の間隙にできる気孔をガス拡散経路として連続的に発達させることができる。   By making the inner layer and the outer layer of the catalyst layer of the present invention each have two agglomerated phases, first, the gas diffusion carbon material can function effectively. That is, by making the catalyst component and the electrolyte material not contact with the surface of the gas diffusion carbon material as much as possible, the surface characteristics of the gas diffusion carbon material and the structural characteristics represented by the structure are maximized and the gas diffusion carbon materials are aggregated. Thus, pores formed in the gaps of the gas diffusion carbon material can be continuously developed as a gas diffusion path.

第二に、本発明の触媒層の内層及び外層において、触媒成分を担持した触媒担体炭素材料A又はBと導電助剤炭素材料と電解質材料を一つの凝集体(触媒凝集相)に含有させることで、触媒成分上で生成した水が効果的に近傍にある前記電解質材料を湿潤させ、前記電解質材料のプロトン伝導抵抗の上昇を防ぐことができる。また、内層においては、導電助剤炭素材料も共存させているので、高負荷運転時や高加湿条件下で、触媒担体炭素材料Aが水で覆われるような環境下でも、ガスの拡散経路を確保させることができ、触媒担体炭素材料Aに担持された触媒成分上で効果的に反応を進行させることができる。   Second, in the inner layer and the outer layer of the catalyst layer of the present invention, the catalyst support carbon material A or B carrying the catalyst component, the conductive additive carbon material, and the electrolyte material are contained in one aggregate (catalyst aggregation phase). Thus, the water produced on the catalyst component effectively wets the electrolyte material in the vicinity, and an increase in proton conduction resistance of the electrolyte material can be prevented. In addition, since the conductive auxiliary agent carbon material coexists in the inner layer, a gas diffusion path is formed even in an environment where the catalyst support carbon material A is covered with water under high load operation or high humidification conditions. The reaction can be effectively advanced on the catalyst component supported on the catalyst support carbon material A.

第三に、本発明の触媒層において、電解質材料を媒体として強固に融着した触媒凝集相を連続相とすることで、触媒層自体の機械的強度を増強し、電解質材料のネットワークを連続化することによって、触媒層における内部抵抗増大の最大の原因となるプロトン伝導抵抗を低減できる。   Third, in the catalyst layer of the present invention, the catalyst cohesive phase, which is firmly fused with the electrolyte material as a medium, is used as a continuous phase, thereby enhancing the mechanical strength of the catalyst layer itself and making the electrolyte material network continuous. By doing so, it is possible to reduce the proton conduction resistance that causes the largest increase in internal resistance in the catalyst layer.

本発明の触媒層の2つの凝集相構造は、その断面を観察することによっても確認することができる。触媒層の任意の場所に任意の角度で切断面を作製し、その断面を観察することによって、触媒成分が担持されていない炭素材料が凝集体(凝集相)を形成していることを確認する方法である。前記凝集体が、本発明のガス拡散炭素材料凝集相に対応するものである。   The two aggregated phase structures of the catalyst layer of the present invention can also be confirmed by observing the cross section. Make a cut surface at an arbitrary angle on the catalyst layer at an arbitrary angle, and observe the cross section to confirm that the carbon material on which the catalyst component is not supported forms an aggregate (aggregated phase). Is the method. The aggregate corresponds to the gas diffusion carbon material aggregate phase of the present invention.

触媒層の断面における10μm×10μmの面積の視野中に、円相当直径が300nm以上の大きさの触媒成分を有さない炭素材料凝集相(ガス拡散炭素材料凝集相)が少なくとも1個分散していると好ましい。1個未満では、触媒層形成時に各種炭素材料を平均的に混合してしまったか、触媒成分を担持していない炭素材料であるガス拡散炭素材料の含有率が低過ぎるため、少なくともガス拡散炭素材料が凝集相を形成して分散していないので、その触媒層はガスの伝達経路が未発達でガスの拡散性が悪く、特に高加湿条件下や高負荷運転時で安定した性能を発現することはできない。より好ましくは、同視野中に円相当直径が500nm以上の大きさの触媒成分を有さない炭素材料凝集相(ガス拡散炭素材料凝集相)が少なくとも1個存在することである。前記構造であれば、少なくとも湿潤条件下で発電性能が不安定になることが抑制されて、安定した発電性能が得られる。   In the field of view of 10 μm × 10 μm in the cross section of the catalyst layer, at least one carbon material agglomerated phase (gas diffusion carbon material agglomerated phase) having no catalyst component with a circle equivalent diameter of 300 nm or more is dispersed. It is preferable. If it is less than one, various carbon materials have been mixed on average when forming the catalyst layer, or the content of the gas diffusion carbon material which is a carbon material not supporting the catalyst component is too low, so at least the gas diffusion carbon material Since the catalyst layer is not dispersed due to the formation of an agglomerated phase, the gas transmission path is undeveloped and gas diffusibility is poor, and it exhibits stable performance especially under high humidification conditions and high load operation. I can't. More preferably, at least one carbon material aggregated phase (gas diffusion carbon material aggregated phase) having no catalyst component having a circle equivalent diameter of 500 nm or more exists in the same visual field. If it is the said structure, it will be suppressed that power generation performance becomes unstable at least under wet conditions, and the stable power generation performance will be obtained.

触媒層の切断面の形成方法は、特に限定しないが、例えば、触媒層をカッターナイフや鋏で切断したり、電解質物質のガラス転移温度以下に冷却した触媒層を破断し、その断面を観察する方法等を挙げることができる。特に好ましい方法は、クライオミクロトーム等を用いて、液体窒素で冷やされた環境下で触媒層の切断面を形成する方法である。クライオミクロトームを用いて超薄切片を作製し観察する方法も考えられるが、より簡易的にはクライオミクロトームに試料として触媒層をセットし、ダイヤモンドやガラスでできたトリミングナイフを用いて触媒層表面を切削し、生成した切削面を観察する方法である。   The method for forming the cut surface of the catalyst layer is not particularly limited. For example, the catalyst layer is cut with a cutter knife or scissors, or the catalyst layer cooled to a temperature lower than the glass transition temperature of the electrolyte material is broken, and the cross section is observed. The method etc. can be mentioned. A particularly preferable method is a method of forming a cut surface of the catalyst layer in an environment cooled with liquid nitrogen using a cryomicrotome or the like. Although a method of preparing and observing an ultrathin section using a cryomicrotome is conceivable, more simply, a catalyst layer is set as a sample on the cryomicrotome, and the surface of the catalyst layer is coated with a trimming knife made of diamond or glass. This is a method of cutting and observing the generated cut surface.

観察する方法は、同一視野を二次電子像と反射電子像の両方で観察でき、少なくとも1万倍以上の倍率で観察できる走査型電子顕微鏡が好ましい。二次電子像は、触媒層断面の凹凸情報が反映され、炭素材料や電解質材料、気孔の存在が確認できる。高精度の電子顕微鏡を用いれば触媒成分の存在が確認できるが、同視野の反射電子像を観察すると成分の分布情報が反映され、例えば、触媒成分に金属が使用されている場合、触媒成分は明るく、触媒成分が無いところは暗いコントラストになって、像が得られる。本発明の触媒層の二次電子像と反射電子像を比較すると、同視野中で二次電子像中では炭素材料が存在するにも係わらず、反射電子像中では暗いコントラストになった部分、つまり触媒成分が存在しない炭素材料が認められる。前記部分、即ち、触媒成分を有さない炭素材料部分の外周の円相当直径が300nm以上であると、本発明の好ましい形態となる。   The observation method is preferably a scanning electron microscope that can observe the same field of view with both a secondary electron image and a reflected electron image, and that can be observed at a magnification of at least 10,000 times. The secondary electron image reflects the unevenness information of the cross section of the catalyst layer, and the presence of carbon material, electrolyte material, and pores can be confirmed. The presence of the catalyst component can be confirmed using a high-precision electron microscope, but when the reflected electron image in the same field is observed, the component distribution information is reflected.For example, when a metal is used for the catalyst component, the catalyst component is A bright, non-catalytic area is dark contrasted and an image is obtained. When comparing the secondary electron image and the reflected electron image of the catalyst layer of the present invention, a portion having a dark contrast in the reflected electron image despite the presence of a carbon material in the secondary electron image in the same field of view, That is, a carbon material having no catalyst component is recognized. A preferred embodiment of the present invention is that the equivalent circular diameter of the outer periphery of the portion, that is, the carbon material portion having no catalyst component, is 300 nm or more.

円相当直径が300nm以上の大きさの触媒成分を有さない炭素材料凝集相(ガス拡散炭素材料凝集相)の存在を、より定量的に識別できる例を述べる。反射電子像を1万倍の倍率で272DPI×272DPI以上の解像度で、かつ256段階の階層で明るさを取り込む。取り込んだ画像の明るさを、画像解析ソフトを用いて、暗い方から110階層目の範囲を黒色で表示し、111階層目から明るい方へ256階層目までの範囲を白色になるように二値化する。このままでは、黒色点が島状に孤立した点が多数発生することから、目的とする範囲を明確化するために、各黒色点の膨張処理を1度行い、隣り合った点同士を認識させる。更に、穴埋め処理を実行して、範囲内の空白部分を穴埋めして同一範囲であるように認識させる。最後に、膨張した分を元に戻す縮退処理を行い、目的とする範囲を明確化させる。その上で、各黒色部分の円相当直径を各黒色部分の面積より算出し、300nm未満の部分を全てカットする。残った黒色部分の内、二次電子像で炭素材料が存在する場合、本発明の好ましい形態となる。この様な定量的な解析を行う場合、触媒層のより平均的な断面を解析することが好ましい。例えば、無作為に選択した断面の無作為に選択した視野を5視野程度解析し、その平均値で判断する方法がより好ましい。   An example will be described in which the presence of a carbon material aggregated phase (gas diffusion carbon material aggregated phase) having no catalyst component having a circle equivalent diameter of 300 nm or more can be identified more quantitatively. Brightness is captured at a magnification of 10,000 times at a resolution of 272 DPI x 272 DPI and 256 levels. Using the image analysis software, the brightness of the captured image is displayed in black so that the range from the darker to the 110th layer is displayed in black, and the range from the 111th layer to the brighter is displayed in white so that it is white. Turn into. In this state, since many black points are isolated in an island shape, in order to clarify the target range, each black point is expanded once to recognize adjacent points. Further, a hole filling process is executed, and blank portions in the range are filled in so as to be recognized as being in the same range. Finally, a degeneration process for restoring the expanded portion is performed to clarify the target range. Then, the circle equivalent diameter of each black part is calculated from the area of each black part, and all parts less than 300 nm are cut. Of the remaining black portions, when a carbon material is present in the secondary electron image, this is a preferred embodiment of the present invention. When performing such quantitative analysis, it is preferable to analyze a more average cross section of the catalyst layer. For example, a method of analyzing about 5 randomly selected fields of view of a randomly selected cross section and judging the average value thereof is more preferable.

本発明では、前記全ての分析手法で触媒成分を有さない炭素材料凝集相(ガス拡散炭素材料凝集相)を観察して本発明の規定範囲を満足する必要はなく、1つの分析手法で得られる値が本発明の規定範囲を満足すれば、その効果が得られるものである。   In the present invention, it is not necessary to observe the carbon material aggregated phase (gas diffusion carbon material aggregated phase) having no catalyst component and satisfy the specified range of the present invention by all the analytical methods described above. If the obtained value satisfies the specified range of the present invention, the effect can be obtained.

本発明の燃料電池に含まれる触媒層の作製方法は、触媒担体炭素材料Aを含む内層と触媒担体炭素材料Bを含む外層の二層構造を有していれば、特に限定はしない。特に、内層及び外層のそれぞれの層において、触媒凝集相の連続相にガス拡散炭素材料凝集相が分散し、かつ、ガス拡散炭素材料表面にできるだけ電解質材料が吸着しないように作製できれば、好ましい。例えば、内層及び外層それぞれに含有する材料を含む液をそれぞれ別に作成し、必要に応じて水や有機溶媒を加えて、2種類のインクを作製する。これら2種のインクを用いそれぞれを膜状に乾燥し、積層して2層構造の触媒層を形成する方法、1種目のインクを膜状に乾燥した後、2種目のインクを用いて1種目の触媒層の上に膜状に乾燥し2層構造の触媒層を形成する方法等を選択することができる。   The method for producing the catalyst layer included in the fuel cell of the present invention is not particularly limited as long as it has a two-layer structure of an inner layer containing the catalyst support carbon material A and an outer layer containing the catalyst support carbon material B. In particular, in each of the inner layer and the outer layer, it is preferable if the gas diffusion carbon material aggregation phase is dispersed in the continuous phase of the catalyst aggregation phase and the electrolyte material is adsorbed on the surface of the gas diffusion carbon material as much as possible. For example, liquids containing materials contained in the inner layer and the outer layer are prepared separately, and water and an organic solvent are added as necessary to produce two types of ink. A method of drying each of these two types of inks into a film and laminating them to form a catalyst layer having a two-layer structure.After drying the first type of ink into a film, the first type using the second type of ink A method of drying a film on the catalyst layer to form a catalyst layer having a two-layer structure can be selected.

内層又は外層の特に好ましいインクの作製方法を以下に述べる。   A particularly preferable method for preparing the ink for the inner layer or the outer layer will be described below.

(i) 触媒成分を担持した触媒担体炭素材料A、又は触媒成分を担持した触媒担体炭素材料Bと、(内層の場合は導電助剤炭素材料と、)電解質材料とを、電解質材料に対する良溶媒中で粉砕混合した後に、電解質材料に対する貧溶媒を加え、電解質材料と、触媒成分を担持した触媒担体炭素材料と、(内層の場合は導電助剤炭素材料)を、凝集させて得られるA液と、触媒成分を担持していないガス拡散炭素材料を、電解質材料に対する貧溶媒中で粉砕して得られるB液を作成し、A液とB液を混合して得られるC液をインクとする。   (i) Catalyst support carbon material A carrying a catalyst component, or catalyst support carbon material B carrying a catalyst component, and a conductive solvent carbon material in the case of an inner layer, and an electrolyte material, a good solvent for the electrolyte material After pulverizing and mixing in the liquid A, a poor solvent for the electrolyte material is added, and the electrolyte material, the catalyst carrier carbon material supporting the catalyst component, and the conductive auxiliary agent carbon material in the case of the inner layer are aggregated. A liquid B obtained by pulverizing a gas diffusion carbon material not supporting a catalyst component in a poor solvent for the electrolyte material, and a liquid C obtained by mixing the liquid A and the liquid B are used as ink. .

この方法では、触媒成分を担持した触媒担体炭素材料A、又は触媒成分を担持した触媒担体炭素材料Bと、(内層の場合は導電助剤炭素材料と、)電解質材料を、共に電解質材料に対する良溶媒中で粉砕混合すると、触媒担体炭素材料A又はBと、(内層の場合は導電助剤炭素材料と)が、微細な凝集体に混合粉砕され、その表面近傍に電解質材料が溶解して存在している状態になる。これに電解質材料に対する貧溶媒を加え電解質材料を析出させると、触媒を担持した触媒担体炭素材料A又はBと、(内層の場合は導電助剤炭素材料と、)電解質材料粒子が凝集を起こし、電解質材料が触媒を担持した触媒担体炭素材料A又はBに、(内層の場合は導電助剤炭素材料にも)固定される。さらに、この溶液に微細なガス拡散炭素材料が添加されると、電解質材料は触媒担体炭素材料に固定されているため、ガス拡散炭素材料表面が電解質材料によって覆われ難く、ガス拡散炭素材料の表面が本来持ち合わせている表面性状を活かすことができる。即ち、本発明の触媒凝集相とガス拡散炭素材料凝集相との2つの凝集相の構造となり、前記触媒凝集相が連続体で、前記ガス拡散炭素材料凝集相が前記触媒凝集相中に分散した構造となる。特に、表面の水和性を制御したガス拡散炭素材料を使用する場合、この方法は有効である。また、A液とB液を混合する方法を変化させることで、ガス拡散炭素材料凝集相の分散状態(形状やサイズ)を制御することができる。   In this method, the catalyst carrier carbon material A carrying the catalyst component or the catalyst carrier carbon material B carrying the catalyst component and the electrolyte material (conducting aid carbon material in the case of the inner layer) are both good for the electrolyte material. When pulverized and mixed in a solvent, the catalyst support carbon material A or B and (in the case of the inner layer, the conductive assistant carbon material) are mixed and pulverized into fine aggregates, and the electrolyte material is dissolved in the vicinity of the surface. It will be in the state. When the electrolyte material is precipitated by adding a poor solvent for the electrolyte material to this, the catalyst support carbon material A or B carrying the catalyst, and (in the case of the inner layer, the conductive assistant carbon material), the electrolyte material particles agglomerate, The electrolyte material is fixed to the catalyst support carbon material A or B carrying the catalyst (in the case of the inner layer, also to the conductive assistant carbon material). Further, when a fine gas diffusion carbon material is added to this solution, the electrolyte material is fixed to the catalyst support carbon material, so that the surface of the gas diffusion carbon material is not easily covered with the electrolyte material. Can take advantage of the surface properties originally possessed. That is, the present invention has a structure of two agglomerated phases of the catalyst agglomerated phase and the gas diffusion carbon material agglomerated phase of the present invention, wherein the catalyst agglomerated phase is a continuum and the gas diffusion carbon material agglomerated phase is dispersed in the catalyst agglomerated phase. It becomes a structure. In particular, this method is effective when a gas diffusion carbon material whose surface hydration property is controlled is used. Further, the dispersion state (shape and size) of the gas diffusion carbon material aggregated phase can be controlled by changing the method of mixing the liquid A and the liquid B.

(ii) 触媒成分を担持した触媒担体炭素材料A又はBと微量の電解質材料を、電解質材料に対する良溶媒中で粉砕混合した後に乾燥によって固化し、前記固化物に、(内層の場合は導電助剤炭素材料を加え、)電解質材料に対する貧溶媒と共に粉砕した後、さらに電解質材料が溶解した液を滴下して得られるA液と、触媒成分を担持していないガス拡散炭素材料を、電解質材料に対する貧溶媒中で粉砕して得られるB液を作成し、A液とB液を混合して得られるC液をインクとして、膜状に乾燥して触媒層とする。   (ii) The catalyst support carbon material A or B carrying the catalyst component and a small amount of the electrolyte material are pulverized and mixed in a good solvent for the electrolyte material, and then solidified by drying to form the solidified product (conducting aid in the case of the inner layer). After adding the agent carbon material and crushing with a poor solvent for the electrolyte material, the solution A obtained by further dropping the solution in which the electrolyte material is dissolved, and the gas diffusion carbon material not supporting the catalyst component are applied to the electrolyte material. A liquid B obtained by pulverizing in a poor solvent is prepared, and a liquid C obtained by mixing the liquid A and the liquid B is used as an ink and dried into a film to form a catalyst layer.

この方法では、触媒成分を担持した触媒担体炭素材料A又はBを微量の電解質材料と共に電解質材料の良溶媒中で粉砕混合した後に乾燥すると、微量の電解質材料が触媒成分を担持した触媒担体炭素材料表面に膜状に固定される。前記乾燥によって得られる固形物(微量の電解質材料が固定された触媒担体炭素材料A又はB)を、(内層の場合は導電助剤炭素材料と共に)電解質材料に対する貧溶媒中で粉砕すると、電解質材料は、触媒成分を担持した触媒担体炭素材料に固定されたまま微粒化する。さらに、前記懸濁液に、必要十分な電解質溶液を滴下して、電解質材料を析出させ、電解質材料が僅かに固定された触媒担体炭素材料A又はBと(内層の場合は導電助剤炭素材料と)析出した電解質材料とが凝集した分散液が生成する。前記分散液に、ガス拡散炭素材料が添加されると、(i)の方法と同様に、電解質材料は触媒を担持した触媒担体炭素材料(内層の場合は導電助剤炭素材料と)の表面に固定又は凝集しているため、ガス拡散炭素材料表面が電解質材料によって覆われ難く、ガス拡散炭素材料の表面が本来持ち合わせている表面性状を活かすことができる。即ち、本発明の触媒凝集相とガス拡散炭素材料凝集相との2つの凝集相の構造となり、前記触媒凝集相が連続体で、前記ガス拡散炭素材料凝集相が前記触媒凝集相中に分散した構造となる。この方法も、特に表面の水和性を制御したガス拡散炭素材料を使用する場合に有効である。また、A液とB液を混合する方法を変化させることで、ガス拡散炭素材料凝集相の分散状態(形状やサイズ)を制御することができる。   In this method, the catalyst carrier carbon material A or B carrying the catalyst component is pulverized and mixed in a good solvent of the electrolyte material together with a trace amount of the electrolyte material, and then dried. It is fixed on the surface as a film. When the solid material obtained by the drying (catalyst support carbon material A or B on which a small amount of electrolyte material is fixed) is pulverized in a poor solvent for the electrolyte material (along with the conductive assistant carbon material in the case of the inner layer), the electrolyte material Is atomized while being fixed to the catalyst support carbon material carrying the catalyst component. Further, a necessary and sufficient electrolyte solution is dropped into the suspension to precipitate the electrolyte material, and the catalyst support carbon material A or B in which the electrolyte material is slightly fixed (in the case of the inner layer, the conductive assistant carbon material). And) a dispersion in which the deposited electrolyte material is agglomerated. When a gas diffusion carbon material is added to the dispersion, the electrolyte material is formed on the surface of the catalyst carrier carbon material carrying the catalyst (in the case of the inner layer, the conductive assistant carbon material) as in the method (i). Since it is fixed or agglomerated, the surface of the gas diffusion carbon material is hardly covered with the electrolyte material, and the surface properties inherently possessed by the surface of the gas diffusion carbon material can be utilized. That is, the present invention has a structure of two agglomerated phases of the catalyst agglomerated phase and the gas diffusion carbon material agglomerated phase of the present invention, wherein the catalyst agglomerated phase is a continuum and the gas diffusion carbon material agglomerated phase is dispersed in the catalyst agglomerated phase. It becomes a structure. This method is also effective particularly when a gas diffusion carbon material whose surface hydration property is controlled is used. Further, the dispersion state (shape and size) of the gas diffusion carbon material aggregated phase can be controlled by changing the method of mixing the liquid A and the liquid B.

これらの触媒層作製方法で使用する、電解質材料に対する良溶媒とは、実質的に使用する電解質材料を溶解する溶媒のことであり、電解質材料の種類や分子量によるため限定はできないが、具体例を例示すれば、市販されているアルドリッチ製5%ナフィオン(登録商標)溶液に含まれるパーフルオロスルホン酸ポリマーに対する良溶媒としては、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等を挙げることができる。   The good solvent for the electrolyte material used in these catalyst layer preparation methods is a solvent that substantially dissolves the electrolyte material used, and it cannot be limited because it depends on the type and molecular weight of the electrolyte material. For example, as a good solvent for the perfluorosulfonic acid polymer contained in a commercially available 5% Nafion (registered trademark) manufactured by Aldrich, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, and the like can be given.

また、これらの好ましい触媒層作製方法で使用する、電解質材料に対する貧溶媒とは、実質的に使用する電解質材料を溶解しない溶媒のことであり、電解質材料の種類や分子量により、溶媒が異なるため、特定することはできない。例えば、市販されているアルドリッチ製5%ナフィオン溶液に含まれるパーフルオロスルホン酸ポリマーに対する貧溶媒を例示するならば、ヘキサン、トルエン、ベンゼン、酢酸エチル、酢酸ブチル等を挙げることができる。   In addition, the poor solvent for the electrolyte material used in these preferred catalyst layer preparation methods is a solvent that does not substantially dissolve the electrolyte material to be used, and the solvent varies depending on the type and molecular weight of the electrolyte material. It cannot be specified. Examples of the poor solvent for the perfluorosulfonic acid polymer contained in a commercially available 5% Nafion solution made by Aldrich include hexane, toluene, benzene, ethyl acetate, butyl acetate and the like.

上述した(i)あるいは(ii)の好ましい触媒層作製方法の中で、粉砕あるいは粉砕混合する方法としては、大きな凝集体となっている触媒担体炭素材料やガス拡散炭素材料を粉砕し、少なくとも1μm以下の凝集体に粉砕する目的を果たすことができれば、手段は限定しない。一般的な手法としては、例を挙げるならば、超音波を利用する方法、ボールミルやガラスビーズ等を用いて機械的に粉砕する方法等を挙げることができる。   Among the preferred catalyst layer preparation methods of (i) or (ii) described above, as a method of pulverizing or pulverizing and mixing, the catalyst carrier carbon material and gas diffusion carbon material that are large aggregates are pulverized and at least 1 μm. The means is not limited as long as the purpose of pulverizing into the following aggregates can be achieved. Examples of general techniques include a method using ultrasonic waves and a method of mechanically pulverizing using a ball mill or glass beads.

本発明の燃料電池にガス拡散層を使用する場合は、セパレーターに形成されたガス流路から触媒層までガスを均一に拡散させる機能と、触媒層とセパレーター間に電子を伝導する機能が求められ、最低限、これらの機能を有していれば特に限定するものではない。一般的な例では、カーボンクロスやカーボンペーパー等の炭素材料が主な構成材料として用いられる。ガスの拡散性、電子伝導性の他、耐食性も付与できるのであれば、金属メッシュや金属ウール等の金属材料を用いることもできる。   When the gas diffusion layer is used in the fuel cell of the present invention, a function of uniformly diffusing gas from the gas flow path formed in the separator to the catalyst layer and a function of conducting electrons between the catalyst layer and the separator are required. However, it is not particularly limited as long as it has these functions. In general examples, a carbon material such as carbon cloth or carbon paper is used as a main constituent material. A metal material such as a metal mesh or metal wool can be used as long as it can provide corrosion resistance in addition to gas diffusibility and electron conductivity.

好ましいガス拡散層の構造の例としては、ガス拡散層のセパレーター側の層が繊維状炭素材料を主成分とするガス拡散繊維層、触媒層側の層にはカーボンブラックを主成分とするマイクロポア層で構成される2層構造を挙げることができる。   As an example of a preferable structure of the gas diffusion layer, the separator side layer of the gas diffusion layer is a gas diffusion fiber layer mainly containing a fibrous carbon material, and the catalyst layer side layer is a micropore mainly containing carbon black. A two-layer structure composed of layers can be given.

前記インクを膜状に乾燥する方法としては、一般に提案されている方法が適用でき、特に限定しない。   As a method for drying the ink into a film, a generally proposed method can be applied and is not particularly limited.

例えば、ガス拡散層上にインクを塗布するならば、刷毛塗り、スプレー、ロールコーター、インクジェット、スクリーンプリント等の方法が挙げることができる。あるいは、インクをバーコーター、刷毛塗り、スプレー、ロールコーター、インクジェット、スクリーンプリント等の方法で塗布、乾燥して、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シートやPTFE板等、高分子材料の表面に一旦別の材料上に触媒層を形成した後、ガス拡散層へホットプレス等の方法で接合し、ガス拡散電極を形成する方法を選択することもできる。   For example, if ink is applied on the gas diffusion layer, methods such as brush coating, spraying, roll coater, ink jet, and screen printing can be used. Alternatively, the ink is applied by a method such as bar coater, brush coating, spray, roll coater, ink jet, screen printing, etc., dried, and once separated on the surface of a polymer material such as polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet or PTFE plate A method of forming a gas diffusion electrode by forming a catalyst layer on the material and then joining the gas diffusion layer by a method such as hot pressing may be selected.

このように作製したガス拡散電極は、パーフルオロスルホン酸ポリマーのような電解質膜にホットプレス等で圧着し、電解質膜と電極の複合体(Membrane Electrode Assembly, MEA)を形成することができる。   The gas diffusion electrode thus produced can be pressure-bonded to an electrolyte membrane such as perfluorosulfonic acid polymer by hot pressing or the like to form a composite of the electrolyte membrane and electrode (Membrane Electrode Assembly, MEA).

又は、インクをPTFEシートやPTFE板等の高分子材料に刷毛塗り、スプレー、ロールコーター、インクジェット、スクリーンプリント等の方法で塗布、乾燥して、一旦別の材料上に触媒層を形成した後、パーフルオロスルホン酸ポリマーのような電解質膜へホットプレス等の方法で接合する方法や、パーフルオロスルホン酸ポリマーのような電解質膜にインクを直接塗布、乾燥する方法等で、触媒層と電解質膜の接合体を作製した後、ガス拡散層をホットプレス等の方法で触媒層に圧着する方法等でも、MEAを形成することができる。   Or after applying the ink to a polymer material such as PTFE sheet or PTFE plate by brushing, spraying, roll coater, ink jet, screen printing, etc., and drying, once forming a catalyst layer on another material, The catalyst layer and the electrolyte membrane can be bonded to the electrolyte membrane such as perfluorosulfonic acid polymer by a method such as hot pressing, or by directly applying and drying ink on the electrolyte membrane such as perfluorosulfonic acid polymer. The MEA can also be formed by, for example, a method in which the gas diffusion layer is pressure-bonded to the catalyst layer by a method such as hot pressing after the joined body is manufactured.

以上のように作製したMEAは、一般的には、その外側にセパレーターを配置して単位セルを構成し、これを必要な出力に合わせてスタックし、燃料電池として用いることができる。   In general, the MEA produced as described above can be used as a fuel cell by forming a unit cell by disposing a separator on the outside thereof and stacking the unit cells according to a required output.

<炭素材料の物性測定>
本発明のガス拡散電極、並びに燃料電池の実施例を示すに当たり、使用する炭素材料として11種の炭素材料a〜kを準備した。表1(炭素材料の種類とその物性)に、各種炭素材料の各種物性を示した。
<Measurement of physical properties of carbon materials>
In showing examples of the gas diffusion electrode and the fuel cell of the present invention, 11 types of carbon materials a to k were prepared as carbon materials to be used. Table 1 (Types of carbon materials and their physical properties) shows various physical properties of various carbon materials.

なお、窒素吸着比表面積は、120℃で真空乾燥したサンプルを自動比表面積測定装置(日本ベル製、BELSORP36)を用いて窒素ガスにて測定し、BET法に基づく1点法にて比表面積SBETを決定した。また、tプロット解析は装置に付属の解析プログラムを使用してStotal及びSmicroの物性値を算出した。酸素含有量は、元素分析値である。水蒸気吸着量は、定容量式水蒸気吸着装置(日本ベル製、BELSORP18)を用いて測定し、120℃、1Pa以下で2時間脱気前処理を行った試料を25℃の恒温中に保持し、真空状態から、25℃における水蒸気の飽和蒸気圧までの間、徐々に水蒸気を供給して段階的に相対湿度を変化させ、水蒸気吸着量を測定した。得られた測定結果から吸着等温線を描き、図から相対湿度90%のときの水蒸気吸着量を読み取った。表1では、読み取った水蒸気量を試料1g当たりに吸着した標準状態の水蒸気体積に換算して示した。DBP吸油量は、アブソープトメーター(Brabender社製)を用いて、最大トルクの70%の時のDBP添加量を試料100g当たりのDBP吸油量に換算して決定した。 Nitrogen adsorption specific surface area was measured with nitrogen gas using an automatic specific surface area measuring device (BELSORP36, manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.) after vacuum drying at 120 ° C, and the specific surface area S was determined by a one-point method based on the BET method. BET was determined. Also, t plot analysis were calculated by extrapolating the measured values S total and S micro using an analysis program supplied with the device. The oxygen content is an elemental analysis value. The amount of water vapor adsorption was measured using a constant capacity water vapor adsorption device (Nippon Bell, BELSORP18), and the sample that had been pre-degassed for 2 hours at 120 ° C. and 1 Pa or lower was held at a constant temperature of 25 ° C. From the vacuum state to the saturated vapor pressure of water vapor at 25 ° C., water vapor was gradually supplied to gradually change the relative humidity, and the water vapor adsorption amount was measured. An adsorption isotherm was drawn from the obtained measurement results, and the water vapor adsorption amount at a relative humidity of 90% was read from the figure. In Table 1, the read water vapor amount is shown in terms of the water vapor volume in the standard state adsorbed per 1 g of the sample. The DBP oil absorption amount was determined by converting the DBP addition amount at the time of 70% of the maximum torque into the DBP oil absorption amount per 100 g of sample using an absorber meter (manufactured by Brabender).

Figure 0005458801
Figure 0005458801

<白金触媒の調製>
塩化白金酸水溶液中に、触媒担体炭素材料として表1の炭素材料の中から選択した1種を分散し、50℃に保温し、撹拌しながら過酸化水素水を加え、次いでNa2S2O4水溶液を添加して、触媒前駆体を得た。この触媒前駆体を濾過、水洗、乾燥した後に100%H2気流中、300℃で3時間、還元処理を行い、触媒担体炭素材料に白金金属が50質量%担持された白金触媒を調製した。
<標準の塗布インク作製方法>
触媒担体炭素材料AまたはBとして1種の炭素材料を選択し、<白金金属を担持した触媒担体炭素材料の調製>の手順で白金金属を担持した調製した白金触媒を容器に取り、内層触媒層の塗布インクの場合はさらに導電助剤炭素材料を表1から1種選択し容器に加えた。これに5%ナフィオン溶液(デュポン製DE521)を加え、軽く撹拌後、超音波で触媒を粉砕した。さらに、撹拌しながら酢酸ブチルを加え、白金金属と触媒担体炭素材料A又はB、内層の場合は導電助剤炭素材料、ナフィオンを合わせた固形分濃度が2質量%となるようにし、2種の白金触媒とナフィオン(電解質)とが凝集した触媒凝集インクを調製した。特に記述がない限り、内層の場合は触媒担体炭素材料A及び導電助剤炭素材料の合計を1質量部、外層の場合は触媒担体炭素材料Bを1質量部として、ナフィオンを1.5質量部の割合で混合した。
<Preparation of platinum catalyst>
In a chloroplatinic acid aqueous solution, one selected from the carbon materials shown in Table 1 as a catalyst support carbon material is dispersed, kept at 50 ° C., added with hydrogen peroxide while stirring, and then Na 2 S 2 O. 4 Aqueous solution was added to obtain a catalyst precursor. The catalyst precursor was filtered, washed with water, and dried, followed by reduction treatment at 300 ° C. for 3 hours in a 100% H 2 stream to prepare a platinum catalyst in which 50% by mass of platinum metal was supported on the catalyst support carbon material.
<Standard coating ink production method>
Select one kind of carbon material as catalyst support carbon material A or B, take the prepared platinum catalyst supporting platinum metal in the procedure of <Preparation of catalyst support carbon material supporting platinum metal> in the container, and use the inner catalyst layer In the case of the coating ink, a conductive auxiliary agent carbon material was further selected from Table 1 and added to the container. To this was added a 5% Nafion solution (DE521 manufactured by DuPont), and after lightly stirring, the catalyst was pulverized with ultrasonic waves. Furthermore, butyl acetate was added while stirring, so that the solid content concentration of platinum metal and catalyst support carbon material A or B, and in the case of the inner layer, the conductive auxiliary agent carbon material and Nafion was 2% by mass. A catalyst aggregation ink in which a platinum catalyst and Nafion (electrolyte) were aggregated was prepared. Unless otherwise stated, in the case of the inner layer, the total amount of the catalyst support carbon material A and the conductive additive carbon material is 1 part by mass, in the case of the outer layer, the catalyst support carbon material B is 1 part by mass, and the ratio of Nafion is 1.5 parts by mass. Mixed.

また、別の容器にガス拡散炭素材料として表1の炭素材料の中から選択した1種を取り、炭素材料の濃度が2質量%になるように酢酸ブチルを加え、超音波で炭素材料を粉砕し、ガス拡散炭素材料が凝集したガス拡散炭素材料凝集インクを調製した。   Also, take one type selected from the carbon materials listed in Table 1 as a gas diffusion carbon material in another container, add butyl acetate so that the concentration of the carbon material is 2% by mass, and pulverize the carbon material with ultrasound Then, a gas diffusion carbon material aggregation ink in which the gas diffusion carbon material was aggregated was prepared.

次に、触媒凝集インクとガス拡散炭素材料凝集インクを混合し、固形分濃度が2質量%の塗布インクを作成した。
<触媒層作製方法>
まず最初に、外層用塗布インクをテフロン(登録商標)シートにスプレーした後、アルゴン中80℃で10分間乾燥し、室温まで冷却して外層触媒層を形成した。次に、内層用塗布インクを外層触媒層上にスプレーし、アルゴン中80℃で10分間乾燥し、続いてアルゴン中120℃で60分間乾燥し、内層と外層の2層構造を持った触媒層を作製した。
Next, the catalyst aggregation ink and the gas diffusion carbon material aggregation ink were mixed to prepare a coating ink having a solid content concentration of 2% by mass.
<Catalyst layer preparation method>
First, the outer layer coating ink was sprayed onto a Teflon (registered trademark) sheet, dried in argon at 80 ° C. for 10 minutes, and cooled to room temperature to form an outer catalyst layer. Next, the inner layer coating ink is sprayed onto the outer catalyst layer, dried in argon at 80 ° C. for 10 minutes, then dried in argon at 120 ° C. for 60 minutes, and a catalyst layer having a two-layer structure of an inner layer and an outer layer. Was made.

触媒層の白金目付け量及び内層と外層の比率は、外層触媒層作製後、及び内層触媒層作製後それぞれで、作製したテフロン(登録商標)シート上の触媒層を3cm角の正方形に切り取って質量を測定し、その後、触媒層をスクレーパーで剥ぎ取った後のテフロン(登録商標)シート質量を測定し、先の質量との差分から剥ぎ取った触媒層質量を算出し、触媒インク中の固形分中の白金が占める割合から白金目付け量を計算により求め、白金目付け量が0.10mg/cm2で、かつ狙いの内層と外層の比率になるようにスプレー量を調整した。
<MEAの作製>
作製した触媒層を用いてMEA(膜電極複合体)を作製した。
The platinum basis weight of the catalyst layer and the ratio of the inner layer to the outer layer are determined by cutting the catalyst layer on the prepared Teflon (registered trademark) sheet into 3 cm squares after the outer catalyst layer and the inner catalyst layer, respectively. After that, the mass of the Teflon (registered trademark) sheet after the catalyst layer was peeled off with a scraper was measured, the mass of the catalyst layer peeled off from the difference from the previous mass was calculated, and the solid content in the catalyst ink The amount of platinum is calculated from the ratio of platinum in the medium, and the amount of spray is adjusted so that the amount of platinum is 0.10 mg / cm 2 and the target ratio of inner layer to outer layer is obtained.
<Production of MEA>
An MEA (membrane electrode assembly) was produced using the produced catalyst layer.

ナフィオン膜(デュポン社製N112)は6cm角の正方形に切り取り、テフロン(登録商標)シート上に塗布された触媒層は、カッターナイフで2.5cm角の正方形に切り取った。これらの触媒層をアノード及びカソードとして、ナフィオン膜の中心部にずれが無いように挟み、120℃、100kg/cm2で10分間プレスした。室温まで冷却後、アノード、カソード共にテフロン(登録商標)シートのみを注意深く剥がし、アノード及びカソードの触媒層をナフィオン膜に定着させた。次に、ガス拡散層として市販のカーボンクロス(E-TEK社製LT1200W)を2.5cm角の正方形に切り取り、アノードとカソードにずれが無いように挟み、120℃、50kg/cm2で10分間プレスし、MEAを作成した。なお、プレス前の触媒層付テフロン(登録商標)シートの質量とプレス後に剥がしたテフロン(登録商標)シートの質量との差から定着した触媒層の質量を求め、触媒層の組成の質量比より白金目付け量を算出し、0.1mg/cm2であることを確認した。
<燃料電池性能評価条件>
作製したMEAは、それぞれセルに組み込み燃料電池測定装置にて、燃料電池性能評価を次の手順で行った。
A Nafion membrane (N112 manufactured by DuPont) was cut into a 6 cm square, and the catalyst layer coated on the Teflon (registered trademark) sheet was cut into a 2.5 cm square with a cutter knife. These catalyst layers were used as an anode and a cathode, sandwiched so that there was no deviation at the center of the Nafion membrane, and pressed at 120 ° C. and 100 kg / cm 2 for 10 minutes. After cooling to room temperature, only the Teflon (registered trademark) sheet for both the anode and the cathode was carefully peeled off to fix the anode and cathode catalyst layers to the Nafion membrane. Next, cut a commercially available carbon cloth (LT-1200W manufactured by E-TEK) as a gas diffusion layer into a square of 2.5 cm square, sandwich it so that there is no deviation between the anode and the cathode, and press at 120 ° C, 50 kg / cm 2 for 10 minutes And created the MEA. The mass of the fixed catalyst layer is determined from the difference between the mass of the Teflon (registered trademark) sheet with the catalyst layer before pressing and the mass of the Teflon (registered trademark) sheet peeled off after pressing, and the mass ratio of the composition of the catalyst layer is determined. The platinum weight was calculated and confirmed to be 0.1 mg / cm 2 .
<Fuel cell performance evaluation conditions>
The produced MEAs were each incorporated in a cell, and the fuel cell performance was evaluated by the following procedure using a fuel cell measuring device.

最初に、以下の条件を「高加湿高負荷」の代表的な条件として、性能評価を行った。ガスは、カソードに空気、アノードに純水素を、利用率がそれぞれ35%と70%となるように供給し、それぞれのガス圧は、セル下流に設けられた背圧弁で圧力調整し、0.1MPaに設定した。セル温度は80℃に設定し、供給する空気と純水素は、それぞれ80℃に保温された蒸留水中でバブリングを行い、加湿した。このような条件でセルにガスを供給した後、1000mA/cm2まで負荷を徐々に増加して、1000mA/cm2で負荷を固定し、60分経過後のセル端子間電圧を「高加湿高負荷」性能として記録した。 First, performance evaluation was performed with the following conditions as typical conditions for “high humidification and high load”. The gas was supplied to the cathode with air and pure hydrogen to the anode so that the utilization rates would be 35% and 70%, respectively, and each gas pressure was adjusted with a back pressure valve provided downstream of the cell, and 0.1 MPa Set to. The cell temperature was set to 80 ° C., and the supplied air and pure hydrogen were bubbled in distilled water kept at 80 ° C. and humidified. After supplying a gas to the cell under these conditions, increasing gradually loaded to 1000 mA / cm 2, the load was fixed at 1000 mA / cm 2, the inter-cell terminal voltage after the lapse of 60 minutes, "High humidification High Recorded as “load” performance.

次に、以下の条件を「低加湿低負荷」の代表的な条件として、性能評価を行った。ガスは、カソードに空気、アノードに純水素を、利用率がそれぞれ35%と70%となるように供給し、それぞれのガス圧は、セル下流に設けられた背圧弁で圧力調整し、0.1MPaに設定した。セル温度は80℃に設定し、供給する空気と純水素は、それぞれ40℃に保温された蒸留水中でバブリングを行い、加湿した。このような条件でセルにガスを供給した後、1000mA/cm2まで負荷を徐々に増加して、1000mA/cm2で負荷を固定し、30分経過後に100mA/cm2に負荷を下げ、10分経過後のセル端子間電圧を「低加湿低負荷」性能として記録した。
<性能比較1>
まず、表2に示したとおり、触媒担体炭素材料Aに表1のj、導電助剤炭素材料Yに表1のe、ガス拡散炭素材料に表1のa、を内層の触媒層にそれぞれ選択し、触媒担体炭素材料Bに表1のh、ガス拡散炭素材料に表1のa、を外層の触媒層にそれぞれ選択した2層構造触媒層を用い、比較を行った。
Next, performance evaluation was performed using the following conditions as typical conditions of “low humidification and low load”. The gas was supplied to the cathode with air and pure hydrogen to the anode so that the utilization rates would be 35% and 70%, respectively, and each gas pressure was adjusted with a back pressure valve provided downstream of the cell, and 0.1 MPa Set to. The cell temperature was set at 80 ° C., and the supplied air and pure hydrogen were bubbled in distilled water kept at 40 ° C. and humidified. After supplying a gas to the cell under these conditions, by gradually increasing the load until 1000 mA / cm 2, the load was fixed at 1000 mA / cm 2, to lower the load to 100 mA / cm 2 after a lapse of 30 minutes, 10 The voltage between the cell terminals after the lapse of minutes was recorded as “low humidification and low load” performance.
<Performance comparison 1>
First, as shown in Table 2, the catalyst support carbon material A is selected as j in Table 1, the conductive auxiliary agent carbon material Y as e in Table 1, and the gas diffusion carbon material as a in Table 1 as the inner catalyst layer. Then, a comparison was made using a two-layered catalyst layer in which h in Table 1 was selected as the catalyst support carbon material B and a in Table 1 was selected as the gas diffusion carbon material as the outer catalyst layer.

なお、比較例1は、触媒担体炭素材料Aとして表1のj、触媒担体炭素材料Bとして表1のh、導電助剤炭素材料Yとして表1のe、ガス拡散炭素材料として表1のa、電解質材料として5%ナフィオン溶液(デュポン製DE521)を混合し、エタノールで希釈して固形分濃度が2質量%の塗布インクを作成し、超音波で炭素材料を粉砕した後、各成分が均一混合された塗布インクを作成し、これを用いて内層、外層が無い一層で、かつ凝集相構造を持たない触媒層を作製し、評価に用いた。   In Comparative Example 1, the catalyst support carbon material A is shown in Table 1, j, the catalyst support carbon material B is shown in Table 1, h, the conductive additive carbon material Y is shown in Table 1, e, and the gas diffusion carbon material is shown in Table 1 as a. After mixing 5% Nafion solution (DuPont DE521) as an electrolyte material and diluting with ethanol to make a coating ink with a solid content concentration of 2% by mass, the carbon material is pulverized with ultrasonic waves, and then each component is uniform A mixed coating ink was prepared, and a catalyst layer having no inner layer and outer layer and having no aggregated phase structure was prepared by using this, and used for evaluation.

また、比較例2は、触媒担体炭素材料Aとして表1のj、導電助剤炭素材料Yとして表1のe、ガス拡散炭素材料として表1のa、電解質材料として5%ナフィオン溶液(デュポン製DE521)を混合し、固形分濃度が2質量%になるようにエタノールで希釈し、超音波で炭素材料を粉砕した後、各成分が均一混合された内層用塗布インクを作成し、触媒担体炭素材料Bとして表1のh、ガス拡散炭素材料として表1のa、電解質材料として5%ナフィオン溶液(デュポン製DE521)を混合し、固形分濃度が2質量%になるようにエタノールで希釈し、超音波で炭素材料を粉砕した後、各成分が均一混合された外層用塗布インクを作製した。触媒層は、これら2種類の塗布インクを用いて、<触媒層作製方法>に記述した方法で凝集相構造を持たない2層構造触媒層を作製し、評価に用いた。   Further, Comparative Example 2 shows catalyst support carbon material A as j in Table 1, conductive auxiliary agent carbon material Y as Table 1 e, gas diffusion carbon material as Table 1 a, and electrolyte material 5% Nafion solution (manufactured by DuPont). DE521) is mixed, diluted with ethanol so that the solid content concentration is 2% by mass, and the carbon material is pulverized with ultrasonic waves. H in Table 1 as material B, a in Table 1 as gas diffusion carbon material, 5% Nafion solution (DEPON manufactured by DuPont) as an electrolyte material, and diluted with ethanol so that the solid content concentration is 2% by mass, After the carbon material was pulverized with ultrasonic waves, an outer layer coating ink in which each component was uniformly mixed was prepared. For the catalyst layer, a two-layered catalyst layer having no aggregated phase structure was prepared by the method described in <Catalyst Layer Preparation Method> using these two types of coating inks, and used for evaluation.

さらに、実施例1及び比較例3〜8には、上記の<標準の塗布インク作製方法>に倣って、内層用塗布インクと外層用塗布インクを作製し、触媒層は、これら2種類の塗布インクを用いて、<触媒層作製方法>に記述した方法で作製し、触媒成分を担持した触媒担体炭素材料Aと導電助剤炭素材料と電解質材料とからなる触媒凝集相と、ガス拡散炭素材料凝集相とからなって、前記触媒凝集相中に前記ガス拡散炭素材料凝集相が分散させた構造となった内層触媒層と、触媒成分を担持した触媒担体炭素材料Bと電解質材料とからなる触媒凝集相と、ガス拡散炭素材料凝集相とからなって、前記触媒凝集相中に前記ガス拡散炭素材料凝集相が分散させた構造となった外層触媒層の2層構造触媒層を作製し、評価に用いた。なお、比較例3〜8は、炭素材料のいずれか、又は複数種が欠落した触媒層を作製した。   Further, in Example 1 and Comparative Examples 3 to 8, following the above <Standard Coating Ink Preparation Method>, an inner layer coating ink and an outer layer coating ink were prepared, and the catalyst layer was coated with these two types. A catalyst agglomerated phase comprising a catalyst carrier carbon material A, a conductive assistant carbon material, and an electrolyte material, which are produced by the method described in <Catalyst Layer Preparation Method> using ink and carrying a catalyst component, and a gas diffusion carbon material A catalyst comprising: an inner layer catalyst layer having a structure in which the gas diffusion carbon material aggregate phase is dispersed in the catalyst aggregate phase, a catalyst support carbon material B supporting a catalyst component, and an electrolyte material. A two-layer catalyst layer consisting of an agglomerated phase and a gas-diffusing carbon material agglomerated phase and having a structure in which the gas-diffusing carbon material agglomerated phase is dispersed in the catalyst agglomerated phase is prepared and evaluated. Used for. In Comparative Examples 3 to 8, a catalyst layer lacking any one or plural kinds of carbon materials was produced.

これらの触媒層をカソードしたときの発電性能を比較した。なお、アノードには全て実施例1の触媒層を用いた。   The power generation performance when these catalyst layers were cathoded was compared. Note that the catalyst layer of Example 1 was used for all anodes.

Figure 0005458801
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まず、上記性能比較で作製した触媒層の内、2層構造を有しかつ2相凝集構造を有する実施例1、前記のような2層構造及び2相凝集構造のいずれも有さない比較例1、及び、2層構造は有するが2相凝集構造を有さない比較例2の触媒層の断面構造観察を行った。   First, of the catalyst layers prepared in the above performance comparison, Example 1 having a two-layer structure and having a two-phase aggregate structure, a comparative example having neither of the two-layer structure and the two-phase aggregate structure as described above The cross-sectional structure of the catalyst layer of Comparative Example 2 having a 1- and 2-layer structure but not having a two-phase aggregate structure was observed.

観察試料には、性能比較で用いたMEAを性能評価を実施した後にセルから取り出し、ピンセットを用いてガス拡散層を注意深く剥がした。次に、ガス拡散層を剥がしたMEAをカッターナイフで5mm角程度の大きさで切り出し、カソードの触媒層が切削できるように、クライオミクロトームのホルダーにカーボンテープで固定した。作製したホルダーをクライオミクロトームにセットし、ナイフにはダイアモンドトリミングナイフをセットした。このとき、ダイアモンドトリミングナイフをナイフの進行方向に対して10度程度角度をつけ、触媒層が斜めに切削されるようにした。切削温度を−90℃、触媒層の深さ方向に1回当たり50nmの厚みで、少なくとも100回切削し、触媒層の切断面を作製した。これら切断面を作製した触媒層は、ホルダーごと電子顕微鏡ホルダーにセットし、1万倍の倍率で2次電子像と反射電子像を観察した。   For the observation sample, the MEA used in the performance comparison was subjected to performance evaluation, taken out from the cell, and the gas diffusion layer was carefully peeled off using tweezers. Next, the MEA from which the gas diffusion layer had been peeled was cut out to a size of about 5 mm square with a cutter knife, and fixed to the cryomicrotome holder with carbon tape so that the cathode catalyst layer could be cut. The produced holder was set on a cryomicrotome, and a diamond trimming knife was set on the knife. At this time, the diamond trimming knife was set at an angle of about 10 degrees with respect to the traveling direction of the knife so that the catalyst layer was cut obliquely. Cutting was performed at least 100 times at a cutting temperature of −90 ° C. and a thickness of 50 nm per time in the depth direction of the catalyst layer to prepare a cut surface of the catalyst layer. The catalyst layer on which these cut surfaces were prepared was set in an electron microscope holder together with the holder, and a secondary electron image and a reflected electron image were observed at a magnification of 10,000 times.

まず、2次電子像から、実施例1及び比較例2の触媒層は、構成する炭素材料の形状の違いにより、明確に2層構造を形成していることが判別できた。これに対し、比較例1は、複数の炭素材料形状で構成されていることは確認できるものの均一に分散しており、1層構造であることが確認できた。   First, from the secondary electron images, it could be determined that the catalyst layers of Example 1 and Comparative Example 2 clearly formed a two-layer structure due to the difference in the shape of the carbon materials constituting them. In contrast, Comparative Example 1 was confirmed to be composed of a plurality of carbon material shapes, but was uniformly dispersed and confirmed to have a single-layer structure.

また、比較例1及び比較例2の触媒層は、2次電子像から電解質材料が固まりを作っていると推定される場所以外は、反射電子像が一様に明るいコントラストとなって観察され、触媒成分が担持されていない炭素材料の凝集相(ガス拡散炭素材料凝集相)は見られなかった。それに対して、実施例1の触媒層では、内層及び外層共に、2次電子像で明らかに炭素材料が存在すると判別できる箇所の内、反射電子像では暗いコントラストとなっている箇所、つまり触媒成分が担持されていない炭素材料の凝集相(ガス拡散炭素材料凝集相)が、島状に分布している様子が観察できた。より定量的に識別するために、内層の1部分を1万倍の倍率で272DPI×272DPI以上の解像度で、かつ256色の階層で明るさで反射電子像を電子情報として取り込み、取り込んだ画像の明るさを画像解析ソフトを用いて、暗い方から110階層目の範囲を黒色で表示し、111階層目から明るい方へ256階層目までの範囲を白色になるように二値化した。次に、各黒色点の膨張処理を1度行い、隣り合った点同士を認識させた。更に穴埋め処理を実行して、範囲内の空白部分を穴埋めして同一範囲であるように認識させた。最後に、膨張した分を元に戻す縮退処理を行い、目的とする範囲を明確化させた。その上で、各黒色部分の円相当直径を各黒色部分の面積より算出し、300nm未満の部分を全てカットした。残った黒部分の内、同視野の二次電子像で炭素材料が存在する黒部分の個数を計測すると8個であった。さらに黒部分の円相当直径が500nm以下のものを削除しても、残った黒部分の内、同視野の二次電子像で炭素材料が存在する黒部分の個数を計測すると3個であった。外層も同様に解析したところ、円相当直径が300nm以上のものが3個であった。   In addition, the catalyst layers of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 were observed with a uniform contrast of the reflected electron image, except where the electrolyte material was estimated to be agglomerated from the secondary electron image, No agglomerated phase of carbon material (gas diffusion carbon material agglomerated phase) with no catalyst component supported was found. On the other hand, in the catalyst layer of Example 1, both the inner layer and the outer layer have a dark contrast in the reflected electron image, that is, where the carbon material is clearly present in the secondary electron image, that is, the catalyst component. It was observed that the agglomerated phase (gas diffusion carbon material agglomerated phase) of the carbon material on which no carbon was supported was distributed in islands. In order to identify more quantitatively, a reflected electron image is captured as electronic information with a resolution of 272 DPI × 272 DPI or higher at a magnification of 10,000 and a brightness of 256 colors in a part of the inner layer, and the captured image Using the image analysis software, the brightness was binarized so that the range from the darker to the 110th layer was displayed in black, and the range from the 111th layer to the brighter layer up to the 256th layer was white. Next, each black point was expanded once to recognize adjacent points. Further, a hole filling process was executed, and blank portions in the range were filled and recognized as being in the same range. Finally, a degeneration process for returning the expanded portion was performed to clarify the target range. Then, the circle equivalent diameter of each black part was calculated from the area of each black part, and all parts less than 300 nm were cut. Of the remaining black parts, the number of black parts with carbon material in the secondary electron image with the same field of view was eight. Furthermore, even if the black part with an equivalent circle diameter of 500 nm or less was deleted, the number of black parts with carbon material present in the secondary electron image in the same field of view of the remaining black part was three. . When the outer layer was analyzed in the same manner, it was found that the number of equivalent circle diameters was 300 nm or more.

表1に示したとおり比較例1, 2及び実施例1を比較すると、内層及び外層共に凝集相構造を持つ2層構造触媒層を用いた実施例1が最も優れた特性を示し、内層、外層が無く、かつ凝集相構造を持たない触媒層を用いた比較例1、及び、内層、外層はあるが、それぞれが凝集相構造を持たない触媒層を用いた比較例2は、実施例1と比較して高加湿高負荷条件、低加湿低負荷条件共に特性が低かった。   Comparing Comparative Examples 1 and 2 and Example 1 as shown in Table 1, Example 1 using a two-layered catalyst layer having an aggregated phase structure in both the inner layer and the outer layer showed the most excellent characteristics, and the inner layer and outer layer Comparative Example 1 using a catalyst layer having no aggregated phase structure, and Comparative Example 2 using a catalyst layer having an inner layer and an outer layer but each having no aggregated phase structure are In comparison, the characteristics were low in both high humidification high load conditions and low humidification low load conditions.

また、内層及び外層共に凝集相構造を持つ2層構造触媒層を用いた実施例1、及び比較例3〜8を比較すると、内層に触媒担体炭素材料A、導電助剤炭素材料、及びガス拡散炭素材料を含有し、外層に触媒担体炭素材料B、及びガス拡散炭素材料を含有する実施例1が最も優れた特性を示し、実施例1と比較して内層又は外層の炭素材料のうち少なくとも1種類が欠落した比較例3〜8は、実施例1よりも低い特性となった。
<性能比較2>
表3に示したとおり、触媒担体炭素材料Aに表1のa〜k、導電助剤炭素材料Yに表1のe、ガス拡散炭素材料に表1のaを内層の触媒層にそれぞれ選択し、触媒担体炭素材料Bに表1のh、ガス拡散炭素材料に表1のaを外層の触媒層にそれぞれ選択した2層構造触媒層を用いて、内層の触媒担体炭素材料Aの種類が異なったときの比較を行った。
Further, when comparing Example 1 and Comparative Examples 3 to 8 using a two-layer structure catalyst layer having an aggregated phase structure in both the inner layer and the outer layer, the catalyst support carbon material A, the conductive auxiliary agent carbon material, and the gas diffusion are formed in the inner layer. Example 1 containing the carbon material and containing the catalyst support carbon material B and the gas diffusion carbon material in the outer layer shows the most excellent characteristics, and compared with Example 1, at least one of the inner layer or outer layer carbon materials. Comparative Examples 3 to 8 in which the type was lost had characteristics lower than those of Example 1.
<Performance comparison 2>
As shown in Table 3, a to k in Table 1 are selected for the catalyst support carbon material A, e in Table 1 is selected for the conductive additive carbon material Y, and a in Table 1 is selected for the gas diffusion carbon material as the inner catalyst layer. The catalyst carrier carbon material B is different in the type of catalyst carrier carbon material A in the inner layer by using a two-layered catalyst layer in which h in Table 1 is selected as the catalyst carrier carbon material B and a in Table 1 is selected as the gas diffusion carbon material as the outer catalyst layer. A comparison was made.

触媒層は、上記の<標準の塗布インク作製方法>に倣って、内層用塗布インクと外層用塗布インクを作製し、これら2種類の塗布インクを用いて<触媒層作製方法>に記述した方法で作製した。作製した触媒層は、内層及び外層がそれぞれ凝集相構造を持っており、これらの触媒層をカソードしたときの発電性能を比較した。なお、アノードには全て実施例1の触媒層を用いた。   For the catalyst layer, following the above <Standard coating ink preparation method>, the inner layer coating ink and the outer layer coating ink were prepared, and using these two types of coating inks, the method described in <Catalyst layer preparation method> It was produced with. The produced catalyst layers each have an aggregated phase structure in the inner layer and the outer layer, and the power generation performance when these catalyst layers are cathoded was compared. Note that the catalyst layer of Example 1 was used for all anodes.

Figure 0005458801
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表3に示したとおり、BET評価による比表面積SBETが1000m2/g以上4000m2/g以下で、かつtプロット解析による直径2nm以下のミクロ孔表面積Smicroと全表面積Stotalの比Smicro/Stotalが0.5以上である本発明の触媒担体炭素材料Aを使用した実施例1〜5は、高加湿高負荷条件、低加湿低負荷条件共に優れた性能を示した。中でも、25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量が100mL/g以上である炭素材料h、i、j、kを触媒担体炭素材料Aとして使用した実施例1及び3〜5は、低加湿低負荷条件においても極めて優れた特性を示した。 As shown in Table 3, the specific surface area S BET by BET evaluation is 1000 m 2 / g or more and 4000 m 2 / g or less, and the ratio S micro of the micropore surface area S micro and the total surface area S total of 2 nm or less diameter by t plot analysis Examples 1 to 5 using the catalyst support carbon material A of the present invention having / S total of 0.5 or more showed excellent performance in both high humidification high load conditions and low humidification low load conditions. Among them, Examples 1 and 3 to 5 using carbon materials h, i, j, and k having a water vapor adsorption amount of 100 mL / g or more at 25 ° C. and a relative humidity of 90% as the catalyst support carbon material A are low humidification and low. It showed very good characteristics even under load conditions.

それに対し、BET評価による比表面積SBETが1000m2/g未満であるか、ミクロ孔表面積Smicroと全表面積Stotalの比Smicro/Stotalが0.5未満ある炭素材料を触媒担体炭素材料Aとした比較例9〜14は、特に低加湿低負荷の特性が悪い結果となった。
<性能比較3>
表4に示したとおり、触媒担体炭素材料Aに表1のj、導電助剤炭素材料Yに表1のe、ガス拡散炭素材料に表1のa、を内層の触媒層にそれぞれ選択し、触媒担体炭素材料Bに表1のa〜j、ガス拡散炭素材料に表1のa、を外層の触媒層にそれぞれ選択した2層構造触媒層を用いて、外層の触媒担体炭素材料Bの種類が異なったときの比較を行った。
In contrast, a carbon material having a specific surface area S BET by BET evaluation of less than 1000 m 2 / g or a ratio S micro / S total of the micropore surface area S micro to the total surface area S total of less than 0.5 is defined as a catalyst support carbon material A. Comparative Examples 9 to 14 resulted in particularly poor characteristics of low humidification and low load.
<Performance comparison 3>
As shown in Table 4, j in Table 1 for the catalyst support carbon material A, e in Table 1 for the conductive additive carbon material Y, and a in Table 1 for the gas diffusion carbon material are selected for the inner catalyst layer, Types of catalyst carrier carbon material B in the outer layer using a catalyst catalyst carbon material B with a two-layer structure catalyst layer selected from a to j in Table 1 and gas diffusion carbon material a in Table 1 as the outer catalyst layer. Comparisons were made when they were different.

触媒層は、上記の<標準の塗布インク作製方法>に倣って、内層用塗布インクと外層用塗布インクを作製し、これら2種類の塗布インクを用いて、<触媒層作製方法>に記述した方法で作製した。作製した触媒層は、内層及び外層がそれぞれ凝集相構造を持っており、これらの触媒層をカソードしたときの発電性能を比較した。なお、アノードには全て実施例1の触媒層を用いた。   The catalyst layer was prepared as described in <Catalyst Layer Preparation Method> using the coating ink for the inner layer and the coating ink for the outer layer according to the above <Standard Application Method for Preparation of Ink> and using these two types of application inks. It was produced by the method. The produced catalyst layers each have an aggregated phase structure in the inner layer and the outer layer, and the power generation performance when these catalyst layers are cathoded was compared. Note that the catalyst layer of Example 1 was used for all anodes.

Figure 0005458801
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表4に示したとおり、DBP吸油量XmL/100gとBET評価による比表面積SBETとの比X/SBETが、0.2以上3.0以下である本発明の触媒担体炭素材料Bを使用した実施例1及び6〜9は、高加湿高負荷条件、低加湿低負荷条件共に優れた性能を示した。 As shown in Table 4, the ratio X / S BET between the DBP oil absorption amount XmL / 100 g and the specific surface area S BET according to BET evaluation is 0.2 using the catalyst support carbon material B of the present invention, which is 3.0 or less. And 6-9 showed the performance which was excellent in high humidification high load conditions and low humidification low load conditions.

それに対し、DBP吸油量XmL/100gとBET評価による比表面積SBETとの比X/SBETが、0.2以上3.0以下の範囲外にある炭素材料を触媒担体炭素材料Bとした比較例15〜19は、特に高加湿高負荷の特性が悪い結果となった。
<性能比較4>
表5に示したとおり、触媒担体炭素材料Aに表1のj、導電助剤炭素材料Yに表1のa〜j、ガス拡散炭素材料に表1のa、を内層の触媒層にそれぞれ選択し、触媒担体炭素材料Bに表1のh、ガス拡散炭素材料に表1のa、を外層の触媒層にそれぞれ選択した2層構造触媒層を用いて、内層の導電助剤炭素材料Yの種類が異なったときの比較を行った。また、導電助剤炭素材料Yが表1のeのときに、導電助剤炭素材料Yの触媒担体炭素材料Aに対する質量比Y/(A+Y)を変化させたときの比較も行った。
On the other hand, Comparative Examples 15 to 19 where the ratio X / S BET between the DBP oil absorption amount XmL / 100 g and the specific surface area S BET by BET evaluation is outside the range of 0.2 or more and 3.0 or less is the catalyst support carbon material B. In particular, the characteristics of high humidification and high load were poor.
<Performance comparison 4>
As shown in Table 5, select j in Table 1 for catalyst support carbon material A, a to j in Table 1 for conductive auxiliary carbon material Y, and a in Table 1 for gas diffusion carbon material as the inner catalyst layer. Then, using a two-layer catalyst layer in which h in Table 1 is selected for the catalyst support carbon material B and a in Table 1 for the gas diffusion carbon material is selected as the outer catalyst layer, the conductive auxiliary agent carbon material Y of the inner layer is selected. Comparison was made when the types were different. Further, when the conductive auxiliary carbon material Y was e in Table 1, a comparison was also made when the mass ratio Y / (A + Y) of the conductive auxiliary carbon material Y to the catalyst support carbon material A was changed.

触媒層は、上記の<標準の塗布インク作製方法>に倣って、内層用塗布インクと外層用塗布インクを作製し、これら2種類の塗布インクを用いて、<触媒層作製方法>に記述した方法で作製した。作製した触媒層は、内層及び外層がそれぞれ凝集相構造を持っており、これらの触媒層をカソードしたときの発電性能を比較した。なお、アノードには、全て実施例1の触媒層を用いた。   The catalyst layer was prepared as described in <Catalyst Layer Preparation Method> using the coating ink for the inner layer and the coating ink for the outer layer according to the above <Standard Application Method for Preparation of Ink> and using these two types of application inks. It was produced by the method. The produced catalyst layers each have an aggregated phase structure in the inner layer and the outer layer, and the power generation performance when these catalyst layers are cathoded was compared. Note that the catalyst layer of Example 1 was used for all anodes.

Figure 0005458801
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導電助剤炭素材料Yの触媒担体炭素材料Aに対する質量比Y/(A+Y)を0.2に固定して、導電助剤炭素材料Yの種類を変化させた実施例10〜13, 1, 20〜24を比較すると、DBP吸油量XmL/100gとBET評価による比表面積SBETとの比X/SBETが、0.2以上3.0以下である炭素材料a、b、c、e、hを導電助剤炭素材料Yとして使用した実施例1, 10〜12, 22は、高加湿高負荷条件、低加湿低負荷条件共に優れた性能を示した。 Examples 10-13, 1, 20 in which the mass ratio Y / (A + Y) of the conductive additive carbon material Y to the catalyst support carbon material A was fixed to 0.2 and the type of conductive additive carbon material Y was changed. ~ 24, carbon material a, b, c, e, h with DBP oil absorption XmL / 100g and specific surface area S BET ratio X / S BET by BET evaluation of 0.2 to 3.0 Examples 1, 10 to 12 and 22 used as the carbon material Y showed excellent performance under both high humidification and high load conditions and low humidification and low load conditions.

それに対し、DBP吸油量XmL/100gとBET評価による比表面積SBETとの比X/SBETが、0.2以上3.0以下の範囲外にある炭素材料d、f、g、i、jを導電助剤炭素材料Yとした実施例13、20、21、23、24は、高加湿高負荷条件、低加湿低負荷条件共に、X/SBETが0.2以上3.0以下の範囲内にあるものより特性が低い結果となった。 On the other hand, carbon material d, f, g, i, j whose ratio X / S BET between DBP oil absorption XmL / 100g and specific surface area S BET by BET evaluation is outside the range of 0.2 or more and 3.0 or less is conductive aid. Examples 13, 20, 21, 23, and 24, which are carbon materials Y, have lower characteristics than those in which X / S BET is in the range of 0.2 to 3.0 in both high humidification and high load conditions and low humidification and low load conditions. As a result.

また、導電助剤炭素材料Yの種類を表1のeとして、導電助剤炭素材料Yの触媒担体炭素材料Aに対する質量比Y/(A+Y)を変化させた実施例1, 14〜19を比較すると、質量比Y/(A+Y)が0.05以上0.4以下である実施例1, 15〜18は、質量比Y/(A+Y)が0.05未満、または0.4超である実施例14および19よりも優れた特性を示した。
<性能比較5>
表6に示したとおり、触媒担体炭素材料Aに表1のj、導電助剤炭素材料Yに表1のe、ガス拡散炭素材料に表1のa、を内層の触媒層にそれぞれ選択し、触媒担体炭素材料Bに表1のh、ガス拡散炭素材料に表1のa、を外層の触媒層にそれぞれ選択した2層構造触媒層を用いて、内層と外層それぞれに含まれる触媒担体炭素材料Aと触媒担体炭素材料Bの質量比A/(A+B)を変化させたときの比較を行った。また、質量費A/(A+B)が0.7のときに内層及び外層に含まれるガス拡散炭素材料のそれぞれの層中での含有質量率を変化させたときの比較も行った。
Also, Examples 1, 14 to 19 in which the mass ratio Y / (A + Y) of the conductive assistant carbon material Y to the catalyst support carbon material A was changed as e in Table 1 as the type of the conductive assistant carbon material Y. When the mass ratio Y / (A + Y) is 0.05 or more and 0.4 or less, Examples 1 and 15 to 18 are examples in which the mass ratio Y / (A + Y) is less than 0.05 or more than 0.4. And showed better properties than 19.
<Performance comparison 5>
As shown in Table 6, j in Table 1 for the catalyst support carbon material A, e in Table 1 for the conductive additive carbon material Y, and a in Table 1 for the gas diffusion carbon material are selected as the inner catalyst layer, The catalyst carrier carbon material contained in each of the inner layer and the outer layer using a two-layer catalyst layer in which h in Table 1 is selected as the catalyst support carbon material B and a in Table 1 is selected as the gas diffusion carbon material as the outer catalyst layer. Comparison was made when the mass ratio A / (A + B) of A and the catalyst-supporting carbon material B was changed. Further, a comparison was also made when the mass ratio of the gas diffusion carbon material contained in the inner layer and the outer layer was changed in each layer when the mass cost A / (A + B) was 0.7.

触媒層は、上記の<標準の塗布インク作製方法>に倣って、内層用塗布インクと外層用塗布インクを作製し、これら2種類の塗布インクを用いて、<触媒層作製方法>に記述した方法で作製した。作製した触媒層は内層及び外層がそれぞれ凝集相構造を持っており、これらの触媒層をカソードしたときの発電性能を比較した。なお、アノードには全て実施例1の触媒層を用いた。   The catalyst layer was prepared as described in <Catalyst Layer Preparation Method> using the coating ink for the inner layer and the coating ink for the outer layer according to the above <Standard Application Method for Preparation of Ink> and using these two types of application inks. It was produced by the method. The produced catalyst layers each have an aggregated phase structure in the inner layer and the outer layer, and the power generation performance when these catalyst layers are cathoded was compared. Note that the catalyst layer of Example 1 was used for all anodes.

Figure 0005458801
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内層及び外層のガス拡散炭素材料の含有率が10質量%のときの実施例25〜28, 1, 39〜41を比較すると、触媒担体炭素材料Aと触媒担体炭素材料Bの質量比A/(A+B)が0.2以上0.95以下である実施例26〜28, 1, 39, 40は、質量比A/(A+B)が0.2未満の実施例25、又は質量比A/(A+B)が0.95超の実施例41と比較して、全て高加湿高負荷条件、低加湿低負荷条件共に優れた性能を示した。また、触媒担体炭素材料Aと触媒担体炭素材料Bの質量比A/(A+B)が0.70で、内層のガス拡散炭素材料の含有率を変化させた実施例1、29〜33を比較すると、ガス拡散炭素材料の内層触媒層中の含有率が3質量%以上30質量%以下の範囲内にある実施例1, 30〜32は、高加湿高負荷条件、低加湿低負荷条件共に優れた性能を示した。特に、ガス拡散炭素材料の内層触媒層中の含有率が5質量%以上25質量%以下の範囲内にある実施例1, 30, 31は、高加湿高負荷条件、低加湿低負荷条件において、バランスの取れた特性を示した。また、触媒担体炭素材料Aと触媒担体炭素材料Bの質量比A/(A+B)が0.70で、外層のガス拡散炭素材料の含有率を変化させた実施例1, 34〜38を比較すると、ガス拡散炭素材料の外層触媒層中の含有率が3質量%以上30質量%以下の範囲内にある実施例1, 35〜37は、高加湿高負荷条件、低加湿低負荷条件共に優れた性能を示した。特に、ガス拡散炭素材料の内層触媒層中の含有率が5質量%以上25質量%以下の範囲内にある実施例1, 35, 36は、高加湿高負荷条件、低加湿低負荷条件において、バランスの取れた特性を示した。
<耐久性能試験>
<性能比較2>で優れた特性を示した実施例で、触媒担体炭素材料Aに使用した炭素材料h、i、j、kについて水蒸気吸着量V10、V90、V10/V90の値を表7に示した。また、これらの炭素材料h、i、j、kを用いて白金を担持した触媒H、I、J、Kを以下の方法で作製した。蒸留水中に塩化白金酸水溶液とポリビニルピロリドンを入れ、90℃で攪拌しながら、水素化ホウ素ナトリウムを蒸留水に溶かした上で、これを該水溶液に注ぎ、塩化白金酸を還元する。その水溶液に炭素材料h、i、j、kをそれぞれ添加し、60分間撹拌した後に、濾過、洗浄を行った。得られた固形物を90℃で真空乾燥した後、粉砕して、水素雰囲気中250℃で1時間熱処理することによって、触媒H、I、J、Kを作製した。尚、触媒の白金担持量は50質量%になるように調製した。
When comparing Examples 25 to 28, 1, 39 to 41 when the content of the gas diffusion carbon material of the inner layer and the outer layer is 10% by mass, the mass ratio A / (of the catalyst support carbon material A and the catalyst support carbon material B Examples 26 to 28, 1, 39, 40 in which A + B) is 0.2 or more and 0.95 or less, Example 25 in which the mass ratio A / (A + B) is less than 0.2, or mass ratio A / (A + B ) Was superior to Example 41 having a value exceeding 0.95, both showed excellent performance under both high humidification and high load conditions and low humidification and low load conditions. In addition, when the mass ratio A / (A + B) of the catalyst support carbon material A and the catalyst support carbon material B is 0.70, and the contents of the gas diffusion carbon material in the inner layer are changed, 29 to 33 are compared. Examples 1 and 30 to 32 in which the content of the gas diffusion carbon material in the inner catalyst layer is in the range of 3% by mass to 30% by mass were excellent in both high humidification and high load conditions and low humidification and low load conditions. Showed performance. In particular, Examples 1, 30, and 31 in which the content of the gas diffusion carbon material in the inner catalyst layer is in the range of 5% by mass or more and 25% by mass or less are high humidification high load conditions, low humidification low load conditions, It showed balanced characteristics. Further, when the mass ratio A / (A + B) of the catalyst support carbon material A and the catalyst support carbon material B is 0.70, and the contents of the gas diffusion carbon material in the outer layer are changed, Examples 1 and 34 to 38 are compared. In Examples 1 and 35 to 37, the content of the gas diffusion carbon material in the outer catalyst layer in the range of 3% by mass to 30% by mass was excellent in both high humidification and high load conditions and low humidification and low load conditions. Showed performance. In particular, Examples 1, 35, and 36 in which the content of the gas diffusion carbon material in the inner catalyst layer is in the range of 5% by mass or more and 25% by mass or less are high humidification high load conditions, low humidification low load conditions, It showed balanced characteristics.
<Durability test>
<Example of performance comparison 2> In the example showing excellent characteristics, the water vapor adsorption amounts V 10 , V 90 , V 10 / V 90 for the carbon materials h, i, j, k used for the catalyst support carbon material A These are shown in Table 7. Further, using these carbon materials h, i, j and k, catalysts H, I, J and K carrying platinum were prepared by the following method. A chloroplatinic acid aqueous solution and polyvinylpyrrolidone are placed in distilled water, and sodium borohydride is dissolved in distilled water while stirring at 90 ° C., and then poured into the aqueous solution to reduce chloroplatinic acid. Carbon materials h, i, j, and k were added to the aqueous solution, followed by stirring for 60 minutes, followed by filtration and washing. The obtained solid was vacuum-dried at 90 ° C., pulverized, and heat-treated at 250 ° C. for 1 hour in a hydrogen atmosphere to prepare catalysts H, I, J, and K. The catalyst was prepared so that the amount of platinum supported was 50% by mass.

炭素材料の水蒸気吸着量は、定容量式水蒸気吸着装置(日本ベル製、BELSORP18)を用いて測定し、120℃、1Pa以下で2時間脱気前処理を行った試料を25℃の恒温中に保持し、真空状態から、25℃における水蒸気の飽和蒸気圧までの間、徐々に水蒸気を供給して段階的に相対湿度を変化させ、水蒸気吸着量を測定した。得られた測定結果から吸着等温線を描き、図から相対湿度10%と90%のときの水蒸気吸着量をそれぞれV10およびV90として読み取った。表10では、読み取った水蒸気量を試料1g当たりに吸着した標準状態の水蒸気体積に換算して示した。 The amount of water vapor adsorbed on the carbon material was measured using a constant capacity water vapor adsorption device (BELSORP18, manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.). The water vapor was gradually supplied from the vacuum state to the saturated vapor pressure of water vapor at 25 ° C. to gradually change the relative humidity, and the water vapor adsorption amount was measured. The resulting drawn adsorption isotherm from the measurement results were read relative humidity of 10% and 90% of the water vapor adsorption amount of time as the V 10 and V 90, respectively from FIG. In Table 10, the read water vapor amount is shown in terms of the water vapor volume in the standard state adsorbed per 1 g of the sample.

白金粒子の粒子径は、X線回折装置(理学電機製)を用いて得られた触媒の粉末X線回折スペクトルの白金(111)ピークの半値幅からScherrerの式によって見積った。   The particle diameter of the platinum particles was estimated by the Scherrer equation from the half-value width of the platinum (111) peak of the powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst obtained using an X-ray diffractometer (manufactured by Rigaku Corporation).

Figure 0005458801
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表7の触媒H、I、J、Kを触媒担体炭素材料Aとして用いて、導電助剤炭素材料Yに表1のe、ガス拡散炭素材料に表1のaを内層の触媒層にそれぞれ選択し、触媒担体炭素材料Bに表1のh、ガス拡散炭素材料に表1のaを外層の触媒層にそれぞれ選択した2層構造触媒層を用いて、耐久性能試験を行った。触媒層は、上記の<標準の塗布インク作製方法>に倣って、内層用塗布インクと外層用塗布インクを作製し、これら2種類の塗布インクを用いて<触媒層作製方法>に記述した方法で作製した。作製した触媒層は、内層及び外層がそれぞれ凝集相構造を持っており、これらの触媒層をカソードしたときのMEAの耐久性能試験を行った。なお、アノードには、実施例1の触媒層を用いた。   Using catalysts H, I, J, and K in Table 7 as catalyst support carbon material A, select e in Table 1 for conductive aid carbon material Y and a in Table 1 for gas diffusion carbon material as the inner catalyst layer. Then, a durability performance test was conducted using a catalyst layer carbon material B having a two-layered catalyst layer in which h in Table 1 was selected as a catalyst carrier carbon material B and a in Table 1 was selected as a gas diffusion carbon material as an outer catalyst layer. For the catalyst layer, following the above <Standard coating ink preparation method>, the inner layer coating ink and the outer layer coating ink were prepared, and using these two types of coating inks, the method described in <Catalyst layer preparation method> It was produced with. The prepared catalyst layer had an inner layer and an outer layer each having an agglomerated phase structure, and an endurance performance test of MEA when these catalyst layers were cathoded was conducted. Note that the catalyst layer of Example 1 was used for the anode.

耐久性能試験は、最初にセル端子間電圧を開放電圧(通常0.9〜1.0V程度)から0.2Vまで段階的に変化させ、セル端子間電圧が0.8Vのときに流れる電流密度を測定し初期電池性能とした。次に、開放電圧に15秒間保持、セル端子間電圧を0.5Vに15秒間保持のサイクルを4000回実施し、その後、サイクル前と同様に電池性能を測定し、耐久試験後電池性能とした。ガスは、カソードに空気、アノードに純水素を、利用率がそれぞれ50%と80%となるように供給し、それぞれのガス圧は、セル下流に設けられた背圧弁で0.1MPaに圧力調整した。セル温度は70℃に設定し、供給する空気と純水素は、それぞれ50℃に保温された蒸留水中でバブリングを行い、加湿した。   In the durability performance test, the voltage between the cell terminals is first changed stepwise from the open circuit voltage (usually about 0.9 to 1.0 V) to 0.2 V, and the current density that flows when the cell terminal voltage is 0.8 V is measured. The performance. Next, a cycle in which the open voltage was held for 15 seconds and the cell terminal voltage was held at 0.5 V for 15 seconds was performed 4000 times, and then the battery performance was measured in the same manner as before the cycle to obtain the battery performance after the endurance test. As the gas, air was supplied to the cathode and pure hydrogen was supplied to the anode so that the utilization rates would be 50% and 80%, respectively, and each gas pressure was adjusted to 0.1 MPa with a back pressure valve provided downstream of the cell. . The cell temperature was set to 70 ° C., and the supplied air and pure hydrogen were bubbled in distilled water kept at 50 ° C. and humidified.

Figure 0005458801
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表8に、各MEAの電池性能結果と耐久試験後電池性能を示した。25℃、相対湿度10%における水蒸気吸着量(V10)が2ml/g以下であり、25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量(V90)が400ml/g以上である炭素材料jおよびkを触媒担体炭素材料Aとして用いた実施例44、45は、V90が400ml/g未満の炭素材料hを触媒担体炭素材料Aとして用いた実施例42よりも初期電池性能が更に高く、V10が2ml/g超である炭素材料iを触媒担体炭素材料Aとして用いた実施例43よりも耐久性が劣化率が更に低いことが分かる。また、優れた特性を示した実施例44と45を比較するとV10/V90の値が0.02以下である炭素材料jを触媒担体炭素材料Aとして用いた実施例44は、V10/V90の値が0.02超である炭素材料kを触媒担体炭素材料Aとして用いた実施例45よりも劣化率が更に低くなり、特に優れた耐久性能を示すことが分かる。 Table 8 shows the battery performance results of each MEA and the battery performance after the endurance test. Carbon materials j and k whose water vapor adsorption amount (V 10 ) at 25 ° C. and relative humidity 10% is 2 ml / g or less and whose water vapor adsorption amount (V 90 ) at 25 ° C. and relative humidity 90% is 400 ml / g or more. example 44 and 45 was used as a catalyst carrier carbon material a is, V90 is the initial battery performance even higher than that of example 42 using the carbon material h of less than 400 ml / g as a catalyst carrier carbon material a, V 10 is It can be seen that the durability is lower than that of Example 43 in which the carbon material i exceeding 2 ml / g was used as the catalyst support carbon material A. Further, when Examples 44 and 45 showing excellent characteristics are compared, Example 44 using the carbon material j having a value of V 10 / V 90 of 0.02 or less as the catalyst support carbon material A is V 10 / V 90 It can be seen that the deterioration rate is further lower than that in Example 45 in which the carbon material k having a value of more than 0.02 is used as the catalyst support carbon material A, and exhibits particularly excellent durability performance.

1 ガス拡散炭素材料凝集相
2 ガス拡散炭素材料
3 触媒凝集相
4 触媒成分を担持した触媒担体炭素材料A
5 触媒成分を担持した触媒担体炭素材料B
6 電解質材料
7 導電助剤炭素材料
1 Gas diffusion carbon material aggregation phase
2 Gas diffusion carbon material
3 Catalyst agglomerated phase
4 Catalyst support carbon material A carrying catalyst components
5 Catalyst support carbon material B carrying catalyst components
6 Electrolyte material
7 Conductive aid carbon material

Claims (4)

プロトン伝導性電解質膜を挟んだ一対の触媒層を含む燃料電池であって、
少なくともカソードの触媒層が、触媒成分、電解質材料、及び炭素材料を含み、かつ
前記炭素材料が、前記触媒成分を担持した触媒担体炭素材料と、前記触媒成分を担持していない導電助剤炭素材料と、前記触媒成分を担持していないガス拡散炭素材料との3種からなり、かつ
前記触媒担体炭素材料が媒担体炭素材料Aと触媒担体炭素材料Bの2種からなり、かつ
前記カソードの触媒層が少なくとも2層構造であり、
前記プロトン伝導性電解質膜に接する側の内層が、少なくとも前記触媒成分を担持した前記触媒担体炭素材料Aと、前記触媒成分を担持していない導電助剤炭素材料と、前記電解質材料と、前記触媒成分を担持していない前記ガス拡散炭素材料からなる層からなり、かつ
前記プロトン伝導性電解質膜に接しない側の外層は、少なくとも前記触媒成分を担持した前記触媒担体炭素材料Bと、前記電解質材料と、前記触媒成分を担持していない前記ガス拡散炭素材料からなる層を含み、かつ
前記触媒層の内層が、
少なくとも前記触媒成分を担持した前記触媒担体炭素材料Aと、前記触媒成分を担持していない導電助剤炭素材料と、前記電解質材料からなる成分を凝集してなる触媒凝集相と、少なくとも前記触媒成分を担持していない前記ガス拡散炭素材料からなる成分を凝集してなるガス拡散炭素材料凝集相と、の2相混合構造からなり、
前記触媒層の外層が、
少なくとも前記触媒成分を担持した前記触媒担体炭素材料Bと、前記電解質材料からなる成分を凝集してなる触媒凝集相と、少なくとも前記触媒成分を担持していない前記ガス拡散炭素材料からなる成分を凝集してなるガス拡散炭素材料凝集相と、の2相混合構造からなり、かつ
前記内層及び前記外層がそれぞれの層中において、前記触媒凝集相が連続体であり、前記ガス拡散炭素材料凝集相が前記触媒凝集相中に分散した構造であり、かつ
前記触媒担体炭素材料AのBET評価による比表面積SBETが1000m2/g以上4000m2/g以下で、かつtプロット解析による直径2nm以下のミクロ孔表面積Smicroと全表面積Stotalの比Smicro/Stotalが0.5以上であり、かつ
前記触媒担体炭素材料BのDBP吸油量XmL/100gとBET評価による比表面積SBETとの比X/SBETが、0.2以上3.0以下である
ことを特徴とする燃料電池。
A fuel cell including a pair of catalyst layers sandwiching a proton conductive electrolyte membrane,
At least the catalyst layer of the cathode includes a catalyst component, an electrolyte material, and a carbon material, and the carbon material carries a catalyst carrier carbon material carrying the catalyst component, and a conductive auxiliary agent carbon material not carrying the catalyst component. When the result of the catalyst component from the three gas-diffusing carbon material not carrying, and consists of two kinds of the catalyst supporting carbon material is catalytic carrier carbon material a and the catalyst supporting carbon material B, and the cathode The catalyst layer has at least a two-layer structure;
The catalyst carrier carbon material A in which the inner layer on the side in contact with the proton conductive electrolyte membrane carries at least the catalyst component, the conductive auxiliary agent carbon material not carrying the catalyst component, the electrolyte material, and the catalyst The outer layer on the side not in contact with the proton-conducting electrolyte membrane comprises at least the catalyst carrier carbon material B carrying the catalyst component and the electrolyte material. And a layer made of the gas diffusion carbon material not supporting the catalyst component, and an inner layer of the catalyst layer,
The catalyst carrier carbon material A carrying at least the catalyst component, the conductive auxiliary agent carbon material not carrying the catalyst component, a catalyst aggregation phase formed by aggregating the component made of the electrolyte material, and at least the catalyst component Consisting of a two-phase mixed structure of a gas diffusion carbon material aggregated phase formed by agglomerating components composed of the gas diffusion carbon material not supporting
The outer layer of the catalyst layer is
Aggregating at least the catalyst carrier carbon material B supporting the catalyst component, a catalyst aggregation phase formed by aggregating the component composed of the electrolyte material, and a component composed of the gas diffusion carbon material not supporting at least the catalyst component A gas diffusion carbon material aggregated phase, and the inner layer and the outer layer in each layer, the catalyst aggregated phase is a continuum, and the gas diffusion carbon material aggregated phase is Microstructure having a structure dispersed in the catalyst agglomerated phase and having a specific surface area S BET of 1000 m 2 / g or more and 4000 m 2 / g or less by t-plot analysis of the catalyst support carbon material A according to BET evaluation. The ratio S micro / S total of the pore surface area S micro and the total surface area S total is 0.5 or more, and the ratio X / S of the DBP oil absorption XmL / 100 g of the catalyst support carbon material B and the specific surface area S BET by BET evaluation BET is, is 0.2 to 3.0 Fuel cell, wherein the door.
前記触媒層中の前記触媒担体炭素材料Aと前記触媒担体炭素材料Bの質量比A/(A+B)が0.2以上0.95以下であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein a mass ratio A / (A + B) of the catalyst support carbon material A and the catalyst support carbon material B in the catalyst layer is 0.2 or more and 0.95 or less. 前記触媒担体炭素材料Aの25℃、相対湿度10%における水蒸気吸着量V10が2ml/g以下であり、且つ、前記触媒担体炭素材料Aの25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量V90が400ml/g以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池。 The catalyst carrier carbon material A has a water vapor adsorption amount V 10 at 25 ° C. and a relative humidity of 10% of 2 ml / g or less, and the catalyst carrier carbon material A has a water vapor adsorption amount V 90 at 25 ° C. and a relative humidity of 90%. 3. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is 400 ml / g or more. 前記触媒担体炭素材料Aの25℃、相対湿度10%における水蒸気吸着量V10と、前記触媒担体炭素材料Aの25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量V90の比V10/V90が0.002以下である請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池。 The ratio V 10 / V 90 of the water vapor adsorption amount V 10 at 25 ° C. and relative humidity 10% of the catalyst support carbon material A and the water vapor adsorption amount V 90 at 25 ° C. and relative humidity 90% of the catalyst support carbon material A is the fuel cell according to any one of claims 1 to 3 is 0.002 or less.
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