WO2014155929A1 - Method for manufacturing catalyst layer for fuel cell, catalyst layer for fuel cell, and fuel cell - Google Patents

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Abstract

A membrane-electrode assembly (50) has a structure in which an anode (22), a solid polymer electrolyte membrane (20), and a cathode (24) are layered. An anode gas-diffusion layer (28) contained in the anode (22) and a cathode gas-diffusion layer (32) contained in the cathode (24) are manufactured by performing a freeze-drying process on a catalyst slurry, the area ratio of holes observed using a cross-section SEM image being 25-50%.

Description

燃料電池用触媒層の製造方法、燃料電池用触媒層および燃料電池Method for producing catalyst layer for fuel cell, catalyst layer for fuel cell and fuel cell
 本発明は、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.
 近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、100℃以下の低温で作動する固体高分子形燃料電池が知られている。 In recent years, fuel cells that have high energy conversion efficiency and do not generate harmful substances due to power generation reactions have attracted attention. As one of such fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell that operates at a low temperature of 100 ° C. or lower is known.
 固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
燃料極:H→2H+2e・・・(1)
空気極:1/2O+2H+2e→HO・・・(2)
A polymer electrolyte fuel cell has a basic structure in which a polymer electrolyte membrane, which is an electrolyte membrane, is arranged between a fuel electrode and an air electrode. It is a device that supplies the agent gas and generates power by the following electrochemical reaction.
Fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e (1)
Air electrode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (2)
 アノードおよびカソードは、それぞれ触媒層とガス拡散層(Gas Diffusion Layer:GDL)が積層した構造からなる。各電極の触媒層が固体高分子膜を挟んで対向配置され、燃料電池を構成する。触媒層は、触媒を担持した炭素粒子がイオン交換樹脂により結着されてなる層である。ガス拡散層は酸化剤ガスや燃料ガスの通過経路となる。 The anode and the cathode each have a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer (GDL) are laminated. The catalyst layers of the electrodes are arranged opposite to each other with the solid polymer film interposed therebetween, thereby constituting a fuel cell. The catalyst layer is a layer formed by binding carbon particles carrying a catalyst with an ion exchange resin. The gas diffusion layer becomes a passage for the oxidant gas and the fuel gas.
 アノードにおいては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式(1)に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、カソードにおいては、カソードに供給された酸化剤ガスに含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式(2)に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される。 In the anode, hydrogen contained in the supplied fuel is decomposed into hydrogen ions and electrons as shown in the above formula (1). Among these, hydrogen ions move inside the solid polymer electrolyte membrane toward the air electrode, and electrons move to the air electrode through an external circuit. On the other hand, in the cathode, oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode reacts with hydrogen ions and electrons that have moved from the fuel electrode, and water is generated as shown in the above formula (2). In this way, in the external circuit, electrons move from the fuel electrode toward the air electrode, so that electric power is taken out.
特開2003-109604号公報JP 2003-109604 A 特開2009-181718号公報JP 2009-181718 A
 従来、固体高分子形燃料電池の触媒層の作製の際に、触媒スラリーをガス拡散層に塗布した後、加熱後、乾燥させることで触媒層を形成する手順が採られる。従来の手順で作製された触媒層は、反応ガスの通路となる細孔が細かく、触媒層に対して細孔が占める割合は、高くても15%程度となる。このため、ガス拡散性を向上させるために細孔の割合を高めることが困難であった。 Conventionally, when a catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell is produced, a procedure is employed in which a catalyst slurry is applied to a gas diffusion layer and then heated and dried to form a catalyst layer. The catalyst layer produced by the conventional procedure has fine pores serving as reaction gas passages, and the ratio of the pores to the catalyst layer is at most about 15%. For this reason, in order to improve gas diffusivity, it was difficult to raise the ratio of a pore.
 本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池用の触媒層のガス拡散性を向上させることができる技術の提供にある。 The present invention has been made in view of these problems, and an object thereof is to provide a technique capable of improving the gas diffusibility of a catalyst layer for a fuel cell.
 本発明のある態様は、燃料電池用触媒層の製造方法である。当該製造方法は、導電性を有する担体、前記担体に担持された金属触媒および固体高分子材料からなるプロトン伝導体を、低級アルコールおよび水を含む分散液に分散して、水分含有量20~60質量%の触媒スラリーを作製する工程と、触媒スラリー中の水分を凍結させる工程と、前記触媒スラリー中の氷を昇華させる工程と、を備える。 An embodiment of the present invention is a method for producing a fuel cell catalyst layer. In this production method, a conductive carrier, a metal catalyst supported on the carrier, and a proton conductor made of a solid polymer material are dispersed in a dispersion containing a lower alcohol and water to obtain a water content of 20 to 60. A step of producing a mass% catalyst slurry, a step of freezing water in the catalyst slurry, and a step of sublimating ice in the catalyst slurry.
 上記態様の製造方法において、前記低級アルコールは、炭素数1~4の脂肪族アルコールもしくは多価アルコールであってもよい。断面SEM(走査型電子顕微鏡、Scanning Electron Microscope)像によって観察される細孔の面積率が25~50%であってもよい。また、前記水分を凍結させる前に、前記触媒スラリーをガス拡散層に塗布する工程を備えてもよい。また、前記プロトン伝導体のEWが、450以上900以下であってもよい。 In the production method of the above aspect, the lower alcohol may be an aliphatic alcohol or a polyhydric alcohol having 1 to 4 carbon atoms. The area ratio of pores observed by a cross-sectional SEM (Scanning Electron Microscope, Scanning Electron Microscope) image may be 25 to 50%. Moreover, you may provide the process of apply | coating the said catalyst slurry to a gas diffusion layer, before freezing the said water | moisture content. The proton conductor may have an EW of 450 or more and 900 or less.
 本発明の他の態様は、燃料電池用触媒層である。当該燃料電池用触媒層は、導電性を有する担体と、前記担体に担持された金属触媒と、固体高分子材料からなるプロトン伝導体とを備え、断面SEM像によって観察される細孔の面積率が25~50%である。 Another aspect of the present invention is a fuel cell catalyst layer. The fuel cell catalyst layer includes a carrier having conductivity, a metal catalyst supported on the carrier, and a proton conductor made of a solid polymer material, and an area ratio of pores observed by a cross-sectional SEM image Is 25 to 50%.
 上記態様の燃料電池用触媒層において、前記プロトン伝導体のEWが、450以上900以下であってもよい。 In the fuel cell catalyst layer of the above aspect, the proton conductor may have an EW of 450 or more and 900 or less.
 本発明のさらに他の態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、電解質と、前記電解質の一方の側に設けられたカソードと、前記電解質の他方の側に設けられたアノードと、
を備え、前記カソードのみに請求項7に記載の燃料電池用触媒層が用いられている。
Yet another embodiment of the present invention is a fuel cell. The fuel cell includes an electrolyte, a cathode provided on one side of the electrolyte, an anode provided on the other side of the electrolyte,
The fuel cell catalyst layer according to claim 7 is used only for the cathode.
 本発明によれば、燃料電池用の触媒層のガス拡散性を向上させることができる。 According to the present invention, the gas diffusibility of the catalyst layer for the fuel cell can be improved.
実施の形態に係る燃料電池の構造を模式的に示す斜視図である。1 is a perspective view schematically showing the structure of a fuel cell according to an embodiment. 図1のA-A線上の断面図である。It is sectional drawing on the AA line of FIG. 実施例のカソード触媒層の断面SEM像である。It is a cross-sectional SEM image of the cathode catalyst layer of an Example. 比較例のカソード触媒層の断面SEM像である。It is a cross-sectional SEM image of the cathode catalyst layer of a comparative example. 実施例および比較例の各膜電極接合体の出力電圧とP/Cとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the output voltage and P / C of each membrane electrode assembly of an Example and a comparative example.
 以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
 図1は、実施の形態1に係る燃料電池10の構造を模式的に示す斜視図である。図2は、図1のA-A線上の断面図である。燃料電池10は、平板状の膜電極接合体50を備え、この膜電極接合体50の両側にはセパレータ34およびセパレータ36が設けられている。この例では一つの膜電極接合体50のみを示すが、セパレータ34やセパレータ36を介して複数の膜電極接合体50を積層して燃料電池スタックが構成されてもよい。膜電極接合体50は、固体高分子電解質膜20、アノード22、およびカソード24を有する。 FIG. 1 is a perspective view schematically showing the structure of the fuel cell 10 according to the first embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. The fuel cell 10 includes a flat membrane electrode assembly 50, and a separator 34 and a separator 36 are provided on both sides of the membrane electrode assembly 50. In this example, only one membrane electrode assembly 50 is shown, but a plurality of membrane electrode assemblies 50 may be stacked via the separator 34 or the separator 36 to constitute a fuel cell stack. The membrane electrode assembly 50 includes a solid polymer electrolyte membrane 20, an anode 22, and a cathode 24.
 アノード22は、触媒層26、およびガス拡散層28からなる積層体を有する。一方、カソード24は、触媒層30およびガス拡散層32からなる積層体を有する。アノード22の触媒層26とカソード24の触媒層30は、固体高分子電解質膜20を挟んで対向するように設けられている。 The anode 22 has a laminate composed of a catalyst layer 26 and a gas diffusion layer 28. On the other hand, the cathode 24 has a laminate composed of a catalyst layer 30 and a gas diffusion layer 32. The catalyst layer 26 of the anode 22 and the catalyst layer 30 of the cathode 24 are provided to face each other with the solid polymer electrolyte membrane 20 interposed therebetween.
 アノード22側に設けられるセパレータ34にはガス流路38が設けられている。燃料供給用のマニホールド(図示せず)から燃料ガスがガス流路38に分配され、ガス流路38を通じて膜電極接合体50に燃料ガスが供給される。同様に、カソード24側に設けられるセパレータ36にはガス流路40が設けられている。 A gas flow path 38 is provided in the separator 34 provided on the anode 22 side. Fuel gas is distributed to a gas flow path 38 from a fuel supply manifold (not shown), and the fuel gas is supplied to the membrane electrode assembly 50 through the gas flow path 38. Similarly, a gas flow path 40 is provided in the separator 36 provided on the cathode 24 side.
 酸化剤供給用のマニホールド(図示せず)から酸化剤ガスがガス流路40に分配され、ガス流路40を通じて膜電極接合体50に酸化剤ガスが供給される。具体的には、燃料電池10の運転時、燃料ガス、たとえば水素ガスを含有する改質ガスがガス流路38内をガス拡散層28の表面に沿って上方から下方へ流通することにより、アノード22に燃料ガスが供給される。 Oxidant gas is distributed to the gas flow path 40 from an oxidant supply manifold (not shown), and the oxidant gas is supplied to the membrane electrode assembly 50 through the gas flow path 40. Specifically, when the fuel cell 10 is operated, a reformed gas containing a fuel gas, for example, hydrogen gas, flows through the gas flow path 38 along the surface of the gas diffusion layer 28 from the upper side to the lower side. The fuel gas is supplied to 22.
 一方、燃料電池10の運転時、酸化剤ガス、たとえば、空気がガス流路40内をガス拡散層32の表面に沿って上方から下方へ流通することにより、カソード24に酸化剤ガスが供給される。これにより、膜電極接合体50内で電気化学反応が生じる。ガス拡散層28を介して触媒層26に水素ガスが供給されると、ガス中の水素がプロトンとなり、このプロトンが固体高分子電解質膜20中をカソード24側へ移動する。このとき放出される電子は外部回路に移動し、外部回路からカソード24に流れ込む。一方、ガス拡散層32を介して触媒層30に空気が供給されると、酸素がプロトンと結合して水となる。この結果、外部回路においてはアノード22からカソード24に向かって電子が流れることとなり、電力を取り出すことができる。 On the other hand, during operation of the fuel cell 10, an oxidant gas, for example, air flows through the gas flow path 40 from the upper side to the lower side along the surface of the gas diffusion layer 32, whereby the oxidant gas is supplied to the cathode 24. The Thereby, an electrochemical reaction occurs in the membrane electrode assembly 50. When hydrogen gas is supplied to the catalyst layer 26 via the gas diffusion layer 28, hydrogen in the gas becomes protons, and these protons move through the solid polymer electrolyte membrane 20 to the cathode 24 side. At this time, the emitted electrons move to the external circuit and flow into the cathode 24 from the external circuit. On the other hand, when air is supplied to the catalyst layer 30 through the gas diffusion layer 32, oxygen is combined with protons to become water. As a result, electrons flow from the anode 22 toward the cathode 24 in the external circuit, and power can be taken out.
 固体高分子電解質膜20は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示し、アノード22およびカソード24の間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。固体高分子電解質膜20は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、たとえば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン(デュポン社製:登録商標)112などがあげられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。固体高分子電解質膜20の典型的な膜厚は20~50μmである。 The solid polymer electrolyte membrane 20 exhibits good ionic conductivity in a wet state, and functions as an ion exchange membrane that moves protons between the anode 22 and the cathode 24. The solid polymer electrolyte membrane 20 is formed of a solid polymer material such as a fluorine-containing polymer or a non-fluorine polymer. A fluorocarbon polymer or the like can be used. Examples of the sulfonic acid type perfluorocarbon polymer include Nafion (manufactured by DuPont: registered trademark) 112. Examples of non-fluorine polymers include sulfonated aromatic polyetheretherketone and polysulfone. A typical film thickness of the solid polymer electrolyte membrane 20 is 20 to 50 μm.
 アノード22を構成する触媒層26は、プロトン伝導体(イオン交換樹脂)と、金属触媒と、当該金属触媒を担持した導電性担体とから構成される。触媒層26の典型的な膜厚は10μmである。触媒層26内のプロトン伝導体は、金属触媒を担持した導電性担体と固体高分子電解質膜20とを接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。プロトン伝導体は、固体高分子電解質膜20と同様の高分子材料から形成されてよいが、イオン交換基1当量当たりの乾燥重量(EW)が450以上900以下であることが好ましく、500以上800以下がより好ましい。プロトン伝導体のEWが450未満だとイオン交換基濃度が高くなりすぎ、プロトン伝導体を構成する固体高分子が不安定となり、特に高温での運転では固体高分子が溶解してしまい性能が低下する。EWが900より大きいと固体高分子の膨潤が小さくなり、細孔率が低い状態でもガス拡散経路が十分に確保されるため、後述する手法で触媒層26の細孔を作製する効果が乏しくなる。 The catalyst layer 26 constituting the anode 22 is composed of a proton conductor (ion exchange resin), a metal catalyst, and a conductive carrier carrying the metal catalyst. A typical film thickness of the catalyst layer 26 is 10 μm. The proton conductor in the catalyst layer 26 connects the conductive carrier carrying the metal catalyst and the solid polymer electrolyte membrane 20, and has a role of transmitting protons between the two. The proton conductor may be formed of the same polymer material as that of the solid polymer electrolyte membrane 20, but the dry weight (EW) per equivalent of ion exchange groups is preferably 450 or more and 900 or less, and 500 or more and 800. The following is more preferable. If the EW of the proton conductor is less than 450, the ion exchange group concentration becomes too high, and the solid polymer constituting the proton conductor becomes unstable. To do. If the EW is greater than 900, the solid polymer swells less, and a sufficient gas diffusion path is ensured even when the porosity is low. Therefore, the effect of producing the pores of the catalyst layer 26 by the method described later becomes poor. .
 触媒層26に用いられる金属触媒として、たとえば、貴金属とルテニウムとからなる合金触媒が挙げられる。この合金触媒に用いられる貴金属として、たとえば、白金、パラジウムなどが挙げられる。また、金属触媒を担持する導電性担体として、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノオニオンなどが挙げられる。 As the metal catalyst used for the catalyst layer 26, for example, an alloy catalyst made of noble metal and ruthenium can be cited. Examples of the noble metal used in the alloy catalyst include platinum and palladium. Examples of the conductive carrier that supports the metal catalyst include acetylene black, ketjen black, carbon nanotube, and carbon nano-onion.
 アノード22を構成するガス拡散層28は、ガス拡散基材27、およびガス拡散基材に塗布された微細孔層29(マイクロポーラス層:MPL)を有する。ガス拡散基材27は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえばカーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。 The gas diffusion layer 28 constituting the anode 22 has a gas diffusion base material 27 and a microporous layer 29 (microporous layer: MPL) applied to the gas diffusion base material. The gas diffusion base material 27 is preferably composed of a porous body having electronic conductivity, and for example, carbon paper, carbon woven fabric or nonwoven fabric can be used.
 ガス拡散基材27に塗布された微細孔層29は、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られる混練物(ペースト)である。導電性粉末としては、たとえば、カーボンブラックを用いることができる。また、撥水剤としては、四フッ化エチレン樹脂(PTFE)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系樹脂を用いることができる。なお、撥水剤は結着性を有することが好ましい。ここで、結着性とは、粘りの少ないものやくずれやすいものをつなぎ合わせ、粘りのあるもの(状態)にすることができる性質をいう。撥水剤が結着性を有することにより、導電性粉末と撥水剤とを混練することにより、ペーストを得ることができる。 The microporous layer 29 applied to the gas diffusion base material 27 is a kneaded product (paste) obtained by kneading a conductive powder and a water repellent. For example, carbon black can be used as the conductive powder. In addition, as the water repellent, a fluorine resin such as tetrafluoroethylene resin (PTFE) or tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP) can be used. The water repellent agent preferably has binding properties. Here, the binding property refers to a property that can be made sticky (state) by joining things that are less sticky or those that tend to break apart. Since the water repellent has binding properties, a paste can be obtained by kneading the conductive powder and the water repellent.
 カソード24を構成する触媒層30は、プロトン伝導体(イオン交換樹脂)と、金属触媒と、当該金属触媒を担持した導電性担体とから構成される。プロトン伝導体は、金属触媒を担持した導電性担体と固体高分子電解質膜20を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。プロトン伝導体は、固体高分子電解質膜20と同様の高分子材料から形成されてよい。プロトン伝導体は、イオン交換基1当量当たりの乾燥重量(EW)が450以上900以下であることが好ましく、500以上800以下がより好ましい。プロトン伝導体のEWが450未満だとイオン交換基濃度が高くなりすぎ、プロトン伝導性を構成する固体高分子が不安定となり、特に高温での運転では固体高分子が溶解してしまい性能が低下する。EWが900より大きいと固体高分子の膨潤が小さくなり、細孔率が低い状態でもガス拡散経路が十分に確保されるため、後述する手法で触媒層30の細孔を作製する効果が乏しくなる。 The catalyst layer 30 constituting the cathode 24 is composed of a proton conductor (ion exchange resin), a metal catalyst, and a conductive carrier carrying the metal catalyst. The proton conductor connects the conductive carrier carrying the metal catalyst and the solid polymer electrolyte membrane 20, and has a role of transmitting protons between the two. The proton conductor may be formed from the same polymer material as the solid polymer electrolyte membrane 20. The proton conductor preferably has a dry weight (EW) of from 450 to 900, more preferably from 500 to 800, per equivalent of ion exchange group. If the EW of the proton conductor is less than 450, the ion exchange group concentration becomes too high, and the solid polymer constituting the proton conductivity becomes unstable. To do. If EW is greater than 900, the swelling of the solid polymer is reduced, and a gas diffusion path is sufficiently ensured even in a state where the porosity is low. Therefore, the effect of producing the pores of the catalyst layer 30 by the method described later becomes poor. .
 なお、カソード24では、燃料電池10の運転時に生成水が発生し、この生成水によってプロトン伝導体が膨潤しやすくなる。このため、プロトン伝導体のEWを上記範囲に設定することにより、後述する手法で触媒層30の細孔を作製する効果がより大きくなる。 In the cathode 24, generated water is generated during operation of the fuel cell 10, and the proton conductor easily swells due to the generated water. For this reason, by setting the EW of the proton conductor in the above range, the effect of producing the pores of the catalyst layer 30 by a method described later is further increased.
 触媒層30に用いられる金属触媒として、たとえば白金または白金合金が挙げられる。白金合金に用いられる金属として、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン、イリジウムなどが挙げられる。また金属触媒を担持する導電性担体として、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノオニオンなどが挙げられる。 Examples of the metal catalyst used for the catalyst layer 30 include platinum or a platinum alloy. Examples of the metal used for the platinum alloy include cobalt, nickel, iron, manganese, iridium and the like. Examples of the conductive carrier supporting the metal catalyst include acetylene black, ketjen black, carbon nanotube, and carbon nano-onion.
 カソード24を構成するガス拡散層32は、ガス拡散基材31、およびガス拡散基材31に塗布された微細孔層33を有する。ガス拡散基材31は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえばカーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。なお、生産性を考慮して、ガス拡散層32、ガス拡散層28の基材として共通のカーボンペーパーを用いることが好ましい。 The gas diffusion layer 32 constituting the cathode 24 has a gas diffusion base material 31 and a microporous layer 33 applied to the gas diffusion base material 31. The gas diffusion base material 31 is preferably composed of a porous body having electronic conductivity, and for example, carbon paper, carbon woven fabric or nonwoven fabric can be used. In consideration of productivity, it is preferable to use a common carbon paper as a base material for the gas diffusion layer 32 and the gas diffusion layer 28.
 ガス拡散基材31に塗布された微細孔層33は、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られるペースト状の混練物であり、上述したガス拡散基材27に塗布された微細孔層29と同様である。 The microporous layer 33 applied to the gas diffusion base material 31 is a paste-like kneaded material obtained by kneading the conductive powder and the water repellent, and the micropores applied to the gas diffusion base material 27 described above. Similar to layer 29.
 以上説明したアノード22を構成する触媒層26およびカソード24を構成する触媒層30は、後述するフリーズドライ処理を含む作製方法により形成されており、ArイオンビームやGaイオンビームなどにより切断した断面SEM像によって観察される細孔の面積率が25~50%であり、好ましくは、35~40%である。断面SEM像によって観察される細孔の面積率は、断面SEM像(7000倍、または15μm角)を二値化により細孔部分と細孔以外の部分とを分離した上で、評価面積全体に対する細孔部分の比率を算出することにより得られる。 The catalyst layer 26 that constitutes the anode 22 and the catalyst layer 30 that constitutes the cathode 24 described above are formed by a manufacturing method including freeze-drying processing, which will be described later, and a cross-sectional SEM cut by an Ar ion beam, a Ga ion beam, or the like. The area ratio of the pores observed by the image is 25 to 50%, preferably 35 to 40%. The area ratio of the pores observed by the cross-sectional SEM image is obtained by binarizing the cross-sectional SEM image (7000 times or 15 μm square) to separate the pore portion and the portion other than the pore, and then with respect to the entire evaluation area. It is obtained by calculating the ratio of the pore portion.
(触媒層の作製方法)
 ここで、触媒層(触媒層26および触媒層30)の作製方法について説明する。
(Catalyst layer production method)
Here, a method for producing the catalyst layers (catalyst layer 26 and catalyst layer 30) will be described.
 まず、導電性担体、当該導電性担体に担持された金属触媒および固体高分子材料からなるプロトン伝導体を、低級アルコールおよび水を含む分散液に分散して、水分含有量20~60質量%の触媒スラリーを作製する。低級アルコールとして、炭素数1~4の脂肪族アルコールもしくは多価アルコールが挙げられる。より具体的には、脂肪族アルコールとして、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-ブタノールが挙げられ、多価アルコールとして、エチレングリコール、グリセロールが挙げられる。 First, a conductive carrier, a proton conductor made of a metal catalyst supported on the conductive carrier and a solid polymer material are dispersed in a dispersion containing a lower alcohol and water to have a water content of 20 to 60% by mass. A catalyst slurry is prepared. Examples of the lower alcohol include aliphatic alcohols and polyhydric alcohols having 1 to 4 carbon atoms. More specifically, examples of the aliphatic alcohol include ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, and 2-butanol, and examples of the polyhydric alcohol include ethylene glycol and glycerol.
 低級アルコールは、金属触媒と固体高分子材料で形成されたプロトン伝導体とを均一に分散する効果があり、かつ水よりも低温・低圧で蒸発するため、後述する氷の昇華による細孔形成を邪魔しない。低級アルコールを使用しない場合には、金属触媒と固体高分子材料で形成されたプロトン伝導体が均一に分散せず個々に凝集体を作るため、触媒層内のプロトン伝導経路や燃料電池の反応場である三相界面(触媒、プロトン伝導体、ガスの界面)が十分に形成できず、発電特性が低下する。 Lower alcohol has the effect of uniformly dispersing a metal catalyst and a proton conductor formed of a solid polymer material, and evaporates at a lower temperature and lower pressure than water. Do not disturb. When lower alcohols are not used, the proton conductors formed of the metal catalyst and the solid polymer material are not uniformly dispersed but form aggregates individually, so the proton conduction path in the catalyst layer and the reaction field of the fuel cell The three-phase interface (catalyst, proton conductor, and gas interface) cannot be sufficiently formed, and the power generation characteristics deteriorate.
 次に、得られた触媒スラリーをスクリーン印刷法などの塗布方法を用いてガス拡散層に塗布する。 Next, the obtained catalyst slurry is applied to the gas diffusion layer using a coating method such as a screen printing method.
 続いて、触媒スラリーが塗布されたガス拡散層を液体窒素に約10分間浸す凍結処理を行い、触媒スラリー中の水分を凍結させる。このとき、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金材料、チタン、またはチタン合金材料などで出来た熱伝導性が良好な金属製の平板上にガス拡散層を設置することが好ましい。これによれば、触媒スラリーの温度をより瞬時に低下させ、触媒スラリー中の水分を瞬間的に凍結させることができる。また、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金材料、チタン、またはチタン合金材料は、不動態被膜が形成されているため、触媒スラリー中の水分に対し優れた耐食性を示す。また、これら金属材料は、熱容量も大きいため、低温状態を長時間保ちやすく、後述する氷の昇華工程にも適している。 Subsequently, a freezing treatment is performed in which the gas diffusion layer coated with the catalyst slurry is immersed in liquid nitrogen for about 10 minutes to freeze moisture in the catalyst slurry. At this time, it is preferable to install the gas diffusion layer on a metal flat plate made of stainless steel, aluminum, aluminum alloy material, titanium, titanium alloy material or the like and having good thermal conductivity. According to this, the temperature of the catalyst slurry can be reduced more instantaneously, and the moisture in the catalyst slurry can be instantaneously frozen. Further, since stainless steel, aluminum, aluminum alloy material, titanium, or titanium alloy material is formed with a passive film, it exhibits excellent corrosion resistance against moisture in the catalyst slurry. Moreover, since these metal materials have a large heat capacity, they can easily maintain a low temperature state for a long time, and are also suitable for an ice sublimation process described later.
 続いて、ガス拡散層および凍結した触媒スラリーを真空チャンバーを用いて常温にて約2時間、真空乾燥させる。これにより、触媒スラリー中の氷が昇華し、氷が存在していた空間が細孔または空隙となることで触媒層が形成される。触媒スラリー中の氷を昇華させる際の条件としては、触媒スラリーが凍結している状態の温度および圧力で定められる点から、ガス拡散層および凍結した触媒スラリーを、水の状態図において水の三重点よりも低圧側になるように温度を上昇させることが挙げられる。なお、上記のとおり、ガス拡散層を凍結させたステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金材料、チタン、またはチタン合金材料などで出来た金属製の平板上に設置しておくことにより、長時間低温状態を保ちフリーズドライ処理がしやすくすることができる。 Subsequently, the gas diffusion layer and the frozen catalyst slurry are vacuum-dried at room temperature for about 2 hours using a vacuum chamber. Thereby, the ice in the catalyst slurry is sublimated, and the space where the ice was present becomes pores or voids to form a catalyst layer. The conditions for sublimating the ice in the catalyst slurry are determined by the temperature and pressure of the catalyst slurry in a frozen state, so that the gas diffusion layer and the frozen catalyst slurry are separated from the water in the water phase diagram. For example, the temperature may be increased so that the pressure is lower than the point of importance. As mentioned above, the gas diffusion layer can be kept on a metal flat plate made of frozen stainless steel, aluminum, aluminum alloy material, titanium, titanium alloy material, etc. It is possible to facilitate the freeze-drying process.
 続いて、ガス拡散層および触媒層に80~100℃、10分~3時間の乾燥処理を実施した後、100~190℃、30分~2時間の熱処理を実施する。熱処理温度は、触媒スラリーに用いた固体高分子材料のガラス転移温度よりも高く、分解温度よりも低いことが望ましい。 Subsequently, the gas diffusion layer and the catalyst layer are dried at 80 to 100 ° C. for 10 minutes to 3 hours, and then heat treated at 100 to 190 ° C. for 30 minutes to 2 hours. The heat treatment temperature is preferably higher than the glass transition temperature of the solid polymer material used for the catalyst slurry and lower than the decomposition temperature.
 以上の工程により、細孔の面積率が25~50%の触媒層を形成することができる。 Through the above steps, a catalyst layer having a pore area ratio of 25 to 50% can be formed.
 以上説明した燃料電池10では、触媒層をフリーズドライ処理を含む作製方法により形成し、ArイオンビームやGaイオンビームなどにより切断した試料の断面SEM像によって観察される細孔の面積率が25~50%とすることにより、通常の製法に比べて、触媒層を多孔質かつ均一な細孔を有する構造とすることができる。この結果、触媒層内のガス拡散性を増大させ、プロトン伝導体としてより高濃度の固体高分子を触媒層に用いることができ、ひいては、燃料電池10の出力電圧を上昇させることができる。また、触媒層中の細孔のサイズが均一であるため、触媒担体としてカーボンを用いた場合に、カーボンが腐食したときに細孔が破壊されにくい構造になり、劣化時の触媒層構造の破壊によるガス拡散性低下(電圧低下)を大幅に抑制することができる。 In the fuel cell 10 described above, the catalyst layer is formed by a manufacturing method including freeze-drying, and the pore area ratio observed by a cross-sectional SEM image of a sample cut by an Ar ion beam, a Ga ion beam, or the like is 25 to 25%. By setting it to 50%, the catalyst layer can be made to have a porous and uniform pore structure as compared with a normal production method. As a result, the gas diffusibility in the catalyst layer can be increased, and a higher concentration solid polymer can be used for the catalyst layer as a proton conductor, and as a result, the output voltage of the fuel cell 10 can be increased. In addition, since the pore size in the catalyst layer is uniform, when carbon is used as the catalyst carrier, the pores are not easily destroyed when the carbon corrodes, and the catalyst layer structure is destroyed when it deteriorates. It is possible to greatly suppress the gas diffusivity decrease (voltage decrease) due to the above.
(実施例)
 <カソードガス拡散層の作製>
 カソードガス拡散層の基材となるカーボンペーパ(東レ社製:TGPH060H)を用意し、重量比でカーボンペーパ:FEP(テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体)=95:5となるように、当該カーボンペーパをFEP分散液に浸漬した後、60℃1時間の乾燥後、380℃15分間の熱処理(FEP撥水処理)を行う。これにより、カーボンペーパがほぼ均一に撥水処理される。
(Example)
<Preparation of cathode gas diffusion layer>
Carbon paper (Toray Industries, Inc .: TGPH060H) serving as a base material for the cathode gas diffusion layer was prepared, and the weight ratio of carbon paper: FEP (tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer) = 95: 5. The carbon paper is immersed in the FEP dispersion, dried at 60 ° C. for 1 hour, and then subjected to heat treatment (FEP water repellent treatment) at 380 ° C. for 15 minutes. Thereby, the carbon paper is subjected to water repellent treatment almost uniformly.
 バルカンXC-72(CABOT社製:Vulcan XC72R)と溶媒としてテルピネオール(キシダ化学社製)と非イオン性界面活性剤のトリトン(キシダ化学社製)とを、重量比がバルカンXC-72:テルピネオール:トリトン=20:150:3となるように、万能混合機(DALTON社製)にて常温で60分間、均一になるように混合し、カーボンペーストAを作製する。また、ケッチェンブラックEC300J(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製)と溶媒としてテルピネオール(キシダ化学社製)と非イオン性界面活性剤のトリトン(キシダ化学社製)とを、重量比がケッチェンブラックEC300:テルピネオール:トリトン=20:150:3となるように、万能混合機(DALTON社製)にて常温で60分間、均一になるように混合し、カーボンペーストBを作製する。 Vulcan XC-72 (manufactured by CABOT: Vulcan XC72R) and terpineol (manufactured by Kishida Chemical Co.) as a solvent and triton (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) as a solvent, the weight ratio of Vulcan XC-72: terpineol: Carbon paste A is prepared by mixing uniformly at room temperature for 60 minutes using a universal mixer (manufactured by DALTON) so that Triton = 20: 150: 3. Ketjen Black EC300J (manufactured by Ketjen Black International) and terpineol (manufactured by Kishida Chemical Co.) as a solvent and Triton (manufactured by Kishida Chemical Co.) as a solvent have a weight ratio of Ketjen Black EC300. : Terpineol: Triton = 20: 150: 3 In a universal mixer (manufactured by DALTON), the mixture is mixed uniformly at room temperature for 60 minutes to prepare carbon paste B.
 低分子フッ素樹脂(ダイキン社製:ルブロンLDW40E)と高分子フッ素樹脂(デュポン社製:PTFE30J)とを、分散液中に含まれるフッ素樹脂の重量比が低分子フッ素樹脂:高分子フッ素樹脂=20:3となるように混合し、カソード用混合フッ素樹脂を作製する。ハイブリッドミキサ用容器に上記カーボンペーストAを投入し、カーボンペーストAが10~12℃になるまで冷却する。冷却したカーボンペーストAに上記カソード用混合フッ素樹脂を、重量比がカーボンペースト:カソード用混合フッ素樹脂(分散液中に含まれるフッ素樹脂成分)=31:1となるように投入し、ハイブリッドミキサ(キーエンス社製:EC500)の混合モードにて12~18分間混合する。混合停止のタイミングはペーストの温度が50~55℃となるまでとし、混合時間を適宜調整する。ペーストの温度が50~55℃に達した後、ハイブリッドミキサを混合モードから脱泡モードへ切換え、1~3分間脱泡を行う。脱泡を終えたペーストを自然冷却してカソード用ガス拡散層ペーストAを作製する。また、この手順と同様に、上述したカーボンペーストBを用いてカソード用ガス拡散層ペーストBを作製する。 The weight ratio of the low molecular fluorine resin (made by Daikin: Lubron LDW40E) and the high molecular fluorine resin (made by DuPont: PTFE30J) to the fluorine resin contained in the dispersion is low molecular fluorine resin: high molecular fluorine resin = 20. : Mix to make 3 to produce a mixed fluororesin for cathode. The carbon paste A is put into a hybrid mixer container and cooled until the carbon paste A reaches 10 to 12 ° C. The above-mentioned mixed fluororesin for cathode is added to the cooled carbon paste A so that the weight ratio is carbon paste: mixed fluororesin for cathode (fluorine resin component contained in the dispersion) = 31: 1. Mix for 12 to 18 minutes in a mixing mode of EC500 manufactured by Keyence Corporation. The timing of stopping the mixing is until the paste temperature reaches 50 to 55 ° C., and the mixing time is appropriately adjusted. After the paste temperature reaches 50 to 55 ° C., the hybrid mixer is switched from the mixing mode to the defoaming mode and defoamed for 1 to 3 minutes. The paste after defoaming is naturally cooled to produce cathode gas diffusion layer paste A. Similarly to this procedure, the cathode gas diffusion layer paste B is prepared using the carbon paste B described above.
 常温まで冷却したカソード用ガス拡散層ペーストBをFEP撥水処理を施した上記カーボンペーパの表面にカーボンペーパ面内の塗布状態が均一になるように塗布した後、カソード用ガス拡散層ペーストAをカソード用ガス拡散層ペーストBの上に塗布状態が均一になるように塗布し、熱風乾燥機(サーマル社製)にて60℃60分間乾燥する。最後に、360℃2時間熱処理を行い、カソードガス拡散層を完成させる。 After the cathode gas diffusion layer paste B cooled to room temperature is applied to the surface of the carbon paper subjected to FEP water repellent treatment so that the application state in the carbon paper surface is uniform, the cathode gas diffusion layer paste A is applied. It applies | coats so that an application | coating state may become uniform on the gas diffusion layer paste B for cathodes, and it dries at 60 degreeC for 60 minute (s) with a hot air dryer (made by a thermal company). Finally, heat treatment is performed at 360 ° C. for 2 hours to complete the cathode gas diffusion layer.
 <カソード用触媒スラリーの作製>
 カソード触媒として、白金コバルト担持カーボン(Pt:Co=3:1(元素比),TEC36F52,田中貴金属工業株式会社)を用い、プロトン伝導体として、10wt%のアイオノマー溶液SS500(旭化成イーマテリアルズ製、以下「SS500溶液」という)を用いた。白金担持カーボン5gに対し、10mLの超純水を添加し撹拌した後に、15mLエタノールを添加した。この触媒分散溶液について、超音波スターラーを用いて1時間超音波撹拌分散を行った。所定のSS500溶液を等量の超純水で希釈を行い、ガラス棒で3分間撹拌した。この後、超音波洗浄器を用いて1時間超音波分散を行い、SS500水溶液を得た。その後、SS500水溶液をゆっくりと触媒分散液中に滴下した。滴下中は、超音波スターラーを用いて連続的に撹拌を行った。SS500水溶液滴下終了後、1-プロパノールと1-ブタノールの混合溶液10g(重量比1:1)の滴下を行い、得られた溶液をカソード用触媒スラリーとした。混合中は、水温が約60℃になるように調整し、エタノールを蒸発、除去した。
<Preparation of cathode catalyst slurry>
As a cathode catalyst, platinum cobalt-supported carbon (Pt: Co = 3: 1 (element ratio), TEC36F52, Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) was used, and as a proton conductor, a 10 wt% ionomer solution SS500 (manufactured by Asahi Kasei E-materials, (Hereinafter referred to as “SS500 solution”). To 5 g of platinum-supporting carbon, 10 mL of ultrapure water was added and stirred, and then 15 mL of ethanol was added. The catalyst dispersion solution was subjected to ultrasonic stirring and dispersion for 1 hour using an ultrasonic stirrer. A predetermined SS500 solution was diluted with an equal amount of ultrapure water and stirred with a glass rod for 3 minutes. Thereafter, ultrasonic dispersion was performed for 1 hour using an ultrasonic cleaner to obtain an SS500 aqueous solution. Thereafter, the SS500 aqueous solution was slowly dropped into the catalyst dispersion. During the dropping, stirring was continuously performed using an ultrasonic stirrer. After completion of the dropwise addition of the SS500 aqueous solution, 10 g (1: 1 by weight) of a mixed solution of 1-propanol and 1-butanol was dropped, and the resulting solution was used as a catalyst slurry for the cathode. During mixing, the water temperature was adjusted to about 60 ° C., and ethanol was evaporated and removed.
 <カソードの作製>
 上記の方法で作製したカソード用触媒スラリーをスクリーン印刷(150メッシュ)によって、カソードガス拡散層に塗布した。カソード用触媒スラリーが塗布されたカソードガス拡散層をステンレス鋼板の上に設置し、ステンレス鋼板ごと液体窒素に10分間浸して凍結処理を行った。続いて、カソード用触媒スラリーが塗布されたカソードガス拡散層をステンレス鋼板ごと真空チャンバー(真空定温乾燥機DRR420DA、アドバンテック東洋製)を用いて常温にて約2時間、真空乾燥させ、カソード用触媒スラリー中の氷を昇華させた。続いて、カソード用触媒スラリーが塗布されたカソードガス拡散層に80℃、1時間の乾燥処理を実施した後、180℃、30分間の熱処理を実施した。
<Production of cathode>
The cathode catalyst slurry prepared by the above method was applied to the cathode gas diffusion layer by screen printing (150 mesh). The cathode gas diffusion layer coated with the catalyst slurry for cathode was placed on a stainless steel plate, and the stainless steel plate was immersed in liquid nitrogen for 10 minutes for freezing treatment. Subsequently, the cathode gas diffusion layer coated with the catalyst slurry for cathode is vacuum-dried for about 2 hours at room temperature using a vacuum chamber (vacuum constant temperature dryer DRR420DA, manufactured by Advantech Toyo Co., Ltd.) together with the stainless steel plate, and the cathode catalyst slurry The ice inside was sublimated. Subsequently, the cathode gas diffusion layer coated with the cathode catalyst slurry was dried at 80 ° C. for 1 hour, and then heat treated at 180 ° C. for 30 minutes.
 <アノードガス拡散層の作製>
 アノードガス拡散層の基材となるカーボンペーパ(東レ社製:TGPH060H)を用意し、質量比でカーボンペーパ:FEP(テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体)=60:40とすることを除いて、カソードガス拡散層と同様に、撥水処理を施す。
<Preparation of anode gas diffusion layer>
Carbon paper (Toray Industries, Inc .: TGPH060H) serving as a base material for the anode gas diffusion layer was prepared, except that the carbon paper: FEP (tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer) = 60: 40 in mass ratio. In the same manner as the cathode gas diffusion layer, the water repellent treatment is performed.
 バルカンXC-72(CABOT社製:Vulcan XC72R)と溶媒としてテルピネオール(キシダ化学社製)と非イオン性界面活性剤のトリトン(キシダ化学社製)とを、重量比がバルカンXC-72:テルピネオール:トリトン=20:150:3となるように、万能混合機(DALTON社製)にて常温で60分間、均一になるように混合し、カーボンペーストを作製する。 Vulcan XC-72 (manufactured by CABOT: Vulcan XC72R) and terpineol (manufactured by Kishida Chemical Co.) as a solvent and triton (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) as a solvent, the weight ratio of Vulcan XC-72: terpineol: A carbon paste is prepared by mixing uniformly at room temperature for 60 minutes using a universal mixer (manufactured by DALTON) so that Triton = 20: 150: 3.
 ハイブリッドミキサ用容器に上記カーボンペーストと上記低分子フッ素樹脂とを、重量比がカーボンペースト:低分子フッ素樹脂(以下、アノード用フッ素樹脂とする)(分散液中に含まれるフッ素樹脂成分)=26:3となるように投入し、ハイブリッドミキサの混合モードにて15分間混合する。混合した後、ハイブリッドミキサを混合モードから脱泡モードへ切換え、4分間脱泡を行う。脱泡を終えたペーストの上部に上澄み液が溜まった場合はこの上澄み液を廃棄し、ペーストを自然冷却してアノード用ガス拡散層ペーストを完成させる。 The carbon paste and the low molecular fluororesin are mixed in a hybrid mixer container with a weight ratio of carbon paste: low molecular fluororesin (hereinafter referred to as anode fluororesin) (fluororesin component contained in the dispersion) = 26. : Add to 3 and mix for 15 minutes in the mixing mode of the hybrid mixer. After mixing, the hybrid mixer is switched from the mixing mode to the defoaming mode and defoamed for 4 minutes. When the supernatant liquid accumulates on the upper part of the paste after defoaming, the supernatant liquid is discarded, and the paste is naturally cooled to complete the anode gas diffusion layer paste.
 常温まで冷却したアノード用ガス拡散層ペーストをFEP撥水処理を施した上記カーボンペーパの表面にカーボンペーパ面内の塗布状態が均一になるように塗布し、熱風乾燥機(サーマル社製)にて60℃60分間乾燥する。最後に、360℃2時間熱処理を行い、アノードガス拡散層を完成させる。 The anode gas diffusion layer paste cooled to room temperature was applied to the surface of the carbon paper subjected to FEP water repellency treatment so that the coating state in the carbon paper surface was uniform, and using a hot air dryer (manufactured by Thermal) Dry at 60 ° C. for 60 minutes. Finally, heat treatment is performed at 360 ° C. for 2 hours to complete the anode gas diffusion layer.
 <アノード用触媒スラリーの作製>
 アノード用触媒スラリーの作製方法は、触媒として白金ルテニウム担持カーボン(Pt:Ru=2:3(元素比),TEC61E54,田中貴金属工業株式会社)を使用する点を除き、カソード用触媒スラリーの作製方法と同様である。
<Preparation of catalyst slurry for anode>
The catalyst slurry for anode is prepared by using platinum ruthenium-supported carbon (Pt: Ru = 2: 3 (element ratio), TEC61E54, Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) as a catalyst. It is the same.
 <アノードの作製>
 上記の方法で作製したカソード用触媒スラリーをスクリーン印刷(150メッシュ)によって、アノードガス拡散層に塗布し、カソードの作製方法と同様な条件で、凍結処理および真空処理を行った後、感想処理および熱処理を行った。
<Production of anode>
The cathode catalyst slurry prepared by the above method was applied to the anode gas diffusion layer by screen printing (150 mesh), subjected to freezing treatment and vacuum treatment under the same conditions as the cathode preparation method, impression treatment and Heat treatment was performed.
 <膜電極接合体の作製>
 上記の方法で作製したアノードとカソードとの間に30μm膜厚の固体高分子電解質膜を狭持した状態でホットプレスを行う。固体高分子電解質膜としてAciplex(登録商標)(SF7202、旭化成イーマテリアルズ製)を用いた。170℃、200秒の接合条件でアノード、固体高分子電解質膜、およびカソードをホットプレスすることによって実施例の膜電極接合体を作製した。
<Preparation of membrane electrode assembly>
Hot pressing is performed in a state where a solid polymer electrolyte membrane having a thickness of 30 μm is sandwiched between the anode and the cathode produced by the above method. Aciplex (registered trademark) (SF7202, manufactured by Asahi Kasei E-Materials) was used as the solid polymer electrolyte membrane. The membrane electrode assembly of the example was manufactured by hot pressing the anode, the solid polymer electrolyte membrane, and the cathode under the bonding conditions of 170 ° C. and 200 seconds.
 実施例のカソード触媒層について、イオンミリング(Arイオンビーム、E-3500、日立ハイテク製)を用いて断面切削を行い、断面SEM像(7000倍、図3参照)を撮像した。得られた断面SEM像を画像処理・画像計測・データ処理ソフトWinROOF(三谷商事株式会社製)により二値化し、細孔部分が占める面積比を算出したところ15μm四方の平均細孔率が35%(31~39%)であった。また、触媒層スラリー中の水分を20wt%~60wt%に変化させることで、平均細孔率を変化させることができる。水分量の増加とともに平均細孔率が増加し、20wt%~60wt%で細孔率は25%~50%の間で任意に変化させることができる。水分量が20wt%未満になった場合、氷の生成が少なく、十分な細孔ができない。また、60wt%よりも多くになった場合には、相対的に低級アルコールの量が減少するため、触媒スラリーの凝集が起こり性能を低下させる。 The cathode catalyst layer of the example was subjected to cross-section cutting using ion milling (Ar ion beam, E-3500, manufactured by Hitachi High-Tech), and a cross-sectional SEM image (7000 times, see FIG. 3) was taken. The obtained cross-sectional SEM image was binarized by image processing / image measurement / data processing software WinROOF (manufactured by Mitani Shoji Co., Ltd.), and the area ratio occupied by the pores was calculated. (31-39%). In addition, the average porosity can be changed by changing the moisture in the catalyst layer slurry to 20 wt% to 60 wt%. As the moisture content increases, the average porosity increases, and the porosity can be arbitrarily changed between 25% and 50% at 20 wt% to 60 wt%. When the water content is less than 20 wt%, there is little ice formation and sufficient pores cannot be formed. Moreover, when it becomes more than 60 wt%, since the amount of lower alcohol is relatively reduced, the catalyst slurry is agglomerated and the performance is lowered.
 なお、触媒層の断面切削には、クロスセクションポリッシャ(登録商標)(ArイオンビームIB-09010CP、日本電子製)や集束イオンビーム加工観察装置(Gaイオンビーム、FB2200、日立ハイテク製)、(Gaイオンビーム、JIB-4000、日本電子製)などが利用できる。 Cross section polisher (registered trademark) (Ar ion beam IB-09010CP, manufactured by JEOL Ltd.), focused ion beam processing observation device (Ga ion beam, FB2200, manufactured by Hitachi High-Tech), (Ga An ion beam, JIB-4000, manufactured by JEOL Ltd.) can be used.
(比較例)
 比較例の膜電極接合体は、カソードおよびアノードの作製の際に、触媒スラリーをガス拡散層に塗布した後、80℃、3時間の乾燥および180℃、45分の熱処理を行ったことを除いて、実施例の膜電極接合体と同様に作製した。
(Comparative example)
The membrane electrode assembly of the comparative example except that the catalyst slurry was applied to the gas diffusion layer, followed by drying at 80 ° C. for 3 hours and heat treatment at 180 ° C. for 45 minutes in the production of the cathode and anode. Then, it was produced in the same manner as the membrane electrode assembly of the example.
 比較例のカソード触媒層について、イオンミリング(Arイオンビーム、E-3500、日立ハイテク製)を用いて断面切削を行い、断面SEM像(7000倍、図4参照)を撮像した。得られた断面SEM像を画像処理・画像計測・データ処理ソフトWinROOF(登録商標)により二値化し、細孔部分が占める面積比を算出したところ15μm四方の平均細孔率が5%(1~9%)であった。 For the cathode catalyst layer of the comparative example, cross-section cutting was performed using ion milling (Ar ion beam, E-3500, manufactured by Hitachi High-Tech), and a cross-sectional SEM image (7000 times, see FIG. 4) was taken. The obtained cross-sectional SEM image was binarized by image processing / image measurement / data processing software WinROOF (registered trademark), and the area ratio occupied by the pore portion was calculated. As a result, the average pore ratio of 15 μm square was 5% (1 to 1). 9%).
 実施例および比較例の膜電極接合体について、P/C(プロトン伝導体の質量(P)と担体として用いられるカーボンの質量(C)の比)を変えたものを用意し、出力電圧のP/C依存性を調べた。図5は、実施例および比較例の各膜電極接合体の出力電圧とP/Cとの関係を示す。図5に示すように、比較例の膜電極接合体では、P/Cが0.65付近のときに出力電圧がピークとなり、P/C=0.65付近がイオン伝導性の最適値となる。これに対して、実施例の膜電極接合体では、P/Cが1付近のときに出力電圧がピークとなり、P/C=1付近がイオン伝導性の最適値となる。すなわち、実施例の膜電極接合体では、プロトン伝導体としてより高濃度の固体高分子を触媒層に用いることができる。また、実施例の膜電極接合体を用いた場合のピーク電圧が比較例の膜電極接合体のピーク電圧に比べて大幅に増加することが確認された。 About the membrane electrode assembly of an Example and a comparative example, what changed P / C (ratio of the mass (P) of proton conductor and the mass (C) of carbon used as a support | carrier) was prepared, and P of output voltage was prepared. The / C dependency was examined. FIG. 5 shows the relationship between the output voltage and P / C of each membrane electrode assembly of the example and the comparative example. As shown in FIG. 5, in the membrane electrode assembly of the comparative example, the output voltage peaks when P / C is around 0.65, and the optimum value of ion conductivity is around P / C = 0.65. . On the other hand, in the membrane electrode assembly of the example, the output voltage peaks when P / C is around 1, and the optimum value of ion conductivity is around P / C = 1. That is, in the membrane electrode assembly of the example, a higher concentration solid polymer can be used for the catalyst layer as the proton conductor. In addition, it was confirmed that the peak voltage when the membrane electrode assembly of the example was used was significantly increased as compared with the peak voltage of the membrane electrode assembly of the comparative example.
 本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art. The form can also be included in the scope of the present invention.
 例えば、上述の実施の形態では、アノード、カソードともにフリーズドライ処理が施された触媒層が用いられているが、アノード、カソードのいずれか一方にフリーズドライ処理を施した触媒層を用いてもよい。特に、プロトン伝導体のEWを450以上900以下とした上で、触媒層にフリーズドライ処理を施すことによって、ガス拡散性を高める効果はカソードにおいて顕著であるため、カソードの触媒層のみにEWが450以上900以下のプロトン伝導体を用い、かつ、当該触媒層にフリーズドライ処理を施してもよい。 For example, in the above-described embodiment, a catalyst layer that has been freeze-dried on both the anode and the cathode is used, but a catalyst layer that has been freeze-dried on either the anode or the cathode may be used. . In particular, the effect of increasing the gas diffusibility by applying freeze-drying treatment to the catalyst layer after setting the EW of the proton conductor to 450 to 900 is significant in the cathode. A proton conductor of 450 to 900 may be used, and the catalyst layer may be freeze-dried.
10 燃料電池、20 固体高分子電解質膜、22 アノード、24 カソード、26 触媒層、28 ガス拡散層、29 微細孔層、30 触媒層、32 ガス拡散層、33 微細孔層、34 セパレータ、36 セパレータ、38 ガス流路、40 ガス流路 10 fuel cell, 20 solid polymer electrolyte membrane, 22 anode, 24 cathode, 26 catalyst layer, 28 gas diffusion layer, 29 microporous layer, 30 catalyst layer, 32 gas diffusion layer, 33 microporous layer, 34 separator, 36 separator 38 gas flow path, 40 gas flow path
 本発明は、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池に利用できる。 The present invention can be used for a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.

Claims (16)

  1.  導電性を有する担体、前記担体に担持された金属触媒および固体高分子材料からなるプロトン伝導体を、低級アルコールおよび水を含む分散液に分散して、水分含有量20~60質量%の触媒スラリーを作製する工程と、
     触媒スラリー中の水分を凍結させる工程と、
     前記触媒スラリー中の氷を昇華させる工程と、
     を備える燃料電池用触媒層の製造方法。
    A catalyst slurry having a water content of 20 to 60 mass% by dispersing a proton carrier made of a carrier having conductivity, a metal catalyst supported on the carrier and a solid polymer material in a dispersion containing a lower alcohol and water. A step of producing
    Freezing the water in the catalyst slurry;
    Sublimating ice in the catalyst slurry;
    The manufacturing method of the catalyst layer for fuel cells provided with.
  2.  前記低級アルコールは、炭素数1~4の脂肪族アルコールもしくは多価アルコールである請求項1に記載の燃料電池用触媒層の製造方法。 The method for producing a fuel cell catalyst layer according to claim 1, wherein the lower alcohol is an aliphatic alcohol or a polyhydric alcohol having 1 to 4 carbon atoms.
  3.  前記低級アルコールは、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、エチレングリコールおよびグリセロールからなる群より選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池用触媒層の製造方法。 The fuel according to claim 2, wherein the lower alcohol is at least one selected from the group consisting of ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, ethylene glycol, and glycerol. A method for producing a battery catalyst layer.
  4.  断面SEM像によって観察される細孔の面積率が25~50%である請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒層の製造方法。 The method for producing a fuel cell catalyst layer according to any one of claims 1 to 3, wherein the area ratio of the pores observed by the cross-sectional SEM image is 25 to 50%.
  5.  前記プロトン伝導体のEWが、450以上900以下である請求項1乃至4のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒層の製造方法。 The method for producing a fuel cell catalyst layer according to any one of claims 1 to 4, wherein the proton conductor has an EW of 450 or more and 900 or less.
  6.  前記水分を凍結させる前に、前記触媒スラリーをガス拡散層に塗布する工程を備える請求項1乃至5のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒層の製造方法。 The method for producing a fuel cell catalyst layer according to any one of claims 1 to 5, further comprising a step of applying the catalyst slurry to a gas diffusion layer before freezing the moisture.
  7.  前記触媒スラリー中の水分を凍結させる工程は、前記ガス拡散層を高熱伝導率かつ高耐食性の材料からなる部材の上に設置して行うことを特徴とする請求項6に記載の燃料電池用触媒層の製造方法。 7. The fuel cell catalyst according to claim 6, wherein the step of freezing water in the catalyst slurry is performed by installing the gas diffusion layer on a member made of a material having high thermal conductivity and high corrosion resistance. Layer manufacturing method.
  8.  前記高熱伝導率かつ高耐食性の材料は、ステンレス板鋼、アルミニウム、アルミニウム合金材料、チタンおよびチタン合金材料からなる群から選択される少なくとも1つの材料である請求項7に記載の燃料電池用触媒層の製造方法。 The catalyst layer for a fuel cell according to claim 7, wherein the material having high thermal conductivity and high corrosion resistance is at least one material selected from the group consisting of stainless steel plate, aluminum, aluminum alloy material, titanium, and titanium alloy material. Manufacturing method.
  9.  前記触媒スラリー中の氷を昇華させる工程は、前記ガス拡散層を高熱容量の材料からなる部材の上に設置して行うことを特徴とする請求項6に記載の燃料電池用触媒層の製造方法。 The method for producing a catalyst layer for a fuel cell according to claim 6, wherein the step of sublimating ice in the catalyst slurry is performed by installing the gas diffusion layer on a member made of a material having a high heat capacity. .
  10.  前記高熱容量の材料は、ステンレス板鋼、アルミニウムおよびアルミニウム合金材料、チタンおよびチタン合金材料である請求項9に記載の燃料電池用触媒層の製造方法。 10. The method for producing a fuel cell catalyst layer according to claim 9, wherein the high heat capacity material is stainless steel plate, aluminum and aluminum alloy material, titanium and titanium alloy material.
  11. 前記触媒スラリー中の氷を昇華させる工程は、水の三重点よりも低圧側で温度を上昇させることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒層の製造方法。 11. The production of a fuel cell catalyst layer according to claim 1, wherein the step of sublimating ice in the catalyst slurry raises the temperature at a lower pressure side than the triple point of water. Method.
  12.  前記触媒スラリー中の氷を昇華させる工程は、真空チャンバーを用いて行われることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒層の製造方法。 The method for producing a fuel cell catalyst layer according to any one of claims 1 to 11, wherein the step of sublimating ice in the catalyst slurry is performed using a vacuum chamber.
  13.  前記触媒スラリー中の氷を昇華させることで形成された触媒層を、前記固体高分子材料のガラス転移温度よりも高く、該固体高分子材料の分解温度よりも低い温度で熱処理する工程を更に備えることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒層の製造方法。 The method further includes a step of heat-treating the catalyst layer formed by sublimating ice in the catalyst slurry at a temperature higher than the glass transition temperature of the solid polymer material and lower than the decomposition temperature of the solid polymer material. The method for producing a fuel cell catalyst layer according to any one of claims 1 to 12, wherein:
  14.  導電性を有する担体と、
     前記担体に担持された金属触媒と、
     固体高分子材料からなるプロトン伝導体とを備え、
     断面SEM像によって観察される細孔の面積率が25~50%である燃料電池用触媒層。
    A conductive carrier;
    A metal catalyst supported on the carrier;
    A proton conductor made of a solid polymer material,
    A fuel cell catalyst layer having an area ratio of pores of 25 to 50% as observed by a cross-sectional SEM image.
  15.  前記プロトン伝導体のEWが、450以上900以下である請求項14に記載の燃料電池用触媒層。 15. The fuel cell catalyst layer according to claim 14, wherein the proton conductor has an EW of 450 or more and 900 or less.
  16.  電解質と、
     前記電解質の一方の側に設けられたカソードと、
     前記電解質の他方の側に設けられたアノードと、
     を備え、
     前記カソードのみに請求項15に記載の燃料電池用触媒層が用いられている燃料電池。
    Electrolyte,
    A cathode provided on one side of the electrolyte;
    An anode provided on the other side of the electrolyte;
    With
    A fuel cell in which the fuel cell catalyst layer according to claim 15 is used only for the cathode.
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