JP6492986B2 - Manufacturing method of membrane electrode assembly - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池に使用される膜電極接合体の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a membrane electrode assembly used in a fuel cell.

近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子形燃料電池(PEFC)は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。   In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. In particular, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is expected as a power source for electric vehicles because it operates at a relatively low temperature.

なかでも固体高分子膜を用いた固体高分子形燃料電池は、たとえば、固体酸化物形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池など、他のタイプの燃料電池と比較して低温で作動する。このため固体高分子形燃料電池は、定置用電源や、自動車などの移動体用動力源として期待されており、その実用も開始されている。   Among these, a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane operates at a lower temperature than other types of fuel cells such as a solid oxide fuel cell and a molten carbonate fuel cell. For this reason, the polymer electrolyte fuel cell is expected as a stationary power source or a power source for a moving body such as an automobile, and its practical use has been started.

一般的に固体高分子形燃料電池は、プロトン伝導体となる固体高分子電解質膜に一対の触媒層および一対のガス拡散層が積層された膜電極接合体を使用している。そして、触媒層には、触媒金属として白金(Pt)や白金合金に代表される高価な貴金属が用いられている。   Generally, a polymer electrolyte fuel cell uses a membrane electrode assembly in which a pair of catalyst layers and a pair of gas diffusion layers are laminated on a solid polymer electrolyte membrane serving as a proton conductor. In the catalyst layer, an expensive noble metal typified by platinum (Pt) or a platinum alloy is used as a catalyst metal.

従来、この膜電極接合体における触媒層の性能を確認するのに、触媒金属酸化物の還元電気量や触媒金属表面上の触媒金属酸化物被覆率の測定により、触媒活性の良し悪しを判定する技術が公開されている(非特許文献1)。このような触媒金属酸化物の還元電気量や触媒金属表面上の触媒金属酸化物被覆率は、燃料電池の性能を知るためのI−V特性の代替指標となり得るものとされている。   Conventionally, in order to confirm the performance of the catalyst layer in this membrane electrode assembly, whether the catalytic activity is good or bad is determined by measuring the amount of reducing metal of the catalytic metal oxide and the catalytic metal oxide coverage on the surface of the catalytic metal. The technology is disclosed (Non-patent Document 1). The amount of reduced metal of the catalytic metal oxide and the catalytic metal oxide coverage on the catalytic metal surface can be used as an alternative index of IV characteristics for knowing the performance of the fuel cell.

T. Nagai, H. Murata, Y. Morimoto, ECS Transactions, 33(1) 125-130 (2010), 10.1149/1.3484509 @ The Electrochemical SocietyT. Nagai, H. Murata, Y. Morimoto, ECS Transactions, 33 (1) 125-130 (2010), 10.1149 / 1.3484509 @ The Electrochemical Society

しかし、環境条件、とりわけ湿度環境条件の違いによる触媒層の活性を判断するには、従来技術では不十分であった。   However, the prior art is insufficient to determine the activity of the catalyst layer due to differences in environmental conditions, particularly humidity environmental conditions.

そこで、本発明の目的は、燃料電池用の膜電極接合体に使用されている触媒層が、湿度環境が変化した場合でも十分な活性を有しているか否かを判断することのできる膜電極接合体の製造方法を提供するものである。   Therefore, an object of the present invention is to determine whether a catalyst layer used in a membrane electrode assembly for a fuel cell has sufficient activity even when the humidity environment changes. A method for producing a joined body is provided.

本発明者らは、上記の問題を解決すべく鋭意研究の結果、低湿度での性能が低い触媒層においては、低湿度における触媒金属酸化物の還元電気量の変化量も小さい傾向を示すことを見出し本発明に至った。   As a result of diligent research to solve the above problems, the present inventors show that the amount of reduction in the amount of reduced electricity of the catalytic metal oxide at low humidity tends to be small in a catalyst layer with low performance at low humidity. And found the present invention.

すなわち、本発明の一つの膜電極接合体の製造方法は、電解質膜の両面に、それぞれ、カソード触媒層およびカソードガス拡散層ならびにアノード触媒層およびアノードガス拡散層を形成して、燃料電池用の膜電極接合体を製造する。そのうえで製造した膜電極接合体の触媒金属酸化物還元電気量を、少なくとも2点の任意の相対湿度で測定する。続いて測定した最高相対湿度点の触媒金属酸化物還元電気量によって、その他の相対湿度点の触媒金属酸化物還元電気量を割ることにより、最高相対湿度点の触媒金属酸化物還元電気量を基準とした各相対湿度点の触媒金属酸化物還元電気量の規格値を求める。そして、求めた規格値が所定値以上である膜電極接合体を良品と選別する。   That is, in one method of manufacturing a membrane electrode assembly of the present invention, a cathode catalyst layer, a cathode gas diffusion layer, an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer are formed on both surfaces of an electrolyte membrane, respectively. A membrane electrode assembly is manufactured. Then, the catalytic metal oxide reduction electricity quantity of the membrane electrode assembly produced thereon is measured at an arbitrary relative humidity of at least two points. Subsequently, the catalytic metal oxide reducing electricity at the other relative humidity point is divided by the measured catalytic metal oxide reducing electricity at the highest relative humidity point to obtain a reference for the catalytic metal oxide reducing electricity at the highest relative humidity point. The standard value of the catalytic metal oxide reducing electricity quantity at each relative humidity point is obtained. And the membrane electrode assembly whose obtained standard value is a predetermined value or more is selected as a non-defective product.

また、本発明の他の膜電極接合体の製造方法は、電解質膜の両面に、それぞれ、カソード触媒層およびカソードガス拡散層ならびにアノード触媒層およびアノードガス拡散層を形成して、燃料電池用の膜電極接合体を製造する。そのうえで製造した膜電極接合体の触媒金属酸化物還元電気量を、少なくとも3点の任意の相対湿度で測定する。続いて測定した少なくとも3点のそれぞれの相対湿度点の触媒金属酸化物還元電気量を測定した最高相対湿度点の触媒金属酸化物還元電気量によって割ることにより、最高相対湿度点の触媒金属酸化物還元電気量を基準とした各相対湿度点の触媒金属酸化物還元電気量の規格値を求める。続いて複数の相対湿度のうち相対湿度が高い方から2点を選択して、選択した2点の規格値を通る1次式を作成する。続いて1次式を用いて、1次式を作成した2点の相対湿度より低い相対湿度における規格値を算出する。続いて1次式から算出した規格値と、1次式から規格値を算出した相対湿度と同じ相対湿度における測定された触媒金属酸化物還元電気量から求めた規格値を比較して、その差分を取る。そしてこの差分を1次式から規格値を算出した相対湿度における触媒活性の低下量とみなし、この低下量が所定値未満である膜電極接合体を良品と選別する。   In addition, another method of manufacturing a membrane electrode assembly of the present invention includes a cathode catalyst layer, a cathode gas diffusion layer, an anode catalyst layer, and an anode gas diffusion layer formed on both surfaces of an electrolyte membrane, respectively. A membrane electrode assembly is manufactured. The catalytic metal oxide reduction electricity quantity of the membrane electrode assembly produced thereon is measured at an arbitrary relative humidity of at least three points. Subsequently, the catalytic metal oxide reducing electricity quantity at each of the at least three relative humidity points measured is divided by the measured catalytic metal oxide reducing electricity quantity at the highest relative humidity point to obtain the catalytic metal oxide at the highest relative humidity point. The standard value of the catalytic metal oxide reducing electricity quantity at each relative humidity point based on the reducing electricity quantity is obtained. Subsequently, two points having a higher relative humidity are selected from among a plurality of relative humidity, and a linear expression passing through the selected standard values of the two points is created. Subsequently, using the linear equation, a standard value at a relative humidity lower than the relative humidity at the two points where the linear equation was created is calculated. Subsequently, the standard value calculated from the primary equation is compared with the standard value obtained from the measured amount of catalytic metal oxide reduction at the same relative humidity as the relative humidity from which the standard value was calculated from the primary equation. I take the. Then, this difference is regarded as a reduction amount of the catalyst activity at the relative humidity where the standard value is calculated from the linear equation, and the membrane electrode assembly in which the reduction amount is less than the predetermined value is selected as a non-defective product.

本発明によれば、触媒層の触媒金属酸化物還元電気量を高加湿、低加湿条件で測定することで、湿度環境の変化に応じた触媒層の活性状態(触媒層利用率)を知ることができるようになる。このため、実運転加湿領域での触媒層活性を従来に対して高精度で推測でき、簡便に不良品を選別できる。   According to the present invention, the active state (catalyst layer utilization rate) of the catalyst layer according to changes in the humidity environment is known by measuring the catalytic metal oxide reducing electricity quantity of the catalyst layer under high and low humidification conditions. Will be able to. For this reason, the catalyst layer activity in the actual operation humidification region can be estimated with high accuracy compared to the prior art, and defective products can be easily selected.

固体高分子形燃料電池の基本構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the basic composition of a polymer electrolyte fuel cell. 触媒の構造を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the structure of a catalyst. 燃料電池用の膜電極接合体(MEA)の製造方法の手順を示す流れ図である。It is a flowchart which shows the procedure of the manufacturing method of the membrane electrode assembly (MEA) for fuel cells. Tetsuya Mashioらの文献によって示された、水活性(相対湿度)に対する触媒層の孔内に吸着される水の存在状態の関係を説明するための模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the relationship of the state of water adsorbed in the pores of a catalyst layer with respect to water activity (relative humidity) shown by Tetsuya Mashio et al. Tetsuya Mashioらの文献によって示された、実験例の触媒層による、水活性(相対湿度)に対する担体(カーボン)に吸着された水量を示すグラフである。It is a graph which shows the amount of water adsorb | sucked by the support | carrier (carbon) with respect to water activity (relative humidity) by the catalyst layer of the experiment example shown by the literature of Tetsuya Mashio et al. Tetsuya Mashioらの文献によって示された、I/Cの異なる触媒層による、水活性(相対湿度)に対する担体(カーボン)に吸着された水量を示すグラフである。It is a graph which shows the amount of water adsorb | sucked by the support | carrier (carbon) with respect to water activity (relative humidity) by the catalyst layer from which I / C shown by the literature of Tetsuya Mashio et al. 酸化物還元電気量の測定結果の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the measurement result of an oxide reduction electric quantity. 相対湿度90%の酸化物還元電気量qox(90%RH)を基準とした相対湿度90および40%のそれぞれの触媒酸化物還元電気量qox(90%RH)およびqox(40%RH)の規格値と、相対湿度との関係を示したグラフである。Respective catalytic oxide reducing electricity quantities q ox (90% RH) and q ox (40% RH ) of 90 and 40% relative humidity based on oxide reducing electricity quantity q ox (90% RH) of 90% relative humidity ) Is a graph showing the relationship between the standard value and relative humidity. 実施例1における酸化物還元電気量から求めた触媒層利用率と、前述したORR活性から求めた活性低下率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the catalyst layer utilization rate calculated | required from the oxide reduction electric energy in Example 1, and the activity fall rate calculated | required from the ORR activity mentioned above. 相対湿度90%の酸化物還元電気量qox(90%RH)を基準とした相対湿度90、70%、および40%のそれぞれの触媒酸化物還元電気量qox(90%RH)、qox(70%RH)、およびqox(40%RH)の規格値と、相対湿度との関係を示したグラフである。The respective catalytic oxide reducing electricity quantities q ox (90% RH) , q ox of relative humidity 90, 70% and 40% relative to the oxide reducing electricity quantity q ox (90% RH) of 90% relative humidity. It is the graph which showed the relationship between the standard value of (70% RH) and qox (40% RH) , and relative humidity. 実施例2における酸化物還元電気量から求めた触媒層利用率と、ORR活性から求めた活性低下率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the catalyst layer utilization rate calculated | required from the oxide reduction electric energy in Example 2, and the activity fall rate calculated | required from ORR activity. 低湿度活性の高い触媒層を用いて、相対湿度90%の酸化物還元電気量qox(90%RH)を基準とした相対湿度90、70%、および40%のそれぞれの触媒酸化物還元電気量qox(90%RH)、qox(70%RH)、およびqox(40%RH)の規格値と、相対湿度との関係を示したグラフである。Using a catalyst layer having a high low humidity activity, the catalytic oxide reducing electricity with relative humidity 90, 70%, and 40% relative to the oxide reducing electricity quantity q ox (90% RH) at 90% relative humidity. It is the graph which showed the relationship between the standard value of quantity qox (90% RH) , qox (70% RH) , and qox (40% RH) , and relative humidity.

以下、適宜図面を参照しながら、本発明の一実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明は、以下の実施形態のみには制限されない。なお、各図面は説明の便宜上誇張されて表現されており、各図面における各構成要素の寸法比率が実際とは異なる場合がある。また、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明した場合では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with appropriate reference to the drawings. However, the present invention is not limited only to the following embodiments. Each drawing is exaggerated for convenience of explanation, and the dimensional ratio of each component in each drawing may be different from the actual one. Further, when embodiments of the present invention are described with reference to the drawings, the same reference numerals are given to the same elements in the description of the drawings, and redundant descriptions are omitted.

<固体高分子形燃料電池>
まず、本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池の構成について説明する。燃料電池は、膜電極接合体(MEA)と、燃料ガスが流れる燃料ガス流路を有するアノード側セパレーターと酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有するカソード側セパレーターとからなる一対のセパレーターとを有する。
<Solid polymer fuel cell>
First, the configuration of the polymer electrolyte fuel cell according to the embodiment of the present invention will be described. A fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA), a pair of separators each including an anode side separator having a fuel gas flow path through which fuel gas flows and a cathode side separator having an oxidant gas flow path through which oxidant gas flows. Have.

図1は、燃料電池の一具体例である固体高分子形燃料電池(PEFC)1の基本構成を示す概略図である。PEFC 1は、まず、固体高分子電解質膜2と、これを挟持する一対の触媒層(アノード触媒層3aおよびカソード触媒層3c)とを有する。そして、固体高分子電解質膜2と触媒層(3a、3c)との積層体はさらに、一対のガス拡散層(GDL)(アノードガス拡散層4aおよびカソードガス拡散層4c)により挟持されている。このように、固体高分子電解質膜2、一対の触媒層(3a、3c)および一対のガス拡散層(4a、4c)は、積層された状態で膜電極接合体(MEA)10を構成する。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 1 which is a specific example of a fuel cell. The PEFC 1 first has a solid polymer electrolyte membrane 2 and a pair of catalyst layers (an anode catalyst layer 3a and a cathode catalyst layer 3c) that sandwich the membrane. The laminate of the solid polymer electrolyte membrane 2 and the catalyst layers (3a, 3c) is further sandwiched between a pair of gas diffusion layers (GDL) (anode gas diffusion layer 4a and cathode gas diffusion layer 4c). Thus, the polymer electrolyte membrane 2, the pair of catalyst layers (3a, 3c), and the pair of gas diffusion layers (4a, 4c) constitute a membrane electrode assembly (MEA) 10 in a stacked state.

PEFC 1において、MEA 10はさらに、一対のセパレーター(アノードセパレーター5aおよびカソードセパレーター5c)により挟持されている。図1において、セパレーター(5a、5c)は、図示したMEA 10の両端に位置するように図示されている。ただし、複数のMEAが積層されてなる燃料電池スタックでは、セパレーターは、隣接するPEFC(図示せず)のためのセパレーターとしても用いられるのが一般的である。換言すれば、燃料電池スタックにおいてMEAは、セパレーターを介して順次積層されることにより、スタックを構成することとなる。なお、実際の燃料電池スタックにおいては、セパレーター(5a、5c)と固体高分子電解質膜2との間や、PEFC 1とこれと隣接する他のPEFCとの間にガスシール部が配置されるが、図1ではこれらの記載を省略する。   In PEFC 1, the MEA 10 is further sandwiched between a pair of separators (anode separator 5a and cathode separator 5c). In FIG. 1, the separators (5 a, 5 c) are illustrated so as to be located at both ends of the illustrated MEA 10. However, in a fuel cell stack in which a plurality of MEAs are stacked, the separator is generally used as a separator for an adjacent PEFC (not shown). In other words, in the fuel cell stack, the MEAs are sequentially stacked via the separator to form a stack. In an actual fuel cell stack, a gas seal portion is disposed between the separator (5a, 5c) and the solid polymer electrolyte membrane 2, or between the PEFC 1 and another adjacent PEFC. These descriptions are omitted in FIG.

セパレーター(5a、5c)は、たとえば、厚さ0.5mm以下の薄板にプレス処理を施すことで図1に示すような凹凸状の形状に成形することにより得られる。セパレーター(5a、5c)のMEA側から見た凸部はMEA 10と接触している。これにより、MEA 10との電気的な接続が確保される。また、セパレーター(5a、5c)のMEA側から見た凹部(セパレーターの有する凹凸状の形状に起因して生じるセパレーターとMEAとの間の空間)は、PEFC 1の運転時にガスを流通させるためのガス流路として機能する。具体的には、アノードセパレーター5aのガス流路6aには燃料ガス(たとえば、水素など)を流通させ、カソードセパレーター5cのガス流路6cには酸化剤ガス(たとえば、空気など)を流通させる。   The separators (5a, 5c) can be obtained, for example, by forming a concavo-convex shape as shown in FIG. 1 by subjecting a thin plate having a thickness of 0.5 mm or less to a press treatment. The protrusions seen from the MEA side of the separators (5a, 5c) are in contact with the MEA 10. Thereby, the electrical connection with MEA 10 is ensured. In addition, a recess (space between the separator and the MEA generated due to the uneven shape of the separator) viewed from the MEA side of the separator (5a, 5c) is used for circulating gas during operation of the PEFC 1. Functions as a gas flow path. Specifically, a fuel gas (for example, hydrogen) is circulated through the gas flow path 6a of the anode separator 5a, and an oxidant gas (for example, air) is circulated through the gas flow path 6c of the cathode separator 5c.

一方、セパレーター(5a、5c)のMEA側とは反対の側から見た凹部は、PEFC 1の運転時にPEFCを冷却するための冷媒(たとえば、水)を流通させるための冷媒流路7とされる。さらに、セパレーターには通常、マニホールド(図示せず)が設けられる。このマニホールドは、スタックを構成した際に各セルを連結するための連結手段として機能する。かような構成とすることで、燃料電池スタックの機械的強度が確保されうる。   On the other hand, the recess viewed from the side opposite to the MEA side of the separators (5a, 5c) serves as a refrigerant flow path 7 for circulating a refrigerant (for example, water) for cooling the PEFC during operation of the PEFC 1. The Further, the separator is usually provided with a manifold (not shown). This manifold functions as a connection means for connecting cells when a stack is formed. With such a configuration, the mechanical strength of the fuel cell stack can be ensured.

なお、図1に示す実施形態においては、セパレーター(5a、5c)は凹凸状の形状に成形されている。ただし、セパレーターは、かような凹凸状の形態のみに限定されるわけではなく、ガス流路および冷媒流路の機能を発揮できる限り、平板状、一部凹凸状などの任意の形態であってもよい。   In addition, in embodiment shown in FIG. 1, the separator (5a, 5c) is shape | molded by the uneven | corrugated shape. However, the separator is not limited to such a concavo-convex shape, and may be any form such as a flat plate shape and a partially concavo-convex shape as long as the functions of the gas flow path and the refrigerant flow path can be exhibited. Also good.

燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では高分子電解質形燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、高分子電解質形燃料電池(PEFC)が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求される自動車などの移動体用電源として用いられることが特に好ましい。   The type of the fuel cell is not particularly limited. In the above description, the polymer electrolyte fuel cell has been described as an example, but in addition to this, an alkaline fuel cell, a direct methanol fuel cell, a micro fuel A battery etc. are mentioned. Among them, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is preferable because it is small and can achieve high density and high output. The fuel cell is useful as a stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. Among them, it is particularly preferable to use as a power source for a mobile body such as an automobile that requires a high output voltage after a relatively long time of operation stop.

燃料電池を運転する際に用いられる燃料は特に限定されない。たとえば、水素、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、第2級ブタノール、第3級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどが用いられうる。なかでも、高出力化が可能である点で、水素やメタノールが好ましく用いられる。   The fuel used when operating the fuel cell is not particularly limited. For example, hydrogen, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, secondary butanol, tertiary butanol, dimethyl ether, diethyl ether, ethylene glycol, diethylene glycol and the like can be used. Of these, hydrogen and methanol are preferably used in that high output is possible.

また、燃料電池の適用用途は特に限定されるものではないが、車両に適用することが好ましい。上記の膜電極接合体は、発電性能および耐久性に優れ、小型化が実現可能である。   Further, the application application of the fuel cell is not particularly limited, but it is preferably applied to a vehicle. The membrane electrode assembly described above is excellent in power generation performance and durability, and can be downsized.

(触媒層)
触媒層は、膜電極接合体に使用されている。一般的に触媒層は、触媒および電解質を含む。触媒は触媒金属が触媒担体(単に担体ともいう)に担持されてなる。
(Catalyst layer)
The catalyst layer is used for a membrane electrode assembly. Generally, the catalyst layer includes a catalyst and an electrolyte. The catalyst is formed by supporting a catalyst metal on a catalyst carrier (also simply referred to as a carrier).

(触媒)
ここで触媒の構造を説明する。図2は、触媒の構造を説明するための模式図である。
(catalyst)
Here, the structure of the catalyst will be described. FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the structure of the catalyst.

図2に示されるように、触媒20は、触媒金属22および担体23からなる。触媒20の担体23は、一次空孔24(メソ孔ともいう)を有する。一次空孔24は半径1nm以上の空孔である。また、1nm未満の空孔であるミクロ孔25も存在する。   As shown in FIG. 2, the catalyst 20 includes a catalytic metal 22 and a support 23. The carrier 23 of the catalyst 20 has primary pores 24 (also referred to as mesopores). The primary holes 24 are holes having a radius of 1 nm or more. There are also micropores 25 which are pores of less than 1 nm.

触媒金属22は、少なくとも一部が一次空孔24の内部に担持されていればよく、一部が担体23表面にされていてもよい。   It suffices that at least a part of the catalyst metal 22 is supported in the primary pores 24, and a part of the catalyst metal 22 may be provided on the surface of the carrier 23.

触媒はアイオノマー(固体プロトン伝導材)26と接触している。アイオノマー26は、担体23のメソ孔24内には侵入しない。このため、担体23表面の触媒金属22はアイオノマー26と接触するが、メソ孔24内部に担持された触媒金属22はアイオノマー26と非接触状態である。メソ孔24内の触媒金属が、アイオノマーと非接触状態で酸素ガスと水との三相界面を形成することにより、触媒金属の反応活性面積を確保できる。   The catalyst is in contact with an ionomer (solid proton conducting material) 26. The ionomer 26 does not enter the mesopores 24 of the carrier 23. For this reason, the catalytic metal 22 on the surface of the carrier 23 comes into contact with the ionomer 26, but the catalytic metal 22 supported in the mesopores 24 is not in contact with the ionomer 26. The catalytic metal in the mesopores 24 forms a three-phase interface between oxygen gas and water in a non-contact state with the ionomer, thereby ensuring a reaction active area of the catalytic metal.

(触媒金属)
触媒金属の一例を紹介するが、本実施形態における検査対象としての触媒層は、このような触媒金属を用いたものに限定されるものではない。
(Catalyst metal)
Although an example of a catalyst metal is introduced, the catalyst layer as an inspection target in the present embodiment is not limited to the one using such a catalyst metal.

触媒金属は、電気的化学反応の触媒作用をする機能を有する。触媒金属は、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。すなわち、触媒金属は、白金であるまたは白金と白金以外の金属成分を含む。   The catalytic metal has a function of catalyzing an electrochemical reaction. As the catalyst metal, one containing at least platinum is preferably used in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide, heat resistance and the like. That is, the catalytic metal is platinum or contains a metal component other than platinum and platinum.

白金以外の金属成分としては、特に制限はなく公知の触媒成分が同様にして使用でき、具体的には、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、銅、銀、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム、亜鉛等の金属などが挙げられる。白金以外の金属成分は1種であっても2種以上であってもよい。なかでも、触媒性能の観点からは、遷移金属であることが好ましい。ここで、遷移金属原子とは、第3族元素から第12族元素を指し、遷移金属原子の種類もまた、特に制限されない。触媒活性の観点から、遷移金属原子は、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、銅、亜鉛およびジルコニウムからなる群より選択されることが好ましい。   The metal component other than platinum is not particularly limited and can be used in the same manner as a known catalyst component. Specifically, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, copper, silver, chromium, Examples thereof include metals such as cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and zinc. One or more metal components other than platinum may be used. Especially, it is preferable that it is a transition metal from a viewpoint of catalyst performance. Here, the transition metal atom refers to a Group 3 element to a Group 12 element, and the type of the transition metal atom is not particularly limited. From the viewpoint of catalytic activity, the transition metal atom is preferably selected from the group consisting of vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, copper, zinc and zirconium.

合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、たとえば白金の含有量を30〜90原子%とし、白金と合金化する金属の含有量を10〜70原子%とするのがよい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、いずれであってもよい。   The composition of the alloy depends on the type of metal to be alloyed. For example, the content of platinum is preferably 30 to 90 atomic%, and the content of the metal alloyed with platinum is preferably 10 to 70 atomic%. In general, an alloy is a generic term for a metal element having one or more metal elements or non-metal elements added and having metallic properties. The alloy structure consists of a eutectic alloy, which is a mixture of the component elements as separate crystals, a component element completely melted into a solid solution, and a component element composed of an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. There is what is formed, and any may be sufficient.

触媒金属(触媒成分)の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状および大きさが採用されうる。形状としては、たとえば、粒状、鱗片状、層状などのものが使用できるが、好ましくは粒状である。この際、触媒粒子の平均粒子径は、好ましくは1〜30nm、より好ましくは2〜10nmである。触媒粒子の平均粒子径がかような範囲内の値であると、電気化学反応が進行する有効電極面積に関連する触媒層利用率と担持の簡便さとのバランスが適切に制御されうる。   The shape and size of the catalyst metal (catalyst component) are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be adopted. As the shape, for example, a granular shape, a scale shape, a layered shape, and the like can be used, but a granular shape is preferable. At this time, the average particle diameter of the catalyst particles is preferably 1 to 30 nm, more preferably 2 to 10 nm. When the average particle diameter of the catalyst particles is within such a range, the balance between the utilization rate of the catalyst layer related to the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds and the ease of loading can be appropriately controlled.

(触媒担体)
触媒担体は、上述した触媒金属を担持するための担体、および触媒金属と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。触媒担体も特に制限はなく、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよい。たとえば主成分がカーボンであるものが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3重量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。
(Catalyst carrier)
The catalyst carrier functions as a carrier for supporting the above-described catalyst metal and an electron conduction path involved in the exchange of electrons between the catalyst metal and another member. The catalyst carrier is not particularly limited as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. For example, the main component is preferably carbon. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. “The main component is carbon” means that the main component contains carbon atoms, and is a concept that includes both carbon atoms and substantially carbon atoms. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by weight or less is allowed.

触媒担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに十分な比表面積であればよい。触媒成分担持前の触媒担体前駆体のBET比表面積が700m/g以上であることが好ましく、800m/g以上であることがより好ましく、1200m/g以上であることがさらに好ましく、1500m/g以上であることが特に好ましい。比表面積が上記したような範囲であれば、触媒担体への触媒成分および高分子電解質が十分分散して十分な発電性能が得られ、また、触媒成分および高分子電解質を十分有効利用できるとともに、酸素輸送抵抗を低く制御しやすい。触媒担体前駆体成分のBET比表面積の上限は、3000m/g以下であることが好ましい、2500m/g以下であることがより好ましい。 The BET specific surface area of the catalyst carrier may be sufficient as long as the catalyst component is supported in a highly dispersed manner. The BET specific surface area of the catalyst carrier precursor before supporting the catalyst component is preferably 700 m 2 / g or more, more preferably 800 m 2 / g or more, further preferably 1200 m 2 / g or more, and 1500 m. 2 / g or more is particularly preferable. If the specific surface area is in the range as described above, the catalyst component and the polymer electrolyte are sufficiently dispersed in the catalyst carrier to obtain sufficient power generation performance, and the catalyst component and the polymer electrolyte can be sufficiently effectively used. Oxygen transport resistance is low and easy to control. The upper limit of the BET specific surface area of the catalyst carrier precursor component is preferably 3000 m 2 / g or less, and more preferably 2500 m 2 / g or less.

上記したような高い比表面積を有する触媒担体前駆体の製造方法としては、特開2010−208887号公報、国際公開第2009/075264号などに記載される方法が好ましく使用される。   As a method for producing a catalyst carrier precursor having a high specific surface area as described above, methods described in JP 2010-208887 A, WO 2009/075264, etc. are preferably used.

なお、本明細書において、「BET比表面積(m/g触媒担体)」は、窒素吸着法により測定される。詳細には、サンプル(炭素粉末、触媒粉末)約0.04〜0.07gを精秤し、試料管に封入する。この試料管を真空乾燥器で90℃×数時間予備乾燥し、測定用サンプルとする。秤量には、株式会社島津製作所製電子天秤(AW220)を用いる。なお、塗布シートの場合には、これの全重量から、同面積のテフロン(登録商標)(基材)重量を差し引いた塗布層の正味の重量約0.03〜0.04gを試料重量として用いる。次に、下記測定条件にて、BET比表面積を測定する。吸着・脱着等温線の吸着側において、相対圧(P/P0)約0.00〜0.45の範囲から、BETプロットを作成することで、その傾きと切片からBET比表面積を算出する。 In the present specification, “BET specific surface area (m 2 / g catalyst support)” is measured by a nitrogen adsorption method. Specifically, about 0.04 to 0.07 g of a sample (carbon powder, catalyst powder) is precisely weighed and sealed in a sample tube. This sample tube is preliminarily dried at 90 ° C. for several hours in a vacuum dryer to obtain a measurement sample. For weighing, an electronic balance (AW220) manufactured by Shimadzu Corporation is used. In the case of a coated sheet, a net weight of about 0.03 to 0.04 g of the coated layer obtained by subtracting the weight of Teflon (registered trademark) (base material) of the same area from the total weight is used as the sample weight. . Next, the BET specific surface area is measured under the following measurement conditions. On the adsorption side of the adsorption / desorption isotherm, a BET specific surface area is calculated from the slope and intercept by creating a BET plot from the relative pressure (P / P0) range of about 0.00 to 0.45.

[測定条件]
・測定装置:日本ベル株式会社製高精度全自動ガス吸着装置BELSORP36、
・吸着ガス:N
・死容量測定ガス:He、
・吸着温度:77K(液体窒素温度)、
・測定前処理:90℃真空乾燥数時間(Heパージ後測定ステージにセット)、
・測定モード:等温での吸着過程および脱着過程、
・測定相対圧P/P:約0〜0.99、
・平衡設定時間:1相対圧につき180sec。
[Measurement condition]
-Measuring device: Nippon Bell Co., Ltd. high-precision fully automatic gas adsorption device BELSORP36,
・ Adsorption gas: N 2 ,
-Dead volume measuring gas: He,
・ Adsorption temperature: 77K (liquid nitrogen temperature),
Pre-measurement treatment: 90 ° C. vacuum drying for several hours (set on measurement stage after He purge),
-Measurement mode: Isothermal adsorption and desorption processes,
Measurement relative pressure P / P 0 : about 0-0.99
-Equilibrium setting time: 180 sec per relative pressure.

また、触媒担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒層利用率、電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径が5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするのがよい。   Further, the size of the catalyst carrier is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the ease of loading, the utilization rate of the catalyst layer, the thickness of the electrode catalyst layer within an appropriate range, etc., the average particle size is 5 to 200 nm, The thickness is preferably about 10 to 100 nm.

触媒担体に触媒成分が担持された電極触媒において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは10〜80重量%、より好ましくは30〜70重量%とするのがよい。触媒成分の担持量がかような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散度と触媒性能とのバランスが適切に制御されうる。なお、本発明における「触媒担持率」は、触媒金属を担持する前の担体と、触媒金属を担持させた後の触媒の重量を測定することにより求められる値である。   In the electrode catalyst in which the catalyst component is supported on the catalyst carrier, the supported amount of the catalyst component is preferably 10 to 80% by weight, more preferably 30 to 70% by weight, based on the total amount of the electrode catalyst. When the supported amount of the catalyst component is within such a range, the balance between the degree of dispersion of the catalyst component on the catalyst support and the catalyst performance can be appropriately controlled. The “catalyst loading” in the present invention is a value obtained by measuring the weight of the carrier before supporting the catalyst metal and the catalyst after supporting the catalyst metal.

(触媒の製造方法)
触媒の製造方法(触媒担体前駆体への金属触媒の担持方法)は特に限定されず、従来公知の方法を用いることができる。たとえば、液相還元法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法が使用できる。または、電極触媒は、市販品を用いてもよい。
(Catalyst production method)
The method for producing the catalyst (the method for supporting the metal catalyst on the catalyst carrier precursor) is not particularly limited, and a conventionally known method can be used. For example, known methods such as liquid phase reduction method, evaporation to dryness method, colloid adsorption method, spray pyrolysis method, reverse micelle (microemulsion method) can be used. Alternatively, a commercially available electrode catalyst may be used.

液相還元法による触媒の製造方法としては、触媒担体前駆体の表面に触媒金属を析出させた後、熱処理を行う方法などが挙げられる。具体的には、たとえば、触媒金属の前駆体溶液に、触媒担体を浸漬して還元した後、熱処理を行う方法などが挙げられる。   Examples of the method for producing the catalyst by the liquid phase reduction method include a method in which a catalyst metal is deposited on the surface of the catalyst carrier precursor and then heat treatment is performed. Specifically, for example, a method in which a catalyst carrier is immersed in a catalyst metal precursor solution for reduction and then heat treatment is performed.

ここで、触媒金属の前駆体としては、特に制限されず、使用される触媒金属の種類によって適宜選択される。具体的には、上記白金等の触媒金属の塩化物、硝酸塩、硫酸塩、塩化物、酢酸塩およびアミン化合物などが例示できる。より具体的には、塩化白金(ヘキサクロロ白金酸六水和物)、塩化パラジウム、塩化ロジウム、塩化ルテニウム、塩化コバルトなどの塩化物、硝酸パラジウム、硝酸ロジウム、硝酸イリジウムなどの硝酸塩、硫酸パラジウム、硫酸ロジウムなどの硫酸塩、酢酸ロジウムなどの酢酸塩、ジニトロジアンミン白金硝酸、ジニトロジアンミンパラジウムなどのアンミン化合物などが好ましく、例示される。また、触媒金属の前駆体溶液の調製に使用される溶媒は、触媒金属の前駆体を溶解できるものであれば特に制限されず、使用される触媒金属の前駆体の種類によって適宜選択される。具体的には、水、酸、アルカリ、有機溶媒などが挙げられる。触媒金属の前駆体溶液中の触媒金属の前駆体の濃度は、特に制限されないが、金属換算で0.1〜50重量%であることが好ましく、より好ましくは0.5〜20重量%である。   Here, the catalyst metal precursor is not particularly limited, and is appropriately selected depending on the type of the catalyst metal used. Specific examples include chlorides, nitrates, sulfates, chlorides, acetates and amine compounds of catalyst metals such as platinum. More specifically, platinum chloride (hexachloroplatinic acid hexahydrate), palladium chloride, rhodium chloride, ruthenium chloride, cobalt chloride and other nitrates, palladium nitrate, rhodium nitrate, iridium nitrate and other nitrates, palladium sulfate, sulfuric acid Preferred examples include sulfates such as rhodium, acetates such as rhodium acetate, and ammine compounds such as dinitrodiammineplatinum nitrate and dinitrodiammine palladium. The solvent used for the preparation of the catalyst metal precursor solution is not particularly limited as long as it can dissolve the catalyst metal precursor, and is appropriately selected depending on the type of the catalyst metal precursor used. Specifically, water, an acid, an alkali, an organic solvent, etc. are mentioned. The concentration of the catalyst metal precursor in the catalyst metal precursor solution is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 50% by weight, more preferably 0.5 to 20% by weight in terms of metal. .

還元剤としては、水素、ヒドラジン、ホウ素化水素ナトリウム、チオ硫酸ナトリウム、クエン酸、クエン酸ナトリウム、L−アスコルビン酸、水素化ホウ素ナトリウム、ホルムアルデヒド、メタノール、エタノール、エチレン、一酸化炭素等が挙げられる。なお、水素などの常温でガス状の物質は、バブリングで供給することもできる。還元剤の量は、上記触媒金属の前駆体を触媒金属に還元できる量であれば特に制限されず、公知の量を同様にして適用できる。   Examples of the reducing agent include hydrogen, hydrazine, sodium borohydride, sodium thiosulfate, citric acid, sodium citrate, L-ascorbic acid, sodium borohydride, formaldehyde, methanol, ethanol, ethylene, carbon monoxide and the like. . Note that a gaseous substance at room temperature such as hydrogen can be supplied by bubbling. The amount of the reducing agent is not particularly limited as long as the catalyst metal precursor can be reduced to the catalyst metal, and known amounts can be similarly applied.

析出条件は、触媒金属が触媒担体に析出できる条件であれば特に制限されない。たとえば、析出温度は、溶媒の沸点付近の温度、より好ましくは室温〜100℃であることが好ましい。また、析出時間は、1〜10時間、より好ましくは2〜8時間であることが好ましい。なお、上記析出工程は、必要であれば、撹拌・混合しながら行ってもよい。これにより、触媒金属の前駆体が触媒金属に還元されて、触媒金属が触媒担体に析出(担持)する。   The deposition conditions are not particularly limited as long as the catalyst metal can be deposited on the catalyst carrier. For example, the deposition temperature is preferably near the boiling point of the solvent, more preferably from room temperature to 100 ° C. The deposition time is preferably 1 to 10 hours, more preferably 2 to 8 hours. In addition, you may perform the said precipitation process, stirring and mixing if necessary. Thereby, the precursor of the catalyst metal is reduced to the catalyst metal, and the catalyst metal is deposited (supported) on the catalyst carrier.

熱処理条件としては、たとえば、熱処理温度は、300〜1200℃、より好ましくは500〜1150℃、特に好ましくは700〜1000℃であることが好ましい。また、熱処理時間は、0.02〜3時間、より好ましくは0.1〜2時間、特に好ましくは0.2〜1.5時間であることが好ましい。なお、触媒金属前駆体の還元促進効果を考慮すると、熱処理工程は、水素ガスを含む雰囲気下、より好ましくは水素雰囲気で行われることが好ましい。   As heat treatment conditions, for example, the heat treatment temperature is preferably 300 to 1200 ° C, more preferably 500 to 1150 ° C, and particularly preferably 700 to 1000 ° C. The heat treatment time is preferably 0.02 to 3 hours, more preferably 0.1 to 2 hours, and particularly preferably 0.2 to 1.5 hours. In consideration of the reduction promoting effect of the catalyst metal precursor, the heat treatment step is preferably performed in an atmosphere containing hydrogen gas, more preferably in a hydrogen atmosphere.

(電解質(アイオノマー))
触媒層には、電極触媒に加えて、イオン伝導性の高分子電解質(アイオノマー)が含まれる。高分子電解質は特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうる。上記高分子電解質は、燃料極側の触媒活物質周辺で発生したプロトンを伝達する役割を果たすことから、プロトン伝導性高分子とも呼ばれる。たとえば、電解質層を構成するイオン交換樹脂が、高分子電解質として触媒層に添加されうる。
(Electrolyte (ionomer))
In addition to the electrode catalyst, the catalyst layer contains an ion conductive polymer electrolyte (ionomer). The polymer electrolyte is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to. Since the polymer electrolyte plays a role of transmitting protons generated around the catalyst active material on the fuel electrode side, it is also called a proton conductive polymer. For example, an ion exchange resin constituting the electrolyte layer can be added to the catalyst layer as a polymer electrolyte.

高分子電解質は特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうる。高分子電解質は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質と炭化水素系高分子電解質とに大別される。なお、フッ素系高分子電解質と炭化水素系高分子電解質の具体的な説明は下記固体高分子電解質膜における説明と同様であるため、ここでは説明を省略する。これらのうち、高分子電解質は、耐熱性、化学的安定性などに優れることから、フッ素原子を含むのが好ましい。特に、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。   The polymer electrolyte is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to. Polymer electrolytes are roughly classified into fluorine-based polymer electrolytes and hydrocarbon-based polymer electrolytes depending on the type of ion exchange resin that is a constituent material. In addition, since the specific description of the fluorine-based polymer electrolyte and the hydrocarbon-based polymer electrolyte is the same as the description of the solid polymer electrolyte membrane below, the description is omitted here. Among these, the polymer electrolyte preferably contains a fluorine atom because it is excellent in heat resistance, chemical stability, and the like. Particularly preferred are fluorine-based electrolytes such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like.

触媒層中の高分子電解質重量の含有量は特に限定されるものではないが、電極触媒中の触媒担体に対する高分子電解質重量の比が0.3〜1.2であることが好ましい。   The content of the polymer electrolyte weight in the catalyst layer is not particularly limited, but the ratio of the polymer electrolyte weight to the catalyst carrier in the electrode catalyst is preferably 0.3 to 1.2.

触媒層の形成方法は特に限定されないが、好適には、上記したような電極触媒、高分子電解質および溶剤からなる触媒インクを、高分子電解質膜またはガス拡散層表面に塗布することによって、触媒層を形成する方法が挙げられる。この際、溶剤としては、特に制限されず、触媒層を形成するのに使用される通常の溶剤が同様にして使用できる。具体的には、水、シクロヘキサノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール等の低級アルコールが使用できる。また、溶剤の使用量もまた、特に制限されず公知と同様の量が使用できる。   The method for forming the catalyst layer is not particularly limited. Preferably, the catalyst layer is preferably formed by applying a catalyst ink comprising the electrode catalyst, the polymer electrolyte and the solvent as described above to the surface of the polymer electrolyte membrane or the gas diffusion layer. The method of forming is mentioned. In this case, the solvent is not particularly limited, and usual solvents used for forming the catalyst layer can be used in the same manner. Specifically, lower alcohols such as water, cyclohexanol, ethanol, 1-propanol and 2-propanol can be used. Further, the amount of the solvent used is not particularly limited, and a known amount can be used.

触媒インクは、電極触媒、電解質および溶剤、ならびに必要であれば撥水性高分子および/または増粘剤、が適宜混合されたものであればその調製方法は特に制限されない。たとえば、電解質を極性溶媒に添加し、この混合液を加熱・攪拌して、電解質を極性溶媒に溶解した後、これに電極触媒を添加することによって、触媒インクが調製できる。または、電解質を、溶剤中に一旦分散/懸濁された後、上記分散/懸濁液を電極触媒と混合して、触媒インクを調製してもよい。また、電解質があらかじめ上記他の溶媒中に調製されている市販の電解質溶液(たとえば、デュポン製のNafion溶液:1−プロパノール中に5wt%の濃度でNafionが分散/懸濁したもの)をそのまま上記方法に使用してもよい。   The preparation method of the catalyst ink is not particularly limited as long as the electrode catalyst, the electrolyte and the solvent, and if necessary, the water-repellent polymer and / or the thickener are appropriately mixed. For example, a catalyst ink can be prepared by adding an electrolyte to a polar solvent, heating and stirring the mixed solution to dissolve the electrolyte in a polar solvent, and then adding an electrode catalyst thereto. Alternatively, after the electrolyte is once dispersed / suspended in a solvent, the dispersion / suspension may be mixed with an electrode catalyst to prepare a catalyst ink. In addition, a commercially available electrolyte solution (for example, DuPont Nafion solution: Nafion dispersed / suspended at a concentration of 5 wt% in 1-propanol) in which the electrolyte is previously prepared in the above other solvent is used as it is. May be used in the method.

上記したような触媒インクを、塗布基材、たとえば高分子電解質膜上に塗布して、各触媒層が形成される。この際、塗布基材上への触媒層の形成条件は、特に制限されず、公知の方法が同様にしてあるいは適宜修飾を加えて使用できる。たとえば、触媒インクを塗布基材上に、乾燥後の厚みが所望の厚みになるように、塗布し、真空乾燥機内にてまたは減圧下で、25〜150℃、より好ましくは60〜120℃で、5〜30分間、より好ましくは10〜20分間、乾燥する。なお、上記工程において、触媒層の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで、上記塗布・乾燥工程を繰り返す。触媒層(乾燥後)の厚みは、好ましくは0.5〜30μm、より好ましくは1〜20μm、さらに好ましくは1〜10μmである。   Each catalyst layer is formed by applying the catalyst ink as described above onto a coating substrate, for example, a polymer electrolyte membrane. At this time, the conditions for forming the catalyst layer on the coated substrate are not particularly limited, and can be used in the same manner as known methods or with appropriate modifications. For example, the catalyst ink is applied onto a coating substrate so that the thickness after drying becomes a desired thickness, and is 25 to 150 ° C., more preferably 60 to 120 ° C. in a vacuum dryer or under reduced pressure. For 5 to 30 minutes, more preferably 10 to 20 minutes. In addition, in the said process, when the thickness of a catalyst layer is not enough, the said application | coating and drying process is repeated until it becomes desired thickness. The thickness of the catalyst layer (after drying) is preferably 0.5 to 30 μm, more preferably 1 to 20 μm, and still more preferably 1 to 10 μm.

高分子電解質はプロトンの伝達を担うことになる。したがって、高分子電解質のプロトンの伝導度が重要となる。ここで、高分子電解質のEWが大きすぎる場合には触媒層全体でのイオン伝導性が低下する。したがって、EWの小さい高分子電解質を含むことが好ましい。具体的には、好ましくはEWが1500g/mol以下の高分子電解質を含み、より好ましくは1200g/mol以下の高分子電解質を含み、特に好ましくは1100g/mol以下の高分子電解質を含む。   The polymer electrolyte is responsible for proton transmission. Therefore, the proton conductivity of the polymer electrolyte is important. Here, when the EW of the polymer electrolyte is too large, the ionic conductivity in the entire catalyst layer is lowered. Therefore, it is preferable to include a polymer electrolyte having a small EW. Specifically, it preferably includes a polymer electrolyte having an EW of 1500 g / mol or less, more preferably a polymer electrolyte having 1200 g / mol or less, and particularly preferably a polymer electrolyte having 1100 g / mol or less.

一方、EWが小さすぎる場合には、親水性が高すぎて、水の円滑な移動が困難となる。このような観点から、高分子電解質のEWは600g/mol以上であることが好ましい。また、触媒層は、EWが異なる2種類以上の高分子電解質を含むようにしてもよい。   On the other hand, if the EW is too small, the hydrophilicity is too high, making it difficult to smoothly move water. From such a viewpoint, the EW of the polymer electrolyte is preferably 600 g / mol or more. Further, the catalyst layer may include two or more types of polymer electrolytes having different EWs.

なお、EW(Equivalent Weight)は、プロトン伝導性を有する交換基の当量重量を表している。当量重量は、イオン交換基1当量あたりのイオン交換膜の乾燥重量であり、「g/mol」の単位で表される。   Note that EW (Equivalent Weight) represents the equivalent weight of the exchange group having proton conductivity. The equivalent weight is the dry weight of the ion exchange membrane per equivalent of ion exchange group, and is expressed in units of “g / mol”.

(セパレーター)
セパレーターは、固体高分子形燃料電池などの燃料電池の単セルを複数個直列に接続して燃料電池スタックを構成する際に、各セルを電気的に直列に接続する機能を有する。また、セパレーターは、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却剤を互に分離する隔壁としての機能も有する。これらの流路を確保するため、上述したように、セパレーターのそれぞれにはガス流路および冷却流路が設けられていることが好ましい。セパレーターを構成する材料としては、緻密カーボングラファイト、炭素板などのカーボンや、ステンレスなどの金属など、従来公知の材料が適宜制限なく採用できる。セパレーターの厚さやサイズ、設けられる各流路の形状やサイズなどは特に限定されず、得られる燃料電池の所望の出力特性などを考慮して適宜決定できる。
(separator)
The separator has a function of electrically connecting cells in series when a plurality of single cells of a fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell are connected in series to form a fuel cell stack. The separator also functions as a partition wall that separates the fuel gas, the oxidant gas, and the coolant from each other. In order to secure these flow paths, as described above, each of the separators is preferably provided with a gas flow path and a cooling flow path. As a material constituting the separator, conventionally known materials such as dense carbon graphite, carbon such as a carbon plate, and metal such as stainless steel can be appropriately employed without limitation. The thickness and size of the separator and the shape and size of each channel provided are not particularly limited, and can be appropriately determined in consideration of the desired output characteristics of the resulting fuel cell.

<膜電極接合体の製造方法>
以下、本発明による実施形態の燃料電池用膜電極接合体の製造方法について説明する。
<Method for producing membrane electrode assembly>
Hereinafter, the manufacturing method of the membrane electrode assembly for fuel cells of embodiment by this invention is demonstrated.

図3は、燃料電池用の膜電極接合体(MEA)の製造方法の手順を示す流れ図である。   FIG. 3 is a flowchart showing a procedure of a method for manufacturing a membrane electrode assembly (MEA) for a fuel cell.

まず、触媒インクを作製する(S11)。触媒インクの作製は公知の方法であり、特に限定されるものではない。   First, a catalyst ink is produced (S11). The preparation of the catalyst ink is a known method and is not particularly limited.

続いて、できあがった触媒インクを用いて、MEAの組み立てを行う。これには、S11によって作製した触媒インクの一部を取り出し、電解質膜への塗布(転写)し(S12)、ガス拡散層(GDL)を接合して(S13)、MEAを組み立てる(S14)。ここでは、電解質膜の一方の面に、カソード触媒層およびカソードガス拡散層、他方の面にアノード触媒層およびアノードガス拡散層を形成して、膜電極接合体(MEA)を製造することになる。   Subsequently, the MEA is assembled using the resulting catalyst ink. For this, a part of the catalyst ink produced in S11 is taken out, applied (transferred) to the electrolyte membrane (S12), the gas diffusion layer (GDL) is joined (S13), and the MEA is assembled (S14). Here, a cathode catalyst layer and a cathode gas diffusion layer are formed on one surface of the electrolyte membrane, and an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer are formed on the other surface to manufacture a membrane electrode assembly (MEA). .

続いて、組み立てたMEAを、本発明に係る検査方法を用いて検査する(S15)。続いて、検査結果に基づいた選別を行う(S16)。この検査および選抜についての詳細は後述する。   Subsequently, the assembled MEA is inspected using the inspection method according to the present invention (S15). Subsequently, sorting based on the inspection result is performed (S16). Details of this inspection and selection will be described later.

その後選別によって良品(OK)となったMEAをその後の工程に流す(S17)。これにより良品となったMEAを使用して燃料電池スタックの組み立て、製造を行うことができるようになる。一方、選別によって不良(NG)となった場合は、そのMEAを用いても所望する性能が得られないので、そのMEA、またはそれを作った触媒インクは廃棄する(Ptをはじめとした原材料の一部(または全部)は回収して再利用する)(S18)。   Thereafter, the MEA that has become non-defective (OK) by sorting is passed to the subsequent process (S17). As a result, it becomes possible to assemble and manufacture the fuel cell stack using the MEA that has become non-defective. On the other hand, if it becomes defective (NG) by sorting, the desired performance cannot be obtained even if the MEA is used, so the MEA or the catalyst ink that made it is discarded (Pt and other raw material) Part (or all) is collected and reused) (S18).

なお、この手順では、MEAが良品と選別されたのち、そのままそのMEAを使用して燃料電池スタックの組み立てを行うこととした。しかし、MEA製造後全数検査ではなく、抜き取り検査としてもよい。   In this procedure, after the MEA is selected as a non-defective product, the fuel cell stack is assembled using the MEA as it is. However, it may be a sampling inspection instead of a 100% inspection after manufacturing the MEA.

<膜電極接合体(MEA)の検査方法>
膜電極接合体(MEA)の検査方法は、上述した膜電極接合体(MEA)における触媒層の活性が、湿度環境条件の違いによってどのように変化するか、特に、低湿度において十分な特性を発揮できるものであるか否かを検査するものである。本実施形態では、2つの検査方法がある。
<Inspection method of membrane electrode assembly (MEA)>
The method for inspecting the membrane electrode assembly (MEA) shows how the activity of the catalyst layer in the above-mentioned membrane electrode assembly (MEA) changes depending on the difference in humidity environment conditions, in particular, sufficient characteristics at low humidity. This is to check whether it can be demonstrated. In this embodiment, there are two inspection methods.

[第1の検査方法]
第1の検査方法は、以下の工程により行われる。
[First inspection method]
The first inspection method is performed by the following steps.

(工程(1):触媒金属酸化物還元電気量を測定する)
触媒層を形成したMEAを用いて試験用の単セルを製作する。単セルは、一般的なものであり、触媒金属酸化物還元電気量が測定できれば、特に限定されない。
(Process (1): Measure the catalytic metal oxide reduction electricity)
A single cell for testing is manufactured using the MEA on which the catalyst layer is formed. The single cell is a general one and is not particularly limited as long as the catalytic metal oxide reducing electricity can be measured.

触媒金属酸化物還元電気量はサイクリックボルタンメトリ(CV)により測定する。具体的には、セルのアノード側に水素(H)、カソード側に窒素(N)を流す。このとき、アノード側およびカソード側ともに、同じ加湿状態となるように水蒸気を導入する。設定する湿度については後述する。カソード側を作動極として、アノード側を参照極(SHE)および対極とする。そして、所定の電位により電位走査する。測定中カソード側流路の弁は閉じる。 The catalytic metal oxide reducing electricity is measured by cyclic voltammetry (CV). Specifically, hydrogen (H 2) to the anode side of the cell, flushed with nitrogen (N 2) on the cathode side. At this time, water vapor is introduced so that both the anode side and the cathode side are in the same humidified state. The humidity to be set will be described later. The cathode side is the working electrode, and the anode side is the reference electrode (SHE) and the counter electrode. Then, potential scanning is performed with a predetermined potential. During the measurement, the valve on the cathode side channel is closed.

電位走査は、セル温度80℃、作用極(カソード)対参照極(アノード)(以下同様)の電位を、0.85VvsSHEで1sec保持する。この保持時間は、酸化物生成に必要なもので、触媒金属表面積が非常に小さい場合は、1sec以上の時間保持して、触媒金属を十分に酸化させて、酸化物の還元電流密度が検知可能な値にする。   In the potential scan, the cell temperature is 80 ° C., and the potential of the working electrode (cathode) versus the reference electrode (anode) (hereinafter the same) is held at 0.85 V vs SHE for 1 sec. This holding time is necessary for oxide generation. If the surface area of the catalytic metal is very small, it can be held for 1 second or longer to sufficiently oxidize the catalytic metal and detect the reduction current density of the oxide. Set to a valid value.

その後0.85Vvs.SHEから0.4Vvs.SHEまで10mV/secで電位走査し、0.4V点付近で得られる極大電流密度値を基準として、還元電気量を触媒酸化物還元電気量として見積もる。このときの還元電気量は、Pt表面積あたりの面積に対する電気量として求める(具体例は後述する実施例により説明する)。ここで、0.85Vvs.SHEは、酸化物生成電位であり、その設定範囲は、触媒金属酸化物が生成する電位以上、かつ実際に使用される電位範囲の上限電位以下とする。この酸化物生成電位は、そもそも触媒金属酸化物が生成する電位でなければ意味がない。このため、下限は使用している触媒金属に酸化物が生成するために必要な電位以上とするのである。一方、上限は高電位による破壊が起こるほどの高い電位でなければ特に限定されない。このためこの上限は、たとえば、実際に燃料電池として使用する際の電位範囲で最も高い電位とすれば、触媒金属酸化物還元電気量の測定には十分である。   Then 0.85 Vvs. 0.4V vs. SHE. The potential is scanned up to SHE at 10 mV / sec, and the reduction electric quantity is estimated as the catalytic oxide reduction electric quantity on the basis of the maximum current density value obtained near the 0.4 V point. The amount of reduced electricity at this time is determined as the amount of electricity with respect to the area per Pt surface area (a specific example will be described in the examples described later). Here, 0.85 Vvs. SHE is an oxide generation potential, and the setting range is set to be equal to or higher than the potential at which the catalytic metal oxide is generated and equal to or lower than the upper limit potential of the potential range actually used. This oxide formation potential is meaningless unless it is a potential at which a catalytic metal oxide is formed. For this reason, a minimum is made more than the electric potential required in order to produce | generate an oxide in the catalyst metal currently used. On the other hand, the upper limit is not particularly limited as long as the potential is not high enough to cause breakdown due to a high potential. For this reason, for example, if the upper limit is set to the highest potential in the potential range when actually used as a fuel cell, it is sufficient for measurement of the catalytic metal oxide reducing electricity.

この第1の検査方法では、このような触媒酸化物還元電気量の測定を少なくとも2点の異なる相対湿度により実施する。選択する湿度は、高湿度側から少なくとも1点、低湿度側から少なくとも1点を、それぞれ任意に選択する。たとえば、相対湿度50%以上の領域を高湿度、相対湿度50%未満を低湿度とする。そして、相対湿度50%以上の高湿度側から1点、相対湿度50%未満の低湿度側から1点を選択する。これにより湿度環境に対する触媒層の活性に寄与する指標をより精度よく見積もることができる。より好ましくは、高湿度側は70〜90%、低湿度側は実使用状態での最低湿度〜40%程度とすればよい。高湿度側はより高い相対湿度とすることで、触媒金属にプロトン伝導体となる水を行き渡らせて触媒使用率の高い状態とするためである。一方、低湿度側は、実使用状態または任意の低湿度時における活性を見るためである。   In this first inspection method, such measurement of catalytic oxide reducing electricity is carried out at at least two different relative humidities. As the humidity to be selected, at least one point from the high humidity side and at least one point from the low humidity side are arbitrarily selected. For example, a region where the relative humidity is 50% or more is defined as high humidity, and a region where the relative humidity is less than 50% is defined as low humidity. Then, one point is selected from the high humidity side where the relative humidity is 50% or more, and one point is selected from the low humidity side where the relative humidity is less than 50%. Thereby, it is possible to estimate the index contributing to the activity of the catalyst layer with respect to the humidity environment more accurately. More preferably, the high humidity side may be set to 70 to 90%, and the low humidity side may be set to a minimum humidity of about 40% or less in actual use. This is because by setting the high humidity side to a higher relative humidity, the catalyst metal is spread with water serving as a proton conductor to achieve a high catalyst usage rate. On the other hand, the low-humidity side is for viewing the activity in the actual use state or at any low humidity.

ここで、湿度と触媒の関係を説明する。   Here, the relationship between the humidity and the catalyst will be described.

湿度と触媒の関係は、たとえば、文献、Tetsuya Mashio, Kazuyuki Sato, Atsushi Ohma, “Analysis of Water Adsorption and Condensation in Catalyst Layers for Polymer Electrolyte Fuel Cells”, Electrochimica Acta, 140 (2014), 238-249、に記載されている。   The relationship between humidity and catalyst is described in, for example, the literature, Tetsuya Mashio, Kazuyuki Sato, Atsushi Ohma, “Analysis of Water Adsorption and Condensation in Catalyst Layers for Polymer Electrolyte Fuel Cells”, Electrochimica Acta, 140 (2014), 238-249. Have been described.

湿度と触媒の関係は、端的にいえば、触媒担体に形成されている一次空孔に対してプロトン伝導体となる「水」がどの程度入り込むかの違いが、触媒活性の違いとなって現れるのである。   In short, the relationship between humidity and the catalyst appears as a difference in catalyst activity due to the amount of “water” that becomes the proton conductor in the primary pores formed in the catalyst carrier. It is.

当該文献によれば、典型的な触媒層(CL)として、Pt/KB(ケッチェンブラック)、アイオノマー対カーボンの重量比率(I(アイオノマー)/C(カーボン))0.9の実験例における相対湿度と触媒活性を例に説明している。ここではアイオノマー(電解質)は、ナフィオン(Nafion)(登録商標)である。   According to this document, as a typical catalyst layer (CL), Pt / KB (Ketjen Black), relative ratio of an ionomer to carbon weight ratio (I (ionomer) / C (carbon)) of 0.9 The humidity and catalytic activity are described as examples. Here, the ionomer (electrolyte) is Nafion (registered trademark).

図4は、Tetsuya Mashioらの文献によって示された、水活性(相対湿度)に対する触媒層の孔内に吸着される水の存在状態の関係を説明するための模式図である。   FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the relationship between the water activity (relative humidity) and the existence state of water adsorbed in the pores of the catalyst layer, which is shown by Tetsuya Mashio et al.

触媒は既にしたように(図2)、触媒20の担体23の表面にも一次空孔24内部にも触媒金属22であるPtが担持されている。一方、担体23の表面はアイオノマーによって覆われているが、一次空孔24内部にはアイオノマーが入り込んでいない。   As already described (FIG. 2), the catalyst metal 22 Pt is supported on the surface of the carrier 23 of the catalyst 20 and also in the primary pores 24. On the other hand, the surface of the carrier 23 is covered with an ionomer, but no ionomer enters the primary hole 24.

図4(a)は低加湿状態を示している。水活性0.4(相対湿度40%に相当)までの低い蒸気活性では、触媒の担体23表面でPt(触媒金属22、以下同様)への水30の吸着は起きている。しかし、一次空孔24内部では、ごくわずかにしか水30が入り込まず、ほとんど吸着していない。このような低湿度においては、アイオノマー26のスルホン酸性基は、水吸着のための主要な源になる。これは、プロトン伝導の観点から望ましいものである。このため低い水活性のときでもPt自身が水30を吸着する。   FIG. 4A shows a low humidified state. At a low steam activity up to a water activity of 0.4 (corresponding to a relative humidity of 40%), the adsorption of water 30 to Pt (catalyst metal 22, hereinafter the same) occurs on the surface of the catalyst carrier 23. However, only a very small amount of water 30 enters the primary air holes 24 and is hardly adsorbed. At such low humidity, the sulfonic acid group of the ionomer 26 becomes a major source for water adsorption. This is desirable from the viewpoint of proton conduction. For this reason, even when the water activity is low, Pt itself adsorbs the water 30.

次に、図4(b)は、水活性0.4〜0.9(相対湿度90%に相当)の状態を示している。水活性が0.4から0.9まで上昇すると、毛管凝縮が活性化し、指数的に増大し始める。0.4から0.9への水活性では、二次空孔32の一部にはまだ気相が残っているが、一次空孔24の親水性部分は水30で満たされるようになる。つまり、二次空孔32内は、0.4〜0.9で水蒸気が凝集した水で満たされないが、一次空孔24内部は水で満たされるようになる。このため、アイオノマー26から一次空孔24内部までのプロトンパスが形成されるようになる。したがって、電気化学の変換のための最適な状態は、水活性が0.9で達成される。一次空孔24内の凝集した水がアイオノマー26からの反応物ガスとプロトンの供給を促進する。なお、二次空孔32とは触媒層内における担体間の空孔のことをいう。   Next, FIG.4 (b) has shown the state of water activity 0.4-0.9 (equivalent to 90% of relative humidity). As water activity increases from 0.4 to 0.9, capillary condensation is activated and begins to increase exponentially. In the water activity from 0.4 to 0.9, the gas phase still remains in a part of the secondary holes 32, but the hydrophilic part of the primary holes 24 is filled with water 30. That is, the secondary holes 32 are not filled with water in which water vapor is condensed at 0.4 to 0.9, but the primary holes 24 are filled with water. For this reason, a proton path from the ionomer 26 to the inside of the primary hole 24 is formed. Thus, the optimal state for electrochemical conversion is achieved with a water activity of 0.9. Aggregated water in the primary cavities 24 facilitates the supply of reactant gases and protons from the ionomer 26. In addition, the secondary void | hole 32 means the void | hole between the support | carriers in a catalyst layer.

次に、図4(c)は、水活性0.9から1(相対湿度100%に相当)までの状態を示している。この状態では、凝集した水30が二次空孔32も満たすようになる。   Next, FIG.4 (c) has shown the state from water activity 0.9 to 1 (equivalent to 100% of relative humidity). In this state, the condensed water 30 also fills the secondary holes 32.

図5は、前述したTetsuya Mashioらの文献によって示された実験例の触媒層による、水活性(相対湿度)に対する担体(カーボン)に吸着された水量を示すグラフである。縦軸は担体〈カーボン〉1g当たりの水吸着量、横軸は水活量(相対湿度に相当)である。なお、グラフ中において「モデル」とは前述した文献における水吸着が起こる触媒層を想定した数学的モデルである。   FIG. 5 is a graph showing the amount of water adsorbed on the carrier (carbon) with respect to the water activity (relative humidity) by the catalyst layer of the experimental example shown by Tetsuya Mashio et al. The vertical axis represents the amount of water adsorbed per gram of carrier <carbon>, and the horizontal axis represents the water activity (corresponding to the relative humidity). In the graph, the “model” is a mathematical model assuming a catalyst layer in which water adsorption occurs in the above-mentioned literature.

図5のグラフから、実験例および数学モデルともに、水活量が上昇するに従って触媒層における水吸着量が増加している。また、水活量が0.4付近から微細孔(一次空孔を含む)の凝縮水が増加する。一方、アイオノマーの水吸着量、担体の水吸着量、およびPtへの水吸着量はいずれも水活量の上昇に伴い、わずかながら上昇している。このことからも、図4(a)〜(c)に示した模式図のとおり、水活量0.4(すなわち相対湿度40%)を超えたあたりから、触媒層を構成する触媒担体の一次空孔内部へも水が入り込んで、担体表面に存在するアイオノマーから一次空孔内部の触媒金属へのプロトンパスができあがることがわかる。   From the graph of FIG. 5, in both the experimental example and the mathematical model, the water adsorption amount in the catalyst layer increases as the water activity increases. Further, the condensed water having fine pores (including primary vacancies) increases from around 0.4 in the water activity. On the other hand, the water adsorption amount of the ionomer, the water adsorption amount of the carrier, and the water adsorption amount to Pt all increase slightly as the water activity increases. Also from this, as shown in the schematic diagrams shown in FIGS. 4A to 4C, the primary catalyst carrier constituting the catalyst layer from when the water activity exceeds 0.4 (that is, relative humidity 40%). It can be seen that water also enters the pores, and a proton path is formed from the ionomer present on the surface of the support to the catalytic metal inside the primary pores.

このように、前述した文献を参考にすれば、相対湿度40%以上であれば、通常はある程度の触媒活性が得られると考えられる。そこで、本実施形態では、既に説明したように、余裕を見て相対湿度50%を高湿度側として十分な触媒活性の得られる領域とし、この領域から少なくとも1点を選択するようにしたものである。   Thus, referring to the above-mentioned literature, it is considered that a certain degree of catalytic activity is usually obtained when the relative humidity is 40% or more. Therefore, in the present embodiment, as already described, a relative humidity of 50% is set as a high humidity side with a margin, and a sufficient catalytic activity is obtained, and at least one point is selected from this region. is there.

(工程(2):湿度に対する触媒金属の活性を求める)
次に、上記工程(1)による、2点の異なる相対湿度により求めた触媒酸化物還元電気量の値を用いて、湿度に対する触媒金属の活性を見積もる。これには、最高相対湿度における触媒酸化物還元電気量の値を基準として、低湿度における触媒酸化物還元電気量の値を規格化する。具体的には、(低湿度における触媒酸化物還元電気量の値)/(最高相対湿度における触媒酸化物還元電気量の値)を算出すればよい。これにより算出した値を規格値と称する。最高相対湿度は測定した湿度が低湿度と高湿度の2点であれば、高湿度側の1点の触媒酸化物還元電気量の値となる。
(Step (2): Obtain activity of catalytic metal against humidity)
Next, the activity of the catalytic metal with respect to humidity is estimated using the value of the catalytic oxide reducing electricity quantity obtained from two different relative humidities in the step (1). For this purpose, the value of the catalytic oxide reducing electricity quantity at the low relative humidity is normalized with the value of the catalytic oxide reducing electricity quantity at the maximum relative humidity as a reference. Specifically, (value of catalytic oxide reducing electricity at low humidity) / (value of catalytic oxide reducing electricity at maximum relative humidity) may be calculated. The value thus calculated is referred to as a standard value. If the measured relative humidity is two points of low humidity and high humidity, the maximum relative humidity is the value of the catalytic oxide reducing electricity quantity at one point on the high humidity side.

得られた規格値が、その湿度における活性を表す指標となる。たとえば、低湿度において規格値が低い触媒層は、水分が少ないと触媒金属の利用率が低くなることを示している。一方、低湿度において規格値が高い触媒層は、水分が少なくても触媒金属の利用率が高くなることを示している。したがって、低湿度において規格値が高い方がより性能の良い触媒層ということができる。   The standard value obtained is an index representing the activity at the humidity. For example, a catalyst layer having a low standard value at low humidity indicates that the utilization rate of the catalyst metal is low when the moisture is low. On the other hand, a catalyst layer having a high standard value at low humidity indicates that the utilization factor of the catalyst metal is high even if the moisture is low. Therefore, it can be said that the higher the standard value at lower humidity, the better the catalyst layer.

より具体的な検査方法およびそれにより得られる規格値については後述する実施例により説明する。   More specific inspection methods and standard values obtained thereby will be described in the following examples.

[第2の検査方法]
次に、第2の検証方法を説明する。第2の検証方法は、以下の工程により行われる。
[Second inspection method]
Next, the second verification method will be described. The second verification method is performed by the following steps.

(工程(1):触媒金属酸化物還元電気量を測定する)
第1の検証方法同様に、触媒層を形成したMEAを用いて単セルを製作し、任意の温度および湿度を加えられるようにして触媒金属酸化物還元電気量を測定する。測定方法は第1の検査方法と同じでよいので、説明は省略する。
(Process (1): Measure the catalytic metal oxide reduction electricity)
Similarly to the first verification method, a single cell is manufactured using the MEA having the catalyst layer formed, and the catalytic metal oxide reducing electricity quantity is measured so that an arbitrary temperature and humidity can be applied. Since the measurement method may be the same as the first inspection method, description thereof is omitted.

第2の検証方法では、触媒酸化物還元電気量の測定を少なくとも3点の異なる相対湿度により実施する。選択する湿度は、たとえば、相対湿度50%以上の領域を高湿度、相対湿度50%未満を低湿度とする。そして、高湿度側から少なくとも2点、低湿度側から少なくとも1点を、それぞれ任意に選択する。ここでも第1の検査方法同様に、高湿度側を通常は触媒活性が得られる領域とする。   In the second verification method, the catalytic oxide reducing electricity quantity is measured at at least three different relative humidities. As the humidity to be selected, for example, a region where the relative humidity is 50% or more is set as high humidity, and a relative humidity of less than 50% is set as low humidity. Then, at least two points from the high humidity side and at least one point from the low humidity side are arbitrarily selected. Here again, as in the first inspection method, the high humidity side is usually set as a region where catalytic activity can be obtained.

(工程(2):湿度に対する触媒金属の活性を求める)
次に、3点の異なる相対湿度により求めた触媒酸化物還元電気量の値を用いて、湿度に対する触媒金属の活性を求める。
(Step (2): Obtain activity of catalytic metal against humidity)
Next, the activity of the catalytic metal with respect to humidity is obtained using the value of the catalytic oxide reducing electricity obtained at three different relative humidity.

これには、まず最高相対湿度の触媒酸化物還元電気量の値を基準にして、すべての相対湿度における触媒酸化物還元電気量の値をそれぞれ規格化する(規格値を得る)。   For this purpose, first, the value of the catalytic oxide reducing electric quantity at all the relative humidity is normalized based on the value of the catalytic oxide reducing electric quantity at the maximum relative humidity (a standard value is obtained).

そして高湿度側の2点の規格値から得られる1次式を作成する。1次式(y=ax+b)は、yを規格値、xを湿度とする。   Then, a linear expression obtained from two standard values on the high humidity side is created. In the linear expression (y = ax + b), y is a standard value and x is humidity.

この1次式を用いて低湿度点の規格値を算出(算出規格値という)する。そしてこの算出規格値と、実測した低湿度点の触媒酸化物還元電気量から得られた規格値の差分を取る。得られた差分の値が触媒活性の低下量となる。これを百分率で表し、100−低下量(百分率値)とすることで触媒層利用率とすることができる。そして触媒層利用率を指標として低加湿での触媒層の活性の良否を判定するのである。触媒層利用率ではなく、低下量を直接指標としてもよい。   The standard value of the low humidity point is calculated (referred to as a calculated standard value) using this linear expression. Then, the difference between this calculated standard value and the standard value obtained from the measured amount of catalytic oxide reducing electricity at the low humidity point is taken. The difference value obtained is the amount of decrease in the catalyst activity. This is expressed as a percentage, and the catalyst layer utilization can be obtained by setting it as 100-decrease amount (percentage value). Then, the quality of the catalyst layer under low humidification is judged using the catalyst layer utilization rate as an index. The amount of decrease may be used as a direct index instead of the catalyst layer utilization rate.

なお、1次式はグラフから求めることもできる(後述実施例2参照)。これには横軸に湿度、縦軸に規格値を用いたグラフを使用する(図10参照)。そして高湿度側の2点の触媒酸化物還元電気量の規格値を通る線(すなわち上記1次式の線である)を描く。この線を伸ばすことで外挿線を得る。この外挿線上における低湿度点でのグラフの値が1次式から算出した低湿度点の規格値ということになる。後は上記同様にグラフから得られた規格値と、測定によって得られた低湿度点の規格値の差分を取って、低加湿での触媒層の活性を良品判定する。   The primary expression can also be obtained from a graph (see Example 2 described later). For this, a graph using humidity on the horizontal axis and standard values on the vertical axis is used (see FIG. 10). Then, a line passing through the standard value of the catalytic oxide reducing electricity quantity at two points on the high humidity side (that is, the line of the primary expression) is drawn. An extrapolated line is obtained by extending this line. The value of the graph at the low humidity point on this extrapolation line is the standard value of the low humidity point calculated from the linear expression. After that, the difference between the standard value obtained from the graph in the same manner as described above and the standard value of the low humidity point obtained by the measurement is taken, and the activity of the catalyst layer at low humidification is determined as good.

ここで、高湿度側2点の触媒酸化物還元電気量の値から直線(1次式または外挿線)を用いて良否判定する理由を説明する。   Here, the reason why the quality is determined using a straight line (primary expression or extrapolation line) from the value of the catalytic oxide reducing electricity quantity at two points on the high humidity side will be described.

図6は前述したTetsuya Mashioらの文献によって示された、I/Cの異なる触媒層による、水活性(相対湿度)に対する担体(カーボン)に吸着された水量を示すグラフである。縦軸は担体1g当たりの水吸着量、横軸は水活量(相対湿度に相当)である。なお、グラフ中において「モデル」とは前述した文献における水吸着が起こる触媒層を想定した数学的モデルである。I/Cとはカーボン担体に対するアイオノマーの質量比である。   FIG. 6 is a graph showing the amount of water adsorbed on the carrier (carbon) with respect to the water activity (relative humidity) by the catalyst layers having different I / C, as shown by the above-mentioned Tetsuya Mashio et al. The vertical axis represents the amount of water adsorbed per 1 g of the carrier, and the horizontal axis represents the water activity (corresponding to the relative humidity). In the graph, the “model” is a mathematical model assuming a catalyst layer in which water adsorption occurs in the above-mentioned literature. I / C is the mass ratio of ionomer to carbon support.

図6のグラフから、I/Cが異なっても、水活量が0.4−0.9(すなわち相対湿度が40%〜90%)の間では、触媒層上の水吸着量が、ほぼ直線的な挙動であることがわかる。また、代表的な酸化物生成反応は下記(1)式であることから、水活量減少による理論的な酸化物生成量の減少挙動を相対湿度に対して直線(1次式)で近似したものである。   From the graph of FIG. 6, even if I / C is different, the water adsorption amount on the catalyst layer is almost equal when the water activity is 0.4-0.9 (that is, the relative humidity is 40% to 90%). It turns out that it is a linear behavior. In addition, since the typical oxide formation reaction is the following equation (1), a theoretical decrease in the amount of oxide formation due to a decrease in water activity is approximated by a straight line (primary equation) with respect to relative humidity. Is.

O+Pt→Pt−OH+H+e …(1)
このことから、高湿度側2点を通る直線(1次式)によって得られる、低湿度における1次式からの算出値(外挿値)は、湿度が低下したことで失われた水活量分だけ活性が低下したことを表している。このため低湿度における算出値(外挿値)は、その湿度における水活量減少による酸化物生成量の減少挙動に近い触媒利用率を表しているといえる。そしてこの算出値(外挿値)と実測値の差は、低湿度において理論的な活性の減少量から、実際の触媒層の活性がどの程度低いかを示すことになる。したがって、この差分の値が少なければ少ないほど、低湿度状態においても活性が高いことを示すことになる。これにより、湿度環境に対する触媒層の活性に寄与する触媒層利用率をより精度よく検証できる。
H 2 O + Pt → Pt—OH + H + + e (1)
From this, the calculated value (extrapolated value) from the primary equation at low humidity obtained by a straight line passing through two points on the high humidity side (primary equation) is the water activity lost due to the decrease in humidity. It shows that the activity decreased by the amount. For this reason, it can be said that the calculated value (extrapolated value) at low humidity represents the catalyst utilization rate close to the reduction behavior of the oxide generation amount due to the decrease in water activity at the humidity. The difference between the calculated value (extrapolated value) and the actually measured value indicates how low the actual activity of the catalyst layer is from the theoretical decrease in activity at low humidity. Therefore, the smaller the difference value, the higher the activity even in a low humidity state. Thereby, the utilization rate of the catalyst layer contributing to the activity of the catalyst layer with respect to the humidity environment can be verified with higher accuracy.

なお、具体的な外挿線および規格値については後述する実施例により説明する。   Specific extrapolation lines and standard values will be described with reference to examples described later.

<検査方法の使い分け>
上述した2つの検査方法の使い分けについて説明する。
<Selection of inspection method>
The proper use of the above-described two inspection methods will be described.

低湿度でも活性の高い触媒層の場合、第1の検証方法では、低湿度で活性が高いにもかかわらず、触媒層利用率が低下していると見積もられることがある。これは第1の検証方法では、低湿度における酸化物還元電気量の値を高湿度の酸化物還元電気量の値で割っただけであるため、結果的に単純に活性100%からの減少量を示すことになってしまうためである。   In the case of a catalyst layer that is highly active even at low humidity, the first verification method may estimate that the utilization rate of the catalyst layer is decreased despite high activity at low humidity. This is because, in the first verification method, the value of oxide reduction electricity at low humidity is simply divided by the value of oxide reduction electricity at high humidity. It is because it will show.

一方、第2の検証方法では、触媒の微細な空孔構造などから、プロトン伝導体となる水が少ないために低下した活性の分をあらかじめ引いた値から低加湿時の触媒層利用率を見積もることになる。このためより精度良く、触媒層利用率を見積もることができる。   On the other hand, in the second verification method, the utilization rate of the catalyst layer at the time of low humidification is estimated from a value obtained by subtracting the amount of activity that has decreased due to the small amount of water serving as a proton conductor from the fine pore structure of the catalyst. It will be. For this reason, it is possible to estimate the catalyst layer utilization rate with higher accuracy.

このため低湿度でも活性が高い触媒が得られたなら、第2の検証方法により検証することが好ましいものとなる。一方、第1の検証方法は、少なくとも2点の酸化物還元電気量を測定して、それらの値を割り算すればよいだけであるので、第2の検証方法よりも、測定や計算処理が少なくて、簡便に触媒層利用率を得ることができる。   For this reason, if a catalyst having high activity even at low humidity is obtained, it is preferable to verify by the second verification method. On the other hand, in the first verification method, it is only necessary to measure at least two oxide reduction electric quantities and divide those values, and therefore, there is less measurement and calculation processing than the second verification method. Thus, the utilization rate of the catalyst layer can be easily obtained.

本発明の効果を、以下の実施例を用いて説明する。   The effect of this invention is demonstrated using a following example.

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

(触媒の合成)
国際公開第2009/75264号に記載の方法により、担体Aを作製した。このようにして得られた担体Aについて、平均粒径(直径)、ミクロ孔およびメソ孔の空孔容積、ミクロ孔およびメソ孔のモード径ならびにBET比表面積を測定した。その結果、平均粒径(直径)が100nm;ミクロ孔の空孔容積が1.06cc/g;メソ孔の空孔容積が0.92cc/g;ミクロ孔のモード径が0.65nm;メソ孔のモード径が1.2nm;およびBET比表面積が1753m/gであった。
(Catalyst synthesis)
Carrier A was prepared by the method described in WO2009 / 75264. The carrier A thus obtained was measured for average particle diameter (diameter), micropore and mesopore void volume, micropore and mesopore mode diameter, and BET specific surface area. As a result, the average particle diameter (diameter) is 100 nm; the pore volume of micropores is 1.06 cc / g; the pore volume of mesopores is 0.92 cc / g; the mode diameter of micropores is 0.65 nm; Mode diameter was 1.2 nm; and the BET specific surface area was 1753 m 2 / g.

上記のとおり作製した担体Aを用い、これに触媒金属として平均粒径3.5nmの白金(Pt)を担持率が50重量%となるように担持させて、触媒粉末Aを得た。すなわち、白金濃度4.6重量%のジニトロジアンミン白金硝酸溶液を1000g(白金含有量:46g)に担体Aを46g浸漬させ撹拌後、還元剤として100%エタノールを100ml添加した。この溶液を沸点で7時間、撹拌、混合し、白金を担体Aに担持させた。そして、濾過、乾燥することにより、担持率が30重量%の触媒粉末を得た。その後、水素雰囲気において、温度900℃に1時間保持し、平均粒径(直径)が100nmである触媒粉末Aを得た。   Using the carrier A prepared as described above, platinum (Pt) having an average particle diameter of 3.5 nm was supported on the carrier metal so that the supporting rate was 50% by weight, and catalyst powder A was obtained. Specifically, 46 g of carrier A was immersed in 1000 g (platinum content: 46 g) of a dinitrodiammine platinum nitric acid solution having a platinum concentration of 4.6% by weight, and 100 ml of 100% ethanol was added as a reducing agent. This solution was stirred and mixed at the boiling point for 7 hours, and platinum was supported on the carrier A. The catalyst powder having a loading rate of 30% by weight was obtained by filtration and drying. Thereafter, in a hydrogen atmosphere, the temperature was maintained at 900 ° C. for 1 hour to obtain catalyst powder A having an average particle diameter (diameter) of 100 nm.

[MEAの製作]
(カソード触媒インクの調製)
作製した触媒粉末Aと、高分子電解質としてのアイオノマー分散液(Nafion(登録商標)D2020,EW=1100g/mol、DuPont社製)とを担体Aとアイオノマーの重量比が0.9となるよう混合した(混合物1)。別途、水とn−プロピルアルコール(NPA)との混合重量比が60/40である混合溶媒1を調製した。この混合溶媒1を、上記混合物1に、固形分率(Pt+カーボン担体+アイオノマー)が7重量%となるよう添加して、カソード触媒インクを調製した。
[Production of MEA]
(Preparation of cathode catalyst ink)
The produced catalyst powder A and an ionomer dispersion (Nafion (registered trademark) D2020, EW = 1100 g / mol, manufactured by DuPont) as a polymer electrolyte are mixed so that the weight ratio of the carrier A and the ionomer is 0.9. (Mixture 1). Separately, a mixed solvent 1 having a mixing weight ratio of water and n-propyl alcohol (NPA) of 60/40 was prepared. The mixed solvent 1 was added to the mixture 1 so that the solid content (Pt + carbon carrier + ionomer) was 7% by weight to prepare a cathode catalyst ink.

ここでは、あらかじめ低湿度でも活性が低いDry性能未改善品と、低湿度でも活性が高いDry性能改善品の触媒を用いて触媒インクを調整した。   Here, the catalyst ink was prepared in advance using a catalyst of a dry performance unimproved product having low activity even at low humidity and a dry performance improved product having high activity even at low humidity.

Dry性能未改善品およびDry性能改善品のそれぞれの調整方法を説明する。   Each adjustment method of the Dry performance unimproved product and the Dry performance improved product will be described.

Dry性能未改善品については、上記触媒粉末Aを用いた触媒である。一方、Dry性能改善品については、EW値が650g/molであるアイオノマーを用い、担体Aとアイオノマーの重量比を1.3とした。   About the product whose Dry performance is not improved, the catalyst powder A is used. On the other hand, for the Dry performance improved product, an ionomer having an EW value of 650 g / mol was used, and the weight ratio of the carrier A to the ionomer was set to 1.3.

これにより、触媒層に使用している電解質のEW値は、Dry性能未改善品に対して、Dry性能改善品は、約0.65倍程度低くなっている。また、触媒層に使用している電解質の重量は、Dry性能未改善品に対して、Dry性能改善品は、約1.4倍程度高くなっている。   Thereby, the EW value of the electrolyte used for the catalyst layer is about 0.65 times lower in the Dry performance improved product than in the Dry performance unimproved product. Further, the weight of the electrolyte used in the catalyst layer is about 1.4 times higher in the dry performance improved product than in the dry performance unimproved product.

(アノード触媒インクの調製)
担体として、ケッチェンブラック(粒径:30〜60nm)を用い、これに触媒金属として平均粒径2.5nmの白金(Pt)を担持率が50重量%となるように担持させて、触媒粉末を得た。この触媒粉末と、高分子電解質としてのアイオノマー分散液(Nafion(登録商標)D2020,EW=1100g/mol、DuPont社製)とをカーボン担体とアイオノマーの重量比が0.9となるよう混合した(混合物2)。別途、水とn−プロピルアルコールとの混合重量比が50/50である混合溶媒2を調製した。この混合溶媒2を、上記混合物2に、固形分率(Pt+カーボン担体+アイオノマ)が7重量%となるよう添加して、アノード触媒インクを調製した。
(Preparation of anode catalyst ink)
Ketjen black (particle size: 30 to 60 nm) was used as a carrier, and platinum (Pt) having an average particle size of 2.5 nm as a catalyst metal was supported on the catalyst so as to have a loading ratio of 50% by weight. Got. This catalyst powder was mixed with an ionomer dispersion (Nafion (registered trademark) D2020, EW = 1100 g / mol, manufactured by DuPont) as a polymer electrolyte so that the weight ratio of the carbon support to the ionomer was 0.9 ( Mixture 2). Separately, a mixed solvent 2 having a mixing weight ratio of water and n-propyl alcohol of 50/50 was prepared. The mixed solvent 2 was added to the mixture 2 so that the solid content (Pt + carbon carrier + ionomer) was 7% by weight to prepare an anode catalyst ink.

(MEAの組み立て)
次に、上記のように作製したDry性能未改善品およびDry性能改善品の触媒を用いて、これらの触媒が触媒層となったMEAを作製した。
(Assembly of MEA)
Next, MEAs having these catalysts as catalyst layers were prepared using the Dry performance-improved product and the Dry performance-improved product prepared as described above.

これには、高分子電解質膜(Dupont社製、NAFION NR211、膜厚:25μm)の両面の周囲にガスケット(帝人Dupont社製、テオネックス、膜厚:25μm(接着層:10μm))を配置した。次いで、高分子電解質膜の片面の露出部にカソード触媒インクをスプレー塗布法により、5cm×2cmのサイズに塗布した。スプレー塗布を行うステージを60℃に1分間保つことで触媒インクを乾燥し、カソード触媒層を得た。このときの白金担持量は0.15mg/cm2である。次に、カソード触媒層と同様に電解質膜上にスプレー塗布および熱処理を行うことでアノード触媒層を形成した。   For this, a gasket (manufactured by Teijin Dupont, Teonex, film thickness: 25 μm (adhesive layer: 10 μm)) was disposed around both sides of a polymer electrolyte membrane (manufactured by Dupont, NAFION NR211, film thickness: 25 μm). Next, the cathode catalyst ink was applied to the exposed portion on one side of the polymer electrolyte membrane to a size of 5 cm × 2 cm by spray coating. The catalyst ink was dried by maintaining the stage for spray coating at 60 ° C. for 1 minute to obtain a cathode catalyst layer. The amount of platinum supported at this time is 0.15 mg / cm 2. Next, similarly to the cathode catalyst layer, an anode catalyst layer was formed by spray coating and heat treatment on the electrolyte membrane.

得られた積層体の両面をガス拡散層(24BC,SGLカーボン社製)で挟持し、膜電極接合体(MEA)を得た。   Both surfaces of the obtained laminate were sandwiched between gas diffusion layers (24BC, manufactured by SGL Carbon Co.) to obtain a membrane electrode assembly (MEA).

ここではDry性能未改善品を用いたMEAをMEA(1)、Dry性能改善品を用いたMEAをMEA(2)とする。   Here, the MEA using the Dry performance unimproved product is MEA (1), and the MEA using the Dry performance improved product is MEA (2).

<酸化物還元電気量の測定>
上記製作したMEA(1)およびMEA(2)をそれぞれ用いた試験用の単セルを複数製作した。単セルの構造は以下のとおりである。
<Measurement of oxide reduction electricity quantity>
A plurality of test single cells each using the manufactured MEA (1) and MEA (2) were manufactured. The structure of the single cell is as follows.

単セルは、MEAの両側にガス流路を有するセパレーターを配置して挟み込み、さらにセパレーターの外側(両側共に)に集電板、さらに外側にエンドプレートを配置し他ものである。そしてこのセルに、後述する各測定のために、各ガス配管を設置している。ガス配管には、圧力、温度、湿度が調整できるようにしている。また、集電板はアノード側とカソード側となるようにポテンシオスタットからの配線を行っている。   A single cell is another one in which separators having gas flow paths are arranged and sandwiched on both sides of the MEA, a current collector plate is arranged on the outside (both sides) of the separator, and an end plate is arranged on the outside. And each gas piping is installed in this cell for each measurement mentioned later. The gas piping can be adjusted for pressure, temperature and humidity. Further, the current collector plate is wired from the potentiostat so as to be on the anode side and the cathode side.

酸化物還元電気量の測定は、サイクリックボルタンメトリ(CV)により行った。測定には、恒温恒湿射出を用いて、セル温度80℃に保ち、最高湿度点相対湿度90%、中間湿度点相対湿度70%、最低湿度点相対湿度40%とした。   Measurement of the oxide reduction electric quantity was performed by cyclic voltammetry (CV). For the measurement, constant temperature and humidity injection was used, the cell temperature was kept at 80 ° C., the relative humidity was 90%, the relative humidity was 70%, the relative humidity was 70%, and the relative humidity was 40%.

アノード側は水素雰囲気、カソード側は窒素雰囲気とし、アノード側を参照電極(SHE)とした(他の測定についても同様である)。CVは、0.85VvsSHEで1sec保持した後、0.85Vvs.SHEから0.4Vvs.SHEまで10mV/secで電位走査し、0.4V点付近で得られる極大電流密度値を基準として、還元電気量を触媒酸化物還元電気量として見積もった。   The anode side was a hydrogen atmosphere, the cathode side was a nitrogen atmosphere, and the anode side was a reference electrode (SHE) (the same applies to other measurements). CV was held at 0.85 Vvs SHE for 1 sec, then 0.85 Vvs. 0.4V vs. SHE. The potential was scanned up to SHE at 10 mV / sec, and the amount of reduced electricity was estimated as the amount of reduced catalyst oxide electricity based on the maximum current density value obtained near the 0.4 V point.

図7は、酸化物還元電気量の測定結果の一例を示すグラフである。   FIG. 7 is a graph showing an example of the measurement result of the oxide reducing electricity quantity.

酸化物還元電気量qoxは、図7のように得られた電気量をPt表面積あたりの面積に対する電気量として、下記(2)式により求める。
ox[C/cm2(Pt)]=Q[C/cm2(geo.)]/S[cm2(Pt)/cm2(geo.)] …(2)
式中、S[cm2(Pt)/cm2(geo.)]は、水素吸脱着電気量から得るECA(以下単にECAという)により見積もられるPt実有効表面積[cm2(Pt)]と、触媒層が塗布してあるアクティブエリア(幾何面積)[cm2(geo.)]の比である。
The oxide reduction electricity quantity q ox is obtained by the following equation (2), with the electricity quantity obtained as shown in FIG. 7 as the quantity of electricity with respect to the area per Pt surface area.
q ox [C / cm 2 (Pt) ] = Q [C / cm 2 (geo.) ] / S [cm 2 (Pt) / cm 2 (geo.) ] (2)
In the formula, S [cm 2 (Pt) / cm 2 (geo.) ] Is a Pt actual effective surface area [cm 2 (Pt) ] estimated by ECA (hereinafter simply referred to as ECA) obtained from the hydrogen adsorption / desorption electricity quantity, It is the ratio of the active area (geometric area) [cm 2 (geo.) ] To which the catalyst layer is applied.

なお、ECAは一般的な手法でよく特に限定されないが、ここでは以下のように測定した。   ECA may be a general technique and is not particularly limited, but here, measurement was performed as follows.

このECAは、Pt原子への水素吸着、離脱現象に伴う電荷移動量を測定し、その測定値と、Ptの担持量と、アクティブエリアと、Pt上の面積当たりの水素吸着電気量が210μC/cmと仮定した場合に見積もられる質量当たりのPt表面積のことである。 This ECA measures the amount of charge transfer associated with the hydrogen adsorption and desorption phenomenon on Pt atoms, and the measured value, the amount of Pt supported, the active area, and the amount of hydrogen adsorption per area on Pt are 210 μC / It is the Pt surface area per mass estimated when it is assumed to be cm 2 .

具体的な測定方法は、セル温度80℃、アノード側に水素、カソード側に窒素を流す。圧力はセル出口が大気圧とした。そしてアノード側およびカソード側両方のガス湿度を相対湿度90%、70%および40%のそれぞれで測定した。測定開始電位0.5VvsSHEとし、その後電位を0.02Vvs.SHEから0.9Vvs.SHEまで10mV/secで電位走査を3回行って、3回の電位走査の電流電位曲線を得た。この電流電位曲線の内、0.5VvsSHE〜0.02VvsSHEに向かって電位走査した場合の電流値から、水素発生電流と電気二重層容量電流を分離して、Pt表面への水素吸着電流を取り出し、Pt表面への水素吸着電流量を得た。   Specifically, the cell temperature is 80 ° C., hydrogen is supplied to the anode side, and nitrogen is supplied to the cathode side. The pressure at the cell outlet was atmospheric pressure. The gas humidity on both the anode side and the cathode side was measured at 90%, 70% and 40% relative humidity, respectively. The measurement start potential is 0.5 Vvs SHE, and then the potential is 0.02 Vvs. 0.9Vvs. The potential scan was performed three times at 10 mV / sec until SHE, and a current-potential curve of the three potential scans was obtained. From this current-potential curve, the hydrogen generation current and the electric double layer capacitance current are separated from the current value when the potential is scanned from 0.5 V vs SHE to 0.02 V vs SHE, and the hydrogen adsorption current on the Pt surface is taken out. The amount of hydrogen adsorption current on the Pt surface was obtained.

ECAは、前記のとおり、Pt質量あたりのPt表面積のことである(単位はm/g)。これに、対象とする触媒層のアクティブエリア(幾何面積)当たりのPt担持量(仕込み量のことで、単位はmg/cm)の値を掛ければ、「S[cm2(Pt)/cm2(geo.)]が求められる。 ECA is the Pt surface area per Pt mass as described above (unit: m 2 / g). Multiplying this by the value of the amount of Pt supported per active area (geometric area) of the target catalyst layer (the amount charged, the unit is mg / cm 2 ), it is possible to obtain “S [cm 2 (Pt) / cm 2 (geo.) ].

続いて、各湿度の酸化物還元電気量qoxの測定結果を用いて、相対湿度90%の酸化物還元電気量qox(90%RH)を基準とした各相対湿度における触媒酸化物還元電気量の規格値を求めた。 Then, using the measurement results of oxide reduction electricity quantity q ox of the humidity, the catalyst oxide at each relative humidity 90% RH oxide reduction electricity quantity q ox a (90% RH) as the reference reducing electric The standard value of the quantity was obtained.

表1に、Dry性能未改善品を用いているMEA(1)と、Dry性能改善品を用いているMEA(2)のそれぞれについて、湿度別の触媒酸化物還元電気量qoxの測定結果の値を示す。また表1には、相対湿度90%の酸化物還元電気量qox(90%RH)を基準とした各相対湿度における触媒酸化物還元電気量の規格値も示した。 Table 1 shows the measurement results of the catalyst oxide reduction electricity quantity q ox by humidity for each of the MEA (1) using the Dry performance unimproved product and the MEA (2) using the Dry performance improved product. Indicates the value. Table 1 also shows the standard value of the catalytic oxide reducing electric quantity at each relative humidity based on the oxide reducing electric quantity q ox (90% RH) at a relative humidity of 90% .

次に、比較のためにORR活性について測定した。ORR活性の測定方法は下記のとおりである。   Next, the ORR activity was measured for comparison. The measuring method of ORR activity is as follows.

(1)アノードに水素、カソードに窒素を流して、15分間自然電位の状態で放置し、カソード極のPt表面上の酸化物を除去する。   (1) Hydrogen is supplied to the anode and nitrogen is supplied to the cathode and left for 15 minutes at a natural potential to remove oxide on the Pt surface of the cathode electrode.

(2)カソードガスの流れを、セルをバイパスするようにして、セル内部を窒素ガスに保持したまま、カソードガス装置内部を酸素混入ガスに置換する。   (2) The cathode gas flow is bypassed the cell, and the inside of the cathode gas apparatus is replaced with an oxygen-containing gas while the inside of the cell is held in nitrogen gas.

(3)カソード電位をアノード電位に対して、0.4Vに設定する。   (3) The cathode potential is set to 0.4 V with respect to the anode potential.

(4)カソードガスの流れを、バイパスからセルに流れるようにし、カソード極に、酸素混入ガスを導入する。   (4) The cathode gas is caused to flow from the bypass to the cell, and an oxygen-containing gas is introduced into the cathode electrode.

(5)カソード電位をアノード電位に対して、0.85Vに設定し、1秒間保持する。   (5) The cathode potential is set to 0.85 V with respect to the anode potential and held for 1 second.

(6)カソード電位をアノード電位に対して、0.85Vから0.4Vまで、10mV/secの速度で走査する時の電流応答を測定する。   (6) The current response when the cathode potential is scanned from the anode potential to 0.85 V to 0.4 V at a speed of 10 mV / sec is measured.

このような手順により測定することで、(1)でカソード極のPt表面上の酸化物を除去した後、その後の(4)までカソード電位をアノード電位に対して0.4V以下で制御することで、極力、カソード極のPt表面上に酸化物が生成されないように制御できる。また(5)において、電位と電位保持時間によって、Pt酸化物生成量を制御することで、(6)において、カソード極のPt表面上に生成するPt酸化物量を制御した状態で、ORRを測定することができる。   By measuring according to such a procedure, the oxide on the Pt surface of the cathode electrode is removed in (1), and then the cathode potential is controlled to 0.4 V or less with respect to the anode potential until (4). Thus, it is possible to control so that an oxide is not generated on the Pt surface of the cathode electrode as much as possible. In (5), the amount of Pt oxide generated is controlled by the potential and the potential holding time. In (6), the ORR is measured with the amount of Pt oxide generated on the Pt surface of the cathode electrode controlled. can do.

今回実施例での条件は、セル温度80℃、ガスの湿度は、アノード側、カソード側ともに相対湿度90%、流すガスは、アノードガス:10%水素(希釈ガスは、窒素)を2NL/min、カソードガス:10%酸素(希釈ガスは、窒素)を4NL/min、ガス圧力は、アノード側、カソード側ともに、出口大気圧とした。   The conditions in this example are: the cell temperature is 80 ° C., the gas humidity is 90% relative humidity on both the anode side and the cathode side, and the flowing gas is anode gas: 10% hydrogen (dilution gas is nitrogen) 2 NL / min Cathode gas: 10% oxygen (diluting gas is nitrogen) 4 NL / min, gas pressure was the outlet atmospheric pressure on both the anode side and the cathode side.

なお、ORR測定での測定した電流値には、純粋なORR由来の電流以外の電流成分が含まれる。たとえば、電解質膜を介したアノード側からカソード側への水素クロスリーク、内部短絡などによる内部電流、電極表面上での吸着脱離現象、電気二重層容量の充放電に伴う電流などが含まれ得る。ことから純粋なORR由来の電流を取り出すために以下の操作を行った。まず上記ORR測定とは別に、上記(1)を実施した後、アノード側に水素、カソード側に窒素を流した状態で、(3)〜(6)と同様の電位履歴を与えた場合の電流応答を測定する。その後、このようにして測定した電流を上記ORR測定電流から差し引く。これで純粋なORR電流を得ることができる。ここでは、0.85V〜0.4Vまでの電位走査時の0.84V点での電流値をORR活性と定義し、またORR活性は、前述のECAで得られるPtの実有効表面積で電流値を除した電流密度となる。   Note that the current value measured in the ORR measurement includes current components other than the pure ORR-derived current. For example, hydrogen cross leak from the anode side to the cathode side through the electrolyte membrane, internal current due to internal short circuit, adsorption / desorption phenomenon on the electrode surface, current due to charge / discharge of electric double layer capacity, etc. may be included . Thus, the following operation was performed in order to extract a current derived from pure ORR. First, separately from the ORR measurement, after performing the above (1), the current when a potential history similar to (3) to (6) was given with hydrogen flowing on the anode side and nitrogen flowing on the cathode side Measure the response. Thereafter, the current measured in this way is subtracted from the ORR measurement current. Thus, a pure ORR current can be obtained. Here, the current value at the 0.84 V point at the time of potential scanning from 0.85 V to 0.4 V is defined as the ORR activity, and the ORR activity is the actual effective surface area of Pt obtained by the ECA described above. The current density excluding.

<実施例1>
実施例1は、上述した実施形態における第1の検査方法に従って、上記作製したMEA(1)およびMEA(2)の検査を行った。
<Example 1>
In Example 1, according to the first inspection method in the embodiment described above, the above-prepared MEA (1) and MEA (2) were inspected.

ここでは表1中の、相対湿度90%の酸化物還元電気量qox(90%RH)を基準とした相対湿度40%における触媒酸化物還元電気量qox(40%RH)の規格値によりMEAの良否判定を行った。 Here, according to the standard value of the catalytic oxide reducing electricity quantity q ox (40% RH) at 40% relative humidity based on the oxide reducing electricity quantity q ox (90% RH) at 90% relative humidity in Table 1. The quality of the MEA was judged.

図8は、相対湿度90%の酸化物還元電気量qox(90%RH)を基準とした相対湿度90および40%のそれぞれの触媒酸化物還元電気量qox(90%RH)およびqox(40%RH)の規格値と、相対湿度との関係を示したグラフである。 FIG. 8 shows the respective amounts of catalytic oxide reducing electricity q ox (90% RH) and q ox at 90 and 40% relative humidity based on the oxide reducing electricity quantity q ox (90% RH) at 90% relative humidity. It is the graph which showed the relationship between the standard value of (40% RH) , and relative humidity.

図8から、湿度が低くなると、MEA(1)(Dry性能未改善品)の方は、MEA(2)(Dry性能改善品)よりも、規格値が低くなっていることがわかる。   From FIG. 8, it can be seen that when the humidity is low, the standard value of MEA (1) (Dry performance unimproved product) is lower than MEA (2) (Dry performance improved product).

ここで規格値1.0を触媒層利用率100%として、各規格値を百分率で表した値を触媒層利用率と定義する。そうすると触媒層利用率は、MEA(1)(Dry性能未改善品)は41%、MEA(2)(Dry性能改善品)は76%となる。すなわち、低湿度状態での触媒層利用率は、MEA(1)(Dry性能未改善品)が59%低下し、MEA(2)(Dry性能改善品)が24%低下したことになる。   Here, a standard value 1.0 is defined as a catalyst layer utilization rate of 100%, and a value expressing each standard value as a percentage is defined as a catalyst layer utilization rate. If it does so, MEA (1) (Dry performance unimproved product) will be 41%, and MEA (2) (Dry performance improved product) will be 76%. That is, in the catalyst layer utilization rate in the low humidity state, MEA (1) (Dry performance unimproved product) was reduced by 59%, and MEA (2) (Dry performance improved product) was reduced by 24%.

MEA良否判定の基準とする触媒層利用率の所定値は、たとえば50%である。すなわちMEAの検査において触媒層利用率が50%以上となったMEAは良品として、次の工程に流してスタックの組み立てなどに用いる。一方、触媒層利用率が50%未満となれば、その時点でNGとしてその後の組み立て工程に流さないようにする。これは、たとえば触媒層利用率が50%未満であると、その後スタックを組み立てたとしても、燃料電池として十分な性能を発揮できない恐れがある。このため、このMEAの検査において触媒層利用率が50%未満となったMEAは、その時点でNGとしてその後の組み立て工程に流さないようにするとよい。   The predetermined value of the catalyst layer utilization rate used as the criterion for determining the MEA quality is, for example, 50%. That is, the MEA having a catalyst layer utilization rate of 50% or more in the MEA inspection is passed as a non-defective product to the next step and used for stack assembly. On the other hand, if the utilization rate of the catalyst layer is less than 50%, NG is not allowed to flow to the subsequent assembly process at that time. For example, if the utilization rate of the catalyst layer is less than 50%, there is a possibility that sufficient performance as a fuel cell cannot be exhibited even if the stack is assembled thereafter. For this reason, the MEA having a catalyst layer utilization rate of less than 50% in this MEA inspection may be prevented from flowing to the subsequent assembly process as NG at that time.

このような触媒層利用率が50%以上を良品とする場合は、上記のMEA(2)、すなわちDry性能改善品は良品ということになる。これにより所望する性能を発揮することが期待できるMEAのみを次の燃料電池組み立て工程に進ませることができるようになる。したがって燃料電池組み立て工程における製造歩留まりを向上させることができる。   When such a catalyst layer utilization rate of 50% or more is a non-defective product, the MEA (2), that is, the Dry performance improved product is a non-defective product. As a result, only MEAs that are expected to exhibit the desired performance can be advanced to the next fuel cell assembly process. Therefore, the production yield in the fuel cell assembly process can be improved.

さらにMEA良否判定の基準をより厳しくして、たとえば触媒層利用率が90%以上を良品とするようにしてもよい。このように判定基準を厳しくすることで、いっそう燃料電池組み立て工程における歩留まりを向上させることができる。   Furthermore, the criteria for determining whether or not the MEA is good may be made stricter, and for example, a catalyst layer utilization rate of 90% or more may be determined as a good product. Thus, by making the judgment criteria stricter, the yield in the fuel cell assembly process can be further improved.

ここでは、膜電極接合体を選別するために、規格値を百分率で示した触媒層利用率を用いている。しかし、規格値の値を百分率で表すことなくそのまま用いて選別してもよい。   Here, in order to select the membrane electrode assembly, the utilization rate of the catalyst layer showing the standard value as a percentage is used. However, the standard value may be selected without being expressed as a percentage.

図9は、実施例1における酸化物還元電気量から求めた触媒層利用率と、前述したORR活性から求めた活性低下率の関係を示すグラフである。縦軸はORR活性の低下率である。これは、湿度ごとのECAで得られるORR活性について相対湿度90%を基準にして相対湿度40%の割合(相対湿度40%のORRの値/相対湿度90%のORRの値)を求め、ORR低下率=(1−(相対湿度40%のORRの値/相対湿度90%のORRの値))×100として求めた。横軸は前述した触媒層利用率である。   FIG. 9 is a graph showing the relationship between the catalyst layer utilization rate determined from the amount of reduced oxide electricity in Example 1 and the activity decrease rate determined from the ORR activity described above. The vertical axis represents the rate of decrease in ORR activity. This is to obtain a ratio of 40% relative humidity (ORR value of 40% relative humidity / ORR value of 90% relative humidity) for ORR activity obtained by ECA for each humidity, based on 90% relative humidity. Decrease rate = (1− (ORR value of 40% relative humidity / ORR value of 90% relative humidity)) × 100. The horizontal axis represents the catalyst layer utilization rate described above.

このグラフには、比較のためにECAから求めた触媒層利用率も示した。なお、ECAから求めた触媒層利用率は、単純に、相対湿度90%のときを利用率100%として、相対湿度40%のときのECAの値の割合を求めたものである。すなわち、ECAから求めた触媒層利用率=(相対湿度40%のときECAの値)/(相対湿度90%のときECAの値)×100である。   This graph also shows the utilization rate of the catalyst layer obtained from ECA for comparison. The catalyst layer utilization rate obtained from ECA is simply obtained by obtaining the ratio of the ECA value when the relative humidity is 40%, assuming that the utilization rate is 100%. That is, the catalyst layer utilization obtained from ECA = (ECA value when relative humidity is 40%) / (ECA value when relative humidity is 90%) × 100.

ORR活性から求めた活性低下率と触媒層利用率は、正比例の関係となる。図9には、この正比例の関係を点線により示した。   The activity decrease rate obtained from the ORR activity and the catalyst layer utilization rate are directly proportional. In FIG. 9, this direct proportional relationship is indicated by a dotted line.

図9に示すように、酸化物還元電気量から求めた触媒層利用率は、正比例の点線に沿っている。つまり、低湿度において、ORR活性が低いMEA(1)(Dry性能未改善品)は、酸化物還元電気量から求めた触媒層利用率が低くなり、ORR活性が高いMEA(2)(Dry性能改善品)は、酸化物還元電気量から求めた触媒層利用率も高くなっている。   As shown in FIG. 9, the utilization rate of the catalyst layer determined from the amount of reduced oxide electricity is along a directly proportional dotted line. That is, MEA (1) (Dry performance unimproved product) having low ORR activity at low humidity has a low catalyst layer utilization rate obtained from the amount of oxide reduction, and MEA (2) (Dry performance) having high ORR activity. The improved product) also has a high utilization rate of the catalyst layer determined from the amount of reduced oxide electricity.

一方、ECAによる触媒層利用率は、ORR活性が高いMEA(2)(Dry性能改善品)は、点線近傍にあるものの、MEA(1)(Dry性能未改善品)は触媒層利用率がほとんど低下していない結果となった。つまりこの結果は、ECAによる触媒層利用率は、低湿度のときには、触媒活性の示す指標としては、実際の活性(ORR活性)よりも高く見積もられてしまう可能性があることを示している。   On the other hand, as for the catalyst layer utilization rate by ECA, MEA (2) (Dry performance improved product) with high ORR activity is near the dotted line, but MEA (1) (Dry performance unimproved product) has almost no catalyst layer utilization rate. The result was not reduced. In other words, this result shows that the catalyst layer utilization rate by ECA may be estimated higher than the actual activity (ORR activity) as an index indicating the catalyst activity when the humidity is low. .

したがって、本実施例による酸化物還元電気量から求めた触媒層利用率は、低湿度における活性を見るためには、ECAよりも正確な指標となることがわかる。   Therefore, it can be seen that the utilization rate of the catalyst layer determined from the amount of oxide reduction electricity according to this example is a more accurate index than ECA in order to see the activity at low humidity.

このようにECAよりも酸化物還元電気量から求めた触媒層利用率の方が、より触媒活性の実態を示す結果となった理由を考察する。   The reason why the utilization rate of the catalyst layer determined from the amount of reduced oxide electricity as compared with ECA as described above is a result showing the actual state of catalytic activity.

Ptへの水素吸着量を反映したECAの値と、酸化物吸着による触媒層利用率の差異は、以下の事項によって生まれる。   The difference between the ECA value reflecting the amount of hydrogen adsorbed on Pt and the utilization rate of the catalyst layer due to oxide adsorption arises from the following matters.

第1にプロトン供給元は、水以外のスルホン酸基や官能基(−OH)などがある。一方、酸化物供給元は、水以外の物質が考えにくく、触媒周辺の水量をよく反映する。   First, proton sources include sulfonic acid groups other than water and functional groups (—OH). On the other hand, the oxide supplier hardly thinks of substances other than water, and reflects the amount of water around the catalyst well.

したがって、水量(相対湿度)が同じ場合、水以外の反応物供給元がある水素吸着量を反映したECAの値は、酸化物還元電気量から求めた触媒層利用率よりも高くなったものと考えられる。   Therefore, when the amount of water (relative humidity) is the same, the ECA value reflecting the amount of hydrogen adsorbed by a reactant supply source other than water is higher than the utilization rate of the catalyst layer determined from the amount of oxide reduction electricity. Conceivable.

<実施例2>
実施例2は、上述した実施形態における第2の検査方法に従って、上記作製したMEA(1)およびMEA(2)の検査を行った。
<Example 2>
In Example 2, the produced MEA (1) and MEA (2) were inspected according to the second inspection method in the above-described embodiment.

ここでは表1中の、相対湿度90%の酸化物還元電気量qox(90%RH)を基準とした相対湿度90%および相対湿度70%のそれぞれの触媒酸化物還元電気量qox(90%RH)およびqox(70%RH)の規格値を用いた1次式を求めた。 Here, the catalytic oxide reducing electricity quantity q ox (90 in each of relative humidity 90% and relative humidity 70% in Table 1 with reference to the oxide reducing electricity quantity q ox (90% RH) of 90% relative humidity. % RH) and q ox (70% RH) standard values were obtained.

この1次式を使用して相対湿度40%の規格値を算出した。そして測定された相対湿度40%における触媒酸化物還元電気量qox(40%RH)の規格値との差分を触媒活性の低下量とみなした。そして、100%からこの低下量を引いた値を触媒層利用率として、MEAの良否判定を行った。 A standard value of 40% relative humidity was calculated using this linear equation. And the difference with the standard value of the measured amount of catalyst oxide reduction q ox (40% RH) at a relative humidity of 40% was regarded as a decrease in the catalyst activity. Then, the MEA quality was determined by using the value obtained by subtracting the amount of decrease from 100% as the catalyst layer utilization.

図10は、相対湿度90%の酸化物還元電気量qox(90%RH)を基準とした相対湿度90、70%、および40%のそれぞれの触媒酸化物還元電気量qox(90%RH)、qox(70%RH)、およびqox(40%RH)の規格値と、相対湿度との関係を示したグラフである。 Figure 10 is a relative humidity of 90% of the oxide reduction electricity quantity q ox (90% RH) relative humidity 90,70% relative to the, and 40% of the respective catalyst oxide reduction electricity quantity q ox (90% RH ) , Q ox (70% RH) , and q ox (40% RH) standard values, and a graph showing the relationship between relative humidity.

そして、このグラフ中、相対湿度90%の酸化物還元電気量qox(90%RH)を基準とした相対湿度90%および相対湿度70%のそれぞれの触媒酸化物還元電気量の規格値を用いた1次式の線(外挿線)を引いてある。MEA(1)(Dry性能未改善品)の外挿線を1点鎖線、MEA(2)(Dry性能改善品)の外挿線を点線とした。 In this graph, the standard values of the catalytic oxide reducing electricity quantity at 90% relative humidity and 70% relative humidity based on the oxide reducing electricity quantity q ox (90% RH) at 90% relative humidity are used. The line of the primary expression (extrapolated line) is drawn. The extrapolated line of MEA (1) (Dry performance unimproved product) is a one-dot chain line, and the extrapolated line of MEA (2) (Dry performance improved product) is a dotted line.

図から、相対湿度40%における低下率は、MEA(1)(Dry性能未改善品)では56%、MEA(2)(Dry性能改善品)では7.8%ということになる。したがって、相対湿度40%における触媒層利用率は、MEA(1)(Dry性能未改善品)では1−56%=44%、MEA(2)(Dry性能改善品)では1−7.8%=92.2%となる。   From the figure, the decrease rate at 40% relative humidity is 56% for MEA (1) (Dry performance unimproved product) and 7.8% for MEA (2) (Dry performance improved product). Therefore, the utilization rate of the catalyst layer at 40% relative humidity is 1-56% = 44% for MEA (1) (Dry performance unimproved product), and 1-7.8% for MEA (2) (Dry performance improved product). = 92.2%.

MEA良否判定の基準とする触媒層利用率の所定値としては、たとえば90%である。すなわちMEAの検査において触媒層利用率が90%以上となったMEAは、良品とし次の工程に流してスタックの組み立てなどに用いる。一方、触媒層利用率が90%未満となれば、その時点でNGとしてその後の組み立て工程に流さないようにする。これにより性能の低い燃料電池の製造そのものを防止し、燃料電池組み立て工程における歩留まりを向上させることができる。また、MEA良否判定の基準をより厳しくして、たとえば触媒層利用率が95%以上を良品としてもよい。判定基準を厳しくすることで、より性能の良い燃料電池が製造できるMEAを選別してスタックの組み立て工程などに流すことができる。   The predetermined value of the catalyst layer utilization rate used as a criterion for the MEA pass / fail judgment is, for example, 90%. That is, the MEA having a catalyst layer utilization rate of 90% or higher in the MEA inspection is regarded as a non-defective product and is used for assembly of the stack by passing it to the next process. On the other hand, if the utilization rate of the catalyst layer is less than 90%, the NG is not allowed to flow to the subsequent assembly process at that time. As a result, it is possible to prevent the production of a fuel cell with low performance itself and to improve the yield in the fuel cell assembly process. Further, the criteria for determining whether or not the MEA is good may be made stricter, and for example, a catalyst layer utilization rate of 95% or more may be determined as a non-defective product. By tightening the criteria, MEAs that can produce fuel cells with better performance can be selected and flowed to the stack assembly process or the like.

なお、実施例2では、触媒活性の規格値の低下量を求めたうえで、100%からこの低下量を引くことで触媒層利用率に変換している。これは実施例1における触媒層利用率と合わせるための数学的な処理である。したがって、実施例2(すなわち第2の検査方法)を用いたMEAの選別においては、触媒活性の規格値の低下量そのものを用いて選別してもよい。この場合、選別する所定値は、当然に先に示した触媒層利用率を選別する際の所定値を100から引いた値となる。触媒層利用率を用いて所定値90%以上を良品と選別するのであれば、低下量を用いる場合は規格値の低下量が0.1未満となるMEAを良品とすることになる。もちろんより厳しい判定基準とする場合も同様に、規格値の低下量が0.05未満となるMEAを良品とすることになる。   In Example 2, after obtaining the amount of decrease in the standard value of the catalyst activity, the amount of reduction is subtracted from 100% to convert it to the catalyst layer utilization rate. This is a mathematical process for matching with the catalyst layer utilization in Example 1. Therefore, in the selection of the MEA using Example 2 (that is, the second inspection method), the MEA may be selected using the decrease amount of the standard value of the catalyst activity itself. In this case, the predetermined value to be selected is, of course, a value obtained by subtracting from 100 the predetermined value for selecting the catalyst layer utilization rate described above. If a predetermined value of 90% or more is selected as a non-defective product using the catalyst layer utilization rate, when a decrease amount is used, an MEA having a standard value decrease amount of less than 0.1 is determined to be a non-defective product. Of course, in the case of using a stricter criterion, an MEA in which the amount of decrease in the standard value is less than 0.05 is regarded as a non-defective product.

図11は、実施例2における酸化物還元電気量から求めた触媒層利用率と、ORR活性から求めた活性低下率の関係を示すグラフである。このグラフには、比較のためにECAから求めた触媒層利用率も示した。ECAは実施例1で説明したとおりである。   FIG. 11 is a graph showing the relationship between the catalyst layer utilization rate determined from the oxide reduction electricity quantity in Example 2 and the activity decrease rate determined from the ORR activity. This graph also shows the utilization rate of the catalyst layer obtained from ECA for comparison. ECA is as described in Example 1.

ORR活性から求めた活性低下率と触媒層利用率は、正比例の関係となる。図11には、この正比例の関係を点線により示した。   The activity decrease rate obtained from the ORR activity and the catalyst layer utilization rate are directly proportional. In FIG. 11, this direct proportional relationship is indicated by a dotted line.

図11に示すように、実施例2の酸化物還元電気量から求めた触媒層利用率は、正比例の点線に極めて近い値となっている。つまり、本実施例2の検査方法は、実際の活性(ORR活性)に極めて近い指標にすることができることがわかる。   As shown in FIG. 11, the utilization rate of the catalyst layer determined from the amount of oxide reduction electricity of Example 2 is a value very close to a directly proportional dotted line. That is, it can be seen that the inspection method of Example 2 can be an index very close to the actual activity (ORR activity).

<実施例3>
実施例3は、第1の検査方法と第2の検査方法を使い分けについての実験例である。
<Example 3>
Example 3 is an experimental example for properly using the first inspection method and the second inspection method.

上述した2つの検査方法の使い分けについて説明する。   The proper use of the above-described two inspection methods will be described.

本実施例3では、複数作製した触媒のなかから、あらかじめ低湿度状態でも活性の高い触媒層を選別して、この低湿度活性の高い触媒層を用いて第1の検査方法と、第2の検査方法での違いを検証した。低湿度活性の高い触媒層は、複数作製した触媒について相対湿度40%のときのECAから求めたORR活性が高かったものである。   In this Example 3, a catalyst layer having high activity even in a low humidity state is selected from a plurality of prepared catalysts in advance, and the first inspection method and the second The difference in the inspection method was verified. The catalyst layer with high low humidity activity has a high ORR activity determined from ECA when the relative humidity is 40% for a plurality of prepared catalysts.

図12は、低湿度活性の高い触媒層を用いて、相対湿度90%の酸化物還元電気量qox(90%RH)を基準とした相対湿度90、70%、および40%のそれぞれの触媒酸化物還元電気量qox(90%RH)、qox(70%RH)、およびqox(40%RH)の規格値と、相対湿度との関係を示したグラフである。縦軸が規格値、横軸が相対湿度である。 FIG. 12 shows a catalyst having a relative humidity of 90, 70%, and 40% based on an oxide reducing electricity quantity q ox (90% RH) of 90% relative humidity using a catalyst layer having a low humidity activity. It is the graph which showed the relationship between the standard value of oxide reduction electric quantity qox (90% RH) , qox (70% RH) , and qox (40% RH) , and relative humidity. The vertical axis is the standard value, and the horizontal axis is the relative humidity.

このような低湿度活性の高い触媒層を用いたMEAに対して、第1の検査方法により相対湿度40%のときに測定された触媒金属酸化物還元電気量から求められる規格値は0.56(触媒層利用率56%)となる(すなわち規格値1.0から44%の低下である)。   For the MEA using such a low humidity activity high catalyst layer, the standard value obtained from the catalytic metal oxide reducing electricity measured at a relative humidity of 40% by the first inspection method is 0.56. (Catalyst layer utilization rate 56%) (that is, a decrease of 44% from the standard value 1.0).

一方、第2の検査方法では高湿度側2点の規格値から1次式を求めることになる。この1次式は、図12に示した点線の直線となる。   On the other hand, in the second inspection method, a linear expression is obtained from the standard values at two points on the high humidity side. This linear expression is a dotted straight line shown in FIG.

この1次式(点線の直線)から得られる相対湿度40%のときの算出規格値は0.49(49%)である。そうすると相対湿度40%のときに測定された触媒金属酸化物還元電気量から求められる規格値0.56は、この算出規格値よりも7%高いものとなる。   The calculated standard value when the relative humidity is 40% obtained from this linear expression (dotted line) is 0.49 (49%). Then, the standard value 0.56 obtained from the catalytic metal oxide reducing electricity measured at a relative humidity of 40% is 7% higher than this calculated standard value.

この結果から低湿度活性の高い触媒層は、第1の検査方法では、触媒利用率が低く見積もられてしまうことになる。一方、第2の検査方法では、高湿度2点から求めた1次式の線よりも高くなるため、実際より低く見積もられるようなことはない。したがって、低湿度活性の高い触媒層では、第2の検査方法を用いる方が、よりその触媒層の活性性能に近い指標となる。   From this result, the catalyst utilization rate of the catalyst layer with high low humidity activity is estimated to be low in the first inspection method. On the other hand, in the second inspection method, since it is higher than the line of the primary equation obtained from two points of high humidity, it is not estimated lower than the actual one. Therefore, in the catalyst layer having a high low humidity activity, the use of the second inspection method is an index closer to the activity performance of the catalyst layer.

そこで、低湿度活性の高い触媒層では、第2の検査方法を用いる方が、低湿度における触媒利用率をより正確に表すことができるため好ましいものとなる。一方、簡便に検査したい場合には第1の検査方法を用いるとよい。このような使い分けは、たとえばあらかじめ低湿度活性の高い触媒層であることがわかっているような場合には、初めから第2の検査方法を用いることが好ましい。しかしどのような触媒層か不明な場合は、たとえば第1の検査方法によって触媒層利用率が設計目標より低い値となった場合、または不良率が高くなった場合に、第2の検査方法に変更して検査するようにしてもよい。   Therefore, in the catalyst layer having high low humidity activity, it is preferable to use the second inspection method because the catalyst utilization rate at low humidity can be expressed more accurately. On the other hand, the first inspection method may be used for simple inspection. For example, when it is known in advance that the catalyst layer has a high low humidity activity, it is preferable to use the second inspection method from the beginning. However, if it is unclear what kind of catalyst layer, for example, when the catalyst layer utilization rate is lower than the design target by the first inspection method, or when the defective rate is high, the second inspection method is used. You may make it change and test | inspect.

以下本発明を利用した実施形態および実施例による効果を説明する。   The effects of the embodiments and examples using the present invention will be described below.

(1)第1の検査方法では、触媒金属酸化物還元電気量を、湿度を変えて測定することで湿度環境に対する触媒層としての活性に寄与する指標を得ることができる。そして得られた指標からMEAの良否を判定する。これにより湿度環境の違いによる触媒層の活性状態を、従来のようにECA測定手法で見積もる指標よりも精度よく検証することができる。また、発電試験を実施せず、短時間に良品を選別できる。   (1) In the first inspection method, it is possible to obtain an index that contributes to the activity as a catalyst layer with respect to the humidity environment by measuring the catalytic metal oxide reducing electricity quantity while changing the humidity. And the quality of MEA is determined from the obtained index. Thereby, the active state of the catalyst layer due to the difference in humidity environment can be verified with higher accuracy than the index estimated by the ECA measurement method as in the past. Also, good products can be selected in a short time without conducting a power generation test.

(2)触媒金属酸化物還元電気量を測定する際の湿度範囲として、相対湿度50%で切り分けて、高湿度側から少なくとも1点、低湿度側から少なくとも1点の相対湿度を選択することとした。これにより、湿度環境に対する触媒層としての活性に寄与する触媒層利用率の指標を、より精度よく検証することができる。   (2) selecting a relative humidity of at least one point from the high humidity side and at least one point from the low humidity side, as the humidity range when measuring the catalytic metal oxide reducing electricity quantity, by dividing the relative humidity by 50%; did. Thereby, the index of the catalyst layer utilization rate contributing to the activity as the catalyst layer against the humidity environment can be verified with higher accuracy.

(3)第2の検査方法では、触媒金属酸化物還元電気量を湿度を変えて測定した後、高湿度側2点の測定結果の規格値から、低湿度側における規格値を算出し、その算出値から測定された低湿度による触媒金属酸化物還元電気量の値の差分を求めることとした。このため、第1の検査方法で見積もる指標よりも精度よく検証することができるようになり、MEAの良否の判定精度を向上できる。   (3) In the second inspection method, after measuring the catalytic metal oxide reducing electricity quantity by changing the humidity, the standard value on the low humidity side is calculated from the standard value of the measurement result on the two points on the high humidity side. It was decided to obtain the difference between the values of the catalytic metal oxide reduction electricity amount at low humidity measured from the calculated value. For this reason, verification can be performed with higher accuracy than the index estimated by the first inspection method, and the determination accuracy of MEA quality can be improved.

(4)触媒金属酸化物還元電気量を測定する際の湿度範囲として、相対湿度50%で切り分けて、高湿度側から少なくとも2点、低湿度側から少なくとも1点の相対湿度を選択することとした。これにより、湿度環境に対する触媒層としての活性に寄与する触媒層利用率の指標を、より精度よく検証することができる。   (4) Select a relative humidity of at least two points from the high humidity side and at least one point from the low humidity side as the humidity range when measuring the catalytic metal oxide reducing electricity quantity by dividing the relative humidity by 50%. did. Thereby, the index of the catalyst layer utilization rate contributing to the activity as the catalyst layer against the humidity environment can be verified with higher accuracy.

(5)触媒金属酸化物還元電気量測定の際に保持する電位点の範囲を、触媒金属酸化物が生成する電位以上、かつ実際に使用される電位範囲の上限電位以下で設定することとした。これにより、より実車の運転条件に近い条件における測定が可能となり、触媒層としての活性に寄与する触媒層利用率の指標をより精度よく検証できる。   (5) The range of the potential point held in the catalytic metal oxide reduction electric quantity measurement is set to be equal to or higher than the potential at which the catalytic metal oxide is generated and lower than the upper limit potential of the potential range actually used. . As a result, measurement under conditions closer to the actual vehicle operating conditions is possible, and the index of the catalyst layer utilization rate contributing to the activity as the catalyst layer can be verified more accurately.

以上本発明を適用した実施形態および実施例について説明したが、本発明は上述した実施形態および実施例に限定されるものではない。本発明は特許請求の範囲に記載された技術思想に基づいてさまざまな形態として実施可能であり、それらもまた本発明の範疇である。   Although the embodiments and examples to which the present invention is applied have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples. The present invention can be implemented in various forms based on the technical idea described in the claims, and these are also within the scope of the present invention.

1 固体高分子形燃料電池(PEFC)、
2 固体高分子電解質膜、
3 触媒層、
3a アノード触媒層、
3c カソード触媒層、
4a アノードガス拡散層、
4c カソードガス拡散層、
5a アノードセパレーター、
5c カソードセパレーター、
6a アノードガス流路、
6c カソードガス流路、
7 冷媒流路、
10 膜電極接合体(MEA)、
20 触媒、
22 触媒金属、
23 担体、
24 メソ孔、
25 ミクロ孔、
26 アイオノマー(固体プロトン伝導材)。
1 Polymer electrolyte fuel cell (PEFC),
2 solid polymer electrolyte membrane,
3 catalyst layer,
3a anode catalyst layer,
3c cathode catalyst layer,
4a Anode gas diffusion layer,
4c cathode gas diffusion layer,
5a anode separator,
5c cathode separator,
6a Anode gas flow path,
6c cathode gas flow path,
7 Refrigerant flow path,
10 Membrane electrode assembly (MEA),
20 catalyst,
22 catalytic metal,
23 carrier,
24 mesopores,
25 micropores,
26 Ionomer (solid proton conductor).

Claims (5)

電解質膜の両面に、それぞれ、カソード触媒層およびカソードガス拡散層ならびにアノード触媒層およびアノードガス拡散層を形成して、燃料電池用の膜電極接合体を製造し、
前記膜電極接合体の触媒金属酸化物還元電気量を、少なくとも2点の任意の相対湿度で測定し、
前記測定した最高相対湿度点の触媒金属酸化物還元電気量によって、その他の相対湿度点の触媒金属酸化物還元電気量を割ることにより、前記最高相対湿度点の触媒金属酸化物還元電気量を基準とした各相対湿度点の触媒金属酸化物還元電気量の規格値を求めて、
前記規格値が所定値以上である膜電極接合体を良品と選別する、膜電極接合体の製造方法。
A cathode electrode layer and a cathode gas diffusion layer and an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer are formed on both surfaces of the electrolyte membrane, respectively, to manufacture a membrane electrode assembly for a fuel cell,
The catalytic metal oxide reducing electricity quantity of the membrane electrode assembly is measured at an arbitrary relative humidity of at least two points,
The catalytic metal oxide reducing electricity quantity at the other relative humidity point is divided by the measured catalytic metal oxide reducing electricity quantity at the highest relative humidity point, thereby determining the catalytic metal oxide reducing electricity quantity at the highest relative humidity point. Determine the standard value of the catalytic metal oxide reducing electricity at each relative humidity point,
A method for producing a membrane electrode assembly, wherein a membrane electrode assembly in which the standard value is a predetermined value or more is selected as a non-defective product.
前記触媒金属酸化物還元電気量を測定する際の前記少なくとも2点の相対湿度点のうちの前記最高相対湿度点となる1点は、相対湿度50%以上の領域から任意に選択する、請求項1に記載の膜電極接合体の製造方法。   The point which becomes the highest relative humidity point among the at least two relative humidity points when measuring the catalytic metal oxide reducing electricity quantity is arbitrarily selected from a region having a relative humidity of 50% or more. 2. A method for producing a membrane electrode assembly according to 1. 電解質膜の両面に、それぞれ、カソード触媒層およびカソードガス拡散層ならびにアノード触媒層およびアノードガス拡散層を形成して、燃料電池用の膜電極接合体を製造し、
前記膜電極接合体の触媒金属酸化物還元電気量を、少なくとも3点の任意の相対湿度で測定し、
前記測定した少なくとも3点のそれぞれの相対湿度点の触媒金属酸化物還元電気量を前記測定した最高相対湿度点の触媒金属酸化物還元電気量によって割ることにより、前記最高相対湿度点の触媒金属酸化物還元電気量を基準とした各相対湿度点の触媒金属酸化物還元電気量の規格値を求めて、
前記複数の相対湿度のうち相対湿度が高い方から2点を選択して、当該選択した2点の規格値を通る1次式を作成し、
前記1次式を用いて前記1次式を作成した2点の相対湿度より低い相対湿度における規格値を算出し、
前記1次式から算出した規格値と、前記1次式から規格値を算出した相対湿度と同じ相対湿度における前記測定された触媒金属酸化物還元電気量から求めた規格値を比較して、その差分を前記1次式から規格値を算出した相対湿度における触媒活性の低下量とみなし、当該低下量が所定値未満である膜電極接合体を良品と選別する、膜電極接合体の製造方法。
A cathode electrode layer and a cathode gas diffusion layer and an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer are formed on both surfaces of the electrolyte membrane, respectively, to manufacture a membrane electrode assembly for a fuel cell,
The catalytic metal oxide reducing electricity quantity of the membrane electrode assembly is measured at an arbitrary relative humidity of at least three points,
The catalytic metal oxide reducing electricity at each of the at least three measured relative humidity points is divided by the measured catalytic metal oxide reducing electricity at the highest relative humidity point to obtain the catalytic metal oxidation at the highest relative humidity point. Find the standard value of catalytic metal oxide reducing electricity at each relative humidity point based on the amount of reduced electricity
Select two points from the higher relative humidity among the plurality of relative humidity, and create a linear expression that passes the standard value of the selected two points,
Calculate a standard value at a relative humidity lower than the relative humidity of the two points at which the primary formula was created using the primary formula,
The standard value calculated from the primary equation is compared with the standard value obtained from the measured catalytic metal oxide reducing electric quantity at the same relative humidity as the relative humidity calculated from the primary equation. A method for producing a membrane electrode assembly, wherein the difference is regarded as a reduction amount of the catalytic activity at the relative humidity obtained by calculating the standard value from the linear equation, and a membrane electrode assembly in which the reduction amount is less than a predetermined value is selected as a non-defective product.
前記触媒金属酸化物還元電気量を測定する際の前記少なくとも3点の相対湿度点のうちの前記1次式を作成するための2点は、相対湿度50%以上の領域から任意に選択する、請求項3に記載の膜電極接合体の製造方法。   Of the at least three relative humidity points when measuring the catalytic metal oxide reducing electricity quantity, two points for creating the primary equation are arbitrarily selected from a region having a relative humidity of 50% or more. The manufacturing method of the membrane electrode assembly of Claim 3. 前記触媒金属酸化物還元電気量を測定する際の酸化物生成電位点の設定範囲は、触媒金属酸化物が生成する電位以上、かつ実際に使用される電位範囲の上限電位以下で設定する、請求項1〜4のいずれか一つに記載の膜電極接合体の製造方法。   The setting range of the oxide generation potential point when measuring the catalytic metal oxide reducing electricity is set to be equal to or higher than the potential at which the catalytic metal oxide is generated and lower than the upper limit potential of the potential range actually used. Item 5. A method for producing a membrane electrode assembly according to any one of Items 1 to 4.
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