JP7131274B2 - Membrane electrode assembly for fuel cell and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池用膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて、触媒を含む電極で水の電気分解の逆反応を起こさせ、熱と同時に電気を生み出す発電システムである。この発電システムは、従来の発電方式と比較して高効率で低環境負荷、低騒音などの特徴を有し、将来のクリーンなエネルギー源として注目されている。燃料電池は、用いるイオン伝導体の種類によってタイプがいくつかあり、プロトン伝導性高分子膜を用いた燃料電池は、固体高分子形燃料電池と呼ばれる。 A fuel cell is a power generation system that uses a hydrogen-containing fuel gas and an oxygen-containing oxidant gas to cause the reverse reaction of electrolysis of water at electrodes containing a catalyst to generate heat and electricity at the same time. This power generation system has features such as high efficiency, low environmental load, and low noise compared to conventional power generation systems, and is attracting attention as a future clean energy source. There are several types of fuel cells depending on the type of ion conductor used, and a fuel cell using a proton-conducting polymer membrane is called a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池のなかでも固体高分子形燃料電池は、室温付近で使用可能なことから、車載用電源や家庭据置用電源などへの使用が有望視されており、近年、様々な研究開発が行われている。固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜の両面に一対の電極触媒層を配置させた膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:以下、MEAと称すことがある)を、一対のセパレータで挟持した電池である。
一方のセパレータには、電極の一方に水素を含有する燃料ガスを供給するためのガス流路が形成されており、他方のセパレータには、電極の他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのガス流路が形成されている。
Among fuel cells, polymer electrolyte fuel cells are expected to be used as power sources for automobiles and homes because they can be used at around room temperature. ing. A polymer electrolyte fuel cell has a membrane electrode assembly (membrane electrode assembly: hereinafter sometimes referred to as MEA) in which a pair of electrode catalyst layers are arranged on both sides of a polymer electrolyte membrane, sandwiched between a pair of separators. Battery.
One separator is formed with a gas flow path for supplying a hydrogen-containing fuel gas to one of the electrodes, and the other separator is formed for supplying an oxygen-containing oxidant gas to the other electrode. of gas flow paths are formed.

ここで、燃料ガスが供給される上述した一方の電極を燃料極、酸化剤ガスが供給される上述した他方の電極を空気極とする。これらの電極は、高分子電解質、白金系の貴金属などの触媒を担持したカーボン粒子(触媒担持粒子)を有する電極触媒層、及びガス通気性と電子伝導性とを兼ね備えたガス拡散層を備えている。これらの電極を構成するガス拡散層は、セパレータと対向するように、すなわち電極触媒層とセパレータとの間に配置される。 Here, the one electrode to which the fuel gas is supplied is the fuel electrode, and the other electrode to which the oxidant gas is supplied is the air electrode. These electrodes comprise a polymer electrolyte, an electrode catalyst layer having carbon particles (catalyst-carrying particles) supporting a catalyst such as a platinum-based noble metal, and a gas diffusion layer having both gas permeability and electronic conductivity. there is The gas diffusion layers that make up these electrodes are arranged so as to face the separator, that is, between the electrode catalyst layer and the separator.

電極触媒層に対しては、燃料電池の出力密度を向上させるため、ガス拡散性を高める取り組みがなされてきた。その一つが電極触媒層中の細孔に関するものである。電極触媒層中の細孔は、セパレータからガス拡散層を通じた先に位置し、複数の物質を輸送する通路の役割を果たす。細孔は、燃料極では、酸化還元の反応場である三相界面に燃料ガスを円滑に供給するだけでなく、生成したプロトンを高分子電解質膜内で円滑に伝導させるための水を供給する機能を果たす。細孔は、空気極では、酸化剤ガスの供給と共に、電極反応で生成した水を円滑に除去する機能を果たす。 Efforts have been made to improve the gas diffusibility of the electrode catalyst layer in order to improve the power density of the fuel cell. One of them relates to pores in the electrode catalyst layer. Pores in the electrode catalyst layer are located beyond the separator through the gas diffusion layer and serve as passageways for transporting multiple substances. In the fuel electrode, the pores not only smoothly supply the fuel gas to the three-phase interface, which is the redox reaction field, but also supply water to smoothly conduct the generated protons in the polymer electrolyte membrane. fulfill a function. In the air electrode, the pores fulfill the function of smoothly removing the water produced by the electrode reaction as well as the supply of the oxidant gas.

また、固体高分子形燃料電池の実用化に向けての課題としては、出力密度や耐久性の向上などが挙げられるが、最大の課題は低コスト化(コスト削減)である。
この低コスト化の手段の一つに、加湿器の削減が挙げられる。膜電極接合体の中心に位置する高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸膜や炭化水素系膜が広く用いられている。そして、優れたプロトン伝導性を得るためには飽和水蒸気圧雰囲気に近い水分管理が必要とされており、現在、加湿器によって外部から水分供給を行っている。
これに対し、低消費電力やシステムの簡略化のために、加湿器を必要としないような、低加湿条件下であっても、十分なプロトン伝導性を示す高分子電解質膜の開発が進められている。
In addition, while the challenges for commercialization of polymer electrolyte fuel cells include improvements in output density and durability, the biggest challenge is cost reduction (cost reduction).
One of the means for this cost reduction is the reduction of humidifiers. Perfluorosulfonic acid membranes and hydrocarbon-based membranes are widely used for the polymer electrolyte membrane positioned at the center of the membrane electrode assembly. In order to obtain excellent proton conductivity, it is necessary to manage moisture close to the saturated water vapor pressure atmosphere, and at present, moisture is supplied from the outside using a humidifier.
On the other hand, in order to reduce power consumption and simplify the system, development of a polymer electrolyte membrane that exhibits sufficient proton conductivity even under low humidification conditions, such as not requiring a humidifier, has been promoted. ing.

例えば、特許文献1に記載のように、低加湿条件下における燃料電池の保水性を向上させるため、例えば、電極触媒層とガス拡散層の間に、湿度調整フィルムを挟み込む方法が提案されている。特許文献1には、導電性炭素質粉末とポリテトラフルオロエチレンから構成された湿度調整フィルムが、湿度調節機能を示してドライアップを防止する方法が記載されている。
また、特許文献2には、高分子電解質膜と接する触媒電極層の表面に溝を設ける方法が記載されている。この方法では、触媒電極層の表面に0.1~0.3mmの幅を有する溝を形成することで、低加湿条件下における発電性能の低下を抑制している。
For example, as described in Patent Document 1, a method of sandwiching a humidity control film between an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer has been proposed in order to improve the water retentivity of a fuel cell under low humidity conditions. . Patent Literature 1 describes a method for preventing dry-up by exhibiting a humidity control function with a humidity control film composed of conductive carbonaceous powder and polytetrafluoroethylene.
Further, Patent Document 2 describes a method of forming grooves on the surface of a catalyst electrode layer that contacts a polymer electrolyte membrane. In this method, a groove having a width of 0.1 to 0.3 mm is formed on the surface of the catalyst electrode layer, thereby suppressing deterioration in power generation performance under low humidity conditions.

しかしながら、保水性を高めた電極触媒層では、多くの生成水が生じる高電流域においては、燃料極及び空気極における物質輸送の妨げにより発電反応が停止又は低下する、いわゆる「フラッディング」と呼ばれる現象が発生する問題がある。これを防止するため、これまで排水性を高める構成が検討されてきた(例えば、特許文献3、特許文献4、特許文献5、特許文献6参照)。
しかし、これらの方法で得られた電極触媒層を用いた燃料電池には、発電性能や耐久性の点で改善の余地がある。また、これらの方法は煩雑であり、電極触媒層の製造コストが高いという問題点もある。
However, in an electrode catalyst layer with enhanced water retention, in a high current region where a large amount of water is generated, the power generation reaction is stopped or reduced due to obstruction of material transport at the fuel electrode and the air electrode, a phenomenon called "flooding". There is a problem that occurs. In order to prevent this, constructions that improve drainage have been studied (see, for example, Patent Documents 3, 4, 5, and 6).
However, fuel cells using electrode catalyst layers obtained by these methods have room for improvement in terms of power generation performance and durability. Moreover, these methods are complicated, and there is also the problem that the manufacturing cost of the electrode catalyst layer is high.

特開2006-252948号公報JP 2006-252948 A 特開2007-141588号公報JP 2007-141588 A 特開2006-120506号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-120506 特開2006-332041号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-332041 特開2007-87651号公報JP-A-2007-87651 特開2007-80726号公報JP-A-2007-80726

本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、低加湿条件下での保水性を阻害せずに、多くの生成水が生じる高電流域における排水性が改善され、また、高加湿条件下でも高い発電性能と耐久性を示す燃料電池用膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made with a focus on the above points, and improves drainage in a high current region where a lot of water is generated without impeding water retention under low humidification conditions, and An object of the present invention is to provide a fuel cell membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell that exhibit high power generation performance and durability even under highly humidified conditions.

課題を解決するために、本発明の一態様の燃料電池用膜電極接合体は、高分子電解質膜と、上記高分子電解質膜を挟持する一対の電極触媒層と、を備え、上記一対の電極触媒層の少なくとも一方は、疎水性被膜を備えた触媒担持粒子と、高分子電解質と、平均繊維径が10nm以上300nm以下の繊維状物質と、を含み、上記繊維状物質の質量は、上記触媒担持粒子における担体の質量の0.2倍以上1.0倍以下であることを要旨とする。 In order to solve the problem, a fuel cell membrane electrode assembly according to one aspect of the present invention includes a polymer electrolyte membrane and a pair of electrode catalyst layers sandwiching the polymer electrolyte membrane. At least one of the catalyst layers contains catalyst-carrying particles with a hydrophobic coating, a polymer electrolyte, and a fibrous material having an average fiber diameter of 10 nm or more and 300 nm or less, and the mass of the fibrous material is the catalyst The gist is that it is 0.2 to 1.0 times the mass of the carrier in the carrier particles.

本発明の一態様の膜電極接合体によれば、電極反応で生成した水の除去などを阻害せずに保水性を高め、低加湿条件下でも高い発電特性を示す電極触媒層を備える膜電極接合体とすることができ、高い発電特性を備える固体高分子形燃料電池を提供することが可能となる。 According to the membrane electrode assembly of one aspect of the present invention, the membrane electrode includes an electrode catalyst layer that increases water retention without hindering the removal of water generated by an electrode reaction and exhibits high power generation properties even under low humidity conditions. It is possible to form a bonded body and provide a polymer electrolyte fuel cell having high power generation characteristics.

本発明の一実施形態に係る燃料電池用電極触媒層を有する膜電極接合体を模式的に示す分解斜視図である。1 is an exploded perspective view schematically showing a membrane electrode assembly having a fuel cell electrode catalyst layer according to an embodiment of the present invention; FIG. 図1の膜電極接合体を備えた固体高分子形燃料電池の構造を模式的に示す分解斜視図である。FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing the structure of a polymer electrolyte fuel cell provided with the membrane electrode assembly of FIG. 1;

以下に、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
ここで、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造等が下記のものに特定されるものではない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
Here, the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimension, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Further, the embodiments shown below are examples of configurations for embodying the technical idea of the present invention. It is not specific to a thing. Various modifications can be made to the technical idea of the present invention within the technical scope defined by the claims.

〔膜電極接合体〕
本実施形態の膜電極接合体11は、図1に示すように、高分子電解質膜1と、高分子電解質膜1を上下から狭持する一対の電極触媒層2、3とを備える。
また、各電極触媒層2、3は、触媒担持粒子と高分子電解質とを備える。一対の電極触媒層2、3の少なくとも一方の電極触媒層(以下、改良電極触媒層とも記載する)は、繊維状物質を有する。一対の電極触媒層2、3の両方が改良電極触媒層であることが好ましい。
[Membrane electrode assembly]
As shown in FIG. 1, a membrane electrode assembly 11 of this embodiment includes a polymer electrolyte membrane 1 and a pair of electrode catalyst layers 2 and 3 sandwiching the polymer electrolyte membrane 1 from above and below.
Further, each of the electrode catalyst layers 2, 3 comprises catalyst-carrying particles and a polymer electrolyte. At least one electrode catalyst layer (hereinafter also referred to as an improved electrode catalyst layer) of the pair of electrode catalyst layers 2 and 3 has a fibrous substance. Both of the pair of electrode catalyst layers 2 and 3 are preferably improved electrode catalyst layers.

改良電極触媒層では、触媒担持粒子は疎水性被膜を備える。
改良電極触媒層が含有する繊維状物質の平均繊維径は、10nm以上300nm以下である。繊維状物質の平均繊維径は、好ましくは、100nm以上200nm以下である。繊維状物質の平均繊維長は、0.7μm以上20μm以下であることが好ましい。
また、改良電極触媒層において、繊維状物質の質量は、疎水性被膜を備えた触媒担持粒子における担体の質量の、0.2倍以上1.0倍以下である。繊維状物質の質量は、好ましくは、疎水性被膜を備えた触媒担持粒子における担体の質量の、0.4倍以上0.8倍以下である。
発明者は、以上の構成からなる改良電極触媒層が排水性を有していることを確認しているが、その排水性を有する詳細なメカニズムは不明である。ただし、以下のように推測される。なお、本発明は下記の推定したメカニズムに何ら拘束されるものではない。
In the improved electrocatalyst layer, the catalyst-supporting particles are provided with a hydrophobic coating.
The fibrous substance contained in the improved electrode catalyst layer has an average fiber diameter of 10 nm or more and 300 nm or less. The average fiber diameter of the fibrous substance is preferably 100 nm or more and 200 nm or less. The average fiber length of the fibrous substance is preferably 0.7 μm or more and 20 μm or less.
Further, in the improved electrode catalyst layer, the mass of the fibrous material is 0.2 times or more and 1.0 times or less the mass of the carrier in the catalyst-carrying particles provided with the hydrophobic coating. The mass of the fibrous substance is preferably 0.4 to 0.8 times the mass of the carrier in the catalyst-carrying particles provided with a hydrophobic coating.
The inventors have confirmed that the improved electrode catalyst layer having the above structure has drainage properties, but the detailed mechanism of the drainage properties is unknown. However, it is estimated as follows. The present invention is in no way bound by the mechanism presumed below.

上記構成の改良電極触媒層は、繊維状物質の絡み合いによって、耐久性低下の起因となる電極触媒層のクラック発生を抑制するなど、高い耐久性と機械特性が得られる。また、疎水性被膜を備えた触媒担持粒子は、疎水性を示す繊維状物質との親和性があるため、触媒担持粒子と繊維状物質との絡み合いで電極触媒層に細孔が形成される。この形成された細孔によって、保水性を高めた電極触媒層でも、高電流域では電極反応で生成した水を排出することができ、反応ガスの拡散性を高めることができると推定される。一方、疎水性被膜を備えていない触媒担持粒子を使用した場合、触媒担持粒子が親水性となり、疎水性を示す繊維状物質との親和性がないため、繊維状物質の絡み合いで形成された空間に、触媒担持粒子が充填されてしまう。そのため、電極触媒層に細孔が形成されにくく、保水性を高めた電極触媒層では、電極反応で生成した水の排出が困難で、高電流域では反応ガスの拡散性を高めることができないと推定される。 The improved electrode catalyst layer having the above structure can obtain high durability and mechanical properties such as suppression of cracking of the electrode catalyst layer, which causes deterioration of durability, due to the entanglement of fibrous substances. In addition, since the catalyst-supporting particles provided with a hydrophobic coating have an affinity for hydrophobic fibrous substances, pores are formed in the electrode catalyst layer due to the entanglement of the catalyst-supporting particles and the fibrous substances. It is presumed that the formed pores enable the water generated by the electrode reaction to be discharged in a high current region even in an electrode catalyst layer with enhanced water retention, and the diffusivity of the reaction gas can be enhanced. On the other hand, when catalyst-supporting particles not provided with a hydrophobic coating are used, the catalyst-supporting particles become hydrophilic and have no affinity with fibrous substances that exhibit hydrophobicity. , the catalyst-supporting particles are filled. Therefore, it is difficult to form pores in the electrode catalyst layer, and in the electrode catalyst layer with enhanced water retention, it is difficult to discharge the water generated by the electrode reaction, and it is difficult to increase the diffusivity of the reaction gas in the high current region. Presumed.

繊維状物質の平均繊維径が10nmに満たない場合は、繊維状物質の屈曲性が強い影響で、電極触媒層に細孔が形成されにくい場合があると推定される。また、繊維状物質の平均繊維径が300nmを超える場合は、繊維状物質の直進性が強い影響で、インクとして分散できない場合があると推定される。
繊維状物質の質量が、疎水性被膜を備えた触媒担持粒子における担体の質量の0.4倍未満の場合は、電極触媒層に形成される細孔が少ない影響で、高電流域では電極反応で生成した水を充分に排水することができず、反応ガスの拡散性を高めることができない場合があると推定される。また、繊維状物質の質量が、疎水性被膜を備えた触媒担持粒子における担体の質量の0.8倍を超える場合は、電極触媒層に形成される細孔が多い影響で、低加湿条件下では保水性を高めることが困難な場合があると推定される。
If the average fiber diameter of the fibrous material is less than 10 nm, it is presumed that pores are difficult to form in the electrode catalyst layer due to the strong bendability of the fibrous material. In addition, when the average fiber diameter of the fibrous substance exceeds 300 nm, it is presumed that the fibrous substance may not be dispersed as an ink due to the strong influence of the linearity of the fibrous substance.
If the mass of the fibrous material is less than 0.4 times the mass of the support in the catalyst-supporting particles provided with a hydrophobic coating, the electrode reaction does not occur in the high-current region due to the effect of fewer pores formed in the electrode catalyst layer. It is presumed that there are cases where the water produced in 1 cannot be sufficiently drained and the diffusivity of the reaction gas cannot be enhanced. In addition, when the mass of the fibrous substance exceeds 0.8 times the mass of the carrier in the catalyst-carrying particles with a hydrophobic coating, many pores are formed in the electrode catalyst layer. It is presumed that there are cases where it is difficult to increase water retention.

繊維状物質の平均繊維長が0.7μmに満たない場合は、繊維状物質の絡み合いが弱い影響で、機械特性が低下する場合があると推定される。また、繊維状物質の平均繊維長が20μmを超える場合は、繊維状物質の絡み合いが強い影響で、インクとして分散できない場合があると推定される。
本実施形態の膜電極接合体11よれば、従来のような電極触媒層の構成変更によって排水性を高める場合とは異なり、界面抵抗の増大による発電特性の低下が見られない。これにより、膜電極接合体11を備える固体高分子形燃料電池によれば、従来の膜電極接合体を備えた固体高分子形燃料電池と比較して、多くの生成水が生じる高電流域での発電特性が高くなる。
If the average fiber length of the fibrous material is less than 0.7 μm, it is presumed that the mechanical properties may deteriorate due to weak entanglement of the fibrous material. Further, when the average fiber length of the fibrous substance exceeds 20 μm, it is presumed that the entanglement of the fibrous substance is strongly influenced, and it may not be possible to disperse the ink as an ink.
According to the membrane electrode assembly 11 of the present embodiment, unlike the conventional case where the drainability is improved by changing the configuration of the electrode catalyst layers, deterioration in power generation characteristics due to an increase in interfacial resistance is not observed. As a result, according to the polymer electrolyte fuel cell including the membrane electrode assembly 11, in a high current region in which a large amount of water is generated, compared to a conventional polymer electrolyte fuel cell including a membrane electrode assembly. power generation characteristics are enhanced.

〔固体高分子形燃料電池〕
次に、図2を用いて、実施形態の膜電極接合体11を備えた固体高分子形燃料電池について説明する。
図2に示す固体高分子形燃料電池12は、膜電極接合体11の電極触媒層2と対向するように配置される空気極側のガス拡散層4と、電極触媒層3と対向するように配置される燃料極側のガス拡散層5とを備える。電極触媒層2とガス拡散層4とで、空気極(カソード)6が形成される。電極触媒層3とガス拡散層5とで、燃料極(アノード)7が形成される。
また、一組のセパレータ10a、10bが、ガス拡散層4及び5の外側にそれぞれ配置される。各セパレータ10a、10bは、ガス流通用のガス流路8a、8bと、冷却水流通用の冷却水流路9a、9bとを備えた、導電性及び不透過性を有する材料から構成される。
[Polymer electrolyte fuel cell]
Next, a polymer electrolyte fuel cell provided with the membrane electrode assembly 11 of the embodiment will be described with reference to FIG.
The polymer electrolyte fuel cell 12 shown in FIG. and a gas diffusion layer 5 disposed on the fuel electrode side. The electrode catalyst layer 2 and the gas diffusion layer 4 form an air electrode (cathode) 6 . The electrode catalyst layer 3 and the gas diffusion layer 5 form a fuel electrode (anode) 7 .
A set of separators 10a, 10b are also arranged outside the gas diffusion layers 4 and 5, respectively. Each of the separators 10a, 10b is made of an electrically conductive and impermeable material having gas passages 8a, 8b for gas circulation and cooling water passages 9a, 9b for cooling water circulation.

燃料極7側のセパレータ10bのガス流路8bには、燃料ガスとして例えば水素ガスが供給される。一方、空気極6側のセパレータ10aのガス流路8aには、酸化剤ガスとして例えば酸素ガスが供給される。燃料ガスの水素と、酸化剤ガスの酸素とをそれぞれ触媒の存在下で電極反応させることにより、燃料極7と空気極6の間に起電力を生じさせることができる。
固体高分子形燃料電池12は、一対のセパレータ10a、10bが、高分子電解質膜1と、一対の電極触媒層2、3と、一対のガス拡散層4,5とを狭持する。図2に示す固体高分子形燃料電池12は、単セル構造の燃料電池の例であるが、セパレータ10a又はセパレータ10bを介して複数のセルを積層して構成される固体高分子形燃料電池であっても、本発明は適用することができる。
For example, hydrogen gas is supplied as a fuel gas to the gas flow path 8b of the separator 10b on the fuel electrode 7 side. On the other hand, oxygen gas, for example, is supplied as an oxidant gas to the gas flow path 8a of the separator 10a on the air electrode 6 side. An electromotive force can be generated between the fuel electrode 7 and the air electrode 6 by causing an electrode reaction between the hydrogen of the fuel gas and the oxygen of the oxidizing gas in the presence of a catalyst.
In the polymer electrolyte fuel cell 12, a pair of separators 10a and 10b sandwich a polymer electrolyte membrane 1, a pair of electrode catalyst layers 2 and 3, and a pair of gas diffusion layers 4 and 5. FIG. The polymer electrolyte fuel cell 12 shown in FIG. 2 is an example of a fuel cell with a single cell structure. Even if there is, the present invention can be applied.

〔電極触媒層の製造方法〕
次に、上記構成の改良電極触媒層の製造方法の一例を説明する。
改良電極触媒層は、下記の第一工程と第二工程を含む方法で製造される。
第一工程は、疎水性被膜を備えた触媒担持粒子、繊維状物質、高分子電解質、及び溶媒を含む触媒インクを製造する工程である。
第二工程は、第一工程で得られた触媒インクを基材上に塗布して溶媒を乾燥させることで、改良電極触媒層を形成する工程である。
なお、改良電極触媒層ではない電極触媒層も同様な工程で製造すればよい。
そして、作製した一対の電極触媒層2、3を高分子電解質膜1の上下各面に貼り付けることで、膜電極接合体11が得られる。
[Method for producing electrode catalyst layer]
Next, an example of a method for manufacturing the improved electrode catalyst layer having the above structure will be described.
The improved electrode catalyst layer is manufactured by a method including the following first step and second step.
The first step is to prepare a catalyst ink comprising catalyst-carrying particles with a hydrophobic coating, a fibrous material, a polyelectrolyte, and a solvent.
The second step is a step of forming an improved electrode catalyst layer by applying the catalyst ink obtained in the first step onto a substrate and drying the solvent.
An electrode catalyst layer other than the improved electrode catalyst layer may also be manufactured in the same process.
Then, the pair of electrode catalyst layers 2 and 3 thus produced are attached to the upper and lower surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 to obtain the membrane electrode assembly 11 .

〔詳細〕
以下、膜電極接合体11及び固体高分子形燃料電池12について更に詳細に説明する。
高分子電解質膜1としては、プロトン伝導性を有するものであれば良く、例えば、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系高分子電解質膜を用いることができる。フッ素系高分子電解質膜の例として、デュポン社製Nafion(登録商標)、旭硝子(株)製Flemion(登録商標)、旭化成(株)製Aciplex(登録商標)、ゴア社製Gore Select(登録商標)等を用いることができる。
また、炭化水素系高分子電解質膜としては、例えば、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等の電解質膜を用いることができる。特に、高分子電解質膜1として、デュポン社製Nafion(登録商標)系材料を好適に用い
ることができる。
〔detail〕
The membrane electrode assembly 11 and polymer electrolyte fuel cell 12 will be described in more detail below.
As the polymer electrolyte membrane 1, any one having proton conductivity may be used, and for example, a fluorine-based polymer electrolyte membrane or a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane may be used. Examples of fluorine-based polymer electrolyte membranes include Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Corporation, and Gore Select (registered trademark) manufactured by Gore. etc. can be used.
As the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane, for example, electrolyte membranes such as sulfonated polyetherketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene can be used. In particular, Nafion (registered trademark)-based materials manufactured by DuPont can be preferably used as the polymer electrolyte membrane 1 .

電極触媒層2,3は、触媒インクを用いて高分子電解質膜1の両面に形成される。電極触媒層2,3用の触媒インクは、触媒担持粒子と高分子電解質と溶媒を含む。また、改良電極触媒層用の触媒インクは、撥水性被膜を備えた触媒担持粒子、繊維状物質、高分子電解質、及び溶媒を含む。
触媒インクに含まれる高分子電解質としては、プロトン伝導性を有するものであれば良く、高分子電解質膜1と同様の材料を用いることができ、例えば、フッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質を用いることができる。フッ素系高分子電解質の例として、デュポン社製Nafion(登録商標)系材料等を用いることができる。また、炭化水素系高分子電解質としては、例えば、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等の電解質を用いることができる。特に、フッ素系高分子電解質として、デュポン社製Nafion(登録商標)系材料を好適に用いることができる。
The electrode catalyst layers 2 and 3 are formed on both sides of the polymer electrolyte membrane 1 using catalyst ink. The catalyst ink for the electrode catalyst layers 2 and 3 contains catalyst-carrying particles, a polymer electrolyte and a solvent. Also, the catalyst ink for the improved electrocatalyst layer includes catalyst-carrying particles with a water-repellent coating, a fibrous material, a polymer electrolyte, and a solvent.
As the polymer electrolyte contained in the catalyst ink, any material having proton conductivity can be used, and the same material as the polymer electrolyte membrane 1 can be used. Electrolytes can be used. As an example of the fluorine-based polymer electrolyte, a Nafion (registered trademark)-based material manufactured by DuPont can be used. As the hydrocarbon polymer electrolyte, for example, electrolytes such as sulfonated polyetherketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene can be used. In particular, a Nafion (registered trademark)-based material manufactured by DuPont can be preferably used as the fluorine-based polymer electrolyte.

本実施形態で用いる触媒(以下、触媒粒子あるいは触媒と称すことがある)としては、例えば、金属又はこれらの合金、酸化物もしくは複酸化物等を用いることができる。金属としては、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素の他、金、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウムもしくはアルミニウム等が例示できる。なお、ここでいう複酸化物とは2種類の金属からなる酸化物のことをいう。
触媒粒子が、白金、金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、及び、イリジウムから選ばれた1種又は2種以上の金属である場合、電極反応性に優れ、電極反応を効率良く安定して行うことができる。触媒粒子が、白金、金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、及び、イリジウムから選ばれた1種又は2種以上の金属である場合、電極触媒層2,3を備えた固体高分子形燃料電池12が高い発電特性を示すので好ましい。
As the catalyst (hereinafter sometimes referred to as catalyst particles or catalyst) used in the present embodiment, for example, metals, alloys thereof, oxides or multiple oxides can be used. Examples of metals include platinum group elements such as platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, and osmium, as well as gold, iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum. Note that the composite oxide referred to here means an oxide composed of two kinds of metals.
When the catalyst particles are one or more metals selected from platinum, gold, palladium, rhodium, ruthenium, and iridium, the electrode reactivity is excellent and the electrode reaction can be efficiently and stably performed. can. When the catalyst particles are one or more metals selected from platinum, gold, palladium, rhodium, ruthenium, and iridium, the polymer electrolyte fuel cell 12 provided with the electrode catalyst layers 2 and 3 is It is preferable because it exhibits high power generation characteristics.

また、上述した触媒粒子の平均粒子径は、0.5nm以上20nm以下が好ましく、1nm以上5nm以下がより好ましい。ここで、平均粒子径とは、カーボン粒子などの担体に担持された触媒での測定であれば、X線回折法から求めた平均粒子径である。また、担体に担持されていない触媒での測定であれば、粒度測定から求めた算術平均粒子径である。触媒粒子の平均粒子径が0.5nm以上20nm以下の範囲にある場合、触媒の活性及び安定性が向上するため好ましい。 Further, the average particle diameter of the catalyst particles described above is preferably 0.5 nm or more and 20 nm or less, more preferably 1 nm or more and 5 nm or less. Here, the average particle size is the average particle size determined by the X-ray diffraction method in the case of measurement of a catalyst supported on a carrier such as carbon particles. In the case of measurement with a catalyst that is not supported on a carrier, it is the arithmetic mean particle size obtained from particle size measurement. When the average particle size of the catalyst particles is in the range of 0.5 nm or more and 20 nm or less, the activity and stability of the catalyst are improved, which is preferable.

上述の触媒を担持する電子伝導性の粉末(担体)としては、一般的にカーボン粒子が使用される。カーボン粒子の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒におかされないものであれば限定されるものではない。カーボン粒子としては、例えば、カーボンブラックやグラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレンを用いることができる。
カーボン粒子の平均粒子径は、10nm以上1000nm以下が好ましく、10nm以上100nm以下がより好ましい。ここで、平均粒子径とは、SEM像から求めた平均粒子径である。カーボン粒子の平均粒子径が10nm以上1000nm以下の範囲にある場合、触媒の活性及び安定性が向上するため好ましい。電子伝導パスが形成されやすくなり、また、2つの電極触媒層2,3のガス拡散性や触媒の利用率が向上するため好ましい。
Carbon particles are generally used as the electronically conductive powder (carrier) that supports the above-mentioned catalyst. The type of carbon particles is not limited as long as they are fine particles, have electrical conductivity, and are not attacked by a catalyst. Examples of carbon particles that can be used include carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotubes, and fullerene.
The average particle diameter of the carbon particles is preferably 10 nm or more and 1000 nm or less, more preferably 10 nm or more and 100 nm or less. Here, the average particle size is the average particle size determined from the SEM image. When the average particle size of the carbon particles is in the range of 10 nm or more and 1000 nm or less, it is preferable because the activity and stability of the catalyst are improved. This is preferable because it facilitates the formation of electron conduction paths and improves the gas diffusibility and catalyst utilization of the two electrode catalyst layers 2 and 3 .

触媒担持粒子に備えた疎水性被膜は、十分に反応ガスを透過する膜厚であることが好ましい。疎水性被膜の膜厚は、具体的には40nm以下であることが好ましい。これよりも厚くなると活性点への反応ガスの供給が阻害される場合がある。一方、疎水性被膜が40nm以下であれば十分に反応ガスが透過するため、触媒担持粒子に疎水性を付与することができる。
また、触媒担持粒子に備えた疎水性被膜の膜厚は、十分に生成水を撥水する膜厚であることが好ましい。疎水性被膜の膜厚は、具体的には2nm以上であることが好ましい。これよりも薄くなると生成水が滞留し、活性点への反応ガスの供給が阻害される場合がある。
The hydrophobic coating provided on the catalyst-carrying particles preferably has a film thickness sufficient to allow reaction gas to permeate. Specifically, the film thickness of the hydrophobic coating is preferably 40 nm or less. If it is thicker than this, the supply of reaction gas to the active points may be hindered. On the other hand, if the hydrophobic coating has a thickness of 40 nm or less, the reactant gas is sufficiently permeable, so that the catalyst-carrying particles can be made hydrophobic.
Moreover, the film thickness of the hydrophobic coating provided on the catalyst-carrying particles is preferably a film thickness sufficient to repel generated water. Specifically, the film thickness of the hydrophobic coating is preferably 2 nm or more. If the thickness is thinner than this, the generated water may stay and the supply of reaction gas to the active sites may be hindered.

触媒担持粒子に備えた疎水性被膜は、少なくとも一つの極性基を有するフッ素系化合物から構成される。極性基は、例えば、ヒドロキシル基、アルコキシ基、カルボキシル基、エステル基、エーテル基、カーボネート基、アミド基などが挙げられる。極性基の存在により、触媒層最表面にフッ素系化合物を固定化することができる。フッ素系化合物における極性基以外の部分は、疎水性及び化学的安定性の高さからフッ素及びカーボンからなる構造であることが好ましい。しかし、十分な疎水性及び化学的安定性を有するならばこのような構造に限られるものではない。
繊維状物質としては、例えば電子伝導性繊維及びプロトン伝導性繊維を用いることができる。電子伝導性繊維には、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、及び、導電性高分子ナノファイバーなどを挙げることができる。導電性や分散性の観点から、カーボンナノファイバーを繊維状物質として用いることが好ましい。
The hydrophobic coating provided on the catalyst-supporting particles is composed of a fluorine-based compound having at least one polar group. Polar groups include, for example, hydroxyl groups, alkoxy groups, carboxyl groups, ester groups, ether groups, carbonate groups, amide groups and the like. Due to the presence of the polar group, the fluorine-based compound can be immobilized on the outermost surface of the catalyst layer. The portion other than the polar group in the fluorine-based compound preferably has a structure composed of fluorine and carbon because of its high hydrophobicity and chemical stability. However, it is not limited to such a structure as long as it has sufficient hydrophobicity and chemical stability.
As fibrous substances, for example, electron-conducting fibers and proton-conducting fibers can be used. Examples of electronically conductive fibers include carbon fibers, carbon nanotubes, carbon nanohorns, and conductive polymer nanofibers. From the viewpoint of conductivity and dispersibility, it is preferable to use carbon nanofibers as the fibrous substance.

触媒能を有する電子伝導性繊維は、貴金属によって形成される触媒の使用量を低減できる点でより好ましい。電極触媒層が酸素極を構成する電極触媒層として用いられる場合には、触媒能を有する電子伝導性繊維には、カーボンナノファイバーから作製したカーボンアロイ触媒を挙げることができる。触媒能を有する電子伝導性繊維は、燃料極用の電極活物質を繊維状に加工した繊維であってもよい。電極活物質には、Ta、Nb、Ti、及び、Zrから構成される群から選択される少なくとも一つの遷移金属元素を含む物質を用いることができる。繊維金属元素を含む物質には、遷移金属元素の炭窒化物の部分酸化物、又は、遷移金属元素の導電性酸化物、及び、遷移金属元素の導電性酸窒化物を挙げることができる。 Electron-conducting fibers having catalytic ability are more preferable in that they can reduce the amount of catalysts formed from noble metals. When the electrode catalyst layer is used as the electrode catalyst layer that constitutes the oxygen electrode, examples of the electron conductive fibers having catalytic ability include carbon alloy catalysts made from carbon nanofibers. The electron conductive fiber having catalytic ability may be a fiber obtained by processing an electrode active material for a fuel electrode into a fibrous form. A material containing at least one transition metal element selected from the group consisting of Ta, Nb, Ti, and Zr can be used as the electrode active material. Substances containing fiber metal elements may include partial oxides of carbonitrides of transition metal elements, or conductive oxides of transition metal elements, and conductive oxynitrides of transition metal elements.

プロトン伝導性繊維は、プロトン伝導性を有する高分子電解質を繊維状に加工した繊維であればよい。プロトン電槽性繊維を形成するための材料には、フッ素系高分子電解質、及び、炭化水素系高分子電解質などを用いることができる。フッ素系高分子電解質には、例えば、デュポン社製のNafion(登録商標)、旭硝子(株)製のFlemion(登録商標)、旭化成(株)製のAciplex(登録商標)、及び、ゴア社製のGore Select(登録商標)などを用いることができる。炭化水素系高分子電解質には、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、及び、スルホン化ポリフェニレンなどの電解質を用いることができる。これらのなかでも、高分子電解質としてデュポン社製のNafion(登録商標)を用いることが好ましい。
繊維状物質には、上述した繊維のうちの1種のみが用いられてもよいし、2種以上が用いられてもよい。繊維状物質として、電子伝導性繊維とプロトン伝導性繊維とを併せて用いてもよい。繊維状物質は、上述した繊維状物質のなかでも、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、及び、電解質繊維から構成される群から選択される少なくとも1つを含むことが好ましい。
The proton-conducting fiber may be a fiber obtained by processing a polyelectrolyte having proton-conducting properties into a fibrous form. Fluoropolymer electrolytes, hydrocarbon-based polymer electrolytes, and the like can be used as materials for forming the proton cell-resistant fibers. Examples of fluorine-based polymer electrolytes include Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Corporation, and Gore's Gore Select (registered trademark) or the like can be used. Electrolytes such as sulfonated polyetherketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene can be used as the hydrocarbon polymer electrolyte. Among these, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont is preferably used as the polymer electrolyte.
For the fibrous substance, only one type of the fibers described above may be used, or two or more types may be used. As the fibrous substance, electron-conducting fibers and proton-conducting fibers may be used in combination. The fibrous substance preferably contains at least one selected from the group consisting of carbon nanofibers, carbon nanotubes, and electrolyte fibers among the fibrous substances described above.

触媒インクの分散媒として使用される溶媒は、触媒物質担持粒子や高分子電解質を浸食することがなく、高分子電解質を流動性の高い状態で溶解又は微細ゲルとして分散できるものあれば特に限定されるものではない。しかしながら、溶媒には、揮発性の有機溶媒が少なくとも含まれていることが望ましい。触媒インクの分散媒として使用される溶媒の例として、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-ブタノール、イソブチルアルコール、tert-ブチルアルコール、ペンタノール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ペンタノン、メチルイソブチルケトン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジイソブチルケトン等のケトン系溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジブチルエーテル等のエーテル系溶剤、その他ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジアセトンアルコール、1-メトキシ-2-プロパノール等の極性溶剤等を用いることができる。また、溶媒は、上述の材料のうち2種以上を混合させた混合溶媒を用いても良い。 The solvent used as the dispersion medium for the catalyst ink is not particularly limited as long as it does not corrode the catalyst substance-supporting particles or the polymer electrolyte and can dissolve or disperse the polymer electrolyte as a fine gel in a highly fluid state. not something. However, the solvent desirably contains at least a volatile organic solvent. Examples of solvents used as dispersion media for catalyst ink include alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, tert-butyl alcohol, and pentanol, and acetone. , methyl ethyl ketone, pentanone, methyl isobutyl ketone, heptanone, cyclohexanone, methyl cyclohexanone, acetonylacetone, diisobutyl ketone and other ketone solvents, tetrahydrofuran, dioxane, diethylene glycol dimethyl ether, anisole, methoxytoluene, dibutyl ether and other ether solvents, etc. Polar solvents such as dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, ethylene glycol, diethylene glycol, diacetone alcohol and 1-methoxy-2-propanol can be used. A mixed solvent in which two or more of the above materials are mixed may be used as the solvent.

また、触媒インクの分散媒として使用される溶媒として、低級アルコールを用いたものは発火の危険性が高いため、低級アルコールを用いる場合は、水との混合溶媒にするのが好ましい。更に、高分子電解質となじみが良い水(親和性が高い水)が含まれていても良い。水の添加量は、高分子電解質が分離して白濁を生じたり、ゲル化したりしない程度であれば特に制限されるものではない。
触媒物質担持粒子を分散させるために、触媒インクに分散剤が含まれていても良い。分散剤としては、例えば、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤等を挙げることができる。
In addition, when a lower alcohol is used as a dispersion medium for the catalyst ink, it is preferable to use a mixed solvent with water because the solvent using a lower alcohol has a high risk of ignition. Furthermore, water that is well compatible with the polymer electrolyte (water with high affinity) may be included. The amount of water to be added is not particularly limited as long as the polyelectrolyte is not separated to cause white turbidity or gelation.
The catalyst ink may contain a dispersant in order to disperse the catalyst substance-carrying particles. Examples of dispersants include anionic surfactants, cationic surfactants, amphoteric surfactants, nonionic surfactants, and the like.

アニオン界面活性剤の例として、アルキルエーテルカルボン酸塩、エーテルカルボン酸塩、アルカノイルザルコシン、アルカノイルグルタミン酸塩、アシルグルタメート、オレイン酸・N-メチルタウリン、オレイン酸カリウム・ジエタノールアミン塩、アルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、特殊変成ポリエーテルエステル酸のアミン塩、高級脂肪酸誘導体のアミン塩、特殊変成ポリエステル酸のアミン塩、高分子量ポリエーテルエステル酸のアミン塩、特殊変成リン酸エステルのアミン塩、高分子量ポリエステル酸アミドアミン塩、特殊脂肪酸誘導体のアミドアミン塩、高級脂肪酸のアルキルアミン塩、高分子量ポリカルボン酸のアミドアミン塩、ラウリン酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウム等のカルボン酸型界面活性剤、ジアルキルスルホサクシネート、スルホコハク酸ジアルキル塩、1,2-ビス(アルコキシカルボニル)-1-エタンスルホン酸塩、アルキルスルホネート、アルキルスルホン酸塩、パラフィンスルホン酸塩、α-オレフィンスルホネート、直鎖アルキルベンゼンスルホネート、アルキルベンゼンスルホネート、ポリナフチルメタンスルホネート、ポリナフチルメタンスルホン酸塩、ナフタレンスルホネート-ホルマリン縮合物、アルキルナフタレンスルホネート、アルカノイルメチルタウリド、ラウリル硫酸エステルナトリウム塩、セチル硫酸エステルナトリウム塩、ステアリル硫酸エステルナトリウム塩、オレイル硫酸エステルナトリウム塩、ラウリルエーテル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、α-オレフィンスルホン酸塩等のスルホン酸型界面活性剤、アルキル硫酸エステル塩、硫酸アルキル塩、アルキルサルフェート、アルキルエーテルサルフェート、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート、アルキルポリエトキシ硫酸塩、ポリグリコールエーテルサルフェート、アルキルポリオキシエチレン硫酸塩、硫酸化油、高度硫酸化油等の硫酸エステル型界面活性剤、リン酸(モノ又はジ)アルキル塩、(モノ又はジ)アルキルホスフェート、(モノ又はジ)アルキルリン酸エステル塩、リン酸アルキルポリオキシエチレン塩、アルキルエーテルホスフェート、アルキルポリエトキシ・リン酸塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、リン酸アルキルフェニル・ポリオキシエチレン塩、アルキルフェニルエーテル・ホスフェート、アルキルフェニル・ポリエトキシ・リン酸塩、ポリオキシエチレン・アルキルフェニル・エーテルホスフェート、高級アルコールリン酸モノエステルジナトリウム塩、高級アルコールリン酸ジエステルジナトリウム塩、ジアルキルジチオリン酸亜鉛等のリン酸エステル型界面活性剤等が挙げられる。 Examples of anionic surfactants include alkyl ether carboxylate, ether carboxylate, alkanoyl sarcosine, alkanoyl glutamate, acyl glutamate, oleic acid/N-methyl taurine, potassium oleate/diethanolamine salt, alkyl ether sulfate/tri Ethanolamine salt, polyoxyethylene alkyl ether sulfate/triethanolamine salt, amine salt of special modified polyether ester acid, amine salt of higher fatty acid derivative, amine salt of special modified polyester acid, amine salt of high molecular weight polyether ester acid , amine salt of special modified phosphoric acid ester, amide amine salt of high molecular weight polyester acid, amide amine salt of special fatty acid derivative, alkylamine salt of higher fatty acid, amide amine salt of high molecular weight polycarboxylic acid, sodium laurate, sodium stearate, oleic acid Carboxylic acid surfactants such as sodium, dialkylsulfosuccinates, dialkyl sulfosuccinates, 1,2-bis(alkoxycarbonyl)-1-ethanesulfonates, alkylsulfonates, alkylsulfonates, paraffinsulfonates, α-Olefin sulfonate, linear alkylbenzene sulfonate, alkylbenzene sulfonate, polynaphthyl methanesulfonate, polynaphthyl methanesulfonate, naphthalene sulfonate-formalin condensate, alkylnaphthalene sulfonate, alkanoyl methyl tauride, sodium lauryl sulfate, cetyl sulfate Sulfonic acid surfactants such as sodium salts, stearyl sulfate sodium salts, oleyl sulfate sodium salts, lauryl ether sulfates, sodium alkylbenzene sulfonates, oil-soluble alkylbenzene sulfonates, α-olefin sulfonates, etc., alkyl sulfates Sulfuric acid such as ester salts, alkyl sulfates, alkyl sulfates, alkyl ether sulfates, polyoxyethylene alkyl ether sulfates, alkyl polyethoxy sulfates, polyglycol ether sulfates, alkyl polyoxyethylene sulfates, sulfated oils, and highly sulfated oils Ester-type surfactants, (mono- or di)alkyl phosphates, (mono- or di)alkyl phosphates, (mono- or di)alkyl phosphate ester salts, alkyl polyoxyethylene phosphate salts, alkyl ether phosphates, alkyl polyethoxy・Li phosphate, polyoxyethylene alkyl ether, alkylphenyl phosphate/polyoxyethylene salt, alkylphenyl ether/phosphate, alkylphenyl polyethoxy phosphate, polyoxyethylene/alkylphenyl ether phosphate, higher alcohol monophosphate Phosphate ester type surfactants such as ester disodium salt, higher alcohol phosphate diester disodium salt, zinc dialkyldithiophosphate, and the like are included.

カチオン界面活性剤の例として、ベンジルジメチル{2-[2-(P-1,1,3,3-テトラメチルブチルフェノオキシ)エトキシ]エチル}アンモニウムクロライド、オクタデシルアミン酢酸塩、テトラデシルアミン酢酸塩、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、牛脂トリメチルアンモニウムクロライド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシトリメチルアンモニウムクロライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ベヘニルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシジメチルベンジルアンモニウムクロライド、テトラデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、オクタデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、ジオレイルジメチルアンモニウムクロライド、1-ヒドロキシエチル-2-牛脂イミダゾリン4級塩、2-ヘプタデセニルーヒドロキシエチルイミダゾリン、ステアラミドエチルジエチルアミン酢酸塩、ステアラミドエチルジエチルアミン塩酸塩、トリエタノールアミンモノステアレートギ酸塩、アルキルピリジウム塩、高級アルキルアミンエチレンオキサイド付加物、ポリアクリルアミドアミン塩、変成ポリアクリルアミドアミン塩、パーフルオロアルキル第4級アンモニウムヨウ化物等が挙げられる。 Examples of cationic surfactants include benzyldimethyl{2-[2-(P-1,1,3,3-tetramethylbutylphenoxy)ethoxy]ethyl}ammonium chloride, octadecylamine acetate, tetradecylamine acetate , octadecyltrimethylammonium chloride, beef tallow trimethylammonium chloride, dodecyltrimethylammonium chloride, palm trimethylammonium chloride, hexadecyltrimethylammonium chloride, behenyltrimethylammonium chloride, palmdimethylbenzylammonium chloride, tetradecyldimethylbenzylammonium chloride, octadecyldimethylbenzylammonium chloride , dioleyldimethylammonium chloride, 1-hydroxyethyl-2-tallow imidazoline quaternary salt, 2-heptadecenyl-hydroxyethylimidazoline, stearamidoethyldiethylamine acetate, stearamidoethyldiethylamine hydrochloride, triethanolamine monostearate Examples include formates, alkylpyridium salts, higher alkylamine ethylene oxide adducts, polyacrylamideamine salts, modified polyacrylamideamine salts, perfluoroalkyl quaternary ammonium iodides, and the like.

両性界面活性剤の例として、ジメチルヤシベタイン、ジメチルラウリルベタイン、ラウリルアミノエチルグリシンナトリウム、ラウリルアミノプロピオン酸ナトリウム、ステアリルジメチルベタイン、ラウリルジヒドロキシエチルベタイン、アミドベタイン、イミダゾリニウムベタイン、レシチン、3-[ω-フルオロアルカノイル-N-エチルアミノ]-1-プロパンスルホン酸ナトリウム、N-[3-(パーフルオロオクタンスルホンアミド)プロピル]-N,N-ジメチル-N-カルボキシメチレンアンモニウムベタイン等が挙げられる。 Examples of amphoteric surfactants include dimethyl coconut betaine, dimethyl lauryl betaine, sodium laurylaminoethylglycinate, sodium laurylaminopropionate, stearyldimethylbetaine, lauryldihydroxyethyl betaine, amidobetaine, imidazolinium betaine, lecithin, 3-[ ω-fluoroalkanoyl-N-ethylamino]-1-sodium propanesulfonate, N-[3-(perfluorooctanesulfonamido)propyl]-N,N-dimethyl-N-carboxymethylene ammonium betaine and the like.

非イオン界面活性剤の例として、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、オレイン酸ジエタノールアミド(1:1型)、ヒドロキシエチルラウリルアミン、ポリエチレングリコールラウリルアミン、ポリエチレングリコールヤシアミン、ポリエチレングリコールステアリルアミン、ポリエチレングリコール牛脂アミン、ポリエチレングリコール牛脂プロピレンジアミン、ポリエチレングリコールジオレイルアミン、ジメチルラウリルアミンオキサイド、ジメチルステアリルアミンオキサイド、ジヒドロキシエチルラウリルアミンオキサイド、パーフルオロアルキルアミンオキサイド、ポリビニルピロリドン、高級アルコールエチレンオキサイド付加物、アルキルフェノールエチレンオキサイド付加物、脂肪酸エチレンオキサイド付加物、ポリプロピレングリコールエチレンオキサイド付加物、グリセリンの脂肪酸エステル、ペンタエリスリットの脂肪酸エステル、ソルビットの脂肪酸エステル、ソルビタンの脂肪酸エステル、砂糖の脂肪酸エステル等が挙げられる。 Examples of nonionic surfactants include coconut fatty acid diethanolamide (1:2 type), coconut fatty acid diethanolamide (1:1 type), bovine fatty acid diethanolamide (1:2 type), bovine fatty acid diethanolamide (1:1 type), oleic acid diethanolamide (1:1 type), hydroxyethyllaurylamine, polyethylene glycol laurylamine, polyethylene glycol coconut amine, polyethylene glycol stearylamine, polyethylene glycol beef tallow amine, polyethylene glycol beef tallow propylene diamine, polyethylene glycol dioleylamine, Dimethyllaurylamine oxide, dimethylstearylamine oxide, dihydroxyethyllaurylamine oxide, perfluoroalkylamine oxide, polyvinylpyrrolidone, higher alcohol ethylene oxide adduct, alkylphenol ethylene oxide adduct, fatty acid ethylene oxide adduct, polypropylene glycol ethylene oxide adduct , glycerin fatty acid ester, pentaerythrityl fatty acid ester, sorbitol fatty acid ester, sorbitan fatty acid ester, sugar fatty acid ester, and the like.

上述した界面活性剤のなかでも、アルキルベンゼンスルホン酸、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸、α-オレフィンスルホン酸、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、α-オレフィンスルホン酸塩等のスルホン酸型の界面活性剤は、カーボンの分散効果、分散剤の残存による触媒性能の変化等を考慮すると、分散剤として、好適に用いることができる。
触媒インク中の高分子電解質の量を多くすると細孔容積は一般に小さくなる。一方、触媒インク中のカーボン粒子の量を多くすると、細孔容積は大きくなる。また、分散剤を使用すると、細孔容積は小さくなる。
Among the above surfactants, sulfonic acid-type interfaces such as alkylbenzenesulfonic acid, oil-soluble alkylbenzenesulfonic acid, α-olefinsulfonic acid, sodium alkylbenzenesulfonate, oil-soluble alkylbenzenesulfonate, and α-olefinsulfonate The activator can be suitably used as a dispersant in consideration of the dispersing effect of carbon, changes in catalyst performance due to residual dispersant, and the like.
Increasing the amount of polyelectrolyte in the catalyst ink generally reduces the pore volume. On the other hand, increasing the amount of carbon particles in the catalyst ink increases the pore volume. Also, the use of dispersants reduces the pore volume.

また、触媒インクは必要に応じて分散処理が行われる。触媒インクの粘度と、触媒インクに含まれる粒子のサイズとを、触媒インクの分散処理の条件によって制御することができる。分散処理は、様々な装置を採用して行うことができる。特に、分散処理の方法は限定されるものではない。例えば、分散処理としては、ボールミルやロールミルによる処理、せん断ミルによる処理、湿式ミルによる処理、超音波分散処理等が挙げられる。また、遠心力で攪拌を行うホモジナイザー等を採用しても良い。細孔容積は、分散時間が長くなるのに伴い、触媒担持粒子の凝集体が破壊されて小さくなる。 Further, the catalyst ink is subjected to dispersion processing as necessary. The viscosity of the catalyst ink and the size of the particles contained in the catalyst ink can be controlled by the conditions of the catalyst ink dispersion treatment. Distributed processing can be performed using a variety of devices. In particular, the distributed processing method is not limited. Examples of the dispersion treatment include treatment with a ball mill or roll mill, treatment with a shear mill, treatment with a wet mill, ultrasonic dispersion treatment, and the like. Also, a homogenizer or the like that agitates by centrifugal force may be employed. The pore volume becomes smaller as the dispersion time becomes longer, as aggregates of the catalyst-carrying particles are destroyed.

触媒インク中の固形分含有量が多すぎる場合、触媒インクの粘度が高くなるため、電極触媒層2及び3の表面にクラックが入りやすくなる。一方、触媒インク中の固形分含有量が少なすぎる場合、成膜レートが非常に遅く、生産性が低下してしまう。したがって、触媒インク中の固形分含有量は、1質量%(wt%)以上50質量%以下であることが好ましい。
固形分は、触媒物質担持粒子と高分子電解質からなる。固形分のうち、触媒物質担持粒子の含有量を多くすると、同じ固形分含有量でも粘度は高くなる。一方、固形分のうち、触媒物質担持粒子の含有量を少なくすると、同じ固形分含有量でも粘度は低くなる。したがって、固形分に占める触媒物質担持粒子の割合は、10質量%以上80質量%以下が好ましい。また、触媒インクの粘度は、0.1cP以上500cP以下(0.0001Pa・s以上0.5Pa・s以下)程度が好ましく、5cP以上100cP以下(0.005Pa・s以上0.1Pa・s以下)がより好ましい。また触媒インクの分散時に分散剤を添加することで、粘度の制御をすることもできる。
If the solid content in the catalyst ink is too high, the viscosity of the catalyst ink increases, and cracks tend to occur on the surfaces of the electrode catalyst layers 2 and 3 . On the other hand, if the solids content in the catalyst ink is too low, the film formation rate will be very slow, resulting in low productivity. Therefore, the solid content in the catalyst ink is preferably 1% by mass (wt%) or more and 50% by mass or less.
The solid content consists of catalyst substance-carrying particles and a polymer electrolyte. When the content of the catalyst substance-supporting particles is increased in the solid content, the viscosity increases even if the solid content is the same. On the other hand, if the content of the catalyst substance-supporting particles is reduced in the solid content, the viscosity will be lowered even if the solid content is the same. Therefore, the ratio of the catalyst substance-supporting particles to the solid content is preferably 10% by mass or more and 80% by mass or less. Further, the viscosity of the catalyst ink is preferably about 0.1 cP or more and 500 cP or less (0.0001 Pa s or more and 0.5 Pa s or less), and 5 cP or more and 100 cP or less (0.005 Pa s or more and 0.1 Pa s or less). is more preferred. Also, the viscosity can be controlled by adding a dispersant when dispersing the catalyst ink.

また、触媒インクに造孔剤が含まれていても良い。造孔剤は、電極触媒層の形成後に除去することで、細孔を形成することができる。酸やアルカリ、水に溶ける物質や、ショウノウ等の昇華する物質、熱分解する物質等を挙げることができる。造孔剤が、温水で溶ける物質であれば、発電時に発生する水で取り除いても良い。 Moreover, the catalyst ink may contain a pore-forming agent. Pores can be formed by removing the pore-forming agent after forming the electrode catalyst layer. Acids, alkalis, substances that dissolve in water, substances that sublimate such as camphor, substances that thermally decompose, and the like can be mentioned. If the pore-forming agent is a substance that dissolves in warm water, it may be removed with water generated during power generation.

酸やアルカリ、水に溶ける造孔剤としては、例えば、酸可溶性無機塩類、アルカリ水溶液に可溶性の無機塩類、酸又はアルカリに可溶性の金属類、水溶性無機塩類、水溶性有機化合物類等が挙げられる。酸可溶性無機塩類としては、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、酸化マグネシウム等が例示できる。アルカリ水溶液に可溶性の無機塩類としては、アルミナ、シリカゲル、シリカゾル等が例示できる。酸又はアルカリに可溶性の金属類としては、アルミニウム、亜鉛、スズ、ニッケル、鉄等が例示できる。水溶性無機塩類としては、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化アンモニウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、リン酸一ナトリウム等が例示できる。水溶性有機化合物類としては、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール等が例示できる。
上述した造孔剤は1種単独であるいは2種以上を組み合わせて用いても良いが、2種以上を組み合わせて用いることが好ましい。
触媒インクを基材上に塗布する塗布方法としては、例えば、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法等を採用することができる。
Examples of pore-forming agents soluble in acids, alkalis, and water include acid-soluble inorganic salts, inorganic salts soluble in alkaline aqueous solutions, metals soluble in acids or alkalis, water-soluble inorganic salts, and water-soluble organic compounds. be done. Examples of acid-soluble inorganic salts include calcium carbonate, barium carbonate, magnesium carbonate, magnesium sulfate, and magnesium oxide. Examples of inorganic salts soluble in alkaline aqueous solution include alumina, silica gel and silica sol. Examples of acid- or alkali-soluble metals include aluminum, zinc, tin, nickel, and iron. Examples of water-soluble inorganic salts include sodium chloride, potassium chloride, ammonium chloride, sodium carbonate, sodium sulfate, monosodium phosphate and the like. Examples of water-soluble organic compounds include polyvinyl alcohol and polyethylene glycol.
The above-mentioned pore-forming agents may be used singly or in combination of two or more kinds, but it is preferable to use them in combination of two or more kinds.
As a coating method for coating the catalyst ink on the substrate, for example, a doctor blade method, a dipping method, a screen printing method, a roll coating method, or the like can be employed.

電極触媒層2,3の製造に用いる基材としては、転写シートを用いることができる。
基材として用いられる転写シートとしては、転写性が良い材質であれば良く、例えば、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系樹脂を用いることができる。また、ポリイミド、ポリエチレンテレフタラート、ポリアミド(ナイロン(商標登録))、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル・エーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレート等の高分子シート、高分子フィルムを転写シートとして用いることができる。また、基材として転写シートを用いた場合には、高分子電解質膜1に溶媒除去後の塗膜である電極膜を接合した後に転写シートを剥離し、高分子電解質膜1の両面に電極触媒層2,3を備える膜電極接合体11とすることができる。
A transfer sheet can be used as a base material for manufacturing the electrode catalyst layers 2 and 3 .
The transfer sheet used as the base material may be any material that has good transferability. Fluorinated resins such as fluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA) and polytetrafluoroethylene (PTFE) can be used. Polymer sheets such as polyimide, polyethylene terephthalate, polyamide (nylon (registered trademark)), polysulfone, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyether imide, polyarylate, polyethylene naphthalate, etc. A molecular film can be used as a transfer sheet. Further, when a transfer sheet is used as the base material, the transfer sheet is peeled off after bonding the electrode film, which is the coating film after removing the solvent, to the polymer electrolyte membrane 1 , and the electrode catalyst is applied to both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 . A membrane electrode assembly 11 comprising layers 2 and 3 can be provided.

ガス拡散層4,5としては、ガス拡散性と導電性とを有する材質を用いることができる。例えば、ガス拡散層4,5として、カーボンクロス、カーボンペーパー、不織布等のポーラスカーボン材を用いることができる。
セパレータ10(10a,10b)としては、カーボンタイプあるいは金属タイプのもの等を用いることができる。なお、ガス拡散層4,5とセパレータ10(10a,10b)はそれぞれ一体構造となっていても良い。また、セパレータ10(10a,10b)もしくは電極触媒層2,3が、ガス拡散層4,5の機能を果たす場合は、ガス拡散層4,5は省略しても良い。固体高分子形燃料電池12は、ガス供給装置、冷却装置等、その他付随する装置を組み立てることにより製造することができる。
As the gas diffusion layers 4 and 5, a material having gas diffusion properties and electrical conductivity can be used. For example, as the gas diffusion layers 4 and 5, a porous carbon material such as carbon cloth, carbon paper, or non-woven fabric can be used.
As the separator 10 (10a, 10b), a carbon type or a metal type can be used. Incidentally, the gas diffusion layers 4 and 5 and the separators 10 (10a and 10b) may each have an integral structure. Further, when the separators 10 (10a, 10b) or the electrode catalyst layers 2, 3 function as the gas diffusion layers 4, 5, the gas diffusion layers 4, 5 may be omitted. The polymer electrolyte fuel cell 12 can be manufactured by assembling a gas supply device, a cooling device, and other accompanying devices.

<作用その他>
本実施形態では、高加湿条件下で高い発電特性を示す膜電極接合体11と、その製造方法、その膜電極接合体11を備えてなる固体高分子形燃料電池12について説明している。本実施形態の膜電極接合体11の電極触媒層2,3において、高い結晶性の繊維状物質の絡み合いによって、耐久性低下の起因となる電極触媒層のクラック発生を抑制するなど、高い耐久性と機械特性が得られる。また、疎水性被膜を備えた触媒担持粒子は、疎水性を示す繊維状物質との親和性があるため、繊維状物質の絡み合いで電極触媒層に細孔が形成される。この形成された細孔によって、保水性を高めた電極触媒層でも、高電流域では電極反応で生成した水を排出することができ、反応ガスの拡散性を高めることができる。
本実施形態に係る電極触媒層の製造方法で製造された膜電極接合体は、低加湿条件下での保水性を阻害せずに、多くの生成水が生じる高電流域における排水性が改善され、また、高加湿条件下でも高い発電性能と耐久性を示す。また、本実施形態に係る電極触媒層の製造方法は、上述したような膜電極接合体を効率良く経済的に容易に製造することができる。
<Other effects>
In this embodiment, a membrane electrode assembly 11 that exhibits high power generation characteristics under highly humidified conditions, a method for manufacturing the same, and a polymer electrolyte fuel cell 12 comprising the membrane electrode assembly 11 are described. In the electrode catalyst layers 2 and 3 of the membrane electrode assembly 11 of the present embodiment, the entanglement of the highly crystalline fibrous material suppresses the occurrence of cracks in the electrode catalyst layers that cause a decrease in durability. and mechanical properties are obtained. In addition, since the catalyst-supporting particles provided with a hydrophobic coating have affinity with fibrous substances exhibiting hydrophobicity, pores are formed in the electrode catalyst layer due to the entanglement of the fibrous substances. Due to the formed pores, even in an electrode catalyst layer with enhanced water retention, water generated by the electrode reaction can be discharged in a high current region, and the diffusibility of the reaction gas can be enhanced.
The membrane electrode assembly produced by the method for producing an electrode catalyst layer according to the present embodiment does not impair water retention under low humidification conditions, and has improved drainage properties in a high current region where a large amount of water is produced. In addition, it exhibits high power generation performance and durability even under highly humidified conditions. In addition, the method for producing the electrode catalyst layer according to the present embodiment can efficiently and economically produce the membrane electrode assembly as described above.

つまり、疎水性被膜を備えた白金担持カーボン触媒(触媒担持粒子)と、高分子電解質と、繊維状物質とを溶媒に分散させた触媒インクを用いて電極触媒層を形成するだけで、上述の膜電極接合体を製造することができる。
したがって、複雑な製造工程を伴うことなく製造することができると共に、上述の手順で作製した電極触媒層を用いることで保水性及び反応ガスの拡散性を共に向上させることができるため、例えば加湿器等の特別な手段を設けることなく運用することができ、コスト削減を図ることができる。
In other words, the above-described electrode catalyst layer is formed by simply using a catalyst ink in which a platinum-supported carbon catalyst (catalyst-supporting particles) having a hydrophobic coating, a polymer electrolyte, and a fibrous substance are dispersed in a solvent. A membrane electrode assembly can be manufactured.
Therefore, it can be manufactured without a complicated manufacturing process, and by using the electrode catalyst layer produced by the above procedure, both water retention and reaction gas diffusivity can be improved. It is possible to operate without providing special means such as, and to reduce costs.

なお、高分子電解質膜1の両面に形成される電極触媒層2,3のうち一方のみを、改良電極触媒層としてもよい。その場合、改良電極触媒層は、電極反応により水が発生する空気極(カソード)側に配置することが好ましい。ただし、高電流域における排水性の点から、高分子電解質膜1の両面に形成されることがより好ましい。
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、実際には、上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の変更があっても本発明に含まれる。
Only one of the electrode catalyst layers 2 and 3 formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 may be the improved electrode catalyst layer. In that case, the improved electrode catalyst layer is preferably arranged on the side of the air electrode (cathode) where water is generated by the electrode reaction. However, it is more preferable to be formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 from the viewpoint of drainage in a high current region.
Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and the present invention includes any modifications that do not depart from the gist of the present invention.

以下に、本実施形態における固体高分子形燃料電池用の改良電極触媒層及び膜電極接合体の製造方法について、具体的な実施例及び比較例を挙げて説明する。ただし、本実施形態は下記の実施例及び比較例によって制限されるものではない。
以下の各実施例では、一対の電極触媒層をともに改良電極触媒層とした場合を例示している。一対の電極触媒層のうち一方のみを、改良電極触媒層としてもよい。
The method for manufacturing the improved electrode catalyst layer and the membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells according to the present embodiment will be described below with reference to specific examples and comparative examples. However, this embodiment is not limited to the following examples and comparative examples.
In each of the following examples, a case where both a pair of electrode catalyst layers are used as improved electrode catalyst layers is exemplified. Only one of the pair of electrode catalyst layers may be the improved electrode catalyst layer.

<実施例>
〔触媒インクの調整〕
疎水性被膜20nmを備えた担持密度50質量%である白金担持カーボン触媒(触媒担持粒子)と、イオン交換容量が0.7meq/gである25質量%高分子電解質溶液と、平均繊維径が150nm且つ平均繊維長が6μmである繊維状物質と、を溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで分散処理を行った。このとき、分散時間を30分間とし、触媒インクを調整した。
調整した触媒インクの出発原料の組成比は、繊維状物質:カーボン担体:高分子電解質を質量比で0.5:1:0.6とした。触媒インクの溶媒は、超純水と1-プロパノールを体積比で1:1とした。また、触媒インクにおける固形分含有量は12質量%となるように調整した。
<Example>
[Adjustment of catalyst ink]
A platinum-supported carbon catalyst (catalyst-supporting particles) with a hydrophobic coating of 20 nm and a support density of 50% by mass, a 25% by mass polymer electrolyte solution with an ion exchange capacity of 0.7 meq/g, and an average fiber diameter of 150 nm. and a fibrous material having an average fiber length of 6 μm were mixed in a solvent and dispersed by a planetary ball mill. At this time, the dispersion time was set to 30 minutes, and the catalyst ink was adjusted.
The composition ratio of the starting materials of the adjusted catalyst ink was fibrous substance: carbon carrier: polymer electrolyte at a mass ratio of 0.5:1:0.6. The solvent for the catalyst ink was ultrapure water and 1-propanol at a volume ratio of 1:1. Also, the solid content in the catalyst ink was adjusted to 12% by mass.

〔基材〕
転写シートを構成する基材として、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シートを用いた。
〔基材上への電極触媒層の形成方法〕
ドクターブレード法により、上記調整した触媒インクを基材上に塗布し、大気雰囲気中80℃で乾燥させた。触媒インクの塗布量は、燃料極(アノード)となる電極触媒層では白金担持量0.1mg/cmとし、空気極(カソード)となる電極触媒層では白金担持量0.3mg/cmとなるようにそれぞれ調整した。
〔膜電極接合体の作製〕
アノードとなる電極触媒層を形成した基材及びカソードとなる電極触媒層を形成した基材を、5cm×5cmにそれぞれ打ち抜き、高分子電解質膜の両面に転写温度130℃、転写圧力5.0×10Paの条件で転写して、実施例の膜電極接合体を作製した。
〔Base material〕
A polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet was used as a base material constituting the transfer sheet.
[Method for Forming Electrode Catalyst Layer on Substrate]
The catalyst ink prepared above was applied onto a substrate by a doctor blade method, and dried at 80° C. in an air atmosphere. The amount of catalyst ink to be applied was 0.1 mg/cm 2 of platinum supported on the electrode catalyst layer serving as the fuel electrode (anode), and 0.3 mg/cm 2 of platinum supported on the electrode catalyst layer serving as the air electrode (cathode). adjusted for each.
[Production of membrane electrode assembly]
A base material on which an electrode catalyst layer serving as an anode and a base material on which an electrode catalyst layer serving as a cathode were formed were punched out into pieces of 5 cm×5 cm, respectively, and a transfer temperature of 130° C. and a transfer pressure of 5.0× were applied to both sides of the polymer electrolyte membrane. The transfer was performed under the condition of 10 6 Pa to produce the membrane electrode assembly of the example.

<比較例1>
〔触媒インクの調整〕
担持密度50質量%である白金担持カーボン触媒(触媒担持粒子)と、イオン交換容量が0.7meq/gである25質量%高分子電解質溶液と、平均繊維径が150nm且つ平均繊維長が6μmである繊維状物質と、を溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで分散処理を行った。このとき、分散時間を30分間とし、触媒インクを調整した。
調整した触媒インクの出発原料の組成比は、繊維状物質:カーボン担体:高分子電解質を質量比で0.5:1:0.6とした。触媒インクの溶媒は、超純水と1-プロパノールを体積比で1:1とした。また、触媒インクにおける固形分含有量は12質量%となるように調整した。
<Comparative Example 1>
[Adjustment of catalyst ink]
A platinum-supported carbon catalyst (catalyst-supporting particles) with a support density of 50% by mass, a 25% by mass polymer electrolyte solution with an ion exchange capacity of 0.7 meq/g, and an average fiber diameter of 150 nm and an average fiber length of 6 μm. A certain fibrous substance was mixed in a solvent and subjected to a dispersion treatment using a planetary ball mill. At this time, the dispersion time was set to 30 minutes, and the catalyst ink was adjusted.
The composition ratio of the starting materials of the adjusted catalyst ink was fibrous substance: carbon carrier: polymer electrolyte at a mass ratio of 0.5:1:0.6. The solvent for the catalyst ink was ultrapure water and 1-propanol at a volume ratio of 1:1. Also, the solid content in the catalyst ink was adjusted to 12% by mass.

〔基材〕
転写シートを構成する基材として、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シートを用いた。
〔基材上への電極触媒層の形成方法〕
ドクターブレード法により、上記調整した触媒インクを基材上に塗布し、大気雰囲気中80℃で乾燥させた。触媒インクの塗布量は、燃料極(アノード)となる電極触媒層では白金担持量0.1mg/cmとし、空気極(カソード)となる電極触媒層では白金担持量0.3mg/cmとなるようにそれぞれ調整した。
〔膜電極接合体の作製〕
アノードとなる電極触媒層を形成した基材及びカソードとなる電極触媒層を形成した基材を、5cm×5cmにそれぞれ打ち抜き、高分子電解質膜の両面に転写温度130℃、転写圧力5.0×10Paの条件で転写して、比較例1の膜電極接合体を作製した。
〔Base material〕
A polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet was used as a base material constituting the transfer sheet.
[Method for Forming Electrode Catalyst Layer on Substrate]
The catalyst ink prepared above was applied onto a substrate by a doctor blade method, and dried at 80° C. in an air atmosphere. The amount of catalyst ink to be applied was 0.1 mg/cm 2 of platinum supported on the electrode catalyst layer serving as the fuel electrode (anode), and 0.3 mg/cm 2 of platinum supported on the electrode catalyst layer serving as the air electrode (cathode). adjusted for each.
[Production of membrane electrode assembly]
A base material on which an electrode catalyst layer serving as an anode and a base material on which an electrode catalyst layer serving as a cathode were formed were punched out into pieces of 5 cm×5 cm, respectively, and a transfer temperature of 130° C. and a transfer pressure of 5.0× were applied to both sides of the polymer electrolyte membrane. Transfer was carried out under the condition of 10 6 Pa, and a membrane electrode assembly of Comparative Example 1 was produced.

<比較例2>
〔触媒インクの調整〕
担持密度50質量%である白金担持カーボン触媒(触媒担持粒子)と、イオン交換容量が0.7meq/gである25質量%高分子電解質溶液と、を溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで分散処理を行った。このとき、分散時間を30分間とし、触媒インクを調整した。
調整した触媒インクの出発原料の組成比は、カーボン担体:高分子電解質を質量比で1:0.6とした。触媒インクの溶媒は、超純水と1-プロパノールを体積比で1:1とした。また、触媒インクにおける固形分含有量は12質量%となるように調整した。
<Comparative Example 2>
[Adjustment of catalyst ink]
A platinum-supported carbon catalyst (catalyst-supporting particles) with a support density of 50% by mass and a 25% by mass polymer electrolyte solution with an ion exchange capacity of 0.7 meq/g are mixed in a solvent and dispersed in a planetary ball mill. processed. At this time, the dispersion time was set to 30 minutes, and the catalyst ink was adjusted.
The composition ratio of the starting materials of the prepared catalyst ink was 1:0.6 (mass ratio of carbon carrier:polymer electrolyte). The solvent for the catalyst ink was ultrapure water and 1-propanol at a volume ratio of 1:1. Also, the solid content in the catalyst ink was adjusted to 12% by mass.

〔基材〕
転写シートを構成する基材として、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シートを用いた。
〔基材上への電極触媒層の形成方法〕
ドクターブレード法により、上記調整した触媒インクを基材上に塗布し、大気雰囲気中80℃で乾燥させた。触媒インクの塗布量は、燃料極(アノード)となる電極触媒層では白金担持量0.1mg/cmとし、空気極(カソード)となる電極触媒層では白金担持量0.3mg/cmとなるようにそれぞれ調整した。
〔膜電極接合体の作製〕
アノードとなる電極触媒層を形成した基材及びカソードとなる電極触媒層を形成した基材を、5cm×5cmにそれぞれ打ち抜き、高分子電解質膜の両面に転写温度130℃、転写圧力5.0×10Paの条件で転写して、比較例2の膜電極接合体を作製した。
〔Base material〕
A polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet was used as a base material constituting the transfer sheet.
[Method for Forming Electrode Catalyst Layer on Substrate]
The catalyst ink prepared above was applied onto a substrate by a doctor blade method, and dried at 80° C. in an air atmosphere. The amount of catalyst ink to be applied was 0.1 mg/cm 2 of platinum supported on the electrode catalyst layer serving as the fuel electrode (anode), and 0.3 mg/cm 2 of platinum supported on the electrode catalyst layer serving as the air electrode (cathode). adjusted for each.
[Production of membrane electrode assembly]
A base material on which an electrode catalyst layer serving as an anode and a base material on which an electrode catalyst layer serving as a cathode were formed were punched out into pieces of 5 cm×5 cm, respectively, and a transfer temperature of 130° C. and a transfer pressure of 5.0× were applied to both sides of the polymer electrolyte membrane. Transfer was carried out under the condition of 10 6 Pa, and a membrane electrode assembly of Comparative Example 2 was produced.

<評価>
〔発電特性〕
実施例及び比較例1、2で得られた各膜電極接合体を挟持するように、ガス拡散層としてカーボンペーパーを貼りあわせてサンプルを作製した。そして各サンプルを、発電評価セル内に設置し、燃料電池測定装置を用いて電流電圧測定を行った。
測定時のセル温度は60℃とし、運転条件は以下に示す高加湿と低加湿を採用した。また、燃料ガスとして水素を水素利用率が90%となる流量で流し、酸化剤ガスとして空気を用い酸素利用率が50%となる流量で流した。なお、背圧は50kPaとした。
〔運転条件〕
条件1(高加湿):相対湿度 アノード90%RH、カソード90%RH
条件2(低加湿):相対湿度 アノード90%RH、カソード40%RH
<Evaluation>
[Power generation characteristics]
A sample was prepared by laminating carbon paper as a gas diffusion layer so as to sandwich each membrane electrode assembly obtained in Example and Comparative Examples 1 and 2. Then, each sample was placed in a power generation evaluation cell, and current-voltage measurement was performed using a fuel cell measuring device.
The cell temperature at the time of measurement was 60° C., and the following operating conditions were adopted: high humidification and low humidification. Further, hydrogen was flowed as the fuel gas at a flow rate at which the hydrogen utilization rate was 90%, and air was flowed at a flow rate at which the oxygen utilization rate was 50% as the oxidant gas. In addition, the back pressure was set to 50 kPa.
[Operating conditions]
Condition 1 (high humidity): relative humidity anode 90% RH, cathode 90% RH
Condition 2 (low humidity): relative humidity anode 90% RH, cathode 40% RH

〔測定結果〕
実施例で作製した膜電極接合体は、比較例1,2で作製した膜電極接合体よりも、高加湿の運転条件下で優れた発電性能を示した。
また、実施例で作製した膜電極接合体は、高加湿の運転条件下においても、低加湿の運転条件下と同等レベルの発電性能であった。特に、電流密度1.2A/cm付近の発電性能が向上した。
実施例で作製した膜電極接合体の電流密度1.2A/cmにおけるセル電圧は、比較例1で作製した膜電極接合体の電流密度1.2A/cmにおけるセル電圧と比べて0.17V高く、比較例2で作製した膜電極接合体の電流密度1.2A/cmにおけるセル電圧と比べて0.24V高い発電特性を示した。
〔Measurement result〕
The membrane electrode assemblies produced in Examples exhibited better power generation performance than the membrane electrode assemblies produced in Comparative Examples 1 and 2 under highly humidified operating conditions.
In addition, the membrane electrode assembly produced in the example had the same level of power generation performance even under high humidification operating conditions as that under low humidification operating conditions. In particular, the power generation performance was improved at a current density of around 1.2 A/cm 2 .
The cell voltage at a current density of 1.2 A/cm 2 of the membrane electrode assembly produced in Example 1 was 0.2 A/cm 2 compared to the cell voltage at a current density of 1.2 A/cm 2 for the membrane electrode assembly produced in Comparative Example 1. The cell voltage was 17 V higher, and compared with the cell voltage of the membrane electrode assembly produced in Comparative Example 2 at a current density of 1.2 A/cm 2 , the power generation characteristics were 0.24 V higher.

実施例で作製した膜電極接合体と比較例1,2で作製した膜電極接合体との発電特性の結果から、実施例の膜電極接合体は排水性が高まり、高加湿の運転条件下における発電特性が、低加湿の運転条件下と同等の発電特性を示すことが確認された。
また、低加湿の運転条件下では、実施例で作製した膜電極接合体の電流密度1.2A/cmにおけるセル電圧は、比較例1で作製した膜電極接合体の電流密度1.2A/cmにおけるセル電圧と比べて0.19V高く、比較例2で作製した膜電極接合体の電流密度1.2A/cmにおけるセル電圧と比べて0.26V高い発電特性を示した。
実施例で作製した膜電極接合体と比較例1,2で作製した膜電極接合体との発電特性の結果から、実施例で作製した膜電極接合体では、電極反応で生成した水の排水性が高く、低加湿条件下での保水性を阻害していないことが確認された。
From the results of the power generation characteristics of the membrane electrode assemblies produced in Examples and the membrane electrode assemblies produced in Comparative Examples 1 and 2, it was found that the membrane electrode assemblies of Examples had improved drainage properties and under highly humidified operating conditions. It was confirmed that power generation characteristics are equivalent to those under low humidity operating conditions.
In addition, under the operating condition of low humidity, the cell voltage at the current density of 1.2 A/cm 2 of the membrane electrode assembly produced in Example 1 was lower than that of the membrane electrode assembly produced in Comparative Example 1 at the current density of 1.2 A/cm 2 . cm 2 , and 0.26 V higher than the cell voltage of the membrane electrode assembly produced in Comparative Example 2 at a current density of 1.2 A/cm 2 .
From the results of the power generation characteristics of the membrane electrode assemblies produced in Examples and the membrane electrode assemblies produced in Comparative Examples 1 and 2, it was found that the membrane electrode assemblies produced in Examples had excellent drainage properties for the water generated by the electrode reaction. was high, and it was confirmed that it did not inhibit water retention under low humidity conditions.

1…高分子電解質膜
2…電極触媒層
3…電極触媒層
4…ガス拡散層
5…ガス拡散層
6…空気極(カソード)
7…燃料極(アノード)
8a,8b…ガス流路
9a,9b…冷却水流路
10a,10b…セパレータ
11…膜電極接合体
12…固体高分子形燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Polymer electrolyte membrane 2... Electrode catalyst layer 3... Electrode catalyst layer 4... Gas diffusion layer 5... Gas diffusion layer 6... Air electrode (cathode)
7 ... fuel electrode (anode)
8a, 8b... Gas channels 9a, 9b... Cooling water channels 10a, 10b... Separator 11... Membrane electrode assembly 12... Polymer electrolyte fuel cell

Claims (4)

高分子電解質膜と、上記高分子電解質膜を挟持する一対の電極触媒層と、を備え、
上記一対の電極触媒層の少なくとも一方は、疎水性被膜を備えた触媒担持粒子と、高分子電解質と、平均繊維径が10nm以上300nm以下の繊維状物質と、を含み、
上記繊維状物質の質量は、上記触媒担持粒子における担体の質量の0.2倍以上1.0倍以下であることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。
A polymer electrolyte membrane and a pair of electrode catalyst layers sandwiching the polymer electrolyte membrane,
At least one of the pair of electrode catalyst layers contains catalyst-supporting particles provided with a hydrophobic coating, a polymer electrolyte, and a fibrous substance having an average fiber diameter of 10 nm or more and 300 nm or less,
A membrane electrode assembly for a fuel cell, wherein the mass of the fibrous substance is 0.2 to 1.0 times the mass of the carrier in the catalyst-carrying particles.
上記繊維状物質の平均繊維径が、100nm以上200nm以下であり、
上記繊維状物質の質量が、上記触媒担持粒子における担体の質量の0.4倍以上0.8倍以下であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用膜電極接合体。
The fibrous substance has an average fiber diameter of 100 nm or more and 200 nm or less,
2. The membrane electrode assembly for a fuel cell according to claim 1, wherein the mass of said fibrous material is 0.4 times or more and 0.8 times or less of the mass of the support in said catalyst-carrying particles.
上記繊維状物質の平均繊維長が、0.7μm以上20μm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池用膜電極接合体。 3. The fuel cell membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the fibrous material has an average fiber length of 0.7 [mu]m to 20 [mu]m. 請求項1~請求項3のいずれか一項に記載の膜電極接合体と、
上記膜電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、
上記膜電極接合体及び上記一対のガス拡散層を挟んで対向する一対のセパレータと、
を備えることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
a membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3;
a pair of gas diffusion layers sandwiching the membrane electrode assembly;
a pair of separators facing each other with the membrane electrode assembly and the pair of gas diffusion layers interposed therebetween;
A polymer electrolyte fuel cell comprising:
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