JP2008186798A - Electrolyte membrane-electrode assembly - Google Patents
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Abstract
【課題】電池性能の更なる向上を図ると共に、高い電池性能を有する燃料電池の簡便な電極触媒層構造を提供する。
【解決手段】電解質膜と、前記電解質膜の一方の側に配置された、カソード触媒層と、前記電解質膜の他方の側に配置された、アノード触媒層と、前記カソード触媒層に配置されたカソード側ガス拡散層と、前記アノード触媒層に配置されたアノード側ガス拡散層と、を有する、電解質膜−電極接合体において、前記カソード触媒層およびアノード触媒層の少なくとも一方の触媒層が、電解質膜側の触媒層12の空孔構造がガス拡散層側の触媒層50の空孔構造よりも大きくなるような、空孔構造が異なる複数の触媒層を積層した構造を有する、電解質膜−電極接合体。
【選択図】図3The present invention provides a simple electrode catalyst layer structure for a fuel cell having further improved battery performance and high battery performance.
An electrolyte membrane, a cathode catalyst layer disposed on one side of the electrolyte membrane, an anode catalyst layer disposed on the other side of the electrolyte membrane, and a cathode catalyst layer An electrolyte membrane-electrode assembly having a cathode side gas diffusion layer and an anode side gas diffusion layer disposed on the anode catalyst layer, wherein at least one of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer is an electrolyte. Electrolyte membrane-electrode having a structure in which a plurality of catalyst layers having different pore structures are stacked such that the pore structure of the catalyst layer 12 on the membrane side is larger than the pore structure of the catalyst layer 50 on the gas diffusion layer side Joined body.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、電解質膜−電極接合体(Membrane Electrode Assembly;MEA)、特に燃料電池用電解質膜−電極接合体に関するものである。特に、本発明は、発電性能および耐久性に優れた電解質膜−電極接合体(MEA)に関するものである。 The present invention relates to an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA), and more particularly to an electrolyte membrane-electrode assembly for a fuel cell. In particular, the present invention relates to an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) excellent in power generation performance and durability.
近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子形燃料電池は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。固体高分子型燃料電池の構成は、一般的には、電解質膜−電極接合体を、ガス拡散層さらにはセパレータで挟持した構造となっている。電解質膜−電極接合体は、高分子電解質膜が一対の電極触媒層により挟持されてなるものである。 In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. In particular, the polymer electrolyte fuel cell is expected as a power source for electric vehicles because it operates at a relatively low temperature. In general, the polymer electrolyte fuel cell has a structure in which an electrolyte membrane-electrode assembly is sandwiched between a gas diffusion layer and a separator. The electrolyte membrane-electrode assembly is obtained by sandwiching a polymer electrolyte membrane between a pair of electrode catalyst layers.
上記したようなMEAを有する固体高分子型燃料電池では、固体高分子電解質膜を挟持する両電極(カソード及びアノード)において、その極性に応じて以下に記す反応式で示される電極反応を進行させ、電気エネルギーを得ている。まず、アノード(水素極)側に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒成分により酸化され、プロトンおよび電子となる(2H2→4H++4e−:反応1)。次に、生成したプロトンは、電極触媒層に含まれる固体高分子電解質、さらに電極触媒層と接触している固体高分子電解質膜を通り、カソード(酸素極)側電極触媒層に達する。また、アノード側電極触媒層で生成した電子は、電極触媒層を構成している導電性担体、さらに電極触媒層の固体高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通してカソード側電極触媒層に達する。そして、カソード側電極触媒層に達したプロトンおよび電子はカソード側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する(O2+4H++4e−→2H2O:反応2)。燃料電池では、上述した電気化学的反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。 In a polymer electrolyte fuel cell having an MEA as described above, an electrode reaction represented by the following reaction formula is allowed to proceed in accordance with the polarity of both electrodes (cathode and anode) sandwiching the polymer electrolyte membrane. Are getting electrical energy. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode (hydrogen electrode) side is oxidized by the catalyst component to become protons and electrons (2H 2 → 4H + + 4e − : reaction 1). Next, the generated protons pass through the solid polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane in contact with the electrode catalyst layer, and reach the cathode (oxygen electrode) side electrode catalyst layer. In addition, the electrons generated in the anode-side electrode catalyst layer include the conductive carrier constituting the electrode catalyst layer, the gas diffusion layer in contact with the side of the electrode catalyst layer different from the solid polymer electrolyte membrane, the separator, and the outside. The cathode side electrode catalyst layer is reached through the circuit. The protons and electrons that have reached the cathode-side electrode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode side to generate water (O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O: Reaction 2). . In the fuel cell, electricity can be taken out through the above-described electrochemical reaction.
上記電気化学的反応において、アノード側で上記反応1により生成した水素イオン(H+)(以下、「プロトン」とも称する)は、水和状態(H3O+)で固体高分子電解質膜を透過(拡散)し、膜を透過したプロトンは、カソードで、ガス拡散層(以下、「GDL」とも称する)を透過(拡散)した酸素および電子とともに、上記反応2に供される。すなわち、アノードおよびカソードでの反応は、固体高分子電解質膜に密着した電極触媒層を反応サイトとし、当該電極触媒層内の触媒と固体高分子電解質(以下、「高分子電解質」とも称する)との界面で進行する。したがって、触媒と高分子電解質との界面が増大し、界面形成が均一化すれば、上記した反応1及び2が、より円滑かつ活発に進行するため、好ましい。
In the electrochemical reaction, hydrogen ions (H + ) (hereinafter also referred to as “protons”) generated by the
このような状況を鑑みて、電極触媒層の組成を変化させることによって、電池性能に優れた電極を得ることが試みられている(例えば、特許文献1〜5)。特許文献1では、界面の増大と均一化を図ることを目的として、電極触媒層を触媒担持カーボンが高分子電解質に分散された状態のものとする技術が提案されている。上記特許文献1に記載の膜触媒層は、当該触媒層の形成に、触媒担持カーボンが高分子電解質溶液に分散された電極触媒層形成用ペーストを用いる。つまり、この電極触媒層形成用ペーストを固体高分子電解質膜に直接塗布、あるいは、ペーストから膜成形して得たシートを固体高分子電解質膜にプレスすることで、固体高分子電解質膜に密着した電極触媒層が形成される。これにより、電極触媒層における触媒の界面は、固体高分子電解質膜ばかりか高分子電解質との間でも形成されるため、界面の増大と均一化が図られている。
In view of such a situation, it has been attempted to obtain an electrode excellent in battery performance by changing the composition of the electrode catalyst layer (for example,
また、特許文献2では、触媒層に使用される担持触媒粒子の凝集体が2つの粒径分布ピークを有することが記述されている。しかし、一層の触媒層に粒径ピークの異なる触媒粒子の凝集体を添加しているのみで、触媒担体粒子の凝集体粒径の空間分布の規定による触媒層の空孔構造に関することは記述されていない。さらに、特許文献3では、触媒金属の密度が電解質膜との界面において極大値を有することが記述されている。しかし、触媒を担持する触媒担体粒子の凝集体粒径の空間分布の規定による触媒層の空孔構造に関する記述はない(特に、特許文献3 段落「0014」)。特許文献4では、第1触媒層と第2触媒層とが対向するように積層されていることが記述されている。しかし、第1触媒層と第2触媒層には同じ触媒担体粒子を使用しており、触媒担体粒子の凝集体粒径の空間分布の規定による触媒層の空孔構造に関することは記述されていない。特許文献5では、燃料電池用電極には触媒担体粒子に触媒を担持させた触媒担持粒子を含む複数の触媒層が積層して設けられ、固体高分子電解質膜に当接する前記触媒層の触媒担体粒子の凝集体平均粒径が、他の前記触媒層の触媒担体粒子の凝集体平均粒径より小さく設定される燃料電池用電極が開示されている。このように、電解質膜に当接する触媒層の触媒担体粒子の凝集体平均粒径が他の触媒層のものに比して小さいことにより、電極反応が起こる膜・電極界面に近い固体高分子電解質膜に当接する触媒層で触媒担体粒子の表面に存在する触媒の比率が高くなり、高い触媒活性を実現できるとともに、他の触媒層では触媒担体粒子の凝集体平均粒径が大きいので、細孔径を大きくできガスと水の拡散性を向上できる。これにより、ガスと水の拡散性と、高い触媒活性の実現を図っている。 Patent Document 2 describes that the aggregate of supported catalyst particles used in the catalyst layer has two particle size distribution peaks. However, only the addition of agglomerates of catalyst particles having different particle size peaks to one catalyst layer, it is described that the pore structure of the catalyst layer is defined by the regulation of the spatial distribution of the agglomerate particle size of the catalyst support particles. Not. Further, Patent Document 3 describes that the density of the catalyst metal has a maximum value at the interface with the electrolyte membrane. However, there is no description regarding the pore structure of the catalyst layer by the regulation of the spatial distribution of the aggregate particle diameter of the catalyst carrier particles supporting the catalyst (particularly, paragraph “0014” in Patent Document 3). Patent Document 4 describes that the first catalyst layer and the second catalyst layer are laminated so as to face each other. However, the same catalyst carrier particles are used for the first catalyst layer and the second catalyst layer, and there is no description regarding the pore structure of the catalyst layer by the regulation of the spatial distribution of the aggregate particle diameter of the catalyst carrier particles. . In Patent Document 5, a catalyst carrier of the catalyst layer is provided in which a plurality of catalyst layers including catalyst-carrying particles in which a catalyst is carried on catalyst carrier particles are provided on an electrode for a fuel cell and is in contact with a solid polymer electrolyte membrane. There is disclosed a fuel cell electrode in which the average particle size of particles is set smaller than the average particle size of the other catalyst support particles of the catalyst layer. Thus, the solid polymer electrolyte close to the membrane-electrode interface where the electrode reaction takes place due to the fact that the average particle diameter of the catalyst carrier particles of the catalyst layer in contact with the electrolyte membrane is smaller than that of the other catalyst layers. The ratio of the catalyst present on the surface of the catalyst carrier particles is increased in the catalyst layer in contact with the membrane, and high catalyst activity can be realized. In the other catalyst layers, the average particle size of the aggregates of the catalyst carrier particles is large. The gas and water diffusivity can be improved. As a result, gas and water diffusivity and high catalytic activity are achieved.
上述したように、特許文献1〜5をはじめとして、従来、触媒担体粒子の粒度(1次粒径)分布や触媒担体粒子の凝集体の粒度(2次粒径)分布を制御して、触媒層内における触媒担体粒子の凝集体粒径の空間分布を設計することに関する詳細な検討はなく、その電極活性等に対する影響も報告されていなかった。
As described above, starting with
一方、触媒担体粒子の凝集体粒径の空間分布によって、触媒層の空孔構造を規定することも報告される(例えば、特許文献6及び7)。特許文献6では、粒径の小さい触媒担持体が固体高分子電解質膜側(内側)に、粒径の大きい触媒担持体がGDL側(外側)に、それぞれ、含まれるように積層した電極触媒層が開示されている。ここで、電極触媒層における触媒担持体間の空隙は、触媒担持体を被覆する高分子電解質(イオノマー)量を、粒径の小さい触媒担持体側で多く、粒径の大きい触媒担持体側で少なくなるように、触媒担持体の積層方向に沿って変えることによって、電極触媒層の空孔構造を固体高分子電解質膜側よりGDL側で大きくすることが図られている。このような構造をとることにより、膜側での水素イオンの伝導性を高め、GDL側で反応ガスの拡散透過性を高めることができることが記載されている(例えば、特許文献6 段落「0020」)。また、同様にして、特許文献7でも、触媒担持カーボンの量に対し高分子電解質(イオノマー)の量が、固体高分子電解質膜側からGDL側(外側)に掛けてほぼ一定であって、密度の大きい(空孔率の小さい)触媒層が前記固体高分子電解質膜側に、密度の小さい(空孔率の大きい)触媒層が前記GDL側(外側)となるよう積層することによって、電極触媒層の空孔構造を前記固体高分子電解質膜側より前記GDL側で大きくすることが図られている。
アノードやカソード触媒層における上記した反応1や2の円滑化および活発化には、電極触媒層における触媒と高分子電解質の界面の増大や界面形成の均一化のほかに、電極触媒層における反応ガスの拡散・透過性とプロトンの伝導性、さらに、生成水の拡散や除去などが不可欠である。しかし、上記特許文献1〜7で提案された燃料電池では、電極触媒層において触媒担持カーボンが高分子電解質に平均的に分散され、平均的な空孔構造が形成されているあるいは空孔構造が電解質膜よりGDL側で大きい構造となっているため、次のような問題点が挙げられる。すなわち、図1に示されるように、カソード触媒層の高分子電解質膜側(図中の「Membrane」側)は、アノード極からプロトン(H+)とともに拡散してきた水と、カソード極の反応で生成した水により、非常に湿潤状態にあるため、平均的な空孔構造が形成されると高分子電解質の膨潤度合いが大きく反応ガスの拡散性低下が大きくなる。一方、カソード電極触媒層のGDL膜側は、加湿した反応ガス(O2ガス)が供給されるが、固体高分子電解質膜側よりも乾燥状態にあるため、平均的な空孔構造が形成されると高分子電解質の膨潤度合いは小さく、プロトンの伝導性低下が大きくなる。
For smoothening and activating the
また、触媒担持体(触媒担持カーボン)と高分子電解質で構成される電極触媒層では、高分子電解質は隣接する触媒担持体間の間隙に介在し、触媒担持体は、この高分子電解質によりバインドされたような状態で存在する。このため、電極触媒層の高分子電解質量を増やせば、触媒担持体間の間隙に介在する高分子電解質量が増大する。よって、高分子電解質量が増えるほど、電極触媒層における触媒担持体間の空隙が小さくなり、反応ガスの拡散透過性は低下する反面、電極触媒層におけるプロトンの伝導性は高まる。一方、高分子電解質量を少なくすれば、触媒担持体間の空隙が大きくなって反応ガスの拡散・透過性は高まる反面、プロトンの伝導性は低くなる。つまり、反応ガスの拡散透過性とプロトンの伝導性とは、背反する特性である。 Also, in an electrode catalyst layer composed of a catalyst carrier (catalyst-carrying carbon) and a polymer electrolyte, the polymer electrolyte is interposed in the gap between adjacent catalyst carriers, and the catalyst carrier is bound by this polymer electrolyte. It exists in the state that was done. For this reason, if the polymer electrolysis mass of the electrode catalyst layer is increased, the polymer electrolysis mass interposed in the gap between the catalyst carriers increases. Therefore, as the polymer electrolysis mass increases, the gap between the catalyst carriers in the electrode catalyst layer decreases, and the diffusion permeability of the reaction gas decreases, but the proton conductivity in the electrode catalyst layer increases. On the other hand, if the polymer electrolysis mass is reduced, the gap between the catalyst supports increases and the diffusion / permeability of the reaction gas increases, but the proton conductivity decreases. That is, the diffusion permeability of the reaction gas and the proton conductivity are contradictory characteristics.
また、カソードでは、電極触媒層内の触媒と高分子電解質との界面で上記反応2により、水(H2O)が生成する。この生成水の一部は、高分子電解質のクラスター内を拡散し電極触媒層と固体高分子電解質膜との界面に至り、固体高分子電解質膜のカソード側からアノード側に逆拡散水として移動する。一方、生成水の一部は、高分子電解質のクラスター内を拡散し電極触媒層とGDLとの界面に至り、GDLの電極触媒層側からセパレーター側に排出される。この際、電極触媒層における触媒担持カーボン間の空隙に生成水が多量に滞留すると、反応ガスの拡散・透過性が低下(フラッディング)し、発電性能が低下する。 At the cathode, water (H 2 O) is generated by the reaction 2 at the interface between the catalyst and the polymer electrolyte in the electrode catalyst layer. Part of this generated water diffuses in the polymer electrolyte cluster, reaches the interface between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane, and moves as back diffusion water from the cathode side to the anode side of the solid polymer electrolyte membrane. . On the other hand, part of the generated water diffuses in the cluster of the polymer electrolyte, reaches the interface between the electrode catalyst layer and the GDL, and is discharged from the electrode catalyst layer side of the GDL to the separator side. At this time, if a large amount of generated water stays in the gaps between the catalyst-supporting carbons in the electrode catalyst layer, the diffusion / permeability of the reaction gas decreases (flooding), and the power generation performance decreases.
さらに、平均的な空孔構造あるいは電解質膜よりGDL側で大きい空孔構造の電極触媒層を有する電解質膜−電極接合体においては、カソードの電極反応は、電極触媒層のGDL側(外側)より固体高分子電解質膜側(内側)で著しく進行する(図1中の点線で囲まれた範囲内)ため、内側では、担体であるカーボンの酸化的腐食や触媒である白金の溶出が起こり易く、長期間の使用で経時的に発電性能が低下する要因となっている。上記に加えて、カソードの電極反応が電極触媒層の外側より内側で著しく進行すると、反応が進むにつれ、内側では反応ガス不足に、外側ではプロトン不足に陥り、触媒の利用効率が低くなり電池性能を十分に発現できない。 Further, in an electrolyte membrane-electrode assembly having an electrode catalyst layer having an average pore structure or a pore structure larger on the GDL side than the electrolyte membrane, the cathode electrode reaction is caused from the GDL side (outside) of the electrode catalyst layer. Since it progresses remarkably on the solid polymer electrolyte membrane side (inside) (within the range surrounded by the dotted line in FIG. 1), on the inside, oxidative corrosion of carbon as a carrier and elution of platinum as a catalyst are likely to occur. It is a factor that power generation performance deteriorates over time after long-term use. In addition to the above, when the cathode electrode reaction proceeds significantly inside the electrode catalyst layer from the outside, as the reaction proceeds, the reaction gas runs short on the inside and the proton runs short on the outside. Cannot be fully expressed.
すなわち、上記特許文献1〜7に記載される従来の燃料電池の電極触媒層では、平均的な空孔構造あるいは電解質膜よりGDL側で大きい空孔構造が形成されるため、反応ガスの拡散・透過性は、電極触媒層の外側から内側にわたって低下し、換言すれば、層の内側から外側にわたって一律な反応ガスの拡散透過性により、固体高分子電解質膜側(内側)への反応ガスの拡散速度が制約される。また、上記特許文献1〜7に記載される従来の電極触媒層では、平均的な空孔構造あるいは電解質膜よりGDL側で大きい空孔構造が形成されるため、プロトンの伝導性や生成水の排出特性は電極触媒層の内側から外側にわたって低下し、換言すれば、層の内側から外側にわたって一律なプロトンの伝導性や生成水の排出特性により、ガス拡散電極(外側)へのプロトンや生成水の拡散速度が制約される。さらに、電極触媒層において触媒担持カーボンが高分子電解質に平均的に分散され、平均的な空孔構造が形成されていた従来の燃料電池、または空孔構造が電解質膜よりGDL側で大きくなるように形成されていた従来の燃料電池では、高分子電解質量の増減により、上記したように反応ガスの拡散・透過性とプロトンの伝導性と生成水の排出特性とが変化する。このため、電極触媒層において好適な反応ガスの拡散・透過性とプロトンの伝導性と生成水の排出特性とをすべて両立させることは困難であり、電池性能の向上の余地が残されている。
That is, in the electrode catalyst layer of the conventional fuel cell described in
このため、反応ガスの拡散透過性とプロトンの伝導性と生成水の排出特性とについて、電極触媒層の内側と外側で高低をつけることができず、電極触媒層における触媒利用の効率が低く電池性能の更なる向上が阻害されていた。この点からも電池性能の向上の余地が残されている。 For this reason, the diffusion permeability of the reaction gas, the conductivity of protons, and the discharge characteristics of the generated water cannot be increased or decreased on the inside and outside of the electrode catalyst layer, and the efficiency of using the catalyst in the electrode catalyst layer is low. Further improvement in performance was hindered. This also leaves room for improvement in battery performance.
したがって、本発明は、上記問題点を解決し、電池性能の更なる向上を図ると共に、高い電池性能を有する燃料電池の簡便な電極触媒層構造、および当該電極触媒層を有する電解質膜−電極接合体を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention solves the above-described problems, further improves battery performance, and provides a simple electrode catalyst layer structure for a fuel cell having high battery performance, and an electrolyte membrane-electrode junction having the electrode catalyst layer. The purpose is to provide a body.
本発明の他の目的は、発電性能に加えて耐久性に優れる電極触媒層構造、および当該電極触媒層を有する電解質膜−電極接合体を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide an electrode catalyst layer structure that is excellent in durability in addition to power generation performance, and an electrolyte membrane-electrode assembly having the electrode catalyst layer.
本発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討を行なった結果、MEAの性能及び耐久性を改善するには、電極触媒層内の物質輸送特性(特に、H2O,H+,O2の拡散性や移動特性)を考慮した設計が重要であることに着目した。その結果、これらの電極触媒層内の物質輸送特性は、空孔率,空孔分布,空孔量などの空孔構造に依存することが判明した。このため、電極触媒層の空孔構造について鋭意検討を行なった結果、電極触媒層の空孔構造は、(ア)反応ガスの拡散透過性の観点からは、反応ガスを電極触媒層の外側(GDL側)より内側(固体高分子電解質膜側)に速やかに拡散透過させるため、外側より内側で高いことが望ましい;(イ)上記(ア)に対して、プロトンの伝導性は、プロトンを電極触媒層の内側より外側に速やかに移動(拡散)させるため、内側より外側で高いことが望ましい;(ウ)生成水の排出特性は、生成水を電極触媒層の内側より固体高分子電解質膜を透過させカソード側からアノード側に速やかに移動(排出)させるため、外側より内側で高いことが望ましい;(エ)一律なプロトンの伝導性により、GDL側(外側)へのプロトンの伝導速度が制約されるため、内側より外側で高いことが望ましいことが判明した。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventor has found that in order to improve the performance and durability of the MEA, the material transport characteristics (in particular, H 2 O, H + , O in the electrode catalyst layer). design for diffusive and transfer characteristics of 2) by noting is important. As a result, it was found that the material transport characteristics in these electrocatalyst layers depend on the pore structure such as the porosity, the pore distribution, and the amount of pores. For this reason, as a result of intensive studies on the pore structure of the electrode catalyst layer, the pore structure of the electrode catalyst layer is: (a) From the viewpoint of diffusion permeability of the reaction gas, the reaction gas is placed outside the electrode catalyst layer ( In order to quickly diffuse and permeate from the GDL side) to the inner side (solid polymer electrolyte membrane side), it is desirable that the inner side is higher than the outer side; In order to move (diffuse) quickly from the inside of the catalyst layer to the outside, it is desirable that it is high outside the inside; (c) The discharge characteristic of the produced water is higher than that inside the electrode catalyst layer. In order to permeate and quickly move (discharge) from the cathode side to the anode side, it is desirable that it is higher on the inner side than the outer side; (iv) Uniform proton conductivity limits the proton conduction rate to the GDL side (outer side) Is Therefore, it was found that it is preferably higher in the outer than the inner.
本発明者は、上記(ア)〜(エ)をバランスよく満足させることを目的としてさらに鋭意検討を行なった結果、プロトンの選択透過性を有する高分子電解質膜に、触媒担持体(触媒担持カーボン粒子)を積層してなるアノードおよびカソードの電極触媒層を密着させ、該固体高分子電解質膜を該電極触媒層を介在させて一対のガス拡散層で挟持した燃料電池であって、前記電極触媒層が、触媒担持カーボンが高分子電解質でバインドされた状態で構成される空孔構造(空孔径、空孔容積、空孔率)が異なる少なくとも2以上の層からなり、空孔構造大の触媒層が高分子電解質膜側に、空孔構造小の触媒層がGDL側となるよう積層することによって、発電性能及び耐久性双方に優れる電解質膜−電極接合体が得られることを知得した。すなわち、図2に示されるように、電極触媒層の電解質膜側は、GDL側に比して、空孔径あるいは空孔量が大きくなり、液水保持能力が高い構造となるため、電解質膜界面付近の生成水は、液相による逆拡散で電解質膜のカソード面からアノード面に移動し易い。このため、このような空孔構造を有する電解質膜−電極接合体は、発電性能を改善できると同時に、カーボン等の腐食劣化や白金等の触媒金属の溶出劣化を抑制することができ、耐久性をも改善できることが分かった。また、上記電極触媒層の空孔構造において、空孔径及び空孔量を所望の範囲とすると、触媒層の電解質膜側では、反応ガス(O2)の輸送特性(ガス拡散性)、即ち、O2利用効率を向上することにより、発電性能を改善できることも分かった。 As a result of further intensive studies aimed at satisfying the above (a) to (d) in a well-balanced manner, the present inventors have found that a catalyst carrier (catalyst-carrying carbon) is attached to a polymer electrolyte membrane having proton permselectivity. A fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between a pair of gas diffusion layers with the electrode catalyst layer interposed therebetween, wherein the electrode catalyst layer is formed by laminating the anode and cathode electrode catalyst layers. The layer is composed of at least two layers having different pore structures (pore diameter, pore volume, porosity) constituted by a catalyst-supported carbon bound with a polymer electrolyte, and a catalyst having a large pore structure. It was found that an electrolyte membrane-electrode assembly excellent in both power generation performance and durability can be obtained by laminating the layer on the polymer electrolyte membrane side and the catalyst layer having a small pore structure on the GDL side. That is, as shown in FIG. 2, the electrolyte membrane side of the electrode catalyst layer has a structure with a larger pore diameter or pore volume and a higher liquid water retention capacity than the GDL side, so that the electrolyte membrane interface The nearby generated water tends to move from the cathode surface of the electrolyte membrane to the anode surface by back diffusion due to the liquid phase. For this reason, the electrolyte membrane-electrode assembly having such a pore structure can improve the power generation performance, and at the same time, can suppress the corrosion deterioration of carbon and the like and the elution deterioration of catalyst metal such as platinum and the durability. It has been found that can also be improved. Further, in the pore structure of the electrode catalyst layer, assuming that the pore diameter and the amount of pores are in a desired range, on the electrolyte membrane side of the catalyst layer, the reaction gas (O 2 ) transport characteristics (gas diffusibility), that is, It has also been found that the power generation performance can be improved by improving the O 2 utilization efficiency.
また、本発明に係る電極触媒層の空孔構造を形成するために、触媒担持カーボンが高分子電解質溶液に平均的に分散された電極触媒層形成用ペーストを用いることを試みた。ここで、電極触媒層形成用ペーストは、触媒担持カーボンと高分子電解質溶液と有機溶媒および水(純水)の所定量を混合し平均的に分散させて調製される。一般的には、これらの分散工程では、各種粉砕装置を用い混合と粉砕が同時に行われ、さらに、該触媒担持カーボンの粒径分布の調整も図られる。また、触媒担持体(触媒担持カーボン粒子)においては、カーボンの1次粒子が密な凝集体を形成しているため、該分散工程において1次粒子にまで凝集体を粉砕することは非常に困難である。したがって、該触媒担持カーボンの粒径分布は、カーボン粒子の凝集体(2次粒子)の粒径と粒径分布によって決まるが、該カーボン粒子の凝集体(2次粒子)は大小の凝集体によって形成されるため、粒径分布が広く、また、単一な粒径に制御することは非常に難しい。該カーボン粒子凝集体に粒径分布があるため、触媒担持カーボンが高分子電解質でバインドされた状態で構成される空孔構造は、大きい凝集体間の間隔を占める小さい凝集体量や高分子電解質量によっても変化する。触媒担持カーボン粒子凝集体の粒径大と粒径小が混在する場合は、小さい凝集体量が多ければ隣接する大きい凝集体間の間隔を占める小さい凝集体量も増えて、触媒担持カーボン粒子間の空隙は小さくなり、小さい凝集体量が少なければ間隙を占める小さい凝集体量も少なくなって、触媒担持カーボン粒子間の空隙は大きくなることを知得した。すなわち、当該方法によると、粒径大と粒径小の触媒担持カーボン粒子凝集体とを別々に用いなくても、従来の触媒担持カーボン粒子凝集体の粒径分布を変更することで、触媒担持カーボン粒子間の空隙の制御を図ることができる。 In addition, in order to form the pore structure of the electrode catalyst layer according to the present invention, an attempt was made to use an electrode catalyst layer forming paste in which catalyst-supported carbon is averagely dispersed in a polymer electrolyte solution. Here, the electrode catalyst layer forming paste is prepared by mixing a predetermined amount of catalyst-supporting carbon, a polymer electrolyte solution, an organic solvent and water (pure water) and dispersing them on average. In general, in these dispersion steps, mixing and pulverization are simultaneously performed using various pulverizers, and the particle size distribution of the catalyst-supported carbon is also adjusted. Further, in the catalyst support (catalyst-supported carbon particles), the primary particles of carbon form a dense aggregate, and therefore it is very difficult to pulverize the aggregate to the primary particles in the dispersion step. It is. Therefore, the particle size distribution of the catalyst-supporting carbon is determined by the particle size and particle size distribution of the carbon particle aggregates (secondary particles). The carbon particle aggregates (secondary particles) are formed by large and small aggregates. Since it is formed, the particle size distribution is wide, and it is very difficult to control to a single particle size. Since the carbon particle aggregate has a particle size distribution, the pore structure constituted by the catalyst-supported carbon bound with the polymer electrolyte has a small aggregate amount and a polymer electrolyte that occupy the space between the large aggregates. It varies depending on the amount. When the large particle size and small particle size of the catalyst-supported carbon particle aggregates are mixed, the larger the amount of small aggregates, the larger the amount of small aggregates that occupy the space between adjacent large aggregates. It has been found that if the amount of small aggregates is small, the amount of small aggregates occupying the gap is also small, and the voids between the catalyst-supporting carbon particles are large. That is, according to the method, the catalyst-carrying carbon particle aggregates can be changed by changing the particle size distribution of the conventional catalyst-carrying carbon particle aggregates without using a large particle size and a small particle size catalyst-carrying carbon particle aggregate separately. It is possible to control the voids between the carbon particles.
一方、触媒担持カーボン粒子を被覆した高分子電解質同士の接触の度合いは、隣接する触媒担持カーボン粒子間の間隔を占める高分子電解質量によっても変化する。このため、高分子電解質量が多ければ隣接する触媒担持カーボン粒子間の間隔を占める高分子電解質量も増えて、触媒担持カーボン粒子間の空隙は小さくなり、高分子電解質量が少なければ間隙を占める高分子電解質量も少なくなり、触媒担持カーボン粒子間の空隙は大きくなることをも知得した。さらに、上記触媒担持カーボン粒子凝集体の粒径分布の変更に加え、高分子電解質量を増減することで、さらに、触媒担持カーボン粒子間の空隙の制御を図ることができることをも知得した。 On the other hand, the degree of contact between polymer electrolytes coated with catalyst-carrying carbon particles also varies depending on the polymer electrolysis mass that occupies the interval between adjacent catalyst-carrying carbon particles. For this reason, if the polymer electrolysis mass is large, the polymer electrolysis mass occupying the space between adjacent catalyst-carrying carbon particles also increases, the gap between the catalyst-carrying carbon particles is small, and if the polymer electrolysis mass is small, the gap is occupied. It has also been found that the polymer electrolysis mass is reduced and the gap between the catalyst-supporting carbon particles is increased. Furthermore, in addition to the change in the particle size distribution of the catalyst-carrying carbon particle aggregates, it has also been found that the voids between the catalyst-carrying carbon particles can be further controlled by increasing or decreasing the polymer electrolysis mass.
したがって、上記したような空孔構造を有する電解質膜−電極接合体は、触媒担持カーボン粒子凝集体の粒径と粒径分布および高分子電解質量を変えることによって、電極触媒層における触媒担持カーボン粒子間の空隙を容易に制御することができ、該電極触媒層における触媒担持体(触媒担持カーボン粒子)間の空隙をガス拡散層側より高分子電解質膜側で大きくして、反応ガスの拡散透過性を高分子電解質膜側で高めることができることが分かった。一方、高分子電解質量については、高分子電解質膜側よりガス拡散層側で多くすることによって、プロトンの伝導性をガス拡散層側で高めることができることが分かった。 Therefore, the electrolyte membrane-electrode assembly having the pore structure as described above is obtained by changing the particle size and particle size distribution of the catalyst-carrying carbon particle aggregate and the polymer electrolysis mass, so that the catalyst-carrying carbon particles in the electrode catalyst layer are changed. The gap between the catalyst supports (catalyst-supported carbon particles) in the electrode catalyst layer can be made larger on the polymer electrolyte membrane side than on the gas diffusion layer side, so that the reaction gas is diffused and permeated. It was found that the property can be improved on the polymer electrolyte membrane side. On the other hand, it was found that the proton conductivity can be increased on the gas diffusion layer side by increasing the polymer electrolysis mass on the gas diffusion layer side than on the polymer electrolyte membrane side.
上記知見に基づいて、本発明を完成するに至った。 Based on the above findings, the present invention has been completed.
すなわち、上記目的は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の側に配置された、カソード触媒層と、前記電解質膜の他方の側に配置された、アノード触媒層と、前記カソード触媒層に配置されたカソード側ガス拡散層と、前記アノード触媒層に配置されたアノード側ガス拡散層と、を有する、電解質膜−電極接合体において、前記カソード触媒層およびアノード触媒層の少なくとも一方の触媒層が、電解質膜側の触媒層の空孔構造がガス拡散層側の触媒層の空孔構造よりも大きくなるような、空孔構造が異なる複数の触媒層を積層した構造を有する、電解質膜−電極接合体によって達成される。 That is, the object is to place the electrolyte membrane, the cathode catalyst layer disposed on one side of the electrolyte membrane, the anode catalyst layer disposed on the other side of the electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer. In the electrolyte membrane-electrode assembly, comprising at least one of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, the cathode-side gas diffusion layer and the anode-side gas diffusion layer disposed on the anode catalyst layer. An electrolyte membrane-electrode having a structure in which a plurality of catalyst layers having different pore structures are stacked such that the pore structure of the catalyst layer on the electrolyte membrane side is larger than the pore structure of the catalyst layer on the gas diffusion layer side Achieved by the joined body.
本発明の電解質膜−電極接合体は、発電性能および耐久性に優れる。 The electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention is excellent in power generation performance and durability.
本発明の第一は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の側に配置された、カソード触媒層と、前記電解質膜の他方の側に配置された、アノード触媒層と、前記カソード触媒層に配置されたカソード側ガス拡散層と、前記アノード触媒層に配置されたアノード側ガス拡散層と、を有する、電解質膜−電極接合体において、前記カソード触媒層およびアノード触媒層の少なくとも一方の触媒層が、電解質膜側の触媒層の空孔構造がガス拡散層側の触媒層の空孔構造よりも大きくなるような、空孔構造が異なる複数の触媒層を積層した構造を有する、電解質膜−電極接合体に関する。電解質膜界面付近の生成水は、液相による逆拡散により電解質膜のカソード面からアノード面に移動し易い。このため、本発明によるように、電解質膜側の触媒層の空孔構造をガス拡散層側の触媒層の空孔構造(例えば、空孔径、空孔率、空孔量)より大きくすることによって、電極触媒層の電解質膜側を、液水の保持能力の高い構造、即ち、空孔構造に液水を多量に保持できる構造とすることができる。このため、電極触媒層の電解質膜側では、触媒層を構成する高分子電解質(イオノマー)中に多く保持された水の存在により、アノード側で生成したプロトンがGDL側深くまでより良好に移動できる。このため、カソード反応が、電解質膜とカソード触媒層との界面領域で集中せず、触媒層の全厚み方向に対して均一に起こることが可能になる。一方、GDL界面付近の生成水は、気相による拡散により触媒層側からGDL側に移動し易い。このため、本発明によるように、GDL側の触媒層の空孔構造を、電解質膜側の触媒層の空孔構造(空孔率/量)より小さくすることによって、高分子電解質内の保水量の高い構造、即ち、イオノマークラスターに液水を保持できる構造が可能になる。 The first of the present invention is an electrolyte membrane, a cathode catalyst layer disposed on one side of the electrolyte membrane, an anode catalyst layer disposed on the other side of the electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer. In an electrolyte membrane-electrode assembly, comprising: a cathode side gas diffusion layer disposed; and an anode side gas diffusion layer disposed in the anode catalyst layer, at least one of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer However, the electrolyte membrane has a structure in which a plurality of catalyst layers having different pore structures are stacked such that the pore structure of the catalyst layer on the electrolyte membrane side is larger than the pore structure of the catalyst layer on the gas diffusion layer side. The present invention relates to an electrode assembly. The generated water in the vicinity of the electrolyte membrane interface is likely to move from the cathode surface to the anode surface of the electrolyte membrane by back diffusion due to the liquid phase. Therefore, according to the present invention, by making the pore structure of the catalyst layer on the electrolyte membrane side larger than the pore structure of the catalyst layer on the gas diffusion layer side (for example, the pore diameter, the porosity, the amount of pores). The electrolyte membrane side of the electrode catalyst layer can have a structure having a high liquid water holding capacity, that is, a structure capable of holding a large amount of liquid water in the pore structure. For this reason, on the electrolyte membrane side of the electrode catalyst layer, protons generated on the anode side can move better deeply to the GDL side due to the presence of water held in the polymer electrolyte (ionomer) constituting the catalyst layer. . For this reason, the cathode reaction does not concentrate in the interface region between the electrolyte membrane and the cathode catalyst layer, and can occur uniformly in the entire thickness direction of the catalyst layer. On the other hand, the generated water near the GDL interface easily moves from the catalyst layer side to the GDL side due to diffusion by the gas phase. Therefore, as in the present invention, the water retention amount in the polymer electrolyte is reduced by making the pore structure of the catalyst layer on the GDL side smaller than the pore structure (porosity / amount) of the catalyst layer on the electrolyte membrane side. High structure, that is, a structure capable of holding liquid water in the ionomer cluster.
また、特にカソード触媒層側では、反応ガス(O2)は、ガス拡散抵抗がGDL側から電解質膜側に向かって大きくなる。このため、上記したような電解質膜側とGDL側の空孔構造をとることによって、フラッディング減少を抑制しつつ、ガス拡散性を改善でき、ゆえにGDL付近でも反応(O2+4H++4e−→2H2O)が効率よく進行できる。特に、高分子電解質量をGDL側が大きくなるように配置することによって、GDL側のプロトン伝導性が向上し、上記効果を顕著に達成することができる。一方、プロトン(H+)は、プロトン移動抵抗が電解質膜側からGDL側に向かって大きくなる。このため、上記したような電解質膜側とGDL側の空孔構造をとることによって、GDL側でのプロトン移動性を良好に確保でき、ゆえにGDL付近でも反応(O2+4H++4e−→2H2O)が効率よく進行できる。特に、高分子電解質量またはイオン交換容量をGDL側が大きくなるように配置することによって、GDL側のプロトン伝導性が向上できるため、上記効果をより顕著に達成することができる。 In particular, on the cathode catalyst layer side, the reaction gas (O 2 ) has a gas diffusion resistance that increases from the GDL side toward the electrolyte membrane side. Therefore, by taking the pore structure of the electrolyte membrane side, such as described above and GDL side, while suppressing the flooding reduced, can improve gas diffusivity, hence the reaction even in the vicinity of GDL (O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O) can proceed efficiently. In particular, by arranging the polymer electrolysis mass so that the GDL side becomes larger, the proton conductivity on the GDL side is improved, and the above effect can be achieved remarkably. On the other hand, proton (H + ) has a proton transfer resistance that increases from the electrolyte membrane side toward the GDL side. Therefore, by taking the pore structure of the electrolyte, such as the membrane side and GDL side, it can favorably ensure the proton mobility in GDL side, hence the reaction even in the vicinity of GDL (O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O) can proceed efficiently. In particular, the proton conductivity on the GDL side can be improved by arranging the polymer electrolysis mass or ion exchange capacity so as to increase on the GDL side, so that the above effect can be achieved more remarkably.
上記利点に加えて、本発明によると、電極触媒層の空孔構造を、均一な構造で、空孔率/量を制御できるため、クラックなどによる不均一な構造(分布)を抑制でき、優れたネットワーク構造をとることができる。 In addition to the above advantages, according to the present invention, the pore structure of the electrode catalyst layer is a uniform structure, and the porosity / amount can be controlled, so that a non-uniform structure (distribution) due to cracks and the like can be suppressed. Network structure.
以下、本発明をより詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
本発明において、カソード触媒層およびアノード触媒層の少なくとも一方の触媒層(以下、単に「電極触媒層」とも称する)が、電解質膜側の触媒層の空孔構造がガス拡散層側の触媒層の空孔構造よりも大きいことが必須の構成要件である。なお、本発明では、カソード触媒層およびアノード触媒層の少なくとも一方の触媒層が上記したような空孔構造の異なる積層からなればよいが、プロトン伝導性の向上、反応ガス(特にO2)の輸送特性(ガス拡散性)の向上の必要性などを考慮すると、少なくともカソード触媒層が、電解質膜側の触媒層の空孔構造がガス拡散層側の触媒層の空孔構造よりも大きくなるような、複数の空孔構造が異なる触媒層を積層した構造を有することが好ましい。以下、本発明の実施の形態を、カソード触媒層が電解質膜側の触媒層の空孔構造がガス拡散層側の触媒層の空孔構造よりも大きい場合についてその効果/機能について主に詳細に説明するが、本発明は、カソード触媒層に限定されるものではなく、アノード触媒層についても同様の定義が適用される。 In the present invention, at least one of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer (hereinafter also simply referred to as “electrode catalyst layer”) has a pore structure of the catalyst layer on the electrolyte membrane side of the catalyst layer on the gas diffusion layer side. It is an essential constituent requirement that it is larger than the pore structure. In the present invention, it is sufficient that at least one of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer has a layered structure with different pore structures as described above. However, the proton conductivity is improved, the reaction gas (especially O 2 ) Considering the necessity of improving transport properties (gas diffusibility), at least the cathode catalyst layer is such that the pore structure of the catalyst layer on the electrolyte membrane side is larger than the pore structure of the catalyst layer on the gas diffusion layer side. It is preferable to have a structure in which a plurality of catalyst layers having different pore structures are stacked. Hereinafter, the embodiment of the present invention will be mainly described in detail for the effect / function when the cathode catalyst layer has a larger pore structure of the catalyst layer on the electrolyte membrane side than the pore structure of the catalyst layer on the gas diffusion layer side. As will be described, the present invention is not limited to the cathode catalyst layer, and the same definition applies to the anode catalyst layer.
本発明に係る空孔構造の形態は、電解質膜側の触媒層の空孔構造をガス拡散層側の触媒層の空孔構造よりも大きくすることができる限り、特に制限されない。具体的には、(i)電解質膜側の触媒層の空孔径[D1(nm)]が、ガス拡散層側の触媒層の空孔径[D2(nm)]より大きく(D1>D2)、かつ電解質膜側の触媒層の空孔量[V1(cm3/g)]が、ガス拡散層側の触媒層の空孔量[V2(cm3/g)]より大きい(V1>V2)構造とする;(ii)電解質膜側の触媒層の空孔率[X1(%)]が、ガス拡散層側の触媒層の空孔率[X2(%)]より大きい(X1>X2)構造とする;(iii)電解質膜側の触媒層の高分子電解質量[B1(g/cm3)]が、ガス拡散層側の触媒層の高分子電解質量[B2(g/cm3)]と同等以下(B1≦B2)となる構造とする、などが好ましく挙げられる。 The form of the pore structure according to the present invention is not particularly limited as long as the pore structure of the catalyst layer on the electrolyte membrane side can be made larger than the pore structure of the catalyst layer on the gas diffusion layer side. Specifically, (i) the pore diameter [D1 (nm)] of the catalyst layer on the electrolyte membrane side is larger than the pore diameter [D2 (nm)] of the catalyst layer on the gas diffusion layer side (D1> D2), and A structure in which the amount of pores [V1 (cm 3 / g)] of the catalyst layer on the electrolyte membrane side is larger than the amount of pores [V2 (cm 3 / g)] of the catalyst layer on the gas diffusion layer side (V1> V2) (Ii) The porosity [X1 (%)] of the catalyst layer on the electrolyte membrane side is larger than the porosity [X2 (%)] of the catalyst layer on the gas diffusion layer side (X1> X2). (Iii) The polymer electrolysis mass [B1 (g / cm 3 )] of the catalyst layer on the electrolyte membrane side is equal to or less than the polymer electrolysis mass [B2 (g / cm 3 )] of the catalyst layer on the gas diffusion layer side; A structure that satisfies (B1 ≦ B2) is preferable.
特に上記(i)〜(iii)の構成をとることによって、以下の利点が得られる。 In particular, the following advantages can be obtained by adopting the configurations (i) to (iii).
電解質膜界面付近の生成水は、液相による逆拡散により電解質膜のカソード面からアノード面に移動し易い。このため、電極触媒層の電解質膜側に、(i)〜(iii)の構成をとることによって、液水の保持能力の高い構造(空孔構造に液水を多量に保持できる構造)として、電解質膜界面付近に生成した水を、スムーズに液相による逆拡散により電解質膜のカソード面からアノード面に移動することができる。また、電解質膜側の触媒層内の高分子電解質は、液水量が多いので膨潤の度合いが大きいため、(i)〜(iii)の構成をとることによって、電解質膜側の触媒層内の高分子電解質量が少なくとも、高分子電解質が膨潤して、高分子電解質と活性種(貴金属/貴金属合金)と反応ガス(酸素または水素)との3相界面を維持することができる。一方、GDL界面付近の生成水は、気相による拡散で触媒層側からミル層/GDL側に移動し易い。このため、(i)〜(iii)の構成をとることによって、電極触媒層の電解質膜側の電極触媒層では、高分子電解質内の保水量の高い構造(イオノマークラスターに液水を保持できる構造)をとることができる。 The generated water in the vicinity of the electrolyte membrane interface is likely to move from the cathode surface to the anode surface of the electrolyte membrane by back diffusion due to the liquid phase. For this reason, by taking the structure of (i)-(iii) on the electrolyte membrane side of the electrode catalyst layer, as a structure having a high liquid water retention capability (a structure capable of holding a large amount of liquid water in the pore structure), Water generated in the vicinity of the electrolyte membrane interface can be smoothly transferred from the cathode surface to the anode surface of the electrolyte membrane by reverse diffusion due to the liquid phase. In addition, since the polymer electrolyte in the catalyst layer on the electrolyte membrane side has a large amount of liquid water, the degree of swelling is large. Therefore, by adopting the configurations (i) to (iii), the polymer electrolyte in the catalyst layer on the electrolyte membrane side When the molecular electrolyte mass is at least, the polymer electrolyte swells, and the three-phase interface between the polymer electrolyte, the active species (noble metal / noble metal alloy), and the reaction gas (oxygen or hydrogen) can be maintained. On the other hand, the generated water near the GDL interface easily moves from the catalyst layer side to the mill layer / GDL side due to diffusion by the gas phase. Therefore, by adopting the configurations (i) to (iii), the electrode catalyst layer on the electrolyte membrane side of the electrode catalyst layer has a structure with a high water retention amount in the polymer electrolyte (a structure in which liquid water can be retained in the ionomer cluster). ).
また、反応ガス(O2)は、ガス拡散抵抗がGDL側から電解質膜側に向かって大きくなる。このため、(i)〜(iii)の構成をとることによって、空孔構造(例えば、空孔径、空孔率、空孔量)の勾配は、逆にGDL側から電解質膜側に向けて大きくなり、反応ガスの拡散性を改善することができる。 In addition, the reaction gas (O 2 ) has a gas diffusion resistance that increases from the GDL side toward the electrolyte membrane side. For this reason, by adopting the configurations (i) to (iii), the gradient of the pore structure (for example, the pore diameter, the porosity, and the amount of the pores) increases conversely from the GDL side toward the electrolyte membrane side. Thus, the diffusibility of the reaction gas can be improved.
さらに、プロトン(H+)は、プロトン移動抵抗が電解質膜側からGDL側に向かって大きくなる。このため、(i)〜(iii)、特に(iii)の構成をとることによって、高分子電解質量の勾配はGDL側から電解質膜側に向けて大きくなり、プロトン伝導性を有意に向上することができる。 Furthermore, proton (H + ) has a proton transfer resistance that increases from the electrolyte membrane side toward the GDL side. For this reason, by adopting the configurations (i) to (iii), particularly (iii), the gradient of the polymer electrolysis mass increases from the GDL side toward the electrolyte membrane side, and the proton conductivity is significantly improved. Can do.
上記利点に加えて、電極触媒層の空孔構造を、クラックなどの不均一な構造(分布)の少ない/存在しない、比較的均一な構造とすることが可能である。 In addition to the above advantages, the pore structure of the electrode catalyst layer can be a relatively uniform structure with little / no non-uniform structure (distribution) such as cracks.
上記(i)において、D1>D2およびV1>V2となるように、電解質膜側及びGDL側の空孔径及び空孔量を規定することによって、電極触媒層の電解質膜側は大きな空孔径及び空孔量を有するため、電解質膜側の反応ガス(特にO2)の輸送特性(ガス拡散性)を向上することができる。このため、電極触媒層全体のO2利用効率が有意に向上でき、その結果、反応(O2+4H++4e−→2H2O)が効率よく進行し、発電性能を改善できる。さらに、電極触媒層の電解質膜側は大きな空孔径及び空孔量を有すると、電解質膜側の触媒層が過剰の液水により高分子電解質の膨潤が大きい場合であっても、空孔構造の閉塞を抑制でき、反応ガス(O2)の輸送特性(ガス拡散性)を向上できるため、全触媒層にわたるO2利用効率がより有意に向上でき、その結果、反応(O2+4H++4e−→2H2O)が効率よく進行し、発電性能を改善できる。この際、D1、D2、V1及びV2は、上記関係を満たすものであれば特に制限されないが、電解質膜側の触媒層の空孔径[D1(nm)]は、好ましくは80〜200nmであり、より好ましくは80〜180nm、最も好ましくは80〜150nmである。ガス拡散層側の触媒層の空孔径[D2(nm)]は、好ましくは30〜80nmであり、より好ましくは30nm以上で80nm未満であり、さらにより好ましくは50nm以上で80nm未満である。また、D1及びD2は、D1の方がD2より大きければ(D1>D2)であれば、その大小の程度は特に制限されないが、好ましくは、D2に対するD1の比(D1/D2)が、1を超えて3以下、より好ましくは1を超えて2.5以下、最も好ましくは1を超えて2以下である。さらに、本発明に係る触媒層全体の平均空孔径[Dave(nm)]もまた、上記関係を満たすものであれば特に限定されないが、好ましくは60〜100nmである。さらに、電解質膜側の触媒層の空孔量[V1(cm3/g)]は、好ましくは0.5〜1.0cm3/gであり、より好ましくは0.5〜0.9cm3/g、最も好ましくは0.5〜0.8cm3/gである。ガス拡散層側の触媒層の空孔量[V2(cm3/g)]が、好ましくは0.3〜0.5cm3/gであり、より好ましくは0.3cm3/g以上で0.5cm3/g未満であり、さらにより好ましくは0.35cm3/g以上で0.5cm3/g未満である。
さらに、本発明に係る触媒層全体の平均空孔量[Vave(cm3/g)もまた、上記関係を満たすものであれば特に限定されないが、好ましくは0.4〜0.8cm3/gである。また、V1及びV2は、V1の方がV2より大きければ(V1>V2)であれば、その大小の程度は特に制限されないが、好ましくは、V2に対するV1の比(V1/V2)が、1を超えて3以下、より好ましくは1〜2.5、最も好ましくは1〜2である。空孔径及び空孔量が上記範囲内であれば、電極触媒層の空孔構造を、クラックなどの不均一な構造(分布)の少ない/存在しない、比較的均一な構造とすることが可能であり、また、電極触媒層の電解質膜側の液水保持能力を高く維持し、反応ガスの輸送特性に優れた構造とすることが可能である。
In (i) above, by defining the pore size and the amount of pores on the electrolyte membrane side and the GDL side so that D1> D2 and V1> V2, the electrolyte membrane side of the electrode catalyst layer has a large pore size and void. Since it has the amount of pores, the transport property (gas diffusibility) of the reaction gas (especially O 2 ) on the electrolyte membrane side can be improved. For this reason, the O 2 utilization efficiency of the entire electrode catalyst layer can be significantly improved, and as a result, the reaction (O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O) can proceed efficiently and the power generation performance can be improved. Furthermore, if the electrolyte membrane side of the electrode catalyst layer has a large pore diameter and amount of pores, even if the catalyst layer on the electrolyte membrane side has a large swelling of the polymer electrolyte due to excessive liquid water, Since clogging can be suppressed and the transport property (gas diffusibility) of the reaction gas (O 2 ) can be improved, the O 2 utilization efficiency over the entire catalyst layer can be significantly improved. As a result, the reaction (O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O) can proceed efficiently and power generation performance can be improved. At this time, D1, D2, V1 and V2 are not particularly limited as long as they satisfy the above relationship, but the pore diameter [D1 (nm)] of the catalyst layer on the electrolyte membrane side is preferably 80 to 200 nm. More preferably, it is 80-180 nm, Most preferably, it is 80-150 nm. The pore size [D2 (nm)] of the catalyst layer on the gas diffusion layer side is preferably 30 to 80 nm, more preferably 30 nm or more and less than 80 nm, and even more preferably 50 nm or more and less than 80 nm. D1 and D2 are not particularly limited as long as D1 is greater than D2 (D1> D2), but preferably the ratio of D1 to D2 (D1 / D2) is 1 Is more than 3, more preferably more than 1, more than 2.5, and most preferably more than 1, more than 2. Furthermore, the average pore diameter [Dave (nm)] of the entire catalyst layer according to the present invention is not particularly limited as long as it satisfies the above relationship, but is preferably 60 to 100 nm. Further, vacancy of the catalyst layer of the electrolyte membrane side [V1 (cm 3 / g) ] is preferably from 0.5 to 1.0 cm 3 / g, more preferably 0.5~0.9cm 3 / g, and most preferably 0.5 to 0.8 cm 3 / g. Pores of the gas diffusion layer side of the catalyst layer [V2 (cm 3 / g) ] is preferably 0.3~0.5cm 3 / g, 0 more preferably 0.3 cm 3 / g or more. less than 5 cm 3 / g, even more preferably less than 0.5 cm 3 / g at 0.35 cm 3 / g or more.
Further, the average pore volume [Vave (cm 3 / g) of the entire catalyst layer according to the present invention is not particularly limited as long as it satisfies the above relationship, but preferably 0.4 to 0.8 cm 3 / g. It is. V1 and V2 are not particularly limited as long as V1 is greater than V2 (V1> V2), but preferably the ratio of V1 to V2 (V1 / V2) is 1 Exceeding 3 and more preferably 1 to 2.5, most preferably 1 to 2. If the pore diameter and the amount of pores are within the above ranges, it is possible to make the pore structure of the electrode catalyst layer a relatively uniform structure with little or no non-uniform structure (distribution) such as cracks. In addition, it is possible to maintain a high liquid water holding capacity on the electrolyte membrane side of the electrode catalyst layer, and to have a structure excellent in reaction gas transport characteristics.
本発明において、空孔径及び空孔量は、水銀ポシトメトリ法を用いて測定される。水銀ポシトメトリ法は、どれくらいの圧力をかけたときに、どれくらいの大きさの孔に水銀が入っていくかを、理論的に計算する方法であり、かける圧力を連続的に増加させながら、水銀液面の表面の変化(つまり細孔への水銀侵入量)を検出することにより、試料表面の細孔の大きさとその体積が測定する方法である。具体的には、電解質膜の両面に本発明に係る電極触媒層を形成し、CCM(catalyst coated membrane)を作製する。このCCMを測定セルに投入し、この試料が投入された測定セルに水銀を充填し、セル内部を加圧し、その過程での水銀侵入容積(W1(cm3))を静電容量検出器で検知する。別途、CCMの代わりに、触媒層を形成する前の電解質膜単独について同様の操作を行ない、水銀侵入容積(W0(cm3))を検知する。このCCMの水銀侵入量と電解質膜の水銀侵入量との差(W1−W0)が電極触媒層の空孔容積であり、この空孔容積を触媒層に使用される触媒金属の質量(g)で除した値が、電極触媒層の空孔量である。また、空孔径が既知のものを用いて、検量線を別途作成し、電極触媒体の空孔量容積から空孔径が求められる。 In the present invention, the pore diameter and the amount of pores are measured using a mercury positometry method. The mercury positometry method is a method of theoretically calculating how much pressure is applied when mercury enters the pores. While increasing the applied pressure, the mercury solution This is a method of measuring the size and volume of pores on the sample surface by detecting changes in the surface of the surface (that is, the amount of mercury entering the pores). Specifically, the electrode catalyst layer according to the present invention is formed on both surfaces of the electrolyte membrane to produce a CCM (catalyst coated membrane). This CCM is put into a measurement cell, the measurement cell containing this sample is filled with mercury, the inside of the cell is pressurized, and the mercury intrusion volume (W1 (cm 3 )) in the process is measured by a capacitance detector. Detect. Separately, instead of CCM, the same operation is performed on the electrolyte membrane alone before forming the catalyst layer, and the mercury intrusion volume (W0 (cm 3 )) is detected. The difference (W1−W0) between the mercury penetration amount of the CCM and the mercury penetration amount of the electrolyte membrane is the pore volume of the electrode catalyst layer, and this pore volume is the mass (g) of the catalyst metal used in the catalyst layer. The value divided by is the amount of pores in the electrode catalyst layer. In addition, a calibration curve is separately prepared using a sample having a known pore diameter, and the pore diameter is obtained from the pore volume of the electrode catalyst body.
上記(ii)において、X1>X2となるように、電解質膜側及びGDL側の空孔率を規定することによって、上記(i)と同様にして、電極触媒層の電解質膜側の空孔率が大きいため、電解質膜側の反応ガス(特にO2)の輸送特性(ガス拡散性)を向上することができる。このため、電極触媒層全体のO2利用効率が有意に向上でき、その結果、反応(O2+4H++4e−→2H2O)が効率よく進行し、発電性能を改善できる。さらに、電極触媒層の電解質膜側は大きな空孔率を有すると、電解質膜側の触媒層が過剰の液水により高分子電解質の膨潤が大きい場合であっても、空孔構造の閉塞を抑制でき、反応ガス(O2)の輸送特性(ガス拡散性)を向上できるため、全触媒層にわたるO2利用効率がより有意に向上でき、その結果、反応(O2+4H++4e−→2H2O)が効率よく進行し、発電性能を改善できる。この際、X1及びX2は、上記関係を満たすものであれば特に制限されないが、電解質膜側の触媒層の空孔率[X1(%)]は、特に制限されず、触媒粒子(カーボン凝集体)の大きさ、触媒粒子と高分子電解質との組成や塗布方法などに依存するが、好ましくは50%〜80%であり、より好ましくは50〜70%、最も好ましくは50〜60%である。ガス拡散層側の触媒層の空孔率[X2(%)]もまた、特に制限されず、触媒粒子(カーボン凝集体)の大きさ、触媒粒子と高分子電解質との組成や塗布方法などに依存するが、好ましくは30%〜50%であり、より好ましくは30%以上で50%未満であり、さらにより好ましくは35%以上で50%未満であり、最も好ましくは40%以上で50%未満である。また、X1及びX2は、X1の方がX2より大きければ(X1>X2)、その大小の程度は特に制限されないが、好ましくは、X2に対するX1の比(X1/X2)が、1を超えて3以下、より好ましくは1〜2.5、最も好ましくは1〜2である。空孔率を上記範囲とすることで、電極触媒層の空孔構造を、クラックなどの不均一な構造(分布)の少ない/存在しない、比較的均一な構造とすることが可能であり、また、電極触媒層の電解質膜側の液水保持能力を高く維持し、反応ガスの輸送特性に優れた構造とすることが可能である。また、空孔率が上記範囲内であれば、電極触媒層の電解質膜側は、優れた液水保持能力を発揮でき、かつ反応ガスの輸送特性にも優れる。 In (ii) above, by defining the porosity of the electrolyte membrane side and the GDL side so that X1> X2, the porosity of the electrode catalyst layer on the electrolyte membrane side is the same as in (i) above. Therefore, the transport property (gas diffusibility) of the reaction gas (especially O 2 ) on the electrolyte membrane side can be improved. For this reason, the O 2 utilization efficiency of the entire electrode catalyst layer can be significantly improved, and as a result, the reaction (O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O) can proceed efficiently and the power generation performance can be improved. Furthermore, if the electrolyte membrane side of the electrode catalyst layer has a large porosity, even if the catalyst layer on the electrolyte membrane side has a large swelling of the polymer electrolyte due to excessive liquid water, the pore structure is blocked. In addition, since the transport property (gas diffusibility) of the reaction gas (O 2 ) can be improved, the O 2 utilization efficiency over the entire catalyst layer can be more significantly improved. As a result, the reaction (O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O) progresses efficiently and power generation performance can be improved. In this case, X1 and X2 are not particularly limited as long as they satisfy the above relationship, but the porosity [X1 (%)] of the catalyst layer on the electrolyte membrane side is not particularly limited, and catalyst particles (carbon aggregates) ), The composition of the catalyst particles and the polymer electrolyte, the coating method, etc., but preferably 50% to 80%, more preferably 50 to 70%, most preferably 50 to 60%. . The porosity [X2 (%)] of the catalyst layer on the gas diffusion layer side is also not particularly limited, and depends on the size of the catalyst particles (carbon aggregates), the composition of the catalyst particles and the polymer electrolyte, the coating method, and the like. Depending on, but preferably 30% to 50%, more preferably 30% or more and less than 50%, even more preferably 35% or more and less than 50%, most preferably 40% or more and 50%. Is less than. X1 and X2 are not particularly limited as long as X1 is larger than X2 (X1> X2), but preferably the ratio of X1 to X2 (X1 / X2) exceeds 1. 3 or less, more preferably 1 to 2.5, and most preferably 1 to 2. By setting the porosity to the above range, the pore structure of the electrode catalyst layer can be a relatively uniform structure with little / non-uniform structure (distribution) such as cracks, and In addition, it is possible to maintain a high liquid water holding capacity on the electrolyte membrane side of the electrode catalyst layer and to have a structure excellent in reaction gas transport characteristics. Moreover, if the porosity is in the above range, the electrolyte membrane side of the electrode catalyst layer can exhibit excellent liquid water retention ability and excellent reaction gas transport characteristics.
本発明において、「空孔率」とは、触媒層内の空隙の形成度合いを示す指標である。空孔率は、走査型電子顕微鏡(SEM)で触媒層の断面を観察し、画像処理により空隙部分の割合を算出することによって求められ、より具体的には、CCMを凍結割断して、Adobe社製PhotoshopやJtrimなどのソフトを用いて、触媒層の断面のSEM写真を画像処理して、触媒層断面中の黒色、白色を識別することによって、その割合を空孔率として算出する方法によって測定される。 In the present invention, “porosity” is an index indicating the degree of formation of voids in the catalyst layer. The porosity is obtained by observing a cross section of the catalyst layer with a scanning electron microscope (SEM) and calculating the ratio of the voids by image processing. More specifically, the CCM is frozen and cleaved, and Adobe is used. Using software such as Photoshop or Jtrim, image processing of SEM photographs of the cross section of the catalyst layer and identifying the black and white in the cross section of the catalyst layer, by calculating the ratio as porosity Measured.
上記(iii)において、B1≦B2となるように、電極触媒層内の高分子電解質量を規定することによって、従来プロトン伝導性の低かった電極触媒層のGDL側でのプロトン伝導性(プロトンの移動特性)を有意に向上することができ、反応効率が向上で、ゆえに発電性能を改善できる。また、GDL側の電極触媒層は、液水量が少ないため、高分子電解質の膨潤が小さい。このため、電極触媒層のGDL側の高分子電解質量を多くしても、空孔構造の閉塞(フラッディング)を抑制でき、発電性能を改善できる。この際、B1及びB2は、上記関係を満たすものであれば特に制限されないが、電解質膜側の触媒層の高分子電解質量[B1(g/cm3)]は、電解質膜側の触媒層の高分子電解質組成[B1’(wt%)]が、高分子電解質と電極触媒との合計質量に対して、好ましくは20〜40wt%であり、より好ましくは25〜40wt%、最も好ましくは30〜40wt%であるような量である。また、ガス拡散層側の触媒層の高分子電解質量[B2(g/cm3)]は、ガス拡散層側の触媒層の高分子電解質組成[B2’(wt%)]は、高分子電解質と電極触媒との合計質量に対して、好ましくは30〜50wt%であり、より好ましくは35〜50wt%、最も好ましくは40〜50wt%であるような量である。なお、高分子電解質と電極触媒との合計質量とは、以下に詳述する触媒インクを調製する際の仕込み基準であり、当該触媒インク調製時に添加する高分子電解質と電極触媒(=触媒成分+導電性担体)の合計質量である。この際、B1’≦B2’である。また、B1及びB2は、B2がB1以上であれば(B1≦B2)、またはB1’及びB2’はB2’がB1’以上であれば(B1≦B2)であれば、その大小の程度は特に制限されないが、好ましくは、B1に対するB2の比(B2/B1)、またはB1’に対するB2’の比(B2’/B1’)が、1以上3以下、より好ましくは1を超えて3以下、さらにより好ましくは1〜2.5、最も好ましくは1〜2である。電極触媒層内の高分子電解質量を上記範囲とすることで、気相による拡散で触媒層側からミル層/GDL側に移動し易いGDL界面付近の生成水は、高分子電解質内の保水量の高い構造(イオノマークラスターに液水を保持できる構造)とすることができると同時に、空孔構造の閉塞(フラッディング)を抑制でき、発電性能や耐久性を改善できる。 In (iii) above, by defining the polymer electrolysis mass in the electrode catalyst layer so as to satisfy B1 ≦ B2, proton conductivity (proton proton) on the GDL side of the electrode catalyst layer, which has been conventionally low in proton conductivity, is determined. (Moving characteristics) can be significantly improved, reaction efficiency is improved, and therefore power generation performance can be improved. Moreover, since the electrode catalyst layer on the GDL side has a small amount of liquid water, the swelling of the polymer electrolyte is small. For this reason, even if the polymer electrolysis mass on the GDL side of the electrode catalyst layer is increased, blockage (flooding) of the pore structure can be suppressed, and the power generation performance can be improved. At this time, B1 and B2 are not particularly limited as long as they satisfy the above relationship, but the polymer electrolysis mass [B1 (g / cm 3 )] of the catalyst layer on the electrolyte membrane side is the same as that of the catalyst layer on the electrolyte membrane side. The polymer electrolyte composition [B1 ′ (wt%)] is preferably 20 to 40 wt%, more preferably 25 to 40 wt%, and most preferably 30 to the total mass of the polymer electrolyte and the electrode catalyst. The amount is 40 wt%. The polymer electrolyte mass [B2 (g / cm 3 )] of the catalyst layer on the gas diffusion layer side is the polymer electrolyte composition [B2 ′ (wt%)] of the catalyst layer on the gas diffusion layer side. The amount is preferably 30 to 50 wt%, more preferably 35 to 50 wt%, and most preferably 40 to 50 wt% with respect to the total mass of the catalyst and the electrode catalyst. The total mass of the polymer electrolyte and the electrode catalyst is a preparation standard when preparing the catalyst ink described in detail below, and the polymer electrolyte and the electrode catalyst (= catalyst component +) added at the time of preparing the catalyst ink. The total mass of the conductive carrier). At this time, B1 ′ ≦ B2 ′. B1 and B2 are larger or smaller if B2 is greater than or equal to B1 (B1 ≦ B2), or B1 ′ and B2 ′ are greater than or equal to B2 ′ if greater than or equal to B1 ′ (B1 ≦ B2). Although not particularly limited, preferably, the ratio of B2 to B1 (B2 / B1) or the ratio of B2 ′ to B1 ′ (B2 ′ / B1 ′) is 1 or more and 3 or less, more preferably more than 1 and 3 or less. Even more preferably, it is 1-2.5, most preferably 1-2. By setting the polymer electrolysis mass in the electrode catalyst layer within the above range, the water generated in the vicinity of the GDL interface that easily moves from the catalyst layer side to the mill layer / GDL side by diffusion in the gas phase is the amount of water retained in the polymer electrolyte. High structure (structure that can hold liquid water in the ionomer cluster), and at the same time, blockage (flooding) of the pore structure can be suppressed, and power generation performance and durability can be improved.
本発明において、電極触媒層は、GDL側の電極触媒層および電解質膜側の触媒層を積層したものであればよく、その厚みや積層数などは特に制限されない。具体的には、電極触媒層は、空孔径が電解質膜側からガス拡散層側に向かって段階的にあるいは連続的に減少するように2層以上積層されても;空孔量が電解質膜側からガス拡散層側に向かって段階的にあるいは連続的に減少するように2層以上積層されても;空孔率が電解質膜側からガス拡散層側に向かって段階的にあるいは連続的に減少するように2層以上積層されても;触媒層の中の高分子電解質量が電解質膜側からガス拡散層側に向かって段階的にあるいは連続的に増加するように2層以上積層されてもいずれでもよい。GDL側の電極触媒層および電解質膜側の触媒層における積層数は、上述したように特に限定されないが、それぞれ、好ましくは2〜5層、より好ましくは2〜3層であり、最も好ましくは2層である。この際、GDL側の電極触媒層および電解質膜側の触媒層における積層数は、それぞれ同じであってもあるいは異なるものであってもよい。なお、GDL側の電極触媒層および電解質膜側の触媒層における積層数が3層以上である場合には、最も電解質膜側及びGDL側に配置される触媒層の空孔径、空孔量、空孔率、高分子電解質量および高分子電解質組成の少なくとも一が上記したような関係を満足することが好ましい。すなわち、電極触媒層は、GDL側の電極触媒層と電解質膜側の触媒層とを2層積層した構造を有することが好ましい。なお、GDL側の電極触媒層および電解質膜側の触媒層の厚みもまた、上述したように特に限定されない。GDL側の電極触媒層の厚みは、好ましくは1〜10μm、より好ましくは1〜8μm、さらにより好ましくは1〜6μmであり、電解質膜側の触媒層の厚みは、好ましくは1〜10μm、より好ましくは1〜8μm、さらにより好ましくは1〜6μmである。また、電極触媒層全体の厚みは、好ましくは2〜20μm、より好ましくは2〜15μmである。この際、GDL側の電極触媒層、電解質膜側の触媒層及び電極触媒層全体の厚みが上記範囲にあれば、良好な排水性が確保できる。すなわち、電極触媒層は、厚みが1〜10μmの電解質膜側の触媒層と厚みが1〜10μmのガス拡散層側の触媒層とを2層積層した構造を有することが特に好ましい。この際、GDL側の電極触媒層および電解質膜側の触媒層の厚みは、同一であってもあるいは異なるものであってもよい。 In the present invention, the electrode catalyst layer is not particularly limited as long as the electrode catalyst layer on the GDL side and the catalyst layer on the electrolyte membrane side are stacked. Specifically, the electrode catalyst layer may be laminated in two or more layers so that the pore diameter decreases stepwise or continuously from the electrolyte membrane side toward the gas diffusion layer side; Even if two or more layers are stacked so as to decrease stepwise or continuously from the gas diffusion layer side, the porosity decreases stepwise or continuously from the electrolyte membrane side to the gas diffusion layer side Two or more layers may be laminated so that the polymer electrolysis mass in the catalyst layer may be laminated step by step or continuously from the electrolyte membrane side to the gas diffusion layer side. Either is acceptable. The number of layers in the electrode catalyst layer on the GDL side and the catalyst layer on the electrolyte membrane side is not particularly limited as described above, but is preferably 2 to 5 layers, more preferably 2 to 3 layers, and most preferably 2 respectively. Is a layer. At this time, the number of layers in the electrode catalyst layer on the GDL side and the catalyst layer on the electrolyte membrane side may be the same or different. When the number of layers in the electrode catalyst layer on the GDL side and the catalyst layer on the electrolyte membrane side is three or more, the pore diameter, the amount of pores, and the voids of the catalyst layer arranged closest to the electrolyte membrane side and the GDL side It is preferable that at least one of the porosity, the polymer electrolyte mass, and the polymer electrolyte composition satisfies the relationship as described above. That is, the electrode catalyst layer preferably has a structure in which two layers of a GDL-side electrode catalyst layer and an electrolyte membrane-side catalyst layer are laminated. The thicknesses of the electrode catalyst layer on the GDL side and the catalyst layer on the electrolyte membrane side are not particularly limited as described above. The thickness of the electrode catalyst layer on the GDL side is preferably 1 to 10 μm, more preferably 1 to 8 μm, still more preferably 1 to 6 μm, and the thickness of the catalyst layer on the electrolyte membrane side is preferably 1 to 10 μm, more Preferably it is 1-8 micrometers, More preferably, it is 1-6 micrometers. Moreover, the thickness of the whole electrode catalyst layer becomes like this. Preferably it is 2-20 micrometers, More preferably, it is 2-15 micrometers. At this time, if the thickness of the electrode catalyst layer on the GDL side, the catalyst layer on the electrolyte membrane side, and the entire electrode catalyst layer is in the above range, good drainage can be secured. That is, the electrode catalyst layer particularly preferably has a structure in which two layers of a catalyst layer on the electrolyte membrane side having a thickness of 1 to 10 μm and a catalyst layer on the gas diffusion layer side having a thickness of 1 to 10 μm are laminated. At this time, the thickness of the GDL-side electrode catalyst layer and the electrolyte membrane-side catalyst layer may be the same or different.
本発明において、GDL側および電解質膜側の触媒層の空孔構造の形成方法は、特に制限されず、上記(i)〜(ii)で規定した空孔径、空孔量、空孔率を達成できる方法であることが好ましい。例えば、上述したように、高分子電解質量を、GDL側で多くかつ電解質膜側で少なくなるように調節して、各触媒層を形成することによって、所望の空孔構造を有する触媒層を形成できる。従来の電極触媒層の作製法では、上記背景技術の項で述べたように、触媒層の空孔構造は、インク調製後のカーボン粒子再凝集度合いと有機溶媒の組成・蒸発速度などにより形成されるため、空孔率・量・分布を意図的に制御することができなかった。例えば、プリント法(直接プリント法)で触媒インクを数回塗布して所望量を得る場合には、一度塗布した触媒層の上に、再度重ね塗り(塗布の繰り返し)を行なうと、下地の空孔構造の一部が局部的に破壊され、空孔率や空孔量が徐々に減少すると考えた。ここで、重ね塗りにより空孔構造が変化する要因は特定できないが、下地層の触媒粒子を被覆している高分子電解質が、上塗りインクに含有される有機溶媒によって局部的に被覆状態を変化したり、触媒粒子のネットワーク(3次元網目構造)が変化するためと推測した。また、プリント法(転写法)の場合には、電解質膜と触媒層とを(圧力・温度を掛けて)接合するため、接触界面の触媒層空孔構造が部分的に潰れ、物質輸送特性(H2O,H+,O2の拡散性や移動特性)が低下するものと推測される。 In the present invention, the method for forming the pore structure of the catalyst layer on the GDL side and the electrolyte membrane side is not particularly limited, and the pore diameter, the amount of pores, and the porosity defined in the above (i) to (ii) are achieved. It is preferable that the method be able to. For example, as described above, a catalyst layer having a desired pore structure is formed by adjusting each polymer layer so that the polymer electrolysis mass is increased on the GDL side and decreased on the electrolyte membrane side. it can. In the conventional method for producing an electrode catalyst layer, as described in the background section above, the pore structure of the catalyst layer is formed by the degree of carbon particle re-aggregation after ink preparation and the composition / evaporation rate of the organic solvent. Therefore, the porosity, amount, and distribution could not be controlled intentionally. For example, when a desired amount is obtained by applying the catalyst ink several times by the printing method (direct printing method), if the overcoating (repeating the application) is performed again on the catalyst layer that has been applied once, It was thought that part of the pore structure was locally destroyed and the porosity and the amount of pores gradually decreased. Here, although the factor that changes the pore structure due to overcoating cannot be specified, the polymer electrolyte that coats the catalyst particles of the undercoat layer locally changes the coating state due to the organic solvent contained in the topcoat ink. Or the catalyst particle network (three-dimensional network structure) was assumed to change. In the case of the printing method (transfer method), the electrolyte membrane and the catalyst layer are joined (by applying pressure and temperature), so that the catalyst layer pore structure at the contact interface is partially crushed, and the mass transport properties ( It is presumed that the H 2 O, H + , and O 2 diffusivity and mobility characteristics are reduced.
これに対して、本発明によると、同じ触媒インクの組成であっても、触媒インク中に占める高分子電解質の量を変えることによって、所望の空孔構造を形成できることが判明した。すなわち、高分子電解質量が多くなると、隣接する触媒担持体の間隔を埋める高分子電解質量が増えて触媒担持体の間隔(空孔構造)が小さくなり、逆に高分子電解質量が少なくなると、隣接する触媒担持体の間隔を埋める高分子電解質量が減って触媒担持体の間隔(空孔構造)が大きくなる。より具体的には、触媒インク中の高分子電解質/導電性担体(Ionomer/Carbon比;I/C比)によって、所望の空孔構造を形成することが好ましい。図6−1〜6−3に示されるように、粒度分布はI/C比に依存しない(図6−1参照)。これに対して、図6−2及び図6−3に示されるように、空孔構造(空孔量)は、I/Cに比例して、小さくなる傾向があり、ゆえに、実施例にも記載されるように、I/C比の大きい(即ち、高分子電解質量が多い)触媒インクで作製された触媒層の空孔構造は、I/C比の小さい(即ち、高分子電解質量が少ない)触媒インクで作製された触媒層の空孔構造に比して、小さくなる。ゆえに、本発明によると、触媒層中の高分子電解質量を適宜調節することによって、所望の空孔構造を意図的にかつ容易に制御することができる。 On the other hand, according to the present invention, it has been found that even if the composition of the catalyst ink is the same, a desired pore structure can be formed by changing the amount of the polymer electrolyte in the catalyst ink. That is, when the polymer electrolysis mass increases, the polymer electrolysis mass that fills the interval between adjacent catalyst carriers increases, the interval between the catalyst carriers (pore structure) decreases, and conversely, when the polymer electrolysis mass decreases, The polymer electrolysis mass that fills the space between adjacent catalyst carriers is reduced, and the space between the catalyst carriers (hole structure) is increased. More specifically, a desired pore structure is preferably formed by the polymer electrolyte / conductive carrier (Ionomer / Carbon ratio; I / C ratio) in the catalyst ink. As shown in FIGS. 6-1 to 6-3, the particle size distribution does not depend on the I / C ratio (see FIG. 6-1). On the other hand, as shown in FIGS. 6-2 and 6-3, the pore structure (the amount of pores) tends to become smaller in proportion to I / C. As described, the pore structure of catalyst layers made with catalyst inks having a high I / C ratio (ie, high polymer electrolysis mass) has a low I / C ratio (ie, high polymer electrolysis mass). This is smaller than the pore structure of the catalyst layer made of the catalyst ink. Therefore, according to the present invention, the desired pore structure can be intentionally and easily controlled by appropriately adjusting the polymer electrolysis mass in the catalyst layer.
本発明において、GDL側の触媒層では、触媒インク中の高分子電解質/導電性担体(Ionomer/Carbon比;I/C比)は、1.0〜2.0であることが好ましく、より好ましくは1.0〜1.5である。また、電解質膜側の触媒層では、触媒インク中の高分子電解質/導電性担体(Ionomer/Carbon比;I/C比)は、0.7〜1.5であることが好ましく、より好ましくは0.9〜1.3である。このような範囲であれば、所望の空孔構造を容易に形成することができる。 In the present invention, in the catalyst layer on the GDL side, the polymer electrolyte / conductive carrier (Ionomer / Carbon ratio; I / C ratio) in the catalyst ink is preferably 1.0 to 2.0, more preferably. Is 1.0 to 1.5. In the catalyst layer on the electrolyte membrane side, the polymer electrolyte / conductive carrier (Ionomer / Carbon ratio; I / C ratio) in the catalyst ink is preferably 0.7 to 1.5, more preferably 0.9-1.3. In such a range, a desired pore structure can be easily formed.
または、本発明に係る空孔構造は、電解質膜側の触媒層には粒径の大きい触媒担持体を多く配置し、かつガス拡散層側の触媒層には粒径の小さい触媒担持体を多く配置することによって、形成することができる。ここで、以下に詳述する触媒インク(ペースト)に含有される触媒担持体は、粉砕により粒子分布(大と小)が混在し、この混在比が変わると、平均粒径の変化は小さいが、形成される空隙の大きさが変わる。例えば、触媒担持カーボン粒子凝集体の粒径大と粒径小が混在する場合には、小さい凝集体量が多ければ隣接する大きい凝集体間の間隔を占める小さい凝集体量も増えて、触媒担持カーボン粒子間の空隙は小さくなり、逆に、小さい凝集体量が少なければ間隙を占める小さい凝集体量も少なくなって、触媒担持カーボン粒子間の空隙は大きくなる。したがって、粒径の異なる(粒径大と粒径小の)触媒担持体(触媒担持カーボン粒子凝集体)を別々に用いなくても、一種類の触媒担持体(触媒担持カーボン粒子凝集体)の粒径分布を変更することで、触媒担持カーボン粒子間の空隙の制御を図ることができる。 Alternatively, in the pore structure according to the present invention, many catalyst carriers having a large particle diameter are arranged in the catalyst layer on the electrolyte membrane side, and many catalyst carriers having a small particle diameter are arranged in the catalyst layer on the gas diffusion layer side. It can be formed by arranging. Here, the catalyst carrier contained in the catalyst ink (paste) described in detail below has a particle distribution (large and small) mixed by pulverization, and if this mixture ratio changes, the change in the average particle diameter is small. , The size of the gap formed is changed. For example, when large particle size and small particle size of catalyst-supported carbon particle aggregates are mixed, the larger the amount of small aggregates, the smaller the amount of small aggregates that occupy the space between adjacent large aggregates. On the contrary, if the amount of small aggregates is small, the amount of small aggregates occupying the gap is also small, and the space between the catalyst-supporting carbon particles is large. Therefore, one type of catalyst carrier (catalyst-carrying carbon particle aggregate) can be used without separately using catalyst carriers (catalyst-carrying carbon particle aggregates) having different particle sizes (large particle size and small particle size). By changing the particle size distribution, it is possible to control the voids between the catalyst-carrying carbon particles.
上記実施の形態において、電解質膜側の触媒層やガス拡散層側の触媒層に配置される触媒担持体の粒径は、特に制限されないが、上記(i)〜(ii)で規定した空孔径、空孔量、空孔率を達成できる粒径であることが好ましい。具体的には、電解質膜側の触媒層に配置される触媒担持体の粒径が、好ましくは0.1〜1.0μm、より好ましくは0.2〜0.8μmであり、また、ガス拡散層側の触媒層に配置される触媒担持体の粒径が、好ましくは0.1〜1.0μm、より好ましくは0.1〜0.6μmである。このような粒径の触媒担持体を使用すれば、上記(i)〜(ii)で規定した空孔径、空孔量、空孔率が容易に達成できる。なお、本発明における「触媒担持体の粒径」は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径あるいは透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値により測定することができる。 In the above embodiment, the particle diameter of the catalyst carrier disposed in the catalyst layer on the electrolyte membrane side or the catalyst layer on the gas diffusion layer side is not particularly limited, but the pore diameter defined in the above (i) to (ii) The particle size is preferably such that the amount of pores and the porosity can be achieved. Specifically, the particle size of the catalyst carrier disposed in the catalyst layer on the electrolyte membrane side is preferably 0.1 to 1.0 μm, more preferably 0.2 to 0.8 μm, and gas diffusion The particle size of the catalyst carrier disposed in the catalyst layer on the layer side is preferably 0.1 to 1.0 μm, more preferably 0.1 to 0.6 μm. If a catalyst carrier having such a particle size is used, the pore diameter, the amount of pores and the porosity defined in the above (i) to (ii) can be easily achieved. The “particle diameter of the catalyst carrier” in the present invention is the average value of the particle diameter of the catalyst component determined from the crystallite diameter or transmission electron microscope image obtained from the half width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction. Can be measured.
また、上記実施の形態において、「ガス拡散層側の触媒層には粒径の小さい触媒担持体を多く配置する」とは、本発明に係る空孔構造が形成できるような量の粒径の小さい触媒担持体がガス拡散層側の触媒層に配置されることを意味し、具体的には、粒径の小さい(好ましくは、上記したような粒径の)触媒担持体が、高分子電解質と触媒担持体(電極触媒)との合計質量に対して、好ましくは20〜40質量%、より好ましくは25〜35質量%の量で、ガス拡散層側の触媒層に含まれる。また、同様にして、「電解質膜側の触媒層には粒径の大きい触媒担持体を多く配置する」とは、本発明に係る空孔構造が形成できるような量の粒径の大きい触媒担持体が電解質膜側の触媒層に配置されることを意味し、具体的には、粒径の大きい(好ましくは、上記したような粒径の)触媒担持体が、高分子電解質と触媒担持体(電極触媒)との合計質量に対して、好ましくは20〜40質量%、より好ましくは25〜35質量%の量で、電解質膜側の触媒層に含まれる。 In the above embodiment, “a large number of catalyst carriers having a small particle diameter are arranged in the catalyst layer on the gas diffusion layer side” means that the particle diameter is such that the pore structure according to the present invention can be formed. This means that a small catalyst carrier is disposed in the catalyst layer on the gas diffusion layer side. Specifically, a catalyst carrier having a small particle size (preferably having a particle size as described above) is a polymer electrolyte. It is contained in the catalyst layer on the gas diffusion layer side in an amount of preferably 20 to 40% by mass, more preferably 25 to 35% by mass with respect to the total mass of the catalyst support (electrode catalyst). Similarly, “a large number of catalyst carriers having a large particle size are arranged in the catalyst layer on the electrolyte membrane side” means that a catalyst particle having a large particle size that can form the pore structure according to the present invention. Means that the catalyst support having a large particle size (preferably having a particle size as described above) is used as the polymer electrolyte and the catalyst support. It is contained in the catalyst layer on the electrolyte membrane side in an amount of preferably 20 to 40% by mass, more preferably 25 to 35% by mass with respect to the total mass with (electrode catalyst).
さらに、上記実施の形態において、粒径の小さい触媒担持体が多く配置されたガス拡散層側の触媒層に含まれる高分子電解質の量が、粒径の大きい触媒担持体が多く配置された電解質膜側の触媒層に含まれる高分子電解質の量より多いことがより好ましい。これは、触媒担持体(例えば、カーボン粒子)を被覆した高分子電解質同士の接触の度合いは、隣接する触媒担持体間の間隔を占める高分子電解質量によっても変化する。このため、高分子電解質量が多ければ隣接する触媒担持体間の間隔を占める高分子電解質量も増えて、触媒担持体間の空隙は小さくなり、逆に、高分子電解質量が少なければ間隙を占める高分子電解質量も少なくなって、触媒担持体間の空隙は大きくなるためである。この際、粒径の小さい触媒担持体が多く配置されたガス拡散層側の触媒層に含まれる高分子電解質の量と、粒径の大きい触媒担持体が多く配置された電解質膜側の触媒層に含まれる高分子電解質の量との比は、特に制限されないが、上記(i)〜(ii)で規定した空孔径、空孔量、空孔率を達成できる粒径であることが好ましい。具体的には、粒径の小さい触媒担持体が多く配置されたガス拡散層側の触媒層に含まれる高分子電解質の質量が、粒径の大きい触媒担持体が多く配置された電解質膜側の触媒層に含まれる高分子電解質の質量を1とした場合に、好ましくは1〜2、より好ましくは1〜1.5となるような割合である。または、上記したような電解質膜側およびGDL側の触媒層の高分子電解質組成(B1’やB2’)または上記したような電解質膜側およびGDL側の触媒層のI/C比が好ましく適用される。 Further, in the above embodiment, the amount of the polymer electrolyte contained in the catalyst layer on the gas diffusion layer side where a large number of catalyst carriers having a small particle size are arranged is an electrolyte where a large number of catalyst carriers having a large particle size are arranged. More preferably, the amount is greater than the amount of polymer electrolyte contained in the catalyst layer on the membrane side. This is because the degree of contact between the polymer electrolytes coated with a catalyst carrier (for example, carbon particles) also varies depending on the polymer electrolyte mass that occupies the interval between adjacent catalyst carriers. For this reason, if the polymer electrolysis mass is large, the polymer electrolysis mass occupying the space between adjacent catalyst carriers also increases, and the gap between the catalyst carriers is reduced. Conversely, if the polymer electrolysis mass is small, the gap is increased. This is because the polymer electrolytic mass occupied also decreases, and the gap between the catalyst carriers increases. At this time, the amount of the polymer electrolyte contained in the catalyst layer on the gas diffusion layer side where many catalyst carriers having a small particle diameter are arranged, and the catalyst layer on the electrolyte membrane side where many catalyst carriers having a large particle diameter are arranged The ratio with respect to the amount of the polymer electrolyte contained in is not particularly limited, but is preferably a particle size that can achieve the pore diameter, the pore amount, and the porosity defined in the above (i) to (ii). Specifically, the mass of the polymer electrolyte contained in the catalyst layer on the gas diffusion layer side where a large number of catalyst carriers having a small particle diameter are arranged is on the side of the electrolyte membrane where a large number of catalyst carriers having a large particle diameter are arranged. When the mass of the polymer electrolyte contained in the catalyst layer is 1, the ratio is preferably 1 to 2, more preferably 1 to 1.5. Alternatively, the polymer electrolyte composition (B1 ′ or B2 ′) of the catalyst layer on the electrolyte membrane side and the GDL side as described above or the I / C ratio of the catalyst layer on the electrolyte membrane side and the GDL side as described above is preferably applied. The
なお、上記では、本発明に係る空孔構造を形成する方法について詳述してきたが、本発明では、カソード及びアノード触媒層の少なくとも一方が、電解質膜側の触媒層の空孔構造がガス拡散層側の触媒層の空孔構造よりも大きくなるような、空孔構造が異なる複数の触媒層を積層した構造を有すればよく、このような空孔構造を持たない側の触媒層は、おうちの製造方法をそのまま、あるいは若干の修飾を加えて、あるいは適宜組合わせることによって、従来と同様にして形成されうる。このため、本発明に係る空孔構造を持たない場合の触媒層の形成方法については説明を省略する。 In the above description, the method for forming the pore structure according to the present invention has been described in detail. However, in the present invention, at least one of the cathode and anode catalyst layers is formed by gas diffusion of the catalyst layer on the electrolyte membrane side. It is only necessary to have a structure in which a plurality of catalyst layers having different pore structures are stacked so as to be larger than the pore structure of the catalyst layer on the layer side, and the catalyst layer on the side not having such a pore structure is It can be formed in the same manner as in the prior art by using the production method of the house as it is, with some modifications, or by appropriately combining them. For this reason, description is abbreviate | omitted about the formation method of the catalyst layer in case it does not have the void | hole structure based on this invention.
本発明において、カソード触媒層に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、アノード触媒層に用いられる触媒成分もまた、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金が30〜90原子%、合金化する金属が10〜70原子%とするのがよい。カソード触媒をして合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者が適宜選択できるが、白金が30〜90原子%、合金化する他の金属が10〜70原子%とすることが好ましい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、カソード触媒層に用いられる触媒成分及びアノード触媒層に用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択できる。以下の説明では、特記しない限り、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒成分についての説明は、両者について同様の定義であり、一括して、「触媒成分」と称する。しかしながら、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択される。 In the present invention, the catalyst component used in the cathode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxygen reduction reaction, and known catalysts can be used in the same manner. Further, the catalyst component used in the anode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxidation reaction of hydrogen, and a known catalyst can be used in the same manner. Specifically, it is selected from platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum and the like, and alloys thereof. Is done. Among these, those containing at least platinum are preferably used in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance, and the like. The composition of the alloy is preferably 30 to 90 atomic% for platinum and 10 to 70 atomic% for the metal to be alloyed, depending on the type of metal to be alloyed. The composition of the alloy when the alloy is used as a cathode catalyst varies depending on the type of metal to be alloyed and can be appropriately selected by those skilled in the art, but platinum is 30 to 90 atomic%, and other metals to be alloyed are 10 It is preferable to set it to -70 atomic%. In general, an alloy is a generic term for a metal element having one or more metal elements or non-metal elements added and having metallic properties. The alloy structure consists of a eutectic alloy, which is a mixture of the component elements as separate crystals, a component element completely melted into a solid solution, and a component element composed of an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. There is what is formed, and any may be used in the present application. At this time, the catalyst component used for the cathode catalyst layer and the catalyst component used for the anode catalyst layer can be appropriately selected from the above. In the following description, unless otherwise specified, the description of the catalyst component for the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer has the same definition for both, and is collectively referred to as “catalyst component”. However, the catalyst components for the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer do not need to be the same, and are appropriately selected so as to exhibit the desired action as described above.
触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状及び大きさが使用できるが、触媒成分は、粒状であることが好ましい。この際、触媒インクに用いられる触媒粒子の平均粒子径は、本発明に係る空孔構造を形成できる径であれば特に制限されないが、電解質膜側の触媒層では、好ましくは1〜30nm、より好ましくは1.5〜20nm、特に好ましくは2〜10nmであり、GDL側の触媒層では、好ましくは1〜25nm、より好ましくは1.5〜15nm、特に好ましくは2〜8nmである。なお、本発明に係る空孔構造を持たない触媒層では、触媒インクに用いられる触媒粒子の平均粒子径は、小さいほど電気化学反応が進行する有効電極面積が増加するため酸素還元活性も高くなり好ましいが、実際には平均粒子径が小さすぎると却って酸素還元活性が低下する現象が見られる点を考慮して、触媒インクに含まれる触媒粒子の平均粒子径は、1〜30nm、より好ましくは1.5〜20nm、さらにより好ましくは2〜10nm、特に好ましくは2〜5nmの粒状であることが好ましい。ここでは、担持の容易さという観点から1nm以上であることが好ましく、触媒利用率の観点から30nm以下であることが好ましい。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒径」は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径あるいは透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値により測定することができる。 The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be used, but the catalyst component is preferably granular. At this time, the average particle diameter of the catalyst particles used in the catalyst ink is not particularly limited as long as it is a diameter capable of forming the pore structure according to the present invention. However, in the catalyst layer on the electrolyte membrane side, preferably 1 to 30 nm. The thickness is preferably 1.5 to 20 nm, particularly preferably 2 to 10 nm. In the catalyst layer on the GDL side, the thickness is preferably 1 to 25 nm, more preferably 1.5 to 15 nm, and particularly preferably 2 to 8 nm. In the catalyst layer having no pore structure according to the present invention, the smaller the average particle size of the catalyst particles used in the catalyst ink, the higher the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds, so the oxygen reduction activity increases. Although it is preferable, the average particle size of the catalyst particles contained in the catalyst ink is preferably 1 to 30 nm, more preferably in consideration of the fact that the phenomenon in which the oxygen reduction activity is actually reduced when the average particle size is too small is observed. It is preferably 1.5 to 20 nm, more preferably 2 to 10 nm, particularly preferably 2 to 5 nm. Here, the thickness is preferably 1 nm or more from the viewpoint of easy loading, and is preferably 30 nm or less from the viewpoint of catalyst utilization. The “average particle diameter of the catalyst particles” in the present invention is the average value of the particle diameter of the catalyst component determined from the crystallite diameter or transmission electron microscope image determined from the half width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction. Can be measured.
本発明において、上述した触媒粒子は導電性担体に担持された電極触媒として触媒インクに含まれる。 In the present invention, the catalyst particles described above are included in the catalyst ink as an electrode catalyst supported on a conductive carrier.
前記導電性担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、本発明において「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。 The conductive carrier may have any specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. The main component is carbon. Preferably there is. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. In the present invention, “the main component is carbon” refers to containing a carbon atom as a main component, and is a concept including both a carbon atom only and a substantially carbon atom. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by mass or less is allowed.
前記導電性担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに十分な比表面積であればよいが、好ましくは20〜1600m2/g、より好ましくは80〜1200m2/gとするのがよい。前記比表面積が上記範囲であれば、前記導電性担体への触媒成分および高分子電解質の分散性が良好であり、十分な発電性能が達成でき、また、十分な触媒成分および高分子電解質の有効利用率が達成できる。 The BET specific surface area of the conductive carrier may be a specific surface area sufficient to carry the catalyst component in a highly dispersed state, but is preferably 20 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to 1200 m 2 / g. Is good. When the specific surface area is in the above range, the dispersibility of the catalyst component and the polymer electrolyte in the conductive support is good, sufficient power generation performance can be achieved, and sufficient catalyst component and polymer electrolyte are effective. Utilization rate can be achieved.
また、前記導電性担体の大きさは、特に限定されず、上記したように、電極触媒層の電解質膜側及びGDL側の触媒担持体の粒径によって適宜選択される。例えば、電極触媒層の電解質膜側の触媒担持体に対しては、導電性担体の平均粒子径が100〜900nm、好ましくは200〜700nm程度とするのがよい。また、電極触媒層のGDL側の触媒担持体に対しては、導電性担体の平均粒子径が50〜700nm、好ましくは100〜600nm程度とするのがよい。なお、本発明に係る空孔構造を持たない触媒層では、前記導電性担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径が50〜1000nm、好ましくは100〜900nm程度とするのがよい。 The size of the conductive carrier is not particularly limited, and is appropriately selected depending on the particle size of the catalyst support on the electrolyte membrane side and the GDL side of the electrode catalyst layer as described above. For example, for the catalyst carrier on the electrolyte membrane side of the electrode catalyst layer, the average particle diameter of the conductive carrier is 100 to 900 nm, preferably about 200 to 700 nm. Further, for the catalyst carrier on the GDL side of the electrode catalyst layer, the average particle diameter of the conductive carrier is 50 to 700 nm, preferably about 100 to 600 nm. In the catalyst layer having no pore structure according to the present invention, the size of the conductive carrier is not particularly limited, but the ease of loading, the catalyst utilization rate, and the thickness of the electrode catalyst layer are controlled within an appropriate range. From such a viewpoint, it is preferable that the average particle diameter is 50 to 1000 nm, preferably about 100 to 900 nm.
前記導電性担体に触媒成分が担持された電極触媒において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは10〜80質量%、より好ましくは30〜70質量%とするのがよい。担持量が前記範囲であれば、十分な触媒成分の導電性担体上での分散度、発電性能の向上、経済上での利点、単位質量あたりの触媒活性が達成できるため好ましい。なお、触媒成分の担持量は、電極触媒層の電解質膜側及びGDL側で、同じであってもあるいは異なる量であってもよい。また、触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって調べることができる。 In the electrode catalyst in which the catalyst component is supported on the conductive support, the supported amount of the catalyst component is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 30 to 70% by mass with respect to the total amount of the electrode catalyst. Good. If the loading is within the above range, it is preferable because a sufficient degree of dispersion of the catalyst components on the conductive support, improvement in power generation performance, economic advantages, and catalytic activity per unit mass can be achieved. The supported amount of the catalyst component may be the same or different on the electrolyte membrane side and the GDL side of the electrode catalyst layer. Further, the amount of the catalyst component supported can be examined by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).
または、本発明において、電極触媒は市販品を使用してもよい。このような市販品としては、例えば、田中貴金属工業製、エヌ・イー・ケムキャット製、E−TEK製、ジョンソンマッセイ製などの電極触媒が使用できる。または、カーボン担体(ケッチェンブラック、バルカン、アセチレンブラック、ブラックパール、予め高温で熱処理した黒鉛化処理カーボン担体(例えば、黒鉛化処理ケッチェンブラク)、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンファイバーなど)に、白金や白金合金を担持(触媒種の担持濃度、30%〜70%)したものを、電極触媒として用いることもできる。 Alternatively, in the present invention, a commercially available electrode catalyst may be used. As such commercially available products, for example, electrode catalysts such as those manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., N.E. Chemcat, E-TEK, and Johnson Matthey can be used. Or, carbon support (Ketjen Black, Vulcan, Acetylene Black, Black Pearl, graphitized carbon support (for example, graphitized Ketjenbrak) pre-heated at high temperature, carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon fiber, etc.) A material in which platinum or a platinum alloy is supported (supporting concentration of catalyst species, 30% to 70%) can also be used as an electrode catalyst.
本発明の電極触媒層には、電極触媒の他に、高分子電解質が含まれる。前記高分子電解質としては、特に限定されず公知のものを用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であればよい。この際使用できる高分子電解質は、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。 The electrode catalyst layer of the present invention contains a polymer electrolyte in addition to the electrode catalyst. The polymer electrolyte is not particularly limited, and a known one can be used, but any member having at least high proton conductivity may be used. The polymer electrolyte that can be used in this case is roughly classified into a fluorine-based electrolyte that contains fluorine atoms in the whole or a part of the polymer skeleton and a hydrocarbon-based electrolyte that does not contain fluorine atoms in the polymer skeleton.
前記フッ素系電解質として、具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。 Specific examples of the fluorine electrolyte include perfluorocarbon sulfonic acids such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene A preferred example is a fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer.
前記炭化水素系電解質として、具体的には、ポリスルホンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸等が好適な一例として挙げられる。 Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include polysulfone sulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl phosphonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyether ether ketone sulfonic acid, polyphenyl. A suitable example is sulfonic acid.
高分子電解質は、耐熱性、化学的安定性などに優れることから、フッ素原子を含むのが好ましく、なかでも、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。特に、本発明において、高分子電解質としてナフィオン(登録商標、デュポン社製)等のスルホン酸基を有するものを使用する場合には、EW(Equivalent Weight;スルホン酸基1モル当たりの乾燥膜重量を表わし、小さいほどスルホン酸基の比重が大きい)が600〜1100程度のものを使用することが好ましい。 The polymer electrolyte preferably contains a fluorine atom because of its excellent heat resistance and chemical stability. Among them, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) Fluorine electrolytes such as Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) are preferred. In particular, in the present invention, when a polymer electrolyte having a sulfonic acid group such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) is used, EW (Equivalent Weight; dry membrane weight per mole of sulfonic acid group) It is preferable to use a sulfonic acid group having a specific gravity of about 600 to 1100.
また、導電性担体への触媒成分の担持は公知の方法で行うことができる。例えば、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法が使用できる。または、電極触媒は、市販品を用いてもよい。 The catalyst component can be supported on the conductive carrier by a known method. For example, known methods such as impregnation method, liquid phase reduction support method, evaporation to dryness method, colloid adsorption method, spray pyrolysis method, reverse micelle (microemulsion method) can be used. Alternatively, a commercially available electrode catalyst may be used.
本発明では、上記したような電極触媒、高分子電解質及び溶剤からなる触媒インクを、転写法などの方法によって、電極触媒層を製造されうる。このような場合の電極触媒層の製造方法は、特に制限されず、公知の転写方法が同様にしてあるいは適宜修飾を加えて使用できるが、例えば、以下のような方法が使用できる。すなわち、電解質膜側の触媒層形成用の触媒インク及びガス拡散層側の触媒層形成用の触媒インクをそれぞれ調製する。まず、ガス拡散層側の触媒層形成用の触媒インクを転写用台紙上に塗布・乾燥して、ガス拡散層側の電極触媒層を形成する。次に、このようにして形成されたガス拡散層側の電極触媒層の上に、電解質膜側の触媒層形成用の触媒インクを塗布・乾燥して、電解質膜側の電極触媒層をガス拡散層側の電極触媒層の上に形成する。この際、溶剤としては、特に制限されず、電極触媒層を形成するのに使用される通常の溶剤が同様にして使用できる。具体的には、水、シクロヘキサノールやエタノールや2−プロパノール等の低級アルコールが使用できる。また、溶剤の使用量もまた、特に制限されず公知と同様の量が使用できるが、触媒インクにおいて、電極触媒は、所望の作用、即ち、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)を触媒する作用を十分発揮できる量であればいずれの量で、使用されてもよい。電極触媒が、触媒インク中、5〜30質量%、より好ましくは9〜20質量%となるような量で存在することが好ましい。また、高分子電解質は、上記したような量/割合で存在することが好ましい。 In the present invention, an electrode catalyst layer can be produced by a method such as a transfer method using a catalyst ink comprising the above-described electrode catalyst, polymer electrolyte and solvent. The production method of the electrode catalyst layer in such a case is not particularly limited, and a known transfer method can be used in the same manner or with appropriate modification. For example, the following method can be used. That is, the catalyst ink for forming the catalyst layer on the electrolyte membrane side and the catalyst ink for forming the catalyst layer on the gas diffusion layer side are prepared. First, a catalyst ink for forming a catalyst layer on the gas diffusion layer side is applied and dried on a transfer mount to form an electrode catalyst layer on the gas diffusion layer side. Next, the catalyst ink for forming the catalyst layer on the electrolyte membrane side is applied and dried on the electrode catalyst layer on the gas diffusion layer side thus formed, and the electrode catalyst layer on the electrolyte membrane side is gas diffused. It is formed on the electrode catalyst layer on the layer side. In this case, the solvent is not particularly limited, and a normal solvent used for forming the electrode catalyst layer can be used in the same manner. Specifically, water, lower alcohols such as cyclohexanol, ethanol and 2-propanol can be used. Also, the amount of solvent used is not particularly limited, and the same amount as known can be used. In the catalyst ink, the electrode catalyst has a desired action, that is, hydrogen oxidation reaction (anode side) and oxygen reduction reaction. Any amount may be used as long as it can sufficiently exert the action of catalyzing (cathode side). It is preferable that the electrode catalyst is present in the catalyst ink in an amount of 5 to 30% by mass, more preferably 9 to 20% by mass. The polymer electrolyte is preferably present in the above amount / ratio.
本発明の触媒インクは、増粘剤を含んでもよい。増粘剤の使用は、触媒インクが転写用台紙上にうまく塗布できない場合などに有効である。この際使用できる増粘剤は、特に制限されず、公知の増粘剤が使用できるが、例えば、グリセリン、エチレングリコール(EG)、ポリビニルアルコール(PVA)、プロピレングリコール(PG)などが挙げられる。これらのうち、プロピレングリコール(PG)が好ましく使用される。これは、プロピレングリコール(PG)を使用することにより、触媒インクの沸点が高まり溶媒蒸発速度が小さくなる。このため、例えば、転写法で電解質膜に電極触媒層を形成する上で、まず膜とは別の転写用台紙上にスクリーンプリンターなどを使用して触媒インクを塗布、乾燥する際に、触媒インク中にPGを添加することにより、塗布された触媒インク中の溶媒蒸発速度が抑制され、前記乾燥過程後の電極触媒層にひび割れ(クラック)が生じることを抑制・防止できる。また、増粘剤を使用する際の、増粘剤の添加量は、本発明の上記効果を妨げない程度の量であれば特に制限されないが、触媒インクの全質量に対して、好ましくは5〜20質量%である。 The catalyst ink of the present invention may contain a thickener. The use of a thickener is effective when the catalyst ink cannot be successfully applied onto a transfer mount. The thickener that can be used in this case is not particularly limited, and a known thickener can be used. Examples thereof include glycerin, ethylene glycol (EG), polyvinyl alcohol (PVA), and propylene glycol (PG). Of these, propylene glycol (PG) is preferably used. The use of propylene glycol (PG) increases the boiling point of the catalyst ink and decreases the solvent evaporation rate. For this reason, for example, when an electrode catalyst layer is formed on an electrolyte membrane by a transfer method, the catalyst ink is first applied and dried on a transfer mount different from the membrane using a screen printer or the like. By adding PG therein, the solvent evaporation rate in the applied catalyst ink is suppressed, and it is possible to suppress / prevent the occurrence of cracks in the electrode catalyst layer after the drying process. Further, the amount of the thickener added when using the thickener is not particularly limited as long as it does not interfere with the above-described effects of the present invention, but is preferably 5 with respect to the total mass of the catalyst ink. ˜20 mass%.
本発明の触媒インクは、電極触媒、高分子電解質及び溶剤、ならびに必要であれば撥水性高分子および/または増粘剤、が適宜混合されたものであればその調製方法は特に制限されない。例えば、電解質を極性溶媒に添加し、この混合液を加熱・攪拌して、電解質を極性溶媒に溶解した後、これに電極触媒を添加することによって、触媒インクが調製できる。または、電解質を、溶剤中に一旦分散/懸濁された後、上記分散/懸濁液を電極触媒と混合して、触媒インクを調製してもよい。また、電解質が予め上記他の溶媒中に調製されている市販の電解質溶液(例えば、デュポン製のNafion溶液:1−プロパノール中に5wt%の濃度でNafionが分散/懸濁したもの)をそのまま上記方法に使用してもよい。この際、触媒インクは、上記したようにして混合されたスラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散する、あるいは、この混合スラリーをサンドグラインダー、循環式ボールミル、循環式ビーズミルなどの装置でよく粉砕させた後、減圧脱泡操作を加えることによって作製されることが好ましい。なお、触媒インクは、本発明による空孔構造が得られるように、より具体的には上記(i)〜(iii)に記載されるような空孔径、空孔量、空孔率および高分子電解質量となるように、適宜調製される。 The catalyst ink of the present invention is not particularly limited in its preparation method as long as an electrode catalyst, a polymer electrolyte and a solvent, and if necessary, a water-repellent polymer and / or a thickener are appropriately mixed. For example, a catalyst ink can be prepared by adding an electrolyte to a polar solvent, heating and stirring the mixed solution to dissolve the electrolyte in the polar solvent, and then adding an electrode catalyst thereto. Alternatively, after the electrolyte is once dispersed / suspended in a solvent, the dispersion / suspension may be mixed with an electrode catalyst to prepare a catalyst ink. In addition, a commercially available electrolyte solution (for example, DuPont Nafion solution: Nafion dispersed / suspended at a concentration of 5 wt% in 1-propanol) in which the electrolyte is previously prepared in the above other solvent is used as it is. May be used in the method. At this time, the catalyst ink is obtained by dispersing the slurry mixed as described above with an ultrasonic homogenizer, or after pulverizing the mixed slurry with an apparatus such as a sand grinder, a circulating ball mill, or a circulating bead mill. It is preferably produced by applying a vacuum degassing operation. In order to obtain the pore structure according to the present invention, the catalyst ink more specifically has the pore diameter, the amount of pores, the porosity and the polymer as described in the above (i) to (iii). It adjusts suitably so that it may become an electrolytic mass.
また、転写用台紙としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)シート、PET(ポリエチレンテレフタレート)シート等の、ポリエステルシートなどの公知のシートが使用できる。なお、転写用台紙は、使用する触媒インク(特にインク中のカーボン等の導電性担体)の種類に応じて適宜選択される。また、上記工程において、電極触媒層の厚みは、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)の触媒作用が十分発揮できる厚みであれば特に制限されず、従来と同様の厚みが使用できる。具体的には、各電極触媒層の厚みは、上記したように、1〜10μmが好ましい。また、転写用台紙上への触媒インクの塗布方法は、特に制限されず、スクリーン印刷法、沈積法、あるいはスプレー法などの公知の方法が同様にして適用できる。 Further, as the transfer mount, a known sheet such as a polyester sheet such as a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet or a PET (polyethylene terephthalate) sheet can be used. The transfer mount is appropriately selected according to the type of catalyst ink to be used (particularly, a conductive carrier such as carbon in the ink). In the above process, the thickness of the electrode catalyst layer is not particularly limited as long as it can sufficiently exhibit the catalytic action of the hydrogen oxidation reaction (anode side) and the oxygen reduction reaction (cathode side). Thickness can be used. Specifically, the thickness of each electrode catalyst layer is preferably 1 to 10 μm as described above. The method for applying the catalyst ink onto the transfer mount is not particularly limited, and a known method such as a screen printing method, a deposition method, or a spray method can be similarly applied.
上記方法において、それぞれ塗布された電解質膜側及びガス拡散層側の電極触媒層の乾燥条件もまた、電極触媒層から極性溶媒を完全に除去できる条件であれば特に制限されない。具体的には、触媒インクの塗布層(電極触媒層)を真空乾燥機内にて、室温〜100℃、より好ましくは50〜80℃で、30〜60分間、乾燥する。この際、触媒層の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで、上記塗布・乾燥工程を繰り返す。次に、このようにして積層された本発明に係る電極触媒層で高分子電解質膜を挟持した後、当該積層についてホットプレスを行なう。この際、ホットプレス条件は、電極触媒層及び高分子電解質膜が十分密接に接合できる条件であれば特に制限されないが、100〜200℃、より好ましくは110〜170℃で、電極面に対して1〜5MPaのプレス圧力で行なうのが好ましい。これにより高分子電解質膜と電極触媒層との接合性を高めることができる。ホットプレスを行なった後、転写用台紙を剥がすことにより、電極触媒層と高分子電解質膜とからなるMEAを得ることができる。 In the above method, the drying conditions for the applied electrode catalyst layer and gas diffusion layer side electrode catalyst layer are not particularly limited as long as the polar solvent can be completely removed from the electrode catalyst layer. Specifically, the catalyst ink coating layer (electrode catalyst layer) is dried in a vacuum dryer at room temperature to 100 ° C., more preferably 50 to 80 ° C., for 30 to 60 minutes. At this time, if the thickness of the catalyst layer is not sufficient, the coating and drying process is repeated until a desired thickness is obtained. Next, after sandwiching the polymer electrolyte membrane between the electrode catalyst layers according to the present invention laminated in this manner, hot pressing is performed on the laminate. At this time, the hot press conditions are not particularly limited as long as the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane can be sufficiently closely bonded, but are 100 to 200 ° C., more preferably 110 to 170 ° C. It is preferable to carry out at a press pressure of 1 to 5 MPa. Thereby, the bondability between the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer can be enhanced. After performing the hot press, the MEA composed of the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane can be obtained by removing the transfer mount.
なお、上記では、触媒インクを転写法によって塗布することにより、MEAを作製する方法について述べてきたが、本発明のMEAは、高分子電解質膜表面に、電解質膜側の触媒層形成用の触媒インク直接塗布して、電解質膜側の触媒層を形成した後、この電解質膜側の触媒層上に、さらにガス拡散層側の電極触媒層用の触媒インクを塗布・乾燥して、電解質膜側の電極触媒層の上にガス拡散層側の電極触媒層を形成する方法を使用してもよい。この際、高分子電解質膜上への電極触媒層の形成条件は、特に制限されず、公知の方法が同様にしてあるいは適宜修飾を加えて使用できる。例えば、触媒インクを高分子電解質膜上に、乾燥後の厚みが5〜20μmになるように、塗布し、真空乾燥機内にてまたは減圧下で、25〜150℃、より好ましくは60〜120℃で、5〜30分間、より好ましくは10〜20分間、乾燥する。なお、上記工程において、電極触媒層の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで、上記塗布・乾燥工程を繰り返す。 In the above description, the method for producing the MEA by applying the catalyst ink by the transfer method has been described. However, the MEA of the present invention is a catalyst for forming a catalyst layer on the electrolyte membrane side on the surface of the polymer electrolyte membrane. After directly applying the ink to form the catalyst layer on the electrolyte membrane side, the catalyst ink for the electrode catalyst layer on the gas diffusion layer side is further applied and dried on the catalyst layer on the electrolyte membrane side, and the electrolyte membrane side A method of forming an electrode catalyst layer on the gas diffusion layer side on the electrode catalyst layer may be used. In this case, the conditions for forming the electrode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane are not particularly limited, and can be used in the same manner as known methods or with appropriate modifications. For example, the catalyst ink is applied onto the polymer electrolyte membrane so that the thickness after drying is 5 to 20 μm, and is 25 to 150 ° C., more preferably 60 to 120 ° C. in a vacuum dryer or under reduced pressure. And drying for 5 to 30 minutes, more preferably for 10 to 20 minutes. In addition, in the said process, when the thickness of an electrode catalyst layer is not enough, the said application | coating and drying process is repeated until it becomes desired thickness.
本発明のMEAに用いられる高分子電解質膜としては、特に限定されず、電極触媒層に用いたものと同様の高分子電解質からなる膜が挙げられる。また、デュポン社製の各種のNafion(デュポン社登録商標)やフレミオンに代表されるパーフルオロスルホン酸膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜など、一般的に市販されている固体高分子型電解質膜、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。前記高分子電解質膜に用いられる高分子電解質と、各電極触媒層に用いられる高分子電解質とは、同じであっても異なっていてもよいが、各電極触媒層と高分子電解質膜との密着性を向上させる観点から、同じものを用いるのが好ましい。 The polymer electrolyte membrane used in the MEA of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a membrane made of the same polymer electrolyte as that used for the electrode catalyst layer. In addition, various Nafion (registered trademark of DuPont) manufactured by DuPont and perfluorosulfonic acid membranes represented by Flemion, ion exchange resins manufactured by Dow Chemical, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer resin membrane, trifluoro Fluoropolymer electrolytes such as resin membranes based on styrene, hydrocarbon resin membranes with sulfonic acid groups, and other commonly available solid polymer electrolyte membranes and polymer microporous membranes A membrane impregnated with a liquid electrolyte, a membrane in which a porous body is filled with a polymer electrolyte, or the like may be used. The polymer electrolyte used for the polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte used for each electrode catalyst layer may be the same or different, but the adhesion between each electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane From the viewpoint of improving the properties, it is preferable to use the same one.
前記高分子電解質膜の厚みとしては、得られるMEAの特性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは5〜300μm、より好ましくは10〜200μm、特に好ましくは15〜100μmである。製膜時の強度やMEA作動時の耐久性の観点から5μm以上であることが好ましく、MEA作動時の出力特性の観点から300μm以下であることが好ましい。 The thickness of the polymer electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the properties of the obtained MEA, but is preferably 5 to 300 μm, more preferably 10 to 200 μm, and particularly preferably 15 to 100 μm. From the viewpoint of strength during film formation and durability during MEA operation, it is preferably 5 μm or more, and from the viewpoint of output characteristics during MEA operation, it is preferably 300 μm or less.
また、上記高分子電解質膜としては、上記したようなフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂による膜に加えて、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などから形成された多孔質状の薄膜に、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸したものを使用してもよい。 The polymer electrolyte membrane includes polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinylidene fluoride (PVDF) in addition to the above-described fluorine-based polymer electrolyte and membranes made of hydrocarbon resins having sulfonic acid groups. For example, a porous thin film formed from a material impregnated with an electrolyte component such as phosphoric acid or ionic liquid may be used.
なお、本発明によるMEAは、下記に詳述されるように、ガス拡散層をさらに有している。この際、ガス拡散層は、上記方法において、転写用台紙を剥がした、あるいは上記で作製された接合体をさらにガス拡散層で挟持することによって、さらに各電極触媒層に接合することが好ましい。または、電極触媒層を予めガス拡散層表面上に形成して電極触媒層−ガス拡散層接合体を製造した後、上記したのと同様にして、この電極触媒層−ガス拡散層接合体で高分子電解質膜をホットプレスにより挟持・接合することもまた好ましい。 The MEA according to the present invention further includes a gas diffusion layer as will be described in detail below. At this time, it is preferable that the gas diffusion layer is further bonded to each electrode catalyst layer in the above method by peeling off the transfer mount or sandwiching the bonded body prepared above with the gas diffusion layer. Alternatively, after an electrode catalyst layer is formed on the surface of the gas diffusion layer in advance to produce an electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly, the electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly is used in the same manner as described above. It is also preferable to sandwich and bond the molecular electrolyte membrane by hot pressing.
この際、MEAに用いられるガス拡散層としては、特に限定されず公知のものが同様にして使用でき、例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を基材とするものなどが挙げられる。前記基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。厚さが、30μm未満であると十分な機械的強度などが得られない恐れがあり、500μmを超えるとガスや水などが透過する距離が長くなり望ましくない。 At this time, the gas diffusion layer used in the MEA is not particularly limited, and a known one can be used in the same manner. For example, the conductive and porous properties such as carbon woven fabric, paper-like paper body, felt, and non-woven fabric are used. The thing which uses the sheet-like material which has as a base material etc. are mentioned. The thickness of the substrate may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm. If the thickness is less than 30 μm, sufficient mechanical strength or the like may not be obtained, and if it exceeds 500 μm, the distance through which gas or water permeates is undesirably increased.
電極触媒層をガス拡散層表面上に形成する方法は、特に制限されず、スクリーン印刷法、沈積法、スプレー法などの公知の方法が同様にして適用できる。また、電極触媒層のガス拡散層表面上への形成条件は、特に制限されず、上記したような具体的な形成方法によって従来と同様の条件が適用できる。 The method for forming the electrode catalyst layer on the surface of the gas diffusion layer is not particularly limited, and known methods such as a screen printing method, a deposition method, and a spray method can be similarly applied. In addition, the conditions for forming the electrode catalyst layer on the surface of the gas diffusion layer are not particularly limited, and the same conditions as before can be applied by the specific forming method as described above.
前記ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことを目的として、前記基材に撥水剤を含ませることが好ましい。前記撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。 The gas diffusion layer preferably contains a water repellent in the base material for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon. Although it does not specifically limit as said water repellent, It is fluorine-type, such as a polytetrafluoroethylene (PTFE), a polyvinylidene fluoride (PVDF), a polyhexafluoropropylene, a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). Examples thereof include polymer materials, polypropylene, and polyethylene.
また、撥水性をより向上させるために、前記ガス拡散層は、前記基材上に撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層を有するものであってもよい。 Moreover, in order to improve water repellency more, the said gas diffusion layer may have a carbon particle layer which consists of an aggregate | assembly of the carbon particle containing a water repellent on the said base material.
前記カーボン粒子としては、特に限定されず、カーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などの従来一般的なものであればよい。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく挙げられる。前記カーボン粒子の粒径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。 The carbon particles are not particularly limited, and may be conventional ones such as carbon black, graphite, and expanded graphite. Of these, carbon blacks such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black are preferred because of their excellent electron conductivity and large specific surface area. The particle size of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. Thereby, while being able to obtain the high drainage property by capillary force, it becomes possible to improve contact property with a catalyst layer.
前記カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、前記基材に用いられる上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられる。 Examples of the water repellent used for the carbon particle layer include the same water repellents as those described above used for the substrate. Of these, fluorine-based polymer materials are preferably used because of their excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reaction.
前記カーボン粒子層における、カーボン粒子と撥水剤との混合比は、カーボン粒子が多過ぎると期待するほど撥水性が得られない恐れがあり、撥水剤が多過ぎると十分な電子伝導性が得られない恐れがある。これらを考慮して、カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、質量比で、90:10〜40:60程度とするのがよい。 In the carbon particle layer, the mixing ratio of the carbon particles to the water repellent may be insufficient to obtain water repellency as expected when there are too many carbon particles. If there are too many water repellents, sufficient electron conductivity may be obtained. There is a risk that it will not be obtained. Considering these, the mixing ratio of the carbon particles and the water repellent in the carbon particle layer is preferably about 90:10 to 40:60 in terms of mass ratio.
前記カーボン粒子層の厚さは、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。 The thickness of the carbon particle layer may be appropriately determined in consideration of the water repellency of the obtained gas diffusion layer.
ガス拡散層に撥水剤を含有させる場合には、一般的な撥水処理方法を用いて行えばよい。例えば、ガス拡散層に用いられる基材を撥水剤の分散液に浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させる方法などが挙げられる。 When a water repellent is contained in the gas diffusion layer, a general water repellent treatment method may be used. For example, after immersing the base material used for a gas diffusion layer in the dispersion liquid of a water repellent agent, the method of heat-drying with oven etc. is mentioned.
ガス拡散層において基材上にカーボン粒子層を形成する場合には、カーボン粒子、撥水剤等を、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒などの溶媒中に分散させることによりスラリーを調製し、前記スラリーを基材上に塗布し乾燥、もしくは、前記スラリーを一度乾燥させ粉砕することで粉体にし、これを前記ガス拡散層上に塗布する方法などを用いればよい。その後、マッフル炉や焼成炉を用いて250〜400℃程度で熱処理を施すのが好ましい。 When forming a carbon particle layer on a substrate in a gas diffusion layer, the carbon particles, water repellent, etc. are in a solvent such as water, alcohol solvents such as perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, methanol, ethanol, etc. A slurry is prepared by dispersing in a slurry, and the slurry is applied on a substrate and dried, or the slurry is dried and pulverized to form a powder, and this is applied to the gas diffusion layer. Use it. Then, it is preferable to heat-process at about 250-400 degreeC using a muffle furnace or a baking furnace.
なお、電極触媒層と電解質膜と、及び好ましくはガス拡散層を含む接合体の製造方法は、上述した方法に限定されない。すなわち、触媒インクを電解質膜上に塗布・乾燥させた後ホットプレスして、電極触媒層を固体高分子電解質膜と接合し、得られた接合体をガス拡散層で挟持して、MEAとする方法;触媒インクを、前記ガス拡散層上に塗布・乾燥させて電極触媒層を形成し、これを電解質膜とホットプレスにより接合する方法、などであってもよく各種公知技術を適宜用いて行えばよい。 In addition, the manufacturing method of the joined body including the electrode catalyst layer, the electrolyte membrane, and preferably the gas diffusion layer is not limited to the method described above. That is, after applying and drying the catalyst ink on the electrolyte membrane, hot pressing is performed, the electrode catalyst layer is joined to the solid polymer electrolyte membrane, and the obtained joined body is sandwiched between the gas diffusion layers to form an MEA. Method: A catalyst ink may be applied to the gas diffusion layer and dried to form an electrode catalyst layer, which may be joined to the electrolyte membrane by hot pressing, etc. Just do it.
上記した本発明の電解質膜−電極接合体(MEA)は、触媒担持体(触媒担持カーボン粒子)がプロトンの選択透過性を有する高分子電解質で被覆された状態で積層され形成される電極触媒層を、空孔構造(空孔径、空孔量、空孔率)の異なる少なくとも2以上の層からなり、空孔構造大の電極触媒層が固体高分子電解質膜側(内側)に、空孔構造小の電極触媒層がガス電極側(外側)となるように積層させている。さらに、上記で燃料電池の電極触媒層において、固体高分子電解質膜側(内側)からガス電極側(外側)にわたって、高分子電解質量を増やすことで、空孔構造大の電極触媒層が固体高分子電解質膜側(内側)に、空孔構造小の電極触媒層がガス電極側(外側)となるように積層させる。このような電極触媒層の空孔構造においては、(a)反応ガスの拡散透過性は、反応ガスを電極触媒層の外側(GDL側)より内側(固体高分子電解質膜側)に速やかに拡散透過させることができる。したがって、反応が進むにつれ、内側で反応ガスの不足に陥いることがなく、触媒の利用効率が高く維持でき、電池性能を十分に発現できる;(b)プロトンの伝導性は、プロトンを電極触媒層の内側より外側に速やかに移動(拡散)させることができるため、反応が進むにつれ、外側でプロトンの不足に陥いることがなく、触媒の利用効率が高く維持でき、電池性能を十分に発現できる;(c)電極触媒層の内側では、生成水は固体高分子電解質膜を透過し、カソード側からアノード側に速やかに移動(排出)できるため、生成水による反応ガスの拡散透過性低下が抑制され、触媒の利用効率が高く維持でき、電池性能を十分に発現できる;(d)生成水の一部は、高分子電解質のクラスター内を拡散し電極触媒層とGDLとの界面至り、GDLの電極触媒層側からセパレーター側への排出が促進されるため、反応ガスの拡散透過性低下(フラッディング)が抑制され、触媒の利用効率が高く維持でき、電池性能を十分に発現できるという利点がある。 The electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention described above is an electrode catalyst layer formed by laminating a catalyst carrier (catalyst-carrying carbon particles) covered with a polymer electrolyte having proton selective permeability. Is composed of at least two layers having different pore structures (pore diameter, amount of pores, porosity), and the electrode catalyst layer having a large pore structure is arranged on the solid polymer electrolyte membrane side (inside). The small electrode catalyst layer is laminated so as to be on the gas electrode side (outside). Furthermore, in the electrode catalyst layer of the fuel cell described above, by increasing the polymer electrolysis mass from the solid polymer electrolyte membrane side (inner side) to the gas electrode side (outer side), the electrode catalyst layer having a large pore structure becomes solid high. The electrode catalyst layer having a small pore structure is laminated on the molecular electrolyte membrane side (inner side) so as to be on the gas electrode side (outer side). In such a hole structure of the electrode catalyst layer, (a) the diffusion permeability of the reaction gas is such that the reaction gas diffuses quickly from the outside (GDL side) to the inside (solid polymer electrolyte membrane side) of the electrode catalyst layer. Can be transmitted. Therefore, as the reaction proceeds, there is no shortage of reaction gas on the inside, the catalyst utilization efficiency can be maintained high, and the battery performance can be fully expressed; (b) proton conductivity means that protons are electrocatalysts. Because it can move (diffusion) quickly from the inside to the outside of the layer, as the reaction proceeds, there is no shortage of protons on the outside, the catalyst utilization efficiency can be maintained high, and battery performance is fully expressed. (C) Inside the electrocatalyst layer, the produced water permeates the solid polymer electrolyte membrane and can quickly move (discharge) from the cathode side to the anode side. It is suppressed, the utilization efficiency of the catalyst can be maintained high, and the battery performance can be sufficiently expressed; (d) a part of the generated water diffuses in the cluster of the polymer electrolyte and reaches the interface between the electrode catalyst layer and the GDL, Since the discharge of DL from the electrode catalyst layer side to the separator side is promoted, the decrease in diffusion permeability (flooding) of the reaction gas is suppressed, the utilization efficiency of the catalyst can be maintained high, and the battery performance can be fully expressed. There is.
かような電解質膜−電極接合体を用いることにより、発電性能及び耐久性にも優れる信頼性の高い燃料電池を提供することができる。したがって、本発明はまた、本発明の電解質膜−電極接合体を用いてなる燃料電池を提供するものである。 By using such an electrolyte membrane-electrode assembly, a highly reliable fuel cell excellent in power generation performance and durability can be provided. Therefore, the present invention also provides a fuel cell using the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention.
前記燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では高分子電解質型燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、高分子電解質型燃料電池が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用であるが、特にシステムの起動/停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途で特に好適に使用できる。 The type of the fuel cell is not particularly limited. In the above description, the polymer electrolyte fuel cell has been described as an example. In addition, an alkaline fuel cell, a direct methanol fuel cell, a micro cell, and the like are described. Examples include a fuel cell. Among these, a polymer electrolyte fuel cell is preferred because it is small in size, high density and high output. The fuel cell is useful as a stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. However, the fuel cell is particularly useful for an automobile application in which system start / stop and output fluctuation frequently occur. It can be particularly preferably used.
前記高分子電解質型燃料電池は、定置用電源の他、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求されることによるカーボン担体や触媒金属(Ptなど)の腐食が生じやすい自動車などの移動体用電源として用いられるのが特に好ましい。 The polymer electrolyte fuel cell is useful not only as a stationary power source but also as a power source for a moving body such as an automobile having a limited mounting space. In particular, it is particularly preferable to be used as a power source for a mobile body such as an automobile in which corrosion of a carbon support or a catalytic metal (such as Pt) is likely to occur due to a high output voltage required after a relatively long shutdown.
前記燃料電池の構成としては、特に限定されず、従来公知の技術を適宜利用すればよいが、一般的にはMEAをセパレータで挟持した構造を有する。 The configuration of the fuel cell is not particularly limited, and a conventionally known technique may be used as appropriate. Generally, the fuel cell has a structure in which an MEA is sandwiched between separators.
前記セパレータとしては、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、従来公知のものであれば制限なく用いることができる。セパレータは、空気と燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、それらの流路を確保するための流路溝が形成されてもよい。セパレータの厚さや大きさ、流路溝の形状などについては、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。 The separator can be used without limitation as long as it is conventionally known, such as those made of carbon such as dense carbon graphite and a carbon plate, and those made of metal such as stainless steel. The separator has a function of separating air and fuel gas, and a channel groove for securing the channel may be formed. The thickness and size of the separator, the shape of the flow channel, and the like are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of the obtained fuel cell.
また、各触媒層に供給されるガスが外部にリークするのを防止するために、ガスケット層上の触媒層が形成されていない部位にさらにガスシール部が設けられてもよい。前記ガスシール部を構成する材料としては、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリイソブチレンゴム等のゴム材料、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等のフッ素系の高分子材料、ポリオレフィンやポリエステル等の熱可塑性樹脂などが挙げられる。また、ガスシール部の厚さとしては、2mm〜50μm、望ましくは1mm〜100μm程度とすればよい。 Further, in order to prevent the gas supplied to each catalyst layer from leaking to the outside, a gas seal portion may be further provided at a portion where the catalyst layer is not formed on the gasket layer. Examples of the material constituting the gas seal portion include rubber materials such as fluoro rubber, silicon rubber, ethylene propylene rubber (EPDM), polyisobutylene rubber, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoro. Fluorine polymer materials such as propylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and thermoplastic resins such as polyolefin and polyester. The thickness of the gas seal portion may be 2 mm to 50 μm, preferably about 1 mm to 100 μm.
さらに、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、セパレータを介してMEAを複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。 Furthermore, a stack in which a plurality of MEAs are stacked via a separator and connected in series may be formed so that the fuel cell can obtain a desired voltage or the like. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.
以下に、実施例および比較例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these.
実施例1
1.電極触媒の調製
導電性炭素材料としてカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製、ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m2/g)4.0gを準備し、これにジニトロジアンミン白金水溶液(Pt濃度1.0%)400gを加えて1時間撹拌した。さらに、還元剤としてメタノール50gを混合し、1時間攪拌した。その後、10%−CO(一酸化炭素)をバブリングしながら、30分で80℃まで加温し、80℃で6時間撹拌した後、1時間で室温まで降温した。沈殿物を濾過した後、得られた固形物を減圧下85℃において12時間乾燥し、乳鉢で粉砕し、アノード電極触媒(Pt粒子の平均粒径2.6nm、Pt担持濃度50質量%)を得た。
Example 1
1. Preparation of Electrocatalyst 4.0 g of carbon black (manufactured by Ketjen Black International, Ketjen Black EC, BET surface area = 800 m 2 / g) was prepared as a conductive carbon material, and dinitrodiammine platinum aqueous solution (Pt concentration 1) 0.0%) was added and stirred for 1 hour. Furthermore, 50 g of methanol was mixed as a reducing agent and stirred for 1 hour. Thereafter, while bubbling 10% -CO (carbon monoxide), the mixture was heated to 80 ° C. in 30 minutes, stirred at 80 ° C. for 6 hours, and then cooled to room temperature in 1 hour. After filtering the precipitate, the obtained solid was dried under reduced pressure at 85 ° C. for 12 hours, pulverized with a mortar, and an anode electrode catalyst (average particle diameter of Pt particles 2.6 nm,
特記しない限り、このようにして得た電極触媒を、以下の実施例1〜15および比較例1〜3において、アノード触媒層およびカソード触媒層の作製に用いた。 Unless otherwise specified, the electrode catalyst thus obtained was used for the production of an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer in Examples 1 to 15 and Comparative Examples 1 to 3 below.
2.アノード側の電極触媒層の作製
アノード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、アノード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.0/1.0であるものを用いた。
2. Production of anode-side electrode catalyst layer Five times the amount of purified water was added to the mass of the anode electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the solid mass ratio of the anode electrode catalyst to the carbon mass was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.0 / 1.0.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるアノード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm2(アノード触媒層の平均厚みは6μm)となるように調整した。こうしてアノード触媒層塗布シートA1を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. An amount of the catalyst slurry corresponding to the desired thickness was printed on one side of the polytetrafluoroethylene sheet by screen printing and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed anode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. The coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the anode catalyst layer was 6 μm). Thus, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained.
3.カソード側の電極触媒層の作製
以下のようにして、図3に示されるカソード側の電極触媒層を作製した。
3. Production of cathode-side electrode catalyst layer The cathode-side electrode catalyst layer shown in FIG. 3 was produced as follows.
3−1.GDL側のカソード触媒層
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2029CSを含む溶液(固形分10%の溶液、EW=900)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.3/1.0であるものを用いた。なお、ここで使用した触媒担持カーボンの粒度分布を図6−1〜6−3中の「d」で示す。
3-1. Cathode catalyst layer on the GDL side 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2029CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 10%, EW = 900) was added. The polymer electrolyte content in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.3 / 1.0. The particle size distribution of the catalyst-supported carbon used here is indicated by “d” in FIGS. 6-1 to 6-3.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを2回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm2(カソード触媒層の平均厚みは6μm)となるように調整した。こうして塗布シートB1を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by screen printing in two portions according to the desired thickness and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 6 μm). Thus, a coating sheet B1 was obtained.
3−2.高分子電解質膜側のカソード触媒層
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=0.9/1.0であるものを用いた。なお、ここで使用した触媒担持カーボンの粒度分布を図6−1〜6−3中の「b」で示す。
3-2. Cathode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane side 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 0.9 / 1.0. The particle size distribution of the catalyst-supported carbon used here is indicated by “b” in FIGS. 6-1 to 6-3.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これを前記塗布シートB1の上に、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを2回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm2(カソード触媒層の平均厚みは6μm)となるように調整した。こうしてカソード触媒層塗布シートC1を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on the coating sheet B1 in an amount corresponding to the desired thickness in two portions, and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 6 μm). Thus, a cathode catalyst layer coated sheet C1 was obtained.
4.電解質膜−電極接合体(MEA)の作製
固体高分子電解質膜としてNafion NRE211(膜厚25μm)と、先に作製したポリテトラフルオロエチレンシート上に形成された電極触媒層(アノード側A1、カソード側にC1)とを重ね合わせた。その際には、アノード触媒層、固体高分子電解質膜、カソード触媒層を、この順序で積層させた。その後、130℃、2.0MPaで、10分間ホットプレスし、ポリテトラフルオロエチレンシートのみを剥がしてMEAを得た。
4). Preparation of Electrolyte Membrane-Electrode Assembly (MEA) Nafion NRE211 (film thickness: 25 μm) as a solid polymer electrolyte membrane and electrode catalyst layer (anode side A1, cathode side) formed on the previously prepared polytetrafluoroethylene sheet And C1). At that time, the anode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer were laminated in this order. Then, it hot-pressed for 10 minutes at 130 degreeC and 2.0 MPa, peeled only the polytetrafluoroethylene sheet, and obtained MEA.
固体高分子電解質膜上に転写されたカソード触媒層は厚さが約12μm、Pt担持量は見かけの電極面積1cm2あたり0.4mg、電極面積は25cm2であった。アノード触媒層は、厚さが約6μm、Pt担持量は見かけの電極面積1cm2あたり0.2mg、電極面積は25cm2であった。こうして膜電極接合体(MEA)M1を得た。 The cathode catalyst layer transferred onto the solid polymer electrolyte membrane had a thickness of about 12 μm, the amount of Pt supported was 0.4 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, and the electrode area was 25 cm 2 . The anode catalyst layer had a thickness of about 6 μm, the amount of Pt supported was 0.2 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, and the electrode area was 25 cm 2 . Thus, a membrane electrode assembly (MEA) M1 was obtained.
5.MEAの性能評価
上記4で得られた電解質膜−電極接合体(MEA)の性能を以下のように評価した。
5. MEA Performance Evaluation The performance of the electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) obtained in 4 above was evaluated as follows.
電解質膜−電極接合体M1の両面側に、ガス拡散層としてカーボンペーパ(大きさ6.0cm×5.5cm、厚さ320μm)と、ガス流路付きガスセパレータとを各々配置し、さらに金メッキしたステンレス製集電板により挟持して、評価用単位セルとした。 Carbon paper (size: 6.0 cm × 5.5 cm, thickness: 320 μm) as a gas diffusion layer and a gas separator with a gas flow path were respectively disposed on both sides of the electrolyte membrane-electrode assembly M1 and further plated with gold. The unit cell for evaluation was sandwiched between stainless steel current collector plates.
評価用単セルの、アノード側に燃料として水素を供給し、カソード側には酸化剤として空気を供給した。両ガスとも供給圧力は大気圧とし、水素は58.6℃および相対湿度60%、空気は54.8℃および相対湿度50%、セル温度は70℃に設定した。また、水素利用率は67%、空気利用率は40%とした。この条件下で、電流密度1.0A/cm2で発電させた際のセル電圧を初期セル電圧として測定した。
In the evaluation unit cell, hydrogen was supplied as a fuel to the anode side, and air was supplied as an oxidant to the cathode side. The supply pressure of both gases was atmospheric pressure, hydrogen was set to 58.6 ° C. and relative humidity 60%, air was set to 54.8 ° C. and
6.MEAの耐久試験
続いて、60秒間発電した後、発電を停止した。停止後、水素及び空気の供給を停止し、空気で単セルを置換し50秒間待機した。その後、10秒間アノード側に水素ガスを上記利用率の1/5で供給した。その後、アノード側に水素ガス、カソード側に空気を上記と同様の条件で供給し、再度、1.0A/cm2の電流密度で60秒間発電した。また、この時の負荷電流は30秒間で0A/cm2から1A/cm2に増大させた。この発電・停止動作を実施し、セル電圧を測定して、発電性能を評価した。1.0A/cm2の電流密度でのセル電圧が0.45Vになったときのサイクル数を、耐久性の評価値として用いた。本実施例のアノード及びカソード触媒層の調製条件ならびに上記性能試験および耐久試験の結果を表1及び表2に示す。なお、下記表1において、「Ionomer(wt%)」は、GDL側のカソード触媒層及び高分子電解質膜側のカソード触媒層の高分子電解質組成を質量%で表わしたものである。
6). MEA Durability Test Subsequently, power generation was stopped after 60 seconds of power generation. After stopping, the supply of hydrogen and air was stopped, the single cell was replaced with air, and the system was on standby for 50 seconds. Thereafter, hydrogen gas was supplied to the anode side for 10 seconds at 1/5 of the above utilization rate. Thereafter, hydrogen gas was supplied to the anode side and air was supplied to the cathode side under the same conditions as described above, and power was generated again at a current density of 1.0 A / cm 2 for 60 seconds. Also, the load current at this time was increased from 0 A / cm 2 to 1 A / cm 2 in 30 seconds. This power generation / stop operation was performed, the cell voltage was measured, and the power generation performance was evaluated. The number of cycles when the cell voltage at a current density of 1.0 A / cm 2 was 0.45 V was used as the durability evaluation value. Tables 1 and 2 show the preparation conditions of the anode and cathode catalyst layers of this example, and the results of the performance test and durability test. In Table 1 below, “Ionomer (wt%)” represents the polymer electrolyte composition of the cathode catalyst layer on the GDL side and the cathode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane side in mass%.
比較例1
1.アノード触媒層の作製
実施例1 1に準じて、アノード触媒層塗布シートA1を得た。
Comparative Example 1
1. Preparation of Anode Catalyst Layer According to Example 11 1, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained.
2.カソード触媒層の作製
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=0.9/1.0であるものを用いた。なお、ここで使用した触媒担持カーボンの粒度分布を図6−1〜6−3中の「b」で示す。
2. Preparation of cathode catalyst layer 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst, and vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 0.9 / 1.0. The particle size distribution of the catalyst-supported carbon used here is indicated by “b” in FIGS. 6-1 to 6-3.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これを前記塗布シートC1の上に、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを2回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.4mg/cm2(カソード触媒層の平均厚みは12μm)となるように調整した。こうしてカソード触媒層塗布シートD1を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on the coating sheet C1 in an amount corresponding to the desired thickness in two portions, and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. The coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.4 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 12 μm). Thus, a cathode catalyst layer coated sheet D1 was obtained.
3.電解質膜電極接合体(MEA)の作製
固体高分子電解質膜としてNafion NRE211(膜厚25μm)と、先に作製したポリテトラフルオロエチレンシート上に形成された電極触媒層(アノード側A1、カソード側にD1)とを重ね合わせた。その際には、アノード触媒層、固体高分子電解質膜、カソード触媒層を、この順序で積層させた。その後、130℃、2.0MPaで、10分間ホットプレスし、ポリテトラフルオロエチレンシートのみを剥がしてMEAを得た。
3. Preparation of Electrolyte Membrane Electrode Assembly (MEA) Nafion NRE211 (film thickness: 25 μm) as a solid polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer (anode side A1, cathode side) formed on the previously prepared polytetrafluoroethylene sheet D1). At that time, the anode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer were laminated in this order. Then, it hot-pressed for 10 minutes at 130 degreeC and 2.0 MPa, peeled only the polytetrafluoroethylene sheet, and obtained MEA.
固体高分子電解質膜上に転写されたカソード触媒層は厚さが約12μm、Pt担持量は見かけの電極面積1cm2あたり0.4mg、電極面積は25cm2であった。アノード触媒層は、厚さが約6μm、Pt担持量は見かけの電極面積1cm2あたり0.2mg、電極面積は25cm2であった。こうして膜電極接合体(MEA)N1を得た。 The cathode catalyst layer transferred onto the solid polymer electrolyte membrane had a thickness of about 12 μm, the amount of Pt supported was 0.4 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, and the electrode area was 25 cm 2 . The anode catalyst layer had a thickness of about 6 μm, the amount of Pt supported was 0.2 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, and the electrode area was 25 cm 2 . Thus, a membrane electrode assembly (MEA) N1 was obtained.
上記で得られたアノード触媒層及びカソード触媒層を用いる以外は、実施例1と同様にして、電解質膜−電極接合体(MEA)を作製し、さらに当該MEAについてMEAの性能評価およびMEAの耐久試験を行ない、アノード及びカソード触媒層の調製条件ならびに上記性能試験および耐久試験の結果を表1及び表2に示す。 An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer obtained above were used. Further, the MEA performance evaluation and MEA durability of the MEA were performed. Table 1 and Table 2 show the conditions for preparing the anode and cathode catalyst layers and the results of the performance test and durability test.
比較例2
1.アノード触媒層の作製
実施例1 1に準じて、アノード触媒層塗布シートA1を得た。
Comparative Example 2
1. Preparation of Anode Catalyst Layer According to Example 11 1, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained.
2.カソード触媒層の作製
2−1.GDL側のカソード触媒層
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=0.9/1.0であるものを用いた。なお、ここで使用した触媒担持カーボンの粒度分布を図6−1〜6−3中の「b」で示す。
2. 2. Production of cathode catalyst layer 2-1. Cathode catalyst layer on the GDL side 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 0.9 / 1.0. The particle size distribution of the catalyst-supported carbon used here is indicated by “b” in FIGS. 6-1 to 6-3.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを2回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm2(カソード触媒層の平均厚みは6μm)となるように調整した。こうして塗布シートD2を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by screen printing in two portions according to the desired thickness and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 6 μm). Thus, a coating sheet D2 was obtained.
2−2.固体高分子電解質膜側のカソード触媒層
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2029CSを含む溶液(固形分10%の溶液、EW=900)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.3/1.0であるものを用いた。なお、ここで使用した触媒担持カーボンの粒度分布を図6−1〜6−3中の「d」で示す。
2-2. Cathode catalyst layer on the side of the solid polymer electrolyte membrane Five times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2029CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 10%, EW = 900) was added. The polymer electrolyte content in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.3 / 1.0. The particle size distribution of the catalyst-supported carbon used here is indicated by “d” in FIGS. 6-1 to 6-3.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これを前記塗布シートD2の上に、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを2回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm2(カソード触媒層の平均厚みは6μm)となるように調整した。こうしてカソード触媒層塗布シートE2を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. The catalyst slurry having an amount corresponding to a desired thickness was printed in two portions on the coating sheet D2, and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 6 μm). Thus, a cathode catalyst layer coated sheet E2 was obtained.
3.電解質膜電極接合体(MEA)の作製
固体高分子電解質膜としてNafion NRE211(膜厚25μm)と、先に作製したポリテトラフルオロエチレンシート上に形成された電極触媒層(アノード側A1、カソード側にE2)とを重ね合わせた。その際には、アノード触媒層、固体高分子電解質膜、カソード触媒層を、この順序で積層させた。その後、130℃、2.0MPaで、10分間ホットプレスし、ポリテトラフルオロエチレンシートのみを剥がしてMEAを得た。
3. Production of Electrolyte Membrane Electrode Assembly (MEA) Nafion NRE211 (film thickness 25 μm) as a solid polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer (anode side A1 on the cathode side) formed on the previously produced polytetrafluoroethylene sheet E2). At that time, the anode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer were laminated in this order. Then, it hot-pressed for 10 minutes at 130 degreeC and 2.0 MPa, peeled only the polytetrafluoroethylene sheet, and obtained MEA.
固体高分子電解質膜上に転写されたカソード触媒層は厚さが約12μm、Pt担持量は見かけの電極面積1cm2あたり0.4mg、電極面積は25cm2であった。アノード触媒層は、厚さが約6μm、Pt担持量は見かけの電極面積1cm2あたり0.2mg、電極面積は25cm2であった。こうして膜電極接合体(MEA)N2を得た。 The cathode catalyst layer transferred onto the solid polymer electrolyte membrane had a thickness of about 12 μm, the amount of Pt supported was 0.4 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, and the electrode area was 25 cm 2 . The anode catalyst layer had a thickness of about 6 μm, the amount of Pt supported was 0.2 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, and the electrode area was 25 cm 2 . Thus, a membrane electrode assembly (MEA) N2 was obtained.
上記で得られたアノード触媒層及びカソード触媒層を用いる以外は、実施例1と同様にして、電解質膜−電極接合体(MEA)を作製し、さらに当該MEAについてMEAの性能評価およびMEAの耐久試験を行ない、アノード及びカソード触媒層の調製条件ならびに上記性能試験および耐久試験の結果を表1及び表2に示す。 An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer obtained above were used. Further, the MEA performance evaluation and MEA durability of the MEA were performed. Table 1 and Table 2 show the conditions for preparing the anode and cathode catalyst layers and the results of the performance test and durability test.
比較例3
1.アノード触媒層の作製
実施例1 1に準じて、アノード触媒層塗布シートA1を得た。
Comparative Example 3
1. Preparation of Anode Catalyst Layer According to Example 11 1, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained.
2.カソード触媒層の作製
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2029CSを含む溶液(固形分10%の溶液、EW=900)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.3/1.0であるものを用いた。なお、ここで使用した触媒担持カーボンの粒度分布を図6−1〜6−3中の「d」で示す。
2. Preparation of cathode catalyst layer 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst, and vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2029CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 10%, EW = 900) was added. The polymer electrolyte content in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.3 / 1.0. The particle size distribution of the catalyst-supported carbon used here is indicated by “d” in FIGS. 6-1 to 6-3.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを4回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.4mg/cm2(カソード触媒層の平均厚みは12μm)となるように調整した。こうしてカソード触媒層塗布シートD3を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by screen printing in four portions in an amount corresponding to the desired thickness, and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. The coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.4 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 12 μm). Thus, a cathode catalyst layer coated sheet D3 was obtained.
3.電解質膜電極接合体(MEA)の作製
固体高分子電解質膜としてNafion NRE211(膜厚25μm)と、先に作製したポリテトラフルオロエチレンシート上に形成された電極触媒層(アノード側A1、カソード側にD3)とを重ね合わせた。その際には、アノード触媒層、固体高分子電解質膜、カソード触媒層を、この順序で積層させた。その後、130℃、2.0MPaで、10分間ホットプレスし、ポリテトラフルオロエチレンシートのみを剥がしてMEAを得た。
3. Production of Electrolyte Membrane Electrode Assembly (MEA) Nafion NRE211 (film thickness 25 μm) as a solid polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer (anode side A1 on the cathode side) formed on the previously produced polytetrafluoroethylene sheet D3). At that time, the anode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer were laminated in this order. Then, it hot-pressed for 10 minutes at 130 degreeC and 2.0 MPa, peeled only the polytetrafluoroethylene sheet, and obtained MEA.
固体高分子電解質膜上に転写されたカソード触媒層は厚さが約12μm、Pt担持量は見かけの電極面積1cm2あたり0.4mg、電極面積は25cm2であった。アノード触媒層は、厚さが約6μm、Pt担持量は見かけの電極面積1cm2あたり0.2mg、電極面積は25cm2であった。こうして膜電極接合体(MEA)N3を得た。 The cathode catalyst layer transferred onto the solid polymer electrolyte membrane had a thickness of about 12 μm, the amount of Pt supported was 0.4 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, and the electrode area was 25 cm 2 . The anode catalyst layer had a thickness of about 6 μm, the amount of Pt supported was 0.2 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, and the electrode area was 25 cm 2 . Thus, a membrane electrode assembly (MEA) N3 was obtained.
上記で得られたアノード触媒層及びカソード触媒層を用いる以外は、実施例1と同様にして、電解質膜−電極接合体(MEA)を作製し、さらに当該MEAについてMEAの性能評価およびMEAの耐久試験を行ない、アノード及びカソード触媒層の調製条件ならびに上記性能試験および耐久試験の結果を表1及び表2に示す。 An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer obtained above were used. Further, the MEA performance evaluation and MEA durability of the MEA were performed. Table 1 and Table 2 show the conditions for preparing the anode and cathode catalyst layers and the results of the performance test and durability test.
実施例2
1.アノード触媒層の作製
実施例1 1に準じて、アノード触媒層塗布シートA1を得た。
Example 2
1. Preparation of Anode Catalyst Layer According to Example 11 1, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained.
2.カソード触媒層の作製
以下のようにして、図4に示されるカソード側の電極触媒層を作製した。
2. Production of Cathode Catalyst Layer The cathode-side electrode catalyst layer shown in FIG. 4 was produced as follows.
2−1.GDL側のカソード触媒層の作製
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにEW700の電解質を分散したイオノマー溶液(固形分10%の溶液、EW=700)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.3/1.0であるものを用いた。
2-1. Preparation of cathode catalyst layer on the GDL side 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and an ionomer solution (
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを2回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm2(カソード触媒層の平均厚みは6μm)となるように調整した。こうして塗布シートB2を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by screen printing in two portions according to the desired thickness and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 6 μm). Thus, a coating sheet B2 was obtained.
2−2.高分子電解質膜側のカソード触媒層の作製
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=0.9/1.0であるものを用いた。
2-2. Preparation of cathode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane side 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 0.9 / 1.0.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これを前記塗布シートB2の上に、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを1回印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm2(カソード触媒層の平均厚みは6μm)となるように調整した。こうしてカソード触媒層塗布シートC2を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. An amount of the catalyst slurry corresponding to the desired thickness was printed once on the coating sheet B2 and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 6 μm). Thus, a cathode catalyst layer coated sheet C2 was obtained.
上記で得られたアノード触媒層及びカソード触媒層を用いる以外は、実施例1と同様にして、電解質膜−電極接合体(MEA)を作製し、さらに当該MEAについてMEAの性能評価およびMEAの耐久試験を行ない、アノード及びカソード触媒層の調製条件ならびに上記性能試験および耐久試験の結果を表1及び表2に示す。 An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer obtained above were used. Further, the MEA performance evaluation and MEA durability of the MEA were performed. Table 1 and Table 2 show the conditions for preparing the anode and cathode catalyst layers and the results of the performance test and durability test.
実施例3
1.アノード触媒層の作製
実施例1 1に準じて、アノード触媒層塗布シートA1を得た。
Example 3
1. Preparation of Anode Catalyst Layer According to Example 11 1, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained.
2.カソード触媒層の作製
以下のようにして、図5に示されるカソード側の電極触媒層を作製した。
2. Production of Cathode Catalyst Layer The cathode-side electrode catalyst layer shown in FIG. 5 was produced as follows.
2−1.GDL側のカソード触媒層の作製
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2029CSを含む溶液(固形分10%の溶液、EW=900)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.3/1.0であるものを用いた。
2-1. Preparation of cathode catalyst layer on the GDL side 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2029CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 10%, EW = 900) was added. The polymer electrolyte content in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.3 / 1.0.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを2回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm2(カソード触媒層の平均厚みは6μm)となるように調整した。こうして塗布シートB1を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by screen printing in two portions according to the desired thickness and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 6 μm). Thus, a coating sheet B1 was obtained.
2−2.高分子電解質膜側のカソード触媒層の作製
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、EW1,100の電解質を分散したイオノマー溶液(固形分20%の溶液、EW=1,100)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=0.9/1.0であるものを用いた。なお、ここで使用した触媒担持カーボンの粒度分布を図6−1〜6−3中の「b」で示す。
2-2. Preparation of cathode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane side 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this was added 0.5 times the amount of n-propyl alcohol, and an ionomer solution (20% solid content, EW = 1,100) in which an electrolyte of EW1,100 was dispersed was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 0.9 / 1.0. The particle size distribution of the catalyst-supported carbon used here is indicated by “b” in FIGS. 6-1 to 6-3.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これを前記塗布シートB1の上に、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを2回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm2(カソード触媒層の平均厚みは6μm)となるように調整した。こうしてカソード触媒層塗布シートC3を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on the coating sheet B1 in an amount corresponding to the desired thickness in two portions, and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 6 μm). Thus, a cathode catalyst layer coated sheet C3 was obtained.
上記で得られたアノード触媒層及びカソード触媒層を用いる以外は、実施例1と同様にして、電解質膜−電極接合体(MEA)を作製し、さらに当該MEAについてMEAの性能評価およびMEAの耐久試験を行ない、アノード及びカソード触媒層の調製条件ならびに上記性能試験および耐久試験の結果を表1及び表2に示す。 An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer obtained above were used. Further, the MEA performance evaluation and MEA durability of the MEA were performed. Table 1 and Table 2 show the conditions for preparing the anode and cathode catalyst layers and the results of the performance test and durability test.
実施例4
1.アノード触媒層の作製
実施例1 1に準じて、アノード触媒層塗布シートA1を得た。
Example 4
1. Preparation of Anode Catalyst Layer According to Example 11 1, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained.
2.カソード触媒層の作製
2−1.GDL側のカソード触媒層の作製
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、EW700の電解質を分散したイオノマー溶液(固形分10%の溶液、EW=700)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.3/1.0であるものを用いた。
2. 2. Production of cathode catalyst layer 2-1. Preparation of cathode catalyst layer on the GDL side 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and an ionomer solution (10% solid content, EW = 700) in which the electrolyte of EW700 was dispersed was added. The polymer electrolyte content in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.3 / 1.0.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを2回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm2(カソード触媒層の平均厚みは6μm)となるように調整した。こうして塗布シートB2を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by screen printing in two portions according to the desired thickness and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 6 μm). Thus, a coating sheet B2 was obtained.
2−2.高分子電解質膜側のカソード触媒層の作製
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=0.9/1.0であるものを用いた。
2-2. Preparation of cathode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane side 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 0.9 / 1.0.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これを前記塗布シートB2の上に、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを1回印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm2(カソード触媒層の平均厚みは6μm)となるように調整した。こうしてカソード触媒層塗布シートC4を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. An amount of the catalyst slurry corresponding to the desired thickness was printed once on the coating sheet B2 and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 6 μm). Thus, a cathode catalyst layer coated sheet C4 was obtained.
上記で得られたアノード触媒層及びカソード触媒層を用いる以外は、実施例1と同様にして、電解質膜−電極接合体(MEA)を作製し、さらに当該MEAについてMEAの性能評価およびMEAの耐久試験を行ない、アノード及びカソード触媒層の調製条件ならびに上記性能試験および耐久試験の結果を表1及び表2に示す。 An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer obtained above were used. Further, the MEA performance evaluation and MEA durability of the MEA were performed. Table 1 and Table 2 show the conditions for preparing the anode and cathode catalyst layers and the results of the performance test and durability test.
実施例5
1.アノード触媒層の作製
実施例1 1に準じて、アノード触媒層塗布シートA1を得た。
Example 5
1. Preparation of Anode Catalyst Layer According to Example 11 1, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained.
2.カソード触媒層の作製
2−1.GDL側のカソード触媒層の作製
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2029CSを含む溶液(固形分10%の溶液、EW=900)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.1/1.0であるものを用いた。
2. 2. Production of cathode catalyst layer 2-1. Preparation of cathode catalyst layer on the GDL side 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2029CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 10%, EW = 900) was added. The polymer electrolyte content in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.1 / 1.0.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを3回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm2(カソード触媒層の平均厚みは6μm)となるように調整した。こうして塗布シートB3を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by a screen printing method in three times according to the desired thickness, and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 6 μm). Thus, a coating sheet B3 was obtained.
2−2.高分子電解質膜側のカソード触媒層の作製
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.0/1.0であるものを用いた。
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これを前記塗布シートB3の上に、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを2回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm2(カソード触媒層の平均厚みは6μm)となるように調整した。こうしてカソード触媒層塗布シートC5を得た。
2-2. Preparation of cathode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane side 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.0 / 1.0.
The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on the coating sheet B3 in an amount corresponding to the desired thickness in two portions, and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 6 μm). Thus, a cathode catalyst layer coated sheet C5 was obtained.
上記で得られたアノード触媒層及びカソード触媒層を用いる以外は、実施例1と同様にして、電解質膜−電極接合体(MEA)を作製し、さらに当該MEAについてMEAの性能評価およびMEAの耐久試験を行ない、アノード及びカソード触媒層の調製条件ならびに上記性能試験および耐久試験の結果を表1及び表2に示す。 An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) was produced in the same manner as in Example 1 except that the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer obtained above were used. Further, the MEA performance evaluation and MEA durability were performed on the MEA. Table 1 and Table 2 show the conditions for preparing the anode and cathode catalyst layers and the results of the performance test and durability test.
実施例6
1.アノード触媒層の作製
実施例1 1に準じて、アノード触媒層塗布シートA1を得た。
Example 6
1. Preparation of Anode Catalyst Layer According to Example 11 1, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained.
2.カソード触媒層の作製
2−1.GDL側のカソード触媒層の作製
実施例5 2−1に準じて作製した触媒スラリーをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを4回に分けて印刷し、塗布シートB4を得た。
2. 2. Production of cathode catalyst layer 2-1. Preparation of cathode catalyst layer on the GDL side Example 5 A catalyst slurry prepared according to 2-1 was applied to one side of a polytetrafluoroethylene sheet by screen printing, and an amount of catalyst slurry corresponding to the desired thickness was applied four times. Printing was performed separately to obtain a coating sheet B4.
2−2.高分子電解質膜側のカソード触媒層の作製
実施例5 2−2に準じて作製した触媒スラリーを前述の塗布シートB4の上に、2回で印刷し、カソード触媒層塗布シートC6を得た。
2-2. Production of Cathode Catalyst Layer on Polymer Electrolyte Membrane Example 5 A catalyst slurry produced according to 2-2 was printed twice on the aforementioned application sheet B4 to obtain a cathode catalyst layer application sheet C6.
上記で得られたアノード触媒層及びカソード触媒層を用いる以外は、実施例1と同様にして、電解質膜−電極接合体(MEA)を作製し、さらに当該MEAについてMEAの性能評価およびMEAの耐久試験を行ない、アノード及びカソード触媒層の調製条件ならびに上記性能試験および耐久試験の結果を表1及び表2に示す。 An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer obtained above were used. Further, the MEA performance evaluation and MEA durability of the MEA were performed. Table 1 and Table 2 show the conditions for preparing the anode and cathode catalyst layers and the results of the performance test and durability test.
実施例7
1.アノード触媒層の作製
実施例1 1に準じて、アノード触媒層塗布シートA1を得た。
Example 7
1. Preparation of Anode Catalyst Layer According to Example 11 1, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained.
2.カソード触媒層の作製
2−1.GDL側のカソード触媒層の作製
実施例6 2−1に準じて作製した触媒スラリーをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを5回に分けて印刷し、塗布シートB5を得た。
2. 2. Production of cathode catalyst layer 2-1. Preparation of cathode catalyst layer on GDL side Example 6 Catalyst slurry prepared according to 2-1 was screen-printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet, and an amount of catalyst slurry corresponding to the desired thickness was applied five times. Printing was performed separately to obtain a coating sheet B5.
2−2.高分子電解質膜側のカソード触媒層の作製
実施例6 2−2に準じて作製した触媒スラリーを前述の塗布シートB5の上に、2回で印刷し、カソード触媒層塗布シートC7を得た。
2-2. Preparation of Cathode Catalyst Layer on Polymer Electrolyte Membrane Example 6 A catalyst slurry prepared according to 2-2 was printed twice on the aforementioned application sheet B5 to obtain a cathode catalyst layer application sheet C7.
上記で得られたアノード触媒層及びカソード触媒層を用いる以外は、実施例1と同様にして、電解質膜−電極接合体(MEA)を作製し、さらに当該MEAについてMEAの性能評価およびMEAの耐久試験を行ない、アノード及びカソード触媒層の調製条件ならびに上記性能試験および耐久試験の結果を表1及び表2に示す。 An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer obtained above were used. Further, the MEA performance evaluation and MEA durability of the MEA were performed. Table 1 and Table 2 show the conditions for preparing the anode and cathode catalyst layers and the results of the performance test and durability test.
実施例8
1.アノード触媒層の作製
実施例1 1に準じて、アノード触媒層塗布シートA1を得た。
Example 8
1. Preparation of Anode Catalyst Layer According to Example 11 1, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained.
2.カソード触媒層の作製
2−1.GDL側のカソード触媒層の作製
実施例6 2−1に準じて作製した触媒スラリーをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを6回に分けて印刷し、塗布シートB6を得た。
2. 2. Production of cathode catalyst layer 2-1. Preparation of cathode catalyst layer on the GDL side Example 6 Catalyst slurry prepared according to 2-1 was applied on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by screen printing in an amount corresponding to the desired thickness six times. Printing was performed separately to obtain a coating sheet B6.
2−2.高分子電解質膜側のカソード触媒層の作製
実施例6 2−2に準じて作製した触媒スラリーを前述の塗布シートB6の上に、2回で印刷し、カソード触媒層塗布シートC8を得た。
2-2. Preparation of Cathode Catalyst Layer on Polymer Electrolyte Membrane Example 6 A catalyst slurry prepared according to 2-2 was printed twice on the aforementioned application sheet B6 to obtain a cathode catalyst layer application sheet C8.
上記で得られたアノード触媒層及びカソード触媒層を用いる以外は、実施例1と同様にして、電解質膜−電極接合体(MEA)を作製し、さらに当該MEAについてMEAの性能評価およびMEAの耐久試験を行ない、アノード及びカソード触媒層の調製条件ならびに上記性能試験および耐久試験の結果を表1及び表2に示す。 An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer obtained above were used. Further, the MEA performance evaluation and MEA durability of the MEA were performed. Table 1 and Table 2 show the conditions for preparing the anode and cathode catalyst layers and the results of the performance test and durability test.
実施例9
1.アノード触媒層の作製
実施例1 1に準じて、アノード触媒層塗布シートA1を得た。
Example 9
1. Preparation of Anode Catalyst Layer According to Example 11 1, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained.
2.カソード触媒層の作製
2−1.GDL側のカソード触媒層の作製
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、EW700の電解質を分散したイオノマー溶液(固形分10%の溶液、EW=700)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.1/1.0であるものを用いた。
2. 2. Production of cathode catalyst layer 2-1. Preparation of cathode catalyst layer on the GDL side 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and an ionomer solution (10% solid content, EW = 700) in which the electrolyte of EW700 was dispersed was added. The polymer electrolyte content in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.1 / 1.0.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを5回に分けて印刷し、塗布シートB7を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of the polytetrafluoroethylene sheet by screen printing in five times in an amount corresponding to the desired thickness to obtain a coated sheet B7.
2−2.高分子電解質膜側のカソード触媒層の作製
実施例6 2−2に準じて作製した触媒スラリーを前述の塗布シートB7の上に、2回で印刷し、カソード触媒層塗布シートC9を得た。
2-2. Production Example 6 for Cathode Catalyst Layer on Polymer Electrolyte Membrane The catalyst slurry produced according to 2-2 was printed twice on the aforementioned application sheet B7 to obtain a cathode catalyst layer application sheet C9.
上記で得られたアノード触媒層及びカソード触媒層を用いる以外は、実施例1と同様にして、電解質膜−電極接合体(MEA)を作製し、さらに当該MEAについてMEAの性能評価およびMEAの耐久試験を行ない、アノード及びカソード触媒層の調製条件ならびに上記性能試験および耐久試験の結果を表1及び表2に示す。 An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer obtained above were used. Further, the MEA performance evaluation and MEA durability of the MEA were performed. Table 1 and Table 2 show the conditions for preparing the anode and cathode catalyst layers and the results of the performance test and durability test.
実施例10
1.アノード触媒層の作製
実施例1 1に準じて、アノード触媒層塗布シートA1を得た。
Example 10
1. Preparation of Anode Catalyst Layer According to Example 11 1, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained.
2.カソード触媒層の作製
2−1.GDL側のカソード触媒層の作製
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、EW700の電解質を分散したイオノマー溶液(固形分10%の溶液、EW=700)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.3/1.0であるものを用いた。
2. 2. Production of cathode catalyst layer 2-1. Preparation of cathode catalyst layer on the GDL side 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and an ionomer solution (10% solid content, EW = 700) in which the electrolyte of EW700 was dispersed was added. The polymer electrolyte content in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.3 / 1.0.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを4回に分けて印刷し、塗布シートB8を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of the polytetrafluoroethylene sheet by screen printing in four times in an amount corresponding to the desired thickness to obtain a coated sheet B8.
2−2.高分子電解質膜側のカソード触媒層の作製
実施例6 2−2に準じて作製した触媒スラリーを前述の塗布シートB8上に、2回で印刷し、カソード触媒層塗布シートC10を得た。
2-2. Production Example 6 of Cathode Catalyst Layer on Polymer Electrolyte Membrane The catalyst slurry produced according to 2-2 was printed twice on the aforementioned application sheet B8 to obtain a cathode catalyst layer application sheet C10.
上記で得られたアノード触媒層及びカソード触媒層を用いる以外は、実施例1と同様にして、電解質膜−電極接合体(MEA)を作製し、さらに当該MEAについてMEAの性能評価およびMEAの耐久試験を行ない、アノード及びカソード触媒層の調製条件ならびに上記性能試験および耐久試験の結果を表1及び表2に示す。 An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer obtained above were used. Further, the MEA performance evaluation and MEA durability of the MEA were performed. Table 1 and Table 2 show the conditions for preparing the anode and cathode catalyst layers and the results of the performance test and durability test.
実施例11
1.アノード触媒層の作製
実施例1 1に準じて、アノード触媒層塗布シートA1を得た。
Example 11
1. Preparation of Anode Catalyst Layer According to Example 11 1, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained.
2.カソード触媒層の作製
2−1.GDL側のカソード触媒層の作製
実施例2 2−1に準じて、塗布シートB2を得た。
2. 2. Production of cathode catalyst layer 2-1. Preparation of cathode catalyst layer on the GDL side Application sheet B2 was obtained according to Example 2 2-1.
2−2.高分子電解質膜側のカソード触媒層の作製
実施例5 2−1のGDL側のカソード層触媒スラリーを塗布シートB2上に、2回に分けて印刷し、カソード触媒層塗布シートC11を得た。
2-2. Preparation of Cathode Catalyst Layer on Polymer Electrolyte Membrane Side The cathode layer catalyst slurry on the GDL side in Example 5 2-1 was printed in two portions on the coating sheet B2 to obtain a cathode catalyst layer coating sheet C11.
上記で得られたアノード触媒層及びカソード触媒層を用いる以外は、実施例1と同様にして、電解質膜−電極接合体(MEA)を作製し、さらに当該MEAについてMEAの性能評価およびMEAの耐久試験を行ない、アノード及びカソード触媒層の調製条件ならびに上記性能試験および耐久試験の結果を表1及び表2に示す。 An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer obtained above were used. Further, the MEA performance evaluation and MEA durability of the MEA were performed. Table 1 and Table 2 show the conditions for preparing the anode and cathode catalyst layers and the results of the performance test and durability test.
実施例12
1.アノード触媒層の作製
実施例1 1に準じて、アノード触媒層塗布シートA1を得た。
Example 12
1. Preparation of Anode Catalyst Layer According to Example 11 1, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained.
2.カソード触媒層の作製
2−1.GDL側のカソード触媒層の作製
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、EW700の電解質を分散したイオノマー溶液(固形分10%の溶液、EW=700)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.5/1.0であるものを用いた。
2. 2. Production of cathode catalyst layer 2-1. Preparation of cathode catalyst layer on the GDL side 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and an ionomer solution (10% solid content, EW = 700) in which the electrolyte of EW700 was dispersed was added. The polymer electrolyte content in the solution was such that the mass ratio of solid content to carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.5 / 1.0.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを2回に分けて印刷し、塗布シートB10を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by screen printing in two portions in an amount corresponding to the desired thickness to obtain a coated sheet B10.
2−2.高分子電解質膜側のカソード触媒層の作製
実施例5 2−1のGDL側のカソード層触媒スラリーを塗布シートB10上に、2回に分けて印刷し、カソード触媒層塗布シートC12を得た。
2-2. Production of Cathode Catalyst Layer on Polymer Electrolyte Membrane Side The cathode layer catalyst slurry on the GDL side in Example 5 2-1 was printed in two portions on coating sheet B10 to obtain cathode catalyst layer coated sheet C12.
上記で得られたアノード触媒層及びカソード触媒層を用いる以外は、実施例1と同様にして、電解質膜−電極接合体(MEA)を作製し、さらに当該MEAについてMEAの性能評価およびMEAの耐久試験を行ない、アノード及びカソード触媒層の調製条件ならびに上記性能試験および耐久試験の結果を表1及び表2に示す。 An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer obtained above were used. Further, the MEA performance evaluation and MEA durability of the MEA were performed. Table 1 and Table 2 show the conditions for preparing the anode and cathode catalyst layers and the results of the performance test and durability test.
実施例13
1.アノード触媒層の作製
実施例1 1に準じて、アノード触媒層塗布シートA1を得た。
Example 13
1. Preparation of Anode Catalyst Layer According to Example 11 1, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained.
2.カソード触媒層の作製
2−1.GDL側のカソード触媒層の作製
実施例2 2−1に準じて、塗布シートB2を得た。
2. 2. Production of cathode catalyst layer 2-1. Preparation of cathode catalyst layer on the GDL side Application sheet B2 was obtained according to Example 2 2-1.
2−2.高分子電解質膜側のカソード触媒層の作製
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分10%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=0.7/1.0であるものを用いた。
2-2. Preparation of cathode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane side 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and further a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 10%, EW = 1,000) was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 0.7 / 1.0.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを塗布シートB2上に2回に分けて印刷し、塗布シートC13を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one surface of the polytetrafluoroethylene sheet by screen printing in an amount corresponding to the desired thickness in two portions on the coating sheet B2 to obtain a coating sheet C13.
上記で得られたアノード触媒層及びカソード触媒層を用いる以外は、実施例1と同様にして、電解質膜−電極接合体(MEA)を作製し、さらに当該MEAについてMEAの性能評価およびMEAの耐久試験を行ない、アノード及びカソード触媒層の調製条件ならびに上記性能試験および耐久試験の結果を表1及び表2に示す。 An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer obtained above were used. Further, the MEA performance evaluation and MEA durability of the MEA were performed. Table 1 and Table 2 show the conditions for preparing the anode and cathode catalyst layers and the results of the performance test and durability test.
実施例14
1.アノード触媒層の作製
実施例1 1に準じて、アノード触媒層塗布シートA1を得た。
Example 14
1. Preparation of Anode Catalyst Layer According to Example 11 1, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained.
2.カソード触媒層の作製
2−1.GDL側のカソード触媒層の作製
実施例12 2−1に準じて、塗布シートB10を得た。
2. 2. Production of cathode catalyst layer 2-1. Preparation of cathode catalyst layer on the GDL side According to Example 12 2-1, a coated sheet B10 was obtained.
2−2.高分子電解質膜側のカソード触媒層の作製
実施例13 2−2に準じて、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを塗布シートB10上に2回に分けて印刷し、塗布シートC14を得た。
2-2. Preparation of Cathode Catalyst Layer on Polymer Electrolyte Membrane Example 13 According to 2-2, an amount of catalyst slurry corresponding to the desired thickness was printed in two portions on application sheet B10, and application sheet C14 was obtained. Obtained.
上記で得られたアノード触媒層及びカソード触媒層を用いる以外は、実施例1と同様にして、電解質膜−電極接合体(MEA)を作製し、さらに当該MEAについてMEAの性能評価およびMEAの耐久試験を行ない、アノード及びカソード触媒層の調製条件ならびに上記性能試験および耐久試験の結果を表1及び表2に示す。 An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer obtained above were used. Further, the MEA performance evaluation and MEA durability of the MEA were performed. Table 1 and Table 2 show the conditions for preparing the anode and cathode catalyst layers and the results of the performance test and durability test.
実施例15
1.アノード触媒層の作製
実施例1 1に準じて、アノード触媒層塗布シートA1を得た。
Example 15
1. Preparation of Anode Catalyst Layer According to Example 11 1, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained.
2.カソード触媒層の作製
2−1.GDL側のカソード触媒層の作製
実施例12 2−1に準じて、塗布シートB10を得た。
2. 2. Production of cathode catalyst layer 2-1. Preparation of cathode catalyst layer on the GDL side According to Example 12 2-1, a coated sheet B10 was obtained.
2−2.高分子電解質膜側のカソード触媒層の作製
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分10%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.1/1.0であるものを用いた。
2-2. Preparation of cathode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane side 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and further a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 10%, EW = 1,000) was added. The polymer electrolyte content in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.1 / 1.0.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを塗布シートB10上に2回に分けて印刷し、塗布シートC15を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one surface of the polytetrafluoroethylene sheet by screen printing in an amount corresponding to the desired thickness in two portions on the coating sheet B10 to obtain a coating sheet C15.
3.電解質膜電極接合体(MEA)の作製
固体高分子電解質膜としてNafionTM NRE211(膜厚25μm)と、先に作製したポリテトラフルオロエチレンシート上に形成されたアノード側にA1と、カソード側にC2〜C15とを重ね合わせた。こうして膜電極接合体(MEA)N4〜17を得た。
3. Preparation of Electrolyte Membrane Electrode Assembly (MEA) Nafion ™ NRE211 (film thickness 25 μm) as a solid polymer electrolyte membrane, A1 on the anode side formed on the previously prepared polytetrafluoroethylene sheet, C2 on the cathode side C15 was superimposed. Thus, membrane electrode assemblies (MEA) N4 to 17 were obtained.
上記で得られたアノード触媒層及びカソード触媒層を用いる以外は、実施例1と同様にして、電解質膜−電極接合体(MEA)を作製し、さらに当該MEAについてMEAの性能評価およびMEAの耐久試験を行ない、アノード及びカソード触媒層の調製条件ならびに上記性能試験および耐久試験の結果を表1及び表2に示す。 An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer obtained above were used. Further, the MEA performance evaluation and MEA durability of the MEA were performed. Table 1 and Table 2 show the conditions for preparing the anode and cathode catalyst layers and the results of the performance test and durability test.
実施例16
1.電極触媒の調製
導電性炭素材料としてカーボンブラック(電気化学社製アセチレンブラックOSAB、BET表面積=850m2/g)を用い、実施例1に準じて、電極触媒(Pt粒子の平均粒径3.2nm、Pt担持濃度50質量%)を得た。
Example 16
1. Preparation of Electrode Catalyst Using carbon black (acetylene black OSAB manufactured by Electrochemical Co., Ltd., BET surface area = 850 m 2 / g) as the conductive carbon material, the electrode catalyst (average particle diameter of Pt particles: 3.2 nm) was applied in accordance with Example 1. ,
このようにして得た電極触媒を、以下の実施例16〜20において、カソード触媒層の作製に用いた。 The electrode catalyst thus obtained was used for the production of a cathode catalyst layer in Examples 16 to 20 below.
2.アノード触媒層の作製
実施例1 1に準じて、アノード触媒層塗布シートA1を得た。
2. Preparation of Anode Catalyst Layer According to Example 11 1, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained.
3.カソード触媒層の作製
3−1.GDL側のカソード触媒層
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2029CSを含む溶液(固形分10%の溶液、EW=900)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.3/1.0であるものを用いた。
3. 3. Production of cathode catalyst layer 3-1. Cathode catalyst layer on the GDL side 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2029CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 10%, EW = 900) was added. The polymer electrolyte content in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.3 / 1.0.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを2回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm2(カソード触媒層の平均厚みは6μm)となるように調整した。こうして塗布シートB11を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by screen printing in two portions according to the desired thickness and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 6 μm). Thus, a coating sheet B11 was obtained.
3−2.高分子電解質膜側のカソード触媒層
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.1/1.0であるものを用いた。
3-2. Cathode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane side 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The polymer electrolyte content in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.1 / 1.0.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これを前記塗布シートB11の上に、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを2回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm2(カソード触媒層の平均厚みは6μm)となるように調整した。こうしてカソード触媒層塗布シートC16を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on the coating sheet B11 in an amount corresponding to the desired thickness in two portions and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 6 μm). Thus, a cathode catalyst layer coated sheet C16 was obtained.
上記で得られたアノード触媒層及びカソード触媒層を用いる以外は、実施例1と同様にして、電解質膜−電極接合体(MEA)を作製し、さらに当該MEAについてMEAの性能評価およびMEAの耐久試験を行ない、アノード及びカソード触媒層の調製条件ならびに上記性能試験および耐久試験の結果を表1及び表2に示す。 An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer obtained above were used. Further, the MEA performance evaluation and MEA durability of the MEA were performed. Table 1 and Table 2 show the conditions for preparing the anode and cathode catalyst layers and the results of the performance test and durability test.
実施例17
1.アノード触媒層の作製
実施例1 1に準じて、アノード触媒層塗布シートA1を得た。
Example 17
1. Preparation of Anode Catalyst Layer According to Example 11 1, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained.
2.カソード触媒層の作製
2−1.GDL側のカソード触媒層の作製
実施例16のカソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2029CSを含む溶液(固形分10%の溶液、EW=900)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.5/1.0であるものを用いた。
2. 2. Production of cathode catalyst layer 2-1. Preparation of cathode catalyst layer on the GDL side 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst of Example 16, and vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2029CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 10%, EW = 900) was added. The polymer electrolyte content in the solution was such that the mass ratio of solid content to carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.5 / 1.0.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを2回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm2(カソード触媒層の平均厚みは6μm)となるように調整した。こうして塗布シートB12を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by screen printing in two portions according to the desired thickness and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 6 μm). Thus, a coating sheet B12 was obtained.
2−2.高分子電解質膜側のカソード触媒層の作製
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon=1.3/1.0であるものを用いた。
2-2. Preparation of cathode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane side 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The polymer electrolyte content in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon = 1.3 / 1.0.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これを前記塗布シートB12の上に、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを2回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm2(カソード触媒層の平均厚みは6μm)となるように調整した。こうしてカソード触媒層塗布シートC17を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on the coating sheet B12 in an amount corresponding to the desired thickness in two portions, and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 6 μm). Thus, a cathode catalyst layer coated sheet C17 was obtained.
上記で得られたアノード触媒層及びカソード触媒層を用いる以外は、実施例1と同様にして、電解質膜−電極接合体(MEA)を作製し、さらに当該MEAについてMEAの性能評価およびMEAの耐久試験を行ない、アノード及びカソード触媒層の調製条件ならびに上記性能試験および耐久試験の結果を表1及び表2に示す。 An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) was produced in the same manner as in Example 1 except that the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer obtained above were used. Further, the MEA performance evaluation and MEA durability were performed on the MEA. Table 1 and Table 2 show the conditions for preparing the anode and cathode catalyst layers and the results of the performance test and durability test.
実施例18
1.アノード触媒層の作製
実施例1 1に準じて、アノード触媒層塗布シートA1を得た。
Example 18
1. Preparation of Anode Catalyst Layer According to Example 11 1, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained.
2.カソード触媒層の作製
2−1.GDL側のカソード触媒層の作製
実施例16のカソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、EW700の電解質を分散したイオノマー溶液(固形分10%の溶液、EW=700)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.3/1.0であるものを用いた。
2. 2. Production of cathode catalyst layer 2-1. Preparation of cathode catalyst layer on the GDL side 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst of Example 16, and vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and an ionomer solution (10% solid content, EW = 700) in which the electrolyte of EW700 was dispersed was added. The polymer electrolyte content in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.3 / 1.0.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを2回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm2(カソード触媒層の平均厚みは6μm)となるように調整した。こうして塗布シートB13を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by screen printing in two portions according to the desired thickness and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 6 μm). Thus, a coating sheet B13 was obtained.
2−2.高分子電解質膜側のカソード触媒層の作製
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2029CSを含む溶液(固形分10%の溶液、EW=900)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.1/1.0であるものを用いた。
2-2. Preparation of cathode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane side 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2029CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 10%, EW = 900) was added. The polymer electrolyte content in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.1 / 1.0.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これを前記塗布シートB13の上に、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを2回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm2(カソード触媒層の平均厚みは6μm)となるように調整した。こうしてカソード触媒層塗布シートC18を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on the coating sheet B13 in an amount corresponding to the desired thickness in two portions, and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 6 μm). Thus, a cathode catalyst layer coated sheet C18 was obtained.
上記で得られたアノード触媒層及びカソード触媒層を用いる以外は、実施例1と同様にして、電解質膜−電極接合体(MEA)を作製し、さらに当該MEAについてMEAの性能評価およびMEAの耐久試験を行ない、アノード及びカソード触媒層の調製条件ならびに上記性能試験および耐久試験の結果を表1及び表2に示す。 An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer obtained above were used. Further, the MEA performance evaluation and MEA durability of the MEA were performed. Table 1 and Table 2 show the conditions for preparing the anode and cathode catalyst layers and the results of the performance test and durability test.
実施例19
1.アノード触媒層の作製
実施例1 1に準じて、アノード触媒層塗布シートA1を得た。
Example 19
1. Preparation of Anode Catalyst Layer According to Example 11 1, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained.
2.カソード触媒層の作製
2−1.GDL側のカソード触媒層の作製
実施例1 2−1に準じて、塗布シートB1を得た。
2. 2. Production of cathode catalyst layer 2-1. Preparation of cathode catalyst layer on the GDL side Application sheet B1 was obtained according to Example 1 2-1.
2−2.高分子電解質膜側のカソード触媒層の作製
実施例16のカソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.1/1.0であるものを用いた。
2-2. Preparation of cathode catalyst layer on polymer electrolyte membrane side 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst of Example 16, and vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The polymer electrolyte content in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.1 / 1.0.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これを前記塗布シートB1の上に、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを2回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm2(カソード触媒層の平均厚みは6μm)となるように調整した。こうしてカソード触媒層塗布シートC19を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on the coating sheet B1 in an amount corresponding to the desired thickness in two portions, and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 6 μm). Thus, a cathode catalyst layer coated sheet C19 was obtained.
上記で得られたアノード触媒層及びカソード触媒層を用いる以外は、実施例1と同様にして、電解質膜−電極接合体(MEA)を作製し、さらに当該MEAについてMEAの性能評価およびMEAの耐久試験を行ない、アノード及びカソード触媒層の調製条件ならびに上記性能試験および耐久試験の結果を表1及び表2に示す。 An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer obtained above were used. Further, the MEA performance evaluation and MEA durability of the MEA were performed. Table 1 and Table 2 show the conditions for preparing the anode and cathode catalyst layers and the results of the performance test and durability test.
実施例20
1.アノード触媒層の作製
実施例1 1に準じて、アノード触媒層塗布シートA1を得た。
Example 20
1. Preparation of Anode Catalyst Layer According to Example 11 1, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained.
2.カソード触媒層の作製
2−1.GDL側のカソード触媒層の作製
実施例16 2−1に準じて、塗布シートB11を得た。
2. 2. Production of cathode catalyst layer 2-1. Preparation of cathode catalyst layer on the GDL side In accordance with Example 16 2-1, a coated sheet B11 was obtained.
2−2.高分子電解質膜側のカソード触媒層の作製
実施例1のカソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=1.1/1.0であるものを用いた。
2-2. Preparation of cathode catalyst layer on polymer electrolyte membrane side 5 times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst of Example 1, and vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The polymer electrolyte content in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the cathode electrode catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 1.1 / 1.0.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これを前記塗布シートB11の上に、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを2回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm2(カソード触媒層の平均厚みは6μm)となるように調整した。こうしてカソード触媒層塗布シートC20を得た。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on the coating sheet B11 in an amount corresponding to the desired thickness in two portions and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 6 μm). Thus, a cathode catalyst layer coated sheet C20 was obtained.
上記で得られたアノード触媒層及びカソード触媒層を用いる以外は、実施例1と同様にして、電解質膜−電極接合体(MEA)を作製し、さらに当該MEAについてMEAの性能評価およびMEAの耐久試験を行ない、アノード及びカソード触媒層の調製条件ならびに上記性能試験および耐久試験の結果を表1及び表2に示す。 An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer obtained above were used. Further, the MEA performance evaluation and MEA durability of the MEA were performed. Table 1 and Table 2 show the conditions for preparing the anode and cathode catalyst layers and the results of the performance test and durability test.
本発明の電解質膜−電極接合体(MEA)は、耐久性に優れかつ燃費効率のよい燃料電池に適用できる。 The electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention can be applied to a fuel cell having excellent durability and good fuel efficiency.
10 固体高分子電解質膜、
12 電解質膜側の電極触媒層、
50 ガス拡散層(GDL)側の電極触媒層。
10 solid polymer electrolyte membrane,
12 Electrocatalyst layer on the electrolyte membrane side,
50 Electrocatalyst layer on the gas diffusion layer (GDL) side.
Claims (12)
前記電解質膜の一方の側に配置された、カソード触媒層と、
前記電解質膜の他方の側に配置された、アノード触媒層と、
前記カソード触媒層に配置されたカソード側ガス拡散層と、
前記アノード触媒層に配置されたアノード側ガス拡散層と、
を有する、電解質膜−電極接合体において、
前記カソード触媒層およびアノード触媒層の少なくとも一方の触媒層が、電解質膜側の触媒層の空孔構造がガス拡散層側の触媒層の空孔構造よりも大きくなるような、空孔構造が異なる複数の触媒層を積層した構造を有する、電解質膜−電極接合体。 An electrolyte membrane;
A cathode catalyst layer disposed on one side of the electrolyte membrane;
An anode catalyst layer disposed on the other side of the electrolyte membrane;
A cathode-side gas diffusion layer disposed in the cathode catalyst layer;
An anode-side gas diffusion layer disposed in the anode catalyst layer;
In an electrolyte membrane-electrode assembly having
At least one of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer has a different pore structure such that the pore structure of the catalyst layer on the electrolyte membrane side is larger than the pore structure of the catalyst layer on the gas diffusion layer side. An electrolyte membrane-electrode assembly having a structure in which a plurality of catalyst layers are laminated.
前記ガス拡散層側の触媒層の空孔径[D2(nm)]が、30〜80nmであり、
前記触媒層全体の平均空孔径[Dave(nm)]が、60〜100nmであり、
前記電解質膜側の触媒層の空孔量[V1(cm3/g)]が、0.5〜1.0cm3/gであり、
前記ガス拡散層側の触媒層の空孔量[V2(cm3/g)]が、0.3〜0.5cm3/gであり、
前記触媒層全体の平均空孔量[Vave(cm3/g)が、0.4〜0.8cm3/gである、請求項2に記載の電解質膜−電極接合体。 The pore diameter [D1 (nm)] of the catalyst layer on the electrolyte membrane side is 80 to 200 nm,
The pore diameter [D2 (nm)] of the catalyst layer on the gas diffusion layer side is 30 to 80 nm,
The average pore diameter [Dave (nm)] of the entire catalyst layer is 60 to 100 nm,
The pores of the electrolyte membrane side of the catalyst layer [V1 (cm 3 / g) ] is a 0.5 to 1.0 cm 3 / g,
Vacancy of the gas diffusion layer side of the catalyst layer [V2 (cm 3 / g) ] is a 0.3~0.5cm 3 / g,
The average pore volume of the whole catalyst layer [Vave (cm 3 / g) is an 0.4~0.8cm 3 / g, the electrolyte membrane according to claim 2 - electrode assembly.
前記ガス拡散層側の触媒層の空孔率[X2(%)]が、30%〜50%である、請求項4に記載の電解質膜−電極接合体。 The porosity [X1 (%)] of the catalyst layer on the electrolyte membrane side is 50% to 80%,
The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 4, wherein a porosity [X2 (%)] of the catalyst layer on the gas diffusion layer side is 30% to 50%.
前記ガス拡散層側の触媒層の高分子電解質組成[B2’(wt%)]が、高分子電解質と電極触媒との合計質量に対して、30〜50wt%であり、かつ
B1’≦B2’である、請求項6に記載の電解質膜−電極接合体。 The polymer electrolyte composition [B1 ′ (wt%)] of the catalyst layer on the electrolyte membrane side is 20 to 40 wt% with respect to the total mass of the polymer electrolyte and the electrode catalyst,
The polymer electrolyte composition [B2 ′ (wt%)] of the catalyst layer on the gas diffusion layer side is 30 to 50 wt% with respect to the total mass of the polymer electrolyte and the electrode catalyst, and B1 ′ ≦ B2 ′. The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 6, wherein
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