JP7359192B2 - Ionomer-modified hydrophobic particles, catalyst layer, catalyst ink and manufacturing method thereof - Google Patents

Ionomer-modified hydrophobic particles, catalyst layer, catalyst ink and manufacturing method thereof Download PDF

Info

Publication number
JP7359192B2
JP7359192B2 JP2021079596A JP2021079596A JP7359192B2 JP 7359192 B2 JP7359192 B2 JP 7359192B2 JP 2021079596 A JP2021079596 A JP 2021079596A JP 2021079596 A JP2021079596 A JP 2021079596A JP 7359192 B2 JP7359192 B2 JP 7359192B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ionomer
hydrophobic particles
modified hydrophobic
catalyst
group
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2021079596A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2022173720A (en
Inventor
尚美 後藤
憲治 工藤
洋充 田中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Central R&D Labs Inc
Priority to JP2021079596A priority Critical patent/JP7359192B2/en
Publication of JP2022173720A publication Critical patent/JP2022173720A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7359192B2 publication Critical patent/JP7359192B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Description

本発明は、アイオノマ修飾疎水性粒子、触媒層、並びに、触媒インク及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、疎水性粒子の表面がアイオノマで被覆されたアイオノマ修飾疎水性粒子、これを用いた触媒層、並びに、これを用いた触媒インク及びその製造方法に関する。 The present invention relates to ionomer-modified hydrophobic particles, a catalyst layer, a catalyst ink, and a method for producing the same, and more particularly, the present invention relates to ionomer-modified hydrophobic particles in which the surface of the hydrophobic particles is coated with an ionomer, and a catalyst layer using the same. , as well as a catalyst ink using the same and a method for producing the same.

固体高分子形燃料電池は、電解質膜の両面に触媒層が接合された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly,MEA)を備えている。通常、触媒層の外側には、さらにガス拡散層が配置される。触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、一般に、白金等の触媒粒子を担持したカーボンと固体高分子電解質(触媒層アイオノマ)との複合体からなる。また、ガス拡散層は、触媒層に反応ガス及び電子を供給するためのものであり、カーボンペーパー、カーボンクロス等が用いられる。 A polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) in which a catalyst layer is bonded to both sides of an electrolyte membrane. Usually, a gas diffusion layer is further arranged outside the catalyst layer. The catalyst layer is a reaction field for electrode reactions, and is generally made of a composite of carbon supporting catalyst particles such as platinum and a solid polymer electrolyte (catalyst layer ionomer). Further, the gas diffusion layer is for supplying a reaction gas and electrons to the catalyst layer, and carbon paper, carbon cloth, or the like is used.

固体高分子形燃料電池(PEFCs)は、酸素と水素の反応によって電気エネルギーを発生させる発電装置である。PEFCsは、従来の内燃機関に比べて高効率・高出力密度が期待できる。また、燃料となる水素は,多様な一次エネルギー源から製造することができる。そのため、PEFCsは、将来の車載用動力源として有力な候補の一つである。 Polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) are power generation devices that generate electrical energy through the reaction of oxygen and hydrogen. PEFCs can be expected to have higher efficiency and higher power density than conventional internal combustion engines. Additionally, hydrogen as a fuel can be produced from a variety of primary energy sources. Therefore, PEFCs are one of the promising candidates as a future vehicle power source.

PEFCsを車載用動力源として普及させるためには、白金触媒の使用量の低減によるコスト低減や耐久性向上の課題がある。PEFCsの水素酸化反応及び酸素還元反応は触媒層中で起こるため、課題克服のためには、触媒層を構成する材料の特性向上と触媒層の構造の制御が重要である。
このような触媒層は、通常、触媒インクを塗工して調製される。触媒インクは、白金担持カーボン及びアイオノマを水と有機溶媒の混合溶媒に分散させて作るスラリーである。また、触媒層は、白金担持カーボン及びアイオノマからなるサブマイクロメーターオーダーの細孔を持つ多孔膜である。
In order to popularize PEFCs as an on-vehicle power source, there are issues to reduce costs and improve durability by reducing the amount of platinum catalyst used. Since the hydrogen oxidation reaction and oxygen reduction reaction of PEFCs occur in the catalyst layer, it is important to improve the properties of the material constituting the catalyst layer and control the structure of the catalyst layer in order to overcome the problems.
Such a catalyst layer is usually prepared by applying a catalyst ink. Catalyst ink is a slurry made by dispersing platinum-supported carbon and ionomer in a mixed solvent of water and an organic solvent. Further, the catalyst layer is a porous membrane having pores on the order of submicrometers and made of platinum-supported carbon and an ionomer.

PEFCsの低コスト化のためには触媒に利用する白金量を減らす必要があり、白金量を減らすためには触媒層内のプロトン伝導性を高める必要がある。プロトン伝導性を高める方法としては、触媒層に用いるアイオノマとして酸素透過性の高いアイオノマを用いる方法が提案されている(特許文献1)。
また、触媒層の構造でプロトン伝導性を高める方法としては、
(a)紡糸装置を用いてアイオノマを不織布とし、得られた不織布を触媒インクでコートしたものを触媒層として用いる方法(非特許文献1)、
(b)アイオノマで不織布を作製する際に、短軸方向の長さが20nm以上100μm以下であるカーボンフィラーを高分子電解質溶液中に配合する方法(特許文献2)
などが知られている。
In order to reduce the cost of PEFCs, it is necessary to reduce the amount of platinum used in the catalyst, and in order to reduce the amount of platinum, it is necessary to increase the proton conductivity in the catalyst layer. As a method for increasing proton conductivity, a method has been proposed in which an ionomer with high oxygen permeability is used as an ionomer for the catalyst layer (Patent Document 1).
In addition, as a method of increasing proton conductivity with the structure of the catalyst layer,
(a) A method in which an ionomer is made into a nonwoven fabric using a spinning device, and the resulting nonwoven fabric is coated with a catalyst ink and used as a catalyst layer (Non-Patent Document 1);
(b) A method of blending a carbon filler having a short axis length of 20 nm or more and 100 μm or less into a polymer electrolyte solution when producing a nonwoven fabric using an ionomer (Patent Document 2)
etc. are known.

アイオノマからなる不織布を触媒層に用いると、プロトン伝導パスがつながりやすくなるために、触媒層内のプロトン伝導性が向上する。また、不織布を作製する際に電解質溶液にカーボンフィラーを添加すると、電子伝導性を向上させることもできる。しかしながら、アイオノマからなる不織布は、紡糸装置を用いて製造する必要があるため、触媒インクを用いて触媒層を製造する従来の方法に比べて生産性が低いという問題があった。
一方、プロトン伝導性と生産性とを両立させるために、触媒インクにプロトン伝導率を向上させるための添加物(以下、これを「プロトン伝導助剤」ともいう)を添加し、アプリケーターやダイコーターなどの量産に適した塗布装置を用いて触媒層を製造することも考えられる。しかし、触媒インクへの添加に適したプロトン伝導助剤が提案された例は従来にはない。
When a nonwoven fabric made of an ionomer is used in the catalyst layer, proton conduction paths become more easily connected, thereby improving proton conductivity within the catalyst layer. Further, when a carbon filler is added to an electrolyte solution when producing a nonwoven fabric, electronic conductivity can also be improved. However, since a nonwoven fabric made of an ionomer needs to be manufactured using a spinning device, there is a problem in that productivity is lower than in the conventional method of manufacturing a catalyst layer using a catalyst ink.
On the other hand, in order to achieve both proton conductivity and productivity, an additive for improving proton conductivity (hereinafter also referred to as a "proton conduction aid") is added to the catalyst ink, and an additive is added to the catalyst ink to improve proton conductivity. It is also conceivable to manufacture the catalyst layer using a coating device suitable for mass production, such as the following. However, there has never been an example in which a proton conduction aid suitable for addition to catalyst ink has been proposed.

特開2014-216157号公報Japanese Patent Application Publication No. 2014-216157 特開2019-183295号公報JP 2019-183295 Publication

Journal of Power Sources, 476(2020)228584Journal of Power Sources, 476(2020)228584

本発明が解決しようとする課題は、触媒インクに添加するプロトン伝導助剤として好適な新規なアイオノマ修飾疎水性粒子を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、このようなアイオノマ修飾疎水性粒子を備えた触媒層を提供することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、このようなアイオノマ修飾疎水性粒子を備えた触媒インク及びその製造方法を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to provide novel ionomer-modified hydrophobic particles suitable as a proton conduction aid added to catalyst ink.
Another problem to be solved by the present invention is to provide a catalyst layer including such ionomer-modified hydrophobic particles.
Furthermore, another problem to be solved by the present invention is to provide a catalyst ink equipped with such ionomer-modified hydrophobic particles and a method for producing the same.

上記課題を解決するために本発明に係るアイオノマ修飾疎水性粒子は、以下の構成を備えている。
(1)前記アイオノマ修飾疎水性粒子は、
疎水性粒子の表面が芳香族ビニル共重合体で被覆された表面修飾疎水性粒子と、
前記表面修飾疎水性粒子の表面をさらに被覆するアイオノマAと
を備えている。
(2)前記芳香族ビニル共重合体は、
疎水性官能基とカチオン性官能基とを備え、
前記疎水性官能基を介して前記疎水性粒子の表面に吸着している。
(3)前記アイオノマAは、
アニオン性官能基を備え、
前記アニオン性官能基を介して、前記カチオン性官能基とイオン結合している。
In order to solve the above problems, the ionomer-modified hydrophobic particles according to the present invention have the following configuration.
(1) The ionomer-modified hydrophobic particles are:
surface-modified hydrophobic particles whose surfaces are coated with an aromatic vinyl copolymer;
and an ionomer A that further coats the surface of the surface-modified hydrophobic particles.
(2) The aromatic vinyl copolymer is
Comprising a hydrophobic functional group and a cationic functional group,
It is adsorbed on the surface of the hydrophobic particles via the hydrophobic functional group.
(3) The ionomer A is
Equipped with anionic functional group,
It is ionically bonded to the cationic functional group via the anionic functional group.

本発明に係る触媒層は、
カーボン担体の表面に触媒粒子が担持された電極触媒と、
アイオノマBからなる触媒層アイオノマと、
本発明に係るアイオノマ修飾疎水性粒子と
を備えている。
The catalyst layer according to the present invention is
an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on the surface of a carbon carrier;
A catalyst layer ionomer made of ionomer B;
and the ionomer-modified hydrophobic particles according to the present invention.

本発明に係る触媒インクは、
カーボン担体の表面に触媒粒子が担持された電極触媒と、
アイオノマBからなる触媒層アイオノマと、
本発明に係るアイオノマ修飾疎水性粒子と、
前記電極触媒、前記触媒層アイオノマ、及び前記アイオノマ修飾疎水性粒子を分散させるための水を含む親水性溶媒と、
を備えている。
The catalyst ink according to the present invention includes:
an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on the surface of a carbon carrier;
A catalyst layer ionomer made of ionomer B;
Ionomer-modified hydrophobic particles according to the present invention,
a hydrophilic solvent containing water for dispersing the electrode catalyst, the catalyst layer ionomer, and the ionomer-modified hydrophobic particles;
It is equipped with

さらに、本発明に係る触媒インクの製造方法は、
本発明に係るアイオノマ修飾疎水性粒子が第1分散媒中に分散している第1分散液を調製する第1工程と、
電極触媒、及びアイオノマCが第2分散媒中に分散している第2分散液を調製する第2工程と、
前記第1分散液と前記第2分散液を混合し、触媒インクを得る第3工程と
を備えている。
Furthermore, the method for producing catalyst ink according to the present invention includes:
A first step of preparing a first dispersion liquid in which ionomer-modified hydrophobic particles according to the present invention are dispersed in a first dispersion medium;
a second step of preparing a second dispersion liquid in which the electrode catalyst and ionomer C are dispersed in a second dispersion medium;
and a third step of mixing the first dispersion liquid and the second dispersion liquid to obtain a catalyst ink.

疎水性粒子の表面を芳香族ビニル共重合体で修飾すると、疎水性粒子の表面にカチオン性官能基が導入された表面修飾疎水性粒子が得られる。次いで、表面修飾疎水性粒子とアイオノマAとを溶媒中に分散させると、カチオン性官能基とアイオノマAのアニオン性官能基とがイオン結合し、アイオノマ修飾疎水性粒子が得られる。 When the surface of a hydrophobic particle is modified with an aromatic vinyl copolymer, a surface-modified hydrophobic particle having a cationic functional group introduced onto the surface of the hydrophobic particle can be obtained. Next, when the surface-modified hydrophobic particles and ionomer A are dispersed in a solvent, the cationic functional group and the anionic functional group of ionomer A are ionically bonded, and ionomer-modified hydrophobic particles are obtained.

このようにして得られたアイオノマ修飾疎水性粒子は、疎水性粒子の表面に連続したプロトン伝導パスが形成されるので、プロトン伝導助剤として機能する。さらに、アイオノマ修飾疎水性粒子は、アイオノマAが吸着することによって表面電荷量が増大しているために、水を含む親水性溶媒に分散させることができる。
そのため、アイオノマ修飾疎水性粒子を触媒インクに添加し、触媒インクを塗布・乾燥させると、プロトン伝導性の高い触媒層が得られる。
The ionomer-modified hydrophobic particles thus obtained function as a proton conduction aid because a continuous proton conduction path is formed on the surface of the hydrophobic particles. Furthermore, since the ionomer-modified hydrophobic particles have increased surface charge due to adsorption of ionomer A, they can be dispersed in a hydrophilic solvent containing water.
Therefore, by adding ionomer-modified hydrophobic particles to a catalyst ink, applying and drying the catalyst ink, a catalyst layer with high proton conductivity can be obtained.

本発明に係る触媒層の断面模式図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a catalyst layer according to the present invention. アイオノマ修飾疎水性粒子の合成スキームである。This is a synthesis scheme of ionomer-modified hydrophobic particles. 図3(A)は、水に表面修飾疎水性粒子を分散させた分散液の写真である。図3(B)は、水にアイオノマ修飾疎水性粒子を分散させた分散液の写真である。FIG. 3(A) is a photograph of a dispersion in which surface-modified hydrophobic particles are dispersed in water. FIG. 3(B) is a photograph of a dispersion in which ionomer-modified hydrophobic particles are dispersed in water. 実施例1~2及び比較例1~2で得られた燃料電池の過加湿条件下におけるIV曲線(IR補正後)である。1 is an IV curve (after IR correction) of the fuel cells obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 under overhumidified conditions.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 表面修飾疎水性粒子]
本発明に係るアイオノマ修飾疎水性粒子は、表面修飾疎水性粒子を備えている。
また、表面修飾疎水性粒子は、
表面が疎水性である疎水性粒子と、
前記疎水性粒子の表面を被覆する芳香族ビニル共重合体と
を備えている。
Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Surface-modified hydrophobic particles]
The ionomer-modified hydrophobic particles according to the present invention include surface-modified hydrophobic particles.
In addition, surface-modified hydrophobic particles
hydrophobic particles whose surfaces are hydrophobic;
and an aromatic vinyl copolymer that coats the surface of the hydrophobic particles.

[1.1. 疎水性粒子]
[1.1.1. 材料]
「疎水性粒子」とは、表面が疎水性である粒子をいう。
「表面が疎水性である」とは、水の接触角θが90°以上であることをいう。
疎水性粒子は、表面修飾疎水性粒子のコアとなる粒子である。疎水性粒子を構成する材料は、導電体であっても良く、あるいは、絶縁体であっても良い。
[1.1. Hydrophobic particles]
[1.1.1. material]
"Hydrophobic particle" refers to a particle whose surface is hydrophobic.
"The surface is hydrophobic" means that the contact angle θ of water is 90° or more.
The hydrophobic particles are core particles of the surface-modified hydrophobic particles. The material constituting the hydrophobic particles may be a conductor or an insulator.

疎水性粒子の材料としては、例えば、
(a)黒鉛、
(b)窒化ホウ素、
(c)表面に疎水性表面処理を施したマイカ、タルク、セリサイト、アルミニウム、アルミナ、酸化チタン、シリカ
などがある。
これらの中でも、疎水性粒子の材料は、黒鉛が好ましい。黒鉛は、薄片化処理によって容易に劈開し、薄片化黒鉛粒子が得られるので、疎水性粒子の材料として好適である。
ここで、「薄片化黒鉛粒子」とは、黒鉛の層を所定の厚さに薄く剥がし取ったシート状の粒子をいう。薄片化黒鉛粒子の製造方法については、後述する。
Examples of materials for the hydrophobic particles include:
(a) graphite;
(b) boron nitride,
(c) There are mica, talc, sericite, aluminum, alumina, titanium oxide, silica, etc. whose surfaces have been subjected to hydrophobic surface treatment.
Among these, graphite is preferable as the material for the hydrophobic particles. Graphite is suitable as a material for the hydrophobic particles because it can be easily cleaved by exfoliation treatment to obtain exfoliated graphite particles.
Here, the term "exfoliated graphite particles" refers to sheet-like particles obtained by peeling off a graphite layer to a predetermined thickness. A method for producing exfoliated graphite particles will be described later.

[1.1.2. 形状]
疎水性粒子は、粒状粒子であっても良く、あるいは、シート状粒子であっても良い。ここで、「シート状粒子」とは、厚さ方向の寸法に比べて平面方向の寸法が大きい形状(2次元形状又は2次元形状に近い形状)をいう。
シート状の疎水性粒子の表面を芳香族ビニル共重合体で被覆すると、シート状の表面修飾疎水性粒子が得られる。また、シート状の表面修飾疎水性粒子の表面をさらにアイオノマAで被覆すると、シート状のアイオノマ修飾疎水性粒子が得られる。
このようなアイオノマ修飾疎水性粒子を触媒層に添加すると、粒子の一部は、触媒層の表面に対して平行な方向(以下、これを「面内方向」ともいう)に配向するが、他の一部は、触媒層の表面に対して非平行な方向(以下、これを「面外方向」ともいう)に配向する。その結果、触媒層の厚さ方向のプロトン伝導率が向上する。
[1.1.2. shape]
The hydrophobic particles may be granular particles or sheet-like particles. Here, the term "sheet-like particles" refers to a shape (a two-dimensional shape or a shape close to a two-dimensional shape) in which the dimension in the plane direction is larger than the dimension in the thickness direction.
When the surface of sheet-like hydrophobic particles is coated with an aromatic vinyl copolymer, sheet-like surface-modified hydrophobic particles are obtained. Moreover, when the surface of the sheet-like surface-modified hydrophobic particles is further coated with ionomer A, sheet-like ionomer-modified hydrophobic particles are obtained.
When such ionomer-modified hydrophobic particles are added to the catalyst layer, some of the particles are oriented in a direction parallel to the surface of the catalyst layer (hereinafter also referred to as "in-plane direction"), but others are A part of the catalyst layer is oriented in a direction non-parallel to the surface of the catalyst layer (hereinafter also referred to as an "out-of-plane direction"). As a result, the proton conductivity in the thickness direction of the catalyst layer is improved.

[1.1.3. 大きさ]
疎水性粒子の大きさは、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な値を選択することができる。
例えば、疎水性粒子が薄片化黒鉛粒子のようなシート状粒子である場合、シート状の表面修飾疎水性粒子及びシート状のアイオノマ修飾疎水性粒子が得られる。この場合、疎水性粒子の平均長径及び平均厚さは、以下の条件を満たしているのが好ましい。
[1.1.3. size]
The size of the hydrophobic particles is not particularly limited, and an optimal value can be selected depending on the purpose.
For example, when the hydrophobic particles are sheet-like particles such as exfoliated graphite particles, sheet-like surface-modified hydrophobic particles and sheet-like ionomer-modified hydrophobic particles are obtained. In this case, it is preferable that the average length and average thickness of the hydrophobic particles satisfy the following conditions.

[A. 平均長径]
「長径」とは、シート状粒子のシート面(最も面積が広い面、xy平面)の法線方向(z軸方向)から見た時の、シート状粒子の最も離れた2箇所を結ぶ線(最長直線)の長さをいう。
「平均長径」とは、無作為に選んだ20個以上のシート状粒子の長径の平均値をいう。
[A. Average length]
"Long axis" is the line connecting the two furthest points of a sheet-like particle when viewed from the normal direction (z-axis direction) of the sheet surface (the plane with the widest area, xy plane) of the sheet-like particle ( The length of the longest straight line.
The "average major axis" refers to the average value of the major diameters of 20 or more randomly selected sheet-like particles.

アイオノマ修飾疎水性粒子を触媒層に添加する場合において、疎水性粒子の平均長径は、触媒層のプロトン伝導率に影響を与える。一般に、疎水性粒子の平均長径が長くなるほど、触媒層のプロトン伝導率が高くなる。これは、平均長径が長くなるほど、表面修飾疎水性粒子の表面に吸着しているアイオノマAのプロトンパスが長くなるためと考えられる。このような効果を得るためには、平均長径は、1μm以上が好ましい。平均長径は、さらに好ましくは、2μm以上である。 When adding ionomer-modified hydrophobic particles to the catalyst layer, the average length of the hydrophobic particles affects the proton conductivity of the catalyst layer. Generally, the longer the average major axis of the hydrophobic particles, the higher the proton conductivity of the catalyst layer. This is considered to be because the longer the average major axis, the longer the proton path of ionomer A adsorbed on the surface of the surface-modified hydrophobic particles. In order to obtain such an effect, the average major axis is preferably 1 μm or more. The average major axis is more preferably 2 μm or more.

一方、平均長径が長くなりすぎると、かえって触媒層の性能が低下する。これは、アイオノマ修飾疎水性粒子が触媒層の面内方向に配向することにより、排水が阻害されるためと考えられる。従って、平均長径は、10μm以下が好ましい。平均長径は、さらに好ましくは、8μm以下、さらに好ましくは、6μm以下である。 On the other hand, if the average major axis becomes too long, the performance of the catalyst layer will deteriorate on the contrary. This is considered to be because the ionomer-modified hydrophobic particles are oriented in the in-plane direction of the catalyst layer, thereby inhibiting drainage. Therefore, the average major axis is preferably 10 μm or less. The average major axis is more preferably 8 μm or less, still more preferably 6 μm or less.

[B. 平均厚さ]
「厚さ」とは、シート状粒子のシート面(xy平面)に対して平行方向から見たときの、シート状粒子の法線方向(z軸方向)の長さの最大値をいう。
「平均厚さ」とは、無作為に選んだ20個以上のシート状粒子の厚さの平均値をいう。
[B. Average thickness]
"Thickness" refers to the maximum length of a sheet-like particle in the normal direction (z-axis direction) when viewed from a direction parallel to the sheet surface (xy plane) of the sheet-like particle.
"Average thickness" refers to the average value of the thicknesses of 20 or more randomly selected sheet-like particles.

アイオノマ修飾疎水性粒子を触媒層に添加する場合において、疎水性粒子の平均厚さは、触媒層のプロトン伝導率に影響を与える。一般に、疎水性粒子の平均厚さが厚くなるほど、触媒層のプロトン伝導率が高くなる。これは、平均厚さが厚くなるほど、アイオノマ修飾疎水性粒子がシート構造を維持しやすくなり、触媒層内において粒子が折れ曲がりにくくなるためと考えられる。また、これによって、表面修飾疎水性粒子の表面に吸着しているアイオノマAのプロトンパスが長くなるためと考えられる。このような効果を得るためには、平均厚さは、10nm以上が好ましい。平均厚さは、さらに好ましくは、15nm以上である。 When adding ionomer-modified hydrophobic particles to the catalyst layer, the average thickness of the hydrophobic particles affects the proton conductivity of the catalyst layer. Generally, the thicker the average thickness of the hydrophobic particles, the higher the proton conductivity of the catalyst layer. This is thought to be because the thicker the average thickness, the easier the ionomer-modified hydrophobic particles maintain their sheet structure, and the more difficult it is for the particles to bend within the catalyst layer. It is also considered that this causes the proton path of ionomer A adsorbed on the surface of the surface-modified hydrophobic particles to become longer. In order to obtain such an effect, the average thickness is preferably 10 nm or more. The average thickness is more preferably 15 nm or more.

一方、平均厚さが厚くなりすぎると、触媒層の耐久性が低下する。これは、触媒層の表面に対して垂直に配向したアイオノマ修飾疎水性粒子が電解質膜に穴をあけ、クロスリークが生じて燃料電池の劣化を早める可能性があるためである。従って、平均厚さは、300nm以下が好ましい。平均厚さは、さらに好ましくは、250nm以下、さらに好ましくは、200nm以下である。 On the other hand, if the average thickness becomes too thick, the durability of the catalyst layer decreases. This is because the ionomer-modified hydrophobic particles oriented perpendicularly to the surface of the catalyst layer may create holes in the electrolyte membrane, causing cross-leakage and accelerating the deterioration of the fuel cell. Therefore, the average thickness is preferably 300 nm or less. The average thickness is more preferably 250 nm or less, even more preferably 200 nm or less.

[1.2. 芳香族ビニル共重合体]
[1.2.1. 材料]
疎水性粒子の表面は、芳香族ビニル共重合体で被覆されている。本発明において、芳香族ビニル共重合体には、疎水性官能基とカチオン性官能基とを備えているものが用いられる。この場合、芳香族ビニル共重合体は、疎水性官能基を介して疎水性粒子の表面に吸着している。
また、後述するように、表面修飾疎水性粒子の表面は、さらにアイオノマAで被覆されている。本発明において、アイオノマAには、アニオン性官能基を備えているものが用いられる。アイオノマAは、アニオン性官能基を介してカチオン性官能基とイオン結合している。
[1.2. Aromatic vinyl copolymer]
[1.2.1. material]
The surface of the hydrophobic particles is coated with an aromatic vinyl copolymer. In the present invention, the aromatic vinyl copolymer used includes a hydrophobic functional group and a cationic functional group. In this case, the aromatic vinyl copolymer is adsorbed on the surface of the hydrophobic particles via the hydrophobic functional group.
Moreover, the surface of the surface-modified hydrophobic particles is further coated with ionomer A, as will be described later. In the present invention, the ionomer A used is one having an anionic functional group. Ionomer A is ionically bonded to a cationic functional group via an anionic functional group.

すなわち、本発明において、「芳香族ビニル共重合体」とは、
(a)疎水性粒子に吸着しやすい疎水性官能基を含むビニル芳香族モノマーと、
(b)アイオノマAのアニオン性官能基とイオン結合可能なカチオン性官能基を有する第2ビニルモノマーと
を共重合させることにより得られる共重合体をいう。
That is, in the present invention, "aromatic vinyl copolymer" refers to
(a) a vinyl aromatic monomer containing a hydrophobic functional group that is easily adsorbed to hydrophobic particles;
(b) Refers to a copolymer obtained by copolymerizing the anionic functional group of ionomer A and a second vinyl monomer having a cationic functional group capable of ionically bonding.

疎水性官能基としては、例えば、フェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、ピレニル基などがある。芳香族ビニル共重合体は、これらのいずれか1種の疎水性官能基を備えているものでも良く、あるいは、2種以上を備えているものでも良い。 Examples of the hydrophobic functional group include a phenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, and a pyrenyl group. The aromatic vinyl copolymer may have any one of these hydrophobic functional groups, or may have two or more of these.

カチオン性官能基としては、例えば、ピリジル基、アミノ基、4級アンモニウム基、イミノ基、イミダゾール基、グアニジン基、ビグアニド基などがある。芳香族ビニル共重合体は、これらのいずれか1種のカチオン性官能基を備えているものでも良く、あるいは、2種以上を備えているものでも良い。 Examples of the cationic functional group include a pyridyl group, an amino group, a quaternary ammonium group, an imino group, an imidazole group, a guanidine group, and a biguanide group. The aromatic vinyl copolymer may have any one of these cationic functional groups, or may have two or more of these.

芳香族ビニル共重合体は、特に、
次の式(1)で表されるビニル芳香族モノマー単位と、
前記カチオン性官能基を有するビニルモノマーからなる第2モノマー単位と
を備えた共重合体が好ましい。
Aromatic vinyl copolymers are particularly
A vinyl aromatic monomer unit represented by the following formula (1),
A copolymer comprising a second monomer unit made of a vinyl monomer having the cationic functional group is preferred.

-(CH2-CHX)- …(1)
但し、
Xは、フェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、及びピレニル基からなる群から選ばれるいずれか1以上の疎水性官能基を表し、これらの基は置換基を有していても良い、
前記カチオン性官能基は、ピリジル基、アミノ基、4級アンモニウム基、イミノ基、イミダゾール基、グアニジン基、及び、ビグアニド基からなる群から選ばれるいずれか1以上の官能基。
-(CH 2 -CHX)-...(1)
however,
X represents any one or more hydrophobic functional groups selected from the group consisting of phenyl group, naphthyl group, anthracenyl group, and pyrenyl group, and these groups may have a substituent,
The cationic functional group is any one or more functional groups selected from the group consisting of a pyridyl group, an amino group, a quaternary ammonium group, an imino group, an imidazole group, a guanidine group, and a biguanide group.

疎水性官能基Xに含まれることがある置換基としては、例えば、アミノ基、カルボキシル基、カルボン酸エステル基、水酸基、アミド基、イミノ基、グリシジル基、アルコキシ基(例えば、メトキシ基)、カルボニル基、イミド基、リン酸エステル基などがある。疎水性官能基Xには、これらのいずれか1種の置換基が含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。 Examples of substituents that may be included in the hydrophobic functional group group, imide group, phosphate ester group, etc. The hydrophobic functional group X may contain any one of these substituents, or may contain two or more of these substituents.

式(1)で表される芳香族ビニル共重合体において、ビニル芳香族モノマー単位は、疎水性粒子に対する吸着性を示す。疎水性官能基Xが疎水性粒子の表面に吸着すると、疎水性粒子同士の凝集力が低くなり、溶媒中において分散しやすくなる。
但し、表面修飾疎水性粒子のみでは、水を主体とする親水性溶媒には良好に分散しない。一方、芳香族ビニル共重合体のカチオン性官能基にアイオノマAが吸着してアイオノマ修飾疎水性粒子となった場合、アイオノマ修飾疎水性粒子は水を主体とする親水性溶媒中に良好に分散する。
In the aromatic vinyl copolymer represented by formula (1), the vinyl aromatic monomer unit exhibits adsorption to hydrophobic particles. When the hydrophobic functional group X is adsorbed on the surface of the hydrophobic particles, the cohesive force between the hydrophobic particles decreases, making them easier to disperse in the solvent.
However, surface-modified hydrophobic particles alone do not disperse well in a hydrophilic solvent mainly composed of water. On the other hand, when ionomer A is adsorbed to the cationic functional group of the aromatic vinyl copolymer to form ionomer-modified hydrophobic particles, the ionomer-modified hydrophobic particles are well dispersed in a hydrophilic solvent mainly composed of water. .

芳香族ビニル共重合体は、ランダム共重合体であっても良く、あるいは、ブロック共重合体であっても良い。但し、アイオノマAを吸着させた時に、アイオノマ修飾疎水性粒子同士の凝集を十分に抑制するためには、芳香族ビニル共重合体は、ブロック共重合体が好ましい。 The aromatic vinyl copolymer may be a random copolymer or a block copolymer. However, in order to sufficiently suppress aggregation of the ionomer-modified hydrophobic particles when ionomer A is adsorbed, the aromatic vinyl copolymer is preferably a block copolymer.

[1.2.2. ビニル芳香族モノマー単位の含有量]
「ビニル芳香族モノマー単位の含有量」とは、芳香族ビニル共重合体の総質量に対するビニル芳香族モノマー単位の質量の割合をいう。
ビニル芳香族モノマー単位の含有量が多くなるほど、芳香族ビニル共重合体が疎水性粒子に吸着しやすくなる。このような効果を得るためには、ビニル芳香族モノマー単位の含有量は、10mass%以上が好ましい。含有量は、さらに好ましくは、30mass%以上、さらに好ましくは、50mass%以上である。
[1.2.2. Content of vinyl aromatic monomer units]
"Content of vinyl aromatic monomer units" refers to the ratio of the mass of vinyl aromatic monomer units to the total mass of the aromatic vinyl copolymer.
The higher the content of vinyl aromatic monomer units, the more easily the aromatic vinyl copolymer is adsorbed onto the hydrophobic particles. In order to obtain such effects, the content of vinyl aromatic monomer units is preferably 10 mass% or more. The content is more preferably 30 mass% or more, still more preferably 50 mass% or more.

一方、ビニル芳香族モノマー単位の含有量が過剰になると、表面修飾疎水性粒子が過度に疎水化し、アイオノマAの吸着量が低下する。その結果、アイオノマ修飾疎水性粒子が水を主体とする親水性溶媒に分散しにくくなる。また、アイオノマAの吸着量が過度に低下すると、アイオノマ修飾疎水性粒子のプロトン伝導率が低下する。従って、ビニル芳香族モノマー単位の含有量は、98mass%以下が好ましい。含有量は、さらに好ましくは、95mass%以下である。 On the other hand, when the content of vinyl aromatic monomer units becomes excessive, the surface-modified hydrophobic particles become excessively hydrophobic, and the adsorption amount of ionomer A decreases. As a result, the ionomer-modified hydrophobic particles become difficult to disperse in a hydrophilic solvent mainly composed of water. Furthermore, when the adsorption amount of ionomer A decreases excessively, the proton conductivity of the ionomer-modified hydrophobic particles decreases. Therefore, the content of vinyl aromatic monomer units is preferably 98 mass% or less. The content is more preferably 95 mass% or less.

[1.3. 表面修飾疎水性粒子の特性]
[1.3.1. 大きさ]
表面修飾疎水性粒子の大きさは、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な値を選択することができる。
本発明において、疎水性粒子の表面を被覆する芳香族ビニル共重合体の量は、相対的に少ない。そのため、芳香族ビニル共重合体で被覆された疎水性粒子(すなわち、表面修飾疎水性粒子)の大きさは、疎水性粒子の大きさとほぼ同等となる。疎水性粒子の大きさの詳細についは、上述した通りであるので、説明を省略する。
[1.3. Characteristics of surface-modified hydrophobic particles]
[1.3.1. size]
The size of the surface-modified hydrophobic particles is not particularly limited, and an optimal value can be selected depending on the purpose.
In the present invention, the amount of aromatic vinyl copolymer coating the surface of the hydrophobic particles is relatively small. Therefore, the size of the hydrophobic particles coated with the aromatic vinyl copolymer (ie, the surface-modified hydrophobic particles) is approximately the same as the size of the hydrophobic particles. The details of the size of the hydrophobic particles are as described above, so the explanation will be omitted.

[1.3.2. 芳香族ビニル共重合体の含有量]
「芳香族ビニル共重合体の含有量」とは、表面修飾疎水性粒子の総質量に対する芳香族ビニル共重合体の質量の割合をいう。
但し、本発明において、「芳香族ビニル共重合体の含有量」という時は、便宜上、疎水性粒子の表面が芳香族ビニル共重合体からなる被膜で均一に被覆されていると仮定した時の、芳香族ビニル共重合体からなる単分子膜の厚さ(t0)に対する被膜の厚さ(t)の比率(=t/t0)で表す。
以下、芳香族ビニル共重合体の含有量が、疎水性粒子の表面がn層の単分子膜で被覆されていると仮定した時の量に相当する場合、この時の芳香族ビニル共重合体の含有量を「n分子膜相当量」ともいう。
[1.3.2. Content of aromatic vinyl copolymer]
"Aromatic vinyl copolymer content" refers to the ratio of the aromatic vinyl copolymer mass to the total mass of the surface-modified hydrophobic particles.
However, in the present invention, when referring to "aromatic vinyl copolymer content", for convenience, it is assumed that the surface of the hydrophobic particles is uniformly coated with a film made of aromatic vinyl copolymer. , expressed as the ratio (=t/t 0 ) of the thickness (t) of the coating to the thickness (t 0 ) of the monomolecular film made of the aromatic vinyl copolymer.
Below, if the content of the aromatic vinyl copolymer corresponds to the amount assuming that the surface of the hydrophobic particle is covered with an n-layer monomolecular film, the aromatic vinyl copolymer at this time will be The content is also referred to as "n molecular film equivalent amount".

芳香族ビニル共重合体の含有量が少なくなりすぎると、アイオノマAの吸着量が少なくなるために、粒子の凝集を十分に抑制することができない。従って、芳香族ビニル共重合体の含有量は、1分子膜相当量以上が好ましい。含有量は、さらに好ましくは、2分子膜相当量以上、さらに好ましくは、3分子膜相当量以上である。
一方、芳香族ビニル共重合体の含有量が過剰になると、疎水性粒子に吸着していない芳香族ビニル共重合体の割合が増加する。過剰の芳香族ビニル共重合体は、アイオノマAと粒子表面以外のところでポリイオンコンプレックスを作るため、電気化学反応に悪影響を与える不純物となる場合がある。従って、芳香族ビニル共重合体の含有量は、10分子膜相当量以下が好ましい。含有量は、さらに好ましくは、9分子膜相当量以下、さらに好ましくは、8分子膜相当量以下である。
If the content of the aromatic vinyl copolymer becomes too low, the amount of adsorption of ionomer A will decrease, making it impossible to sufficiently suppress particle aggregation. Therefore, the content of the aromatic vinyl copolymer is preferably at least an amount equivalent to one molecule film. The content is more preferably at least an amount equivalent to a bilayer membrane, and even more preferably at least an amount equivalent to a trilayer membrane.
On the other hand, when the content of the aromatic vinyl copolymer becomes excessive, the proportion of the aromatic vinyl copolymer not adsorbed to the hydrophobic particles increases. Excess aromatic vinyl copolymer forms a polyion complex with ionomer A at a location other than the particle surface, so it may become an impurity that adversely affects the electrochemical reaction. Therefore, the content of the aromatic vinyl copolymer is preferably equal to or less than 10 molecular membranes. The content is more preferably less than or equal to 9 molecular membranes, and even more preferably less than or equal to 8 molecular membranes.

[2. アイオノマ修飾疎水性粒子]
本発明に係るアイオノマ修飾疎水性粒子は、以下の構成を備えている。
(1)前記アイオノマ修飾疎水性粒子は、
疎水性粒子の表面が芳香族ビニル共重合体で被覆された表面修飾疎水性粒子と、
前記表面修飾疎水性粒子の表面をさらに被覆するアイオノマAと
を備えている。
(2)前記芳香族ビニル共重合体は、
疎水性官能基とカチオン性官能基とを備え、
前記疎水性官能基を介して前記疎水性粒子の表面に吸着している。
(3)前記アイオノマAは、
アニオン性官能基を備え、
前記アニオン性官能基を介して、前記カチオン性官能基とイオン結合している。
[2. Ionomer-modified hydrophobic particles]
The ionomer-modified hydrophobic particles according to the present invention have the following configuration.
(1) The ionomer-modified hydrophobic particles are:
surface-modified hydrophobic particles whose surfaces are coated with an aromatic vinyl copolymer;
and an ionomer A that further coats the surface of the surface-modified hydrophobic particles.
(2) The aromatic vinyl copolymer is
Comprising a hydrophobic functional group and a cationic functional group,
It is adsorbed on the surface of the hydrophobic particles via the hydrophobic functional group.
(3) The ionomer A is
Equipped with anionic functional group,
It is ionically bonded to the cationic functional group via the anionic functional group.

[2.1. 表面修飾疎水性粒子]
「表面修飾疎水性粒子」とは、疎水性粒子の表面が芳香族ビニル共重合体で被覆されている粒子をいう。表面修飾疎水性粒子、疎水性粒子、及び芳香族ビニル共重合体の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
[2.1. Surface-modified hydrophobic particles]
"Surface-modified hydrophobic particles" refer to particles whose surfaces are coated with an aromatic vinyl copolymer. The details of the surface-modified hydrophobic particles, the hydrophobic particles, and the aromatic vinyl copolymer are as described above, so a description thereof will be omitted.

[2.2. アイオノマA]
[2.2.1. 材料]
アイオノマAは、芳香族ビニル共重合体のカチオン性官能基とイオン結合することが可能なアニオン性官能基を備えているものであれば良い。
アニオン性官能基としては、例えば、スルホン酸基(-SO3H)、カルボキシル基、リン酸基などがある。アイオノマAは、これらのいずれか1種のアニオン性官能基を備えているものでも良く、あるいは、2種以上を備えているものでも良い。
[2.2. Ionoma A]
[2.2.1. material]
The ionomer A may be any one having an anionic functional group capable of ionically bonding with the cationic functional group of the aromatic vinyl copolymer.
Examples of anionic functional groups include sulfonic acid groups (-SO 3 H), carboxyl groups, and phosphoric acid groups. Ionomer A may have any one of these anionic functional groups, or may have two or more of these.

アイオノマAとしては、例えば、
(a)ナフィオン(登録商標)、フレミオン(登録商標)、アシプレックス(登録商標)、アクイビイオン(登録商標)などのパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマ、
(b)脂肪族環状構造を有する高酸素透過ポリマ(参考文献1参照)、
などがある。
これらの中でも、アイオノマAは、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマが好ましい。これは、プロトン伝導性に優れ、堅牢で、耐久性に優れるためである。
[参考文献1]特開2014-216157号公報
As ionomer A, for example,
(a) perfluorocarbon sulfonic acid polymers such as Nafion (registered trademark), Flemion (registered trademark), Aciplex (registered trademark), Aquiviion (registered trademark),
(b) High oxygen permeability polymer having an aliphatic cyclic structure (see Reference 1),
and so on.
Among these, ionomer A is preferably a perfluorocarbon sulfonic acid polymer. This is because it has excellent proton conductivity, robustness, and durability.
[Reference document 1] Japanese Patent Application Publication No. 2014-216157

[2.2.2. アイオノマAの吸着量]
「アイオノマAの吸着量」とは、アイオノマ修飾疎水性粒子の総質量に対する、アイオノマAの質量の割合をいう。
アイオノマAの吸着量が少なすぎると、アイオノマ修飾疎水性粒子のプロトン伝導率が低下する。従って、アイオノマAの吸着量は、0.03mass%以上が好ましい。吸着量は、さらに好ましくは、0.1mass%以上、さらに好ましくは、1.0mass%以上である。
一方、アイオノマAの吸着量が過剰になると、発電時に発生する水の排水を阻害するために、性能が低下する場合がある。従って、アイオノマAの吸着量は、35.0mass%以下が好ましい。吸着量は、さらに好ましくは、30.0mass%以下、さらに好ましくは、25.0mass%以下である。
[2.2.2. Adsorption amount of ionomer A]
"Adsorption amount of ionomer A" refers to the ratio of the mass of ionomer A to the total mass of the ionomer-modified hydrophobic particles.
If the amount of ionomer A adsorbed is too small, the proton conductivity of the ionomer-modified hydrophobic particles will decrease. Therefore, the adsorption amount of ionomer A is preferably 0.03 mass% or more. The adsorption amount is more preferably 0.1 mass% or more, still more preferably 1.0 mass% or more.
On the other hand, if the amount of ionomer A adsorbed becomes excessive, the performance may deteriorate because drainage of water generated during power generation is inhibited. Therefore, the adsorption amount of ionomer A is preferably 35.0 mass% or less. The adsorption amount is more preferably 30.0 mass% or less, still more preferably 25.0 mass% or less.

[2.3. アイオノマ修飾疎水性粒子の特性]
[2.3.1. 大きさ]
アイオノマ修飾疎水性粒子の大きさは、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な値を選択することができる。
表面修飾疎水性粒子の表面を被覆するアイオノマAの量が相対的に少ない場合、アイオノマ修飾疎水性粒子の大きさは、表面修飾疎水性粒子、あるいは、疎水性粒子の大きさとほぼ同等となる。一方、アイオノマAによる被覆量が相対的に多い場合、アイオノマ修飾疎水性粒子の大きさは、表面修飾疎水性粒子、あるいは、疎水性粒子の大きさより大きくなる。アイオノマAによる被覆量を最適化すると、アイオノマ修飾疎水性粒子の大きさは、疎水性粒子の大きさの約1.0倍~1.5倍となる。
[2.3. Characteristics of ionomer-modified hydrophobic particles]
[2.3.1. size]
The size of the ionomer-modified hydrophobic particles is not particularly limited, and an optimal value can be selected depending on the purpose.
When the amount of ionomer A covering the surface of the surface-modified hydrophobic particles is relatively small, the size of the ionomer-modified hydrophobic particles is approximately equal to the size of the surface-modified hydrophobic particles or the hydrophobic particles. On the other hand, when the amount of coating with ionomer A is relatively large, the size of the ionomer-modified hydrophobic particles becomes larger than the size of the surface-modified hydrophobic particles or the hydrophobic particles. When the amount of coverage with ionomer A is optimized, the size of the ionomer-modified hydrophobic particles is about 1.0 to 1.5 times the size of the hydrophobic particles.

[2.3.2. 水分散性]
本発明に係るアイオノマ修飾疎水性粒子は、最表面がアイオノマAからなるので、水を含む溶媒に対して良好な分散性を示す。そのため、これをプロトン伝導助剤として触媒インクに添加すると、プロトン伝導率の高い触媒層が得られる。
[2.3.2. Water dispersibility]
Since the outermost surface of the ionomer-modified hydrophobic particles according to the present invention is made of ionomer A, they exhibit good dispersibility in solvents containing water. Therefore, when this is added to the catalyst ink as a proton conduction aid, a catalyst layer with high proton conductivity can be obtained.

[2.3.3. 発電性能]
本発明に係るアイオノマ修飾疎水性粒子は、最表面がアイオノマAからなるので、良好なプロトン伝導助剤として機能する。これを触媒層に添加すると、これを添加しない触媒層に比べて、発電性能が1.5倍以上に向上する。
[2.3.3. Power generation performance]
Since the outermost surface of the ionomer-modified hydrophobic particles according to the present invention is made of ionomer A, they function as a good proton conduction aid. When this is added to the catalyst layer, the power generation performance is improved by 1.5 times or more compared to a catalyst layer that does not contain this.

[3. アイオノマ修飾疎水性粒子の製造方法]
アイオノマ修飾疎水性粒子は、
(a)芳香族ビニル共重合体を調製し、
(b)疎水性粒子の表面に芳香族ビニル共重合体を吸着させて表面修飾疎水性粒子とし、
(c)表面修飾疎水性粒子の表面にさらにアイオノマAを吸着させる
ことにより製造することができる。
[3. Method for producing ionomer-modified hydrophobic particles]
Ionomer-modified hydrophobic particles are
(a) preparing an aromatic vinyl copolymer;
(b) adsorbing an aromatic vinyl copolymer onto the surface of the hydrophobic particles to form surface-modified hydrophobic particles;
(c) It can be produced by further adsorbing ionomer A onto the surface of surface-modified hydrophobic particles.

[3.1. 芳香族ビニル共重合体の調製]
まず、芳香族ビニル共重合体を調製する。芳香族ビニル共重合体は、具体的には、
(a)疎水性粒子に吸着しやすい疎水性官能基を含むビニル芳香族モノマーと、
(b)アイオノマAのアニオン性官能基とイオン結合可能なカチオン性官能基を有する第2ビニルモノマーと
を共重合させることにより得られる。
[3.1. Preparation of aromatic vinyl copolymer]
First, an aromatic vinyl copolymer is prepared. Specifically, the aromatic vinyl copolymer is
(a) a vinyl aromatic monomer containing a hydrophobic functional group that is easily adsorbed to hydrophobic particles;
(b) It is obtained by copolymerizing the anionic functional group of ionomer A and a second vinyl monomer having a cationic functional group capable of ionically bonding.

ビニル芳香族モノマーとしては、例えば、スチレンモノマー、ビニルナフタレンモノマー、ビニルアントラセンモノマー、ビニルアニソールモノマー、ビニル安息香酸エステルモノマー、アセチルスチレンモノマーなどがある。
第2ビニルモノマーとしては、例えば、2-ビニルピリジン、4-ビニルピリジン、アリルアミンモノマー、アジリジン、ビニルアミン、4-ビニルベンジルアミン、2-ビニルベンジルアミン、3-ビニルベンジルアミン、2-ビニルアニリン、3-ビニルアニリン、4-ビニルアニリンなどがある。
ビニル芳香族モノマーと第2ビニルモノマーの共重合方法は、特に限定されるものではなく、公知の方法を用いることができる。
Examples of vinyl aromatic monomers include styrene monomers, vinylnaphthalene monomers, vinylanthracene monomers, vinylanisole monomers, vinylbenzoic acid ester monomers, and acetylstyrene monomers.
Examples of the second vinyl monomer include 2-vinylpyridine, 4-vinylpyridine, allylamine monomer, aziridine, vinylamine, 4-vinylbenzylamine, 2-vinylbenzylamine, 3-vinylbenzylamine, 2-vinylaniline, 3 - Vinylaniline, 4-vinylaniline, etc.
The method of copolymerizing the vinyl aromatic monomer and the second vinyl monomer is not particularly limited, and any known method can be used.

[3.2. 芳香族ビニル共重合体の吸着]
次に、疎水性粒子の表面に芳香族ビニル共重合体を吸着させる。これにより、表面修飾疎水性粒子が得られる。
疎水性粒子と芳香族ビニル共重合体とを適当な溶媒中に分散させると、芳香族ビニル共重合体の疎水性官能基が疎水性粒子の表面に吸着する。その結果、溶媒中に表面修飾疎水か粒子が分散している分散液が得られる。
[3.2. Adsorption of aromatic vinyl copolymer]
Next, an aromatic vinyl copolymer is adsorbed onto the surface of the hydrophobic particles. This results in surface-modified hydrophobic particles.
When hydrophobic particles and an aromatic vinyl copolymer are dispersed in a suitable solvent, the hydrophobic functional groups of the aromatic vinyl copolymer are adsorbed onto the surface of the hydrophobic particles. As a result, a dispersion in which surface-modified hydrophobic particles are dispersed in a solvent is obtained.

疎水性粒子が黒鉛である場合、黒鉛と芳香族ビニル共重合体とを分散させた溶液中にさらに過酸化水素化物を添加しても良い。溶液中に過酸化水素化物を添加し、湿式微粒化装置を用いて高圧下で分散処理を施すと、過酸化水素化物がグラフェン層間に侵入して層表面を酸化しながら劈開を進行させる。また、これと同時に芳香族ビニル共重合体が劈開したグラフェン層間に侵入して劈開面を安定化させ、層間剥離が促進される。その結果、薄片化黒鉛の表面に芳香族ビニル共重合体が吸着している表面修飾疎水化粒子が得られる。 When the hydrophobic particles are graphite, hydrogen peroxide may be further added to the solution in which graphite and aromatic vinyl copolymer are dispersed. When hydrogen peroxide is added to the solution and subjected to dispersion treatment under high pressure using a wet atomization device, the hydrogen peroxide penetrates between the graphene layers and oxidizes the layer surface, causing cleavage to proceed. Moreover, at the same time, the aromatic vinyl copolymer penetrates between the cleaved graphene layers to stabilize the cleavage planes and promote delamination. As a result, surface-modified hydrophobized particles in which the aromatic vinyl copolymer is adsorbed on the surface of exfoliated graphite are obtained.

黒鉛の劈開に使用される過酸化水素化物としては、例えば、
(a)カルボニル基を有する化合物(例えば、ウレア、カルボン酸(安息香酸、サリチル酸など)、ケトン(アセトン、メチルエチルケトンなど)、カルボン酸エステル(安息香酸メチル、サリチル酸エチルなど))と過酸化水素との錯体、
(b)四級アンモニウム塩、フッ化カリウム、炭酸ルビジウム、リン酸、尿酸などの化合物に過酸化水素が配位したもの
などがある。
Examples of hydrogen peroxide used to cleave graphite include:
(a) Compounds having a carbonyl group (for example, urea, carboxylic acids (benzoic acid, salicylic acid, etc.), ketones (acetone, methyl ethyl ketone, etc.), carboxylic acid esters (methyl benzoate, ethyl salicylate, etc.)) and hydrogen peroxide complex,
(b) Examples include quaternary ammonium salts, compounds in which hydrogen peroxide is coordinated with compounds such as potassium fluoride, rubidium carbonate, phosphoric acid, and uric acid.

[3.3. アイオノマAの吸着]
次に、表面修飾疎水性粒子の表面にアイオノマAを吸着させる。これにより、アイオノマ修飾疎水化粒子が得られる。
表面修飾疎水性粒子とアイオノマAとを適当な溶媒中に分散させると、芳香族ビニル共重合体のカチオン性官能基とアイオノマAのアニオン性官能基とがイオン結合する。その結果、溶媒中にアイオノマ修飾疎水化粒子が分散している分散液が得られる。
[3.3. Adsorption of ionomer A]
Next, ionomer A is adsorbed onto the surface of the surface-modified hydrophobic particles. As a result, ionomer-modified hydrophobized particles are obtained.
When the surface-modified hydrophobic particles and ionomer A are dispersed in a suitable solvent, the cationic functional group of the aromatic vinyl copolymer and the anionic functional group of ionomer A form an ionic bond. As a result, a dispersion liquid in which ionomer-modified hydrophobized particles are dispersed in a solvent is obtained.

[4. 触媒層]
図1に、本発明に係る触媒層の断面模式図を示す。
図1において、触媒層10は、
カーボン担体の表面に触媒が担持された電極触媒20と、
アイオノマBからなる触媒層アイオノマ30と、
本発明に係るアイオノマ修飾疎水性粒子40と
を備えている。
また、触媒層10は、電解質膜50の表面に形成されている。
[4. Catalyst layer]
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a catalyst layer according to the present invention.
In FIG. 1, the catalyst layer 10 is
an electrode catalyst 20 in which a catalyst is supported on the surface of a carbon carrier;
A catalyst layer ionomer 30 made of ionomer B,
The ionomer-modified hydrophobic particles 40 according to the present invention are provided.
Further, the catalyst layer 10 is formed on the surface of the electrolyte membrane 50.

[4.1. 電極触媒]
[4.1.1. 材料]
電極触媒20は、カーボン担体(図示せず)の表面に触媒粒子(図示せず)が担持されたものからなる。本発明において、カーボン担体の材料及び触媒粒子の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な材料を選択することができる。
カーボン担体としては、例えば、カーボンブラック、活性炭、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレン、黒鉛化炭素粒子、サーマルブラックなどがある。
触媒粒子の材料としては、例えば、
(a)Pt、Pd、Ru、Irなどの貴金属、又は、これらの合金、
(b)Pt-M合金(Mは、Fe、Ni、Coなどの卑金属元素)
などがある。
[4.1. Electrode catalyst]
[4.1.1. material]
The electrode catalyst 20 consists of catalyst particles (not shown) supported on the surface of a carbon carrier (not shown). In the present invention, the material of the carbon carrier and the material of the catalyst particles are not particularly limited, and the most suitable material can be selected depending on the purpose.
Examples of carbon carriers include carbon black, activated carbon, carbon nanotubes, carbon nanohorns, fullerenes, graphitized carbon particles, and thermal black.
Examples of materials for the catalyst particles include:
(a) Precious metals such as Pt, Pd, Ru, Ir, or alloys thereof,
(b) Pt-M alloy (M is a base metal element such as Fe, Ni, Co, etc.)
and so on.

[4.1.2. 担持率]
「担持率」とは、電極触媒20の総質量に対する触媒粒子の質量の割合をいう。
一般に、触媒の担持率が多くなるほど、触媒層10の活性が高くなる。このような効果を得るためには、担持率は、30mass%以上が好ましい。
一方、触媒粒子の担持率が過剰になると、高コスト化を招く。従って、担持率は、70mass%以下が好ましい。
[4.1.2. Carrying rate]
“Support ratio” refers to the ratio of the mass of catalyst particles to the total mass of the electrode catalyst 20.
Generally, the higher the catalyst loading rate, the higher the activity of the catalyst layer 10. In order to obtain such an effect, the supporting rate is preferably 30 mass% or more.
On the other hand, if the supporting ratio of catalyst particles becomes excessive, the cost will increase. Therefore, the loading rate is preferably 70 mass% or less.

[4.2. 触媒層アイオノマ]
触媒層アイオノマ30は、触媒粒子の表面にプロトンを供給するためのものであって、アイオノマBからなる。本発明において、アイオノマBの材料は、特に限定されない。アイオノマBは、アイオノマAと同一の材料であっても良く、あるいは、異なる材料であっても良い。
アイオノマBは、特にパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマが好ましい。これは、プロトン伝導性に優れ、堅牢で、耐久性に優れるためである。アイオノマBに関するその他の点は、アイオノマAと同様であるので、説明を省略する。
[4.2. Catalyst layer ionomer]
The catalyst layer ionomer 30 is for supplying protons to the surface of the catalyst particles, and is made of ionomer B. In the present invention, the material of ionomer B is not particularly limited. Ionomer B may be the same material as ionomer A, or may be a different material.
Ionomer B is particularly preferably a perfluorocarbon sulfonic acid polymer. This is because it has excellent proton conductivity, robustness, and durability. The other points regarding ionomer B are the same as ionomer A, so the explanation will be omitted.

[4.3. アイオノマ修飾疎水性粒子]
本発明に係る触媒層10は、電極触媒20及び触媒層アイオノマ30に加えて、さらにアイオノマ修飾疎水性粒子40を含む。この点が従来とは異なる。アイオノマ修飾疎水性粒子40は、表面修飾疎水性粒子42と、表面修飾疎水性粒子42の表面を被覆するアイオノマA 44とを備えている。アイオノマ修飾疎水性粒子40の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
[4.3. Ionomer-modified hydrophobic particles]
The catalyst layer 10 according to the present invention further includes ionomer-modified hydrophobic particles 40 in addition to the electrode catalyst 20 and the catalyst layer ionomer 30. This point is different from the conventional method. The ionomer-modified hydrophobic particles 40 include surface-modified hydrophobic particles 42 and ionomer A 44 covering the surface of the surface-modified hydrophobic particles 42. The details of the ionomer-modified hydrophobic particles 40 are as described above, so the explanation will be omitted.

[4.4. 触媒層の組成]
触媒層10は、次の式(2)~式(4)の関係を満たしているのが好ましい。
35.0≦x≦70.0mass% …(2)
0.4<y/x<1.6 …(3)
1.0≦z≦45.0mass% …(4)
[4.4. Composition of catalyst layer]
The catalyst layer 10 preferably satisfies the following relationships (2) to (4).
35.0≦x≦70.0mass%…(2)
0.4<y/x<1.6...(3)
1.0≦z≦45.0mass%…(4)

但し、
x(mass%)は、触媒層10に含まれる電極触媒20と、アイオノマ修飾疎水性粒子40と、アイオノマB(触媒層アイオノマ30)の総質量に対する、電極触媒20の質量の割合、
y/xは、触媒層10に含まれる電極触媒20の質量に対する、アイオノマB(触媒層アイオノマ30)と、表面修飾疎水性粒子42の表面を被覆するアイオノマA 44の総質量の比、
z(mass%)は、触媒層10に含まれる電極触媒20と、表面修飾疎水性粒子42の総質量に対する、表面修飾疎水性粒子42の質量の割合。
however,
x (mass%) is the ratio of the mass of the electrode catalyst 20 to the total mass of the electrode catalyst 20, ionomer-modified hydrophobic particles 40, and ionomer B (catalyst layer ionomer 30) included in the catalyst layer 10;
y/x is the ratio of the total mass of ionomer B (catalyst layer ionomer 30) and ionomer A 44 covering the surface of the surface-modified hydrophobic particles 42 to the mass of the electrode catalyst 20 included in the catalyst layer 10;
z (mass%) is the ratio of the mass of the surface-modified hydrophobic particles 42 to the total mass of the electrode catalyst 20 and the surface-modified hydrophobic particles 42 included in the catalyst layer 10.

触媒層10に含まれる電極触媒20の量(x)が少なくなりすぎると、触媒層10の活性が低下し、性能が低下する場合がある。従って、xは、35.0mass%以上が好ましい。xは、さらに好ましくは、45.0mass%以上、さらに好ましくは、50.0mass%以上である。
一方、xが過剰になると、触媒の使用量が増えるために、高コスト化する。従って、xは、70.0mass%以下が好ましい。xは、さらに好ましくは、65.0mass%以下、さらに好ましくは、60.0mass%以下である。
If the amount (x) of the electrode catalyst 20 contained in the catalyst layer 10 becomes too small, the activity of the catalyst layer 10 may decrease and the performance may deteriorate. Therefore, x is preferably 35.0 mass% or more. x is more preferably 45.0 mass% or more, still more preferably 50.0 mass% or more.
On the other hand, if x is excessive, the amount of catalyst used increases, resulting in high costs. Therefore, x is preferably 70.0 mass% or less. x is more preferably 65.0 mass% or less, still more preferably 60.0 mass% or less.

電極触媒20の質量に対するアイオノマB及びアイオノマAの質量の比(y/x)が小さくなりすぎると、プロトンパスが形成されず、プロトン伝導性が低下する場合がある。従って、y/xは、0.4超が好ましい。y/xは、さらに好ましくは、0.43以上、さらに好ましくは、0.46以上である。
一方、y/xが過剰になると、過剰なアイオノマにより発電時に発生する水の排水が阻害され、性能が低下する場合がある。従って、y/xは、1.6未満が好ましい。y/xは、さらに好ましくは、1.3以下、さらに好ましくは、1.0以下である。
If the ratio (y/x) of the mass of ionomer B and ionomer A to the mass of electrode catalyst 20 becomes too small, a proton path may not be formed and proton conductivity may decrease. Therefore, y/x is preferably greater than 0.4. y/x is more preferably 0.43 or more, still more preferably 0.46 or more.
On the other hand, if y/x becomes excessive, the excess ionomer may inhibit the drainage of water generated during power generation, resulting in a decrease in performance. Therefore, y/x is preferably less than 1.6. y/x is more preferably 1.3 or less, still more preferably 1.0 or less.

触媒層10に含まれる表面修飾疎水性粒子42(すなわち、アイオノマ修飾疎水性粒子40)の量(z)が多くなるほど、触媒層10のプロトン伝導率が向上する。このような効果を得るためには、zは、1.0mass%以上が好ましい。zは、さらに好ましくは、5.0mass%以上、さらに好ましくは、10.0mass%以上である。
一方、zが大きくなりすぎると、単位面積当たりの電極触媒20の量が減少するために、かえって活性が低下する。従って、zは、45.0mass%以下が好ましい。zは、さらに好ましくは、30.0mass%以下、さらに好ましくは、20.0mass%以下である。
As the amount (z) of surface-modified hydrophobic particles 42 (ie, ionomer-modified hydrophobic particles 40) contained in the catalyst layer 10 increases, the proton conductivity of the catalyst layer 10 improves. In order to obtain such an effect, z is preferably 1.0 mass% or more. z is more preferably 5.0 mass% or more, still more preferably 10.0 mass% or more.
On the other hand, if z becomes too large, the amount of electrode catalyst 20 per unit area decreases, and the activity decreases on the contrary. Therefore, z is preferably 45.0 mass% or less. z is more preferably 30.0 mass% or less, still more preferably 20.0 mass% or less.

[4.5. 用途]
本発明に係る触媒層10は、各種電気化学デバイスの触媒層として用いることができる。本発明に係る触媒層10は、特に固体高分子形燃料電池の酸素還元反応の効率を上げるために、カソードに用いるのが好ましい。
[4.5. Use]
The catalyst layer 10 according to the present invention can be used as a catalyst layer of various electrochemical devices. The catalyst layer 10 according to the present invention is preferably used as a cathode, particularly in order to increase the efficiency of the oxygen reduction reaction of a polymer electrolyte fuel cell.

[5. 触媒インク]
本発明に係る触媒インクは、
カーボン担体の表面に触媒粒子が担持された電極触媒と、
アイオノマBからなる触媒層アイオノマと、
本発明に係るアイオノマ修飾疎水性粒子と、
前記電極触媒、前記触媒層アイオノマ、及び前記アイオノマ修飾疎水性粒子を分散させるための水を含む親水性溶媒と、
を備えている。
[5. Catalyst ink]
The catalyst ink according to the present invention includes:
an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on the surface of a carbon carrier;
A catalyst layer ionomer made of ionomer B;
Ionomer-modified hydrophobic particles according to the present invention,
a hydrophilic solvent containing water for dispersing the electrode catalyst, the catalyst layer ionomer, and the ionomer-modified hydrophobic particles;
It is equipped with

[5.1. 電極触媒、触媒層アイオノマ、及びアイオノマ修飾疎水性粒子]
電極触媒、触媒層アイオノマ、及びアイオノマ修飾疎水性粒子の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
[5.1. Electrocatalyst, catalyst layer ionomer, and ionomer-modified hydrophobic particles]
The details of the electrode catalyst, the catalyst layer ionomer, and the ionomer-modified hydrophobic particles are as described above, so a description thereof will be omitted.

[5.2. 親水性溶媒]
親水性溶媒は、電極触媒、触媒層アイオノマ、及びアイオノマ修飾疎水性粒子を分散させるためのものであって、少なくとも水を含むものからなる。
親水性溶媒は、水のみからなるものでも良く、あるいは、水と有機溶媒との混合溶媒であっても良い。有機溶媒としては、例えば、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、イソブタノール、tert-ブタノールなどがある。
親水性溶媒が水と有機溶媒との混合溶媒である場合、それらの含有量は特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な含有量を選択することができる。
[5.2. Hydrophilic solvent]
The hydrophilic solvent is used to disperse the electrode catalyst, the catalyst layer ionomer, and the ionomer-modified hydrophobic particles, and contains at least water.
The hydrophilic solvent may consist only of water, or may be a mixed solvent of water and an organic solvent. Examples of the organic solvent include ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutanol, and tert-butanol.
When the hydrophilic solvent is a mixed solvent of water and an organic solvent, the content thereof is not particularly limited, and the optimum content can be selected depending on the purpose.

[5.3. 触媒インクの組成]
触媒インクは、次の式(2)~式(4)の関係を満たしているのが好ましい。なお、式(2)~式(4)の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
35.0≦x≦70.0mass% …(2)
0.4<y/x<1.6 …(3)
1.0≦z≦45.0mass% …(4)
[5.3. Composition of catalyst ink]
The catalyst ink preferably satisfies the following relationships (2) to (4). Note that the details of Equations (2) to (4) are as described above, so their explanation will be omitted.
35.0≦x≦70.0mass%…(2)
0.4<y/x<1.6...(3)
1.0≦z≦45.0mass%…(4)

但し、
x(mass%)は、前記触媒インクに含まれる前記電極触媒と、前記アイオノマ修飾疎水性粒子と、前記アイオノマBの総質量に対する、前記電極触媒の質量の割合、
y/xは、前記触媒インクに含まれる前記電極触媒の質量に対する、前記アイオノマBと、前記表面修飾疎水性粒子の表面を被覆するアイオノマAの総質量の比、
z(mass%)は、前記触媒インクに含まれる前記電極触媒と、前記表面修飾疎水性粒子の総質量に対する、前記表面修飾疎水性粒子の質量の割合。
however,
x (mass%) is the ratio of the mass of the electrode catalyst to the total mass of the electrode catalyst, the ionomer-modified hydrophobic particles, and the ionomer B contained in the catalyst ink;
y/x is the ratio of the total mass of the ionomer B and the ionomer A covering the surface of the surface-modified hydrophobic particles to the mass of the electrode catalyst contained in the catalyst ink;
z (mass%) is the ratio of the mass of the surface-modified hydrophobic particles to the total mass of the electrode catalyst and the surface-modified hydrophobic particles contained in the catalyst ink.

[5.4. 固形分濃度]
「触媒インクの固形分濃度」とは、触媒インクの総質量に対する固形分(電極触媒、触媒層アイオノマ、及びアイオノマ修飾疎水性粒子)の質量の割合をいう。
触媒インクの固形分濃度は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な濃度を選択することができる。触媒インクの固形分濃度は、通常、1mass%~40mass%程度である。
[5.4. Solid content concentration]
The "solid content concentration of the catalyst ink" refers to the mass ratio of the solid content (electrode catalyst, catalyst layer ionomer, and ionomer-modified hydrophobic particles) to the total mass of the catalyst ink.
The solid content concentration of the catalyst ink is not particularly limited, and an optimal concentration can be selected depending on the purpose. The solid content concentration of the catalyst ink is usually about 1 mass% to 40 mass%.

[6. 触媒インクの製造方法]
本発明に係る触媒インクの製造方法は、
本発明に係るアイオノマ修飾疎水性粒子が第1分散媒中に分散している第1分散液を調製する第1工程と、
電極触媒、及びアイオノマCが第2分散媒中に分散している第2分散液を調製する第2工程と、
前記第1分散液と前記第2分散液を混合し、触媒インクを得る第3工程と
を備えている。
[6. Production method of catalyst ink]
The method for producing catalyst ink according to the present invention includes:
A first step of preparing a first dispersion liquid in which ionomer-modified hydrophobic particles according to the present invention are dispersed in a first dispersion medium;
a second step of preparing a second dispersion liquid in which the electrode catalyst and ionomer C are dispersed in a second dispersion medium;
and a third step of mixing the first dispersion liquid and the second dispersion liquid to obtain a catalyst ink.

[6.1. 第1工程]
まず、本発明に係るアイオノマ修飾疎水性粒子が第1分散媒中に分散している第1分散液を調製する(第1工程)。
第1分散媒は、アイオノマ修飾疎水性粒子を均一に分散させることが可能なものである限りにおいて、特に限定されない。第1分散媒としては、例えば、
(a)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、イソブタノール、tert-ブタノールなどの有機溶媒、
(b)水とエタノール等の有機溶媒との混合溶媒、
などがある。
第1分散液の固形分濃度は、触媒インクを製造可能な限りにおいて、特に限定されない。固形分濃度は、通常、1mass%~80mass%程度である。
また、第1分散液には、遊離のアイオノマAが含まれていても良い。
[6.1. 1st process]
First, a first dispersion liquid in which ionomer-modified hydrophobic particles according to the present invention are dispersed in a first dispersion medium is prepared (first step).
The first dispersion medium is not particularly limited as long as it is capable of uniformly dispersing the ionomer-modified hydrophobic particles. As the first dispersion medium, for example,
(a) organic solvents such as ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutanol, tert-butanol;
(b) a mixed solvent of water and an organic solvent such as ethanol;
and so on.
The solid content concentration of the first dispersion liquid is not particularly limited as long as the catalyst ink can be manufactured. The solid content concentration is usually about 1 mass% to 80 mass%.
Moreover, the first dispersion liquid may contain free ionomer A.

[6.2. 第2工程]
次に、電極触媒、及びアイオノマCが第2分散媒中に分散している第2分散液を調製する(第2工程)。
第2分散媒は、電極触媒及びアイオノマCを均一に分散させることが可能なものである限りにおいて、特に限定されない。第2分散媒としては、例えば、
(a)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、イソブタノール、tert-ブタノールなどの有機溶媒、
(b)水とエタノール等の有機溶媒との混合溶媒、
などがある。
アイオノマCは、溶媒除去後にアイオノマBとなるものである。第1分散液に遊離のアイオノマAが含まれる場合、遊離のアイオノマAもアイオノマBの一部を構成する。
第2分散媒に添加する電極触媒及びアイオノマCの量は、上述した式(2)~式(4)を満たす量とするのが好ましい。
第2分散液の固形分濃度は、触媒インクを製造可能な限りにおいて、特に限定されない。固形分濃度は、通常、1mass%~40mass%程度である。
[6.2. 2nd process]
Next, a second dispersion liquid in which the electrode catalyst and ionomer C are dispersed in a second dispersion medium is prepared (second step).
The second dispersion medium is not particularly limited as long as it is capable of uniformly dispersing the electrode catalyst and ionomer C. As the second dispersion medium, for example,
(a) organic solvents such as ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutanol, tert-butanol;
(b) a mixed solvent of water and an organic solvent such as ethanol;
and so on.
Ionomer C becomes ionomer B after solvent removal. When free ionomer A is included in the first dispersion, free ionomer A also constitutes a part of ionomer B.
It is preferable that the amounts of the electrode catalyst and ionomer C added to the second dispersion medium satisfy the above-mentioned formulas (2) to (4).
The solid content concentration of the second dispersion liquid is not particularly limited as long as the catalyst ink can be manufactured. The solid content concentration is usually about 1 mass% to 40 mass%.

[6.3. 第3工程]
次に、第1分散液と第2分散液を混合する(第3工程)。これにより、触媒インクが得られる。
第1分散液と第2分散液の混合方法及び条件は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法を選択することができる。
また、第1分散液と第2分散液の混合比率は、上述した式(2)~式(4)を満たす比率とするのが好ましい。
[6.3. Third step]
Next, the first dispersion liquid and the second dispersion liquid are mixed (third step). Thereby, a catalyst ink is obtained.
The method and conditions for mixing the first dispersion and the second dispersion are not particularly limited, and an optimal method can be selected depending on the purpose.
Furthermore, the mixing ratio of the first dispersion liquid and the second dispersion liquid is preferably a ratio that satisfies the above-mentioned formulas (2) to (4).

[7. 作用]
疎水性粒子の表面を芳香族ビニル共重合体で修飾すると、疎水性粒子の表面にカチオン性官能基が導入された表面修飾疎水性粒子が得られる。次いで、表面修飾疎水性粒子とアイオノマAとを溶媒中に分散させると、カチオン性官能基とアイオノマAのアニオン性官能基とがイオン結合し、アイオノマ修飾疎水性粒子が得られる。
[7. Effect]
When the surface of a hydrophobic particle is modified with an aromatic vinyl copolymer, a surface-modified hydrophobic particle having a cationic functional group introduced onto the surface of the hydrophobic particle can be obtained. Next, when the surface-modified hydrophobic particles and ionomer A are dispersed in a solvent, the cationic functional group and the anionic functional group of ionomer A are ionically bonded, and ionomer-modified hydrophobic particles are obtained.

このようにして得られたアイオノマ修飾疎水性粒子は、疎水性粒子の表面に連続したプロトン伝導パスが形成されるので、プロトン伝導助剤として機能する。さらに、アイオノマ修飾疎水性粒子は、アイオノマAが吸着することによって表面電荷量が増大しているために、水を含む親水性溶媒に分散させることができる。
そのため、アイオノマ修飾疎水性粒子を触媒インクに添加し、触媒インクを塗布・乾燥させると、プロトン伝導性の高い触媒層が得られる。
The ionomer-modified hydrophobic particles thus obtained function as a proton conduction aid because a continuous proton conduction path is formed on the surface of the hydrophobic particles. Furthermore, since the ionomer-modified hydrophobic particles have increased surface charge due to adsorption of ionomer A, they can be dispersed in a hydrophilic solvent containing water.
Therefore, by adding ionomer-modified hydrophobic particles to a catalyst ink, applying and drying the catalyst ink, a catalyst layer with high proton conductivity can be obtained.

本発明に係るアイオノマ修飾疎水性粒子が添加された触媒インクを用いると、アプリケーターやダイコーターなどの量産に適した塗布装置を用いて触媒層を製造することができる。また、アイオノマ修飾疎水性粒子の平均長径や塗布条件を最適化すると、アイオノマ修飾疎水性粒子が面外方向に配向している触媒層が得られる。その結果、触媒層のプロトン伝導率が向上する。 By using the catalyst ink containing the ionomer-modified hydrophobic particles according to the present invention, a catalyst layer can be manufactured using a coating device suitable for mass production, such as an applicator or a die coater. Furthermore, by optimizing the average length of the ionomer-modified hydrophobic particles and the coating conditions, a catalyst layer in which the ionomer-modified hydrophobic particles are oriented in an out-of-plane direction can be obtained. As a result, the proton conductivity of the catalyst layer is improved.

(実施例1~4、比較例1~2)
[1. 試料の作製]
[1.1. アイオノマ修飾疎水性粒子の調製]
図2に、アイオノマ修飾疎水性粒子の合成スキームを示す。図2に示す合成スキームに従い、アイオノマ修飾疎水性粒子を合成した。芳香族ビニル共重合体には、ポリ(スチレン-2-ピリジン)共重合体(Poly(ST-2VP))を用いた。疎水性粒子には、黒鉛を用いた。
(Examples 1-4, Comparative Examples 1-2)
[1. Preparation of sample]
[1.1. Preparation of ionomer-modified hydrophobic particles]
Figure 2 shows a synthesis scheme of ionomer-modified hydrophobic particles. Ionomer-modified hydrophobic particles were synthesized according to the synthesis scheme shown in FIG. 2. Poly(styrene-2-pyridine) copolymer (Poly(ST-2VP)) was used as the aromatic vinyl copolymer. Graphite was used as the hydrophobic particles.

[1.1.1. 芳香族ビニル共重合体の調製]
スチレン(ST):18g、2-ビニルピリジン(2VP):2g、2,2’-アゾジイソブチロニトリル:50mg、及び、トルエン:100mLを混合し、窒素雰囲気下、85℃で6時間重合させた。
放冷後、良溶媒にクロロホルム、貧溶媒にヘキサンを用いて再沈殿精製した。さらに、精製物を真空乾燥し、3.3gのPoly(ST-2VP)を得た。
[1.1.1. Preparation of aromatic vinyl copolymer]
Styrene (ST): 18 g, 2-vinylpyridine (2VP): 2 g, 2,2'-azodiisobutyronitrile: 50 mg, and toluene: 100 mL were mixed and polymerized at 85° C. for 6 hours under a nitrogen atmosphere. .
After cooling, it was purified by reprecipitation using chloroform as a good solvent and hexane as a poor solvent. Furthermore, the purified product was vacuum dried to obtain 3.3 g of Poly(ST-2VP).

[1.1.2. 表面修飾疎水性粒子の調製]
グラファイト(日本黒鉛工業(株)製、EXP-P):12.5g、過酸化水素-ウレア錯体:12.5g、Poly(ST-2VP):1.25g、及び、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)を混合した。湿式微細化装置((株)スギノマシン製、スターバースト、斜向衝突チャンバー)を用いて、混合液を圧力:200MPaで10passの処理を行った。これにより、黒鉛粒子が層間剥離して薄片化黒鉛になると同時に、薄片化黒鉛の表面に、Poly(ST-2VP)が吸着した(図2(A)、図2(B))。得られた分散液をろ過し、DMFで洗浄した後、真空乾燥して表面修飾疎水性粒子を得た。
[1.1.2. Preparation of surface-modified hydrophobic particles]
Graphite (manufactured by Nippon Graphite Industries Co., Ltd., EXP-P): 12.5 g, hydrogen peroxide-urea complex: 12.5 g, Poly (ST-2VP): 1.25 g, and N,N-dimethylformamide ( DMF) was mixed. Using a wet atomization device (manufactured by Sugino Machine Co., Ltd., Starburst, oblique collision chamber), the mixed liquid was processed for 10 passes at a pressure of 200 MPa. As a result, the graphite particles were delaminated to become exfoliated graphite, and at the same time, Poly(ST-2VP) was adsorbed to the surface of the exfoliated graphite (FIGS. 2(A) and 2(B)). The obtained dispersion was filtered, washed with DMF, and then vacuum dried to obtain surface-modified hydrophobic particles.

[1.1.3. アイオノマ修飾疎水性粒子の調製]
表面修飾疎水性粒子を、0.943gの水と0.432gのエタノールの混合溶媒に分散させた。表面修飾疎水性粒子の添加量は、0.054g(実施例1)、0.113g(実施例2)、0.255g(実施例3)、又は、0.85g(実施例4)とした。
分散液を超音波分散させながら、ナフィオン(登録商標)(デュポン社製、D2020、21.6mass%溶液)を0.125g滴下した。さらに、超音波分散を1h行い、アイオノマ修飾疎水性粒子水分散液を得た(図2(C))。
[1.1.3. Preparation of ionomer-modified hydrophobic particles]
The surface-modified hydrophobic particles were dispersed in a mixed solvent of 0.943 g of water and 0.432 g of ethanol. The amount of surface-modified hydrophobic particles added was 0.054 g (Example 1), 0.113 g (Example 2), 0.255 g (Example 3), or 0.85 g (Example 4).
While ultrasonically dispersing the dispersion liquid, 0.125 g of Nafion (registered trademark) (manufactured by DuPont, D2020, 21.6 mass% solution) was added dropwise. Further, ultrasonic dispersion was performed for 1 hour to obtain an aqueous dispersion of ionomer-modified hydrophobic particles (FIG. 2(C)).

[1.2. 触媒インクの調製]
[1.2.1. 実施例1~4]
[A. 触媒インク原液の調製]
白金担持カーボン(田中貴金属工業(株)製、TEC10V30E、担体:Vulcan(登録商標) XC72R):1.050gに超純水:4.052gを加え、遊星式攪拌・脱泡装置(KURABO製、MAZERUSTAR KK-50S)を用いて、脱泡と攪拌を各1minずつ行った。そこにナフィオン(登録商標)(デュポン社製、D2020、21.6mass%):2.363gとエタノール:1.428gを加えて、脱泡と攪拌を各1minずつ行った。さらに、遊星攪拌ボールミル(フリッチュ社製、P-7)で400rpmの回転速度で25minの分散処理を行った。その後、さらに脱泡と攪拌を各1minずつ行い、触媒インク原液を得た。
[1.2. Preparation of catalyst ink]
[1.2.1. Examples 1 to 4]
[A. Preparation of catalyst ink stock solution]
Add 4.052 g of ultrapure water to 1.050 g of platinum-supported carbon (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC10V30E, carrier: Vulcan (registered trademark) Defoaming and stirring were performed for 1 minute each using a vacuum cleaner (KK-50S). 2.363 g of Nafion (registered trademark) (manufactured by DuPont, D2020, 21.6 mass%) and 1.428 g of ethanol were added thereto, and defoaming and stirring were performed for 1 minute each. Furthermore, dispersion treatment was performed for 25 minutes at a rotation speed of 400 rpm using a planetary stirring ball mill (manufactured by Fritsch AG, P-7). Thereafter, defoaming and stirring were further performed for 1 minute each to obtain a catalyst ink stock solution.

[B. アイオノマ修飾疎水性粒子の添加]
アイオノマ修飾疎水性粒子水分散液(以下、単に「水分散液」ともいう)と、触媒インク原液とを混合し、遊星式攪拌・脱泡装置を用いて、脱泡と攪拌を各2minずつ行い、アイオノマ修飾疎水性粒子を含む触媒インクを得た。
なお、この場合、触媒インクのI/C比(白金担持カーボンに含まれるカーボンの質量に対する、触媒インク中に含まれるアイオノマの総量(=アイオノマA+アイオノマB)の質量の比)は、0.75であった。
また、白金担持カーボンと表面修飾疎水性粒子の総質量に対する表面修飾疎水性粒子の質量の割合(z)は、4.89mass%~44.74%であった。
[B. Addition of ionomer-modified hydrophobic particles]
The ionomer-modified hydrophobic particle aqueous dispersion (hereinafter also simply referred to as "aqueous dispersion") and the catalyst ink stock solution were mixed, and defoaming and stirring were performed for 2 min each using a planetary stirring/defoaming device. , a catalyst ink containing ionomer-modified hydrophobic particles was obtained.
In this case, the I/C ratio of the catalyst ink (the ratio of the mass of the total amount of ionomer contained in the catalyst ink (=ionomer A + ionomer B) to the mass of carbon contained in the platinum-supported carbon) is 0.75. Met.
Further, the ratio (z) of the mass of the surface-modified hydrophobic particles to the total mass of the platinum-supported carbon and the surface-modified hydrophobic particles was 4.89 mass% to 44.74%.

[1.2.2. 比較例1]
水分散液調整時に表面修飾疎水性粒子を添加しなかった以外は、実施例1と同様にして触媒インクを調製した。
[1.2.3. 比較例2]
水分散液調整時に表面修飾疎水性粒子に代えて、グラフェンナノプレートレット(GNP)(XG sciences社製、R-7)を用いた以外は、実施例1と同様にして触媒インクを調製した。なお、GNPは、購入したものをそのまま用いており、芳香族ビニル共重合体による表面修飾は行っていない。
表1に、実施例1~4及び比較例1~2で得られた触媒インクの配合量及び仕込み組成を示す。
[1.2.2. Comparative example 1]
A catalyst ink was prepared in the same manner as in Example 1, except that surface-modified hydrophobic particles were not added during preparation of the aqueous dispersion.
[1.2.3. Comparative example 2]
A catalyst ink was prepared in the same manner as in Example 1, except that graphene nanoplatelets (GNPs) (manufactured by XG Sciences, R-7) were used in place of the surface-modified hydrophobic particles when preparing the aqueous dispersion. Note that the purchased GNPs were used as they were, and the surface was not modified with an aromatic vinyl copolymer.
Table 1 shows the blending amounts and charging compositions of the catalyst inks obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 2.

Figure 0007359192000001
Figure 0007359192000001

[1.3. 触媒層の作製]
ポリテトラフルオロエチレンシート上に触媒インクを塗工した。塗工には、アプリケーターとビコドライブ(BYK Gardner Company社製)を用いた。塗工速度は10mm/sとした。塗膜を室温(24℃、70~75%RH)で乾燥させた後、熱処理(80℃、30min)を行い、触媒層を得た。
[1.3. Preparation of catalyst layer]
A catalyst ink was applied onto a polytetrafluoroethylene sheet. For coating, an applicator and Vicodrive (manufactured by BYK Gardner Company) were used. The coating speed was 10 mm/s. After drying the coating film at room temperature (24° C., 70-75% RH), heat treatment (80° C., 30 min) was performed to obtain a catalyst layer.

[2. 試験方法]
[2.1. 表面修飾疎水性粒子及びアイオノマ修飾疎水性粒子の評価]
[2.1.1. 水分散性の評価]
表面疎水性粒子又はアイオノマ修飾疎水性粒子を水に分散させ、水への分散性を目視で評価した。
[2. Test method]
[2.1. Evaluation of surface-modified hydrophobic particles and ionomer-modified hydrophobic particles]
[2.1.1. Evaluation of water dispersibility]
Surface hydrophobic particles or ionomer-modified hydrophobic particles were dispersed in water, and the dispersibility in water was visually evaluated.

これとは別に、0.1gの表面修飾疎水性粒子を5mLの水に加えた。この混合液を超音波分散させながら、アイオノマ:0.043gを滴下した。超音波分散を1時間行った後、静置し、粒子の沈降又は凝集を目視で評価した。以下、これを「超音波分散試験」ともいう。 Separately, 0.1 g of surface-modified hydrophobic particles was added to 5 mL of water. While ultrasonically dispersing this liquid mixture, 0.043 g of ionomer was added dropwise. After performing ultrasonic dispersion for 1 hour, it was allowed to stand still and sedimentation or aggregation of the particles was visually evaluated. Hereinafter, this will also be referred to as an "ultrasonic dispersion test."

[2.1.2. アイオノマ吸着量の評価]
シリンジフィルタでアイオノマ修飾疎水性粒子水分散液からアイオノマ修飾疎水性粒子をろ過し、ろ液の質量を測定した。次に、ろ液を80℃で1時間加熱し、溶媒を揮発させた。残った固形分の質量を測定し、そこからろ液に含まれるアイオノマAの濃度(Cp)を算出した。さらに、Cpと初期のアイオノマAの濃度(Cp0)を式(6)に代入し、アイオノマの吸着率Γを算出した。
Γ=(Cp0-Cp)/Cp0 …(6)
[2.1.2. Evaluation of ionomer adsorption amount]
The ionomer-modified hydrophobic particles were filtered from the ionomer-modified hydrophobic particle aqueous dispersion using a syringe filter, and the mass of the filtrate was measured. Next, the filtrate was heated at 80° C. for 1 hour to volatilize the solvent. The mass of the remaining solid content was measured, and the concentration of ionomer A (C p ) contained in the filtrate was calculated from it. Furthermore, C p and the initial concentration of ionomer A (C p0 ) were substituted into equation (6) to calculate the adsorption rate Γ of the ionomer.
Γ=(C p0 −C p )/C p0 …(6)

アイオノマ修飾疎水性粒子に含まれるアイオノマAの吸着量Wは、水分散液の組成を基に、式(7)より算出した。
W=W1×Γ/(W2+W1×Γ) …(7)
但し、
1は、水分散液へのアイオノマAの添加量、
2は、水分散液への表面修飾疎水性粒子の添加量。
The adsorption amount W of ionomer A contained in the ionomer-modified hydrophobic particles was calculated from equation (7) based on the composition of the aqueous dispersion.
W=W 1 ×Γ/(W 2 +W 1 ×Γ) …(7)
however,
W 1 is the amount of ionomer A added to the aqueous dispersion,
W 2 is the amount of surface-modified hydrophobic particles added to the aqueous dispersion.

[2.2. 粒子のサイズ計測]
得られた表面修飾疎水性粒子及びアイオノマ修飾疎水性粒子を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。SEM観察の際には、試料にスパッタ法でPtコートをした。SEMには、(株)日立ハイテク製SU3500型を用い、加速電圧は15.0kVとした。
[2.2. Particle size measurement]
The obtained surface-modified hydrophobic particles and ionomer-modified hydrophobic particles were observed using a scanning electron microscope (SEM). For SEM observation, the sample was coated with Pt by sputtering. For the SEM, SU3500 model manufactured by Hitachi High-Tech Corporation was used, and the accelerating voltage was 15.0 kV.

触媒層断面の作製には、集束イオンビーム装置((株)日立ハイテク製、NB500)を用いた。加工は、粗加工と仕上げ加工の2段階で行った。粗加工はビーム制限アパーチャを300μmにして2時間行い、仕上げ加工はビーム制限アパーチャを150μmにして30分行った。イオン源には液体金属ガリウムを用い、加速電圧は40kVとした。
触媒層断面の観察には、超高分解能電界放出形走査電子顕微鏡((株)日立ハイテク製、Regulus 8230)を用いた。
さらに、画像解析ソフト(Image J)を用いて、撮影された顕微鏡画像に含まれる表面疎水性粒子及びアイオノマ修飾疎水性粒子の長径と厚さを測定した。
A focused ion beam device (manufactured by Hitachi High-Tech Corporation, NB500) was used to prepare the cross section of the catalyst layer. The machining was performed in two stages: rough machining and finishing machining. Rough processing was performed for 2 hours with a beam limiting aperture of 300 μm, and finishing processing was performed for 30 minutes with a beam limiting aperture of 150 μm. Liquid metal gallium was used as the ion source, and the acceleration voltage was 40 kV.
An ultra-high-resolution field emission scanning electron microscope (Regulus 8230, manufactured by Hitachi High-Tech Corporation) was used to observe the cross section of the catalyst layer.
Furthermore, using image analysis software (Image J), the major axis and thickness of the surface hydrophobic particles and ionomer-modified hydrophobic particles included in the photographed microscopic images were measured.

[2.3. 発電性能評価]
調製した触媒層をナフィオン(登録商標)膜(Nafion NR211)に対して、145℃、4minの条件でホットプレスを行い、膜電極接合体(MEA)を得た。MEAの両面に、ガス拡散層として撥水層付きカーボンペーパーを配置し、これをセパレータで挟み、固体高分子形燃料電池を得た。
発電性能評価は、慣らし運転を実施した後、過加湿条件における性能を評価するために、両極45℃、165%RHの条件下で実施した。測定されたセル電圧はIR補正電圧で整理した。さらに、0.6Vにおける電流密度で性能の比較を行った。
[2.3. Power generation performance evaluation]
The prepared catalyst layer was hot pressed on a Nafion (registered trademark) membrane (Nafion NR211) at 145° C. for 4 minutes to obtain a membrane electrode assembly (MEA). Carbon paper with a water-repellent layer was placed on both sides of the MEA as a gas diffusion layer, and this was sandwiched between separators to obtain a polymer electrolyte fuel cell.
After a break-in operation, the power generation performance was evaluated under conditions of 45° C. and 165% RH at both poles in order to evaluate performance under overhumidified conditions. The measured cell voltages were adjusted using IR correction voltages. Furthermore, performance was compared at a current density of 0.6V.

[3. 結果]
[3.1. 表面修飾疎水性粒子及びアイオノマ修飾疎水性粒子の評価]
図3(A)に、水に表面修飾疎水性粒子を分散させた分散液の写真を示す。図3(B)に、水にアイオノマ修飾疎水性粒子を分散させた分散液の写真を示す。表面修飾疎水性粒子は、水には分散しなかった。この理由は、表面修飾疎水性粒子の表面には疎水性の高いPoly(ST-2VP)が吸着しているためと考えられる。
一方、アイオノマ修飾疎水性粒子は、水に良好に分散した。この理由は、Poly(ST-2VP)のピリジン環を足場として、アイオノマAをイオン結合により表面修飾疎水性粒子表面に結合させ、表面電荷を増大させることができたためと考えられる。
[3. result]
[3.1. Evaluation of surface-modified hydrophobic particles and ionomer-modified hydrophobic particles]
FIG. 3(A) shows a photograph of a dispersion in which surface-modified hydrophobic particles are dispersed in water. FIG. 3(B) shows a photograph of a dispersion in which ionomer-modified hydrophobic particles are dispersed in water. The surface-modified hydrophobic particles did not disperse in water. The reason for this is thought to be that highly hydrophobic Poly (ST-2VP) is adsorbed on the surface of the surface-modified hydrophobic particles.
On the other hand, the ionomer-modified hydrophobic particles were well dispersed in water. The reason for this is thought to be that the ionomer A could be bound to the surface of the surface-modified hydrophobic particles by ionic bonding using the pyridine ring of Poly(ST-2VP) as a scaffold, thereby increasing the surface charge.

[3.2. SEM観察]
表面修飾疎水性粒子及びアイオノマ修飾疎水性粒子は、いずれも板状であった。表面修飾疎水性粒子の長径(≒アイオノマ修飾疎水性粒子の長径)は、1~7μmであり、表面は滑らかであった。また、触媒層の断面観察から算出された表面修飾疎水性粒子の厚さ(≒アイオノマ修飾疎水性粒子の厚さ)は、50~180nmであることが分かった。
[3.2. SEM observation]
Both the surface-modified hydrophobic particles and the ionomer-modified hydrophobic particles were plate-shaped. The major axis of the surface-modified hydrophobic particles (≈long axis of the ionomer-modified hydrophobic particles) was 1 to 7 μm, and the surface was smooth. Further, the thickness of the surface-modified hydrophobic particles (≈thickness of the ionomer-modified hydrophobic particles) calculated from cross-sectional observation of the catalyst layer was found to be 50 to 180 nm.

[3.3. 発電性能評価]
図4に、実施例1~2及び比較例1~2で得られた燃料電池の過加湿条件下におけるIV曲線(IR補正後)を示す。表2に、発電性能評価の結果を示す。図4及び表2より、以下のことが分かる。
[3.3. Power generation performance evaluation]
FIG. 4 shows the IV curves (after IR correction) of the fuel cells obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 under overhumidified conditions. Table 2 shows the results of power generation performance evaluation. The following can be seen from FIG. 4 and Table 2.

Figure 0007359192000002
Figure 0007359192000002

なお、表2には、アイオノマ修飾疎水性粒子の仕様、触媒層に含まれる表面修飾疎水性粒子の質量割合(mass%)、及び、アイオノマ修飾疎水性粒子の水への分散性(超音波分散試験)も併せて示した。
表2中、「アイオノマAの吸着量」は、式(7)から算出された値である。
「表面修飾疎水性粒子の質量割合」とは、白金担持カーボンと表面修飾疎水性粒子の総質量に対する、表面修飾疎水性粒子の質量割合をいう。
Table 2 shows the specifications of the ionomer-modified hydrophobic particles, the mass percentage (mass%) of the surface-modified hydrophobic particles contained in the catalyst layer, and the dispersibility of the ionomer-modified hydrophobic particles in water (ultrasonic dispersion). Tests) are also shown.
In Table 2, "adsorption amount of ionomer A" is a value calculated from equation (7).
The term "mass ratio of surface-modified hydrophobic particles" refers to the mass ratio of surface-modified hydrophobic particles to the total mass of platinum-supported carbon and surface-modified hydrophobic particles.

表2中、水分散性(超音波分散試験)に関し、
「○」は、超音波分散を停止させた後、1時間経過後も、すべての粒子が均一に水に分散していることを表し、
「△」は、超音波分散を停止させた後、1時間経過後に、一部の粒子が水に分散しているが、残りの一部は沈降し又は凝集して浮遊していることを表し、
「×」は、超音波分散を停止させた後、1時間経過後にすべての粒子が沈降し又は凝集して浮遊していることを表す。
In Table 2, regarding water dispersibility (ultrasonic dispersion test),
"○" indicates that all particles are uniformly dispersed in water even after 1 hour has passed after stopping ultrasonic dispersion.
"△" indicates that one hour after stopping ultrasonic dispersion, some particles are dispersed in water, but the remaining part settles or aggregates and floats. ,
"X" indicates that all the particles have settled or aggregated and are suspended one hour after the ultrasonic dispersion is stopped.

(1)実施例1~4で得られたアイオノマ修飾疎水性粒子は、いずれも水分散安定性に優れていた。すなわち、薄片化黒鉛粒子にピリジン環を有する芳香族ビニル共重合体を吸着させ、さらに、ピリジン環とイオン結合するアイオノマAを吸着させることによって、親水化された薄片化黒鉛粒子が得られることが分かった。
(2)比較例2は、アイオノマを加えて超音波分散処理を行っても水には分散せず、凝集した。これは、芳香族ビニル共重合体で表面修飾を行わなかったためと考えられる。
(1) The ionomer-modified hydrophobic particles obtained in Examples 1 to 4 all had excellent water dispersion stability. That is, exfoliated graphite particles made hydrophilic can be obtained by adsorbing an aromatic vinyl copolymer having a pyridine ring to the exfoliated graphite particles, and further adsorbing ionomer A that ionically bonds with the pyridine ring. Do you get it.
(2) In Comparative Example 2, even when the ionomer was added and subjected to ultrasonic dispersion treatment, it did not disperse in water and agglomerated. This is considered to be because the surface was not modified with the aromatic vinyl copolymer.

(3)高電流密度域では、実施例1~4の電圧は、比較例1、2の電圧より高くなった。生成水量は電流密度に比例して増大することから、比較例1の高電流密度領域での性能低下は、水による目詰まり(フラッディング)が原因と考えられる。
(4)比較例2は、比較例1より高い性能を示した。これは、GNPを触媒層に添加することによって形成されるフラッディングしにくい構造の効果と考えられる。
(5)実施例1~4の性能は、比較例2より高くなった。その理由は、表面修飾疎水性粒子の表面にアイオノマが吸着してプロトン伝導パスが形成されたことに加えて、表面に吸着した分散剤(芳香族ビニル共重合体)の影響で触媒層の水はけが良くなり、フラッディングしにくい構造になっていることが影響していることが考えられる。
(3) In the high current density region, the voltages of Examples 1 to 4 were higher than those of Comparative Examples 1 and 2. Since the amount of generated water increases in proportion to the current density, the performance decline in the high current density region of Comparative Example 1 is considered to be caused by clogging (flooding) due to water.
(4) Comparative Example 2 showed higher performance than Comparative Example 1. This is considered to be an effect of the structure that is less likely to flood, which is formed by adding GNP to the catalyst layer.
(5) The performance of Examples 1 to 4 was higher than that of Comparative Example 2. The reason for this is that the ionomer is adsorbed on the surface of the surface-modified hydrophobic particles, forming a proton conduction path, and the catalyst layer is not easily drained due to the influence of the dispersant (aromatic vinyl copolymer) adsorbed on the surface. This is thought to be due to the fact that the structure has improved and is less prone to flooding.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

本発明に係るアイオノマ修飾疎水性粒子は、固体高分子形燃料電池の触媒層へのプロトン伝導度を向上させるための添加剤、電気分解による水素製造用の電極への添加剤、水素センサー用の添加剤、水素分離膜用の添加剤などに用いることができる。 The ionomer-modified hydrophobic particles according to the present invention can be used as an additive for improving proton conductivity to the catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell, as an additive for electrodes for hydrogen production by electrolysis, and as an additive for hydrogen sensors. It can be used as an additive, an additive for hydrogen separation membranes, etc.

Claims (13)

以下の構成を備えたアイオノマ修飾疎水性粒子。
(1)前記アイオノマ修飾疎水性粒子は、
疎水性粒子の表面が芳香族ビニル共重合体で被覆された表面修飾疎水性粒子と、
前記表面修飾疎水性粒子の表面をさらに被覆するアイオノマAと
を備えている。
(2)前記芳香族ビニル共重合体は、
疎水性官能基とカチオン性官能基とを備え、
前記疎水性官能基を介して前記疎水性粒子の表面に吸着している。
(3)前記アイオノマAは、
アニオン性官能基を備え、
前記アニオン性官能基を介して、前記カチオン性官能基とイオン結合している。
Ionomer-modified hydrophobic particles with the following composition:
(1) The ionomer-modified hydrophobic particles are:
surface-modified hydrophobic particles whose surfaces are coated with an aromatic vinyl copolymer;
and an ionomer A that further coats the surface of the surface-modified hydrophobic particles.
(2) The aromatic vinyl copolymer is
Comprising a hydrophobic functional group and a cationic functional group,
It is adsorbed on the surface of the hydrophobic particles via the hydrophobic functional group.
(3) The ionomer A is
Equipped with anionic functional group,
It is ionically bonded to the cationic functional group via the anionic functional group.
前記疎水性粒子は、
シート状粒子からなり、
平均長径が1μm以上10μm以下であり、
平均厚さが10nm以上300nm以下である
請求項1に記載のアイオノマ修飾疎水性粒子。
The hydrophobic particles are
Consisting of sheet-like particles,
The average major axis is 1 μm or more and 10 μm or less,
The ionomer-modified hydrophobic particles according to claim 1, having an average thickness of 10 nm or more and 300 nm or less.
前記疎水性粒子は、薄片化黒鉛粒子である請求項1又は2に記載のアイオノマ修飾疎水性粒子。 The ionomer-modified hydrophobic particles according to claim 1 or 2, wherein the hydrophobic particles are exfoliated graphite particles. 前記アイオノマAの吸着量が0.03mass%以上35.0mass%以下である請求項1から3までのいずれか1項に記載のアイオノマ修飾疎水性粒子。 The ionomer-modified hydrophobic particles according to any one of claims 1 to 3, wherein the adsorption amount of the ionomer A is 0.03 mass% or more and 35.0 mass% or less. 前記カチオン性官能基は、ピリジル基、アミノ基、4級アンモニウム基、イミノ基、イミダゾール基、グアニジン基、及び、ビグアニド基からなる群から選ばれるいずれか1以上の官能基からなる請求項1から4までのいずれか1項に記載のアイオノマ修飾疎水性子。 From claim 1, the cationic functional group comprises any one or more functional groups selected from the group consisting of a pyridyl group, an amino group, a quaternary ammonium group, an imino group, an imidazole group, a guanidine group, and a biguanide group. 4. The ionomer-modified hydrophobic molecule according to any one of items 4 to 4. 前記芳香族ビニル共重合体は、
次の式(1)で表されるビニル芳香族モノマー単位と、
前記カチオン性官能基を有するビニルモノマーからなる第2モノマー単位と
を備えた共重合体からなる請求項1から5までのいずれか1項に記載のアイオノマ修飾疎水性粒子。
-(CH2-CHX)- …(1)
但し、
Xは、フェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、及びピレニル基からなる群から選ばれるいずれか1以上の前記疎水性官能基を表し、これらの基は置換基を有していても良い、
前記カチオン性官能基は、ピリジル基、アミノ基、4級アンモニウム基、イミノ基、イミダゾール基、グアニジン基、及び、ビグアニド基からなる群から選ばれるいずれか1以上の官能基。
The aromatic vinyl copolymer is
A vinyl aromatic monomer unit represented by the following formula (1),
The ionomer-modified hydrophobic particles according to any one of claims 1 to 5, comprising a copolymer comprising a second monomer unit made of a vinyl monomer having a cationic functional group.
-(CH 2 -CHX)-...(1)
however,
X represents any one or more of the above hydrophobic functional groups selected from the group consisting of phenyl group, naphthyl group, anthracenyl group, and pyrenyl group, and these groups may have a substituent,
The cationic functional group is any one or more functional groups selected from the group consisting of a pyridyl group, an amino group, a quaternary ammonium group, an imino group, an imidazole group, a guanidine group, and a biguanide group.
前記アイオノマAは、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマからなる請求項1から6までのいずれか1項に記載のアイオノマ修飾疎水性粒子。 The ionomer-modified hydrophobic particle according to any one of claims 1 to 6, wherein the ionomer A comprises a perfluorocarbon sulfonic acid polymer. カーボン担体の表面に触媒粒子が担持された電極触媒と、
アイオノマBからなる触媒層アイオノマと、
請求項1から7までのいずれか1項に記載のアイオノマ修飾疎水性粒子と
を備えた触媒層。
an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on the surface of a carbon carrier;
A catalyst layer ionomer made of ionomer B;
A catalyst layer comprising the ionomer-modified hydrophobic particles according to any one of claims 1 to 7.
次の式(2)~式(4)の関係を満たす請求項8に記載の触媒層。
35.0≦x≦70.0mass% …(2)
0.4<y/x<1.6 …(3)
1.0≦z≦45.0mass% …(4)
但し、
x(mass%)は、前記触媒層に含まれる前記電極触媒と、前記アイオノマ修飾疎水性粒子と、前記アイオノマBの総質量に対する、前記電極触媒の質量の割合、
y/xは、前記触媒層に含まれる前記電極触媒の質量に対する、前記アイオノマBと、前記表面修飾疎水性粒子の表面を被覆する前記アイオノマAの総質量の比、
z(mass%)は、前記触媒層に含まれる前記電極触媒と、前記表面修飾疎水性粒子の総質量に対する、前記表面修飾疎水性粒子の質量の割合。
The catalyst layer according to claim 8, which satisfies the following equations (2) to (4).
35.0≦x≦70.0mass%…(2)
0.4<y/x<1.6...(3)
1.0≦z≦45.0mass%…(4)
however,
x (mass%) is the ratio of the mass of the electrode catalyst to the total mass of the electrode catalyst, the ionomer-modified hydrophobic particles, and the ionomer B contained in the catalyst layer;
y/x is the ratio of the total mass of the ionomer B and the ionomer A covering the surface of the surface-modified hydrophobic particles to the mass of the electrode catalyst included in the catalyst layer;
z (mass%) is the ratio of the mass of the surface-modified hydrophobic particles to the total mass of the electrode catalyst and the surface-modified hydrophobic particles included in the catalyst layer.
前記アイオノマBは、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマからなる請求項8又は9に記載の触媒層。 The catalyst layer according to claim 8 or 9, wherein the ionomer B is made of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer. カーボン担体の表面に触媒粒子が担持された電極触媒と、
アイオノマBからなる触媒層アイオノマと、
請求項1から7までのいずれか1項に記載のアイオノマ修飾疎水性粒子と、
前記電極触媒、前記触媒層アイオノマ、及び前記アイオノマ修飾疎水性粒子を分散させるための水を含む親水性溶媒と、
を備えた触媒インク。
an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on the surface of a carbon carrier;
A catalyst layer ionomer made of ionomer B;
Ionomer-modified hydrophobic particles according to any one of claims 1 to 7;
a hydrophilic solvent containing water for dispersing the electrode catalyst, the catalyst layer ionomer, and the ionomer-modified hydrophobic particles;
catalyst ink with
次の式(2)~式(4)の関係を満たす請求項11に記載の触媒インク。
35.0≦x≦70.0mass% …(2)
0.4<y/x<1.6 …(3)
1.0≦z≦45.0mass% …(4)
但し、
x(mass%)は、前記触媒インクに含まれる前記電極触媒と、前記アイオノマ修飾疎水性粒子と、前記アイオノマBの総質量に対する、前記電極触媒の質量の割合、
y/xは、前記触媒インクに含まれる前記電極触媒の質量に対する、前記アイオノマBと、前記表面修飾疎水性粒子の表面を被覆する前記アイオノマAの総質量の比、
z(mass%)は、前記触媒インクに含まれる前記電極触媒と、前記表面修飾疎水性粒子の総質量に対する、前記表面修飾疎水性粒子の質量の割合。
The catalyst ink according to claim 11, which satisfies the following equations (2) to (4).
35.0≦x≦70.0mass%…(2)
0.4<y/x<1.6...(3)
1.0≦z≦45.0mass%…(4)
however,
x (mass%) is the ratio of the mass of the electrode catalyst to the total mass of the electrode catalyst, the ionomer-modified hydrophobic particles, and the ionomer B contained in the catalyst ink;
y/x is the ratio of the total mass of the ionomer B and the ionomer A covering the surface of the surface-modified hydrophobic particles to the mass of the electrode catalyst contained in the catalyst ink;
z (mass%) is the ratio of the mass of the surface-modified hydrophobic particles to the total mass of the electrode catalyst and the surface-modified hydrophobic particles contained in the catalyst ink.
請求項1から7までのいずれか1項に記載のアイオノマ修飾疎水性粒子が第1分散媒中に分散している第1分散液を調製する第1工程と、
電極触媒、及びアイオノマCが第2分散媒中に分散している第2分散液を調製する第2工程と、
前記第1分散液と前記第2分散液を混合し、触媒インクを得る第3工程と
を備えた触媒インクの製造方法。
A first step of preparing a first dispersion liquid in which the ionomer-modified hydrophobic particles according to any one of claims 1 to 7 are dispersed in a first dispersion medium;
a second step of preparing a second dispersion liquid in which the electrode catalyst and ionomer C are dispersed in a second dispersion medium;
A method for producing a catalyst ink, comprising a third step of mixing the first dispersion liquid and the second dispersion liquid to obtain a catalyst ink.
JP2021079596A 2021-05-10 2021-05-10 Ionomer-modified hydrophobic particles, catalyst layer, catalyst ink and manufacturing method thereof Active JP7359192B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021079596A JP7359192B2 (en) 2021-05-10 2021-05-10 Ionomer-modified hydrophobic particles, catalyst layer, catalyst ink and manufacturing method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021079596A JP7359192B2 (en) 2021-05-10 2021-05-10 Ionomer-modified hydrophobic particles, catalyst layer, catalyst ink and manufacturing method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2022173720A JP2022173720A (en) 2022-11-22
JP7359192B2 true JP7359192B2 (en) 2023-10-11

Family

ID=84144198

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021079596A Active JP7359192B2 (en) 2021-05-10 2021-05-10 Ionomer-modified hydrophobic particles, catalyst layer, catalyst ink and manufacturing method thereof

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7359192B2 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016085794A (en) 2014-10-23 2016-05-19 ダイハツ工業株式会社 Binder for electrode catalyst layer formation and fuel battery
JP2018110052A (en) 2016-12-28 2018-07-12 凸版印刷株式会社 Electrode catalyst layer for fuel cell and manufacturing method thereof
JP2020068130A (en) 2018-10-24 2020-04-30 トヨタ自動車株式会社 Proton conductive film with crosslinking structure, and fuel cell
JP2020077581A (en) 2018-11-09 2020-05-21 株式会社豊田中央研究所 Catalyst layer
JP2020155348A (en) 2019-03-21 2020-09-24 株式会社豊田中央研究所 Air electrode catalyst layer and solid polymer fuel cell

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016085794A (en) 2014-10-23 2016-05-19 ダイハツ工業株式会社 Binder for electrode catalyst layer formation and fuel battery
JP2018110052A (en) 2016-12-28 2018-07-12 凸版印刷株式会社 Electrode catalyst layer for fuel cell and manufacturing method thereof
JP2020068130A (en) 2018-10-24 2020-04-30 トヨタ自動車株式会社 Proton conductive film with crosslinking structure, and fuel cell
JP2020077581A (en) 2018-11-09 2020-05-21 株式会社豊田中央研究所 Catalyst layer
JP2020155348A (en) 2019-03-21 2020-09-24 株式会社豊田中央研究所 Air electrode catalyst layer and solid polymer fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
JP2022173720A (en) 2022-11-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5495387B2 (en) POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL ELECTRODE AND METHOD FOR PRODUCING MEMBRANE / ELECTRODE ASSEMBLY USING THE SAME
US11831025B2 (en) Catalyst, preparation method therefor, electrode comprising same, membrane-electrode assembly, and fuel cell
US8846271B2 (en) Electrode material
JP5121290B2 (en) Catalyst for polymer electrolyte fuel cell electrode
JP6001455B2 (en) Fuel cell electrode with nanostructured catalyst and dispersed catalyst sublayer
US9716281B2 (en) Fuel cell electrode and method for manufacturing membrane-electrode assembly using the same
WO2011074327A1 (en) Gas diffusion layer for fuel cell, and membrane electrode assembly using said gas diffusion layer for fuel cell
WO2009148114A1 (en) Carbon catalyst, process for producing carbon catalyst, membrane electrode assembly, and fuel cell
JP6727266B2 (en) Anode catalyst layer for fuel cell and fuel cell using the same
TW202039074A (en) Catalyst, method for manufacturing the same, electrode comprising the same, membrane-electrode assembly comprising the same, and fuel cell comprising the same
JP6727263B2 (en) Anode catalyst layer for fuel cell and fuel cell using the same
JP6809135B2 (en) Coating composition, separator with coat layer, current collector plate with coat layer and fuel cell
JP6040954B2 (en) Method for producing fuel cell catalyst
JP2002015745A (en) Solid polymer fuel cell
JP6727264B2 (en) Anode catalyst layer for fuel cell and fuel cell using the same
JP7359192B2 (en) Ionomer-modified hydrophobic particles, catalyst layer, catalyst ink and manufacturing method thereof
JP7310855B2 (en) catalyst layer
JP2006269368A (en) Electrode for fuel cell and its manufacturing method
JP2005317467A (en) Electrode for fuel cell and mea for fuel cell using the same
WO2023106392A1 (en) Catalyst composition and catalyst layer for fuel cells using catalyst composition
JP2020047431A (en) Anode catalyst layer for fuel cell and fuel cell arranged by use thereof
JP7131535B2 (en) Catalyst layer for fuel cells
WO2024190902A1 (en) Electrode catalyst containing porous silicon carbide composite material, electrode for electrode catalyst, fuel cell, and manufacturing method of electrode catalyst
JP2005056593A (en) Cathode catalyst layer for solid polymer type fuel cell, and its manufacturing method
JP2010027295A (en) Membrane electrode assembly

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20221019

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20230524

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230530

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230616

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20230829

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20230911

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7359192

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150