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JP2007200762A - Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell and method for producing the same - Google Patents

Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell and method for producing the same Download PDF

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JP2007200762A
JP2007200762A JP2006019180A JP2006019180A JP2007200762A JP 2007200762 A JP2007200762 A JP 2007200762A JP 2006019180 A JP2006019180 A JP 2006019180A JP 2006019180 A JP2006019180 A JP 2006019180A JP 2007200762 A JP2007200762 A JP 2007200762A
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catalyst
catalyst layer
electrode
fibrous carbon
membrane
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JP2006019180A
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Japanese (ja)
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Shinji Terasono
真二 寺園
Toshihiro Tanuma
敏弘 田沼
Kota Yamada
耕太 山田
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AGC Inc
Original Assignee
Asahi Glass Co Ltd
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Abstract

【課題】広範囲な電流密度において、高い初期電圧を有し、かつ高い電圧を長期間維持できる固体高分子形燃料電池用膜電極接合体、および該膜電極接合体を容易に製造できる方法を提供する。
【解決手段】触媒層11の少なくとも一方が、電極触媒、繊維状炭素およびイオン交換樹脂を含み、電極触媒が、[002]面の平均格子面間隔d002 が0.350〜0.390nmであり、かつ比表面積が250〜1500m2 /gであるカーボン担体に、白金または白金合金が担持された電極触媒であり、繊維状炭素が、繊維径が1〜500nmであり、繊維長が100μm以下であり、かつ金属が担持されていない繊維状炭素であり、電極触媒と繊維状炭素との比率(電極触媒/繊維状炭素)が、7/3〜1/9(質量比)である、膜電極接合体10。
【選択図】図1
A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell that has a high initial voltage and can maintain a high voltage for a long period of time in a wide range of current densities, and a method for easily manufacturing the membrane electrode assembly. To do.
A least one of the catalyst layer 11 includes an electrode catalyst, fibrous carbon and ion exchange resin, the electrode catalyst has an average lattice spacing d 002 of [002] face be 0.350~0.390nm And an electrode catalyst in which platinum or a platinum alloy is supported on a carbon support having a specific surface area of 250 to 1500 m 2 / g, and fibrous carbon has a fiber diameter of 1 to 500 nm and a fiber length of 100 μm or less. Membrane electrode which is fibrous carbon which is present and has no metal supported, and the ratio of electrode catalyst to fibrous carbon (electrode catalyst / fibrous carbon) is 7/3 to 1/9 (mass ratio) The joined body 10.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池用膜電極接合体およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell and a method for producing the same.

水素および酸素を用いる燃料電池は、電極反応による反応生成物が原理的に水のみであることから、環境への悪影響がほとんどない発電システムとして注目されている。なかでも、プロトン導電性のイオン交換膜を電解質膜として用いた固体高分子形燃料電池は、作動温度が低く、出力密度が高く、かつ小型化が可能なため、車載用電源等として有望視されている。
固体高分子形燃料電池は、作動温度が低い(50〜120℃)という特徴を有するものの、そのために排熱を補機動力等に有効利用しにくいという問題を有する。該問題を補う意味でも、固体高分子形燃料電池には、水素および酸素の利用率が高いこと、すなわち、高いエネルギー効率および高い出力密度が要求されている。
A fuel cell using hydrogen and oxygen has attracted attention as a power generation system that hardly has an adverse effect on the environment because the reaction product of an electrode reaction is only water in principle. In particular, polymer electrolyte fuel cells using proton-conductive ion exchange membranes as electrolyte membranes are promising as in-vehicle power supplies because of their low operating temperature, high output density, and miniaturization. ing.
Although the polymer electrolyte fuel cell has a feature that the operating temperature is low (50 to 120 ° C.), it has a problem that it is difficult to effectively use the exhaust heat for auxiliary power. In order to compensate for this problem, the polymer electrolyte fuel cell is required to have high utilization rates of hydrogen and oxygen, that is, high energy efficiency and high power density.

該要求に応えるため、固体高分子形燃料電池の触媒層に含ませる電極触媒として、比表面積の大きな担体カーボン上に、白金、白金合金等の触媒金属微粒子を高分散に担持した電極触媒が用いられている。該電極触媒を用いることにより、電極における反応面積が拡大し、高出力化が可能となる。
しかし、該電極触媒を用いた固体高分子形燃料電池は、以下の理由から、長期間作動させるとしだいに電圧が低下するという問題を有する。
In order to meet this requirement, an electrode catalyst in which catalyst metal fine particles such as platinum and platinum alloys are supported in a highly dispersed manner on a carrier carbon having a large specific surface area is used as an electrode catalyst to be included in the catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell. It has been. By using the electrode catalyst, the reaction area at the electrode is expanded and high output can be achieved.
However, the polymer electrolyte fuel cell using the electrode catalyst has a problem that the voltage decreases as it is operated for a long period of time for the following reason.

すなわち、自動車用、家庭用、コージェネ用等の燃料電池の作動においては、通常の発電下におけるカソードの電位は、0.6V以上である。また、燃料電池の起動停止時においては、アノード側に微量の空気が混入し、その結果、カソードの電位が1.2V以上になる。そして、カソードの電位が0.6V以上の状態においては、下式に示す酸化反応が起きるため、担体カーボンが酸化腐食してしまう。
C+H2O→CO+2H++2e-:0.52V、
C+2H2O→CO2+4H++4e-:0.21V。
That is, in the operation of fuel cells for automobiles, households, cogeneration, etc., the cathode potential under normal power generation is 0.6 V or more. Further, when the fuel cell is started and stopped, a small amount of air is mixed into the anode side, and as a result, the cathode potential becomes 1.2 V or more. When the cathode potential is 0.6 V or higher, the oxidation reaction shown in the following formula occurs, and the carrier carbon is oxidatively corroded.
C + H 2 O → CO + 2H + + 2e : 0.52 V,
C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e : 0.21V.

一方、アノードにおいては、水素の供給が不充分となった場合、所定の電流密度を維持するため、水素の酸化反応の代わりに、水の電気分解反応やカーボン担体の酸化反応が起こる可能性がある。
以上のように、カーボン担体の酸化反応が進行し、カーボン担体が酸化腐食(ガス化)してしまうと、担持されていた触媒金属微粒子が、触媒層のイオン交換樹脂中に遊離、凝集してしまい、触媒層の発電特性が低下する。その結果、固体高分子形燃料電池の電圧が低下する。該問題は、高い電流密度を維持しようとするときに顕著になる。
On the other hand, in the anode, when the supply of hydrogen is insufficient, a predetermined current density is maintained, so that an electrolysis reaction of water and an oxidation reaction of the carbon support may occur instead of the oxidation reaction of hydrogen. is there.
As described above, when the oxidation reaction of the carbon carrier proceeds and the carbon carrier undergoes oxidative corrosion (gasification), the supported catalyst metal fine particles are released and aggregated in the ion exchange resin of the catalyst layer. As a result, the power generation characteristics of the catalyst layer deteriorate. As a result, the voltage of the polymer electrolyte fuel cell is lowered. The problem becomes significant when trying to maintain a high current density.

カーボン担体の酸化が抑制された電極触媒としては、以下の電極触媒が提案されている。
(1)2000℃以上の高温で処理することによってカーボンのグラファイト化度が高められ、耐酸化性が向上したカーボン担体を用いた電極触媒。
(2)グラファイト化度を高めたカーボン担体を用いた電極触媒に造孔剤を混合した電極触媒(特許文献1)。
(3)触媒の利用率の異なる電極触媒を混合し、その犠牲的腐食効果を利用した電極触媒(特許文献2)。
The following electrode catalysts have been proposed as electrode catalysts in which the oxidation of the carbon support is suppressed.
(1) An electrode catalyst using a carbon support in which the degree of graphitization of carbon is increased by treatment at a high temperature of 2000 ° C. or higher and oxidation resistance is improved.
(2) An electrode catalyst in which a pore-forming agent is mixed with an electrode catalyst using a carbon support having a high degree of graphitization (Patent Document 1).
(3) An electrode catalyst in which electrode catalysts having different utilization rates of the catalyst are mixed and the sacrificial corrosion effect is utilized (Patent Document 2).

しかし、(1)の電極触媒は、高温処理によって比表面積が小さくなるため、カーボン担体上における触媒金属微粒子の分散性が悪くなり、その結果、触媒層の発電特性が低下する問題を有する。
(2)、(3)の電極触媒を用いた触媒層は、初期の発電特性が必ずしも高いとはいえず、また、電極(触媒層)の形成に複雑な操作を要する等の問題を有する。
However, the electrode catalyst (1) has a problem that the specific surface area is reduced by high-temperature treatment, so that the dispersibility of the catalyst metal fine particles on the carbon support is deteriorated, and as a result, the power generation characteristics of the catalyst layer are deteriorated.
The catalyst layer using the electrode catalyst of (2) or (3) does not necessarily have high initial power generation characteristics, and has a problem that a complicated operation is required for forming the electrode (catalyst layer).

なお、触媒層の発電特性を向上させるために、触媒層に気相成長炭素繊維を混合することが特許文献3に記載されている。しかし、該気相成長炭素繊維を混合する理由は、触媒層内の水による濡れを制御し、その結果、触媒層の発電特性を向上させるためであって、カーボン担体の酸化を抑制するためではない。そのため、導電性粉粒体(電極触媒に相当する。)と気相成長炭素繊維(繊維状炭素に相当する。)との比率(電極触媒/繊維状炭素)は、9.99/0.01〜7/3(質量比)である。
特開2005−26174号公報 特開2005−190712号公報 特許第3608053号公報
In addition, in order to improve the power generation characteristic of a catalyst layer, it is described in patent document 3 that a vapor growth carbon fiber is mixed with a catalyst layer. However, the reason why the vapor-grown carbon fiber is mixed is to control the wetting by water in the catalyst layer, and as a result, to improve the power generation characteristics of the catalyst layer, and to suppress the oxidation of the carbon support. Absent. Therefore, the ratio (electrode catalyst / fibrous carbon) of the conductive powder (corresponding to the electrode catalyst) and the vapor growth carbon fiber (corresponding to the fibrous carbon) is 9.99 / 0.01. -7/3 (mass ratio).
JP 2005-26174 A JP 2005-190712 A Japanese Patent No. 3606083

本発明の目的は、広範囲な電流密度において、高い初期電圧を有し、かつ高い電圧を長期間維持できる固体高分子形燃料電池用膜電極接合体、および該膜電極接合体を容易に製造できる方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell that has a high initial voltage and can maintain a high voltage for a long period of time in a wide range of current densities, and the membrane electrode assembly can be easily produced. It is to provide a method.

本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体は、触媒層およびガス拡散層を有するアノードと、触媒層およびガス拡散層を有するカソードと、アノードとカソードとの間に介在する電解質膜とを具備し、前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方の触媒層が、電極触媒、繊維状炭素およびイオン交換樹脂を含み、前記電極触媒は、[002]面の平均格子面間隔d002 が0.350〜0.390nmであり、かつ比表面積が250〜1500m2 /gであるカーボン担体に、白金または白金合金が担持されており、前記繊維状炭素は、繊維径が1〜500nmであり、繊維長が100μm以下であり、かつ金属が担持されておらず、前記触媒層中の前記電極触媒と前記繊維状炭素との比率(電極触媒/繊維状炭素)が、7/3〜1/9(質量比)であることを特徴とする。
前記繊維状炭素の繊維径は、1〜150nmであることが好ましい。
A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention includes an anode having a catalyst layer and a gas diffusion layer, a cathode having a catalyst layer and a gas diffusion layer, and an electrolyte membrane interposed between the anode and the cathode. And at least one catalyst layer of the anode and the cathode contains an electrode catalyst, fibrous carbon, and an ion exchange resin, and the electrode catalyst has an average lattice spacing d 002 of [002] plane of 0.350. Platinum or a platinum alloy is supported on a carbon carrier having a specific surface area of 250 to 1500 m 2 / g, and the fibrous carbon has a fiber diameter of 1 to 500 nm and a fiber length. Is 100 μm or less, no metal is supported, and the ratio of the electrode catalyst to the fibrous carbon in the catalyst layer (electrode catalyst / fibrous carbon) is 7/3 to 1 / Characterized in that it is a (mass ratio).
The fiber carbon preferably has a fiber diameter of 1 to 150 nm.

本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法は、触媒層およびガス拡散層を有するアノードと、触媒層およびガス拡散層を有するカソードと、アノードとカソードとの間に介在する電解質膜とを具備する固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法において、少なくとも一方の触媒層を、下記塗工液を基材上に塗工することにより形成することを特徴とする。
(塗工液)
電極触媒、繊維状炭素およびイオン交換樹脂を含む塗工液であり、前記電極触媒は、[002]面の平均格子面間隔d002 が0.350〜0.390nmであり、かつ比表面積が250〜1500m2 /gであるカーボン担体に、白金または白金合金が担持されており、前記繊維状炭素は、繊維径が1〜500nmであり、繊維長が100μm以下であり、かつ金属が担持されておらず、前記触媒層中の前記電極触媒と前記繊維状炭素との比率(電極触媒/繊維状炭素)が、7/3〜1/9(質量比)である塗工液。
The method for producing a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes an anode having a catalyst layer and a gas diffusion layer, a cathode having a catalyst layer and a gas diffusion layer, and an anode and a cathode. In the method for producing a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell comprising an electrolyte membrane, at least one catalyst layer is formed by coating the following coating liquid on a substrate. .
(Coating fluid)
Electrocatalyst is a coating liquid containing a fibrous carbon and ion exchange resins, wherein the electrode catalyst is 0.350~0.390nm average lattice spacing d 002 of [002] plane, and a specific surface area of 250 Platinum or a platinum alloy is supported on a carbon carrier of ˜1500 m 2 / g, the fibrous carbon has a fiber diameter of 1 to 500 nm, a fiber length of 100 μm or less, and a metal is supported. The coating liquid whose ratio (electrode catalyst / fibrous carbon) of the electrode catalyst and the fibrous carbon in the catalyst layer is 7/3 to 1/9 (mass ratio).

本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体は、広範囲な電流密度において、高い初期電圧を有し、かつ高い電圧を長期間維持できる。
本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法によれば、広範囲な電流密度において、高い初期電圧を有し、かつ高い電圧を長期間維持できる固体高分子形燃料電池用膜電極接合体を容易に製造できる。
The membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention has a high initial voltage and can maintain a high voltage for a long period of time in a wide range of current densities.
According to the method for producing a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, a membrane for a polymer electrolyte fuel cell that has a high initial voltage and can maintain a high voltage for a long period of time in a wide range of current densities. An electrode assembly can be easily manufactured.

本明細書においては、式(1)で表される化合物を化合物(1)と記す。他の式で表される化合物も同様に記す。   In the present specification, a compound represented by the formula (1) is referred to as a compound (1). The same applies to compounds represented by other formulas.

<膜電極接合体>
図1は、本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体(以下、膜電極接合体と記す。)の一例を示す概略断面図である。膜電極接合体10は、触媒層11およびガス拡散層12を有するアノード13と、触媒層11およびガス拡散層12を有するカソード14と、アノード13とカソード14との間に、触媒層11に接した状態で介在する電解質膜15とを具備する。
<Membrane electrode assembly>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention (hereinafter referred to as a membrane electrode assembly). The membrane electrode assembly 10 is in contact with the catalyst layer 11 between the anode 13 having the catalyst layer 11 and the gas diffusion layer 12, the cathode 14 having the catalyst layer 11 and the gas diffusion layer 12, and the anode 13 and the cathode 14. And an electrolyte membrane 15 interposed therebetween.

(触媒層)
触媒層11のうち、少なくとも一方の触媒層は、特定の電極触媒、特定の繊維状炭素およびイオン交換樹脂を含み、電極触媒と繊維状炭素とが特定の比率である特定の触媒層である。該特定の触媒層は、少なくともカソード14の触媒層11であることが好ましく、アノード13およびカソード14の触媒層11であることが特に好ましい。
(Catalyst layer)
At least one of the catalyst layers 11 is a specific catalyst layer including a specific electrode catalyst, a specific fibrous carbon, and an ion exchange resin, and the electrode catalyst and the fibrous carbon are in a specific ratio. The specific catalyst layer is preferably at least the catalyst layer 11 of the cathode 14, and particularly preferably the catalyst layer 11 of the anode 13 and the cathode 14.

イオン交換樹脂のイオン交換容量は、導電性およびガス透過性の点から、0.5〜2.0ミリ当量/グラム乾燥樹脂が好ましく、0.8〜1.5ミリ当量/グラム乾燥樹脂が特に好ましい。   The ion exchange capacity of the ion exchange resin is preferably 0.5 to 2.0 meq / g dry resin, particularly 0.8 to 1.5 meq / g dry resin from the viewpoint of conductivity and gas permeability. preferable.

イオン交換樹脂としては、含フッ素重合体、炭化水素系重合体等が挙げられ、耐久性の点から含フッ素重合体が好ましい。
含フッ素重合体としては、パーフルオロカーボン重合体(エーテル性酸素原子を含んでいてもよい。)が好ましく、テトラフルオロエチレンに基づく単位と、スルホン酸基を有するパーフルオロビニルエーテルに基づく単位とを含む共重合体が特に好ましい。
Examples of the ion exchange resin include a fluorine-containing polymer and a hydrocarbon-based polymer, and a fluorine-containing polymer is preferable from the viewpoint of durability.
The fluoropolymer is preferably a perfluorocarbon polymer (which may contain an etheric oxygen atom), and is a copolymer containing units based on tetrafluoroethylene and units based on perfluorovinyl ether having a sulfonic acid group. Polymers are particularly preferred.

スルホン酸基を有するパーフルオロビニルエーテルとしては、化合物(1)が好ましい。
CF2=CF(OCF2CFX)m−Op−(CF2n−SO3H ・・・(1)。
ただし、mは0〜3の整数であり、nは1〜12の整数であり、pは0または1であり、XはFまたはCF3 である。
As the perfluorovinyl ether having a sulfonic acid group, the compound (1) is preferable.
CF 2 = CF (OCF 2 CFX ) m -O p - (CF 2) n -SO 3 H ··· (1).
However, m is an integer of 0 to 3, n is an integer from 1 to 12, p is 0 or 1, X is F or CF 3.

化合物(1)としては、化合物(1−1)〜(1−3)が好ましい。
CF2=CFO(CF2qSO3H ・・・(1−1)、
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2rSO3H ・・・(1−2)、
CF2=CF(OCF2CF(CF3))tO(CF2sSO3H ・・・(1−3)。
ただし、q、r、sは1〜8の整数であり、tは1〜3の整数である。
As the compound (1), compounds (1-1) to (1-3) are preferable.
CF 2 = CFO (CF 2 ) q SO 3 H (1-1),
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) O (CF 2 ) r SO 3 H (1-2),
CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3)) t O (CF 2) s SO 3 H ··· (1-3).
However, q, r, and s are integers of 1 to 8, and t is an integer of 1 to 3.

スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体の場合、重合後にフッ素化することにより重合体の末端がフッ素化処理されたものであってもよい。重合体の末端がフッ素化されていると、より過酸化水素や過酸化物ラジカルに対する安定性に優れるため、耐久性が向上する。   In the case of a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group, the polymer terminal may be fluorinated by fluorination after polymerization. When the polymer terminal is fluorinated, the durability against hydrogen peroxide and peroxide radicals is further improved, so that the durability is improved.

炭化水素系重合体としては、スルホン化ポリアリーレン、スルホン化ポリベンゾオキサゾール、スルホン化ポリベンゾチアゾール、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリフェニレンスルホン、スルホン化ポリフェニレンオキシド、スルホン化ポリフェニレンスルホキシド、スルホン化ポリフェニレンサルファイド、スルホン化ポリフェニレンスルフィドスルホン、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルケトンケトン、スルホン化ポリイミド等が挙げられる。   Hydrocarbon polymers include sulfonated polyarylene, sulfonated polybenzoxazole, sulfonated polybenzothiazole, sulfonated polybenzimidazole, sulfonated polysulfone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, and sulfonated. Examples include polyphenylene sulfone, sulfonated polyphenylene oxide, sulfonated polyphenylene sulfoxide, sulfonated polyphenylene sulfide, sulfonated polyphenylene sulfide sulfone, sulfonated polyether ketone, sulfonated polyether ether ketone, sulfonated polyether ketone ketone, and sulfonated polyimide. It is done.

電極触媒は、カーボン担体に、白金または白金合金が担持された電極触媒である。白金または白金合金の担持量は、電極触媒(100質量%)のうち、10〜70質量%が好ましい。   The electrode catalyst is an electrode catalyst in which platinum or a platinum alloy is supported on a carbon support. The supported amount of platinum or platinum alloy is preferably 10 to 70% by mass in the electrode catalyst (100% by mass).

カーボン担体は、[002]面の平均格子面間隔d002 が0.350〜0.390nmであり、かつ比表面積が250〜1500m2 /gである、アモルファス性の高いカーボン担体である。高い電圧が維持できるという点から、d002 が0.355〜0.380nmであり、かつ比表面積が400〜850m2 /gであるカーボン担体が好ましい。d002 を0.350nm以上とし、かつ比表面積を250m2 /g以上とすることにより、白金または白金合金を高い担持率での担持ができ、初期性能が良好となる。d002 を0.390nm以下とし、かつ比表面積を1500m2 /g以下とすることにより、ミクロ細孔の発達が抑えられ、白金または白金合金を有効に活用できる。 Carbon support, [002] is the average lattice spacing d 002 is 0.350~0.390nm the surface, and a specific surface area of 250~1500m 2 / g, a high carbon support of amorphous. From the viewpoint that a high voltage can be maintained, a carbon support having a d 002 of 0.355 to 0.380 nm and a specific surface area of 400 to 850 m 2 / g is preferable. By setting d 002 to 0.350 nm or more and the specific surface area to 250 m 2 / g or more, platinum or a platinum alloy can be supported at a high supporting rate, and the initial performance is improved. The d 002 is less 0.390 nm, and by a 1500 m 2 / g or less specific surface area, the development of micropores is suppressed, can be effectively utilized platinum or a platinum alloy.

カーボン担体のd002 は、粉末X線回折装置を使って測定することができ、電極触媒粉末をサンプルとしてセットし、その回折パターンからカーボン担体のd002 を算出する。カーボン担体の比表面積は、BET比表面積装置によりカーボン表面への窒素吸着により測定することが可能である。 The d 002 of the carbon support can be measured using a powder X-ray diffractometer. The electrode catalyst powder is set as a sample, and the d 002 of the carbon support is calculated from the diffraction pattern. The specific surface area of the carbon support can be measured by nitrogen adsorption on the carbon surface using a BET specific surface area apparatus.

電極触媒と含イオン交換樹脂との比率(電極触媒/イオン交換樹脂)は、電極の導電性および撥水性の点から、4/6〜9.5/0.5(質量比)が好ましく、6/4〜8/2が特に好ましい。   The ratio of the electrode catalyst to the ion-containing exchange resin (electrode catalyst / ion exchange resin) is preferably 4/6 to 9.5 / 0.5 (mass ratio) from the viewpoint of electrode conductivity and water repellency. / 4 to 8/2 is particularly preferable.

繊維状炭素は、繊維径が1〜500nmであり、繊維長が100μm以下であり、かつ金属が担持されていない繊維状炭素である。電極触媒のカーボン担体が酸化腐食した後であっても、白金または白金合金との接触が取りやすい点から、繊維径が1〜350nmであり、繊維長が50μm以下である繊維状炭素が好ましい。繊維径を500nm以下とすることによって、白金または白金合金との接触が取りやすい。繊維長を100μm以下とすることにより、触媒層(通常は厚さが5〜30μm程度。)から大きく突出することなく、電解質膜のダメージが抑えられる。   Fibrous carbon is fibrous carbon having a fiber diameter of 1 to 500 nm, a fiber length of 100 μm or less, and no metal supported thereon. Even after the carbon support of the electrode catalyst is oxidatively corroded, fibrous carbon having a fiber diameter of 1 to 350 nm and a fiber length of 50 μm or less is preferable from the viewpoint of easy contact with platinum or a platinum alloy. By making the fiber diameter 500 nm or less, contact with platinum or a platinum alloy is easy. By setting the fiber length to 100 μm or less, damage to the electrolyte membrane can be suppressed without significantly protruding from the catalyst layer (usually about 5 to 30 μm in thickness).

繊維状炭素の繊維径および繊維長は、光学顕微鏡、SEM(走査型電子顕微鏡)、TEM(透過型電子顕微鏡)などによる観察により測定することが可能である。
繊維状炭素としては、微細でかつ電子伝導性を有する繊維状炭素が好ましく、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブ(シングルウォール、ダブルウォール、マルチウォール、カップ積層型等。)等が挙げられる。
The fiber diameter and fiber length of the fibrous carbon can be measured by observation with an optical microscope, SEM (scanning electron microscope), TEM (transmission electron microscope) or the like.
As the fibrous carbon, fine fibrous carbon having electron conductivity is preferable, and vapor-grown carbon fibers, carbon nanotubes (single wall, double wall, multi-wall, cup laminated type, etc.) and the like can be mentioned.

電極触媒と繊維状炭素との比率(電極触媒/繊維状炭素)は、7/3〜1/9(質量比)であり、6.5/3.5〜1.5/8.5がより好ましく、電極反応を効率よく行え、かつ電極触媒のカーボン担体が酸化腐食を多少受けた後においても、良好な発電特性を維持できる点から、6/4〜2/8がさらに好ましい。電極触媒と繊維状炭素との合計10のうち、繊維状炭素の割合を3以上とすることにより、電極触媒のカーボン担体が酸化腐食した後あっても、白金または白金合金とのと接触が取りやすい。電極触媒と繊維状炭素との合計10のうち、繊維状炭素の割合を9以下とすることにより、電極触媒の割合が充分となり、初期電圧の低下が抑えられる。   The ratio of the electrode catalyst to the fibrous carbon (electrode catalyst / fibrous carbon) is 7/3 to 1/9 (mass ratio), and more preferably 6.5 / 3.5 to 1.5 / 8.5. Preferably, 6/4 to 2/8 is more preferable because the electrode reaction can be performed efficiently and good power generation characteristics can be maintained even after the carbon support of the electrode catalyst has undergone some oxidative corrosion. By setting the ratio of fibrous carbon to 3 or more out of the total 10 of the electrode catalyst and fibrous carbon, contact with platinum or a platinum alloy is obtained even after the carbon support of the electrode catalyst is oxidatively corroded. Cheap. By setting the ratio of fibrous carbon to 9 or less in the total 10 of the electrode catalyst and fibrous carbon, the ratio of the electrode catalyst becomes sufficient, and the decrease in the initial voltage can be suppressed.

繊維状炭素は、触媒層中にて互いに絡み合って空孔を形成しやすい。該空孔はガスチャンネルとして機能するため、特に高電流密度下における燃料電池の作動時のフラッディングの問題が解消されるという効果も期待できる。   Fibrous carbon tends to be entangled with each other in the catalyst layer to form pores. Since the pores function as a gas channel, the effect of eliminating the flooding problem at the time of operation of the fuel cell particularly under a high current density can be expected.

(ガス拡散層)
ガス拡散層12としては、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等が挙げられる。
ガス拡散層は、ポリテトラフルオロエチレン等によって撥水処理されていることが好ましい。
(Gas diffusion layer)
Examples of the gas diffusion layer 12 include carbon cloth, carbon paper, and carbon felt.
The gas diffusion layer is preferably water repellent treated with polytetrafluoroethylene or the like.

(電解質膜)
電解質膜15としては、イオン交換樹脂膜が挙げられる。
イオン交換樹脂としては、触媒層のイオン交換樹脂と同様のものが挙げられる。
(Electrolyte membrane)
Examples of the electrolyte membrane 15 include an ion exchange resin membrane.
Examples of the ion exchange resin include those similar to the ion exchange resin of the catalyst layer.

<膜電極接合体の製造方法>
本発明の膜電極接合体の製造方法は、上述の特定の触媒層を、後述の塗工液を基材上に塗工することにより形成することを特徴とする方法である。
基材としては、ポリマーフィルム、電解質膜、ガス拡散層が用いられる。
ポリマーフィルムとしては、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン等のフィルムシートが挙げられる。
<Method for producing membrane electrode assembly>
The manufacturing method of the membrane electrode assembly of the present invention is a method characterized in that the above-mentioned specific catalyst layer is formed by applying a coating liquid described later on a substrate.
As the substrate, a polymer film, an electrolyte membrane, or a gas diffusion layer is used.
Examples of the polymer film include film sheets made of polypropylene, polyethylene terephthalate, ethylene / tetrafluoroethylene copolymer, polytetrafluoroethylene, and the like.

基材としてポリマーフィルムを用いた場合、基材上に形成された触媒層を電解質膜(またはガス拡散層)表面にホットプレス等により転写した後、ポリマーフィルムを剥離し、触媒層とガス拡散層(または電解質膜)とを貼り合わせることにより、膜電極接合体が得られる。
基材として電解質膜を用いた場合、電解質膜上に形成された触媒層とガス拡散層とを貼り合わせることにより、膜電極接合体が得られる。
基材としてガス拡散層を用いた場合、ガス拡散層上に形成された触媒層と電解質膜とを貼り合わせることにより、膜電極接合体が得られる。
When a polymer film is used as the substrate, the catalyst layer formed on the substrate is transferred to the surface of the electrolyte membrane (or gas diffusion layer) by hot pressing or the like, and then the polymer film is peeled off to form the catalyst layer and the gas diffusion layer. (Membrane electrode assembly) can be obtained by pasting together (or electrolyte membrane).
When an electrolyte membrane is used as a substrate, a membrane electrode assembly is obtained by bonding a catalyst layer formed on the electrolyte membrane and a gas diffusion layer.
When a gas diffusion layer is used as a substrate, a membrane electrode assembly is obtained by bonding a catalyst layer formed on the gas diffusion layer and an electrolyte membrane.

また、ポリマーフィルム上に塗工液を塗工してアノード(またはカソード)側の触媒層を形成し、該触媒層上に、電解質膜形成用のポリマー溶液を塗工して電解質膜を形成し、該電解質膜上に塗工液を塗工してカソード(またはアノード)側の触媒層を形成し、膜触媒層接合体を得た後、該膜触媒層接合体の両面にガス拡散層を貼り付けることにより、膜電極接合体が得られる。   In addition, a coating liquid is applied on the polymer film to form a catalyst layer on the anode (or cathode) side, and an electrolyte membrane is formed on the catalyst layer by applying a polymer solution for forming an electrolyte membrane. Then, a coating solution is applied on the electrolyte membrane to form a cathode (or anode) side catalyst layer to obtain a membrane catalyst layer assembly, and then a gas diffusion layer is formed on both sides of the membrane catalyst layer assembly. A membrane electrode assembly is obtained by pasting.

塗工液は、特定の電極触媒、特定の繊維状炭素およびイオン交換樹脂を含み、電極触媒と繊維状炭素とが特定の比率である塗工液である。
塗工液は、特定の電極触媒、特定の繊維状炭素およびイオン交換樹脂を溶媒に分散させることにより調製される。
The coating liquid is a coating liquid containing a specific electrode catalyst, a specific fibrous carbon, and an ion exchange resin, wherein the electrode catalyst and the fibrous carbon are in a specific ratio.
The coating liquid is prepared by dispersing a specific electrode catalyst, a specific fibrous carbon, and an ion exchange resin in a solvent.

溶媒としては、水、アセトン、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、イソブタノール、n−ペンタノール、エチレングリコール、ペンタフルオロエタノール、ヘプタフルオロブタノールなどのアルコール類、またはそれらの混合溶媒等が挙げられる。
塗工液には、電極反応で生成する水の排出性を高めること、触媒層自体の形状安定性を保持すること、塗工時の塗工むらの改善、塗工安定性等を高めることを目的として、必要に応じて撥水剤、造孔剤、増粘剤、希釈溶媒等を添加してもよい。
Examples of the solvent include water, acetone, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, isobutanol, n-pentanol, alcohols such as ethylene glycol, pentafluoroethanol, heptafluorobutanol, or a mixed solvent thereof. Can be mentioned.
In the coating liquid, increase the drainage of the water generated by the electrode reaction, maintain the shape stability of the catalyst layer itself, improve coating unevenness during coating, improve coating stability, etc. For the purpose, a water repellent, a pore former, a thickener, a diluting solvent and the like may be added as necessary.

塗工液には、塗工安定性を向上させるために、必要に応じて分散処理を施してもよい。分散処理としては、ボールミル粉砕、ホモジェナイザー粉砕、遊星ミル粉砕、超音波粉砕等が挙げられる。
塗工方法としては、アプリケータ、バーコータ、ダイコータ等を用いる方法;スクリーン印刷法、グラビア印刷法等が挙げられる。
塗工液を基材上に塗工した後、乾燥させて触媒層を形成する。塗膜の乾燥温度は、60〜100℃が好ましい。
The coating liquid may be subjected to a dispersion treatment as necessary in order to improve the coating stability. Examples of the dispersion treatment include ball mill grinding, homogenizer grinding, planetary mill grinding, and ultrasonic grinding.
Examples of the coating method include a method using an applicator, a bar coater, a die coater, etc .; a screen printing method, a gravure printing method, and the like.
After coating a coating liquid on a base material, it is dried to form a catalyst layer. As for the drying temperature of a coating film, 60-100 degreeC is preferable.

このようにして製造された膜電極接合体の両面に、ガスの流路となる溝が形成されたセパレータを配置することにより、固体高分子形燃料電池が得られる。セパレータとしては、金属製セパレータ、カーボン製セパレータ、黒鉛と樹脂を混合した材料からなるセパレータ等、各種導電性材料からなるセパレータが挙げられる。
該固体高分子形燃料電池においては、カソードに酸素を含むガス、アノードに水素を含むガスを供給することにより、発電が行われる。また、アノードにメタノールを供給して発電を行うメタノール燃料電池にも、本発明の膜電極接合体を適用できる。
A polymer electrolyte fuel cell can be obtained by disposing separators in which grooves serving as gas flow paths are formed on both surfaces of the membrane electrode assembly thus manufactured. Examples of the separator include a separator made of various conductive materials such as a metal separator, a carbon separator, and a separator made of a material in which graphite and a resin are mixed.
In the polymer electrolyte fuel cell, power is generated by supplying a gas containing oxygen to the cathode and a gas containing hydrogen to the anode. The membrane electrode assembly of the present invention can also be applied to a methanol fuel cell that generates power by supplying methanol to the anode.

以上説明した本発明の膜電極接合体にあっては、2つの触媒層のうち、少なくとも一方の触媒層が、特定の電極触媒、特定の繊維状炭素およびイオン交換樹脂を含み、電極触媒と繊維状炭素とが特定の比率である特定の触媒層であるため、広範囲な電流密度において、高い初期電圧を有し、かつ高い電圧を長期間維持できる。   In the membrane electrode assembly of the present invention described above, at least one of the two catalyst layers includes a specific electrode catalyst, a specific fibrous carbon, and an ion exchange resin, and the electrode catalyst and the fiber. Since the carbon is a specific catalyst layer having a specific ratio, it has a high initial voltage and can maintain a high voltage for a long time in a wide range of current densities.

すなわち、カソードにおける高電位条件下でカーボン担体の酸化反応が進行してガス化し、白金または白金合金がイオン交換樹脂中に遊離した状態になってしまっても、白金または白金合金と、電子伝導性を有する繊維状炭素との接触が取れているため、電極反応が可能であり、高い電圧を長期間維持できる。また、繊維状炭素は、通常、グラファイト化の度合いが高いため、酸化腐食耐性に非常に優れている。   That is, even if the oxidation reaction of the carbon carrier proceeds under high potential conditions at the cathode and gasifies, and platinum or platinum alloy is released into the ion exchange resin, Since the contact with the fibrous carbon having a carbon dioxide is taken, an electrode reaction is possible and a high voltage can be maintained for a long time. In addition, since fibrous carbon usually has a high degree of graphitization, it is very excellent in oxidation corrosion resistance.

アノードにおいても、水素の供給が不充分となった場合、所定の電流密度を維持するため、水素の酸化反応の代わりに、担体カーボンの酸化反応が起こる可能性がある。本発明においては、カソードと同じように、アノードの触媒層中にも繊維状炭素を混合することにより、上述したカソードと同じ効果が得られる。   Also in the anode, when the supply of hydrogen is insufficient, a predetermined current density is maintained, so that an oxidation reaction of the carrier carbon may occur instead of the oxidation reaction of hydrogen. In the present invention, the same effect as the above-described cathode can be obtained by mixing fibrous carbon in the catalyst layer of the anode as in the cathode.

以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されない。
例1、3、4、6は実施例であり、例2、5、7は比較例である。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
Examples 1, 3, 4, and 6 are examples, and examples 2, 5, and 7 are comparative examples.

〔例1〕
触媒層(1)の形成:
カーボン担体(d002 0.377nm、比表面積800m2 /g)に白金・コバルト合金(白金/コバルト=46/5(質量比))が担持された触媒(商品名:TEC36E52、田中貴金属工業社製、白金・コバルト合金担持量51質量%)10gを、蒸留水75.1gに添加し、よく撹拌した。さらにエタノール26.0gを添加し、よく撹拌した。これに、共重合体(A)(商品名:フレミオン、旭硝子社製、イオン交換容量1.1ミリ当量/g乾燥樹脂、テトラフルオロエチレンに基づく単位とCF2=CFOCF(CF3)O(CF22SO3Hに基づく単位とからなる共重合体。)をエタノールに分散させた固形分濃度9質量%の液(以下、共重合体(A)のエタノール分散液と記す。)54.0gを添加し、さらに超音波分散装置を用いて混合、粉砕し、分散液(a)を調製した。
[Example 1]
Formation of catalyst layer (1):
A catalyst (trade name: TEC36E52, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) in which a platinum-cobalt alloy (platinum / cobalt = 46/5 (mass ratio)) is supported on a carbon support (d 002 0.377 nm, specific surface area 800 m 2 / g). 10 g of platinum / cobalt alloy supported amount) was added to 75.1 g of distilled water and stirred well. Further, 26.0 g of ethanol was added and stirred well. To this, copolymer (A) (trade name: Flemion, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., ion exchange capacity 1.1 meq / g dry resin, units based on tetrafluoroethylene and CF 2 = CFOCF (CF 3 ) O (CF 2 ) A liquid having a solid content concentration of 9% by mass in which a copolymer composed of units based on 2 SO 3 H is dispersed in ethanol (hereinafter referred to as an ethanol dispersion of copolymer (A)). 0 g was added and further mixed and pulverized using an ultrasonic dispersion device to prepare a dispersion (a).

気相成長炭素繊維(商品名:VGCF−H、昭和電工社製、繊維径約150nm、繊維長10〜20μm)7.0gにエタノール11.9g、蒸留水47.3gを添加し、よく撹拌した。これに共重合体(A)のエタノール分散液38.9gを添加し、よく撹拌し、さらに超音波分散装置を用いて混合、粉砕し、分散液(b)を調製した。
分散液(a)10.0gと分散液(b)10.0gとを混合、撹拌して、塗工液(1)を調製した。
17.0 g of ethanol and 47.3 g of distilled water were added to 7.0 g of vapor grown carbon fiber (trade name: VGCF-H, manufactured by Showa Denko KK, fiber diameter: about 150 nm, fiber length: 10 to 20 μm) and stirred well. . To this was added 38.9 g of an ethanol dispersion of copolymer (A), stirred well, and further mixed and pulverized using an ultrasonic dispersion device to prepare dispersion (b).
The dispersion liquid (a) 10.0g and the dispersion liquid (b) 10.0g were mixed and stirred, and the coating liquid (1) was prepared.

塗工液(1)を、ポリプロピレン製の基材フィルムの上にダイコータで塗工した後、80℃の乾燥器内で10分間乾燥させて触媒層(1)を形成した。触媒層(1)を形成する前の基材フィルムのみの質量と、触媒層(1)を形成した後の触媒層および基材フィルムの質量とを測定することにより、触媒層(1)に含まれる単位面積あたりの白金の量を算出したところ、0.2mg/cm2であった。触媒層(1)中に含まれる電極触媒と繊維状炭素との比率(電極触媒/繊維状炭素)は、4.8/5.2(質量比)であった。   The coating liquid (1) was coated on a polypropylene substrate film with a die coater and then dried in an oven at 80 ° C. for 10 minutes to form a catalyst layer (1). Included in the catalyst layer (1) by measuring the mass of only the base film before forming the catalyst layer (1) and the mass of the catalyst layer and base film after forming the catalyst layer (1) The amount of platinum per unit area calculated was 0.2 mg / cm 2. The ratio of the electrode catalyst and fibrous carbon contained in the catalyst layer (1) (electrode catalyst / fibrous carbon) was 4.8 / 5.2 (mass ratio).

触媒層(2)の形成:
カーボン担体(d002 0.377nm、比表面積800m2 /g)に白金が担持された触媒(商品名:TEC10E50E、田中貴金属工業社製、白金担持量50質量%)10.0gを、蒸留水67.5gに添加し、よく撹拌した。さらにエタノール22.5gを添加し、よく撹拌した。これに、共重合体(A)のエタノール分散液50.0gを添加し、さらに超音波分散装置を用いて混合、粉砕し、塗工液(2)を調製した。
Formation of catalyst layer (2):
10.0 g of a catalyst (trade name: TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., platinum supported amount 50 mass%) in which platinum is supported on a carbon support (d 002 0.377 nm, specific surface area 800 m 2 / g) Added to 5 g and stirred well. Further, 22.5 g of ethanol was added and stirred well. To this, 50.0 g of an ethanol dispersion of copolymer (A) was added, and further mixed and pulverized using an ultrasonic dispersion device to prepare a coating liquid (2).

塗工液(2)を、ポリプロピレン製の基材フィルムの上にダイコータで塗工した後、80℃の乾燥器内で10分間乾燥させて触媒層(2)を形成した。触媒層(2)を形成する前の基材フィルムのみの質量と、触媒層(2)を形成した後の触媒層および基材フィルムの質量とを測定することにより、触媒層(2)に含まれる単位面積あたりの白金の量を算出したところ、0.2mg/cm2 であった。 The coating liquid (2) was coated on a polypropylene substrate film with a die coater, and then dried in an oven at 80 ° C. for 10 minutes to form a catalyst layer (2). Included in the catalyst layer (2) by measuring the mass of only the base film before forming the catalyst layer (2) and the mass of the catalyst layer and base film after forming the catalyst layer (2) The amount of platinum per unit area calculated was 0.2 mg / cm 2 .

膜電極接合体の製造:
電解質膜として、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる厚さ30μmのイオン交換膜(商品名:フレミオン、旭硝子社製、イオン交換容量1.1ミリ当量/g乾燥樹脂)を用意した。
電解質膜の一方の表面に、基材フィルム上に形成された触媒層(1)をカソード側の触媒層として配置し、電解質膜の他方の表面に、基材フィルム上に形成された触媒層(2)をアノード側の触媒層として配置した。該積層体をホットプレス法によりプレスし、触媒層を電解質膜に転写した後、基材フィルムを剥離し、電極面積が25cm2 である、電解質膜と触媒層とからなる膜触媒層接合体を得た。
Manufacture of membrane electrode assembly:
As an electrolyte membrane, an ion exchange membrane (trade name: Flemion, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., ion exchange capacity 1.1 milliequivalent / g dry resin) made of a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group was prepared.
The catalyst layer (1) formed on the base film is disposed on one surface of the electrolyte membrane as a cathode-side catalyst layer, and the catalyst layer (on the base film formed on the other surface of the electrolyte membrane ( 2) was arranged as a catalyst layer on the anode side. The laminated body is pressed by a hot press method, the catalyst layer is transferred to the electrolyte membrane, the base film is peeled off, and a membrane / catalyst layer assembly comprising an electrolyte membrane and a catalyst layer, the electrode area of which is 25 cm 2 is obtained. Obtained.

膜触媒層接合体を、厚さ350μmのカーボンクロスからなるガス拡散層2枚で挟んで膜電極接合体を得た。該膜電極接合体を発電用セルに組み込み、常圧にて、水素(利用率70%)/空気(利用率40%)を供給し、セル温度80℃にて、電流密度0.2A/cm2 および1.0A/cm2 における初期セル電圧を測定した。ただし、アノード側には露点80℃の水素を供給し、カソード側には露点80℃の空気を供給した。結果を表1に示す。 The membrane / catalyst layer assembly was sandwiched between two gas diffusion layers made of carbon cloth having a thickness of 350 μm to obtain a membrane / electrode assembly. The membrane electrode assembly is assembled in a power generation cell, hydrogen (utilization rate 70%) / air (utilization rate 40%) is supplied at normal pressure, and the cell temperature is 80 ° C., and the current density is 0.2 A / cm. Initial cell voltages at 2 and 1.0 A / cm 2 were measured. However, hydrogen having a dew point of 80 ° C. was supplied to the anode side, and air having a dew point of 80 ° C. was supplied to the cathode side. The results are shown in Table 1.

ついで、セル温度95℃にて、アノード側に露点90℃の水素を供給し、カソード側に露点90℃の空気を供給し、外部からポテンショスタットを接続し、カソード側の電位を1.2Vとし、100時間作動させ酸化腐食試験を行った。酸化腐食試験後、セル温度80℃にて、アノード側に露点80℃の水素を供給し、カソード側に露点80℃の空気を供給し、電流密度0.2A/cm2 および1.0A/cm2 におけるセル電圧を測定した。結果を表2に示す。 Next, at a cell temperature of 95 ° C., hydrogen with a dew point of 90 ° C. is supplied to the anode side, air with a dew point of 90 ° C. is supplied to the cathode side, a potentiostat is connected from the outside, and the cathode side potential is 1.2V. The sample was operated for 100 hours to conduct an oxidative corrosion test. After the oxidative corrosion test, hydrogen having a dew point of 80 ° C. was supplied to the anode side at a cell temperature of 80 ° C., and air having a dew point of 80 ° C. was supplied to the cathode side, and current densities were 0.2 A / cm 2 and 1.0 A / cm. The cell voltage at 2 was measured. The results are shown in Table 2.

〔例2(比較例)〕
アノード側およびカソード側の触媒層として、触媒層(2)を用いた以外は、例1と同様にして、電極面積が25cm2 である膜触媒層接合体を作製し、例1と同様に膜電極接合体を作製した。該膜電極接合体について、例1と同様の条件で初期セル電圧を測定した。結果を表1に示す。また、例1と同様の条件で酸化腐食試験を実施し、酸化腐食試験のセル電圧を測定した。結果を表2に示す。
[Example 2 (comparative example)]
A membrane / catalyst layer assembly having an electrode area of 25 cm 2 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the catalyst layer (2) was used as the catalyst layer on the anode side and the cathode side. An electrode assembly was produced. With respect to the membrane / electrode assembly, the initial cell voltage was measured under the same conditions as in Example 1. The results are shown in Table 1. Moreover, the oxidation corrosion test was implemented on the same conditions as Example 1, and the cell voltage of the oxidation corrosion test was measured. The results are shown in Table 2.

〔例3〕
アノード側およびカソード側の触媒層として、触媒層(1)を用いた以外は、例1と同様にして、電極面積が25cm2 である膜触媒層接合体を作製し、例1と同様に膜電極接合体を作製した。該膜電極接合体について、例1と同様の条件で初期セル電圧を測定した。結果を表1に示す。また、例1と同様の条件で酸化腐食試験を実施し、酸化腐食試験のセル電圧を測定した。結果を表2に示す。
[Example 3]
A membrane-catalyst layer assembly having an electrode area of 25 cm 2 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the catalyst layer (1) was used as the anode-side and cathode-side catalyst layers. An electrode assembly was produced. With respect to the membrane / electrode assembly, the initial cell voltage was measured under the same conditions as in Example 1. The results are shown in Table 1. Moreover, the oxidation corrosion test was implemented on the same conditions as Example 1, and the cell voltage of the oxidation corrosion test was measured. The results are shown in Table 2.

〔例4〕
分散液(a)10gと分散液(b)4.5gとを混合、撹拌して、塗工液(3)を調製した。
塗工液(3)を、ポリプロピレン製の基材フィルムの上にダイコータで塗工した後、80℃の乾燥器内で10分間乾燥させて触媒層(3)を形成した。触媒層(3)を形成する前の基材フィルムのみの質量と、触媒層(3)を形成した後の触媒層および基材フィルムの質量とを測定することにより、触媒層(3)に含まれる単位面積あたりの白金の量を算出したところ、0.2mg/cm2 であった。触媒層(3)中に含まれる電極触媒と繊維状炭素との比率(電極触媒/繊維状炭素)は、6.5/3.5(質量比)であった。
[Example 4]
10 g of the dispersion (a) and 4.5 g of the dispersion (b) were mixed and stirred to prepare a coating liquid (3).
The coating liquid (3) was coated on a polypropylene base film with a die coater, and then dried in an oven at 80 ° C. for 10 minutes to form a catalyst layer (3). Included in the catalyst layer (3) by measuring the mass of the base film only before forming the catalyst layer (3) and the mass of the catalyst layer and base film after forming the catalyst layer (3) The amount of platinum per unit area calculated was 0.2 mg / cm 2 . The ratio (electrode catalyst / fibrous carbon) of the electrode catalyst and fibrous carbon contained in the catalyst layer (3) was 6.5 / 3.5 (mass ratio).

アノード側およびカソード側の触媒層として、触媒層(3)を用いた以外は、例1と同様にして、電極面積が25cm2 である膜触媒層接合体を作製し、例1と同様に膜電極接合体を作製した。該膜電極接合体について、例1と同様の条件で初期セル電圧を測定した。結果を表1に示す。また、例1と同様の条件で酸化腐食試験を実施し、酸化腐食試験のセル電圧を測定した。結果を表2に示す。 A membrane / catalyst layer assembly having an electrode area of 25 cm 2 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the catalyst layer (3) was used as the anode-side and cathode-side catalyst layers. An electrode assembly was produced. With respect to the membrane / electrode assembly, the initial cell voltage was measured under the same conditions as in Example 1. The results are shown in Table 1. Moreover, the oxidation corrosion test was implemented on the same conditions as Example 1, and the cell voltage of the oxidation corrosion test was measured. The results are shown in Table 2.

〔例5(比較例)〕
分散液(a)10gと分散液(b)2.3gとを混合、撹拌して、塗工液(4)を調製した。
塗工液(4)を、ポリプロピレン製の基材フィルムの上にダイコータで塗工した後、80℃の乾燥器内で10分間乾燥させて触媒層(4)を形成した。触媒層(4)を形成する前の基材フィルムのみの質量と、触媒層(4)を形成した後の触媒層および基材フィルムの質量とを測定することにより、触媒層(4)に含まれる単位面積あたりの白金の量を算出したところ、0.2mg/cm2 であった。触媒層(4)中に含まれる電極触媒と繊維状炭素との比率(電極触媒/繊維状炭素)は、8/2(質量比)であった。
[Example 5 (comparative example)]
10 g of the dispersion liquid (a) and 2.3 g of the dispersion liquid (b) were mixed and stirred to prepare a coating liquid (4).
The coating liquid (4) was coated on a polypropylene base film with a die coater, and then dried in an oven at 80 ° C. for 10 minutes to form a catalyst layer (4). Included in the catalyst layer (4) by measuring the mass of only the base film before forming the catalyst layer (4) and the mass of the catalyst layer and base film after forming the catalyst layer (4) The amount of platinum per unit area calculated was 0.2 mg / cm 2 . The ratio (electrode catalyst / fibrous carbon) of the electrode catalyst and fibrous carbon contained in the catalyst layer (4) was 8/2 (mass ratio).

アノード側およびカソード側の触媒層として、触媒層(4)を用いた以外は、例1と同様にして、電極面積が25cm2 である膜触媒層接合体を作製し、例1と同様に膜電極接合体を作製した。該膜電極接合体について、例1と同様の条件で初期セル電圧を測定した。結果を表1に示す。また、例1と同様の条件で酸化腐食試験を実施し、酸化腐食試験のセル電圧を測定した。結果を表2に示す。 A membrane / catalyst layer assembly having an electrode area of 25 cm 2 was prepared in the same manner as in Example 1, except that the catalyst layer (4) was used as the catalyst layer on the anode side and the cathode side. An electrode assembly was produced. With respect to the membrane / electrode assembly, the initial cell voltage was measured under the same conditions as in Example 1. The results are shown in Table 1. Moreover, the oxidation corrosion test was implemented on the same conditions as Example 1, and the cell voltage of the oxidation corrosion test was measured. The results are shown in Table 2.

〔例6〕
分散液(a)5gと分散液(b)24.9gとを混合、撹拌して、塗工液(5)を調製した。
塗工液(5)を、ポリプロピレン製の基材フィルムの上にダイコータで塗工した後、80℃の乾燥器内で10分間乾燥させて触媒層(5)を形成した。触媒層(5)を形成する前の基材フィルムのみの質量と、触媒層(5)を形成した後の触媒層および基材フィルムの質量とを測定することにより、触媒層(5)に含まれる単位面積あたりの白金の量を算出したところ、0.2mg/cm2 であった。触媒層(5)中に含まれる電極触媒と繊維状炭素との比率(電極触媒/繊維状炭素)は、1.5/8.5(質量比)であった。
[Example 6]
5 g of the dispersion (a) and 24.9 g of the dispersion (b) were mixed and stirred to prepare a coating liquid (5).
The coating liquid (5) was coated on a polypropylene substrate film with a die coater, and then dried in an oven at 80 ° C. for 10 minutes to form a catalyst layer (5). Included in the catalyst layer (5) by measuring the mass of only the base film before forming the catalyst layer (5) and the mass of the catalyst layer and base film after forming the catalyst layer (5) The amount of platinum per unit area calculated was 0.2 mg / cm 2 . The ratio of the electrode catalyst and fibrous carbon contained in the catalyst layer (5) (electrode catalyst / fibrous carbon) was 1.5 / 8.5 (mass ratio).

アノード側およびカソード側の触媒層として、触媒層(5)を用いた以外は、例1と同様にして、電極面積が25cm2 である膜触媒層接合体を作製し、例1と同様に膜電極接合体を作製した。該膜電極接合体について、例1と同様の条件で初期セル電圧を測定した。結果を表1に示す。また、例1と同様の条件で酸化腐食試験を実施し、酸化腐食試験のセル電圧を測定した。結果を表2に示す。 A membrane / catalyst layer assembly having an electrode area of 25 cm 2 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the catalyst layer (5) was used as the catalyst layer on the anode side and the cathode side. An electrode assembly was produced. With respect to the membrane / electrode assembly, the initial cell voltage was measured under the same conditions as in Example 1. The results are shown in Table 1. Moreover, the oxidation corrosion test was implemented on the same conditions as Example 1, and the cell voltage of the oxidation corrosion test was measured. The results are shown in Table 2.

〔例7(比較例)〕
分散液(a)2gと分散液(b)24.2gとを混合、撹拌して、塗工液(6)を調製した。
塗工液(6)を、ポリプロピレン製の基材フィルムの上にダイコータで塗工した後、80℃の乾燥器内で10分間乾燥させて触媒層(6)を形成した。触媒層(6)を形成する前の基材フィルムのみの質量と、触媒層(6)を形成した後の触媒層および基材フィルムの質量とを測定することにより、触媒層(6)に含まれる単位面積あたりの白金の量を算出したところ、0.2mg/cm2 であった。触媒層(6)中に含まれる電極触媒と繊維状炭素との比率(電極触媒/繊維状炭素)は、0.7/9.3(質量比)であった。
[Example 7 (comparative example)]
2 g of dispersion liquid (a) and 24.2 g of dispersion liquid (b) were mixed and stirred to prepare a coating liquid (6).
The coating liquid (6) was coated on a polypropylene base film with a die coater, and then dried for 10 minutes in an oven at 80 ° C. to form a catalyst layer (6). Included in the catalyst layer (6) by measuring the mass of only the base film before forming the catalyst layer (6) and the mass of the catalyst layer and base film after forming the catalyst layer (6) The amount of platinum per unit area calculated was 0.2 mg / cm 2 . The ratio of the electrode catalyst and fibrous carbon contained in the catalyst layer (6) (electrode catalyst / fibrous carbon) was 0.7 / 9.3 (mass ratio).

アノード側およびカソード側の触媒層として、触媒層(6)を用いた以外は、例1と同様にして、電極面積が25cm2 である膜触媒層接合体を作製し、例1と同様に膜電極接合体を作製した。該膜電極接合体について、例1と同様の条件で初期セル電圧を測定した。結果を表1に示す。また、例1と同様の条件で酸化腐食試験を実施し、酸化腐食試験のセル電圧を測定した。結果を表2に示す。 A membrane / catalyst layer assembly having an electrode area of 25 cm 2 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the catalyst layer (6) was used as the catalyst layer on the anode side and the cathode side. An electrode assembly was produced. With respect to the membrane / electrode assembly, the initial cell voltage was measured under the same conditions as in Example 1. The results are shown in Table 1. Moreover, the oxidation corrosion test was implemented on the same conditions as Example 1, and the cell voltage of the oxidation corrosion test was measured. The results are shown in Table 2.

Figure 2007200762
Figure 2007200762

Figure 2007200762
Figure 2007200762

本発明の膜電極接合体を用いると、高電流密度領域においても高い電圧が得られ、また酸化腐食試験後においても良好な発電特性を維持していることが分かる。   It can be seen that when the membrane / electrode assembly of the present invention is used, a high voltage is obtained even in a high current density region, and good power generation characteristics are maintained even after the oxidation corrosion test.

本発明の膜電極接合体は、広範囲な電流密度において、高い初期電圧を有し、かつ高い電圧を長期間維持できることから、定置用、自動車用等の種種の電源として用いられる燃料電池にきわめて有用である。   The membrane / electrode assembly of the present invention has a high initial voltage in a wide range of current densities and can maintain a high voltage for a long period of time. It is.

本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 膜電極接合体
11 触媒層
12 ガス拡散層
13 アノード
14 カソード
15 電解質膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Membrane electrode assembly 11 Catalyst layer 12 Gas diffusion layer 13 Anode 14 Cathode 15 Electrolyte membrane

Claims (3)

触媒層およびガス拡散層を有するアノードと、
触媒層およびガス拡散層を有するカソードと、
アノードとカソードとの間に介在する電解質膜とを具備し、
前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方の触媒層が、電極触媒、繊維状炭素およびイオン交換樹脂を含み、
前記電極触媒は、[002]面の平均格子面間隔d002 が0.350〜0.390nmであり、かつ比表面積が250〜1500m2 /gであるカーボン担体に、白金または白金合金が担持されており、
前記繊維状炭素は、繊維径が1〜500nmであり、繊維長が100μm以下であり、かつ金属が担持されておらず、
前記触媒層中の前記電極触媒と前記繊維状炭素との比率(電極触媒/繊維状炭素)が、7/3〜1/9(質量比)である、固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。
An anode having a catalyst layer and a gas diffusion layer;
A cathode having a catalyst layer and a gas diffusion layer;
An electrolyte membrane interposed between the anode and the cathode,
The catalyst layer of at least one of the anode and the cathode contains an electrode catalyst, fibrous carbon, and an ion exchange resin;
The electrode catalyst, average lattice spacing d 002 of [002] face is 0.350~0.390Nm, and a specific surface area carbon carrier is 250~1500m 2 / g, platinum or a platinum alloy supported And
The fibrous carbon has a fiber diameter of 1 to 500 nm, a fiber length of 100 μm or less, and no metal is supported,
Membrane / electrode joining for polymer electrolyte fuel cells, wherein the ratio of the electrode catalyst to the fibrous carbon (electrode catalyst / fibrous carbon) in the catalyst layer is 7/3 to 1/9 (mass ratio) body.
前記繊維状炭素の繊維径が、1〜150nmである、請求項1に記載の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。   The membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the fibrous carbon has a fiber diameter of 1 to 150 nm. 触媒層およびガス拡散層を有するアノードと、触媒層およびガス拡散層を有するカソードと、アノードとカソードとの間に介在する電解質膜とを具備する固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法において、
少なくとも一方の触媒層を、下記塗工液を基材上に塗工することにより形成することを特徴とする固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
(塗工液)
電極触媒、繊維状炭素およびイオン交換樹脂を含む塗工液であり、
前記電極触媒は、[002]面の平均格子面間隔d002 が0.350〜0.390nmであり、かつ比表面積が250〜1500m2 /gであるカーボン担体に、白金または白金合金が担持されており、
前記繊維状炭素は、繊維径が1〜500nmであり、繊維長が100μm以下であり、かつ金属が担持されておらず、
前記触媒層中の前記電極触媒と前記繊維状炭素との比率(電極触媒/繊維状炭素)が、7/3〜1/9(質量比)である塗工液。
Manufacture of a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell comprising an anode having a catalyst layer and a gas diffusion layer, a cathode having a catalyst layer and a gas diffusion layer, and an electrolyte membrane interposed between the anode and the cathode In the method
A method for producing a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, wherein at least one of the catalyst layers is formed by coating the following coating liquid on a substrate.
(Coating fluid)
It is a coating liquid containing an electrode catalyst, fibrous carbon and an ion exchange resin,
In the electrode catalyst, platinum or a platinum alloy is supported on a carbon support having an average lattice spacing d 002 of [002] plane of 0.350 to 0.390 nm and a specific surface area of 250 to 1500 m 2 / g. And
The fibrous carbon has a fiber diameter of 1 to 500 nm, a fiber length of 100 μm or less, and no metal is supported,
The coating liquid whose ratio (electrode catalyst / fibrous carbon) of the electrode catalyst and the fibrous carbon in the catalyst layer is 7/3 to 1/9 (mass ratio).
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