JP6295450B2 - Catalyst ink and method for producing catalyst layer - Google Patents
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Description
本発明は、触媒インクおよび触媒層の製造方法に関し、詳しくは、燃料電池の触媒層の製造に用いられる触媒インク、および、触媒インクを用いる触媒層の製造方法に関する。
The present invention relates to a process for preparing a catalyst ink and catalytic layer, particularly, a catalyst ink for use in the production of the catalyst layer of the fuel cell, and a method for producing a catalyst layer using a catalytic ink.
高分子電解質膜を有する燃料電池としては、高分子電解質と触媒担持カーボンとの間に親水層が形成されたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この燃料電池では、高分子電解質と触媒担持カーボンとの間に親水層を有することにより、水やプロトンの移動を容易にすると共に生成される水の排水性を向上させることができ、これらの結果、燃料電池の性能を向上させることができる。 As a fuel cell having a polymer electrolyte membrane, a fuel cell in which a hydrophilic layer is formed between a polymer electrolyte and catalyst-supporting carbon has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In this fuel cell, by having a hydrophilic layer between the polymer electrolyte and the catalyst-supporting carbon, water and protons can be easily transferred and the drainage of the generated water can be improved. The performance of the fuel cell can be improved.
また、触媒と水とを混合したプレペーストと高分子電解質を第2級アルコールまたは第3級アルコールに溶解した電解質溶液とを混合撹拌することによって得られる触媒ペーストを用いて触媒層を形成することにより、高分子電解質と触媒担持カーボンとの間に親水層が形成された触媒層を製造する手法も提案されている(例えば、特許文献2参照)。この手法では、触媒の触媒金属粒子を硝酸基やアミノ基、スルホン酸基等の修飾基で修飾しておき、この修飾基で修飾された触媒金属粒子を有する触媒と水とを混合してプレペーストを調整している。 Also, a catalyst layer is formed using a catalyst paste obtained by mixing and stirring a pre-paste obtained by mixing a catalyst and water and an electrolyte solution obtained by dissolving a polymer electrolyte in a secondary alcohol or a tertiary alcohol. Thus, a method of manufacturing a catalyst layer in which a hydrophilic layer is formed between a polymer electrolyte and catalyst-supported carbon has also been proposed (see, for example, Patent Document 2). In this method, catalyst metal particles of a catalyst are modified with a modifying group such as a nitrate group, amino group, or sulfonic acid group, and a catalyst having catalyst metal particles modified with the modifying group is mixed with water. The paste is adjusted.
しかしながら、上述の修飾基で修飾された触媒金属粒子を有する触媒を用いる手法ではプレペーストと電解質溶液とを混合して撹拌する際に慎重を要する。撹拌が足りないと、プレペーストと電解質溶液との混合が不十分となり、部分的に触媒の固まりが生じ、触媒層の性能を低下させてしまう。一方、撹拌が過剰となると、触媒に対向した高分子電解質が触媒から離脱し、その際、触媒表面の水を奪うために高分子電解質と触媒との間の親水層の形成を阻害してしまう。 However, in the method using a catalyst having catalytic metal particles modified with the above-described modifying group, careful attention is required when the pre-paste and the electrolyte solution are mixed and stirred. If the stirring is insufficient, the pre-paste and the electrolyte solution are not sufficiently mixed, and the catalyst is partially solidified, thereby degrading the performance of the catalyst layer. On the other hand, if the stirring is excessive, the polymer electrolyte facing the catalyst is detached from the catalyst, and at this time, the formation of a hydrophilic layer between the polymer electrolyte and the catalyst is hindered in order to take away water on the catalyst surface. .
本発明の触媒インクは、高分子電解質と触媒との間に高分子電解質のスルホン酸基等の酸性官能基を触媒側に配向させた親水層が形成された触媒層を容易に製造するインクを提供することを主目的とする。本発明の触媒層の製造方法は、高分子電解質と触媒との間に高分子電解質のスルホン酸基等の酸性官能基を触媒側に配向させた親水層が形成された触媒層の製造方法を提供することを主目的とする。
The catalyst ink of the present invention is an ink for easily producing a catalyst layer in which a hydrophilic layer in which acidic functional groups such as sulfonic acid groups of the polymer electrolyte are oriented on the catalyst side is formed between the polymer electrolyte and the catalyst. The main purpose is to provide . The method for producing a catalyst layer according to the present invention is a method for producing a catalyst layer in which a hydrophilic layer in which acidic functional groups such as sulfonic acid groups of the polymer electrolyte are oriented on the catalyst side is formed between the polymer electrolyte and the catalyst. The main purpose is to provide.
本発明の触媒インクおよびその製造方法並びに触媒層の製造方法は、上述のそれぞれの主目的を達成するために以下の手段を採った。 The catalyst ink of the present invention, the method for producing the same, and the method for producing the catalyst layer employ the following means in order to achieve the respective main objects described above.
本発明の触媒インクは、
側鎖に親水基を有する高分子電解質と疎水性溶媒と触媒と水とを主成分とし、燃料電池の触媒層の製造に用いられる触媒インクであって、
親水基を内側に向けた前記高分子電解質により前記触媒と水との混合物を核として包み込んで逆ミセル構造とした触媒逆ミセルのエマルション、
としたことを特徴とする。
The catalyst ink of the present invention is
A catalyst ink mainly composed of a polymer electrolyte having a hydrophilic group in a side chain, a hydrophobic solvent, a catalyst, and water, and used for manufacturing a catalyst layer of a fuel cell,
An emulsion of catalyst reverse micelles having a reverse micelle structure by wrapping the mixture of the catalyst and water as a nucleus with the polymer electrolyte with the hydrophilic group facing inward,
It is characterized by that.
本発明の触媒インクは、疎水性溶媒側に疎水的な主鎖骨格を向け、親水基を内側に向けた高分子電解質により触媒と水との混合物を核として包み込んで逆ミセル構造とした触媒逆ミセルを有し、この触媒逆ミセルのエマルションの状態である。この触媒インクを拡散層に塗布したり印刷したりして溶媒を乾燥させて触媒層を形成すると、触媒逆ミセルの構造がそのまま触媒層に残るため、高分子電解質と触媒との間に親水層が形成された触媒層となる。この触媒層を用いて燃料電池を構成すると、電池反応に必要な水やプロトンの移動を触媒層の親水層により良好に行なうことができると共に、燃料電池で生成された水の排水性を向上させることができる。さらに、触媒層の細孔に面した高分子電解質が撥水性の高い主鎖骨格で形成されるため、水滞留が生じにくく、ガスの拡散が阻害されにくい。これらの結果、燃料電池の性能を向上させることができる。ここで、本明細書では、「ミセル」とは、親水基と疎水基とを有する界面活性剤などの分子またはイオンが、親水基を外側に疎水基を内側に向けた形で球状に集合したものを意味し、こうしたミセルの構造を「ミセル構造」と称し、疎水基を外側に親水基を内側に向けた形で球状に集合した構造を「逆ミセル構造」と称している。また、「エマルション」は、分散質と分散媒が共に液体である分散系溶液、即ち乳濁液を意味している。 The catalyst ink according to the present invention has a reverse micelle structure in which a hydrophobic main chain skeleton is directed to the hydrophobic solvent side, and a mixture of the catalyst and water is encapsulated by a polymer electrolyte with a hydrophilic group facing inward. It has a micelle and is an emulsion of this catalytic reverse micelle. When this catalyst ink is applied to the diffusion layer or printed, and the solvent is dried to form the catalyst layer, the structure of the catalyst reverse micelle remains in the catalyst layer as it is, so a hydrophilic layer is formed between the polymer electrolyte and the catalyst. The catalyst layer is formed. When a fuel cell is configured using this catalyst layer, water and protons necessary for the cell reaction can be favorably transferred by the hydrophilic layer of the catalyst layer, and the drainage of water generated by the fuel cell is improved. be able to. Furthermore, since the polymer electrolyte facing the pores of the catalyst layer is formed with a main chain skeleton having high water repellency, water retention is unlikely to occur and gas diffusion is not easily inhibited. As a result, the performance of the fuel cell can be improved. Here, in this specification, “micelle” means a molecule or ion such as a surfactant having a hydrophilic group and a hydrophobic group, which is gathered in a spherical shape with the hydrophilic group facing outward and the hydrophobic group facing inward. The structure of such micelles is called “micelle structure”, and the structure in which the hydrophobic groups are gathered in a spherical shape with the hydrophilic groups facing inward is called “reverse micelle structure”. “Emulsion” means a dispersion solution in which both the dispersoid and the dispersion medium are liquid, that is, an emulsion.
こうした本発明の触媒インクにおいて、疎水性溶媒側に疎水的な主鎖骨格を向け、親水基を内側に向けた前記高分子電解質により水を核として包み込んで逆ミセル構造とした水の逆ミセルと前記触媒逆ミセルのエマルション、としたことを特徴とするものとすることできる。この触媒インクを用いて触媒層を形成すると、水の逆ミセルの構造がそのまま触媒層に残るため、触媒逆ミセルの構造に複数の水の逆ミセルの構造が結合し、ところどころ拡幅部を有する親水層が形成される。このため、水やプロトンの移動を更に良好にすることができる。 In such a catalyst ink of the present invention, a reverse micelle of water having a reverse micelle structure in which a hydrophobic main chain skeleton is directed to the hydrophobic solvent side and water is encapsulated by the polymer electrolyte with a hydrophilic group facing inward. The catalyst reverse micelle emulsion may be used. When the catalyst layer is formed using this catalyst ink, the structure of the reverse micelle of water remains in the catalyst layer as it is, so that the structure of the reverse micelle of water is combined with the structure of the reverse micelle of water, and there is a hydrophilic portion having a widened portion. A layer is formed. For this reason, the movement of water and protons can be further improved.
本発明の触媒インクの製造方法は、
燃料電池の触媒層の製造に用いられる触媒インクの製造方法であって、
側鎖に親水基を有する高分子電解質を疎水性溶媒に溶解させた電解質溶液と触媒に水を混合してペースト状とした触媒ペーストとを、疎水性溶媒と水との和に対する疎水性溶媒の比である疎水溶媒比が逆ミセル構造のエマルションとなる所定範囲となるよう混合して撹拌する工程、
を備えることを特徴とする。
The method for producing the catalyst ink of the present invention comprises:
A method for producing a catalyst ink used for producing a catalyst layer of a fuel cell, comprising:
An electrolyte solution in which a polymer electrolyte having a hydrophilic group in the side chain is dissolved in a hydrophobic solvent and a catalyst paste in which water is mixed with the catalyst to form a paste, the hydrophobic solvent with respect to the sum of the hydrophobic solvent and water A step of mixing and stirring so that the ratio of hydrophobic solvent, which is a ratio, is within a predetermined range to be an emulsion of a reverse micelle structure,
It is characterized by providing.
この本発明の触媒インクの製造方法では、電解質溶液と触媒ペーストとを、疎水溶媒比が逆ミセル構造のエマルションとなる所定範囲となるよう混合して撹拌して製造するから、親水基を内側に向けた高分子電解質により触媒と水との混合物を核として包み込んで逆ミセル構造とした触媒逆ミセルや親水基を内側に向けた高分子電解質により水を核として包み込んで逆ミセル構造とした水の逆ミセルのエマルションの触媒インクを製造することができる。ここで、「所定範囲」としては、逆ミセル構造を構成できる比率の範囲であればよいが、特に0.45〜0.60の範囲とすれば、安定した触媒逆ミセルや水の逆ミセルのエマルションとすることができる。 In the method for producing the catalyst ink of the present invention, the electrolyte solution and the catalyst paste are mixed and stirred so that the hydrophobic solvent ratio is within a predetermined range to be an emulsion having a reverse micelle structure. Catalytic reverse micelles with a mixture of catalyst and water as a nucleus by a polymer electrolyte directed to reverse micelle structure or water with a polymer electrolyte with a hydrophilic group facing inward as a nucleus to form a reverse micelle structure A catalyst ink of reverse micelle emulsion can be produced. Here, the “predetermined range” may be in a range of a ratio that can constitute a reverse micelle structure, but in particular, in the range of 0.45 to 0.60, stable catalyst reverse micelle or reverse micelle of water. It can be an emulsion.
本発明の触媒層の製造方法は、
燃料電池の触媒層の製造方法であって、
上述したいずれかの態様の本発明の触媒インクを導電性とガス透過性とを有するガス拡散層に塗布または印刷し、溶媒を乾燥することにより触媒層を形成する、
ことを特徴とする。
The method for producing the catalyst layer of the present invention comprises:
A method for producing a catalyst layer of a fuel cell, comprising:
Applying or printing the catalyst ink of the present invention of any of the above-described aspects onto a gas diffusion layer having conductivity and gas permeability, and drying the solvent to form a catalyst layer.
It is characterized by that.
本発明の触媒層の製造方法によれば、触媒逆ミセルや水の逆ミセルを有する触媒インクを用いて触媒層を形成するから、高分子電解質と触媒との間に親水層が形成された触媒層を製造することができる。したがって、この本発明の触媒層の製造方法により製造された触媒層を用いて燃料電池を構成すれば、電池反応に必要な水やプロトンの移動を触媒層の親水層により良好に行なうことができると共に、燃料電池で生成された水の排水性を向上させることができる。さらに、触媒層の細孔に面した高分子電解質が撥水性の高い主鎖骨格で形成されるため、水滞留が生じにくく、ガスの拡散が阻害されにくい。これらの結果、燃料電池の性能を向上させることができる。 According to the method for producing a catalyst layer of the present invention, a catalyst layer is formed using a catalyst ink having catalyst reverse micelles or water reverse micelles, and therefore a catalyst in which a hydrophilic layer is formed between a polymer electrolyte and a catalyst. Layers can be manufactured. Therefore, if a fuel cell is constituted using the catalyst layer produced by the method for producing a catalyst layer of the present invention, water and protons necessary for the cell reaction can be favorably transferred to the hydrophilic layer of the catalyst layer. At the same time, it is possible to improve the drainage of water generated by the fuel cell. Furthermore, since the polymer electrolyte facing the pores of the catalyst layer is formed with a main chain skeleton having high water repellency, water retention is unlikely to occur and gas diffusion is not easily inhibited. As a result, the performance of the fuel cell can be improved.
(触媒インク)
図1は、実施形態の触媒インク20の構造を模式的に示した構造模式図であり、図2は、触媒インク20が有する触媒逆ミセル40の一部を拡大して示す部分拡大図である。実施形態の触媒インク20は、図示するように、疎水性溶媒38に多数の触媒逆ミセル40や水の逆ミセル42を乳化させたエマルションとして構成されている。触媒逆ミセル40は、担体24に触媒金属粒子26を担持させた触媒22と水28とからなる核を、高分子電解質32の親水基であるスルホン酸基34が内側になるように複数の高分子電解質32で包み込んで主鎖骨格を疎水溶媒側に向けた逆ミセル構造としたものであり、水の逆ミセル42は、水28の核を、同様に複数の高分子電解質32で包み込んで逆ミセル構造としたものである。
(Catalyst ink)
FIG. 1 is a structural schematic view schematically showing the structure of the
ここで、担体24としては、カーボン粒子などの導電性を有する粒子を用いることができる。触媒金属粒子26としては、白金や白金合金などの金属粒子を用いることができる。高分子電解質32としては、スルホン酸基を持ったフッ素系ポリマーなどを用いることができる。疎水性溶媒38としては、疎水性を有し液状のものであれば良く、例えば、ヘキサン、ベンゼン、トルエン、ジエチルエーテル、酢酸エチル、1−ブタノール、イソブチルアルコール、sec−ブチルアルコール、1−ペンタノール、2−ペンタノール、3−ペンタノール、3−メチル−1−ブタノール、3−メチル−3−ブテン−1−オール等が好ましく、これらを単独に或いは混合して用いることができる。なかでも、1−ブタノールが特に好ましい。また、沸点操作や高分子電解質の溶解度向上のために複数の疎水性溶媒、あるいは、エタノール、1−プロパノールのような両親媒性溶媒を添加してもよい。ただし、両親媒溶媒を多量に加えると、水に対しての溶解度が高まり、エマルションを形成しなくなるため、水と相分離する組成比とするのが好ましい。
Here, as the
(触媒インクの製造)
図3は、実施形態の触媒インク20の製造方法の一例を示すフローチャートである。触媒インク20の製造では、まず、高分子電解質32を疎水性溶媒38に溶解させた電解質溶液39と、触媒22に水28を混合してペースト状とした触媒ペースト29と、を調整する(S100,S110)。このとき電解質溶液39の疎水性溶媒38と触媒ペースト29の水28については、電解質溶液39と触媒ペースト29とを混合したときに疎水溶媒比が0.45〜0.60となるように調整する。ここで、疎水溶媒比は、全溶媒(疎水性溶媒38と水28)に対する疎水性溶媒38の重量比を意味している。そして、調整した電解質溶液39と触媒ペースト29とを混合して十分に撹拌し(S120)、エマルションとして触媒インク20を完成する。
(Manufacture of catalyst ink)
FIG. 3 is a flowchart illustrating an example of a method for producing the
こうして製造した触媒インク20が逆ミセル構造の触媒逆ミセルや水の逆ミセルによるエマルションであることは、以下の予備実験と同様に確認することができる。予備実験は、まず、高分子電解質溶液SS900/10(旭化成イーマテリアルズ製)の20gを容器にとって85℃で湯煎し、溶媒としてのエタノールや水を2g(高分子電解質と溶媒との合計では4g)となるまで蒸発させる。そして、この湯煎後の高分子電解質溶液に対して36gの1−ブタノールを添加し、自転/公転式遠心撹拌機(キーエンス社製ハイブリッドミキサーHM500)により3分間の撹拌を行なって電解質溶液39を得る。これに水と1−ブタノールをガラス瓶に入れて振とうして以下のサンプルA,B,Cを得る。そして、サンプルA,B,Cに脂溶性染料オイルレッドOの1−ブタノール溶液を添加し、エマルション全体が染色されているか否かを確認する。この予備実験では、サンプルAの連続相は染色されていないが、サンプルB,Cの連続相は染色されているのが確かめられた。これは、サンプルAはミセル構造のエマルションであり、サンプルB,Cは逆ミセル構造のエマルションであることを意味する。
サンプルA:電解質溶液1g、水2g、1−ブタノール0g
サンプルB:電解質溶液1g、水1.3g、1−ブタノール0.7g
サンプルC:電解質溶液1g、水1g、1−ブタノール1g
It can be confirmed in the same manner as in the following preliminary experiment that the
Sample A: 1 g of electrolyte solution, 2 g of water, 0 g of 1-butanol
Sample B: 1 g of electrolyte solution, 1.3 g of water, 0.7 g of 1-butanol
Sample C: 1 g of electrolyte solution, 1 g of water, 1 g of 1-butanol
(触媒層)
実施形態の触媒インク20を用いた触媒層は、ガス拡散層に触媒インク20を塗布または印刷し、溶媒を乾燥させることにより形成する。図4は、燃料電池の単位ユニットとしてのMEA(membrane and electrode assembly:膜・電極接合体)50の構成の一例を示す構成図である。図示するように、MEA50は、カソードガス拡散層54aとカソード触媒層54bとからなるカソード54とアノードガス拡散層56aとアノード触媒層56bとからなるアノード56とによって、カソード触媒層54bとアノード触媒層56bとが固体電解質膜52に密着するように、固体電解質膜52を狭持するように構成されている。このカソード触媒層54bとアノード触媒層56bは、実施形態の触媒インク20を用いて形成されている。ここで、固体電解質膜52としては、高分子電解質32と同様に、スルホン酸基を持ったフッ素系ポリマーなどにより膜として形成されたもの(例えば、デュポン社のナフィオン)を用いることができる。カソードガス拡散層54aやアノードガス拡散層56aとしては、導電性とガス拡散性を有するカーボンペーパーやカーボンクロス、カーボンフェルトなどを用いることができる。
(Catalyst layer)
The catalyst layer using the
(疎水溶媒比)
触媒インク20の製造で疎水溶媒比が0.45〜0.60が好ましいとした理由について説明する。図5は、触媒インク20の固液比と疎水溶媒比との関係の一例を示す説明図である。ここで、固液比は、触媒インク20における固体(触媒22と高分子電解質32)と液体(水28と疎水溶媒38)の和に対する固体の比を意味している。図中、丸印は、その触媒インクを用いて形成した触媒層が良好に機能したときを示し、バツ印は、その触媒インクを用いて形成した触媒層が良好には機能しなかったときを示す。図示するように、疎水溶媒比が0.45〜0.60では形成した触媒層は良好に機能している。
(Hydrophobic solvent ratio)
The reason why the hydrophobic solvent ratio is preferably 0.45 to 0.60 in the production of the
(触媒層の機能)
次に、実施形態の触媒インク20を用いて形成されたカソード触媒層54bの機能について説明する。図6は、実施形態の触媒インク20を用いて形成されたカソード触媒層54bの機能を説明する説明図である。燃料電池は、電池反応に必要なプロトンの移動が水を伴って行なわれるため、MEA50を湿潤した状態として運転される。図示するように、カソード触媒層54bは、逆ミセル構造の触媒逆ミセル40の溶媒を乾燥させて形成されているから、高分子電解質32のスルホン酸基34が内側となるように複数の高分子電解質32により触媒22(担体24と触媒金属粒子26)を包み込む構造となっている。このため、触媒22と高分子電解質32との間には親水層60が形成される。アノード触媒層56bで生成したプロトン(H+)は、水和した状態で固体電解質膜52を通過してカソード触媒層56bの親水層60を移動して触媒金属粒子26に向かう。触媒逆ミセル40を構成する高分子電解質32は、スルホン酸基を内側に向けているから外側は疎水性を呈する。このため、ガス拡散細孔に水滞留を生じにくく、カソードガス拡散層54aを介して供給される酸素(O2)は、スムーズに触媒金属粒子26に導入される。即ち、プロトン(H+)と酸素(O2)は、共に触媒金属粒子26に良好に移動することができるのである。このため、触媒金属粒子26の表面でカソード反応(4プロトン(H+)+酸素(O2)→2水(H2O)+4電子(e-))が良好に生じる。
(Function of catalyst layer)
Next, the function of the
以上の説明により、実施形態の触媒インク20を用いて形成されたカソード触媒層54bでは、触媒22と高分子電解質32との間に親水層60を有することにより、電池反応に必要な水やプロトンの移動を良好にすることができると共に、燃料電池で生成された水の排水性を向上させることができ、これらの結果、燃料電池の性能を向上させることができる。
As described above, in the
(実施例1)
実施例1の触媒ペーストは、触媒としてカーボン粒子の担体に白金による触媒金属粒子を担持密度40wt%で担持したものを用い、0.5gの触媒に対して4gの水を加えて自転/公転式遠心撹拌機(キーエンス社製ハイブリッドミキサーHM500)で3分間撹拌することにより作成した。
実施例1の電解質溶液は、高分子電解質として高分子電解質溶液SS900/10(旭化成イーマテリアルズ製)を用い、20gの高分子電解質溶液SS900/10を85℃の湯煎により溶媒(エタノールと水)が2g(高分子電解質と溶媒との合計では4g)となるまで蒸発させ、これに36gの1−ブタノールを添加し、自転/公転式遠心撹拌機により3分間撹拌することにより作成した。
実施例1の触媒インクは、4.5gの実施例1の触媒ペーストと、6gの実施例1の電解質溶液と、を混合し、自転/公転式遠心撹拌機で3分間撹拌することにより作成した。この実施例1の触媒インクは、触媒逆ミセル40によるエマルションと考えられる。
Example 1
The catalyst paste of Example 1 uses a catalyst in which platinum catalyst metal particles are supported at a support density of 40 wt% on a carbon particle support as a catalyst, and 4 g of water is added to 0.5 g of catalyst to rotate / revolve. It was prepared by stirring for 3 minutes with a centrifugal stirrer (Hybrid Mixer HM500 manufactured by Keyence Corporation).
The electrolyte solution of Example 1 uses a polymer electrolyte solution SS900 / 10 (manufactured by Asahi Kasei E-Materials) as a polymer electrolyte, and 20 g of the polymer electrolyte solution SS900 / 10 is subjected to a solvent (ethanol and water) by 85 ° C. water bathing. It was made to evaporate until it became 2g (4g in total of a polymer electrolyte and a solvent), 36g of 1-butanol was added to this, and it stirred for 3 minutes with a rotation / revolution type centrifugal stirrer.
The catalyst ink of Example 1 was prepared by mixing 4.5 g of the catalyst paste of Example 1 and 6 g of the electrolyte solution of Example 1 and stirring for 3 minutes with a rotation / revolution centrifugal stirrer. . The catalyst ink of Example 1 is considered to be an emulsion by the catalyst
(実施例2)
実施例2の触媒インクは、4.5gの実施例1の触媒ペースト29と、6gの実施例1の電解質溶液39と、2gの予備実験のサンプルCと、を混合し、自転/公転式遠心撹拌機で3分間撹拌することにより作成した。実施例2の触媒インクは、触媒逆ミセル40と水の逆ミセル42によるエマルションと考えられる。実施例2の触媒インクにより形成された触媒層は、図7に例示するように、水の逆ミセル42により親水層60に拡幅部62が形成されると考えられる。
(Example 2)
The catalyst ink of Example 2 was prepared by mixing 4.5 g of the catalyst paste 29 of Example 1, 6 g of the electrolyte solution 39 of Example 1 and 2 g of the sample C of the preliminary experiment, and rotating / revolving centrifugal. It was created by stirring for 3 minutes with a stirrer. The catalyst ink of Example 2 is considered to be an emulsion composed of
(比較例1)
比較例1の電解質溶液は、高分子電解質溶液SS900/10をエタノール:水=1:1の溶媒で2倍に希釈して電解質溶液を調整することにより作成した。
比較例1の触媒インクは、4.5gの実施例1の触媒ペーストと、7.7gの比較例1の電解質溶液と、を混合し、自転/公転式遠心撹拌機で3分間撹拌することにより作成した。
(Comparative Example 1)
The electrolyte solution of Comparative Example 1 was prepared by diluting the polymer electrolyte solution SS900 / 10 twice with a solvent of ethanol: water = 1: 1 to prepare an electrolyte solution.
The catalyst ink of Comparative Example 1 was prepared by mixing 4.5 g of the catalyst paste of Example 1 and 7.7 g of the electrolyte solution of Comparative Example 1 and stirring for 3 minutes with a rotation / revolution centrifugal stirrer. Created.
(比較例2)
比較例2の触媒ペーストは、触媒としてカーボン粒子の担体に白金による触媒金属粒子を担持密度40wt%で担持したものを用い、0.5gの触媒に対して10gの水を加えて自転/公転式遠心撹拌機で3分間撹拌することにより作成した。
比較例2の触媒インクは、10.5gの比較例2の触媒ペーストと、6gの実施例1の電解質溶液と、を混合し、自転/公転式遠心撹拌機で3分間撹拌することにより作成した。比較例2の触媒インクは、調整した触媒ペーストの水が多いため、ミセル構造のエマルションになっていると考えられる。
(Comparative Example 2)
The catalyst paste of Comparative Example 2 uses a catalyst in which platinum catalyst metal particles are supported at a support density of 40 wt% on a carbon particle support as a catalyst, and 10 g of water is added to 0.5 g of catalyst to rotate / revolve. It was prepared by stirring for 3 minutes with a centrifugal stirrer.
The catalyst ink of Comparative Example 2 was prepared by mixing 10.5 g of the catalyst paste of Comparative Example 2 and 6 g of the electrolyte solution of Example 1 and stirring for 3 minutes with a rotation / revolution centrifugal stirrer. . The catalyst ink of Comparative Example 2 is considered to be a micelle emulsion because of the large amount of water in the prepared catalyst paste.
(実施例1,2の評価)
実施例1の触媒インクを用いてカソード触媒層54bとアノード触媒層56bを形成して得られるカソード54とアノード56とを固体電解質膜52に140℃で40kgf/cmで熱圧着して実施例1のMEAを構成した。同様に、実施例2のMEAと比較例1,2のMEAも構成した。実施例1のMEAと比較例1のMEAの電流密度[A/cm2]と電圧[V]との関係(電流電圧性能評価結果)を図8および図9に示す。図8は、温度が50℃で湿度が100%RHにおける電流電圧性能評価結果であり、図9は、温度が80℃で湿度が40%RHにおける電流電圧性能評価結果である。図8に示すように、実施例1のMEAは、比較例1のMEAに比して、低温高湿度における発電性能が高いのが解る。図9に示すように、実施例1のMEAは、比較例1のMEAに比して、高温低湿度における発電性能も高いのが解る。これらのことから、実施例1のMEAは、比較例1のMEAに比して、発電可能な温度条件も湿度条件も広く、高性能であることが解る。
(Evaluation of Examples 1 and 2)
The
図10は、実施例1,2のMEAと比較例2のMEAを温度が50℃で湿度が100%RHで運転したときの触媒層プロトン抵抗の比較を説明する説明図である。縦軸は、実施例1のMEAの触媒層プロトン抵抗を値1.00としたときの抵抗比である。触媒層プロトン抵抗は、「『電気化学インピーダンス法』(丸善 板垣昌幸) 8 分布定数型透過回路を用いた電気化学インピーダンス解析(p133〜146)」に示された交流インピーダンス法を用いて測定した。図示するように、実施例1,2のMEAは、比較例2のMEAに比して、触媒層のプロトン抵抗が低いことが解る。 FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining a comparison of catalyst layer proton resistance when the MEAs of Examples 1 and 2 and the MEA of Comparative Example 2 are operated at a temperature of 50 ° C. and a humidity of 100% RH. The vertical axis represents the resistance ratio when the catalyst layer proton resistance of the MEA of Example 1 is 1.00. The proton resistance of the catalyst layer was measured using the alternating current impedance method shown in “'Electrochemical Impedance Method” (Maruzen Masayuki Itagaki) 8 Electrochemical Impedance Analysis Using Distributed Constant Transmission Circuit (p133-146) ”. As shown in the figure, it can be seen that the MEAs of Examples 1 and 2 have a lower proton resistance of the catalyst layer than the MEA of Comparative Example 2.
図11は、実施例1,2のMEAと比較例2のMEAを一定電流密度(1.6[A/cm2])で温度と湿度を変えて運転したときの性能の比較を説明する説明図である。縦軸は、実施例1のMEAを温度が60℃で湿度が100%RHのときの電圧を値1.00としたときの電圧比である。図中、左端は温度が60℃で湿度が100%RHのときの電圧比を示し、中央は温度が90℃で湿度が28%RHのときの電圧比を示し、右端は温度が95℃で湿度が24%RHのときの電圧比を示す。図示するように、実施例2のMEAは、実施例1のMEAに比して、高温低湿度の条件下でも良好であることが解る。これは、水の逆ミセル42が含まれた触媒インクを用いて触媒層を形成した効果、即ち、親水層60に拡幅部62が生じているため、低湿度であっても水の保持性が高いことによる効果であると考えられる。なお、実施例1のMEAも、比較例2のMEAと比較すれば、高温低湿度の条件でも良好であることが解る。
FIG. 11 explains the comparison of performance when the MEAs of Examples 1 and 2 and the MEA of Comparative Example 2 are operated at a constant current density (1.6 [A / cm 2 ]) while changing the temperature and humidity. FIG. The vertical axis represents the voltage ratio when the voltage when the temperature of the MEA of Example 1 is 60 ° C. and the humidity is 100% RH is 1.00. In the figure, the left end shows the voltage ratio when the temperature is 60 ° C. and the humidity is 100% RH, the center shows the voltage ratio when the temperature is 90 ° C. and the humidity is 28% RH, and the right end shows the temperature is 95 ° C. The voltage ratio when the humidity is 24% RH is shown. As shown, the MEA of Example 2 is better than the MEA of Example 1 even under conditions of high temperature and low humidity. This is because the effect of forming the catalyst layer using the catalyst ink containing the
(実施例3)
実施例3の触媒ペーストは、触媒としてカーボン粒子の担体24に白金による触媒金属粒子を担持密度50wt%で担持したものを用い、0.5gの触媒に対して2.57gの水28を加えて自転/公転式遠心撹拌機で3分間撹拌することにより作成した。
実施例3の触媒インクは、3.07gの実施例3の触媒ペーストと、3.75gの実施例1の電解質溶液と、を混合し、自転/公転式遠心撹拌機で3分間撹拌することにより作成した。この実施例3の触媒インクの疎水溶媒比は、0.55となる。
(Example 3)
The catalyst paste of Example 3 uses a catalyst in which
The catalyst ink of Example 3 was prepared by mixing 3.07 g of the catalyst paste of Example 3 and 3.75 g of the electrolyte solution of Example 1 and stirring for 3 minutes with a rotating / revolving centrifugal stirrer. Created. The hydrophobic solvent ratio of the catalyst ink of Example 3 is 0.55.
(実施例4)
実施例4の触媒ペーストは、0.5gの実施例3の触媒に対して3.19gの水を加えて自転/公転式遠心撹拌機で3分間撹拌することにより作成した。
実施例4の触媒インクは、3.69gの実施例4の触媒ペーストと、3.75gの実施例1の電解質溶液と、を混合し、自転/公転式遠心撹拌機で3分間撹拌することにより作成した。この実施例4の触媒インクの疎水溶媒比は、0.50となる。
Example 4
The catalyst paste of Example 4 was prepared by adding 3.19 g of water to 0.5 g of the catalyst of Example 3 and stirring for 3 minutes with a rotation / revolution centrifugal stirrer.
The catalyst ink of Example 4 was prepared by mixing 3.69 g of the catalyst paste of Example 4 and 3.75 g of the electrolyte solution of Example 1 and stirring for 3 minutes with a rotation / revolution centrifugal stirrer. Created. The hydrophobic solvent ratio of the catalyst ink of Example 4 is 0.50.
(実施例5)
実施例5の触媒ペーストは、0.5gの実施例3の触媒に対して2.16gの水を加えて自転/公転式遠心撹拌機で3分間撹拌することにより作成した。
実施例5の触媒インクは、2.66gの実施例5の触媒ペーストと、3.75gの実施例1の電解質溶液と、を混合し、自転/公転式遠心撹拌機で3分間撹拌することにより作成した。この実施例5の触媒インクの疎水溶媒比は、0.59となる。
(Example 5)
The catalyst paste of Example 5 was prepared by adding 2.16 g of water to 0.5 g of the catalyst of Example 3 and stirring for 3 minutes with a rotation / revolution centrifugal stirrer.
The catalyst ink of Example 5 was prepared by mixing 2.66 g of the catalyst paste of Example 5 and 3.75 g of the electrolyte solution of Example 1 and stirring for 3 minutes with a rotating / revolving centrifugal stirrer. Created. The hydrophobic solvent ratio of the catalyst ink of Example 5 is 0.59.
(実施例6)
実施例6の触媒ペーストは、0.5gの実施例3の触媒に対して2.42gの水を加えて自転/公転式遠心撹拌機で3分間撹拌することにより作成した。
実施例6の電解質溶液は、20gの高分子電解質溶液SS900/10を85℃の湯煎により溶媒(エタノールと水)が8g(高分子電解質と溶媒との合計では10g)となるまで蒸発させ、これに36gの1−ブタノールを添加し、自転/公転式遠心撹拌機により3分間撹拌することにより作成した。
実施例6の触媒インクは、2.42gの実施例6の触媒ペーストと、3.75gの実施例6の電解質溶液と、を混合し、自転/公転式遠心撹拌機で3分間撹拌することにより作成した。この実施例6の触媒インクの疎水溶媒比は、0.47となる。
(Example 6)
The catalyst paste of Example 6 was prepared by adding 2.42 g of water to 0.5 g of the catalyst of Example 3 and stirring for 3 minutes with a rotation / revolution centrifugal stirrer.
The electrolyte solution of Example 6 was obtained by evaporating 20 g of the polymer electrolyte solution SS900 / 10 in a hot water bath at 85 ° C. until the solvent (ethanol and water) became 8 g (10 g in total of the polymer electrolyte and the solvent). 36 g of 1-butanol was added, and the mixture was stirred for 3 minutes with a rotation / revolution centrifugal stirrer.
The catalyst ink of Example 6 was prepared by mixing 2.42 g of the catalyst paste of Example 6 and 3.75 g of the electrolyte solution of Example 6 and stirring for 3 minutes with a rotation / revolution centrifugal stirrer. Created. The hydrophobic solvent ratio of the catalyst ink of Example 6 is 0.47.
(実施例3〜6の評価)
実施例1のMEAと同様に、実施例3〜6のMEAを構成し、実施例3〜6のMEAを温度が60℃で湿度が62%RHの条件のときと、温度が90℃で湿度が18%RHの条件のときで運転して評価した。図12は、実施例3〜6のMEAを温度が60℃で湿度が62%RHの条件で運転したときの一定電流密度(1.6[A/cm2])に対する性能(電圧)を説明する説明図であり、図13は、実施例3〜6のMEAを温度が90℃で湿度が18%RHの条件で運転したときの一定電流密度(1.6[A/cm2])に対する性能(電圧)を説明する説明図である。図示するように、疎水溶媒比が0.55〜0.59であれば高温低湿度であっても高性能であることが解る。
(Evaluation of Examples 3-6)
Similar to the MEA of Example 1, the MEAs of Examples 3 to 6 were configured, and the MEA of Examples 3 to 6 was at a temperature of 60 ° C. and a humidity of 62% RH, and at a temperature of 90 ° C. and a humidity. Was evaluated under the condition of 18% RH. FIG. 12 illustrates performance (voltage) with respect to a constant current density (1.6 [A / cm 2 ]) when the MEAs of Examples 3 to 6 are operated under the conditions of a temperature of 60 ° C. and a humidity of 62% RH. FIG. 13 is a graph illustrating a constant current density (1.6 [A / cm 2 ]) when the MEAs of Examples 3 to 6 are operated at a temperature of 90 ° C. and a humidity of 18% RH. It is explanatory drawing explaining performance (voltage). As shown in the figure, it can be seen that when the hydrophobic solvent ratio is 0.55 to 0.59, it has high performance even at high temperature and low humidity.
以上説明した実施形態の触媒インク20によれば、逆ミセル構造の触媒逆ミセル40と水の逆ミセル42のエマルションとしたから、拡散層に塗布したり印刷したりして溶媒を乾燥させるだけで、容易に高分子電解質32と触媒22との間に親水層60が形成された触媒層を形成することができる。そして、この触媒層を用いて燃料電池を構成すれば、電池反応に必要な水やプロトンの移動を触媒層の親水層により良好に行なうことができ、燃料電池で生成された水の排水性を向上させることができる。さらに、触媒層の細孔に面した高分子電解質32が撥水性の高い主鎖骨格で形成されるため、水滞留が生じにくく、ガスの拡散が阻害されにくい。これらの結果、燃料電池の性能を向上させることができる。
According to the
実施形態の触媒インク20の製造方法によれば、高分子電解質32を疎水性溶媒38に溶解させた電解質溶液39と、触媒22に水28を混合してペースト状とした触媒ペースト29と、を混合したときに疎水溶媒比が0.45〜0.60となるように調整し、調整した電解質溶液39と触媒ペースト29とを混合して十分に撹拌することにより、容易に触媒逆ミセル40や水の逆ミセル42のエマルションである触媒インク20を製造することができる。
According to the method for producing the
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。 As mentioned above, although the form for implementing this invention was demonstrated, this invention is not limited to such embodiment at all, and it can implement with a various form in the range which does not deviate from the summary of this invention. Of course.
本発明は、燃料電池の触媒層の製造産業などに利用可能である。 The present invention is applicable to the manufacturing industry of catalyst layers for fuel cells.
20 触媒インク、22 触媒、24 担体、26 触媒金属粒子、28 水、29 触媒ペースト、32 高分子電解質、34 スルホン酸基、38 疎水性溶媒、電解質溶液 39、40 触媒逆ミセル、42 水の逆ミセル、50 MEA(膜・電極接合体)、52 固体高分子膜、54 カソード、54a カソードガス拡散層、54b カソード触媒層、56 アノード、56a アノードガス拡散層、56b アノード触媒層、60 親水層、62 拡幅部。
20 catalyst ink, 22 catalyst, 24 carrier, 26 catalyst metal particles, 28 water, 29 catalyst paste, 32 polymer electrolyte, 34 sulfonic acid group, 38 hydrophobic solvent,
Claims (4)
前記疎水性溶媒は、水との混合に対して明確に相分離する溶媒であり、
前記高分子電解質は、親水相と疎水相との界面に存在し、
親水基を内側に向けた前記高分子電解質により前記触媒と水との混合物を核として包み込んで逆ミセル構造とした触媒逆ミセルのエマルション、
としたことを特徴とする触媒インク。 A catalyst ink mainly composed of a polymer electrolyte having a hydrophilic group in a side chain, a hydrophobic solvent, a catalyst, and water, and used for producing a catalyst layer of a fuel cell,
The hydrophobic solvent is a solvent that clearly phase-separates upon mixing with water,
The polymer electrolyte is present at the interface between the hydrophilic phase and the hydrophobic phase,
An emulsion of catalyst reverse micelles having a reverse micelle structure by wrapping the mixture of the catalyst and water as a nucleus with the polymer electrolyte with the hydrophilic group facing inward,
A catalyst ink characterized by that.
親水基を内側に向けた前記高分子電解質により水を核として包み込んで逆ミセル構造とした水の逆ミセルと前記触媒逆ミセルのエマルション、
としたことを特徴とする触媒インク。 The catalyst ink according to claim 1,
An emulsion of reverse micelles of water and the reverse micelles of the catalyst, which has a reverse micelle structure in which water is encapsulated by the polymer electrolyte with the hydrophilic group facing inward,
A catalyst ink characterized by that.
前記疎水性溶媒は、1−ブタノールである、
ことを特徴とする触媒インク。 The catalyst ink according to claim 1 or 2,
The hydrophobic solvent is 1-butanol;
The catalyst ink characterized by the above-mentioned.
請求項1ないし3のうちのいずれか1つの請求項に記載された触媒インクを導電性とガス透過性とを有するガス拡散層に塗布または印刷し、溶媒を乾燥することにより触媒層を形成する、
ことを特徴とする触媒層の製造方法。 A method for producing a catalyst layer of a fuel cell, comprising:
The catalyst ink according to any one of claims 1 to 3 is applied or printed on a gas diffusion layer having conductivity and gas permeability, and the solvent is dried to form a catalyst layer. ,
A method for producing a catalyst layer, wherein:
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