JP6798102B2 - Method for manufacturing electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, polymer electrolyte fuel cell, and electrode catalyst layer - Google Patents

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

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Description

本発明は、燃料電池に備えられる電極触媒層、この電極触媒層を備えた膜電極接合体、この膜電極接合体を備えた固体高分子形燃料電池、および、電極触媒層の製造方法に関する。 The present invention relates to an electrode catalyst layer provided in a fuel cell, a membrane electrode assembly provided with the electrode catalyst layer, a polymer electrolyte fuel cell provided with the membrane electrode assembly, and a method for producing the electrode catalyst layer.

燃料電池は、水素等の燃料と酸素等の酸化剤との化学反応を利用して、電力を生成する。燃料電池による発電は、高効率、低環境負荷、低騒音といった利点を有するため、燃料電池は、クリーンなエネルギーの生成源として注目されている。特に、固体高分子形燃料電池は、室温付近で使用可能であるため、車載用電源や家庭用定置電源等としての使用が期待されており、近年、固体高分子形燃料電池に関する様々な研究開発が行われている。なかでも、発電特性の向上は、固体高分子形燃料電池の実用性を高めるための重要なテーマである。 A fuel cell uses a chemical reaction between a fuel such as hydrogen and an oxidant such as oxygen to generate electric power. Since power generation by a fuel cell has advantages such as high efficiency, low environmental load, and low noise, the fuel cell is attracting attention as a source of clean energy. In particular, since the polymer electrolyte fuel cell can be used near room temperature, it is expected to be used as an in-vehicle power source, a stationary power source for home use, etc., and in recent years, various researches and developments on the polymer electrolyte fuel cell have been made. Is being done. Above all, improvement of power generation characteristics is an important theme for enhancing the practicality of polymer electrolyte fuel cells.

固体高分子形燃料電池は、カソードである空気極を構成する電極触媒層と、アノードである燃料極を構成する電極触媒層と、これら2つの電極触媒層に挟まれた高分子電解質膜とを有する膜電極接合体を備えている。さらに、固体高分子形燃料電池は、膜電極接合体にガスを供給するためのガス流路が形成された2つのセパレータを備え、これら2つのセパレータに膜電極接合体は挟持されている。 In a polymer electrolyte fuel cell, an electrode catalyst layer forming an air electrode as a cathode, an electrode catalyst layer forming a fuel electrode as an anode, and a polymer electrolyte membrane sandwiched between these two electrode catalyst layers are provided. It has a membrane electrode assembly. Further, the polymer electrolyte fuel cell includes two separators in which a gas flow path for supplying gas to the membrane electrode assembly is formed, and the membrane electrode assembly is sandwiched between these two separators.

カソードを構成する電極触媒層には、上記ガス流路を通して、酸素を含む酸化剤ガスが供給され、アノードを構成する電極触媒層には、上記ガス流路を通して、水素を含む燃料ガスが供給される。そして、触媒の存在下でこれらのガスが反応し、高分子電解質膜におけるプロトンの伝導を伴う化学反応が進行する結果、カソードとアノードとの間に起電力が生じる。 Oxidizing agent gas containing oxygen is supplied to the electrode catalyst layer constituting the cathode through the gas flow path, and fuel gas containing hydrogen is supplied to the electrode catalyst layer constituting the anode through the gas flow path. To. Then, these gases react in the presence of a catalyst, and a chemical reaction accompanied by conduction of protons in the polymer electrolyte membrane proceeds, and as a result, an electromotive force is generated between the cathode and the anode.

固体高分子形燃料電池の発電特性には、電極触媒層の構成が影響を与えているため、電極触媒層の改良によって発電特性を向上させることが試みられている。例えば、特許文献1には、固体高分子形燃料電池の初期特性と耐久性とを向上させること、すなわち、固体高分子形燃料電池の使用の初期における放電電圧の上昇と、一定期間の使用の後における放電電圧の低下の抑制とが可能な電極触媒層の組成が開示されている。 Since the configuration of the electrode catalyst layer affects the power generation characteristics of the polymer electrolyte fuel cell, attempts have been made to improve the power generation characteristics by improving the electrode catalyst layer. For example, Patent Document 1 states that the initial characteristics and durability of a polymer electrolyte fuel cell are improved, that is, an increase in discharge voltage at the initial stage of use of a polymer electrolyte fuel cell and use for a certain period of time. The composition of the electrode catalyst layer capable of suppressing the decrease in the discharge voltage later is disclosed.

特開2003−115299号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-115299

ところで、上述の初期特性や耐久性の他に、低加湿環境下における発電特性も、固体高分子形燃料電池において向上の望まれる発電特性の1つである。 By the way, in addition to the above-mentioned initial characteristics and durability, the power generation characteristics in a low humidification environment are also one of the power generation characteristics that are desired to be improved in the polymer electrolyte fuel cell.

高分子電解質膜や電極触媒層におけるプロトン伝導性や導電性を確保するためには、膜電極接合体を加湿する必要がある。しかしながら、多量の加湿が必要であることは、加湿器の設置やその駆動に要するコストの増加を招くため、結果として、固体高分子形燃料電池を用いた発電システムの稼働のために要するコストが増大する。 In order to ensure the proton conductivity and conductivity of the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer, it is necessary to humidify the membrane electrode assembly. However, the need for a large amount of humidification leads to an increase in the cost required for installing and driving the humidifier, and as a result, the cost required for operating the power generation system using the polymer electrolyte fuel cell is increased. Increase.

したがって、高加湿環境下に加えて低加湿環境下においても、高い発電特性を示す固体高分子形燃料電池が望まれている。なお、こうした要請は、固体高分子形燃料電池に限らず、固体高分子形燃料電池と同様の構造を有し、プロトンの伝導を伴う化学反応によって電力を生成する燃料電池において共通している。 Therefore, a polymer electrolyte fuel cell that exhibits high power generation characteristics not only in a highly humidified environment but also in a low humidified environment is desired. It should be noted that such a requirement is common not only to polymer electrolyte fuel cells but also to fuel cells having the same structure as polymer electrolyte fuel cells and generating electric power by a chemical reaction accompanied by conduction of protons.

本発明は、高加湿環境下および低加湿環境下の双方で良好な発電特性を得ることのできる電極触媒層、膜電極接合体、固体高分子形燃料電池、および、電極触媒層の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention provides a method for producing an electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, a polymer electrolyte fuel cell, and an electrode catalyst layer capable of obtaining good power generation characteristics in both a high humidification environment and a low humidification environment. The purpose is to provide.

上記課題を解決する電極触媒層は、テトラフルオロエチレン骨格を有する高分子電解質と、炭素からなる導電性担体であるカーボン担体と、前記カーボン担体に担持された触媒物質とを含む電極触媒層であって、エネルギー分散型X線分光分析により得られる前記電極触媒層の炭素原子濃度をXc、フッ素原子濃度をXfとするとき、85at%<Xc<90at%、かつ、3at%<Xf<7at%であり、前記電極触媒層の厚さが1μm以上15μm以下である。 The electrode catalyst layer that solves the above problems is an electrode catalyst layer containing a polymer electrolyte having a tetrafluoroethylene skeleton, a carbon carrier that is a conductive carrier made of carbon, and a catalytic substance supported on the carbon carrier. When the carbon atom concentration of the electrode catalyst layer obtained by energy-dispersed X-ray spectroscopic analysis is Xc and the fluorine atom concentration is Xf, 85 at% <Xc <90 at% and 3 at% <Xf <7 at%. Yes, the thickness of the electrode catalyst layer is 1 μm or more and 15 μm or less.

上記構成によれば、電極触媒層にて、低加湿環境下におけるプロトン伝導性の向上と高加湿環境下におけるガスや水の拡散性の向上との両立が可能である。それゆえ、この電極触媒層を備える燃料電池にて、高加湿環境下および低加湿環境下の双方での発電性能が高められる。
上記構成において、前記電極触媒層に含まれる前記カーボン担体に対する前記高分子電解質の質量比は、0.8以上1.6以下であることが好ましい。
上記構成によれば、カーボン担体に対する高分子電解質の質量比として電極触媒層の組成が定められるため、電極触媒層の形成が容易である。
According to the above configuration, the electrode catalyst layer can achieve both improvement of proton conductivity in a low humidification environment and improvement of gas and water diffusivity in a high humidification environment. Therefore, in the fuel cell provided with this electrode catalyst layer, the power generation performance in both the high humidification environment and the low humidification environment is enhanced.
In the above configuration, the mass ratio of the polymer electrolyte to the carbon carrier contained in the electrode catalyst layer is preferably 0.8 or more and 1.6 or less.
According to the above configuration, the composition of the electrode catalyst layer is determined as the mass ratio of the polymer electrolyte to the carbon carrier, so that the electrode catalyst layer can be easily formed.

上記課題を解決する膜電極接合体は、燃料電池のカソードに用いられる電極触媒層であるカソード触媒層と、前記燃料電池のアノードに用いられる電極触媒層であるアノード触媒層と、前記カソード触媒層と前記アノード触媒層とに挟まれた高分子電解質膜と、を備え、前記カソード触媒層は、テトラフルオロエチレン骨格を有する高分子電解質と、炭素からなる導電性担体であるカーボン担体と、前記カーボン担体に担持された触媒物質とを含み、エネルギー分散型X線分光分析により得られる前記カソード触媒層の炭素原子濃度をXc、フッ素原子濃度をXfとするとき、85at%<Xc<90at%、かつ、3at%<Xf<7at%であり、前記カソード触媒層の厚さが1μm以上15μm以下である。 The film electrode joints that solve the above problems include a cathode catalyst layer that is an electrode catalyst layer used for the cathode of a fuel cell, an anode catalyst layer that is an electrode catalyst layer used for the anode of the fuel cell, and the cathode catalyst layer. A polymer electrolyte membrane sandwiched between the above and the anode catalyst layer, and the cathode catalyst layer includes a polymer electrolyte having a tetrafluoroethylene skeleton, a carbon carrier which is a conductive carrier made of carbon, and the carbon. When the carbon atom concentration of the cathode catalyst layer obtained by energy-dispersed X-ray spectroscopic analysis is Xc and the fluorine atom concentration is Xf, which contains the catalyst substance supported on the carrier, 85 at% <Xc <90 at% and 3, 3 at% <Xf <7 at%, and the thickness of the cathode catalyst layer is 1 μm or more and 15 μm or less.

上記構成によれば、膜電極接合体の備えるカソード触媒層にて、低加湿環境下におけるプロトン伝導性の向上と高加湿環境下におけるガスや水の拡散性の向上との両立が可能である。それゆえ、この膜電極接合体を備える燃料電池にて、高加湿環境下および低加湿環境下の双方での発電性能が高められる。
上記課題を解決する固体高分子形燃料電池は、上記膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、を備える。
上記構成によれば、固体高分子形燃料電池において、高加湿環境下および低加湿環境下の双方での発電性能が高められる。
According to the above configuration, in the cathode catalyst layer provided in the membrane electrode assembly, it is possible to achieve both improvement of proton conductivity in a low humidification environment and improvement of gas and water diffusivity in a high humidification environment. Therefore, the fuel cell provided with this membrane electrode assembly can improve the power generation performance in both a high humidification environment and a low humidification environment.
The polymer electrolyte fuel cell that solves the above problems includes the membrane electrode assembly and a pair of separators that sandwich the membrane electrode assembly.
According to the above configuration, in the polymer electrolyte fuel cell, the power generation performance in both the high humidification environment and the low humidification environment is enhanced.

上記課題を解決する電極触媒層の製造方法は、テトラフルオロエチレン骨格を有する高分子電解質と、炭素からなる導電性担体であるカーボン担体および前記カーボン担体に担持された触媒物質とを溶媒に分散させて触媒インクを生成する第1工程と、前記触媒インクを基材に塗布して乾燥させることにより電極触媒層を形成する第2工程と、を含み、前記第1工程では、前記触媒インクに含まれる前記カーボン担体に対する前記高分子電解質の質量比が、0.8以上1.6以下となるように、前記触媒インクを調整し、前記第2工程で形成された前記電極触媒層について、エネルギー分散型X線分光分析により得られる前記電極触媒層の炭素原子濃度をXc、フッ素原子濃度をXfとするとき、85at%<Xc<90at%、かつ、3at%<Xf<7at%であり、前記電極触媒層の厚さは1μm以上15μm以下である。 In a method for producing an electrode catalyst layer that solves the above problems, a polymer electrolyte having a tetrafluoroethylene skeleton, a carbon carrier that is a conductive carrier made of carbon, and a catalyst substance supported on the carbon carrier are dispersed in a solvent. A first step of producing a catalyst ink and a second step of forming an electrode catalyst layer by applying the catalyst ink to a base material and drying the catalyst ink are included. In the first step, the catalyst ink is contained. The catalyst ink is adjusted so that the mass ratio of the polymer electrolyte to the carbon carrier is 0.8 or more and 1.6 or less, and energy is dispersed in the electrode catalyst layer formed in the second step. When the carbon atom concentration of the electrode catalyst layer obtained by type X-ray spectroscopic analysis is Xc and the fluorine atom concentration is Xf, 85 at% <Xc <90 at% and 3 at% <Xf <7 at%, and the electrode The thickness of the catalyst layer is 1 μm or more and 15 μm or less.

上記方法によれば、燃料電池にて高加湿環境下および低加湿環境下の双方での発電性能が高められる電極触媒層を形成することができる。そして、触媒インクにおけるカーボン担体に対する高分子電解質の質量比の制御によって、こうした電極触媒層が形成可能であるため、電極触媒層の形成が容易である。 According to the above method, the fuel cell can form an electrode catalyst layer in which the power generation performance is enhanced in both a high humidification environment and a low humidification environment. Then, since such an electrode catalyst layer can be formed by controlling the mass ratio of the polymer electrolyte to the carbon carrier in the catalyst ink, the formation of the electrode catalyst layer is easy.

本発明によれば、燃料電池において、高加湿環境下および低加湿環境下の双方で良好な発電特性を得ることができる。 According to the present invention, in a fuel cell, good power generation characteristics can be obtained in both a high humidification environment and a low humidification environment.

膜電極接合体の一実施形態について、膜電極接合体の断面構造を示す断面図。A cross-sectional view showing a cross-sectional structure of a membrane electrode assembly according to an embodiment of the membrane electrode assembly. 一実施形態の膜電極接合体の平面構造を示す平面図。The plan view which shows the planar structure of the membrane electrode assembly of one Embodiment. 変形例の膜電極接合体の断面構造を示す断面図。The cross-sectional view which shows the cross-sectional structure of the membrane electrode assembly of the modification. 電極触媒層の一実施形態について、エネルギー分散型X線分光分析によって電極触媒層の断面の定性分析を行うことにより得られたスペクトルの一例を示す図。The figure which shows an example of the spectrum obtained by performing the qualitative analysis of the cross section of the electrode catalyst layer by the energy dispersive X-ray spectroscopic analysis about one Embodiment of an electrode catalyst layer. 固体高分子形燃料電池の一実施形態について、燃料電池の斜視構造を分解して示す分解斜視図。The exploded perspective view which shows the perspective structure of the fuel cell disassembled about one Embodiment of a polymer electrolyte fuel cell.

図1〜図5を参照して、電極触媒層、膜電極接合体、固体高分子形燃料電池、および、電極触媒層の製造方法の一実施形態について説明する。 An embodiment of a method for manufacturing an electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, a polymer electrolyte fuel cell, and an electrode catalyst layer will be described with reference to FIGS. 1 to 5.

[電極触媒層および膜電極接合体]
図1〜図3を参照して、電極触媒層、および、電極触媒層を備える膜電極接合体の構成について説明する。
図1が示すように、膜電極接合体10は、高分子電解質膜11、および、カソード触媒層12Cとアノード触媒層12Aとの2つの電極触媒層を備えている。カソード触媒層12Cは、燃料電池のカソードに用いられる電極触媒層であり、アノード触媒層12Aは、燃料電池のアノードに用いられる電極触媒層である。
[Electrode catalyst layer and membrane electrode assembly]
The configuration of the electrode catalyst layer and the membrane electrode assembly including the electrode catalyst layer will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
As shown in FIG. 1, the membrane electrode assembly 10 includes a polymer electrolyte membrane 11 and two electrode catalyst layers, a cathode catalyst layer 12C and an anode catalyst layer 12A. The cathode catalyst layer 12C is an electrode catalyst layer used for the cathode of the fuel cell, and the anode catalyst layer 12A is an electrode catalyst layer used for the anode of the fuel cell.

高分子電解質膜11は、カソード触媒層12Cとアノード触媒層12Aとに挟まれ、カソード触媒層12Cは、高分子電解質膜11の有する2つの面の一方に面接触し、アノード触媒層12Aは、高分子電解質膜11の有する2つの面の他方に面接触している。 The polymer electrolyte film 11 is sandwiched between the cathode catalyst layer 12C and the anode catalyst layer 12A, the cathode catalyst layer 12C is in surface contact with one of the two surfaces of the polymer electrolyte film 11, and the anode catalyst layer 12A is in surface contact. It is in surface contact with the other of the two surfaces of the polymer electrolyte membrane 11.

図2が示すように、高分子電解質膜11の有する一方の面と対向する方向から見て、カソード触媒層12Cの外形とアノード触媒層12Aの外形とはほぼ同形であり、これらの触媒層12C,12Aの外形よりも、高分子電解質膜11の外形は大きい。高分子電解質膜11の外形や触媒層12C,12Aの外形の形状は特に限定されず、例えば、矩形であればよい。 As shown in FIG. 2, when viewed from the direction facing one surface of the polymer electrolyte membrane 11, the outer shape of the cathode catalyst layer 12C and the outer shape of the anode catalyst layer 12A are substantially the same shape, and these catalyst layers 12C , The outer shape of the polymer electrolyte membrane 11 is larger than the outer shape of 12A. The outer shape of the polymer electrolyte membrane 11 and the outer shape of the catalyst layers 12C and 12A are not particularly limited, and may be rectangular, for example.

図3が示すように、膜電極接合体10は、ガスケット13をさらに備えていてもよい。ガスケット13は、高分子電解質膜11、カソード触媒層12C、および、アノード触媒層12Aからなる積層体の外周を囲んでおり、触媒層12C,12Aに供給されるガス等が燃料電池から漏れることを抑える機能を有する。なお、図3には、膜電極接合体10が1つのガスケットを備える例を示したが、これに代えて、膜電極接合体10は、カソード触媒層12Cの外周を囲むガスケットと、アノード触媒層12Aの外周を囲むガスケットとの2つのガスケットを備えていてもよい。 As shown in FIG. 3, the membrane electrode assembly 10 may further include a gasket 13. The gasket 13 surrounds the outer periphery of the laminate composed of the polymer electrolyte membrane 11, the cathode catalyst layer 12C, and the anode catalyst layer 12A, and prevents gas and the like supplied to the catalyst layers 12C and 12A from leaking from the fuel cell. It has a function to suppress. Although FIG. 3 shows an example in which the membrane electrode assembly 10 includes one gasket, the membrane electrode assembly 10 has a gasket surrounding the outer periphery of the cathode catalyst layer 12C and an anode catalyst layer instead. It may be provided with two gaskets, one with a gasket surrounding the outer periphery of the 12A.

なお、膜電極接合体10は、高分子電解質膜11と、触媒層12C,12Aとを備えていればよく、これら以外の構成は特に限定されない。例えば、膜電極接合体10は、触媒層12C,12Aに供給されるガスを拡散させる機能を有する2つのガス拡散層を備えていてもよい。ガス拡散層の一方は、カソード触媒層12Cにおける高分子電解質膜11と接する面とは反対側の面を覆い、ガス拡散層の他方は、アノード触媒層12Aにおける高分子電解質膜11と接する面とは反対側の面を覆う。 The membrane electrode assembly 10 may include the polymer electrolyte membrane 11 and the catalyst layers 12C and 12A, and the configuration other than these is not particularly limited. For example, the membrane electrode assembly 10 may include two gas diffusion layers having a function of diffusing the gas supplied to the catalyst layers 12C and 12A. One of the gas diffusion layers covers the surface of the cathode catalyst layer 12C opposite to the surface in contact with the polymer electrolyte membrane 11, and the other of the gas diffusion layer is the surface of the anode catalyst layer 12A in contact with the polymer electrolyte membrane 11. Covers the opposite side.

高分子電解質膜11は高分子電解質を含み、カソード触媒層12Cとアノード触媒層12Aとの各々は、高分子電解質と、炭素からなる導電性担体であるカーボン担体と、カーボン担体に担持された触媒物質とを含んでいる。 The polymer electrolyte membrane 11 contains a polymer electrolyte, and each of the cathode catalyst layer 12C and the anode catalyst layer 12A includes a polymer electrolyte, a carbon carrier which is a conductive carrier made of carbon, and a catalyst supported on the carbon carrier. Contains substances.

触媒層12C,12Aの含む高分子電解質は、プロトン伝導性を有し、テトラフルオロエチレン骨格を有する高分子電解質であって、スルホン酸基を含むパーフルオロ側鎖を有することが好ましい。こうした高分子電解質としては、例えば、デュポン社製Nafion(登録商標)、旭硝子社製Flemion(登録商標)、旭化成社製Aciplex(登録商標)、ゴア社製GORE−SELECT(登録商標)等が挙げられる。これらの材料の中でも、固体高分子形燃料電池の出力電圧を高めるためには、デュポン社製Nafion(登録商標)系材料を用いることが好ましい。 The polymer electrolyte contained in the catalyst layers 12C and 12A is a polymer electrolyte having proton conductivity and a tetrafluoroethylene skeleton, and preferably has a perfluoro side chain containing a sulfonic acid group. Examples of such polymer electrolytes include Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass, Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei, and GORE-SELECT (registered trademark) manufactured by Gore. .. Among these materials, in order to increase the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell, it is preferable to use a Nafion (registered trademark) -based material manufactured by DuPont.

高分子電解質膜11に用いられる高分子電解質は、プロトン伝導性を有する高分子電解質であればよく、例えば、上述のフッ素系高分子電解質の他に、炭化水素系高分子電解質を用いてもよい。ただし、高分子電解質膜11が含む高分子電解質と、触媒層12C,12Aが含む高分子電解質とは、同一であることが好ましい。その理由は、高分子電解質膜11と各触媒層12C,12Aとの界面抵抗が大きくなることや、湿度が変化した場合における高分子電解質膜11と触媒層12C,12Aとの寸法変化率の差が大きくなることを抑えられるためである。 The polymer electrolyte used in the polymer electrolyte film 11 may be any polymer electrolyte having proton conductivity. For example, in addition to the above-mentioned fluorine-based polymer electrolyte, a hydrocarbon-based polymer electrolyte may be used. .. However, it is preferable that the polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte membrane 11 and the polymer electrolyte contained in the catalyst layers 12C and 12A are the same. The reason is that the interfacial resistance between the polymer electrolyte membrane 11 and the catalyst layers 12C and 12A increases, and the difference in the dimensional change rate between the polymer electrolyte membrane 11 and the catalyst layers 12C and 12A when the humidity changes. This is because it is possible to suppress the increase in size.

触媒物質としては、例えば、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素や、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、および、これらの合金、酸化物、複酸化物、炭化物等が用いられる。特に、触媒物質として白金を用いることが好ましい。 Examples of the catalytic material include platinum group elements such as platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, and osmium, metals such as iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum, and , These alloys, oxides, compound oxides, carbides and the like are used. In particular, it is preferable to use platinum as the catalyst substance.

カーボン担体は、微粉末状で導電性を有し、触媒に侵されない担体であればよく、例えば、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンナノチューブ、フラーレンが好適に用いられる。 The carbon carrier may be a carrier that is in the form of a fine powder, has conductivity, and is not affected by the catalyst. For example, carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon nanotubes, and fullerenes are preferably used.

触媒層12C,12Aの組成は、エネルギー分散型X線分光分析(EDX)により得られる触媒層12C,12Aの炭素原子濃度をXc、フッ素原子濃度をXfとするとき、85at%<Xc<90at%、かつ、3at%<Xf<7at%を満たしている。 The composition of the catalyst layers 12C and 12A is 85 at% <Xc <90 at% when the carbon atom concentration of the catalyst layers 12C and 12A obtained by energy dispersive X-ray spectroscopic analysis (EDX) is Xc and the fluorine atom concentration is Xf. And, 3 at% <Xf <7 at% is satisfied.

上記範囲よりも炭素原子濃度Xcが高くフッ素原子濃度Xfが低い場合には、触媒層12C,12Aのプロトン伝導性が不足して触媒層12C,12Aの抵抗が高くなるため、燃料電池の出力が低下する。また、上記範囲よりも炭素原子濃度Xcが低くフッ素原子濃度Xfが高い場合には、カーボン担体に起因した導電性が低くなるため、燃料電池の出力が低下する。また、上記範囲よりも炭素原子濃度Xcが低くフッ素原子濃度Xfが高い場合、触媒層12C,12Aの含む細孔の割合が少なくなるため、細孔に水が詰まって触媒層12C,12Aに供給されるガスの通り道を塞ぎやすくなり、その結果、燃料電池の出力が低下する。 When the carbon atom concentration Xc is higher and the fluorine atom concentration Xf is lower than the above range, the proton conductivity of the catalyst layers 12C and 12A is insufficient and the resistance of the catalyst layers 12C and 12A is increased, so that the output of the fuel cell is increased. descend. Further, when the carbon atom concentration Xc is lower than the above range and the fluorine atom concentration Xf is high, the conductivity due to the carbon carrier is lowered, so that the output of the fuel cell is lowered. Further, when the carbon atom concentration Xc is lower and the fluorine atom concentration Xf is higher than the above range, the proportion of the pores contained in the catalyst layers 12C and 12A is small, so that the pores are clogged with water and supplied to the catalyst layers 12C and 12A. It is easy to block the path of the gas to be produced, and as a result, the output of the fuel cell is reduced.

すなわち、触媒層12C,12Aの炭素原子濃度Xcおよびフッ素原子濃度Xfの各々が上記範囲内であれば、触媒層12C,12Aにおけるプロトン伝導性およびカーボン担体に起因した導電性が高められるとともに、ガスや水の拡散性が高められる。 That is, when each of the carbon atom concentration Xc and the fluorine atom concentration Xf of the catalyst layers 12C and 12A are within the above ranges, the proton conductivity in the catalyst layers 12C and 12A and the conductivity due to the carbon carrier are enhanced, and the gas And the diffusivity of water is enhanced.

高分子電解質がプロトンを通すためには、高分子電解質が含水している必要があるため、低加湿環境下における触媒層12C,12Aのプロトン伝導性は、高加湿環境下における触媒層12C,12Aのプロトン伝導性よりも低下する。本実施形態では、触媒層12C,12Aの炭素原子濃度Xcおよびフッ素原子濃度Xfの各々が上記範囲内であることにより、低加湿環境下でも十分なプロトン伝導性が得られる程度に、触媒層12C,12Aのプロトン伝導性が高められている。すなわち、本実施形態の触媒層12C,12Aは、高加湿環境下であっても低加湿環境下であっても良好なプロトン伝導性を示す。 Since the polymer electrolyte must contain water in order for the polymer electrolyte to pass protons, the proton conductivity of the catalyst layers 12C and 12A in a low humidification environment is such that the catalyst layers 12C and 12A in a high humidification environment. It is lower than the proton conductivity of. In the present embodiment, when each of the carbon atom concentration Xc and the fluorine atom concentration Xf of the catalyst layers 12C and 12A are within the above ranges, the catalyst layer 12C can obtain sufficient proton conductivity even in a low humid environment. , 12A proton conductivity is enhanced. That is, the catalyst layers 12C and 12A of the present embodiment show good proton conductivity in both a highly humidified environment and a low humidified environment.

一方で、プロトン伝導性を高めるために触媒層12C,12Aにおける高分子電解質の量を増やし過ぎると、触媒層12C,12Aの含む細孔の数が少なくなったり細孔が狭くなったりするため、特に高加湿環境下では、細孔に水が詰まって、触媒層12C,12Aに供給されるガスが触媒層12C,12Aの内部まで届きにくくなる。さらに、カソード触媒層12Cにおいては、発電によって水が生成するため、こうした現象が顕著になる。これに対し、本実施形態では、触媒層12C,12Aの炭素原子濃度Xcおよびフッ素原子濃度Xfの各々が上記範囲内であることにより、触媒層12C,12Aの含む細孔の割合が十分に確保されるため、ガスや水の拡散性が高められる。 On the other hand, if the amount of the polymer electrolyte in the catalyst layers 12C and 12A is increased too much in order to increase the proton conductivity, the number of pores contained in the catalyst layers 12C and 12A may decrease or the pores may become narrow. In particular, in a highly humid environment, the pores are clogged with water, making it difficult for the gas supplied to the catalyst layers 12C and 12A to reach the inside of the catalyst layers 12C and 12A. Further, in the cathode catalyst layer 12C, water is generated by power generation, so that such a phenomenon becomes remarkable. On the other hand, in the present embodiment, the ratio of the pores contained in the catalyst layers 12C and 12A is sufficiently ensured by setting each of the carbon atom concentration Xc and the fluorine atom concentration Xf of the catalyst layers 12C and 12A within the above ranges. Therefore, the diffusivity of gas and water is enhanced.

したがって、本実施形態の触媒層12C,12Aによれば、低加湿環境下におけるプロトン伝導性の向上と高加湿環境下におけるガスや水の拡散性の向上との両立が可能であるため、高加湿環境下および低加湿環境下の双方で燃料電池の出力が高められる。 Therefore, according to the catalyst layers 12C and 12A of the present embodiment, it is possible to improve the proton conductivity in a low humidification environment and the diffusivity of gas and water in a high humidification environment at the same time. The output of the fuel cell is increased in both the environment and the low humidification environment.

触媒層12C,12Aの炭素原子濃度Xcおよびフッ素原子濃度Xfは、走査型電子顕微鏡(SEM)に付帯しているエネルギー分散型X線分光分析(EDX)装置を使用して、触媒層12C,12Aの断面の元素分析を行うことによって得られる。例えば、日立ハイテクノロジー社製の走査型電子顕微鏡(FE−SEM S−4800)およびエネルギー分散型X線分光分析装置(EDAX Genesis2000)を用いて、各触媒層12C,12Aの断面の定性分析および定量分析を行えばよい。 The carbon atom concentration Xc and the fluorine atom concentration Xf of the catalyst layers 12C and 12A are determined by using the energy dispersive X-ray spectroscopic analysis (EDX) apparatus attached to the scanning electron microscope (SEM). It is obtained by performing elemental analysis of the cross section of. For example, using a scanning electron microscope (FE-SEM S-4800) and an energy dispersive X-ray spectroscopic analyzer (EDAX Genesis2000) manufactured by Hitachi High-Technology Co., Ltd., qualitative analysis and quantification of the cross section of each catalyst layer 12C, 12A. You just have to analyze it.

図4は、上記装置を用いて電極触媒層の断面の定性分析を行うことにより得られたスペクトルの一例を示す。図4に示すスペクトルでは、0.28keV付近に炭素のピークが確認され、0.68keV付近にフッ素のピークが確認される。このピーク強度を補正する定量分析を行うことによって、電極触媒層における炭素原子濃度Xcと、電極触媒層におけるフッ素原子濃度Xfとが得られる。 FIG. 4 shows an example of the spectrum obtained by performing a qualitative analysis of the cross section of the electrode catalyst layer using the above apparatus. In the spectrum shown in FIG. 4, a carbon peak is confirmed in the vicinity of 0.28 keV, and a fluorine peak is confirmed in the vicinity of 0.68 keV. By performing a quantitative analysis for correcting this peak intensity, a carbon atom concentration Xc in the electrode catalyst layer and a fluorine atom concentration Xf in the electrode catalyst layer can be obtained.

上記分析を行うときの走査型電子顕微鏡の観察倍率は上記装置を用いる場合、10万倍から30万倍程度であることが好ましい。触媒層12C,12Aの断面にて元素分析の対象とされる領域である分析領域の大きさは、電極触媒層における厚さ方向の長さ×厚さ方向と直交する方向の長さとして表すとき、0.3μm×0.4μmから1.0μm×1.5μmの大きさであればよい。なお、触媒層12C,12Aは、触媒層12C,12Aの構成材料が均一に分散された触媒インクの塗布および乾燥によって形成されるため、その組成は触媒層12C,12Aの全体でほぼ均一である。 When the above apparatus is used, the observation magnification of the scanning electron microscope when performing the above analysis is preferably about 100,000 to 300,000 times. The size of the analysis region, which is the region targeted for elemental analysis in the cross section of the catalyst layers 12C and 12A, is expressed as the length in the thickness direction of the electrode catalyst layer × the length in the direction orthogonal to the thickness direction. , The size may be from 0.3 μm × 0.4 μm to 1.0 μm × 1.5 μm. Since the catalyst layers 12C and 12A are formed by applying and drying the catalyst ink in which the constituent materials of the catalyst layers 12C and 12A are uniformly dispersed, the composition thereof is substantially uniform in the entire catalyst layers 12C and 12A. ..

また、触媒層12C,12Aは、炭素原子およびフッ素原子の他に、触媒物質を構成する金属原子を含み、また、高分子電解質の側鎖に含まれる酸素原子や硫黄原子を含んでもよい。しかしながら、酸素原子密度や硫黄原子密度が、加湿の度合いが異なることによる燃料電池の発電性能の差異に与える影響は小さい。また、金属原子密度は、触媒層12C,12Aの導電性に影響を与えるものの、低加湿環境下におけるプロトン伝導性の向上と高加湿環境下におけるガスや水の拡散性の向上とへの寄与は小さい。したがって、酸素原子密度、硫黄原子密度、触媒物質を構成する金属原子密度が変わるとしても、炭素原子濃度Xcおよびフッ素原子濃度Xfの各々が上記範囲内であれば、燃料電池の出力を高めることは可能である。 Further, the catalyst layers 12C and 12A may contain metal atoms constituting the catalyst substance in addition to carbon atoms and fluorine atoms, and may also contain oxygen atoms and sulfur atoms contained in the side chain of the polymer electrolyte. However, the influence of the oxygen atom density and the sulfur atom density on the difference in the power generation performance of the fuel cell due to the difference in the degree of humidification is small. Although the metal atomic density affects the conductivity of the catalyst layers 12C and 12A, it contributes to the improvement of proton conductivity in a low-humidity environment and the improvement of gas and water diffusivity in a high-humidity environment. small. Therefore, even if the oxygen atom density, the sulfur atom density, and the metal atom density constituting the catalyst substance change, if each of the carbon atom concentration Xc and the fluorine atom concentration Xf is within the above ranges, the output of the fuel cell can be increased. It is possible.

電極触媒層の断面を露出させる方法としては、イオンミリング、ウルトラミクロトーム等の公知の方法を用いることができる。断面を露出させる加工を行う際には、電極触媒層を構成する高分子電解質へのダメージを軽減するため、膜電極接合体を冷却しながら加工を行うことが好ましい。 As a method for exposing the cross section of the electrode catalyst layer, a known method such as ion milling or ultramicrotome can be used. When processing to expose the cross section, it is preferable to perform processing while cooling the membrane electrode assembly in order to reduce damage to the polymer electrolyte constituting the electrode catalyst layer.

カソード触媒層12Cの厚さは、1μm以上15μm以下であり、5μm以上15μm以下であることが好ましく、10μm以上15μm以下であることがさらに好ましい。カソード触媒層12Cの厚さが15μm以下であれば、触媒層12Cの表面にひび割れが生じることや、カソード触媒層12Cに供給されるガスや発電によって生成する水の拡散が妨げられることや、導電性が低下することが抑えられる。その結果、燃料電池の出力の低下が抑えられる。また、カソード触媒層12Cの厚さが上記範囲の下限値以上であれば、触媒層12Cにおける触媒物質や高分子電解質の濃度の均一性が高められる。 The thickness of the cathode catalyst layer 12C is 1 μm or more and 15 μm or less, preferably 5 μm or more and 15 μm or less, and more preferably 10 μm or more and 15 μm or less. If the thickness of the cathode catalyst layer 12C is 15 μm or less, the surface of the catalyst layer 12C will be cracked, the gas supplied to the cathode catalyst layer 12C and the diffusion of water generated by power generation will be hindered, and the conductivity will be reduced. The deterioration of sex is suppressed. As a result, the decrease in the output of the fuel cell is suppressed. Further, when the thickness of the cathode catalyst layer 12C is not more than the lower limit of the above range, the uniformity of the concentration of the catalyst substance and the polymer electrolyte in the catalyst layer 12C is enhanced.

アノード触媒層12Aの厚さは、1μm以上15μm以下であり、2μm以上5μm以下であることが好ましい。アノード触媒層12Aの厚さが上記範囲の上限値以下であれば、アノード触媒層12Aの内部への水素ガス等の燃料の供給が妨げられることが抑えられる。その結果、燃料電池の出力の低下が抑えられる。また、アノード触媒層12Aの厚さが上記範囲の下限値以上であれば、触媒層12Aにおける触媒物質や高分子電解質の濃度の均一性が高められる。 The thickness of the anode catalyst layer 12A is preferably 1 μm or more and 15 μm or less, and preferably 2 μm or more and 5 μm or less. When the thickness of the anode catalyst layer 12A is not more than the upper limit of the above range, it is possible to prevent the supply of fuel such as hydrogen gas from being hindered inside the anode catalyst layer 12A. As a result, the decrease in the output of the fuel cell is suppressed. Further, when the thickness of the anode catalyst layer 12A is at least the lower limit of the above range, the uniformity of the concentration of the catalyst substance and the polymer electrolyte in the catalyst layer 12A is enhanced.

触媒層12C,12Aの厚さは、以下の方法によって測定される。走査型電子顕微鏡を用いて、電極触媒層の断面を観察し、断面内に5つ以上の測定領域を設定する。測定領域は、例えば、電極触媒層の厚さ方向に電極触媒層の全体を含む大きさを有するとともに、厚さ方向と直交する方向に15μm以上25μm以下の範囲内の所定の大きさを有する領域である。各測定領域について、3カ所以上の厚さを測定し、これらの測定値の平均値を各測定領域の代表値とする。そして、各測定領域の代表値の平均値が、電極触媒層の厚さとされる。 The thickness of the catalyst layers 12C and 12A is measured by the following method. The cross section of the electrode catalyst layer is observed using a scanning electron microscope, and five or more measurement regions are set in the cross section. The measurement region is, for example, a region having a size including the entire electrode catalyst layer in the thickness direction of the electrode catalyst layer and a predetermined size within a range of 15 μm or more and 25 μm or less in the direction orthogonal to the thickness direction. Is. For each measurement area, the thickness of three or more points is measured, and the average value of these measured values is used as the representative value of each measurement area. Then, the average value of the representative values of each measurement region is taken as the thickness of the electrode catalyst layer.

なお、走査型電子顕微鏡としては、例えば、日立ハイテクノロジー社製の走査型電子顕微鏡(FE−SEM S−4800)が用いられ、3000倍から1万倍程度の倍率で電極触媒層の断面が観察されればよい。 As the scanning electron microscope, for example, a scanning electron microscope (FE-SEM S-4800) manufactured by Hitachi High-Technology Co., Ltd. is used, and the cross section of the electrode catalyst layer is observed at a magnification of about 3000 to 10,000 times. It should be done.

触媒層12C,12Aに含まれるカーボン担体と高分子電解質とについて、カーボン担体に対する高分子電解質の質量比は、0.8以上1.6以下であることが好ましい。 With respect to the carbon carrier and the polymer electrolyte contained in the catalyst layers 12C and 12A, the mass ratio of the polymer electrolyte to the carbon carrier is preferably 0.8 or more and 1.6 or less.

上記質量比が1.6以下であれば、触媒層12C,12Aにおいて、プロトンパスのネットワークが高分子電解質によって十分に構築されるため、燃料電池の出力が高められる。また、上記質量比が0.8以上であれば、触媒層12C,12Aの含む細孔が高分子電解質によって塞がれることが抑えられるため、ガスや水の拡散が妨げられることが抑えられる。その結果、燃料電池の出力が高められる。 When the mass ratio is 1.6 or less, the output of the fuel cell is increased because the proton path network is sufficiently constructed by the polymer electrolyte in the catalyst layers 12C and 12A. Further, when the mass ratio is 0.8 or more, the pores contained in the catalyst layers 12C and 12A are suppressed from being blocked by the polymer electrolyte, so that the diffusion of gas and water is suppressed. As a result, the output of the fuel cell is increased.

[電極触媒層および膜電極接合体の製造方法]
上述の触媒層12C,12A、および、膜電極接合体10の製造方法を説明する。
触媒層12C,12Aは、触媒層12C,12Aの構成材料を含む触媒インクを基材に塗布して塗膜を形成し、塗膜を乾燥して触媒インクの溶媒を除去することによって形成される。
[Manufacturing method of electrode catalyst layer and membrane electrode assembly]
The method for producing the catalyst layers 12C and 12A and the membrane electrode assembly 10 described above will be described.
The catalyst layers 12C and 12A are formed by applying a catalyst ink containing the constituent materials of the catalyst layers 12C and 12A to a substrate to form a coating film, and drying the coating film to remove the solvent of the catalyst ink. ..

基材として高分子電解質膜11を用いると、高分子電解質膜11の有する面に、直接、触媒層12C,12Aを形成できる。またあるいは、高分子電解質膜11とは異なる基材を、触媒層12C,12Aを形成するための基材として用い、基材から高分子電解質膜11に触媒層12C,12Aを転写してもよい。この場合、各別の基材上に形成されたカソード触媒層12Cとアノード触媒層12Aとの各々を、高分子電解質膜11に接触させて、その積層体を加熱および加圧することによって、触媒層12C,12Aが高分子電解質膜11に接合される。その後、基材を剥離することによって、高分子電解質膜11と触媒層12C,12Aとの積層体が形成される。なお、基材として上述のガス拡散層が用いられてもよく、この場合、基材は触媒層12C,12Aから剥離されずにガス拡散層として機能する。 When the polymer electrolyte membrane 11 is used as the base material, the catalyst layers 12C and 12A can be directly formed on the surface of the polymer electrolyte membrane 11. Alternatively, a base material different from the polymer electrolyte membrane 11 may be used as a base material for forming the catalyst layers 12C and 12A, and the catalyst layers 12C and 12A may be transferred from the base material to the polymer electrolyte membrane 11. .. In this case, each of the cathode catalyst layer 12C and the anode catalyst layer 12A formed on the different base materials is brought into contact with the polymer electrolyte membrane 11, and the laminated body is heated and pressurized to heat and pressurize the catalyst layer. 12C and 12A are bonded to the polymer electrolyte membrane 11. Then, by peeling off the base material, a laminate of the polymer electrolyte membrane 11 and the catalyst layers 12C and 12A is formed. The above-mentioned gas diffusion layer may be used as the base material. In this case, the base material functions as a gas diffusion layer without being separated from the catalyst layers 12C and 12A.

触媒インクは、上述のテトラフルオロエチレン骨格を有する高分子電解質と、上述のカーボン担体およびカーボン担体に担持された触媒物質と、インク溶媒とを含む。触媒インクは、高分子電解質と触媒物質を担持したカーボン担体とをインク溶媒に加えて混合し、分散処理を行うことによって生成される。 The catalyst ink includes the above-mentioned polymer electrolyte having a tetrafluoroethylene skeleton, the above-mentioned carbon carrier, a catalyst substance supported on the carbon carrier, and an ink solvent. The catalyst ink is produced by adding a polymer electrolyte and a carbon carrier carrying a catalyst substance to an ink solvent, mixing them, and performing a dispersion treatment.

ここで、インク溶媒が含むカーボン担体と高分子電解質とについて、カーボン担体に対する高分子電解質の質量比は、0.8以上1.6以下であることが好ましい。こうした構成によれば、カーボン担体に対する高分子電解質の質量比が、0.8以上1.6以下である触媒層12C,12Aが形成できる。そして、上記質量比が上記範囲内となるように触媒インクを調整することによって、形成される触媒層12C,12Aの炭素原子濃度Xcおよびフッ素原子濃度Xfの各々を上述の範囲内に収めやすくなる。
分散処理には、例えば、遊星型ボールミル、ビーズミル、超音波ホモジナイザ一等が用いられればよい。
Here, with respect to the carbon carrier contained in the ink solvent and the polymer electrolyte, the mass ratio of the polymer electrolyte to the carbon carrier is preferably 0.8 or more and 1.6 or less. According to such a configuration, the catalyst layers 12C and 12A in which the mass ratio of the polymer electrolyte to the carbon carrier is 0.8 or more and 1.6 or less can be formed. Then, by adjusting the catalyst ink so that the mass ratio is within the above range, each of the carbon atom concentration Xc and the fluorine atom concentration Xf of the formed catalyst layers 12C and 12A can be easily contained within the above range. ..
For the dispersion treatment, for example, a planetary ball mill, a bead mill, an ultrasonic homogenizer, or the like may be used.

触媒インクの分散媒として使用されるインク溶媒は、触媒物質や高分子電解質を浸食することがなく、流動性の高い状態で高分子電解質を溶解または微細ゲルとして分散できる溶媒であれば、特に制限されない。 The ink solvent used as a dispersion medium for the catalyst ink is particularly limited as long as it is a solvent that does not erode the catalyst substance or the polymer electrolyte and can dissolve the polymer electrolyte or disperse it as a fine gel in a highly fluid state. Not done.

なお、インク溶媒には高分子電解質と親和性の高い水が含まれていてもよい。また、インク溶媒には、揮発性の有機溶媒が含まれることが好ましいが、有機溶媒として低級アルコールが用いられる場合には、インク溶媒の発火温度を高めるために、インク溶媒は有機溶媒と水との混合溶媒とされることが好ましい。インク溶媒における水の割合は、高分子電解質がインク溶媒から分離して白濁が生じたり、高分子電解質がゲル化したりしない程度であれば、特に制限されない。 The ink solvent may contain water having a high affinity with the polymer electrolyte. Further, the ink solvent preferably contains a volatile organic solvent, but when a lower alcohol is used as the organic solvent, the ink solvent is an organic solvent and water in order to raise the ignition temperature of the ink solvent. It is preferable to use a mixed solvent of. The ratio of water in the ink solvent is not particularly limited as long as the polymer electrolyte does not separate from the ink solvent to cause white turbidity or the polymer electrolyte does not gel.

触媒層12C,12Aを形成するための基材として、高分子電解質膜11とは異なる基材を用い、高分子電解質膜11と触媒層12C,12Aとの接合後にこの基材を剥離する方法で触媒層12C,12Aを形成する場合、基材としては、以下の材料からなるフィルムが用いられればよい。すなわち、こうした基材としては、例えば、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の転写性に優れたフッ素系樹脂からなるフィルムや、ポリイミド、ポリエチレンテレフタラート、ポリアミド(ナイロン)、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル・エーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレート等の高分子からなるフィルムが用いられる。 A base material different from the polymer electrolyte membrane 11 is used as a base material for forming the catalyst layers 12C and 12A, and this base material is peeled off after the polymer electrolyte membrane 11 and the catalyst layers 12C and 12A are bonded. When forming the catalyst layers 12C and 12A, a film made of the following materials may be used as the base material. That is, examples of such a substrate include ethylene tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroperfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), and polytetra. Films made of fluororesin with excellent transferability such as fluoroethylene (PTFE), polyimide, polyethylene terephthalate, polyamide (nylon), polysulfone, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyetherimide , Polyallylate, polyethylene naphthalate and other polymer films are used.

触媒インクを基材に塗布する方法としては、例えば、ダイコート、スリットダイコート、ロールコート、カーテンコート、スプレーコート、スキージー等の塗工方法が用いられる。特に、ダイコートは、塗膜のなかで、触媒インクの塗布の開始から終了まで間の中間部に形成された部分の膜厚が安定し、また、間欠塗工にも対応可能であるため、触媒インクの塗布方法として好適に用いることができる。
また、塗膜の乾燥には、例えば、温風オーブン、IR乾燥、減圧乾燥等が用いられる。
As a method of applying the catalyst ink to the base material, for example, a coating method such as die coat, slit die coat, roll coat, curtain coat, spray coat, squeegee or the like is used. In particular, the die coat is a catalyst because the film thickness of the portion of the coating film formed in the middle portion from the start to the end of the application of the catalyst ink is stable and it can be applied intermittently. It can be suitably used as an ink application method.
Further, for drying the coating film, for example, a warm air oven, IR drying, vacuum drying and the like are used.

基材上に形成された触媒層12C,12Aを加熱および加圧によって高分子電解質膜11に接合する場合、触媒層12C,12Aにかかる圧力は、燃料電池の発電性能に影響を与える。そのため、加圧時に積層体にかかる圧力は、0.5MPa以上20MPa以下であることが好ましく、2MPa以上15MPa以下であることが好ましい。圧力が上記範囲の上限値以下であれば、触媒層12C,12Aが圧縮され過ぎることが抑えられ、圧力が上記範囲の下限値以上であれば、触媒層12C,12Aと高分子電解質膜11との接合性が十分に得られるため、燃料電池の発電性能の低下が抑えられる。 When the catalyst layers 12C and 12A formed on the base material are bonded to the polymer electrolyte membrane 11 by heating and pressurizing, the pressure applied to the catalyst layers 12C and 12A affects the power generation performance of the fuel cell. Therefore, the pressure applied to the laminate during pressurization is preferably 0.5 MPa or more and 20 MPa or less, and preferably 2 MPa or more and 15 MPa or less. When the pressure is equal to or lower than the upper limit of the above range, the catalyst layers 12C and 12A are suppressed from being over-compressed, and when the pressure is equal to or higher than the lower limit of the above range, the catalyst layers 12C and 12A and the polymer electrolyte membrane 11 are formed. Since sufficient bondability is obtained, deterioration of the power generation performance of the fuel cell can be suppressed.

また、加熱の温度は、触媒層12C,12Aが含む高分子電解質のガラス転移点付近に設定されることが好ましい。これにより、触媒層12C,12Aと高分子電解質膜11との接合性が向上し、界面抵抗が大きくなることが抑えられる。 Further, the heating temperature is preferably set near the glass transition point of the polymer electrolyte contained in the catalyst layers 12C and 12A. As a result, the bondability between the catalyst layers 12C and 12A and the polymer electrolyte membrane 11 is improved, and the increase in interfacial resistance is suppressed.

これにより、高分子電解質膜11と触媒層12C,12Aとを備える膜電極接合体10が形成される。なお、膜電極接合体10がガスケット13やガス拡散層を備える場合には、上述の工程の後に、これらの部材が適宜組み付けられる。 As a result, the membrane electrode assembly 10 including the polymer electrolyte membrane 11 and the catalyst layers 12C and 12A is formed. When the membrane electrode assembly 10 includes a gasket 13 and a gas diffusion layer, these members are appropriately assembled after the above steps.

[固体高分子形燃料電池]
図5を参照して、上述の膜電極接合体10を備える固体高分子形燃料電池の構成について説明する。
図5に示されるように、固体高分子形燃料電池20は、一対のガス拡散層14C,14Aを備える膜電極接合体10と、一対のセパレータ21C,21Aとを備えている。膜電極接合体10は、セパレータ21Cとセパレータ21Aとの間に挟持されている。セパレータ21Cにて、膜電極接合体10と互いに向かい合う面には、ガス流路22Cが凹設され、また、膜電極接合体10とは反対側の面には、冷却水流路23Cが凹設されている。セパレータ21Aにて、膜電極接合体10と互いに向かい合う面には、ガス流路22Aが凹設され、また、膜電極接合体10とは反対側の面には、冷却水流路23Aが凹設されている。
[Proton electrolyte fuel cell]
The configuration of the polymer electrolyte fuel cell including the above-mentioned membrane electrode assembly 10 will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 5, the polymer electrolyte fuel cell 20 includes a membrane electrode assembly 10 having a pair of gas diffusion layers 14C and 14A, and a pair of separators 21C and 21A. The membrane electrode assembly 10 is sandwiched between the separator 21C and the separator 21A. In the separator 21C, the gas flow path 22C is recessed on the surface facing the membrane electrode assembly 10, and the cooling water flow path 23C is recessed on the surface opposite to the membrane electrode assembly 10. ing. In the separator 21A, a gas flow path 22A is recessed on the surface facing the membrane electrode assembly 10, and a cooling water flow path 23A is recessed on the surface opposite to the membrane electrode assembly 10. ing.

上記構成では、カソード触媒層12Cと、カソード触媒層12Cに積層されたガス拡散層14Cとから、カソードである空気極が構成され、アノード触媒層12Aと、アノード触媒層12Aに積層されたガス拡散層14Aとから、アノードである燃料極が構成される。 In the above configuration, the cathode catalyst layer 12C and the gas diffusion layer 14C laminated on the cathode catalyst layer 12C form an air electrode as a cathode, and the gas diffusion laminated on the anode catalyst layer 12A and the anode catalyst layer 12A. A fuel electrode, which is an anode, is formed from the layer 14A.

膜電極接合体10に、セパレータ21C,21Aが組み付けられ、さらに、酸化剤ガスと燃料ガスとの供給機構等が設けられて、単セルの固体高分子形燃料電池20が製造される。固体高分子形燃料電池20は、単セルの状態で用いられてもよいし、複数の固体高分子形燃料電池20が積層されて直列接続されることにより1つの燃料電池として用いられてもよい。 Separators 21C and 21A are assembled to the membrane electrode assembly 10, and a supply mechanism for an oxidant gas and a fuel gas is further provided to manufacture a single-cell polymer electrolyte fuel cell 20. The polymer electrolyte fuel cell 20 may be used in a single cell state, or may be used as one fuel cell by stacking a plurality of polymer electrolyte fuel cells 20 and connecting them in series. ..

固体高分子形燃料電池20の使用時には、カソード側のセパレータ21Cのガス流路22Cに酸素等の酸化剤ガスが流され、アノード側のセパレータ21Aのガス流路22Aに水素等の燃料ガスが流される。また、各セパレータ21C,21Aの冷却水流路の23C,23Aには、冷却水が流される。そして、ガス流路22Cからカソードにガスが供給され、また、ガス流路22Aからアノードにガスが供給されることによって、高分子電解質膜11中でのプロトン伝導を伴う電極反応が進行することにより、カソードとアノードとの間に起電力が生じる。 When the polymer electrolyte fuel cell 20 is used, an oxidant gas such as oxygen flows through the gas flow path 22C of the separator 21C on the cathode side, and a fuel gas such as hydrogen flows through the gas flow path 22A of the separator 21A on the anode side. Is done. Further, cooling water is flowed through the cooling water flow paths 23C and 23A of the separators 21C and 21A. Then, the gas is supplied from the gas flow path 22C to the cathode, and the gas is supplied from the gas flow path 22A to the anode, so that the electrode reaction accompanied by proton conduction in the polymer electrolyte membrane 11 proceeds. , An electromotive force is generated between the cathode and the anode.

[実施例]
上述した電極触媒層、膜電極接合体、固体高分子形燃料電池、および、電極触媒層の製造方法について、具体的な実施例および比較例を用いて説明する。
[Example]
The above-mentioned electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, polymer electrolyte fuel cell, and method for producing the electrode catalyst layer will be described with reference to specific examples and comparative examples.

(実施例1)
高分子電解質(Nafion(登録商標)、デュポン社製)分散液と、白金担持カーボン触媒(TEC10E50E、田中貴金属工業社製)と、水およびエタノールの混合溶媒とを混合し、遊星型ボールミルを用いて分散処理を行って、触媒インクを調製した。その際、カーボン担体に対する高分子電解質の質量比が1.0となるように、高分子電解質と白金担持カーボン触媒との混合量を決定した。
(Example 1)
A polymer electrolyte (Nafion (registered trademark), manufactured by DuPont) dispersion, a platinum-supported carbon catalyst (TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.), and a mixed solvent of water and ethanol are mixed, and a planetary ball mill is used. A dispersion treatment was performed to prepare a catalytic ink. At that time, the mixing amount of the polymer electrolyte and the platinum-supported carbon catalyst was determined so that the mass ratio of the polymer electrolyte to the carbon carrier was 1.0.

調整した触媒インクを、スリットダイコーターによって、PTFEフィルムの表面の矩形形状の領域に塗布した。続けて、触媒インクが塗布されたPTFEフィルムを80℃の温風オーブンに入れて、触媒インクのタックがなくなるまで、すなわち、塗膜に指先で軽く触れても指先に触媒インクが付着しなくなるまで乾燥させて、カソード触媒層をPTFEフィルムの表面に形成した。
また、塗膜の厚さ方向における触媒インクの塗布量を2分の1にすること以外は、カソード触媒層の形成工程と同様の工程によって、アノード触媒層をPTFEフィルムの表面に形成した。
The adjusted catalyst ink was applied to a rectangular area on the surface of the PTFE film by a slit die coater. Subsequently, the PTFE film coated with the catalyst ink is placed in a warm air oven at 80 ° C. until the catalyst ink is no longer tacked, that is, until the catalyst ink does not adhere to the fingertips even if the coating film is lightly touched with the fingertips. After drying, a cathode catalyst layer was formed on the surface of the PTFE film.
Further, the anode catalyst layer was formed on the surface of the PTFE film by the same step as the step of forming the cathode catalyst layer except that the amount of the catalyst ink applied in the thickness direction of the coating film was halved.

そして、PTFEフィルム上に形成したカソード触媒層が高分子電解質膜(Nafion(登録商標)212、デュポン社製)の一方の面に対面し、PTFEフィルム上に形成したアノード触媒層が高分子電解質膜の他方の面に対面するように配置し、この積層体をホットプレスした。その後、カソード触媒層とアノード触媒層との各々からPTFEフィルムを剥離して、実施例1の膜電極接合体を得た。 Then, the cathode catalyst layer formed on the PTFE film faces one surface of the polymer electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) 212, manufactured by DuPont), and the anode catalyst layer formed on the PTFE film is the polymer electrolyte membrane. The laminate was placed so as to face the other surface of the structure, and the laminate was hot pressed. Then, the PTFE film was peeled off from each of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer to obtain a membrane electrode assembly of Example 1.

高分子電解質膜とカソード触媒層とアノード触媒層とからなる積層体を、2つのガス拡散層で挟み、ガスケットを組み付けた。さらに、この構造体を2つのセパレータで挟持し、所定の面圧がかかるように締め付けて、実施例1の固体高分子形燃料電池を得た。 A laminate composed of a polymer electrolyte membrane, a cathode catalyst layer, and an anode catalyst layer was sandwiched between two gas diffusion layers, and a gasket was assembled. Further, this structure was sandwiched between two separators and tightened so as to apply a predetermined surface pressure to obtain a polymer electrolyte fuel cell of Example 1.

(実施例2)
カソード触媒層の形成に際して、塗膜の厚さ方向における触媒インクの塗布量を1.5倍にしたこと以外は、実施例1と同様の工程によって、実施例2の膜電極接合体および実施例2の固体高分子形燃料電池を得た。
(Example 2)
The membrane electrode assembly and Examples of Example 2 were subjected to the same steps as in Example 1 except that the amount of catalyst ink applied in the thickness direction of the coating film was increased by 1.5 times when the cathode catalyst layer was formed. 2 solid polymer fuel cells were obtained.

(実施例3)
アノード触媒層の形成に際して、塗膜の厚さ方向における触媒インクの塗布量を5分の1にしたこと以外は、実施例1と同様の工程によって、実施例3の膜電極接合体および実施例3の固体高分子形燃料電池を得た。
(Example 3)
The membrane electrode assembly and Examples of Example 3 were subjected to the same steps as in Example 1 except that the amount of catalyst ink applied in the thickness direction of the coating film was reduced to 1/5 when forming the anode catalyst layer. 3 solid polymer fuel cells were obtained.

(実施例4)
触媒インクの調製に際して、カーボン担体に対する高分子電解質の質量比が0.8となるように、高分子電解質と白金担持カーボン触媒との混合量を決定したこと以外は、実施例1と同様の工程によって、実施例4の膜電極接合体および実施例4の固体高分子形燃料電池を得た。
(Example 4)
In the preparation of the catalyst ink, the same steps as in Example 1 except that the mixing amount of the polymer electrolyte and the platinum-supported carbon catalyst was determined so that the mass ratio of the polymer electrolyte to the carbon carrier was 0.8. Obtained a membrane electrode assembly of Example 4 and a polymer electrolyte fuel cell of Example 4.

(実施例5)
触媒インクの調製に際して、カーボン担体に対する高分子電解質の質量比が1.6となるように、高分子電解質と白金担持カーボン触媒との混合量を決定したこと以外は、実施例1と同様の工程によって、実施例5の膜電極接合体および実施例5の固体高分子形燃料電池を得た。
(Example 5)
In the preparation of the catalyst ink, the same steps as in Example 1 except that the mixing amount of the polymer electrolyte and the platinum-supported carbon catalyst was determined so that the mass ratio of the polymer electrolyte to the carbon carrier was 1.6. The membrane electrode assembly of Example 5 and the polymer electrolyte fuel cell of Example 5 were obtained.

(比較例1)
触媒インクの調製に際して、カーボン担体に対する高分子電解質の質量比が0.7となるように、高分子電解質と白金担持カーボン触媒との混合量を決定したこと以外は、実施例1と同様の工程によって、比較例1の膜電極接合体および比較例1の固体高分子形燃料電池を得た。
(Comparative Example 1)
In the preparation of the catalyst ink, the same steps as in Example 1 except that the mixing amount of the polymer electrolyte and the platinum-supported carbon catalyst was determined so that the mass ratio of the polymer electrolyte to the carbon carrier was 0.7. A membrane electrode assembly of Comparative Example 1 and a polymer electrolyte fuel cell of Comparative Example 1 were obtained.

(比較例2)
触媒インクの調製に際して、カーボン担体に対する高分子電解質の質量比が1.7となるように、高分子電解質と白金担持カーボン触媒との混合量を決定したこと以外は、実施例1と同様の工程によって、比較例2の膜電極接合体および比較例2の固体高分子形燃料電池を得た。
(Comparative Example 2)
In the preparation of the catalyst ink, the same steps as in Example 1 except that the mixing amount of the polymer electrolyte and the platinum-supported carbon catalyst was determined so that the mass ratio of the polymer electrolyte to the carbon carrier was 1.7. The membrane electrode assembly of Comparative Example 2 and the polymer electrolyte fuel cell of Comparative Example 2 were obtained.

(比較例3)
カソード触媒層の形成に際して、塗膜の厚さ方向における触媒インクの塗布量を2倍にしたこと以外は、実施例1と同様の工程によって、比較例3の膜電極接合体および比較例3の固体高分子形燃料電池を得た。
(Comparative Example 3)
The membrane electrode assembly of Comparative Example 3 and Comparative Example 3 were subjected to the same steps as in Example 1 except that the amount of the catalyst ink applied in the thickness direction of the coating film was doubled when the cathode catalyst layer was formed. A polymer electrolyte fuel cell was obtained.

(評価)
各実施例および各比較例の膜電極接合体について、カソード触媒層およびアノード触媒層の各々の厚さの計測と、カソード触媒層における炭素原子濃度Xcおよびフッ素原子濃度Xfの分析とを行った。また、各実施例および各比較例の固体高分子形燃料電池について、高加湿環境下および低加湿環境下の各々での発電性能を評価した。
(Evaluation)
For the membrane electrode assembly of each Example and each Comparative Example, the thickness of each of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer was measured, and the carbon atom concentration Xc and the fluorine atom concentration Xf in the cathode catalyst layer were analyzed. In addition, the power generation performance of each example and each comparative example of the polymer electrolyte fuel cell was evaluated in a high humidification environment and a low humidification environment.

(電極触媒層の厚さの計測)
カソード触媒層およびアノード触媒層の各々の厚さは、走査型電子顕微鏡を用いて電極触媒層の断面を観察することによって計測した。
具体的には、まず、日本電子社製のクロスセクションポリッシャ(SM−09010)を使用して、電極触媒層の断面を露出させた。次いで、得られた断面を、日立ハイテクノロジー社製の走査型電子顕微鏡(FE−SEM S−4800)を使用して、5000倍の倍率で観察し、視野内、すなわち、電極触媒層の厚さ方向と直交する方向に20μmの大きさを有する測定領域内で3カ所の厚さを計測し、その平均値をこの測定領域での代表値とした。5カ所の測定領域について上記代表値を算出し、各測定領域の代表値の平均値を電極触媒層の厚さとした。
(Measurement of the thickness of the electrode catalyst layer)
The thickness of each of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer was measured by observing the cross section of the electrode catalyst layer using a scanning electron microscope.
Specifically, first, a cross section polisher (SM-09010) manufactured by JEOL Ltd. was used to expose the cross section of the electrode catalyst layer. Next, the obtained cross section was observed at a magnification of 5000 times using a scanning electron microscope (FE-SEM S-4800) manufactured by Hitachi High Technology, Inc., and in the field of view, that is, the thickness of the electrode catalyst layer. Thicknesses were measured at three locations within a measurement region having a size of 20 μm in a direction orthogonal to the direction, and the average value was used as a representative value in this measurement region. The above representative values were calculated for the five measurement regions, and the average value of the representative values of each measurement region was taken as the thickness of the electrode catalyst layer.

(炭素原子濃度およびフッ素原子濃度の分析)
カソード触媒層の炭素原子濃度Xcおよびフッ素原子濃度Xfは、エネルギー分散型X線分光分析によって得た。
具体的には、上記の電極触媒層の厚さの計測で使用した断面を用いて、日立ハイテクノロジー社製の走査型電子顕微鏡(FE−SEM S−4800)に付帯のエネルギー分散型X線分光分析装置(EDAX Genesis2000)を使用した定性分析および定量分析を行うことにより、炭素原子濃度Xcとフッ素原子濃度Xfとを求めた。分析を行う際の走査型電子顕微鏡の観察倍率は20万倍とした。このときの分析領域の大きさは、電極触媒層における厚さ方向の長さ×厚さ方向と直交する方向の長さが0.6μm×0.8μmであった。
(Analysis of carbon atom concentration and fluorine atom concentration)
The carbon atom concentration Xc and the fluorine atom concentration Xf of the cathode catalyst layer were obtained by energy dispersive X-ray spectroscopic analysis.
Specifically, using the cross section used for measuring the thickness of the electrode catalyst layer described above, energy dispersive X-ray spectroscopy incidental to a scanning electron microscope (FE-SEM S-4800) manufactured by Hitachi High Technology Co., Ltd. The carbon atom concentration Xc and the fluorine atom concentration Xf were determined by performing qualitative analysis and quantitative analysis using an analyzer (EDAX Genesis2000). The observation magnification of the scanning electron microscope at the time of analysis was set to 200,000 times. The size of the analysis region at this time was 0.6 μm × 0.8 μm in the length in the thickness direction × the length in the direction orthogonal to the thickness direction in the electrode catalyst layer.

(発電性能の評価)
各実施例および各比較例の固体高分子形燃料電池を評価用単セルとして用い、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の固体高分子形燃料電池実用化推進技術開発基盤技術開発:セル評価解析の共通基盤技術「セル評価解析プロトコル」に記載の方法に概ね準じてI−V測定を実施した。なお、カソ一ド相対湿度およびアノード相対湿度の各々は、「セル評価解析プロトコル」に記載の条件から変更し、カソ一ド相対湿度およびアノード相対湿度の各々を100%RHとした場合を高加湿環境下、カソ一ド相対湿度およびアノード相対湿度の各々を25%RHとした場合を低加湿環境下とした。
(Evaluation of power generation performance)
Using the polymer electrolyte fuel cells of each example and each comparative example as a single cell for evaluation, the New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) solid polymer fuel cell practical application promotion technology development basic technology development: cell The IV measurement was carried out according to the method described in the common basic technology "cell evaluation analysis protocol" for evaluation analysis. The relative humidity of the cassette and the relative humidity of the anode are changed from the conditions described in the "cell evaluation analysis protocol", and high humidification is performed when each of the relative humidity of the cassette and the relative humidity of the anode is set to 100% RH. Under the environment, the case where each of the relative humidity of the cassette and the relative humidity of the anode was set to 25% RH was defined as a low humidification environment.

(結果)
表1に、各実施例および各比較例について、触媒インクの調整の際に用いたカーボン担体に対する高分子電解質の質量比X、カソード触媒層およびアノード触媒層の各々の厚さ、カソード触媒層の炭素原子濃度Xcおよびフッ素原子濃度Xf、固体高分子形燃料電池の発電性能の評価を示す。なお、発電性能については、高加湿環境下においては、電圧0.6Vにおける電流が、20Aより大きい場合を○、20A以下である場合を×とした。また、低加湿環境下においては、電圧0.6Vにおける電流が、10Aより大きい場合を○、10A以下である場合を×とした。
(result)
In Table 1, for each Example and each Comparative Example, the mass ratio X of the polymer electrolyte to the carbon carrier used in the preparation of the catalyst ink, the thickness of each of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, and the thickness of each of the cathode catalyst layer and the cathode catalyst layer. The evaluation of the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell with carbon atom concentration Xc and fluorine atom concentration Xf is shown. Regarding the power generation performance, in a highly humidified environment, the case where the current at a voltage of 0.6 V was larger than 20 A was evaluated as ◯, and the case where the current was 20 A or less was evaluated as x. Further, in a low humidification environment, the case where the current at a voltage of 0.6 V was greater than 10 A was evaluated as ◯, and the case where the current was 10 A or less was evaluated as x.

表1が示すように、カソード触媒層について、炭素原子濃度Xcおよびフッ素原子濃度Xfが85at%<Xc<90at%、かつ、3at%<Xf<7at%であり、厚さが1μm以上15μm以下である実施例1〜実施例5は、いずれも、高加湿環境下および低加湿環境下の双方で良好な発電性能が得られることが示された。なお、アノード触媒層の組成は、カソード触媒層と同一であることから、実施例1〜実施例5のアノード触媒層についても上記条件は満たされていることが示唆される。一方、カソード触媒層について上記条件が満たされていない比較例1〜3は、低加湿環境下、もしくは高加湿環境下および低加湿環境下の双方で、発電性能が低かった。 As shown in Table 1, for the cathode catalyst layer, the carbon atom concentration Xc and the fluorine atom concentration Xf are 85 at% <Xc <90 at% and 3 at% <Xf <7 at%, and the thickness is 1 μm or more and 15 μm or less. It was shown that in each of Examples 1 to 5, good power generation performance can be obtained in both a high humidification environment and a low humidification environment. Since the composition of the anode catalyst layer is the same as that of the cathode catalyst layer, it is suggested that the above conditions are also satisfied for the anode catalyst layers of Examples 1 to 5. On the other hand, in Comparative Examples 1 to 3 in which the above conditions were not satisfied for the cathode catalyst layer, the power generation performance was low in both a low humidification environment or both a high humidification environment and a low humidification environment.

また、カーボン担体および高分子電解質として各実施例で用いた物質を用いた場合、カーボン担体に対する高分子電解質の質量比が0.8以上1.6以下となるように触媒インクを調整することによって、炭素原子濃度Xcおよびフッ素原子濃度Xfが上記範囲内となる電極触媒層が形成可能であることが示された。 Further, when the substances used in each example are used as the carbon carrier and the polymer electrolyte, the catalyst ink is adjusted so that the mass ratio of the polymer electrolyte to the carbon carrier is 0.8 or more and 1.6 or less. It was shown that an electrode catalyst layer having a carbon atom concentration Xc and a fluorine atom concentration Xf within the above ranges can be formed.

なお、電極触媒層における炭素原子濃度や、電極触媒層の厚みが相互に同じである電極触媒層は、各実施例で用いた高分子電解質に限らず、テトラフルオロエチレン骨格を有する高分子電解質を含む電極触媒層であれば、加湿の度合いに起因した発電性能の差異に影響を与える特性については、同様の傾向が得られる。それゆえ、高分子電解質として各実施例で用いた物質を用いる場合のみならず、テトラフルオロエチレン骨格を有する高分子電解質と、触媒物質を担持したカーボン担体とを含む電極触媒層について、炭素原子濃度Xcおよびフッ素原子濃度Xfと、層の厚みとについての上記条件が満たされれば、高加湿環境下および低加湿環境下の双方で良好な発電性能を得ることは可能である。 The electrode catalyst layer in which the carbon atom concentration in the electrode catalyst layer and the thickness of the electrode catalyst layer are the same is not limited to the polymer electrolyte used in each example, but a polymer electrolyte having a tetrafluoroethylene skeleton can be used. If the electrode catalyst layer contains the electrode catalyst layer, the same tendency can be obtained for the characteristics that affect the difference in power generation performance due to the degree of humidification. Therefore, not only when the substance used in each example is used as the polymer electrolyte, but also the carbon atom concentration of the electrode catalyst layer containing the polymer electrolyte having a tetrafluoroethylene skeleton and the carbon carrier carrying the catalyst substance. If the above conditions regarding the Xc and fluorine atom concentrations Xf and the layer thickness are satisfied, it is possible to obtain good power generation performance in both a high humidification environment and a low humidification environment.

このように、本発明者は、低加湿環境下における発電性能について鋭意研究を行い、その結果、低加湿環境下における発電性能には電極触媒層における炭素原子濃度とフッ素原子濃度との割合が大きく影響していることを見出した。さらに、高加湿環境下と低加湿環境下との双方で良好な発電性能を得るためには、炭素原子密度が過大でフッ素原子密度が過少であることと、炭素原子密度が過少でフッ素原子密度が過大であることとの両方を避ける必要があることを見出した。そして、こうした知見に基づき、電極触媒層における炭素原子濃度とフッ素原子濃度とのそれぞれについて、高加湿環境下と低加湿環境下との双方で良好な発電性能の得られる範囲が見出された。 As described above, the present inventor has conducted intensive research on the power generation performance in the low humidification environment, and as a result, the ratio of the carbon atom concentration and the fluorine atom concentration in the electrode catalyst layer is large in the power generation performance in the low humidification environment. I found that it was influential. Furthermore, in order to obtain good power generation performance in both a high-humidified environment and a low-humidified environment, the carbon atom density is excessive and the fluorine atom density is too low, and the carbon atom density is too low and the fluorine atom density is low. I found that it was necessary to avoid both being excessive. Based on these findings, it was found that the carbon atom concentration and the fluorine atom concentration in the electrode catalyst layer can be obtained in a range in which good power generation performance can be obtained in both a high-humidified environment and a low-humidified environment.

なお、上述の実施形態および実施例では、カソード触媒層とアノード触媒層との両方が、炭素原子濃度Xcおよびフッ素原子濃度Xfと、層の厚みについての条件を満たす電極触媒層である例を示した。 In the above-described embodiments and examples, both the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer are electrode catalyst layers that satisfy the conditions of the carbon atom concentration Xc and the fluorine atom concentration Xf and the thickness of the layer. It was.

固体高分子形燃料電池では、アノードにおける反応の反応障壁よりもカソードにおける反応の反応障壁の方が大きいため、カソード触媒層における反応の活性の方が電極反応の進行に与える影響が大きい。また、カソード触媒層では、こうした化学反応によって水が生成するため、カソード触媒層においてガスや水の拡散性を高めることは、発電性能の向上に大きく寄与する。したがって、少なくともカソード触媒層が上記条件を満たしていれば、高加湿環境下と低加湿環境下との双方で良好な発電性能が得られる。 In the polymer electrolyte fuel cell, since the reaction barrier of the reaction at the cathode is larger than the reaction barrier of the reaction at the anode, the activity of the reaction at the cathode catalyst layer has a greater influence on the progress of the electrode reaction. Further, since water is generated by such a chemical reaction in the cathode catalyst layer, increasing the diffusibility of gas and water in the cathode catalyst layer greatly contributes to the improvement of power generation performance. Therefore, if at least the cathode catalyst layer satisfies the above conditions, good power generation performance can be obtained in both a high humidification environment and a low humidification environment.

また、固体高分子形燃料電池に限らず、例えば、ダイレクトメタノール燃料電池のように、固体高分子形燃料電池と同様の膜電極接合体の構造を有し、プロトンの伝導を伴う化学反応によって電力を生成する燃料電池に上記実施形態の電極触媒層を用いれば、固体高分子形燃料電池の場合と同様の作用によって高加湿環境下と低加湿環境下との双方で良好な発電性能が得られる。ダイレクトメタノール燃料電池は、アノードに供給される燃料が液体であるため、アノード触媒層においてガスや液体の拡散性を高めることも、発電性能の向上に大きく寄与する。したがって、ダイレクトメタノール燃料電池については、カソードとアノードとのいずれか一方のみに、上記実施形態の電極触媒層を用いてもよい。 Further, it is not limited to the polymer electrolyte fuel cell, and has a membrane electrode assembly structure similar to that of the polymer electrolyte fuel cell, such as a direct methanol fuel cell, and is powered by a chemical reaction accompanied by conduction of protons. When the electrode catalyst layer of the above embodiment is used for the fuel cell that produces the fuel cell, good power generation performance can be obtained in both a high humidification environment and a low humidification environment by the same operation as in the case of the polymer electrolyte fuel cell. .. In a direct methanol fuel cell, since the fuel supplied to the anode is a liquid, increasing the diffusibility of the gas or liquid in the anode catalyst layer also greatly contributes to the improvement of power generation performance. Therefore, in the direct methanol fuel cell, the electrode catalyst layer of the above embodiment may be used only for either the cathode or the anode.

このように、上記実施形態の電極触媒層は、固体高分子形燃料電池の電極触媒層に限らず、ダイレクトメタノール燃料電池の電極触媒層として用いられてもよいし、また、カソード触媒層として用いられてもアノード触媒層として用いられてもよい。 As described above, the electrode catalyst layer of the above embodiment is not limited to the electrode catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell, and may be used as the electrode catalyst layer of the direct methanol fuel cell, or may be used as the cathode catalyst layer. It may be used as an anode catalyst layer.

以上、実施例を用いて説明したように、上記実施形態によれば、以下に列挙する効果を得ることができる。
(1)エネルギー分散型X線分光分析により得られる電極触媒層の炭素原子濃度Xc、フッ素原子濃度Xfが、85at%<Xc<90at%、かつ、3at%<Xf<7at%を満たし、電極触媒層の厚さが1μm以上15μm以下である。こうした構成によれば、電極触媒層にて、低加湿環境下におけるプロトン伝導性の向上と高加湿環境下におけるガスや水の拡散性の向上との両立が可能である。それゆえ、この電極触媒層を備える燃料電池にて、高加湿環境下および低加湿環境下の双方での発電性能が高められる。
As described above with reference to the examples, according to the above-described embodiment, the effects listed below can be obtained.
(1) The carbon atom concentration Xc and the fluorine atom concentration Xf of the electrode catalyst layer obtained by energy dispersive X-ray spectroscopic analysis satisfy 85 at% <Xc <90 at% and 3 at% <Xf <7 at%, and the electrode catalyst. The thickness of the layer is 1 μm or more and 15 μm or less. According to such a configuration, the electrode catalyst layer can achieve both improvement of proton conductivity in a low humidification environment and improvement of gas and water diffusivity in a high humidification environment. Therefore, in the fuel cell provided with this electrode catalyst layer, the power generation performance in both the high humidification environment and the low humidification environment is enhanced.

(2)電極触媒層に含まれるカーボン担体に対する高分子電解質の質量比が、0.8以上1.6以下である。こうした構成によれば、カーボン担体に対する高分子電解質の質量比として電極触媒層の組成が定められるため、電極触媒層の形成が容易である。 (2) The mass ratio of the polymer electrolyte to the carbon carrier contained in the electrode catalyst layer is 0.8 or more and 1.6 or less. According to such a configuration, the composition of the electrode catalyst layer is determined as the mass ratio of the polymer electrolyte to the carbon carrier, so that the electrode catalyst layer can be easily formed.

(3)触媒インクに含まれるカーボン担体に対する高分子電解質の質量比が、0.8以上1.6以下となるように、触媒インクを調整し、この触媒インクを用いて上記条件を満たす電極触媒層を形成する方法によれば、触媒インクにおけるカーボン担体に対する高分子電解質の質量比の制御によって、上記条件を満たす電極触媒層が形成可能であるため、電極触媒層の形成が容易である。 (3) The catalyst ink is adjusted so that the mass ratio of the polymer electrolyte to the carbon carrier contained in the catalyst ink is 0.8 or more and 1.6 or less, and the catalyst ink is used to satisfy the above conditions. According to the method for forming the layer, the electrode catalyst layer satisfying the above conditions can be formed by controlling the mass ratio of the polymer electrolyte to the carbon carrier in the catalyst ink, so that the electrode catalyst layer can be easily formed.

10…膜電極接合体、11…高分子電解質膜、12C…カソード触媒層、12A…アノード触媒層、13…ガスケット、14C,14A…ガス拡散層、20…固体高分子形燃料電池、21C,21A…セパレータ。 10 ... Membrane electrode assembly, 11 ... Polymer electrolyte membrane, 12C ... Cathode catalyst layer, 12A ... Anode catalyst layer, 13 ... Gasket, 14C, 14A ... Gas diffusion layer, 20 ... Solid polymer fuel cell, 21C, 21A … Separator.

Claims (5)

テトラフルオロエチレン骨格を有する高分子電解質と、炭素からなる導電性担体であるカーボン担体と、前記カーボン担体に担持された触媒物質とを含み、アノード触媒層とカソード触媒層とに併用される電極触媒層であって、
エネルギー分散型X線分光分析により得られる前記電極触媒層の炭素原子濃度をXc、フッ素原子濃度をXfとするとき、85at%<Xc<90at%、かつ、3at%<Xf<7at%であり、
前記電極触媒層の厚さが1μm以上15μm以下である
電極触媒層。
And a polymer electrolyte having a tetrafluoroethylene backbone with a carbon carrier is a conductive carrier made of carbon, viewed contains a catalyst substance supported on the carbon support, the electrodes used in combination to the anode catalyst layer and cathode catalyst layer It is a catalyst layer
When the carbon atom concentration of the electrode catalyst layer obtained by the energy dispersive X-ray spectroscopic analysis is Xc and the fluorine atom concentration is Xf, 85 at% <Xc <90 at% and 3 at% <Xf <7 at%.
The electrode catalyst layer having a thickness of 1 μm or more and 15 μm or less.
前記電極触媒層に含まれる前記カーボン担体に対する前記高分子電解質の質量比は、0.8以上1.6以下である
請求項1に記載の電極触媒層。
The electrode catalyst layer according to claim 1, wherein the mass ratio of the polymer electrolyte to the carbon carrier contained in the electrode catalyst layer is 0.8 or more and 1.6 or less.
燃料電池のカソードに用いられる電極触媒層であるカソード触媒層と、
前記燃料電池のアノードに用いられる電極触媒層であるアノード触媒層と、
前記カソード触媒層と前記アノード触媒層とに挟まれた高分子電解質膜と、
を備え、
触媒層は、テトラフルオロエチレン骨格を有する高分子電解質と、炭素からなる導電性担体であるカーボン担体と、前記カーボン担体に担持された触媒物質とを含み、エネルギー分散型X線分光分析により得られる当該触媒層の炭素原子濃度をXc、フッ素原子濃度をXfとするとき、85at%<Xc<90at%、かつ、3at%<Xf<7at%であり、
触媒層の厚さが1μm以上15μm以下である
膜電極接合体。
A cathode catalyst layer, which is an electrode catalyst layer used for the cathode of a fuel cell,
An anode catalyst layer, which is an electrode catalyst layer used for the anode of the fuel cell,
A polymer electrolyte membrane sandwiched between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer,
With
Each catalyst layer contains a polymer electrolyte having a tetrafluoroethylene skeleton, a carbon carrier which is a conductive carrier made of carbon, and a catalyst substance supported on the carbon carrier, and is obtained by energy dispersion type X-ray spectroscopic analysis. when the carbon atom concentration in the catalyst layer Xc, and Xf fluorine atom concentration to be, 85at% <Xc <90at% , and a 3at% <Xf <7at%,
A membrane electrode assembly in which the thickness of each catalyst layer is 1 μm or more and 15 μm or less.
請求項3に記載の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、
を備える固体高分子形燃料電池。
The membrane electrode assembly according to claim 3 and
A pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly,
A solid polymer fuel cell equipped with.
アノード触媒層とカソード触媒層とに併用される電極触媒層の製造方法であって、
テトラフルオロエチレン骨格を有する高分子電解質と、炭素からなる導電性担体であるカーボン担体および前記カーボン担体に担持された触媒物質とを溶媒に分散させて触媒インクを生成する第1工程と、
前記触媒インクを基材に塗布して乾燥させることにより電極触媒層を形成する第2工程と、
を含み、
前記第1工程では、前記触媒インクに含まれる前記カーボン担体に対する前記高分子電解質の質量比が、0.8以上1.6以下となるように、前記触媒インクを調整し、
前記第2工程で形成された前記電極触媒層について、エネルギー分散型X線分光分析により得られる前記電極触媒層の炭素原子濃度をXc、フッ素原子濃度をXfとするとき、85at%<Xc<90at%、かつ、3at%<Xf<7at%であり、前記電極触媒層の厚さは1μm以上15μm以下である
電極触媒層の製造方法。
A method for manufacturing an electrode catalyst layer used in combination with an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer.
The first step of producing a catalyst ink by dispersing a polymer electrolyte having a tetrafluoroethylene skeleton, a carbon carrier which is a conductive carrier made of carbon, and a catalyst substance supported on the carbon carrier in a solvent.
The second step of forming the electrode catalyst layer by applying the catalyst ink to the substrate and drying it, and
Including
In the first step, the catalyst ink is adjusted so that the mass ratio of the polymer electrolyte to the carbon carrier contained in the catalyst ink is 0.8 or more and 1.6 or less.
With respect to the electrode catalyst layer formed in the second step, when the carbon atom concentration of the electrode catalyst layer obtained by energy dispersion type X-ray spectroscopic analysis is Xc and the fluorine atom concentration is Xf, 85 at% <Xc <90 at. %, 3 at% <Xf <7 at%, and the thickness of the electrode catalyst layer is 1 μm or more and 15 μm or less. A method for producing an electrode catalyst layer.
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