JP5544689B2 - Water retention layer for fuel cell, production method thereof, and electrolyte membrane-electrode assembly - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池用保水層およびその製造方法並びに電解質膜−電極接合体に関する。   The present invention relates to a water retention layer for a fuel cell, a method for producing the same, and an electrolyte membrane-electrode assembly.

近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電解質の種類や電極の種類等により種々のタイプに分類され、代表的なものとしてはアルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子形がある。この中でも低温(通常100℃以下)で作動可能な固体高分子形燃料電池が注目を集め、近年自動車用低公害動力源としての開発・実用化が進んでいる。   In recent years, fuel cells have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems. Fuel cells are classified into various types according to the type of electrolyte, the type of electrode, and the like, and representative types include alkali type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid electrolyte type, and solid polymer type. Among them, a polymer electrolyte fuel cell that can operate at a low temperature (usually 100 ° C. or less) has attracted attention, and in recent years, development and practical application as a low-pollution power source for automobiles is progressing.

固体高分子形燃料電池(PEFC)の構成は、一般的には、電解質膜−電極接合体(MEA)をセパレータで挟持した構造となっている。MEAは、電解質膜が一対の電極、すなわちアノードおよびカソードにより挟持されてなるものである。電極は、電極触媒および固体高分子電解質に代表される電解質を含み、外部から供給される反応ガスを拡散させるために多孔質構造を有する。   The polymer electrolyte fuel cell (PEFC) generally has a structure in which an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) is sandwiched between separators. In MEA, an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes, that is, an anode and a cathode. The electrode contains an electrode catalyst and an electrolyte typified by a solid polymer electrolyte, and has a porous structure for diffusing a reaction gas supplied from the outside.

固体高分子形燃料電池では、次のような電気化学的反応などを通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。まず、アノード(燃料極)側に供給された燃料ガスに含まれる水素が、下記化学式(1)に示すように触媒粒子により酸化され、プロトンおよび電子となる。次に、生成したプロトンは、アノード側電極触媒層に含まれる固体高分子電解質、さらにアノード側電極触媒層と接触している固体高分子電解質膜を通り、カソード(酸素極)側電極触媒層に達する。また、アノード側電極触媒層で生成した電子は、アノード側電極触媒層を構成している導電性担体、さらにアノード側電極触媒層の固体高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通してカソード側電極触媒層に達する。そして、カソード側電極触媒層に達したプロトンおよび電子はカソード側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と下記化学式(2)に示すように反応し水を生成する。   In the polymer electrolyte fuel cell, electricity can be taken out through the following electrochemical reaction or the like. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode (fuel electrode) side is oxidized by the catalyst particles as shown in the following chemical formula (1) to become protons and electrons. Next, the generated protons pass through the solid polymer electrolyte contained in the anode-side electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane in contact with the anode-side electrode catalyst layer, and enter the cathode (oxygen electrode) -side electrode catalyst layer. Reach. The electrons generated in the anode-side electrode catalyst layer include a conductive carrier constituting the anode-side electrode catalyst layer, and a gas diffusion layer in contact with a different side of the anode-side electrode catalyst layer from the solid polymer electrolyte membrane The cathode side electrode catalyst layer is reached through the separator and the external circuit. The protons and electrons that have reached the cathode electrode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode side to generate water as shown in the following chemical formula (2).

Figure 0005544689
Figure 0005544689

固体高分子形燃料電池では、種々の要因に基づき、各部材に配分される水分量が重要となる。固体高分子形燃料電池内の水分量または水分配分量を制御する一つの方法として、燃料電池を構成する部材に加えて、水を保持する機能を有する保水層を設けることが挙げられ、目的に応じて種々の形態の保水層が提案されてきた。例えば、特許文献1では、アノードガス拡散層上に保水性物質および電解質を含む保水層を配置することにより、通常はアノードガス拡散層に高い水保持性を持たせ、燃料不足の際にはアノードガス拡散層からアノード側電極触媒層へと水が供給される技術が提案されている。かような形態とすることで、燃料不足時に生じるアノードでの水の電気分解が促進するとしている。特許文献1では、保水性物質として、ゼオライト、γ−アルミナ、シリカ等の酸化物を用いている(特許文献1、段落「0015」および実施例)。そして、保水層は、具体的には、高分子電解質、電子導電物質としてのカーボンブラック粉末、保水性物質としてのゼオライト、場合により結晶性炭素繊維の混合物から構成される(特許文献1、実施例1〜6参照)。
特開2004−146305号公報
In the polymer electrolyte fuel cell, the amount of water distributed to each member is important based on various factors. One method for controlling the amount of water or the amount of water distribution in the polymer electrolyte fuel cell is to provide a water retaining layer having a function of retaining water in addition to the members constituting the fuel cell. Accordingly, various forms of water retention layers have been proposed. For example, in Patent Document 1, a water retention layer containing a water retention material and an electrolyte is disposed on the anode gas diffusion layer, so that the anode gas diffusion layer usually has a high water retention property. A technique for supplying water from the gas diffusion layer to the anode-side electrode catalyst layer has been proposed. By adopting such a form, it is said that electrolysis of water at the anode, which occurs when fuel is insufficient, is promoted. In Patent Document 1, oxides such as zeolite, γ-alumina, and silica are used as water-retaining substances (Patent Document 1, paragraph “0015” and Examples). The water retention layer is specifically composed of a polymer electrolyte, carbon black powder as an electronic conductive material, zeolite as a water retention material, and optionally a mixture of crystalline carbon fibers (Patent Document 1, Examples). 1-6).
JP 2004-146305 A

しかしながら、従来の保水層では、保水層の保水能が十分なものとは言い難かった。例えば上記特許文献1の保水層において導電性物質として用いられているカーボンブラックも保水機能を有するためゼオライトなどの保水性物質を省略することも可能である。その際、従来の保水層では、カーボンブラックが持っている保水能力を最大限生かせた構造になっておらず、余分な保水性材料を使用する必要があり、また水素や水蒸気の輸送性も悪かった。さらに、特許文献1の保水層で用いられている結晶性炭素繊維など撥水性物質は水分を吸着しにくく、そのような材料が入るために保水性物質の保水能力を最大限生かしきれていない構造となっていた。保水層の保水能が不十分であると、起動時(特に氷点下など温度が低い場合)に液水による反応ガス輸送阻害に伴う電圧低下を招く虞れがある。したがって、本発明は、上記課題に着目して成されたものであって、保水層における保水能向上を目的としている。   However, it has been difficult to say that the water retention capacity of the conventional water retention layer is sufficient. For example, since carbon black used as a conductive material in the water retention layer of Patent Document 1 also has a water retention function, a water retention material such as zeolite can be omitted. At that time, the conventional water retention layer does not have a structure that maximizes the water retention capability of carbon black, it is necessary to use an extra water retention material, and the transportability of hydrogen and water vapor is also poor. It was. Furthermore, water-repellent substances such as crystalline carbon fibers used in the water-retaining layer of Patent Document 1 are difficult to adsorb moisture, and such a material does not allow the water-retaining ability of the water-retaining substance to be fully utilized. It was. If the water-retaining capacity of the water-retaining layer is insufficient, there is a risk that a voltage drop due to reaction gas transport inhibition by liquid water may occur during startup (especially when the temperature is low, such as below freezing point). Accordingly, the present invention has been made paying attention to the above-described problems, and aims to improve the water retention capacity of the water retention layer.

バインダー材料が偏在した状態で保水性材料を部分的に覆う構造の燃料電池用保水層および高沸点溶媒を含むインクを用いて作製された燃料電池用保水層が、上記課題を解決しうることを見出し、本発明を完成させた。   A water retention layer for a fuel cell having a structure in which the water retention material is partially covered in a state where the binder material is unevenly distributed and a water retention layer for a fuel cell manufactured using an ink containing a high-boiling solvent can solve the above problems. The headline and the present invention were completed.

本発明の保水層は、保水能が効果的に発揮される構造を有する。したがって、本発明の保水層を適用した電解質膜−電極接合体を提供することにより、低温起動時(特に氷点下)などに見られる、液水の影響による電圧低下の抑制を図ることが可能となる。   The water retention layer of the present invention has a structure in which the water retention ability is effectively exhibited. Therefore, by providing the electrolyte membrane-electrode assembly to which the water retention layer of the present invention is applied, it becomes possible to suppress the voltage drop due to the influence of liquid water, such as that seen at low temperature startup (particularly below freezing point). .

本発明は、粉末状の保水性材料と、通水性のバインダー材料とを含み、前記バインダー材料が偏在した状態で前記保水性材料を部分的に覆う、燃料電池用保水層に関する。   The present invention relates to a water retention layer for a fuel cell, which includes a powder water retention material and a water permeable binder material, and partially covers the water retention material in a state where the binder material is unevenly distributed.

従来の保水層が十分に保水能を発揮しなかった原因として、本発明者らは、保水層を構成する保水性材料とバインダー材料とが形成する構造に着目した。そして、バインダー材料が偏在した状態で保水性材料を部分的に覆う構造を採ることにより、保水層の保水能が向上することを見出したものである。この理由として、限定されるものではないが、以下の理由が考えられる。水蒸気の相対圧が高い領域では、一般に保水性材料の表面に多層にわたって水蒸気が吸着する。しかしながら、保水性材料の表面がバインダー材料で略全面に被覆されている場合、保水性材料の表面に吸着できる水蒸気(水)の吸着サイトが減少するため、保水層としての水蒸気吸着(吸水)機能が弱まってしまう。結果として全体の吸水量は、吸着サイトの低減とバインダー材料への吸水量増加のバランスで決定される。逆に、バインダー材料が偏在し、保水性材料の表面一部しか覆わない場合、保水層としてより多くの水蒸気を吸着することができる。この場合、平衡状態における水蒸気吸着量が増加する。   The present inventors paid attention to the structure formed by the water-retaining material and the binder material constituting the water-retaining layer as a cause that the conventional water-retaining layer did not sufficiently exhibit the water-retaining ability. And it discovered that the water retention ability of a water retention layer improved by taking the structure which covers a water retention material partially in the state where the binder material was unevenly distributed. This reason is not limited, but the following reasons are conceivable. In the region where the relative pressure of water vapor is high, the water vapor is generally adsorbed over multiple layers on the surface of the water retaining material. However, when the surface of the water retention material is almost entirely covered with the binder material, the water vapor adsorption (water absorption) function as the water retention layer is reduced because the adsorption site of water vapor (water) that can be adsorbed on the surface of the water retention material is reduced. Will be weakened. As a result, the total amount of water absorption is determined by the balance between the reduction of the adsorption sites and the increase in the amount of water absorption to the binder material. On the contrary, when the binder material is unevenly distributed and covers only a part of the surface of the water retention material, more water vapor can be adsorbed as the water retention layer. In this case, the water vapor adsorption amount in the equilibrium state increases.

また、保水性材料の表面がバインダー材料で略全面被覆されている場合、保水性材料の水保持機能が発揮しきれていないため、保水性材料に保持されない水が存在しやすくなる。保水層中に保水性材料が保持しきれない水が存在すると、保水層を燃料電池に適用した場合に、ガス拡散層から電極触媒層へのガス拡散を阻害する虞れがある。一方、バインダー材料が偏在し、保水性材料を部分的に覆う場合、保水層が水を適切に保持するため、ガスが拡散しやすい。したがって、保水層のガス拡散性が重要となる場合、例えば、後述する図1のように保水層がガス拡散層と電極触媒層(以下、単に触媒層とも称する)との間に配置される形態では、本発明の保水層の適用が有効である。   In addition, when the surface of the water retaining material is almost entirely covered with the binder material, the water retaining function of the water retaining material is not fully exhibited, and therefore water that is not retained by the water retaining material is likely to exist. If there is water that cannot be retained by the water retention material in the water retention layer, gas diffusion from the gas diffusion layer to the electrode catalyst layer may be hindered when the water retention layer is applied to a fuel cell. On the other hand, when the binder material is unevenly distributed and partially covers the water retention material, the water retention layer appropriately retains water, so that the gas is likely to diffuse. Therefore, when the gas diffusibility of the water retention layer is important, for example, a configuration in which the water retention layer is disposed between the gas diffusion layer and the electrode catalyst layer (hereinafter also simply referred to as catalyst layer) as shown in FIG. Then, application of the water retention layer of the present invention is effective.

さらに、本発明の保水層は以下の効果を有する。燃料電池システムの停止後には、保水層が電解質膜やガスに残存する水(水蒸気)を吸着する。長期停止後においてはMEA内部の含水状態が平衡に達していると予想され、膜内部の水の一部が保水層に移動して保持される。したがって、本発明の保水層は、保水能に優れているため、膜の含水率が低下し、保水バッファが増大する。これまでは、起動時(特に氷点下)に発生する生成水により反応ガスの輸送が阻害され電圧低下を招きやすかったが、本発明の保水層により、生成水が円滑に膜に移動・保持されるため、電圧低下を抑制することができるようになる。   Furthermore, the water retention layer of the present invention has the following effects. After the fuel cell system is stopped, the water retention layer adsorbs water (water vapor) remaining in the electrolyte membrane and gas. After the long-term stoppage, it is expected that the water content inside the MEA has reached equilibrium, and a part of the water inside the membrane moves to the water retaining layer and is retained. Therefore, since the water retention layer of the present invention is excellent in water retention capacity, the moisture content of the membrane is lowered and the water retention buffer is increased. Until now, the generated water generated at the start (particularly below freezing point) hindered the transport of the reaction gas and easily caused a voltage drop. However, the water retention layer of the present invention allows the generated water to move and hold smoothly on the membrane. Therefore, it is possible to suppress a voltage drop.

保水性材料を覆うバインダー材料の偏在状態は、水蒸気吸着等温特性を利用して判断することができる。例えば、水蒸気吸着等温特性において水蒸気の活量(相対圧)が0.9〜1.0の領域における保水性材料の水蒸気吸着量で判断することができる。水蒸気の活量が高い(例えば、0.9以上1.0以下)場合、保水性材料の表面には、水が多層に吸着するために吸着量が劇的に増加するが、バインダー材料が存在すると、水蒸気(水)の吸着サイトが限定されてしまう。したがって、水蒸気吸着等温線を測定し、水蒸気の活量が例えば0.9以上1.0以下の領域を評価することにより、バインダー材料が保水性材料の表面積を被覆している割合、つまり偏在状態を、判断することができる。   The uneven distribution state of the binder material covering the water retention material can be determined using the water vapor adsorption isothermal characteristic. For example, the water vapor adsorption isotherm can be determined by the water vapor adsorption amount of the water retention material in the region where the water vapor activity (relative pressure) is 0.9 to 1.0. When the activity of water vapor is high (for example, 0.9 or more and 1.0 or less), the surface of the water-retaining material increases drastically because water is adsorbed in multiple layers, but there is a binder material. Then, the adsorption site of water vapor (water) is limited. Therefore, by measuring the water vapor adsorption isotherm and evaluating the region where the activity of water vapor is, for example, 0.9 or more and 1.0 or less, the ratio that the binder material covers the surface area of the water retention material, that is, the uneven distribution state Can be determined.

相対圧1における保水層の水蒸気吸着量は、保水層に含まれる保水性材料1gあたり、400mg/g以上であることが好ましく、600mg/g以上であることがより好ましい。氷点下においては、発電による生成水が凍結し、これにより酸素の輸送が阻害されるため、燃料電池の起動時の起動性が低下すると考えられる。常温から氷点下まで温度が低下する過程において、1近傍の相対圧に長い時間曝されるために、MEAを構成する各部材(電解質膜、触媒層、ガス拡散層)は、相対圧1付近でより多く水を吸着できる能力が高いほど氷点下起動時の保水能力が高くなる。そのため、同じ環境・条件下で氷点下起動を行う場合、相対圧1における水蒸気吸着量が、400mg/g以上である保水層を含む形態は、MEA全体としてより多くの水を吸着できる。したがって、起動時の生成水を円滑に上記各部材(特に生成水が発生するカソード触媒層や隣接する電解質膜)に吸収することができる。   The water vapor adsorption amount of the water retention layer at a relative pressure of 1 is preferably 400 mg / g or more, and more preferably 600 mg / g or more per 1 g of the water retention material contained in the water retention layer. Below the freezing point, the water generated by power generation freezes, which inhibits oxygen transport, and it is considered that the startability at the start of the fuel cell is lowered. In the process in which the temperature decreases from room temperature to below freezing point, each member (electrolyte membrane, catalyst layer, gas diffusion layer) constituting the MEA has a higher relative pressure near 1 because it is exposed to a relative pressure near 1 for a long time. The higher the ability to adsorb more water, the higher the water retention capacity when starting below freezing. Therefore, when starting below the freezing point under the same environment and conditions, the form including the water retention layer whose water vapor adsorption amount at the relative pressure 1 is 400 mg / g or more can adsorb more water as a whole MEA. Therefore, the generated water at the time of start-up can be smoothly absorbed by each of the above members (particularly the cathode catalyst layer where the generated water is generated and the adjacent electrolyte membrane).

保水層における保水性材料のグラムあたりの水蒸気吸着量は、(バインダー材料で被覆されていない)保水性材料のグラムあたりの水蒸気吸着量に対して、110〜140%であることが好ましく、130〜140%であることがより好ましい。かような範囲であれば、保水能に優れ、かつ保水性材料が保持されることから好ましい。   The water vapor adsorption amount per gram of the water retention material in the water retention layer is preferably 110 to 140% with respect to the water vapor adsorption amount per gram of the water retention material (not coated with the binder material), and 130 to More preferably, it is 140%. If it is such a range, it is preferable from being excellent in water retention ability and holding a water retention material.

保水層に含まれるバインダー材料の含有量は、水蒸気吸着等温特性における、水蒸気活量が0.9以上1.0以下の範囲において、保水層の水蒸気吸着量が極小値となるようなバインダー材料の含有量よりも少なくすることが好ましい。保水性材料に対してバインダー量を増していくと、水蒸気活量が0.9以上1.0以下の範囲における保水量は減少し極小値を示した後に増加する。該極小値では、バインダーが保水性材料の外表面を比較的均一に被覆していると考えられる。そのときのバインダー含有量より少ない含有量とすることで、保水性材料の表面が露出し保水量(水蒸気吸着量)が増すこととなる。バインダー材料をかような範囲に設定することで、保水性材料の構造を維持し、水の保持および輸送機能を有しつつ、ガスなど他の物質輸送機能の低下を抑制した保水層を提供できる。また、そのときのバインダー含有量よりも多い含有量とする場合でも、上述のようにバインダー材料が偏在して被覆するような状態を作ることで、水蒸気吸着量は増加し、水の保持および輸送機能を有しつつ、ガスなど他の物質輸送機能の低下を抑制した保水層を提供できる。   The content of the binder material contained in the water retention layer is such that the water vapor adsorption amount of the water retention layer becomes a minimum value in the range of the water vapor activity from 0.9 to 1.0 in the water vapor adsorption isothermal characteristic. It is preferable to make it less than the content. As the binder amount is increased with respect to the water retention material, the water retention amount in the range of the water vapor activity of 0.9 or more and 1.0 or less decreases and increases after showing a minimum value. At the minimum value, it is considered that the binder coats the outer surface of the water retaining material relatively uniformly. By setting the content to be less than the binder content at that time, the surface of the water-retaining material is exposed and the water retention amount (water vapor adsorption amount) is increased. By setting the binder material in such a range, it is possible to provide a water retention layer that maintains the structure of the water retention material, has water retention and transport functions, and suppresses deterioration of other substance transport functions such as gas. . In addition, even when the content is higher than the binder content at that time, by creating a state in which the binder material is unevenly distributed as described above, the water vapor adsorption amount is increased, and water is retained and transported. It is possible to provide a water retention layer that has a function and suppresses a decrease in the function of transporting other substances such as gas.

なお、本発明において水蒸気吸着量は、後述の実施例に記載の水蒸気脱着等温線により測定された値を採用する。   In the present invention, the water vapor adsorption amount employs a value measured by a water vapor desorption isotherm described in Examples described later.

また、保水性材料を覆うバインダー材料の偏在状態は、窒素BET比表面積により判断することも可能である。保水性材料の表面にバインダー材料が被覆すると、保水性材料とバインダー材料との相互作用により、窒素吸着サイトが少なくなる。したがって、バインダー材料が保水性材料の表面を被覆する割合が増すと、窒素吸着により算出されるBET比表面積が低下する。換言すれば、窒素BET比表面積の測定により、バインダー材料が保水性材料の表面積を被覆している割合、つまり偏在状態を、判断することができる。   Moreover, the uneven distribution state of the binder material covering the water-retaining material can be determined from the nitrogen BET specific surface area. When the binder material is coated on the surface of the water retention material, the number of nitrogen adsorption sites decreases due to the interaction between the water retention material and the binder material. Therefore, when the ratio of the binder material covering the surface of the water retention material increases, the BET specific surface area calculated by nitrogen adsorption decreases. In other words, the ratio of the binder material covering the surface area of the water-retaining material, that is, the uneven distribution state can be determined by measuring the nitrogen BET specific surface area.

具体的には、保水層の窒素BET比表面積が、(バインダー材料で被覆されていない)保水性材料の窒素BET比表面積に対して、30%以上100%未満であることが好ましい。また、50%以上100%未満であることがより好ましい。バインダー材料は、保水性材料内部あるいは材料同士の間の空隙に存在するため、バインダー材料の存在により、他の物質(ガス)の輸送が阻害される。したがって、ガスの輸送性低下を抑制することも重要である。保水性能およびガス輸送性を考慮すると、保水層の窒素BET比表面積が、保水性材料の窒素BET比表面積に対して、50%以上であることが好ましい。また、上述したように、保水性材料は、バインダーで被覆されていない領域が大きいほど好ましく、したがって、保水性材料が保持される程度のバインダーが含有されていればよい。これは、保水層の窒素BET比表面積が、保水性材料の窒素BET比表面積に対して、大きいほど好ましいことを意味する。しかしながらバインダーの結着力を考慮すると、保水層の窒素BET比表面積が、保水性材料の窒素BET比表面積に対して、90%以下であることが好ましい。窒素BET比表面積は、以下の方法により測定された値を採用する。   Specifically, the nitrogen BET specific surface area of the water retention layer is preferably 30% or more and less than 100% with respect to the nitrogen BET specific surface area of the water retention material (not coated with the binder material). Further, it is more preferably 50% or more and less than 100%. Since the binder material is present in the water-retaining material or in the gaps between the materials, the presence of the binder material inhibits the transport of other substances (gas). Therefore, it is also important to suppress a decrease in gas transportability. Considering water retention performance and gas transportability, the nitrogen BET specific surface area of the water retention layer is preferably 50% or more with respect to the nitrogen BET specific surface area of the water retention material. Further, as described above, the larger the area that is not covered with the binder, the more preferable the water retaining material is. Therefore, it is sufficient that the water retaining material contains a binder that can retain the water retaining material. This means that the nitrogen BET specific surface area of the water retention layer is preferably as large as possible relative to the nitrogen BET specific surface area of the water retention material. However, considering the binding force of the binder, the nitrogen BET specific surface area of the water retaining layer is preferably 90% or less with respect to the nitrogen BET specific surface area of the water retaining material. As the nitrogen BET specific surface area, a value measured by the following method is adopted.

(窒素BET比表面積の測定方法)
1.サンプリング、秤量・予備乾燥
粉末は、約0.04〜0.07gを精秤し、塗布シートは約5cm×5cm角を切り出し、さらに約5mm巾×25mmの切片にして秤量後、それぞれ試料管に封入した。この試料管を真空乾燥器で90℃×数時間予備乾燥し、測定に供した。秤量には、島津製作所株式会社製電子天秤(AW220)を用いた。なお、塗布シートについては、これの全重量から、同面積のテフロン(基材)重量を差し引いた塗布層の正味の重量約0.03〜0.04gを試料重量として用いた。
(Method for measuring nitrogen BET specific surface area)
1. Sampling, Weighing and Pre-drying About 0.04 to 0.07 g of powder is precisely weighed, and the coated sheet is cut out about 5 cm × 5 cm square, and further weighed into sections of about 5 mm width × 25 mm, and then weighed into each sample tube. Enclosed. This sample tube was pre-dried at 90 ° C. for several hours in a vacuum dryer and subjected to measurement. For weighing, an electronic balance (AW220) manufactured by Shimadzu Corporation was used. In addition, about the coating sheet, about 0.03-0.04g net weight of the coating layer which deducted the Teflon (base material) weight of the same area from the total weight of this was used as a sample weight.

2.測定条件   2. Measurement condition

Figure 0005544689
Figure 0005544689

3.測定方法
吸着・脱着等温線の吸着側において、相対圧(P/P)約0.00〜0.45の範囲から、BETプロットを作成することで、その傾きと切片からBET比表面積を算出する。
3. Measurement method On the adsorption side of the adsorption / desorption isotherm, create a BET plot from the relative pressure (P / P 0 ) range of approximately 0.00 to 0.45, and calculate the BET specific surface area from the slope and intercept. To do.

以上のように、保水層中のバインダー材料で被覆された保水性材料の窒素BET比表面積を50%以上100%未満とすることで、保水層の構造を維持し、水の保持および輸送機能を有しつつ、ガスなど他の物質輸送機能の低下を抑制した保水層を提供できる。   As described above, by keeping the nitrogen BET specific surface area of the water-retaining material coated with the binder material in the water-retaining layer to be 50% or more and less than 100%, the structure of the water-retaining layer is maintained, and the water retention and transport function is achieved. It is possible to provide a water-retaining layer that suppresses a decrease in the function of transporting other substances such as gas.

保水層に含まれるバインダー材料は、上記窒素BET比表面積の相対比率条件を満たすように適宜配合されることが好ましい。上述の通り、バインダーの被覆状態を意図的に偏在させることで、窒素BET比表面積を小さくすることが可能であるが、同時に保水層構造を維持するために、所定量のバインダーを含有する必要がある。バインダー量を適宜調整することにより、保水層として、水の保持および輸送機能を維持しつつ、ガスの輸送機能低下を抑制することができる。   It is preferable that the binder material contained in the water retention layer is appropriately blended so as to satisfy the relative ratio condition of the nitrogen BET specific surface area. As described above, it is possible to reduce the nitrogen BET specific surface area by intentionally unevenly distributing the coating state of the binder, but at the same time, it is necessary to contain a predetermined amount of binder in order to maintain the water retention layer structure. is there. By appropriately adjusting the amount of the binder, it is possible to suppress a decrease in the gas transport function while maintaining the water retention and transport function as the water retention layer.

保水層の厚さは、特に制限されるものではないが、好ましくは5〜200μm、より好ましくは10〜100μm、特に好ましくは10〜50μmとするのがよい。保水層の厚さが上記範囲内であれば、保水性とガス拡散性との両立を確保することができるため好ましい。なお、後述するように保水層が触媒層として機能する場合には、保水層(触媒層)の厚さは、特に制限されるものではないが、好ましくは5〜50μm、より好ましくは5〜30μm、特に好ましくは10〜30μmとするのがよい。   The thickness of the water retaining layer is not particularly limited, but is preferably 5 to 200 μm, more preferably 10 to 100 μm, and particularly preferably 10 to 50 μm. If the thickness of the water retention layer is within the above range, it is preferable because it is possible to ensure both water retention and gas diffusibility. As will be described later, when the water retention layer functions as a catalyst layer, the thickness of the water retention layer (catalyst layer) is not particularly limited, but is preferably 5 to 50 μm, more preferably 5 to 30 μm. Particularly preferably, the thickness is 10 to 30 μm.

保水層の空孔率は、特に制限されるものではないが、20〜80%であることが好ましく、50〜80%であることがより好ましい。空孔率が上記範囲内であれば、ガス拡散性が確保できるため好ましい。なお、保水層が触媒層として機能する場合には、保水層(触媒層)の空孔率は、特に制限されるものではないが、好ましくは30〜70%であることが好ましく、40〜60%であることがより好ましい。   The porosity of the water retaining layer is not particularly limited, but is preferably 20 to 80%, and more preferably 50 to 80%. A porosity within the above range is preferable because gas diffusibility can be secured. When the water retention layer functions as a catalyst layer, the porosity of the water retention layer (catalyst layer) is not particularly limited, but is preferably 30 to 70%, preferably 40 to 60 % Is more preferable.

保水層には、保水性材料と、バインダー材料とが含まれる。場合によって、保水性材料は触媒を担持していてのよい。保水層は、保水性材料およびバインダー以外に、保水層に用いられる従来公知の材料を含有していてもよい。保水層中、保水性材料および/または触媒が担持された保水性材料とバインダー材料との含有量は80質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましい。さらに好ましくは、保水層は、保水性材料および/または触媒が担持された保水性材料とバインダー材料とから構成される。本発明の保水性材料は、保水能が高いので、保水性材料およびバインダー材料以外の材料の含有質量比を低くすることができる。   The water retention layer includes a water retention material and a binder material. In some cases, the water retention material may carry a catalyst. The water retention layer may contain conventionally known materials used for the water retention layer in addition to the water retention material and the binder. In the water-retaining layer, the content of the water-retaining material and / or the catalyst-supported water-retaining material and the binder material is preferably 80% by mass or more, and more preferably 90% by mass or more. More preferably, the water retention layer is composed of a water retention material and / or a water retention material on which a catalyst is supported and a binder material. Since the water retention material of the present invention has a high water retention capability, the mass ratio of materials other than the water retention material and the binder material can be reduced.

また、保水性材料と、バインダー材料との含有質量比は、保水性材料:バインダー材料=1:0.4〜1.8であることが好ましく、1:0.4〜1.3であることがより好ましい。かような範囲にあれば、保水層の保水性が適度に保たれ、またバインダーにより保水性材料を結着することができる。なお、上記保水性材料と、バインダー材料との含有質量比は、保水層用インク(スラリー)を作製する際に予め混合するバインダー材料と保水性材料とを測定しておき、これらの混合比を調整することにより、算出され、また、制御できる。また、保水層を分析して、前記保水性材料と、バインダー材料とを定量して、保水性材料と、バインダー材料との含有質量比を算出することもできる。例えば、保水層が、触媒を担持した保水性材料と、高分子電解質で構成される場合、触媒成分の質量は誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって定量することができる。また、高分子電解質質量(I)は、19F NMRによる高分子電解質の構造解析、および、電量滴定によるS原子の定量、の2つを組合わせることで定量することができる。 The mass ratio of the water-retaining material and the binder material is preferably water-retaining material: binder material = 1: 0.4 to 1.8, and preferably 1: 0.4 to 1.3. Is more preferable. If it exists in such a range, the water retention of a water retention layer is kept moderate, and a water retention material can be bound with a binder. The mass ratio of the water-retaining material and the binder material is determined by measuring the binder material and the water-retaining material mixed in advance when preparing the water-retaining layer ink (slurry). By adjusting, it can be calculated and controlled. In addition, the water retention layer is analyzed, the water retention material and the binder material are quantified, and the mass ratio of the water retention material and the binder material can be calculated. For example, when the water retention layer is composed of a water retention material carrying a catalyst and a polymer electrolyte, the mass of the catalyst component can be quantified by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP). Further, the polymer electrolyte mass (I) can be quantified by combining two of the structure analysis of the polymer electrolyte by 19 F NMR and the quantification of S atoms by coulometric titration.

本発明において、保水層は、保水性材料とバインダー材料とを含む層で、保水機能を有する層であればいずれの形態であってもよい。すなわち、その名称に拘泥されず、燃料電池に用いられる使用目的からみて電極触媒層と称される場合であっても本発明でいう保水層に含まれる場合がある。例えば、保水性材料に触媒が担持されている形態であれば、触媒層を保水層としてMEAに用いることができる。   In the present invention, the water retentive layer is a layer containing a water retentive material and a binder material, and may be in any form as long as it has a water retentive function. That is, regardless of the name, even if it is referred to as an electrode catalyst layer in view of the purpose of use used in a fuel cell, it may be included in the water retention layer in the present invention. For example, if the catalyst is supported on the water retention material, the catalyst layer can be used for MEA as the water retention layer.

以下、本発明の保水層を構成する各成分について説明する。   Hereinafter, each component which comprises the water retention layer of this invention is demonstrated.

(保水性材料)
粉末状の保水性材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、活性炭、カーボンブラック(オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなど)などの炭素材料;アルミナ、チタニア、シリカ、酸化スズなどの金属酸化物;ゼオライトなどが挙げられる。これらの保水性材料は1種単独で用いてもよいし、2種以上併用してもよい。保水性材料は、比表面積の点から、好ましくは、炭素材料、金属酸化物であり、より好ましくは、炭素材料、特にカーボンブラックや活性炭である。
(Water retentive material)
Examples of powder water retention materials include carbon materials such as natural graphite, artificial graphite, activated carbon, carbon black (oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, acetylene black, etc.); alumina, titania, silica, tin oxide And metal oxides such as zeolite; These water retention materials may be used alone or in combination of two or more. The water-retaining material is preferably a carbon material or a metal oxide from the viewpoint of the specific surface area, and more preferably a carbon material, particularly carbon black or activated carbon.

カーボンブラックは、市販品を用いることができ、キャボット社製バルカンXC−72、バルカンP、ブラックパールズ880、ブラックパールズ1100、ブラックパールズ1300、ブラックパールズ2000、リーガル400、ライオン社製ケッチェンブラックEC、三菱化学社製#3150、#3250などのオイルファーネスブラック;電気化学工業社製デンカブラックなどのアセチレンブラック等が挙げられる。   Commercially available carbon black can be used, such as Cabot Vulcan XC-72, Vulcan P, Black Pearls 880, Black Pearls 1100, Black Pearls 1300, Black Pearls 2000, Legal 400, Ketjen Black EC manufactured by Lion Corporation, Oil furnace black such as # 3150 and # 3250 manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation; acetylene black such as Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. and the like.

粉末状の保水性材料の平均粒子径は、10〜500nmであることが好ましく、10〜100nmであることがより好ましい。これにより、ガス拡散性を確保することができる。なお、本明細書中において、「粒子径」とは、活物質粒子の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離Lを意味する。「平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。   The average particle size of the powdery water retaining material is preferably 10 to 500 nm, and more preferably 10 to 100 nm. Thereby, gas diffusibility can be ensured. In the present specification, “particle diameter” means the maximum distance L among the distances between any two points on the contour line of the active material particles. As the value of “average particle diameter”, the average particle diameter of particles observed in several to several tens of fields using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). The calculated value shall be adopted.

保水性材料の窒素BET比表面積は、500m/g以上であることが好ましい。保水性材料の保水性は、窒素BET比表面積に依存する。その比表面積を500m/g以上の材料とすることで、保水性材料の含有量(重量)を減らした場合であっても、保水性能が維持された保水層を提供することができる。より好ましくは、保水性材料の窒素BET比表面積は、700〜2000m/gである。さらに、MEAにおいて、保水層が触媒層に隣接して配置される場合を想定すると、隣接する触媒層の耐食性をあげるためにカーボンなどの担持体の結晶性を高くしたいものの、結晶性を高くすると吸水性が低下してしまう場合があった。BET比表面積を上記範囲に設定することにより上記トレードオフを解決することもでき、触媒層を耐食性の高い仕様にしても、保水機能を確保することができる。 The nitrogen BET specific surface area of the water retaining material is preferably 500 m 2 / g or more. The water retention of the water retention material depends on the nitrogen BET specific surface area. By using a material having a specific surface area of 500 m 2 / g or more, it is possible to provide a water retention layer in which the water retention performance is maintained even when the content (weight) of the water retention material is reduced. More preferably, the water retention material has a nitrogen BET specific surface area of 700 to 2000 m 2 / g. Further, in the MEA, assuming that the water retention layer is disposed adjacent to the catalyst layer, in order to increase the corrosion resistance of the adjacent catalyst layer, the crystallinity of the support such as carbon is increased, but the crystallinity is increased. In some cases, the water absorption was lowered. By setting the BET specific surface area within the above range, the trade-off can be solved, and the water retention function can be ensured even if the catalyst layer has a high corrosion resistance specification.

保水性材料には、触媒成分が担持されていてもよい。触媒成分が担持されている保水性材料を含む保水層は、触媒層として用いてもよい。この場合、後に触媒層の欄で説明する導電性担体を、保水性材料として用いることができる。また、バインダーとしては、後に触媒層の欄で説明する高分子電解質を用いることができる。保水層が触媒層として用いられる場合についての構成成分、成分含有量等については、触媒層と同様であるため、ここでは説明を割愛する。   A catalyst component may be supported on the water retention material. A water retention layer containing a water retention material on which a catalyst component is supported may be used as a catalyst layer. In this case, a conductive carrier which will be described later in the column of the catalyst layer can be used as the water retention material. Moreover, as a binder, the polymer electrolyte demonstrated later in the column of a catalyst layer can be used. The constituent components, component content, and the like for the case where the water retention layer is used as the catalyst layer are the same as those of the catalyst layer, and thus the description thereof is omitted here.

また、保水層が触媒層として用いられない場合、例えば、保水層がアノード側電極触媒層とアノード側ガス拡散層との間に配置される形態であっても、保水性材料が、触媒成分を担持していてもよい。保水層にバインダーとして固体高分子電解質を用いる場合、さらに、触媒粒子を含有することにより三相界面を形成でき、若干ではあるがアノードにおける電気化学的反応面積を広げることができる。保水層に含まれる保水性材料への触媒粒子の担持量は、好ましくは0.1〜10重量%、より好ましくは0.1〜5重量%である。触媒粒子としては、後述する触媒層に用いられる触媒粒子と同様のものが挙げられる。なお、触媒層と保水層とでは、同じ触媒粒子を用いてもよく、異なる触媒粒子を用いてもよい。   Further, when the water retention layer is not used as the catalyst layer, for example, even if the water retention layer is disposed between the anode side electrode catalyst layer and the anode side gas diffusion layer, the water retention material does not contain the catalyst component. You may carry. When a solid polymer electrolyte is used as a binder in the water retention layer, a three-phase interface can be formed by further containing catalyst particles, and the electrochemical reaction area at the anode can be expanded to a certain extent. The amount of the catalyst particles supported on the water retention material contained in the water retention layer is preferably 0.1 to 10% by weight, more preferably 0.1 to 5% by weight. Examples of the catalyst particles include those similar to the catalyst particles used in the catalyst layer described later. In the catalyst layer and the water retention layer, the same catalyst particles may be used, or different catalyst particles may be used.

(バインダー材料)
通水性のバインダー材料(以下、単にバインダーとも称する)は、上記保水性材料を結着できる材料であれば、特に限定されない。例えば、ポリアクリルアミド、水性ウレタン樹脂、シリコン樹脂等の高分子;高分子電解質等が挙げられる。好適には高分子電解質(以下、アイオノマーとも称する)である。バインダー材料をアイオノマーとすることで、同じアイオノマーを含むMEAの構成要素(電解質膜や触媒層)と隣接して保水層を配置する場合に安定して配置させることができ、触媒層や膜と、保水性材料との間の水輸送抵抗を低減することができる。この結果、電解質膜または触媒層と、保水性材料との間の水輸送性が向上し、より早い時間で平衡に達することができる。バインダー材料が高分子電解質である場合は、当該電解質は、触媒層や電解質膜中に使用される高分子電解質と同じであってもよいし、異なってもよい。さらに、保水層を含むMEAを作製する場合、材料を共通化することもでき、作製時の省力化が図れる。
(Binder material)
The water-permeable binder material (hereinafter also simply referred to as a binder) is not particularly limited as long as it is a material that can bind the water-retaining material. Examples thereof include polymers such as polyacrylamide, aqueous urethane resin, and silicon resin; polymer electrolytes and the like. A polymer electrolyte (hereinafter also referred to as ionomer) is preferable. By making the binder material an ionomer, it is possible to stably arrange a water retention layer adjacent to a MEA component (electrolyte membrane or catalyst layer) containing the same ionomer, and a catalyst layer or membrane, It is possible to reduce water transport resistance with the water retention material. As a result, the water transportability between the electrolyte membrane or the catalyst layer and the water retention material is improved, and the equilibrium can be reached in an earlier time. When the binder material is a polymer electrolyte, the electrolyte may be the same as or different from the polymer electrolyte used in the catalyst layer or the electrolyte membrane. Further, when an MEA including a water retention layer is manufactured, the material can be shared, and labor saving at the time of manufacturing can be achieved.

用いられるアイオノマーは特に限定されるものではない。具体的には、アイオノマーは、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。   The ionomer used is not particularly limited. Specifically, ionomers are broadly classified into fluorine-based electrolytes containing fluorine atoms in all or part of the polymer skeleton and hydrocarbon-based electrolytes not containing fluorine atoms in the polymer skeleton.

フッ素系電解質としては、具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。フッ素系電解質は、耐久性、機械強度に優れる。   Specific examples of fluorine-based electrolytes include perfluorocarbon sulfonates such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), etc. Polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene A preferred example is a fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer. The fluorine-based electrolyte is excellent in durability and mechanical strength.

前記炭化水素系電解質として、具体的には、ポリスルホンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸などが好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include polysulfone sulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl phosphonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyether ether ketone sulfonic acid, polyphenyl. A suitable example is sulfonic acid.

上記アイオノマーは、単独で用いてもよいし、2種以上併用してもよい。   The above ionomers may be used alone or in combination of two or more.

用いられる電解質は、保水層が電解質膜−電極接合体に配置された際の保水層の役割によって、適宜選択される。保水層においては、水の移動速度が重要であるため、EWは低いほうが好ましい。好ましくは、EWが1200g/eq.以下、より好ましくは、700g/eq.以下である。かような範囲であれば、より短い時間で保水量を飽和状態にすることができる保水層を提供できる。EWの下限は特に限定されるものではないが、通常500g/eq.以上であることが好ましい。なお、EW(Equivalent Weight)は、イオン交換基当量重量を表す。   The electrolyte used is appropriately selected depending on the role of the water retention layer when the water retention layer is disposed in the electrolyte membrane-electrode assembly. In the water retention layer, since the water moving speed is important, the EW is preferably low. Preferably, the EW is 1200 g / eq. Hereinafter, more preferably, 700 g / eq. It is as follows. If it is such a range, the water retention layer which can make a water retention amount a saturated state in a shorter time can be provided. The lower limit of EW is not particularly limited, but is usually 500 g / eq. The above is preferable. In addition, EW (Equivalent Weight) represents an ion exchange group equivalent weight.

例えば、保水層が後に詳述する図1のように触媒層とガス拡散層に挟持される形態で配置される場合、バインダーとしてのアイオノマーのプロトン輸送機能は問題とならない。このため、フッ素系電解質材料に比べてプロトン伝導性の低い材料も保水層に用いられる電解質として使用することができる。したがって、安価で、より低いEWを有する炭化水素系電解質を保水層のバインダーとして使用することができる。このような炭化水素系電解質を使用することによって、より短い時間で保水量を飽和状態にすることができる保水層を提供できる。炭化水素系電解質のEWは、好ましくは700g/eq.以下であり、より好ましくは500〜700g/eq.である。   For example, when the water retention layer is disposed in a form sandwiched between the catalyst layer and the gas diffusion layer as shown in FIG. 1 described in detail later, the proton transport function of the ionomer as the binder does not matter. For this reason, a material having lower proton conductivity than the fluorine-based electrolyte material can also be used as the electrolyte used for the water retention layer. Therefore, a hydrocarbon-based electrolyte that is inexpensive and has a lower EW can be used as a binder for the water retention layer. By using such a hydrocarbon-based electrolyte, it is possible to provide a water retention layer capable of bringing the water retention amount to a saturated state in a shorter time. The EW of the hydrocarbon-based electrolyte is preferably 700 g / eq. Or less, more preferably 500 to 700 g / eq. It is.

また、後に詳述する図2のように保水層が触媒層として用いられる場合、電解質にはプロトン輸送機能が要求される。このため、プロトン伝導性向上の点で、アイオノマーはスルホン酸基を有することが好ましい。ゆえに、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などのパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質が好ましく使用される。なお、パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質は、疎水性の骨格を構成する主鎖部分と、親水性のクラスター領域を形成する側鎖部分から構成され、側鎖部分にイオン交換基としてのスルホン酸基が存在する。特に、アイオノマーとしてパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質を使用する場合には、EWが、600〜1500g/eq.、より好ましくは600〜1100g/eq.程度のものを使用することが好ましい。   Moreover, when a water retention layer is used as a catalyst layer as shown in FIG. 2 described in detail later, the electrolyte is required to have a proton transport function. For this reason, the ionomer preferably has a sulfonic acid group from the viewpoint of improving proton conductivity. Therefore, perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolytes such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) are preferably used. The perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte is composed of a main chain part constituting a hydrophobic skeleton and a side chain part forming a hydrophilic cluster region, and the side chain part has a sulfonic acid as an ion exchange group. A group is present. In particular, when a perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte is used as the ionomer, the EW is 600 to 1500 g / eq. , More preferably 600-1100 g / eq. It is preferable to use one having a degree.

(保水層の製造方法)
保水層の作製方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、保水性材料、バインダー、および溶媒を混合して保水層用インクを調製し、これを基材に塗布した後、乾燥させる方法などが用いられる。また、触媒成分が担持された保水性材料用いる場合には、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法を用いて、予め保水性材料に触媒成分を担持させておくのがよい。
(Manufacturing method of water retention layer)
The method for producing the water retention layer is not particularly limited. For example, a water retention layer, a binder, and a solvent are mixed to prepare a water retention layer ink, which is applied to a substrate and then dried. A method or the like is used. In the case of using a water retention material on which a catalyst component is supported, known methods such as impregnation method, liquid phase reduction support method, evaporation to dryness method, colloid adsorption method, spray pyrolysis method, reverse micelle (microemulsion method), etc. The catalyst component is preferably supported on the water-retaining material in advance using the method.

好適には、保水層用インクは、沸点が100℃を超える有機溶剤を含む溶媒の存在下、粉末状の保水性材料と、通水性のバインダー材料とを混合して、保水層用インクを得ることが好ましい。沸点が100℃を超える有機溶剤(以下、高沸点有機溶媒とも称する)を溶媒が含むことで、保水能に優れた保水層を得ることができる。詳細なメカニズムは不明であるが、沸点が100℃を超える有機溶剤を含むことにより、インク状態と乾燥後の保水層との微細構造が乖離するためであると推定される。インク状態では、保水性バインダーが保水性材料をより均一に覆っていると想定されるが、沸点が100℃を超える有機溶剤を含むと、乾燥に時間や高温を要するため、バインダーが不均一に被覆している割合が多くなる構造を採ると考えられる。   Preferably, the water retention layer ink is obtained by mixing a powdery water retention material and a water-permeable binder material in the presence of a solvent containing an organic solvent having a boiling point exceeding 100 ° C. It is preferable. When the solvent contains an organic solvent having a boiling point exceeding 100 ° C. (hereinafter also referred to as a high boiling point organic solvent), a water retaining layer having excellent water retaining ability can be obtained. Although the detailed mechanism is unknown, it is presumed that the fine structure between the ink state and the water-retaining layer after drying is deviated by containing an organic solvent having a boiling point exceeding 100 ° C. In the ink state, it is assumed that the water-retaining binder covers the water-retaining material more uniformly. However, if an organic solvent having a boiling point exceeding 100 ° C. is included, drying takes time and high temperature, so the binder becomes non-uniform. It is thought that the structure which increases the ratio of covering is taken.

高沸点有機溶媒としては、特に限定されず、エチレングリコール(沸点:197.6℃)、プロピレングリコール(沸点:188.2℃)、1,2−ブタンジオール(沸点:190.5℃)、1,3−ブタンジオール(沸点:207.5℃)、1,4−ブタンジオール(沸点:229.2℃)、1−ブタノール(沸点:117.2℃)、1−ペンタノール(沸点:138.3℃)、2−ペンタノール(沸点119.9℃)、3−ペンタノール(沸点:116.1℃)、グリセリン(沸点290℃)などが挙げられる。これらは1種単独で用いてもよいし、2種以上併用して用いてもよい。なお、高沸点有機溶媒は、水と均一に混合されることが好ましい。   It does not specifically limit as a high boiling point organic solvent, Ethylene glycol (boiling point: 197.6 degreeC), propylene glycol (boiling point: 188.2 degreeC), 1, 2- butanediol (boiling point: 190.5 degreeC), 1 , 3-butanediol (boiling point: 207.5 ° C.), 1,4-butanediol (boiling point: 229.2 ° C.), 1-butanol (boiling point: 117.2 ° C.), 1-pentanol (boiling point: 138.degree. C.). 3 ° C), 2-pentanol (boiling point 119.9 ° C), 3-pentanol (boiling point: 116.1 ° C), glycerin (boiling point 290 ° C), and the like. These may be used alone or in combination of two or more. The high boiling point organic solvent is preferably mixed uniformly with water.

保水層用インク中の溶媒は、高沸点有機溶媒のみから構成されていてもよい。また、高沸点有機溶媒とその他の溶媒(例えば、水、沸点が100℃未満の有機溶媒(メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール等)等)との混合物を用いてもよい。高沸点有機溶媒とその他の溶媒との混合物の場合、溶媒中の高沸点有機溶媒の比率は、10質量%以上であることが好ましく、30質量%以上であることがより好ましい。なお、保水性の観点から、高沸点有機溶媒の比率は高いほど好ましいので、溶媒中の高沸点有機溶媒の比率の上限は特に限定されないが、高分子電解質の分散性を考慮すると、70質量%以下であることが好ましい。高沸点有機溶媒とその他の溶媒との混合物を用いる場合には、溶媒間の沸点の差により乾燥工程過程におけるインク中の溶媒組成が変わるため、保水性材料とバインダー材料との接触状態が変化する。かような変化により、保水性材料にバインダー材料が偏在状態でより被覆しやすくなると考えられる。   The solvent in the water retention layer ink may be composed of only a high-boiling organic solvent. Moreover, you may use the mixture of a high boiling-point organic solvent and another solvent (For example, water, organic solvents (both methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol etc.) with a boiling point of less than 100 degreeC). In the case of a mixture of a high boiling organic solvent and another solvent, the ratio of the high boiling organic solvent in the solvent is preferably 10% by mass or more, and more preferably 30% by mass or more. From the viewpoint of water retention, the higher the ratio of the high-boiling organic solvent, the better. Therefore, the upper limit of the ratio of the high-boiling organic solvent in the solvent is not particularly limited, but considering the dispersibility of the polymer electrolyte, 70% by mass The following is preferable. When using a mixture of a high-boiling organic solvent and another solvent, the solvent composition in the ink during the drying process changes due to the difference in boiling point between the solvents, so the contact state between the water retention material and the binder material changes. . Such a change is considered to make it easier to coat the water retention material when the binder material is unevenly distributed.

保水層用インク中の溶媒全体の沸点は、100℃を超えることが好ましい。溶媒全体の沸点が100℃を超えると、保水能が向上するため好ましい。この理由として、詳細なメカニズムは不明であるが、溶媒全体の沸点が高いほど、乾燥に時間を要するため、バインダーが偏在した状態で保水性材料を部分的に覆う構造の保水性材料がより簡便に得られるためであると考えられる。したがって、溶媒全体の沸点が100℃を超えるように、高沸点溶媒とその他の溶媒との含有比率を適宜設調整することが好ましい。なお、保水層用インク中の溶媒全体の沸点の上限は特に限定されるものではないが、インク塗布後の乾燥時の乾燥温度、および乾燥時間を考慮すると、200℃以下であることが好ましい。   The boiling point of the entire solvent in the water-retaining layer ink is preferably higher than 100 ° C. When the boiling point of the whole solvent exceeds 100 ° C., the water retention ability is improved, which is preferable. The detailed mechanism is unknown for this reason, but the higher the boiling point of the whole solvent, the longer it takes to dry, so a water-retaining material with a structure that partially covers the water-retaining material in a state where the binder is unevenly distributed is easier. It is thought that this is because Therefore, it is preferable to appropriately adjust the content ratio of the high boiling point solvent and the other solvent so that the boiling point of the whole solvent exceeds 100 ° C. The upper limit of the boiling point of the entire solvent in the water-retaining layer ink is not particularly limited, but it is preferably 200 ° C. or lower in consideration of the drying temperature and drying time after the ink application.

なお、本明細書における溶媒および溶剤とは、バインダーおよび保水性材料等の固形成分が分散される分散媒、すなわち固形成分以外の液体成分を全て含む。したがって、例えば、水に分散されたアイオノマーと、有機溶媒とを混合して保水層用インクを製造する場合、本明細書でいう溶媒は、水および有機溶媒の双方を指す。   In addition, the solvent and the solvent in the present specification include all of a dispersion medium in which solid components such as a binder and a water retention material are dispersed, that is, liquid components other than the solid components. Therefore, for example, when an ink for water retention layer is produced by mixing an ionomer dispersed in water and an organic solvent, the solvent in the present specification refers to both water and the organic solvent.

保水性層用インクの固形分率(保水性層用インク全重量に対する固形分の重量割合)は、特に限定されるものではないが、20質量%以下であることが好ましく、10質量%以下であることがより好ましい。固形分率がかような範囲であると、保水性材料をバインダーが偏在した形で被覆しやすくなるためである。この詳細なメカニズムは不明であるが、固形分率が低いほど、乾燥に時間が必要となり、インク状態と乾燥後の保水層との微細構造が乖離しやすくなるためであると考えられる。固形分率の下限は特に限定されるものではないが、基材への塗布のし易さを考慮すると、通常1重量%以上である。   The solid content ratio of the water retention layer ink (weight ratio of the solid content to the total weight of the water retention layer ink) is not particularly limited, but is preferably 20% by mass or less, and preferably 10% by mass or less. More preferably. This is because when the solid content is in such a range, it becomes easy to coat the water-retaining material in a form in which the binder is unevenly distributed. Although this detailed mechanism is unknown, it is considered that the lower the solid content ratio, the more time is required for drying, and the fine structure between the ink state and the water-retaining layer after drying tends to deviate. The lower limit of the solid content is not particularly limited, but is usually 1% by weight or more in consideration of ease of application to the substrate.

インク中の、保水性材料と、バインダー材料との含有質量比は、保水性材料:バインダー材料=1:0.4〜1.8であることが好ましく、1:0.4〜1.3であることがより好ましい。高沸点溶媒を用いる方法によれば、バインダー材料が保水性材料に比して割合がある程度高い場合であっても、簡便にバインダー材料の偏在状態を形成することができる。   The mass ratio of the water-retaining material and the binder material in the ink is preferably water-retaining material: binder material = 1: 0.4 to 1.8, preferably 1: 0.4 to 1.3. More preferably. According to the method using a high boiling point solvent, even when the ratio of the binder material is higher than that of the water-retaining material to some extent, the unevenly distributed state of the binder material can be easily formed.

保水層用インクの調製方法は、特に制限されない。また、バインダー、保水性材料、および溶媒の混合順序は、特に制限されないが、具体的には、下記(i−1)〜(i−3)が挙げられる。   The method for preparing the water retaining layer ink is not particularly limited. Moreover, the mixing order of the binder, the water retention material, and the solvent is not particularly limited, and specific examples thereof include the following (i-1) to (i-3).

(i−1)バインダーを含有した溶液を調製し、前記溶液を、保水性材料と混合する。その後、高沸点有機溶媒を含む溶媒をさらに添加して、保水層用インクを調製する;
(i−2)バインダーを含有した溶液を調製し、高沸点有機溶媒を含む溶媒を添加する。その後、保水性材料をさらに混合(添加)して、保水層用インクを調製する;および
(i−3)保水性材料と高沸点有機溶媒を含む溶媒とを混合する。次に、別途バインダーを含有した溶液を、さらに添加して、保水層用インクを調製する。
(I-1) A solution containing a binder is prepared, and the solution is mixed with a water retention material. Thereafter, a solvent containing a high-boiling organic solvent is further added to prepare a water-retaining layer ink;
(I-2) A solution containing a binder is prepared, and a solvent containing a high-boiling organic solvent is added. Thereafter, the water retention material is further mixed (added) to prepare a water retention layer ink; and (i-3) The water retention material and a solvent containing a high-boiling organic solvent are mixed. Next, a solution containing a binder is further added to prepare a water retention layer ink.

上記方法のうち、(i−1)及び(i−2)の方法が好ましく、(i−1)の方法がより好ましい。これにより、水と有機溶媒が均一に混合され、溶媒化合物が形成しやすい。   Among the above methods, the methods (i-1) and (i-2) are preferable, and the method (i-1) is more preferable. Thereby, water and an organic solvent are mixed uniformly and a solvent compound is easy to form.

上記方法(i−1)〜(i−3)において、バインダーを含有した溶液において、バインダーは、溶媒中に分散している。この際のバインダーを含有した溶液中でのバインダー含有率は、特に制限されないが、固形分量が好ましくは1〜40質量%、より好ましくは5〜20質量%である。このような含有率であれば、高分子電解質が適切に溶媒中に分散しうる。バインダーを含有した溶液は、自ら調整してもよいし、市販品を用いてもよい。上記バインダーを含有した溶液中におけるバインダーの分散溶媒は、特に限定されるものではないが、水、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール等が挙げられる。分散性を考慮すると、好ましくは、水、エタノール、1−プロパノールである。これらの分散溶媒は、単独で用いてもよいし、2種以上併用してもよい。   In the methods (i-1) to (i-3), in the solution containing the binder, the binder is dispersed in the solvent. The binder content in the solution containing the binder is not particularly limited, but the solid content is preferably 1 to 40% by mass, more preferably 5 to 20% by mass. With such a content, the polymer electrolyte can be appropriately dispersed in the solvent. The solution containing the binder may be adjusted by itself or a commercially available product may be used. Although the dispersion solvent of the binder in the solution containing the said binder is not specifically limited, Water, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol etc. are mentioned. In consideration of dispersibility, water, ethanol, and 1-propanol are preferable. These dispersion solvents may be used alone or in combination of two or more.

また、保水層用インクの製造工程において、バインダーと、保水性材料と、溶媒とを混合した後は、良好に混合するために、別途混合工程を設けてもよい。このような混合工程としては、触媒インクを超音波ホモジナイザーでよく分散する、あるいは、この混合スラリーをサンドグラインダー、循環式ボールミル、循環式ビーズミルなどの装置でよく粉砕させた後、減圧脱泡操作を加えることなどが好ましく挙げられる。   In addition, in the water-retaining layer ink manufacturing process, after mixing the binder, the water-retaining material, and the solvent, a separate mixing process may be provided for good mixing. In such a mixing step, the catalyst ink is well dispersed with an ultrasonic homogenizer, or the mixed slurry is well pulverized with an apparatus such as a sand grinder, a circulating ball mill, or a circulating bead mill, and then a vacuum defoaming operation is performed. The addition etc. are mentioned preferably.

次に、得られた保水層用インクを基材上に塗布した後、保水層用インクが塗布された基材を乾燥する。   Next, after applying the obtained water retention layer ink on the substrate, the substrate coated with the water retention layer ink is dried.

保水層用インクの基材表面への塗布方法は、特に制限されず、公知の方法を使用できる。具体的には、スプレー(スプレー塗布)法、ガリバー印刷法、ダイコーター法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法など、公知の方法を用いて行うことができる。また、触媒インクの基材表面への塗布に使用される装置もまた、特に制限されず、公知の装置が使用できる。具体的には、スクリーンプリンター、スプレー装置、バーコーター、ダイコーター、リバースコーター、コンマコーター、グラビアコーター、スプレーコーター、ドクターナイフなどの塗布装置を用いることができる。なお、塗布工程は、1回行ってもあるいは複数回繰り返し行ってもよく、下記に詳述される(触媒成分が担持された)保水性材料の含有量(担持量)が達成されるまで、適宜行うことが好ましい。   The method for applying the water-retaining layer ink to the substrate surface is not particularly limited, and a known method can be used. Specifically, it can be performed using a known method such as a spray (spray coating) method, a gulliver printing method, a die coater method, a screen printing method, or a doctor blade method. Moreover, the apparatus used for application | coating to the base-material surface of a catalyst ink is also not restrict | limited in particular, A well-known apparatus can be used. Specifically, coating apparatuses such as a screen printer, a spray device, a bar coater, a die coater, a reverse coater, a comma coater, a gravure coater, a spray coater, and a doctor knife can be used. The application step may be performed once or repeated a plurality of times until the content (supported amount) of the water-retaining material (supported catalyst component) described in detail below is achieved. It is preferable to perform appropriately.

具体的な乾燥温度は、用いられる溶媒によって適宜設定される。乾燥温度は、溶媒の沸点以下で行うことが好ましい。このように沸点以下で時間をかけてゆっくりと乾燥することで、保水層の保水性能がより向上する。乾燥温度は、上述のような高沸点溶媒を含まない場合、40〜80℃程度の温度に設定し、ゆっくりと乾燥した方が保水性能に優れた保水層を得ることができる。一方、高沸点溶媒を含む場合、乾燥温度は電解質材料の耐熱性に律して決定されることが多い。具体的には、フッ素系電解質材料を含む場合は、100〜170℃程度、炭化水素系電解質材料の場合は、100〜200℃程度が望ましい。高沸点溶媒を含む場合には、保水層用インクが塗布された基材を乾燥する際の乾燥温度は、100℃を超えることが好ましい。詳細なメカニズムは不明であるが、ゆっくりと乾燥することにより、インク状態と乾燥後の保水層との微細構造が乖離するためであると推定される。インク状態では、保水性バインダーが保水性材料をより均一に覆っていると想定されるが、乾燥時間が長くなることにより、保水層の微細構造は不均一に被覆している割合が多くなると考えられる。   The specific drying temperature is appropriately set depending on the solvent used. It is preferable to carry out the drying temperature below the boiling point of the solvent. Thus, the water retention performance of a water retention layer improves more by drying slowly over time below boiling point. When the drying temperature does not include the high-boiling solvent as described above, a water retention layer excellent in water retention performance can be obtained by setting the temperature to about 40 to 80 ° C. and drying slowly. On the other hand, when a high boiling point solvent is included, the drying temperature is often determined according to the heat resistance of the electrolyte material. Specifically, when a fluorine-based electrolyte material is included, about 100 to 170 ° C. is preferable, and when a hydrocarbon-based electrolyte material is included, about 100 to 200 ° C. is desirable. When a high boiling point solvent is included, the drying temperature when drying the substrate on which the water retention layer ink is applied is preferably higher than 100 ° C. Although the detailed mechanism is unknown, it is presumed that this is because the fine structure of the ink state and the dried water retention layer deviates by drying slowly. In the ink state, it is assumed that the water-retaining binder covers the water-retaining material more uniformly, but the longer the drying time, the greater the proportion of the non-uniform coating of the fine structure of the water-retaining layer. It is done.

保水層用インクが塗布された基材を乾燥する際の乾燥時間は特に限定されるものではないが、5〜30分であることが好ましい。また、乾燥時の雰囲気は特に限定されるものではないが、空気雰囲気または不活性ガス雰囲気下で乾燥を行うことが好ましい。   Although the drying time at the time of drying the base material with which the water retention layer ink is applied is not particularly limited, it is preferably 5 to 30 minutes. The atmosphere during drying is not particularly limited, but it is preferable to perform drying in an air atmosphere or an inert gas atmosphere.

保水層用インクを塗布する基材は、最終的に得られる保水層の形態により適宜選択すればよく、電極触媒層、ガス拡散層、またはポリテトラフルオロエチレンシート(PTFE)等の高分子シート等を用いることができる。また、保水層が、触媒層として用いられる場合には、電解質膜を基材として保水層用インクを電解質膜に塗布して保水層を形成することができる。   The substrate to which the water retention layer ink is applied may be appropriately selected depending on the form of the finally obtained water retention layer, such as an electrode catalyst layer, a gas diffusion layer, or a polymer sheet such as a polytetrafluoroethylene sheet (PTFE). Can be used. When the water retention layer is used as a catalyst layer, the water retention layer can be formed by applying the water retention layer ink to the electrolyte membrane using the electrolyte membrane as a base material.

上記工程で形成される保水層中に保水性材料が存在する量は、特に制限されず、上記した所望の効果によって適宜選択される。具体的には、保水層の体積割合として、0.1〜0.7、より好ましくは0.3〜0.5程度含まれることが好ましい。このような量であれば、十分な発電性能が達成できる。   The amount of the water-retaining material present in the water-retaining layer formed in the above step is not particularly limited and is appropriately selected depending on the desired effect described above. Specifically, the volume ratio of the water retaining layer is preferably 0.1 to 0.7, more preferably about 0.3 to 0.5. With such an amount, sufficient power generation performance can be achieved.

本発明の保水層は優れた保水能を有する。したがって、MEAに適用した場合に、低温起動時などにみられる液水の影響による電圧低下の抑制を図ることができる。したがって、本発明は、また、粉末状の保水性材料と、通水性のバインダー材料とを含み、前記バインダー材料が偏在した状態で前記保水性材料を部分的に覆う、燃料電池用保水層、または沸点が100℃を超える有機溶剤を含む溶媒と、粉末状の保水性材料と、通水性のバインダー材料とを混合して、保水層用インクを得る工程を含む、製造方法によって得られる燃料電池用保水層を含むMEAに関する。さらに、本発明は、該MEAを用いる燃料電池に関する。   The water retention layer of the present invention has excellent water retention ability. Therefore, when applied to MEA, it is possible to suppress a voltage drop due to the influence of liquid water seen at the time of low-temperature startup. Therefore, the present invention also includes a water retention layer for a fuel cell, which includes a powder water retention material and a water permeable binder material, and partially covers the water retention material in a state where the binder material is unevenly distributed, or For a fuel cell obtained by a production method, comprising a step of obtaining a water retention layer ink by mixing a solvent containing an organic solvent having a boiling point exceeding 100 ° C., a powdery water retention material, and a water-permeable binder material. The present invention relates to an MEA including a water retention layer. Furthermore, the present invention relates to a fuel cell using the MEA.

以下、図面を参照しながら本発明の保水層を含むMEAの好適な実施形態について説明する。なお、各図面は説明の便宜上誇張されて表現されており、各図面における各構成要素の寸法比率が実際とは異なる場合がある。   Hereinafter, preferred embodiments of an MEA including a water retention layer of the present invention will be described with reference to the drawings. Each drawing is exaggerated for convenience of explanation, and the dimensional ratio of each component in each drawing may be different from the actual one.

図1は、本発明の保水層を含む好適なMEAの実施形態を示す模式断面図である。以下、本実施形態を第一実施形態とする。図1のMEA10は、固体高分子電解質膜12の両面に、アノード側電極触媒層13およびカソード側電極触媒層15が対向して配置され、これをアノード側ガス拡散層14およびカソード側16で挟持した構成を有している。さらに、アノード側電極触媒層13とアノード側ガス拡散層14との間には本発明の保水層17が配置される。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of a suitable MEA including a water retention layer of the present invention. Hereinafter, this embodiment is referred to as a first embodiment. In the MEA 10 of FIG. 1, an anode side electrode catalyst layer 13 and a cathode side electrode catalyst layer 15 are disposed opposite to each other on both sides of a solid polymer electrolyte membrane 12, and are sandwiched between an anode side gas diffusion layer 14 and a cathode side 16. It has the structure. Further, the water retention layer 17 of the present invention is disposed between the anode side electrode catalyst layer 13 and the anode side gas diffusion layer 14.

本願の保水層は、バインダー材料が偏在した状態で保水性材料を部分的に覆う構造であるため、ガス拡散性に優れる。したがって、上記形態のように、ガス拡散層と触媒層との間に保水層を配置した場合であっても、ガス拡散層から触媒層へのガス拡散を阻害することなく、保水機能を発揮することができる。   Since the water retention layer of the present application has a structure that partially covers the water retention material in a state where the binder material is unevenly distributed, the gas retention property is excellent. Therefore, even when a water retention layer is disposed between the gas diffusion layer and the catalyst layer as in the above embodiment, the water retention function is exhibited without hindering gas diffusion from the gas diffusion layer to the catalyst layer. be able to.

図1に示す実施形態は、アノード側電極触媒層13とアノード側ガス拡散層14との間に本発明の保水層17が配置される形態であるが、保水層は、カソード側電極触媒層とカソード側ガス拡散層との間に配置されてもよい。また、保水層を両極に設けてもよい。好適には、少なくともアノード側に保水層を設ける形態である。氷点下において燃料電池を起動させる際、発電による生成水が凍ることにより、酸素の輸送が阻害されることが起動性低下の一因であると考えられることは上述した。したがって、生成水を吸収する際の水の移動方向は、カソード側電極触媒層から電解質膜を介してアノード側電極触媒層であることが重要である。アノード側に保水層が配置されることによって、より多くの生成水がアノード触媒層側に戻るため、氷点下起動性を増すことができる。   The embodiment shown in FIG. 1 is a form in which the water retention layer 17 of the present invention is disposed between the anode side electrode catalyst layer 13 and the anode side gas diffusion layer 14. You may arrange | position between cathode side gas diffusion layers. Moreover, you may provide a water retention layer in both poles. Preferably, a water retaining layer is provided at least on the anode side. As described above, when the fuel cell is started below the freezing point, it is considered that the transport of oxygen is inhibited due to freezing of water generated by power generation, which is one cause of the decrease in startability. Accordingly, it is important that the direction of water movement when absorbing the produced water is the anode side electrode catalyst layer from the cathode side electrode catalyst layer through the electrolyte membrane. By disposing the water retention layer on the anode side, more generated water returns to the anode catalyst layer side, so that the startability below freezing point can be increased.

第一実施形態のMEAの製造方法は特に限定されるものではなく、従来公知の製造方法により製造することができる。   The manufacturing method of MEA of 1st embodiment is not specifically limited, It can manufacture with a conventionally well-known manufacturing method.

例えば、固体高分子電解質膜の両側に電極触媒層を作製し、電極触媒層に上記保水層用インクを塗布する。これを乾燥した後、ガス拡散層で挟持した後にホットプレスする方法などが挙げられる。   For example, electrode catalyst layers are prepared on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and the water retention layer ink is applied to the electrode catalyst layer. Examples thereof include a method of drying this, followed by sandwiching with a gas diffusion layer and hot pressing.

他に、例えば、以下の方法が挙げられる。まず、ガス拡散層、またはPTFE製シートなどの基材上に、保水層用インクを塗布し、乾燥した後、得られた保水層上にアノード側電極触媒層インクを塗布・乾燥する。また、別途、ガス拡散層、またはPTFE製シートなどの基材上に、カソード側電極触媒層を作製する。次に、基材上の保水層およびアノード側電極触媒層と、基材上のカソード側電極触媒層とで、触媒層が固体高分子電解質膜に接するように固体高分子電解質膜を挟持する。その後、ホットプレス等により、固体高分子電解質膜と各電極触媒層を接合する。基材としてPTFE製シートを用いた場合には、ホットプレスした後に、PTFE製シートのみを剥がし、その後ガス拡散層を積層させればよい。なお、上述の保水層の製造方法において説明した保水層用インクを乾燥する工程は、MEA作製過程のいずれかの段階で行われればよく、保水層用インクを基材上に塗布した後、すぐに保水層用インクを乾燥する形態に限られない。   Other examples include the following methods. First, a water retention layer ink is applied on a gas diffusion layer or a substrate such as a PTFE sheet, dried, and then the anode-side electrode catalyst layer ink is applied and dried on the obtained water retention layer. Separately, a cathode-side electrode catalyst layer is formed on a base material such as a gas diffusion layer or a PTFE sheet. Next, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between the water retention layer and anode side electrode catalyst layer on the substrate and the cathode side electrode catalyst layer on the substrate so that the catalyst layer is in contact with the solid polymer electrolyte membrane. Thereafter, the solid polymer electrolyte membrane and each electrode catalyst layer are joined by hot pressing or the like. When a PTFE sheet is used as the substrate, after hot pressing, only the PTFE sheet is peeled off, and then a gas diffusion layer is laminated. The step of drying the water retention layer ink described in the above method for producing a water retention layer may be performed at any stage of the MEA production process, and immediately after the water retention layer ink is applied on the substrate. In addition, the present invention is not limited to the form of drying the water retention layer ink.

図2は、本発明の保水層を含む他の好適なMEAの実施形態を示す模式断面図である。以下、本実施形態を第二実施形態とする。図2のMEA20は、固体高分子電解質膜22の両面に、アノード側電極触媒層23およびカソード側電極触媒層25が対向して配置され、これをアノード側ガス拡散層24およびカソード側ガス拡散層26で挟持した構成を有している。さらに、アノード側電極触媒層23と固体高分子電解質膜22との間には本発明の保水層27が配置される。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing another preferred embodiment of the MEA including the water retention layer of the present invention. Hereinafter, this embodiment is referred to as a second embodiment. In the MEA 20 of FIG. 2, an anode side electrode catalyst layer 23 and a cathode side electrode catalyst layer 25 are arranged on both sides of a solid polymer electrolyte membrane 22 so as to face each other, and these are arranged as an anode side gas diffusion layer 24 and a cathode side gas diffusion layer. 26. Further, the water retention layer 27 of the present invention is disposed between the anode side electrode catalyst layer 23 and the solid polymer electrolyte membrane 22.

図2に示す実施形態は、アノード側電極触媒層23と固体高分子電解質膜22との間に本発明の保水層27が配置される形態であるが、保水層は、カソード側電極触媒層と固体高分子電解質膜との間に配置されてもよい。また、保水層を両極に設けてもよい。好適には、少なくともアノード側に保水層を設ける形態である。氷点下において燃料電池を起動させる際、発電による生成水が凍ることにより、酸素の輸送が阻害されることが起動性低下の一因であると考えられることは上述した。したがって、生成水を吸収する際の水の移動方向は、カソード側電極触媒層から電解質膜を介してアノード側電極触媒層であることが重要である。アノード側に保水層が配置されることによって、より多くの生成水がアノード触媒層側に戻るため、氷点下起動性を増すことができる。   The embodiment shown in FIG. 2 is a form in which the water retention layer 27 of the present invention is disposed between the anode side electrode catalyst layer 23 and the solid polymer electrolyte membrane 22. You may arrange | position between solid polymer electrolyte membranes. Moreover, you may provide a water retention layer in both poles. Preferably, a water retaining layer is provided at least on the anode side. As described above, when the fuel cell is started below the freezing point, it is considered that the transport of oxygen is inhibited due to freezing of water generated by power generation, which is one cause of the decrease in startability. Accordingly, it is important that the direction of water movement when absorbing the produced water is the anode side electrode catalyst layer from the cathode side electrode catalyst layer through the electrolyte membrane. By disposing the water retention layer on the anode side, more generated water returns to the anode catalyst layer side, so that the startability below freezing point can be increased.

第二実施形態のMEAの製造方法は特に限定されるものではなく、従来公知の製造方法により製造することができる。例えば、固体高分子電解質膜の両側に保水層用インクを塗布し、乾燥した後、保水層上に電極触媒層スラリーを塗布・乾燥する。この後、ガス拡散層で挟持した後にホットプレスする方法などが挙げられる。   The manufacturing method of MEA of 2nd embodiment is not specifically limited, It can manufacture with a conventionally well-known manufacturing method. For example, the water retention layer ink is applied to both sides of the solid polymer electrolyte membrane and dried, and then the electrode catalyst layer slurry is applied and dried on the water retention layer. Then, the method of hot-pressing after pinching with a gas diffusion layer is mentioned.

他に、例えば、以下の方法が挙げられる。まず、ガス拡散層、またはPTFE製シートなどの基材上に、アノード側電極触媒層インクを塗布・乾燥した後、電極触媒層上に保水層用インクを塗布し、乾燥する。また、別途、ガス拡散層、またはPTFE製シートなどの基材上に、カソード側電極触媒層を作製する。次に、基材上の保水層およびアノード側電極触媒層と、基材上のカソード側電極触媒層とで、保水層およびカソード触媒層が固体高分子電解質膜に接するように固体高分子電解質膜を挟持する。その後、ホットプレス等により、固体高分子電解質膜と各電極触媒層を接合する。基材としてPTFE製シートを用いた場合には、ホットプレスした後に、PTFE製シートのみを剥がし、その後ガス拡散層を積層させればよい。なお、上述の保水層の製造方法において説明した保水層用インクを乾燥する工程は、MEA作製過程のいずれかの段階で行われればよく、保水層用インクを基材上に塗布した後、すぐに保水層用インクを乾燥する形態に限られない。   Other examples include the following methods. First, the anode side electrode catalyst layer ink is applied and dried on a gas diffusion layer or a substrate such as a PTFE sheet, and then the water retention layer ink is applied on the electrode catalyst layer and dried. Separately, a cathode-side electrode catalyst layer is formed on a base material such as a gas diffusion layer or a PTFE sheet. Next, the solid polymer electrolyte membrane so that the water retention layer and the cathode catalyst layer are in contact with the solid polymer electrolyte membrane by the water retention layer and the anode side electrode catalyst layer on the substrate and the cathode side electrode catalyst layer on the substrate. Pinch. Thereafter, the solid polymer electrolyte membrane and each electrode catalyst layer are joined by hot pressing or the like. When a PTFE sheet is used as the substrate, after hot pressing, only the PTFE sheet is peeled off, and then a gas diffusion layer is laminated. The step of drying the water retention layer ink described in the above method for producing a water retention layer may be performed at any stage of the MEA production process, and immediately after the water retention layer ink is applied on the substrate. In addition, the present invention is not limited to the form of drying the water retention layer ink.

本発明においては、第一実施形態および第二実施形態のように触媒層、特にアノード触媒層に隣接して保水層を配置することが好適である。MEA内部の保水機能は、少なくとも膜および触媒層が有する。触媒層(アノード/カソード)は膜を挟持するように設置されるため、触媒層と隣接して保水層が設けられることで、MEA内部(膜、触媒層)に存在する液水が円滑に保水層に移動・保持することが可能となり、電圧低下を抑制することができるMEAを提供できる。   In the present invention, it is preferable to dispose a water retention layer adjacent to the catalyst layer, particularly the anode catalyst layer, as in the first embodiment and the second embodiment. At least the membrane and the catalyst layer have a water retention function inside the MEA. Since the catalyst layer (anode / cathode) is installed so as to sandwich the membrane, a water retention layer is provided adjacent to the catalyst layer, so that the liquid water existing inside the MEA (membrane, catalyst layer) can be smoothly retained. It is possible to provide an MEA that can be moved and held in a layer and can suppress a voltage drop.

図3は、本発明の他の好適なMEAの実施形態を示す模式断面図である。以下、本実施形態を第三実施形態とする。図3のMEA30は、固体高分子電解質膜32の両面に、アノード側電極触媒層33およびカソード側電極触媒層35が対向して配置され、これをガス拡散層34および36で挟持した構成を有している。本実施形態では、アノード側電極触媒層33が保水層である。したがって、触媒層33に含まれる保水性材料は、触媒を担持している。本実施形態のように、触媒層が保水層を兼ねることにより、別途部材を設ける必要がないため、生産性の観点から好ましい。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing another preferred embodiment of the MEA of the present invention. Hereinafter, this embodiment is referred to as a third embodiment. The MEA 30 in FIG. 3 has a configuration in which an anode-side electrode catalyst layer 33 and a cathode-side electrode catalyst layer 35 face each other on both sides of a solid polymer electrolyte membrane 32 and are sandwiched between gas diffusion layers 34 and 36. doing. In this embodiment, the anode side electrode catalyst layer 33 is a water retention layer. Therefore, the water retention material contained in the catalyst layer 33 carries the catalyst. Since the catalyst layer also serves as the water retention layer as in the present embodiment, it is not necessary to provide a separate member, which is preferable from the viewpoint of productivity.

図3に示す実施形態は、アノード側電極触媒層33が保水層である形態であるが、保水層は、カソード側電極触媒層であってもよい。また、保水層を両極に設けてもよい。好適には、少なくともアノード側電極触媒層33が保水層である形態である。氷点下において燃料電池を起動させる際、発電による生成水が凍ることにより、酸素の輸送が阻害されることが起動性低下の一因であると考えられることは上述した。したがって、生成水を吸収する際の水の移動方向は、カソード側電極触媒層から電解質膜を介してアノード側電極触媒層であることが重要である。アノード側に保水層が配置されることによって、より多くの生成水がアノード触媒層側に戻るため、氷点下起動性を増すことができる。   In the embodiment shown in FIG. 3, the anode side electrode catalyst layer 33 is a water retention layer, but the water retention layer may be a cathode side electrode catalyst layer. Moreover, you may provide a water retention layer in both poles. Preferably, at least the anode side electrode catalyst layer 33 is a water retention layer. As described above, when the fuel cell is started below the freezing point, it is considered that the transport of oxygen is inhibited due to freezing of water generated by power generation, which is one cause of the decrease in startability. Accordingly, it is important that the direction of water movement when absorbing the produced water is the anode side electrode catalyst layer from the cathode side electrode catalyst layer through the electrolyte membrane. By disposing the water retention layer on the anode side, more generated water returns to the anode catalyst layer side, so that the startability below freezing point can be increased.

第三実施形態のMEAは、従来公知のMEAの製造方法により作製することができる。   The MEA of the third embodiment can be manufactured by a conventionally known MEA manufacturing method.

次に、図面を参照しながら本発明のMEAを用いる好適な実施形態であるPEFCについて説明する。   Next, a PEFC that is a preferred embodiment using the MEA of the present invention will be described with reference to the drawings.

図4は、第一実施形態の燃料電池用MEAが一対のセパレータにより挟持されてなるPEFCの単セルを示す模式断面図である。なお、図4において、図1と同一の構成要素には同一の符号を付してある。   FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a single PEFC cell in which the fuel cell MEA of the first embodiment is sandwiched between a pair of separators. In FIG. 4, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.

図4に示すPEFC100は、MEA10をアノード側セパレータ102およびカソード側セパレータ101で挟持することで構成されている。また、MEAに供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスは、アノード側セパレータ102およびカソード側セパレータ101に、それぞれ複数箇所設けられたガス供給溝104、103などを介して供給される。また、図4のPEFCにおいては、ガスケット105が、MEA10の表面に位置する電極の外周を、取り囲むように配置されている。ガスケットはシール部材であり、接着層(図示せず)を介して、MEA10の電解質膜12の外面に固定される構成を有していてもよい。ガスケットは、セパレータとMEAとのシール性を確保する機能を有している。なお、必要に応じて用いられる接着層は、接着性を確保することを考慮すると、ガスケットの形状に対応し、電解質膜の全周縁部に、額縁状に配置されることが好ましい。   The PEFC 100 shown in FIG. 4 is configured by sandwiching the MEA 10 between the anode side separator 102 and the cathode side separator 101. Further, the fuel gas and the oxidant gas supplied to the MEA are supplied to the anode side separator 102 and the cathode side separator 101 through gas supply grooves 104 and 103 provided at a plurality of locations, respectively. Further, in the PEFC of FIG. 4, the gasket 105 is disposed so as to surround the outer periphery of the electrode located on the surface of the MEA 10. The gasket is a seal member, and may have a configuration that is fixed to the outer surface of the electrolyte membrane 12 of the MEA 10 via an adhesive layer (not shown). The gasket has a function of ensuring the sealing property between the separator and the MEA. Note that the adhesive layer used as necessary preferably corresponds to the shape of the gasket and is arranged in a frame shape on the entire peripheral edge of the electrolyte membrane in consideration of securing adhesiveness.

以下、MEAおよびPEFCの各構成要素について、順に詳細に説明する。   Hereinafter, each component of MEA and PEFC will be described in detail in order.

上述したように本発明のMEAやPEFCは保水層に特徴を有するものである。したがって、MEAやPEFCを構成するその他の部材については、燃料電池の分野において従来公知の構成がそのまま、または適宜改良されて採用されうる。以下、参考までに保水層以外の部材の典型的な形態について説明するが、本発明の技術的範囲が下記の形態のみに限定されることはない。   As described above, the MEA and PEFC of the present invention are characterized by a water retention layer. Therefore, as for other members constituting the MEA and PEFC, a conventionally known configuration in the field of the fuel cell can be used as it is or after being appropriately improved. Hereinafter, typical forms of members other than the water retention layer will be described for reference, but the technical scope of the present invention is not limited to the following forms.

[高分子電解質膜]
高分子電解質膜は、イオン交換樹脂から構成され、PEFCの運転時にアノード側触媒層で生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード側触媒層へと選択的に透過させる機能を有する。また、高分子電解質膜は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
[Polymer electrolyte membrane]
The polymer electrolyte membrane is made of an ion exchange resin and has a function of selectively permeating protons generated in the anode side catalyst layer during PEFC operation to the cathode side catalyst layer along the film thickness direction. The polymer electrolyte membrane also has a function as a partition wall for preventing the fuel gas supplied to the anode side and the oxidant gas supplied to the cathode side from being mixed.

高分子電解質膜の具体的な構成は特に制限されず、燃料電池の分野において従来公知の高分子電解質膜が適宜採用されうる。高分子電解質膜は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質膜と炭化水素系高分子電解質膜とに大別される。フッ素系高分子電解質膜を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。耐熱性、化学的安定性などの発電性能上の観点からはこれらのフッ素系高分子電解質膜が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜が用いられる。   The specific configuration of the polymer electrolyte membrane is not particularly limited, and conventionally known polymer electrolyte membranes can be appropriately employed in the field of fuel cells. Polymer electrolyte membranes are roughly classified into fluorine-based polymer electrolyte membranes and hydrocarbon-based polymer electrolyte membranes depending on the type of ion exchange resin that is a constituent material. Examples of ion exchange resins constituting the fluorine-based polymer electrolyte membrane include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like. Perfluorocarbon sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride- Examples include perfluorocarbon sulfonic acid polymers. From the viewpoint of power generation performance such as heat resistance and chemical stability, these fluorine-based polymer electrolyte membranes are preferably used, and particularly preferably fluorine-based polymer electrolyte membranes composed of perfluorocarbon sulfonic acid polymers are used. It is done.

前記炭化水素系電解質として、具体的には、スルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(S−PEEK)、スルホン化ポリフェニレン(S−PPP)などが挙げられる。原料が安価で製造工程が簡便であり、かつ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系高分子電解質膜が好ましく用いられる。なお、上述したイオン交換樹脂は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよいことは勿論である。   Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include sulfonated polyethersulfone (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, phosphonated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, and sulfonated. Examples include polyetheretherketone (S-PEEK) and sulfonated polyphenylene (S-PPP). These hydrocarbon polymer electrolyte membranes are preferably used from the viewpoint of production such that the raw material is inexpensive, the production process is simple, and the material selectivity is high. In addition, as for the ion exchange resin mentioned above, only 1 type may be used independently and 2 or more types may be used together. Moreover, it is needless to say that other materials may be used without being limited to the above-described materials.

高分子電解質膜の厚さは、得られるMEAやPEFCの特性を考慮して適宜決定すればよく、特に制限されない。ただし、高分子電解質膜の厚さは、好ましくは5〜300μmであり、より好ましくは10〜200μmであり、さらに好ましくは15〜150μmである。厚さがかような範囲内の値であると、製膜時の強度や使用時の耐久性、および使用時の出力特性のバランスが適切に制御されうる。   The thickness of the polymer electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained MEA and PEFC, and is not particularly limited. However, the thickness of the polymer electrolyte membrane is preferably 5 to 300 μm, more preferably 10 to 200 μm, and still more preferably 15 to 150 μm. When the thickness is within such a range, the balance between strength during film formation, durability during use, and output characteristics during use can be appropriately controlled.

[触媒層]
触媒層は、実際に反応が進行する層である。具体的には、アノード側触媒層では水素の酸化反応が進行し、カソード側触媒層では酸素の還元反応が進行する。触媒層は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性担体、およびプロトン伝導性の高分子電解質を含む。
[Catalyst layer]
The catalyst layer is a layer where the reaction actually proceeds. Specifically, a hydrogen oxidation reaction proceeds in the anode side catalyst layer, and an oxygen reduction reaction proceeds in the cathode side catalyst layer. The catalyst layer includes a catalyst component, a conductive carrier that supports the catalyst component, and a proton-conductive polymer electrolyte.

アノード側触媒層に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、カソード側触媒層に用いられる触媒成分もまた、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、およびそれらの合金等などから選択される。ただし、その他の材料が用いられてもよいことは勿論である。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金が30〜90原子%、合金化する金属が10〜70原子%とするのがよい。カソード側触媒として合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者が適宜選択できるが、白金が30〜90原子%、合金化する他の金属が10〜70原子%とすることが好ましい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、アノード触媒層に用いられる触媒成分およびカソード触媒層に用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択できる。以下の説明では、特記しない限り、アノード触媒層およびカソード触媒層用の触媒成分についての説明は、両者について同様の定義であり、一括して、「触媒成分」と称する。しかしながら、アノード触媒層およびカソード触媒層の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択される。   The catalyst component used in the anode side catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action in the oxidation reaction of hydrogen, and a known catalyst can be used in the same manner. Further, the catalyst component used in the cathode side catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxygen reduction reaction, and a known catalyst can be used in the same manner. Specifically, it is selected from platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum and the like, and alloys thereof. Is done. However, it goes without saying that other materials may be used. Among these, those containing at least platinum are preferably used in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance, and the like. The composition of the alloy is preferably 30 to 90 atomic% for platinum and 10 to 70 atomic% for the metal to be alloyed, depending on the type of metal to be alloyed. The composition of the alloy when the alloy is used as the cathode-side catalyst varies depending on the type of metal to be alloyed and the like and can be appropriately selected by those skilled in the art, but platinum is 30 to 90 atomic%, and other metals to be alloyed are 10 to It is preferable to set it as 70 atomic%. In general, an alloy is a generic term for a metal element having one or more metal elements or non-metal elements added and having metallic properties. The alloy structure consists of a eutectic alloy, which is a mixture of the component elements as separate crystals, a component element completely melted into a solid solution, and a component element composed of an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. There is what is formed, and any may be used in the present application. At this time, the catalyst component used for the anode catalyst layer and the catalyst component used for the cathode catalyst layer can be appropriately selected from the above. In the following description, unless otherwise specified, the descriptions of the catalyst components for the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer have the same definition for both, and are collectively referred to as “catalyst components”. However, the catalyst components of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer do not have to be the same, and are appropriately selected so as to exhibit the desired action as described above.

触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状および大きさが使用できるが、触媒成分は、粒状であることが好ましい。この際、触媒粒子の平均粒子径は、好ましくは1〜30nm、より好ましくは1.5〜20nm、さらに好ましくは2〜10nm、特に好ましくは2〜5nmである。触媒粒子の平均粒子径がかような範囲内の値であると、電気化学反応が進行する有効電極面積に関連する触媒利用率と担持の簡便さとのバランスが適切に制御されうる。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒子径」は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値として測定されうる。   The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be used, but the catalyst component is preferably granular. At this time, the average particle diameter of the catalyst particles is preferably 1 to 30 nm, more preferably 1.5 to 20 nm, still more preferably 2 to 10 nm, and particularly preferably 2 to 5 nm. When the average particle diameter of the catalyst particles is within such a range, the balance between the catalyst utilization rate related to the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds and the ease of loading can be appropriately controlled. The “average particle diameter of catalyst particles” in the present invention is the average of the crystallite diameter determined from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction or the average particle diameter of the catalyst component determined from a transmission electron microscope image. It can be measured as a value.

導電性担体は、上述した触媒成分を担持するための担体、および触媒成分との電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。   The conductive carrier functions as a carrier for supporting the above-described catalyst component and an electron conduction path involved in the exchange of electrons with the catalyst component.

導電性担体としては、触媒成分を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、充分な電子伝導性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであることが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、「実質的に炭素原子からなる」とは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されうることを意味する。   Any conductive carrier may be used as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst component in a desired dispersed state and sufficient electron conductivity, and the main component is preferably carbon. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. “The main component is carbon” means that the main component contains carbon atoms, and is a concept that includes both carbon atoms and substantially carbon atoms. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. Note that “substantially consisting of carbon atoms” means that contamination of about 2 to 3 mass% or less of impurities can be allowed.

導電性担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに充分な比表面積であればよいが、好ましくは20〜1600m/g、より好ましくは80〜1200m/gである。導電性担体の比表面積がかような範囲内の値であると、導電性担体上での触媒成分の分散性と触媒成分の有効利用率とのバランスが適切に制御されうる。 The BET specific surface area of the conductive carrier may be a specific surface area sufficient to carry the catalyst component in a highly dispersed state, but is preferably 20 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to 1200 m 2 / g. When the specific surface area of the conductive support is in such a range, the balance between the dispersibility of the catalyst component on the conductive support and the effective utilization rate of the catalyst component can be appropriately controlled.

導電性担体のサイズについても特に限定されないが、担持の簡便さ、触媒利用率、電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径を5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするとよい。   The size of the conductive carrier is not particularly limited, but from the viewpoint of easy loading, catalyst utilization, and control of the electrode catalyst layer thickness within an appropriate range, the average particle size is 5 to 200 nm, preferably 10 It is good to be about ~ 100 nm.

なお、触媒層が保水層である場合には、導電性担体として導電性の保水性材料、好ましくは、黒鉛、活性炭、カーボンブラック(オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなど)などの炭素材料を用いる。   When the catalyst layer is a water retention layer, a conductive water retention material as a conductive carrier, preferably graphite, activated carbon, carbon black (oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, acetylene black, etc. ) Or the like is used.

導電性担体に触媒成分が担持されてなる複合体(以下、「電極触媒」とも称する)において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは10〜80質量%、より好ましくは30〜70質量%である。触媒成分の担持量がかような範囲内の値であると、導電性担体上での触媒成分の分散度と触媒性能とのバランスが適切に制御されうる。なお、触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって測定されうる。   In a composite in which a catalyst component is supported on a conductive carrier (hereinafter also referred to as “electrode catalyst”), the supported amount of the catalyst component is preferably 10 to 80% by mass, more preferably based on the total amount of the electrode catalyst. Is 30-70 mass%. When the supported amount of the catalyst component is within such a range, the balance between the degree of dispersion of the catalyst component on the conductive support and the catalyst performance can be appropriately controlled. The supported amount of the catalyst component can be measured by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).

また、担体への触媒成分の担持は公知の方法で行うことができる。例えば、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法が使用できる。   The catalyst component can be supported on the carrier by a known method. For example, known methods such as impregnation method, liquid phase reduction support method, evaporation to dryness method, colloid adsorption method, spray pyrolysis method, reverse micelle (microemulsion method) can be used.

または、本発明において、電極触媒は市販品を使用してもよい。このような市販品としては、例えば、田中貴金属工業製、エヌ・イー・ケムキャット製、E−TEK製、ジョンソンマッセイ製などの電極触媒が使用できる。これらの電極触媒は、カーボン担体に、白金や白金合金を担持(触媒種の担持濃度、20〜70質量%)したものである。上記において、カーボン担体としては、ケッチェンブラック、バルカン、アセチレンブラック、ブラックパール、予め高温で熱処理した黒鉛化処理カーボン担体(例えば、黒鉛化処理ケッチェンブラック)、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンファイバー、メソポーラスカーボンなどがある。   Alternatively, in the present invention, a commercially available electrode catalyst may be used. As such commercially available products, for example, electrode catalysts such as those manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., N.E. Chemcat, E-TEK, and Johnson Matthey can be used. These electrode catalysts are obtained by supporting platinum or a platinum alloy on a carbon carrier (supporting concentration of catalyst species: 20 to 70% by mass). In the above, as the carbon carrier, ketjen black, vulcan, acetylene black, black pearl, graphitized carbon carrier (for example, graphitized ketjen black) previously heat treated at high temperature, carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon fiber, There is mesoporous carbon.

触媒層には、電極触媒に加えて、イオン伝導性の高分子電解質が含まれる。当該高分子電解質は特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうるが、例えば、上述した高分子電解質膜を構成するイオン交換樹脂が前記高分子電解質として触媒層に添加されうる。触媒層が保水層である場合には、バインダー材料として、上記高分子電解質が用いられる。   The catalyst layer includes an ion conductive polymer electrolyte in addition to the electrode catalyst. The polymer electrolyte is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be referred to as appropriate. For example, the above-described ion exchange resin constituting the polymer electrolyte membrane can be added to the catalyst layer as the polymer electrolyte. When the catalyst layer is a water retention layer, the polymer electrolyte is used as a binder material.

[ガス拡散層]
ガス拡散層は、セパレータ流路を介して供給されたガス(燃料ガスまたは酸化剤ガス)の触媒層への拡散を促進する機能、および電子伝導パスとしての機能を有する。
[Gas diffusion layer]
The gas diffusion layer has a function of promoting the diffusion of the gas (fuel gas or oxidant gas) supplied through the separator channel to the catalyst layer and a function as an electron conduction path.

ガス拡散層の基材を構成する材料は特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性および多孔質性を有するシート状材料が挙げられる。基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。基材の厚さがかような範囲内の値であれば、機械的強度とガスおよび水などの拡散性とのバランスが適切に制御されうる。   The material which comprises the base material of a gas diffusion layer is not specifically limited, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably. For example, a sheet-like material having conductivity and porosity such as a carbon woven fabric, a paper-like paper body, a felt, and a non-woven fabric can be used. The thickness of the substrate may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm. If the thickness of the substrate is within such a range, the balance between mechanical strength and diffusibility such as gas and water can be appropriately controlled.

ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を含むことが好ましい。撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。   The gas diffusion layer preferably contains a water repellent for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon or the like. Although it does not specifically limit as a water repellent, Fluorine-type high things, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), are included. Examples thereof include molecular materials, polypropylene, and polyethylene.

また、撥水性をより向上させるために、ガス拡散層は、撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層(マイクロポーラス層:MLP)を基材の触媒層側に有するものであってもよい。   In order to further improve the water repellency, the gas diffusion layer has a carbon particle layer (microporous layer: MLP) composed of an aggregate of carbon particles containing a water repellent on the catalyst layer side of the base material. May be.

カーボン粒子層に含まれるカーボン粒子は特に限定されず、カーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などの従来公知の材料が適宜採用されうる。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく用いられうる。カーボン粒子の平均粒子径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。   The carbon particles contained in the carbon particle layer are not particularly limited, and conventionally known materials such as carbon black, graphite, and expanded graphite can be appropriately employed. Among them, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, acetylene black and the like can be preferably used because of excellent electron conductivity and a large specific surface area. The average particle diameter of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. Thereby, while being able to obtain the high drainage property by capillary force, it becomes possible to improve contact property with a catalyst layer.

カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられうる。   Examples of the water repellent used in the carbon particle layer include the same water repellent as described above. Among these, fluorine-based polymer materials can be preferably used because of excellent water repellency, corrosion resistance during electrode reaction, and the like.

カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、撥水性および電子伝導性のバランスを考慮して、質量比で90:10〜40:60(カーボン粒子:撥水剤)程度とするのがよい。なお、カーボン粒子層の厚さについても特に制限はなく、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。   The mixing ratio of the carbon particles to the water repellent in the carbon particle layer is about 90:10 to 40:60 (carbon particles: water repellent) in terms of mass ratio in consideration of the balance between water repellency and electron conductivity. It is good. In addition, there is no restriction | limiting in particular also about the thickness of a carbon particle layer, What is necessary is just to determine suitably in consideration of the water repellency of the gas diffusion layer obtained.

[ガスケット]
ガスケットは、触媒層またはガス拡散層(すなわち、ガス拡散電極)を包囲するように配置され、供給されたガス(燃料ガスまたは酸化剤ガス)のガス拡散電極からの漏出を防止する機能を有する。
[gasket]
The gasket is disposed so as to surround the catalyst layer or the gas diffusion layer (that is, the gas diffusion electrode), and has a function of preventing leakage of supplied gas (fuel gas or oxidant gas) from the gas diffusion electrode.

ガスケットを構成する材料は、ガス、特に酸素や水素に対して不透過性であればよく、特に制限されることはない。ガスケットの構成材料としては、例えば、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリイソブチレンゴムなどのゴム材料、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)などの高分子材料が挙げられる。ただし、その他の材料が用いられてもよいことは勿論である。   The material which comprises a gasket should just be impermeable with respect to gas, especially oxygen and hydrogen, and is not restrict | limited in particular. Examples of the material constituting the gasket include rubber materials such as fluorine rubber, silicon rubber, ethylene propylene rubber (EPDM), and polyisobutylene rubber, polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), and polytetrafluoroethylene (PTFE). And polymer materials such as polyvinylidene fluoride (PVdF). However, it goes without saying that other materials may be used.

ガスケットのサイズについても特に制限はなく、所望のガスシール性や他の部材のサイズとの関係などを考慮して適宜決定すればよい。   There is no restriction | limiting in particular also about the size of a gasket, What is necessary is just to determine suitably considering the relationship with the desired gas-sealing property, the size of another member, etc.

[セパレータ]
MEAは、セパレータで挟持されてPEFCの単セルを構成する。PEFCは、単セルが複数個直列に接続されてなるスタック構造を有するのが一般的である。この際、セパレータは、各MEAを直列に電気的に接続する機能に加えて、燃料ガスおよび酸化剤ガス並びに冷媒といった異なる流体を流す流路やマニホールドを備え、さらにはスタックの機械的強度を保つといった機能をも有する。
[Separator]
The MEA is sandwiched between separators to form a single PEFC cell. The PEFC generally has a stack structure in which a plurality of single cells are connected in series. At this time, in addition to the function of electrically connecting each MEA in series, the separator includes a flow path and a manifold through which different fluids such as a fuel gas, an oxidant gas, and a refrigerant flow, and further maintains the mechanical strength of the stack. It also has the function.

セパレータを構成する材料は特に制限されず、従来公知の知見が適宜参照されうるが、例えば、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン材料や、ステンレス等の金属材料などが挙げられる。セパレータのサイズや流路の形状などは特に限定されず、PEFCの出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。   The material constituting the separator is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be referred to as appropriate, and examples thereof include carbon materials such as dense carbon graphite and carbon plate, and metal materials such as stainless steel. The size of the separator, the shape of the flow path, and the like are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of PEFC.

本発明のMEAやPEFCの製造方法は特に制限されず、燃料電池の分野において従来公知の知見を適宜参照することにより製造可能である。   The method for producing MEA or PEFC of the present invention is not particularly limited, and can be produced by appropriately referring to conventionally known knowledge in the field of fuel cells.

以上、高分子電解質形燃料電池を例に挙げて説明したが、燃料電池としてはこの他にも、アルカリ型燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられ、いずれの電池に適用してもよい。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、高分子電解質形燃料電池(PEFC)が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用であるが、特にシステムの起動/停止や出力変動が頻繁に発生する車両、より好ましくは自動車用途で特に好適に使用できる。   As described above, the polymer electrolyte fuel cell has been described as an example, but other fuel cells include alkaline fuel cells, direct methanol fuel cells, micro fuel cells, etc. May be. Among them, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is preferable because it is small and can achieve high density and high output. The fuel cell is useful as a stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. In particular, a vehicle in which system start / stop and output fluctuation frequently occur, Preferably, it can be used particularly suitably for automobile applications.

本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。   The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.

(実施例1)
Pt粒子をPt担持濃度46質量%として担持させた白金担持カーボン(田中貴金属工業株式会社、TEC10E50E、ケッチェンブラック担体(BET比表面積560m/g_carbon)を用いた。該白金担持カーボンに対して、電解質となる20wt%Nafion(登録商標)(EW=1000)を含有した溶液(DuPont(株)社製、溶液中の溶媒組成:水が50質量部、1−プロパノールが50質量部)を加えた。
Example 1
A platinum-supported carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC10E50E, Ketjen black support (BET specific surface area 560 m 2 / g carbon) with Pt particles supported at a Pt support concentration of 46% by mass was used. A solution containing 20 wt% Nafion (registered trademark) (EW = 1000) serving as an electrolyte was added (DuPont Co., Ltd., solvent composition: 50 parts by mass of water and 50 parts by mass of 1-propanol). .

溶液中の電解質は、白金担持カーボンのカーボン担体の質量に対する固形分質量比(カーボン/電解質)を1.0/0.9とした。これに、50wt%のプロピレングリコール水溶液を加えていき、インク全体の重量に対してインクの固形分率(白金担持カーボン+電解質)を19質量%とした。   The electrolyte in the solution had a solid content mass ratio (carbon / electrolyte) of 1.0 / 0.9 with respect to the mass of the carbon carrier of platinum-supported carbon. A 50 wt% aqueous propylene glycol solution was added thereto, and the solid content ratio of the ink (platinum-supported carbon + electrolyte) was 19% by mass with respect to the total weight of the ink.

得られたインクを超音波ホモジナイザによって分散させて、減圧脱泡操作をして触媒スラリ(保水層用インク)を作製した。触媒スラリ中の溶媒組成は、水:プロピレングリコール:1−プロパノール=4:1:3であり、溶媒の沸点(平均値)は、約110℃である。ここで、溶媒の沸点(平均値)とは、各溶媒の沸点を組成に併せて内挿(平均化)して溶媒の沸点を近似的に求めた値である。   The obtained ink was dispersed with an ultrasonic homogenizer and vacuum degassing was performed to prepare a catalyst slurry (water retaining layer ink). The solvent composition in the catalyst slurry is water: propylene glycol: 1-propanol = 4: 1: 3, and the boiling point (average value) of the solvent is about 110 ° C. Here, the boiling point (average value) of the solvent is a value obtained by approximating the boiling point of the solvent by interpolating (averaging) the boiling point of each solvent together with the composition.

触媒スラリーをポリテトラフルオロエチレンシート(7.5cm×7.5cm、厚さ0.08mm)の片面にスクリーン印刷法によって、白金担持量が0.35mg_Pt/cm、カーボン担持量が0.41mg_c/cm相当の厚さとなるように印刷した。得られた塗布シートを、130℃で30分間乾燥させた。 The catalyst slurry was placed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet (7.5 cm × 7.5 cm, thickness 0.08 mm) by screen printing, with a platinum loading of 0.35 mg_Pt / cm 2 and a carbon loading of 0.41 mg_c / It was printed to a thickness of cm 2 equivalent. The obtained coated sheet was dried at 130 ° C. for 30 minutes.

実施例1の保水層のBET比表面積は280m/g_carbonであったため、保水性材料に対するBET比表面積の比は、50%であった。 Since the BET specific surface area of the water retention layer of Example 1 was 280 m 2 / g_carbon, the ratio of the BET specific surface area to the water retention material was 50%.

(実施例2)
実施例1に使用した白金担持カーボンに使用されているケッチェンブラック担体で、白金が担持されていないもの(ケッチェンブラック単体(BET比表面積718m/g_c))を適用した。実施例1と同様の作製方法により、カーボン担持量が0.35mg_c/cm相当の厚さとなるような塗布シートを作製した。保水層用インクの固形分率は、19質量%である。また、保水層用インク中の溶媒組成は、水:プロピレングリコール:1−プロパノール=4:1:3であり、溶媒の沸点(平均値)は、約110℃である。
(Example 2)
A ketjen black carrier used for the platinum-supported carbon used in Example 1 and not carrying platinum (Ketjen black simple substance (BET specific surface area 718 m 2 / g_c)) was applied. By the same production method as in Example 1, a coated sheet having a carbon carrying amount equivalent to 0.35 mg_c / cm 2 was produced. The solid content of the water retention layer ink is 19% by mass. The solvent composition in the water retention layer ink is water: propylene glycol: 1-propanol = 4: 1: 3, and the boiling point (average value) of the solvent is about 110 ° C.

実施例2の保水層のBET比表面積は230m/g_carbonであったため、保水性材料に対するBET比表面積の比は、32%であった。 Since the BET specific surface area of the water retention layer of Example 2 was 230 m 2 / g_carbon, the ratio of the BET specific surface area to the water retention material was 32%.

(比較例1)
Pt粒子をPt担持濃度46質量%として担持させた白金担持カーボン(田中貴金属工業株式会社、TEC10E50E、ケッチェンブラック担体)を用いた。該白金担持カーボンの質量に対して、電解質となる20wt%Nafion(登録商標)を含有した溶液(DuPont(株)社製)を加えた。溶液中の電解質は、白金担持カーボンのカーボン担体の質量に対する固形分質量比(カーボン/電解質)を1.0/0.9としたものを用いた。これに、純水を加えていき、インク全体の重量に対してインクの固形分率(白金担持カーボン+電解質)を19質量%とした。
(Comparative Example 1)
Platinum-supported carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC10E50E, Ketjen Black support) on which Pt particles were supported at a Pt support concentration of 46% by mass was used. A solution containing 20 wt% Nafion (registered trademark) serving as an electrolyte (manufactured by DuPont) was added to the mass of the platinum-supporting carbon. As the electrolyte in the solution, a platinum-supported carbon solid mass ratio (carbon / electrolyte) with respect to the mass of the carbon support of 1.0 / 0.9 was used. Pure water was added thereto, and the solid content of the ink (platinum-supported carbon + electrolyte) was 19% by mass with respect to the total weight of the ink.

得られたインクを超音波ホモジナイザによって分散させて、減圧脱泡操作をして触媒スラリを作製した。スラリ中の溶媒組成は、水:1−プロパノール=5:3であり、溶媒の沸点(平均値)は、約99℃である。作製した触媒スラリをポリテトラフルオロエチレンシート(7.5cm×7.5cm、厚さ0.08mm)の片面にスクリーン印刷法によって、白金担持量が0.35mg_Pt/cm、カーボン担持量が0.41mg_c/cm相当の厚さとなるように印刷した。得られた塗布シートは、80℃で30分間乾燥させた。 The obtained ink was dispersed with an ultrasonic homogenizer, and vacuum degassing was performed to prepare a catalyst slurry. The solvent composition in the slurry is water: 1-propanol = 5: 3, and the boiling point (average value) of the solvent is about 99 ° C. The produced catalyst slurry was screen-printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet (7.5 cm × 7.5 cm, thickness 0.08 mm), with a platinum loading of 0.35 mg_Pt / cm 2 and a carbon loading of 0.1. It printed so that it might become thickness equivalent to 41 mg_c / cm < 2 >. The obtained coated sheet was dried at 80 ° C. for 30 minutes.

比較例1の保水層のBET比表面積は232m/g_carbonであったため、保水性材料に対するBET比表面積の比は、41%であった。 Since the BET specific surface area of the water retention layer of Comparative Example 1 was 232 m 2 / g_carbon, the ratio of the BET specific surface area to the water retention material was 41%.

[評価]
水蒸気吸着等温線の測定方法
1.前処理・サンプリング
上記塗布シート状の保水層を掻き落とし、適量(約0.03〜0.05g)をガラスセルに入れて、90℃で約5時間減圧乾燥した後、測定に供した。
[Evaluation]
Method for measuring water vapor adsorption isotherm Pretreatment / Sampling The coated sheet-like water-retaining layer was scraped off, an appropriate amount (about 0.03 to 0.05 g) was put in a glass cell, dried under reduced pressure at 90 ° C. for about 5 hours, and subjected to measurement.

2.手法:水蒸気吸着・脱着測定法
該手法では、所定温度における水蒸気吸着・脱着等温線を測定することにより、所定の温度・圧力における水蒸気吸着量を求めることができる。水蒸気吸着量は気体の状態方程式PV=nRTに基づいて算出する。すなわち、各パラメータのうち、体積V、気体定数R、温度Tは、測定中、常に一定であるため、圧力Pの変化を追うことにより、試料に吸着した水分子のモル数n(水蒸気吸着量)を求めることができる。なお、平衡圧に到達するのに数十分〜数時間要するため、1検体(数十測定ポイント)測定するに約1〜3日必要とする。
2. Method: Water Vapor Adsorption / Desorption Measurement Method In this method, the amount of water vapor adsorption at a predetermined temperature and pressure can be determined by measuring a water vapor adsorption / desorption isotherm at a predetermined temperature. The amount of water vapor adsorption is calculated based on the gas state equation PV = nRT. That is, among the parameters, the volume V, the gas constant R, and the temperature T are always constant during the measurement. Therefore, by following the change in the pressure P, the number of moles of water molecules adsorbed on the sample n ). Since it takes tens of minutes to several hours to reach the equilibrium pressure, it takes about 1 to 3 days to measure one sample (several tens of measurement points).

3.測定条件   3. Measurement condition

Figure 0005544689
Figure 0005544689

以上により測定した水蒸気吸着等温線の結果を図5および図6に示す(図5:吸着側(水蒸気相対圧0→1の方向)、および図6:脱着側(水蒸気相対圧1→0の方向))。水蒸気脱着等温線における相対圧1における水蒸気吸着量は、実施例1:432mg/g_c、実施例2:517mg/g_c、比較例1:393mg/g_cであった。なお、実施例1の保水層は、適当量の触媒を担持しており、触媒層として機能しうる。   The results of the water vapor adsorption isotherm measured as described above are shown in FIGS. 5 and 6 (FIG. 5: adsorption side (water vapor relative pressure 0 → 1 direction), and FIG. 6: desorption side (water vapor relative pressure 1 → 0 direction). )). The amount of water vapor adsorption at relative pressure 1 on the water vapor desorption isotherm was Example 1: 432 mg / g_c, Example 2: 517 mg / g_c, and Comparative Example 1: 393 mg / g_c. The water retention layer of Example 1 carries an appropriate amount of catalyst and can function as a catalyst layer.

本実施例のように、同一重量比のカーボン/電解質を含む保水層においても、高沸点溶媒を含む方法で作成した場合(実施例1、2)、高沸点溶媒を含まない場合(比較例)に対して、特に相対圧1付近でより多くの水を吸着することができることが示された。   As in this example, even in the water retaining layer containing the same weight ratio of carbon / electrolyte, when prepared by a method containing a high boiling point solvent (Examples 1 and 2), when not containing a high boiling point solvent (Comparative Example) On the other hand, it was shown that more water can be adsorbed particularly near the relative pressure of 1.

本発明の好適なMEAの断面模式図を示す。The cross-sectional schematic diagram of suitable MEA of this invention is shown. 本発明の他の好適なMEAの断面模式図を示す。The cross-sectional schematic diagram of the other suitable MEA of this invention is shown. 本発明の他の好適なMEAの断面模式図を示す。The cross-sectional schematic diagram of the other suitable MEA of this invention is shown. 本発明の第一実施形態のMEAを含むPEFCの模式断面図を示す。The schematic cross section of PEFC containing MEA of 1st embodiment of this invention is shown. 実施例および比較例の吸着側の水蒸気吸着等温線の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the water vapor adsorption isotherm of the adsorption side of an Example and a comparative example. 実施例および比較例の脱着側の水蒸気吸着等温線の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the water vapor | steam adsorption isotherm of the desorption side of an Example and a comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

10、20、30 MEA、
12、22、32 固体高分子電解質膜、
13、23 アノード側電極触媒層、
33 アノード側電極触媒層(燃料電池用保水層)、
14、24、34 アノード側ガス拡散層、
15、25、35 カソード側電極触媒層、
16、26、36 カソード側ガス拡散層、
17、27 燃料電池用保水層、
100 固体高分子電解質型燃料電池、
101 カソード側セパレータ、
102 アノード側セパレータ、
103、104 ガス供給溝。
10, 20, 30 MEA,
12, 22, 32 solid polymer electrolyte membrane,
13, 23 Anode-side electrode catalyst layer,
33 Anode-side electrode catalyst layer (water retention layer for fuel cells),
14, 24, 34 Anode-side gas diffusion layer,
15, 25, 35 cathode side electrode catalyst layer,
16, 26, 36 Cathode side gas diffusion layer,
17, 27 Water retention layer for fuel cell,
100 solid polymer electrolyte fuel cell,
101 cathode side separator,
102 anode separator,
103, 104 Gas supply groove.

Claims (8)

沸点が100℃を超える有機溶剤を含む溶媒と、粉末状の保水性材料と、通水性のバインダー材料とを混合して、保水層用インクを得る工程を含み、前記保水層用インクの固形分率が20質量%以下であり、
前記保水層用インクを基材上に塗布し、100℃以上の温度で乾燥する工程を含む、燃料電池用保水層の製造方法。
A step of obtaining a water-retaining layer ink by mixing a solvent containing an organic solvent having a boiling point exceeding 100 ° C., a powdery water-retaining material, and a water-permeable binder material, the solid content of the water-retaining layer ink rate is Ri der than 20 wt%,
The manufacturing method of the water retention layer for fuel cells including the process of apply | coating the said water retention layer ink on a base material, and drying at the temperature of 100 degreeC or more .
前記溶媒の沸点が100℃を超える、請求項に記載の燃料電池用保水層の製造方法。 Exceeding 100 ° C. boiling point of the solvent, method for manufacturing a fuel cell water retaining layer according to claim 1. 請求項1または2に記載の製造方法により得られる保水層を含む、電解質膜−電極接合体。 An electrolyte membrane-electrode assembly comprising a water retention layer obtained by the production method according to claim 1 . 粉末状の保水性材料と、通水性のバインダー材料とを含み、前記保水性材料とバインダー材料との含有質量比が、保水性材料:バインダー材料=1:0.4〜1.8であり、前記バインダー材料が偏在した状態で前記保水性材料を部分的に覆う、燃料電池用保水層を含み、
前記保水層が、電極触媒層と隣接して設けられている、電解質膜−電極接合体
A powdery water-retaining material and a water-permeable binder material, and the mass ratio of the water-retaining material and the binder material is water-retaining material: binder material = 1: 0.4 to 1.8, A water retention layer for a fuel cell that partially covers the water retention material in a state where the binder material is unevenly distributed ;
An electrolyte membrane-electrode assembly, wherein the water retention layer is provided adjacent to the electrode catalyst layer .
前記バインダー材料が高分子電解質である、請求項に記載の電解質膜−電極接合体The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 4 , wherein the binder material is a polymer electrolyte. 前記保水層の相対圧1における水蒸気吸着量が、保水性材料の単位重量あたりに対して400mg/g以上である、請求項またはに記載の電解質膜−電極接合体The water vapor adsorption amount at a relative pressure of 1 water retention layer is 400 mg / g or more based on per unit weight of the water retaining material, an electrolyte membrane according to claim 4 or 5 - electrode assembly. 前記保水性材料が、窒素BET比表面積が500m2/g以上であるカーボン粉末を含む、請求項のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体The electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 4 to 6 , wherein the water retention material includes carbon powder having a nitrogen BET specific surface area of 500 m 2 / g or more. 請求項のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体を用いる燃料電池。 A fuel cell using the electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 3 to 7 .
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