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JP2015162309A - Method for manufacturing film electrode assembly, film electrode assembly, and solid polymer fuel cell - Google Patents

Method for manufacturing film electrode assembly, film electrode assembly, and solid polymer fuel cell Download PDF

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JP2015162309A
JP2015162309A JP2014035897A JP2014035897A JP2015162309A JP 2015162309 A JP2015162309 A JP 2015162309A JP 2014035897 A JP2014035897 A JP 2014035897A JP 2014035897 A JP2014035897 A JP 2014035897A JP 2015162309 A JP2015162309 A JP 2015162309A
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electrode
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polymer electrolyte
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弘幸 盛岡
Hiroyuki Morioka
弘幸 盛岡
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Toppan Inc
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Toppan Printing Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a film electrode assembly which enables the improvement of the diffusibility of reactive gas, and the water retention characteristic without interfering with the removal of water resulting from an electrode reaction or the like, and which includes an electrode catalyst layer showing a high power generating property even under a low humidification condition.SOLUTION: A film electrode assembly includes: a pair of electrode catalyst layers, and a polymer electrolytic film held between the pair of electrode catalyst layers. The pair of electrode catalyst layers each include a polymer electrolyte, and particles supporting a catalyst material. At least one of the pair of electrode catalyst layers is divided in at least two, namely a first electrode catalyst part, and a second electrode catalyst part adjacent thereto in a direction of the plane of the polymer electrolytic film. As to the value of the volume of pores of 1.0 μm or less in diameter, as an equivalent based on a cylinder approximation on the pores, which is determined by a mercury press-in method on the electrode catalyst layer thus divided, the value of the second electrode catalyst part provided on the side of gas outlet is larger than the value of the first electrode catalyst part provided on the side of gas inlet; the difference therebetween is 0.1-1.0 mL/g.

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池に使用される膜電極接合体及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly used for a polymer electrolyte fuel cell and a method for producing the same.

燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを、触媒を含む電極で水の電気分解の逆反応を起こさせ、熱と同時に電気を生み出す発電システムである。この発電システムは、従来の発電方式と比較して高効率で低環境負荷、低騒音等の特徴を有しており、将来のクリーンなエネルギー源として注目されている。使用されるイオン伝導体の種類によってタイプがいくつかあり、プロトン伝導性高分子膜を用いたものは、固体高分子形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)と呼ばれる。   A fuel cell is a power generation system that generates electricity simultaneously with heat by causing a hydrogen gas-containing fuel gas and an oxygen-containing oxidant gas to undergo reverse reaction of water electrolysis at an electrode including a catalyst. This power generation system has features such as high efficiency, low environmental load, and low noise compared with the conventional power generation method, and is attracting attention as a clean energy source in the future. There are several types depending on the type of ionic conductor used, and those using proton conducting polymer membranes are called polymer polymer fuel cells (PEFC).

燃料電池の中でも固体高分子形燃料電池は、室温付近で使用可能なことから、車載用電源や家庭据置用電源等への使用が有望視されており、近年、様々な研究開発が行われている。固体高分子形燃料電池は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)と呼ばれる高分子電解質膜の両面に一対の電極触媒層を配置させた接合体を、電極の一方に水素を含有する燃料ガスを供給するためのガス流路を形成したセパレーター板と、電極の他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのガス流路を形成したセパレーター板とで挟持した電池である。ここで、燃料ガスを供給する電極を燃料極、酸化剤を供給する電極を空気極と呼んでいる。これらの電極は、白金系の貴金属等の触媒物質を担持したカーボン粒子と高分子電解質を積層してなる電極触媒層と、ガス通気性と電子伝導性を兼ね備えたガス拡散層からなる。   Among fuel cells, polymer electrolyte fuel cells can be used near room temperature, so they are considered promising for use in in-vehicle power sources and household stationary power sources. In recent years, various research and development have been conducted. Yes. A polymer electrolyte fuel cell is a fuel in which a pair of electrode catalyst layers are arranged on both sides of a polymer electrolyte membrane called a membrane electrode assembly (MEA), and hydrogen is contained in one of the electrodes. The battery is sandwiched between a separator plate having a gas flow path for supplying gas and a separator plate having a gas flow path for supplying an oxidant gas containing oxygen to the other electrode. Here, the electrode for supplying the fuel gas is called a fuel electrode, and the electrode for supplying the oxidant is called an air electrode. These electrodes are composed of an electrode catalyst layer formed by laminating carbon particles carrying a catalyst material such as a platinum-based noble metal and a polymer electrolyte, and a gas diffusion layer having both gas permeability and electron conductivity.

ここで、電極触媒層に対しては、燃料電池の出力密度を向上させるため、ガス拡散性を高める取り組みがなされてきた。電極触媒層中の細孔は、セパレーター板からガス拡散層を通じた先に位置し、複数の物質を輸送する通路の役割を果たす。燃料極では、酸化還元の反応場である三相界面に、燃料ガスを円滑に供給するだけでなく、生成したプロトンを高分子電解質膜内で円滑に伝導させるための水を供給する機能を果たす。空気極では、酸化剤ガスの供給と共に、電極反応で生成した水を円滑に除去する機能を果たす。物質輸送の妨げで発電反応が停止する、いわゆる「フラッディング」(flooding)と呼ばれる現象を防止するため、これまで排水性を高める手法が行われてきた(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4参照)。   Here, with respect to the electrode catalyst layer, efforts have been made to increase gas diffusibility in order to improve the output density of the fuel cell. The pores in the electrode catalyst layer are located in front of the separator plate through the gas diffusion layer and serve as a passage for transporting a plurality of substances. The fuel electrode not only smoothly supplies the fuel gas to the three-phase interface, which is the oxidation-reduction reaction field, but also functions to supply water for smoothly conducting the generated protons in the polymer electrolyte membrane. . The air electrode functions to smoothly remove water generated by the electrode reaction along with the supply of the oxidant gas. In order to prevent a so-called “flooding” phenomenon in which the power generation reaction stops due to hindering mass transport, methods for improving drainage have been used so far (for example, Patent Document 1, Patent Document 2, Patent Reference 3 and Patent Document 4).

固体高分子形燃料電池の実用化に向けての課題は、出力密度や耐久性の向上等が挙げられるが、最大の課題は低コスト化(コスト削減)である。この低コスト化の手段の一つに、加湿器の削減が挙げられる。膜電極接合体の中心に位置する高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸膜や炭化水素系膜が広く用いられているが、優れたプロトン伝導性を得るためには飽和水蒸気圧雰囲気に近い水分管理が必要とされており、現状では加湿器によって外部から水分供給を行っている。そこで、低消費電力やシステムの簡略化のために、加湿器を必要としないような、低加湿条件下であっても、十分なプロトン伝導性を示す高分子電解質膜の開発が進められている。   Issues for the practical application of polymer electrolyte fuel cells include improvement of output density and durability, but the biggest issue is cost reduction (cost reduction). One way to reduce the cost is to reduce the number of humidifiers. Perfluorosulfonic acid membranes and hydrocarbon membranes are widely used as the polymer electrolyte membrane located at the center of the membrane electrode assembly, but in order to obtain excellent proton conductivity, it is close to a saturated water vapor pressure atmosphere. Moisture management is required, and at present, moisture is supplied from the outside by a humidifier. Therefore, in order to reduce power consumption and simplify the system, polymer electrolyte membranes that exhibit sufficient proton conductivity even under low humidification conditions that do not require a humidifier are being developed. .

しかし、排水性を高めた電極触媒層は、低加湿条件下では高分子電解質がドライアップするため、電極触媒層構造の最適化を行い、保水性を向上させる必要がある。低加湿条件下における燃料電池の保水性を向上させるため、電極触媒層とガス拡散層の間に、湿度調整フィルムを挟み込む方法が考案されている。例えば、特許文献5には、導電性炭素質粉末とポリテトラフルオロエチレンから構成された湿度調整フィルムが、湿度調節機能を示してドライアップを防止する方法が開示されている。また、特許文献6には、高分子電解質膜と接する触媒電極層の表面に溝を設ける方法が開示されている。0.1〜0.3mmの幅を有する溝を形成することで、低加湿条件下における発電性能の低下を抑制する方法が開示されている。   However, the electrode catalyst layer with improved drainage properties needs to improve the water retention by optimizing the electrode catalyst layer structure because the polymer electrolyte dries up under low humidification conditions. In order to improve the water retention of the fuel cell under low humidification conditions, a method of sandwiching a humidity adjusting film between the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer has been devised. For example, Patent Document 5 discloses a method in which a humidity adjustment film composed of conductive carbonaceous powder and polytetrafluoroethylene exhibits a humidity adjustment function and prevents dry-up. Patent Document 6 discloses a method of providing grooves on the surface of the catalyst electrode layer in contact with the polymer electrolyte membrane. A method for suppressing a decrease in power generation performance under low humidification conditions by forming a groove having a width of 0.1 to 0.3 mm is disclosed.

特開2006−120506号公報JP 2006-120506 A 特開2006−332041号公報JP 2006-332041 A 特開2007−87651号公報JP 2007-87651 A 特開2007−80726号公報JP 2007-80726 A 特開2006−252948号公報JP 2006-252948 A 特開2007−141588号公報JP 2007-141588 A

しかしながら、これらの特許文献に記載された膜電極接合体は、満足できる発電性能を備えていないという問題があった。また、製造方法が煩雑でありコストが高いという問題があった。
上記の課題を解決するため、本発明では、反応ガスの拡散性を高めると共に、電極反応で生成した水の除去等を阻害せずに保水性を高め、低加湿条件下でも高い発電特性を示す電極触媒層を備える膜電極接合体及びその膜電極接合体の製造方法を提供することを目的とする。
However, the membrane electrode assemblies described in these patent documents have a problem that they do not have satisfactory power generation performance. In addition, the manufacturing method is complicated and the cost is high.
In order to solve the above problems, in the present invention, the diffusibility of the reaction gas is increased, the water retention is increased without hindering the removal of water generated by the electrode reaction, and the high power generation characteristics are exhibited even under low humidification conditions. It aims at providing the manufacturing method of a membrane electrode assembly provided with an electrode catalyst layer, and the membrane electrode assembly.

本発明の一態様に係る膜電極接合体の製造方法は、高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟持した膜電極接合体の製造方法である。一対の電極触媒層のうち少なくとも一方の電極触媒層を形成する工程は、高分子電解質膜の平面方向において、第1の領域に第1の触媒インクを塗布して乾燥させることによって、第1の電極触媒部を形成する工程と、高分子電解質膜の平面方向において、第1の領域に隣接する第2の領域に第2の触媒インクを塗布して乾燥させることによって、第1の電極触媒部に隣接する第2の電極触媒部を形成する工程と、を有する。このとき、第2の電極触媒部の細孔容積を、第1の電極触媒部の細孔容積よりも大きくする。なお、第1の電極触媒部を形成する工程における第1の触媒インクの乾燥速度は、第2の電極触媒部を形成する工程における第2の触媒インクの乾燥速度よりも大きい。   The manufacturing method of the membrane electrode assembly which concerns on 1 aspect of this invention is a manufacturing method of the membrane electrode assembly which pinched | interposed the polymer electrolyte membrane by a pair of electrode catalyst layer. The step of forming at least one electrode catalyst layer of the pair of electrode catalyst layers is performed by applying the first catalyst ink to the first region in the planar direction of the polymer electrolyte membrane and drying it. A step of forming an electrode catalyst portion, and applying a second catalyst ink to a second region adjacent to the first region in the planar direction of the polymer electrolyte membrane and drying the first electrode catalyst portion. Forming a second electrode catalyst portion adjacent to the first electrode catalyst portion. At this time, the pore volume of the second electrode catalyst part is made larger than the pore volume of the first electrode catalyst part. The drying rate of the first catalyst ink in the step of forming the first electrode catalyst portion is higher than the drying rate of the second catalyst ink in the step of forming the second electrode catalyst portion.

本発明の一態様に係る膜電極接合体は、高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟持した膜電極接合体である。一対の電極触媒層のうち少なくとも一方の電極触媒層は、高分子電解質膜の平面方向において、第1の電極触媒部と、第1の電極触媒部に隣接する第2の電極触媒部と、の少なくとも2つに分割されている。   The membrane electrode assembly according to one embodiment of the present invention is a membrane electrode assembly in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode catalyst layers. At least one of the pair of electrode catalyst layers includes a first electrode catalyst portion and a second electrode catalyst portion adjacent to the first electrode catalyst portion in the planar direction of the polymer electrolyte membrane. It is divided into at least two.

本発明の一態様によれば、一対の電極触媒層のうち少なくとも一方の電極触媒層を、解質膜の平面方向において、第1の電極触媒部と、第1の電極触媒部に隣接する第2の電極触媒部と、の少なくとも2つに分割している。これにより、水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算での直径1.0μm以下の細孔容積を、第1の電極触媒部と第2の電極触媒部とで異なる値にすることができる。例えば、ガスの入口側に設ける第1の電極触媒部の細孔容積と比べ、ガスの出口側に設ける第2の電極触媒部の細孔容積のほうを大きくすることができる。これにより、電極反応で生成した水の除去等を阻害せずに保水性を高め、低加湿条件下でも高い発電特性を示す電極触媒層を備える膜電極接合体を効率良く経済的に容易に製造することができる。   According to one aspect of the present invention, at least one electrode catalyst layer of the pair of electrode catalyst layers is disposed adjacent to the first electrode catalyst portion and the first electrode catalyst portion in the planar direction of the denatured membrane. It is divided into at least two of two electrode catalyst parts. Thereby, the pore volume having a diameter of 1.0 μm or less in terms of the cylindrical approximation of the pores determined by the mercury intrusion method can be set to a different value between the first electrode catalyst part and the second electrode catalyst part. it can. For example, the pore volume of the second electrode catalyst part provided on the gas outlet side can be made larger than the pore volume of the first electrode catalyst part provided on the gas inlet side. This makes it easy to efficiently and economically produce a membrane electrode assembly with an electrode catalyst layer that enhances water retention without hindering the removal of water produced by electrode reactions and exhibits high power generation characteristics even under low humidification conditions. can do.

本発明の実施形態に係る膜電極接合体の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the membrane electrode assembly which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池の分解断面図である。1 is an exploded cross-sectional view of a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention.

<実施形態>
以下に、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。なお、本発明は、以下に記載の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の変更があっても本発明に含まれる。
〔膜電極接合体〕
まず、本実施形態に係る膜電極接合体11について説明する。
<Embodiment>
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited to embodiment described below, Even if there is a change of the range which does not deviate from the summary of this invention, it is included in this invention.
[Membrane electrode assembly]
First, the membrane electrode assembly 11 according to the present embodiment will be described.

図1は、本実施形態に係る膜電極接合体11を示す断面模式図である。図1に示すように、膜電極接合体11は、高分子電解質膜1と、電極触媒層2と、電極触媒層3を備える。電極触媒層2及び電極触媒層3は、高分子電解質膜1を狭持している。電極触媒層2及び3のうち少なくとも一方は、触媒物質担持粒子と高分子電解質を備える。更に、電極触媒層2及び3はそれぞれ、高分子電解質膜1の平面方向に2分割されている。より詳細には、電極触媒層2は、ガスの入口側に位置する第1の電極触媒部2aと、ガスの出口側に位置する第2の電極触媒部2bとに分割されている。第1の電極触媒部2aと、第2の電極触媒部2bとは隣接している。同様に、電極触媒層3は、ガスの入口側に位置する第1の電極触媒部3aと、ガスの出口側に位置する第2の電極触媒部3bとに分割されている。第1の電極触媒部3aと、第3の電極触媒部3bとは隣接している。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a membrane electrode assembly 11 according to this embodiment. As shown in FIG. 1, the membrane / electrode assembly 11 includes a polymer electrolyte membrane 1, an electrode catalyst layer 2, and an electrode catalyst layer 3. The electrode catalyst layer 2 and the electrode catalyst layer 3 sandwich the polymer electrolyte membrane 1. At least one of the electrode catalyst layers 2 and 3 includes catalyst material-carrying particles and a polymer electrolyte. Further, each of the electrode catalyst layers 2 and 3 is divided into two in the plane direction of the polymer electrolyte membrane 1. More specifically, the electrode catalyst layer 2 is divided into a first electrode catalyst part 2a located on the gas inlet side and a second electrode catalyst part 2b located on the gas outlet side. The first electrode catalyst part 2a and the second electrode catalyst part 2b are adjacent to each other. Similarly, the electrode catalyst layer 3 is divided into a first electrode catalyst portion 3a located on the gas inlet side and a second electrode catalyst portion 3b located on the gas outlet side. The first electrode catalyst part 3a and the third electrode catalyst part 3b are adjacent to each other.

膜電極接合体11では、水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算での直径1.0μm以下の細孔容積の値が、ガスの入口側に設ける第1の電極触媒部2a又は3aよりも、ガスの出口側に設ける第2の電極触媒部2b又は3bのほうが大きい。言い換えると、ガスの上流側の第1の電極触媒部2a又は3aの細孔容積の値よりも、ガスの下流側の第2の電極触媒部2b又は3bの細孔容積の値のほうが大きくなっている。   In the membrane electrode assembly 11, the value of the pore volume having a diameter of 1.0 μm or less in terms of the cylindrical approximation of the pores determined by the mercury intrusion method is the first electrode catalyst part 2a or 3a provided on the gas inlet side. Rather, the second electrode catalyst portion 2b or 3b provided on the gas outlet side is larger. In other words, the value of the pore volume of the second electrode catalyst part 2b or 3b on the downstream side of the gas is larger than the value of the pore volume of the first electrode catalyst part 2a or 3a on the upstream side of the gas. ing.

膜電極接合体11では、ガスの入口側に設ける第1の電極触媒部2a又は3aを、ガスの出口側に設ける第2の電極触媒部2b又は3bと比較して密な構造にすることによって、ガスの入口側に設ける第1の電極触媒部2a又は3aで保水性を高め、ガスの出口側に設ける第2の電極触媒部2b又は3bで水の除去を促進している。このように、膜電極接合体11は、電極反応で生成した水の排水性と低加湿条件下における保水性を両立している。   In the membrane electrode assembly 11, the first electrode catalyst part 2a or 3a provided on the gas inlet side is made denser than the second electrode catalyst part 2b or 3b provided on the gas outlet side. Water retention is enhanced by the first electrode catalyst part 2a or 3a provided on the gas inlet side, and water removal is promoted by the second electrode catalyst part 2b or 3b provided on the gas outlet side. Thus, the membrane electrode assembly 11 has both the drainage of water generated by the electrode reaction and water retention under low humidification conditions.

膜電極接合体11では、従来の湿度調整フィルムの適用や、電極触媒層2及び3の表面への溝の形成によって低加湿化を図る場合と異なり、界面抵抗の増大による発電特性の低下が見られない。このことより、従来の膜電極接合体を備えた固体高分子形燃料電池に比べ、膜電極接合体11を備える固体高分子形燃料電池は、低加湿条件下でも高い発電特性を示すという顕著な効果を奏する。   In the membrane / electrode assembly 11, unlike in the case where the conventional humidity adjusting film is applied or the formation of grooves on the surfaces of the electrode catalyst layers 2 and 3 is used to reduce the humidity, the power generation characteristics are reduced due to the increase in interface resistance. I can't. From this, the solid polymer fuel cell provided with the membrane electrode assembly 11 is remarkably high in power generation characteristics even under low humidification conditions, compared with the solid polymer fuel cell provided with the conventional membrane electrode assembly. There is an effect.

水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算での直径1.0μm以下の細孔容積について、第2の電極触媒部2b又は3bの細孔容積の値と、第1の電極触媒部2a又は3aの細孔容積の値との差が0.1mL/g以上1.0mL/g以下であることが好ましい。第2の電極触媒部2b又は3bの細孔容積の値と、第1の電極触媒部2a又は3aの細孔容積の値との差が0.1mL/gに満たない場合にあっては、電極反応で生成した水の排水性と低加湿条件下における保水性を両立することが困難となる場合がある。また、第2の電極触媒部2b又は3bの細孔容積の値と、第1の電極触媒部2a又は3aの細孔容積の値との差が1.0mL/gを超える場合にあっても電極反応で生成した水の排水性と低加湿条件下における保水性を両立することが困難となる場合がある。   For the pore volume with a diameter of 1.0 μm or less in terms of the cylindrical approximation of the pores determined by the mercury intrusion method, the value of the pore volume of the second electrode catalyst part 2b or 3b and the first electrode catalyst part 2a Or it is preferable that the difference with the value of the pore volume of 3a is 0.1 mL / g or more and 1.0 mL / g or less. When the difference between the pore volume value of the second electrode catalyst portion 2b or 3b and the pore volume value of the first electrode catalyst portion 2a or 3a is less than 0.1 mL / g, It may be difficult to achieve both the drainage of water produced by the electrode reaction and water retention under low humidification conditions. Even if the difference between the pore volume value of the second electrode catalyst portion 2b or 3b and the pore volume value of the first electrode catalyst portion 2a or 3a exceeds 1.0 mL / g. It may be difficult to achieve both the drainage of water produced by the electrode reaction and water retention under low humidification conditions.

なお、膜電極接合体11において、電極触媒層2及び3の分割数は2つに限定されるものではない。電極触媒層2及び3の分割数が3つ以上であっても良い。電極触媒層2及び3の分割数を3つ以上にする場合、電極触媒層2及び3の水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算での直径1.0μm以下の細孔容積を、段階的に変化させる。言い換えると、電極触媒層の分割数が3つ以上の膜電極接合体であっても、ガスの上流側の部分の細孔容積の値よりも、ガスの下流側の部分の細孔容積の値のほうが大きくなるように変化させる。   In the membrane electrode assembly 11, the number of divisions of the electrode catalyst layers 2 and 3 is not limited to two. The number of divisions of the electrode catalyst layers 2 and 3 may be three or more. When the number of divisions of the electrode catalyst layers 2 and 3 is 3 or more, the pore volume having a diameter of 1.0 μm or less in terms of the cylindrical approximation of the pores obtained by the mercury intrusion method of the electrode catalyst layers 2 and 3 Change in steps. In other words, even in the case of a membrane electrode assembly in which the number of divisions of the electrode catalyst layer is 3 or more, the value of the pore volume in the downstream portion of the gas is larger than the value of the pore volume in the upstream portion of the gas. Change so that is larger.

また、膜電極接合体11において、高分子電解質膜1の両面に形成される電極触媒層2及び3のうち、一方の電極触媒層2又は3のみが、異なる細孔容積を有する部分に分割されていても良い。一方の電極触媒層2又は3のみを、異なる細孔容積に分割する場合、異なる細孔容積に分割した電極触媒層は、電極反応により水が発生する空気極(カソード)側に配置することが好ましい。但し、低加湿条件下における高分子電解質の水分保持の点から、異なる細孔容積に分割した電極触媒層は高分子電解質膜1の両面に形成されることが、より好ましい。   Further, in the membrane electrode assembly 11, only one of the electrode catalyst layers 2 or 3 of the electrode catalyst layers 2 and 3 formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 is divided into portions having different pore volumes. May be. When only one electrode catalyst layer 2 or 3 is divided into different pore volumes, the electrode catalyst layer divided into different pore volumes may be arranged on the air electrode (cathode) side where water is generated by the electrode reaction. preferable. However, it is more preferable that the electrode catalyst layers divided into different pore volumes are formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 from the viewpoint of water retention of the polymer electrolyte under low humidification conditions.

〔固体高分子形燃料電池〕
次に、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池12について説明する。
図2は、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池12の分解断面図である。固体高分子形燃料電池12は、膜電極接合体11の電極触媒層2及び3と対向するように配置される空気極6側のガス拡散層4と、燃料極7側のガス拡散層5とを備える。電極触媒層2とガス拡散層4とは、空気極(カソード)6を形成する。電極触媒層3とガス拡散層5とは、燃料極(アノード)7を形成する。また、空気極6側のガス拡散層4及び燃料極7側のガス拡散層5の外側には、導電性で且つ不透過性の材料よりなる一組のセパレーター10のそれぞれが配置される。一組のセパレーター10の各々は、ガス拡散層4又は5と互いに向かい合う面に、ガス流通用のガス流路8が設けられている。また、ガス拡散層4又は5とは反対側の面に、冷却水流通用の冷却水流路9が設けられている。燃料極7側のセパレーター10のガス流路8からは、燃料ガスとして、例えば水素ガスが供給される。一方、空気極6側のセパレーター10のガス流路8からは、酸化剤ガスとして、例えば酸素を含むガスが供給される。燃料ガスの水素と酸素ガスとを触媒の存在下で電極反応させることにより、燃料極7と空気極6の間に起電力を生じることができる。
[Solid polymer fuel cell]
Next, the polymer electrolyte fuel cell 12 according to this embodiment will be described.
FIG. 2 is an exploded cross-sectional view of the polymer electrolyte fuel cell 12 according to the present embodiment. The polymer electrolyte fuel cell 12 includes a gas diffusion layer 4 on the air electrode 6 side and a gas diffusion layer 5 on the fuel electrode 7 side disposed so as to face the electrode catalyst layers 2 and 3 of the membrane electrode assembly 11. Is provided. The electrode catalyst layer 2 and the gas diffusion layer 4 form an air electrode (cathode) 6. The electrode catalyst layer 3 and the gas diffusion layer 5 form a fuel electrode (anode) 7. Further, outside the gas diffusion layer 4 on the air electrode 6 side and the gas diffusion layer 5 on the fuel electrode 7 side, a pair of separators 10 made of a conductive and impermeable material are disposed. Each of the pair of separators 10 is provided with a gas flow path 8 for gas distribution on a surface facing the gas diffusion layer 4 or 5. Further, a cooling water passage 9 for circulating cooling water is provided on the surface opposite to the gas diffusion layer 4 or 5. For example, hydrogen gas is supplied as a fuel gas from the gas flow path 8 of the separator 10 on the fuel electrode 7 side. On the other hand, a gas containing oxygen, for example, is supplied as an oxidant gas from the gas flow path 8 of the separator 10 on the air electrode 6 side. An electromotive force can be generated between the fuel electrode 7 and the air electrode 6 by causing an electrode reaction between the fuel gas hydrogen and oxygen gas in the presence of a catalyst.

固体高分子形燃料電池12は、一組のセパレーター10に、高分子電解質膜1と、電極触媒層2及び3と、ガス拡散層4及び5とが狭持されている。固体高分子形燃料電池12は単セル構造の燃料電池であるが、セパレーター10を介して複数のセルを積層して固体高分子形燃料電池としても良い。   In the polymer electrolyte fuel cell 12, the polymer electrolyte membrane 1, the electrode catalyst layers 2 and 3, and the gas diffusion layers 4 and 5 are sandwiched by a set of separators 10. The polymer electrolyte fuel cell 12 is a single cell fuel cell, but a plurality of cells may be stacked via the separator 10 to form a polymer electrolyte fuel cell.

〔膜電極接合体の製造方法〕
次に、本実施形態に係る膜電極接合体11の製造方法について説明する。
本実施形態に係る膜電極接合体11の製造方法にあっては、以下の第1工程〜第3工程を含む。
(第1工程)触媒を担持した粒子と、高分子電解質とを溶媒に分散させた触媒インクを塗布して、乾燥させることにより、第1の電極触媒部2a及び3aを形成する工程
(第2工程)触媒を担持した粒子と、高分子電解質とを溶媒に分散させた触媒インクを塗布して、触媒インクを乾燥させることにより、第2の電極触媒部2b及び3bを形成する工程
(第3工程)高分子電解質膜の両面のうち少なくとも一方の面に第1の電極触媒部2a及び3a及び第2の電極触媒部2b及び3bを形成する工程
[Production method of membrane electrode assembly]
Next, a manufacturing method of the membrane electrode assembly 11 according to this embodiment will be described.
In the manufacturing method of the membrane electrode assembly 11 according to the present embodiment, the following first to third steps are included.
(First Step) A step of forming first electrode catalyst portions 2a and 3a by applying a catalyst ink in which a catalyst-supported particle and a polymer electrolyte are dispersed in a solvent and drying it (second step) Step) Step of forming second electrode catalyst portions 2b and 3b by applying a catalyst ink in which particles carrying a catalyst and a polymer electrolyte are dispersed in a solvent and drying the catalyst ink (Third Step) Step) Forming the first electrode catalyst portions 2a and 3a and the second electrode catalyst portions 2b and 3b on at least one surface of both surfaces of the polymer electrolyte membrane

第1の電極触媒部2a及び3a、第2の電極触媒部2b及び3bをそれぞれ形成する工程において、触媒インクの乾燥速度を変化させることにより、細孔容積の異なる電極触媒部を形成することができる。これらの電極触媒部は、触媒を担持した粒子と高分子電解質を溶媒に分散させた触媒インクを基材上に塗布して塗膜を形成し、該塗膜中の溶媒を除去することにより形成される。このとき、触媒インクの乾燥速度を大きくした場合、乾燥速度を小さくした場合と比較して、形成される電極触媒部の細孔容積を小さくすることができる。また、触媒インクの乾燥速度を小さくした場合には、乾燥速度を大きくした場合と比較して、形成される電極触媒部の細孔容積を大きくすることができる。   In the step of forming the first electrode catalyst portions 2a and 3a and the second electrode catalyst portions 2b and 3b, the electrode catalyst portions having different pore volumes can be formed by changing the drying speed of the catalyst ink. it can. These electrode catalyst parts are formed by applying a catalyst ink in which catalyst-supported particles and polymer electrolyte are dispersed in a solvent to form a coating film, and then removing the solvent in the coating film. Is done. At this time, when the drying speed of the catalyst ink is increased, the pore volume of the electrode catalyst portion to be formed can be reduced as compared with the case where the drying speed is decreased. Further, when the drying speed of the catalyst ink is reduced, the pore volume of the electrode catalyst portion to be formed can be increased as compared with the case where the drying speed is increased.

すなわち、膜電極接合体11の製造方法は、第1の電極触媒部2a及び3aを形成する工程(第1工程)における触媒インクの乾燥温度を、第2の電極触媒部2b及び3bを形成する工程(第2工程)における触媒インクの乾燥温度よりも高くする。触媒インクの乾燥温度を高くすることで、触媒インクの乾燥速度が大きくなり、形成される電極触媒部の細孔容積を小さくすることができる。また、触媒インクの乾燥温度を低くすることで、触媒インクの乾燥速度が小さくなり、形成される電極触媒部の細孔容積を大きくすることができる。   That is, in the method of manufacturing the membrane electrode assembly 11, the drying temperature of the catalyst ink in the step of forming the first electrode catalyst portions 2a and 3a (first step) is set to the second electrode catalyst portions 2b and 3b. The temperature is higher than the drying temperature of the catalyst ink in the step (second step). By raising the drying temperature of the catalyst ink, the drying speed of the catalyst ink is increased, and the pore volume of the electrode catalyst portion to be formed can be reduced. In addition, by lowering the drying temperature of the catalyst ink, the drying speed of the catalyst ink is reduced, and the pore volume of the electrode catalyst portion to be formed can be increased.

また、第1の電極触媒部2a及び3aを形成する工程における乾燥温度と、第2の電極触媒部2b及び3bを形成する工程における乾燥温度の差が40℃以上であることが好ましい。第1の電極触媒部2a及び3aを形成する工程における乾燥温度と、第2の電極触媒部2b及び3bを形成する工程における乾燥温度の差が40℃に満たない場合は、形成する第1の電極触媒部2a及び3aと第2の電極触媒部2b及び3bとの細孔容積の差が少なくなり、電極反応で生成した水の排水性と低加湿条件下における保水性とを両立することが困難となる場合がある。   Moreover, it is preferable that the difference of the drying temperature in the process of forming the 1st electrode catalyst parts 2a and 3a and the drying temperature in the process of forming the 2nd electrode catalyst parts 2b and 3b is 40 degreeC or more. If the difference between the drying temperature in the step of forming the first electrode catalyst portions 2a and 3a and the drying temperature in the step of forming the second electrode catalyst portions 2b and 3b is less than 40 ° C., the first electrode to be formed The difference in pore volume between the electrode catalyst parts 2a and 3a and the second electrode catalyst parts 2b and 3b is reduced, and both the drainage of the water produced by the electrode reaction and the water retention under low humidification conditions can be achieved. It can be difficult.

第1の電極触媒部2a及び3aにおける直径1.0μm以下の細孔容積の値と、第2の電極触媒部2b及び3bにおける直径1.0μm以下の細孔容積の値との差が、水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算値で、0.1mL/g以上1.0mL/g以下であることが好ましい。第2の電極触媒部2b及び3bの細孔容積の値と、第1の電極触媒部2a及び3aの細孔容積の値との差が0.1mL/gに満たない場合は、電極反応で生成した水の排水性と低加湿条件下における保水性とを両立することが困難となる場合がある。また、細孔容積の差が1.0mL/gを超える場合であっても、電極反応で生成した水の排水性と低加湿条件下における保水性とを両立することが困難となる場合がある。
また、第1の電極触媒部2a及び3aを形成する際に用いられる触媒インクと、第2の電極触媒部2b及び3bを形成する際に用いられる触媒インクとは、同一であっても良いし、異なっていても良い。
The difference between the value of the pore volume of 1.0 μm or less in diameter in the first electrode catalyst parts 2a and 3a and the value of the pore volume of 1.0 μm or less in diameter in the second electrode catalyst parts 2b and 3b is mercury. It is preferably 0.1 mL / g or more and 1.0 mL / g or less as a conversion value by cylindrical approximation of pores obtained by a press-fitting method. When the difference between the pore volume values of the second electrode catalyst portions 2b and 3b and the pore volume values of the first electrode catalyst portions 2a and 3a is less than 0.1 mL / g, It may be difficult to achieve both the drainage of the generated water and the water retention under low humidification conditions. Moreover, even when the difference in pore volume exceeds 1.0 mL / g, it may be difficult to achieve both the drainage of water generated by the electrode reaction and the water retention under low humidification conditions. .
Further, the catalyst ink used when forming the first electrode catalyst portions 2a and 3a and the catalyst ink used when forming the second electrode catalyst portions 2b and 3b may be the same. May be different.

〔詳細〕
以下、本実施形態に係る膜電極接合体11及び固体高分子形燃料電池12について更に詳細に説明する。
高分子電解質膜1としては、プロトン伝導性を有するものであれば良く、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系高分子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、デュポン(登録商標)社製「NAFION(登録商標)」、旭硝子(登録商標)社製「FLEMION(登録商標)」、旭化成(登録商標)社製「ACIPLEX(登録商標)」、ゴア(登録商標)社製「GORE−SELECT(登録商標)」を用いることが可能である。特に、固体高分子形燃料電池の出力電圧を高める上では、デュポン(登録商標)社製「NAFION(登録商標)」が好適に用いられる。また、炭化水素系高分子電解質膜としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等の電解質膜を用いることができる。特に、高分子電解質膜1として、デュポン(登録商標)社製「NAFION(登録商標)」系材料を好適に用いることができる。
[Details]
Hereinafter, the membrane electrode assembly 11 and the polymer electrolyte fuel cell 12 according to this embodiment will be described in more detail.
The polymer electrolyte membrane 1 only needs to have proton conductivity, and a fluorine polymer electrolyte membrane or a hydrocarbon polymer electrolyte membrane can be used. Examples of the fluoropolymer electrolyte include “NAFION (registered trademark)” manufactured by DuPont (registered trademark), “FLEION (registered trademark)” manufactured by Asahi Glass (registered trademark), and “ACIPLEX (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei (registered trademark). Registered trademark) "and" GORE-SELECT (registered trademark) "manufactured by Gore (registered trademark) can be used. In particular, in order to increase the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell, “NAFION (registered trademark)” manufactured by DuPont (registered trademark) is preferably used. As the hydrocarbon polymer electrolyte membrane, electrolyte membranes such as sulfonated polyether ketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene can be used. In particular, as the polymer electrolyte membrane 1, a “NAFION (registered trademark)” material made by DuPont (registered trademark) can be suitably used.

また、電極触媒層2及び3は、触媒インクを用いて高分子電解質膜1の両面に形成される。触媒インクは、少なくとも高分子電解質及び溶媒を含む。
上述の触媒インクに含まれる高分子電解質としては、プロトン伝導性を有するものであれば良く、高分子電解質膜1と同様の材料を用いることができる。例えば、フッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質を用いることができる。フッ素系高分子電解質の例として、デュポン(登録商標)社製「NAFION(登録商標)」系材料等を用いることができる。また、炭化水素系高分子電解質としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等の電解質を用いることができる。特に、フッ素系高分子電解質として、デュポン(登録商標)社製「NAFION(登録商標)」系材料を好適に用いることができる。なお、電極触媒層2及び3と、高分子電解質膜1との密着性を考慮すると、高分子電解質膜1と同一の材料を用いることが好ましい。
The electrode catalyst layers 2 and 3 are formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 using a catalyst ink. The catalyst ink includes at least a polymer electrolyte and a solvent.
The polymer electrolyte contained in the above-described catalyst ink may be any one having proton conductivity, and the same material as the polymer electrolyte membrane 1 can be used. For example, a fluorine-based polymer electrolyte or a hydrocarbon-based polymer electrolyte can be used. As an example of a fluorine-based polymer electrolyte, a “NAFION (registered trademark)” material manufactured by DuPont (registered trademark) or the like can be used. As the hydrocarbon polymer electrolyte, electrolytes such as sulfonated polyether ketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene can be used. In particular, a “NAFION (registered trademark)” material manufactured by DuPont (registered trademark) can be suitably used as the fluorine-based polymer electrolyte. In consideration of the adhesion between the electrode catalyst layers 2 and 3 and the polymer electrolyte membrane 1, it is preferable to use the same material as that of the polymer electrolyte membrane 1.

本実施形態で用いる触媒物質(以下、触媒粒子若しくは触媒と称すことがある)としては、白金やパラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素の他、鉄、鉛、銅、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これらの合金、又は酸化物、複酸化物等を用いることができる。また、上記の触媒の粒径は、大きすぎると触媒の活性が低下し、小さすぎると触媒の安定性が低下するため、触媒の粒径は0.5nm〜20nmが好ましい。更に好ましくは、1nm〜5nmが良い。また、触媒粒子が、白金、金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、及び、イリジウムから選ばれた1種又は2種以上の金属である場合、電極反応性に優れ、電極反応を効率良く安定して行うことができる。触媒粒子が、白金、金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、及び、イリジウムから選ばれた1種又は2種以上の金属である場合、電極触媒層2及び3を備えた固体高分子形燃料電池が高い発電特性を示すので好ましい。   The catalyst substance used in the present embodiment (hereinafter sometimes referred to as catalyst particles or catalyst) includes platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, osmium, platinum group elements, iron, lead, copper, chromium, cobalt. Further, metals such as nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum, alloys thereof, oxides, double oxides, and the like can be used. Moreover, since the activity of a catalyst will fall when the particle size of said catalyst is too large, and the stability of a catalyst will fall when it is too small, the particle size of a catalyst has preferable 0.5 nm-20 nm. More preferably, 1 nm-5 nm are good. In addition, when the catalyst particles are one or more metals selected from platinum, gold, palladium, rhodium, ruthenium, and iridium, the electrode particles are excellent in electrode reactivity, and the electrode reaction is performed efficiently and stably. be able to. When the catalyst particles are one or more metals selected from platinum, gold, palladium, rhodium, ruthenium and iridium, the polymer electrolyte fuel cell including the electrode catalyst layers 2 and 3 is high. It is preferable because it shows power generation characteristics.

上記の触媒物質を担持する電子伝導性の粉末としては、一般的にカーボン粒子が使用される。カーボン粒子の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒に侵されないものであれば良く、特に限定されるものではない。例えば、カーボンブラックやグラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレンを用いることができる。カーボン粒子の粒径は、小さすぎると電子伝導パスが形成されにくくなる。また、大きすぎると電極触媒層2及び32及び3のガス拡散性が低下したり、触媒の利用率が低下したりするので、10nm〜1000nm程度が好ましい。更に好ましくは、10nm〜100nmが良い。   In general, carbon particles are used as the electron conductive powder supporting the catalyst material. The type of carbon particles is not particularly limited as long as it is in the form of fine particles and has conductivity and is not affected by the catalyst. For example, carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotube, and fullerene can be used. If the particle size of the carbon particles is too small, it becomes difficult to form an electron conduction path. On the other hand, if it is too large, the gas diffusibility of the electrode catalyst layers 2, 32, and 3 is lowered or the utilization factor of the catalyst is lowered. More preferably, 10 nm-100 nm are good.

触媒インクの分散媒として使用される溶媒は、触媒物質担持粒子や高分子電解質を浸食することがなく、高分子電解質を流動性の高い状態で溶解又は微細ゲルとして分散できるものあれば特に限定されるものではない。しかしながら、揮発性の有機溶媒が少なくとも含まれていることが望ましい。触媒インクの分散媒として使用される溶媒の例として、メタノール、エタノール、1−プロパノ―ル、2−プロパノ―ル、1−ブタノ−ル、2−ブタノ−ル、イソブチルアルコール、tert−ブチルアルコール、ペンタノ−ル等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ペンタノン、メチルイソブチルケトン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジイソブチルケトン等のケトン系溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジブチルエーテル等のエーテル系溶剤、その他ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジアセトンアルコール、1−メトキシ−2−プロパノール等の極性溶剤等を用いることができる。また、上述の溶剤のうち二種以上を混合させたものを用いても良い。   The solvent used as a dispersion medium for the catalyst ink is not particularly limited as long as it does not erode the catalyst substance-supporting particles and the polymer electrolyte, and can dissolve or disperse the polymer electrolyte in a highly fluid state as a fine gel. It is not something. However, it is desirable that at least a volatile organic solvent is contained. Examples of the solvent used as a dispersion medium for the catalyst ink include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, tert-butyl alcohol, Alcohols such as pentaanol, acetone, methyl ethyl ketone, pentanone, methyl isobutyl ketone, heptanone, cyclohexanone, methyl cyclohexanone, acetonyl acetone, diisobutyl ketone and other ketone solvents, tetrahydrofuran, dioxane, diethylene glycol dimethyl ether, anisole, methoxy toluene, Ether solvents such as dibutyl ether, other dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, ethylene glycol, diethylene glycol, diacetone alcohol , It can be used polar solvents such as 1-methoxy-2-propanol. Moreover, you may use what mixed 2 or more types among the above-mentioned solvents.

また、触媒インクの分散媒として使用される溶媒として、低級アルコールを用いたものは発火の危険性が高いため、低級アルコールを用いる場合は、水との混合溶媒にするのが好ましい。更に、高分子電解質となじみが良い水(親和性が高い水)が含まれていても良い。水の添加量は、高分子電解質が分離して白濁を生じたり、ゲル化したりしない程度であれば特に制限されるものではない。   In addition, a solvent using a lower alcohol as a solvent used as a dispersion medium of the catalyst ink has a high risk of ignition. Therefore, when using a lower alcohol, it is preferable to use a mixed solvent with water. Furthermore, water (water having high affinity) that is compatible with the polymer electrolyte may be contained. The amount of water added is not particularly limited as long as the polymer electrolyte does not separate and cause white turbidity or gelation.

また、触媒インクの分散媒として使用される溶媒には、第1の電極触媒部2a及び3aを形成するために用いる第1の触媒インクの溶媒と、第2の電極触媒部2b及び3bを形成するために用いる第2の触媒インクの溶媒とがあるが、両者は、同一の溶媒でも、異なる溶媒でも良い。
電極触媒層2及び3の細孔容積は、触媒インクの組成、分散条件に依存し、高分子電解質の量、分散溶媒の種類、分散手法、分散時間等によって変化するので、これらの少なくとも1つ、好ましくは2つ以上を組み合わせて用いて電極触媒層2及び3の細孔容積が、ガス拡散層4及び5に近い側から高分子電解質膜1に向かって、増加するように制御して形成することが好ましい。
The solvent used as the dispersion medium for the catalyst ink forms the first catalyst ink solvent used for forming the first electrode catalyst portions 2a and 3a and the second electrode catalyst portions 2b and 3b. There is a solvent for the second catalyst ink used for this purpose, but both may be the same solvent or different solvents.
The pore volume of the electrode catalyst layers 2 and 3 depends on the composition of the catalyst ink and the dispersion conditions, and varies depending on the amount of the polymer electrolyte, the type of the dispersion solvent, the dispersion method, the dispersion time, etc., so at least one of these Preferably, the pore volume of the electrode catalyst layers 2 and 3 is controlled so as to increase from the side close to the gas diffusion layers 4 and 5 toward the polymer electrolyte membrane 1 using a combination of two or more. It is preferable to do.

触媒物質担持粒子を分散させるために、触媒インクに分散剤が含まれていても良い。分散剤としては、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤等を挙げることができる。
上記アニオン界面活性剤の例として、アルキルエーテルカルボン酸塩、エーテルカルボン酸塩、アルカノイルザルコシン、アルカノイルグルタミン酸塩、アシルグルタメート、オレイン酸・N−メチルタウリン、オレイン酸カリウム・ジエタノールアミン塩、アルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、特殊変成ポリエーテルエステル酸のアミン塩、高級脂肪酸誘導体のアミン塩、特殊変成ポリエステル酸のアミン塩、高分子量ポリエーテルエステル酸のアミン塩、特殊変成リン酸エステルのアミン塩、高分子量ポリエステル酸アミドアミン塩、特殊脂肪酸誘導体のアミドアミン塩、高級脂肪酸のアルキルアミン塩、高分子量ポリカルボン酸のアミドアミン塩、ラウリン酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウム等のカルボン酸型界面活性剤、ジアルキルスルホサクシネート、スルホコハク酸ジアルキル塩、1,2−ビス(アルコキシカルボニル)−1−エタンスルホン酸塩、アルキルスルホネート、アルキルスルホン酸塩、パラフィンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホネート、直鎖アルキルベンゼンスルホネート、アルキルベンゼンスルホネート、ポリナフチルメタンスルホネート、ポリナフチルメタンスルホン酸塩、ナフタレンスルホネート−ホルマリン縮合物、アルキルナフタレンスルホネート、アルカノイルメチルタウリド、ラウリル硫酸エステルナトリウム塩、セチル硫酸エステルナトリウム塩、ステアリル硫酸エステルナトリウム塩、オレイル硫酸エステルナトリウム塩、ラウリルエーテル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホン酸塩等のスルホン酸型界面活性剤、アルキル硫酸エステル塩、硫酸アルキル塩、アルキルサルフェート、アルキルエーテルサルフェート、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート、アルキルポリエトキシ硫酸塩、ポリグリコールエーテルサルフェート、アルキルポリオキシエチレン硫酸塩、硫酸化油、高度硫酸化油等の硫酸エステル型界面活性剤、リン酸(モノ又はジ)アルキル塩、(モノ又はジ)アルキルホスフェート、(モノ又はジ)アルキルリン酸エステル塩、リン酸アルキルポリオキシエチレン塩、アルキルエーテルホスフェート、アルキルポリエトキシ・リン酸塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、リン酸アルキルフェニル・ポリオキシエチレン塩、アルキルフェニルエーテル・ホスフェート、アルキルフェニル・ポリエトキシ・リン酸塩、ポリオキシエチレン・アルキルフェニル・エーテルホスフェート、高級アルコールリン酸モノエステルジナトリウム塩、高級アルコールリン酸ジエステルジナトリウム塩、ジアルキルジチオリン酸亜鉛等のリン酸エステル型界面活性剤等が挙げられる。
In order to disperse the catalyst material-carrying particles, the catalyst ink may contain a dispersant. Examples of the dispersant include an anionic surfactant, a cationic surfactant, an amphoteric surfactant, and a nonionic surfactant.
Examples of the anionic surfactant include alkyl ether carboxylate, ether carboxylate, alkanoyl sarcosine, alkanoyl glutamate, acyl glutamate, oleic acid / N-methyl taurine, potassium oleate / diethanolamine salt, alkyl ether sulfate / Triethanolamine salt, polyoxyethylene alkyl ether sulfate / triethanolamine salt, amine salt of special modified polyether ester acid, amine salt of higher fatty acid derivative, amine salt of special modified polyester acid, amine of high molecular weight polyether ester acid Salts, special modified phosphate ester amine salts, high molecular weight polyester acid amido amine salts, special fatty acid derivative amido amine salts, higher fatty acid alkyl amine salts, high molecular weight polycarboxylic acid amines Doamine salts, carboxylic acid type surfactants such as sodium laurate, sodium stearate, sodium oleate, dialkylsulfosuccinate, dialkylsulfosuccinate, 1,2-bis (alkoxycarbonyl) -1-ethanesulfonate, Alkyl sulfonate, alkyl sulfonate, paraffin sulfonate, α-olefin sulfonate, linear alkyl benzene sulfonate, alkyl benzene sulfonate, polynaphthyl methane sulfonate, polynaphthyl methane sulfonate, naphthalene sulfonate-formalin condensate, alkyl naphthalene sulfonate, alkanoyl Methyl tauride, lauryl sulfate sodium salt, cetyl sulfate sodium salt, stearyl sulfate sodium salt, oleyl sulfate Ester sodium salt, lauryl ether sulfate ester salt, alkylbenzene sulfonate sodium salt, oil-soluble alkylbenzene sulfonate salt, α-olefin sulfonate surfactant, alkyl sulfate ester salt, alkyl sulfate salt, alkyl sulfate, alkyl Ether sulfate, polyoxyethylene alkyl ether sulfate, alkyl polyethoxy sulfate, polyglycol ether sulfate, alkyl polyoxyethylene sulfate, sulfated oil, highly sulfated sulfate type surfactant, phosphoric acid (mono or Di) alkyl salt, (mono or di) alkyl phosphate, (mono or di) alkyl phosphate ester salt, alkyl polyoxyethylene salt of phosphate, alkyl ether phosphate, alkyl polyethoxy Phosphate, polyoxyethylene alkyl ether, alkylphenyl phosphate polyoxyethylene salt, alkylphenyl ether phosphate, alkylphenyl polyethoxy phosphate, polyoxyethylene alkylphenyl ether phosphate, higher alcohol monophosphate Examples thereof include phosphate type surfactants such as ester disodium salt, higher alcohol phosphate diester disodium salt, and zinc dialkyldithiophosphate.

上記カチオン界面活性剤の例として、ベンジルジメチル{2−[2−(P−1,1,3,3−テトラメチルブチルフェノオキシ)エトキシ]エチル}アンモニウムクロライド、オクタデシルアミン酢酸塩、テトラデシルアミン酢酸塩、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、牛脂トリメチルアンモニウムクロライド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシトリメチルアンモニウムクロライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ベヘニルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシジメチルベンジルアンモニウムクロライド、テトラデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、オクタデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、ジオレイルジメチルアンモニウムクロライド、1−ヒドロキシエチル−2−牛脂イミダゾリン4級塩、2−ヘプタデセニルーヒドロキシエチルイミダゾリン、ステアラミドエチルジエチルアミン酢酸塩、ステアラミドエチルジエチルアミン塩酸塩、トリエタノールアミンモノステアレートギ酸塩、アルキルピリジウム塩、高級アルキルアミンエチレンオキサイド付加物、ポリアクリルアミドアミン塩、変成ポリアクリルアミドアミン塩、パーフルオロアルキル第4級アンモニウムヨウ化物等が挙げられる。   Examples of the cationic surfactant include benzyldimethyl {2- [2- (P-1,1,3,3-tetramethylbutylphenoxy) ethoxy] ethyl} ammonium chloride, octadecylamine acetate, tetradecylamine acetic acid. Salt, octadecyltrimethylammonium chloride, tallow trimethylammonium chloride, dodecyltrimethylammonium chloride, coconut trimethylammonium chloride, hexadecyltrimethylammonium chloride, behenyltrimethylammonium chloride, coconut dimethylbenzylammonium chloride, tetradecyldimethylbenzylammonium chloride, octadecyldimethylbenzylammonium chloride Chloride, dioleyldimethylammonium chloride, 1-hydroxy Chill-2-tallow imidazoline quaternary salt, 2-heptadecenyl-hydroxyethyl imidazoline, stearamide ethyl diethylamine acetate, stearamide ethyl diethylamine hydrochloride, triethanolamine monostearate formate, alkyl pyridium salt, higher alkyl Examples include amine ethylene oxide adducts, polyacrylamide amine salts, modified polyacrylamide amine salts, perfluoroalkyl quaternary ammonium iodides, and the like.

上記両性界面活性剤の例として、ジメチルヤシベタイン、ジメチルラウリルベタイン、ラウリルアミノエチルグリシンナトリウム、ラウリルアミノプロピオン酸ナトリウム、ステアリルジメチルベタイン、ラウリルジヒドロキシエチルベタイン、アミドベタイン、イミダゾリニウムベタイン、レシチン、3−[ω−フルオロアルカノイル−N−エチルアミノ]−1−プロパンスルホン酸ナトリウム、N−[3−(パーフルオロオクタンスルホンアミド)プロピル]−N,N−ジメチル−N−カルボキシメチレンアンモニウムベタイン等が挙げられる。   Examples of the amphoteric surfactants include dimethyl coconut betaine, dimethyl lauryl betaine, sodium laurylaminoethylglycine, sodium laurylaminopropionate, stearyldimethylbetaine, lauryl dihydroxyethyl betaine, amide betaine, imidazolinium betaine, lecithin, 3- [Ω-fluoroalkanoyl-N-ethylamino] -1-propanesulfonic acid sodium, N- [3- (perfluorooctanesulfonamido) propyl] -N, N-dimethyl-N-carboxymethyleneammonium betaine and the like. .

上記非イオン界面活性剤の例として、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、オレイン酸ジエタノールアミド(1:1型)、ヒドロキシエチルラウリルアミン、ポリエチレングリコールラウリルアミン、ポリエチレングリコールヤシアミン、ポリエチレングリコールステアリルアミン、ポリエチレングリコール牛脂アミン、ポリエチレングリコール牛脂プロピレンジアミン、ポリエチレングリコールジオレイルアミン、ジメチルラウリルアミンオキサイド、ジメチルステアリルアミンオキサイド、ジヒドロキシエチルラウリルアミンオキサイド、パーフルオロアルキルアミンオキサイド、ポリビニルピロリドン、高級アルコールエチレンオキサイド付加物、アルキルフェノールエチレンオキサイド付加物、脂肪酸エチレンオキサイド付加物、ポリプロピレングリコールエチレンオキサイド付加物、グリセリンの脂肪酸エステル、ペンタエリスリットの脂肪酸エステル、ソルビットの脂肪酸エステル、ソルビタンの脂肪酸エステル、砂糖の脂肪酸エステル等が挙げられる。   Examples of the nonionic surfactant include coconut fatty acid diethanolamide (1: 2 type), coconut fatty acid diethanolamide (1: 1 type), bovine fatty acid diethanolamide (1: 2 type), and bovine fatty acid diethanolamide (1: 1 type), oleic acid diethanolamide (1: 1 type), hydroxyethyl lauryl amine, polyethylene glycol lauryl amine, polyethylene glycol palm amine, polyethylene glycol stearyl amine, polyethylene glycol beef tallow amine, polyethylene glycol beef tallow propylene diamine, polyethylene glycol dioleyl amine , Dimethyl lauryl amine oxide, dimethyl stearyl amine oxide, dihydroxyethyl lauryl amine oxide, perfluoroalkylamine oxide, polyvinyl Loridone, higher alcohol ethylene oxide adduct, alkylphenol ethylene oxide adduct, fatty acid ethylene oxide adduct, polypropylene glycol ethylene oxide adduct, glycerin fatty acid ester, pentaerythritol fatty acid ester, sorbit fatty acid ester, sorbitan fatty acid ester, Examples include sugar fatty acid esters.

上記の界面活性剤の中でもアルキルベンゼンスルホン酸、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸、α−オレフィンスルホン酸、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホン酸塩等のスルホン酸型の界面活性剤は、カーボンの分散効果、分散剤の残存による触媒性能の変化等を考慮すると、分散剤として、好適に用いることができる。   Among the above surfactants, sulfonic acid type surfactants such as alkylbenzene sulfonic acid, oil-soluble alkylbenzene sulfonic acid, α-olefin sulfonic acid, sodium alkylbenzene sulfonate, oil-soluble alkylbenzene sulfonate, α-olefin sulfonate, etc. Can be suitably used as a dispersant in consideration of carbon dispersion effects, changes in catalyst performance due to the remaining dispersant, and the like.

触媒インク中の高分子電解質の量を多くすると細孔容積は一般に小さくなる。一方、触媒インク中のカーボン粒子の量を多くすると、細孔容積は大きくなる。また、分散剤を使用すると、細孔容積は小さくなる。
また、触媒インクは必要に応じて分散処理が行われる。触媒インクの粘度と、粒子のサイズとを、触媒インクの分散処理の条件によって制御することができる。分散処理は、様々な装置を採用して行うことができる。特に、分散処理の方法は限定されるものではない。例えば、分散処理としては、ボールミルやロールミルによる処理、せん断ミルによる処理、湿式ミルによる処理、超音波分散処理等が挙げられる。また、遠心力で攪拌を行うホモジナイザー等を採用しても良い。また、分散時間は長くなるのに伴い、触媒物質担持粒子の凝集体が破壊され、細孔容積は小さくなる。
Increasing the amount of polymer electrolyte in the catalyst ink generally decreases the pore volume. On the other hand, increasing the amount of carbon particles in the catalyst ink increases the pore volume. In addition, when a dispersant is used, the pore volume is reduced.
Further, the catalyst ink is subjected to a dispersion treatment as necessary. The viscosity of the catalyst ink and the size of the particles can be controlled by the conditions for the dispersion treatment of the catalyst ink. Distributed processing can be performed using various apparatuses. In particular, the distributed processing method is not limited. For example, as the dispersion treatment, treatment with a ball mill or roll mill, treatment with a shear mill, treatment with a wet mill, ultrasonic dispersion treatment, and the like can be given. Moreover, you may employ | adopt the homogenizer etc. which stir with centrifugal force. Further, as the dispersion time becomes longer, the aggregates of the catalyst material-carrying particles are destroyed and the pore volume becomes smaller.

触媒インク中の固形分含有量は、多すぎると触媒インクの粘度が高くなるため、電極触媒層2及び3表面2及び3にクラックが入りやすくなる。一方、触媒インク中の固形含有量が、少なすぎると成膜レートが非常に遅く、生産性が低下してしまう。したがって、触媒インク中の固形含有量は、1質量%〜50質量%(wt%)であることが好ましい。また、固形分は、触媒物質担持粒子と高分子電解質からなるが、固形分のうち、触媒物質担持粒子の含有量を多くすると、同じ固形分含有量でも粘度は高くなる。一方、固形分のうち、触媒物質担持粒子の含有量を少なくすると、同じ固形分含有量でも粘度は低くなる。したがって、固形分に占める触媒物質担持粒子の割合は10質量%〜80質量%が好ましい。また、触媒インクの粘度は、0.1cP〜500cP(0.0001Pa・s〜0.5Pa・s(パスカル秒))程度が好ましく、更に好ましくは5cP〜100cP(0.005Pa・s〜0.1Pa・s)が良い。また触媒インクの分散時に分散剤を添加することで、粘度の制御をすることもできる。   If the solid content in the catalyst ink is too large, the viscosity of the catalyst ink becomes high, so that the electrode catalyst layers 2 and 3 surfaces 2 and 3 are likely to crack. On the other hand, if the solid content in the catalyst ink is too small, the film formation rate is very slow and the productivity is lowered. Therefore, the solid content in the catalyst ink is preferably 1% by mass to 50% by mass (wt%). The solid content is composed of catalyst material-supported particles and a polymer electrolyte. If the content of catalyst material-supported particles is increased in the solid content, the viscosity increases even with the same solid content. On the other hand, when the content of the catalyst substance-supporting particles is reduced in the solid content, the viscosity is lowered even with the same solid content. Therefore, the proportion of the catalyst substance-supporting particles in the solid content is preferably 10% by mass to 80% by mass. The viscosity of the catalyst ink is preferably about 0.1 cP to 500 cP (0.0001 Pa · s to 0.5 Pa · s (Pascal second)), more preferably 5 cP to 100 cP (0.005 Pa · s to 0.1 Pa).・ S) is good. Further, the viscosity can be controlled by adding a dispersing agent when the catalyst ink is dispersed.

また、触媒インクに造孔剤が含まれていても良い。造孔剤は、電極触媒層2及び3の形成後に除去することで、細孔を形成することができる。酸やアルカリ、水に溶ける物質や、ショウノウ等の昇華する物質、熱分解する物質等を挙げることができる。造孔剤が、温水で溶ける物質であれば、発電時に発生する水で取り除いても良い。
酸やアルカリ、水に溶ける造孔剤としては、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、酸化マグネシウム等の酸可溶性無機塩類、アルミナ、シリカゲル、シリカゾル等のアルカリ水溶液に可溶性の無機塩類、アルミニウム、亜鉛、スズ、ニッケル、鉄等の酸又はアルカリに可溶性の金属類、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化アンモニウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、リン酸一ナトリウム等の水溶性無機塩類、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール等の水溶性有機化合物類等が挙げられる。また、上記造孔剤は1種単独で若しくは2種以上を組み合わせて用いても良いが、2種以上を組み合わせて用いることが好ましい。
Further, the catalyst ink may contain a pore forming agent. By removing the pore-forming agent after the electrode catalyst layers 2 and 3 are formed, pores can be formed. Examples include substances that are soluble in acids, alkalis, and water, substances that sublime such as camphor, and substances that thermally decompose. If the pore-forming agent is a substance that is soluble in warm water, it may be removed with water generated during power generation.
Examples of pore-forming agents that are soluble in acids, alkalis and water include acid-soluble inorganic salts such as calcium carbonate, barium carbonate, magnesium carbonate, magnesium sulfate and magnesium oxide, inorganic salts soluble in alkaline aqueous solutions such as alumina, silica gel and silica sol, aluminum Metals soluble in acids or alkalis such as zinc, tin, nickel and iron, water-soluble inorganic salts such as sodium chloride, potassium chloride, ammonium chloride, sodium carbonate, sodium sulfate, monosodium phosphate, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol Water-soluble organic compounds such as Moreover, although the said pore making agent may be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types, it is preferable to use in combination of 2 or more types.

触媒インクを、基材上に塗布し、乾燥を行い、電極触媒層2及び3を形成する。基材として、ガス拡散層4及び5若しくは転写シートを用いた場合は、電極触媒層2及び3は、高分子電解質膜1の両面に電極触媒層2及び3は接合される。また、膜電極接合体は、基材として高分子電解質膜1を用い、高分子電解質膜1の両面に直接触媒インクを塗布し、高分子電解質膜1の両面に直接電極触媒層2及び3を形成しても良い。触媒インクを基材上に塗布するための塗布方法としては、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法等を採用することができる。   The catalyst ink is applied onto the substrate and dried to form the electrode catalyst layers 2 and 3. When the gas diffusion layers 4 and 5 or the transfer sheet are used as the substrate, the electrode catalyst layers 2 and 3 are bonded to both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1. Further, the membrane / electrode assembly uses the polymer electrolyte membrane 1 as a base material, the catalyst ink is directly applied to both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1, and the electrode catalyst layers 2 and 3 are directly applied to both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1. It may be formed. As a coating method for coating the catalyst ink on the substrate, a doctor blade method, a dipping method, a screen printing method, a roll coating method, or the like can be employed.

電極触媒層2及び3の製造における基材としては、ガス拡散層4及び5、転写シート若しくは高分子電解質膜1を用いることができる。基材として用いられる転写シートとしては、転写性が良い材質であれば良く、例えば、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、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)、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系樹脂を用いることができる。また、ポリイミド、ポリエチレンテレフタラート、ポリアミド(ナイロン)、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル・エーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレート等の高分子シート、高分子フィルムを転写シートとして用いることができる。また、基材として転写シートを用いた場合には、高分子電解質膜1に電極触媒層2及び3を接合した後に転写シートを剥離し、高分子電解質膜1の両面に電極触媒層2及び3を備える膜電極接合体11とすることができる。   As the base material in the production of the electrode catalyst layers 2 and 3, the gas diffusion layers 4 and 5, the transfer sheet, or the polymer electrolyte membrane 1 can be used. The transfer sheet used as the substrate may be any material having good transferability. For example, ethylene tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroper Fluorocarbon resins such as fluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA) and polytetrafluoroethylene (PTFE) can be used. In addition, polyimide, polyethylene terephthalate, polyamide (nylon), polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyetherimide, polyarylate, polyethylene naphthalate, polymer sheets and polymer films are transferred. It can be used as a sheet. When a transfer sheet is used as the base material, the electrode catalyst layers 2 and 3 are bonded to the polymer electrolyte membrane 1 and then the transfer sheet is peeled off, and the electrode catalyst layers 2 and 3 are formed on both sides of the polymer electrolyte membrane 1. It can be set as the membrane electrode assembly 11 provided with.

ガス拡散層4及び5としては、ガス拡散性と導電性とを有する材質を用いることができる。例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー、不織布等のポーラスカーボン材を用いることができる。また、ガス拡散層4及び5は、触媒インクを塗布する基材として用いることもできる。ガス拡散層4及び5を、触媒インクを塗布する基材として用いたとき、電極触媒層2及び3を高分子電解質膜1に接合した後に、ガス拡散層4及び5である基材を剥離する必要は無い。   As the gas diffusion layers 4 and 5, a material having gas diffusibility and conductivity can be used. For example, porous carbon materials such as carbon cloth, carbon paper, and non-woven fabric can be used. Moreover, the gas diffusion layers 4 and 5 can also be used as a base material on which the catalyst ink is applied. When the gas diffusion layers 4 and 5 are used as the base material on which the catalyst ink is applied, the electrode diffusion layers 4 and 5 are peeled off after the electrode catalyst layers 2 and 3 are bonded to the polymer electrolyte membrane 1. There is no need.

ガス拡散層4及び5を、触媒インクを塗布する基材として用いる場合には、触媒インクをガス拡散層4及び5に塗布する前に、予め、ガス拡散層4及び5上に目処め層を形成しても良い。目処め層は、触媒インクがガス拡散層4及び5の中に染み込むことを防止する層である。目処め層を形成することにより、触媒インクの塗布量が少ない場合でも、触媒インクが目処め層上に堆積して三相界面を形成する。例えば、目処め層は、フッ素系樹脂溶液にカーボン粒子を分散させ、フッ素系樹脂の融点以上の温度で焼結させることにより形成することができる。フッ素系樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等を用いることができる。   In the case where the gas diffusion layers 4 and 5 are used as a base material on which the catalyst ink is applied, before applying the catalyst ink to the gas diffusion layers 4 and 5, a preliminary layer is previously formed on the gas diffusion layers 4 and 5. It may be formed. The mesh layer is a layer that prevents the catalyst ink from penetrating into the gas diffusion layers 4 and 5. By forming the mesh layer, the catalyst ink is deposited on the mesh layer to form a three-phase interface even when the amount of catalyst ink applied is small. For example, the filler layer can be formed by dispersing carbon particles in a fluorine resin solution and sintering at a temperature equal to or higher than the melting point of the fluorine resin. As the fluororesin, polytetrafluoroethylene (PTFE) or the like can be used.

セパレーター10としては、カーボンタイプ若しくは金属タイプのもの等を用いることができる。なお、ガス拡散層4及び5とセパレーター10は一体構造となっていても良い。また、セパレーター10若しくは電極触媒層2及び3が、ガス拡散層4及び5の機能を果たす場合は、ガス拡散層4及び5は省略しても良い。固体高分子形燃料電池12は、ガス供給装置、冷却装置等、その他付随する装置を組み立てることにより製造することができる。
以下に、本実施形態における固体高分子形燃料電池用の電極触媒層の製造方法について具体的な実施例及び比較例を挙げて説明するが、本実施形態は下記の実施例及び比較例によって制限されるものではない。
As the separator 10, a carbon type or a metal type can be used. The gas diffusion layers 4 and 5 and the separator 10 may be integrated. Further, when the separator 10 or the electrode catalyst layers 2 and 3 serve as the gas diffusion layers 4 and 5, the gas diffusion layers 4 and 5 may be omitted. The polymer electrolyte fuel cell 12 can be manufactured by assembling other accompanying devices such as a gas supply device and a cooling device.
Hereinafter, the method for producing an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to this embodiment will be described with reference to specific examples and comparative examples. However, this embodiment is limited by the following examples and comparative examples. Is not to be done.

<実施例>
〔触媒インクの調製〕
白金担持量が50質量%である白金担持カーボン触媒と、20質量%である高分子電解質溶液とを溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで分散処理を行った。ここでは、白金担持カーボン触媒として、田中貴金属工業(登録商標)社製「TEC10E50E」)を用いた。また、高分子電解質溶液として、デュポン(登録商標)社製「NAFION(登録商標)」を用いた。このとき、分散時間を30分間とし、触媒インクを調製した。調整した触媒インクの出発原料の組成比は、カーボン担体と高分子電解質は質量比で1:1とし、分散溶媒は1−プロパノ−ル、2−プロパノ−ルを体積比で1:1とした。また、固形分含有量は15質量%とした。
<Example>
[Preparation of catalyst ink]
A platinum-carrying carbon catalyst having a platinum loading of 50% by mass and a polymer electrolyte solution having a mass of 20% by mass were mixed in a solvent and subjected to dispersion treatment with a planetary ball mill. Here, Tanaka Kikinzoku Kogyo (registered trademark “TEC10E50E”) was used as the platinum-supported carbon catalyst. Further, “NAFION (registered trademark)” manufactured by DuPont (registered trademark) was used as the polymer electrolyte solution. At this time, the dispersion time was 30 minutes to prepare a catalyst ink. The composition ratio of the starting materials of the prepared catalyst ink was 1: 1 by mass for the carbon support and the polymer electrolyte, and 1: 1 for the dispersion solvent by 1-propanol and 2-propanol by volume. . The solid content was 15% by mass.

〔基材〕
転写シートである、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シートを基材として用いた。
〔基材上への電極触媒層2及び3の形成方法〕
ドクターブレード法により、上記で調整した触媒インクを基材上に塗布し、大気雰囲気中40℃で乾燥させ、第1の電極触媒部2a及び3aを得た。同様に、上記で調整した触媒インクを基材上に塗布し、大気雰囲気中80℃で乾燥させ、第2の電極触媒部2b及び3bを得た。このとき、触媒インクの塗布量は、白金担持量が0.3mg/cmになるようにそれぞれ調節した。得られた各電極触媒部の細孔測定を水銀ポロシメータで行った結果、円筒近似による換算での直径1.0μm以下の細孔容積は、ガスの入口側に設ける第1の電極触媒部2a又は3aの値よりも、ガスの出口側に設ける第2の電極触媒部2b又は3bの値のほうが大きく、その差は0.16mL/gであった。
〔Base material〕
A polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet, which is a transfer sheet, was used as a substrate.
[Method of forming electrode catalyst layers 2 and 3 on a substrate]
The catalyst ink adjusted as described above was applied onto a substrate by a doctor blade method and dried at 40 ° C. in an air atmosphere to obtain first electrode catalyst portions 2a and 3a. Similarly, the catalyst ink prepared as described above was applied onto a substrate and dried at 80 ° C. in an air atmosphere to obtain second electrode catalyst portions 2b and 3b. At this time, the amount of catalyst ink applied was adjusted so that the amount of platinum supported was 0.3 mg / cm 2 . As a result of measuring the pores of each of the obtained electrode catalyst parts with a mercury porosimeter, the pore volume with a diameter of 1.0 μm or less in terms of cylinder approximation is the first electrode catalyst part 2a provided on the gas inlet side or The value of the second electrode catalyst portion 2b or 3b provided on the gas outlet side was larger than the value of 3a, and the difference was 0.16 mL / g.

〔膜電極接合体の作製〕
第1の電極触媒部2a及び3aと、第2の電極触媒部2b及び3bを形成した基材を5cm×2.5cmの矩形状にそれぞれ打ち抜いた。デュポン(登録商標)社製「NAFION(登録商標)」を用いた高分子電解質膜1上に、第1の電極触媒部2a及び3aをガスの入口側に、第2の電極触媒部2b及び3bをガスの出口側に配置し、5cm×5cmの正方形の電極触媒層2及び3を作製した。この電極触媒層2及び3を高分子電解質膜1の両面に配置し、130℃、6.0×10Paの条件でホットプレスを行い、膜電極接合体を得た。
[Production of membrane electrode assembly]
The base material on which the first electrode catalyst portions 2a and 3a and the second electrode catalyst portions 2b and 3b were formed was punched into a rectangular shape of 5 cm × 2.5 cm, respectively. On the polymer electrolyte membrane 1 using “NAFION (registered trademark)” manufactured by DuPont (registered trademark), the first electrode catalyst portions 2 a and 3 a are disposed on the gas inlet side, and the second electrode catalyst portions 2 b and 3 b are disposed on the polymer electrolyte membrane 1. Was placed on the gas outlet side, and 5 cm × 5 cm square electrode catalyst layers 2 and 3 were produced. The electrode catalyst layers 2 and 3 were arranged on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 and hot pressed under the conditions of 130 ° C. and 6.0 × 10 6 Pa to obtain a membrane electrode assembly.

<比較例>
〔触媒インクの調整〕
実施例と同様に触媒インクを調製した。
〔基材〕
実施例と同様の基材を用いた。
<Comparative example>
[Adjustment of catalyst ink]
A catalyst ink was prepared in the same manner as in the examples.
〔Base material〕
The same substrate as in the example was used.

〔電極触媒層2及び3の作製方法〕
実施例と同様に第2の電極触媒部2b及び3bを形成した。
〔膜電極接合体の作製〕
第2の電極触媒部2b及び3bを形成した基材を25cm(5cm×5cm)の正方形に打ち抜き、高分子電解質膜1の両面に対面するように第2の電極触媒部2b及び3bを配置させ、130℃、6.0×10Paの条件でホットプレスを行い、膜電極接合体を得た。
[Method for producing electrode catalyst layers 2 and 3]
Second electrode catalyst portions 2b and 3b were formed in the same manner as in the example.
[Production of membrane electrode assembly]
The base material on which the second electrode catalyst portions 2b and 3b are formed is punched into a 25 cm 2 (5 cm × 5 cm) square, and the second electrode catalyst portions 2b and 3b are arranged so as to face both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1. Then, hot pressing was performed under the conditions of 130 ° C. and 6.0 × 10 6 Pa to obtain a membrane electrode assembly.

<評価>
〔発電特性〕
実施例及び比較例で作製した膜電極接合体を挟持するように、ガス拡散層4及び5として用いるカーボンペーパーを貼りあわせ、発電評価セル内に設置した。燃料電池測定装置を用いて、セル温度80℃とし、以下に示す2つの運転条件で電流電圧測定を行った。燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を用い、利用率一定による流量制御を行った。なお、背圧は100kPaとした。
<Evaluation>
[Power generation characteristics]
Carbon papers used as the gas diffusion layers 4 and 5 were bonded together so as to sandwich the membrane electrode assemblies produced in Examples and Comparative Examples, and placed in a power generation evaluation cell. Using the fuel cell measurement device, the cell voltage was set to 80 ° C., and current voltage measurement was performed under the following two operating conditions. Hydrogen was used as the fuel gas and air was used as the oxidant gas, and the flow rate was controlled at a constant utilization rate. The back pressure was 100 kPa.

〔運転条件〕
1.フル加湿:アノード100%RH、カソード100%RH
2.低加湿:アノード40%RH、カソード40%RH
〔測定結果〕
実施例で作製した膜電極接合体は、比較例で作製した膜電極接合体よりも、低加湿の運転条件下で優れた発電性能を示し、実施例で作製した膜電極接合体は、低加湿の運転条件下においても、フル加湿の運転条件下と同等レベルの発電性能であった。特に0.7V付近の発電性能が向上し、実施例で作製した膜電極接合体は、比較例で作製した膜電極接合体と比べて1.8倍の発電特性を示した。実施例で作製した膜電極接合体と、比較例で作製した膜電極接合体との発電特性の結果から、電極触媒層2及び3の細孔容積を、ガスの入口側に設けた第1の電極触媒部2a及び3aの値よりも、ガスの出口側に設けた第2の電極触媒部2b及び3bの値を大きくした膜電極接合体は保水性が高まり、低加湿の運転条件下における発電特性が、フル加湿の運転条件下と同等の発電特性を示すことが確認された。また、フル加湿の運転条件下では、実施例で作製した膜電極接合体は、比較例で作製した膜電極接合体と比べて1.4倍の発電特性を示した。実施例で作製した膜電極接合体と、比較例で作製した膜電極接合体との発電特性の結果から、反応ガスの拡散性、電極反応で生成した水の除去等を阻害していないことが確認された。
[Operating conditions]
1. Full humidification: anode 100% RH, cathode 100% RH
2. Low humidification: anode 40% RH, cathode 40% RH
〔Measurement result〕
The membrane / electrode assembly produced in the example shows better power generation performance under low humidification operating conditions than the membrane / electrode assembly produced in the comparative example, and the membrane / electrode assembly produced in the example is less humidified. Even under the above operating conditions, the power generation performance was at the same level as in the fully humidified operating conditions. In particular, the power generation performance in the vicinity of 0.7 V was improved, and the membrane electrode assembly produced in the example showed 1.8 times the power generation characteristics as compared with the membrane electrode assembly produced in the comparative example. From the results of the power generation characteristics of the membrane / electrode assembly produced in the example and the membrane / electrode assembly produced in the comparative example, the pore volumes of the electrode catalyst layers 2 and 3 were provided on the gas inlet side. The membrane electrode assembly in which the value of the second electrode catalyst parts 2b and 3b provided on the gas outlet side is larger than the value of the electrode catalyst parts 2a and 3a has higher water retention and power generation under low humidification operating conditions. It was confirmed that the characteristics show power generation characteristics equivalent to the operating conditions of full humidification. Moreover, the membrane electrode assembly produced in the Example under the fully humidified operating conditions showed a power generation characteristic 1.4 times that of the membrane electrode assembly produced in the comparative example. From the results of the power generation characteristics of the membrane electrode assembly produced in the example and the membrane electrode assembly produced in the comparative example, it was confirmed that the diffusibility of the reaction gas, removal of water generated by the electrode reaction, etc. were not hindered. confirmed.

<まとめ>
本実施形態は、低加湿条件下で高い発電特性を示す膜電極接合体とその製造方法及びその膜電極接合体を備えた固体高分子形燃料電池に関するものである。
本実施形態に係る膜電極接合体は、高分子電解質膜1を一対の電極触媒層2及び3で挟持した膜電極接合体である。ここで、少なくとも一方の電極触媒層2及び/又は3は、第1の電極触媒部2a及び/又は3aと、高分子電解質膜1の平面方向において第1の電極触媒部2a及び/又は3aに隣接する第2の電極触媒部2b及び/又は3bとの少なくとも2つに分割されている。
<Summary>
The present embodiment relates to a membrane electrode assembly that exhibits high power generation characteristics under low humidification conditions, a method for manufacturing the membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell including the membrane electrode assembly.
The membrane electrode assembly according to the present embodiment is a membrane electrode assembly in which the polymer electrolyte membrane 1 is sandwiched between a pair of electrode catalyst layers 2 and 3. Here, at least one of the electrode catalyst layers 2 and / or 3 is formed on the first electrode catalyst portions 2a and / or 3a and the first electrode catalyst portions 2a and / or 3a in the planar direction of the polymer electrolyte membrane 1. It divides | segments into at least two with the adjacent 2nd electrode catalyst part 2b and / or 3b.

上記の膜電極接合体の製造方法は、第1の触媒インクを塗布して、乾燥させることによって、第1の電極触媒部2a及び3aを形成する工程と、第2の触媒インクを塗布して、乾燥させることによって、第2の電極触媒部2b及び3bを形成する工程とを有する。第1の電極触媒部2a及び3aを形成する工程における第1の触媒インクの塗工速度は、第2の電極触媒部2b及び3bを形成する工程における第2の触媒インクの塗工速度よりも大きい。より詳細には、第1の電極触媒部2a及び3aを形成する工程における第1の触媒インクの乾燥温度と、第2の電極触媒層2及び3を形成する工程における第2の触媒インクの乾燥温度の差が40℃以上である。   In the method for manufacturing the membrane electrode assembly, the first catalyst ink is applied and dried to form the first electrode catalyst portions 2a and 3a, and the second catalyst ink is applied. And forming the second electrode catalyst parts 2b and 3b by drying. The coating speed of the first catalyst ink in the step of forming the first electrode catalyst portions 2a and 3a is higher than the coating speed of the second catalyst ink in the step of forming the second electrode catalyst portions 2b and 3b. large. More specifically, the drying temperature of the first catalyst ink in the step of forming the first electrode catalyst portions 2a and 3a and the drying of the second catalyst ink in the step of forming the second electrode catalyst layers 2 and 3 are described. The temperature difference is 40 ° C. or higher.

また、水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算値で、第1の電極触媒部2a及び3aの直径1.0μm以下の細孔容積と、第2の電極触媒部2b及び3bの直径1.0μm以下の細孔容積との差は、0.1mL/g以上1.0mL/g以下である。こうなるように、触媒インクの乾燥温度を制御する。
また、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池は、上述の膜電極接合体を備える。
In addition, it is a conversion value by cylindrical approximation of the pores obtained by the mercury intrusion method, and the pore volume of the first electrode catalyst portions 2a and 3a having a diameter of 1.0 μm or less and the diameters of the second electrode catalyst portions 2b and 3b. The difference from the pore volume of 1.0 μm or less is 0.1 mL / g or more and 1.0 mL / g or less. In this way, the drying temperature of the catalyst ink is controlled.
The polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment includes the above-described membrane electrode assembly.

本実施形態によれば、水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算での直径1.0μm以下の細孔容積について、ガスの入口側に設ける第1の電極触媒部2a又は3aの細孔容積と比べ、ガスの出口側に設ける第2の電極触媒部2b又は3bの細孔容積のほうが大きくなっている。そのため、電極反応で生成した水の除去等を阻害せずに保水性を高め、低加湿条件下でも高い発電特性を示す電極触媒層を備える膜電極接合体及びそれを効率良く経済的に容易に製造できる製造方法を提供することができる。   According to the present embodiment, the fine volume of the first electrode catalyst portion 2a or 3a provided on the gas inlet side with respect to the pore volume of 1.0 μm or less in diameter converted by the cylindrical approximation of the pores obtained by the mercury intrusion method. Compared with the pore volume, the pore volume of the second electrode catalyst portion 2b or 3b provided on the gas outlet side is larger. Therefore, a membrane electrode assembly including an electrode catalyst layer that enhances water retention without hindering removal of water generated by the electrode reaction and exhibits high power generation characteristics even under low humidification conditions, and it can be efficiently and economically easily A manufacturing method that can be manufactured can be provided.

本実施形態に係る膜電極接合体は、高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟持した膜電極接合体であって、電極触媒層は高分子電解質及び触媒物質を担持した粒子を備える。また、電極触媒層は積層方向とは垂直な方向に、少なくとも2つに分割されており、電極触媒層において、水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算での直径1.0μm以下の細孔容積は、ガスの入口側に設けた第1の電極触媒部の値よりも、ガスの出口側に設けた第2の電極触媒部の値のほうが大きく、その差が0.1mL/g以上1.0mL/g以下であることを特徴とするものである。この第1及び第2の電極触媒部によって、反応ガスの拡散性、電極反応で生成した水の除去等を阻害せずに、電極触媒層の保水性を高めることができる。従来の湿度調整フィルムの適用や、電極触媒層の表面への溝の形成による低加湿化への対応と異なり、界面抵抗の増大による発電特性の低下が見られず、従来の膜電極接合体を備えた固体高分子形燃料電池に比べ、本実施形態に係る膜電極接合体を備えた固体高分子形燃料電池は、低加湿条件下でも高い発電特性を示すという顕著な効果を奏するので、産業上の利用価値が高い。   The membrane electrode assembly according to the present embodiment is a membrane electrode assembly in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode catalyst layers, and the electrode catalyst layer includes particles carrying a polymer electrolyte and a catalyst substance. Further, the electrode catalyst layer is divided into at least two in a direction perpendicular to the stacking direction, and the electrode catalyst layer has a diameter of 1.0 μm or less in terms of a cylindrical approximation of pores obtained by mercury porosimetry. The pore volume is larger in the value of the second electrode catalyst part provided on the gas outlet side than the value of the first electrode catalyst part provided on the gas inlet side, and the difference is 0.1 mL / g. It is characterized by being 1.0 mL / g or less. The first and second electrode catalyst portions can increase the water retention of the electrode catalyst layer without hindering the diffusibility of the reaction gas, the removal of water generated by the electrode reaction, and the like. Unlike the conventional application of humidity control film and the response to low humidity by forming grooves on the surface of the electrode catalyst layer, there is no decrease in power generation characteristics due to an increase in interface resistance. Compared to the provided polymer electrolyte fuel cell, the polymer electrolyte fuel cell provided with the membrane electrode assembly according to the present embodiment has a remarkable effect of exhibiting high power generation characteristics even under low humidification conditions. The above utility value is high.

以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、実際には、上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の変更があっても本発明に含まれる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail, actually, it is not restricted to said embodiment, Even if there is a change of the range which does not deviate from the summary of this invention, it is included in this invention.

1…高分子電解質膜
2…電極触媒層
2a…第1の電極触媒部
2b…第2の電極触媒部
3…電極触媒層
3a…第1の電極触媒部
3b…第2の電極触媒部
4…ガス拡散層
5…ガス拡散層
6…空気極(カソード)
7…燃料極(アノード)
8…ガス流路
9…冷却水流路
10…セパレーター
11…膜電極接合体
12…固体高分子形燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Polymer electrolyte membrane 2 ... Electrode catalyst layer 2a ... 1st electrode catalyst part 2b ... 2nd electrode catalyst part 3 ... Electrode catalyst layer 3a ... 1st electrode catalyst part 3b ... 2nd electrode catalyst part 4 ... Gas diffusion layer 5 ... Gas diffusion layer 6 ... Air electrode (cathode)
7. Fuel electrode (anode)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 8 ... Gas flow path 9 ... Cooling water flow path 10 ... Separator 11 ... Membrane electrode assembly 12 ... Solid polymer fuel cell

Claims (8)

高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟持した膜電極接合体の製造方法であって、
前記一対の電極触媒層のうち少なくとも一方の電極触媒層を形成する工程は、
前記高分子電解質膜の平面方向において、第1の領域に第1の触媒インクを塗布して乾燥させることによって、第1の電極触媒部を形成する工程と、
前記高分子電解質膜の平面方向において、前記第1の領域に隣接する第2の領域に第2の触媒インクを塗布して乾燥させることによって、前記第1の電極触媒部に隣接する第2の電極触媒部を形成する工程と、
を有し、
前記第2の電極触媒部の細孔容積を、前記第1の電極触媒部の細孔容積よりも大きくすることを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
A method for producing a membrane electrode assembly in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode catalyst layers,
The step of forming at least one electrode catalyst layer of the pair of electrode catalyst layers includes:
Forming a first electrode catalyst portion by applying and drying a first catalyst ink on a first region in the planar direction of the polymer electrolyte membrane; and
In the planar direction of the polymer electrolyte membrane, a second catalyst ink is applied to a second region adjacent to the first region and dried to thereby form a second electrode adjacent to the first electrode catalyst part. Forming an electrode catalyst portion;
Have
A method for producing a membrane electrode assembly, wherein the pore volume of the second electrode catalyst part is larger than the pore volume of the first electrode catalyst part.
前記第1の電極触媒部を形成する工程における前記第1の触媒インクの乾燥速度を、前記第2の電極触媒部を形成する工程における前記第2の触媒インクの乾燥速度よりも大きくすることを特徴とする請求項1に記載の膜電極接合体の製造方法。   The drying rate of the first catalyst ink in the step of forming the first electrode catalyst portion is set to be higher than the drying rate of the second catalyst ink in the step of forming the second electrode catalyst portion. The manufacturing method of the membrane electrode assembly of Claim 1 characterized by the above-mentioned. 前記第1の電極触媒部を形成する工程における乾燥温度を、前記第2の電極触媒部を形成する工程における乾燥温度よりも高くすることを特徴とする請求項1又は2に記載の膜電極接合体の製造方法。   The membrane electrode bonding according to claim 1 or 2, wherein a drying temperature in the step of forming the first electrode catalyst portion is higher than a drying temperature in the step of forming the second electrode catalyst portion. Body manufacturing method. 前記第1の電極触媒部を形成する工程における乾燥温度と、前記第2の電極触媒部を形成する工程における乾燥温度との差を40℃以上にすることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の膜電極接合体の製造方法。   The difference between the drying temperature in the step of forming the first electrode catalyst portion and the drying temperature in the step of forming the second electrode catalyst portion is set to 40 ° C or more. The manufacturing method of the membrane electrode assembly as described in any one. 水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算値で、前記第1の電極触媒部の直径1.0μm以下の細孔容積と、前記第2の電極触媒部の直径1.0μm以下の細孔容積との差が、0.1mL/g以上1.0mL/g以下となるように、前記第1及び第2の触媒インクの乾燥速度及び乾燥温度を制御することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の膜電極接合体の製造方法。   It is a conversion value obtained by a cylindrical approximation of the pores determined by the mercury intrusion method, and the pore volume of the first electrode catalyst portion having a diameter of 1.0 μm or less and the second electrode catalyst portion having a diameter of 1.0 μm or less. 2. The drying speed and drying temperature of the first and second catalyst inks are controlled so that the difference from the pore volume is 0.1 mL / g or more and 1.0 mL / g or less. The manufacturing method of the membrane electrode assembly as described in any one of thru | or 4. 高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟持した膜電極接合体であって、
前記一対の電極触媒層のうち少なくとも一方の電極触媒層は、前記高分子電解質膜の平面方向において、第1の電極触媒部と、前記第1の電極触媒部に隣接する第2の電極触媒部と、の少なくとも2つに分割されていることを特徴とする膜電極接合体。
A membrane electrode assembly in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode catalyst layers,
At least one of the pair of electrode catalyst layers includes a first electrode catalyst portion and a second electrode catalyst portion adjacent to the first electrode catalyst portion in the planar direction of the polymer electrolyte membrane. And a membrane electrode assembly, wherein the membrane electrode assembly is divided into at least two.
水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算値で、前記第1の電極触媒部の直径1.0μm以下の細孔容積と、前記第2の電極触媒部の直径1.0μm以下の細孔容積との差が、0.1mL/g以上1.0mL/g以下であること特徴とする請求項6に記載の膜電極接合体。   It is a conversion value obtained by a cylindrical approximation of the pores determined by the mercury intrusion method, and the pore volume of the first electrode catalyst portion having a diameter of 1.0 μm or less and the second electrode catalyst portion having a diameter of 1.0 μm or less. The membrane electrode assembly according to claim 6, wherein the difference from the pore volume is 0.1 mL / g or more and 1.0 mL / g or less. 請求項6又は7に記載の膜電極接合体を備える固体高分子形燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 6.
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