JP6672931B2 - Electrode catalyst ink manufacturing method and electrode catalyst ink manufacturing apparatus - Google Patents

Electrode catalyst ink manufacturing method and electrode catalyst ink manufacturing apparatus Download PDF

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Description

本発明は、電極触媒インク作製方法および電極触媒インク作製装置に関する。   The present invention relates to a method for producing an electrode catalyst ink and an apparatus for producing an electrode catalyst ink.

燃料電池自動車等で用いられる固体高分子型燃料電池は、電気化学反応が進行する膜電極接合体をセパレータによって挟み、これらを積層した構造を有する。膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の面に配置された電極触媒層と、を有する。   A polymer electrolyte fuel cell used in a fuel cell vehicle or the like has a structure in which a membrane electrode assembly in which an electrochemical reaction proceeds is sandwiched between separators, and these are laminated. The membrane electrode assembly has an electrolyte membrane and an electrode catalyst layer disposed on a surface of the electrolyte membrane.

電極触媒層の形成方法は、様々であるが、そのうちの1つに転写シートを利用した方法がある。この方法は、液状の電極触媒インクを転写シートに塗工し、それを乾燥させて転写シート上に電極触媒層を形成した後、これを電解質膜に転写することによって、電極触媒層を電解質膜に配置する。   There are various methods for forming the electrode catalyst layer, and one of them is a method using a transfer sheet. In this method, a liquid electrode catalyst ink is applied to a transfer sheet, dried to form an electrode catalyst layer on the transfer sheet, and then transferred to an electrolyte membrane, thereby transferring the electrode catalyst layer to the electrolyte membrane. To place.

電極触媒インクは、溶媒、アイオノマ、および触媒粒子を含んでいる。膜電極接合体の発電性能は、発電に有効なプロトン伝導に寄与するアイオノマが触媒粒子に吸着した吸着量によって左右される。具体的に、触媒粒子へのアイオノマの吸着量が多ければプロトン伝導抵抗が下がり、発電性能が高まる。   The electrode catalyst ink includes a solvent, an ionomer, and catalyst particles. The power generation performance of the membrane electrode assembly depends on the adsorption amount of the ionomer that contributes to the proton conduction effective for power generation to the catalyst particles. Specifically, if the amount of ionomer adsorbed on the catalyst particles is large, the proton conduction resistance decreases, and the power generation performance increases.

従って、電極触媒インクの状態で触媒粒子へのアイオノマの吸着量を評価できれば、製造工程の上流側で膜電極接合体の発電性能の良否をある程度判断できるが、アイオノマの吸着量を簡便に評価する方法は確立されていない。   Therefore, if the adsorption amount of the ionomer to the catalyst particles can be evaluated in the state of the electrode catalyst ink, the quality of the power generation performance of the membrane electrode assembly can be determined to some extent on the upstream side of the manufacturing process, but the ionomer adsorption amount can be easily evaluated. The method has not been established.

例えば特許文献1では、カーボン粉末分散液について、ゼータ電位を指標とする評価が行われているものの、この従来技術がゼータ電位を指標として評価しているのは、あくまで粒子の分散性および凝集性であり、触媒粒子へのアイオノマの吸着量は評価していない。従来技術による評価から分かることは、ゼータ電位の絶対値が大きいと、コロイド粒子同士の反発力が大きく、分散性が高い(凝集し難い)ということであり、触媒粒子へのアイオノマの吸着量が多いか少ないかということについては評価されていない。   For example, in Patent Literature 1, although evaluation is performed using a zeta potential as an index for a carbon powder dispersion, this conventional technique evaluates using a zeta potential as an index. And the amount of ionomer adsorbed on the catalyst particles was not evaluated. What is known from the evaluation by the prior art is that when the absolute value of the zeta potential is large, the repulsive force between the colloid particles is large and the dispersibility is high (it is difficult to aggregate), and the adsorption amount of the ionomer to the catalyst particles is small. It is not evaluated whether it is more or less.

そのため、一旦、膜電極接合体を作り上げて実際の発電性能を測定し、その測定結果から電極触媒インクを評価しなければ、電極触媒インクの良し悪しを判断できない。   Therefore, the quality of the electrode catalyst ink cannot be determined unless the membrane electrode assembly is once manufactured and the actual power generation performance is measured, and the electrode catalyst ink is evaluated from the measurement result.

特許第5093817号公報Japanese Patent No. 5093817

しかしながら、そのような評価方法では、電極触媒インク作製以降の要因も評価結果に含まれることになり、さらに、その影響の度合いも不明である。このため、電極触媒インクについて評価しているとは言えない。誤った評価に基づき不良の電極触媒インクがそのまま用いられた場合、所望の発電性能を発揮しない膜電極接合体が作製され、歩留まり低下を招く虞がある。   However, in such an evaluation method, factors after the preparation of the electrode catalyst ink are included in the evaluation result, and the degree of the influence is unknown. Therefore, it cannot be said that the electrode catalyst ink is evaluated. If a defective electrode catalyst ink is used as it is based on an erroneous evaluation, a membrane electrode assembly that does not exhibit the desired power generation performance is produced, which may cause a reduction in yield.

そこで、本発明者らは、電極触媒インクの状態でその良否を評価する方法について鋭意検討した。その結果、本発明者らは、プロトン伝導ひいては発電性能に寄与するアイオノマの触媒粒子への吸着量と、触媒粒子のゼータ電位との間に相関関係があることを見出し、この相関関係を利用して電極触媒インクを評価することを案出した。   Then, the present inventors diligently studied a method for evaluating the quality of the electrode catalyst ink in a state of the ink. As a result, the present inventors have found that there is a correlation between the amount of ionomer adsorbed on the catalyst particles that contributes to the proton conduction and, consequently, the power generation performance, and the zeta potential of the catalyst particles, and utilize this correlation. To evaluate the electrode catalyst ink.

すなわち、本発明は、従来にない新たな知見に基づいてなされたものであり、電極触媒インクの状態でプロトン伝導性に関する評価を行い、これに基づいて歩留まりを向上させることができる電極触媒インク作製方法および電極触媒インク作製装置を提供することを目的とする。   That is, the present invention has been made based on a new finding which has not existed in the past. The present invention evaluates proton conductivity in the state of an electrode catalyst ink, and manufactures an electrode catalyst ink capable of improving the yield based on the evaluation. An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for producing an electrode catalyst ink.

上記目的を達成するための本発明の電極触媒インク作製方法は、少なくとも溶媒、アイオノマ、および触媒粒子を混合して電極触媒インクを作製する。本発明の電極触媒インク作製方法は、アイオノマが表面に吸着した触媒粒子のゼータ電位を測定し、触媒粒子へのアイオノマの吸着量の多少を、ゼータ電位を用いて判定する。本発明の電極触媒インク作製方法は、触媒粒子へのアイオノマの吸着量が少ないと判定した場合、アイオノマの吸着量が増加するように電極触媒インクを調整する。   According to the method for producing an electrode catalyst ink of the present invention for achieving the above object, at least a solvent, an ionomer, and catalyst particles are mixed to produce an electrode catalyst ink. In the method for preparing an electrode catalyst ink of the present invention, the zeta potential of the catalyst particles having the ionomer adsorbed on the surface is measured, and the amount of the ionomer adsorbed on the catalyst particles is determined using the zeta potential. In the method for producing an electrode catalyst ink of the present invention, when it is determined that the amount of ionomer adsorbed on the catalyst particles is small, the electrode catalyst ink is adjusted so that the amount of ionomer adsorbed increases.

上記目的を達成するための本発明の電極触媒インク作製装置は、少なくとも溶媒、アイオノマ、および触媒粒子を混合して電極触媒インクを作製する混合部を有する。また、本発明の電極触媒インク作製装置は、アイオノマが表面に吸着した触媒粒子のゼータ電位を測定するゼータ電位測定部と、ゼータ電位が変化するような調整を電極触媒インクに対して行う電極触媒インク調整部と、を有する。ゼータ電位測定部は、触媒粒子へのアイオノマの吸着量の多少を、ゼータ電位を用いて判定する。触媒粒子へのアイオノマの吸着量が少ないと判定された場合、電極触媒インク調整部は、アイオノマの吸着量が増加するように電極触媒インクを調整する。   The electrode catalyst ink producing apparatus of the present invention for achieving the above object has a mixing section for producing an electrode catalyst ink by mixing at least a solvent, an ionomer, and catalyst particles. The apparatus for preparing an electrode catalyst ink of the present invention includes a zeta potential measurement unit that measures the zeta potential of the catalyst particles having ionomer adsorbed on the surface thereof, and an electrode catalyst that performs adjustment such that the zeta potential changes with respect to the electrode catalyst ink. An ink adjustment unit. The zeta potential measuring unit determines the amount of the ionomer adsorbed on the catalyst particles by using the zeta potential. When it is determined that the amount of the ionomer adsorbed on the catalyst particles is small, the electrode catalyst ink adjusting unit adjusts the electrode catalyst ink such that the amount of the ionomer adsorbed increases.

本発明によれば、触媒粒子へのアイオノマの吸着量とゼータ電位との相関を基に、発電に有効なプロトン伝導性に関する評価が電極触媒インクの状態で行われ、その評価結果に基づいて、良好なプロトン伝導性を有する電極触媒インクが提供される。このため、不良な電極触媒インクが後工程で使用されることが防止され、歩留まりを向上できる。   According to the present invention, based on the correlation between the amount of ionomer adsorbed on the catalyst particles and the zeta potential, an evaluation of the proton conductivity effective for power generation is performed in the state of the electrode catalyst ink, and based on the evaluation result, An electrocatalyst ink having good proton conductivity is provided. For this reason, it is possible to prevent the defective electrode catalyst ink from being used in a subsequent step, and to improve the yield.

第1実施形態の電極触媒インク作製装置の概要を示す図である。It is a figure showing the outline of the electrode catalyst ink manufacture device of a 1st embodiment. 分散機の一例を示す図である。It is a figure showing an example of a dispersing machine. 分散機の他の例を示す図である。It is a figure showing other examples of a dispersing machine. 分散機のさらに他の例を示す図である。It is a figure which shows another example of a dispersing machine. 第1実施形態の電極触媒インク作製方法の概要を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the outline | summary of the electrode catalyst ink manufacturing method of 1st Embodiment. 触媒粒子にアイオノマが吸着した状態を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the state which ionomer adsorb | sucked to the catalyst particle. 触媒粒子へのアイオノマの吸着量が増加した状態を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the state where the adsorption amount of the ionomer to a catalyst particle increased. 触媒粒子へのアイオノマの吸着量とゼータ電位との相関関係を示すグラフである。4 is a graph showing a correlation between the amount of ionomer adsorbed on catalyst particles and zeta potential. 第2実施形態の電極触媒インク作製装置の概要を示す図である。It is a figure showing the outline of the electrode catalyst ink production device of a 2nd embodiment. 第2実施形態の電極触媒インク作製方法の概要を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the outline | summary of the electrode catalyst ink manufacturing method of 2nd Embodiment. 第3実施形態の電極触媒インク作製装置の概要を示す図である。It is a figure showing the outline of the electrode catalyst ink manufacture device of a 3rd embodiment. 第3実施形態の電極触媒インク作製方法の概要を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the outline | summary of the electrode catalyst ink manufacturing method of 3rd Embodiment. 加熱温度を変えて測定したアイオノマの粒子径分布を示すグラフである。It is a graph which shows the particle size distribution of ionomer measured by changing a heating temperature. アイオノマの加熱温度とゼータ電位差との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the heating temperature of an ionomer, and a zeta potential difference. アイオノマと他の構成成分との混合前および混合時で加熱の有無を変えたときのゼータ電位差を示すグラフである。It is a graph which shows the zeta potential difference at the time of changing the presence or absence of heating before and at the time of mixing of ionomer and other components. 第4実施形態の電極触媒インク作製装置の概要を示す図である。It is a figure showing the outline of the electrode catalyst ink manufacture device of a 4th embodiment. 触媒粒子の粉末に液体を含ませた触媒含有物において、触媒粒子に形成されている孔に液体が入り込んだ状態を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the state which liquid entered into the hole formed in the catalyst particle in the catalyst containing material which made the powder of the catalyst particle contain the liquid. 粉末状の触媒粒子における空隙の空いた孔を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the hole which the space | gap was formed in the powdery catalyst particle. 触媒含有物に含まれる触媒粒子の固形分比率とゼータ電位差との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the solid content ratio of the catalyst particle contained in a catalyst content, and a zeta potential difference.

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率と異なる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. It should be noted that the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and are different from the actual ratios.

<第1実施形態>
図1に示すように、第1実施形態の電極触媒インク作製装置100は、インクタンク110(混合部)と、インク調整装置120(電極触媒インク調整部)と、インク調整装置130(電極触媒インク調整部)と、ゼータ電位測定装置140(ゼータ電位測定部)と、を有する。
<First embodiment>
As shown in FIG. 1, an electrode catalyst ink manufacturing apparatus 100 according to the first embodiment includes an ink tank 110 (mixing unit), an ink adjustment device 120 (electrode catalyst ink adjustment unit), and an ink adjustment device 130 (electrode catalyst ink). An adjustment unit) and a zeta potential measurement device 140 (a zeta potential measurement unit).

インクタンク110は、電極触媒インク111を収容している。電極触媒インク111は、溶媒、アイオノマ、および触媒粒子を含む。電極触媒インク111は、これらに加えてさらに、撥水剤、分散剤、増粘剤、造孔剤等の添加剤を含んでもよい。電極触媒インク111は、インクタンク110内で撹拌されている。   The ink tank 110 contains the electrode catalyst ink 111. The electrode catalyst ink 111 includes a solvent, an ionomer, and catalyst particles. The electrode catalyst ink 111 may further include additives such as a water repellent, a dispersant, a thickener, and a pore former in addition to the above. The electrode catalyst ink 111 is stirred in the ink tank 110.

溶媒は、例えば、水道水、純水、イオン交換水、蒸留水等の水、シクロヘキサノール、メタノール、エタノール、n−プロパノール(n−プロピルアルコール)、イソプロパノール、n−ブタノール、sec−ブタノール、イソブタノール、およびtert−ブタノール等の炭素数1〜4の低級アルコール、プロピレングリコール、ベンゼン、トルエン、キシレン等であるが、これらに限定されない。これらの他にも、酢酸ブチルアルコール、ジメチルエーテル、エチレングリコール等が溶媒として用いられてもよい。これらの溶剤は、1種を単独で使用してもあるいは2種以上の混合液の状態で使用してもよい。   Examples of the solvent include water such as tap water, pure water, ion-exchanged water, and distilled water, cyclohexanol, methanol, ethanol, n-propanol (n-propyl alcohol), isopropanol, n-butanol, sec-butanol, and isobutanol. And lower alcohols having 1 to 4 carbon atoms such as tert-butanol, propylene glycol, benzene, toluene, xylene and the like, but are not limited thereto. Besides these, butyl acetate, dimethyl ether, ethylene glycol and the like may be used as the solvent. These solvents may be used alone or in a mixture of two or more.

アイオノマとしては、例えば、フッ素系高分子電解質材料、および炭化水素系高分子電解質材料を挙げることができるが、これらに限定されない。フッ素系高分子電解質材料としては、例えば、ナフィオン(登録商標)、アシプレックス(登録商標)、フレミオン(登録商標)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー等が挙げられる。炭化水素系高分子電解質材料としては、例えば、スルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(SPEEK)、スルホン化ポリフェニレン(S−PP)等が挙げられる。   Examples of the ionomer include, but are not limited to, a fluorine-based polymer electrolyte material and a hydrocarbon-based polymer electrolyte material. Examples of the fluorine-based polymer electrolyte material include perfluorocarbon sulfonic acid-based polymers such as Nafion (registered trademark), Aciplex (registered trademark), and Flemion (registered trademark), perfluorocarbon phosphonic acid-based polymers, and trifluorostyrene sulfonic acid. Polymer, an ethylene-tetrafluoroethylene-g-styrenesulfonic acid-based polymer, an ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, a polyvinylidene fluoride-perfluorocarbonsulfonic acid-based polymer, and the like. Examples of the hydrocarbon-based polymer electrolyte materials include sulfonated polyethersulfone (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, phosphonated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, and sulfonated polystyrene. Polyether ether ketone (SPEEK), sulfonated polyphenylene (S-PP) and the like are included.

触媒粒子は、少なくとも触媒作用を有する物質を含み、例えば、触媒作用を有する触媒金属と、これを担持する触媒担体と、を有する。   The catalyst particles include at least a substance having a catalytic action, and include, for example, a catalytic metal having a catalytic action and a catalyst carrier supporting the catalytic metal.

触媒金属は、例えば白金含有触媒金属であるが、これに限定されない。白金含有触媒金属としては、例えば、白金(Pt)の単体粒子、または白金粒子とルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、タングステン(W)、鉛(Pb)、鉄(Fe)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、バナジウム(V)、モリブデン(Mo)、ガリウム(Ga)及びアルミニウム(Al)からなる群より選ばれる少なくとも1種の他の金属粒子との混合物、白金と他の金属との合金等を挙げることができる。   The catalyst metal is, for example, a platinum-containing catalyst metal, but is not limited thereto. As the platinum-containing catalyst metal, for example, platinum (Pt) simple particles or platinum particles and ruthenium (Ru), iridium (Ir), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), tungsten (W) , Lead (Pb), iron (Fe), chromium (Cr), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), vanadium (V), molybdenum (Mo), gallium (Ga) and aluminum (Al) And a mixture with at least one other metal particle selected from the group consisting of: and an alloy of platinum and another metal.

触媒担体は、例えば、電子伝導性を有し、主成分がカーボンからなる。触媒担体としては、例えば、カーボンブラック(ケッチェンブラック、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなど)、活性炭等からなるカーボン粒子が挙げられるが、これらに限定されない。   The catalyst carrier has, for example, electron conductivity and a main component is made of carbon. Examples of the catalyst carrier include, but are not limited to, carbon black (Ketjen black, oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, acetylene black, etc.), and carbon particles made of activated carbon.

インク調整装置120は、アイオノマ収容部121と、アイオノマ導入管122と、バルブ123(開閉部)と、を有する。   The ink adjusting device 120 includes an ionomer storage unit 121, an ionomer introduction pipe 122, and a valve 123 (opening / closing unit).

アイオノマ収容部121は、アイオノマ分散液124を収容するタンクである。アイオノマ分散液124は、溶媒と、溶媒中に分散したアイオノマと、を含む。   The ionomer storage section 121 is a tank that stores the ionomer dispersion liquid 124. The ionomer dispersion liquid 124 includes a solvent and ionomer dispersed in the solvent.

アイオノマ導入管122は、アイオノマ収容部121をインクタンク110と連通させる。アイオノマ導入管122は、インクタンク110へのアイオノマ分散液124の導入経路を構成する。この導入経路にバルブ123が設けられている。   The ionomer introduction pipe 122 allows the ionomer storage 121 to communicate with the ink tank 110. The ionomer introduction pipe 122 forms a path for introducing the ionomer dispersion liquid 124 into the ink tank 110. A valve 123 is provided in this introduction path.

バルブ123は、特に限定されないが、例えば、電気信号に応じて開閉する電磁バルブである。バルブ123の開閉によって、インクタンク110へのアイオノマの投入量が調整される。バルブ123が開くように動作すると、インクタンク110へアイオノマが投入される。バルブ123が閉じるように動作すると、インクタンク110へのアイオノマの投入が停止する。   The valve 123 is not particularly limited, but is, for example, an electromagnetic valve that opens and closes in response to an electric signal. By opening and closing the valve 123, the amount of the ionomer charged into the ink tank 110 is adjusted. When the valve 123 operates to open, the ionomer is supplied to the ink tank 110. When the valve 123 operates to close, the charging of the ionomer into the ink tank 110 stops.

インク調整装置130は、循環管131と、ポンプ132と、分散機133(分散部)と、を有する。   The ink adjusting device 130 includes a circulation pipe 131, a pump 132, and a disperser 133 (dispersion unit).

循環管131は、インクタンク110と連通している。循環管131は、インクタンク110から導出された電極触媒インク111を、インクタンク110に再導入させる循環経路を構成する。この循環経路にポンプ132および分散機133は設けられている。   The circulation pipe 131 communicates with the ink tank 110. The circulation pipe 131 forms a circulation path for re-introducing the electrode catalyst ink 111 derived from the ink tank 110 into the ink tank 110. The pump 132 and the disperser 133 are provided in this circulation path.

ポンプ132は、循環管131における電極触媒インク111の流動を促し、電極触媒インク111を円滑に循環させる。   The pump 132 promotes the flow of the electrode catalyst ink 111 in the circulation pipe 131, and circulates the electrode catalyst ink 111 smoothly.

分散機133は、インクタンク110から導出される電極触媒インク111に対し、機械的エネルギーを加え、電極触媒インク111におけるアイオノマおよび触媒粒子の分散を促す。   The disperser 133 applies mechanical energy to the electrode catalyst ink 111 derived from the ink tank 110, and promotes the dispersion of the ionomer and the catalyst particles in the electrode catalyst ink 111.

分散機133は、例えば、図2に示すようなメディア撹拌式分散機133A、図3に示すような超音波ホモジナイザー133B、または図4に示すような湿式ジェットミル133Cであるが、これらに限定されない。   The disperser 133 is, for example, a media stirring type disperser 133A as shown in FIG. 2, an ultrasonic homogenizer 133B as shown in FIG. 3, or a wet jet mill 133C as shown in FIG. 4, but is not limited thereto. .

図2に示すように、メディア撹拌式分散機133Aは、循環経路上流側の循環管131Aと、循環経路下流側の循環管131Bとの間に設けられる。メディア撹拌式分散機133Aは、循環管131Aを通じ、ベッセルA1内に電極触媒インク111を導入し、回転ローターA3によって、球形状を有するメディアA2とともに電極触媒インク111を撹拌する。こうして電極触媒インク111に機械的エネルギーが加えられ、電極触媒インク111中のアイオノマおよび触媒粒子の分散が促される。電極触媒インク111は、メディア撹拌式分散機133Aを通過後、循環管131Bを通じてインクタンク110へと戻される。   As shown in FIG. 2, the media stirring type dispersion machine 133A is provided between a circulation pipe 131A on the upstream side of the circulation path and a circulation pipe 131B on the downstream side of the circulation path. The media stirring type dispersion machine 133A introduces the electrode catalyst ink 111 into the vessel A1 through the circulation pipe 131A, and stirs the electrode catalyst ink 111 together with the spherical medium A2 by the rotating rotor A3. In this manner, mechanical energy is applied to the electrode catalyst ink 111, and the ionomer and the catalyst particles in the electrode catalyst ink 111 are dispersed. After passing through the media stirring type dispersion machine 133A, the electrode catalyst ink 111 is returned to the ink tank 110 through the circulation pipe 131B.

図3に示すように、超音波ホモジナイザー133Bは、循環経路上流側の循環管131Aと、循環経路下流側の循環管131Bとの間に設けられる。超音波ホモジナイザー133Bは、循環管131Aを通じ、容器B1内に電極触媒インク111を導入する。超音波ホモジナイザー133Bは、チップB2から電極触媒インク111に超音波を加え、電極触媒インク111を振動させる。こうして電極触媒インク111に機械的エネルギーが加えられ、電極触媒インク111中のアイオノマおよび触媒粒子の分散が促される。電極触媒インク111は、超音波ホモジナイザー133Bを通過後、循環管131Bを通じてインクタンク110へと戻される。   As shown in FIG. 3, the ultrasonic homogenizer 133B is provided between the circulation pipe 131A on the upstream side of the circulation path and the circulation pipe 131B on the downstream side of the circulation path. The ultrasonic homogenizer 133B introduces the electrode catalyst ink 111 into the container B1 through the circulation pipe 131A. The ultrasonic homogenizer 133B applies ultrasonic waves from the chip B2 to the electrode catalyst ink 111 to vibrate the electrode catalyst ink 111. In this manner, mechanical energy is applied to the electrode catalyst ink 111, and the ionomer and the catalyst particles in the electrode catalyst ink 111 are dispersed. After passing through the ultrasonic homogenizer 133B, the electrode catalyst ink 111 is returned to the ink tank 110 through the circulation pipe 131B.

図4に示すように、湿式ジェットミル133Cは、循環経路上流側の循環管131Aと、循環経路下流側の循環管131Bとの間に設けられる。湿式ジェットミル133Cは、循環管131Aを通じて電極触媒インク111を導入し、プランジャポンプC1による加圧噴射を利用して、電極触媒インク111同士の衝突を生じさせる。こうして電極触媒インク111に機械的エネルギーが加えられ、電極触媒インク111中のアイオノマおよび触媒粒子の分散が促される。電極触媒インク111は、湿式ジェットミル133Cを通過後、循環管131Bを通じてインクタンク110へと戻される。次に、再び図1を参照する。   As shown in FIG. 4, the wet jet mill 133C is provided between a circulation pipe 131A on the upstream side of the circulation path and a circulation pipe 131B on the downstream side of the circulation path. The wet jet mill 133C introduces the electrode catalyst ink 111 through the circulation pipe 131A, and causes collision between the electrode catalyst inks 111 by using pressurized injection by the plunger pump C1. In this manner, mechanical energy is applied to the electrode catalyst ink 111, and the ionomer and the catalyst particles in the electrode catalyst ink 111 are dispersed. After passing through the wet jet mill 133C, the electrode catalyst ink 111 is returned to the ink tank 110 through the circulation pipe 131B. Next, FIG. 1 is referred to again.

図1に示すように、ゼータ電位測定装置140は、電極触媒インク導入管141を通じてインクタンク110と連通している。電極触媒インク導入管141は、循環管131から分岐している。電極触媒インク111の一部は、電極触媒インク導入管141を通り、ゼータ電位測定装置140に導入される。   As shown in FIG. 1, the zeta potential measuring device 140 communicates with the ink tank 110 through an electrode catalyst ink introduction pipe 141. The electrode catalyst ink introduction pipe 141 branches off from the circulation pipe 131. A part of the electrode catalyst ink 111 is introduced into the zeta potential measuring device 140 through the electrode catalyst ink introduction pipe 141.

ゼータ電位測定装置140は、導入された電極触媒インク111から、例えば電気泳動光散乱測定法(レーザードップラー法)に準じてゼータ電位を求める。電気泳動光散乱測定法(レーザードップラー法)自体は、従来公知であるため、ゼータ電位の導出についてのここでの詳述は省略する。概説すれば、電極触媒インク111に照射されたレーザー光のドップラー効果による周波数のシフト量、および電極触媒インク111に印加する電場等が測定され、それらの値から、泳動速度および電気移動度を算出し、さらに、Smoluchowskiの式に基づき、電気移動度からゼータ電位が導出される。   The zeta potential measuring device 140 determines the zeta potential from the introduced electrode catalyst ink 111 according to, for example, an electrophoretic light scattering measurement method (laser Doppler method). Since the electrophoretic light scattering measurement method (laser Doppler method) itself is conventionally known, a detailed description of the derivation of the zeta potential will be omitted here. In brief, the amount of frequency shift due to the Doppler effect of the laser light applied to the electrode catalyst ink 111, the electric field applied to the electrode catalyst ink 111, and the like are measured, and the migration speed and the electric mobility are calculated from these values. Further, the zeta potential is derived from the electric mobility based on the Smoluchowski equation.

このような測定法を実行するため、ゼータ電位測定装置140は、例えば、電極触媒インク111に電場をかける電極、電極触媒インク111にレーザーを照射するレーザー装置、および、電極触媒インク111からの散乱光を検出する検出器を含む。また、ゼータ電位測定装置140は、電極触媒インク111から得られる実測値等を用いて計算を行うとともに計算結果に基づいて制御信号を発生させる例えばコンピュータ等の計算機を含む。   In order to perform such a measurement method, the zeta potential measuring device 140 includes, for example, an electrode that applies an electric field to the electrode catalyst ink 111, a laser device that irradiates the electrode catalyst ink 111 with a laser, and scattering from the electrode catalyst ink 111. Includes a detector that detects light. Further, the zeta potential measuring device 140 includes a computer, such as a computer, which performs calculations using actual measurement values and the like obtained from the electrode catalyst ink 111 and generates a control signal based on the calculation results.

ゼータ電位測定装置140の構成は、特に限定されない。ゼータ電位測定装置140は、前述のようなレーザー装置および検出器等を含み測定が行われる測定実行部と、前述のような計算機を含みゼータ電位の算出および算出結果に基づく制御を行う制御部とが、ユニット化されて一体となった構成を有してもよいし、それらが別体として別々に設けられた構成を有してもよい。   The configuration of the zeta potential measuring device 140 is not particularly limited. The zeta potential measurement device 140 is a measurement execution unit in which the measurement is performed including the laser device and the detector as described above, and a control unit that includes the calculator as described above and calculates the zeta potential and performs control based on the calculation result. However, they may have a configuration in which they are unitized and integrated, or may have a configuration in which they are separately provided separately.

次に、第1実施形態の電極触媒インク作製方法について説明する。   Next, a method for producing an electrode catalyst ink according to the first embodiment will be described.

図5に示すように、本実施形態の電極触媒インク作製方法は、インクタンク投入工程S1と、ゼータ電位測定工程S2と、判定工程S3と、インク調整工程S4と、を有する。   As shown in FIG. 5, the method for producing an electrode catalyst ink of the present embodiment includes an ink tank charging step S1, a zeta potential measuring step S2, a determining step S3, and an ink adjusting step S4.

インクタンク投入工程S1では、溶媒、アイオノマ、および触媒粒子が、インクタンク110に投入される。これらの投入順序は特に限定されず、それらを別々に投入してもよいし、同時に投入してもよい。また、溶媒、アイオノマ、および触媒粒子に加えてさらに、撥水剤、分散剤、増粘剤、造孔剤等の添加剤がインクタンク110に投入されてもよい。   In the ink tank charging step S1, a solvent, ionomer, and catalyst particles are charged into the ink tank 110. The order of charging them is not particularly limited, and they may be charged separately or simultaneously. Further, in addition to the solvent, the ionomer, and the catalyst particles, additives such as a water repellent, a dispersant, a thickener, and a pore former may be added to the ink tank 110.

本実施形態では、インクタンク110へのアイオノマの投入は、バルブ123が開けられ、アイオノマ導入管122を通じてアイオノマ分散液124が導入されることによって行われるが、これに限定されない。作業者がインクタンク110にアイオノマを直接投入してもよい。   In the present embodiment, the ionomer is introduced into the ink tank 110 by opening the valve 123 and introducing the ionomer dispersion liquid 124 through the ionomer introduction pipe 122, but is not limited to this. The worker may directly put the ionomer into the ink tank 110.

また、インクタンク投入工程S1では、溶媒、アイオノマ、および触媒粒子が、インクタンク110内で撹拌されて混ぜ合わされる。こうすることによって電極触媒インク111が形成される。溶媒、アイオノマ、および触媒粒子の混合によって、触媒粒子の表面にアイオノマが吸着する。   In the ink tank charging step S1, the solvent, the ionomer, and the catalyst particles are stirred and mixed in the ink tank 110. By doing so, the electrode catalyst ink 111 is formed. The ionomer is adsorbed on the surfaces of the catalyst particles by mixing the solvent, the ionomer, and the catalyst particles.

インクタンク投入工程S1後、ゼータ電位測定工程S2では、電極触媒インク111に対してゼータ電位測定が行われ、アイオノマが表面に吸着した触媒粒子のゼータ電位が求められる。ゼータ電位測定装置140がゼータ電位を測定する。インクタンク110内で作製された電極触媒インク111の一部がゼータ電位測定装置140内に導入され、ゼータ電位測定装置140は、それに対してゼータ電位測定を行い、アイオノマが表面に吸着した触媒粒子のゼータ電位を導出する。   In the zeta potential measuring step S2 after the ink tank charging step S1, the zeta potential is measured for the electrode catalyst ink 111, and the zeta potential of the catalyst particles having the ionomer adsorbed on the surface is obtained. The zeta potential measuring device 140 measures the zeta potential. A part of the electrode catalyst ink 111 produced in the ink tank 110 is introduced into the zeta potential measuring device 140, and the zeta potential measuring device 140 performs the zeta potential measurement on the zeta potential measuring device 140, and the ionomer adsorbs the surface of the catalyst particles. The zeta potential of is derived.

ゼータ電位測定工程S2後、判定工程S3では、測定されたゼータ電位を用いて、触媒粒子へのアイオノマの吸着量が多いか少ないか判定される。ゼータ電位測定装置140がこのような判定を行う。   After the zeta potential measurement step S2, in the determination step S3, it is determined whether the amount of ionomer adsorbed on the catalyst particles is large or small using the measured zeta potential. The zeta potential measuring device 140 makes such a determination.

従来、ゼータ電位は、コロイド粒子の分散性および凝集性を評価する指標として知られていたが、これと異なり、本発明者らは、ゼータ電位と、触媒粒子へのアイオノマの吸着量との間の相関関係に新たに着目した。具体的に、アイオノマの一例であるナフィオン(登録商標、以下省略)が触媒粒子に吸着した場合を例に挙げて、アイオノマの吸着量とゼータ電位との関係を以下に説明する。   Conventionally, the zeta potential was known as an index for evaluating the dispersibility and aggregability of colloid particles.However, the present inventors differed between the zeta potential and the amount of ionomer adsorbed on the catalyst particles. We newly focused on the correlation. Specifically, the relationship between the ionomer adsorption amount and the zeta potential will be described below, taking as an example the case where Nafion (registered trademark, hereinafter abbreviated), which is an example of ionomer, is adsorbed on catalyst particles.

図6に示すように、ナフィオンからなるアイオノマ10は、触媒粒子20のまわりに吸着する。触媒粒子20は、触媒担体粒子21と、触媒担体粒子に担持された触媒金属粒子22と、を含む。   As shown in FIG. 6, the ionomer 10 made of Nafion is adsorbed around the catalyst particles 20. The catalyst particles 20 include catalyst carrier particles 21 and catalyst metal particles 22 supported on the catalyst carrier particles.

ナフィオンからなるアイオノマ10は、疎水基11と、親水基12とを有しており、親水基12によって、触媒粒子20のゼータ電位は負となる。   The ionomer 10 made of Nafion has a hydrophobic group 11 and a hydrophilic group 12, and the zeta potential of the catalyst particles 20 becomes negative due to the hydrophilic group 12.

そして、図7に示すように、アイオノマ10の吸着量が増えると、それに応じて触媒粒子20のゼータ電位は低下(絶対値は増加)する。   Then, as shown in FIG. 7, as the adsorption amount of the ionomer 10 increases, the zeta potential of the catalyst particles 20 decreases (the absolute value increases).

実際、図8に示すように、アイオノマの吸着量は、アイオノマが吸着した触媒粒子のゼータ電位(−V1)と、所定のゼータ電位値(−V2)との間のゼータ電位差ΔV(ΔV=−V2−(−V1))が増加するにつれて、大きくなった。ここで、所定のゼータ電位値(−V2)は、アイオノマ吸着前の触媒粒子のゼータ電位である。また、アイオノマの吸着量の大小は、アイオノマを吸着させる前後で触媒粒子について測定した電気抵抗の大小から推定した。   In fact, as shown in FIG. 8, the adsorption amount of the ionomer is a zeta potential difference ΔV (ΔV = −V) between the zeta potential (−V1) of the catalyst particles adsorbed by the ionomer and a predetermined zeta potential value (−V2). V2-(-V1)) increased. Here, the predetermined zeta potential value (-V2) is the zeta potential of the catalyst particles before ionomer adsorption. The magnitude of the adsorption amount of the ionomer was estimated from the magnitude of the electric resistance measured for the catalyst particles before and after the adsorption of the ionomer.

アイオノマは、発電に有効なプロトン伝導に寄与する。このため、電極触媒インク111から電極触媒層を形成し、これを電解質膜に配置して膜電極接合体を作製した際、膜電極接合体の発電性能は、上述のゼータ電位差ΔVが大きく、触媒粒子へのアイオノマの吸着量が大きい方が高くなる。   Ionoma contributes to effective proton conduction for power generation. For this reason, when an electrode catalyst layer is formed from the electrode catalyst ink 111 and this is disposed on the electrolyte membrane to produce a membrane electrode assembly, the power generation performance of the membrane electrode assembly is large due to the large zeta potential difference ΔV described above. The larger the amount of ionomer adsorbed on the particles, the higher the amount.

このことに基づき、本実施形態の判定工程S3では、ゼータ電位差ΔVが、予め設定された基準値以上であれば、アイオノマの吸着量が多く、所望のプロトン伝導性を発揮するのに必要な量以上のアイオノマが触媒粒子に吸着していると判定される。   Based on this, in the determination step S3 of the present embodiment, if the zeta potential difference ΔV is equal to or greater than a preset reference value, the amount of ionomer adsorbed is large, and the amount necessary to exhibit desired proton conductivity is obtained. It is determined that the above ionomer is adsorbed on the catalyst particles.

一方、ゼータ電位差ΔVが、予め設定された基準値より小さければ、アイオノマの吸着量が少なく、所望のプロトン伝導性を発揮するのに必要な量のアイオノマが触媒粒子に吸着していないと判定される。   On the other hand, if the zeta potential difference ΔV is smaller than a preset reference value, it is determined that the amount of ionomer adsorbed is small, and that the ionomer in an amount necessary to exhibit the desired proton conductivity is not adsorbed on the catalyst particles. You.

判定工程S3におけるこれらの判定は、ゼータ電位測定装置140によって実行される。ゼータ電位測定装置140は、ゼータ電位差ΔVを求めるとともに、これと予め記憶している基準値とを比較し、ゼータ電位差ΔVが基準値以上か否か判定する。   These determinations in the determination step S3 are performed by the zeta potential measurement device 140. The zeta potential measuring device 140 calculates the zeta potential difference ΔV, compares it with a previously stored reference value, and determines whether or not the zeta potential difference ΔV is equal to or greater than the reference value.

判定工程S3において、ゼータ電位差ΔVが所定値より小さい(アイオノマの吸着量が少ない)と判定された場合、インク調整工程S4において、電極触媒インク111が調整される。   If it is determined in the determination step S3 that the zeta potential difference ΔV is smaller than the predetermined value (the amount of adsorption of the ionomer is small), the electrode catalyst ink 111 is adjusted in the ink adjustment step S4.

インク調整工程S4では、電極触媒インク111は、ゼータ電位差ΔVが増加する、すなわちアイオノマの吸着量が増加するように調整される。このような調整は、インク調整装置120およびインク調整装置130によって行われる。ゼータ電位測定装置140は、ゼータ電位差ΔVが所定値より小さいと判定すると、インク調整装置120およびインク調整装置130に制御信号142、143を送り、ゼータ電位差ΔVを増加させるようにそれらを動作させる。ゼータ電位測定工程S2、判定工程S3、およびインク調整工程S4は、ゼータ電位差ΔVが所定値以上となるまで、繰り返される。   In the ink adjusting step S4, the electrode catalyst ink 111 is adjusted such that the zeta potential difference ΔV increases, that is, the amount of ionomer adsorbed increases. Such adjustment is performed by the ink adjustment device 120 and the ink adjustment device 130. When determining that the zeta potential difference ΔV is smaller than the predetermined value, the zeta potential measuring device 140 sends control signals 142 and 143 to the ink adjusting device 120 and the ink adjusting device 130 to operate them so as to increase the zeta potential difference ΔV. The zeta potential measuring step S2, the determining step S3, and the ink adjusting step S4 are repeated until the zeta potential difference ΔV becomes equal to or more than a predetermined value.

インク調整装置120は、ゼータ電位測定装置140からの制御信号142を受けると、バルブ123を開き、インクタンク110内の電極触媒インク111にアイオノマを投入する。これによって、電極触媒インク111に含まれるアイオノマの量、ひいては触媒粒子表面へのアイオノマの吸着量が増え、その結果、ゼータ電位差ΔVが増加する。   Upon receiving the control signal 142 from the zeta potential measuring device 140, the ink adjusting device 120 opens the valve 123 and puts ionomer into the electrode catalyst ink 111 in the ink tank 110. As a result, the amount of ionomer contained in the electrode catalyst ink 111 and the amount of ionomer adsorbed on the catalyst particle surface increase, and as a result, the zeta potential difference ΔV increases.

インク調整装置130は、ゼータ電位測定装置140からの制御信号143を受けると、循環路を通じて移動する電極触媒インク111に対し、分散機133で機械的エネルギーを加える。これによって、電極触媒インク111に含まれるアイオノマおよび触媒粒子の分散が促され、これらの接触頻度が上がる。その結果、触媒粒子表面へのアイオノマの吸着量が増え、ゼータ電位差ΔVが増加する。   Upon receiving the control signal 143 from the zeta potential measuring device 140, the ink adjusting device 130 applies mechanical energy to the electrode catalyst ink 111 moving through the circulation path by the disperser 133. This promotes the dispersion of the ionomer and the catalyst particles contained in the electrode catalyst ink 111, and increases the frequency of contact thereof. As a result, the amount of ionomer adsorbed on the catalyst particle surface increases, and the zeta potential difference ΔV increases.

分散機133が、例えば図2に示すメディア撹拌式分散機133Aの場合、機械的エネルギーを増加させる因子として、例えば、ローターA3の回転数、処理時間、メディアA2の比重、メディアA2の充填率、およびベッセルA1の内部圧力等が挙げられる。   When the dispersing device 133 is, for example, the media stirring type dispersing device 133A shown in FIG. 2, factors that increase the mechanical energy include, for example, the rotation speed of the rotor A3, the processing time, the specific gravity of the media A2, the filling rate of the media A2, And the internal pressure of the vessel A1.

分散機133が、例えば図3に示す超音波ホモジナイザー133Bの場合、機械的エネルギーを増加させる因子として、例えば、超音波の出力、および超音波を加える時間等が挙げられる。   When the dispersing machine 133 is, for example, the ultrasonic homogenizer 133B shown in FIG. 3, factors that increase the mechanical energy include, for example, the output of ultrasonic waves and the time for applying ultrasonic waves.

分散機133が、例えば図4に示す湿式ジェットミル133Cの場合、機械的エネルギーを増加させる因子として、例えば、流速、圧力、処理時間等が挙げられる。   When the disperser 133 is, for example, a wet jet mill 133C shown in FIG. 4, factors that increase mechanical energy include, for example, a flow rate, a pressure, and a processing time.

電極触媒インク111について測定されるゼータ電位差ΔVが、所定値以上であると判定されると、電極触媒インク111の作製が終了する。作製された電極触媒インク111は、その後、すぐに膜電極接合体の作製に使用されてもよいし、貯蔵されてもよい。   When it is determined that the zeta potential difference ΔV measured for the electrode catalyst ink 111 is equal to or larger than a predetermined value, the production of the electrode catalyst ink 111 ends. The produced electrode catalyst ink 111 may then be used immediately for producing a membrane electrode assembly, or may be stored.

次に、本実施形態の作用効果を述べる。   Next, the operation and effect of the present embodiment will be described.

本実施形態では、電極触媒インク111につき、触媒粒子へのアイオノマの吸着量の多少が、ゼータ電位の測定結果を用いて判定され、アイオノマの吸着量が少ないものについては、アイオノマの吸着量、すなわちプロトン伝導性が改善される。   In the present embodiment, for the electrode catalyst ink 111, the amount of adsorption of the ionomer to the catalyst particles is determined using the measurement result of the zeta potential, and for those having a small amount of adsorption of the ionomer, the amount of adsorption of the ionomer, that is, Proton conductivity is improved.

このため、電極触媒インク111は、良好なプロトン伝導性を有する状態で膜電極接合体作製の次工程へと提供され、プロトン伝導性が不良なまま使用されることが防止される。従って本実施形態によれば歩留まりを向上できる。   Therefore, the electrode catalyst ink 111 is provided to the next step of fabricating the membrane / electrode assembly in a state having good proton conductivity, and is prevented from being used with poor proton conductivity. Therefore, according to the present embodiment, the yield can be improved.

本実施形態と異なり、アイオノマの官能基のカウンターイオン濃度を測定することによって、触媒粒子へのアイオノマの吸着量を推定することが考えられる。例えば上述の図6に示すナフィオンの例では、官能基中のSO のカウンターイオンである水素イオンHの濃度(pH)を測定することによって、アイオノマの吸着量を推定できる可能性がある。 Unlike the present embodiment, it is conceivable to estimate the amount of ionomer adsorbed on the catalyst particles by measuring the counter ion concentration of the functional group of the ionomer. For example, in the case of Nafion shown in FIG. 6 described above, there is a possibility that the adsorption amount of ionomer can be estimated by measuring the concentration (pH) of hydrogen ions H + , which are counter ions of SO 3 in the functional group. .

しかしながら、電極触媒インク111に溶解する例えば空気中の炭酸ガス由来の炭酸イオン、およびコンタミネーションに由来するアニオン等も水素イオンのカウンターイオンとなり得るため、水素イオン濃度によってアイオノマの吸着量を正確に評価することは困難である。   However, for example, carbonate ions derived from carbon dioxide gas in the air and anions derived from contamination that dissolve in the electrode catalyst ink 111 can also be counter ions of hydrogen ions, so that the amount of ionomer adsorbed can be accurately evaluated based on the hydrogen ion concentration. It is difficult to do.

一方、本実施形態では、ゼータ電位を用いてアイオノマの吸着量の多少を判定するため、アイオノマの吸着量をより正確に評価できる。   On the other hand, in the present embodiment, since the amount of adsorption of the ionomer is determined using the zeta potential, the amount of adsorption of the ionomer can be more accurately evaluated.

また、ゼータ電位の測定それ自体は、コロイドの分散性等の評価において行っているため、ゼータ電位測定のための新たな装置を設計しなくて済む。従って、本実施形態によれば簡便にアイオノマの吸着量を評価できる。   In addition, since the measurement of the zeta potential itself is performed in the evaluation of the dispersibility of the colloid and the like, it is not necessary to design a new apparatus for measuring the zeta potential. Therefore, according to the present embodiment, the amount of ionomer adsorbed can be easily evaluated.

本実施形態は、触媒粒子へのアイオノマの吸着量を増加させるように電極触媒インク111を調整する際、バルブ123を開き、電極触媒インク111へのアイオノマの投入量を増やす。その結果、電極触媒インク111に含まれるアイオノマの量が増す。親水基を含むアイオノマは、水分を保持する性質を有しており、プロトンは水分を介して移動する。このため、電極触媒インク111にアイオノマを投入し、アイオノマの含有量を増加させれば、プロトン伝導性をより効果的に高めることができる。   In the present embodiment, when the electrode catalyst ink 111 is adjusted so as to increase the amount of ionomer adsorbed on the catalyst particles, the valve 123 is opened and the amount of ionomer charged into the electrode catalyst ink 111 is increased. As a result, the amount of ionomer contained in the electrode catalyst ink 111 increases. The ionomer containing a hydrophilic group has a property of retaining water, and protons move through the water. Therefore, if ionomer is added to the electrode catalyst ink 111 to increase the content of ionomer, proton conductivity can be more effectively increased.

また、本実施形態の分散機133のように、機械的エネルギーを加えることによってアイオノマの吸着量を増加させるようにすれば、電極触媒インク111へのアイオノマの投入量を増やさなくて済む。このため、アイオノマの使用量が抑えられ、原材料を節約できる。   Further, if the amount of ionomer adsorbed is increased by applying mechanical energy as in the disperser 133 of the present embodiment, it is not necessary to increase the amount of ionomer charged into the electrode catalyst ink 111. For this reason, the amount of ionomer used is suppressed, and raw materials can be saved.

<第2実施形態>
図9に示すように、第2実施形態の電極触媒インク作製装置200は、第1実施形態の構成に加え、分散液調整装置210(アイオノマ分散液調整部)と、分岐管220とを有する。また、電極触媒インク作製装置200は、触媒粒子収容部230と、触媒粒子導入管250と、分散液調整装置260(触媒粒子分散液調整部)と、分岐管270とを有する。第1実施形態と同一の構成については、図中で第1実施形態と同一の符号を付し、ここでの重複する説明は省略する。
<Second embodiment>
As shown in FIG. 9, the electrode catalyst ink manufacturing apparatus 200 of the second embodiment includes a dispersion liquid adjustment device 210 (ionomer dispersion liquid adjustment unit) and a branch pipe 220 in addition to the configuration of the first embodiment. In addition, the electrode catalyst ink manufacturing apparatus 200 includes a catalyst particle storage unit 230, a catalyst particle introduction tube 250, a dispersion liquid adjustment device 260 (catalyst particle dispersion liquid adjustment unit), and a branch tube 270. In the drawings, the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the first embodiment, and redundant description is omitted.

分散液調整装置210は、インクタンク110へ向かうアイオノマ分散液124の導入経路に設けられる。分散液調整装置210は、例えば、図2〜図4で示したような、メディア撹拌式分散機133A、超音波ホモジナイザー133B、または湿式ジェットミル133Cであるが、これらに限定されない。   The dispersion liquid adjusting device 210 is provided on an introduction path of the ionomer dispersion liquid 124 toward the ink tank 110. The dispersion liquid adjusting device 210 is, for example, a media stirring type dispersion machine 133A, an ultrasonic homogenizer 133B, or a wet jet mill 133C as shown in FIGS. 2 to 4, but is not limited thereto.

分岐管220は、アイオノマ導入管122から分岐し、アイオノマ導入管122とゼータ電位測定装置240とを連通させる。   The branch pipe 220 branches off from the ionomer introduction pipe 122, and connects the ionomer introduction pipe 122 and the zeta potential measurement device 240.

触媒粒子収容部230は、触媒粒子分散液231を収容するタンクである。触媒粒子分散液231は、溶媒と、溶媒中に分散した触媒粒子と、を含む。   The catalyst particle storage section 230 is a tank that stores the catalyst particle dispersion 231. The catalyst particle dispersion liquid 231 includes a solvent and catalyst particles dispersed in the solvent.

触媒粒子導入管250は、触媒粒子収容部230をインクタンク110と連通させ、インクタンク110へ向かう触媒粒子分散液231の導入経路を構成する。この導入経路に分散液調整装置260が設けられている。   The catalyst particle introduction pipe 250 connects the catalyst particle storage section 230 with the ink tank 110 and forms an introduction path of the catalyst particle dispersion 231 toward the ink tank 110. A dispersion liquid adjusting device 260 is provided in this introduction path.

分散液調整装置260は、例えば、図2〜図4で示したような、メディア撹拌式分散機133A、超音波ホモジナイザー133B、または湿式ジェットミル133Cであるが、これらに限定されない。   The dispersion liquid adjusting device 260 is, for example, a media stirring type dispersion device 133A, an ultrasonic homogenizer 133B, or a wet jet mill 133C as shown in FIGS. 2 to 4, but is not limited thereto.

分岐管270は、触媒粒子導入管250から分岐し、触媒粒子導入管250とゼータ電位測定装置240とを連通させる。   The branch pipe 270 branches from the catalyst particle introduction pipe 250, and connects the catalyst particle introduction pipe 250 and the zeta potential measurement device 240.

ゼータ電位測定装置240は、アイオノマ分散液124のゼータ電位、および触媒粒子分散液231のゼータ電位を測定し、それらのゼータ電位に基づいて、分散液調整装置210、260を制御する点で、第1実施形態のゼータ電位測定装置140と異なる。その他の構成および動作については、ゼータ電位測定装置240は、第1実施形態のゼータ電位測定装置140と同様である。   The zeta potential measuring device 240 measures the zeta potential of the ionomer dispersion 124 and the zeta potential of the catalyst particle dispersion 231 and controls the dispersion adjusting devices 210 and 260 based on the zeta potential. This is different from the zeta potential measuring device 140 of the first embodiment. Other configurations and operations of the zeta potential measuring device 240 are the same as those of the zeta potential measuring device 140 of the first embodiment.

ゼータ電位測定装置240は、電極触媒インク111についてのゼータ電位測定と同様にして、アイオノマ分散液124のゼータ電位、および触媒粒子分散液231のゼータ電位を測定する。アイオノマ分散液124は、分岐管220を通じてゼータ電位測定装置240に導入される。触媒粒子分散液231は、分岐管270を通じてゼータ電位測定装置240に導入される。   The zeta potential measuring device 240 measures the zeta potential of the ionomer dispersion liquid 124 and the zeta potential of the catalyst particle dispersion liquid 231 in the same manner as the zeta potential measurement of the electrode catalyst ink 111. The ionomer dispersion liquid 124 is introduced into the zeta potential measurement device 240 through the branch pipe 220. The catalyst particle dispersion 231 is introduced into the zeta potential measuring device 240 through the branch pipe 270.

次に、第2実施形態の電極触媒インク作製方法について述べる。   Next, a method for producing an electrode catalyst ink according to the second embodiment will be described.

図10に示すように、第2実施形態の電極触媒インク作製方法は、ゼータ電位測定工程S10と、判定工程S11と、分散液調整工程S12と、を有する。これらの工程は、インクタンク投入工程S1の前に行われる。   As shown in FIG. 10, the method for producing an electrode catalyst ink according to the second embodiment includes a zeta potential measuring step S10, a determining step S11, and a dispersion liquid adjusting step S12. These steps are performed before the ink tank charging step S1.

また、本実施形態の電極触媒インク作製方法は、ゼータ電位測定工程S20と、判定工程S21と、分散液調整工程S22と、を有する。これらの工程は、インクタンク投入工程S1の前に行われる。インクタンク投入工程S1、およびそれ以降の工程S2〜S4は、第1実施形態同様であるため、ここでの重複する説明は省略する。   Further, the method for preparing an electrode catalyst ink of the present embodiment includes a zeta potential measuring step S20, a determining step S21, and a dispersion liquid adjusting step S22. These steps are performed before the ink tank charging step S1. The ink tank charging step S1 and the subsequent steps S2 to S4 are the same as those in the first embodiment, and a duplicate description thereof will be omitted.

ゼータ電位測定工程S10では、アイオノマ分散液124のゼータ電位が測定される。アイオノマ分散液124は、分岐管220を通じてゼータ電位測定装置240に導入され、ゼータ電位測定装置240によって、ゼータ電位を測定される。   In the zeta potential measuring step S10, the zeta potential of the ionomer dispersion liquid 124 is measured. The ionomer dispersion liquid 124 is introduced into the zeta potential measuring device 240 through the branch pipe 220, and the zeta potential is measured by the zeta potential measuring device 240.

判定工程S11では、アイオノマ分散液124のゼータ電位が、所定値であるかどうか判定される。ゼータ電位測定装置240は、測定したアイオノマ分散液124のゼータ電位と、予め記憶している基準値とを比較し、測定したゼータ電位が基準値と略等しいか判定する。   In the determination step S11, it is determined whether the zeta potential of the ionomer dispersion liquid 124 is a predetermined value. The zeta potential measuring device 240 compares the measured zeta potential of the ionomer dispersion 124 with a previously stored reference value, and determines whether the measured zeta potential is substantially equal to the reference value.

判定工程S11において、ゼータ電位が基準値の範囲外であると判定された場合、アイオノマ分散液124は、分散液調整工程S12において、ゼータ電位が基準値と略等しくなるように調整される。   When it is determined in the determination step S11 that the zeta potential is out of the range of the reference value, the ionomer dispersion 124 is adjusted in the dispersion adjustment step S12 such that the zeta potential is substantially equal to the reference value.

ゼータ電位測定装置240は、測定したゼータ電位に基づく判定結果に応じて、制御信号241を分散液調整装置210に送る。これに従って、分散液調整装置210は、ゼータ電位が基準値と略等しくなるようにアイオノマ分散液124を調整する。   The zeta potential measuring device 240 sends a control signal 241 to the dispersion liquid adjusting device 210 according to the determination result based on the measured zeta potential. In accordance with this, the dispersion adjusting device 210 adjusts the ionomer dispersion 124 so that the zeta potential becomes substantially equal to the reference value.

分散液調整装置210は、アイオノマ導入管122を移動するアイオノマ分散液124に対し、機械的エネルギーを加えることによってゼータ電位を調整する。例えば、分散液調整装置210が、図2に示すようなメディア撹拌式分散機133Aの場合、ローターA3の回転数を上げ、アイオノマ分散液124に含まれるアイオノマの分散を促すことによって、ゼータ電位を調整する。   The dispersion liquid adjusting device 210 adjusts the zeta potential by applying mechanical energy to the ionomer dispersion liquid 124 moving through the ionomer introduction pipe 122. For example, when the dispersion liquid adjusting device 210 is a media stirring type dispersion device 133A as shown in FIG. 2, the zeta potential is increased by increasing the rotation speed of the rotor A3 and promoting the dispersion of the ionomer contained in the ionomer dispersion liquid 124. adjust.

アイオノマ分散液124のゼータ電位が所定値と略等しくなるまで、ゼータ電位測定工程S10、判定工程S11、および分散液調整工程S12は繰り返される。アイオノマ分散液124は、所望のゼータ電位に調整された状態で、インクタンク110に投入される。   Until the zeta potential of the ionomer dispersion 124 becomes substantially equal to the predetermined value, the zeta potential measurement step S10, the determination step S11, and the dispersion liquid adjustment step S12 are repeated. The ionomer dispersion liquid 124 is charged into the ink tank 110 in a state adjusted to a desired zeta potential.

ゼータ電位測定工程S20では、触媒粒子分散液231のゼータ電位が測定される。触媒粒子分散液231は、分岐管270を通じてゼータ電位測定装置240に導入され、ゼータ電位測定装置240によって、ゼータ電位を測定される。   In the zeta potential measuring step S20, the zeta potential of the catalyst particle dispersion 231 is measured. The catalyst particle dispersion liquid 231 is introduced into the zeta potential measuring device 240 through the branch pipe 270, and the zeta potential is measured by the zeta potential measuring device 240.

判定工程S21では、触媒粒子分散液231のゼータ電位が、所定値であるかどうか判定される。ゼータ電位測定装置240は、測定した触媒粒子分散液231のゼータ電位と、予め記憶している基準値とを比較し、測定したゼータ電位が基準値と略等しいか判定する。   In the determination step S21, it is determined whether the zeta potential of the catalyst particle dispersion 231 is a predetermined value. The zeta potential measuring device 240 compares the measured zeta potential of the catalyst particle dispersion liquid 231 with a reference value stored in advance and determines whether the measured zeta potential is substantially equal to the reference value.

判定工程S21において、ゼータ電位が基準値の範囲外であると判定された場合、触媒粒子分散液231は、分散液調整工程S22において、ゼータ電位が基準値と略等しくなるように調整される。   When it is determined in the determination step S21 that the zeta potential is out of the range of the reference value, the catalyst particle dispersion 231 is adjusted in the dispersion adjustment step S22 such that the zeta potential becomes substantially equal to the reference value.

ゼータ電位測定装置240は、測定したゼータ電位に基づく判定結果に応じて、制御信号242を分散液調整装置260に送る。これに従って、分散液調整装置260は、ゼータ電位が基準値と略等しくなるように触媒粒子分散液231を調整する。   The zeta potential measuring device 240 sends a control signal 242 to the dispersion adjusting device 260 according to the determination result based on the measured zeta potential. In accordance with this, the dispersion adjusting device 260 adjusts the catalyst particle dispersion 231 such that the zeta potential becomes substantially equal to the reference value.

分散液調整装置260は、触媒粒子導入管250を移動する触媒粒子分散液231に対し、機械的エネルギーを加えることによってゼータ電位を調整する。例えば、分散液調整装置260が、図2に示すようなメディア撹拌式分散機133Aの場合、ローターA3の回転数を上げ、触媒粒子分散液231に含まれる触媒粒子の分散を促すことによって、ゼータ電位を調整する。   The dispersion adjusting device 260 adjusts the zeta potential by applying mechanical energy to the catalyst particle dispersion 231 moving through the catalyst particle introduction tube 250. For example, in the case where the dispersion liquid adjusting device 260 is a media stirring type dispersion machine 133A as shown in FIG. 2, the rotation speed of the rotor A3 is increased to promote the dispersion of the catalyst particles contained in the catalyst particle dispersion liquid 231 to thereby produce a zeta. Adjust the potential.

触媒粒子分散液231のゼータ電位が所定値と略等しくなるまで、ゼータ電位測定工程S20、判定工程S21、および分散液調整工程S22は繰り返される。触媒粒子分散液231は、所望のゼータ電位に調整された状態で、インクタンク110に投入される。   Until the zeta potential of the catalyst particle dispersion liquid 231 becomes substantially equal to a predetermined value, the zeta potential measurement step S20, the determination step S21, and the dispersion liquid adjustment step S22 are repeated. The catalyst particle dispersion liquid 231 is charged into the ink tank 110 in a state adjusted to a desired zeta potential.

次に、本実施形態の作用効果を述べる。   Next, the operation and effect of the present embodiment will be described.

本実施形態では、分散液調整工程S12において、アイオノマ分散液124のゼータ電位が、分散液調整装置210によって所定値になるように調整される。   In the present embodiment, in the dispersion liquid adjustment step S12, the zeta potential of the ionomer dispersion liquid 124 is adjusted by the dispersion liquid adjustment device 210 to be a predetermined value.

これによって、一の電極触媒インク111を作製する際にインクタンク110に投入される一のアイオノマ分散液124と、さらに他の電極触媒インク111を作製する際にインクタンク110に別途に投入される他のアイオノマ分散液124との間で、ゼータ電位のばらつきが抑制される。   Thus, one ionomer dispersion liquid 124 to be charged into the ink tank 110 when one electrode catalyst ink 111 is prepared, and separately charged into the ink tank 110 when another electrode catalyst ink 111 is prepared. The dispersion of the zeta potential with another ionomer dispersion liquid 124 is suppressed.

また、本実施形態では、分散液調整工程S22において、触媒粒子分散液231のゼータ電位が、分散液調整装置260によって所定値になるように調整される。   In the present embodiment, in the dispersion adjusting step S22, the zeta potential of the catalyst particle dispersion 231 is adjusted by the dispersion adjusting device 260 so as to be a predetermined value.

これによって、一の電極触媒インク111を作製する際にインクタンク110に投入される一の触媒粒子分散液231と、さらに他の電極触媒インク111を作製する際にインクタンク110に別途に投入される他の触媒粒子分散液231との間で、ゼータ電位のばらつきが抑制される。   Thereby, one catalyst particle dispersion liquid 231 to be charged into the ink tank 110 when one electrode catalyst ink 111 is prepared, and another catalyst particle dispersion liquid 231 to be separately charged into the ink tank 110 when another electrode catalyst ink 111 is prepared. Zeta potential variation with other catalyst particle dispersion 231 is suppressed.

このように、電極触媒インク111の原材料についてロット毎のゼータ電位のばらつきが抑制されるため、電極触媒インク111が所望のアイオノマ吸着量ひいてはプロトン伝導性を有するように調整する際の調整条件が、原材料のロット毎に変わり難い。従って、本実施形態によれば、所望のアイオノマ吸着量ひいてはプロトン伝導性を有する電極触媒インク111を、安定して作製できる。   As described above, since the variation in the zeta potential for each raw material of the electrode catalyst ink 111 is suppressed, the adjustment conditions when the electrode catalyst ink 111 is adjusted to have a desired ionomer adsorption amount and, consequently, proton conductivity, It is difficult to change for each raw material lot. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to stably produce the electrode catalyst ink 111 having a desired ionomer adsorption amount and hence proton conductivity.

また、本実施形態は、第1実施形態と共通する構成によって、第1実施形態と同様の作用効果を奏する。   In addition, the present embodiment has the same operation and effect as the first embodiment by the configuration common to the first embodiment.

<第3実施形態>
図11に示すように、第3実施形態の電極触媒インク作製装置300は、第1のヒータ301および第2のヒータ302を有する点で、第1実施形態の電極触媒インク作製装置100と異なる。他の構成については、電極触媒インク作製装置300は、第1実施形態の電極触媒インク作製装置100と略同様であり、図中で第1実施形態と同一の符号を付し、ここでの重複する説明は省略する。
<Third embodiment>
As shown in FIG. 11, the electrode catalyst ink manufacturing apparatus 300 of the third embodiment differs from the electrode catalyst ink manufacturing apparatus 100 of the first embodiment in having a first heater 301 and a second heater 302. About another structure, the electrode catalyst ink manufacturing apparatus 300 is substantially the same as the electrode catalyst ink manufacturing apparatus 100 of the first embodiment, The description of the operation is omitted.

第1のヒータ301は、例えば、アイオノマ収容部121のまわりに設けられたジャケットヒータであるが、アイオノマを加熱可能であれば特に限定されない。第1のヒータ301は、温度調整可能であり、アイオノマ分散液124を加熱することによって、そこに含まれるアイオノマを所望の温度に加熱する。   The first heater 301 is, for example, a jacket heater provided around the ionomer accommodating portion 121, but is not particularly limited as long as it can heat the ionomer. The first heater 301 is temperature-adjustable, and heats the ionomer contained therein by heating the ionomer dispersion liquid 124 to a desired temperature.

第2のヒータ302は、例えば、インクタンク110のまわりに設けられたジャケットヒータであるが、電極触媒インク111を加熱可能であれば特に限定されない。第2のヒータ302は、温度調整可能であり、インクタンク110内の電極触媒インク111を所望の温度に加熱する。   The second heater 302 is, for example, a jacket heater provided around the ink tank 110, but is not particularly limited as long as it can heat the electrode catalyst ink 111. The second heater 302 is adjustable in temperature and heats the electrode catalyst ink 111 in the ink tank 110 to a desired temperature.

次に、本実施形態の電極触媒インク作製方法について述べる。   Next, a method for producing an electrode catalyst ink of the present embodiment will be described.

図12に示すように、本実施形態の電極触媒インク作製方法は、アイオノマ加熱工程S30を有する点で、第1実施形態の電極触媒インク作製方法と異なる。また、本実施形態では、インクタンク投入工程S1aが、第1実施形態のインクタンク投入工程S1と異なる。その他の工程やそれらの順序等については、本実施形態の電極触媒インク作製方法は第1実施形態と同様であるため、ここでの重複する説明を省略する。   As shown in FIG. 12, the method for producing an electrode catalyst ink of the present embodiment is different from the method for producing an electrode catalyst ink of the first embodiment in having an ionomer heating step S30. Further, in the present embodiment, the ink tank charging step S1a is different from the ink tank charging step S1 of the first embodiment. The other steps, the order thereof, and the like are the same as those of the first embodiment in the method for producing an electrode catalyst ink according to the present embodiment, and thus redundant description will be omitted.

アイオノマ加熱工程S30では、第1のヒータ301によって、アイオノマが加熱される。   In the ionomer heating step S30, the first heater 301 heats the ionomer.

インクタンク投入工程S1aでは、アイオノマ加熱工程S30で加熱されたアイオノマが、インクタンク110に投入される。また、インクタンク投入工程S1aでは、投入されたアイオノマが、第2のヒータ302によって、溶媒や触媒粒子等の他の構成成分とともに加熱されながら混合される。   In the ink tank charging step S1a, the ionomer heated in the ionomer heating step S30 is charged into the ink tank 110. Further, in the ink tank charging step S1a, the charged ionomer is mixed by the second heater 302 while being heated together with other components such as a solvent and catalyst particles.

アイオノマ加熱工程S30およびインクタンク投入工程S1aの各々での加熱温度は、特に限定されないが、好ましくは50℃以上である。アイオノマの粒子は、加熱によって小径化する。   The heating temperature in each of the ionomer heating step S30 and the ink tank charging step S1a is not particularly limited, but is preferably 50 ° C. or higher. The diameter of the ionomer particles is reduced by heating.

図13に示すように、本発明者らが実際に行ったアイオノマの粒子径分布の測定結果では、粒子径のピーク(図13の実線で示す曲線の頂点)は、加熱温度の上昇とともに小径側へシフトしており、アイオノマの粒子が加熱によって小径化することが確認された。図13のグラフは、アイオノマの粒子径分布を動的光散乱法(DLS)に基づいて測定した結果であり、実線は頻度分布を示し、点線は積算分布を示す。   As shown in FIG. 13, in the measurement results of the particle size distribution of the ionomer actually performed by the present inventors, the peak of the particle size (the top of the curve shown by the solid line in FIG. 13) is smaller as the heating temperature increases. And it was confirmed that the ionomer particles were reduced in diameter by heating. The graph of FIG. 13 shows the result of measuring the particle size distribution of the ionomer based on the dynamic light scattering method (DLS). The solid line indicates the frequency distribution, and the dotted line indicates the integrated distribution.

加熱温度を例えば50℃以上にすることによって、好ましい粒子径のアイオノマを得ることができる。アイオノマの種類が異なっていても、それらの粒子は、加熱温度の上昇とともに略同様に小径化する。   By setting the heating temperature to, for example, 50 ° C. or higher, an ionomer having a preferable particle size can be obtained. Even if the type of ionomer is different, those particles decrease in size substantially similarly as the heating temperature increases.

アイオノマの粒子が小さくなると、アイオノマは触媒粒子に形成されている微細な孔や凹部に入り込み易くなるため、触媒粒子へのアイオノマの吸着量がより増加する。   When the particle size of the ionomer becomes smaller, the ionomer is more likely to enter fine pores or concave portions formed in the catalyst particles, and thus the amount of the ionomer adsorbed on the catalyst particles is further increased.

図14に示す実験結果からそのことが理解され、加熱温度が高く、アイオノマの小径化が促された方が、第1実施形態で述べたゼータ電位差ΔVが大きくなる、すなわちアイオノマの吸着量が増加することが確認された。   It is understood from the experimental results shown in FIG. 14 that the higher the heating temperature and the smaller the ionomer diameter is, the larger the zeta potential difference ΔV described in the first embodiment, ie, the larger the ionomer adsorption amount. It was confirmed that.

また、本実施形態では、アイオノマを、溶媒や触媒粒子等と混合する前に加熱しておくだけでなく、混合の際も、第2のヒータ302によってそれらを加熱する。このため、混合前に加熱されて小径化したアイオノマの粒子が、他の構成成分との混合にともなって温度低下して元の大きさに戻ることが防止される。アイオノマの粒子が小径化したまま維持されるので、アイオノマが触媒粒子に吸着し易い。   In the present embodiment, the ionomer is not only heated before being mixed with the solvent, the catalyst particles, and the like, but also is heated by the second heater 302 during the mixing. For this reason, it is prevented that the particle size of the ionomer, which has been heated and reduced in diameter before mixing, is reduced to the original size due to the temperature drop due to the mixing with other components. Since the ionomer particles are maintained in a reduced diameter, the ionomer is easily adsorbed on the catalyst particles.

図15に示す実験結果からそのことが理解される。アイオノマを他の構成成分との混合の前および混合時の両方で加熱した場合(図15中の◎印)では、それらのいずれかで加熱しなかった場合(図15中の○印および●印)に比べ、ゼータ電位差ΔVが一段と大きくなり、アイオノマの吸着量がより増加することが確認された。   This can be understood from the experimental results shown in FIG. In the case where the ionomer was heated both before and during mixing with the other components (indicated by ◎ in FIG. 15), when the ionomer was not heated in any of them (indicated by ○ and 中 in FIG. 15). ), The zeta potential difference ΔV was further increased, and it was confirmed that the ionomer adsorption amount was further increased.

ここで、○印は、混合前にアイオノマを◎印と同様に加熱していたが、混合時には常温に戻した場合である。●印は、アイオノマを、混合前には加熱せず、他の構成成分と混合した後に加熱した場合である。   Here, the mark ○ indicates a case where the ionomer was heated in the same manner as the mark 混合 before mixing, but was returned to normal temperature during mixing. The mark ● indicates that the ionomer was not heated before being mixed, but was heated after being mixed with other components.

また、先に示した図13の粒子径分布についても、60℃に加熱したアイオノマ、50℃に加熱したアイオノマを、30℃に冷却すると、元々加熱しなかった30℃の場合と略同様の測定結果が得られ、アイオノマの粒子径が元に戻ることが確認された。   Also, the particle size distribution of FIG. 13 shown above was measured in the same manner as in the case where the ionomer heated to 60 ° C. and the ionomer heated to 50 ° C. were cooled to 30 ° C. and 30 ° C. which was not heated originally. The results were obtained, and it was confirmed that the particle size of the ionomer returned to the original size.

以上述べたように、本実施形態では、第1のヒータ301が設けられ、アイオノマは溶媒や触媒粒子等の他の構成成分との混合前に加熱されて小径化され、さらに、第2のヒータ302が設けられ、それらが加熱されつつ混合されることによって、アイオノマは小径化した状態を維持する。   As described above, in the present embodiment, the first heater 301 is provided, and the ionomer is heated and reduced in diameter before being mixed with other components such as a solvent and catalyst particles. 302 are provided and they are mixed while being heated, so that the ionomer maintains a reduced diameter.

そのため、アイオノマは、触媒粒子に形成されている微細な孔や凹部に入り込み易くなり、本実施形によれば、第1実施形態の効果に加え、より多くのアイオノマを触媒粒子に吸着できるという効果を得られる。   For this reason, the ionomer is more likely to enter fine pores and concave portions formed in the catalyst particles. According to the present embodiment, in addition to the effect of the first embodiment, an effect that more ionomer can be adsorbed to the catalyst particles. Can be obtained.

<第4実施形態>
図16に示すように、第4実施形態の電極触媒インク作製装置400は、インクタンク110を収容するボックス401を有する点で、第1実施形態の電極触媒インク作製装置100と異なる。他の構成については、電極触媒インク作製装置400は、第1実施形態の電極触媒インク作製装置100と略同様であり、図中で第1実施形態と同一の符号を付し、ここでの重複する説明は省略する。
<Fourth embodiment>
As shown in FIG. 16, the electrode catalyst ink manufacturing apparatus 400 according to the fourth embodiment differs from the electrode catalyst ink manufacturing apparatus 100 according to the first embodiment in having a box 401 that accommodates the ink tank 110. About another structure, the electrode catalyst ink manufacturing apparatus 400 is substantially the same as the electrode catalyst ink manufacturing apparatus 100 of 1st Embodiment, and attaches | subjects the same code | symbol as 1st Embodiment in a figure, and overlaps here. The description of the operation is omitted.

ボックス401は、例えば、インクタンク110を収容するグローブボックスであるが、インクタンク110を収容し不活性ガスを導入自在なものであれば、特に限定されない。例えば、ボックス401が外部から操作可能なマニピュレータを内部に備え、これによってインクタンク110への原材料の投入を行ってもよい。ボックス401に導入される不活性ガスは、例えば窒素であるが、これに限定されない。   The box 401 is, for example, a glove box that houses the ink tank 110, but is not particularly limited as long as it houses the ink tank 110 and can introduce an inert gas. For example, the box 401 may include a manipulator that can be operated from the outside, and the raw materials may be charged into the ink tank 110 by this. The inert gas introduced into the box 401 is, for example, nitrogen, but is not limited thereto.

本実施形態の電極触媒インク作製方法は、図5に示した第1実施形態の電極触媒インク作製方法と略同様であるが、インクタンク投入工程S1において、触媒粒子が粉末の状態で溶媒やアイオノマと混合される点に特徴を有する。   The method for producing the electrode catalyst ink of the present embodiment is substantially the same as the method for producing the electrode catalyst ink of the first embodiment shown in FIG. 5, except that in the ink tank charging step S1, the catalyst particles are in the form of a powder or solvent or ionomer. It is characterized in that it is mixed with

本実施形態では、触媒粒子は、粉末の状態でボックス401内に用意され、不活性ガス雰囲気下で、粉末の状態のまま直接、インクタンク110に投入され、溶媒やアイオノマと混合される。   In the present embodiment, the catalyst particles are prepared in the box 401 in a powder state, and are directly charged into the ink tank 110 in a powder state under an inert gas atmosphere, and mixed with a solvent or ionomer.

本実施形態と異なり、触媒粒子の粉末に水を多く含ませてペースト状または液状にした触媒含有物を、インクタンク110に投入して溶媒やアイオノマ等と混合してもよい。   Unlike the present embodiment, a paste- or liquid-state catalyst-containing substance obtained by adding a large amount of water to powder of catalyst particles may be charged into the ink tank 110 and mixed with a solvent, ionomer, or the like.

この場合、図17に示すように、触媒粒子20によって構成される凝集体の隙間25、および触媒粒子20に形成されている微細な孔23の多くには、水24が入り込んでいる。   In this case, as shown in FIG. 17, water 24 has entered the gaps 25 of the aggregate formed by the catalyst particles 20 and many of the fine holes 23 formed in the catalyst particles 20.

これに対し、図18に示すように、粉末状の触媒粒子20では、隙間25および孔23の多くは水を含まず空隙が空いたままである。このため、触媒粒子20がアイオノマと混合された際、アイオノマが隙間25および孔23に入り込み易く、アイオノマの吸着量がより増加する。   On the other hand, as shown in FIG. 18, in the powdery catalyst particles 20, most of the gaps 25 and the holes 23 do not contain water, and the gaps are still open. Therefore, when the catalyst particles 20 are mixed with the ionomer, the ionomer easily enters the gaps 25 and the holes 23, and the amount of the ionomer adsorbed further increases.

図19に示す実験結果からそのことが理解される。図19に示すグラフの左側の2点のように、触媒粒子の固形分比率が50wt%以下で水を多く含む触媒含有物に比べ、グラフ右側の固形分比率が100wt%の粉末状の触媒粒子では、第1実施形態で述べたゼータ電位差ΔVが大きくなる、すなわちアイオノマの吸着量が増加することが確認された。ここで、触媒粒子の固形分比率は、触媒含有物に含まれる触媒粒子の重量を、触媒含有物の重量(触媒粒子の重量と水の重量との和)によって除して得られる。   This can be understood from the experimental results shown in FIG. As shown by the two points on the left side of the graph shown in FIG. 19, compared to the catalyst containing a large amount of water when the solid content ratio of the catalyst particles is 50 wt% or less, the powdery catalyst particles having the solid content ratio of 100 wt% on the right side of the graph. It was confirmed that the zeta potential difference ΔV described in the first embodiment was increased, that is, the ionomer adsorption amount was increased. Here, the solid content ratio of the catalyst particles is obtained by dividing the weight of the catalyst particles contained in the catalyst-containing material by the weight of the catalyst-containing material (the sum of the weight of the catalyst particles and the weight of water).

このように、本実施形態では、触媒粒子が粉末の状態でボックス401内に用意され、そのままアイオノマ等との混合に用いられるため、触媒粒子に形成されている微細な孔もしくは凹部の多くが水等の液体によって満たされておらず空隙が空いたままである。   As described above, in the present embodiment, since the catalyst particles are prepared in the form of powder in the box 401 and are used as they are for mixing with the ionomer or the like, most of the fine holes or recesses formed in the catalyst particles are water. Etc. are not filled with the liquid and the gaps are still open.

従って、触媒粒子とアイオノマとが混合された際、アイオノマが触媒粒子の微細な孔や凹部に入り込み易く、本実施形によれば、第1実施形態の効果に加え、より多くのアイオノマを触媒粒子に吸着できるという効果を得られる。   Therefore, when the catalyst particles and the ionomer are mixed, the ionomer easily enters the fine pores and recesses of the catalyst particles. According to this embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, more ionomer is added to the catalyst particles. The effect of being able to be adsorbed is obtained.

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で種々改変できる。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified within the scope of the claims.

例えば、上記実施形態は、電極触媒インク111について、ゼータ電位差ΔVが所定値以上か否かによって、触媒粒子へのアイオノマの吸着量を判定しているが、本発明はゼータ電位を用いてアイオノマの吸着量を判定するものあればよく、上記実施形態に限定されない。   For example, in the above embodiment, for the electrode catalyst ink 111, the amount of ionomer adsorbed on the catalyst particles is determined based on whether or not the zeta potential difference ΔV is equal to or greater than a predetermined value, but the present invention uses the zeta potential to determine the ionomer. What is necessary is just to determine the amount of adsorption, and it is not limited to the above embodiment.

例えば、電極触媒インクについて測定された負のゼータ電位が基準値以下、または測定された負のゼータ電位の絶対値が基準値以上であれば、アイオノマの吸着量が多くプロトン伝導性が良好であると判定するようにしてもよい。   For example, if the negative zeta potential measured for the electrode catalyst ink is equal to or less than the reference value, or if the absolute value of the measured negative zeta potential is equal to or more than the reference value, the ionomer adsorption amount is large and the proton conductivity is good. May be determined.

また、上記実施形態では、電極触媒インク調整部として、インク調整装置120およびインク調整装置130が設けられているが、これらのうちの一方だけが設けられた形態を本発明は含む。   Further, in the above embodiment, the ink adjustment device 120 and the ink adjustment device 130 are provided as the electrode catalyst ink adjustment units, but the present invention includes a mode in which only one of these is provided.

また、第3実施形態のような第1のヒータおよび第2のヒータを他の実施形態に適用してもよい。それらを例えば第4実施形態と組み合わせることによって、アイオノマの小径化が促されるとともに、触媒粒子は多くの孔が空隙の空いた状態のまま混合されるため、触媒粒子へのアイオノマの吸着量をより顕著に増加させることができる。   Further, the first heater and the second heater as in the third embodiment may be applied to other embodiments. By combining them with, for example, the fourth embodiment, the ionomer is reduced in size, and the catalyst particles are mixed with many pores left open, so that the amount of ionomer adsorbed on the catalyst particles can be reduced. Can be significantly increased.

また、第4実施形態の触媒粒子は、粉末の状態であれば、多少の水を含んでいてもよく、必ずしも固形分比率が100%である必要はない。   In addition, the catalyst particles of the fourth embodiment may contain some water as long as they are in a powder state, and the solid content ratio does not necessarily need to be 100%.

10 アイオノマ、
11 疎水基、
12 親水基、
20 触媒粒子、
21 触媒担体粒子、
22 触媒金属粒子、
23 孔、
24 水、
25 隙間、
100 電極触媒インク作製装置、
110 インクタンク(混合部)、
111 電極触媒インク、
120 インク調整装置(電極触媒インク調整部)、
121 アイオノマ収容部、
122 アイオノマ導入管、
123 バルブ(開閉部)、
124 アイオノマ分散液、
130 インク調整装置(電極触媒インク調整部)、
131、131A、131B 循環管、
132 ポンプ、
133 分散機(分散部)、
133A メディア撹拌式分散機、
133B 超音波ホモジナイザー、
133C 湿式ジェットミル、
140 ゼータ電位測定装置(ゼータ電位測定部)、
141 電極触媒インク導入管、
142、143 制御信号、
200 電極触媒インク作製装置、
210 分散液調整装置(アイオノマ分散液調整部)、
220 分岐管、
230 触媒粒子収容部、
231 触媒粒子分散液、
240 ゼータ電位測定装置(ゼータ電位測定部)、
241、242 制御信号、
250 触媒粒子導入管、
260 分散液調整装置(触媒粒子分散液調整部)、
270 分岐管、
300 電極触媒インク作製装置、
301 第1のヒータ、
302 第2のヒータ、
400 電極触媒インク作製装置、
401 ボックス、
S1 インクタンク投入工程、
S1a インクタンク投入工程、
S2 ゼータ電位測定工程、
S3 判定工程、
S4 インク調整工程、
S10 ゼータ電位測定工程、
S11 判定工程、
S12 分散液調整工程、
S20 ゼータ電位測定工程、
S21 判定工程、
S22 分散液調整工程、
S30 アイオノマ加熱工程。
10 Ionoma,
11 hydrophobic groups,
12 hydrophilic groups,
20 catalyst particles,
21 catalyst support particles,
22 catalytic metal particles,
23 holes,
24 water,
25 gaps,
100 electrode catalyst ink producing apparatus,
110 ink tank (mixing unit)
111 electrode catalyst ink,
120 ink adjusting device (electrode catalyst ink adjusting unit),
121 Ionoma accommodation,
122 Ionoma introduction pipe,
123 valve (opening / closing part),
124 ionomer dispersion,
130 ink adjustment device (electrode catalyst ink adjustment unit),
131, 131A, 131B circulation pipe,
132 pumps,
133 dispersion machine (dispersion unit),
133A media stirring type dispersion machine,
133B ultrasonic homogenizer,
133C wet jet mill,
140 Zeta potential measuring device (Zeta potential measuring unit)
141 electrode catalyst ink introduction tube,
142, 143 control signals,
200 Electrode catalyst ink producing device,
210 dispersion liquid adjusting device (ionomer dispersion liquid adjusting unit),
220 branch pipe,
230 catalyst particle storage section,
231 catalyst particle dispersion,
240 zeta potential measuring device (zeta potential measuring unit),
241, 242 control signals,
250 catalyst particle introduction tube,
260 dispersion liquid adjustment device (catalyst particle dispersion liquid adjustment unit),
270 branch pipe,
300 electrode catalyst ink production equipment,
301 first heater,
302 second heater,
400 electrode catalyst ink producing apparatus,
401 box,
S1 ink tank charging process,
S1a Ink tank charging step,
S2 zeta potential measuring step,
S3 determination step,
S4 ink adjustment process,
S10 zeta potential measurement step,
S11 determination step,
S12 dispersion liquid adjusting step,
S20 zeta potential measurement step,
S21 determination step,
S22 dispersion liquid adjusting step,
S30 Ionomer heating step.

Claims (12)

少なくとも溶媒、アイオノマ、および触媒粒子を混合して電極触媒インクを作製する電極触媒インク作製方法であって、
前記アイオノマが表面に吸着した前記触媒粒子のゼータ電位を測定し、前記触媒粒子への前記アイオノマの吸着量の多少を、前記ゼータ電位を用いて判定し、前記吸着量が少ないと判定した場合、前記アイオノマの吸着量が増加するように前記電極触媒インクを調整する、電極触媒インク作製方法。
At least a solvent, an ionomer, and an electrode catalyst ink manufacturing method of manufacturing an electrode catalyst ink by mixing catalyst particles,
When the ionomer measures the zeta potential of the catalyst particles adsorbed on the surface, the amount of adsorption of the ionomer to the catalyst particles is determined by using the zeta potential, and when the adsorption amount is determined to be small, A method for preparing an electrode catalyst ink, wherein the electrode catalyst ink is adjusted so that the adsorption amount of the ionomer increases.
前記電極触媒インクの調整は、前記電極触媒インクに前記アイオノマを投入することを含み、当該投入によって、前記アイオノマの吸着量を増加させる、請求項1に記載の電極触媒インク作製方法。   The method for producing an electrode catalyst ink according to claim 1, wherein the adjustment of the electrode catalyst ink includes charging the ionomer to the electrode catalyst ink, and the charging increases the adsorption amount of the ionomer. 前記電極触媒インクの調整は、前記電極触媒インクに機械的エネルギーを加えることを含み、当該機械的エネルギーを加えて前記アイオノマおよび前記触媒粒子の分散を促すことによって、前記アイオノマの吸着量を増加させる、請求項1または請求項2に記載の電極触媒インク作製方法。   The adjustment of the electrode catalyst ink includes applying mechanical energy to the electrode catalyst ink, and increases the amount of adsorption of the ionomer by promoting the dispersion of the ionomer and the catalyst particles by applying the mechanical energy. The method for producing an electrode catalyst ink according to claim 1. 前記混合の前に前記アイオノマを加熱しておき、当該加熱しておいたアイオノマを、少なくとも前記溶媒および前記触媒粒子と加熱しつつ混合する、請求項1〜請求項3のうちのいずれか1つに記載の電極触媒インク作製方法。   The said ionomer is heated before the said mixing, The said heated ionomer is mixed with heating at least with the said solvent and the said catalyst particle, The any one of Claims 1-3. 3. The method for producing an electrode catalyst ink according to item 1. 前記触媒粒子を、粉末の状態で少なくとも前記溶媒および前記アイオノマと混合する、請求項1〜請求項4のうちのいずれか1つに記載の電極触媒インク作製方法。   The method for producing an electrode catalyst ink according to any one of claims 1 to 4, wherein the catalyst particles are mixed with at least the solvent and the ionomer in a powder state. 一の前記電極触媒インクを作製するために、前記アイオノマを含む一のアイオノマ分散液と、前記触媒粒子を含む一の触媒粒子分散液とを混合する前、
他の前記電極触媒インクの作製に用いる他のアイオノマ分散液と、前記一のアイオノマ分散液との間で、それらのゼータ電位のばらつきが抑制されるように、前記一のアイオノマ分散液を調整するとともに、
前記他の電極触媒インクの作製に用いる他の触媒粒子分散液と、前記一の触媒粒子分散液との間で、それらのゼータ電位のばらつきが抑制されるように、前記一の触媒粒子分散液を調整する、請求項1〜請求項4のうちのいずれか1つに記載の電極触媒インク作製方法。
In order to produce one of the electrode catalyst inks, before mixing one ionomer dispersion containing the ionomer, and one catalyst particle dispersion containing the catalyst particles,
The other ionomer dispersion used for producing the other electrode catalyst ink, and the one ionomer dispersion, so that the dispersion of the zeta potential thereof is controlled, the one ionomer dispersion is adjusted. With
The other catalyst particle dispersion used for producing the other electrode catalyst ink, and the one catalyst particle dispersion, so that the dispersion of their zeta potential is suppressed, the one catalyst particle dispersion The method for producing an electrode catalyst ink according to any one of claims 1 to 4, wherein is adjusted.
少なくとも溶媒、アイオノマ、および触媒粒子を混合して電極触媒インクを作製する混合部と、
前記アイオノマが表面に吸着した前記触媒粒子のゼータ電位を測定するゼータ電位測定部と、
前記ゼータ電位が変化するような調整を前記電極触媒インクに対して行う電極触媒インク調整部と、を有し、
前記ゼータ電位測定部は、前記触媒粒子への前記アイオノマの吸着量の多少を、前記ゼータ電位を用いて判定し、前記吸着量が少ないと判定された場合、前記電極触媒インク調整部は、前記アイオノマの吸着量が増加するように前記電極触媒インクを調整する、電極触媒インク作製装置。
A mixing unit for preparing an electrode catalyst ink by mixing at least a solvent, an ionomer, and catalyst particles,
A zeta potential measurement unit that measures the zeta potential of the catalyst particles having the ionomer adsorbed on the surface thereof,
An electrode catalyst ink adjustment unit that performs adjustment such that the zeta potential changes with respect to the electrode catalyst ink,
The zeta potential measurement unit determines the amount of adsorption of the ionomer to the catalyst particles using the zeta potential, and if it is determined that the adsorption amount is small, the electrode catalyst ink adjustment unit, An electrocatalyst ink producing apparatus, wherein the electrocatalyst ink is adjusted so that the adsorption amount of ionomer increases.
前記混合部への前記アイオノマの導入経路に設けられた開閉部を含む前記電極触媒インク調整部を有し、当該電極触媒インク調整部は、前記開閉部を開いて前記混合部に前記アイオノマを投入することによって、前記アイオノマの吸着量を増加させる、請求項7に記載の電極触媒インク作製装置。   The electrode catalyst ink adjustment unit includes an opening / closing unit provided on an introduction path of the ionomer to the mixing unit. The electrode catalyst ink adjustment unit opens the opening / closing unit and puts the ionomer into the mixing unit. The electrode catalyst ink producing apparatus according to claim 7, wherein the amount of adsorption of the ionomer is increased by doing. 前記混合部から導出された前記電極触媒インクを前記混合部に再導入させる循環経路に設けられた分散部を含む前記電極触媒インク調整部を有し、当該電極触媒インク調整部は、前記分散部で前記電極触媒インクに機械的エネルギーを加え、前記アイオノマおよび前記触媒粒子の分散を促すことによって、前記アイオノマの吸着量を増加させる、請求項7または請求項8に記載の電極触媒インク作製装置。   The electrode catalyst ink adjustment unit including a dispersion unit provided in a circulation path for re-introducing the electrode catalyst ink derived from the mixing unit into the mixing unit, the electrode catalyst ink adjustment unit includes the dispersion unit The electrode catalyst ink producing apparatus according to claim 7 or 8, wherein a mechanical energy is applied to the electrode catalyst ink to promote dispersion of the ionomer and the catalyst particles, thereby increasing an adsorption amount of the ionomer. 前記アイオノマを加熱する第1のヒータと、
前記混合部内の前記電極触媒インクを加熱する第2のヒータと、を有する、請求項7〜請求項9のうちのいずれか1つに記載の電極触媒インク作製装置。
A first heater for heating the ionomer;
The electrode catalyst ink producing device according to any one of claims 7 to 9, further comprising: a second heater configured to heat the electrode catalyst ink in the mixing unit.
前記混合部を収容し不活性ガスを導入自在なボックスを有し、前記触媒粒子が、粉末の状態で前記ボックス内にある、請求項7〜請求項10のうちのいずれか1つに記載の電極触媒インク作製装置。   The catalyst according to any one of claims 7 to 10, further comprising a box accommodating the mixing unit and capable of introducing an inert gas, wherein the catalyst particles are in the box in a powder state. Electrode catalyst ink production equipment. 前記混合部に投入される一のアイオノマ分散液と、当該分散液とは別途で前記混合部に投入される他のアイオノマ分散液との間で、それらのゼータ電位のばらつきが抑制されるように、前記アイオノマ分散液を調整するアイオノマ分散液調整部と、
前記混合部に投入される一の触媒粒子分散液と、当該分散液とは別途で前記混合部に投入される他の触媒粒子分散液との間で、それらのゼータ電位のばらつきが抑制されるように、前記触媒粒子分散液を調整する触媒粒子分散液調整部と、を有する、請求項7〜請求項10のうちのいずれか1つに記載の電極触媒インク作製装置。
One ionomer dispersion to be supplied to the mixing section, and between the other ionomer dispersion separately supplied to the mixing section separately from the dispersion, so that the dispersion of their zeta potential is suppressed. An ionomer dispersion adjusting unit for adjusting the ionomer dispersion,
The dispersion of the zeta potential between one catalyst particle dispersion supplied to the mixing section and another catalyst particle dispersion separately supplied to the mixing section separately from the dispersion is suppressed. The apparatus for producing an electrode catalyst ink according to any one of claims 7 to 10, further comprising: a catalyst particle dispersion liquid adjusting unit that adjusts the catalyst particle dispersion liquid.
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