JP6036036B2 - Method for producing electrode catalyst layer for fuel cell, method for producing membrane electrode assembly for fuel cell, and method for producing polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Method for producing electrode catalyst layer for fuel cell, method for producing membrane electrode assembly for fuel cell, and method for producing polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池用電極触媒層及びその製造方法ならびに燃料電池用膜電極接合体及びその製造方法と固体高分子形燃料電池に関するものであり、さらに詳しくは、非白金触媒を用いて高い発電特性を示す燃料電池用電極触媒層の製造技術に関するものである。   The present invention relates to an electrode catalyst layer for a fuel cell and a method for producing the same, a membrane electrode assembly for a fuel cell, a method for producing the same, and a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly, high power generation using a non-platinum catalyst. The present invention relates to a technique for producing a fuel cell electrode catalyst layer exhibiting characteristics.

燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを、触媒を含む電極で水の電気分解の逆反応を起こさせ、熱と同時に電気を生み出す発電システムである。この発電システムは、従来の発電方式と比較して高効率で低環境負荷、低騒音などの特徴を有し、将来のクリーンなエネルギー源として注目されている。そして、燃料電池に用いるイオン伝導体の種類によってタイプがいくつかあり、プロトン伝導性高分子膜を用いたものは、固体高分子形燃料電池と呼ばれる。   A fuel cell is a power generation system that generates electricity simultaneously with heat by causing a hydrogen gas-containing fuel gas and an oxygen-containing oxidant gas to undergo reverse reaction of water electrolysis at an electrode including a catalyst. This power generation system has features such as high efficiency, low environmental load, and low noise as compared with conventional power generation systems, and is attracting attention as a clean energy source in the future. There are several types depending on the type of ion conductor used in the fuel cell, and those using proton conductive polymer membranes are called solid polymer fuel cells.

燃料電池の中でも固体高分子形燃料電池は、室温付近で使用可能なことから、車載用電源や家庭据置用電源などへの使用が有望視されており、近年、様々な研究開発が行われている。固体高分子形燃料電池は、膜電極接合体(Membrane and Electrode Assembly;以下、MEAと称すことがある)と呼ばれる高分子電解質膜の両面に一対の電極触媒層を配置させた接合体を、前記電極の一方に水素を含有する燃料ガスを供給し、前記電極の他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのガス流路を形成した一対のセパレーター板で挟持した電池である。ここで、燃料ガスを供給する電極を燃料極、酸化剤を供給する電極を空気極と呼んでいる。これらの電極は、一般に、白金系の貴金属などの触媒物質を担持したカーボン粒子と高分子電解質を積層してなる電極触媒層と、ガス通気性と電子伝導性を兼ね備えたガス拡散層からなる。   Among fuel cells, polymer electrolyte fuel cells can be used near room temperature, so they are considered promising for use in in-vehicle power sources and household stationary power sources. In recent years, various research and development have been conducted. Yes. The polymer electrolyte fuel cell comprises a membrane electrode assembly (Membrane and Electrode Assembly; hereinafter referred to as MEA) having a pair of electrode catalyst layers disposed on both sides of a polymer electrolyte membrane. In this battery, a fuel gas containing hydrogen is supplied to one of the electrodes, and a gas passage for supplying an oxidant gas containing oxygen to the other electrode is sandwiched between a pair of separator plates. Here, the electrode for supplying the fuel gas is called a fuel electrode, and the electrode for supplying the oxidant is called an air electrode. These electrodes generally comprise an electrode catalyst layer formed by laminating carbon particles carrying a catalyst substance such as a platinum-based noble metal and a polymer electrolyte, and a gas diffusion layer having both gas permeability and electronic conductivity.

固体高分子形燃料電池の実用化に向けての課題は、出力密度や耐久性の向上などが挙げられるが、最大の課題は低コスト化である。現在の固体高分子形燃料電池には、高価な白金が電極触媒として用いられており、本格普及には、代替材料の開発が強く求められている。特に、空気極では、燃料極よりも多くの白金を使用しているため、空気極において高い酸素還元触媒能を示す白金代替材料(非白金触媒)の開発が盛んである。   Issues for the practical application of polymer electrolyte fuel cells include improvements in power density and durability, but the biggest issue is cost reduction. In current polymer electrolyte fuel cells, expensive platinum is used as an electrode catalyst, and development of alternative materials is strongly required for full-scale spread. In particular, since the air electrode uses more platinum than the fuel electrode, the development of platinum substitute materials (non-platinum catalysts) that exhibit high oxygen reduction catalytic ability in the air electrode is actively performed.

空気極における非白金触媒の例として、例えば特許文献1には、遷移金属である鉄の窒化物と貴金属の混合物が記載されている。また、特許文献2には、遷移金属であるモリブデンの窒化物が記載されている。しかし、特許文献1および特許文献2で記載されているような触媒物質は、酸性電解質中での酸素還元能が不充分であり、且つ、触媒物質が溶解する場合がある。   As an example of the non-platinum catalyst in the air electrode, for example, Patent Document 1 describes a mixture of iron nitride and noble metal, which is a transition metal. Patent Document 2 describes a nitride of molybdenum, which is a transition metal. However, the catalyst materials described in Patent Document 1 and Patent Document 2 have insufficient oxygen reducing ability in the acidic electrolyte, and the catalyst material may be dissolved.

非特許文献1には、部分酸化されたタンタルの炭窒化物が記載されており、優れた安定性と触媒能を持つことを示している。しかし、この酸化物系非白金触媒は、触媒単体として高い酸素還元触媒能を示しているが、白金触媒のように炭素粒子に担持されておらず、電極触媒層の作製手法を最適化する必要がある。
特許文献3には、非白金触媒を用いたMEAが記載されているが、その電極触媒層の作製手法は、例えば、特許文献4および特許文献5などに記載されている白金触媒で用いられる従来の作製手法であるため、非白金触媒に適していないという問題点がある。
Non-patent document 1 describes a partially oxidized tantalum carbonitride, which shows excellent stability and catalytic ability. However, although this oxide-based non-platinum catalyst shows high oxygen reduction catalytic ability as a single catalyst, it is not supported on carbon particles like platinum catalyst, and it is necessary to optimize the preparation method of the electrode catalyst layer There is.
Patent Document 3 describes an MEA using a non-platinum catalyst. The method for producing the electrode catalyst layer is, for example, a conventional technique used in platinum catalysts described in Patent Document 4 and Patent Document 5 and the like. Therefore, there is a problem that it is not suitable for a non-platinum catalyst.

一方、近年では高い酸素還元触媒能を示す非白金触媒の開発が進み、白金を電極触媒として用いている固体高分子形燃料電池と同様に、耐久性の改善が強く求められている。
白金触媒を電極触媒として用いた固体高分子形燃料電池では、長期間の運転によって電池性能が低下する問題がある。固体高分子形燃料電池の運転条件によっては、酸素極における酸素の還元が2電子反応で止まり、過酸化水素(H)が生成され、例えば、金属イオン等の存在下でラジカル分解する。その過酸化水素ラジカルにより、電解質膜や電極触媒が損傷を受け、電池性能が低下すると考えられている。
On the other hand, in recent years, development of non-platinum catalysts exhibiting high oxygen reduction catalytic activity has progressed, and there is a strong demand for improvement in durability, similar to solid polymer fuel cells using platinum as an electrode catalyst.
In a polymer electrolyte fuel cell using a platinum catalyst as an electrode catalyst, there is a problem that the cell performance is deteriorated by long-term operation. Depending on the operating conditions of the polymer electrolyte fuel cell, the reduction of oxygen at the oxygen electrode stops by a two-electron reaction, and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is generated. For example, radical decomposition occurs in the presence of metal ions or the like. . The hydrogen peroxide radical is considered to damage the electrolyte membrane and the electrode catalyst, resulting in a decrease in battery performance.

非白金触媒を電極触媒として用いた固体高分子形燃料電池では、白金触媒と比べて触媒活性が低いため、運転条件によっては酸素極における酸素の還元が2電子反応で止まり、過酸化水素が生成される。非白金触媒は、条件によっては白金触媒よりも損傷を受けやすいため、耐久性の改善が強く求められている。
特許文献6には、過酸化物分解触媒として難溶性タングステン酸塩を電極触媒層に添加した電極触媒層が記載されているが、電極触媒近傍で過酸化水素を接触分解するという思想がなく、接触分解前に電極触媒が損傷を受けるという問題点がある。
特許文献7には、過酸化物分解触媒を担体に担持した電極触媒層が記載されているが、過酸化水素を接触分解する触媒能を、電極触媒よりも高めるという思想がなく、接触分解前に電極触媒が損傷を受けるという問題点がある。
In the polymer electrolyte fuel cell using a non-platinum catalyst as an electrode catalyst, the catalytic activity is lower than that of the platinum catalyst, so depending on the operating conditions, the reduction of oxygen at the oxygen electrode stops with a two-electron reaction, producing hydrogen peroxide. Is done. Since non-platinum catalysts are more susceptible to damage than platinum catalysts depending on conditions, there is a strong demand for improved durability.
Patent Document 6 describes an electrode catalyst layer in which a sparingly soluble tungstate is added to the electrode catalyst layer as a peroxide decomposition catalyst, but there is no idea that hydrogen peroxide is catalytically decomposed in the vicinity of the electrode catalyst. There is a problem that the electrocatalyst is damaged before catalytic cracking.
Patent Document 7 describes an electrode catalyst layer in which a peroxide decomposition catalyst is supported on a carrier. However, there is no idea that the catalytic ability of catalytic decomposition of hydrogen peroxide is higher than that of an electrode catalyst, However, there is a problem that the electrode catalyst is damaged.

特開2005−44659号公報JP 2005-44659 A 特開2005−63677号公報JP 2005-63677 A 特開2008−270176号公報JP 2008-270176 A 特開昭64−62489号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 64-62489 特開平5−36418号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-36418 特開2005−063902号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-063902 特開2010−257990号公報JP 2010-257990 A

”Journal of The Electrochemical Society”, Vol.155, No.4, p.B400−B406(2008)“Journal of The Electrochemical Society”, Vol. 155, no. 4, p. B400-B406 (2008)

本発明は、触媒物質に酸化物系非白金触媒を用いて高い発電特性を示し、耐久性の高い燃料電池用電極触媒層の製造方法を提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、触媒物質に酸化物系非白金触媒を用いて高い発電特性を示し、耐久性の高い燃料電池用電極触媒層を備えた燃料電池用膜電極接合体の製造方法と固体高分子形燃料電池の製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a method for producing an electrode catalyst layer for a fuel cell that exhibits high power generation characteristics using an oxide-based non-platinum catalyst as a catalyst material and has high durability. Another object of the present invention is to produce a membrane electrode assembly for a fuel cell having an electrode catalyst layer for a fuel cell that exhibits high power generation characteristics using an oxide-based non-platinum catalyst as a catalyst material. And a method for producing a polymer electrolyte fuel cell.

本発明者は鋭意検討を重ねた結果、上記課題を解決することができ、本発明を完成するに至った。
本発明の請求項1に係る発明は、触媒物質、炭素粒子、過酸化物分解触媒および高分子電解質を含み、かつ前記触媒物質の比面積が前記炭素粒子よりも小さい燃料電池用電極触媒層を製造する方法であって、前記触媒物質または前記炭素粒子を前記過酸化物分解触媒および第1の高分子電解質と共に溶媒に分散させた第1の触媒インクを作製する第1工程と、前記第1の触媒インクを乾燥させて前記触媒物質と前記過酸化物分解触媒または前記炭素粒子と前記過酸化物分解触媒を前記第1の高分子電解質で包埋する第2工程と、前記第2工程で乾燥処理された第1の触媒インクに炭素粒子または触媒物質を添加した後、前記触媒物質、前記炭素粒子、前記過酸化物分解触媒および前記第1の高分子電解質を第2の高分子電解質と共に溶媒に分散させた第2の触媒インクを作製する第3工程と、前記第2の触媒インクをガス拡散層、転写シートおよび高分子電解質膜から選択される基材上に塗布して前記電極触媒層を形成する第4工程と、を有することを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法である。
As a result of intensive studies, the present inventor has been able to solve the above-mentioned problems and has completed the present invention.
The invention according to claim 1 of the present invention, a catalyst material, carbon particles, peroxide decomposition include catalyst and the polymer electrolyte, and specific surface area is small fuel cell electrode catalyst layer than the carbon particles of the catalyst material A first step of producing a first catalyst ink in which the catalyst substance or the carbon particles are dispersed in a solvent together with the peroxide decomposition catalyst and the first polymer electrolyte; A second step of drying one catalyst ink to embed the catalyst substance and the peroxide decomposition catalyst or the carbon particles and the peroxide decomposition catalyst with the first polymer electrolyte; and the second step. After adding carbon particles or a catalyst substance to the first catalyst ink dried in step 1, the catalyst substance, the carbon particles, the peroxide decomposition catalyst, and the first polymer electrolyte are used as a second polymer electrolyte. With solvent A third step of producing a dispersed second catalyst ink; and applying the second catalyst ink onto a substrate selected from a gas diffusion layer, a transfer sheet, and a polymer electrolyte membrane to form the electrode catalyst layer And a fourth step of forming the electrode catalyst layer for a fuel cell.

本発明の請求項2に係る発明は、前記触媒物質と前記第1の高分子電解質との重量比が1:0.01〜1:30の範囲内または前記炭素粒子と前記第1の高分子電解質との重量比が1:0.1〜1:20の範囲内となるように、前記第1の触媒インクを前記第2工程で乾燥処理することを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法である。
本発明の請求項3に係る発明は、前記第1の触媒インクを前記第2工程で30℃以上140℃以下の温度で乾燥処理することを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法である。
The invention according to claim 2 of the present invention is such that the weight ratio of the catalyst substance to the first polymer electrolyte is in the range of 1: 0.01 to 1:30 or the carbon particles and the first polymer. The electrode catalyst layer for a fuel cell is characterized in that the first catalyst ink is dried in the second step so that the weight ratio to the electrolyte is in the range of 1: 0.1 to 1:20. It is a manufacturing method.
The invention according to claim 3 of the present invention is a method for producing an electrode catalyst layer for a fuel cell, wherein the first catalyst ink is dried at a temperature of 30 ° C. or more and 140 ° C. or less in the second step. is there.

本発明の請求項4に係る発明は、前記第2工程で乾燥処理された前記第1の触媒インクに炭素粒子または触媒物質を添加して無溶媒で混合した後、前記触媒物質、前記炭素粒子、前記過酸化物分解触媒および前記第1の高分子電解質を第2の高分子電解質と共に溶媒に分散させた第2の触媒インクを作製することを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法である。   In the invention according to claim 4 of the present invention, after adding carbon particles or a catalyst substance to the first catalyst ink dried in the second step and mixing without solvent, the catalyst substance and the carbon particles A method for producing an electrode catalyst layer for a fuel cell, comprising producing a second catalyst ink in which the peroxide decomposition catalyst and the first polymer electrolyte are dispersed together with a second polymer electrolyte in a solvent. It is.

本発明の請求項5に係る発明は、前記第2工程で乾燥処理された前記第1の触媒インクに炭素粒子または触媒物質を添加して無溶媒で混合し、次いで前記第1の高分子電解質で包埋された触媒物質または炭素粒子と添加された炭素粒子または触媒物質とを50℃以上180℃以下の温度で熱処理した後、前記触媒物質、前記炭素粒子、前記過酸化物分解触媒および前記第1の高分子電解質を第2の高分子電解質と共に溶媒に分散させた第2の触媒インクを作製することを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法である。   According to a fifth aspect of the present invention, carbon particles or a catalyst substance is added to the first catalyst ink dried in the second step and mixed without a solvent, and then the first polymer electrolyte is added. After the heat treatment of the catalyst material or carbon particles embedded in and the added carbon particles or catalyst material at a temperature of 50 ° C. or higher and 180 ° C. or lower, the catalyst material, the carbon particles, the peroxide decomposition catalyst, and the A method for producing an electrode catalyst layer for a fuel cell, comprising producing a second catalyst ink in which a first polymer electrolyte is dispersed in a solvent together with a second polymer electrolyte.

本発明の請求項6に係る発明は、前記触媒物質が、固体高分子形燃料電池の正極として用いられる酸素還元電極用の電極活物質であって、タンタル、ニオブ、チタン、ジルコニウムから選択される、少なくとも一つの遷移金属元素を含むことを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法である。
本発明の請求項7に係る発明は、前記触媒物質が、前記遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したものであることを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法である。
In the invention according to claim 6 of the present invention, the catalyst material is an electrode active material for an oxygen reduction electrode used as a positive electrode of a polymer electrolyte fuel cell, and is selected from tantalum, niobium, titanium, and zirconium. A method for producing an electrode catalyst layer for a fuel cell, comprising at least one transition metal element.
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided an electrode catalyst layer for a fuel cell, wherein the catalyst material is obtained by partially oxidizing the carbonitride of the transition metal element in an atmosphere containing oxygen. It is a manufacturing method.

本発明の請求項8に係る発明は、前記遷移金属元素が、タンタルであることを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法である。
本発明の請求項9に係る発明は、前記過酸化物分解触媒が、前記触媒物質よりも過酸化物を接触分解する触媒能を有することを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法である。
The invention according to claim 8 of the present invention is the method for producing an electrode catalyst layer for a fuel cell, wherein the transition metal element is tantalum.
The invention according to claim 9 of the present invention is a method for producing an electrode catalyst layer for a fuel cell, wherein the peroxide decomposition catalyst has a catalytic ability to catalytically decompose peroxide more than the catalyst substance. is there.

本発明の請求項10に係る発明は、前記過酸化物分解触媒が、遷移金属元素を含むことを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法である。
本発明の請求項11に係る発明は、前記遷移金属元素が、セリウム、マンガン、タングステン、ジルコニウム、チタン、バナジウム、イットリウム、ランタン、ネオジム、ニッケル、コバルト、ルテニウム、クロム、モリブデン、鉄の少なくとも一つを含むことを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法である。
The invention according to claim 10 of the present invention is the method for producing an electrode catalyst layer for a fuel cell, wherein the peroxide decomposition catalyst contains a transition metal element.
According to an eleventh aspect of the present invention, the transition metal element is at least one of cerium, manganese, tungsten, zirconium, titanium, vanadium, yttrium, lanthanum, neodymium, nickel, cobalt, ruthenium, chromium, molybdenum, and iron. A method for producing an electrode catalyst layer for a fuel cell, comprising:

本発明の請求項12に係る発明は、前記遷移金属元素が、セリウムであることを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法である。
発明の請求項1に係る発明は、高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟持した膜電極接合体の製造方法であって、前記一対の電極触媒層のうち、正極側の電極触媒層を請求項1〜12のいずれか一項に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法で製造することを特徴とする燃料電池用膜電極接合体の製造方法である。
The invention according to claim 12 of the present invention is the method for producing an electrode catalyst layer for a fuel cell, wherein the transition metal element is cerium.
Invention is a method for manufacturing a membrane electrode assembly sandwiched between the polymer electrolyte membrane a pair of electrode catalyst layers, one of the pair of electrode catalyst layers, the positive electrode side electrode catalyst according to claim 1 3 of the present invention A layer is manufactured by the manufacturing method of the electrode catalyst layer for fuel cells as described in any one of Claims 1-12, It is a manufacturing method of the membrane electrode assembly for fuel cells characterized by the above-mentioned.

発明の請求項1に係る発明は、請求項1に記載の燃料電池用膜電極接合体の製造方法で製造した膜電極接合体一対のガス拡散層で狭持、前記ガス拡散層で狭持た前記膜電極接合体一対のセパレーターで狭持ることを特徴とする固体高分子形燃料電池の製造方法である。 The invention according to claim 1 4 of the present invention sandwiching the membrane electrode assembly manufactured by the method for manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly according to claim 1 3 in a pair of gas diffusion layers, the gas diffusion the membrane electrode assembly was sandwiched with a layer which is the production method of the polymer electrolyte fuel cell according to holding to said Rukoto a pair of separators.

本発明によれば、触媒物質、炭素粒子、過酸化物分解触媒および高分子電解質を含む電極触媒層において、炭素粒子よりも小さい比表面積の触媒物質に対して高分子電解質を包埋し、触媒表面のプロトン伝導性を高めることで反応活性点を増加させ、出力性能の向上した電極触媒層の製造方法並びに膜電極接合体の製造方法、固体高分子形燃料電池の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, in an electrode catalyst layer including a catalyst substance, carbon particles, a peroxide decomposition catalyst, and a polymer electrolyte, the polymer electrolyte is embedded in a catalyst substance having a specific surface area smaller than that of the carbon particles. increasing the reaction activity points by increasing the proton conductivity of the surface, a method of manufacturing a preparation lateral Honami Binimaku electrode assembly of improved electrode catalyst layer of the output performance, to provide a method of manufacturing a polymer electrolyte fuel cell be able to.

また、触媒物質よりも大きい比表面積の炭素粒子に対して高分子電解質を包埋し、炭素粒子の比表面積を小さくする処理を行う。炭素粒子の比表面積を調整することで、電極触媒層の形成時に、触媒表面のプロトン伝導性も高められる。その結果、反応活性点が増加し、出力性能の向上した電極触媒層の製造方法並びに膜電極接合体の製造方法、固体高分子形燃料電池の製造方法を提供することができる。 Moreover, the polymer electrolyte is embedded in carbon particles having a specific surface area larger than that of the catalyst material, and a process for reducing the specific surface area of the carbon particles is performed. By adjusting the specific surface area of the carbon particles, the proton conductivity on the surface of the catalyst can be increased when the electrode catalyst layer is formed. As a result, it is possible to react the active point is increased, a manufacturing method of manufacturing side Honami Binimaku electrode assembly of improved electrode catalyst layer of the output performance, to provide a method of manufacturing a polymer electrolyte fuel cell.

また、過酸化物分解触媒を触媒物質近傍に分散させ、触媒物質よりも過酸化物を接触分解する触媒能にすることで、過酸化水素および過酸化水素ラジカルを効果的に分解することができる。その結果、電極触媒の損傷を抑制することができ、耐久性の向上した電極触媒層の製造方法並びに膜電極接合体の製造方法、固体高分子形燃料電池の製造方法を提供することができる。 In addition, hydrogen peroxide and hydrogen peroxide radicals can be effectively decomposed by dispersing the peroxide decomposition catalyst in the vicinity of the catalyst substance and making it catalytic ability to catalytically decompose the peroxide rather than the catalyst substance. . As a result, it is possible to suppress damage to the electrode catalyst, a method of manufacturing a preparation lateral Honami Binimaku electrode assembly of durability improved electrocatalyst layer, it is possible to provide a manufacturing method of the polymer electrolyte fuel cell it can.

本発明に係る膜電極接合体の断面模式図Schematic cross-sectional view of a membrane electrode assembly according to the present invention 本発明に係る固体高分子形燃料電池の分解断面図Exploded sectional view of a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention

以下に、本発明に係る膜電極接合体およびその製造方法、固体高分子形燃料電池について説明する。なお、本発明は、以下に記載の膜電極接合体に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更などの変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれるものである。   Below, the membrane electrode assembly which concerns on this invention, its manufacturing method, and a polymer electrolyte fuel cell are demonstrated. The present invention is not limited to the membrane electrode assembly described below, and modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art, and such modifications are added. The embodiments are also included in the scope of the present invention.

まず、本発明の一実施形態に係る膜電極接合体について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る膜電極接合体12を示す断面模式図である。図1に示されるように、本発明の一実施形態に係る膜電極接合体12は、高分子電解質膜1と、高分子電解質膜1を挟持する空気極側の電極触媒層2と、燃料極側の電極触媒層3を備える。
First, the membrane electrode assembly which concerns on one Embodiment of this invention is demonstrated.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a membrane electrode assembly 12 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a membrane electrode assembly 12 according to an embodiment of the present invention includes a polymer electrolyte membrane 1, an electrode catalyst layer 2 on the air electrode side that sandwiches the polymer electrolyte membrane 1, and a fuel electrode. The electrode catalyst layer 3 on the side is provided.

次に、本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池について説明する。
図2は、本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池11の分解断面図である。固体高分子形燃料電池11は、膜電極接合体12の一方の電極触媒層2と対向するように配置される空気極側のガス拡散層4と、膜電極接合体12の他方の電極触媒層3と対向するように配置される燃料極側のガス拡散層5とを備える。
電極触媒層2とガス拡散層4とで空気極(カソード)6が構成され、電極触媒層3とガス拡散層5とで燃料極(アノード)7が構成される。また、ガス拡散層4,5の外側には、導電性でかつ不透過性の材料よりなるセパレーター10がそれぞれ配置され、各セパレーター10はガス流通用のガス流路8と、冷却水流通用の冷却水流路9とを備えている。
Next, a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 2 is an exploded cross-sectional view of the polymer electrolyte fuel cell 11 according to one embodiment of the present invention. The polymer electrolyte fuel cell 11 includes an air electrode side gas diffusion layer 4 disposed so as to face one electrode catalyst layer 2 of the membrane electrode assembly 12, and the other electrode catalyst layer of the membrane electrode assembly 12. 3 and the gas diffusion layer 5 on the fuel electrode side disposed so as to face the fuel cell 3.
The electrode catalyst layer 2 and the gas diffusion layer 4 constitute an air electrode (cathode) 6, and the electrode catalyst layer 3 and the gas diffusion layer 5 constitute a fuel electrode (anode) 7. In addition, separators 10 made of a conductive and impermeable material are disposed outside the gas diffusion layers 4 and 5, respectively. Each separator 10 includes a gas flow path 8 for gas circulation and cooling for cooling water circulation. The water flow path 9 is provided.

燃料極7側のセパレーター10のガス流路8からは燃料ガスとして、例えば水素ガスが供給される。一方、空気極6側のセパレーター10のガス流路8からは、酸化剤ガスとして、例えば酸素を含むガスが供給される。燃料ガスの水素と酸素ガスとを触媒の存在下で電極反応させることにより、燃料極と空気極の間に起電力を生じることができる。
固体高分子形燃料電池11の固体高分子電解質膜1、電極触媒層2,3およびガス拡散層4,5は、一組のセパレーター10により狭持されている。固体高分子形燃料電池11は単セル構造の燃料電池であるが、セパレーター10を介して複数のセルを積層して固体高分子形燃料電池とすることもできる。
For example, hydrogen gas is supplied as a fuel gas from the gas flow path 8 of the separator 10 on the fuel electrode 7 side. On the other hand, a gas containing oxygen, for example, is supplied as an oxidant gas from the gas flow path 8 of the separator 10 on the air electrode 6 side. An electromotive force can be generated between the fuel electrode and the air electrode by causing an electrode reaction between the fuel gas hydrogen and oxygen gas in the presence of a catalyst.
The solid polymer electrolyte membrane 1, the electrode catalyst layers 2 and 3, and the gas diffusion layers 4 and 5 of the solid polymer fuel cell 11 are sandwiched by a pair of separators 10. The polymer electrolyte fuel cell 11 is a fuel cell having a single cell structure, but a plurality of cells may be stacked via the separator 10 to form a polymer electrolyte fuel cell.

次に、本発明の一実施形態に係る膜電極接合体12の製造方法について説明する。
本発明の一実施形態に係る膜電極接合体12の電極触媒層2は、以下の第1工程〜第4工程を有する製造方法により製造される。
第1工程:触媒物質または該触媒物質より比表面積の大きい炭素粒子を過酸化物分解触媒および第1の高分子電解質と共に溶媒に分散させた第1の触媒インクを作製する工程。
第2工程:第1の触媒インクを乾燥させて触媒物質と過酸化物分解触媒または炭素粒子と過酸化物分解触媒を第1の高分子電解質で包埋する工程。
Next, the manufacturing method of the membrane electrode assembly 12 which concerns on one Embodiment of this invention is demonstrated.
The electrode catalyst layer 2 of the membrane electrode assembly 12 according to an embodiment of the present invention is manufactured by a manufacturing method including the following first to fourth steps.
First step: A step of producing a first catalyst ink in which a catalyst material or carbon particles having a specific surface area larger than that of the catalyst material are dispersed in a solvent together with a peroxide decomposition catalyst and a first polymer electrolyte.
Second step: A step of drying the first catalyst ink and embedding the catalyst substance and the peroxide decomposition catalyst or the carbon particles and the peroxide decomposition catalyst with the first polymer electrolyte.

第3工程:第2工程の後に第1の触媒インクに炭素粒子または触媒物質を添加した後、触媒物質、炭素粒子、過酸化物分解触媒および第1の高分子電解質を第2の高分子電解質と共に溶媒に分散させた第2の触媒インクを作製する工程。
第4工程:第2の触媒インクをガス拡散層、転写シートおよび高分子電解質膜から選択される基材上に塗布して電極触媒層2を形成する工程。
Third step: After adding carbon particles or a catalytic material to the first catalyst ink after the second step, the catalytic material, the carbon particles, the peroxide decomposition catalyst, and the first polymer electrolyte are converted into the second polymer electrolyte. And a step of preparing a second catalyst ink dispersed in a solvent.
Fourth step: A step of forming the electrode catalyst layer 2 by applying the second catalyst ink onto a substrate selected from a gas diffusion layer, a transfer sheet, and a polymer electrolyte membrane.

本発明者は、第1の触媒インクを乾燥させて触媒物質を第1の高分子電解質で包埋することで、触媒表面のプロトン伝導性が高められ、これにより、反応活性点を増加できることを見出し、本発明に至った。したがって、第1工程で第1の触媒インクを作製した後、第1の触媒インクの触媒物質を第1の高分子電解質で包埋して触媒表面のプロトン伝導性を高めることで、反応活性点を増加させることができる。   The present inventor has shown that the proton conductivity on the catalyst surface is enhanced by drying the first catalyst ink and embedding the catalyst substance with the first polymer electrolyte, thereby increasing the reaction active point. The headline, the present invention has been reached. Therefore, after producing the first catalyst ink in the first step, the catalytic material of the first catalyst ink is embedded in the first polymer electrolyte to increase the proton conductivity of the catalyst surface, thereby increasing the reaction active point. Can be increased.

第1の高分子電解質による包埋を行わない従来の電極触媒層の製造方法では、電極触媒層の形成時に、比表面積の大きい炭素粒子が高分子電解質で優先的に包埋されるため、触媒表面のプロトン伝導性が低く、反応活性点を増加させることはできない。また、従来の製造方法でも、高分子電解質を高濃度にすることで触媒表面のプロトン伝導性を高めることもできるが、炭素粒子に対しては過剰な量の添加となり、出力性能を向上させることは困難である。   In the conventional method for producing an electrode catalyst layer without embedding with the first polymer electrolyte, carbon particles having a large specific surface area are preferentially embedded with the polymer electrolyte when the electrode catalyst layer is formed. The proton conductivity on the surface is low, and the reactive site cannot be increased. In addition, the conventional manufacturing method can also increase the proton conductivity of the catalyst surface by increasing the concentration of the polymer electrolyte, but an excessive amount is added to the carbon particles to improve the output performance. It is difficult.

また、第2工程で第1の触媒インクを乾燥させて触媒物質を第1の高分子電解質で包埋する際に、乾燥後の触媒物質と第1の高分子電解質との重量比を、インク組成の設定で制御することができる。触媒物質と第1の高分子電解質との重量比は、1:0.01〜1:30の範囲内であることが好ましい。触媒物質に対して、第1の高分子電解質の重量比が0.01に満たない場合にあっては、触媒表面のプロトン伝導性が変化せず、反応活性点を増加させることが困難であることから、出力性能が向上しない場合がある。また、触媒物質に対して、第1の高分子電解質の重量比が30を超える場合にあっては、反応活性点へのガス拡散性が阻害され、出力性能が向上しない場合がある。   In addition, when the first catalyst ink is dried in the second step and the catalyst material is embedded in the first polymer electrolyte, the weight ratio of the dried catalyst material and the first polymer electrolyte is set to the ink ratio. It can be controlled by setting the composition. The weight ratio of the catalyst substance and the first polymer electrolyte is preferably in the range of 1: 0.01 to 1:30. When the weight ratio of the first polymer electrolyte to the catalyst substance is less than 0.01, the proton conductivity on the catalyst surface does not change and it is difficult to increase the reaction active point. Therefore, the output performance may not be improved. In addition, when the weight ratio of the first polymer electrolyte to the catalyst substance exceeds 30, gas diffusibility to the reaction active site may be hindered and output performance may not be improved.

本発明者は、第2工程で乾燥処理された第1の触媒インクに炭素粒子を添加して第2の触媒インクを作製する際に、第1の触媒インクの触媒物質(第1の高分子電解質で包埋された触媒物質)と添加された炭素粒子とを無溶媒で混合した後、第2の触媒インクを作製することで、反応活性点が増加することを見出し、本発明に至った。この工程を実施しない場合にあっては、触媒物質と炭素粒子の接触性が低く、反応活性点を増加させることが困難であることから、出力性能が向上しない場合がある。   The inventor added the carbon particles to the first catalyst ink dried in the second step to produce the second catalyst ink, and the catalyst material of the first catalyst ink (first polymer) The catalyst material embedded in the electrolyte) and the added carbon particles were mixed in the absence of a solvent, and then the second catalyst ink was produced, thereby finding that the reactive site was increased, leading to the present invention. . When this step is not performed, the output performance may not be improved because the contact between the catalyst substance and the carbon particles is low and it is difficult to increase the reaction active point.

また、上記の場合、無溶媒で混合させる工程の後に熱処理の工程を備えることが好ましい。この工程を実施しない場合にあっては、第2の触媒インクを作製する工程で、反応活性点が減少する場合がある。この熱処理の工程にあっては、温度が50℃以上180℃以下であることが好ましい。乾燥させる温度が50℃に満たない場合にあっては、第2の触媒インクを作製する工程で、触媒物質を包埋する第1の高分子電解質が溶媒に溶解し、また、形成した反応活性点の減少によって出力性能が向上しない場合がある。また、乾燥させる温度が180℃を超える場合にあっても、触媒物質を包埋する第1の高分子電解質のプロトン伝導性が低下し、出力性能が向上しない場合がある。   Moreover, in said case, it is preferable to provide the process of heat processing after the process of mixing without a solvent. If this step is not performed, the reaction active point may decrease in the step of producing the second catalyst ink. In this heat treatment step, the temperature is preferably 50 ° C. or higher and 180 ° C. or lower. If the drying temperature is less than 50 ° C., the first polymer electrolyte embedding the catalyst substance is dissolved in the solvent in the step of producing the second catalyst ink, and the formed reaction activity The output performance may not improve due to the decrease in points. Further, even when the drying temperature exceeds 180 ° C., the proton conductivity of the first polymer electrolyte embedding the catalyst substance is lowered, and the output performance may not be improved.

本発明者は、触媒物質より比表面積の大きい炭素粒子を第1の高分子電解質で包埋することで、炭素粒子の比表面積を小さくでき、これにより、第2の触媒インクを作製する第3工程において、触媒表面のプロトン伝導性を高められ、反応活性点を増加できることを見出し、本発明に至った。炭素粒子に対する高分子電解質の包埋を行わない従来の電極触媒層の製造方法では、電極触媒層の形成時に、比表面積の大きい炭素粒子に高分子電解質が優先的に包埋されるため、触媒表面のプロトン伝導性が低くなり、反応活性点を増加させることはできない。   The present inventor can reduce the specific surface area of the carbon particles by embedding the carbon particles having a specific surface area larger than that of the catalyst substance with the first polymer electrolyte, thereby producing the second catalyst ink. In the process, the inventors have found that the proton conductivity on the catalyst surface can be increased and the reaction active points can be increased, and the present invention has been achieved. In the conventional method for producing an electrode catalyst layer without embedding the polymer electrolyte in the carbon particles, the polymer electrolyte is preferentially embedded in the carbon particles having a large specific surface area when the electrode catalyst layer is formed. The proton conductivity on the surface is lowered, and the reaction active site cannot be increased.

また、第1の触媒インクを乾燥させて炭素粒子を第1の高分子電解質で包埋する際に、乾燥後の炭素粒子と第1の高分子電解質との重量比を、インク組成の設定で制御することができる。炭素粒子と第1の高分子電解質との重量比は、1:0.1〜1:20の範囲内であることが好ましい。炭素粒子に対して、第1の高分子電解質の重量比が0.1に満たない場合にあっては、炭素粒子の比表面積を小さくすることが困難であることから、出力性能が向上しない場合がある。また、炭素粒子に対して、第1の高分子電解質の重量比が20を超える場合にあっては、触媒物質に対しては過剰な量の添加となり、反応活性点へのガス拡散性が阻害され、出力性能が向上しない場合がある。   Further, when the first catalyst ink is dried and the carbon particles are embedded with the first polymer electrolyte, the weight ratio of the dried carbon particles to the first polymer electrolyte is determined by setting the ink composition. Can be controlled. The weight ratio between the carbon particles and the first polymer electrolyte is preferably in the range of 1: 0.1 to 1:20. When the weight ratio of the first polymer electrolyte to the carbon particles is less than 0.1, it is difficult to reduce the specific surface area of the carbon particles, and the output performance is not improved. There is. Further, when the weight ratio of the first polymer electrolyte to the carbon particles exceeds 20, an excessive amount is added to the catalyst substance, and the gas diffusibility to the reaction active site is inhibited. Output performance may not be improved.

本発明者は、第2工程で乾燥処理された第1の触媒インクに触媒物質を添加して第2の触媒インクを作製する際に、第1の触媒インクの炭素粒子(第1の高分子電解質で包埋された炭素粒子)と添加された触媒物質とを無溶媒で混合した後、第2の触媒インクを作製することで、反応活性点を増加できることを見出し、本発明に至った。この工程を実施しない場合にあっては、炭素粒子と触媒物質の接触性が低く、反応活性点を増加せることが困難であることから、出力性能が向上しない場合がある。   The inventor adds a catalyst substance to the first catalyst ink dried in the second step to produce the second catalyst ink, and the carbon particles (first polymer) of the first catalyst ink. The present inventors have found that the reaction active points can be increased by mixing the carbon particles embedded in the electrolyte) and the added catalyst substance without solvent, and then preparing the second catalyst ink, thereby leading to the present invention. If this step is not performed, the output performance may not be improved because the contact between the carbon particles and the catalyst substance is low and it is difficult to increase the reaction active point.

また、上記の場合、無溶媒で混合させる工程の後に熱処理の工程を備えることが好ましい。この工程を実施しない場合にあっては、第2の触媒インクを作製する工程で、反応活性点が減少する場合がある。この熱処理の工程にあっては、温度が50℃以上180℃以下であることが好ましい。乾燥させる温度が50℃に満たない場合にあっては、第2の触媒インクを作製する工程で、炭素粒子を包埋する第1の高分子電解質が溶媒に溶解し、また、形成した反応活性点の減少によって出力性能が向上しない場合がある。また、乾燥させる温度が180℃を超える場合にあっても、炭素粒子を包埋する第1の高分子電解質のプロトン伝導性が低下し、出力性能が向上しない場合がある。   Moreover, in said case, it is preferable to provide the process of heat processing after the process of mixing without a solvent. If this step is not performed, the reaction active point may decrease in the step of producing the second catalyst ink. In this heat treatment step, the temperature is preferably 50 ° C. or higher and 180 ° C. or lower. When the drying temperature is less than 50 ° C., the first polymer electrolyte embedding the carbon particles is dissolved in the solvent in the step of producing the second catalyst ink, and the formed reaction activity The output performance may not improve due to the decrease in points. Even when the drying temperature exceeds 180 ° C., the proton conductivity of the first polymer electrolyte that embeds the carbon particles may decrease, and the output performance may not be improved.

本発明に係る触媒物質は、一般的に用いられているものを使用することができる。本発明において好ましくは、空気極における白金代替材料として固体高分子形燃料電池の正極として用いられる、タンタル、ニオブ、チタン、ジルコニウムから選択される、少なくとも一つの遷移金属元素を含む物質が使用できる。
また、より好ましくは、これら遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化した物質が使用できる。具体的には、タンタル炭窒化物(TaCN)を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化した物質(TaCNO)であり、その比表面積は、凡そ1m/g以上20m/g以下である。
As the catalyst material according to the present invention, those generally used can be used. In the present invention, a material containing at least one transition metal element selected from tantalum, niobium, titanium, and zirconium, which is used as a positive electrode of a polymer electrolyte fuel cell as a platinum substitute material in an air electrode, can be used.
More preferably, a material obtained by partially oxidizing these transition metal element carbonitrides in an atmosphere containing oxygen can be used. Specifically, it is a substance (TaCNO) obtained by partially oxidizing tantalum carbonitride (TaCN) in an oxygen-containing atmosphere, and its specific surface area is approximately 1 m 2 / g or more and 20 m 2 / g or less.

本発明者は、第1工程で第1の触媒インクを作製するに際して、過酸化物分解触媒として過酸化水素を接触分解する触媒能が電極触媒より高い過酸化物分解触媒を用い、且つ触媒物質または炭素粒子を包埋する第1の高分子電解質に過酸化物分解触媒を分散させることで、電極触媒の損傷が抑制され、耐久性が向上することを見出し、本発明に至った。
本発明の一実施形態で使用される過酸化物分解触媒としては、一般的に用いられているものを使用することができる。本発明において好ましくは、触媒物質よりも過酸化物を接触分解する触媒能を有する質が使用できる。
The present inventor uses a peroxide decomposition catalyst having a higher catalytic ability to catalytically decompose hydrogen peroxide as a peroxide decomposition catalyst than an electrode catalyst when producing the first catalyst ink in the first step, and a catalytic substance. Alternatively, the inventors have found that dispersing the peroxide decomposition catalyst in the first polymer electrolyte embedding the carbon particles suppresses the damage of the electrode catalyst and improves the durability, leading to the present invention.
As the peroxide decomposition catalyst used in one embodiment of the present invention, those generally used can be used. In the present invention, it is preferable to use a quality having catalytic ability to catalytically decompose a peroxide rather than a catalytic substance.

また、より好ましくは、遷移金属元素を含む物質で、セリウム、マンガン、タングステン、ジルコニウム、チタン、バナジウム、イットリウム、ランタン、ネオジム、ニッケル、コバルト、ルテニウム、クロム、モリブデン、鉄の少なくとも一つを含む物質が使用できる。
具体的には、遷移金属元素はセリウムであり、過酸化物分解作用が高く、また、難溶性の化合物であれば好適に用いることができる。セリウム化合物としては、例えば、炭酸セリウム(III)などを用いることができる。
More preferably, the substance contains a transition metal element, and contains at least one of cerium, manganese, tungsten, zirconium, titanium, vanadium, yttrium, lanthanum, neodymium, nickel, cobalt, ruthenium, chromium, molybdenum, and iron. Can be used.
Specifically, the transition metal element is cerium, which has a high peroxide decomposition action and can be suitably used as long as it is a poorly soluble compound. As the cerium compound, for example, cerium (III) carbonate can be used.

第2工程で第1の触媒インクの触媒物質と過酸化物分解触媒を第1の高分子電解質で包埋する場合は、乾燥後の触媒物質と過酸化物分解触媒との重量比を、インク組成の設定で制御することができる。触媒物質と過酸化物分解触媒との重量比は、1:0.002〜1:1.05の範囲内であることが好ましい。触媒物質に対して、過酸化物分解触媒の重量比が0.002に満たない場合にあっては、過酸化物を分解する効果が小さくなり、耐久性が向上しない場合がある。0.005以上とするとより好適である。また、触媒物質に対して、過酸化物分解触媒の重量比が1.05を超える場合にあっては、プロトン伝導性が低下し、出力性能が低下する場合がある。0.21以下とするとより好適である。   When embedding the catalyst material of the first catalyst ink and the peroxide decomposition catalyst in the second step with the first polymer electrolyte, the weight ratio of the catalyst material after drying and the peroxide decomposition catalyst is set to the ink ratio. It can be controlled by setting the composition. The weight ratio of the catalyst material to the peroxide decomposition catalyst is preferably in the range of 1: 0.002 to 1: 1.05. When the weight ratio of the peroxide decomposition catalyst to the catalyst substance is less than 0.002, the effect of decomposing the peroxide is reduced, and the durability may not be improved. A value of 0.005 or more is more preferable. In addition, when the weight ratio of the peroxide decomposition catalyst to the catalyst substance exceeds 1.05, proton conductivity may be reduced and output performance may be reduced. More preferably, it is 0.21 or less.

また、第2工程で第1の触媒インクの炭素粒子と過酸化物分解触媒を第1の高分子電解質で包埋する場合は、乾燥後の炭素粒子と過酸化物分解触媒との重量比を、インク組成の設定で制御することができる。炭素粒子と過酸化物分解触媒との重量比は、1:0.002〜1:2.6の範囲内であることが好ましい。炭素粒子に対して、過酸化物分解触媒の重量比が0.002に満たない場合にあっては、過酸化物を分解する効果が小さくなり、耐久性が向上しない場合がある。0.005以上とするとより好適である。また、炭素粒子に対して、過酸化物分解触媒の重量比が2.6を超える場合にあっては、プロトン伝導性が低下し、出力性能が低下する場合がある。0.6以下とするとより好適である。   In the second step, when the carbon particles and the peroxide decomposition catalyst of the first catalyst ink are embedded with the first polymer electrolyte, the weight ratio between the carbon particles after drying and the peroxide decomposition catalyst is set to It can be controlled by setting the ink composition. The weight ratio between the carbon particles and the peroxide decomposition catalyst is preferably in the range of 1: 0.002 to 1: 2.6. When the weight ratio of the peroxide decomposition catalyst to the carbon particles is less than 0.002, the effect of decomposing the peroxide is reduced, and the durability may not be improved. A value of 0.005 or more is more preferable. In addition, when the weight ratio of the peroxide decomposition catalyst to the carbon particles exceeds 2.6, proton conductivity may decrease and output performance may decrease. It is more preferable to set it to 0.6 or less.

以下、さらに詳細に本発明に係る膜電極接合体12および固体高分子形燃料電池11について説明する。
高分子電解質膜1としては、プロトン伝導性を有するものであればよく、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系高分子電解質膜を用いることができる。フッ素系高分子電解質膜としては、例えば、デュポン社製Nafion(登録商標)、旭硝子(株)製Flemion(登録商標)、旭化成(株)製Aciplex(登録商標)、ゴア社製Gore Select(登録商標)などを用いることができる。また、炭化水素系高分子電解質膜としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレンなどの電解質膜を用いることができる。中でも、高分子電解質膜としてデュポン社製Nafion(登録商標)系材料を好適に用いることができる。炭化水素系高分子電解質膜としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレンなどの電解質膜を用いることができる。特に、高分子電解質膜1として、デュポン社製Nafion(登録商標)系材料を好適に用いることができる。
Hereinafter, the membrane electrode assembly 12 and the polymer electrolyte fuel cell 11 according to the present invention will be described in more detail.
The polymer electrolyte membrane 1 only needs to have proton conductivity, and a fluorine polymer electrolyte membrane or a hydrocarbon polymer electrolyte membrane can be used. Examples of the fluorine-based polymer electrolyte membrane include Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., and Gore Select (registered trademark) manufactured by Gore. ) Etc. can be used. As the hydrocarbon polymer electrolyte membrane, electrolyte membranes such as sulfonated polyether ketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene can be used. Among these, a Nafion (registered trademark) material manufactured by DuPont can be suitably used as the polymer electrolyte membrane. As the hydrocarbon polymer electrolyte membrane, electrolyte membranes such as sulfonated polyether ketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene can be used. In particular, as the polymer electrolyte membrane 1, a Nafion (registered trademark) material manufactured by DuPont can be suitably used.

また、電極触媒層は、触媒インクを用いて高分子電解質膜の両面に形成される。触媒インクは、少なくとも高分子電解質および溶媒を含む。
上述の触媒インクに含まれる高分子電解質としては、プロトン伝導性を有するものであればよく、高分子電解質膜と同様の材料を用いることができ、フッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質を用いることができる。フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製Nafion(登録商標)系材料などを用いることができる。また、炭化水素系高分子電解質としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレンなどの電解質を用いることができる。特に、フッ素系高分子電解質として、デュポン社製Nafion(登録商標)系材料を好適に用いることができる。なお、電極触媒層と高分子電解質膜の密着性を考慮すると、高分子電解質膜1と同一の材料を用いることが好ましい。
The electrode catalyst layer is formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane using a catalyst ink. The catalyst ink includes at least a polymer electrolyte and a solvent.
The polymer electrolyte contained in the above-described catalyst ink is not particularly limited as long as it has proton conductivity, and the same material as the polymer electrolyte membrane can be used. Fluorine polymer electrolyte, hydrocarbon polymer electrolyte Can be used. As the fluorine-based polymer electrolyte, for example, a Nafion (registered trademark) material manufactured by DuPont can be used. As the hydrocarbon polymer electrolyte, electrolytes such as sulfonated polyether ketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene can be used. In particular, as a fluorine-based polymer electrolyte, a Nafion (registered trademark) material manufactured by DuPont can be suitably used. In consideration of the adhesion between the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane, the same material as that of the polymer electrolyte membrane 1 is preferably used.

また、本発明に係る高分子電解質には、触媒物質または炭素粒子を包埋する第1の高分子電解質と、第1の高分子電解質で包埋した触媒物質または炭素粒子と混合される第2の高分子電解質があるが、両者はともに同一の高分子電解質でもよく、また、異なる高分子電解質でもよい。
本発明に係る炭素粒子は、一般的にカーボン粒子が使用される。カーボン粒子の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒におかされないものであれば限定されるものではないが、カーボンブラックやグラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレンを用いることができる。カーボン粒子の粒径は、小さすぎると電子伝導パスが形成されにくくなり、また大きすぎると電極触媒層2および3のガス拡散性が低下したり、触媒の利用率が低下したりするので、10〜1000nm程度が好ましい。さらに好ましくは、10〜100nmがよい。
The polymer electrolyte according to the present invention includes a first polymer electrolyte embedded with a catalyst material or carbon particles, and a second polymer material mixed with the catalyst material or carbon particles embedded with the first polymer electrolyte. However, both may be the same polymer electrolyte or different polymer electrolytes.
Carbon particles are generally used as the carbon particles according to the present invention. The type of carbon particles is not limited as long as they are in the form of fine particles and have conductivity and are not affected by the catalyst, but carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotube, fullerene should be used. Can do. If the particle size of the carbon particles is too small, it becomes difficult to form an electron conduction path. If the particle size is too large, the gas diffusibility of the electrode catalyst layers 2 and 3 is reduced, and the utilization factor of the catalyst is reduced. About ~ 1000 nm is preferable. More preferably, 10-100 nm is good.

触媒インクの分散媒として使用される溶媒は、触媒物質担持粒子や高分子電解質を浸食することがなく、高分子電解質を流動性の高い状態で溶解または微細ゲルとして分散できるものあれば特に限定されるものではない。しかしながら、揮発性の有機溶媒が少なくとも含まれていることが望ましい。触媒インクの分散媒として使用される溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、1−プロパノ―ル、2−プロパノ―ル、1−ブタノ−ル、2−ブタノ−ル、イソブチルアルコール、tert−ブチルアルコール、ペンタノ−ルなどのアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ペンタノン、メチルイソブチルケトン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジイソブチルケトンなどのケトン系溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジブチルエーテルなどのエーテル系溶剤、その他ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジアセトンアルコール、1−メトキシ−2−プロパノールなどの極性溶剤などを用いることができる。また、上述の溶剤のうち二種以上を混合させたものを用いてもよい。   The solvent used as a dispersion medium for the catalyst ink is not particularly limited as long as it does not erode the catalyst substance-supporting particles and the polymer electrolyte, and can dissolve or disperse the polymer electrolyte in a highly fluid state as a fine gel. It is not something. However, it is desirable that at least a volatile organic solvent is contained. Examples of the solvent used as a dispersion medium for the catalyst ink include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, and tert-butyl alcohol. , Alcohols such as pentaanol, acetone, methyl ethyl ketone, pentanone, methyl isobutyl ketone, heptanone, cyclohexanone, methyl cyclohexanone, acetonyl acetone, diisobutyl ketone and other ketone solvents, tetrahydrofuran, dioxane, diethylene glycol dimethyl ether, anisole, methoxy toluene , Ether solvents such as dibutyl ether, other dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, ethylene glycol, diethylene glycol, diacetate Down alcohol, 1 such as a polar solvent such as methoxy-2-propanol can be used. Moreover, you may use what mixed 2 or more types among the above-mentioned solvents.

また、触媒インクの分散媒として使用される溶媒として、低級アルコールを用いたものは発火の危険性が高いため、低級アルコールを用いる場合は、水との混合溶媒にするのが好ましい。さらに、高分子電解質となじみがよい水が含まれていてもよい。水の添加量は、高分子電解質が分離して白濁を生じたり、ゲル化したりしない程度であれば特に制限されるものではない。   In addition, a solvent using a lower alcohol as a solvent used as a dispersion medium of the catalyst ink has a high risk of ignition. Therefore, when using a lower alcohol, it is preferable to use a mixed solvent with water. Furthermore, water that is compatible with the polymer electrolyte may be contained. The amount of water added is not particularly limited as long as the polymer electrolyte does not separate and cause white turbidity or gelation.

また、触媒インクの分散媒として使用される溶媒には、第1の触媒インクの溶媒と、第2の触媒インクの溶媒とがあるが、両者はともに同一の溶媒でもよく、また、異なる溶媒でもよい。
触媒物質担持粒子を分散させるために、触媒インクに分散剤が含まれていても良い。分散剤としては、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤などを挙げることができる。
The solvent used as the dispersion medium for the catalyst ink includes a solvent for the first catalyst ink and a solvent for the second catalyst ink. Both may be the same solvent or different solvents. Good.
In order to disperse the catalyst material-carrying particles, the catalyst ink may contain a dispersant. Examples of the dispersant include an anionic surfactant, a cationic surfactant, an amphoteric surfactant, and a nonionic surfactant.

上記アニオン界面活性剤としては、例えば、アルキルエーテルカルボン酸塩、エーテルカルボン酸塩、アルカノイルザルコシン、アルカノイルグルタミン酸塩、アシルグルタメート、オレイン酸・N−メチルタウリン、オレイン酸カリウム・ジエタノールアミン塩、アルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、特殊変成ポリエーテルエステル酸のアミン塩、高級脂肪酸誘導体のアミン塩、特殊変成ポリエステル酸のアミン塩、高分子量ポリエーテルエステル酸のアミン塩、特殊変成リン酸エステルのアミン塩、高分子量ポリエステル酸アミドアミン塩、特殊脂肪酸誘導体のアミドアミン塩、高級脂肪酸のアルキルアミン塩、高分子量ポリカルボン酸のアミドアミン塩、ラウリン酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウムなどのカルボン酸型界面活性剤、ジアルキルスルホサクシネート、スルホこはく酸ジアルキル塩、1,2−ビス(アルコキシカルボニル)−1−エタンスルホン酸塩、アルキルスルホネート、アルキルスルホン酸塩、パラフィンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホネート、直鎖アルキルベンゼンスルホネート、アルキルベンゼンスルホネート、ポリナフチルメタンスルホネート、ポリナフチルメタンスルホン酸塩、ナフタレンスルホネート−ホルマリン縮合物、アルキルナフタレンスルホネート、アルカノイルメチルタウリド、ラウリル硫酸エステルナトリウム塩、セチル硫酸エステルナトリウム塩、ステアリル硫酸エステルナトリウム塩、オレイル硫酸エステルナトリウム塩、ラウリルエーテル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホン酸塩などのスルホン酸型界面活性剤、アルキル硫酸エステル塩、硫酸アルキル塩、アルキルサルフェート、アルキルエーテルサルフェート、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート、アルキルポリエトキシ硫酸塩、ポリグリコールエーテルサルフェート、アルキルポリオキシエチレン硫酸塩、硫酸化油、高度硫酸化油などの硫酸エステル型界面活性剤、リン酸(モノまたはジ)アルキル塩、(モノまたはジ)アルキルホスフェート、(モノまたはジ)アルキルリン酸エステル塩、リン酸アルキルポリオキシエチレン塩、アルキルエーテルホスフェート、アルキルポリエトキシ・リン酸塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、リン酸アルキルフェニル・ポリオキシエチレン塩、アルキルフェニルエーテル・ホスフェート、アルキルフェニル・ポリエトキシ・リン酸塩、ポリオキシエチレン・アルキルフェニル・エーテルホスフェート、高級アルコールリン酸モノエステルジナトリウム塩、高級アルコールリン酸ジエステルジナトリウム塩、ジアルキルジチオリン酸亜鉛などのリン酸エステル型界面活性剤などが挙げられる。   Examples of the anionic surfactant include alkyl ether carboxylate, ether carboxylate, alkanoyl sarcosine, alkanoyl glutamate, acyl glutamate, oleic acid / N-methyl taurine, potassium oleate / diethanolamine salt, alkyl ether sulfate・ Triethanolamine salt, polyoxyethylene alkyl ether sulfate ・ Triethanolamine salt, amine salt of special modified polyether ester acid, amine salt of higher fatty acid derivative, amine salt of special modified polyester acid, high molecular weight polyether ester acid Amine salt, amine salt of specially modified phosphate ester, high molecular weight polyester acid amidoamine salt, amidoamine salt of special fatty acid derivative, alkylamine salt of higher fatty acid, high molecular weight polycarboxylic acid Amidoamine salts, carboxylic acid type surfactants such as sodium laurate, sodium stearate, sodium oleate, dialkyl sulfosuccinates, dialkyl salts of sulfosuccinic acid, 1,2-bis (alkoxycarbonyl) -1-ethanesulfonic acid Salt, alkyl sulfonate, alkyl sulfonate, paraffin sulfonate, α-olefin sulfonate, linear alkyl benzene sulfonate, alkyl benzene sulfonate, polynaphthyl methane sulfonate, polynaphthyl methane sulfonate, naphthalene sulfonate-formalin condensate, alkyl naphthalene sulfonate Alkanoyl methyl tauride, lauryl sulfate sodium salt, cetyl sulfate sodium salt, stearyl sulfate sodium salt, Sodium yl sulfate ester, lauryl ether sulfate ester, sodium alkylbenzene sulfonate, oil-soluble alkylbenzene sulfonate, α-olefin sulfonate and other surfactants, alkyl sulfate ester, alkyl sulfate, alkyl sulfate , Sulfate ether type surfactants such as alkyl ether sulfate, polyoxyethylene alkyl ether sulfate, alkyl polyethoxy sulfate, polyglycol ether sulfate, alkyl polyoxyethylene sulfate, sulfated oil, highly sulfated oil, phosphoric acid ( Mono- or di) alkyl salts, (mono- or di) alkyl phosphates, (mono- or di) alkyl phosphate esters, alkyl polyoxyethylene phosphates, alkyl ether phosphates, Kill polyethoxy phosphate, polyoxyethylene alkyl ether, alkylphenyl phosphate polyoxyethylene salt, alkylphenyl ether phosphate, alkylphenyl polyethoxy phosphate, polyoxyethylene alkylphenyl ether phosphate, high grade Examples thereof include phosphate type surfactants such as alcohol phosphate monoester disodium salt, higher alcohol phosphate disodium disodium salt, and zinc dialkyldithiophosphate.

上記カチオン界面活性剤としては、例えば、ベンジルジメチル{2−[2−(P−1,1,3,3−テトラメチルブチルフェノオキシ)エトキシ]エチル}アンモニウムクロライド、オクタデシルアミン酢酸塩、テトラデシルアミン酢酸塩、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、牛脂トリメチルアンモニウムクロライド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシトリメチルアンモニウムクロライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ベヘニルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシジメチルベンジルアンモニウムクロライド、テトラデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、オクタデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、ジオレイルジメチルアンモニウムクロライド、1−ヒドロキシエチル−2−牛脂イミダゾリン4級塩、2−ヘプタデセニルーヒドロキシエチルイミダゾリン、ステアラミドエチルジエチルアミン酢酸塩、ステアラミドエチルジエチルアミン塩酸塩、トリエタノールアミンモノステアレートギ酸塩、アルキルピリジウム塩、高級アルキルアミンエチレンオキサイド付加物、ポリアクリルアミドアミン塩、変成ポリアクリルアミドアミン塩、パーフルオロアルキル第4級アンモニウムヨウ化物などが挙げられる。   Examples of the cationic surfactant include benzyldimethyl {2- [2- (P-1,1,3,3-tetramethylbutylphenoxy) ethoxy] ethyl} ammonium chloride, octadecylamine acetate, tetradecylamine. Acetate, octadecyltrimethylammonium chloride, tallow trimethylammonium chloride, dodecyltrimethylammonium chloride, coconut trimethylammonium chloride, hexadecyltrimethylammonium chloride, behenyltrimethylammonium chloride, coconut dimethylbenzylammonium chloride, tetradecyldimethylbenzylammonium chloride, octadecyldimethylbenzyl Ammonium chloride, dioleyldimethylammonium chloride, 1-hydride Xyethyl-2-tallow imidazoline quaternary salt, 2-heptadecenyl-hydroxyethyl imidazoline, stearamide ethyl diethylamine acetate, stearamide ethyl diethylamine hydrochloride, triethanolamine monostearate formate, alkyl pyridium salt, higher alkyl Examples include amine ethylene oxide adducts, polyacrylamide amine salts, modified polyacrylamide amine salts, and perfluoroalkyl quaternary ammonium iodides.

上記両性界面活性剤としては、例えば、ジメチルヤシベタイン、ジメチルラウリルベタイン、ラウリルアミノエチルグリシンナトリウム、ラウリルアミノプロピオン酸ナトリウム、ステアリルジメチルベタイン、ラウリルジヒドロキシエチルベタイン、アミドベタイン、イミダゾリニウムベタイン、レシチン、3−[ω−フルオロアルカノイル−N−エチルアミノ]−1−プロパンスルホン酸ナトリウム、N−[3−(パーフルオロオクタンスルホンアミド)プロピル]−N,N−ジメチル−N−カルボキシメチレンアンモニウムベタインなどが挙げられる。   Examples of the amphoteric surfactant include dimethyl coconut betaine, dimethyl lauryl betaine, sodium laurylaminoethylglycine, sodium laurylaminopropionate, stearyl dimethyl betaine, lauryl dihydroxyethyl betaine, amide betaine, imidazolinium betaine, lecithin, 3 -[Ω-fluoroalkanoyl-N-ethylamino] -1-propanesulfonic acid sodium, N- [3- (perfluorooctanesulfonamido) propyl] -N, N-dimethyl-N-carboxymethyleneammonium betaine It is done.

上記非イオン界面活性剤としては、例えば、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、オレイン酸ジエタノールアミド(1:1型)、ヒドロキシエチルラウリルアミン、ポリエチレングリコールラウリルアミン、ポリエチレングリコールヤシアミン、ポリエチレングリコールステアリルアミン、ポリエチレングリコール牛脂アミン、ポリエチレングリコール牛脂プロピレンジアミン、ポリエチレングリコールジオレイルアミン、ジメチルラウリルアミンオキサイド、ジメチルステアリルアミンオキサイド、ジヒドロキシエチルラウリルアミンオキサイド、パーフルオロアルキルアミンオキサイド、ポリビニルピロリドン、高級アルコールエチレンオキサイド付加物、アルキルフェノールエチレンオキサイド付加物、脂肪酸エチレンオキサイド付加物、ポリプロピレングリコールエチレンオキサイド付加物、グリセリンの脂肪酸エステル、ペンタエリスリットの脂肪酸エステル、ソルビットの脂肪酸エステル、ソルビタンの脂肪酸エステル、砂糖の脂肪酸エステルなどが挙げられる。   Examples of the nonionic surfactant include coconut fatty acid diethanolamide (1: 2 type), coconut fatty acid diethanolamide (1: 1 type), bovine fatty acid diethanolamide (1: 2 type), and bovine fatty acid diethanolamide (1). : 1 type), oleic acid diethanolamide (1: 1 type), hydroxyethyl lauryl amine, polyethylene glycol lauryl amine, polyethylene glycol palm amine, polyethylene glycol stearyl amine, polyethylene glycol beef tallow amine, polyethylene glycol beef tallow propylene diamine, polyethylene glycol di Oleylamine, dimethyllaurylamine oxide, dimethylstearylamine oxide, dihydroxyethyllaurylamine oxide, perfluoroalkylamine oxide, poly Nylpyrrolidone, higher alcohol ethylene oxide adduct, alkylphenol ethylene oxide adduct, fatty acid ethylene oxide adduct, polypropylene glycol ethylene oxide adduct, fatty acid ester of glycerin, fatty acid ester of pentaerythritol, fatty acid ester of sorbit, fatty acid ester of sorbitan And fatty acid esters of sugar.

上記の界面活性剤の中でもアルキルベンゼンスルホン酸、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸、α−オレフィンスルホン酸、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホン酸塩などのスルホン酸型の界面活性剤は、カーボンの分散効果、分散剤の残存による触媒性能の変化などを考慮すると、分散剤として好適に用いることができる。   Among the above surfactants, sulfonic acid type surfactants such as alkylbenzene sulfonic acid, oil-soluble alkylbenzene sulfonic acid, α-olefin sulfonic acid, sodium alkylbenzene sulfonate, oil-soluble alkylbenzene sulfonate, α-olefin sulfonate, etc. Can be suitably used as a dispersant in consideration of the carbon dispersion effect, the change in catalyst performance due to the remaining of the dispersant, and the like.

また、触媒インクは必要に応じて分散処理が行われる。触媒インクの粘度と、粒子のサイズとを、触媒インクの分散処理の条件によって制御することができる。分散処理は、様々な装置を採用して行うことができる。特に、分散処理の方法は限定されるものではない。例えば、分散処理としては、ボールミルやロールミルによる処理、せん断ミルによる処理、湿式ミルによる処理、超音波分散処理などが挙げられる。また、遠心力で攪拌を行うホモジナイザーなどを採用してもよい。   Further, the catalyst ink is subjected to a dispersion treatment as necessary. The viscosity of the catalyst ink and the size of the particles can be controlled by the conditions for the dispersion treatment of the catalyst ink. Distributed processing can be performed using various apparatuses. In particular, the distributed processing method is not limited. For example, as the dispersion treatment, treatment with a ball mill or roll mill, treatment with a shear mill, treatment with a wet mill, ultrasonic dispersion treatment, and the like can be given. Moreover, you may employ | adopt the homogenizer etc. which stir with centrifugal force.

触媒インク中の固形分含有量は、多すぎると触媒インクの粘度が高くなるため、電極触媒層表面2,3にクラックが入りやすくなる。一方、触媒インク中の固形含有量が、少なすぎると成膜レートが非常に遅く、生産性が低下してしまう。したがって、触媒インク中の固形含有量は、1〜50質量%であることが好ましい。また、固形分は、触媒物質および炭素粒子と過酸化物分解触媒と高分子電解質からなるが、固形分のうち、炭素粒子の含有量を多くすると、同じ固形分含有量でも粘度は高くなる。一方、固定分のうち、炭素粒子の含有量を少なくすると、同じ固形分含有量でも粘度は低くなる。したがって、固形分に占める炭素粒子の割合は10〜80wt%が好ましい。また、触媒インクの粘度は、0.1〜500cP(0.0001〜0.5Pa・s)程度が好ましく、さらに好ましくは5〜100cP(0.005〜0.1Pa・s)がよい。また触媒インクの分散時に分散剤を添加することで、粘度の制御をすることもできる。   If the solid content in the catalyst ink is too large, the viscosity of the catalyst ink becomes high, so that the electrode catalyst layer surfaces 2 and 3 are likely to crack. On the other hand, if the solid content in the catalyst ink is too small, the film formation rate is very slow and the productivity is lowered. Therefore, the solid content in the catalyst ink is preferably 1 to 50% by mass. Moreover, although solid content consists of a catalyst substance, a carbon particle, a peroxide decomposition catalyst, and a polymer electrolyte, if content of carbon particle is increased among solid content, even if it is the same solid content content, a viscosity will become high. On the other hand, when the content of carbon particles in the fixed portion is reduced, the viscosity is lowered even with the same solid content. Therefore, the proportion of carbon particles in the solid content is preferably 10 to 80 wt%. The viscosity of the catalyst ink is preferably about 0.1 to 500 cP (0.0001 to 0.5 Pa · s), more preferably 5 to 100 cP (0.005 to 0.1 Pa · s). Further, the viscosity can be controlled by adding a dispersing agent when the catalyst ink is dispersed.

また、触媒インクに造孔剤が含まれていてもよい。造孔剤は、電極触媒層の形成後に除去することで、細孔を形成することができる。酸やアルカリ、水に溶ける物質や、ショウノウなどの昇華する物質、熱分解する物質などを挙げることができる。造孔剤が、温水で溶ける物質であれば、発電時に発生する水で取り除いてよい。
酸やアルカリ、水に溶ける造孔剤としては、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、酸化マグネシウムなどの酸可溶性無機塩類、アルミナ、シリカゲル、シリカゾルなどのアルカリ水溶液に可溶性の無機塩類、アルミニウム、亜鉛、スズ、ニッケル、鉄などの酸またはアルカリに可溶性の金属類、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化アンモニウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、リン酸一ナトリウムなどの水溶性無機塩類、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールなどの水溶性有機化合物類などが挙げられる。また、上記造孔剤は1種単独であるいは2種以上を組み合わせて用いてもよいが、2種以上を組み合わせて用いることが好ましい。
Further, the catalyst ink may contain a pore forming agent. By removing the pore-forming agent after the formation of the electrode catalyst layer, pores can be formed. Examples include substances that are soluble in acids, alkalis, and water, substances that sublime such as camphor, and substances that thermally decompose. If the pore-forming agent is a substance that is soluble in warm water, it may be removed with water generated during power generation.
Examples of pore-forming agents that are soluble in acids, alkalis, and water include acid-soluble inorganic salts such as calcium carbonate, barium carbonate, magnesium carbonate, magnesium sulfate, and magnesium oxide, inorganic salts soluble in alkaline aqueous solutions such as alumina, silica gel, and silica sol, aluminum Metals soluble in acids or alkalis such as zinc, tin, nickel and iron, water-soluble inorganic salts such as sodium chloride, potassium chloride, ammonium chloride, sodium carbonate, sodium sulfate and monosodium phosphate, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol And water-soluble organic compounds such as Moreover, although the said pore making agent may be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types, it is preferable to use in combination of 2 or more types.

本発明の電極触媒層の製造方法において、第1の高分子電解質で包埋した触媒物質または炭素粒子は、触媒物質または炭素粒子と、第1の高分子電解質を溶媒に分散させた第1の触媒インクを転写シートに塗布し、乾燥させることで得られる。または、乾燥雰囲気中にスプレーすることでも高分子電解質で包埋した触媒物質または炭素粒子が直接得られる。   In the method for producing an electrode catalyst layer according to the present invention, the catalyst material or carbon particles embedded with the first polymer electrolyte is a first material in which the catalyst material or carbon particles and the first polymer electrolyte are dispersed in a solvent. It is obtained by applying a catalyst ink to a transfer sheet and drying it. Alternatively, the catalyst material or carbon particles embedded in the polymer electrolyte can be directly obtained by spraying in a dry atmosphere.

本発明の電極触媒層の製造方法において、第1の高分子電解質で包埋した触媒物質および炭素粒子と、第2の高分子電解質とを第2の溶媒に分散させた第2の触媒インク、または第1の高分子電解質で包埋した炭素粒子および触媒物質と、第2の高分子電解質とを第2の溶媒に分散させた第2の触媒インクから電極触媒層を作製する工程にあっては、触媒インクは基材上に塗布され、乾燥工程を経て電極触媒層が形成される。基材として、ガス拡散層もしくは転写シートを用いた場合には、接合工程によって高分子電解質膜の両面に電極触媒層は接合される。また、本発明の膜電極接合体にあっては、基材として高分子電解質膜を用い、高分子電解質膜の両面に直接触媒インクを塗布し、高分子電解質膜両面に直接電極触媒層を形成することもできる。   In the method for producing an electrode catalyst layer of the present invention, a second catalyst ink in which a catalyst material and carbon particles embedded with a first polymer electrolyte and a second polymer electrolyte are dispersed in a second solvent, Or a step of producing an electrode catalyst layer from a second catalyst ink in which carbon particles and a catalyst substance embedded with a first polymer electrolyte and a second polymer electrolyte are dispersed in a second solvent. In this case, the catalyst ink is applied onto a substrate, and an electrode catalyst layer is formed through a drying process. When a gas diffusion layer or a transfer sheet is used as the substrate, the electrode catalyst layers are bonded to both surfaces of the polymer electrolyte membrane by a bonding process. In the membrane / electrode assembly of the present invention, a polymer electrolyte membrane is used as a base material, a catalyst ink is directly applied to both sides of the polymer electrolyte membrane, and an electrode catalyst layer is directly formed on both sides of the polymer electrolyte membrane. You can also

このとき、触媒インクを基材上に塗布する、塗布方法としては、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法、スプレー法などを採用することができる。例えば、加圧スプレー法、超音波スプレー法、静電噴霧法などのスプレー法は、塗工された触媒インクを乾燥させる際に凝集が起こりにくく、均質で空孔率の高い触媒層が得ることができるため、好ましい。
電極触媒層の製造における基材としては、ガス拡散層、転写シートもしくは高分子電解質膜を用いることができる。
At this time, a doctor blade method, a dipping method, a screen printing method, a roll coating method, a spray method, or the like can be adopted as a coating method for coating the catalyst ink on the substrate. For example, spraying methods such as pressure spraying, ultrasonic spraying, and electrostatic spraying are not likely to agglomerate when the coated catalyst ink is dried, resulting in a homogeneous and highly porous catalyst layer. Is preferable.
As a substrate in the production of the electrode catalyst layer, a gas diffusion layer, a transfer sheet, or a polymer electrolyte membrane can be used.

基材として用いられる転写シートとしては、転写性がよい材質であればよく、例えば、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素系樹脂を用いることができる。また、ポリイミド、ポリエチレンテレフタラート、ポリアミド(ナイロン)、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル・エーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレートなどの高分子シート、高分子フィルムを転写シートとして用いることができる。また、基材として転写シートを用いた場合には、高分子電解質膜1に電極触媒層を接合した後に転写シートを剥離し、高分子電解質膜1の両面に電極触媒層を備える膜電極接合体12とすることができる。   The transfer sheet used as the substrate may be any material having good transferability. For example, ethylene tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoropar A fluororesin such as a fluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA) or polytetrafluoroethylene (PTFE) can be used. In addition, polyimide, polyethylene terephthalate, polyamide (nylon), polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyetherimide, polyarylate, polyethylene naphthalate, polymer sheets and polymer films are transferred. It can be used as a sheet. When a transfer sheet is used as the substrate, the electrode sheet is peeled after the electrode catalyst layer is bonded to the polymer electrolyte membrane 1, and the membrane electrode assembly is provided with electrode catalyst layers on both sides of the polymer electrolyte membrane 1. Twelve.

ガス拡散層としては、ガス拡散性と導電性とを有する材質を用いることができる。例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー、不織布などのポーラスカーボン材を用いることができる。また、ガス拡散層は、触媒インクを塗布する基材として用いることもできる。ガス拡散層を、触媒インクを塗布する基材として用いたとき、電極触媒層を高分子電解質膜に接合した後に、ガス拡散層である基材を剥離する必要は無い。   As the gas diffusion layer, a material having gas diffusibility and conductivity can be used. For example, porous carbon materials such as carbon cloth, carbon paper, and nonwoven fabric can be used. The gas diffusion layer can also be used as a substrate on which the catalyst ink is applied. When the gas diffusion layer is used as a substrate on which the catalyst ink is applied, it is not necessary to peel off the substrate that is the gas diffusion layer after the electrode catalyst layer is bonded to the polymer electrolyte membrane.

ガス拡散層を、触媒インクを塗布する基材として用いる場合には、触媒インクをガス拡散層に塗布する前に、予め、ガス拡散層上に目処め層を形成してもよい。目処め層は、触媒インクがガス拡散層の中に染み込むことを防止する層であり、触媒インクの塗布量が少ない場合でも目処め層上に堆積して三相界面を形成する。目処め層は、例えば、フッ素系樹脂溶液にカーボン粒子を分散させ、フッ素系樹脂の融点以上の温度で焼結させることにより形成することができる。フッ素系樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などが利用できる。   When the gas diffusion layer is used as a substrate on which the catalyst ink is applied, an eye layer may be formed on the gas diffusion layer in advance before the catalyst ink is applied to the gas diffusion layer. The mesh layer is a layer that prevents the catalyst ink from permeating into the gas diffusion layer, and deposits on the mesh layer to form a three-phase interface even when the coating amount of the catalyst ink is small. The filler layer can be formed, for example, by dispersing carbon particles in a fluorine resin solution and sintering at a temperature equal to or higher than the melting point of the fluorine resin. As the fluororesin, polytetrafluoroethylene (PTFE) or the like can be used.

セパレーターとしては、カーボンタイプあるいは金属タイプのものなどを用いることができる。なお、ガス拡散層とセパレーターは一体構造となっていてもよい。また、セパレーターもしくは電極触媒層が、ガス拡散層の機能を果たす場合は、ガス拡散層は省略してもよい。固体高分子形燃料電池11は、ガス供給装置、冷却装置など、その他付随する装置を組み立てることにより製造することができる。
本発明における固体高分子形燃料電池用電極触媒層の製造方法について、以下に具体的な実施例および比較例を挙げて説明するが、本発明は下記実施例によって制限されるものではない。
As the separator, a carbon type or a metal type can be used. Note that the gas diffusion layer and the separator may have an integral structure. When the separator or the electrode catalyst layer functions as a gas diffusion layer, the gas diffusion layer may be omitted. The polymer electrolyte fuel cell 11 can be manufactured by assembling other accompanying devices such as a gas supply device and a cooling device.
The method for producing an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described below with reference to specific examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.

〔第1の触媒インクの調製〕
触媒物質(TaCNO、比表面積12m/g)と過酸化物分解触媒(炭酸セリウム(III))と、20質量%高分子電解質溶液(商品名:Nafion(登録商標)、デュポン社製)を溶媒中で混合し、ボールミルで分散処理を行った。ボールミルのポット、ボールにはジルコニア製のものを用いた。触媒インクの組成比は、触媒物質と過酸化物分解触媒と高分子電解質の質量比で1:0.05:0.25とした。溶媒は超純水、1−プロパノ−ルを体積比で1:1とし、固形分含有量は14質量%とした。PTFEシートを第1の触媒インクの乾燥用の基材として使用した。
[Preparation of first catalyst ink]
Catalyst substance (TaCNO, specific surface area 12 m 2 / g), peroxide decomposition catalyst (cerium (III) carbonate), and 20% by mass polymer electrolyte solution (trade name: Nafion (registered trademark), manufactured by DuPont) The mixture was mixed and dispersed with a ball mill. Ball mill pots and balls made of zirconia were used. The composition ratio of the catalyst ink was 1: 0.05: 0.25 in terms of the mass ratio of the catalyst substance, the peroxide decomposition catalyst, and the polymer electrolyte. The solvent was ultrapure water, 1-propanol in a volume ratio of 1: 1, and the solid content was 14% by mass. A PTFE sheet was used as a substrate for drying the first catalyst ink.

〔高分子電解質で包埋した触媒物質と過酸化物分解触媒の形成方法〕
ドクターブレードにより、第1の触媒インクを基材上に塗布し、そして大気雰囲気中80℃で5分間乾燥させた。その後、高分子電解質で包埋した触媒物質と過酸化物分解触媒を基材上から回収した。
[Method of forming catalyst material and peroxide decomposition catalyst embedded in polymer electrolyte]
The first catalyst ink was applied onto the substrate by a doctor blade and dried at 80 ° C. for 5 minutes in an air atmosphere. Thereafter, the catalyst material embedded in the polymer electrolyte and the peroxide decomposition catalyst were recovered from the substrate.

〔高分子電解質で包埋した触媒物質と過酸化物分解触媒と、炭素粒子との混合および熱処理〕
高分子電解質で包埋した触媒物質と過酸化物分解触媒と、炭素粒子(Ketjen Black、商品名:EC−300J、ライオン社製、比表面積800m/g)をボールミルにて無溶媒で混合した。ボールミルのポット、ボールにはジルコニア製のものを用いた。高分子電解質で包埋した触媒物質と過酸化物分解触媒と、炭素粒子の組成比は、質量比で1:0.05:1とした。
[Mixing and heat treatment of catalyst material embedded in polymer electrolyte, peroxide decomposition catalyst, and carbon particles]
A catalyst material embedded in a polymer electrolyte, a peroxide decomposition catalyst, and carbon particles (Ketjen Black, trade name: EC-300J, manufactured by Lion Corporation, specific surface area 800 m 2 / g) were mixed in a ball mill without solvent. . Ball mill pots and balls made of zirconia were used. The composition ratio of the catalyst material embedded in the polymer electrolyte, the peroxide decomposition catalyst, and the carbon particles was 1: 0.05: 1 by mass ratio.

〔第2の触媒インクの調製〕
高分子電解質で包埋した触媒物質と過酸化物分解触媒と、炭素粒子の混合物に熱処理を加えたものと、20質量%高分子電解質溶液を溶媒中で混合し、ボールミルで分散処理を行った。ボールミルのポット、ボールにはジルコニア製のものを用いた。触媒インクの組成比は、触媒物質および過酸化物分解触媒と、炭素粒子、高分子電解質の質量比が1:0.05:1:0.8としたものを第2の触媒インクとした。溶媒は超純水、1−プロパノ−ルを体積比で1:1とし、固形分含有量は14質量%とした。PTFEシートを転写シートとして使用した。
[Preparation of second catalyst ink]
A catalyst material embedded in a polymer electrolyte, a peroxide decomposition catalyst, a mixture of carbon particles and a heat treatment, and a 20% by mass polymer electrolyte solution were mixed in a solvent, and dispersed by a ball mill. . Ball mill pots and balls made of zirconia were used. The composition ratio of the catalyst ink was such that the mass ratio of the catalyst substance and peroxide decomposition catalyst, the carbon particles, and the polymer electrolyte was 1: 0.05: 1: 0.8 was used as the second catalyst ink. The solvent was ultrapure water, 1-propanol in a volume ratio of 1: 1, and the solid content was 14% by mass. A PTFE sheet was used as a transfer sheet.

〔電極触媒層の形成方法〕
ドクターブレードにより、第2の触媒インクを転写シートに塗布し、そして大気雰囲気中80℃で5分間乾燥させた。電極触媒層の厚さは、触媒物質担持量が0.4mg/cmになるように調節し、空気極側の電極触媒層2を形成した。
[Method for forming electrode catalyst layer]
The second catalyst ink was applied to the transfer sheet with a doctor blade, and dried at 80 ° C. for 5 minutes in an air atmosphere. The thickness of the electrode catalyst layer was adjusted so that the amount of the catalyst substance supported was 0.4 mg / cm 2, and the electrode catalyst layer 2 on the air electrode side was formed.

〔第1の触媒インクの調製〕
炭素粒子(Ketjen Black、商品名:EC−300J、ライオン社製、比表面積800m/g)と過酸化物分解触媒(炭酸セリウム(III))と、20質量%高分子電解質溶液(ナフィオン:登録商標、デュポン社製)を溶媒中で混合し、ボールミルで分散処理を行った。ボールミルのポット、ボールにはジルコニア製のものを用いた。触媒インクの組成比は、炭素粒子と過酸化物分解触媒と高分子電解質の質量比で1:0.05:0.5とした。溶媒は超純水、1−プロパノ−ルを体積比で1:1とし、固形分含有量は14質量%とした。PTFEシートを第1の触媒インクの乾燥用の基材として使用した。
[Preparation of first catalyst ink]
Carbon particles (Ketjen Black, trade name: EC-300J, manufactured by Lion, specific surface area 800 m 2 / g), peroxide decomposition catalyst (cerium (III) carbonate), and 20% by mass polymer electrolyte solution (Nafion: registered) (Trademark, manufactured by DuPont) was mixed in a solvent, and dispersed with a ball mill. Ball mill pots and balls made of zirconia were used. The composition ratio of the catalyst ink was 1: 0.05: 0.5 in terms of the mass ratio of carbon particles, peroxide decomposition catalyst, and polymer electrolyte. The solvent was ultrapure water, 1-propanol in a volume ratio of 1: 1, and the solid content was 14% by mass. A PTFE sheet was used as a substrate for drying the first catalyst ink.

〔高分子電解質で包埋した炭素粒子と過酸化物分解触媒の形成方法〕
ドクターブレードにより、第1の触媒インクを基材上に塗布し、そして大気雰囲気中80℃で5分間乾燥させた。その後、高分子電解質で包埋した炭素粒子と過酸化物分解触媒を基材上から回収した。
[Method of forming carbon particles embedded in polymer electrolyte and peroxide decomposition catalyst]
The first catalyst ink was applied onto the substrate by a doctor blade and dried at 80 ° C. for 5 minutes in an air atmosphere. Thereafter, the carbon particles embedded in the polymer electrolyte and the peroxide decomposition catalyst were recovered from the substrate.

〔高分子電解質で包埋した炭素粒子と過酸化物分解触媒と、触媒物質との混合および熱処理〕
高分子電解質で包埋した炭素粒子と過酸化物分解触媒と、触媒物質(TaCNO、比表面積12m/g)をボールミルにて無溶媒で混合した。ボールミルのポット、ボールにはジルコニア製のものを用いた。炭素粒子と過酸化物分解触媒と、触媒物質の組成比は、質量比で1:0.05:1とした。
[Mixing and heat treatment of carbon particles embedded in polymer electrolyte, peroxide decomposition catalyst, and catalyst material]
Carbon particles embedded with a polymer electrolyte, a peroxide decomposition catalyst, and a catalyst material (TaCNO, specific surface area 12 m 2 / g) were mixed in a ball mill without solvent. Ball mill pots and balls made of zirconia were used. The composition ratio of the carbon particles, the peroxide decomposition catalyst, and the catalyst material was 1: 0.05: 1 by mass ratio.

〔第2の触媒インクの調製〕
高分子電解質で包埋した炭素粒子と過酸化物分解触媒と、触媒物質の混合物に熱処理を加えたものと、20質量%高分子電解質溶液を溶媒中で混合し、ボールミルで分散処理を行った。ボールミルのポット、ボールにはジルコニア製のものを用いた。触媒インクの組成比は、触媒物質および過酸化物分解触媒と、炭素粒子、高分子電解質の質量比が1:0.05:1:0.8としたものを第2の触媒インクとした。溶媒は超純水、1−プロパノ−ルを体積比で1:1とし、固形分含有量は14質量%とした。PTFEシートを転写シートとして使用した。
[Preparation of second catalyst ink]
A mixture of carbon particles embedded in a polymer electrolyte, a peroxide decomposition catalyst, and a catalyst material, and heat treatment, and a 20% by mass polymer electrolyte solution were mixed in a solvent, and dispersion treatment was performed using a ball mill. . Ball mill pots and balls made of zirconia were used. The composition ratio of the catalyst ink was such that the mass ratio of the catalyst substance and peroxide decomposition catalyst, the carbon particles, and the polymer electrolyte was 1: 0.05: 1: 0.8 was used as the second catalyst ink. The solvent was ultrapure water, 1-propanol in a volume ratio of 1: 1, and the solid content was 14% by mass. A PTFE sheet was used as a transfer sheet.

〔電極触媒層の形成方法〕
ドクターブレードにより、第2の触媒インクを転写シートに塗布し、そして大気雰囲気中80℃で5分間乾燥させた。電極触媒層の厚さは、触媒物質担持量が0.4mg/cmになるように調節し、空気極側の電極触媒層2を形成した。
[Method for forming electrode catalyst layer]
The second catalyst ink was applied to the transfer sheet with a doctor blade, and dried at 80 ° C. for 5 minutes in an air atmosphere. The thickness of the electrode catalyst layer was adjusted so that the amount of the catalyst substance supported was 0.4 mg / cm 2, and the electrode catalyst layer 2 on the air electrode side was formed.

比較例Comparative example

〔触媒インクの調製〕
触媒物質と炭素粒子および20質量%高分子電解質溶液を溶媒中で混合し、ボールミルで分散処理を行った。ボールミルのポット、ボールにはジルコニア製のものを用いた。触媒インクの組成比は、触媒物質と炭素粒子および高分子電解質の質量比が1:1:0.8としたものを触媒インクとした。溶媒は超純水、1−プロパノ−ルを体積比で1:1とした。また、固形分含有量は14質量%とした。基材には、実施例1および実施例2と同じ転写シートを使用した。
[Preparation of catalyst ink]
The catalyst material, carbon particles, and a 20% by mass polymer electrolyte solution were mixed in a solvent and subjected to dispersion treatment with a ball mill. Ball mill pots and balls made of zirconia were used. The composition ratio of the catalyst ink was such that the mass ratio of the catalyst substance, the carbon particles, and the polymer electrolyte was 1: 1: 0.8. The solvent used was ultrapure water and 1-propanol in a volume ratio of 1: 1. The solid content was 14% by mass. As the substrate, the same transfer sheet as in Example 1 and Example 2 was used.

〔電極触媒層の作製方法〕
実施例1および実施例2と同様の手法で、転写シートに触媒インクを塗布し、乾燥させた。電極触媒層の厚さは触媒物質担持量が0.4mg/cmになるように調節し、空気極側の電極触媒層2を形成した。
[Method for producing electrode catalyst layer]
In the same manner as in Example 1 and Example 2, the catalyst ink was applied to the transfer sheet and dried. The thickness of the electrode catalyst layer was adjusted so that the amount of the catalyst substance supported was 0.4 mg / cm 2, and the electrode catalyst layer 2 on the air electrode side was formed.

〔燃料極用電極触媒層の作製〕
白金担持量が50質量%である白金担持カーボン触媒(商品名:TEC10E50E、田中貴金属工業製)と、20質量%高分子電解質溶液を溶媒中で混合し、ボールミルで分散処理をおこなった。分散時間を60分間としたものを触媒インクとした。触媒インクの組成比は、白金担持カーボン中のカーボンと、高分子電解質は質量比で1:1とし、溶媒は超純水、1−プロパノ−ルを体積比で1:1とした。また、固形分含有量は10質量%とした。電極触媒層2と同様の手法で、基材に触媒インクを塗布し、乾燥させた。電極触媒層の厚さは触媒物質担持量が0.3mg/cmになるように調節し、燃料極側の電極触媒層3を形成した。
[Preparation of electrode catalyst layer for fuel electrode]
A platinum-supported carbon catalyst (trade name: TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) having a platinum-supporting amount of 50% by mass and a 20% by mass polymer electrolyte solution were mixed in a solvent and subjected to dispersion treatment with a ball mill. A catalyst ink having a dispersion time of 60 minutes was used. The composition ratio of the catalyst ink was 1: 1 in the mass ratio of carbon in the platinum-supported carbon and the polymer electrolyte, and the solvent was ultrapure water and 1-propanol in a volume ratio of 1: 1. The solid content was 10% by mass. In the same manner as in the electrode catalyst layer 2, the catalyst ink was applied to the substrate and dried. The thickness of the electrode catalyst layer was adjusted so that the amount of catalyst material supported was 0.3 mg / cm 2, and the electrode catalyst layer 3 on the fuel electrode side was formed.

(膜電極接合体の作製)
実施例1、実施例2および比較例において作製した空気極側電極触媒層2が形成された基材と、燃料極側電極触媒層3を形成された基材を5cmの正方形に打ち抜き、高分子電解質膜(商品名:Nafion(登録商標名)、デュポン社製)の両面に対面するように転写シートを配置し、130℃、10分間の条件でホットプレスを行い、膜電極接合体12を得た。得られた膜電極接合体12の両面に、ガス拡散層として目処め層が形成されたカーボンペーパー4、5を配置し、更に、一対のセパレーター10で挟持し、単セルの固体高分子形燃料電池を作製した。
(Production of membrane electrode assembly)
The base material on which the air electrode side electrode catalyst layer 2 and the base material on which the fuel electrode side electrode catalyst layer 3 formed in Example 1, Example 2 and Comparative Example were formed were punched into a square of 5 cm 2. A transfer sheet is placed so as to face both surfaces of a molecular electrolyte membrane (trade name: Nafion (registered trademark), manufactured by DuPont), and hot pressing is performed at 130 ° C. for 10 minutes to form a membrane electrode assembly 12. Obtained. Carbon papers 4 and 5 each having a sealing layer formed as a gas diffusion layer are disposed on both surfaces of the membrane electrode assembly 12 thus obtained, and are further sandwiched between a pair of separators 10 to provide a single cell solid polymer fuel. A battery was produced.

(評価)
〔評価条件〕
燃料電池測定装置を用いて、セル温度80℃で、アノードおよびカソードともに100%RHの条件で発電特性評価を行った。燃料ガスとして純水素、酸化剤ガスとして純酸素を用い、流量一定による流量制御を行った。
(Evaluation)
[Evaluation conditions]
Using a fuel cell measurement device, power generation characteristics were evaluated at a cell temperature of 80 ° C. and under conditions of 100% RH for both the anode and the cathode. Using pure hydrogen as the fuel gas and pure oxygen as the oxidant gas, the flow rate was controlled at a constant flow rate.

(測定結果)
実施例1、実施例2で作製した膜電極接合体は、比較例で作製した膜電極接合体よりも優れた発電性能を示した。特に0.6V付近の発電性能が向上し、実施例1は比較例と比べて約1.9倍、実施例2は比較例と比べて約2.0倍の発電性能を示した。これは、実施例1では、触媒物質を高分子電解質で包埋することで触媒表面のプロトン伝導性が高められ、反応活性点が増加したためと推察した。また、実施例2では、炭素粒子の比表面積が調整されることで触媒表面のプロトン伝導性も高められ、反応活性点が増加したためと推察した。これに対して、比較例では、触媒物質と炭素粒子および高分子電解質を一段階で溶媒中に分散させるため、触媒物質よりも比表面積の大きい炭素粒子に対して高分子電解質が優先的に吸着したことで、触媒物質の表面では十分なプロトン伝導性が確保されなかったためと推察した。
(Measurement result)
The membrane electrode assemblies produced in Example 1 and Example 2 showed power generation performance superior to the membrane electrode assemblies produced in Comparative Examples. In particular, the power generation performance in the vicinity of 0.6 V was improved. Example 1 showed power generation performance of about 1.9 times that of the comparative example, and Example 2 showed power generation performance of about 2.0 times that of the comparative example. This is presumed that in Example 1, the proton conductivity on the surface of the catalyst was increased by embedding the catalyst material with the polymer electrolyte, and the reaction active points increased. In Example 2, it was presumed that the proton conductivity on the catalyst surface was increased by adjusting the specific surface area of the carbon particles, and the reaction active points were increased. In contrast, in the comparative example, the catalyst material, the carbon particles, and the polymer electrolyte are dispersed in the solvent in one step, so that the polymer electrolyte is preferentially adsorbed on the carbon particles having a larger specific surface area than the catalyst material. As a result, it was assumed that sufficient proton conductivity was not ensured on the surface of the catalyst material.

また、実施例1、実施例2で作製した膜電極接合体は、比較例で作製した膜電極接合体よりも優れた耐久性を示した。0.1mA/cmで100時間の運転評価を行った結果、実施例1と実施例2のセル電圧は変化がないのに対し、比較例のセル電圧は54mV低下した。実施例1、実施例2では、反応で生成した過酸化水素は過酸化物分解触媒によって分解され、電極触媒は損傷を受けなかったと推察した。これに対して、比較例では、反応で生成した過酸化水素によって電極触媒が損傷を受け、電池性能が低下したと推察した。 Moreover, the membrane electrode assembly produced in Example 1 and Example 2 showed durability superior to the membrane electrode assembly produced in the comparative example. As a result of performing the operation evaluation for 100 hours at 0.1 mA / cm 2 , the cell voltage of Example 1 and Example 2 did not change, whereas the cell voltage of the comparative example decreased by 54 mV. In Example 1 and Example 2, it was assumed that the hydrogen peroxide produced by the reaction was decomposed by the peroxide decomposition catalyst, and the electrode catalyst was not damaged. On the other hand, in the comparative example, it was guessed that the electrode catalyst was damaged by the hydrogen peroxide generated by the reaction, and the battery performance was lowered.

本発明は、高分子電解質および触媒物質と炭素粒子と過酸化物分解触媒を備える電極触媒層の製造方法であって、炭素粒子よりも小さい比表面積の触媒物質に対して高分子電解質を包埋する工程を備えることを特徴とするものである。触媒表面のプロトン伝導性を高めることで反応活性点を増加させ、出力性能の向上した固体高分子形燃料電池を提供することができる。   The present invention relates to a method for producing a polymer electrolyte and an electrode catalyst layer comprising a catalyst substance, carbon particles, and a peroxide decomposition catalyst, wherein the polymer electrolyte is embedded in a catalyst substance having a specific surface area smaller than that of the carbon particles. It is characterized by including the process to perform. By increasing the proton conductivity on the catalyst surface, the reaction active point can be increased, and a polymer electrolyte fuel cell with improved output performance can be provided.

また、本発明は、高分子電解質および触媒物質と炭素粒子と過酸化物分解触媒を備える電極触媒層の製造方法であって、触媒物質よりも大きい比表面積の炭素粒子に対して高分子電解質を包埋する工程を備えることを特徴とするものである。炭素粒子の比表面積を小さくする処理を行うことで、電極触媒層の形成時に触媒表面のプロトン伝導性も高められる。その結果、反応活性点が増加し、出力性能の向上した電極触媒層の製造方法および電極触媒層並びに膜電極接合体、固体高分子形燃料電池を提供することができる。   The present invention also relates to a method for producing a polymer electrolyte and an electrode catalyst layer comprising a catalyst substance, carbon particles, and a peroxide decomposition catalyst, wherein the polymer electrolyte is applied to carbon particles having a specific surface area larger than that of the catalyst substance. The method includes a step of embedding. By performing the treatment for reducing the specific surface area of the carbon particles, the proton conductivity on the catalyst surface can be increased when the electrode catalyst layer is formed. As a result, it is possible to provide a method for producing an electrode catalyst layer, an electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell with increased reaction active points and improved output performance.

また、本発明は、高分子電解質および触媒物質と炭素粒子と過酸化物分解触媒を備える電極触媒層の製造方法であって、過酸化物分解触媒を触媒物質近傍に分散させ、触媒物質よりも過酸化物を接触分解する触媒能にすることで、過酸化水素および過酸化水素ラジカルを効果的に分解することができる。その結果、電極触媒の損傷を抑制することができ、耐久性の向上した電極触媒層の製造方法および電極触媒層並びに膜電極接合体、固体高分子形燃料電池を提供することができる。
触媒物質に酸化物系非白金触媒を使用した電極触媒層において、従来の製造方法よりも触媒物質の潜在能力を引き出し、耐久性を向上させることができるという顕著な効果を奏するので、産業上の利用価値が高い。
The present invention also relates to a method for producing an electrode catalyst layer comprising a polymer electrolyte, a catalyst material, carbon particles, and a peroxide decomposition catalyst, wherein the peroxide decomposition catalyst is dispersed in the vicinity of the catalyst material, Hydrogen peroxide and hydrogen peroxide radicals can be effectively decomposed by making the peroxide catalytic ability to catalytically decompose. As a result, damage to the electrode catalyst can be suppressed, and a method for producing an electrode catalyst layer with improved durability, an electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell can be provided.
In the electrocatalyst layer using an oxide-based non-platinum catalyst as the catalyst material, the potential of the catalyst material can be extracted and the durability improved compared to the conventional manufacturing method. High utility value.

1 固体高分子電解質膜
2 電極触媒層
3 電極触媒層
4 ガス拡散層
5 ガス拡散層
6 空気極(カソード)
7 燃料極(アノード)
8 ガス流路
9 冷却水流路
10 セパレーター
11 固体高分子形燃料電池
12 膜電極接合体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid polymer electrolyte membrane 2 Electrode catalyst layer 3 Electrode catalyst layer 4 Gas diffusion layer 5 Gas diffusion layer 6 Air electrode (cathode)
7 Fuel electrode (anode)
8 Gas flow path 9 Cooling water flow path 10 Separator 11 Polymer electrolyte fuel cell 12 Membrane electrode assembly

Claims (14)

触媒物質、炭素粒子、過酸化物分解触媒および高分子電解質を含み、かつ前記触媒物質の比面積が前記炭素粒子よりも小さい燃料電池用電極触媒層を製造する方法であって、
前記触媒物質または前記炭素粒子を前記過酸化物分解触媒および第1の高分子電解質と共に溶媒に分散させた第1の触媒インクを作製する第1工程と、
前記第1の触媒インクを乾燥させて前記触媒物質と前記過酸化物分解触媒または前記炭素粒子と前記過酸化物分解触媒を前記第1の高分子電解質で包埋する第2工程と、
前記第2工程で乾燥処理された第1の触媒インクに炭素粒子または触媒物質を添加した後、前記触媒物質、前記炭素粒子、前記過酸化物分解触媒および前記第1の高分子電解質を第2の高分子電解質と共に溶媒に分散させた第2の触媒インクを作製する第3工程と、
前記第2の触媒インクをガス拡散層、転写シートおよび高分子電解質膜から選択される基材上に塗布して前記電極触媒層を形成する第4工程と、を有することを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法。
Catalyst material, carbon particles, wherein the peroxide decomposition catalyst and the polymer electrolyte, and a method of specific surface area of the catalytic material to produce a small fuel cell electrode catalyst layer than the carbon particles,
A first step of producing a first catalyst ink in which the catalyst substance or the carbon particles are dispersed in a solvent together with the peroxide decomposition catalyst and the first polymer electrolyte;
A second step of drying the first catalyst ink and embedding the catalyst substance and the peroxide decomposition catalyst or the carbon particles and the peroxide decomposition catalyst with the first polymer electrolyte;
After adding carbon particles or a catalyst substance to the first catalyst ink dried in the second step, the catalyst substance, the carbon particles, the peroxide decomposition catalyst, and the first polymer electrolyte are added to the second catalyst ink. A third step of producing a second catalyst ink dispersed in a solvent together with the polymer electrolyte of
And a fourth step of forming the electrode catalyst layer by applying the second catalyst ink onto a substrate selected from a gas diffusion layer, a transfer sheet, and a polymer electrolyte membrane. For producing an electrode catalyst layer for use.
前記触媒物質と前記第1の高分子電解質との重量比が1:0.01〜1:30の範囲内または前記炭素粒子と前記第1の高分子電解質との重量比が1:0.1〜1:20の範囲内となるように、前記第1の触媒インクを前記第2工程で乾燥処理することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。   The weight ratio of the catalyst material to the first polymer electrolyte is in the range of 1: 0.01 to 1:30, or the weight ratio of the carbon particles to the first polymer electrolyte is 1: 0.1. 2. The method for producing a fuel cell electrode catalyst layer according to claim 1, wherein the first catalyst ink is dried in the second step so as to be in a range of ˜1: 20. 前記第1の触媒インクを前記第2工程で30℃以上140℃以下の温度で乾燥処理することを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。   3. The method for producing an electrode catalyst layer for a fuel cell according to claim 1, wherein the first catalyst ink is dried at a temperature of 30 ° C. or more and 140 ° C. or less in the second step. 前記第2工程で乾燥処理された前記第1の触媒インクに炭素粒子または触媒物質を添加して無溶媒で混合した後、前記触媒物質、前記炭素粒子、前記過酸化物分解触媒および前記第1の高分子電解質を第2の高分子電解質と共に溶媒に分散させた第2の触媒インクを作製することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。   After adding carbon particles or a catalyst substance to the first catalyst ink dried in the second step and mixing without solvent, the catalyst substance, the carbon particles, the peroxide decomposition catalyst, and the first catalyst ink are added. A fuel cell electrode catalyst layer according to any one of claims 1 to 3, wherein a second catalyst ink is prepared by dispersing the polymer electrolyte together with the second polymer electrolyte in a solvent. Production method. 前記第2工程で乾燥処理された前記第1の触媒インクに炭素粒子または触媒物質を添加して無溶媒で混合し、次いで前記第1の高分子電解質で包埋された触媒物質または炭素粒子と添加された炭素粒子または触媒物質とを50℃以上180℃以下の温度で熱処理した後、前記触媒物質、前記炭素粒子、前記過酸化物分解触媒および前記第1の高分子電解質を第2の高分子電解質と共に溶媒に分散させた第2の触媒インクを作製することを特徴とする請求項4に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。   Carbon particles or a catalyst material is added to the first catalyst ink dried in the second step and mixed without solvent, and then the catalyst material or carbon particles embedded with the first polymer electrolyte The added carbon particles or catalyst material is heat-treated at a temperature of 50 ° C. or more and 180 ° C. or less, and then the catalyst material, the carbon particles, the peroxide decomposition catalyst, and the first polymer electrolyte are added to the second high-temperature electrolyte. The method for producing a fuel cell electrode catalyst layer according to claim 4, wherein the second catalyst ink dispersed in a solvent together with the molecular electrolyte is prepared. 前記触媒物質が、固体高分子形燃料電池の正極として用いられる酸素還元電極用の電極活物質であって、タンタル、ニオブ、チタン、ジルコニウムから選択される、少なくとも一つの遷移金属元素を含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。   The catalyst material is an electrode active material for an oxygen reduction electrode used as a positive electrode of a polymer electrolyte fuel cell, and contains at least one transition metal element selected from tantalum, niobium, titanium, and zirconium. The manufacturing method of the electrode catalyst layer for fuel cells as described in any one of Claims 1-5 characterized by the above-mentioned. 前記触媒物質が、前記遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したものであることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。   7. The method for producing an electrode catalyst layer for a fuel cell according to claim 6, wherein the catalyst material is obtained by partially oxidizing the carbonitride of the transition metal element in an atmosphere containing oxygen. 前記遷移金属元素が、タンタルであることを特徴とする請求項7に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。   The method for producing an electrode catalyst layer for a fuel cell according to claim 7, wherein the transition metal element is tantalum. 前記過酸化物分解触媒が、前記触媒物質よりも過酸化物を接触分解する触媒能を有することを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。   The production of an electrode catalyst layer for a fuel cell according to any one of claims 1 to 8, wherein the peroxide decomposition catalyst has a catalytic ability to catalytically decompose peroxides more than the catalyst substance. Method. 前記過酸化物分解触媒が、遷移金属元素を含むことを特徴とする請求項9に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。   The method for producing an electrode catalyst layer for a fuel cell according to claim 9, wherein the peroxide decomposition catalyst contains a transition metal element. 前記遷移金属元素が、セリウム、マンガン、タングステン、ジルコニウム、チタン、バナジウム、イットリウム、ランタン、ネオジム、ニッケル、コバルト、ルテニウム、クロム、モリブデン、鉄の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項10に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。   The transition metal element includes at least one of cerium, manganese, tungsten, zirconium, titanium, vanadium, yttrium, lanthanum, neodymium, nickel, cobalt, ruthenium, chromium, molybdenum, and iron. The manufacturing method of the electrode catalyst layer for fuel cells of description. 前記遷移金属元素が、セリウムであることを特徴とする請求項11に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。   12. The method for producing an electrode catalyst layer for a fuel cell according to claim 11, wherein the transition metal element is cerium. 高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟持した膜電極接合体の製造方法であって、前記一対の電極触媒層のうち、正極側の電極触媒層を請求項1〜12のいずれか一項に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法で製造することを特徴とする燃料電池用膜電極接合体の製造方法。 It is a manufacturing method of the membrane electrode assembly which pinched | interposed the polymer electrolyte membrane with a pair of electrode catalyst layer, Comprising: The electrode catalyst layer by the side of a positive electrode among the said pair of electrode catalyst layers is any one of Claims 1-12. A method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell, which is produced by the method for producing an electrode catalyst layer for a fuel cell described in 1 . 請求項1に記載の燃料電池用膜電極接合体の製造方法で製造した膜電極接合体一対のガス拡散層で狭持、前記ガス拡散層で狭持た前記膜電極接合体一対のセパレーターで狭持ることを特徴とする固体高分子形燃料電池の製造方法 The membrane electrode assembly produced by the manufacturing method of the fuel cell membrane electrode assembly according to claim 1 3 holding a pair of gas diffusion layers, said membrane electrode assembly was sandwiched with the gas diffusion layer holding to the production method of the polymer electrolyte fuel cell, wherein Rukoto a pair of separators.
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