JP2009146760A - Electrode catalyst layer for fuel cell, and manufacturing method of electrode catalyst layer for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用電極触媒層及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an electrode catalyst layer for a fuel cell and a method for producing the same.
自動車に搭載される燃料電池として、イオン交換膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池が注目されている。この固体高分子電解質型燃料電池は、発電の基本単位である単位セルを複数積層して構成される。 As a fuel cell mounted on an automobile, a solid polymer electrolyte fuel cell using an ion exchange membrane has attracted attention. This solid polymer electrolyte fuel cell is configured by laminating a plurality of unit cells, which are basic units of power generation.
各単位セルは、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ正極(アノード)及び負極(カソード)の電極を挟んだ構成を有する膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を備え、これらの電極の外側に、それぞれガス流路又は冷却水流路を有するセパレータを備える。正極及び負極のそれぞれは、固体高分子電解質膜と接する側に設けられる電極触媒層と、この電極触媒層に重ねて設けられるガス拡散層とにより構成される。 Each unit cell includes a membrane electrode assembly (MEA) having a structure in which a positive electrode (anode) and a negative electrode (cathode) are sandwiched on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, respectively. A separator having a gas flow path or a cooling water flow path is provided on the outside. Each of the positive electrode and the negative electrode is composed of an electrode catalyst layer provided on the side in contact with the solid polymer electrolyte membrane and a gas diffusion layer provided so as to overlap the electrode catalyst layer.
各電極の電極触媒層は、触媒作用を有する触媒粒子を導電体粒子に担持してなる触媒担持導電体粒子と、イオン交換樹脂よりなる高分子電解質とを含み、この触媒担持導電体粒子が凝集した多孔質体となっている。この電極触媒層の製造法には、触媒粒子を担持させた導電体、例えばカーボンの粒子と、電解質溶液と、溶媒とを含む触媒インクを固体高分子電解質膜上又はガス拡散層上に塗布し、乾燥させることにより、電極触媒層を形成する方法がある。 The electrode catalyst layer of each electrode includes catalyst-supported conductor particles formed by supporting catalyst particles having catalytic action on conductor particles and a polymer electrolyte made of an ion exchange resin, and the catalyst-supported conductor particles are aggregated. It has become a porous body. In this method for producing an electrode catalyst layer, a conductive ink carrying catalyst particles, such as carbon particles, an electrolyte solution, and a catalyst ink containing a solvent are applied onto a solid polymer electrolyte membrane or a gas diffusion layer. There is a method of forming an electrode catalyst layer by drying.
電極触媒層が具備する空孔は、燃料ガスや空気の通路となり、また、反応により生成した水の排出経路となる。そのため、電極触媒層の空孔の形状や空孔割合は、燃料ガスや空気の通気性や生成水の排水性に影響を及ぼし、ひいては燃料電池の性能に影響を及ぼす。そのため、電極触媒層の空孔を坩堝形状にした電極触媒層がある(特許文献1)。
電極触媒層の空孔の形状や空孔割合を調整した従来の電極触媒層では、電極触媒層が燃料電池として組み込まれたときの、生成した水の良好な排水性と適度な保湿機能という、相反する2つの機能を、ともに高いレベルで満たすことが困難であった。このため、高加湿運転条件下及び低加湿運転条件下の両条件下での発電特性を共に向上させることが困難であった。燃料電池は、今なお発電特性の更なる向上が望まれているため、燃料電池用電極触媒層の更なる特性向上が望まれる。 In the conventional electrode catalyst layer in which the shape of the pores and the pore ratio of the electrode catalyst layer are adjusted, when the electrode catalyst layer is incorporated as a fuel cell, good drainage of the generated water and an appropriate moisture retention function, It was difficult to satisfy two contradictory functions at a high level. For this reason, it has been difficult to improve both the power generation characteristics under both the high humidification operation condition and the low humidification operation condition. Since the fuel cell is still desired to further improve the power generation characteristics, further improvement of the characteristics of the electrode catalyst layer for fuel cells is desired.
上記課題を解決する本発明の燃料電池用電極触媒層は、多孔質の電極触媒層であって、この電極触媒層は、空孔径が0.01〜0.1μmの範囲の第1の空孔と、空孔径が0.1〜1μm範囲の第2の空孔とを有する空孔構造を備えることを要旨とする。 The electrode catalyst layer for a fuel cell of the present invention that solves the above problems is a porous electrode catalyst layer, and the electrode catalyst layer has first pores having a pore diameter in the range of 0.01 to 0.1 μm. And a hole structure having a hole diameter of 0.1 to 1 μm and a second hole.
また、本発明の燃料電池用電極触媒層は、備える多孔質の電極触媒層であって、この電極触媒層は、細孔分布曲線が細孔径0.01〜0.1μmの範囲に第1のピークを有し、細孔径0.1〜1μmの範囲に第2のピークを有する細孔分布を備えることを要旨とする。 The electrode catalyst layer for a fuel cell of the present invention is a porous electrode catalyst layer provided, and the electrode catalyst layer has a pore distribution curve in the range of 0.01 to 0.1 μm in pore diameter range. The gist is to have a pore distribution having a peak and having a second peak in a pore diameter range of 0.1 to 1 μm.
本発明の燃料電池用電極触媒層の製造方法は、触媒粒子を担持した触媒担持導電体と、電解質溶液と、溶媒とを、撹拌混合して触媒スラリーを作成し、この触媒スラリーを塗布後に乾燥させて電極触媒層を形成するに当たり、この触媒スラリーにノニオン系ポリマーを添加することを要旨とする。 The method for producing an electrode catalyst layer for a fuel cell according to the present invention comprises preparing a catalyst slurry by stirring and mixing a catalyst-carrying conductor carrying catalyst particles, an electrolyte solution, and a solvent, and drying the catalyst slurry after coating. In forming the electrode catalyst layer, the gist is to add a nonionic polymer to the catalyst slurry.
本発明の燃料電池用電極触媒層によれば、排水性と保湿機能とを高いレベルで両立させた燃料電池を得ることができる。 According to the electrode catalyst layer for a fuel cell of the present invention, it is possible to obtain a fuel cell in which drainage and moisture retention functions are compatible at a high level.
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る燃料電池用電極触媒層を説明する。 Hereinafter, an electrode catalyst layer for a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施の形態に係る燃料電池用電極触媒層の構造を模式的に示す図である。図示した燃料電池用電極触媒層は、触媒作用を有する触媒粒子11及びこの触媒粒子11を担持する導電体粒子12よりなる触媒担持導電体粒子1を含んでいる。この触媒担持導電体粒子1の周囲には、電解質ポリマー2が形成されている。これらの触媒担持導電体粒子1及び電解質ポリマー2は、従来の電極触媒層においても具備しているものである。そして、本実施形態の電極触媒層では、これらの触媒担持導電体粒子1及び電解質ポリマー2に加えて、ノニオン系ポリマー3を含んでいる。 FIG. 1 is a diagram schematically showing the structure of a fuel cell electrode catalyst layer according to an embodiment of the present invention. The illustrated electrode catalyst layer for a fuel cell includes catalyst-carrying conductor particles 1 including catalyst particles 11 having a catalytic action and conductor particles 12 that carry the catalyst particles 11. An electrolyte polymer 2 is formed around the catalyst-carrying conductive particles 1. These catalyst-carrying conductor particles 1 and electrolyte polymer 2 are also provided in a conventional electrode catalyst layer. The electrode catalyst layer of the present embodiment includes a nonionic polymer 3 in addition to the catalyst-supporting conductive particles 1 and the electrolyte polymer 2.
これらの触媒担持導電体粒子1、電解質ポリマー2及びノニオン系ポリマーを含む本実施形態の電極触媒層では、多数の触媒担持導電体粒子1は互いに凝集し、一次凝集体A1を形成している。また、多数の一次凝集体A1が凝集して二次凝集体A2を形成している。 In the electrode catalyst layer of this embodiment including these catalyst-carrying conductor particles 1, electrolyte polymer 2, and nonionic polymer, a large number of catalyst-carrying conductor particles 1 are aggregated together to form a primary aggregate A1. A large number of primary aggregates A1 are aggregated to form secondary aggregates A2.
一次凝集体A1における個々の触媒担持導電体粒子1の間には、第1の空孔V1が形成されている。この第1の空孔V1は、空孔径が0.01〜0.1μmの範囲にある。また、二次凝集体A2における個々の一次凝集体A1の間には、ノニオン系ポリマーの作用により、第2の空孔V2が形成されている。この第2の空孔V2は、空孔径が0.1〜1μmの範囲にある。 Between the individual catalyst-carrying conductive particles 1 in the primary aggregate A1, first voids V1 are formed. The first hole V1 has a hole diameter in the range of 0.01 to 0.1 μm. In addition, between the individual primary aggregates A1 in the secondary aggregate A2, second holes V2 are formed by the action of the nonionic polymer. The second hole V2 has a hole diameter in the range of 0.1 to 1 μm.
本発明の発明者は、燃料電池用電極触媒層について鋭意研究を進めた結果、大小2種の空孔を具備するような電極触媒層構造を形成することで、上電極触媒層における排水性と適度な保湿機能とを高度に両立させることが可能であることを知見した。 The inventors of the present invention, as a result of diligent research on the electrode catalyst layer for fuel cells, formed an electrode catalyst layer structure having two types of pores, large and small, so that the drainage property in the upper electrode catalyst layer was improved. It has been found that it is possible to achieve both a moderate moisturizing function and a high degree of compatibility.
かかる知見に基づく本実施形態の電極触媒層は、一次凝集体A1の空孔V1に相当する、空孔径が0.01〜0.1μmの範囲の第1の空孔と、二次凝集体の空孔V2に相当する、空孔径が0.1〜1μm範囲の第2の空孔という、大小2種の空孔を具備することから、排水性と保湿機能とを高度に両立させることができ、ひいては燃料電池の発電特性を向上させることができる。 Based on such knowledge, the electrode catalyst layer of the present embodiment includes a first hole corresponding to the hole V1 of the primary aggregate A1 and a hole diameter of 0.01 to 0.1 μm, and a secondary aggregate. Since it has two types of large and small holes corresponding to the hole V2, the second hole having a hole diameter in the range of 0.1 to 1 μm, it is possible to achieve both high drainage and moisture retention functions. As a result, the power generation characteristics of the fuel cell can be improved.
本実施例に係る電極触媒層が、上述したような第1の空孔と第2の空孔とを有する構造であることにより、排水性と保水機能とを高いレベルで得ることができる理由は必ずしも明らかではないが、第1の空孔により保水機能を維持したままで、第2の空孔により排水性を高めることができるためと考えられる。 The reason why the electrode catalyst layer according to the present embodiment has a structure having the first hole and the second hole as described above, so that drainage and water retention function can be obtained at a high level. Although not necessarily clear, it is considered that the drainage can be enhanced by the second hole while the water retaining function is maintained by the first hole.
また、本発明に従い、電極触媒層が、上述したような第1の空孔と第2の空孔とを有する構造であることは、フラッディングを防止することができるという効果もある。詳述すると、燃料電池の連続運転を行うと、触媒層中のカーボン材料の腐食により、触媒層の空孔が閉塞し、フラッディングによる性能低下を引き起こすおそれがある。このフラッディングの防止手段として、電極触媒層に水の排出性を高めるために結晶性炭素繊維を添加すること等がある。しかし、結晶性炭素繊維の添加等により水の排出性を高めると、フラッディングによる性能低下は防止可能であるものの、ドライ条件(低加湿)における性能低下が起きてしまう。 In addition, according to the present invention, the electrode catalyst layer having the structure having the first hole and the second hole as described above has an effect of preventing flooding. More specifically, when the fuel cell is continuously operated, the pores of the catalyst layer are blocked due to the corrosion of the carbon material in the catalyst layer, and there is a possibility that the performance is deteriorated due to flooding. As a means for preventing this flooding, there is a method of adding crystalline carbon fiber to the electrode catalyst layer in order to enhance the water discharging property. However, when the water discharging property is increased by adding crystalline carbon fiber or the like, the performance degradation due to flooding can be prevented, but the performance degradation under dry conditions (low humidification) occurs.
これに対して、本実施形態の電極触媒層は、上述した第1の空孔と第2の空孔とを有する構造であることにより、ドライ条件(低加湿)における性能低下を抑制しつつ排水性を高めることができる。したがって、連続運転中に触媒層の空孔が閉塞することを防止することができる。その結果、フラッディングによる性能低下を抑えることができる。 On the other hand, the electrode catalyst layer of the present embodiment has a structure having the first hole and the second hole described above, so that drainage can be performed while suppressing a decrease in performance under dry conditions (low humidification). Can increase the sex. Therefore, it is possible to prevent the pores of the catalyst layer from being blocked during the continuous operation. As a result, performance degradation due to flooding can be suppressed.
図2は、従来の電極触媒層及び本実施形態に係る電極触媒層の顕微鏡写真である。図2(a)に示す従来の電極触媒層は、添加剤としてノニオン系ポリマーを含んでいない例であって、写真中に示される触媒担持導電体粒子は、一次凝集体のみが形成されており、明度の暗い部分として示されている空孔は、空孔径が0.01〜0.1μmの範囲のものである。これに対して、図2(b)に示す本実施形態の電極触媒層は、添加剤としてノニオン系ポリマーを含む例であって、写真中に示される触媒担持導電体粒子は、一次凝集体ばかりでなく二次凝集体が形成されており、明度の暗い部分として示されている空孔は、空孔径が0.01〜0.1μmの範囲と、空孔径が0.1〜1μmの範囲のものがある。 FIG. 2 is a photomicrograph of the conventional electrode catalyst layer and the electrode catalyst layer according to this embodiment. The conventional electrode catalyst layer shown in FIG. 2 (a) is an example that does not contain a nonionic polymer as an additive, and the catalyst-carrying conductor particles shown in the photograph are formed only with primary aggregates. The pores shown as the dark portions have a pore diameter in the range of 0.01 to 0.1 μm. On the other hand, the electrode catalyst layer of this embodiment shown in FIG. 2B is an example containing a nonionic polymer as an additive, and the catalyst-supported conductor particles shown in the photograph are only primary aggregates. But the secondary agglomerates are formed and the pores shown as dark portions have a pore diameter in the range of 0.01 to 0.1 μm and a pore diameter in the range of 0.1 to 1 μm. There is something.
図3に、ノニオン系ポリマーを触媒スラリーの固形分に対する割合で0wt%、10wt%、20wt%及び30wt%で添加した場合のそれぞれについて、細孔分布をHgポロシメータにより測定した結果を示す。なお、図3の細孔分布において、細孔径が1μmを超えるものは、ノイズや表面疵やクラックを検出したものであって、電極触媒層中に含まれる空孔を示すものではない。 FIG. 3 shows the results obtained by measuring the pore distribution with a Hg porosimeter when the nonionic polymer was added at a ratio of 0 wt%, 10 wt%, 20 wt% and 30 wt% with respect to the solid content of the catalyst slurry. In the pore distribution of FIG. 3, those having a pore diameter exceeding 1 μm are those in which noise, surface flaws and cracks have been detected, and do not indicate pores contained in the electrode catalyst layer.
図3に示されるように、ノニオン系ポリマーの添加量が0wt%の場合の細孔分布曲線は、細孔径が0.01〜0.1μmである範囲のみにピークを有する、単一ピーク曲線である。このピーク値の細孔径は約0.03μmである。 As shown in FIG. 3, the pore distribution curve when the addition amount of the nonionic polymer is 0 wt% is a single peak curve having a peak only in a range where the pore diameter is 0.01 to 0.1 μm. is there. The pore diameter at this peak value is about 0.03 μm.
これに対して、ノニオン系ポリマーを10wt%添加した場合の細孔分布曲線は、細孔径0.01〜0.1μmの範囲に第1のピークを有し、細孔径0.1〜1μmの範囲に、第2のピークを有している。この細孔径が0.01〜0.1μmである範囲のピークは、添加量が0wt%の場合と比較すると、細孔径の大きい側にシフトしている。このピーク値の細孔径は約0.05μmである。また、細孔径が0.1〜1μmの範囲に、新たに見られる細孔ピークは約0.5μmである。 On the other hand, the pore distribution curve when 10 wt% of the nonionic polymer is added has a first peak in the pore diameter range of 0.01 to 0.1 μm and the pore diameter range of 0.1 to 1 μm. And has a second peak. The peak in the range where the pore diameter is 0.01 to 0.1 μm is shifted to the larger pore diameter side as compared with the case where the addition amount is 0 wt%. The pore diameter at this peak value is about 0.05 μm. Moreover, the pore peak newly seen in the range whose pore diameter is 0.1-1 micrometer is about 0.5 micrometer.
この細孔径0.05μmの第1のピークは、図1の一次凝集体A1の空孔V1に当たり、細孔径0.5μmの第2のピークは、図1の二次凝集体A2の空孔V2に相当すると考えられる。 The first peak with a pore size of 0.05 μm corresponds to the pores V1 of the primary aggregate A1 in FIG. 1, and the second peak with a pore size of 0.5 μm is the pores V2 of the secondary aggregate A2 in FIG. It is thought that it corresponds to.
また、ノニオン系ポリマーを20wt%添加した場合の細孔分布曲線は、ノニオン系ポリマーを10wt%添加した場合と同様に、細孔径0.01〜0.1μmの範囲である細孔径約0.05μmに第1のピークを有するとともに、細孔径0.1〜1μmの範囲である0.5μmに、第2のピークを有している。そのため、図1の一次凝集体A1の空孔V1及び二次凝集体A2の空孔V2を具備していると考えられる。 Further, the pore distribution curve when 20 wt% of the nonionic polymer is added is the same as when the nonionic polymer is added by 10 wt%, and the pore diameter is in the range of 0.01 to 0.1 μm. And a second peak at 0.5 μm which is a pore diameter range of 0.1 to 1 μm. Therefore, it is thought that it has the hole V1 of the primary aggregate A1 of FIG. 1, and the hole V2 of the secondary aggregate A2.
更に、ノニオン系ポリマーを30wt%添加した場合の細孔分布曲線は、細孔径0.01〜0.1μmの範囲である細孔径約0.04μmに第1のピークを有する単一ピーク曲線となっている。細孔径0.1〜1μmの範囲の第2のピークは消失している。これは、ノニオン系ポリマーが過剰であったため、細孔を閉塞しているためと考えられる。 Furthermore, the pore distribution curve when 30 wt% of the nonionic polymer is added is a single peak curve having a first peak at a pore diameter of about 0.04 μm, which is in the range of 0.01 to 0.1 μm. ing. The second peak in the pore size range of 0.1 to 1 μm has disappeared. This is presumably because the nonionic polymer was excessive and closed the pores.
細孔径0.01〜0.1μmの範囲のピークが細孔径0.05μm近傍であり、細孔径0.1〜1μmの範囲のピークが細孔径0.5μm近傍であることが好ましい。第1の空孔及び第2の空孔が、それぞれ細孔径で0.05μm近傍、0.5μm近傍であることにより、本発明の効果を効果的に得ることができる。 The peak in the range of the pore diameter of 0.01 to 0.1 μm is preferably near the pore diameter of 0.05 μm, and the peak in the range of the pore diameter of 0.1 to 1 μm is preferably around the pore diameter of 0.5 μm. The effects of the present invention can be effectively obtained when the first holes and the second holes are in the vicinity of 0.05 μm and 0.5 μm, respectively, in terms of pore diameter.
このような、第1の空孔と第2の空孔とを有する構造は、ノニオン系ポリマーを電極触媒層中に含むことにより得られる。このノニオン系ポリマーの作用については必ずしも明らかではないが、電極触媒層中にノニオン系ポリマーを添加することにより、ノニオン系ポリマーは触媒担持導電体粒子の一次凝集体間を架橋する。このことにより、電極触媒層は架橋構造となり、二次凝集体の空隙が形成されるものと考えられる。 Such a structure having the first hole and the second hole can be obtained by including a nonionic polymer in the electrode catalyst layer. Although the action of the nonionic polymer is not necessarily clear, the nonionic polymer crosslinks between the primary aggregates of the catalyst-carrying conductive particles by adding the nonionic polymer to the electrode catalyst layer. As a result, it is considered that the electrode catalyst layer has a crosslinked structure, and voids of secondary aggregates are formed.
ノニオン系ポリマーは、ポリエーテル系、ポリアミド系、ポリウレタン系、ポリアクリル酸系などから、適宜選択することができる。 The nonionic polymer can be appropriately selected from polyether, polyamide, polyurethane, polyacrylic acid and the like.
ノニオン系ポリマーの添加量は、触媒スラリー固形分に対して5〜20wt%の範囲とすることが好ましい。添加量が5wt%に満たないと、ノニオン系ポリマーの添加効果に乏しいことから、第2の空孔の形成が困難である。また、添加量が20wt%を超えると、過剰なノニオン系ポリマーにより細孔が閉塞されるために、却って第2の空孔の形成が困難であり、触媒層の排水性が悪化する。 The addition amount of the nonionic polymer is preferably in the range of 5 to 20 wt% with respect to the catalyst slurry solid content. If the addition amount is less than 5 wt%, it is difficult to form the second vacancy because the effect of adding the nonionic polymer is poor. On the other hand, when the addition amount exceeds 20 wt%, the pores are blocked by excess nonionic polymer, so that it is difficult to form the second pores, and the drainage of the catalyst layer is deteriorated.
本発明の電極触媒層において、触媒粒子の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状及び大きさのものが使用できる。触媒粒子の平均粒子径は、小さいほど電気化学反応が進行する有効電極面積が増加するため触媒活性も高くなり好ましいが、実際には平均粒子径が小さ過ぎる却って触媒活性が低下する現象が見られる。したがって、触媒粒子の平均粒子径は、1.5〜15nm、より好ましくは2〜10nm、さらにより好ましくは2〜5nmであることが好ましい。担持の容易さという観点から1.5nm以上であることが好ましく、触媒利用率の観点から15nm以下であることが好ましい。なお、触媒粒子の平均粒径は、X線回折における触媒粒子の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径又は透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒粒子の粒子径の平均値により測定することができる。 In the electrode catalyst layer of the present invention, the shape and size of the catalyst particles are not particularly limited, and those having the same shape and size as known catalyst components can be used. The smaller the average particle size of the catalyst particles, the higher the catalytic activity because the effective electrode area in which the electrochemical reaction proceeds increases. However, in practice, a phenomenon in which the catalytic activity decreases due to the fact that the average particle size is too small is seen. . Therefore, the average particle diameter of the catalyst particles is preferably 1.5 to 15 nm, more preferably 2 to 10 nm, and even more preferably 2 to 5 nm. The thickness is preferably 1.5 nm or more from the viewpoint of easy loading, and is preferably 15 nm or less from the viewpoint of catalyst utilization. The average particle size of the catalyst particles can be measured by the crystallite size obtained from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst particles in X-ray diffraction or the average value of the particle size of the catalyst particles determined from a transmission electron microscope image. it can.
触媒粒子の材料は、カソード触媒層においては酸素の還元反応に触媒作用を有するものであればよく、アノード触媒層においては水素の酸化反応に触媒作用を有するものであればよい。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。白金を含む合金の場合、合金化する金属の種類にもよるが、白金が30〜90原子%、合金化する金属が10〜70原子%とするのがよい。 The material of the catalyst particles may be any material as long as it has a catalytic action on the oxygen reduction reaction in the cathode catalyst layer, and may have any catalytic action on the hydrogen oxidation reaction in the anode catalyst layer. Specifically, it is selected from platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum and the like, and alloys thereof. Is done. Among these, those containing at least platinum are preferably used in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance, and the like. In the case of an alloy containing platinum, depending on the type of metal to be alloyed, platinum is preferably 30 to 90 atomic%, and the metal to be alloyed is preferably 10 to 70 atomic%.
電極触媒層の導電性粒子は、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよい。導電性粒子の比表面積は、好ましくは20〜1000m2/g、より好ましくは80〜800m2/gとするのがよい。比表面積が20m2/g以上であることにより導電性担体上の触媒粒子及び電解質ポリマーの分散性が低下せず十分な発電性能が得られ、また、比表面積が1000m2/g以下であることにより比表面積の増大に伴う触媒粒子及び電解質ポリマーの有効利用率の低下が避けられる。 The electroconductive particles of the electrode catalyst layer may have any specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersion state and have sufficient electronic conductivity as a current collector. The specific surface area of the conductive particles is preferably 20 to 1000 m 2 / g, more preferably 80 to 800 m 2 / g. When the specific surface area is 20 m 2 / g or more, the dispersibility of the catalyst particles and the electrolyte polymer on the conductive support is not lowered, and sufficient power generation performance is obtained, and the specific surface area is 1000 m 2 / g or less. Thus, a decrease in the effective utilization rate of the catalyst particles and the electrolyte polymer accompanying an increase in the specific surface area can be avoided.
導電性粒子は、カーボン又は主成分がカーボンであるものが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。燃料電池の特性を向上させるために、必要に応じて、導電性粒子に炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。また、2〜3質量%程度以下の不純物の混入は許容される。 The conductive particles are preferably carbon or those whose main component is carbon. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. In order to improve the characteristics of the fuel cell, the conductive particles may contain elements other than carbon atoms as necessary. Moreover, mixing of impurities of about 2 to 3% by mass or less is allowed.
また、導電性粒子の大きさは、特に限定されないが、触媒粒子の担持の容易さ、触媒利用率、電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御する等の観点からは、平均粒子径が5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするのがよい。 Further, the size of the conductive particles is not particularly limited, but the average particle diameter is 5 from the viewpoint of controlling the ease of loading of the catalyst particles, the catalyst utilization, and the thickness of the electrode catalyst layer within an appropriate range. It is preferable to set the thickness to about 200 nm, preferably about 10 to 100 nm.
導電性粒子に触媒粒子が担持された触媒担持導電体粒子における、触媒粒子の担持量は、触媒担持導電体粒子よりなる電極触媒の全量に対して、好ましくは10〜75質量%、より好ましくは20〜50質量%とするのがよい。触媒粒子の担持量が75質量%以下であることにより、導電性粒子上での触媒成分の十分な分散性が得られ、高い発電性能が得られる。担持量が10質量%以上であることにより、単位質量当たりの触媒活性が低下することなく所望の発電性能を得るために多量の電極触媒を要しない。なお、触媒粒子の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって調べることができる。 In the catalyst-supported conductor particles in which the catalyst particles are supported on the conductive particles, the supported amount of the catalyst particles is preferably 10 to 75% by mass, more preferably based on the total amount of the electrode catalyst composed of the catalyst-supported conductor particles. It is good to set it as 20-50 mass%. When the supported amount of the catalyst particles is 75% by mass or less, sufficient dispersibility of the catalyst component on the conductive particles can be obtained, and high power generation performance can be obtained. When the loading amount is 10% by mass or more, a large amount of electrode catalyst is not required to obtain a desired power generation performance without reducing the catalytic activity per unit mass. The amount of catalyst particles supported can be examined by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).
電極触媒層に含まれる電解質ポリマー(高分子電解質)としては、特に限定されず公知のものを用いることができるが、少なくともプロトン伝導性を有するのが好ましい。プロトン伝導性を有する高分子電解質を用いることにより、高い発電性能を有する電極触媒層が得られる。使用できる高分子電解質は、ポリマー骨格の全部又は一部がフッ素化されたフッ素系ポリマーであってイオン交換基を備えた高分子電解質、または、ポリマー骨格にフッ素を含まない炭化水素系ポリマーであってイオン交換基を備えた高分子電解質、などが挙げられる。 The electrolyte polymer (polymer electrolyte) contained in the electrode catalyst layer is not particularly limited, and a known one can be used, but preferably has at least proton conductivity. By using a polymer electrolyte having proton conductivity, an electrode catalyst layer having high power generation performance can be obtained. The polyelectrolyte that can be used is a fluorinated polymer in which all or part of the polymer skeleton is fluorinated and has an ion-exchange group, or a hydrocarbon polymer that does not contain fluorine in the polymer skeleton. And polymer electrolytes having ion exchange groups.
高分子電解質のイオン交換基としては、特に制限されないが、−SO3H、−COOH、−PO(OH)2、−POH(OH)、−SO2NHSO2−、−Ph(OH)(Phはフェニル基を表す)等の陽イオン交換基、−NH2、−NHR、−NRR’、−NRR’R’’+、−NH3 +等(R、R’、R’’は、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基等を表す)等の陰イオン交換基などが挙げられる。 The ion-exchange groups of the polymer electrolyte is not specifically limited, -SO3H, -COOH, -PO (OH ) 2, -POH (OH), - SO 2 NHSO 2 -, - Ph (OH) (Ph represents a phenyl A cation exchange group such as —NH 2 , —NHR, —NRR ′, —NRR′R ″ +, —NH 3 + and the like (R, R ′, R ″ are alkyl groups, cyclo Anion exchange group such as an alkyl group and an aryl group).
フッ素系ポリマーであってイオン交換基を備えた高分子電解質として、具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン−g−ポリスチレンスルホン酸系ポリマー、ポリフッ化ビニリデン−g−ポリスチレンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。 Specific examples of polymer electrolytes that are fluoropolymers and have ion exchange groups include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, Asahi Glass). Perfluorocarbon sulfonic acid polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylenetetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, Suitable examples include ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polytetrafluoroethylene-g-polystyrene sulfonic acid polymer, and polyvinylidene fluoride-g-polystyrene sulfonic acid polymer.
また、炭化水素系ポリマーであってイオン交換基を備えた高分子電解質として、具体的には、ポリサルホンスルホン酸系ポリマー、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸系ポリマー、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸系ポリマー、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸系ポリマー、架橋ポリスチレンスルホン酸系ポリマー、ポリエーテルサルホンスルホン酸系ポリマー等が好適な一例として挙げられる。 In addition, as a polymer electrolyte that is a hydrocarbon polymer and has an ion exchange group, specifically, a polysulfone sulfonic acid polymer, a polyether ether ketone sulfonic acid polymer, a polybenzimidazole alkyl sulfonic acid polymer, Preferred examples include benzimidazole alkylphosphonic acid polymers, cross-linked polystyrene sulfonic acid polymers, polyethersulfone sulfonic acid polymers, and the like.
上掲した高分子電解質のなかでも、フッ素系ポリマーであってイオン交換基を備えた高分子電解質は、高いイオン交換能を有し、化学的耐久性・力学的耐久性、などに優れることから好ましく、特に、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。 Among the polymer electrolytes listed above, polymer electrolytes that are fluorinated polymers and have ion exchange groups have high ion exchange ability, and are excellent in chemical durability and mechanical durability. Particularly preferred are fluorine-based electrolytes such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.).
電極触媒層に含まれる高分子電解質の含有量は、電解質抵抗値を所望の値とする観点からは、電極触媒層を構成する成分の全質量、すなわち、電極触媒の質量と高分子電解質の質量との総和に対して、好ましくは0.15〜0.45質量%、より好ましくは0.25〜0.40質量%とするのがよい。高分子電解質の含有量が、0.15質量%以上であれば触媒層中に高分子電解質を均一に保持できる効果が得られ、0.45質量%以下であれば反応ガスの十分な拡散性を得られる。 From the viewpoint of setting the electrolyte resistance value to a desired value, the content of the polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer is the total mass of the components constituting the electrode catalyst layer, that is, the mass of the electrode catalyst and the mass of the polymer electrolyte. Is preferably 0.15 to 0.45% by mass, and more preferably 0.25 to 0.40% by mass. If the content of the polymer electrolyte is 0.15% by mass or more, an effect of uniformly holding the polymer electrolyte in the catalyst layer is obtained, and if it is 0.45% by mass or less, sufficient diffusibility of the reaction gas is obtained. Can be obtained.
電極触媒層の厚さは、外部から供給されるガスの拡散性及び膜電極接合体の発電性能を考慮すると、好ましくは1〜25μm、より好ましくは2〜20μm、特に好ましくは5〜10μmとするのがよい。電極触媒層の厚さが、1μm以上であれば面方向及び厚さ方向ともに均一な厚さを有する電極触媒層を容易に形成することができ、25μm以下であれば電極触媒層内に水分が停留することにより生じるフラッディング現象を抑制することができる。なお、電極触媒層の厚さは、透過型電子顕微鏡の観察結果により測定することができる。 The thickness of the electrode catalyst layer is preferably 1 to 25 μm, more preferably 2 to 20 μm, and particularly preferably 5 to 10 μm, considering the diffusibility of the gas supplied from the outside and the power generation performance of the membrane electrode assembly. It is good. If the thickness of the electrode catalyst layer is 1 μm or more, an electrode catalyst layer having a uniform thickness in both the surface direction and the thickness direction can be easily formed. If the thickness is 25 μm or less, moisture is contained in the electrode catalyst layer. A flooding phenomenon caused by stopping can be suppressed. In addition, the thickness of an electrode catalyst layer can be measured with the observation result of a transmission electron microscope.
次に、本発明の実施形態に係る電極触媒層の製造方法を説明する。本発明の実施形態に係る電極触媒層の製造方法においては、触媒粒子を担持した触媒担持導電体粉末と、電解質溶液と、溶媒とを、撹拌混合して触媒スラリーを作成し、この触媒スラリーを塗布後に乾燥させて電極触媒層を形成するに当たり、この触媒スラリーにノニオン系ポリマーを添加する。 Next, a method for producing an electrode catalyst layer according to an embodiment of the present invention will be described. In the method for producing an electrode catalyst layer according to an embodiment of the present invention, a catalyst-carrying conductor powder carrying catalyst particles, an electrolyte solution, and a solvent are stirred and mixed to prepare a catalyst slurry. In forming an electrode catalyst layer by drying after coating, a nonionic polymer is added to the catalyst slurry.
図4は、本発明の電極触媒層の製造方法の一例を説明するフロー図である。図4において、まず、触媒担持導電性粒子よりなる電極触媒の粉末21と、高分子電解質の溶液22と、ノニオン系ポリマー23と、溶媒24としての例えばn−プロピルアルコールとをそれぞれ準備する。次に、これらの触媒粉末21、電解質溶液22及び溶媒24を混合し、分散機、例えばビーズミルによって分散する(ステップS1)。分散することにより触媒インクが得られる。 FIG. 4 is a flowchart for explaining an example of the method for producing the electrode catalyst layer of the present invention. 4, first, an electrode catalyst powder 21 made of catalyst-supporting conductive particles, a polymer electrolyte solution 22, a nonionic polymer 23, and n-propyl alcohol as a solvent 24, for example, are prepared. Next, the catalyst powder 21, the electrolyte solution 22 and the solvent 24 are mixed and dispersed by a disperser, for example, a bead mill (step S1). A catalyst ink is obtained by dispersing.
得られた触媒インクに、ノニオン系ポリマー23を添加し、撹拌混合する(ステップS2)。ノニオン系ポリマーは、ポリエーテル系、ポリアミド系、ポリウレタン系、ポリアクリル酸系などから、適宜選択することができる。また、ノニオン系ポリマーの添加量は、触媒スラリー固形分に対して5〜20wt%の範囲とすることが好ましい。5wt%以上で添加することにより、ノニオン系ポリマーの添加効果により第2の空孔が確実に形成され、排水性が向上する。また、20wt%以下で添加することにより、過剰なノニオン系ポリマーによる細孔の閉塞を回避でき、第2の空孔が確実に形成され、排水性が向上する。このようなノニオン系ポリマーを触媒インクに添加後の撹拌混合により触媒スラリーが得られる。 The nonionic polymer 23 is added to the obtained catalyst ink and mixed with stirring (step S2). The nonionic polymer can be appropriately selected from polyether, polyamide, polyurethane, polyacrylic acid and the like. Moreover, it is preferable to make the addition amount of a nonionic polymer into the range of 5-20 wt% with respect to catalyst slurry solid content. By adding 5 wt% or more, the second hole is reliably formed due to the addition effect of the nonionic polymer, and drainage performance is improved. Moreover, by adding at 20 wt% or less, the blockage | closure of the pore by an excess nonionic polymer can be avoided, a 2nd void | hole is formed reliably, and drainage property improves. A catalyst slurry is obtained by stirring and mixing after adding such a nonionic polymer to the catalyst ink.
得られた触媒スラリーを、燃料電池を構成する膜電極接合体の部材である固体高分子電解質膜上又はガス拡散層上に塗布した後、乾燥させる。この乾燥により、触媒スラリー中の溶媒が蒸発し、本発明に従う所望の空孔が形成した状態で固化した電極触媒層が得られる。 The obtained catalyst slurry is applied onto a solid polymer electrolyte membrane or gas diffusion layer, which is a member of a membrane electrode assembly constituting a fuel cell, and then dried. By this drying, the solvent in the catalyst slurry evaporates, and an electrode catalyst layer solidified in a state where desired pores according to the present invention are formed is obtained.
上述した本発明の電極触媒層を用いた膜電極接合体は、本発明の電極触媒層の効果を具備し、排水性と保水機能とを高いレベルで有していて、高加湿条件下、低加湿条件下の両条件下における発電特性を向上させることができる。また、フラッディングによる性能低下が少なく、長期間の繰り返し使用を可能とする。 The membrane electrode assembly using the electrode catalyst layer of the present invention described above has the effect of the electrode catalyst layer of the present invention, has a high level of drainage and water retention function, and is low under high humidification conditions. The power generation characteristics under both humidification conditions can be improved. In addition, there is little performance degradation due to flooding, and long-term repeated use is possible.
また、本発明の電極触媒層を用いた膜電極接合体を備える燃料電池は、燃料電池として使用したときの排水性と保水機能とを高いレベルで有していて、高加湿条件下、低加湿条件下の両条件下における発電特性を向上させることができる。また、フラッディングによる性能低下が少なく、長期間の繰り返し使用を可能とする。 In addition, a fuel cell comprising a membrane electrode assembly using the electrode catalyst layer of the present invention has a high level of drainage and water retention when used as a fuel cell, and is highly humidified under low humidification conditions. The power generation characteristics under both conditions can be improved. In addition, there is little performance degradation due to flooding, and long-term repeated use is possible.
本発明の電極触媒層を用いた膜電極接合体を備える燃料電池の一例を、燃料電池スタックの斜視図で図5に示し、この燃料電池スタックの要部の展開図を図6に示す。図5に示す燃料電池スタック30は、図6に示すように単位セル40を複数積層したコンプレックスセルの両端にエンドフランジ51A、51Cを配設して、これらのエンドフランジ51A、51Cの外周部の間に掛け渡された締結ボルト52によってコンプレックスセルを固定して構成される。 An example of a fuel cell provided with a membrane electrode assembly using the electrode catalyst layer of the present invention is shown in FIG. 5 in a perspective view of the fuel cell stack, and a developed view of the main part of the fuel cell stack is shown in FIG. As shown in FIG. 6, the fuel cell stack 30 shown in FIG. 5 has end flanges 51A and 51C disposed at both ends of a complex cell in which a plurality of unit cells 40 are stacked, and the outer peripheral portions of these end flanges 51A and 51C. The complex cell is fixed by fastening bolts 52 suspended between them.
単位セル40は、膜電極接合体41と、この膜電極接合体41の両側に配設されたアノード側セパレータ401A及びカソード側セパレータ401Cとにより構成される。 The unit cell 40 includes a membrane electrode assembly 41 and an anode side separator 401A and a cathode side separator 401C disposed on both sides of the membrane electrode assembly 41.
単位セル40の模式的な断面図を図7に示す。単位セル40を構成する膜電極接合体41は、固体高分子電解質膜42の両側に、アノード43Aとカソード43Cとを配設してなる。アノード43Aは、固体高分子電解質膜42に近い側から順に、電極触媒層44Aとガス拡散層45Aとを隣接させた構造であり、カソード43Cも同様に、固体高分子電解質膜42に近い側から順に、電極触媒層44Cとガス拡散層45Cとを隣接させた構造である。 A schematic cross-sectional view of the unit cell 40 is shown in FIG. The membrane electrode assembly 41 constituting the unit cell 40 is formed by disposing an anode 43A and a cathode 43C on both sides of a solid polymer electrolyte membrane. The anode 43A has a structure in which the electrode catalyst layer 44A and the gas diffusion layer 45A are adjacent to each other in order from the side closer to the solid polymer electrolyte membrane 42, and the cathode 43C is similarly from the side closer to the solid polymer electrolyte membrane 42. In this order, the electrode catalyst layer 44C and the gas diffusion layer 45C are adjacent to each other.
本発明の電極触媒層は、膜電極接合体41において、アノード側の電極触媒層44A及びカソード側の電極触媒層44Cのうち、カソード側の電極触媒層44Cに用いる。 In the membrane electrode assembly 41, the electrode catalyst layer of the present invention is used for the cathode-side electrode catalyst layer 44C among the anode-side electrode catalyst layer 44A and the cathode-side electrode catalyst layer 44C.
本発明の膜電極接合体の構成は、本発明の電極触媒層を用いる以外は特に制限されず、公知の膜電極接合体と同様とすることができる。 The structure of the membrane electrode assembly of the present invention is not particularly limited except that the electrode catalyst layer of the present invention is used, and can be the same as that of a known membrane electrode assembly.
例えば、本発明の膜電極接合体に用いられる固体高分子電解質膜としては、特に限定されず、プロトン伝導性を有する電解質からなる膜が挙げられる。例えば、デュポン社製の各種のナフィオン(デュポン社登録商標)やフレミオンに代表されるパーフルオロスルホン酸膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質膜や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜など、一般的に市販されている高分子電解質膜、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などから形成された高分子微多孔膜にリン酸やイオン性液体等などの液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。固体高分子電解質膜に用いられる電解質と、各電極触媒層に用いられる高分子電解質とは、同じ材料であってもよいし、異なっていてもよい。 For example, the solid polymer electrolyte membrane used in the membrane electrode assembly of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a membrane made of an electrolyte having proton conductivity. For example, various Nafion (registered trademark of DuPont) manufactured by DuPont and perfluorosulfonic acid membranes represented by Flemion, ion exchange resins manufactured by Dow Chemical Co., ethylene-tetrafluoroethylene copolymer resin membrane, trifluoro Fluoropolymer electrolyte membranes such as resin membranes based on styrene, hydrocarbon resin membranes having sulfonic acid groups, and other commercially available polymer electrolyte membranes, polytetrafluoroethylene (PTFE) Using a membrane made by impregnating a microporous polymer membrane made of polyvinylidene fluoride (PVDF) with a liquid electrolyte such as phosphoric acid or ionic liquid, or a membrane filled with a polymer electrolyte in a porous body May be. The electrolyte used for the solid polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte used for each electrode catalyst layer may be the same material or different.
固体高分子電解質膜の厚みとしては、得られる膜電極接合体の特性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは5〜300μm、より好ましくは10〜200μm、特に好ましくは15〜100μmである。製膜時の強度や作動時の耐久性の観点から5μm以上であることが好ましく、作動時の出力特性の観点から300μm以下であることが好ましい。 The thickness of the solid polymer electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained membrane / electrode assembly, but is preferably 5 to 300 μm, more preferably 10 to 200 μm, and particularly preferably 15 to 100 μm. . From the viewpoint of strength during film formation and durability during operation, it is preferably 5 μm or more, and from the viewpoint of output characteristics during operation, it is preferably 300 μm or less.
ガス拡散層は、特に限定されず公知のものが同様にして使用でき、例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状のガス拡散基材からなるものなどが挙げられる。 The gas diffusion layer is not particularly limited, and a known one can be used in the same manner. For example, a sheet-like gas diffusion base material having conductivity and porosity, such as carbon woven fabric, paper-like paper body, felt, and non-woven fabric. The thing which consists of.
電極触媒層に隣接されるガス拡散基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。厚さが、30μm未満であると十分な機械的強度などが得られないおそれがあり、500μmを超えるとガスや水などが透過する距離が長くなり望ましくない。 The thickness of the gas diffusion substrate adjacent to the electrode catalyst layer may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm. If the thickness is less than 30 μm, sufficient mechanical strength or the like may not be obtained. If the thickness exceeds 500 μm, the distance through which gas or water permeates is undesirably increased.
ガス拡散基材には、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことを目的として、撥水剤を含む場合もある。撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。 The gas diffusion base material may contain a water repellent for the purpose of further improving water repellency and preventing flooding. Although it does not specifically limit as a water repellent, Fluorine type high things, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), are included. Examples thereof include molecular materials, polypropylene, and polyethylene.
また、撥水性をより向上させたガス拡散層の構造として、ガス拡散層は、ガス拡散基材上に撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層を有するものであってもよい。そのカーボン粒子としては、特に限定されず、カーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などの従来一般的なものであればよい。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく挙げられる。このカーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、ガス拡散基材に用いられる上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられる。カーボン粒子層におけるカーボン粒子と、撥水剤との混合比は、カーボン粒子が多過ぎると期待するほど撥水性が得られない恐れがあり、撥水剤が多過ぎると十分な電子伝導性が得られない恐れがある。これらを考慮して、カーボン層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、質量比で、90:10〜40:60程度とするのがよい。カーボン粒子層の厚さは、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは10〜1000μm、より好ましくは50〜500μmとするのがよい。 Further, as the structure of the gas diffusion layer with improved water repellency, the gas diffusion layer may have a carbon particle layer made of an aggregate of carbon particles containing a water repellent on the gas diffusion substrate. . The carbon particles are not particularly limited, and may be conventional ones such as carbon black, graphite, and expanded graphite. Of these, carbon blacks such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black are preferred because of their excellent electron conductivity and large specific surface area. Examples of the water repellent used for the carbon particle layer include the same water repellents as those described above used for the gas diffusion base material. Of these, fluorine-based polymer materials are preferably used because of their excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reaction. The mixing ratio between the carbon particles and the water repellent in the carbon particle layer may result in insufficient water repellency as expected if there are too many carbon particles. If there are too many water repellents, sufficient electron conductivity will be obtained. There is a fear that it is not possible. Considering these, the mixing ratio of the carbon particles and the water repellent in the carbon layer is preferably about 90:10 to 40:60 in terms of mass ratio. The thickness of the carbon particle layer may be appropriately determined in consideration of the water repellency of the obtained gas diffusion layer, but is preferably 10 to 1000 μm, more preferably 50 to 500 μm.
以上述べた膜電極接合体を備える本発明の燃料電池の構成としては、本発明の膜電極接合体を用いる以外は、従来公知の燃料電池と同様の構成を有していればよい。 The configuration of the fuel cell of the present invention provided with the membrane electrode assembly described above may have the same configuration as a conventionally known fuel cell except that the membrane electrode assembly of the present invention is used.
具体的には、膜電極接合体を挟んで設けるアノード側セパレータ及びカソード側セパレータとしては、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、従来公知のものであれば制限なく用いることができる。セパレータは、燃料と酸化剤ガスとを分離する機能を有するものであり、それらの流路を確保するための蛇行状または直線状などの形状を有するガス流路が形成されてもよい。セパレータの厚さや大きさ、ガス流路の形状などについては、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。 Specifically, the anode-side separator and the cathode-side separator provided with the membrane electrode assembly interposed therebetween may be those conventionally known, such as those made of carbon such as dense carbon graphite and carbon plate, and those made of metal such as stainless steel. Can be used without limitation. The separator has a function of separating the fuel and the oxidant gas, and a gas flow path having a meandering shape or a linear shape for securing the flow paths may be formed. The thickness and size of the separator, the shape of the gas flow path, and the like are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of the obtained fuel cell.
更に、単位セルの形状や燃料電池スタックの形状、スタック数などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。 Furthermore, the shape of the unit cell, the shape of the fuel cell stack, the number of stacks, and the like are not particularly limited, and may be determined as appropriate so as to obtain battery characteristics such as a desired voltage.
以下、さらに具体的に実施例を用いて説明するが、例示した実施例に限定されない。 Hereinafter, although it demonstrates using an Example more concretely, it is not limited to the illustrated Example.
(排水性、保水機能評価)
1.電極触媒粉末の調製
カーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックEC)を、熱処理することにより、黒鉛化処理されたカーボンブラック(黒鉛化処理ケッチェンブラックEC、BET表面積:130m2/g)を得た。この黒鉛化処理されたケッチェンブラック4.0gに、ジニトロジアンミン白金水溶液(Pt濃度1.0%)400gを加えて1時間撹拌した。さらに、還元剤として蟻酸50gを混合し、1時間攪拌した。その後、30分で40℃まで加温し、40℃で6時間撹拌した。30分で60℃まで加温し、さらに、60℃で6時間撹拌した後、1時間で室温まで降温した。沈殿物を濾過した後、得られた固形物を減圧下85℃において12時間乾燥し、乳鉢で粉砕し、電極触媒(Pt粒子の平均粒径4.8nm、Pt担持濃度50質量%)の粉末を得た。
(Evaluation of drainage and water retention function)
1. Preparation of Electrocatalyst Powder Carbon black (Ketjen Black EC manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd.) was subjected to heat treatment to graphitize carbon black (graphitized Ketjen Black EC, BET surface area: 130 m 2 / g ) To 4.0 g of this graphitized ketjen black, 400 g of a dinitrodiammine platinum aqueous solution (Pt concentration: 1.0%) was added and stirred for 1 hour. Further, 50 g of formic acid as a reducing agent was mixed and stirred for 1 hour. Then, it heated up to 40 degreeC in 30 minutes, and stirred at 40 degreeC for 6 hours. The mixture was heated to 60 ° C. in 30 minutes, further stirred at 60 ° C. for 6 hours, and then cooled to room temperature in 1 hour. After filtering the precipitate, the obtained solid was dried under reduced pressure at 85 ° C. for 12 hours, pulverized in a mortar, and a powder of an electrode catalyst (average particle diameter of Pt particles 4.8 nm, Pt support concentration 50% by mass) Got.
2.電極触媒層の作製
電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにプロトン伝導性高分子電解質を含む溶液(DuPont社製20%Nafion(登録商標)含有)を加えて混合スラリー(触媒層インク)を得た。溶液中の高分子電解質の含有量は、アノード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Carbon/Ionomer=1.0/0.9である。
2. Preparation of electrode catalyst layer 5 times the amount of purified water was added to the mass of the electrode catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol is added, and further a solution containing a proton conductive polymer electrolyte (containing 20% Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont) is added to form a mixed slurry (catalyst layer ink). Obtained. The content of the polymer electrolyte in the solution is such that the solid content mass ratio with respect to the carbon mass of the anode electrode catalyst is Carbon / Ionomer = 1.0 / 0.9.
得られた混合スラリーをビーズミルを用いてよく分散させた後、スラリー固形分に対して、ノニオン系高分子ポリマーを0wt%、10wt%及び30wt%の3条件で添加し、遊星式攪拌機にてよく混合した後、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これを固体高分子電解質膜としてNafionNRE211(膜厚25μm)にアプリケーターを用いて、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを塗布し、90℃で1時間乾燥させた。形成される電極触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、塗布層は、Pt量が0.4mg/cm2(電極触媒層の平均厚みは10μm)となるように調整した。 After the obtained mixed slurry is well dispersed using a bead mill, nonionic polymer is added to the solid content of the slurry under three conditions of 0 wt%, 10 wt% and 30 wt%. After mixing, a catalyst slurry was prepared by adding a vacuum degassing operation. This was applied as a solid polymer electrolyte membrane to NafionNRE211 (film thickness 25 μm) using an applicator, and an amount of catalyst slurry corresponding to the desired thickness was applied and dried at 90 ° C. for 1 hour. The size of the electrode catalyst layer to be formed was 5 cm × 5 cm. The coating layer was adjusted so that the Pt amount was 0.4 mg / cm 2 (the average thickness of the electrode catalyst layer was 10 μm).
3.膜電極接合体(MEA)の性能評価
上記で得たMEAの両面に、ガス拡散電極としてE-TEK製 LT1200Nを使用し(大きさ6.0cm×5.5cm、)、ガス流路付きガスセパレータを配置し、さらに金メッキしたステンレス製集電板で挟持して、評価用単セルとした。
3. Performance Evaluation of Membrane Electrode Assembly (MEA) E-TEK LT1200N is used as a gas diffusion electrode on both sides of the MEA obtained above (size: 6.0 cm × 5.5 cm), and gas separator with gas flow path Was further sandwiched between gold-plated stainless steel current collector plates to form single cells for evaluation.
評価用単セルの、アノード側に燃料として水素を供給し、カソード側には酸化剤として空気を供給した。両ガスとも供給圧力は大気圧とし、水素は58.9℃および相対湿度40%、空気は71.4℃および相対湿度70%、セル温度は80℃に設定した。また、水素利用率は67%、空気利用率は67%とした。この条件下で、電流密度1.0A/cm2で発電させた際のセル電圧を初期セル電圧として測定した。 In the evaluation unit cell, hydrogen was supplied as a fuel to the anode side, and air was supplied as an oxidant to the cathode side. The supply pressure of both gases was atmospheric pressure, hydrogen was set to 58.9 ° C. and relative humidity 40%, air was set to 71.4 ° C. and relative humidity 70%, and the cell temperature was set to 80 ° C. The hydrogen utilization rate was 67% and the air utilization rate was 67%. Under this condition, the cell voltage when power was generated at a current density of 1.0 A / cm 2 was measured as the initial cell voltage.
続いて、アノード側の水素の相対湿度100%(81℃)環境下、カソード側の供給空気の相対湿度を20〜100%の範囲で種々に変化させ、各相対湿度にて10分間、電流密度1.0A/cm2で発電させた際のセル電圧を測定した。 Subsequently, in an environment where the relative humidity of hydrogen on the anode side is 100% (81 ° C.), the relative humidity of the supply air on the cathode side is variously changed in the range of 20 to 100%, and the current density is maintained at each relative humidity for 10 minutes. The cell voltage when power was generated at 1.0 A / cm 2 was measured.
4.発電評価
(1)IV特性:
加湿条件として、アノード側の水素の相対湿度が40%(RHa40)で、カソード側の空気の相対湿度が70%(RHc70)、反応ガス条件としてアノード側の水素のストイキ比(供給量/消費量)が1.5(SRa1.5(H2))で、カソード側の空気のストイキ比が1.5(SRc1.5(Air))、セル温度が80℃の条件下、電流密度を1.0A/cm2とした場合に対する1.2A/cm2とした場合の電圧降下量を調べた(%)。
4). Power generation evaluation (1) IV characteristics:
As the humidification conditions, the relative humidity of hydrogen on the anode side is 40% (RHa40), the relative humidity of air on the cathode side is 70% (RHc70), and the stoichiometric ratio of hydrogen on the anode side (supply / consumption) as the reaction gas condition ) Is 1.5 (SRa1.5 (H 2 )), the stoichiometric ratio of air on the cathode side is 1.5 (SRc1.5 (Air)), and the cell temperature is 80 ° C., the current density is 1. The amount of voltage drop in the case of 1.2 A / cm 2 relative to the case of 0 A / cm 2 was examined (%).
(2)相対湿度(RH)感度特性:
高加湿条件として、アノード側の水素の相対湿度が100%(RHa100)、反応ガス条件としてアノード側の水素のストイキ比が1.5(SRa1.5(H2))、カソード側の空気のストイキ比が1.5(SRc1.5(Air))、セル温度が80℃、電流密度が1.0A/cm2の条件下、カソード側の空気の相対湿度が60%(RHc60)である場合に対する相対湿度が90%(RHc90)である場合の電圧降下量を調べた(%)。
(2) Relative humidity (RH) sensitivity characteristics:
As high humidification conditions, the relative humidity of hydrogen on the anode side is 100% (RHa100), as the reaction gas conditions, the stoichiometric ratio of hydrogen on the anode side is 1.5 (SRa1.5 (H 2 )), and the stoichiometry of air on the cathode side For the case where the relative humidity of air on the cathode side is 60% (RHc60) under the conditions of the ratio of 1.5 (SRc1.5 (Air)), the cell temperature of 80 ° C., and the current density of 1.0 A / cm 2 The amount of voltage drop when the relative humidity was 90% (RHc90) was examined (%).
低加湿条件として、アノード側の水素の相対湿度が40%(RHa40)、反応ガス条件としてアノード側の水素のストイキ比が1.5(SRa1.5(H2))、カソード側の空気のストイキ比が1.5(SRc1.5(Air))、セル温度が80℃、電流密度が1.0A/cm2の条件下、カソード側の空気の相対湿度が60%(RHc60)である場合に対する相対湿度が30%(RHc30)である場合の電圧降下量を調べた(%)。 The relative humidity of hydrogen on the anode side is 40% (RHa40) as the low humidification condition, the stoichiometric ratio of hydrogen on the anode side is 1.5 (SRa1.5 (H 2 )) as the reaction gas condition, and the stoichiometry of the air on the cathode side For the case where the relative humidity of air on the cathode side is 60% (RHc60) under the conditions of the ratio of 1.5 (SRc1.5 (Air)), the cell temperature of 80 ° C., and the current density of 1.0 A / cm 2 The amount of voltage drop when the relative humidity was 30% (RHc30) was examined (%).
(3)評価結果
これらの結果を図8にグラフで示す。図8から分かるように、IV特性に関して、ノニオン系ポリマーを含まない(添加量0%)従来例と比べて、ノニオン系ポリマーを10wt%添加した例は、電圧降下量が同等であったが、ノニオン系ポリマーを30wt%添加した例は電圧降下量が増大した。
(3) Evaluation results These results are shown graphically in FIG. As can be seen from FIG. 8, regarding the IV characteristics, the voltage drop amount was the same in the example in which 10 wt% of the nonionic polymer was added compared to the conventional example in which the nonionic polymer was not included (addition amount 0%). In the example in which 30 wt% nonionic polymer was added, the voltage drop amount increased.
高加湿条件下での特性をみると、ノニオン系ポリマーを含まない(添加量0%)従来例の電圧降下量が11%であったのに対して、ノニオン系ポリマーを10wt%添加した例は、電圧降下量が7%であり、電圧降下が抑制されている。このことにより、ノニオン系ポリマーを10wt%添加した例は、従来例によりも排水性が向上していることが分かる。ノニオン系ポリマーを30wt%添加した例は、むしろ従来例よりも電圧降下量が増大した。 Looking at the characteristics under highly humidified conditions, the non-ionic polymer was not included (added amount 0%), whereas the voltage drop amount of the conventional example was 11%, while the nonionic polymer was added at 10 wt%. The amount of voltage drop is 7%, and the voltage drop is suppressed. This shows that the drainage performance of the example in which 10 wt% of the nonionic polymer is added is improved as compared with the conventional example. The example in which 30 wt% nonionic polymer was added increased the voltage drop rather than the conventional example.
低加湿条件下での特性をみると、ノニオン系ポリマーを含まない(添加量0%)従来例と比べて、ノニオン系ポリマーを10wt%添加した例は、電圧降下量が同等であった。このことにより、ノニオン系ポリマーを10wt%添加した例は、従来例と同等の保湿機能を維持していることが分かる。ノニオン系ポリマーを30wt%添加した例は電圧降下量が抑制された。つまり従来例によりも保湿機能が改善された。 Looking at the characteristics under low humidification conditions, the voltage drop amount was equal in the example in which 10 wt% of the nonionic polymer was added, compared to the conventional example in which the nonionic polymer was not included (added amount 0%). From this, it can be seen that the example in which 10 wt% of the nonionic polymer is added maintains the same moisture retention function as the conventional example. In the example in which 30 wt% of the nonionic polymer was added, the amount of voltage drop was suppressed. That is, the moisturizing function was improved as compared with the conventional example.
高加湿条件下での特性で表される電極触媒層の排水性と、低加湿条件下での特性で表される電極触媒層の適度な保湿性とは、一般に相反する関係がある。本発明に従い、ノニオン系ポリマーを10wt%添加した例は、電極触媒層が第1の空孔と第2の空孔という、大小2つの空孔構造を備えることから、従来品(添加量0%)と比べて低加湿条件下での特性を維持したうえで、高加湿条件下での特性で電圧低下量が低いことから、生成した水の良好な排水性と適度な保湿機能という背反する2つの事項を両立させることができた。 There is generally a contradictory relationship between the drainage of the electrode catalyst layer represented by the characteristics under high humidification conditions and the appropriate moisture retention of the electrode catalyst layer represented by the characteristics under low humidification conditions. According to the present invention, an example in which 10 wt% of a nonionic polymer is added is a conventional product (addition amount of 0%) because the electrode catalyst layer has two large and small hole structures, ie, a first hole and a second hole. Compared to), the characteristics under high humidification conditions are maintained and the voltage drop is low due to the characteristics under high humidification conditions. I was able to balance two matters.
図9は、ノニオン系ポリマーの添加量が0wt%、10wt%及び30wt%である電極触媒層のそれぞれについて、電解質抵抗、すなわち、触媒層中のプロトン伝導度を測定した結果をグラフで示す。ノニオン系ポリマーの添加量が10wt%である例は、ノニオン系ポリマーを添加しなかった(添加量0wt%)の従来例と比べて電解質抵抗の増加がほとんどなく、よって燃料電池とした場合の悪影響は生じない。 FIG. 9 is a graph showing the results of measuring the electrolyte resistance, that is, the proton conductivity in the catalyst layer, for each of the electrode catalyst layers in which the addition amount of the nonionic polymer is 0 wt%, 10 wt%, and 30 wt%. The example in which the addition amount of the nonionic polymer is 10 wt% has almost no increase in the electrolyte resistance as compared with the conventional example in which the nonionic polymer is not added (addition amount: 0 wt%). Does not occur.
(フラッディング防止評価)
1.評価用単セルの作成
評価用単セルは、上述した排水性、保水機能評価のためのものと同じ条件により、電極触媒層中のノニオン系ポリマーの添加量が0wt%、10wt%及び30wt%である3種を作成した。
(Flooding prevention evaluation)
1. Preparation of single cell for evaluation The single cell for evaluation was the same as that for evaluating the drainage and water retention functions described above, and the addition amount of the nonionic polymer in the electrode catalyst layer was 0 wt%, 10 wt%, and 30 wt%. Three types were created.
2.膜電極接合体(MEA)の性能評価
評価用単セルの、アノード側に燃料として水素を供給し、カソード側には酸化剤として空気を供給した。両ガスとも供給圧力は大気圧とし、水素は58.9℃および相対湿度40%、空気は71.4℃および相対湿度70%、セル温度は80℃に設定した。また、水素利用率は67%、空気利用率は67%とした。この条件下で、電流密度1.0A/cm2で発電させた際のセル電圧を初期セル電圧として測定した。
2. Performance Evaluation of Membrane Electrode Assembly (MEA) Hydrogen was supplied as fuel to the anode side of the evaluation single cell, and air was supplied as oxidant to the cathode side. The supply pressure for both gases was atmospheric pressure, hydrogen was set to 58.9 ° C. and relative humidity 40%, air was set to 71.4 ° C. and relative humidity 70%, and the cell temperature was set to 80 ° C. The hydrogen utilization rate was 67% and the air utilization rate was 67%. Under this condition, the cell voltage when power was generated at a current density of 1.0 A / cm 2 was measured as the initial cell voltage.
続いて、電位を1サイクルが0.6V−0.95−0.6Vと変化させた以外の運転条件は上記と同様にして、7500サイクル試験後に、電流密度1.0A/cm2で発電させた際のセル電圧を耐久試験後セル電圧として測定した。 Subsequently, the operating conditions were the same as above except that the potential was changed to 0.6V-0.95-0.6V for one cycle. After the 7500 cycle test, power was generated at a current density of 1.0 A / cm 2. The cell voltage was measured as the cell voltage after the endurance test.
3.発電評価
IV特性:
加湿条件として、アノード側の水素の相対湿度が40%(RHa40)で、カソード側の空気の相対湿度が70%(RHc70)、反応ガス条件としてアノード側の水素のストイキ比(供給量/消費量)が1.5(SRa1.5(H2))で、カソード側の空気のストイキ比が1.5(SRc1.5(Air))、セル温度が80℃の条件下、電流密度を1.0A/cm2とした場合における耐久試験前後の電圧降下量を調べた(%)。
3. Power generation evaluation IV characteristics:
As the humidification conditions, the relative humidity of hydrogen on the anode side is 40% (RHa40), the relative humidity of air on the cathode side is 70% (RHc70), and the stoichiometric ratio of hydrogen on the anode side (supply / consumption) as the reaction gas condition ) Is 1.5 (SRa1.5 (H 2 )), the stoichiometric ratio of air on the cathode side is 1.5 (SRc1.5 (Air)), and the cell temperature is 80 ° C., the current density is 1. The amount of voltage drop before and after the durability test in the case of 0 A / cm 2 was examined (%).
その結果を図10にグラフで示す。図10から分かるように、ノニオン系ポリマーを含まない(添加量0%)従来例は、耐久試験後の電圧降下量が大きかった。これは、フラッディングが生じたことを示している。これに対して、ノニオン系ポリマーを10wt%及び30wt%含む例はいずれも、耐久試験後の電圧降下量が抑制されていた。これは、フラッディングが抑制されたことを示している。 The results are shown graphically in FIG. As can be seen from FIG. 10, the voltage drop after the durability test was large in the conventional example that did not contain the nonionic polymer (addition amount 0%). This indicates that flooding has occurred. On the other hand, in all examples containing 10 wt% and 30 wt% nonionic polymer, the voltage drop after the endurance test was suppressed. This indicates that flooding is suppressed.
1…触媒担持導電体粒子,
2…電解質ポリマー,
3…ノニオン系ポリマー,
11…触媒粒子11,
12…導電体粒子12,
V1…第1の空孔,
V2…第2の空孔,
1 ... Catalyst-supported conductor particles,
2 ... electrolyte polymer,
3 ... Nonionic polymer,
11 ... catalyst particles 11,
12 ... Conductor particles 12,
V1 ... first hole,
V2 ... second hole,
Claims (8)
この電極触媒層は、空孔径が0.01〜0.1μmの範囲の第1の空孔と、空孔径が0.1〜1μm範囲の第2の空孔とを有する空孔構造を備えることを特徴とする燃料電池用電極触媒層。 A porous electrocatalyst layer,
The electrode catalyst layer has a hole structure having a first hole having a hole diameter in the range of 0.01 to 0.1 μm and a second hole having a hole diameter in the range of 0.1 to 1 μm. An electrode catalyst layer for a fuel cell.
この電極触媒層は、細孔分布曲線が細孔径0.01〜0.1μmの範囲に第1のピークを有し、細孔径0.1〜1μmの範囲に第2のピークを有する細孔分布を備えることを特徴とする燃料電池用電極触媒層。 A porous electrocatalyst layer,
This electrode catalyst layer has a pore distribution curve having a first peak in the pore diameter range of 0.01 to 0.1 μm and a second distribution in the pore diameter range of 0.1 to 1 μm. An electrode catalyst layer for a fuel cell, comprising:
この触媒スラリーにノニオン系ポリマーを添加することを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法。 In forming a catalyst slurry by stirring and mixing a catalyst-carrying conductor powder carrying catalyst particles, an electrolyte solution, and a solvent, and drying the catalyst slurry after coating,
A method for producing an electrode catalyst layer for a fuel cell, comprising adding a nonionic polymer to the catalyst slurry.
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