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JP2025112401A - Catalyst layer for membrane electrode assembly, membrane electrode assembly, and method for manufacturing catalyst layer - Google Patents

Catalyst layer for membrane electrode assembly, membrane electrode assembly, and method for manufacturing catalyst layer

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Publication number
JP2025112401A
JP2025112401A JP2024006597A JP2024006597A JP2025112401A JP 2025112401 A JP2025112401 A JP 2025112401A JP 2024006597 A JP2024006597 A JP 2024006597A JP 2024006597 A JP2024006597 A JP 2024006597A JP 2025112401 A JP2025112401 A JP 2025112401A
Authority
JP
Japan
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resin material
catalyst layer
electrode assembly
membrane electrode
catalyst
Prior art date
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Pending
Application number
JP2024006597A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
亜貴 西山
Aki Nishiyama
和彦 杉本
Kazuhiko Sugimoto
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.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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 Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority to JP2024006597A priority Critical patent/JP2025112401A/en
Publication of JP2025112401A publication Critical patent/JP2025112401A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

【課題】触媒層における電気化学反応の効率を向上させること。
【解決手段】本開示の触媒層109は、担体粒子11と、担体粒子11に担持された触媒粒子12と、担体粒子11に接するように配置された導電性繊維13と、プロトン伝導性を有する第1樹脂材料を含み、導電性繊維13の表面の少なくとも一部を覆う第1樹脂層15aと、第1樹脂材料よりも低い親水性を有する第2樹脂材料を含み、第1樹脂層15aの外表面の少なくとも一部を覆う第2樹脂層15bと、を備える。
【選択図】図3

The present invention aims to improve the efficiency of electrochemical reactions in a catalyst layer.
[Solution] The catalyst layer 109 of the present disclosure comprises a carrier particle 11, a catalyst particle 12 supported on the carrier particle 11, conductive fibers 13 arranged in contact with the carrier particle 11, a first resin layer 15a containing a first resin material having proton conductivity and covering at least a portion of the surface of the conductive fibers 13, and a second resin layer 15b containing a second resin material having lower hydrophilicity than the first resin material and covering at least a portion of the outer surface of the first resin layer 15a.
[Selected Figure] Figure 3

Description

本開示は、膜電極接合体用の触媒層、膜電極接合体、及び触媒層の製造方法に関する。 This disclosure relates to a catalyst layer for a membrane electrode assembly, a membrane electrode assembly, and a method for manufacturing a catalyst layer.

燃料電池などの電気化学デバイスには、アノード、電解質膜及びカソードを有する膜電極接合体が用いられる。膜電極接合体のアノード及びカソードは、それぞれ、触媒層を有する。触媒層には、電極触媒として、触媒粒子を担持したカーボン粒子などが用いられる。触媒層において、電極触媒は、イオン伝導性を有する高分子電解質で覆われている。 Electrochemical devices such as fuel cells use a membrane electrode assembly that has an anode, electrolyte membrane, and cathode. The anode and cathode of the membrane electrode assembly each have a catalyst layer. The catalyst layer uses carbon particles carrying catalyst particles as an electrode catalyst. In the catalyst layer, the electrode catalyst is covered with an ion-conductive polymer electrolyte.

特許文献1には、固体高分子形燃料電池用の電極触媒層が記載されている。電極触媒層は、触媒、炭素粒子、高分子電解質及び繊維状物質を備えている。 Patent Document 1 describes an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell. The electrode catalyst layer includes a catalyst, carbon particles, a polymer electrolyte, and a fibrous material.

特開2022-162113号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2022-162113 特開2018-181838号公報JP 2018-181838 A

従来技術においては、触媒層におけるプロトン伝導性と排水性とを両立させて電気化学反応の効率を向上させることが望まれている。 In conventional technology, it is desirable to improve the efficiency of electrochemical reactions by achieving both proton conductivity and drainage in the catalyst layer.

本開示は、
担体粒子と、
前記担体粒子に担持された触媒粒子と、
前記担体粒子に接するように配置された導電性繊維と、
プロトン伝導性を有する第1樹脂材料を含み、前記導電性繊維の表面の少なくとも一部を覆う第1樹脂層と、
前記第1樹脂材料よりも低い親水性を有する第2樹脂材料を含み、前記第1樹脂層の外表面の少なくとも一部を覆う第2樹脂層と、
を備えた、膜電極接合体用の触媒層を提供する。
The present disclosure provides:
Carrier particles;
catalyst particles supported on the support particles;
Conductive fibers arranged in contact with the carrier particles;
a first resin layer containing a first resin material having proton conductivity and covering at least a part of the surface of the conductive fiber;
a second resin layer including a second resin material having a lower hydrophilicity than the first resin material and covering at least a portion of an outer surface of the first resin layer;
The present invention provides a catalyst layer for a membrane electrode assembly, comprising:

別の側面において、本開示は、
膜電極接合体用の触媒層であって、
担体粒子と、
前記担体粒子に担持された触媒粒子と、
前記担体粒子に接するように配置された導電性繊維と、
前記導電性繊維に付着した樹脂材料と、
を備え、
前記樹脂材料は、プロトン伝導性を有する第1樹脂材料と、前記第1樹脂材料よりも低い親水性を有する第2樹脂材料と、を含み、
温度50℃かつ相対湿度100%の条件にて前記触媒層を含む前記膜電極接合体の交流インピーダンス測定を行ったときに測定される前記触媒層のプロトン伝導抵抗が250mΩ/cm2以下である、
膜電極接合体用の触媒層を提供する。
In another aspect, the present disclosure provides a method for manufacturing a semiconductor device comprising:
A catalyst layer for a membrane electrode assembly, comprising:
Carrier particles;
catalyst particles supported on the support particles;
Conductive fibers arranged in contact with the carrier particles;
a resin material attached to the conductive fiber;
Equipped with
the resin material includes a first resin material having proton conductivity and a second resin material having lower hydrophilicity than the first resin material;
the proton conduction resistance of the catalyst layer measured when AC impedance of the membrane electrode assembly including the catalyst layer is measured under conditions of a temperature of 50°C and a relative humidity of 100% is 250 mΩ/ cm2 or less;
A catalyst layer for a membrane electrode assembly is provided.

更に別の側面において、本開示は、
触媒粒子を担持した担体粒子、導電性繊維、プロトン伝導性を有する第1樹脂材料、及び、溶媒を混合して予備溶液を調製することと、
前記第1樹脂材料よりも低い親水性を有する第2樹脂材料を前記予備溶液に分散させて触媒インクを調製することと、
前記触媒インクを基材に塗布して触媒層を形成することと、
を含む、膜電極接合体用の触媒層の製造方法を提供する。
In yet another aspect, the present disclosure provides a method for manufacturing a semiconductor device comprising:
preparing a preliminary solution by mixing carrier particles carrying catalyst particles, conductive fibers, a first resin material having proton conductivity, and a solvent;
preparing a catalyst ink by dispersing a second resin material having a lower hydrophilicity than the first resin material in the preliminary solution;
applying the catalyst ink to a substrate to form a catalyst layer;
The present invention provides a method for producing a catalyst layer for a membrane electrode assembly, comprising:

本開示の技術によれば、触媒層におけるプロトン伝導性と排水性とを両立させて電気化学反応の効率を向上させることができる。 The technology disclosed herein can improve the efficiency of electrochemical reactions by achieving both proton conductivity and drainage in the catalyst layer.

実施の形態1における燃料電池の概略断面図1 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell according to a first embodiment; カソード触媒層の部分拡大断面図Partially enlarged cross-sectional view of the cathode catalyst layer 図2の部分拡大図Partially enlarged view of Figure 2 カソード触媒層の製造方法を示す工程図Process diagram showing the manufacturing method of the cathode catalyst layer 交流インピーダンス測定によって得られた複素インピーダンスプロットからプロトン伝導抵抗を算出する方法を説明する図FIG. 1 is a diagram illustrating a method for calculating proton conduction resistance from a complex impedance plot obtained by AC impedance measurement.

(本開示の基礎となった知見等)
本発明者らが本開示に想到するに至った当時、カーボンナノファイバーなどの繊維状物質を含む触媒層が知られていた(特許文献1)。繊維状物質は、細孔の形成を促し、排水性及びガス拡散性を向上させると考えられていた。ただし、従来の触媒層には、スルホン酸基を有する高分子電解質が使用されており、親水性が高いという特徴がある。そのため、運転時に生成する水及び加湿ガスから生成する水が触媒層の細孔内に滞留しやすい。細孔内に水が滞留するとガスの拡散が阻害される。その結果、電気化学デバイスの性能が低下する。この現象は、しばしば、フラッディングと呼ばれる。
(Findings that formed the basis of this disclosure)
At the time the present inventors conceived the present disclosure, catalyst layers containing fibrous materials such as carbon nanofibers were known (see Patent Document 1). It was believed that fibrous materials promote pore formation and improve drainage and gas diffusion. However, conventional catalyst layers use polymer electrolytes containing sulfonic acid groups, which are characterized by high hydrophilicity. Therefore, water generated during operation and water generated from humidified gases tend to accumulate in the pores of the catalyst layer. Water accumulation in the pores inhibits gas diffusion, resulting in a decrease in the performance of the electrochemical device. This phenomenon is often referred to as flooding.

そうした状況において、本発明者らは、プロトン伝導性と排水性とを両立させうる触媒層の構成について検討した。鋭意検討の結果、本開示の触媒層を完成させるに至った。 In light of this situation, the inventors investigated the configuration of a catalyst layer that could achieve both proton conductivity and drainage properties. As a result of their intensive investigations, they have completed the catalyst layer disclosed herein.

以下、図面を参照しながら実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、又は、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。 Embodiments will be described in detail below with reference to the drawings. However, more detailed explanations than necessary may be omitted. For example, detailed explanations of matters that are already well known or redundant explanations of substantially identical configurations may be omitted.

添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。 The accompanying drawings and the following description are provided to enable those skilled in the art to fully understand the present disclosure, and are not intended to limit the subject matter described in the claims.

(実施の形態1)
以下、図1から図4を用いて、実施の形態1を説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 4. FIG.

[1-1.構成]
図1は、実施の形態1における燃料電池101の概略断面図である。燃料電池101は、膜電極接合体113、アノードセパレータ106及びカソードセパレータ111を備えている。アノードセパレータ106とカソードセパレータ111との間に膜電極接合体113が配置されている。燃料電池101は、例えば、固体高分子形燃料電池である。
[1-1. Configuration]
1 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell 101 according to Embodiment 1. The fuel cell 101 includes a membrane electrode assembly 113, an anode separator 106, and a cathode separator 111. The membrane electrode assembly 113 is disposed between the anode separator 106 and the cathode separator 111. The fuel cell 101 is, for example, a polymer electrolyte fuel cell.

膜電極接合体113は、水素の精製を行う水素精製デバイスなどの他の電気化学デバイスにも使用されうる。 The membrane electrode assembly 113 can also be used in other electrochemical devices, such as a hydrogen purification device that purifies hydrogen.

膜電極接合体113は、アノード103、電解質膜102及びカソード108を有する。電解質膜102の一方の面にアノード103が接合されている。電解質膜102の他方の面にカソード108が接合されている。 The membrane electrode assembly 113 has an anode 103, an electrolyte membrane 102, and a cathode 108. The anode 103 is bonded to one surface of the electrolyte membrane 102. The cathode 108 is bonded to the other surface of the electrolyte membrane 102.

電解質膜102は、アノード103とカソード108との間に配置されている。電解質膜102は、プロトン伝導性を有する高分子材料で作られている。電解質膜102は、例えば、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子材料、又は、炭化水素系の高分子材料でできた膜である。 The electrolyte membrane 102 is disposed between the anode 103 and the cathode 108. The electrolyte membrane 102 is made of a polymer material with proton conductivity. For example, the electrolyte membrane 102 is a membrane made of a perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer material with sulfonic acid groups, or a hydrocarbon-based polymer material.

アノード103は、アノード触媒層104及びアノードガス拡散層105を有する。電解質膜102とアノードガス拡散層105との間にアノード触媒層104が配置されている。カソード108は、カソード触媒層109及びカソードガス拡散層110を有する。電解質膜102とカソードガス拡散層110との間にカソード触媒層109が配置されている。 The anode 103 has an anode catalyst layer 104 and an anode gas diffusion layer 105. The anode catalyst layer 104 is disposed between the electrolyte membrane 102 and the anode gas diffusion layer 105. The cathode 108 has a cathode catalyst layer 109 and a cathode gas diffusion layer 110. The cathode catalyst layer 109 is disposed between the electrolyte membrane 102 and the cathode gas diffusion layer 110.

アノード触媒層104は、水素分子をプロトンに解離する電気化学反応を促進する機能を有する。アノード触媒層104は、電極触媒及び高分子電解質を有する。アノード触媒層104は、触媒粒子を担持したカーボン粒子及び高分子電解質を有していてもよい。 The anode catalyst layer 104 functions to promote the electrochemical reaction that dissociates hydrogen molecules into protons. The anode catalyst layer 104 includes an electrode catalyst and a polymer electrolyte. The anode catalyst layer 104 may also include carbon particles carrying catalyst particles and a polymer electrolyte.

アノードガス拡散層105は、アノード触媒層104に水素含有ガスを供給する機能、及び、アノード触媒層104から電子を受け取る機能を有する。アノードガス拡散層105は、ガス透過性及び導電性を有する材料によって構成されている。アノードガス拡散層105は、主たる材料として、例えば、導電性を有する多孔質体を有する。多孔質体としては、カーボンペーパーなどの炭素繊維集合体が挙げられる。 The anode gas diffusion layer 105 has the function of supplying hydrogen-containing gas to the anode catalyst layer 104 and the function of receiving electrons from the anode catalyst layer 104. The anode gas diffusion layer 105 is made of a gas-permeable and electrically conductive material. The anode gas diffusion layer 105 has, as its main material, for example, a conductive porous body. Examples of porous bodies include carbon fiber aggregates such as carbon paper.

カソード触媒層109は、プロトンと酸素とから水を生成する電気化学反応を促進する機能を有する。カソード触媒層109の詳細な構造は後述する。 The cathode catalyst layer 109 functions to promote the electrochemical reaction that produces water from protons and oxygen. The detailed structure of the cathode catalyst layer 109 will be described later.

カソードガス拡散層110は、カソード触媒層109に酸化剤ガスを供給する機能、及び、カソード触媒層109に電子を受け渡す機能を有する。カソードガス拡散層110は、ガス透過性及び導電性を有する材料によって構成されている。カソードガス拡散層110は、主たる材料として、例えば、導電性を有する多孔質体を含む。多孔質体としては、カーボンペーパーなどの炭素繊維集合体が挙げられる。 The cathode gas diffusion layer 110 has the function of supplying oxidant gas to the cathode catalyst layer 109 and the function of transferring electrons to the cathode catalyst layer 109. The cathode gas diffusion layer 110 is made of a gas-permeable and electrically conductive material. The cathode gas diffusion layer 110 primarily contains, for example, an electrically conductive porous body. Examples of the porous body include a carbon fiber aggregate such as carbon paper.

アノードセパレータ106には、アノードガスの流路であるアノードガス流路107が設けられている。カソードセパレータ111には、カソードガスの流路であるカソードガス流路112が設けられている。アノードセパレータ106及びカソードセパレータ111は、それぞれ、カーボン、金属などの導電性材料で作られている。腐食を防止するために、樹脂、めっきなどの耐食性を有する被膜が設けられていてもよい。 The anode separator 106 is provided with an anode gas flow path 107, which is a flow path for anode gas. The cathode separator 111 is provided with a cathode gas flow path 112, which is a flow path for cathode gas. The anode separator 106 and the cathode separator 111 are each made of a conductive material such as carbon or metal. To prevent corrosion, they may be provided with a corrosion-resistant coating such as resin or plating.

図2は、カソード触媒層109の部分拡大断面図である。カソード触媒層109は、電極触媒10、導電性繊維13及び樹脂材料15を備えている。電極触媒10、導電性繊維13及び樹脂材料15が相互に接している。電極触媒10と電極触媒10との間、電極触媒10と導電性繊維13との間、及び/又は、導電性繊維13と導電性繊維13との間には、細孔14が存在する。樹脂材料15は、アイオノマーと呼ばれることもある。 Figure 2 is a partially enlarged cross-sectional view of the cathode catalyst layer 109. The cathode catalyst layer 109 comprises an electrode catalyst 10, conductive fibers 13, and a resin material 15. The electrode catalyst 10, conductive fibers 13, and resin material 15 are in contact with each other. Pores 14 exist between the electrode catalysts 10, between the electrode catalysts 10 and the conductive fibers 13, and/or between the conductive fibers 13. The resin material 15 is sometimes called an ionomer.

電極触媒10は、粒子の形状を有する。電極触媒10の粒子は、担体粒子11及び複数の触媒粒子12を有する。複数の触媒粒子12が担体粒子11に担持されている。 The electrode catalyst 10 has a particle shape. The particles of the electrode catalyst 10 include a support particle 11 and a plurality of catalyst particles 12. The plurality of catalyst particles 12 are supported on the support particle 11.

担体粒子11は導電性を有する。担体粒子11は、例えば、中実又は多孔質のカーボン粒子である。中実のカーボン粒子としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックの粒子が挙げられる。中実のカーボン粒子の場合、その表面に触媒粒子12が担持される。多孔質のカーボン粒子としては、メソポーラスカーボン粒子が挙げられる。多孔質のカーボン粒子の場合、細孔(メソ孔)の内部に触媒粒子12が配置される。メソポーラスカーボン粒子の細孔の内部に触媒粒子12を配置することによって、樹脂材料15による触媒粒子12の被毒を抑制することができる。 The support particles 11 are electrically conductive. The support particles 11 are, for example, solid or porous carbon particles. Examples of solid carbon particles include carbon black particles such as ketjen black and acetylene black. In the case of solid carbon particles, catalyst particles 12 are supported on their surfaces. Examples of porous carbon particles include mesoporous carbon particles. In the case of porous carbon particles, catalyst particles 12 are disposed inside the pores (mesopores). By disposing the catalyst particles 12 inside the pores of the mesoporous carbon particles, poisoning of the catalyst particles 12 by the resin material 15 can be suppressed.

担体粒子11が中実のカーボン粒子である場合、その平均粒径は、例えば20nmから40nmである。担体粒子11がメソポーラスカーボン粒子である場合、その平均粒径は、例えば0.6μmから2.0μmである。 When the carrier particles 11 are solid carbon particles, their average particle size is, for example, 20 nm to 40 nm. When the carrier particles 11 are mesoporous carbon particles, their average particle size is, for example, 0.6 μm to 2.0 μm.

担体粒子11の平均粒径は、複数(例えば、20個以上)の担体粒子11の直径の平均値である。担体粒子11の直径は、走査型電子顕微鏡又は透過型電子顕微鏡(SEM又はTEM)を用いて測定されうる。担体粒子11のSEM像又はTEM像において、担体粒子11の面積を画像処理によって求める。求めた面積と等しい面積を有する円の直径を担体粒子11の直径とみなすことができる。 The average particle size of the carrier particles 11 is the average value of the diameters of multiple (e.g., 20 or more) carrier particles 11. The diameter of the carrier particles 11 can be measured using a scanning electron microscope or a transmission electron microscope (SEM or TEM). In an SEM image or TEM image of the carrier particles 11, the area of the carrier particles 11 is determined by image processing. The diameter of a circle having an area equal to the determined area can be considered to be the diameter of the carrier particle 11.

担体粒子11がメソポーラスカーボン粒子を含む場合、本開示の技術が特に有効である。メソポーラスカーボン粒子は、中実のカーボン粒子に比べて大きい寸法を有する傾向にある。そのため、担体粒子11としてメソポーラスカーボン粒子を使用すると、カソード触媒層109の厚さが増加する傾向にある。カソード触媒層109の厚さが増加すると、カソード触媒層109におけるガス拡散性が低下する。メソポーラスカーボン粒子の使用によるガス拡散性の低下を本開示の技術によって補うことができる。 The technology of the present disclosure is particularly effective when the support particles 11 include mesoporous carbon particles. Mesoporous carbon particles tend to have larger dimensions than solid carbon particles. Therefore, using mesoporous carbon particles as the support particles 11 tends to increase the thickness of the cathode catalyst layer 109. As the thickness of the cathode catalyst layer 109 increases, the gas diffusion properties of the cathode catalyst layer 109 decrease. The technology of the present disclosure can compensate for the decrease in gas diffusion properties caused by the use of mesoporous carbon particles.

触媒粒子12は、白金、白金合金などの貴金属を含む粒子でありうる。白金合金としては、白金と、コバルト、ニッケル、ルテニウム及びパラジウムからなる群より選ばれる少なくとも1種との合金が挙げられる。 The catalyst particles 12 may be particles containing a precious metal such as platinum or a platinum alloy. Examples of platinum alloys include alloys of platinum with at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, ruthenium, and palladium.

触媒粒子12は、ナノ粒子であってもよい。触媒粒子12は、例えば、1nm以上30nm以下の平均粒径を有する。 The catalyst particles 12 may be nanoparticles. The catalyst particles 12 have an average particle size of, for example, 1 nm or more and 30 nm or less.

触媒粒子12の平均粒径は、複数(例えば、100個以上)の触媒粒子12の直径の平均値である。触媒粒子12の直径は、透過型電子顕微鏡を用いて測定されうる。電極触媒10のTEM像において、触媒粒子12の面積を画像処理によって求める。求めた面積と等しい面積を有する円の直径を触媒粒子12の直径とみなすことができる。 The average particle size of the catalyst particles 12 is the average value of the diameters of multiple (e.g., 100 or more) catalyst particles 12. The diameter of the catalyst particles 12 can be measured using a transmission electron microscope. In a TEM image of the electrode catalyst 10, the area of the catalyst particles 12 is determined by image processing. The diameter of a circle having an area equal to the determined area can be considered to be the diameter of the catalyst particle 12.

導電性繊維13は、細孔14の形成を促し、カソード触媒層109における排水性及びガス拡散性を高める。カソード触媒層109において、導電性繊維13は、電極触媒10の担体粒子11に接するように配置されている。電極触媒10の粒子同士が導電性繊維13によって接続される。これにより、カソード触媒層109における電子伝導が促進される。導電性繊維13には樹脂材料15が付着している。樹脂材料15が付着した導電性繊維13によってカソード触媒層109におけるプロトン伝導が促進される。 The conductive fibers 13 promote the formation of pores 14, improving drainage and gas diffusion in the cathode catalyst layer 109. In the cathode catalyst layer 109, the conductive fibers 13 are arranged so as to be in contact with the support particles 11 of the electrode catalyst 10. The particles of the electrode catalyst 10 are connected to each other by the conductive fibers 13. This promotes electron conduction in the cathode catalyst layer 109. A resin material 15 is attached to the conductive fibers 13. The conductive fibers 13 with the resin material 15 attached promote proton conduction in the cathode catalyst layer 109.

導電性繊維13は、例えば、炭素繊維である。炭素繊維としては、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、気相成長炭素繊維などが挙げられる。 The conductive fibers 13 are, for example, carbon fibers. Examples of carbon fibers include carbon nanotubes, carbon nanofibers, and vapor-grown carbon fibers.

導電性繊維13の平均長さは、例えば、2μm以上10μm以下である。導電性繊維13の平均繊維直径は、例えば、0.15nm以上0.30nm以下である。 The average length of the conductive fibers 13 is, for example, 2 μm or more and 10 μm or less. The average fiber diameter of the conductive fibers 13 is, for example, 0.15 nm or more and 0.30 nm or less.

導電性繊維13の平均長さは、例えば、次の方法によって測定することができる。カソード触媒層109を水-エタノール混合物のような溶媒に分散させて分散液を調製し、分散液をガラス板などの基板上に薄く塗布して塗布膜を形成する。塗布膜を乾燥させた後、SEM又はTEMを用い、塗布膜を1又は複数の視野で観察する。SEM像又はTEM像から複数の導電性繊維13の長さを測定する。例えば、長い方から数えて20個以上の測定値の平均値を導電性繊維13の平均長さとみなすことができる。平均繊維直径も同じ方法で求めることができる。導電性繊維13の平均長さは、電子顕微鏡によるカソード触媒層109の直接観察によって測定されてもよい。 The average length of the conductive fibers 13 can be measured, for example, by the following method. The cathode catalyst layer 109 is dispersed in a solvent such as a water-ethanol mixture to prepare a dispersion, and the dispersion is then thinly applied to a substrate such as a glass plate to form a coating film. After the coating film is dried, the coating film is observed in one or more fields of view using an SEM or TEM. The lengths of multiple conductive fibers 13 are measured from the SEM or TEM image. For example, the average value of the measurements of 20 or more longest fibers can be considered to be the average length of the conductive fibers 13. The average fiber diameter can also be determined in the same way. The average length of the conductive fibers 13 may also be measured by directly observing the cathode catalyst layer 109 using an electron microscope.

本実施の形態において、導電性繊維13は、触媒粒子12を担持していない材料でありうる。このような構成によれば、樹脂材料15によって触媒粒子12が被毒されることを回避できる。ただし、電極触媒10から脱落した触媒粒子12が導電性繊維13に付着していてもよい。つまり、「導電性繊維13が触媒粒子12を担持していない」とは、導電性繊維13に触媒粒子12を担持させるための処理が行われていないことを意味する。 In this embodiment, the conductive fibers 13 may be made of a material that does not support catalyst particles 12. This configuration prevents the catalyst particles 12 from being poisoned by the resin material 15. However, catalyst particles 12 that have fallen off the electrode catalyst 10 may be attached to the conductive fibers 13. In other words, "the conductive fibers 13 do not support catalyst particles 12" means that no treatment has been performed to support the catalyst particles 12 on the conductive fibers 13.

樹脂材料15は、プロトン伝導性を有する電解質を含み、電極触媒10を互いにプロトン伝導可能な状態に連結している。樹脂材料15は、担体粒子11及び導電性繊維13のそれぞれに付着している。担体粒子11の表面の一部のみが樹脂材料15によって被覆されていてもよく、担体粒子11の表面の全部が樹脂材料15によって被覆されていてもよい。導電性繊維13の表面の一部のみが樹脂材料15によって被覆されていてもよく、導電性繊維13の表面の全部が樹脂材料15によって被覆されていてもよい。 The resin material 15 contains a proton-conductive electrolyte and connects the electrode catalysts 10 together in a proton-conductive state. The resin material 15 is attached to both the carrier particles 11 and the conductive fibers 13. Only a portion of the surface of the carrier particles 11 may be coated with the resin material 15, or the entire surface of the carrier particles 11 may be coated with the resin material 15. Only a portion of the surface of the conductive fibers 13 may be coated with the resin material 15, or the entire surface of the conductive fibers 13 may be coated with the resin material 15.

本実施の形態において、樹脂材料15は、プロトン伝導性を有する第1樹脂材料と、第1樹脂材料よりも低い親水性を有する第2樹脂材料とを含む。温度50℃かつ相対湿度100%の条件にてカソード触媒層109を含む膜電極接合体113の交流インピーダンス測定を行ったときに測定されるプロトン伝導抵抗が250mΩ/cm2以下である。このような構成によれば、カソード触媒層109におけるプロトン伝導性と排水性とを両立させることができる。その結果、フラッディングを抑制してカソード触媒層109における電気化学反応の効率を向上させることができ、ひいては燃料電池101の効率を向上させることができる。 In this embodiment, the resin material 15 includes a first resin material having proton conductivity and a second resin material having lower hydrophilicity than the first resin material. When AC impedance measurement is performed on the membrane electrode assembly 113 including the cathode catalyst layer 109 under conditions of a temperature of 50°C and a relative humidity of 100%, the proton conduction resistance measured is 250 mΩ/ cm² or less. This configuration makes it possible to achieve both proton conductivity and drainage properties in the cathode catalyst layer 109. As a result, flooding can be suppressed, improving the efficiency of the electrochemical reaction in the cathode catalyst layer 109 and ultimately improving the efficiency of the fuel cell 101.

本発明者らの知見によれば、様々な組成でカソード触媒層を作製したとき、所望の性能を発揮しうるプロトン伝導抵抗はいずれも220mΩ/cm2以下であった。そのため、プロトン伝導抵抗が250mΩ/cm2以下である場合、燃料電池が所望の性能を発揮しうると言える。 According to the findings of the present inventors, when cathode catalyst layers were prepared with various compositions, the proton conduction resistance capable of exhibiting the desired performance was 220 mΩ/cm 2 or less. Therefore, it can be said that a fuel cell can exhibit the desired performance when the proton conduction resistance is 250 mΩ/cm 2 or less.

プロトン伝導抵抗の下限値は特に限定されない。プロトン伝導抵抗は、100mΩ/cm2以上であってもよい。 The lower limit of the proton conduction resistance is not particularly limited, and the proton conduction resistance may be 100 mΩ/cm 2 or more.

プロトン伝導抵抗は、アノード触媒層104及びカソード触媒層109の全体について測定されるプロトン伝導抵抗である。プロトン伝導抵抗は、以下の方法によって測定することができる。測定対象である単一の膜電極接合体113を含む燃料電池101を準備する。適切な流量でアノード103に相対湿度100%の水素ガスを供給する。適切な流量でカソード108に相対湿度100%の窒素ガスを供給する。アノード103及びカソード108の温度が50℃となるように周囲温度を調節する。水素ガス及び窒素ガスの流量は、膜電極接合体113の面内における水分量及びガスリーク量のばらつきが十分に抑制されるように調節される。アノード103及びカソード108の雰囲気を安定させた後、インピーダンスアナライザーを電力取り出し端子に接続し、交流インピーダンス測定を行う。測定は、例えば、設定電圧0.2V、振幅0.01V、周波数域0.1Hzから10kHzの条件で行う。これにより、複素インピーダンスプロットを得る。 The proton conduction resistance is measured for the entire anode catalyst layer 104 and cathode catalyst layer 109. The proton conduction resistance can be measured by the following method. A fuel cell 101 is prepared, including a single membrane electrode assembly 113 to be measured. Hydrogen gas with a relative humidity of 100% is supplied to the anode 103 at an appropriate flow rate. Nitrogen gas with a relative humidity of 100% is supplied to the cathode 108 at an appropriate flow rate. The ambient temperature is adjusted so that the temperatures of the anode 103 and cathode 108 are 50°C. The flow rates of the hydrogen gas and nitrogen gas are adjusted so that variations in the moisture content and gas leakage rate within the membrane electrode assembly 113 are sufficiently suppressed. After stabilizing the atmosphere around the anode 103 and cathode 108, an impedance analyzer is connected to the power output terminals, and AC impedance measurements are performed. Measurements are performed, for example, at a set voltage of 0.2 V, an amplitude of 0.01 V, and a frequency range of 0.1 Hz to 10 kHz. This gives a complex impedance plot.

図5は、交流インピーダンス測定によって得られた複素インピーダンスプロットからプロトン伝導抵抗を算出する方法を説明する図である。複素インピーダンスプロットにおいて、高周波数側の直線部分を実軸に外挿するための直線Aを引く。直線Aと実軸との交点の値を電解質膜のプロトン伝導抵抗Rpemとみなす。次に、低周波数側の直線部分を実軸に外挿するための直線Bを引く。直線Aと直線Bとの交点Cに対応する実軸の値Rを特定する。値Rと電解質膜のプロトン伝導抵抗Rpemとの差(R-Rpem)を求める。アノード触媒層104及びカソード触媒層109の全体のプロトン伝導抵抗Rclは、(R-Rpem)=Rcl/3の式から算出されうる。 FIG. 5 is a diagram illustrating a method for calculating the proton conduction resistance from a complex impedance plot obtained by AC impedance measurement. In the complex impedance plot, a line A is drawn to extrapolate the linear portion on the high frequency side onto the real axis. The value at the intersection of line A and the real axis is regarded as the proton conduction resistance R pem of the electrolyte membrane. Next, a line B is drawn to extrapolate the linear portion on the low frequency side onto the real axis. The value R on the real axis corresponding to the intersection C of line A and line B is identified. The difference (R - R pem ) between the value R and the proton conduction resistance R pem of the electrolyte membrane is calculated. The overall proton conduction resistance R cl of the anode catalyst layer 104 and the cathode catalyst layer 109 can be calculated using the formula (R - R pem ) = R cl /3.

図3は、図2の部分拡大図である。図3に示すように、樹脂材料15は、導電性繊維13の表面において複数(2つ)の層15a及び15bを形成している。複数の層15a及び15bは、第1樹脂層15a及び第2樹脂層15bを含む。第1樹脂層15aは、プロトン伝導性を有する第1樹脂材料を含む層であり、導電性繊維13の表面の少なくとも一部を覆っている。導電性繊維13の表面の全部が第1樹脂層15aによって覆われていてもよい。第2樹脂層15bは、第1樹脂層15aに含まれた第1樹脂材料よりも低い親水性を有する第2樹脂材料を含む層である。第2樹脂層15bは、第1樹脂層15aの外表面の少なくとも一部を覆っている。第1樹脂層15aの外表面の全部が第2樹脂層15bによって覆われていてもよい。 Figure 3 is a partially enlarged view of Figure 2. As shown in Figure 3, the resin material 15 forms multiple (two) layers 15a and 15b on the surface of the conductive fiber 13. The multiple layers 15a and 15b include a first resin layer 15a and a second resin layer 15b. The first resin layer 15a is a layer containing a first resin material with proton conductivity and covers at least a portion of the surface of the conductive fiber 13. The entire surface of the conductive fiber 13 may be covered by the first resin layer 15a. The second resin layer 15b is a layer containing a second resin material that has lower hydrophilicity than the first resin material contained in the first resin layer 15a. The second resin layer 15b covers at least a portion of the outer surface of the first resin layer 15a. The entire outer surface of the first resin layer 15a may be covered by the second resin layer 15b.

上記のような構成によれば、第1樹脂層15aによって導電性繊維13にプロトン伝導性が付与され、第2樹脂層15bによって導電性繊維13に排水性が付与される。そのため、プロトン伝導性を維持しながら細孔14の排水性を高めることができる。つまり、カソード触媒層109におけるプロトン伝導性と排水性とを両立させることができる。その結果、フラッディングを抑制してカソード触媒層109における電気化学反応の効率を向上させることができ、ひいては燃料電池101の効率を向上させることができる。 With the above-described configuration, the first resin layer 15a imparts proton conductivity to the conductive fibers 13, and the second resin layer 15b imparts drainage properties to the conductive fibers 13. This makes it possible to improve the drainage properties of the pores 14 while maintaining proton conductivity. In other words, it is possible to achieve both proton conductivity and drainage properties in the cathode catalyst layer 109. As a result, flooding can be suppressed, improving the efficiency of the electrochemical reaction in the cathode catalyst layer 109, and ultimately improving the efficiency of the fuel cell 101.

第1樹脂層15aは、プロトン伝導を担うプロトン伝導層でありうる、第1樹脂層15aは、第1樹脂材料からなる層であってもよい。つまり、第1樹脂層15aは、不可避不純物を除き、第1樹脂材料のみを含んでいてもよい。 The first resin layer 15a may be a proton-conducting layer responsible for proton conduction. The first resin layer 15a may be a layer made of the first resin material. In other words, the first resin layer 15a may contain only the first resin material, excluding inevitable impurities.

第1樹脂材料は、高分子電解質を含んでいてもよく、高分子電解質そのものであってもうよい。このような構成によれば、導電性繊維13に高いプロトン伝導性を付与することができる。 The first resin material may contain a polymer electrolyte, or may be a polymer electrolyte itself. This configuration can impart high proton conductivity to the conductive fibers 13.

第1樹脂材料としては、スルホン酸基、リン酸基、カルボキシ基などのプロトン伝導性基を持つ高分子材料が挙げられる。第1樹脂材料としては、詳細には、パーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子材料、炭化水素系の高分子材料などが挙げられる。 Examples of the first resin material include polymer materials having proton-conducting groups such as sulfonic acid groups, phosphate groups, and carboxy groups. Specific examples of the first resin material include perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer materials and hydrocarbon-based polymer materials.

スルホン酸基を有する高分子材料としては、下記式(1)で表される高分子材料が挙げられる。式(1)において、m及びxは、それぞれ独立して、正の整数を表す。 Examples of polymeric materials having sulfonic acid groups include polymeric materials represented by the following formula (1). In formula (1), m and x each independently represent a positive integer.

第2樹脂層15bは、細孔14の排水性を高めるための疎水層でありうる。第2樹脂層15bは、第2樹脂材料からなる層であってもよい。つまり、第2樹脂層15bは、不可避不純物を除き、第2樹脂材料のみを含んでいてもよい。 The second resin layer 15b may be a hydrophobic layer that improves the drainage properties of the pores 14. The second resin layer 15b may be a layer made of the second resin material. In other words, the second resin layer 15b may contain only the second resin material, excluding inevitable impurities.

第2樹脂材料は、プロトン伝導性の官能基を持たない高分子材料を含んでいてもよく、そのような高分子材料そのものであってもよい。このような構成によれば、細孔14が高い疎水性を有することができる。そのため、カソード触媒層109の排水性を更に高めることができる。ここで、プロトン伝導性の官能基は、スルホン酸基、リン酸基、カルボキシ基、アミノ基などを意味する。 The second resin material may contain a polymer material that does not have proton-conductive functional groups, or may be such a polymer material itself. This configuration allows the pores 14 to have high hydrophobicity, further improving the drainage properties of the cathode catalyst layer 109. Here, proton-conductive functional groups refer to sulfonic acid groups, phosphate groups, carboxy groups, amino groups, etc.

第2樹脂材料としては、フッ素樹脂が挙げられる。フッ素樹脂は、プロトン伝導性の官能基を有さない樹脂であることが望ましい。詳細には、第2樹脂材料としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、パーフルオロアルコキシアルカン(PFA)などが挙げられる。これらから選ばれる1種又は2種以上の混合物を第2樹脂材料として用いることができる。 An example of the second resin material is a fluororesin. It is preferable that the fluororesin is a resin that does not have a proton-conducting functional group. Specifically, examples of the second resin material include polytetrafluoroethylene (PTFE) and perfluoroalkoxyalkane (PFA). One or a mixture of two or more selected from these can be used as the second resin material.

本実施の形態において、樹脂材料の親水性及び疎水性の度合いは、樹脂材料の等価質量(EW:equivalent weight)で判断されうる。等価質量は、樹脂材料のイオン交換基の量を示す値であって、1モルのプロトン伝導性基を含む乾燥状態の樹脂材料のグラム数を表す(単位:g/mol)。等価質量が大きければ大きいほど、樹脂材料の親水性は低い。等価質量が小さければ小さいほど、樹脂材料の親水性は高い。等価質量は、1H-NMR測定によって特定されうる。カソード触媒層109に第1樹脂材料及び第2樹脂材料が含まれていることは、1H-NMR測定によって調べることができる。 In this embodiment, the degree of hydrophilicity and hydrophobicity of a resin material can be determined by the equivalent weight (EW) of the resin material. The equivalent weight is a value indicating the amount of ion exchange groups in the resin material, and represents the number of grams of dry resin material containing 1 mole of proton-conducting groups (unit: g/mol). The larger the equivalent weight, the lower the hydrophilicity of the resin material. The smaller the equivalent weight, the higher the hydrophilicity of the resin material. The equivalent weight can be determined by 1 H-NMR measurement. The presence of the first resin material and the second resin material in the cathode catalyst layer 109 can be determined by 1 H-NMR measurement.

第1樹脂材料の等価質量は、第2樹脂材料の等価質量よりも小さくてもよい。このような構成によれば、このような構成によれば、プロトン伝導性を維持しながら、細孔14に高い疎水性を付与することができる。そのため、カソード触媒層109の排水性を更に高めることができる。 The equivalent mass of the first resin material may be smaller than the equivalent mass of the second resin material. This configuration allows the pores 14 to be highly hydrophobic while maintaining proton conductivity. This further improves the drainage properties of the cathode catalyst layer 109.

第1樹脂材料は、例えば、500g/mol以上1100g/mol以下の等価質量を有する高分子材料を含んでいてもよい。このような構成によれば、導電性繊維13に高いプロトン伝導性を付与することができる。 The first resin material may contain, for example, a polymer material having an equivalent mass of 500 g/mol or more and 1100 g/mol or less. This configuration can impart high proton conductivity to the conductive fibers 13.

第2樹脂材料は、例えば、1200g/mol以上2000g/mol以下の等価質量を有する高分子材料を含んでいてもよい。このような構成によれば、細孔14に高い疎水性を付与することができる。そのため、カソード触媒層109の排水性を更に高めることができる。 The second resin material may contain, for example, a polymer material with an equivalent mass of 1200 g/mol or more and 2000 g/mol or less. This configuration can impart high hydrophobicity to the pores 14. This can further improve the drainage properties of the cathode catalyst layer 109.

第2樹脂材料で作られた薄膜の水に対する接触角θ2は、第1樹脂材料で作られた薄膜の水に対する接触角θ1よりも20度以上大きくてもよい。このような構成によれば、導電性繊維13にプロトン伝導性と排水性とが付与されうる。接触角θ2と接触角θ1との差(θ2-θ1)の上限は特に限定されず、例えば、120度である。接触角(静的接触角)は、日本産業規格(JIS)R3257:1999の規定に従って測定することができる。 The contact angle θ2 of the thin film made of the second resin material with water may be at least 20 degrees greater than the contact angle θ1 of the thin film made of the first resin material with water. This configuration can impart proton conductivity and drainage properties to the conductive fiber 13. There is no particular upper limit to the difference between the contact angle θ2 and the contact angle θ1 (θ2 - θ1), and it can be, for example, 120 degrees. The contact angle (static contact angle) can be measured in accordance with the provisions of Japanese Industrial Standards (JIS) R3257:1999.

本実施の形態において、担体粒子11及び導電性繊維13の合計質量に対する、第1樹脂材料及び第2樹脂材料の合計質量の比率は、例えば、0.80以上1.50以下の範囲にある。このような構成によれば、導電性繊維13の表面に均一に樹脂材料15を付着させることができる。そのため、カソード触媒層109の内部でプロトン伝導経路が途切れにくい。その結果、高いプロトン伝導性を有するカソード触媒層109が得られる。 In this embodiment, the ratio of the total mass of the first resin material and the second resin material to the total mass of the carrier particles 11 and the conductive fibers 13 is, for example, in the range of 0.80 to 1.50. With this configuration, the resin material 15 can be uniformly adhered to the surface of the conductive fibers 13. As a result, the proton conduction pathway within the cathode catalyst layer 109 is less likely to be interrupted. As a result, a cathode catalyst layer 109 with high proton conductivity is obtained.

導電性繊維13の平均長さは、担体粒子11の平均粒径よりも大きくてもよい。このような構成によれば、導電性繊維13によって接続された電極触媒10の粒子間に細孔14が形成されやすい。 The average length of the conductive fibers 13 may be greater than the average particle size of the support particles 11. With this configuration, pores 14 are more likely to form between the particles of the electrode catalyst 10 connected by the conductive fibers 13.

カソード触媒層109において、担体粒子11、触媒粒子12及び導電性繊維の合計質量に対する導電性繊維13の質量の比率は、例えば、0.20以上0.50以下の範囲にある。このような構成によれば、カソード触媒層109におけるプロトン伝導性と排水性を向上させることができる。なお、導電性繊維13は、遠心分離によって電極触媒10と分離可能である。 In the cathode catalyst layer 109, the ratio of the mass of the conductive fibers 13 to the total mass of the support particles 11, catalyst particles 12, and conductive fibers is, for example, in the range of 0.20 to 0.50. This configuration improves the proton conductivity and drainage performance of the cathode catalyst layer 109. The conductive fibers 13 can be separated from the electrode catalyst 10 by centrifugation.

図4は、カソード触媒層109の製造方法を示す工程図である。 Figure 4 is a process diagram showing the manufacturing method of the cathode catalyst layer 109.

ステップS1において、触媒粒子12を担持した担体粒子11、導電性繊維13、プロトン伝導性を有する第1樹脂材料、及び、溶媒を混合して予備溶液を調製する。触媒粒子12を担持した担体粒子11は、既知の方法(特許文献2)によって作製することができる。溶媒としては、水、エタノール、これらの混合物などが挙げられる。触媒粒子12を担持した担体粒子11、導電性繊維13、及び第1樹脂材料を溶媒に均一に分散させることによって、予備溶液が得られる。予備溶液において、導電性繊維13の表面に第1樹脂材料が付着して第1樹脂層15aが形成される。 In step S1, a preliminary solution is prepared by mixing carrier particles 11 carrying catalyst particles 12, conductive fibers 13, a first resin material having proton conductivity, and a solvent. The carrier particles 11 carrying catalyst particles 12 can be prepared by a known method (Patent Document 2). Examples of the solvent include water, ethanol, and mixtures thereof. The preliminary solution is obtained by uniformly dispersing the carrier particles 11 carrying catalyst particles 12, the conductive fibers 13, and the first resin material in the solvent. In the preliminary solution, the first resin material adheres to the surfaces of the conductive fibers 13, forming a first resin layer 15a.

ステップS2において、第2樹脂材料を予備溶液に分散させて触媒インクを調製する。第2樹脂材料は、触媒インクに均一に分散しうる。 In step S2, the second resin material is dispersed in the preliminary solution to prepare the catalyst ink. The second resin material can be uniformly dispersed in the catalyst ink.

ステップS3において、触媒インクを基材に塗布して触媒層を形成する。基材は、電解質膜102、カソードガス拡散層110、又は、転写用フィルムである。触媒層の例は、カソード触媒層109である。触媒インクを基材に塗布して加熱等により溶媒を塗布膜から除去すると、第2樹脂材料が第1樹脂層15aの外表面に付着する。これにより、第2樹脂層15bが形成される。本実施の形態の製造方法によれば、図2及び図3を参照して説明した構造を有する触媒層を効率的に製造することができる。 In step S3, the catalyst ink is applied to a substrate to form a catalyst layer. The substrate is the electrolyte membrane 102, the cathode gas diffusion layer 110, or a transfer film. An example of a catalyst layer is the cathode catalyst layer 109. When the catalyst ink is applied to the substrate and the solvent is removed from the applied film by heating or the like, the second resin material adheres to the outer surface of the first resin layer 15a. This forms the second resin layer 15b. According to the manufacturing method of this embodiment, a catalyst layer having the structure described with reference to Figures 2 and 3 can be efficiently manufactured.

ステップS2に移る前に、予備溶液を所定時間にわたって保持してもよい。所定時間は、例えば、1時間から10時間である。これにより、導電性繊維13の表面に第1樹脂材料を十分に吸着させうる。予備溶液を保持することは、予備溶液を静置することであってもよい。 Before proceeding to step S2, the preliminary solution may be held for a predetermined time. The predetermined time may be, for example, 1 to 10 hours. This allows the first resin material to be sufficiently adsorbed onto the surface of the conductive fibers 13. Holding the preliminary solution may also mean allowing the preliminary solution to stand.

[1-2.動作]
以上のように構成された燃料電池101について、図1を用いて、以下その動作、作用を説明する。
[1-2. Operation]
The operation and function of the fuel cell 101 configured as above will be explained below with reference to FIG.

アノードガス流路107に水素含有ガスを供給する。カソードガス流路112に酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガスは典型的には空気である。アノード103においては下記式(1)で表される電気化学反応にて、水素(H2)がプロトン(H+)と電子(e-)とに分かれる。プロトンは、電解質膜102を伝導してアノード103からカソード108に向かって移動する。電子は、外部回路を通じてアノード103からカソード108に向かって移動する。カソード108においては下記式(2)で表される電気化学反応にて、プロトン、酸素(O2)及び電子による電気化学反応にて水(H2O)が生成する。 A hydrogen-containing gas is supplied to the anode gas flow channel 107. An oxidant gas is supplied to the cathode gas flow channel 112. The oxidant gas is typically air. At the anode 103, hydrogen (H 2 ) splits into protons (H + ) and electrons (e ) in an electrochemical reaction represented by the following formula (1). The protons travel through the electrolyte membrane 102 from the anode 103 to the cathode 108. The electrons travel from the anode 103 to the cathode 108 through an external circuit. At the cathode 108, water (H 2 O) is produced by an electrochemical reaction of protons, oxygen (O 2 ), and electrons in the following formula (2):

2→2H++2e- (1)
4H++O2+2e-→2H2O(2)
H 2 →2H + +2e - (1)
4H + +O 2 +2e - →2H 2 O(2)

[1-3.付記]
以上の実施の形態の記載により、下記の技術が開示される。
[1-3. Supplementary notes]
The above description of the embodiments discloses the following techniques.

(技術1)
担体粒子と、
前記担体粒子に担持された触媒粒子と、
前記担体粒子に接するように配置された導電性繊維と、
プロトン伝導性を有する第1樹脂材料を含み、前記導電性繊維の表面の少なくとも一部を覆う第1樹脂層と、
前記第1樹脂材料よりも低い親水性を有する第2樹脂材料を含み、前記第1樹脂層の外表面の少なくとも一部を覆う第2樹脂層と、
を備えた、膜電極接合体用の触媒層。
(Technology 1)
Carrier particles;
catalyst particles supported on the support particles;
Conductive fibers arranged in contact with the carrier particles;
a first resin layer containing a first resin material having proton conductivity and covering at least a part of the surface of the conductive fiber;
a second resin layer including a second resin material having a lower hydrophilicity than the first resin material and covering at least a portion of an outer surface of the first resin layer;
A catalyst layer for a membrane electrode assembly, comprising:

(技術2)
膜電極接合体用の触媒層であって、
担体粒子と、
前記担体粒子に担持された触媒粒子と、
前記担体粒子に接するように配置された導電性繊維と、
前記導電性繊維に付着した樹脂材料と、
を備え、
前記樹脂材料は、プロトン伝導性を有する第1樹脂材料と、前記第1樹脂材料よりも低い親水性を有する第2樹脂材料と、を含み、
温度50℃かつ相対湿度100%の条件にて前記触媒層を含む前記膜電極接合体の交流インピーダンス測定を行ったときに測定される前記触媒層のプロトン伝導抵抗が250mΩ/cm2以下である、
膜電極接合体用の触媒層。
(Technology 2)
A catalyst layer for a membrane electrode assembly, comprising:
Carrier particles;
catalyst particles supported on the support particles;
Conductive fibers arranged in contact with the carrier particles;
a resin material attached to the conductive fiber;
Equipped with
the resin material includes a first resin material having proton conductivity and a second resin material having lower hydrophilicity than the first resin material;
the proton conduction resistance of the catalyst layer measured when AC impedance of the membrane electrode assembly including the catalyst layer is measured under conditions of a temperature of 50°C and a relative humidity of 100% is 250 mΩ/ cm2 or less;
Catalyst layer for membrane electrode assembly.

技術1及び2によれば、触媒層におけるプロトン伝導性と排水性とを両立させて電気化学反応の効率を向上させることができる。 Technologies 1 and 2 enable the catalyst layer to achieve both proton conductivity and drainage, improving the efficiency of the electrochemical reaction.

(技術3)
前記第1樹脂材料が高分子電解質を含む、技術1又は2に記載の膜電極接合体用の触媒層。このような構成によれば、導電性繊維に高いプロトン伝導性を付与することができる。
(Technology 3)
3. The catalyst layer for a membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the first resin material contains a polymer electrolyte. With this configuration, high proton conductivity can be imparted to the conductive fiber.

(技術4)
前記第2樹脂材料がプロトン伝導性の官能基を持たない高分子材料を含む、技術1から3のいずれか1つに記載の膜電極接合体用の触媒層。このような構成によれば、細孔が高い疎水性を有することができる。
(Technology 4)
The catalyst layer for a membrane electrode assembly according to any one of techniques 1 to 3, wherein the second resin material includes a polymer material having no proton-conducting functional groups. With this configuration, the pores can have high hydrophobicity.

(技術5)
前記第1樹脂材料の等価質量が前記第2樹脂材料の等価質量よりも小さい、技術1から4のいずれか1つに記載の膜電極接合体用の触媒層。このような構成によれば、プロトン伝導性を維持しながら、細孔に高い疎水性を付与することができる。
(Technology 5)
5. The catalyst layer for a membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 4, wherein the equivalent mass of the first resin material is smaller than the equivalent mass of the second resin material. With this configuration, it is possible to impart high hydrophobicity to the pores while maintaining proton conductivity.

(技術6)
前記第2樹脂材料は、1200g/mol以上2000g/mol以下の等価質量を有する高分子材料を含む、技術1から5のいずれか1つに記載の膜電極接合体用の触媒層。このような構成によれば、細孔に高い疎水性を付与することができる。
(Technology 6)
6. The catalyst layer for a membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 5, wherein the second resin material includes a polymer material having an equivalent mass of 1200 g/mol or more and 2000 g/mol or less. With this configuration, high hydrophobicity can be imparted to the pores.

(技術7)
前記第2樹脂材料で作られた薄膜の水に対する接触角が前記第1樹脂材料で作られた薄膜の水に対する接触角よりも20度以上大きい、技術1から6のいずれか1つに記載の膜電極接合体用の触媒層。このような構成によれば、導電性繊維にプロトン伝導性と排水性とが付与されうる。
(Technology 7)
7. The catalyst layer for a membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 6, wherein a contact angle of the thin film made of the second resin material with water is 20 degrees or more larger than a contact angle of the thin film made of the first resin material with water. With this configuration, proton conductivity and drainage property can be imparted to the conductive fiber.

(技術8)
前記担体粒子及び前記導電性繊維の合計質量に対する、前記第1樹脂材料及び前記第2樹脂材料の合計質量の比率が0.80以上1.50以下の範囲にある、技術1から7のいずれか1つに記載の膜電極接合体用の触媒層。このような構成によれば、導電性繊維の表面に均一に樹脂材料15を付着させることができる。
(Technology 8)
8. The catalyst layer for a membrane electrode assembly according to claim 1, wherein a ratio of a total mass of the first resin material and the second resin material to a total mass of the carrier particles and the conductive fibers is in a range of 0.80 to 1.50. With this configuration, the resin material 15 can be uniformly adhered to the surface of the conductive fibers.

(技術9)
前記導電性繊維の平均長さが前記担体粒子の平均粒径よりも大きい、技術1から8のいずれか1つに記載の膜電極接合体用の触媒層。このような構成によれば、導電性繊維によって接続された電極触媒の粒子間に細孔が形成されやすい。
(Technology 9)
The catalyst layer for a membrane electrode assembly according to any one of techniques 1 to 8, wherein the conductive fibers have an average length greater than an average particle size of the support particles. With this configuration, pores are likely to be formed between the electrode catalyst particles connected by the conductive fibers.

(技術10)
前記担体粒子、前記触媒粒子及び前記導電性繊維の合計質量に対する前記導電性繊維の質量の比率が0.20以上0.50以下の範囲にある、技術1から9のいずれか1つに記載の膜電極接合体用の触媒層。このような構成によれば、触媒層におけるプロトン伝導性と排水性を向上させることができる。
(Technology 10)
10. The catalyst layer for a membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 9, wherein a ratio of the mass of the conductive fibers to the total mass of the support particles, the catalyst particles, and the conductive fibers is in the range of 0.20 to 0.50. With this configuration, it is possible to improve proton conductivity and drainage property in the catalyst layer.

(技術11)
アノードと、
カソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質膜と、
を備え、
前記カソードが技術1から10のいずれか1つに記載の触媒層を含む、
膜電極接合体。
(Technology 11)
an anode;
a cathode;
an electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode;
Equipped with
The cathode comprises a catalyst layer according to any one of techniques 1 to 10;
Membrane electrode assembly.

技術11によれば、電気化学反応の効率を向上させることができる。 Technology 11 can improve the efficiency of electrochemical reactions.

(技術12)
触媒粒子を担持した担体粒子、導電性繊維、プロトン伝導性を有する第1樹脂材料、及び、溶媒を混合して予備溶液を調製することと、
前記第1樹脂材料よりも低い親水性を有する第2樹脂材料を前記予備溶液に分散させて触媒インクを調製することと、
前記触媒インクを基材に塗布して触媒層を形成することと、
を含む、膜電極接合体用の触媒層の製造方法。
(Technology 12)
preparing a preliminary solution by mixing carrier particles carrying catalyst particles, conductive fibers, a first resin material having proton conductivity, and a solvent;
preparing a catalyst ink by dispersing a second resin material having a lower hydrophilicity than the first resin material in the preliminary solution;
applying the catalyst ink to a substrate to form a catalyst layer;
A method for producing a catalyst layer for a membrane electrode assembly, comprising:

本開示の製造方法によれば、本開示の触媒層を効率的に製造することができる。 The manufacturing method of the present disclosure allows for efficient production of the catalyst layer of the present disclosure.

本開示の技術は、二次電池、燃料電池、水素精製デバイスなどの電気化学デバイスに有用である。 The technology disclosed herein is useful for electrochemical devices such as secondary batteries, fuel cells, and hydrogen purification devices.

10 電極触媒
11 担体粒子
12 触媒粒子
13 導電性繊維
14 細孔
15 樹脂材料
15a 第1樹脂層
15b 第2樹脂層
101 燃料電池
102 電解質膜
103 アノード
104 アノード触媒層
105 アノードガス拡散層
106 アノードセパレータ
107 アノードガス流路
108 カソード
109 カソード触媒層
110 カソードガス拡散層
111 カソードセパレータ
112 カソードガス流路
113 膜電極接合体
10 Electrode catalyst 11 Carrier particle 12 Catalyst particle 13 Conductive fiber 14 Pore 15 Resin material 15a First resin layer 15b Second resin layer 101 Fuel cell 102 Electrolyte membrane 103 Anode 104 Anode catalyst layer 105 Anode gas diffusion layer 106 Anode separator 107 Anode gas flow channel 108 Cathode 109 Cathode catalyst layer 110 Cathode gas diffusion layer 111 Cathode separator 112 Cathode gas flow channel 113 Membrane electrode assembly

Claims (12)

担体粒子と、
前記担体粒子に担持された触媒粒子と、
前記担体粒子に接するように配置された導電性繊維と、
プロトン伝導性を有する第1樹脂材料を含み、前記導電性繊維の表面の少なくとも一部を覆う第1樹脂層と、
前記第1樹脂材料よりも低い親水性を有する第2樹脂材料を含み、前記第1樹脂層の外表面の少なくとも一部を覆う第2樹脂層と、
を備えた、膜電極接合体用の触媒層。
Carrier particles;
catalyst particles supported on the support particles;
Conductive fibers arranged in contact with the carrier particles;
a first resin layer containing a first resin material having proton conductivity and covering at least a part of the surface of the conductive fiber;
a second resin layer including a second resin material having a lower hydrophilicity than the first resin material and covering at least a portion of an outer surface of the first resin layer;
A catalyst layer for a membrane electrode assembly, comprising:
膜電極接合体用の触媒層であって、
担体粒子と、
前記担体粒子に担持された触媒粒子と、
前記担体粒子に接するように配置された導電性繊維と、
前記導電性繊維に付着した樹脂材料と、
を備え、
前記樹脂材料は、プロトン伝導性を有する第1樹脂材料と、前記第1樹脂材料よりも低い親水性を有する第2樹脂材料と、を含み、
温度50℃かつ相対湿度100%の条件にて前記触媒層を含む前記膜電極接合体の交流インピーダンス測定を行ったときに測定される前記触媒層のプロトン伝導抵抗が250mΩ/cm2以下である、
膜電極接合体用の触媒層。
A catalyst layer for a membrane electrode assembly, comprising:
Carrier particles;
catalyst particles supported on the support particles;
Conductive fibers arranged in contact with the carrier particles;
a resin material attached to the conductive fiber;
Equipped with
the resin material includes a first resin material having proton conductivity and a second resin material having lower hydrophilicity than the first resin material;
the proton conduction resistance of the catalyst layer measured when AC impedance of the membrane electrode assembly including the catalyst layer is measured under conditions of a temperature of 50°C and a relative humidity of 100% is 250 mΩ/ cm2 or less;
Catalyst layer for membrane electrode assembly.
前記第1樹脂材料が高分子電解質を含む、
請求項1又は2に記載の膜電極接合体用の触媒層。
the first resin material contains a polymer electrolyte;
The catalyst layer for a membrane electrode assembly according to claim 1 or 2.
前記第2樹脂材料がプロトン伝導性の官能基を持たない高分子材料を含む、
請求項1又は2に記載の膜電極接合体用の触媒層。
the second resin material includes a polymer material having no proton-conductive functional group;
The catalyst layer for a membrane electrode assembly according to claim 1 or 2.
前記第1樹脂材料の等価質量が前記第2樹脂材料の等価質量よりも小さい、
請求項1又は2に記載の膜電極接合体用の触媒層。
the equivalent mass of the first resin material is smaller than the equivalent mass of the second resin material;
The catalyst layer for a membrane electrode assembly according to claim 1 or 2.
前記第2樹脂材料は、1200g/mol以上2000g/mol以下の等価質量を有する高分子材料を含む、
請求項1又は2に記載の膜電極接合体用の触媒層。
the second resin material includes a polymer material having an equivalent mass of 1200 g/mol or more and 2000 g/mol or less;
The catalyst layer for a membrane electrode assembly according to claim 1 or 2.
前記第2樹脂材料で作られた薄膜の水に対する接触角が前記第1樹脂材料で作られた薄膜の水に対する接触角よりも20度以上大きい、
請求項1又は2に記載の膜電極接合体用の触媒層。
a contact angle of the thin film made of the second resin material with water that is 20 degrees or more larger than a contact angle of the thin film made of the first resin material with water;
The catalyst layer for a membrane electrode assembly according to claim 1 or 2.
前記担体粒子及び前記導電性繊維の合計質量に対する、前記第1樹脂材料及び前記第2樹脂材料の合計質量の比率が0.80以上1.50以下の範囲にある、
請求項1又は2に記載の膜電極接合体用の触媒層。
a ratio of the total mass of the first resin material and the second resin material to the total mass of the carrier particles and the conductive fibers is in the range of 0.80 to 1.50;
The catalyst layer for a membrane electrode assembly according to claim 1 or 2.
前記導電性繊維の平均長さが前記担体粒子の平均粒径よりも大きい、
請求項1又は2に記載の膜電極接合体用の触媒層。
The average length of the conductive fibers is greater than the average particle size of the carrier particles.
The catalyst layer for a membrane electrode assembly according to claim 1 or 2.
前記担体粒子、前記触媒粒子及び前記導電性繊維の合計質量に対する前記導電性繊維の質量の比率が0.20以上0.50以下の範囲にある、
請求項1又は2に記載の膜電極接合体用の触媒層。
a ratio of the mass of the conductive fibers to the total mass of the support particles, the catalyst particles, and the conductive fibers is in the range of 0.20 to 0.50;
The catalyst layer for a membrane electrode assembly according to claim 1 or 2.
アノードと、
カソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質膜と、
を備え、
前記カソードが請求項1又は2に記載の触媒層を含む、
膜電極接合体。
an anode;
a cathode;
an electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode;
Equipped with
The cathode comprises the catalyst layer according to claim 1 or 2.
Membrane electrode assembly.
触媒粒子を担持した担体粒子、導電性繊維、プロトン伝導性を有する第1樹脂材料、及び、溶媒を混合して予備溶液を調製することと、
前記第1樹脂材料よりも低い親水性を有する第2樹脂材料を前記予備溶液に分散させて触媒インクを調製することと、
前記触媒インクを基材に塗布して触媒層を形成することと、
を含む、膜電極接合体用の触媒層の製造方法。
preparing a preliminary solution by mixing carrier particles carrying catalyst particles, conductive fibers, a first resin material having proton conductivity, and a solvent;
preparing a catalyst ink by dispersing a second resin material having a lower hydrophilicity than the first resin material in the preliminary solution;
applying the catalyst ink to a substrate to form a catalyst layer;
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