JP6988143B2 - Method for manufacturing catalyst layer for fuel cell and electrode catalyst mixture - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池用触媒層の製造方法および電極触媒混合物に関する。 The present invention relates to a method for producing a catalyst layer for a fuel cell and an electrode catalyst mixture.

プロトン伝導性固体高分子膜を用いた固体高分子形燃料電池(PEFC)は、例えば、固体酸化物形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池など、他のタイプの燃料電池と比較して低温で作動する。このため、固体高分子形燃料電池は、定置用電源や、自動車などの移動体用動力源として期待されており、その実用も開始されている。 Solid polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) using proton conductive solid polymer membranes are colder than other types of fuel cells, such as solid oxide fuel cells and molten carbonate fuel cells. Operate. Therefore, polymer electrolyte fuel cells are expected as a stationary power source and a power source for mobile bodies such as automobiles, and their practical use has also started.

PEFCの構成は、一般的には、膜−電極接合体(MEA)をセパレータで挟持した構造となっている。MEAは、一般的には、ガス拡散層、カソード触媒層、固体高分子電解質膜、アノード触媒層、およびガス拡散層が積層した構造を有する。 The structure of the PEFC is generally such that a membrane-electrode assembly (MEA) is sandwiched between separators. The MEA generally has a structure in which a gas diffusion layer, a cathode catalyst layer, a solid polymer electrolyte membrane, an anode catalyst layer, and a gas diffusion layer are laminated.

MEAでは、以下のような電気化学的反応が進行する。まず、アノード(燃料極)側に供給された燃料ガスに含まれる水素が、触媒により酸化され、プロトンおよび電子となる。次に、生成したプロトンは、アノード触媒層に含まれる高分子電解質、さらにアノード触媒層と接触している固体高分子電解質膜を通り、カソード(空気極)触媒層に達する。また、アノード触媒層で生成した電子は、アノード触媒層を構成している導電性担体、さらにアノード触媒層の固体高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、ガスセパレータおよび外部回路を通してカソード触媒層に達する。そして、カソード触媒層に達したプロトンおよび電子はカソード触媒層に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する。燃料電池では、上述した電気化学的反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。触媒層に用いられる触媒は、通常、白金や白金合金などの触媒金属を炭素材料などの触媒担体に担持してなる。 In MEA, the following electrochemical reactions proceed. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode (fuel electrode) side is oxidized by the catalyst to become protons and electrons. Next, the generated protons pass through the polymer electrolyte contained in the anode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane in contact with the anode catalyst layer, and reach the cathode (air electrode) catalyst layer. Further, the electrons generated in the anode catalyst layer are the conductive carrier constituting the anode catalyst layer, the gas diffusion layer, the gas separator and the external circuit which are in contact with the side different from the solid polymer electrolyte membrane of the anode catalyst layer. It reaches the cathode catalyst layer through. Then, the protons and electrons that have reached the cathode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode catalyst layer to generate water. In a fuel cell, electricity can be taken out to the outside through the above-mentioned electrochemical reaction. The catalyst used for the catalyst layer is usually formed by supporting a catalyst metal such as platinum or a platinum alloy on a catalyst carrier such as a carbon material.

電極触媒層の製造方法としては、代表的なものとして、電極触媒および固体高分子電解質溶液などを混合させて調製した電極触媒スラリーを基材に塗布して乾燥する方法により作製され方法が挙げられる。例えば、特許文献1では、触媒担持粒子および水を混合した分散水溶液にアルコールを添加した後、アイオノマー溶液を添加することが記載されている。 As a typical method for producing the electrode catalyst layer, there is a method in which an electrode catalyst slurry prepared by mixing an electrode catalyst and a solid polymer electrolyte solution is applied to a substrate and dried. .. For example, Patent Document 1 describes that an ionomer solution is added after adding alcohol to a dispersed aqueous solution in which catalyst-supported particles and water are mixed.

特開2014−192070号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-192070

しかしながら、特許文献1に記載の方法では、ウェット条件下での電池性能は比較的高いものの、ドライ条件下での電池性能が低下するという問題があった。 However, the method described in Patent Document 1 has a problem that the battery performance under wet conditions is relatively high, but the battery performance under dry conditions is deteriorated.

そこで本発明は、ウェット条件下での電池性能を維持しつつ、ドライ条件下での電池性能を向上させることができる電極触媒層の製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing an electrode catalyst layer capable of improving the battery performance under dry conditions while maintaining the battery performance under wet conditions.

また、本発明の他の目的は、ウェット条件下での電池性能を維持しつつ、ドライ条件下での電池性能を向上させることができる電極触媒混合物を提供することである。 Another object of the present invention is to provide an electrode catalyst mixture capable of improving the battery performance under dry conditions while maintaining the battery performance under wet conditions.

本発明は、触媒担体および触媒担体に担持される触媒金属からなる電極触媒と、水を主成分とする分散媒と、を接触させ、その後、さらに高分子電解質を混合して組成物を得、組成物を用いて触媒層を形成する、ことを有し、接触は、電極触媒の粒子径1μm以下の累積体積分率が0%超になるまで維持する、燃料電池用触媒層の製造方法である。 In the present invention, an electrode catalyst made of a catalyst carrier and a catalyst metal supported on the catalyst carrier and a dispersion medium containing water as a main component are brought into contact with each other, and then a polymer electrolyte is further mixed to obtain a composition. A method for producing a catalyst layer for a fuel cell, which comprises forming a catalyst layer using a composition, and maintaining contact with a catalyst layer having a particle size of 1 μm or less until the cumulative body integration rate exceeds 0%. be.

本発明は、また、触媒担体および前記触媒担体に担持される触媒金属からなる燃料電池用電極触媒と、水を主成分とする分散媒とを含む触媒混合物であって、電極触媒の粒子径1μm以下の累積体積分率が0%超である、電極触媒混合物である。 The present invention is also a catalyst mixture containing a catalyst carrier, an electrode catalyst for a fuel cell made of a catalyst metal supported on the catalyst carrier, and a dispersion medium containing water as a main component, wherein the particle diameter of the electrode catalyst is 1 μm. The following cumulative body integral ratio is an electrode catalyst mixture of more than 0%.

本発明の電極触媒の製造方法により得られた電極触媒層、または本発明の電極触媒混合物を用いて形成された電極触媒層を膜電極接合体に適用することで、ウェット条件下での電池性能を維持しつつ、ドライ条件下での電池性能を向上させることができる。 By applying the electrode catalyst layer obtained by the method for producing an electrode catalyst of the present invention or the electrode catalyst layer formed by using the electrode catalyst mixture of the present invention to a membrane electrode assembly, battery performance under wet conditions can be obtained. It is possible to improve the battery performance under dry conditions while maintaining the above.

本発明によるメカニズムを説明する図である。It is a figure explaining the mechanism by this invention. 本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池の基本構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the basic structure of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on one Embodiment of this invention. 実施例および比較例で得られた膜電極接合体のプロトン輸送抵抗を示す図である。It is a figure which shows the proton transport resistance of the membrane electrode assembly obtained in an Example and a comparative example.

本発明の第一実施形態は、触媒担体および前記触媒担体に担持される触媒金属からなる電極触媒と、水を主成分とする分散媒と、を接触させ、その後、さらに高分子電解質を混合して組成物を得、該組成物を用いて触媒層を形成する、ことを有し、接触は電極触媒の粒子径1μm以下の累積体積分率が0%超になるまで維持する、燃料電池用触媒層の製造方法である。 In the first embodiment of the present invention, an electrode catalyst composed of a catalyst carrier and a catalyst metal supported on the catalyst carrier is brought into contact with a dispersion medium containing water as a main component, and then a polymer electrolyte is further mixed. The catalyst layer is formed using the composition, and the contact is maintained until the cumulative body integration rate of the electrode catalyst having a particle diameter of 1 μm or less becomes more than 0%, for a fuel cell. This is a method for manufacturing a catalyst layer.

また、本発明の第二実施形態は、触媒担体および前記触媒担体に担持される触媒金属からなる燃料電池用電極触媒と、水を主成分とする分散媒とを含む触媒混合物であって、電極触媒の粒子径1μm以下の累積体積分率が0%超である、電極触媒混合物である。 Further, the second embodiment of the present invention is a catalyst mixture containing a catalyst carrier, an electrode catalyst for a fuel cell made of a catalyst metal supported on the catalyst carrier, and a dispersion medium containing water as a main component, and is an electrode. An electrode catalyst mixture having a catalyst particle size of 1 μm or less and a cumulative body integration rate of more than 0%.

以下、触媒担体および触媒担体に担持される触媒金属からなる燃料電池用電極触媒を単に電極触媒と、水を主成分とする分散媒を単に分散媒と称することがある。 Hereinafter, the catalyst carrier and the electrode catalyst for a fuel cell made of a catalyst metal supported on the catalyst carrier may be simply referred to as an electrode catalyst, and a dispersion medium containing water as a main component may be simply referred to as a dispersion medium.

第一実施形態の電極触媒の製造方法により得られた電極触媒層、または第二実施形態の電極触媒混合物を用いて形成された電極触媒層を膜電極接合体に適用することで、ウェット条件下での電池性能を維持しつつ、ドライ条件下での電池性能を向上させることができる。両実施形態がかような効果を奏するメカニズムは、以下のように推定される。なお、本発明の技術的範囲は、以下のメカニズムに何ら限定されるものではない。 By applying the electrode catalyst layer obtained by the method for producing an electrode catalyst of the first embodiment or the electrode catalyst layer formed by using the electrode catalyst mixture of the second embodiment to a membrane electrode assembly, wet conditions can be obtained. It is possible to improve the battery performance under dry conditions while maintaining the battery performance in the above. The mechanism by which both embodiments exert such effects is presumed as follows. The technical scope of the present invention is not limited to the following mechanism.

燃料電池の性能(活性)は、触媒金属自体の活性に加えて、触媒金属への反応ガス(例えば、プロトン)の輸送特性の影響を受ける。したがって、触媒金属近傍から触媒層まで、種々のスケールにおける構造形成が反応ガス輸送特性への影響を通して、燃料電池の性能(活性)の支配要因となる。 The performance (activity) of the fuel cell is influenced by the transport characteristics of the reaction gas (for example, protons) to the catalyst metal in addition to the activity of the catalyst metal itself. Therefore, the structure formation at various scales from the vicinity of the catalyst metal to the catalyst layer becomes a controlling factor of the performance (activity) of the fuel cell through the influence on the reaction gas transport characteristics.

アノード側で生成したプロトンは、電極触媒内の高分子電解質および高分子電解質膜を通してカソード側に輸送される。この際、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)のようなパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーにおいては、ポリマー中のスルホン酸基をプロトンが移動する。ドライ条件下では、プロトン輸送を担うスルホン酸基を有する高分子電解質側鎖の運動性が低下するため、高分子電解質を介するプロトン輸送性が低下してしまう。このため、一般的にはドライ条件下では、プロトン輸送が不利となり、電池性能の低下を招きやすい。 The protons generated on the anode side are transported to the cathode side through the polyelectrolyte and the polyelectrolyte membrane in the electrode catalyst. At this time, for example, in a perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), protons move to the sulfonic acid group in the polymer. Under dry conditions, the mobility of the side chain of the polyelectrolyte having a sulfonic acid group responsible for proton transport is reduced, so that the proton transport property via the polyelectrolyte is lowered. Therefore, in general, under dry conditions, proton transport becomes disadvantageous and tends to cause deterioration of battery performance.

一方、電極触媒を構成する触媒担体として一般的に用いられる炭素材料は、1次粒子径が数十nmオーダのため、van der Waals引力で凝集しやすく、また、疎水性表面を有するため、水系溶媒中では疎水効果により凝集しやすい。電極触媒が凝集してしまうと、電極触媒凝集体内部に存在する触媒活性成分が反応に寄与できなくなるため、電池性能の低下を引き起こすこととなる。 On the other hand, the carbon material generally used as a catalyst carrier constituting the electrode catalyst has a primary particle size of several tens of nm, so that it easily aggregates due to van der Waals attraction and has a hydrophobic surface, so that it is water-based. It tends to aggregate in a solvent due to its hydrophobic effect. When the electrode catalyst aggregates, the catalytically active component existing inside the electrode catalyst aggregate cannot contribute to the reaction, which causes deterioration of battery performance.

本実施形態では、電極触媒を分散媒に接触させる(浸漬する)ことで、電極触媒の凝集体を緩やかにほぐすことを意図したものである。分散媒は水を主成分とするので、本来であれば疎水性表面を有する触媒担体に吸着しにくく、粒子間に分散媒は浸透しにくい。しかしながら、電極触媒を分散媒に比較的長時間浸漬させることで、触媒担体の凝集体の各粒子間に水が吸着し、さらに、粒子間に水が入り込むことで、凝集体がほぐれると考えられる。また、入り込んだ水は電極触媒粒子に吸着する(図1参照)。この粒子に吸着した吸着水が、疎水性である触媒担体表面と反発し、発生する斥力によって、粒子が再び凝集することを抑制することができるものと考えられる。 The present embodiment is intended to gently loosen the aggregates of the electrode catalyst by contacting (immersing) the electrode catalyst with the dispersion medium. Since the dispersion medium contains water as a main component, it is difficult to adsorb to a catalyst carrier having a hydrophobic surface, and it is difficult for the dispersion medium to permeate between particles. However, it is considered that by immersing the electrode catalyst in the dispersion medium for a relatively long time, water is adsorbed between the particles of the aggregate of the catalyst carrier, and further, water enters between the particles to loosen the aggregate. .. Further, the water that has entered is adsorbed on the electrode catalyst particles (see FIG. 1). It is considered that the adsorbed water adsorbed on the particles repels the surface of the catalytic carrier, which is hydrophobic, and the generated repulsive force can prevent the particles from aggregating again.

また、上記のように、電極触媒上に吸着水が存在することで、該吸着水によって高分子電解質の側鎖が電極触媒に近づきやすくなる。このような組成物を用いて電極触媒層を形成することで、電極触媒に側鎖のスルホン酸基が接近した電極触媒層が得られる。したがって、電極触媒近傍における側鎖により、ドライ条件下でもプロトン輸送性の低下が抑制される。 Further, as described above, the presence of the adsorbed water on the electrode catalyst makes it easier for the side chain of the polymer electrolyte to approach the electrode catalyst due to the adsorbed water. By forming the electrode catalyst layer using such a composition, an electrode catalyst layer in which the sulfonic acid group of the side chain is close to the electrode catalyst can be obtained. Therefore, the side chain in the vicinity of the electrode catalyst suppresses the decrease in proton transportability even under dry conditions.

ゆえに、電極触媒の凝集体を崩し、そしてその状態を維持することで、電極触媒粒子上に存在する触媒金属を有効に利用することができる。また、電極触媒周囲に水が存在する組成物を用いて触媒層を形成することで、プロトンの輸送性が向上し、ドライ条件下であっても、電池性能が向上するものと考えられる。 Therefore, by breaking the aggregate of the electrode catalyst and maintaining the state, the catalyst metal existing on the electrode catalyst particles can be effectively utilized. Further, it is considered that by forming the catalyst layer using the composition in which water is present around the electrode catalyst, the transportability of protons is improved and the battery performance is improved even under dry conditions.

一方で、ウェット条件下では、一般的に触媒層内での酸素輸送が不利となる。本実施形態の構成によれば、電極触媒層形成用の組成物において、電極触媒表面に吸着水が存在することで、疎水性である高分子電解質主鎖が電極触媒に近づくことができない。このため、一定割合以上で高分子電解質を介さずに反応ガスを直接触媒金属に供給することができ、触媒金属まで酸素ガスをより速やかにかつより効率よく輸送できる。ゆえに、酸素輸送性が向上し、ウェット条件下でも高い発電性能を維持できるものと考えられる。 On the other hand, under wet conditions, oxygen transport within the catalyst layer is generally disadvantageous. According to the configuration of the present embodiment, in the composition for forming the electrode catalyst layer, the presence of adsorbed water on the surface of the electrode catalyst prevents the hydrophobic polymer electrolyte main chain from approaching the electrode catalyst. Therefore, the reaction gas can be directly supplied to the catalyst metal at a certain ratio or more without going through the polymer electrolyte, and the oxygen gas can be transported to the catalyst metal more quickly and more efficiently. Therefore, it is considered that oxygen transportability is improved and high power generation performance can be maintained even under wet conditions.

したがって、第一実施形態の電極触媒の製造方法により得られた電極触媒層、または第二実施形態の電極触媒混合物を用いて形成された電極触媒層を有する膜電極接合体および燃料電池は、ウェット条件下での高い発電性能を維持できるとともに、ドライ条件下であっても高い発電性能を発揮することができる。 Therefore, the membrane electrode assembly and the fuel cell having the electrode catalyst layer obtained by the method for producing the electrode catalyst of the first embodiment or the electrode catalyst layer formed by using the electrode catalyst mixture of the second embodiment are wet. High power generation performance can be maintained even under dry conditions, and high power generation performance can be exhibited even under dry conditions.

以下、第一実施形態の燃料電池用触媒層の製造方法における各工程について説明する。なお、本明細書において、範囲を示す「X〜Y」は、XおよびYを含み、「X以上Y以下」を意味する。また、特記しない限り、操作および物性等の測定は室温(20〜25℃)/相対湿度40〜50%RHの条件で行う。 Hereinafter, each step in the method for manufacturing the catalyst layer for a fuel cell of the first embodiment will be described. In addition, in this specification, "X to Y" indicating a range includes X and Y, and means "X or more and Y or less". Unless otherwise specified, operations and measurements of physical properties are performed under the conditions of room temperature (20 to 25 ° C.) / relative humidity of 40 to 50% RH.

(I)電極触媒および水を主成分とする分散媒を接触させ、電極触媒の粒子径1μm以下の累積体積分率が0%超になるまで接触を維持して電極触媒混合物を得る工程
まず、電極触媒を準備する。
(I) A step of contacting an electrode catalyst and a dispersion medium containing water as a main component and maintaining contact until the cumulative volume fraction of the electrode catalyst having a particle diameter of 1 μm or less exceeds 0% to obtain an electrode catalyst mixture. Prepare the electrode catalyst.

電極触媒は、触媒担体および触媒担体に担持される触媒金属からなる。 The electrode catalyst consists of a catalyst carrier and a catalyst metal supported on the catalyst carrier.

触媒担体は、上述した触媒成分を担持するための担体、および触媒成分と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。触媒担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよいが、導電性および耐久性の観点から、触媒担体が炭素材料であることが好ましい。炭素材料としては、具体的には、アセチレンブラック、チャンネルブラック、オイルファーネスブラック、ガスファーネスブラック(例えば、バルカン)、ランプブラック、サーマルブラック、ブラックパール、ケッチェンブラック(登録商標)などのカーボンブラック;ブラックパール;黒鉛化アセチレンブラック;黒鉛化チャンネルブラック;黒鉛化オイルファーネスブラック;黒鉛化ガスファーネスブラック;黒鉛化ランプブラック;黒鉛化サーマルブラック;黒鉛化ケッチェンブラック;黒鉛化ブラックパール;カーボンナノチューブ;カーボンナノファイバー;カーボンナノホーン;カーボンフィブリル;活性炭;コークス;天然黒鉛;人造黒鉛などを挙げることができる。また、導電性担体として、ナノサイズの帯状グラフェンが3次元状に規則的に連結した構造を有するゼオライト鋳型炭素(ZTC)も挙げることができる。これらは1種単独で用いてもよいし、2種以上併用してもよい。なお、ここでいう炭素材料とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念であり、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。「実質的に炭素原子からなる」とは、2〜3重量%程度以下の不純物の混入が許容されうることを意味する。 The catalyst carrier functions as a carrier for supporting the above-mentioned catalyst component and as an electron conduction path involved in the transfer of electrons between the catalyst component and other members. The catalyst carrier may be any as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state and has sufficient electron conductivity as a current collector, but is conductive and durable. From the viewpoint, it is preferable that the catalyst carrier is a carbon material. Specific examples of the carbon material include carbon blacks such as acetylene black, channel black, oil furnace black, gas furnace black (for example, Balkan), lamp black, thermal black, black pearl, and Ketjen black (registered trademark); Black pearl; Graphitized acetylene black; Graphitized channel black; Graphitized oil furnace black; Graphitized gas furnace black; Graphitized lamp black; Graphitized thermal black; Graphitized Ketjen black; Graphitized black pearl; Carbon nanotubes; Carbon Nanofibers; carbon nanohorns; carbon fibrils; activated carbon; coke; natural graphite; artificial graphite and the like can be mentioned. Further, as the conductive carrier, zeolite template carbon (ZTC) having a structure in which nano-sized band-shaped graphene is regularly connected in a three-dimensional manner can also be mentioned. These may be used alone or in combination of two or more. The carbon material referred to here means that it contains a carbon atom as a main component, and is a concept including both a carbon atom and a substantially carbon atom, and includes elements other than the carbon atom. It may be. "Substantially composed of carbon atoms" means that impurities of about 2 to 3% by weight or less can be mixed.

触媒担体のBET比表面積は、触媒を高分散担持させるのに十分な比表面積であればよい。触媒担体(触媒担持前の触媒担体前駆体)のBET比表面積が500m/g以上であることが好ましく、550m/g以上であることがより好ましい。比表面積が上記したような範囲であれば、触媒担体へ触媒が十分分散して十分な発電性能が得られ、また、触媒を十分有効利用できるとともに、酸素輸送抵抗を低く制御しやすい。触媒担体のBET比表面積の上限は、2000m/g以下であることが好ましく、1500m/g以下であることがより好ましい。なお、触媒担体は、市販品を使用しても、または例えば、特開2010−208887号公報、国際公開第2009/075264号などに記載される公知の方法によって製造されてよい。 The BET specific surface area of the catalyst carrier may be a specific surface area sufficient to support the catalyst in a highly dispersed manner. The BET specific surface area of the catalyst carrier (catalyst carrier precursor before supporting the catalyst) is preferably 500 m 2 / g or more, and more preferably 550 m 2 / g or more. When the specific surface area is within the above range, the catalyst is sufficiently dispersed in the catalyst carrier to obtain sufficient power generation performance, the catalyst can be sufficiently effectively used, and the oxygen transport resistance is low and easy to control. The upper limit of the BET specific surface area of the catalyst carrier is preferably at 2000 m 2 / g or less, and more preferably less 1500 m 2 / g. The catalyst carrier may be produced by using a commercially available product or by a known method described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-2088887, International Publication No. 2009/0752664.

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

Figure 0006988143
Figure 0006988143

上記炭素材料の他、Sn(錫)やTi(チタン)などの多孔質金属、さらには導電性金属酸化物なども担体として使用可能である。本実施形態の効果を鑑みれば、触媒担体は粒子であることが好ましい。 In addition to the above carbon materials, porous metals such as Sn (tin) and Ti (titanium), and conductive metal oxides can also be used as carriers. Considering the effect of this embodiment, the catalyst carrier is preferably particles.

また、触媒担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均一次粒子径が5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするのがよい。平均一次粒子径は、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。 The size of the catalyst carrier is not particularly limited, but the average primary particle diameter is 5 to 200 nm from the viewpoint of ease of support, catalyst utilization, and control of the thickness of the electrode catalyst layer within an appropriate range. It is preferably about 10 to 100 nm. The average primary particle size is a value calculated as the average value of the particle size of particles observed in several to several tens of fields using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). Shall be adopted.

触媒担体に触媒金属が担持された電極触媒において、触媒金属の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは10〜80重量%、より好ましくは20〜60重量%とするのがよい。触媒金属の担持量がかような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒金属の分散度と触媒性能とのバランスが適切に制御されうる。なお、本発明における「触媒金属担持率」は、触媒金属を担持する前の担体と、触媒金属を担持させた後の触媒の重量を測定することにより求められる値である。 In the electrode catalyst on which the catalyst metal is supported on the catalyst carrier, the amount of the catalyst metal supported is preferably 10 to 80% by weight, more preferably 20 to 60% by weight, based on the total amount of the electrode catalyst. When the amount of the catalyst metal supported is a value within such a range, the balance between the dispersity of the catalyst metal on the catalyst carrier and the catalyst performance can be appropriately controlled. The "catalyst metal loading ratio" in the present invention is a value obtained by measuring the weights of the carrier before supporting the catalyst metal and the catalyst after supporting the catalyst metal.

電極触媒を構成する触媒金属は、電気的化学反応の触媒作用をする機能を有する。アノード触媒層に用いられる触媒金属は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、カソード触媒層に用いられる触媒金属もまた、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、銅、銀、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属およびこれらの合金などから選択されうる。 The catalytic metal constituting the electrode catalyst has a function of catalyzing an electric chemical reaction. The catalyst metal used for the anode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action on the oxidation reaction of hydrogen, and known catalysts can be used in the same manner. Further, the catalyst metal used for the cathode catalyst layer is also not particularly limited as long as it has a catalytic action on the reduction reaction of oxygen, and known catalysts can be used in the same manner. Specifically, metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, copper, silver, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum and alloys thereof. Can be selected from.

これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。すなわち、触媒金属は、白金であるまたは白金と白金以外の金属成分を含むことが好ましく、白金または白金含有合金であることがより好ましい。このような触媒金属は、高い活性を発揮できる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金の含有量を30〜90原子%とし、白金と合金化する金属の含有量を10〜70原子%とするのがよい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、アノード触媒層に用いられる触媒金属およびカソード触媒層に用いられる触媒金属は、上記の中から適宜選択されうる。本明細書では、特記しない限り、アノード触媒層用およびカソード触媒層用の触媒金属についての説明は、両者について同様の定義である。しかしながら、アノード触媒層およびカソード触媒層の触媒金属は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択されうる。 Of these, those containing at least platinum are preferably used in order to improve catalytic activity, toxicity resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance and the like. That is, the catalyst metal is preferably platinum or contains platinum and a metal component other than platinum, and more preferably platinum or a platinum-containing alloy. Such catalyst metals can exhibit high activity. The composition of the alloy depends on the type of metal to be alloyed, but it is preferable that the content of platinum is 30 to 90 atomic% and the content of the metal alloyed with platinum is 10 to 70 atomic%. In addition, an alloy is generally a general term for a metal element to which one or more kinds of metal elements or non-metal elements are added and having metallic properties. The structure of the alloy includes a eutectic alloy, which is a so-called mixture in which the constituent elements are separate crystals, a solid solution in which the constituent elements are completely fused, and a compound in which the constituent elements are an intermetal compound or a compound of a metal and a non-metal. Some of them are formed, and in the present application, any of them may be used. At this time, the catalyst metal used for the anode catalyst layer and the catalyst metal used for the cathode catalyst layer can be appropriately selected from the above. In the present specification, unless otherwise specified, the description of the catalyst metal for the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer has the same definition for both. However, the catalyst metal of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer do not have to be the same, and can be appropriately selected so as to exhibit the desired action as described above.

触媒金属(触媒成分)の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状および大きさが採用されうる。形状としては、例えば、粒状、鱗片状、層状などのものが使用できるが、好ましくは粒状である。この際、触媒金属粒子の平均粒子径は、好ましくは1〜30nm、より好ましくは2〜10nmである。触媒金属粒子の平均粒子径がかような範囲内の値であると、電気化学反応が進行する有効電極面積に関連する触媒利用率と担持の簡便さとのバランスが適切に制御されうる。なお、本明細書において、「触媒金属粒子の平均粒子径」は、X線回折における触媒金属成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子半径や、透過型電子顕微鏡(TEM)より調べられる触媒金属粒子の粒子半径の平均値として測定されうる。本明細書では、「触媒金属粒子の平均粒子径」は、X線回折における触媒金属成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子半径である。 The shape and size of the catalyst metal (catalyst component) are not particularly limited, and the same shape and size as the known catalyst component can be adopted. As the shape, for example, a granular shape, a scaly shape, a layered shape, or the like can be used, but the shape is preferably granular. At this time, the average particle size of the catalyst metal particles is preferably 1 to 30 nm, more preferably 2 to 10 nm. When the average particle size of the catalyst metal particles is within such a range, the balance between the catalyst utilization rate and the ease of carrying with respect to the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds can be appropriately controlled. In the present specification, the "average particle size of the catalytic metal particles" is the crystallite radius obtained from the half-value width of the diffraction peak of the catalytic metal component in X-ray diffraction, or the catalyst examined by a transmission electron microscope (TEM). It can be measured as the average value of the particle radii of the metal particles. In the present specification, the "average particle size of the catalyst metal particles" is the crystallite radius obtained from the half width of the diffraction peak of the catalyst metal component in X-ray diffraction.

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

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

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

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

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

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

次いで、電極触媒および水を主成分とする分散媒を接触させる。 Next, the electrode catalyst and the dispersion medium containing water as a main component are brought into contact with each other.

水を主成分とする分散媒における主成分とは、分散媒に対して水が80重量%以上(上限100重量%)であることを指し、好ましくは水が90重量%以上(上限100重量%)であり、さらに好ましくは水が100重量%、すなわち分散媒が水である。分散媒の水の割合が高いことで、粒子間に入り込んだ分散媒(特に水)および電極触媒間の斥力が大きいものとなり、ほぐれた凝集体が再び凝集することを抑制することができる。さらに、分散媒の水の割合が高いことで、電極触媒に吸着した分散媒(特に水)の存在により高分子電解質が電極触媒に近づきにくくなり、ドライ条件下でのプロトン輸送性が向上するとともに、ウェット条件下での酸素輸送性も高く維持される。 The main component of the dispersion medium containing water as the main component means that water is 80% by weight or more (upper limit 100% by weight) with respect to the dispersion medium, and water is preferably 90% by weight or more (upper limit 100% by weight). ), More preferably 100% by weight of water, that is, the dispersion medium is water. When the proportion of water in the dispersion medium is high, the repulsive force between the dispersion medium (particularly water) that has entered between the particles and the electrode catalyst becomes large, and it is possible to prevent the loosened aggregates from aggregating again. Furthermore, due to the high proportion of water in the dispersion medium, the presence of the dispersion medium (particularly water) adsorbed on the electrode catalyst makes it difficult for the polyelectrolyte to approach the electrode catalyst, and the proton transportability under dry conditions is improved. , Oxygen transportability under wet conditions is also maintained high.

ここで、水は、特に制限されず、水道水、精製水、イオン交換水、蒸留水等が使用できる。また、分散媒には水以外の親水性溶媒が含まれていてもよい。親水性溶媒としては、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコールなどが挙げられる。親水性溶媒は、単独で使用してもまたは2種以上を混合して使用してもよい。 Here, the water is not particularly limited, and tap water, purified water, ion-exchanged water, distilled water and the like can be used. Further, the dispersion medium may contain a hydrophilic solvent other than water. Examples of the hydrophilic solvent include methanol, ethanol, isopropyl alcohol, ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol and the like. The hydrophilic solvent may be used alone or in combination of two or more.

電極触媒および分散媒の接触は、電極触媒の粒子径1μm以下の累積体積分率が0%超になるまで行う。すなわち、電極触媒の一次粒子径に近い粒子が現出するまで行う。電極触媒への分散媒の接触を維持することで、水が凝集体内部に入り込み、凝集体を崩すため、触媒粒子が一次粒子径に近い粒子が存在するようになるととともに、粒子上に吸着水が存在するようになると考えられる。さらに好適には、電極触媒および分散媒の接触の維持は、電極触媒の粒子径1μm以下の累積体積分率が2.5%以上(上限100%)、より好ましくは3.5%以上、より好ましくは4.5%以上、最も好ましくは5.0%以上になるまで行うことが好ましい。電極触媒の粒子径1μm以下の累積体積分率は大きければ大きいほど好ましいため、その上限は規定されないが、通常は40.0%以下である。 The contact between the electrode catalyst and the dispersion medium is carried out until the cumulative volume fraction of the electrode catalyst having a particle diameter of 1 μm or less becomes more than 0%. That is, the process is carried out until particles having a diameter close to the primary particle size of the electrode catalyst appear. By maintaining the contact of the dispersion medium with the electrode catalyst, water enters the inside of the aggregate and breaks the aggregate, so that the catalyst particles become particles close to the primary particle size and adsorbed water on the particles. Is expected to exist. More preferably, the contact between the electrode catalyst and the dispersion medium is maintained such that the cumulative volume fraction of the electrode catalyst having a particle diameter of 1 μm or less is 2.5% or more (upper limit 100%), more preferably 3.5% or more. It is preferably carried out until it reaches 4.5% or more, and most preferably 5.0% or more. The larger the cumulative volume fraction of the electrode catalyst having a particle diameter of 1 μm or less is, the more preferable it is. Therefore, the upper limit thereof is not specified, but it is usually 40.0% or less.

なお、「電極触媒および分散媒の接触は、電極触媒の粒子径1μm以下の累積体積分率が0%超になるまで行う」とは、電極触媒の粒子径1μm以下の累積体積分率が0%超以上となれば、接触の維持はどの時点でやめてもよいことを意味する。 In addition, "contact between the electrode catalyst and the dispersion medium is performed until the cumulative volume fraction of the electrode catalyst having a particle diameter of 1 μm or less exceeds 0%" means that the cumulative volume fraction of the electrode catalyst having a particle diameter of 1 μm or less is 0. If it exceeds%, it means that the maintenance of contact may be stopped at any time.

また、電極触媒および分散媒の接触は、具体的には、接触前の電極触媒のピーク粒子径を100とした場合に、電極触媒のピーク粒子径が95以下になるまで行うことが好ましい。上述したように、電極触媒の凝集は、粒子間のファンデルワールス引力によるものと、分散媒中での疎水化効果によるものがある。分散媒接触前の凝集は、粒子間のファンデルワールス引力によるものであり、一般的には分散媒接触後のピーク粒子径より小さい。よって、電極触媒および分散媒の接触を、分散媒接触前の電極触媒のピーク粒子径よりも小さくなるまで行うことで、粒子間のファンデルワールス引力および分散媒中での疎水化効果の双方に起因して形成された凝集体のピーク粒子径よりも小さいものとなる。このようにピーク粒子径が小さくなることによって、電極触媒の一層の小粒径化が図れることとなる。ここで、電極触媒のピーク粒子径は、下記実施例に記載の粒径分布計測条件に基づいて算出された値を採用する。また、接触前の電極触媒のピーク粒子径を100とした場合に、90以下となるように電極触媒および分散媒の接触を行うことが好ましく、80以下となるように電極触媒および分散媒の接触を行うことがより好ましい。なお、電極触媒および分散媒の接触において、電極触媒のピーク粒子径を100とした場合に、接触を維持し続けても10程度で飽和する。好適な一実施形態は、接触前の電極触媒のピーク粒子径を100とした場合に、電極触媒のピーク粒子径が50〜80となるように電極触媒および分散媒の接触を行うことが好ましい。 Further, it is preferable that the contact between the electrode catalyst and the dispersion medium is carried out until the peak particle size of the electrode catalyst becomes 95 or less, specifically, when the peak particle size of the electrode catalyst before contact is 100. As described above, the aggregation of the electrode catalyst is due to the van der Waals attraction between the particles and the hydrophobic effect in the dispersion medium. The agglutination before the contact with the dispersion medium is due to the van der Waals attraction between the particles, and is generally smaller than the peak particle size after the contact with the dispersion medium. Therefore, by contacting the electrode catalyst and the dispersion medium until the particle size becomes smaller than the peak particle size of the electrode catalyst before the contact with the dispersion medium, both the van der Waals attractive force between the particles and the hydrophobic effect in the dispersion medium can be obtained. It will be smaller than the peak particle size of the agglomerates formed due to this. By reducing the peak particle size in this way, the particle size of the electrode catalyst can be further reduced. Here, as the peak particle size of the electrode catalyst, a value calculated based on the particle size distribution measurement conditions described in the following examples is adopted. Further, when the peak particle size of the electrode catalyst before contact is set to 100, it is preferable to contact the electrode catalyst and the dispersion medium so as to be 90 or less, and contact the electrode catalyst and the dispersion medium so as to be 80 or less. Is more preferable. In the contact between the electrode catalyst and the dispersion medium, when the peak particle size of the electrode catalyst is set to 100, the contact is saturated at about 10 even if the contact is maintained. In one preferred embodiment, when the peak particle size of the electrode catalyst before contact is 100, it is preferable to contact the electrode catalyst and the dispersion medium so that the peak particle size of the electrode catalyst is 50 to 80.

なお、分散媒中の電極触媒のピーク粒子径および電極触媒の粒子径1μm以下の累積体積分率は以下のようにして求める。電極触媒および分散媒の混合物を2−プロパノールで固形分濃度が1.0重量%になるように希釈して、サンプルを調製する。次に、このサンプルについて、下記条件にて、粒径分布を計測する。下記粒径分布測定条件によって算出される粒子径は体積基準である。 The peak particle diameter of the electrode catalyst in the dispersion medium and the cumulative volume fraction of the electrode catalyst having a particle diameter of 1 μm or less are obtained as follows. A mixture of electrode catalyst and dispersion medium is diluted with 2-propanol to a solid content concentration of 1.0% by weight to prepare a sample. Next, the particle size distribution of this sample is measured under the following conditions. The particle size calculated according to the following particle size distribution measurement conditions is based on volume.

Figure 0006988143
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また、分散媒接触前の電極触媒のピーク粒子径は、上記粒径分布測定条件にて、粒径分布を計測する。 For the peak particle size of the electrode catalyst before contact with the dispersion medium, the particle size distribution is measured under the above particle size distribution measurement conditions.

得られた粒径分布(粒径−体積分率頻度曲線)から、ピーク粒子径および粒子径が1μm以下の累積体積分率を求める。 From the obtained particle size distribution (particle size-volume fraction frequency curve), the peak particle size and the cumulative volume fraction having a particle size of 1 μm or less are obtained.

ここで、電極触媒混合物の電極触媒の粒子径1μm以下の累積体積分率を0%超に制御する方法は、特に制限されないが、(1)電極触媒および分散媒の接触を維持する時間、および(2)電極触媒を分散媒に分散させた分散液の攪拌条件からなる群より選択される少なくとも一種を制御することが特に電極触媒のピーク粒子径を小さく制御することに重要であることが判明した。以下、上記について詳細に説明する。なお、上記(1)〜(2)の方法に限定されないことはいうまでもない。 Here, the method for controlling the cumulative volume fraction of the electrode catalyst of the electrode catalyst mixture having a particle diameter of 1 μm or less to exceed 0% is not particularly limited, but (1) the time for maintaining contact between the electrode catalyst and the dispersion medium, and (2) It was found that controlling at least one selected from the group consisting of stirring conditions of the dispersion liquid in which the electrode catalyst is dispersed in the dispersion medium is particularly important for controlling the peak particle size of the electrode catalyst to be small. did. Hereinafter, the above will be described in detail. Needless to say, the method is not limited to the above methods (1) and (2).

(1)接触状態の時間
電極触媒および分散媒の接触の維持は、24時間以上であることが好ましく、48時間以上であることがより好ましい。接触状態を24時間以上とすることで、電極凝集体に十分に分散媒がいきわたり、電極触媒粒子間に分散媒が入りこみやすくなり、電極触媒のピーク粒子径を十分に小さくすることができる。接触の維持は、時間が長ければ長いほど、電極触媒のピーク粒子径を小さくすることができるため、特にその上限は規定されない。しかしながら、接触の維持は一定時間以上になると、その効果が飽和する。このため、接触の維持は、効果の飽和と生産性を考慮して、200時間以下であることが好ましく、180時間以下であることがより好ましい。
(1) Time of contact state The contact between the electrode catalyst and the dispersion medium is preferably maintained for 24 hours or longer, more preferably 48 hours or longer. When the contact state is set to 24 hours or more, the dispersion medium is sufficiently spread in the electrode aggregates, the dispersion medium easily enters between the electrode catalyst particles, and the peak particle diameter of the electrode catalyst can be sufficiently reduced. The longer the contact is maintained, the smaller the peak particle size of the electrode catalyst can be, and therefore the upper limit thereof is not specified. However, the effect of maintaining contact saturates after a certain period of time. Therefore, the maintenance of contact is preferably 200 hours or less, more preferably 180 hours or less, in consideration of the saturation of the effect and productivity.

(2)電極触媒を分散媒に分散させた分散液の攪拌条件
接触の維持は、静置または攪拌下で行われることが好ましく、攪拌下で行われることがより好ましい。
(2) Stirring conditions of the dispersion liquid in which the electrode catalyst is dispersed in the dispersion medium The contact is preferably maintained by standing or stirring, and more preferably under stirring.

なお、攪拌下で接触の維持を行う場合には、長時間の撹拌に伴う溶媒の蒸発を防ぐため閉鎖系で行うことが好ましい。 In addition, when maintaining contact under stirring, it is preferable to carry out in a closed system in order to prevent evaporation of the solvent due to long-term stirring.

この際、本実施形態では比較的長時間攪拌を行うため、長時間の攪拌により電極触媒が損傷しない程度の剪断力で、比較的緩やかな条件下で行うことが好ましい。この際に用いられる好適な攪拌機としては、転倒回転型撹拌機:ミックスローター(アズワン社製)、マグチックスターラー、攪拌羽根付攪拌機などが挙げられる。中でも本発明の効果が発揮されやすいことから、接触の維持は、転倒回転型撹拌機を用いた攪拌下にて行うことが好ましい。 At this time, since stirring is performed for a relatively long time in this embodiment, it is preferable to perform stirring under relatively gentle conditions with a shearing force that does not damage the electrode catalyst by stirring for a long time. Suitable stirrers used in this case include an overturning rotary stirrer: a mix rotor (manufactured by AS ONE Corporation), a magnetic stirrer, a stirrer with stirring blades, and the like. Above all, since the effect of the present invention is easily exhibited, it is preferable to maintain the contact under stirring using an overturning rotary stirrer.

転倒回転型攪拌機とは、ある角度をもって容器を回転させるものであり、容器の回転方向は、容器軸を中心とした自転であっても、容器全体を中心点のまわりに回転させる公転であってもよい。好ましくは、自転の転倒回転型攪拌機である。しかしながら、ここでいう転倒回転型攪拌機には自転および公転の双方を伴う自転・公転型攪拌機は含まない。 The overturning rotary stirrer rotates the container at a certain angle, and the direction of rotation of the container is a revolution that rotates the entire container around the center point even if the container rotates around the container axis. May be good. Preferably, it is an overturning rotary type stirrer that rotates on its axis. However, the overturning rotary type stirrer referred to here does not include a rotation / revolution type stirrer that involves both rotation and revolution.

転倒回転型撹拌機を用いた攪拌における攪拌条件は、適宜設定すればよいが、例えば、自転の転倒回転型攪拌機の場合、回転数を0.1〜5回転/分とすることが好ましく、0.5〜3回転/分とすることがより好ましい。 The stirring conditions for stirring using the overturning rotary stirrer may be appropriately set. For example, in the case of a rotating overturning rotary stirrer, the rotation speed is preferably 0.1 to 5 rotations / minute, and is 0. .5 to 3 revolutions / minute is more preferable.

また、電極触媒および分散媒の接触の維持の前に、電極触媒および分散媒の予備混合を行うことが好ましい。予備混合を行うことで、電極触媒が分散媒へなじみやすくなり、その後の微粒子化する時間を短縮することができる。 Further, it is preferable to premix the electrode catalyst and the dispersion medium before maintaining the contact between the electrode catalyst and the dispersion medium. By performing the premixing, the electrode catalyst becomes more familiar with the dispersion medium, and the time for subsequent micronization can be shortened.

予備混合の際の攪拌装置としては、自転公転ミキサー、プラネタリーミキサー、ホモミキサーなどのミキサーや、超音波分散機、ジェットミルなどの分散機が挙げられる。 Examples of the stirring device for premixing include mixers such as a rotating revolution mixer, a planetary mixer, and a homomixer, and a disperser such as an ultrasonic disperser and a jet mill.

中でも、自公転ミキサーなどの自転・公転型攪拌機にて予備混合を行うことが好ましい。自転・公転型攪拌機にて予備混合を行うことで、電極触媒が分散媒へのなじみやすくなり、その後の浸漬によって凝集体がほぐれる時間を短縮することができる。自転・公転型攪拌機とは、容器を時計方向に公転させると同時に、容器自体を反時計方向に自転させ、高速の自転・公転で生じた遠心力を押圧力として容器中の材料に対して働かせ、渦状の上下対流を連続的に発生させることで、材料を分散する方式である。自転・公転型攪拌機の分散装置としては、あわとり練太郎(登録商標)(シンキー社製)などが使用される。 Above all, it is preferable to perform premixing with a rotation / revolution type stirrer such as a rotation / revolution mixer. Premixing with a rotating / revolving stirrer makes it easier for the electrode catalyst to become familiar with the dispersion medium, and it is possible to shorten the time for the agglomerates to loosen by subsequent immersion. A rotation / revolution type stirrer rotates the container clockwise and at the same time rotates the container counterclockwise, and the centrifugal force generated by high-speed rotation / revolution is used as a pressing force to act on the material in the container. , It is a method to disperse the material by continuously generating a spiral vertical convection. As a disperser for a rotating / revolving stirrer, Awatori Rentaro (registered trademark) (manufactured by Shinky Co., Ltd.) is used.

すなわち、本実施形態の好適な形態は、電極触媒および分散媒を自転・公転型攪拌機によって予備混合を行った後、攪拌下、好適には転倒回転型撹拌機を用いた攪拌下、触媒電極触媒および分散媒の接触を維持する形態である。 That is, in a preferred embodiment of the present embodiment, the electrode catalyst and the dispersion medium are premixed by a rotating / revolving stirrer, and then agitated under stirring, preferably under stirring using an overturning rotary stirrer, as a catalyst electrode catalyst. And a form that maintains contact with the dispersion medium.

また、本実施形態のさらに好適な形態は、電極触媒および分散媒を自転・公転型攪拌機によって予備混合を行った後、攪拌下、好適には転倒回転型撹拌機を用いた攪拌下、触媒電極触媒および分散媒の接触状態を24時間以上維持する形態である。 Further, in a more preferable embodiment of the present embodiment, the catalyst electrode is prepared by premixing the electrode catalyst and the dispersion medium with a rotating / revolving stirrer, and then stirring, preferably under stirring using an overturning rotary stirrer. It is a form in which the contact state of the catalyst and the dispersion medium is maintained for 24 hours or more.

ただし、自転・公転型攪拌機は比較的攪拌力が強く、長時間の攪拌は電極触媒自体が損傷し、触媒活性が低下する虞れがある。このため、予備混合の時間は、5分以下であることが好ましく、2分以下であることがより好ましい。また、予備混合の効果をより得やすいことから、予備混合の時間は、10秒以上であることが好ましく、30秒以上であることがより好ましい。 However, the rotating / revolving stirrer has a relatively strong stirring force, and long-term stirring may damage the electrode catalyst itself and reduce the catalytic activity. Therefore, the premixing time is preferably 5 minutes or less, and more preferably 2 minutes or less. Further, since the effect of premixing can be more easily obtained, the premixing time is preferably 10 seconds or longer, and more preferably 30 seconds or longer.

自転・公転型攪拌機の攪拌条件は、適宜設定すればよいが、例えば、自転の回転数を100〜400回転/分とすることが好ましく、200〜300回転/分とすることがより好ましい。また、公転の回転数を200〜800回転/分とすることが好ましく、400〜600回転/分とすることがより好ましい。 The stirring conditions of the rotation / revolution type stirrer may be appropriately set, but for example, the rotation speed of rotation is preferably 100 to 400 rotations / minute, and more preferably 200 to 300 rotations / minute. Further, the revolution speed is preferably 200 to 800 rotations / minute, and more preferably 400 to 600 rotations / minute.

このようにして、触媒担体および触媒担体に担持される触媒金属からなる燃料電池用電極触媒と、水を主成分とする分散媒とを含む(燃料電池触媒層形成用)電極触媒混合物を得ることができる。 In this way, an electrode catalyst mixture for a fuel cell, which comprises a catalyst carrier and a catalyst metal supported on the catalyst carrier, and a dispersion medium containing water as a main component (for forming a fuel cell catalyst layer) is obtained. Can be done.

電極触媒混合物は、好適には、電極触媒の粒子径1μm以下の累積体積分率が0%超である。すなわち、好適には、触媒担体および触媒担体に担持される触媒金属からなる燃料電池用電極触媒と、水を主成分とする分散媒とを含む電極触媒混合物であって、電極触媒の粒子径1μm以下の累積体積分率が0%超である、(燃料電池電極触媒層形成用)電極触媒混合物である。1μm以下の小粒径が一定以上存在する電極触媒混合物は、電極触媒の凝集体が少ないため、触媒担体上の触媒金属を有効に利用できる。ゆえに、発電性能に優れる。また、電極触媒上に存在する吸着水により、粒子が再び凝集することが抑制され、さらに、高分子電解質が電極触媒に近づきにくくなり、ドライ条件下でのプロトン輸送性が向上するとともに、ウェット条件下での酸素輸送性も高く維持される。混合物において、電極触媒の粒子径1μm以下の累積体積分率は2.5%以上(上限100%)、より好ましくは3.5%以上、より好ましくは4.5%以上、最も好ましくは5.0%以上である。 The electrode catalyst mixture preferably has a cumulative volume fraction of the electrode catalyst having a particle size of 1 μm or less of more than 0%. That is, preferably, it is an electrode catalyst mixture containing a catalyst carrier, an electrode catalyst for a fuel cell made of a catalyst metal supported on the catalyst carrier, and a dispersion medium containing water as a main component, and the particle size of the electrode catalyst is 1 μm. The following is an electrode catalyst mixture (for forming a fuel cell electrode catalyst layer) having a cumulative body integration rate of more than 0%. Since the electrode catalyst mixture having a small particle size of 1 μm or less having a small particle size of 1 μm or less has a small amount of aggregates of the electrode catalyst, the catalyst metal on the catalyst carrier can be effectively used. Therefore, it has excellent power generation performance. In addition, the adsorbed water present on the electrode catalyst suppresses the aggregation of particles again, makes it difficult for the polyelectrolyte to approach the electrode catalyst, improves proton transportability under dry conditions, and under wet conditions. The oxygen transportability underneath is also maintained high. In the mixture, the cumulative volume fraction of the electrode catalyst having a particle diameter of 1 μm or less is 2.5% or more (upper limit 100%), more preferably 3.5% or more, more preferably 4.5% or more, and most preferably 5. It is 0% or more.

電極触媒混合物は、このまま、高分子電解質を混合してもよいし、電極触媒混合物から濾別などにより分散媒から電極触媒を分離してもよい。作業性の観点からは、電極触媒混合物は、水分散物のまま高分子電解質と混合することが好ましく、分散性の観点からは、電極触媒混合物は、水分散物のまま、溶媒(好適には水および炭素数1〜4の低級アルコールの混合溶媒)に分散させた高分子電解質と混合することがより好ましい。 As the electrode catalyst mixture, the polymer electrolyte may be mixed as it is, or the electrode catalyst may be separated from the dispersion medium by filtration or the like from the electrode catalyst mixture. From the viewpoint of workability, the electrode catalyst mixture is preferably mixed with the polymer electrolyte as an aqueous dispersion, and from the viewpoint of dispersibility, the electrode catalyst mixture remains as an aqueous dispersion and is a solvent (preferably). It is more preferable to mix with a polyelectrolyte dispersed in a mixed solvent of water and a lower alcohol having 1 to 4 carbon atoms.

(II)工程(I)の後、さらに高分子電解質を混合して組成物を得る工程
次いで電極触媒混合物、または電極触媒混合物から分離された電極触媒に高分子電解質を混合して組成物を得る。
(II) Step (II) After step (I), a step of further mixing a polymer electrolyte to obtain a composition Then, the electrode catalyst mixture or an electrode catalyst separated from the electrode catalyst mixture is mixed with the polymer electrolyte to obtain a composition. ..

組成物は燃料電池触媒層形成用触媒インク(スラリー、塗布液)であることが好ましい。このため、粘度調整用の粘度調整用溶媒を含むことが好ましい。 The composition is preferably a catalyst ink (slurry, coating liquid) for forming a fuel cell catalyst layer. Therefore, it is preferable to include a viscosity adjusting solvent for adjusting the viscosity.

高分子電解質は、特に制限されないが、イオン伝導性の高分子電解質であることが好ましい。上記高分子電解質は、燃料極側の触媒活物質周辺で発生したプロトンを伝達する役割を果たすことから、プロトン伝導性高分子とも呼ばれる。 The polymer electrolyte is not particularly limited, but is preferably an ionic conductive polymer electrolyte. The polymer electrolyte is also called a proton conductive polymer because it plays a role of transmitting protons generated around the catalyst active material on the fuel electrode side.

当該高分子電解質は、特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうる。高分子電解質は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質と炭化水素系高分子電解質とに大別される。これらのうち、プロトン伝導性の点でフッ素系高分子電解質が好ましい。 The polymer electrolyte is not particularly limited, and conventionally known findings can be appropriately referred to. Polyelectrolytes are roughly classified into fluorine-based polyelectrolytes and hydrocarbon-based polyelectrolytes according to the type of ion exchange resin as a constituent material. Of these, a fluoropolymer electrolyte is preferable in terms of proton conductivity.

フッ素系高分子電解質を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)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などが挙げられる。耐熱性、化学的安定性、耐久性、機械強度に優れるという観点からは、これらのフッ素系高分子電解質が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質が用いられる。 Examples of the ion exchange resin constituting the fluoropolymer electrolyte include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) and the like. Perfluorocarbon sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride-per Fluorocarbon sulfonic acid-based polymers and the like can be mentioned. From the viewpoint of excellent heat resistance, chemical stability, durability, and mechanical strength, these fluoropolymer electrolytes are preferably used, and particularly preferably a fluoropolymer electrolyte composed of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer. Is used.

炭化水素系電解質として、具体的には、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(S−PEEK)、スルホン化ポリフェニレン(S−PPP)などが挙げられる。原料が安価で製造工程が簡便であり、かつ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系高分子電解質が好ましく用いられる。なお、上述したイオン交換樹脂は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよい。また、電解質が予め溶媒中に調製されている市販の電解質溶液(例えば、デュポン製のNafion溶液:1−プロパノール中に5wt%の濃度でNafionが分散/懸濁したもの)を使用してもよい。 Specific examples of the hydrocarbon-based electrolyte include sulfonated polyethersulfonate (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, phospholated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, and sulfonated poly. Examples include ether etherketone (S-PEEK) and sulfonated polyphenylene (S-PPP). These hydrocarbon-based polyelectrolytes are preferably used from the viewpoint of manufacturing, such as low raw materials, simple manufacturing process, and high material selectivity. As for the above-mentioned ion exchange resin, only one kind may be used alone, or two or more kinds may be used in combination. Further, the material is not limited to the above-mentioned materials, and other materials may be used. Further, a commercially available electrolyte solution in which the electrolyte is prepared in advance in a solvent (for example, a DuPont Nafion solution: Nafion dispersed / suspended in 1-propanol at a concentration of 5 wt%) may be used. ..

プロトンの伝達を担う高分子電解質においては、プロトンの伝導度が重要となる。ここで、高分子電解質のEWが大きすぎる場合には触媒層全体でのイオン伝導性が低下する。したがって、本形態の触媒層は、EWの小さい高分子電解質を含むことが好ましい。具体的には、本形態の触媒層は、好ましくはEWが1500g/mol以下の高分子電解質を含み、より好ましくは1200g/mol以下の高分子電解質を含む。一方、EWが小さすぎる場合には、親水性が高すぎて、水の円滑な移動が困難となる。かような観点から、高分子電解質のEWは600g/mol以上であることが好ましい。なお、EW(Equivalent Weight)は、プロトン伝導性を有する交換基の当量重量を表している。当量重量は、イオン交換基1当量あたりの高分子電解質の乾燥重量であり、「g/mol」の単位で表される。 In the polymer electrolyte responsible for the transfer of protons, the conductivity of protons is important. Here, if the EW of the polymer electrolyte is too large, the ionic conductivity of the entire catalyst layer is lowered. Therefore, the catalyst layer of the present embodiment preferably contains a polymer electrolyte having a small EW. Specifically, the catalyst layer of the present embodiment preferably contains a polyelectrolyte having an EW of 1500 g / mol or less, and more preferably contains a polyelectrolyte having an EW of 1200 g / mol or less. On the other hand, if the EW is too small, the hydrophilicity is too high, which makes it difficult for water to move smoothly. From such a viewpoint, the EW of the polymer electrolyte is preferably 600 g / mol or more. In addition, EW (Equivalent Weight) represents the equivalent weight of the exchange group having proton conductivity. The equivalent weight is the dry weight of the polyelectrolyte per equivalent of an ion exchange group, and is expressed in units of "g / mol".

高分子電解質および組成物Aの混合比は、触媒担体(C)に対する高分子電解質(I)の重量比(I/C比)は、0.4〜1.6であることが好ましく、0.7〜1.4であることがより好ましい。 As for the mixing ratio of the polymer electrolyte and the composition A, the weight ratio (I / C ratio) of the polymer electrolyte (I) to the catalyst carrier (C) is preferably 0.4 to 1.6, and 0. It is more preferably 7 to 1.4.

粘度調整用溶媒としては、特に制限されず、触媒層を形成するのに使用される通常の溶媒が同様にして使用できる。具体的には、水、シクロヘキサノール、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、キシレンなどが挙げられる。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、などが溶媒として用いられてもよい。これらの溶媒は、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。 The viscosity adjusting solvent is not particularly limited, and ordinary solvents used for forming the catalyst layer can be used in the same manner. Specific examples thereof include water, cyclohexanol, lower alcohols having 1 to 4 carbon atoms, propylene glycol, benzene, toluene, xylene and the like. In addition to these, butyl alcohol acetate, dimethyl ether, ethylene glycol, etc. may be used as a solvent. These solvents may be used alone or in the form of a mixture of two or more.

水は、特に制限されず、水道水、精製水、イオン交換水、蒸留水等が使用できる。また、アルコールも、特に制限されない。具体的には、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−メチル−1−プロパノール、2−ブタノール、2−メチル−2−プロパノール、シクロヘキサノールなどが挙げられる。これらのうち、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−メチル−1−プロパノール、2−ブタノールおよび2−メチル−2−プロパノールが好ましい。このような親和性が高い低級アルコールを用いることで、電解質の極端な偏在を防ぐことができる。また、上記のアルコールのうち、沸点が100℃未満のアルコールを用いることがより好ましい。沸点が100℃未満のアルコールとしては、メタノール(沸点:65℃)、エタノール(沸点:78℃)、1−プロパノール(沸点:97℃)、2−プロパノール(沸点:82℃)、および2−メチル−2−プロパノール(沸点:83℃)からなる群より選択されるものが例示できる。上記アルコールを1種単独で、または2種以上を混合して用いることができる。 The water is not particularly limited, and tap water, purified water, ion-exchanged water, distilled water and the like can be used. Also, alcohol is not particularly limited. Specific examples thereof include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-methyl-1-propanol, 2-butanol, 2-methyl-2-propanol and cyclohexanol. Of these, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-methyl-1-propanol, 2-butanol and 2-methyl-2-propanol are preferable. By using a lower alcohol having such a high affinity, it is possible to prevent extreme uneven distribution of the electrolyte. Further, among the above alcohols, it is more preferable to use an alcohol having a boiling point of less than 100 ° C. Alcohols with a boiling point of less than 100 ° C include methanol (boiling point: 65 ° C), ethanol (boiling point: 78 ° C), 1-propanol (boiling point: 97 ° C), 2-propanol (boiling point: 82 ° C), and 2-methyl. An example is one selected from the group consisting of -2-propanol (boiling point: 83 ° C.). The above alcohols can be used alone or in combination of two or more.

必須により添加される粘度調整用溶媒の量は、電解質を完全に溶解できる量であれば特に制限されない。具体的には、電極触媒および高分子電解質を合わせた固形分の濃度が、組成物中、1〜50重量%、より好ましくは5〜30重量%程度とするのが好ましい。 The amount of the viscosity adjusting solvent added by necessity is not particularly limited as long as it can completely dissolve the electrolyte. Specifically, the concentration of the solid content of the electrode catalyst and the polymer electrolyte combined is preferably about 1 to 50% by weight, more preferably about 5 to 30% by weight in the composition.

上述したように、高分子電解質は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質と炭化水素系高分子電解質とに大別される。これらのうち、電解質は、フッ素系高分子電解質であることが好ましい。このように疎水性のフッ素系高分子電解質を用いることによって、電極触媒に吸着した水とフッ素系高分子電解質との間に斥力が働き、電極触媒の周りにフッ素系高分子電解質が近づきにくくなる。ゆえに、ドライ条件下およびウェット条件下での電池性能が高いものとなる。 As described above, the polyelectrolyte is roughly classified into a fluoropolymer electrolyte and a hydrocarbon-based polyelectrolyte according to the type of ion exchange resin as a constituent material. Of these, the electrolyte is preferably a fluoropolymer electrolyte. By using the hydrophobic fluoropolyelectrolyte in this way, a repulsive force acts between the water adsorbed on the electrode catalyst and the fluoropolymer electrolyte, and the fluoropolymer electrolyte becomes difficult to approach around the electrode catalyst. .. Therefore, the battery performance under dry conditions and wet conditions is high.

電極触媒、高分子電解質および粘度調整用溶媒の添加順序は特に限定されず、全てを一括に混合する;電極触媒および高分子電解質を混合した後、粘度調整用溶媒を添加して混合するなどいずれの形態であってもよい。 The order of adding the electrode catalyst, the polyelectrolyte and the solvent for adjusting the viscosity is not particularly limited, and all of them are mixed at once; after the electrode catalyst and the polyelectrolyte are mixed, the solvent for adjusting the viscosity is added and mixed. It may be in the form of.

燃料電池触媒層形成用の組成物には、必要に応じて、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、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などの撥水剤、界面活性剤などの分散剤、グリセリン、エチレングリコール(EG)、ポリビニルアルコール(PVA)、プロピレングリコール(PG)などの増粘剤、造孔剤等の添加剤が含まれていても構わない。 The composition for forming the catalyst layer of the fuel cell includes, if necessary, a water repellent agent such as polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, or tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, and a dispersant such as a surfactant. , Glycerin, ethylene glycol (EG), polyvinyl alcohol (PVA), propylene glycol (PG) and other thickeners, pore-forming agents and other additives may be contained.

なお、撥水剤、分散剤、増粘剤、造孔剤等の添加剤を使用する場合には、組成物にこれらの添加剤を添加すればよい。この際、添加剤の添加量は、本発明の上記効果を妨げない程度の量であれば特に制限されない。例えば、添加剤の添加量は、それぞれ、組成物の全重量に対して、好ましくは5〜20重量%である。 When additives such as a water repellent, a dispersant, a thickener, and a pore-forming agent are used, these additives may be added to the composition. At this time, the amount of the additive added is not particularly limited as long as it does not interfere with the above-mentioned effect of the present invention. For example, the amount of the additive added is preferably 5 to 20% by weight, respectively, based on the total weight of the composition.

このようにして、電極触媒および高分子電解質を含む組成物が得られる。 In this way, a composition containing an electrode catalyst and a polyelectrolyte is obtained.

(III)工程(II)で得られた組成物を用いて触媒層を形成する
工程(II)で得られた組成物を用いて触媒層を形成する方法としては特に限定されないが、基材の表面に組成物(触媒インク)を塗布して触媒層を形成することが好ましい。
(III) Forming a Catalyst Layer Using the Composition Obtained in Step (II) The method for forming a catalyst layer using the composition obtained in Step (II) is not particularly limited, but the base material. It is preferable to apply a composition (catalyst ink) on the surface to form a catalyst layer.

基材への組成物の塗布方法は、特に制限されず、公知の方法を使用できる。具体的には、スプレー(スプレー塗布)法、ガリバー印刷法、ダイコーター法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法など、公知の方法を用いて行うことができる。 The method for applying the composition to the substrate is not particularly limited, and a known method can be used. Specifically, it can be carried out by using a known method such as a spray (spray coating) method, a Gulliver printing method, a die coater method, a screen printing method, and a doctor blade method.

この際、組成物を塗布する基材としては、固体高分子電解質膜(電解質層)やガス拡散基材(ガス拡散層)を使用することができる。かような場合には、固体高分子電解質膜(電解質層)またはガス拡散基材(ガス拡散層)の表面に触媒層を形成した後、得られた積層体をそのまま膜電極接合体の製造に利用することができる。あるいは、基材としてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)[テフロン(登録商標)]シート等の剥離可能な基材を使用し、基材上に触媒層を形成した後に基材から触媒層部分を剥離することにより、触媒層を得てもよい。 At this time, as the base material on which the composition is applied, a solid polymer electrolyte membrane (electrolyte layer) or a gas diffusion base material (gas diffusion layer) can be used. In such a case, after forming a catalyst layer on the surface of a solid polymer electrolyte membrane (electrolyte layer) or a gas diffusion base material (gas diffusion layer), the obtained laminate can be used as it is for manufacturing a membrane electrode assembly. It can be used. Alternatively, a peelable base material such as a polytetrafluoroethylene (PTFE) [Teflon (registered trademark)] sheet is used as the base material, the catalyst layer is formed on the base material, and then the catalyst layer portion is peeled off from the base material. Thereby, a catalyst layer may be obtained.

塗布基材への触媒インクの塗布量は、特に制限されない。具体的には、触媒層面積当たりの触媒金属の含有量(目付量)(mg/cm)は、0.5mg/cm以下、好ましくは0.4mg/cm以下である。下限値は発電性能が得られる限り特に制限されず、例えば、0.01mg/cm以上である。なお、本明細書において、「触媒層面積当たりの白金の含有量(mg/cm)」の測定(確認)には、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)を用いる。所望の「触媒層面積当たりの白金の含有量」にせしめる方法も当業者であれば容易に行うことができ、スラリーの組成(触媒濃度)と塗布量を制御することで量を調整することができる。 The amount of the catalyst ink applied to the coated substrate is not particularly limited. Specifically, the content (weight) (mg / cm 2 ) of the catalyst metal per area of the catalyst layer is 0.5 mg / cm 2 or less, preferably 0.4 mg / cm 2 or less. The lower limit is not particularly limited as long as the power generation performance can be obtained, and is, for example, 0.01 mg / cm 2 or more. In addition, in this specification, inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP) is used for measurement (confirmation) of "the content of platinum per area of a catalyst layer (mg / cm 2)". A person skilled in the art can easily perform a method of reducing the desired "platinum content per catalyst layer area", and the amount can be adjusted by controlling the composition (catalyst concentration) and the coating amount of the slurry. can.

または、触媒層の厚み(乾燥膜厚)は、特に制限されないが、好ましくは1〜20μm、より好ましくは2〜15μmである。なお、上記厚みは、カソード触媒層およびアノード触媒層双方に適用される。しかし、カソード触媒層及びアノード触媒層の厚みは、同じであってもあるいは異なってもよい。 Alternatively, the thickness (dry film thickness) of the catalyst layer is not particularly limited, but is preferably 1 to 20 μm, more preferably 2 to 15 μm. The above thickness is applied to both the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer. However, the thicknesses of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer may be the same or different.

最後に、触媒インクの塗布層(膜)を、空気雰囲気下あるいは不活性ガス雰囲気下、室温〜150℃で、1〜60分間、乾燥する。 Finally, the coating layer (film) of the catalyst ink is dried under an air atmosphere or an inert gas atmosphere at room temperature to 150 ° C. for 1 to 60 minutes.

このようにして燃料電池用触媒層が得られる。 In this way, the catalyst layer for the fuel cell is obtained.

以下、適宜図面を参照しながら、第一実施形態の製造方法により得られる触媒層または第二実施形態の電極触媒混合物を用いて得られる触媒層、膜電極接合体(MEA)および燃料電池の一実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明は、以下の実施形態のみには制限されない。なお、各図面は説明の便宜上誇張されて表現されており、各図面における各構成要素の寸法比率が実際とは異なる場合がある。また、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明した場合では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, one of a catalyst layer, a membrane electrode assembly (MEA), and a fuel cell obtained by using the catalyst layer obtained by the production method of the first embodiment or the electrode catalyst mixture of the second embodiment with reference to the drawings as appropriate. The embodiment will be described in detail. However, the present invention is not limited to the following embodiments. It should be noted that each drawing is exaggerated for convenience of explanation, and the dimensional ratio of each component in each drawing may differ from the actual one. Further, when the embodiment of the present invention is described with reference to the drawings, the same elements are designated by the same reference numerals in the description of the drawings, and duplicate description will be omitted.

[燃料電池]
燃料電池は、膜電極接合体(MEA)と、燃料ガスが流れる燃料ガス流路を有するアノード側セパレータと酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有するカソード側セパレータとからなる一対のセパレータとを有する。本形態の燃料電池は、高い発電性能を発揮できる。
[Fuel cell]
The fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) and a pair of separators including an anode-side separator having a fuel gas flow path through which the fuel gas flows and a cathode-side separator having an oxidant gas flow path through which the oxidant gas flows. Have. The fuel cell of this embodiment can exhibit high power generation performance.

図2は、本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池(PEFC)1の基本構成を示す概略図である。PEFC 1は、まず、固体高分子電解質膜2と、これを挟持する一対の触媒層(アノード触媒層3aおよびカソード触媒層3c)とを有する。そして、固体高分子電解質膜2と触媒層(3a、3c)との積層体はさらに、一対のガス拡散層(GDL)(アノードガス拡散層4aおよびカソードガス拡散層4c)により挟持されている。このように、固体高分子電解質膜2、一対の触媒層(3a、3c)および一対のガス拡散層(4a、4c)は、積層された状態で膜電極接合体(MEA)10を構成する。 FIG. 2 is a schematic view showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 1 according to an embodiment of the present invention. First, the PEFC 1 has a solid polymer electrolyte membrane 2 and a pair of catalyst layers (anode catalyst layer 3a and cathode catalyst layer 3c) sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 2. The laminate of the solid polymer electrolyte membrane 2 and the catalyst layer (3a, 3c) is further sandwiched by a pair of gas diffusion layers (GDL) (anode gas diffusion layer 4a and cathode gas diffusion layer 4c). As described above, the solid polymer electrolyte membrane 2, the pair of catalyst layers (3a, 3c) and the pair of gas diffusion layers (4a, 4c) form the membrane electrode assembly (MEA) 10 in a laminated state.

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

セパレータ(5a、5c)は、例えば、厚さ0.5mm以下の薄板にプレス処理を施すことで図2に示すような凹凸状の形状に成形することにより得られる。セパレータ(5a、5c)のMEA側から見た凸部はMEA 10と接触している。これにより、MEA 10との電気的な接続が確保される。また、セパレータ(5a、5c)のMEA側から見た凹部(セパレータの有する凹凸状の形状に起因して生じるセパレータとMEAとの間の空間)は、PEFC 1の運転時にガスを流通させるためのガス流路として機能する。具体的には、アノードセパレータ5aのガス流路6aには燃料ガス(例えば、水素など)を流通させ、カソードセパレータ5cのガス流路6cには酸化剤ガス(例えば、空気など)を流通させる。 The separators (5a, 5c) can be obtained, for example, by pressing a thin plate having a thickness of 0.5 mm or less to form an uneven shape as shown in FIG. The convex portion of the separator (5a, 5c) seen from the MEA side is in contact with the MEA 10. This ensures an electrical connection with the MEA 10. Further, the recesses (the space between the separator and the MEA caused by the uneven shape of the separator) seen from the MEA side of the separators (5a, 5c) are for circulating gas during the operation of PEFC 1. Functions as a gas flow path. Specifically, a fuel gas (for example, hydrogen) is circulated in the gas flow path 6a of the anode separator 5a, and an oxidant gas (for example, air) is circulated in the gas flow path 6c of the cathode separator 5c.

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

なお、図2に示す実施形態においては、セパレータ(5a、5c)は凹凸状の形状に成形されている。ただし、セパレータは、かような凹凸状の形態のみに限定されるわけではなく、ガス流路および冷媒流路の機能を発揮できる限り、平板状、一部凹凸状などの任意の形態であってもよい。 In the embodiment shown in FIG. 2, the separators (5a and 5c) are formed into an uneven shape. However, the separator is not limited to such an uneven shape, and may be any shape such as a flat plate shape or a partially uneven shape as long as the functions of the gas flow path and the refrigerant flow path can be exhibited. May be good.

上記のような、本発明のMEAを有する燃料電池は、優れた発電性能を発揮する。ここで、燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では固体高分子形燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、固体高分子形燃料電池(PEFC)が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求される自動車などの移動体用電源として用いられることが特に好ましい。 The fuel cell having the MEA of the present invention as described above exhibits excellent power generation performance. Here, the type of the fuel cell is not particularly limited, and in the above description, the polymer electrolyte fuel cell has been described as an example, but in addition to this, an alkaline fuel cell and a direct methanol fuel cell have been described. , Micro fuel cells and the like. Among them, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is preferable because it is compact and can have high density and high output. Further, the fuel cell is useful as a power source for a mobile body such as a vehicle whose mounting space is limited, as well as a power source for stationary use. Above all, it is particularly preferable to use it as a power source for a mobile body such as an automobile, which requires a high output voltage after a relatively long operation stop.

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

また、燃料電池の適用用途は特に限定されるものではないが、車両に適用することが好ましい。本発明の電解質膜−電極接合体は、発電性能および耐久性に優れ、小型化が実現可能である。このため、本発明の燃料電池は、車載性の点から、車両に該燃料電池を適用した場合、特に有利である。したがって、本発明は、本発明の燃料電池を有する車両を提供する。 The application of the fuel cell is not particularly limited, but it is preferably applied to the vehicle. The electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention is excellent in power generation performance and durability, and can be miniaturized. Therefore, the fuel cell of the present invention is particularly advantageous when the fuel cell is applied to a vehicle from the viewpoint of in-vehicle performance. Therefore, the present invention provides a vehicle having the fuel cell of the present invention.

以下、本形態の燃料電池を構成する部材について簡単に説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみに制限されない。 Hereinafter, the members constituting the fuel cell of the present embodiment will be briefly described, but the technical scope of the present invention is not limited to the following embodiments.

[電極触媒層(触媒層)]
電極触媒層(触媒層)は、第一実施形態の製造方法により形成される、または第二実施形態の電極触媒混合物を用いて形成される。ここで、膜電極接合体は、カソード触媒層およびアノード触媒層を有する。カソード触媒層およびアノード触媒層の少なくとも一方が本発明の触媒混合物を用いて形成されればよい。ただし、プロトン伝導性の向上および反応ガス(特にO)の輸送特性(ガス拡散性)の向上の必要性を考慮すると、少なくともカソード触媒層が第一実施形態の製造方法により、または第二実施形態の電極触媒混合物を用いて形成されることが好ましい。ただし、カソード触媒層のみが本発明の電極触媒混合物を用いて形成されてもよいし、カソード触媒層およびアノード触媒層双方が本発明の電極触媒混合物を用いて形成されてもよいなど、特に制限されるものではない。
[Electrode catalyst layer (catalyst layer)]
The electrode catalyst layer (catalyst layer) is formed by the production method of the first embodiment, or is formed by using the electrode catalyst mixture of the second embodiment. Here, the membrane electrode assembly has a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer. At least one of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer may be formed using the catalyst mixture of the present invention. However, considering the necessity of improving the proton conductivity and the transport characteristics (gas diffusivity) of the reaction gas (particularly O 2 ), at least the cathode catalyst layer is manufactured by the production method of the first embodiment or the second embodiment. It is preferably formed using the electrode catalyst mixture of the form. However, only the cathode catalyst layer may be formed by using the electrode catalyst mixture of the present invention, or both the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer may be formed by using the electrode catalyst mixture of the present invention. It is not something that is done.

[電解質膜(高分子電解質膜)]
電解質膜は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質膜と炭化水素系高分子電解質膜とに大別される。フッ素系高分子電解質膜を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)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などが挙げられる。耐熱性、化学的安定性などの発電性能を向上させるという観点からは、これらのフッ素系高分子電解質膜が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜が用いられる。
[Electrolyte membrane (polyelectrolyte membrane)]
The electrolyte membrane is roughly classified into a fluorine-based polyelectrolyte membrane and a hydrocarbon-based polyelectrolyte membrane according to the type of ion exchange resin as a constituent material. Examples of the ion exchange resin constituting the fluoropolymer electrolyte membrane include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) and the like. Perfluorocarbon sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride- Perfluorocarbon sulfonic acid-based polymers and the like can be mentioned. From the viewpoint of improving power generation performance such as heat resistance and chemical stability, these fluoropolyelectrolyte films are preferably used, and particularly preferably a fluoropolyelectrolyte composed of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer. A membrane is used.

炭化水素系電解質として、具体的には、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(S−PEEK)、スルホン化ポリフェニレン(S−PPP)などが挙げられる。これらの炭化水素系高分子電解質膜は、原料が安価で製造工程が簡便であり、かつ材料の選択性が高いといった製造上の利点がある。なお、上述したイオン交換樹脂は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよい。 Specific examples of the hydrocarbon-based electrolyte include sulfonated polyethersulfonate (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, phospholated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, and sulfonated poly. Examples include ether etherketone (S-PEEK) and sulfonated polyphenylene (S-PPP). These hydrocarbon-based polyelectrolyte membranes have advantages in manufacturing, such as low raw materials, simple manufacturing process, and high material selectivity. As for the above-mentioned ion exchange resin, only one kind may be used alone, or two or more kinds may be used in combination. Further, the material is not limited to the above-mentioned materials, and other materials may be used.

電解質膜の厚さは、通常は5〜100μm程度である。 The thickness of the electrolyte membrane is usually about 5 to 100 μm.

[ガス拡散層]
ガス拡散層(ガス拡散層基材)は、セパレータ流路を介して供給されたガス(燃料ガスまたは酸化剤ガス)の拡散を促進する機能、および電子伝導パスとしての機能に加え、親水性多孔質層を支持する機能を有する。
[Gas diffusion layer]
The gas diffusion layer (gas diffusion layer base material) has a function of promoting diffusion of a gas (fuel gas or an oxidant gas) supplied through a separator flow path and a function as an electron conduction path, and is hydrophilic and porous. It has the function of supporting the stratum.

ガス拡散層基材を構成する材料は特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性および多孔質性を有するシート状材料が挙げられる。より具体的には、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボン不織布などが好ましく挙げられる。ガス拡散層基材は、市販品を用いることもでき、例えば、東レ株式会社製カーボンペーパTGPシリーズ、E−TEK社製カーボンクロスなどが挙げられる。 The material constituting the gas diffusion layer base material is not particularly limited, and conventionally known findings can be appropriately referred to. For example, a sheet-like material having conductivity and porosity such as a carbon woven fabric, a paper-like paper machine, felt, and a non-woven fabric can be mentioned. More specifically, carbon paper, carbon cloth, carbon non-woven fabric and the like are preferably mentioned. As the gas diffusion layer base material, a commercially available product can also be used, and examples thereof include a carbon paper TGP series manufactured by Toray Industries, Inc. and a carbon cloth manufactured by E-TEK.

ガス拡散層基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。基材の厚さがかような範囲内の値であれば、機械的強度とガスおよび水などの拡散性とのバランスが適切に制御されうる。 The thickness of the gas diffusion layer base material may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm. If the thickness of the substrate is within such a range, the balance between the mechanical strength and the diffusivity of gas, water, etc. can be appropriately controlled.

ガス拡散層基材は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を含むことが好ましい。撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、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)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。 The gas diffusion layer base material preferably contains a water repellent agent for the purpose of further enhancing water repellency and preventing a flooding phenomenon or the like. The water repellent is not particularly limited, but is high in fluorine-based materials such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). Molecular materials, polypropylene, polyethylene and the like can be mentioned.

また、撥水性をより向上させるために、ガス拡散層は、マイクロポーラス層(MPL層)をガス拡散層基材の触媒層側に有するものであってもよい。マイクロポーラス層は微細孔を多数有する微多孔層を指し、通常カーボン粒子の集合体である。 Further, in order to further improve the water repellency, the gas diffusion layer may have a microporous layer (MPL layer) on the catalyst layer side of the gas diffusion layer base material. The microporous layer refers to a microporous layer having a large number of micropores, and is usually an aggregate of carbon particles.

マイクロポーラス層に含まれるカーボン粒子は特に限定されず、カーボンブラック、グラファイト、膨張黒鉛などの従来公知の材料が適宜採用されうる。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、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のカーボンブラックが好ましく用いられうる。カーボン粒子の平均粒径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。 The carbon particles contained in the microporous layer are not particularly limited, and conventionally known materials such as carbon black, graphite, and expanded graphite can be appropriately adopted. Among them, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black can be preferably used because of its excellent electron conductivity and large specific surface area. The average particle size of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. As a result, high drainage can be obtained due to the capillary force, and the contact with the catalyst layer can be improved.

マイクロポーラス層は撥水剤を含んでいることが好ましい。マイクロポーラス層に用いられる撥水剤としては、上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられうる。 The microporous layer preferably contains a water repellent. Examples of the water repellent used for the microporous layer include the same as the above-mentioned water repellent. Among them, a fluorine-based polymer material can be preferably used because it is excellent in water repellency, corrosion resistance at the time of electrode reaction, and the like.

マイクロポーラス層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、撥水性および電子伝導性のバランスを考慮して、重量比で90:10〜40:60(カーボン粒子:撥水剤)程度とするのがよい。なお、カーボン粒子層の厚さについても特に制限はなく、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。 The mixing ratio of the carbon particles and the water repellent in the microporous layer is about 90: 10 to 40:60 (carbon particles: water repellent) in consideration of the balance between water repellency and electron conductivity. Is good. The thickness of the carbon particle layer is not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the water repellency of the obtained gas diffusion layer.

上述したように、電解質膜(固体高分子電解質膜)またはガス拡散層基材(ガス拡散層)の表面に触媒層を形成した後、得られた積層体をそのまま膜電極接合体の製造に利用することができる。あるいは、基材としてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)[テフロン(登録商標)]シート等の剥離可能な基材を使用し、基材上に触媒層を形成した後に基材から触媒層部分を剥離することにより、触媒層を得てもよい。 As described above, after forming a catalyst layer on the surface of an electrolyte membrane (solid polymer electrolyte membrane) or a gas diffusion layer base material (gas diffusion layer), the obtained laminate is used as it is for manufacturing a membrane electrode assembly. can do. Alternatively, a peelable base material such as a polytetrafluoroethylene (PTFE) [Teflon (registered trademark)] sheet is used as the base material, the catalyst layer is formed on the base material, and then the catalyst layer portion is peeled off from the base material. Thereby, a catalyst layer may be obtained.

(膜電極接合体)
本発明のさらなる実施形態によれば、上記燃料電池用電極触媒層を含む、燃料電池用膜電極接合体が提供される。すなわち、固体高分子電解質膜2、電解質膜の一方の側に配置されたカソード触媒層3cと、電解質膜の他方の側に配置されたアノード触媒層3aと、電解質膜2並びに前記アノード触媒層3a及びカソード触媒層3cを挟持する一対のガス拡散層(4a,4c)とを有する燃料電池用膜電極接合体が提供される。そしてこの膜電極接合体において、カソード触媒層およびアノード触媒層の少なくとも一方が上記に記載した実施形態の触媒層である。
(Membrane electrode assembly)
According to a further embodiment of the present invention, there is provided a fuel cell membrane electrode assembly including the fuel cell electrode catalyst layer. That is, the solid polymer electrolyte membrane 2, the cathode catalyst layer 3c arranged on one side of the electrolyte membrane, the anode catalyst layer 3a arranged on the other side of the electrolyte membrane, the electrolyte membrane 2, and the anode catalyst layer 3a. And a membrane electrode junction for a fuel cell having a pair of gas diffusion layers (4a, 4c) sandwiching the cathode catalyst layer 3c are provided. In this membrane electrode assembly, at least one of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer is the catalyst layer of the embodiment described above.

ただし、プロトン伝導性の向上および反応ガス(特にO)の輸送特性(ガス拡散性)の向上の必要性を考慮すると、少なくともカソード触媒層が上記に記載した実施形態の触媒層であることが好ましい。ただし、上記形態に係る触媒層は、アノード触媒層として用いてもよいし、カソード触媒層およびアノード触媒層双方として用いてもよいなど、特に制限されるものではない。 However, considering the necessity of improving the proton conductivity and the transport characteristics (gas diffusivity) of the reaction gas (particularly O 2 ), at least the cathode catalyst layer may be the catalyst layer of the embodiment described above. preferable. However, the catalyst layer according to the above embodiment is not particularly limited, such as being used as an anode catalyst layer or being used as both a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer.

膜電極接合体の作製方法としては、特に制限されず、従来公知の方法を使用できる。例えば、上記したように電解質膜に触媒層をホットプレスで転写または塗布し、これを乾燥したものに、ガス拡散層を接合する方法や、ガス拡散層のマイクロポーラス層側(マイクロポーラス層を含まない場合には、基材層)の片面に触媒層を予め塗布して乾燥することによりガス拡散電極(GDE)を2枚作製し、固体高分子電解質膜の両面にこのガス拡散電極をホットプレスで接合する方法を使用することができる。ホットプレス等の塗布、接合条件は、固体高分子電解質膜や触媒層内の高分子電解質の種類(パーフルオロスルホン酸系や炭化水素系)によって適宜調整すればよい。 The method for producing the membrane electrode assembly is not particularly limited, and a conventionally known method can be used. For example, as described above, a method of transferring or applying a catalyst layer to an electrolyte membrane by hot pressing and joining the gas diffusion layer to the dried material, or the microporous layer side of the gas diffusion layer (including the microporous layer). If not, two gas diffusion electrodes (GDE) are prepared by applying a catalyst layer on one side of the base material layer in advance and drying, and hot pressing the gas diffusion electrodes on both sides of the solid polymer electrolyte membrane. The method of joining with can be used. The coating and bonding conditions of hot press or the like may be appropriately adjusted depending on the type of the polymer electrolyte (perfluorosulfonic acid type or hydrocarbon type) in the solid polymer electrolyte membrane or the catalyst layer.

(燃料電池)
本発明のさらなる実施形態によれば、上記形態の膜電極接合体を有する燃料電池が提供される。すなわち、本発明の一実施形態は、上記形態の膜電極接合体を挟持する一対のアノードセパレータおよびカソードセパレータを有する燃料電池である。
(Fuel cell)
According to a further embodiment of the present invention, there is provided a fuel cell having the membrane electrode assembly of the above-described embodiment. That is, one embodiment of the present invention is a fuel cell having a pair of anode separators and a cathode separator that sandwich the membrane electrode assembly of the above embodiment.

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

燃料電池の製造方法は、特に制限されることなく、燃料電池の分野において従来公知の知見が適宜参照されうる。 The method for manufacturing a fuel cell is not particularly limited, and conventionally known findings in the field of fuel cells can be appropriately referred to.

さらに、燃料電池が所望する電圧を発揮できるように、セパレータを介して膜電極接合体を複数積層して直列に繋いだ構造の燃料電池スタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。 Further, a fuel cell stack having a structure in which a plurality of membrane electrode assemblies are laminated via a separator and connected in series may be formed so that the fuel cell can exhibit a desired voltage. The shape of the fuel cell and the like are not particularly limited, and may be appropriately determined so as to obtain battery characteristics such as a desired voltage.

上述したPEFCや膜電極接合体は、ドライ条件下およびウェット条件下の双方の発電性能に優れる触媒層を用いている。したがって、当該PEFCや膜電極接合体は発電性能に優れる。 The PEFC and the membrane electrode assembly described above use a catalyst layer having excellent power generation performance under both dry and wet conditions. Therefore, the PEFC and the membrane electrode assembly are excellent in power generation performance.

本実施形態のPEFCやこれを用いた燃料電池スタックは、例えば、車両に駆動用電源として搭載されうる。 The PEFC of the present embodiment and the fuel cell stack using the PEFC can be mounted on a vehicle, for example, as a driving power source.

本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。実施例において「部」あるいは「%」の表示を用いる場合があるが、特に断りがない限り、「重量部」あるいは「重量%」を表す。また、特記しない限り、各操作は、室温(25℃)で行われる。 The effects of the present invention will be described with reference to the following examples and comparative examples. In the examples, the display of "parts" or "%" may be used, but unless otherwise specified, it represents "parts by weight" or "% by weight". Unless otherwise specified, each operation is performed at room temperature (25 ° C.).

(実施例1)
(電極触媒の製造)
触媒担体Aとして、BET比表面積が790m/g、一次平均粒子径が約40nmである、ケッチェンブラックEC300J(ケッチェンブラックインターナショナル株式会社製)を準備した。この触媒担体Aに、触媒金属として平均粒子径2.5nmの白金(Pt)を担持率が50重量%となるように担持させて、触媒粉末Aを得た。すなわち、白金濃度4.6重量%のジニトロジアンミン白金硝酸溶液を1000g(白金含有量:46g)に担体Aを46g浸漬させ攪拌後、還元剤として100%エタノールを100ml添加した。この溶液を沸点で7時間、攪拌、混合し、白金を触媒担体Aに担持させた。そして、濾過、乾燥することにより、担体に対する担持率が50重量%の触媒粉末を得た。その後、水素雰囲気において、温度900℃に1時間保持し、電極触媒Iを得た。下記粒径分布計測条件によって測定された電極触媒Iのピーク粒子径は13.2μmであった。
(Example 1)
(Manufacturing of electrode catalyst)
As the catalyst carrier A, Ketjen Black EC300J (manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd.) having a BET specific surface area of 790 m 2 / g and a primary average particle size of about 40 nm was prepared. A catalyst powder A was obtained by supporting platinum (Pt) having an average particle diameter of 2.5 nm as a catalyst metal on the catalyst carrier A so that the loading ratio was 50% by weight. That is, 46 g of carrier A was immersed in 1000 g (platinum content: 46 g) of a dinitrodiammine platinum nitric acid solution having a platinum concentration of 4.6% by weight, and after stirring, 100 ml of 100% ethanol was added as a reducing agent. This solution was stirred and mixed at boiling point for 7 hours, and platinum was supported on the catalyst carrier A. Then, by filtering and drying, a catalyst powder having a loading ratio of 50% by weight on the carrier was obtained. Then, in a hydrogen atmosphere, the temperature was maintained at 900 ° C. for 1 hour to obtain an electrode catalyst I. The peak particle size of the electrode catalyst I measured under the following particle size distribution measurement conditions was 13.2 μm.

(電極触媒混合物の製造)
電極触媒I 100重量部および精製水500重量部を自公転式ミキサー(あわとり練太郎(登録商標) AR−250、シンキー社製)を用いて、自転:200回転/分、公転:400回転/分にて、2分間混合した。
(Manufacturing of electrode catalyst mixture)
Using a self-revolving mixer (Awatori Rentaro (registered trademark) AR-250, manufactured by Shinky Co., Ltd.) for 100 parts by weight of the electrode catalyst I and 500 parts by weight of purified water, the rotation: 200 rotations / minute, the revolution: 400 rotations / In minutes, mixed for 2 minutes.

その後、ミックスローター(転倒攪拌型攪拌機)(BR−2、アズワン社製)で24時間、回転数:2回転/分で攪拌して電極触媒混合物A−1を得た。攪拌後の電極触媒混合物A−1は、ピーク粒子径が9.2μm、粒子径が1μm以下の累積体積分率が2.9%であった。ゆえに、分散媒接触前のピーク粒子径を100とした場合の接触維持後の電極触媒のピーク粒子径は、69.3であった。 Then, the mixture was stirred with a mix rotor (overturning stirring type stirrer) (BR-2, manufactured by AS ONE) for 24 hours at a rotation speed of 2 rotations / minute to obtain an electrode catalyst mixture A-1. The electrode catalyst mixture A-1 after stirring had a peak particle diameter of 9.2 μm and a cumulative volume fraction of 2.9% with a particle diameter of 1 μm or less. Therefore, when the peak particle size before contact with the dispersion medium was 100, the peak particle size of the electrode catalyst after maintaining contact was 69.3.

なお、上記撹拌は、攪拌に伴う溶媒の蒸発を防ぐため系を密閉して行った。以下の実施例および比較例も同様である。 The above stirring was performed by sealing the system in order to prevent evaporation of the solvent accompanying the stirring. The same applies to the following examples and comparative examples.

また、粒径測定条件は以下のとおりである。 The particle size measurement conditions are as follows.

(粒径測定条件)
電極触媒の分散媒による分散液を、2−プロパノールで固形分濃度が1.0重量%になるように希釈して、サンプルを調製した。次に、このサンプルについて、下記粒径分布計測条件にて、粒径分布を計測した。得られた粒径分布(粒径−体積分率頻度曲線)に基づいて、粒子径が1μm以下の累積体積分率を求めた。
(Particle size measurement conditions)
A sample was prepared by diluting the dispersion liquid with the dispersion medium of the electrode catalyst with 2-propanol so that the solid content concentration became 1.0% by weight. Next, the particle size distribution of this sample was measured under the following particle size distribution measurement conditions. Based on the obtained particle size distribution (particle size-volume fraction frequency curve), the cumulative volume fraction having a particle size of 1 μm or less was obtained.

(粒径分布計測条件)
手法:レーザー回折・散乱法
装置名:MT3000II(マイクロトラックベル製)
(実施例2)
ミックスローター(BR−2、アズワン製)の攪拌時間を24時間から72時間に変更したこと以外は、実施例1と同様にして電極触媒混合物A−2を得た。攪拌後の電極触媒混合物A−2は、ピーク粒子径が8.0μm、粒子径が1μm以下の累積体積分率が3.7%であった。ゆえに、分散媒接触前のピーク粒子径を100とした場合の接触維持後の電極触媒のピーク粒子径は、60.6であった。
(Particle size distribution measurement conditions)
Method: Laser diffraction / scattering method Device name: MT3000II (manufactured by Microtrac Bell)
(Example 2)
An electrode catalyst mixture A-2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the stirring time of the mix rotor (BR-2, manufactured by AS ONE) was changed from 24 hours to 72 hours. The electrode catalyst mixture A-2 after stirring had a peak particle diameter of 8.0 μm and a cumulative volume fraction of 3.7% or less having a particle diameter of 1 μm or less. Therefore, when the peak particle size before the contact with the dispersion medium was 100, the peak particle size of the electrode catalyst after the contact was maintained was 60.6.

(実施例3)
ミックスローター(BR−2、アズワン製)の攪拌時間を24時間から120時間に変更したこと以外は、実施例1と同様にして電極触媒混合物A−3を得た。攪拌後の電極触媒混合物A−3は、ピーク粒子径が7.6μm、粒子径が1μm以下の累積体積分率が5.6%であった。ゆえに、分散媒接触前のピーク粒子径を100とした場合の接触維持後の電極触媒のピーク粒子径は、57.6であった。
(Example 3)
An electrode catalyst mixture A-3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the stirring time of the mix rotor (BR-2, manufactured by AS ONE) was changed from 24 hours to 120 hours. The electrode catalyst mixture A-3 after stirring had a peak particle diameter of 7.6 μm and a cumulative volume fraction of 5.6% with a particle diameter of 1 μm or less. Therefore, when the peak particle size before the contact with the dispersion medium was 100, the peak particle size of the electrode catalyst after the contact was maintained was 57.6.

(実施例4)
ミックスローター(BR−2、アズワン製)の攪拌時間を24時間から168時間に変更したこと以外は、実施例1と同様にして電極触媒混合物A−4を得た。攪拌後の電極触媒混合物A−4は、ピーク粒子径が8.7μm、粒子径が1μm以下の累積体積分率が5.0%であった。ゆえに、分散媒接触前のピーク粒子径を100とした場合の接触維持後の電極触媒のピーク粒子径は、65.9であった。
(Example 4)
An electrode catalyst mixture A-4 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the stirring time of the mix rotor (BR-2, manufactured by AS ONE) was changed from 24 hours to 168 hours. The electrode catalyst mixture A-4 after stirring had a peak particle size of 8.7 μm and a cumulative volume fraction of 5.0% or less having a particle size of 1 μm or less. Therefore, when the peak particle size before contact with the dispersion medium was 100, the peak particle size of the electrode catalyst after maintaining contact was 65.9.

(実施例5)
自公転式ミキサーによる予備混合を行わなかったこと以外は、実施例1と同様にして電極触媒混合物A−5を得た。攪拌後の電極触媒混合物A−5は、ピーク粒子径が13.6μm、粒子径が1μm以下の累積体積分率が3.1%であった。ゆえに、分散媒接触前のピーク粒子径を100とした場合の接触維持後の電極触媒のピーク粒子径は、103.0であった。
(Example 5)
An electrode catalyst mixture A-5 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the premixing was not performed by the revolving mixer. The electrode catalyst mixture A-5 after stirring had a peak particle diameter of 13.6 μm and a cumulative volume fraction of 3.1% or less having a particle diameter of 1 μm or less. Therefore, when the peak particle size before contact with the dispersion medium was 100, the peak particle size of the electrode catalyst after maintaining contact was 103.0.

(実施例6)
ミックスローター(BR−2、アズワン製)の攪拌時間を24時間から96時間に変更したこと以外は、実施例5と同様にして電極触媒混合物A−6を得た。攪拌後の電極触媒混合物A−6は、ピーク粒子径が10.4μm、粒子径が1μm以下の累積体積分率が5.4%であった。ゆえに、分散媒接触前のピーク粒子径を100とした場合の接触維持後の電極触媒のピーク粒子径は、78.7であった。
(Example 6)
An electrode catalyst mixture A-6 was obtained in the same manner as in Example 5 except that the stirring time of the mix rotor (BR-2, manufactured by AS ONE) was changed from 24 hours to 96 hours. The electrode catalyst mixture A-6 after stirring had a peak particle diameter of 10.4 μm and a cumulative volume fraction of 5.4% with a particle diameter of 1 μm or less. Therefore, when the peak particle size before the contact with the dispersion medium was 100, the peak particle size of the electrode catalyst after the contact was maintained was 78.7.

(実施例7)
ミックスローター(BR−2、アズワン製)の攪拌時間を24時間から168時間に変更したこと以外は、実施例5と同様にして電極触媒混合物A−7を得た。攪拌後の電極触媒混合物A−7は、ピーク粒子径が9.9μm、粒子径が1μm以下の累積体積分率が4.8%であった。ゆえに、分散媒接触前のピーク粒子径を100とした場合の接触維持後の電極触媒のピーク粒子径は、75.0であった。
(Example 7)
An electrode catalyst mixture A-7 was obtained in the same manner as in Example 5 except that the stirring time of the mix rotor (BR-2, manufactured by AS ONE) was changed from 24 hours to 168 hours. The electrode catalyst mixture A-7 after stirring had a peak particle diameter of 9.9 μm and a cumulative volume fraction of 4.8% having a particle diameter of 1 μm or less. Therefore, when the peak particle size before the contact with the dispersion medium was 100, the peak particle size of the electrode catalyst after the contact was maintained was 75.0.

(比較例1)
(電極触媒の製造)
実施例1と同様にして電極触媒Iを得た。
(Comparative Example 1)
(Manufacturing of electrode catalyst)
The electrode catalyst I was obtained in the same manner as in Example 1.

(組成物Aの製造)
電極触媒I 100重量部および精製水500重量部を自公転式ミキサー(AR−250、シンキー社製)を用いて、自転:200回転/分、公転:400回転/分にて、2分間混合して、組成物A−8を得た。攪拌後の組成物A−8は、ピーク粒子径が13.2μm、粒子径が1μm以下の累積体積分率が0%であった。ゆえに、分散媒接触前のピーク粒子径を100とした場合の予備混合後の電極触媒のピーク粒子径は、100であった。
(Production of Composition A)
100 parts by weight of the electrode catalyst I and 500 parts by weight of purified water are mixed for 2 minutes at a rotation speed of 200 rpm and a revolution of 400 revolutions / minute using a rotation type mixer (AR-250, manufactured by Shinky Co., Ltd.). The composition A-8 was obtained. The composition A-8 after stirring had a peak particle diameter of 13.2 μm and a cumulative volume fraction of 0% with a particle diameter of 1 μm or less. Therefore, when the peak particle size before contact with the dispersion medium was 100, the peak particle size of the electrode catalyst after premixing was 100.

上記実施例1〜7では、電極触媒に水を長時間浸漬する、具体的には24時間以上浸漬することで、粒子径が1μm以下の累積体積分率が0%超となった。また、実施例1および5の比較により、予備混合を行うことで、分散媒接触前のピーク粒子径を100とした場合の接触維持後の電極触媒のピーク粒子径が小さくなることがわかる。これは予備混合により触媒間に水がより浸透し、その後の工程において触媒が解砕されやすくなるためであると考えられる。 In Examples 1 to 7, the cumulative volume fraction having a particle size of 1 μm or less became more than 0% by immersing the electrode catalyst in water for a long time, specifically, immersing it for 24 hours or more. Further, by comparing Examples 1 and 5, it can be seen that the peak particle diameter of the electrode catalyst after the contact is maintained becomes smaller when the peak particle diameter before the contact with the dispersion medium is set to 100 by performing the premixing. It is considered that this is because water permeates more between the catalysts due to the premixing, and the catalysts are easily crushed in the subsequent steps.

一方、比較例1では、電極触媒および水の予備混合のみを行い、水による長時間の浸漬を行っていないため、粒子径が1μm以下の累積体積分率が0%となった。 On the other hand, in Comparative Example 1, since only the electrode catalyst and water were premixed and not immersed in water for a long time, the cumulative volume fraction having a particle size of 1 μm or less was 0%.

(実施例8)
実施例3で得られた組成物A−3に、高分子電解質としてのアイオノマー分散液(Nafion(登録商標)D2020,EW=1100g/mol、DuPont社製)を、カーボン担体に対する電解質(アイオノマー)の重量比(I/C比)が0.9となるよう混合した。次に、上記混合物を、溶媒としてn−プロピルアルコール(NPA)水溶液(水:NPA=6:4(重量比))を固形分率(Pt+触媒担体+高分子電解質)が7重量%となるよう添加して触媒インクを作製した。
(Example 8)
In the composition A-3 obtained in Example 3, an ionomer dispersion as a polymer electrolyte (Nafion (registered trademark) D2020, EW = 1100 g / mol, manufactured by DuPont) was added to the electrolyte (ionomer) for a carbon carrier. The mixture was mixed so that the weight ratio (I / C ratio) was 0.9. Next, using the above mixture as a solvent, an aqueous solution of n-propyl alcohol (NPA) (water: NPA = 6: 4 (weight ratio)) is used so that the solid content (Pt + catalyst carrier + polymer electrolyte) is 7% by weight. Addition was made to prepare a catalytic ink.

高分子電解質膜(Dupont社製、Nafion(登録商標)NR211、厚み:25μm)の両面の周囲にガスケット(帝人デュポンフィルム株式会社製、テオネックス(登録商標)、厚み:25μm(接着層:2710μm))を配置した。次いで、高分子電解質膜の片面の露出部に、上記触媒インクをスプレー塗布法により、5cm×2cmのサイズに塗布した。スプレー塗布を行うステージを60℃に10分間保つことで触媒インクを乾燥し、電極触媒層を得た。このときの白金担持量は0.35mg/cmであった。また、触媒層の厚さは10μmであった。次に、上記と同様にして、電解質膜の他方面上にスプレー塗布および乾燥処理を行うことで、電解質膜の両面に触媒層を形成してなる膜電極接合体を得た。 Gasket around both sides of the polymer electrolyte membrane (DuPont, Nafion® NR211; thickness: 25 μm) (Teijin DuPont Film Co., Ltd., Theonex®, thickness: 25 μm (adhesive layer: 2710 μm)) Was placed. Next, the catalyst ink was applied to an exposed portion on one side of the polymer electrolyte membrane by a spray coating method to a size of 5 cm × 2 cm. The catalyst ink was dried by keeping the stage for spray coating at 60 ° C. for 10 minutes to obtain an electrode catalyst layer. The amount of platinum supported at this time was 0.35 mg / cm 2 . The thickness of the catalyst layer was 10 μm. Next, in the same manner as described above, a membrane electrode assembly was obtained in which catalyst layers were formed on both sides of the electrolyte membrane by spray coating and drying treatment on the other surface of the electrolyte membrane.

(比較例2)
比較例1で得られた組成物A−8を用いたこと以外は実施例8と同様にして膜電極接合体を得た。
(Comparative Example 2)
A membrane electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 8 except that the composition A-8 obtained in Comparative Example 1 was used.

実施例8および比較例2で得られた膜電極接合体を用いて、以下の発電性能試験およびプロトン輸送抵抗試験を行った。 The following power generation performance test and proton transport resistance test were performed using the membrane electrode assembly obtained in Example 8 and Comparative Example 2.

(発電性能試験1:Dry条件)
発電は、アノードに純水素、カソードに空気(両方とも大気圧)を供給して行なった。発電条件は、セル温度80℃、アノードガス相対湿度40%、カソードガス相対湿度40%とした。上記条件下にて、I−V性能を測定した。
(Power generation performance test 1: Dry condition)
Power was generated by supplying pure hydrogen to the anode and air (both atmospheric pressure) to the cathode. The power generation conditions were a cell temperature of 80 ° C., an anode gas relative humidity of 40%, and a cathode gas relative humidity of 40%. The IV performance was measured under the above conditions.

(発電性能試験2:Wet条件)
発電は、アノードに純水素、カソードに空気(両方とも大気圧)を供給して行なった。発電条件は、セル温度80℃、アノードガス相対湿度100%、カソードガス相対湿度100%とした。上記条件下にて、I−V性能を測定した。
(Power generation performance test 2: Wet condition)
Power was generated by supplying pure hydrogen to the anode and air (both atmospheric pressure) to the cathode. The power generation conditions were a cell temperature of 80 ° C., an anode gas relative humidity of 100%, and a cathode gas relative humidity of 100%. The IV performance was measured under the above conditions.

Dry条件およびWet条件での電流密度1A/cmにおける実施例および比較例のセル電圧(IR−free)を下記表1に示す。 Table 1 below shows the cell voltages (IR-free) of Examples and Comparative Examples at a current density of 1 A / cm 2 under Dry and Wet conditions.

Figure 0006988143
Figure 0006988143

(プロトン輸送抵抗試験)
電気化学インピーダンス分光法により、計測した。なお、使用機器としては、北斗電工株式会社製、電気化学測定システムHZ−3000と、株式会社エヌエフ回路設計ブロック製、周波数応答分析器FRA5020と、を用い下記表2の測定条件により評価を行った。結果を図3に示す。
(Proton transport resistance test)
It was measured by electrochemical impedance spectroscopy. As the equipment used, the electrochemical measurement system HZ-3000 manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd. and the frequency response analyzer FRA5020 manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd. were used for evaluation according to the measurement conditions in Table 2 below. .. The results are shown in FIG.

Figure 0006988143
Figure 0006988143

本発明の製造方法により得られた、また本発明の電極触媒混合物を用いて得られた電極触媒層を用いて作製した膜電極接合体は、ウェット条件およびドライ条件のいずれにおいても電池性能に優れたものであり、また、プロトン輸送性にも優れたものであった。 The membrane electrode assembly obtained by the production method of the present invention and manufactured by using the electrode catalyst layer obtained by using the electrode catalyst mixture of the present invention is excellent in battery performance under both wet and dry conditions. It was also excellent in proton transportability.

1…固体高分子形燃料電池(PEFC)、
2…固体高分子電解質膜、
3…触媒層、
3a…アノード触媒層、
3c…カソード触媒層、
4a…アノードガス拡散層、
4c…カソードガス拡散層、
5、…セパレータ、
5a…アノードセパレータ、
5c…カソードセパレータ、
6a…アノードガス流路、
6c…カソードガス流路、
7…冷媒流路、
10…膜電極接合体(MEA)。
1 ... Polymer electrolyte fuel cell (PEFC),
2 ... Solid polyelectrolyte membrane,
3 ... catalyst layer,
3a ... Anode catalyst layer,
3c ... Cathode catalyst layer,
4a ... Anode gas diffusion layer,
4c ... Cathode gas diffusion layer,
5, ... Separator,
5a ... Anode separator,
5c ... Cathode separator,
6a ... Anode gas flow path,
6c ... Cathode gas flow path,
7 ... Refrigerant flow path,
10 ... Membrane electrode assembly (MEA).

Claims (10)

触媒担体および前記触媒担体に担持される触媒金属からなる電極触媒と、水を主成分とする分散媒と、を接触させ、
その後、さらに高分子電解質を混合して組成物を得、
前記組成物を用いて触媒層を形成する、ことを有し、
前記接触は、電極触媒の粒子径1μm以下の累積体積分率が2.5%以上になるまで維持する、燃料電池用触媒層の製造方法。
An electrode catalyst made of a catalyst carrier and a catalyst metal supported on the catalyst carrier and a dispersion medium containing water as a main component are brought into contact with each other.
Then, the polymer electrolyte was further mixed to obtain a composition.
It has the ability to form a catalyst layer using the composition.
The method for producing a catalyst layer for a fuel cell, wherein the contact is maintained until the cumulative volume fraction of the electrode catalyst having a particle diameter of 1 μm or less is 2.5% or more.
前記接触の維持は24時間以上行う、請求項1に記載の燃料電池用触媒層の製造方法。 The method for manufacturing a catalyst layer for a fuel cell according to claim 1, wherein the contact is maintained for 24 hours or more. 前記分散媒との接触前の電極触媒のピーク粒子径を100とした場合に、電極触媒のピーク粒子径が95以下になるまで前記接触を維持する、請求項1または2に記載の燃料電池用触媒層の製造方法。 The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein when the peak particle size of the electrode catalyst before contact with the dispersion medium is 100, the contact is maintained until the peak particle size of the electrode catalyst becomes 95 or less. Method for manufacturing catalyst layer. 前記接触の維持は、転倒回転型撹拌機を用いた攪拌下にて行う、請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒層の製造方法。 The method for manufacturing a catalyst layer for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the contact is maintained under stirring using an overturning rotary stirrer. 前記接触の維持の前に自転・公転型攪拌機によって予備混合を行う、請求項4に記載の燃料電池用触媒層の製造方法。 The method for manufacturing a catalyst layer for a fuel cell according to claim 4, wherein premixing is performed by a rotating / revolving stirrer before maintaining the contact. 前記分散媒が水である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒層の製造方法。 The method for producing a catalyst layer for a fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the dispersion medium is water. 前記触媒担体が炭素材料である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒層の製造方法。 The method for producing a catalyst layer for a fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the catalyst carrier is a carbon material. 触媒担体および前記触媒担体に担持される触媒金属からなる電極触媒と、水を主成分とする分散媒とを含む電極触媒混合物(ただし、高分子電解質を含まない)であって、
前記電極触媒の粒子径1μm以下の累積体積分率が2.5%以上である、電極触媒混合物。
An electrode catalyst mixture containing an electrode catalyst composed of a catalyst carrier and a catalyst metal supported on the catalyst carrier and a dispersion medium containing water as a main component (however, it does not contain a polymer electrolyte).
An electrode catalyst mixture having a cumulative volume fraction of 2.5% or more with a particle diameter of 1 μm or less of the electrode catalyst.
前記分散媒が水である、請求項8に記載の電極触媒混合物。 The electrode catalyst mixture according to claim 8, wherein the dispersion medium is water. 前記触媒担体が炭素材料である、請求項8または9に記載の電極触媒混合物。
The electrode catalyst mixture according to claim 8 or 9, wherein the catalyst carrier is a carbon material.
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