JP2008186767A - Catalyst ink, catalyst electrode and method for producing the same, adhesive, membrane electrode assembly (MEA) and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
【課題】通気性の高い触媒電極、並びに、それを用いた貴金属触媒有効利用率が高いMEAを提供すること。
【解決手段】触媒電極の触媒層の材料として、触媒担持導電性粒子、プロトン伝導性物質、および、酸性基を有する高分子と塩基性基を有する高分子からなるポリイオンコンプレックスを、非水溶性の有機溶媒に溶存して成る触媒インクを用いること。
触媒電極の製造方法として、触媒インクを塗布することにより、触媒インク層を形成するための第1の工程と、
前記触媒インク層に高湿空気を接触させることにより、前記触媒インク層に微小水滴を配列するための第2の工程と、
前記微小水滴を乾燥除去することにより、触媒層を形成するための第3の工程
を有する触媒電極の製造方法を用いること。
【選択図】図1The present invention provides a catalyst electrode with high air permeability and an MEA having a high effective utilization rate of a noble metal catalyst using the catalyst electrode.
As a material for a catalyst layer of a catalyst electrode, a catalyst-supporting conductive particle, a proton conductive substance, and a polyion complex composed of a polymer having an acidic group and a polymer having a basic group are insoluble in water. Use a catalyst ink dissolved in an organic solvent.
As a method for producing a catalyst electrode, a first step for forming a catalyst ink layer by applying a catalyst ink;
A second step for arranging micro water droplets in the catalyst ink layer by bringing high-humidity air into contact with the catalyst ink layer;
A method for producing a catalyst electrode having a third step for forming a catalyst layer by drying and removing the fine water droplets is used.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、燃料電池に用いる、白金触媒の利用効率が高い触媒電極、および、それを用いた出力特性に優れたMEA、並びに、触媒電極作製に用いる触媒インク、および、MEA作製に用いる接着剤に関するものである。 The present invention relates to a catalyst electrode that is used in a fuel cell and has high utilization efficiency of a platinum catalyst, an MEA that is excellent in output characteristics using the same, a catalyst ink that is used to produce a catalyst electrode, and an adhesive that is used to produce MEA It is about.
なお、本明細書に記載されている「MEA」とは「膜電極接合体」の略語であり、「PEFC」とは「固体高分子型燃料電池」の略語である。 In the present specification, “MEA” is an abbreviation for “membrane electrode assembly”, and “PEFC” is an abbreviation for “solid polymer fuel cell”.
(潜在的に枯渇することが無い)水素と酸素を使用する燃料電池は、資源の枯渇(原油可採年数;約30年、天然ガス可採年数;約40年、ウラン可採年数;約45年)が危惧されている化石燃料を使用しなくても良い発電システムとして注目されている。 Fuel cells that use hydrogen and oxygen (which are not potentially depleted) are depleted of resources (crude oil availability; approximately 30 years, natural gas availability; approximately 40 years, uranium availability; approximately 45 It is attracting attention as a power generation system that does not require the use of fossil fuels that are feared.
燃料電池は、用いる電解質の種類により、PAFC(リン酸型)、PEFC(固体高分子型)、SOFC(固体酸化物型)、および、MCFC(溶融炭酸塩型)に大別される。 Fuel cells are roughly classified into PAFC (phosphoric acid type), PEFC (solid polymer type), SOFC (solid oxide type), and MCFC (molten carbonate type) depending on the type of electrolyte used.
上記の燃料電池のうち、PEFCは、他の燃料電池と異なり、作動温度が低く、出力密度が高く、かつ、小型化が容易なため、車載用電源や家庭据置用電源などへの使用が期待されている。 Among the above fuel cells, unlike other fuel cells, PEFC has low operating temperature, high output density, and easy miniaturization, so it is expected to be used for in-vehicle power supplies and household stationary power supplies. Has been.
PEFCは多数の単セルを積層することにより構成されている。
単セルは、図5に示すように、アノード側セパレータ10、アノード側触媒電極20、固体高分子電解質膜30、カソード側触媒電極40およびカソード側セパレータ50をこの順に積層することにより構成されている。
The PEFC is configured by stacking a large number of single cells.
As shown in FIG. 5, the single cell is configured by laminating an anode side separator 10, an anode side catalyst electrode 20, a solid polymer electrolyte membrane 30, a cathode side catalyst electrode 40, and a cathode side separator 50 in this order. .
アノード側セパレータ10には燃料ガス流路10aが設けられ、これによりMEAに水素を供給する。
また、カソード側セパレータ50には酸化剤ガス流路50aが設けられ、これによりMEAに酸素を供給する。
The anode separator 10 is provided with a fuel gas passage 10a, which supplies hydrogen to the MEA.
The cathode side separator 50 is provided with an oxidant gas flow path 50a to supply oxygen to the MEA.
アノード側触媒電極20は、アノード側電極基材21とこの表面に積層されたアノード側触媒層22とで構成されており、カソード側触媒電極40はカソード側電極基材41とこの表面に積層されたカソード側触媒層42とで構成されている。 The anode side catalyst electrode 20 includes an anode side electrode base material 21 and an anode side catalyst layer 22 laminated on the surface thereof, and the cathode side catalyst electrode 40 is laminated on the surface of the cathode side electrode base material 41. And the cathode side catalyst layer 42.
アノード側電極基材21とカソード側電極基材41とは、いずれも、ガス拡散性と導電性とを有する材料から構成されており、例えば、カーボンペーパーあるいはカーボンクロス等が利用されている。 The anode side electrode base material 21 and the cathode side electrode base material 41 are both made of a material having gas diffusibility and conductivity, and for example, carbon paper or carbon cloth is used.
アノード側触媒層22とカソード側触媒層42は、いずれも、導電性粒子に触媒粒子を担持させた粒子を、プロトン伝導性物質を用いてアノード側電極基材21およびカソード側電極基材41に固定することにより構成されている。 In each of the anode side catalyst layer 22 and the cathode side catalyst layer 42, particles obtained by supporting catalyst particles on conductive particles are applied to the anode side electrode base material 21 and the cathode side electrode base material 41 using a proton conductive material. It is configured by fixing.
触媒粒子としては、白金ルテニウム、白金鉄、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、コバルトおよびモリブデン等の貴金属が汎用されている。 As the catalyst particles, precious metals such as platinum ruthenium, platinum iron, platinum, palladium, ruthenium, rhodium, cobalt and molybdenum are widely used.
PEFCの発電方法としては、固体高分子電解質膜30を介して、(燃料ガスに含まれる)水素と(酸化剤ガスに含まれる)酸素に、(アノード側触媒層22またはカソード側触媒層42に含まれる)触媒粒子表面において、下記の式(ア)および(イ)の電気化学反応を生じさせる方法を用いている。 As a power generation method of PEFC, hydrogen (included in the fuel gas) and oxygen (included in the oxidant gas) are passed through the solid polymer electrolyte membrane 30 (on the anode side catalyst layer 22 or the cathode side catalyst layer 42). A method of causing an electrochemical reaction of the following formulas (a) and (b) on the surface of the catalyst particles (included) is used.
アノード;H2→2H++2e− (ア)
カソード;4H++4e−+O2→2H2O (イ)
Anode; H 2 → 2H + + 2e − (A)
Cathode; 4H + + 4e − + O 2 → 2H 2 O (A)
アノード側触媒電極20およびカソード側触媒電極40の製造方法としては、導電性粒子表面に貴金属触媒粒子を担持させた粒子と、プロトン伝導性物質および溶媒からなるペーストを、導電性多孔質体の上に成膜し、その後、加熱乾燥する方法が提案されている。(例えば、非特許文献1参照) A method for producing the anode side catalyst electrode 20 and the cathode side catalyst electrode 40 includes a step of placing a particle comprising noble metal catalyst particles supported on the surface of a conductive particle, a paste made of a proton conductive substance and a solvent on a conductive porous body. There has been proposed a method in which a film is formed and then heated and dried. (For example, see Non-Patent Document 1)
しかし、このような製造方法により作製された触媒電極を用いて成るMEAでは、貴金属触媒有効利用率(貴金属触媒表面への電気化学的水素吸着量を、貴金属触媒の表面積で割った値)は10%程度であり、該貴金属触媒有効利用率をもって、現在の自動車全てをガソリン車から燃料電池車に置き換えた場合、必要となる貴金属量は、地球全体における貴金属の埋蔵量をオーバーしてしまう。 However, in the MEA using the catalyst electrode produced by such a manufacturing method, the effective utilization rate of the noble metal catalyst (the value obtained by dividing the electrochemical hydrogen adsorption amount on the surface of the noble metal catalyst by the surface area of the noble metal catalyst) is 10 When all the current automobiles are replaced from gasoline cars to fuel cell cars with the precious metal catalyst effective utilization rate, the amount of noble metals required exceeds the precious metal reserves on the entire earth.
貴金属触媒有効利用率が低い原因は、触媒層における反応ガス(酸化剤ガスおよび燃料ガス)の通気性が悪く、よって、反応ガスが貴金属触媒表面に供給され難くなっているためであると考えられる。 The reason why the effective utilization rate of the noble metal catalyst is low is considered to be that the gas permeability of the reaction gas (oxidant gas and fuel gas) in the catalyst layer is poor, so that the reaction gas is difficult to be supplied to the surface of the noble metal catalyst. .
触媒層内における反応ガス(酸化剤ガスおよび燃料ガス)の通気性を高める方法としては、造孔剤として金属やその酸化物などの粉末を予め触媒層中に混合し、触媒電極を形成した後に、酸性溶液に浸漬して触媒層内部に細孔を有する電極を製造する方法が提案されている。(例えば、特許文献1参照) As a method for improving the gas permeability of the reaction gas (oxidant gas and fuel gas) in the catalyst layer, a powder such as a metal or its oxide is previously mixed in the catalyst layer as a pore forming agent to form a catalyst electrode. A method for producing an electrode having pores inside a catalyst layer by being immersed in an acidic solution has been proposed. (For example, see Patent Document 1)
また、固体高分子電解質膜の上に触媒層を形成する際に、触媒塩と高分子粒子をともに化学メッキ法で吸着させた後、酸性溶液にて高分子粒子を除去して多孔性の触媒層を形成する方法が提案されている。(例えば、特許文献2参照) In addition, when forming a catalyst layer on a solid polymer electrolyte membrane, both catalyst salt and polymer particles are adsorbed by a chemical plating method, and then the polymer particles are removed with an acidic solution to form a porous catalyst. A method of forming a layer has been proposed. (For example, see Patent Document 2)
また、貴金属触媒を担持した導電性粒子と、プロトン伝導性物質と、アルコール系溶媒とに、ショウノウなどの昇華性造孔剤を混合してインク化し、このインクをスクリーン印刷法にて固体高分子電解質膜上に塗布することにより触媒層を形成した後に、ショウノウを昇華させることで、複数の細孔を有する触媒層を形成する方法が提案されている。(例えば、特許文献3参照) In addition, a conductive polymer carrying a noble metal catalyst, a proton conductive material, and an alcohol solvent are mixed with a sublimable pore-forming agent such as camphor to form an ink, and this ink is converted into a solid polymer by screen printing. A method of forming a catalyst layer having a plurality of pores by sublimating camphor after forming a catalyst layer by coating on an electrolyte membrane has been proposed. (For example, see Patent Document 3)
しかしながら、造孔剤として金属やその酸化物などの粉末を予め触媒層中に混合する方法を用いた場合、触媒層中の残留金属または金属イオンによりラジカルが発生する恐れがあり、ラジカル発生により固体高分子電解質膜や触媒層の劣化を誘発するという問題を抱えている。 However, when using a method in which a powder of a metal or its oxide is previously mixed in the catalyst layer as a pore-forming agent, radicals may be generated due to residual metal or metal ions in the catalyst layer. It has a problem of inducing deterioration of the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer.
また、触媒塩と高分子粒子をともに化学メッキ法で吸着させる方法を用いた場合、高分子粒子を酸洗除去するのに、多大な時間が掛かり、よって、生産性が悪いという問題を抱えている。 In addition, when a method of adsorbing both catalyst salt and polymer particles by chemical plating is used, it takes a long time to remove the polymer particles by pickling, and thus has a problem of poor productivity. Yes.
また、貴金属触媒を担持した導電性粒子と、プロトン伝導性物質と、アルコール系溶媒とに、ショウノウなどの昇華性造孔剤を混合してインク化する方法を用いた場合、溶媒の残留物またはこの残留物が変質したものによって燃料電池を構成する部品や配管等が劣化するという問題を抱えている。 In addition, when using a method in which a conductive particle carrying a noble metal catalyst, a proton conductive material, and an alcohol solvent are mixed with a sublimable pore-forming agent such as camphor to form an ink, the solvent residue or There is a problem that parts, piping, and the like constituting the fuel cell are deteriorated due to the altered residue.
本発明の課題は、通気性の高い触媒電極、並びに、それを用いた貴金属触媒有効利用率が高いMEAを提供することである。 An object of the present invention is to provide a catalyst electrode having high air permeability and an MEA having a high effective utilization rate of a noble metal catalyst using the catalyst electrode.
請求項1に記載の発明は、触媒担持導電性粒子、プロトン伝導性物質、および、酸性基を有する高分子と塩基性基を有する高分子からなるポリイオンコンプレックスを、非水溶性の有機溶媒に溶存して成る触媒インクである。 The invention according to claim 1 is a solution in which a catalyst-carrying conductive particle, a proton conductive material, and a polyion complex comprising a polymer having an acidic group and a polymer having a basic group are dissolved in a water-insoluble organic solvent. A catalyst ink.
触媒担持導電性粒子の触媒部分は、上記式(ア)(イ)の反応を起こさせる役割を有する。
また、触媒担持導電性粒子の導電性粒子部分は、触媒粒子表面で発生した電子および触媒粒子表面で使用される電子の伝達路としての役割を有する。
The catalyst portion of the catalyst-carrying conductive particles has a role of causing the reaction of the above formulas (a) and (b).
In addition, the conductive particle portion of the catalyst-carrying conductive particles has a role as a transmission path for electrons generated on the catalyst particle surface and electrons used on the catalyst particle surface.
プロトン伝導性物質は、触媒粒子表面で発生したプロトンおよび触媒粒子表面で使用されるプロトンの伝達路としての役割を有する。 The proton conductive material has a role as a transmission path of protons generated on the surface of the catalyst particles and protons used on the surface of the catalyst particles.
ポリイオンコンプレックスは、気液界面で安定な単分子膜を形成する界面活性能を有する物質であり、触媒インク層の液膜上に形成した水滴同士を凝集させない役割を有する。 The polyion complex is a substance having an interfacial activity that forms a stable monomolecular film at the gas-liquid interface, and has a role of preventing the water droplets formed on the liquid film of the catalyst ink layer from aggregating.
非水溶性の有機溶媒は、触媒インク層の液膜に微小な水滴粒子を形成させる役割を有する。 The water-insoluble organic solvent has a role of forming minute water droplet particles in the liquid film of the catalyst ink layer.
請求項2に記載の発明は、前記プロトン伝導性物質が、下記の式(1)で表される構造を有していることを特徴とする請求項1に記載の触媒インク。
である。
The invention according to claim 2 is the catalyst ink according to claim 1, wherein the proton conductive material has a structure represented by the following formula (1).
It is.
この構造のプロトン伝導性物質は、プロトン伝導性が高く且つ耐薬品性に優れ且つ耐熱性があり且つ電気化学的に安定で且つ力学的安定性を有する物質である。 The proton conductive material having this structure is a material having high proton conductivity, excellent chemical resistance, heat resistance, electrochemical stability, and mechanical stability.
請求項3に記載の発明は、前記酸性基を有する高分子が下記の式(2)、または、下記の式(3)で表される構造を有し、
前記塩基性基を有する高分子が、下記の式(4)で表される構造を有していることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の触媒インク。
である。
Invention of Claim 3 has the structure where the polymer which has the said acidic group is represented by following formula (2) or following formula (3),
The catalyst ink according to claim 1 or 2, wherein the polymer having a basic group has a structure represented by the following formula (4).
It is.
酸性基を有する高分子の構造がこの様になっているポリイオンコンプレックスは、架橋度が大きい。 A polyion complex having such a polymer structure having an acidic group has a high degree of crosslinking.
塩基性基を有する高分子の構造がこの様になっているポリイオンコンプレックスは、界面活性および溶解性が高い。 A polyion complex having such a polymer structure having a basic group has high surface activity and solubility.
請求項4に記載の発明は、電極基体上に請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の触媒インクを塗布することにより、触媒インク層を形成するための第1の工程と、
前記触媒インク層に高湿空気を接触させることにより、前記触媒インク層に微小水滴を配列するための第2の工程と、
前記微小水滴を乾燥除去することにより、触媒層を形成するための第3の工程
を有することを特徴とする触媒電極の製造方法である。
The invention according to claim 4 is a first step for forming a catalyst ink layer by applying the catalyst ink according to any one of claims 1 to 3 on the electrode substrate;
A second step for arranging micro water droplets in the catalyst ink layer by bringing high-humidity air into contact with the catalyst ink layer;
A method for producing a catalyst electrode, comprising: a third step for forming a catalyst layer by drying and removing the fine water droplets.
電極基体上に触媒インクを塗布することにより触媒インク層を形成し、該触媒インク層に高湿空気を当てると、触媒インク層中の溶媒が蒸発する際の潜熱によって高湿空気中の水分子が凝結して触媒インク層上に多数の微小水滴が着く。 When a catalyst ink layer is formed by applying a catalyst ink on an electrode substrate and high-humidity air is applied to the catalyst ink layer, water molecules in the high-humidity air are caused by latent heat when the solvent in the catalyst ink layer evaporates. Condensates and a large number of minute water droplets are deposited on the catalyst ink layer.
微小水滴は、前記潜熱によって触媒インク層中に生じる対流、および、触媒インク層表面の毛細管現象により移動を始める。 The minute water droplets start to move due to convection generated in the catalyst ink layer by the latent heat and capillary action on the surface of the catalyst ink layer.
微小水滴の大きさは略均一であるため、触媒インク層中の溶媒が揮発するに従い、微小水滴は触媒インク層表面に規則正しく配列され、触媒インク層表面にポリイオンコンプレックスによって固定される。 Since the size of the minute water droplets is substantially uniform, as the solvent in the catalyst ink layer volatilizes, the minute water droplets are regularly arranged on the surface of the catalyst ink layer and fixed on the surface of the catalyst ink layer by a polyion complex.
触媒インク層表面に規則正しく配列された微小水滴を蒸発させることにより、通気孔(微小水滴の蒸発跡)が形成される。 By evaporating the fine water droplets regularly arranged on the surface of the catalyst ink layer, air holes (evaporation traces of the fine water droplets) are formed.
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の触媒電極の製造方法を用いて成る触媒電極である。 The invention according to claim 5 is a catalyst electrode formed by using the method for producing a catalyst electrode according to claim 4.
このようにして製造された触媒電極は、従来の触媒電極に比べ、通気性が良い。 The catalyst electrode produced in this way has better air permeability than conventional catalyst electrodes.
請求項6に記載の発明は、前記触媒電極の触媒層と、固体高分子電解質膜を接合するための接着剤であって、
下記の式(5)で表される構造を有していることを特徴とする接着剤。
である。
The invention according to claim 6 is an adhesive for joining the catalyst layer of the catalyst electrode and the solid polymer electrolyte membrane,
An adhesive having a structure represented by the following formula (5):
It is.
構造がこの様になっている接着剤は、触媒層の主成分である式(1)で表される構造を有するプロトン伝導性物質、および、汎用されている固体高分子電解質膜(例えば、デュポン社製ナフィオン(登録商標)、旭化成社製アシプレックス(登録商標)、旭硝子社製フレミオン(登録商標)、ジャパンゴアッテクス社製ゴア(登録商標))との接着性が良い。 The adhesive having such a structure includes a proton conductive material having a structure represented by the formula (1), which is a main component of the catalyst layer, and a solid polymer electrolyte membrane (for example, DuPont) that is widely used. Adhesiveness with Nafion (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Corporation, Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., and Gore (registered trademark) manufactured by Japan Goattex Co., Ltd.) is good.
請求項7に記載の発明は、前記接着剤を固体高分子電解質膜上にコーティングすることにより、接着層を形成するためのコーティング工程と、
前記接着層を、請求項5に記載の触媒電極の触媒層と圧着させる圧着工程
を有する膜電極接合体(MEA)の製造方法である。
The invention according to claim 7 is a coating process for forming an adhesive layer by coating the adhesive on a solid polymer electrolyte membrane;
It is a manufacturing method of a membrane electrode assembly (MEA) which has a crimping | compression-bonding process which crimps | bonds the said contact bonding layer with the catalyst layer of the catalyst electrode of Claim 5.
接着剤を、触媒電極の触媒層上でなく、固体高分子電解質膜上にコーティングすると、触媒層に形成した通気孔は接着剤で埋没しない。 When the adhesive is coated not on the catalyst layer of the catalyst electrode but on the solid polymer electrolyte membrane, the air holes formed in the catalyst layer are not buried with the adhesive.
触媒電極の触媒層と、固体高分子電解質膜を熱接着でなく、圧着すると、MEA作製に際して、触媒層に形成した通気孔は、触媒層および固体高分子電解質膜の熱溶融物によって埋没しない。 When the catalyst layer of the catalyst electrode and the solid polymer electrolyte membrane are pressure-bonded rather than thermally bonded, the air holes formed in the catalyst layer are not buried by the hot melt of the catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane during MEA production.
請求項8に記載の発明は、請求項7に記載の膜電極接合体(MEA)の製造方法を用いて成る膜電極接合体(MEA)である。 The invention according to claim 8 is a membrane electrode assembly (MEA) formed by using the method for producing a membrane electrode assembly (MEA) according to claim 7.
接着剤は、触媒電極の触媒層と、固体高分子電解質膜を熱溶融させることなく、接着させる役割を果たす。 The adhesive serves to bond the catalyst layer of the catalyst electrode and the solid polymer electrolyte membrane without heat melting.
固体高分子電解質膜は、酸化反応によりアノードで発生したH+がカソードに移動するための通路の役割を果たす。
また、固体高分子電解質膜は、アノードとカソードを分離する役割を果たす。
The solid polymer electrolyte membrane serves as a passage for H + generated at the anode by the oxidation reaction to move to the cathode.
The solid polymer electrolyte membrane serves to separate the anode and the cathode.
請求項1に記載の発明は、触媒担持導電性粒子、プロトン伝導性物質、および、酸性基を有する高分子と塩基性基を有する高分子からなるポリイオンコンプレックスを、非水溶性の有機溶媒に溶存して成る触媒インクである。 The invention according to claim 1 is a solution in which a catalyst-carrying conductive particle, a proton conductive material, and a polyion complex comprising a polymer having an acidic group and a polymer having a basic group are dissolved in a water-insoluble organic solvent. A catalyst ink.
このような触媒インクを用いることにより、通気性の良い触媒層を形成することができる。 By using such a catalyst ink, a catalyst layer with good air permeability can be formed.
請求項2に記載の発明は、前記プロトン伝導性物質が、式(1)で表される構造を有していることを特徴とする請求項1に記載の触媒インクである。 The invention according to claim 2 is the catalyst ink according to claim 1, wherein the proton conductive material has a structure represented by the formula (1).
このような触媒インクを用いることにより、プロトン伝導性が高く且つ耐薬品性に優れ且つ耐熱性があり且つ電気化学的に安定で且つ力学的安定性を有する触媒層を形成することができる。 By using such a catalyst ink, a catalyst layer having high proton conductivity, excellent chemical resistance, heat resistance, electrochemical stability and mechanical stability can be formed.
請求項3に記載の発明は、前記酸性基を有する高分子が式(2)、または、式(3)で表される構造を有し、
前記塩基性基を有する高分子が、式(4)で表される構造を有していることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の触媒インクである。
Invention of Claim 3 has the structure where the polymer | macromolecule which has the said acidic group is represented by Formula (2) or Formula (3),
The catalyst ink according to claim 1 or 2, wherein the polymer having a basic group has a structure represented by the formula (4).
このような触媒インクを用いることにより、通気孔を触媒層に規則正しく配列することができる。 By using such a catalyst ink, the air holes can be regularly arranged in the catalyst layer.
請求項4に記載の発明は、電極基体上に請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の触媒インクを塗布することにより、触媒インク層を形成するための第1の工程と、
前記触媒インク層に高湿空気を接触させることにより、前記触媒インク層に微小水滴を配列するための第2の工程と、
前記微小水滴を乾燥除去することにより、触媒層を形成するための第3の工程
を有することを特徴とする触媒電極の製造方法である。
The invention according to claim 4 is a first step for forming a catalyst ink layer by applying the catalyst ink according to any one of claims 1 to 3 on the electrode substrate;
A second step for arranging micro water droplets in the catalyst ink layer by bringing high-humidity air into contact with the catalyst ink layer;
A method for producing a catalyst electrode, comprising: a third step for forming a catalyst layer by drying and removing the fine water droplets.
このような製造方法を用いることにより、通気性の高い触媒電極を製造することができる。 By using such a manufacturing method, a highly breathable catalyst electrode can be manufactured.
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の触媒電極の製造方法を用いて成る触媒電極である。 The invention according to claim 5 is a catalyst electrode formed by using the method for producing a catalyst electrode according to claim 4.
このような触媒電極を用いることにより、貴金属触媒有効利用率が高いMEAを製造することができる。 By using such a catalyst electrode, an MEA having a high effective utilization rate of a noble metal catalyst can be produced.
請求項6に記載の発明は、前記触媒電極の触媒層と、固体高分子電解質膜を接合するための接着剤であって、
式(5)で表される構造を有していることを特徴とする接着剤である。
The invention according to claim 6 is an adhesive for joining the catalyst layer of the catalyst electrode and the solid polymer electrolyte membrane,
An adhesive having a structure represented by Formula (5).
このような接着剤を用いることにより、触媒電極の触媒層と、固体高分子電解質膜を強接着することができる。 By using such an adhesive, the catalyst layer of the catalyst electrode and the solid polymer electrolyte membrane can be strongly bonded.
請求項7に記載の発明は、前記接着剤を固体高分子電解質膜上にコーティングすることにより、接着層を形成するためのコーティング工程と、
前記接着層を、請求項5に記載の触媒電極の触媒層と圧着させる圧着工程
を有する膜電極接合体(MEA)の製造方法である。
The invention according to claim 7 is a coating process for forming an adhesive layer by coating the adhesive on a solid polymer electrolyte membrane;
It is a manufacturing method of a membrane electrode assembly (MEA) which has a crimping | compression-bonding process which crimps | bonds the said contact bonding layer with the catalyst layer of the catalyst electrode of Claim 5.
このような製造方法を用いることにより、触媒層の通気孔を塞ぐことなく、触媒電極の触媒層と、固体高分子電解質膜を接合することができる。 By using such a manufacturing method, the catalyst layer of the catalyst electrode and the solid polymer electrolyte membrane can be joined without blocking the vent hole of the catalyst layer.
請求項8に記載の発明は、請求項7に記載の膜電極接合体(MEA)の製造方法を用いて成る膜電極接合体(MEA)である。 The invention according to claim 8 is a membrane electrode assembly (MEA) formed by using the method for producing a membrane electrode assembly (MEA) according to claim 7.
これにより、貴金属触媒有効利用率が高いMEAを得ることができる。 Thereby, MEA with a high precious metal catalyst effective utilization rate can be obtained.
以下、本発明の触媒電極およびMEAの製造工程説明図(図1)を用い、本発明の触媒粒子担持導電性粒子、触媒電極、および、MEAの製造方法を説明する。 Hereinafter, the catalyst electrode-supporting conductive particles, the catalyst electrode, and the MEA manufacturing method of the present invention will be described using the catalyst electrode and MEA manufacturing process explanatory diagram (FIG. 1) of the present invention.
(触媒担持導電性粒子の作製)
まず、金属粒子を有する錯体陽イオンおよびその溶媒と、導電性粒子を還元剤に溶存し攪拌することにより、分散液を生成する。
(Production of catalyst-carrying conductive particles)
First, a complex cation having metal particles and a solvent thereof, and conductive particles are dissolved in a reducing agent and stirred to form a dispersion.
金属粒子を有する錯体陽イオンとしては、水素をプロトンと電子とに分離する機能を有す金属粒子(触媒活性物質)を有する錯体陽イオンであれば特に限定されず、例えば、テトラアンミン白金ジクロライドなどの金属塩素化物や、ジニトロジアンミン白金硝酸などの金属硝酸塩化物を用いることができるが、中でも、還元速度が速いという観点から、ジニトロジアンミン白金硝酸が好ましい。 The complex cation having metal particles is not particularly limited as long as it is a complex cation having metal particles (catalytically active substance) having a function of separating hydrogen into protons and electrons, and examples thereof include tetraammine platinum dichloride. Metal chlorides and metal nitrates such as dinitrodiammine platinum nitric acid can be used. Among them, dinitrodiammine platinum nitric acid is preferable from the viewpoint of a high reduction rate.
金属粒子の粒径(X線回折法での測定値)は、1〜5nmの範囲から選択することができるが、2〜4nmが好ましい。 The particle size (measured value by X-ray diffraction method) of the metal particles can be selected from the range of 1 to 5 nm, but preferably 2 to 4 nm.
4nmを超えると、特に、5nmを超えると、金属粒子重量あたりの金属粒子表面積が減少し、よって、触媒効率が悪くなり、また、2nm未満、特に、1nm未満であると、金属粒子製造が困難となりコストが上昇してしまう。 If it exceeds 4 nm, particularly if it exceeds 5 nm, the surface area of the metal particles per weight of the metal particles is reduced, so that the catalyst efficiency is deteriorated, and if it is less than 2 nm, particularly less than 1 nm, it is difficult to produce metal particles. The cost will increase.
導電性粒子としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等を用いることができ、中でも、表面積が大きいという観点から、アセチレンブラックが好ましい。 As the conductive particles, for example, acetylene black, ketjen black, carbon nanotube, carbon nanohorn and the like can be used. Among them, acetylene black is preferable from the viewpoint of a large surface area.
導電性粒子の粒径は、0.01〜0.07μmの範囲から選択することができるが、0.03〜0.05μmが好ましい。 The particle diameter of the conductive particles can be selected from the range of 0.01 to 0.07 μm, and preferably 0.03 to 0.05 μm.
0.05μmを超えると、特に、0.07μmを超えると、触媒電極の触媒層内における導電性粒子の拡散性が悪くなり、また、0.03μm未満、特に、0.01μm未満であると、触媒電極の触媒層内において十分な電気伝導性が得られない事が懸念される。 When it exceeds 0.05 μm, particularly when it exceeds 0.07 μm, the diffusibility of the conductive particles in the catalyst layer of the catalyst electrode is deteriorated, and is less than 0.03 μm, particularly less than 0.01 μm. There is a concern that sufficient electrical conductivity cannot be obtained in the catalyst layer of the catalyst electrode.
金属粒子を有する錯体陽イオンと導電性粒子との配合量は、金属粒子10重量部に対して導電性粒子を3〜25重量部、更には5〜20重量部の範囲内とすることが好ましい。 The compounding amount of the complex cation having metal particles and the conductive particles is preferably 3 to 25 parts by weight, more preferably 5 to 20 parts by weight of the conductive particles with respect to 10 parts by weight of the metal particles. .
金属粒子10重量部に対して導電性粒子が5重量部よりも少ないと、特に、3重量部よりも少ないと、触媒電極の触媒層内において十分な電気伝導性が得られず、また、金属粒子10重量部に対して導電性粒子が20重量部を超えると、特に、25重量部を超えると、十分な電池性能が得られない。 If the amount of conductive particles is less than 5 parts by weight with respect to 10 parts by weight of metal particles, particularly less than 3 parts by weight, sufficient electrical conductivity cannot be obtained in the catalyst layer of the catalyst electrode, and metal When the conductive particles exceed 20 parts by weight with respect to 10 parts by weight of the particles, particularly when it exceeds 25 parts by weight, sufficient battery performance cannot be obtained.
還元剤としては、還元力を有する物質であって、且つ、金属粒子を有する錯体陽イオン担持導電性粒子中に残留することを避けるために乾燥除去工程で蒸発する物質が好ましく、例えば、エタノールやプロパノール等のアルコール類、および、ギ酸や酢酸や乳酸やシュウ酸などの酸類、および、エタノール水溶液などのアルコール水溶液を用いることができる。 The reducing agent is preferably a substance having a reducing power and evaporating in the drying and removing step in order to avoid remaining in the complex cation-carrying conductive particles having metal particles. Alcohols such as propanol, acids such as formic acid, acetic acid, lactic acid, and oxalic acid, and alcohol aqueous solutions such as an ethanol aqueous solution can be used.
還元剤の配合量は、例えば、還元剤として98vol%エタノール水溶液を用いる場合、反応させる金属粒子の総質量の3〜5倍の範囲から選択することができるが、3.5〜4.5倍が好ましい。 For example, when a 98 vol% ethanol aqueous solution is used as the reducing agent, the amount of the reducing agent can be selected from a range of 3 to 5 times the total mass of the metal particles to be reacted, but 3.5 to 4.5 times. Is preferred.
4.5倍を超えると、特に、5倍を超えると、還元剤の乾燥除去に費やす時間が長くなり、また、3.5倍未満、特に、3倍未満であると、金属粒子を有する錯体陽イオンを導電性粒子に担持するのに必要な還元能が得られない。 When it exceeds 4.5 times, particularly when it exceeds 5 times, the time spent for drying and removing the reducing agent becomes long, and when it is less than 3.5 times, particularly less than 3 times, a complex having metal particles The reducing ability necessary for supporting the cation on the conductive particles cannot be obtained.
次に、金属粒子を有する錯体陽イオンの溶媒と還元剤からなる混合液を超臨界条件まで加圧加熱した後に、大気圧まで減圧し、常温に戻すことにより、金属粒子を有する錯体陽イオンの溶媒と還元剤から成る混合液を乾燥除去し、金属粒子を有する錯体陽イオン担持導電性粒子を得る。 Next, after pressurizing and heating the mixed liquid of the solvent and reducing agent of the complex cation having metal particles to supercritical conditions, reducing the pressure to atmospheric pressure and returning to room temperature, the complex cation having metal particles has The mixed liquid composed of the solvent and the reducing agent is removed by drying to obtain complex cation-carrying conductive particles having metal particles.
加圧および減圧手段としては、耐圧セルやオートクレーブ等の反応容器を用いることができる。 As the pressurization and decompression means, a reaction vessel such as a pressure cell or an autoclave can be used.
最後に、金属粒子を有する錯体陽イオン担持導電性粒子を還元性雰囲気にて還元することにより触媒粒子担持導電性粒子を得る。 Finally, the catalyst particle-supporting conductive particles are obtained by reducing the complex cation-supporting conductive particles having metal particles in a reducing atmosphere.
還元性雰囲気を作製するための、還元性ガスとしては、例えば、水素ガス、水素ガスと不活性ガスとの混合ガス、メタンガス、メタンガスと不活性ガスとの混合ガス等を用いることができるが、中でも、還元に要する時間が短いという観点、および、作業安全性の観点から水素ガスと不活性ガスとの混合ガスが好ましい。 As the reducing gas for producing the reducing atmosphere, for example, hydrogen gas, a mixed gas of hydrogen gas and inert gas, methane gas, a mixed gas of methane gas and inert gas, or the like can be used. Among these, a mixed gas of hydrogen gas and an inert gas is preferable from the viewpoint that the time required for reduction is short and from the viewpoint of work safety.
水素ガスと不活性ガスとの配合量は、水素ガス10mol部に対して不活性ガスを85〜110mol部、更には90〜105mol部の範囲内とすることが好ましい。 The blending amount of the hydrogen gas and the inert gas is preferably 85 to 110 mol parts, more preferably 90 to 105 mol parts of the inert gas with respect to 10 mol parts of the hydrogen gas.
水素ガス10mol部に対して不活性ガスが90mol部よりも少ないと、特に、85mol部よりも少ないと、作業中における爆発や火災発生などが懸念され、また、水素ガス10mol部に対して導電性粒子が105mol部を超えると、特に、110mol部を超えると、十分な還元性が得られない。 If the inert gas is less than 90 mol parts with respect to 10 mol parts of hydrogen gas, especially if it is less than 85 mol parts, there is a concern about explosion or fire during operation, and the conductivity with respect to 10 mol parts of hydrogen gas. When the particle exceeds 105 mol part, particularly when it exceeds 110 mol part, sufficient reducibility cannot be obtained.
不活性ガスとしては、不活性な物であれば特に限定されず、例えば、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等を用いることができる。 The inert gas is not particularly limited as long as it is inert, and for example, nitrogen gas, argon gas, helium gas, or the like can be used.
還元性雰囲気の温度としては、200〜500℃の範囲から選択することができるが、300〜400℃が好ましい。 The temperature of the reducing atmosphere can be selected from the range of 200 to 500 ° C, but preferably 300 to 400 ° C.
400℃を超えると、特に、500℃を超えると、触媒粒子径の増大が起こり、よって、触媒粒子重量あたりの触媒粒子表面積が減少し、結果として、触媒効率が悪くなり、また、300℃未満、特に、200℃未満であると、触媒粒子の結晶化が不十分となり、触媒電極にて使用した際に触媒粒子径の増大が起こり易くなる。 Above 400 ° C., especially above 500 ° C., the catalyst particle diameter increases, thus reducing the catalyst particle surface area per catalyst particle weight, resulting in poor catalyst efficiency and less than 300 ° C. In particular, when the temperature is less than 200 ° C., the crystallization of the catalyst particles becomes insufficient, and the catalyst particle diameter tends to increase when used at the catalyst electrode.
(触媒インクの生成)
触媒担持導電性粒子、プロトン伝導性物質、および、酸性基を有する高分子と塩基性基を有する高分子からなるポリイオンコンプレックスを、非水溶性の有機溶媒に溶存し攪拌する事により、触媒インクを生成する。
(Catalyst ink generation)
Catalyst ink is obtained by dissolving a catalyst-carrying conductive particle, a proton conductive material, and a polyion complex composed of a polymer having an acidic group and a polymer having a basic group in a water-insoluble organic solvent and stirring. Generate.
プロトン伝導性物質としては、プロトン伝導性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、スルホン基、リン酸基などの強酸基や、カルボキシル基などの弱酸基などの極性基(イオン交換基)を有する高分子を用いることができるが、中でも、水素イオン伝導性が高く且つ耐薬品性に優れ且つ耐熱性があり且つ電気化学的に安定で且つ力学的安定性を有するという観点から、パーフルオロアルキレン基を主骨格とし一部にパーフルオロビニルエーテル側鎖の末端にスルホン酸基を有する(前記式(1)に示された)プロトン伝導性物質が好ましい。 The proton conductive substance is not particularly limited as long as it is a material having proton conductivity. For example, a polar group (ion exchange group) such as a strong acid group such as a sulfone group or a phosphate group, or a weak acid group such as a carboxyl group. In particular, from the viewpoint of high hydrogen ion conductivity, excellent chemical resistance, heat resistance, electrochemical stability, and mechanical stability, A proton conductive material (shown in the above formula (1)) having an alkylene group as the main skeleton and a sulfonic acid group at the end of the side chain of the perfluorovinyl ether is preferred.
触媒担持導電性粒子とプロトン伝導性物質との配合は、質量比で2:5〜1:1の範囲から選択することができるが、3:5〜4:5が好ましい。 The composition of the catalyst-carrying conductive particles and the proton conductive material can be selected from the range of 2: 5 to 1: 1 by mass ratio, but 3: 5 to 4: 5 is preferable.
4:5を超えると、特に、1:1を超えると、触媒層の強度が低下し、また、3:5未満、特に、2:5未満であると、触媒層内において十分な電気伝導性および触媒活性が得られない事が懸念される。 When it exceeds 4: 5, particularly when it exceeds 1: 1, the strength of the catalyst layer decreases, and when it is less than 3: 5, particularly less than 2: 5, sufficient electric conductivity is provided in the catalyst layer. In addition, there is a concern that catalyst activity cannot be obtained.
酸性基を有する高分子としては、スルホン基、リン酸基などの強酸基や、カルボキシル基などの弱酸基を有する高分子であれば特に限定されず、例えば、硫酸化ポリアクリルアミド、硫酸化シクロデキストリン、ヘパラン硫酸、コンドロイチン硫酸、硫酸化オリゴ糖、および、芳香族ポリケトン高分子にスルホン基を導入した(前記式(2)に示された)物、または、スチレンスルホン酸構造単位を含む(前記式(3)に示された)重合体を用いることができるが、中でも、架橋度が大きいという観点から、芳香族ポリケトン高分子にスルホン基を導入した(前記式(2)に示された)物、または、スチレンスルホン酸構造単位を含む(前記式(3)に示された)重合体が好ましい。 The polymer having an acidic group is not particularly limited as long as it is a polymer having a strong acid group such as a sulfone group or a phosphoric acid group, or a weak acid group such as a carboxyl group, and examples thereof include sulfated polyacrylamide and sulfated cyclodextrin. , Heparan sulfate, chondroitin sulfate, sulfated oligosaccharides, and aromatic polyketone polymers having a sulfonic group introduced therein (shown in the above formula (2)), or containing a styrene sulfonic acid structural unit (the above formula The polymer (shown in (3)) can be used, but in particular, from the viewpoint of a high degree of crosslinking, a product in which a sulfone group is introduced into the aromatic polyketone polymer (shown in the formula (2)) Or, a polymer containing a styrenesulfonic acid structural unit (shown in the above formula (3)) is preferred.
塩基性基を有する高分子としては、ポリアリルアミン、ポリエチレンイミン、ポリリジン、2−ジエチルアミノメチルメタアクリル酸エステル、N−3−N,N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミド、ポリプレン、ジエチルアミノエチルデキストラン、キソサン、プロタミン、および、炭素数12以上のアルキル鎖を有する4級アンモニウム構造を有する([化4]に示された)物、または、これらの材料
を2種以上組み合わせた物を用いることができるが、構造規定性が良いという観点から、炭素数12以上のアルキル鎖を有する4級アンモニウム構造を有する(前記式(4)に示された)物が好ましい。
Examples of the polymer having a basic group include polyallylamine, polyethyleneimine, polylysine, 2-diethylaminomethylmethacrylate, N-3-N, N-dimethylaminopropylacrylamide, polyprene, diethylaminoethyldextran, xososan, protamine, In addition, a product having a quaternary ammonium structure having an alkyl chain having 12 or more carbon atoms (shown in [Chemical Formula 4]) or a combination of two or more of these materials can be used. From the viewpoint of good properties, a product having a quaternary ammonium structure having an alkyl chain having 12 or more carbon atoms (shown in the above formula (4)) is preferred.
プロトン伝導性物質とポリイオンコンプレックスの配合は、質量比で1:1〜9:1の範囲が好ましいが、4:1〜6:1であれば更に好ましい。 The mixing ratio of the proton conductive substance and the polyion complex is preferably in the range of 1: 1 to 9: 1 by mass ratio, but more preferably 4: 1 to 6: 1.
6:1を超えると、特に、9:1を超えると、触媒層の通気性が低下し、また、4:1未満、特に、1:1未満であると、触媒層内において十分なプロトン伝導性が得られない。 If it exceeds 6: 1, especially 9: 1, the air permeability of the catalyst layer is lowered, and if it is less than 4: 1, particularly less than 1: 1, sufficient proton conduction in the catalyst layer is achieved. Sex cannot be obtained.
非水溶性の有機溶媒としては、極性基を有しない不活性溶媒であれば特に限定されず、例えば、メチルイソブチルケトン、酢酸ブチル、ベンゼン、トルエン、キシレン、酢酸エチル、クロロホルム、塩化メチレン、および、これらの溶媒を組み合わせた混合溶媒を用いることができるが、中でも、触媒担持導電性粒子が沈殿し難いという観点から、メチルイソブチルケトンが好ましい。 The water-insoluble organic solvent is not particularly limited as long as it is an inert solvent having no polar group, for example, methyl isobutyl ketone, butyl acetate, benzene, toluene, xylene, ethyl acetate, chloroform, methylene chloride, and A mixed solvent in which these solvents are combined can be used. Among them, methyl isobutyl ketone is preferable from the viewpoint that the catalyst-carrying conductive particles hardly precipitate.
触媒インクの濃度は、触媒担持導電性粒子、プロトン伝導性物質、および、酸性基を有する高分子と塩基性基を有する高分子からなるポリイオンコンプレックスの総量が、0.1〜9重量%の範囲から選択することができるが、1〜8重量%が好ましい。 The concentration of the catalyst ink is such that the total amount of catalyst-carrying conductive particles, proton conductive material, and polyion complex composed of a polymer having an acidic group and a polymer having a basic group is in the range of 0.1 to 9% by weight. 1 to 8% by weight is preferable.
8重量%を超えると、特に、9重量%を超えると、触媒インクの粘度が高くなり、触媒層の厚さを均一にし難くなってしまい、また、1重量%未満、特に、0.1重量%未満であると、粘度が低すぎるために、触媒インク層塗布パターン滲みが生じたり、過希釈による経済的損失が生じたりしてしまう。 If it exceeds 8% by weight, in particular, if it exceeds 9% by weight, the viscosity of the catalyst ink becomes high and it becomes difficult to make the thickness of the catalyst layer uniform, and less than 1% by weight, in particular 0.1% by weight. If it is less than%, the viscosity is too low, so that the catalyst ink layer coating pattern bleeds or economic loss due to overdilution occurs.
(触媒電極の作製)
まず、触媒インクを電極基体1(または5)上に塗布することにより、電極基体1(または5)上に触媒インク層2(または4)を形成する。(図1(a)参照)
(Production of catalyst electrode)
First, the catalyst ink layer 2 (or 4) is formed on the electrode substrate 1 (or 5) by applying the catalyst ink onto the electrode substrate 1 (or 5). (See Fig. 1 (a))
電極基体としては、ガスの供給・拡散・排出機能を有し、かつ、集電機能を有する物であれば、特に限定されず、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンネットおよびメッシュ状カーボン等や、導電性高分子繊維集合体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属などの電導性多孔質材を用いることができるが、中でも、機械的強度の観点から、カーボンペーパーが好ましい。 The electrode substrate is not particularly limited as long as it has a gas supply / diffusion / discharge function and a current collecting function. For example, carbon cloth, carbon paper, carbon net, mesh-like carbon, etc. A conductive porous material such as a conductive polymer fiber aggregate, a carbon sintered body, a sintered metal, and a foamed metal can be used. Among these, carbon paper is preferable from the viewpoint of mechanical strength.
電極基体の厚さとしては、所望する電池特性が得られるように適宜決定すればよく、特に限定されない。 The thickness of the electrode substrate may be appropriately determined so as to obtain desired battery characteristics, and is not particularly limited.
電極基体1(または5)上への触媒インクの塗布方法としては、バーコート法、スプレー法、または、スクリーン印刷法を用いることができるが、中でも、塗布厚み精度の観点から、スクリーン印刷法が好ましい。 As a method for applying the catalyst ink onto the electrode substrate 1 (or 5), a bar coating method, a spray method, or a screen printing method can be used. Among these, from the viewpoint of coating thickness accuracy, a screen printing method is preferable. preferable.
次に、触媒インク層2(または4)に高湿空気を接触させることにより、触媒インク層2(または4)に微小水滴6を配列する。(図1(b)参照) Next, the minute water droplets 6 are arranged on the catalyst ink layer 2 (or 4) by contacting the catalyst ink layer 2 (or 4) with high-humidity air. (See Fig. 1 (b))
高湿空気の相対湿度は、55〜95%RHの範囲から選択することができるが、60〜90%RHが好ましい。 The relative humidity of the high-humidity air can be selected from the range of 55 to 95% RH, but 60 to 90% RH is preferable.
90%RHを超えると、特に、95%RHを超えると、微小水滴6どうしが凝集してしまい、また、60%RH未満、特に、55%RH未満であると、触媒インク層2(または4)への微小水滴6結露速度が遅くなってしまう。 If it exceeds 90% RH, particularly if it exceeds 95% RH, the minute water droplets 6 will aggregate, and if it is less than 60% RH, particularly less than 55% RH, the catalyst ink layer 2 (or 4). ) The water droplet 6 condensation speed to the) becomes slow.
触媒インク層2の温度は、0.1〜20℃の範囲から選択することができるが、1〜15℃が好ましい。 The temperature of the catalyst ink layer 2 can be selected from a range of 0.1 to 20 ° C, and preferably 1 to 15 ° C.
15℃を超えると、特に、20℃を超えると触媒インク層2へ微小水滴6結露速度が遅くなってしまい、また、1℃未満、特に、0.1℃未満であると、微小水滴6が凍結する危険性が生じる。 If it exceeds 15 ° C., in particular, if it exceeds 20 ° C., the condensation rate of the fine water droplets 6 on the catalyst ink layer 2 becomes slow, and if it is less than 1 ° C., particularly less than 0.1 ° C., the fine water droplets 6 are formed. There is a risk of freezing.
触媒インク層2(または4)に高湿空気を接触させる方法としては、触媒インク層2(または4)に高湿空気を接触することができる方法であれば特に限定されず、例えば、触媒インク層2(または4)を高湿空気雰囲気中に放置する方法、触媒インク層(または4)に高湿空気を吹き付ける方法を用いることができるが、中でも、微小水滴6どうしが凝集し難いという観点から、触媒インク層2(または4)を高湿空気雰囲気中に放置する方法が好ましい。 The method for bringing the high humidity air into contact with the catalyst ink layer 2 (or 4) is not particularly limited as long as it is a method capable of bringing the high humidity air into contact with the catalyst ink layer 2 (or 4). A method of leaving the layer 2 (or 4) in a high-humidity air atmosphere or a method of spraying high-humidity air on the catalyst ink layer (or 4) can be used, but among them, the viewpoint that the minute water droplets 6 hardly aggregate. Therefore, a method of leaving the catalyst ink layer 2 (or 4) in a high-humidity air atmosphere is preferable.
高湿空気の製造方法としては、空気流を水中に通す方法や、水に超音波を作用させる方法を用いることができるが、高湿空気中の水粒子をより小さくでき、微小水滴6の大きさを制御し易いという観点から水に超音波を作用させる方法が好ましい。 As a method for producing high-humidity air, a method of passing an air flow through water or a method of applying ultrasonic waves to water can be used. However, water particles in high-humidity air can be made smaller, and the size of the minute water droplet 6 can be reduced. From the viewpoint of easy control of the thickness, a method of applying ultrasonic waves to water is preferable.
最後に、微小水滴6を乾燥除去することにより、通気孔6´を形成し、触媒電極7を得る。(図1(c)参照) Finally, the fine water droplet 6 is removed by drying to form a vent 6 'to obtain the catalyst electrode 7. (See Fig. 1 (c))
乾燥方法としては、通気孔6´の形成に影響を及ぼさない乾燥方法であれば特に限定されず、自然乾燥法、凍結乾燥法、減圧乾燥法、および、加熱乾燥法などを用いることができ、更に詳しくは、加熱乾燥法としては、通風加熱乾燥法、恒温器乾燥法あるいはマツフル炉乾燥法、ドラム加熱乾燥法等を用いることができる。 The drying method is not particularly limited as long as it does not affect the formation of the vent 6 ', and natural drying method, freeze drying method, reduced pressure drying method, heat drying method and the like can be used. More specifically, as the heat drying method, a ventilation heat drying method, a thermostatic drying method, a pine-fur furnace drying method, a drum heat drying method, or the like can be used.
加熱乾燥法を用いる場合、過度の加熱を避けるため加熱温度を95〜100℃、乾燥時間を55〜65分間とした条件の基で乾燥することが好ましい。 When using the heat drying method, in order to avoid excessive heating, it is preferable to dry under a condition that the heating temperature is 95 to 100 ° C. and the drying time is 55 to 65 minutes.
通気孔径(図1(c)のL)は、0.10〜3.0μmの範囲から選択することができるが、1.0〜2.0μmが好ましい。 The diameter of the air hole (L in FIG. 1C) can be selected from the range of 0.10 to 3.0 μm, and is preferably 1.0 to 2.0 μm.
2.0μmを超えると、特に、3.0μmを超えると、触媒層2´´(または4´´)の機械的強度が低下してしまい、また、1.0μm未満、特に、0.1μm未満であると、通気性が悪くなってしまう。 If it exceeds 2.0 μm, especially if it exceeds 3.0 μm, the mechanical strength of the catalyst layer 2 ″ (or 4 ″) decreases, and it is less than 1.0 μm, particularly less than 0.1 μm. If it is, air permeability will worsen.
(MEAの作製)
まず、固体高分子電解質膜3上に接着剤を塗布することにより、接着剤層8aを形成する。(図2(a)参照)
(Production of MEA)
First, an adhesive layer 8 a is formed by applying an adhesive on the solid polymer electrolyte membrane 3. (See Fig. 2 (a))
固体高分子電解質膜3としては、プロトン伝導性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、スルホン基やリン酸基などの強酸基や、カルボキシル基などの弱酸基などの極性基を有する有機高分子を用いることができる。 The solid polymer electrolyte membrane 3 is not particularly limited as long as it is a material having proton conductivity. For example, an organic material having a polar group such as a strong acid group such as a sulfone group or a phosphoric acid group or a weak acid group such as a carboxyl group. Polymers can be used.
固体高分子電解質膜3の厚さは、30〜70μmの範囲から選択することができるが、40〜60μmが好ましい。 The thickness of the solid polymer electrolyte membrane 3 can be selected from the range of 30 to 70 μm, and preferably 40 to 60 μm.
60μmを超えると、特に、70μmを超えると固体高分子電解質膜3のプロトン伝導度が悪くなり、よって電池性能が低下し、また、40μm未満、特に、30μm未満であると、アノードに供給された燃料ガスが電解質膜を透過してカソード側に到達(クロスオーバー)し、電解質膜を透過した燃料ガス中の水素と、酸化剤ガス中の酸素が直接燃焼反応を起こしてしまい、よって、カソード電位が低下してしまい、結果として、電池性能が低下してしまう。 If it exceeds 60 μm, in particular, if it exceeds 70 μm, the proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane 3 deteriorates, so that the battery performance decreases, and if it is less than 40 μm, particularly less than 30 μm, it is supplied to the anode. The fuel gas permeates the electrolyte membrane and reaches the cathode side (crossover), and the hydrogen in the fuel gas that has permeated the electrolyte membrane and the oxygen in the oxidant gas cause a direct combustion reaction. As a result, the battery performance decreases.
接着剤としては、前記式(5)に示された樹脂を溶剤中に溶解させたペーストを用いることができる。 As the adhesive, a paste obtained by dissolving the resin represented by the formula (5) in a solvent can be used.
溶剤としては、アルコール、ハイドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、フルオロエーテル、および、アルコールと水との混合溶剤を用いることができるが、中でも、前記式(5)に示された物質の溶解性が良いという観点から、アルコールが好ましい。 As the solvent, alcohol, hydrochlorofluorocarbon, fluorocarbon, fluoroether, and a mixed solvent of alcohol and water can be used. Among them, the viewpoint that the solubility of the substance represented by the formula (5) is good. Therefore, alcohol is preferable.
アルコールとしては、沸点100℃以下の物であれば特に限定されず、例えば、tert−ブチルアルコール、メチルアルコール、エチルアルコール、n−プロピルアルコール、i−プロピルアルコール、トリフルオロエタノール、5フッ化プロパノール、ヘキサフルオロイソプロパノール等を用いることができる。 The alcohol is not particularly limited as long as it has a boiling point of 100 ° C. or less. For example, tert-butyl alcohol, methyl alcohol, ethyl alcohol, n-propyl alcohol, i-propyl alcohol, trifluoroethanol, pentafluoropropanol, Hexafluoroisopropanol or the like can be used.
前記式(5)に示された樹脂と溶剤との配合は、質量比で1:19〜1:1の範囲が好ましいが、1:12〜1:6であれば更に好ましい。 The blend of the resin represented by the formula (5) and the solvent is preferably in the range of 1:19 to 1: 1 by mass ratio, but more preferably 1:12 to 1: 6.
1:6を超えると、特に、1:1を超えると、固体高分子電解質膜3上への接着剤の濡れ性が低下し、また、1:12未満、特に、1:19未満であると、接着剤の粘度が低過ぎて均一塗布が困難となる。 When it exceeds 1: 6, particularly when it exceeds 1: 1, the wettability of the adhesive onto the solid polymer electrolyte membrane 3 decreases, and it is less than 1:12, particularly less than 1:19. , The viscosity of the adhesive is too low, making uniform application difficult.
塗布方法としては、バーコート法、スプレーコート法、ディップコート法、スピンコート法、ドクターブレード法、ロールコート法、刷毛塗り法、または、スクリーン印刷法を用いることができるが、中でも、塗布厚み精度の観点から、スクリーン印刷法が好ましい。 As a coating method, a bar coating method, a spray coating method, a dip coating method, a spin coating method, a doctor blade method, a roll coating method, a brush coating method, or a screen printing method can be used. From this point of view, the screen printing method is preferable.
次に、接着剤層8aと、触媒電極の触媒層1´´を圧着する。(図2(b)および(c)参照) Next, the adhesive layer 8a and the catalyst layer 1 ″ of the catalyst electrode are pressure-bonded. (See FIG. 2 (b) and (c))
圧着する方法としては、金型プレス法、および、静水圧プレス法を用いる事ができるが、均一に圧力を掛けることができるという観点から、静水圧プレス法が好ましい。 As a method of pressure bonding, a die press method and an isostatic press method can be used, but an isostatic press method is preferable from the viewpoint that pressure can be applied uniformly.
圧着するための圧力は、10〜200kg/cm2の範囲から選択することができるが、50〜150kg/cm2であれば更に好ましい。 Pressure to crimping, may be selected from the range of 10 to 200 / cm 2, further preferably if 50~150kg / cm 2.
150kg/cm2を超えると、特に、200kg/cm2を超えると、固体高分子電解質膜3や電極基体1が損壊し、よって、燃料ガスおよび酸化剤ガスが良好に供給されない事が懸念され、また、50kg/cm2未満、特に、10kg/cm2未満であると、均一接着が難しくなり、よって、抵抗が増加するため電池特性が低下する。 When it exceeds 150 kg / cm 2 , particularly when it exceeds 200 kg / cm 2 , there is a concern that the solid polymer electrolyte membrane 3 and the electrode substrate 1 may be damaged, and thus the fuel gas and the oxidant gas may not be supplied satisfactorily. Further, if it is less than 50 kg / cm 2 , particularly less than 10 kg / cm 2 , uniform adhesion becomes difficult, and thus the resistance increases and the battery characteristics deteriorate.
次に、乾燥する事により、接着剤に含まれる溶剤を乾燥除去する。 Next, the solvent contained in the adhesive is removed by drying.
乾燥する方法としては、熱風乾燥法、および、赤外線ヒーター乾燥法などを用いる事ができるが、乾燥速度が早い熱風乾燥法が好ましい。 As a drying method, a hot air drying method, an infrared heater drying method, or the like can be used, but a hot air drying method with a high drying speed is preferable.
乾燥温度は、溶剤の沸点より高く、かつ、前記式(5)に示された樹脂のガラス転移点より低い温度であれば、特に制限は無く、100〜115℃が好ましく、105〜110℃であれば更に好ましい。 The drying temperature is not particularly limited as long as it is higher than the boiling point of the solvent and lower than the glass transition point of the resin represented by the formula (5), preferably 100 to 115 ° C, and 105 to 110 ° C. More preferably.
次に、固体高分子電解質膜3の接着剤層8a形成面と逆側の面上に、接着剤を塗布することにより、接着剤層8bを形成する。(図3(d)参照) Next, an adhesive layer 8b is formed by applying an adhesive on the surface of the solid polymer electrolyte membrane 3 opposite to the surface on which the adhesive layer 8a is formed. (See Fig. 3 (d))
接着剤としては、前記式(5)に示された樹脂を溶剤中に溶解させたペーストを用いることができる。 As the adhesive, a paste obtained by dissolving the resin represented by the formula (5) in a solvent can be used.
溶剤としては、アルコール、ハイドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、フルオロエーテル、および、アルコールと水との混合溶剤を用いることができるが、中でも、前記式(5)に示された物質との溶解性が良いという観点から、アルコールが好ましい。 As the solvent, alcohol, hydrochlorofluorocarbon, fluorocarbon, fluoroether, and a mixed solvent of alcohol and water can be used. Among them, the solubility in the substance represented by the formula (5) is good. From the viewpoint, alcohol is preferable.
アルコールとしては、沸点100℃以下の物であれば特に限定されず、例えば、ブチルアルコール、メチルアルコール、エチルアルコール、トリフルオロエタノール、プロパノール、ヘキサフルオロイソプロパノール、および、これらの混合溶剤を用いることができるが、中でも、前記式(5)に示された物質の溶解性が良いという観点から、1−プロパノールと2−プロパノールの混合溶剤が好ましい。 The alcohol is not particularly limited as long as it has a boiling point of 100 ° C. or lower. For example, butyl alcohol, methyl alcohol, ethyl alcohol, trifluoroethanol, propanol, hexafluoroisopropanol, and a mixed solvent thereof can be used. However, among these, a mixed solvent of 1-propanol and 2-propanol is preferable from the viewpoint of good solubility of the substance represented by the formula (5).
前記式(5)に示された樹脂と溶剤の配合は、質量比で1:19〜1:1の範囲が好ましいが、1:12〜1:6であれば更に好ましい。 The blend of the resin and the solvent represented by the formula (5) is preferably in the range of 1:19 to 1: 1 by mass ratio, and more preferably 1:12 to 1: 6.
1:6を超えると、特に、1:1を超えると、固体高分子電解質膜3上への接着剤の濡れ性が低下し、また、1:12未満、特に、1:19未満であると、接着剤の粘度が低過ぎて均一塗布が困難となる。 When it exceeds 1: 6, particularly when it exceeds 1: 1, the wettability of the adhesive onto the solid polymer electrolyte membrane 3 decreases, and it is less than 1:12, particularly less than 1:19. , The viscosity of the adhesive is too low, making uniform application difficult.
塗布方法としては、バーコート法、スプレーコート法、ディップコート法、スピンコート法、ドクターブレード法、ロールコート法、刷毛塗り法、または、スクリーン印刷法を用いることができるが、中でも、塗布厚み精度の観点から、スクリーン印刷法が好ましい。 As a coating method, a bar coating method, a spray coating method, a dip coating method, a spin coating method, a doctor blade method, a roll coating method, a brush coating method, or a screen printing method can be used. From this point of view, the screen printing method is preferable.
次に、接着剤層8bと、触媒電極の触媒層4´´を圧着する。(図3(e)および(f)参照) Next, the adhesive layer 8b and the catalyst layer 4 ″ of the catalyst electrode are pressure-bonded. (See FIGS. 3 (e) and (f))
圧着する方法としては、金型プレス法、および、静水圧プレス法を用いる事ができるが、均一に圧力を掛けることができるという観点から、静水圧プレス法が好ましい。 As a method for pressure bonding, a die press method and an isostatic press method can be used, but an isostatic press method is preferable from the viewpoint that pressure can be applied uniformly.
圧着するための圧力は、10〜200kg/cm2の範囲から選択することができるが、50〜150kg/cm2であれば更に好ましい。 Pressure to crimping, may be selected from the range of 10 to 200 / cm 2, further preferably if 50~150kg / cm 2.
150kg/cm2を超えると、特に、200kg/cm2を超えると、固体高分子電解質膜3や電極基体1が損壊し、よって、燃料ガスおよび酸化剤ガスが良好に供給されない事が懸念され、また、50kg/cm2未満、特に、10kg/cm2未満であると、均一接着が難しくなり、よって、抵抗が増加するため電池特性が低下する。 When it exceeds 150 kg / cm 2 , particularly when it exceeds 200 kg / cm 2 , there is a concern that the solid polymer electrolyte membrane 3 and the electrode substrate 1 may be damaged, and thus the fuel gas and the oxidant gas may not be supplied satisfactorily. Further, if it is less than 50 kg / cm 2 , particularly less than 10 kg / cm 2 , uniform adhesion becomes difficult, and thus the resistance increases and the battery characteristics deteriorate.
最後に、乾燥する事により、接着剤に含まれる溶剤を乾燥除去し、MEAを得る。 Finally, by drying, the solvent contained in the adhesive is removed by drying to obtain MEA.
乾燥する方法としては、熱風乾燥法、および、赤外線ヒーター乾燥法などを用いる事ができるが、乾燥速度が早い熱風乾燥法が好ましい。 As a drying method, a hot air drying method, an infrared heater drying method, or the like can be used, but a hot air drying method having a high drying speed is preferable.
乾燥温度は、溶剤の沸点より高く、かつ、前記式(5)に示された樹脂のガラス転移点より低い温度であれば、特に制限は無く、100〜115℃が好ましく、105〜110℃であれば更に好ましい。 The drying temperature is not particularly limited as long as it is higher than the boiling point of the solvent and lower than the glass transition point of the resin represented by the formula (5), preferably 100 to 115 ° C, and 105 to 110 ° C. More preferably.
以下に実施例および比較例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらにより限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited thereto.
また、下記実施例および比較例にて作製されたMEAの貴金属触媒有効利用率(貴金属触媒表面への電気化学的水素吸着量を、貴金属触媒の表面積で割った値)、および、出力の評価方法は以下のとおりである。 Further, the MEA produced in the following examples and comparative examples is effectively utilized (a value obtained by dividing the amount of electrochemical hydrogen adsorption on the surface of the noble metal catalyst by the surface area of the noble metal catalyst), and an output evaluation method. Is as follows.
(MEAの貴金属触媒有効利用率)
MEAに電流を流さない状態で、80℃下において、アノード側に水素(80℃、RH=100%)50mL/minを流し、カソード側に窒素(80℃、RH=100%)2000mL/minを流した後、0.14Vから1.10Vまでの電位範囲で電位を走査し、MEAのサイクリックボルタモグラム(cyclic voltammograms)(電極に対して所定の早さで増減する電圧を印加したときに得られる電流と電圧との関係を電圧−電流曲線としてプロットしたグラフ)を得た。
このサイクリックボルタモグラムから貴金属触媒表面への電気化学的水素吸着量(電気量:単位クーロン)を算出した。
また、貴金属触媒の表面積は、X線回折法により貴金属の粒径を測定し、該粒径を基に表面積を算出した。
(Effective utilization rate of MEA precious metal catalyst)
With no current flowing through the MEA, at 80 ° C., 50 mL / min of hydrogen (80 ° C., RH = 100%) was flowed to the anode side, and nitrogen (80 ° C., RH = 100%) 2000 mL / min was flowed to the cathode side. Obtained by scanning the potential in a potential range from 0.14 V to 1.10 V and applying a cyclic voltammogram (cyclic voltammogram) of the MEA (a voltage that increases or decreases at a predetermined rate to the electrode). A graph in which the relationship between current and voltage was plotted as a voltage-current curve was obtained.
From this cyclic voltammogram, the amount of electrochemical hydrogen adsorption (the amount of electricity: unit coulomb) on the surface of the noble metal catalyst was calculated.
The surface area of the noble metal catalyst was determined by measuring the particle diameter of the noble metal by X-ray diffraction and calculating the surface area based on the particle diameter.
(MEAの出力評価)
MEAを評価用燃料電池セル(エレクトロケム社製(商品名;FC25−02SP)に組み込み、燃料電池発電試験機(株式会社東陽テクニカ社製(商品名;GFT−SG1)を用いて、MEAの電圧−電流特性を評価した。
試験条件は以下の通りである。
・セル温度;70℃
・燃料;5mol/Lメタノール水溶液(流量1.5ml/min)
・酸化剤ガス;純酸素(流量80ml/min)
(MEA output evaluation)
MEA is incorporated into an evaluation fuel cell (trade name; FC25-02SP, manufactured by Electrochem Co., Ltd.), and the voltage of the MEA is measured using a fuel cell power generation tester (trade name: GFT-SG1 manufactured by Toyo Corporation). -The current characteristics were evaluated.
The test conditions are as follows.
-Cell temperature: 70 ° C
-Fuel: 5 mol / L aqueous methanol solution (flow rate 1.5 ml / min)
・ Oxidant gas; pure oxygen (flow rate 80ml / min)
<実施例1>
(触媒粒子担持導電性粒子の作製)
まず、バルブ、圧力ゲージ、温度計および撹拌機を備えたステンレス製オートクレーブ(内容量3800ml)内にて、白金を3wt%含有するジニトロジアミン白金硝酸溶液1000gにアセチレンブラック20gを混合し攪拌後、還元剤として98wt%エタノール水溶液120mlを混合し攪拌することにより、分散液を生成した。
<Example 1>
(Preparation of conductive particles carrying catalyst particles)
First, 20 g of acetylene black was mixed with 1000 g of a dinitrodiamine platinum nitric acid solution containing 3 wt% of platinum in a stainless steel autoclave (with an internal volume of 3800 ml) equipped with a valve, a pressure gauge, a thermometer and a stirrer, and then reduced. A dispersion was produced by mixing and stirring 120 ml of a 98 wt% aqueous ethanol solution.
次に、該分散液を攪拌しながら95℃で10時間加熱する事により、白金粒子を有する錯体陽イオンをアセチレンブラックに担持させた。 Next, the dispersion was heated at 95 ° C. for 10 hours with stirring, whereby the complex cation having platinum particles was supported on acetylene black.
次に、分散液を10MPa、325℃まで加圧加熱し、その後、1.01325×105Paまで減圧し、25℃まで降温する事により、分散液の溶媒を乾燥除去し、白金粒子を有する錯体陽イオン担持導電性粒子を得た。 Next, the dispersion liquid is pressurized and heated to 10 MPa and 325 ° C., and then depressurized to 1.01325 × 10 5 Pa, and the temperature is lowered to 25 ° C., whereby the solvent of the dispersion liquid is removed by drying to have platinum particles. A complex cation-carrying conductive particle was obtained.
最後に、白金粒子を有する錯体陽イオン担持導電性粒子を、組成が水素10mol部に対して窒素100mol部であり、温度が350℃から成る還元性雰囲気にて10分間還元することにより白金粒子担持導電性粒子49.8gを得た。 Finally, the complex cation-supporting conductive particles having platinum particles are reduced by 10 minutes in a reducing atmosphere having a composition of 100 mol of nitrogen with respect to 10 mol of hydrogen and a temperature of 350 ° C. 49.8 g of conductive particles were obtained.
白金粒子の担持量はアセチレンブラックの重量に対して50.1%であった。 The amount of platinum particles supported was 50.1% with respect to the weight of acetylene black.
(触媒インクの生成)
触媒粒子担持導電性粒子49.8g、前記構造式(1)のプロトン伝導性物質70.0g、および、前記構造式(2)の酸性基を有する高分子7.0g、および、前記構造式(2)の塩基性基を有する高分子7.0gを混合し撹拌することにより、触媒インクを調整した。
(Catalyst ink generation)
49.8 g of catalyst particle-supporting conductive particles, 70.0 g of the proton conductive material of the structural formula (1), 7.0 g of the polymer having an acidic group of the structural formula (2), and the structural formula ( The catalyst ink was prepared by mixing and stirring 7.0 g of the polymer having a basic group of 2).
(触媒電極の作製)
まず、厚さ110μmのカーボンペーパー(東レ株式会社製(商品名;TGP−H−030))を110mm角にカットした。
(Production of catalyst electrode)
First, carbon paper of 110 μm thickness (manufactured by Toray Industries, Inc. (trade name; TGP-H-030)) was cut into 110 mm squares.
次に、カットしたカーボンペーパーをスクリーン印刷機(東海精機株式会社製(商品名;SSA−PC605IP))にセットした。 Next, the cut carbon paper was set in a screen printer (manufactured by Tokai Seiki Co., Ltd. (trade name; SSA-PC605IP)).
次に、調整した触媒インクを250メッシュ×線径0.05mmのスクリーン上に載せた。 Next, the prepared catalyst ink was placed on a screen of 250 mesh × wire diameter 0.05 mm.
次に、スキージ圧5kgf/cm2、スキージ速度100mm/秒、スクリーンとカット済みのカーボンペーパーのクリアランスが2.5mmの条件にて、触媒インクをカット済みのカーボンペーパー上にスクリーン印刷することにより、触媒インク層を形成した。 Next, by screen printing the catalyst ink on the cut carbon paper under the conditions that the squeegee pressure is 5 kgf / cm 2 , the squeegee speed is 100 mm / sec, and the clearance between the screen and the cut carbon paper is 2.5 mm, A catalyst ink layer was formed.
次に、高温高湿層中において、触媒インク層を10.0±0.1℃下にて相対湿度75%RH高湿空気に接触させることにより、1.5±0.1μmφの微小水滴を触媒インク層上に配列した。 Next, in the high-temperature and high-humidity layer, the catalyst ink layer is brought into contact with high humidity air with a relative humidity of 75% RH at 10.0 ± 0.1 ° C., so that small water droplets of 1.5 ± 0.1 μmφ are formed. Arranged on the catalyst ink layer.
最後に、微小水滴を97.5±0.1℃下において乾燥除去することにより、1.5±0.1μmφの通気孔が形成された触媒電極を得た。 Finally, the fine water droplets were removed by drying at 97.5 ± 0.1 ° C. to obtain a catalyst electrode in which a vent hole of 1.5 ± 0.1 μmφ was formed.
(接着剤の調整)
下記構造式(5)の接着性物質90.0g、1−プロパノ−ル90.0g、および、2−プロパノール90.0gを混合し撹拌することにより、接着剤を調整した。
(Adhesive adjustment)
An adhesive was prepared by mixing and stirring 90.0 g of an adhesive substance of the following structural formula (5), 90.0 g of 1-propanol, and 90.0 g of 2-propanol.
(MEAの作製)
まず、厚さ50μmの固体高分子電解質膜(デュポン社製、ナフィオン112(登録商標))を110mm角に断裁した。
(Production of MEA)
First, a solid polymer electrolyte membrane (manufactured by DuPont, Nafion 112 (registered trademark)) having a thickness of 50 μm was cut into a 110 mm square.
次に、スキージ圧5kgf/cm2、スキージ速度100mm/秒、スクリーンと固体高分子電解質膜(デュポン社製、ナフィオン112(登録商標))のクリアランスが2.5mmの条件にて、接着剤をカット済みの固体高分子電解質膜(デュポン社製、ナフィオン112(登録商標))上にスクリーン印刷した。 Next, the adhesive was cut under the conditions that the squeegee pressure was 5 kgf / cm 2 , the squeegee speed was 100 mm / second, and the clearance between the screen and the solid polymer electrolyte membrane (DuPont, Nafion 112 (registered trademark)) was 2.5 mm. Screen printing was performed on a solid polymer electrolyte membrane (Nafion 112 (registered trademark) manufactured by DuPont).
次に、接着剤印刷面上に、触媒電極の触媒層を200.0±0.1kg/cm2の圧力にて圧着した。 Next, the catalyst layer of the catalyst electrode was pressure-bonded onto the adhesive printed surface at a pressure of 200.0 ± 0.1 kg / cm 2 .
次に、オーブン内において、107.5±0.1℃下に放置することにより、接着剤中の溶剤を乾燥除去した。 Next, the solvent in the adhesive was removed by drying by leaving it in an oven at 107.5 ± 0.1 ° C.
次に、スキージ圧5kgf/cm2、スキージ速度100mm/秒、スクリーンと固体高分子電解質膜の接着剤層形成面と逆側の面のクリアランスが2.5mmの条件にて、接着剤を固体高分子電解質膜の接着剤層形成面と逆側の面上にスクリーン印刷した。 Next, under the conditions that the squeegee pressure is 5 kgf / cm 2 , the squeegee speed is 100 mm / second, and the clearance between the screen and the surface of the solid polymer electrolyte membrane opposite to the adhesive layer forming surface is 2.5 mm, Screen printing was performed on the surface of the molecular electrolyte membrane opposite to the surface on which the adhesive layer was formed.
次に、接着剤印刷面上に、触媒電極の触媒層を200.0±0.1kg/cm2の圧力にて圧着した。 Next, the catalyst layer of the catalyst electrode was pressure-bonded onto the adhesive printed surface at a pressure of 200.0 ± 0.1 kg / cm 2 .
次に、オーブン内において、107.5±0.1℃下に放置することにより、接着剤中の溶剤を乾燥除去し、MEAを得た。 Next, by leaving it in an oven at 107.5 ± 0.1 ° C., the solvent in the adhesive was removed by drying to obtain MEA.
MEAの貴金属触媒有効利用率を表1に示す。 Table 1 shows the effective utilization rates of MEA precious metal catalysts.
MEAの出力評価結果を図4に示す。 The results of MEA output evaluation are shown in FIG.
<実施例2>
酸性基を有する高分子として、前記構造式(2)でなく、前記構造式(3)の高分子を用いた以外は、実施例1と同様にMEAを作製し、該MEAの貴金属触媒有効利用率、および、MEAの出力を評価した。
<Example 2>
An MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that the polymer of the structural formula (3) was used instead of the structural formula (2) as the polymer having an acidic group, and the MEA was effectively used as a noble metal catalyst. The rate and MEA output were evaluated.
MEAの貴金属触媒有効利用率を表1に示す。 Table 1 shows the effective utilization rates of MEA precious metal catalysts.
MEAの出力評価結果を図4に示す。 The results of MEA output evaluation are shown in FIG.
<比較例1>
ポリイオンコンプレックスを用いなかった以外は、実施例1と同様にMEAを作製し、該MEAの貴金属触媒有効利用率、および、MEAの出力を評価した。
<Comparative Example 1>
An MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that the polyion complex was not used, and the precious metal catalyst effective utilization rate of the MEA and the output of the MEA were evaluated.
MEAの貴金属触媒有効利用率を表1に示す。 Table 1 shows the effective utilization rates of MEA precious metal catalysts.
MEAの出力評価結果を図4に示す。 The results of MEA output evaluation are shown in FIG.
<比較例2>
高湿空気に触媒層を接触させなかった以外は、実施例1と同様にMEAを作製し、該MEAの貴金属触媒有効利用率、および、MEAの出力を評価した。
<Comparative example 2>
An MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that the catalyst layer was not contacted with high-humidity air, and the precious metal catalyst effective utilization rate of the MEA and the output of the MEA were evaluated.
MEAの貴金属触媒有効利用率を表1に示す。 Table 1 shows the effective utilization rates of MEA precious metal catalysts.
MEAの出力評価結果を図4に示す。 The results of MEA output evaluation are shown in FIG.
<比較例3>
触媒電極の触媒層を固体高分子電解質膜の両側に配置した後、熱圧着(130±1℃、200.0±0.1kg/cm2、30分間)させてMEAを作製した以外は、実施例1と同様にMEAを作製し、該MEAの貴金属触媒有効利用率、および、MEAの出力を評価した。
<Comparative Example 3>
Implemented except that the catalyst layer of the catalyst electrode was placed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane and then thermocompression bonded (130 ± 1 ° C., 200.0 ± 0.1 kg / cm 2 , 30 minutes) to produce the MEA An MEA was prepared in the same manner as in Example 1, and the precious metal catalyst effective utilization rate of the MEA and the output of the MEA were evaluated.
MEAの貴金属触媒有効利用率を表1に示す。 Table 1 shows the effective utilization rates of MEA precious metal catalysts.
MEAの出力評価結果を図4に示す。 The results of MEA output evaluation are shown in FIG.
<比較例4>
ポリイオンコンプレックスを用いず、且つ、高湿空気に触媒層を接触させなかった以外は、実施例1と同様にMEAを作製し、該MEAの貴金属触媒有効利用率、および、MEAの出力を評価した。
<Comparative Example 4>
An MEA was prepared in the same manner as in Example 1 except that the polyion complex was not used and the catalyst layer was not contacted with high-humidity air, and the MEA's precious metal catalyst effective utilization rate and the MEA output were evaluated. .
MEAの貴金属触媒有効利用率を表1に示す。 Table 1 shows the effective utilization rates of MEA precious metal catalysts.
MEAの出力評価結果を図4に示す。 The results of MEA output evaluation are shown in FIG.
<比較例5>
高湿空気に触媒層を接触させず、且つ、触媒電極の触媒層を固体高分子電解質膜の両側に配置した後、熱圧着(130±1℃、200.0±0.1kg/cm2、30分間)させてMEAを作製した以外は、実施例1と同様にMEAを作製し、該MEAの貴金属触媒有効利用率、および、MEAの出力を評価した。
<Comparative Example 5>
After the catalyst layer is not brought into contact with the high-humidity air and the catalyst layer of the catalyst electrode is disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, thermocompression bonding (130 ± 1 ° C., 200.0 ± 0.1 kg / cm 2 , The MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that the MEA was produced for 30 minutes), and the precious metal catalyst effective utilization rate of the MEA and the output of the MEA were evaluated.
MEAの貴金属触媒有効利用率を表1に示す。 Table 1 shows the effective utilization rates of MEA precious metal catalysts.
MEAの出力評価結果を図4に示す。 The results of MEA output evaluation are shown in FIG.
<比較例6>
ポリイオンコンプレックスを用いず、かつ、触媒電極の触媒層を固体高分子電解質膜の両側に配置した後、熱圧着(130±1℃、200.0±0.1kg/cm2、30分間)させてMEAを作製した以外は、実施例1と同様にMEAを作製し、該MEAの貴金属触媒有効利用率、および、MEAの出力を評価した。
<Comparative Example 6>
Without using a polyion complex, and after placing the catalyst layer of the catalyst electrode on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, thermocompression bonding (130 ± 1 ° C., 200.0 ± 0.1 kg / cm 2 , 30 minutes) Except for producing the MEA, an MEA was produced in the same manner as in Example 1, and the precious metal catalyst effective utilization rate of the MEA and the output of the MEA were evaluated.
MEAの貴金属触媒有効利用率を表1に示す。 Table 1 shows the effective utilization rates of MEA precious metal catalysts.
MEAの出力評価結果を図4に示す。 The results of MEA output evaluation are shown in FIG.
<比較例7>
ポリイオンコンプレックスを用いず、かつ、高湿空気に触媒層を接触させず、かつ、触媒電極の触媒層を固体高分子電解質膜の両側に配置した後、熱圧着(130±1℃、200.0±0.1kg/cm2、30分間)させてMEAを作製した以外は、実施例1と同様にMEAを作製し、該MEAの貴金属触媒有効利用率、および、MEAの出力を評価した。
<Comparative Example 7>
A polyion complex is not used, the catalyst layer is not brought into contact with high-humidity air, and the catalyst layer of the catalyst electrode is disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and then thermocompression bonding (130 ± 1 ° C., 200.0 The MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that the MEA was produced by ± 0.1 kg / cm 2 for 30 minutes, and the precious metal catalyst effective utilization rate of the MEA and the output of the MEA were evaluated.
MEAの貴金属触媒有効利用率を表1に示す。 Table 1 shows the effective utilization rates of MEA precious metal catalysts.
MEAの出力評価結果を図4に示す。 The results of MEA output evaluation are shown in FIG.
表1および図4より、実施例1は、比較例に対して、MEAの貴金属触媒有効利用率が向上し、MEAの出力が向上したことが確認された。
また、実施例2についても同様の特性改善が確認された。
From Table 1 and FIG. 4, it was confirmed that Example 1 improved the precious metal catalyst effective utilization rate of MEA and the output of MEA compared to the comparative example.
Moreover, the same characteristic improvement was confirmed also about Example 2. FIG.
本発明の、触媒インク、触媒電極およびその製造方法、接着剤、膜電極接合体(MEA)およびその製造方法は、カメラ、携帯電話、ノートパソコン、PDA(Personal Digital Assistant)、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤーなどの携帯型小型電気機器、および、電気自動車、自動販売機、水中ロボット、潜水艦、宇宙船、水中基地用などの電源に用いるPEFCに利用できる。 The catalyst ink, the catalyst electrode and the manufacturing method thereof, the adhesive, the membrane electrode assembly (MEA) and the manufacturing method thereof according to the present invention include a camera, a mobile phone, a laptop computer, a PDA (Personal Digital Assistant), a navigation system, and portable music. It can be used for portable small electric devices such as playback players, and PEFCs used as power sources for electric vehicles, vending machines, underwater robots, submarines, spacecrafts, underwater bases, and the like.
1・・・・・電極基体
2・・・・・触媒層
2´・・・・微小水滴が付着した触媒層
2´´・・・通気孔が形成された触媒層
3・・・・・固体高分子電解質膜
4・・・・・触媒層
4´・・・・微小水滴が付着した触媒層
4´´・・・通気孔が形成された触媒層
5・・・・・電極基体
6・・・・・微小水滴
6´・・・・通気孔
7・・・・・触媒電極
8a・・・・接着剤層
8b・・・・接着剤層
9・・・・・MEA
10・・・・アノード側セパレータ
10a・・・燃料ガス流路
20・・・・アノード側触媒電極
21・・・・アノード側電極基材
22・・・・アノード側触媒層
30・・・・固体高分子電解質膜
40・・・・カソード側触媒電極
41・・・・カソード側電極基材
42・・・・カソード側触媒層
50・・・・カソード側セパレータ
50a・・・酸化剤ガス流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrode base 2 ... Catalyst layer 2 '... Catalyst layer 2 "with minute water droplets attached ... Catalyst layer 3 with vents formed ... Solid Polymer electrolyte membrane 4 ... catalyst layer 4 '... catalyst layer 4 "with minute water droplets attached ... catalyst layer 5 with vents formed ... electrode substrate 6 ... ... Small water droplet 6 '... Air vent 7 ... Catalyst electrode 8a ... Adhesive layer 8b ... Adhesive layer 9 ... MEA
10 .... Anode separator 10a ... Fuel gas flow path 20 .... Anode catalyst electrode 21 ... Anode electrode substrate 22 ... Anode catalyst layer 30 ... Solid Polymer electrolyte membrane 40 ... Cathode side catalyst electrode 41 ... Cathode side electrode base material 42 ... Cathode side catalyst layer 50 ... Cathode side separator 50a ... Oxidant gas flow path
Claims (8)
前記塩基性基を有する高分子が、下記の式(4)で表される構造を有していることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の触媒インク。
The catalyst ink according to claim 1 or 2, wherein the polymer having a basic group has a structure represented by the following formula (4).
前記触媒インク層に高湿空気を接触させることにより、前記触媒インク層に微小水滴を配列するための第2の工程と、
前記微小水滴を乾燥除去することにより、触媒層を形成するための第3の工程
を有することを特徴とする触媒電極の製造方法。 A first step for forming a catalyst ink layer by applying the catalyst ink according to any one of claims 1 to 3 on the electrode substrate;
A second step for arranging micro water droplets in the catalyst ink layer by bringing high-humidity air into contact with the catalyst ink layer;
A method for producing a catalyst electrode, comprising a third step of forming a catalyst layer by drying and removing the fine water droplets.
下記の式(5)で表される構造を有していることを特徴とする接着剤。
An adhesive having a structure represented by the following formula (5):
前記接着層を、請求項5に記載の触媒電極の触媒層と圧着させる圧着工程
を有する膜電極接合体(MEA)の製造方法。 A coating process for forming an adhesive layer by coating the adhesive on the solid polymer electrolyte membrane;
The manufacturing method of a membrane electrode assembly (MEA) which has a crimping | compression-bonding process which crimps | bonds the said contact bonding layer with the catalyst layer of the catalyst electrode of Claim 5.
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| JP2017045549A (en) * | 2015-08-25 | 2017-03-02 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Fuel battery simulating method |
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- 2007-01-31 JP JP2007020990A patent/JP2008186767A/en active Pending
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