[go: up one dir, main page]

JP2008269847A - INK FOR FUEL CELL CATALYST LAYER AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME - Google Patents

INK FOR FUEL CELL CATALYST LAYER AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME Download PDF

Info

Publication number
JP2008269847A
JP2008269847A JP2007108480A JP2007108480A JP2008269847A JP 2008269847 A JP2008269847 A JP 2008269847A JP 2007108480 A JP2007108480 A JP 2007108480A JP 2007108480 A JP2007108480 A JP 2007108480A JP 2008269847 A JP2008269847 A JP 2008269847A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
catalyst layer
fuel cell
catalyst
ink
polymer electrolyte
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2007108480A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yuichi Origasa
祐一 折笠
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2007108480A priority Critical patent/JP2008269847A/en
Publication of JP2008269847A publication Critical patent/JP2008269847A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

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

Abstract

【課題】固体高分子型燃料電池において、触媒層の表面積を大きくし、反応サイトへの酸素の供給速度を向上させ、活性化過電圧の小さな触媒層を作製することが可能な燃料電池触媒層用インク及びその製造方法、さらに該インク及び製造方法を用いて形成した燃料電池用膜電極接合体を提供する。
【解決手段】触媒金属、カーボン粒子、高分子電解質、及び、水−アルコール混合溶媒を含有し、前記混合溶媒中のアルコール比率が20〜30質量%である燃料電池触媒層用インク。
【選択図】なし
In a polymer electrolyte fuel cell, the surface area of a catalyst layer is increased, the supply rate of oxygen to a reaction site is improved, and a catalyst layer having a small activation overvoltage can be produced. An ink and a production method thereof, and a membrane electrode assembly for a fuel cell formed using the ink and the production method are provided.
An ink for a fuel cell catalyst layer containing a catalyst metal, carbon particles, a polymer electrolyte, and a water-alcohol mixed solvent, wherein an alcohol ratio in the mixed solvent is 20 to 30% by mass.
[Selection figure] None

Description

本発明は、燃料電池触媒層用インク及びその製造方法、並びに、該触媒層用インクを用いて形成した触媒層を備える燃料電池用膜電極接合体に関する。   The present invention relates to a fuel cell catalyst layer ink, a method for producing the same, and a fuel cell membrane electrode assembly including a catalyst layer formed using the catalyst layer ink.

燃料電池は、電気的に接続された2つの電極に燃料と酸化剤を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。   A fuel cell directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. Unlike thermal power generation, fuel cells are not subject to the Carnot cycle and thus exhibit high energy conversion efficiency. Fuel cells are particularly portable because solid polymer electrolyte fuel cells using solid polymer electrolyte membranes as electrolyte membranes have advantages such as being easy to miniaturize and operating at low temperatures. It is attracting attention as a power source for mobile objects.

一例として、ナフィオン(商品名、デュポン製)等のプロトン伝導に水の同伴を必要とするタイプのプロトン伝導性固体電解質膜を用いる、固体高分子電解質型燃料電池においては、水素を燃料とした場合、アノード(燃料極)で(1)式の反応が進行する。
→ 2H + 2e ・・・(1)
(1)式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソード(酸化剤極)に到達する。そして、(1)式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、電気浸透により固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に移動する。
一方、酸素を酸化剤とした場合、カソードでは(2)式の反応が進行する。
4H + O + 4e → 2HO ・・・(2)
カソードで生成した水は、主としてガス拡散層を通り、外部へと排出される。
このように、燃料電池では、水以外の排出物がなく、クリーンな発電装置である。
As an example, in solid polymer electrolyte fuel cells that use proton-conducting solid electrolyte membranes such as Nafion (trade name, manufactured by DuPont) that require entrainment of water for proton conduction, hydrogen is the fuel. The reaction of the formula (1) proceeds at the anode (fuel electrode).
H 2 → 2H + + 2e (1)
The electrons generated by the equation (1) reach the cathode (oxidant electrode) after working with an external load via an external circuit. Then, the proton generated in the formula (1) moves in the solid polymer electrolyte membrane from the anode side to the cathode side by electroosmosis while being hydrated with water.
On the other hand, when oxygen is used as the oxidizing agent, the reaction of formula (2) proceeds at the cathode.
4H + + O 2 + 4e → 2H 2 O (2)
The water produced at the cathode mainly passes through the gas diffusion layer and is discharged to the outside.
As described above, the fuel cell is a clean power generation device that has no emissions other than water.

電解質膜の両面に電極を積層したものを膜電極接合体(MEA)という。電解質膜の両面に設けられて一対となる電極(すなわち燃料極及び酸化剤極)は、一般に、電解質膜側から順に、触媒層、ガス拡散層が積層した構造を有しているものが多い。
触媒層は、通常、各電極(アノード、カソード)における反応を促進する触媒成分、プロトン伝導路を形成する高分子電解質、及び電子伝導路を形成する導電性材料を含み、各電極反応の場となる部分である。触媒層に含まれる高分子電解質としては、上記電解質膜を形成する高分子電解質と同様のものが用いられることが多い。
一方、ガス拡散層は、導電性多孔質体からなり、触媒層への反応ガスの拡散及び電子伝導性を向上させることを目的として設けられている。
A laminate of electrodes on both sides of the electrolyte membrane is called a membrane electrode assembly (MEA). In general, a pair of electrodes (that is, a fuel electrode and an oxidant electrode) provided on both surfaces of the electrolyte membrane generally have a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated in order from the electrolyte membrane side.
The catalyst layer usually includes a catalyst component that promotes a reaction in each electrode (anode, cathode), a polymer electrolyte that forms a proton conduction path, and a conductive material that forms an electron conduction path. It is a part. As the polymer electrolyte contained in the catalyst layer, the same polymer electrolyte as that for forming the electrolyte membrane is often used.
On the other hand, the gas diffusion layer is made of a conductive porous body and is provided for the purpose of improving the diffusion of the reaction gas into the catalyst layer and the electronic conductivity.

燃料電池は、このような膜電極接合体を含む単セルを複数備えるが、燃料電池には高い出力密度、高エネルギー効率が要求され、従来から、特に、電極である触媒層の利用効率を高める様々な触媒インク及び触媒インクの製造方法が考えられてきた。
例えば、電極触媒としては、白金や白金合金等が用いられるが、これらの貴金属は高価であるため、特許文献1では、外部表面積が100m/g以上であるカーボンナノチューブを用いた、固体高分子電解質型燃料電池に用いられる触媒電極層形成用塗工液を開示している。特許文献1には、カーボンナノチューブが上記範囲の外部表面積を有するので、貴金属の高分散担持を行なうことが可能であり、そのため、貴金属を効率的に利用し、貴金属の使用総量及びコストを削減することができると記載されている。
The fuel cell includes a plurality of single cells including such a membrane electrode assembly. However, the fuel cell is required to have a high output density and high energy efficiency, and conventionally, in particular, the utilization efficiency of the catalyst layer which is an electrode is increased. Various catalyst inks and methods for producing catalyst inks have been considered.
For example, platinum or a platinum alloy is used as an electrode catalyst. However, since these noble metals are expensive, Patent Document 1 discloses a solid polymer using carbon nanotubes having an external surface area of 100 m 2 / g or more. A coating solution for forming a catalyst electrode layer used in an electrolyte fuel cell is disclosed. In Patent Document 1, since the carbon nanotube has an external surface area in the above range, it is possible to carry a highly dispersed noble metal. Therefore, the noble metal is efficiently used, and the total amount and cost of the noble metal are reduced. It is described that it can.

また、触媒インクを高分散で、安定性よく効率よく製造できる方法として、特許文献2には、触媒担持カーボンブラックとイオン交換樹脂と溶媒とを混合して、外部せん断機で外部せん断し、内部せん断機で内部せん断を行い、再度前記外部せん断機または別種の外部せん断機で外部せん断してなることを特徴とする燃料電池用触媒ペーストが開示されている。
また、特許文献3では、触媒金属担持カーボンブラックと第1のイオン交換樹脂溶液と溶媒とを含む混合液をメディアレス高速ミキサーで分散した後、第2のイオン交換樹脂溶液を加えて攪拌してなる固体高分子型燃料電池の電極を製造するための触媒ペーストであって、前記触媒金属担持カーボンブラックの比表面積が50cm/g〜1000m/gであり、前記第1のイオン交換樹脂溶液のEW(イオン交換当量)値が500以上1000未満で、前記第1のイオン交換樹脂溶液のイオン交換樹脂量が前記触媒金属担持カーボンブラックのカーボン分に対して重量比で30%〜80%であり、前記溶媒が水とエタノールの混合液で、その混合割合が水/エタノール=50/50〜80/20であり、前記第2のイオン交換樹脂溶液のEW値が1000以上1200未満で、触媒ペースト中の総イオン交換樹脂量が前記触媒金属担持カーボンブラックのカーボン分に対して重量比で80%〜220%であることを特徴とする燃料電池電極用触媒ペーストを開示している。特許文献3には、該触媒ペーストを安定性良く保管できるとともに、良好な放電性能を示す燃料電池の電極を、短時間で用意に収率良く製造することができると記載されている。
Further, as a method for producing a catalyst ink in a highly dispersed, stable and efficient manner, Patent Document 2 discloses that a catalyst-supporting carbon black, an ion exchange resin, and a solvent are mixed and externally sheared with an external shearing machine. A fuel cell catalyst paste is disclosed in which internal shearing is performed with a shearing machine, and external shearing is performed again with the external shearing machine or another type of external shearing machine.
Moreover, in patent document 3, after disperse | distributing the liquid mixture containing a catalyst metal carrying | support carbon black, a 1st ion exchange resin solution, and a solvent with a medialess high-speed mixer, the 2nd ion exchange resin solution is added and stirred. comprising a catalyst paste for manufacturing an electrode of a polymer electrolyte fuel cell, the specific surface area of the catalyst metal supported carbon black is 50cm 2 / g~1000m 2 / g, said first ion exchange resin solution EW (ion exchange equivalent) value of 500 to less than 1000, and the amount of ion exchange resin in the first ion exchange resin solution is 30% to 80% by weight with respect to the carbon content of the catalyst metal-supported carbon black. The solvent is a mixed solution of water and ethanol, and the mixing ratio is water / ethanol = 50/50 to 80/20, and the second ion exchange resin solution The fuel cell electrode is characterized in that the EW value of the catalyst paste is 1000 or more and less than 1200, and the total amount of ion exchange resin in the catalyst paste is 80% to 220% by weight with respect to the carbon content of the catalyst metal-supported carbon black. A catalyst paste is disclosed. Patent Document 3 describes that the catalyst paste can be stored with good stability, and an electrode of a fuel cell exhibiting good discharge performance can be prepared with good yield in a short time.

高出力密度化においては、多大なエネルギー損失を伴うカソードの酸素還元の過電圧を低減することが重要である。そのためには、特にカソードの反応サイト(触媒と触媒を被服するイオン交換樹脂(高分子電解質)とが接し、プロトンと電子と酸素が供給される場)を増加させること、反応サイトへの酸素を含むガスの拡散及び供給を早くすることが有効である。
特許文献4では、スルホン酸基を有する含フッ素イオン交換樹脂と触媒とを含有する触媒層を有するガス拡散電極からなるアノード及びカソードと、該アノードと該カソードとの間に配置される固体高分子電解質膜とを備える固体高分子型燃料電池において、前記カソードの触媒層に含有される前記フッ素イオン交換樹脂の比表面積が3m/g以上であることを特徴とする固体高分子型燃料電池を開示している。特許文献4には、カソードの触媒層に含まれるカソード樹脂として比表面積が大きいものを使用するため、触媒層中における被覆樹脂層内での触媒への反応ガスの供給速度を速め、過電圧の小さなカソードが得られると記載されている。
しかしながら、これらの技術では、電極触媒層中の高分子電解質の表面積を考慮する溶媒の規定がなされていない。
In increasing the power density, it is important to reduce the overvoltage of the oxygen reduction of the cathode, which involves a large energy loss. For this purpose, in particular, increase the reaction site of the cathode (where the catalyst and the ion-exchange resin (polymer electrolyte) that contacts the catalyst are in contact with each other, and supply protons, electrons, and oxygen), and increase oxygen to the reaction site. It is effective to expedite the diffusion and supply of the contained gas.
In Patent Document 4, an anode and a cathode composed of a gas diffusion electrode having a catalyst layer containing a fluorinated ion exchange resin having a sulfonic acid group and a catalyst, and a solid polymer disposed between the anode and the cathode A solid polymer fuel cell comprising an electrolyte membrane, wherein the fluorine ion exchange resin contained in the catalyst layer of the cathode has a specific surface area of 3 m 2 / g or more. Disclosure. In Patent Document 4, since a cathode resin having a large specific surface area is used as the cathode resin contained in the cathode catalyst layer, the supply rate of the reaction gas to the catalyst in the coating resin layer in the catalyst layer is increased, and the overvoltage is small. It is stated that a cathode is obtained.
However, in these techniques, a solvent is not defined considering the surface area of the polymer electrolyte in the electrode catalyst layer.

特開2005−322446号公報JP 2005-322446 A 特開2005−216661号公報JP 2005-216661 A 特開2006−302644号公報JP 2006-302644 A 特開2002−208406号公報JP 2002-208406 A

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、固体高分子型燃料電池において、触媒層の比表面積を大きくし、触媒層中の反応サイトへの反応ガスの供給速度を向上させ、出力密度が大きい触媒層を作成することが可能な燃料電池触媒層用インク及びその製造方法、さらに該インクを用いて形成した燃料電池用膜電極接合体を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to increase the specific surface area of the catalyst layer in the polymer electrolyte fuel cell and to increase the supply rate of the reaction gas to the reaction site in the catalyst layer. An object of the present invention is to provide a fuel cell catalyst layer ink capable of improving and producing a catalyst layer having a high output density, a method for producing the same, and a fuel cell membrane electrode assembly formed using the ink.

本発明の燃料電池触媒層用インクは、触媒金属、カーボン粒子、高分子電解質、及び、水−アルコール混合溶媒を含有し、前記混合溶媒中のアルコール比率が20〜30質量%であることを特徴とする。   The ink for a fuel cell catalyst layer of the present invention contains a catalyst metal, carbon particles, a polymer electrolyte, and a water-alcohol mixed solvent, and an alcohol ratio in the mixed solvent is 20 to 30% by mass. And

前記アルコールは、エタノールであることが好ましい。   The alcohol is preferably ethanol.

また、前記触媒金属と前記カーボン粒子は、触媒担持カーボン粒子の状態で含有されていることが好ましい。   The catalyst metal and the carbon particles are preferably contained in the form of catalyst-supported carbon particles.

本発明の燃料電池触媒層用インクの製造方法は、触媒担持カーボン粒子、アルコール、水又は水−アルコール混液に高分子電解質を溶解した高分子電解質溶液、及び、所定量の水又はアルコールを混合して、アルコール比率が20〜30質量%の水−アルコール混合溶媒を含む最終組成に調整した後、攪拌することを特徴とする。   The method for producing an ink for a fuel cell catalyst layer according to the present invention comprises mixing catalyst-supported carbon particles, alcohol, water, or a polymer electrolyte solution in which a polymer electrolyte is dissolved in a water-alcohol mixture, and a predetermined amount of water or alcohol. The mixture is adjusted to a final composition containing a water-alcohol mixed solvent having an alcohol ratio of 20 to 30% by mass and then stirred.

本発明の燃料電池用膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の少なくとも一方の面側に、前記燃料電池触媒層用インク又は前記方法により製造された燃料電池触媒層用インクを用いて形成した触媒層を備えることを特徴とする。   The fuel cell membrane electrode assembly of the present invention was formed on at least one surface side of the solid polymer electrolyte membrane using the fuel cell catalyst layer ink or the fuel cell catalyst layer ink produced by the method. A catalyst layer is provided.

本発明の燃料電池触媒層用インク及びその製造方法、さらに該インク及び該製造方法により得られたインクを用いて形成した燃料電池用膜電極接合体によれば、固体高分子型燃料電池において、触媒層の比表面積を大きくすることによって、触媒層における反応サイトへの反応ガスの供給速度を向上させて、出力密度が大きい触媒層を作成することができる。
また、触媒層の比表面積を大きくすることにより、触媒層の水蒸散性が向上し、フラッディングが抑制でき、電池性能を向上させることができる。
According to the fuel cell catalyst layer ink of the present invention and the production method thereof, and the fuel cell membrane electrode assembly formed using the ink and the ink obtained by the production method, in the polymer electrolyte fuel cell, By increasing the specific surface area of the catalyst layer, the supply rate of the reaction gas to the reaction site in the catalyst layer can be improved, and a catalyst layer having a large output density can be created.
In addition, by increasing the specific surface area of the catalyst layer, water transpiration of the catalyst layer is improved, flooding can be suppressed, and battery performance can be improved.

本発明の燃料電池用膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の少なくとも一方の面側に、後述する燃料電池触媒層用インク又は後述する方法により製造された燃料電池触媒層用インクを用いて形成した触媒層を備える。   The fuel cell membrane electrode assembly of the present invention uses a fuel cell catalyst layer ink described later or a fuel cell catalyst layer ink produced by a method described later on at least one side of the solid polymer electrolyte membrane. The formed catalyst layer is provided.

以下、図1を参照しながら、本発明における燃料電池触媒層用インク及びその製造方法、並びに該インクを用いて形成した触媒層を備える燃料電池用膜電極接合体について詳細に説明する。尚、本発明は、図1に示した実施形態に限定されるものではない。
図1は、本発明により得られる膜電極接合体の一形態例を示す模式的断面図である。図1に示すように、電解質膜2は、一方の面にカソード(酸化剤極)5a、他方の面にアノード(燃料極)5bが設けられ、膜電極接合体1を形成している。本例において、カソード5aは、電解質膜側から順に、カソード側触媒層3a、カソード側ガス拡散層4aが積層した構造を有し、また、アノード5bは、電解質膜側から順に、アノード側触媒層3b、アノード側ガス拡散層4bが積層した構造を有する。
Hereinafter, the fuel cell catalyst layer ink according to the present invention, a method for producing the same, and a fuel cell membrane electrode assembly including a catalyst layer formed using the ink will be described in detail with reference to FIG. The present invention is not limited to the embodiment shown in FIG.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of a membrane electrode assembly obtained by the present invention. As shown in FIG. 1, the electrolyte membrane 2 is provided with a cathode (oxidant electrode) 5 a on one surface and an anode (fuel electrode) 5 b on the other surface to form a membrane electrode assembly 1. In this example, the cathode 5a has a structure in which a cathode side catalyst layer 3a and a cathode side gas diffusion layer 4a are laminated in order from the electrolyte membrane side, and the anode 5b has an anode side catalyst layer in order from the electrolyte membrane side. 3b and the anode side gas diffusion layer 4b are laminated.

燃料電池の膜電極接合体(MEA)を形成する方法、特に、電解質膜の表面に触媒層を形成する方法としては、触媒成分と高分子電解質と導電性材料とを、溶媒に溶解・分散させた触媒インクを用いる方法が一般的である。具体的には、例えば、ガス拡散層となる導電性多孔質体に触媒インクを塗布、乾燥したのち、該導電性多孔質体を触媒インクの塗布面を電解質膜側にして電解質膜と熱圧着する方法がある。また、ポリテトラフルオロエチレン等の基盤上に触媒インクを塗布、乾燥したものを導電性多孔質体に転写し、さらに、この触媒層が形成された導電性多孔質体と電解質膜とを熱圧着する方法がある。あるいは、電解質膜の表面に触媒インクを塗布、乾燥したのち、当該電解質膜を触媒インクの塗布面を導電性多孔質体側にして導電性多孔質体と熱圧着する方法などもある。   As a method of forming a membrane electrode assembly (MEA) of a fuel cell, particularly a method of forming a catalyst layer on the surface of an electrolyte membrane, a catalyst component, a polymer electrolyte, and a conductive material are dissolved and dispersed in a solvent. Generally, a method using a catalyst ink is used. Specifically, for example, after applying a catalyst ink to a conductive porous body to be a gas diffusion layer and drying, the conductive porous body is thermocompression-bonded to the electrolyte membrane with the application surface of the catalyst ink facing the electrolyte membrane. There is a way to do it. In addition, the catalyst ink is applied onto a substrate such as polytetrafluoroethylene, and the dried product is transferred to a conductive porous body. Further, the conductive porous body on which the catalyst layer is formed and the electrolyte membrane are thermocompression bonded. There is a way to do it. Alternatively, there is a method in which a catalyst ink is applied to the surface of the electrolyte membrane and dried, and then the electrolyte membrane is thermocompression bonded to the conductive porous body with the application surface of the catalyst ink facing the conductive porous body.

(触媒層)
本発明の燃料電池触媒層用インクは、触媒金属、カーボン粒子、高分子電解質、及び、水−アルコール混合溶媒を含有し、前記混合溶媒中のアルコール比率が20〜30質量%であることを特徴とする。さらに必要に応じて撥水性高分子や結着剤等、その他の成分または材料を含んでいてもよい。
触媒金属としては、アノードにおける水素の酸化反応、カソードにおける酸素の還元反応に対して触媒作用を有するものであれば特に限定されず、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、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、又はそれらの合金から選択することができる。好ましくは、Pt、及びPtと例えばRuなど他の金属とからなる合金である。
カーボン粒子としては、炭素質粒子、炭素質繊維のような炭素材料等の導電性材料が挙げられる。
上記触媒金属と上記カーボン粒子は、触媒担持カーボン粒子の状態で含有されていることが好ましい。
(Catalyst layer)
The ink for a fuel cell catalyst layer of the present invention contains a catalyst metal, carbon particles, a polymer electrolyte, and a water-alcohol mixed solvent, and an alcohol ratio in the mixed solvent is 20 to 30% by mass. And Furthermore, other components or materials such as a water repellent polymer and a binder may be included as necessary.
The catalyst metal is not particularly limited as long as it has a catalytic action for hydrogen oxidation reaction at the anode and oxygen reduction reaction at the cathode. For example, platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osnium, tungsten, It can be selected from metals such as lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, or alloys thereof. Pt and an alloy made of Pt and another metal such as Ru are preferable.
Examples of the carbon particles include conductive materials such as carbon materials such as carbon particles and carbon fibers.
The catalyst metal and the carbon particles are preferably contained in the form of catalyst-supported carbon particles.

電極用高分子電解質は、撥水性の主骨格(撥水部)と親水性の側鎖(親水部)を有する電極用高分子電解質であれば、特に限定されず、後述する電解質膜として用いられる材料の中から、適宜選択することができ、具体的には、ナフィオン(商品名)パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂に代表されるフッ素系電解質樹脂が挙げられる。電極用高分子電解質と電解質膜用高分子電解質は異なるものであってもよいが、通常は同じものが好ましく使用される。
上記電極用高分子電解質をアルコール、水又は水−アルコール混液に溶解して高分子電解質溶液を調製して触媒インクの調製に用いることができる。溶解する際の混合比等は特に限定されない。
The polymer electrolyte for an electrode is not particularly limited as long as it is a polymer electrolyte for an electrode having a water-repellent main skeleton (water repellent part) and a hydrophilic side chain (hydrophilic part), and is used as an electrolyte membrane described later. The material can be appropriately selected from the materials, and specific examples include fluorine electrolyte resins represented by Nafion (trade name) perfluorocarbon sulfonic acid resin. The polymer electrolyte for electrodes and the polymer electrolyte for electrolyte membrane may be different, but usually the same one is preferably used.
The polymer electrolyte for electrodes can be dissolved in alcohol, water or a water-alcohol mixture to prepare a polymer electrolyte solution, which can be used for the preparation of a catalyst ink. There are no particular limitations on the mixing ratio or the like at the time of dissolution.

触媒インクには、必要に応じて、撥水性高分子や結着剤等その他の材料を添加してもよい。また、触媒インクにおける各成分の濃度や、触媒インク調製時の混合手順、方法等は特に限定されない。   Other materials such as a water repellent polymer and a binder may be added to the catalyst ink as necessary. Further, the concentration of each component in the catalyst ink, the mixing procedure and method when preparing the catalyst ink are not particularly limited.

触媒インクは上記のような触媒金属、カーボン粒子及び電極用高分子電解質を、溶媒に溶解又は分散させて得られる。本発明における触媒インクの溶媒は、水−アルコール混合溶媒であり、最終組成の段階でアルコール比率が20〜30質量%となるように調整する。アルコールは電極用高分子電解質に応じて適宜選択すればよく、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、プロピレングリコール等を用いることができる。特に、本発明においては、アルコールがエタノールであることが好ましい。   The catalyst ink is obtained by dissolving or dispersing the above catalyst metal, carbon particles, and electrode polymer electrolyte in a solvent. The solvent of the catalyst ink in the present invention is a water-alcohol mixed solvent, and is adjusted so that the alcohol ratio is 20 to 30% by mass in the final composition stage. The alcohol may be appropriately selected according to the polymer electrolyte for electrodes. For example, methanol, ethanol, propanol, propylene glycol, or the like can be used. In particular, in the present invention, the alcohol is preferably ethanol.

本発明の燃料電池触媒層用インクの製造方法は、特に、触媒担持カーボン粒子、アルコール、水又は水−アルコール混液に高分子電解質を溶解した高分子電解質溶液、及び、所定量の水又はアルコールを混合して、アルコール比率が20〜30質量%の水−アルコール混合溶媒を含む最終組成に調整した後、攪拌することによって、撥水性の主骨格(撥水部)と親水性の側鎖(親水部)を有する電極用高分子電解質が、水が多く存在する上記溶媒下で、親水部を外側(溶媒側)、撥水部を内側(溶媒に比較的接しない側)に向けて凝集するため、比表面積が主骨格よりも比較的大きい側鎖が、凝集した電極用高分子電解質の表面に存在する。そのため、電極用高分子電解質の比表面積は比較的大きくなり、このような電極用高分子電解質を含んだ触媒インクを用いて触媒層を形成した場合には、触媒層の比表面積は大きくなると考えられる。このような簡易な調整プロセスによって触媒層の比表面積を制御することができる。
特にカソード触媒層においては、触媒層の比表面積を大きくすることによって、カソードの反応サイト(触媒と触媒を被服するイオン交換樹脂(高分子電解質)とが接し、プロトンと電子と酸素が供給される場)が増加して、反応サイトへの酸素を含むガスの拡散及び供給を早くすることができ、活性化過電圧の小さな触媒層を実現することができる。
また、触媒層の表面積を大きくすることにより、触媒層の水蒸散性が向上し、フラッディングが抑制でき、電池性能を向上させることができる。
The method for producing an ink for a fuel cell catalyst layer according to the present invention comprises, in particular, catalyst-supporting carbon particles, a polymer electrolyte solution in which a polymer electrolyte is dissolved in alcohol, water, or a water-alcohol mixture, and a predetermined amount of water or alcohol. After mixing and adjusting to a final composition containing a water-alcohol mixed solvent having an alcohol ratio of 20 to 30% by mass, the water-repellent main skeleton (water-repellent part) and the hydrophilic side chain (hydrophilic) are mixed by stirring. Part of the polymer electrolyte for an electrode having a large amount of water agglomerates with the hydrophilic part facing outside (solvent side) and the water repellent part facing inside (side relatively not in contact with the solvent). Side chains having a relatively large specific surface area than the main skeleton are present on the surface of the aggregated polymer electrolyte for electrodes. Therefore, the specific surface area of the polymer electrolyte for electrodes is relatively large, and when the catalyst layer is formed using the catalyst ink containing such a polymer electrolyte for electrodes, the specific surface area of the catalyst layer is considered to be large. It is done. The specific surface area of the catalyst layer can be controlled by such a simple adjustment process.
In particular, in the cathode catalyst layer, by increasing the specific surface area of the catalyst layer, the cathode reaction site (catalyst and ion exchange resin (polymer electrolyte) covering the catalyst are in contact with each other, and protons, electrons, and oxygen are supplied. Field) increases, and the diffusion and supply of oxygen-containing gas to the reaction site can be accelerated, and a catalyst layer with a small activation overvoltage can be realized.
Further, by increasing the surface area of the catalyst layer, water transpiration of the catalyst layer is improved, flooding can be suppressed, and battery performance can be improved.

触媒インクを電解質膜1に塗布する方法は、特に限定されず、例えば、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等が挙げられる。塗布後、自然乾燥又はホットプレート、オーブン、温風等の加熱乾燥を行うことで、触媒層が形成される。
触媒インクの塗布量は、触媒インクの組成や、電極触媒に用いられる触媒金属の触媒性能等によって異なるが、単位面積当りの触媒成分量が、0.1〜1.0mg/cm程度となるようにすればよい。また、触媒層2の膜厚は、特に限定されないが、5〜50μm程度とすればよい。
A method for applying the catalyst ink to the electrolyte membrane 1 is not particularly limited, and examples thereof include a spray method, a screen printing method, a doctor blade method, a gravure printing method, and a die coating method. After the application, the catalyst layer is formed by natural drying or heat drying such as a hot plate, an oven, or warm air.
The amount of catalyst ink applied varies depending on the composition of the catalyst ink and the catalyst performance of the catalyst metal used for the electrode catalyst, but the amount of catalyst component per unit area is about 0.1 to 1.0 mg / cm 2. What should I do? Moreover, the film thickness of the catalyst layer 2 is not particularly limited, but may be about 5 to 50 μm.

(電解質膜)
本発明における電解質膜1としては、従来から固体高分子電解質型燃料電池に用いられている電解質膜用高分子電解質、例えば、フッ素系高分子電解質及び炭化水素系高分子電解質を含む電解質膜を用いることができる。
フッ素系高分子電解質としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸等のフッ素系イオン交換樹脂が挙げられる。パーフルオロカーボンスルホン酸膜としては、例えば米国デュポン社製ナフィオンや旭硝子社製フレミオン等の市販品もある。
(Electrolyte membrane)
As the electrolyte membrane 1 in the present invention, a polymer electrolyte for an electrolyte membrane conventionally used in a solid polymer electrolyte fuel cell, for example, an electrolyte membrane containing a fluorine-based polymer electrolyte and a hydrocarbon-based polymer electrolyte is used. be able to.
Examples of the fluorine-based polymer electrolyte include fluorine-based ion exchange resins such as perfluorocarbon sulfonic acid. Examples of the perfluorocarbon sulfonic acid membrane include commercially available products such as Nafion manufactured by DuPont of the United States and Flemion manufactured by Asahi Glass.

一方、炭化水素系高分子電解質とは、炭素と水素からなる高分子の主鎖と、イオン交換基とを有するものであり、代表的には、イオン交換基としてプロトン解離性の極性基を有する、プロトン伝導性の炭化水素系高分子電解質が用いられる。プロトン解離性の極性基としては、例えば、スルホン酸基、カルボン酸基、ボロン酸基、ホスホン酸基、リン酸基、水酸基等が挙げられる。
炭化水素系高分子電解質からなる電解質膜は、フッ素系高分子電解質からなるものと比べて廉価であるため経済的に有利であり、耐熱性が高いため耐久性の点でも有利である。
On the other hand, a hydrocarbon-based polymer electrolyte has a polymer main chain composed of carbon and hydrogen and an ion exchange group, and typically has a proton dissociable polar group as an ion exchange group. A proton-conducting hydrocarbon polymer electrolyte is used. Examples of proton dissociative polar groups include sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, boronic acid groups, phosphonic acid groups, phosphoric acid groups, and hydroxyl groups.
An electrolyte membrane made of a hydrocarbon-based polymer electrolyte is economically advantageous because it is cheaper than that made of a fluorine-based polymer electrolyte, and is also advantageous in terms of durability because of its high heat resistance.

炭化水素系高分子電解質には、ナフィオン(商品名、デュポン社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜に代表される主鎖及び側鎖の水素が全てフッ素で置換されたフッ素系高分子電解質は含まれない。炭化水素系高分子電解質は、典型的には、フッ素を全く含まない。但し、ガラス転移温度が比較的高い高分子電解質を用いる場合には、本発明による効果が十分に得られることから、部分的にフッ素置換されているものや、フッ素以外の異種原子を含んでいるものであっても、そのガラス転移温度がある程度高い場合には、炭化水素系高分子電解質に含まれる。   The hydrocarbon polymer electrolyte is a fluorine polymer electrolyte in which the main chain and side chain hydrogen represented by perfluorocarbon sulfonic acid resin membranes such as Nafion (trade name, manufactured by DuPont) are all substituted with fluorine. Not included. The hydrocarbon-based polymer electrolyte typically does not contain any fluorine. However, when a polymer electrolyte having a relatively high glass transition temperature is used, the effect according to the present invention can be sufficiently obtained, and therefore, partially substituted with fluorine or contains hetero atoms other than fluorine. Even if the glass transition temperature is high to some extent, it is included in the hydrocarbon polymer electrolyte.

プロトン解離性の極性基を有する炭化水素系高分子電解質(以下、単に炭化水素系高分子電解質ということがある)としては、主鎖及び/又は側鎖に芳香族環を含み、且つ、プロトン解離性の極性基を含む高分子樹脂を用いることができる。具体的には、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル等のエンジニアリングプラスチックや、ポリスチレン、ABS樹脂、AS樹脂等の汎用プラスチックに、上記したようなプロトン解離性の極性基を導入し、共有結合したものが挙げられる。また、特表平11−503262号公報などに開示されている、ポリベンズイミダゾール、ポリピリミジン、ポリベンゾオキサゾールなどの塩基性高分子に強酸をドープした塩基性高分子と強酸との複合体からなる固体ポリマー電解質等の高分子電解質も挙げられる。   The hydrocarbon polymer electrolyte having a proton-dissociating polar group (hereinafter sometimes simply referred to as a hydrocarbon polymer electrolyte) includes an aromatic ring in the main chain and / or side chain, and proton dissociation. A high molecular resin containing a polar group can be used. Specifically, the proton-dissociating properties described above are applied to engineering plastics such as polyether ether ketone, polyether ketone, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, and polyphenylene ether, and general-purpose plastics such as polystyrene, ABS resin, and AS resin. Examples thereof include a polar group introduced and covalently bonded. Further, it is composed of a complex of a basic polymer and a strong acid, such as polybenzimidazole, polypyrimidine, and polybenzoxazole, which are disclosed in JP-A-11-503262. Examples also include polymer electrolytes such as solid polymer electrolytes.

耐熱性に優れ、高温条件下作動される燃料電池に好適に使用することが可能であることから、炭化水素系高分子電解質は、Tg(ガラス転移温度)が110℃以上、特に130℃以上、さらには、160℃以上であることが好ましい。高分子の主鎖骨格に芳香環構造を含む炭化水素系高分子電解質は、耐熱性に優れ、上記範囲のTgを有するものが多く、好適に用いることができる。   Since it is excellent in heat resistance and can be suitably used for a fuel cell operated under high temperature conditions, the hydrocarbon polymer electrolyte has a Tg (glass transition temperature) of 110 ° C. or higher, particularly 130 ° C. or higher. Furthermore, it is preferable that it is 160 degreeC or more. Hydrocarbon polymer electrolytes having an aromatic ring structure in the main chain skeleton of the polymer are excellent in heat resistance and many have a Tg in the above range, and can be suitably used.

電解質膜1は、上記のような高分子電解質をメタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類や水等を適宜組み合わせた溶媒、又は、ジメチルスルホキシドやジメチルホルムアミド等の極性有機溶媒中に溶解又は分散させて電解質溶液とし、得られた溶液を基板等の表面や型に流延、乾燥することによって作製することができる。また、ガラス転移点以上の温度にて高分子電解質を押し出し成型する方法によっても作製することができる。
電解質膜1は、上記のような高分子電解質を1種のみ含むものであっても、又は2種以上含ものであってもよい。また、導入されるプロトン解離性の極性基は、1種であっても、2種以上であってもよい。また、必要に応じてその他の成分を含んでいてもよい。
The electrolyte membrane 1 is obtained by dissolving or dispersing the above polymer electrolyte in a solvent appropriately combined with alcohols such as methanol, ethanol, propanol, or water, or in a polar organic solvent such as dimethyl sulfoxide or dimethylformamide. The electrolyte solution can be prepared by casting and drying the obtained solution on the surface or mold of a substrate or the like. It can also be produced by a method of extruding a polymer electrolyte at a temperature above the glass transition point.
The electrolyte membrane 1 may contain only one type of polymer electrolyte as described above, or may contain two or more types. Moreover, the proton dissociative polar group to be introduced may be one type or two or more types. Moreover, the other component may be included as needed.

電解質膜1の膜厚は、通常、10〜100μm程度でよい。電解質膜1は、プロトン伝導性の向上の点からは薄いほうが好ましいが、あまりに薄すぎるとガスを隔離する機能が低下し、非プロトン水素の透過量が増大し、甚だしい場合にはクロスリークが発生する。
電解質膜1は、フィブリル状、繊布状、不繊布状、多孔質シートのパーフルオロカーボン重合体で補強することや、膜表面に無機酸化物あるいは金属をコーティングすることにより補強することもできる。
The film thickness of the electrolyte membrane 1 may usually be about 10 to 100 μm. The electrolyte membrane 1 is preferably thin from the viewpoint of improving proton conductivity. However, if it is too thin, the function of isolating gas is reduced, the permeation amount of non-proton hydrogen is increased, and cross leakage occurs in a severe case. To do.
The electrolyte membrane 1 can be reinforced with a perfluorocarbon polymer in the form of a fibril, a fabric, a non-fabric, or a porous sheet, or by coating the membrane surface with an inorganic oxide or a metal.

(ガス拡散層)
触媒層2の上には、さらにガス拡散層3が積層される。ガス拡散層3は、触媒層2に効率良くガスを供給することができるガス拡散性、導電性、及びガス拡散層を構成する材料として要求される強度を有するものである。
上記ガス拡散層3としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔質体や、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅及びその合金、銀、アルミ合金、亜鉛合金、鉛合金、チタン、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス、金、白金等の金属から構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等の導電性多孔質体、発泡金属からなるガス拡散層シートを用いて形成することができる。
(Gas diffusion layer)
A gas diffusion layer 3 is further laminated on the catalyst layer 2. The gas diffusion layer 3 has gas diffusibility and conductivity that can efficiently supply gas to the catalyst layer 2, and strength required as a material constituting the gas diffusion layer.
Examples of the gas diffusion layer 3 include carbonaceous porous bodies such as carbon paper, carbon cloth, and carbon felt, titanium, aluminum, copper, nickel, nickel-chromium alloy, copper and its alloys, silver, aluminum alloys, Conductive porous materials such as metal meshes or metal porous materials composed of metals such as zinc alloy, lead alloy, titanium, niobium, tantalum, iron, stainless steel, gold, platinum, etc. Can be formed.

ガス拡散層3は、上記したような導電性多孔質体の単層からなるものであってもよいが、触媒層に面する側に撥水層を設けることもできる。撥水層は、導電性多孔質体内に含浸した層であっても良い。
撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものである。撥水層は、必ずしも必要なものではないが、触媒層及び電解質膜内の水分量を適度に保持しつつ、ガス拡散層の排水性を高めることができる上に、触媒層とガス拡散層間の電気的接触を改善することができるという利点がある。
ガス拡散層3は、必要に応じて撥水層を設けたガス拡散層シートを、ホットプレス等の手法によって触媒層の表面に加熱圧着して接合することができる。
ガス拡散層3の厚さは、15〜100μm程度であることが好ましい。
The gas diffusion layer 3 may be composed of a single layer of the conductive porous body as described above, but a water repellent layer may be provided on the side facing the catalyst layer. The water repellent layer may be a layer impregnated in the conductive porous body.
The water-repellent layer usually has a porous structure containing conductive particles such as carbon particles and carbon fibers, a water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene, and the like. The water-repellent layer is not always necessary, but it can improve the drainage of the gas diffusion layer while maintaining an appropriate amount of water in the catalyst layer and the electrolyte membrane. There is an advantage that electrical contact can be improved.
The gas diffusion layer 3 can be bonded by thermocompression bonding a gas diffusion layer sheet provided with a water-repellent layer as necessary to the surface of the catalyst layer by a technique such as hot pressing.
The thickness of the gas diffusion layer 3 is preferably about 15 to 100 μm.

触媒インク塗布工程において、例えば、電解質膜の表面に触媒インクを塗布した場合には、触媒インクを乾燥することによって、電解質膜表面に触媒層が形成される。このように表面に触媒層が形成された電解質膜は、該触媒層をガス拡散層シートと電解質膜とで挟み込むようにして、触媒層とガス拡散層シートとを接合することによって、触媒層とガス拡散層とから構成される電極を備えた膜・電極接合体を作製することができる。   In the catalyst ink application step, for example, when the catalyst ink is applied to the surface of the electrolyte membrane, the catalyst layer is formed on the surface of the electrolyte membrane by drying the catalyst ink. The electrolyte membrane having the catalyst layer formed on the surface in this manner is obtained by joining the catalyst layer and the gas diffusion layer sheet so as to sandwich the catalyst layer between the gas diffusion layer sheet and the electrolyte membrane. A membrane / electrode assembly including an electrode composed of a gas diffusion layer can be produced.

また、ガス拡散層シートの触媒層側の面に、触媒インクを塗布した場合には、触媒インクを乾燥することによって、ガス拡散層シート表面に触媒層が形成される。このように表面に触媒層が形成されたガス拡散層シートは、該触媒層を電解質膜とガス拡散層シートで挟み込むようにして、触媒層と電解質膜を接合することによって、膜・電極接合体を作製することができる。   Further, when the catalyst ink is applied to the surface of the gas diffusion layer sheet on the catalyst layer side, the catalyst layer is formed on the surface of the gas diffusion layer sheet by drying the catalyst ink. In this way, the gas diffusion layer sheet having the catalyst layer formed on the surface is obtained by joining the catalyst layer and the electrolyte membrane so that the catalyst layer is sandwiched between the electrolyte membrane and the gas diffusion layer sheet. Can be produced.

また、触媒インクを、ポリテトラフルオロエチレン等の転写基材上に塗布した場合には、該転写基材表面の触媒インクを乾燥させた触媒層シートを電解質膜又はガス拡散層シートと接合し、基材を剥離後、触媒層が電解質膜とガス拡散層に挟まれるように、ガス拡散層シート又は電解質膜と接合することによって、膜・電極接合体を作製することができる。
上記膜・電極接合体における電解質膜、各層間の接合は、例えば、ホットプレス等によって行うことができる。
Further, when the catalyst ink is applied onto a transfer substrate such as polytetrafluoroethylene, the catalyst layer sheet obtained by drying the catalyst ink on the surface of the transfer substrate is joined to the electrolyte membrane or the gas diffusion layer sheet, After the substrate is peeled off, the membrane / electrode assembly can be produced by joining the gas diffusion layer sheet or the electrolyte membrane so that the catalyst layer is sandwiched between the electrolyte membrane and the gas diffusion layer.
Bonding between the electrolyte membrane and each layer in the membrane / electrode assembly can be performed, for example, by hot pressing.

この膜電極接合体1は、さらに図2に示すように、セパレータ22a、22bで挟持され単セル21を形成する。セパレータ22には酸化剤ガス流路23又は燃料ガス流路24が形成されており、セパレータ22としては、例えば、炭素繊維を高濃度に含有し、樹脂との複合材からなるカーボンセパレータや、金属材料を用いた金属セパレータ等を用いることができる。金属セパレータとしては、耐腐食性に優れた金属材料からなるものや、表面をカーボンや耐腐食性に優れた金属材料等で被覆し、耐腐食性を高めるコーティングが施されたもの等が挙げられる。
かかる構成を有する単セル21を、電気的に集合させてスタックを形成して容器に収納し、燃料電池を形成する。
The membrane / electrode assembly 1 is further sandwiched between separators 22a and 22b to form a single cell 21, as shown in FIG. The separator 22 is formed with an oxidant gas passage 23 or a fuel gas passage 24. As the separator 22, for example, a carbon separator containing a high concentration of carbon fiber and made of a composite material with a resin, a metal A metal separator using a material can be used. Examples of the metal separator include those made of a metal material excellent in corrosion resistance, and those coated with a coating that enhances the corrosion resistance by coating the surface with carbon or a metal material excellent in corrosion resistance. .
The unit cells 21 having such a configuration are electrically assembled to form a stack and accommodated in a container to form a fuel cell.

上述したように、本発明の燃料電池触媒層用インク及びその製造方法、さらに該インクを用いて形成した燃料電池用膜電極接合体によれば、固体高分子型燃料電池において、触媒層の表面積を大きくし、反応サイトへの酸素の供給速度を向上させ、出力密度が大きい触媒層を作製することができる。
また、触媒層の表面積を大きくすることにより、触媒層の水蒸散性が向上し、フラッディングを抑制することができ、電池性能を向上させることができる。
As described above, according to the fuel cell catalyst layer ink of the present invention, the method for producing the same, and the fuel cell membrane electrode assembly formed using the ink, the surface area of the catalyst layer in the solid polymer fuel cell Can be increased, the oxygen supply rate to the reaction site can be improved, and a catalyst layer having a large output density can be produced.
In addition, by increasing the surface area of the catalyst layer, water transpiration of the catalyst layer is improved, flooding can be suppressed, and battery performance can be improved.

(実施例1)
ナフィオンソリューションDE1020(商品名、デュポン社製)の重量をカーボンブラックの重量で除した値が0.8となるように各材料を秤量し、アルコール比率が25質量%となるように純水を混合して混合液を得た。尚、上記ナフィオンソリューションDE1020にはアルコールが含まれていた。
上記混合液をミキサー(商品名:あわとり練太郎、株式会社シンキー製)で5分間、遠心攪拌後、ホモジナイザー(商品名:超音波分散機GSD600CVP、株式会社ギンセン製)によって攪拌し、触媒インクを得た。
得られた触媒インクをPFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)シート上にドクターブレードによって塗布し、真空乾燥機で120℃において1時間乾燥した後、窒素吸着法によって触媒層の比表面積を測定した。
Example 1
Each material is weighed so that the value obtained by dividing the weight of Nafion Solution DE1020 (trade name, manufactured by DuPont) by the weight of carbon black is 0.8, and pure water is mixed so that the alcohol ratio is 25% by mass. To obtain a mixed solution. The Nafion Solution DE1020 contained alcohol.
The above mixed solution was centrifuged and stirred for 5 minutes with a mixer (trade name: Awatori Nertaro, manufactured by Shinky Co., Ltd.), and then stirred with a homogenizer (trade name: ultrasonic disperser GSD600CVP, manufactured by Ginsen Co., Ltd.). Obtained.
The obtained catalyst ink was applied onto a PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer) sheet with a doctor blade, dried at 120 ° C. for 1 hour in a vacuum dryer, and then the ratio of the catalyst layer was measured by a nitrogen adsorption method. The surface area was measured.

(比較例1)
アルコール比率を0質量%とした以外は、実施例1と同様に触媒インクを調製し、触媒層の比表面積を測定した。
(Comparative Example 1)
A catalyst ink was prepared in the same manner as in Example 1 except that the alcohol ratio was 0% by mass, and the specific surface area of the catalyst layer was measured.

(比較例2)
アルコール比率を50質量%とした以外は、実施例1と同様に触媒インクを調製し、触媒層の比表面積を測定した。
(Comparative Example 2)
A catalyst ink was prepared in the same manner as in Example 1 except that the alcohol ratio was 50% by mass, and the specific surface area of the catalyst layer was measured.

(比較例3)
アルコール比率を70質量%とした以外は、実施例1と同様に触媒インクを調製し、触媒層の比表面積を測定した。
(Comparative Example 3)
A catalyst ink was prepared in the same manner as in Example 1 except that the alcohol ratio was 70% by mass, and the specific surface area of the catalyst layer was measured.

(比較例4)
アルコール比率を85質量%とした以外は、実施例1と同様に触媒インクを調製し、触媒層の比表面積を測定した。
(Comparative Example 4)
A catalyst ink was prepared in the same manner as in Example 1 except that the alcohol ratio was 85% by mass, and the specific surface area of the catalyst layer was measured.

(測定結果)
実施例1及び比較例1〜4の測定結果を図3に示す。
測定結果より、実施例1における触媒層の比表面積が比較例1〜4における触媒層の比表面積よりも大きいことが分かった。
(Measurement result)
The measurement results of Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 are shown in FIG.
From the measurement results, it was found that the specific surface area of the catalyst layer in Example 1 was larger than the specific surface area of the catalyst layers in Comparative Examples 1 to 4.

本発明に係る製造方法により提供される膜電極接合体の一実施形態を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically one Embodiment of the membrane electrode assembly provided by the manufacturing method which concerns on this invention. 本発明に係る製造方法により提供される膜電極接合体を備えた単セルの一実施形態を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically one Embodiment of the single cell provided with the membrane electrode assembly provided by the manufacturing method which concerns on this invention. 実施例及び比較例で得られた測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result obtained by the Example and the comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

1…膜電極接合体
2…電解質膜
3a…カソード側触媒層
3b…アノード側触媒層
4a…カソード側ガス拡散層
4b…アノード側ガス拡散層
5a…カソード
5b…アノード
21…単セル
22a、22b…セパレータ
23…酸化剤ガス流路
24…燃料ガス流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Membrane electrode assembly 2 ... Electrolyte membrane 3a ... Cathode side catalyst layer 3b ... Anode side catalyst layer 4a ... Cathode side gas diffusion layer 4b ... Anode side gas diffusion layer 5a ... Cathode 5b ... Anode 21 ... Single cell 22a, 22b ... Separator 23 ... Oxidant gas passage 24 ... Fuel gas passage

Claims (5)

触媒金属、カーボン粒子、高分子電解質、及び、水−アルコール混合溶媒を含有し、前記混合溶媒中のアルコール比率が20〜30質量%であることを特徴とする燃料電池触媒層用インク。   A fuel cell catalyst layer ink comprising a catalyst metal, carbon particles, a polymer electrolyte, and a water-alcohol mixed solvent, wherein an alcohol ratio in the mixed solvent is 20 to 30% by mass. 前記アルコールがエタノールである、請求項1に記載の燃料電池触媒層用インク。   The fuel cell catalyst layer ink according to claim 1, wherein the alcohol is ethanol. 前記触媒金属と前記カーボン粒子が、触媒担持カーボン粒子の状態で含有されている、請求項1に記載の燃料電池触媒層用インク。   The fuel cell catalyst layer ink according to claim 1, wherein the catalyst metal and the carbon particles are contained in the form of catalyst-supported carbon particles. 触媒担持カーボン粒子、アルコール、水又は水−アルコール混液に高分子電解質を溶解した高分子電解質溶液、及び、所定量の水又はアルコールを混合して、アルコール比率が20〜30質量%の水−アルコール混合溶媒を含む最終組成に調整した後、攪拌することを特徴とする、燃料電池触媒層用インクの製造方法。   Catalyst-supported carbon particles, alcohol, water or a polymer electrolyte solution in which a polymer electrolyte is dissolved in a water-alcohol mixture, and a predetermined amount of water or alcohol are mixed, and a water-alcohol having an alcohol ratio of 20 to 30% by mass. A method for producing an ink for a fuel cell catalyst layer, comprising adjusting the final composition containing a mixed solvent and then stirring. 固体高分子電解質膜の少なくとも一方の面側に、前記請求項1乃至3のいずれかに記載された燃料電池触媒層用インク又は前記請求項4に記載された方法により製造された燃料電池触媒層用インクを用いて形成した触媒層を備えることを特徴とする、燃料電池用膜電極接合体。   5. The fuel cell catalyst layer produced by the fuel cell catalyst layer ink according to any one of claims 1 to 3 or the fuel cell catalyst layer produced by the method according to claim 4 on at least one surface side of the solid polymer electrolyte membrane. A membrane electrode assembly for a fuel cell, comprising a catalyst layer formed using an ink for fuel.
JP2007108480A 2007-04-17 2007-04-17 INK FOR FUEL CELL CATALYST LAYER AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME Pending JP2008269847A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007108480A JP2008269847A (en) 2007-04-17 2007-04-17 INK FOR FUEL CELL CATALYST LAYER AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007108480A JP2008269847A (en) 2007-04-17 2007-04-17 INK FOR FUEL CELL CATALYST LAYER AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2008269847A true JP2008269847A (en) 2008-11-06

Family

ID=40049117

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007108480A Pending JP2008269847A (en) 2007-04-17 2007-04-17 INK FOR FUEL CELL CATALYST LAYER AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2008269847A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013089407A (en) * 2011-10-17 2013-05-13 Toyota Motor Corp Manufacturing method of membrane electrode assembly
WO2014155929A1 (en) * 2013-03-27 2014-10-02 Jx日鉱日石エネルギー株式会社 Method for manufacturing catalyst layer for fuel cell, catalyst layer for fuel cell, and fuel cell
JP2017073357A (en) * 2015-10-09 2017-04-13 トヨタ自動車株式会社 Catalyst layer for fuel cell and fuel cell
JP2020173919A (en) * 2019-04-09 2020-10-22 トヨタ自動車株式会社 Manufacturing method of membrane electrode assembly for fuel cells

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013089407A (en) * 2011-10-17 2013-05-13 Toyota Motor Corp Manufacturing method of membrane electrode assembly
WO2014155929A1 (en) * 2013-03-27 2014-10-02 Jx日鉱日石エネルギー株式会社 Method for manufacturing catalyst layer for fuel cell, catalyst layer for fuel cell, and fuel cell
JP2017073357A (en) * 2015-10-09 2017-04-13 トヨタ自動車株式会社 Catalyst layer for fuel cell and fuel cell
JP2020173919A (en) * 2019-04-09 2020-10-22 トヨタ自動車株式会社 Manufacturing method of membrane electrode assembly for fuel cells
JP7088117B2 (en) 2019-04-09 2022-06-21 トヨタ自動車株式会社 Manufacturing method of membrane electrode assembly for fuel cell

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4772741B2 (en) Cathode catalyst for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell including the same, and fuel cell system including the same
US9346673B2 (en) Electrode for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising the same, fuel cell system comprising the same, and method for preparing the electrode
US7771860B2 (en) Catalyst of a fuel cell, and membrane-electrode assembly and fuel cell system including catalyst
KR100696621B1 (en) Electrode base material for fuel cell, manufacturing method thereof and membrane-electrode assembly comprising same
JP2020145210A (en) Method of manufacturing electrode, electrode manufactured by the same, membrane-electrode assembly including the same, and fuel cell including the same
KR100658688B1 (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same
JP2008004453A (en) Membrane electrode assembly for fuel cells
KR101201816B1 (en) Membrane-electrode assembly, method for preparing the same, and fuel cell system comprising the same
CN101978536B (en) Membrane electrode assembly and fuel cell
US20110318668A1 (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell, fuel cell and manufacturing the method thereof
JP2008269847A (en) INK FOR FUEL CELL CATALYST LAYER AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME
JP2006019300A (en) FUEL CELL ELECTRODE, FUEL CELL, AND METHOD FOR PRODUCING FUEL CELL ELECTRODE
JP2020057516A (en) Electrode layer, membrane electrode assembly and fuel cell using the electrode layer
KR101117630B1 (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell and method for preparating the same
JP4919005B2 (en) Method for producing electrode for fuel cell
JP2008041371A (en) Manufacturing method of membrane electrode assembly for fuel cell
US7960073B2 (en) Membrane electrode assembly for fuel cell and fuel cell system including the same
KR101035620B1 (en) Electrode for fuel cell, fuel cell comprising same and method for manufacturing electrode for fuel cell
KR100578977B1 (en) Electrode for fuel cell, fuel cell comprising same and method for manufacturing electrode for fuel cell
JP2007103291A (en) Manufacturing method of membrane/electrode assembly for direct methanol fuel cell
JP2010033741A (en) Proton-conductive electrode, membrane-electrode assembly, and electrochemical device
JP2004063409A (en) Method for manufacturing polymer electrolyte fuel cell
KR20070099935A (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same
KR101247774B1 (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same
KR20060108819A (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell, and fuel cell system comprising same