JP2006216385A - Electrode catalyst layer for fuel cell and fuel cell using it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用電極触媒層に関し、より詳細には内部抵抗が低減されることにより発電性能が向上された燃料電池用電極触媒層に関する。 The present invention relates to an electrode catalyst layer for a fuel cell, and more particularly to an electrode catalyst layer for a fuel cell whose power generation performance is improved by reducing internal resistance.
近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動し高出力密度が得られる固体高分子型燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。固体高分子型燃料電池は、フィルム状の固体高分子電解質膜を用いるのが特徴である。 In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental issues, polymer electrolyte fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. . The solid polymer fuel cell is characterized by using a film-like solid polymer electrolyte membrane.
固体高分子型燃料電池の構成は、一般的には、膜−電極接合体(以下、「MEA」とも記載する。)をセパレータで挟持した構造となっている。 The polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which a membrane-electrode assembly (hereinafter also referred to as “MEA”) is sandwiched between separators.
MEAは、固体高分子電解質膜が一対のガス拡散電極、すなわち、アノード(燃料極)側ガス拡散電極およびカソード(酸素極)側ガス拡散電極により挟持されてなるものである。各ガス拡散電極は、固体高分子電解質および電極触媒を含む電極触媒層とガス拡散層とを有し、前記電極触媒層の少なくとも片面が固体高分子電解質膜に接している。 The MEA has a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between a pair of gas diffusion electrodes, that is, an anode (fuel electrode) side gas diffusion electrode and a cathode (oxygen electrode) side gas diffusion electrode. Each gas diffusion electrode has an electrode catalyst layer containing a solid polymer electrolyte and an electrode catalyst and a gas diffusion layer, and at least one surface of the electrode catalyst layer is in contact with the solid polymer electrolyte membrane.
従来、前記ガス拡散電極を作製するには、カーボン粒子などの導電性担体に白金粒子などの触媒粒子が担持されてなる電極触媒および固体高分子電解質などを含む触媒スラリーを、スクリーンプリント法などを用いてカーボンペーパーなどからなるガス拡散層上に塗布・乾燥することにより、ガス拡散層上に電極触媒層を形成する方法が用いられていた。さらに、作製したガス拡散電極を用いて電極触媒層を内側にして固体高分子電解質膜を挟持した後、ホットプレスすることによりMEAを作製する方法などが一般的に用いられている。 Conventionally, to produce the gas diffusion electrode, a catalyst slurry containing an electrode catalyst in which catalyst particles such as platinum particles are supported on a conductive carrier such as carbon particles and a solid polymer electrolyte is applied to a screen printing method or the like. A method of forming an electrode catalyst layer on a gas diffusion layer by applying and drying on a gas diffusion layer made of carbon paper or the like has been used. Further, a method is generally used in which an MEA is manufactured by hot pressing after sandwiching a solid polymer electrolyte membrane with the electrode catalyst layer inside using the prepared gas diffusion electrode.
前記MEAでは、以下のような電気化学的反応が進行する。まず、アノード側に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒粒子により酸化され、プロトンおよび電子となる。次に、生成したプロトンは、アノード側電極触媒層に含まれる固体高分子電解質、さらにアノード側電極触媒層と接触している固体高分子電解質膜を通り、カソード側電極触媒層に達する。また、アノード側電極触媒層で生成した電子は、アノード側電極触媒層を構成している導電性担体、さらにアノード側電極触媒層の固体高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、ガスセパレータおよび外部回路を通してカソード側電極触媒層に達する。そして、カソード側電極触媒層に達したプロトンおよび電子はカソード側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する。燃料電池では、上述した電気化学的反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。 In the MEA, the following electrochemical reaction proceeds. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode side is oxidized by the catalyst particles to become protons and electrons. Next, the generated protons pass through the solid polymer electrolyte contained in the anode-side electrode catalyst layer, and further through the solid polymer electrolyte membrane in contact with the anode-side electrode catalyst layer, and reach the cathode-side electrode catalyst layer. The electrons generated in the anode-side electrode catalyst layer include a conductive carrier constituting the anode-side electrode catalyst layer, and a gas diffusion layer in contact with a different side of the anode-side electrode catalyst layer from the solid polymer electrolyte membrane The cathode side electrode catalyst layer is reached through the gas separator and the external circuit. The protons and electrons that have reached the cathode-side electrode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode side to generate water. In the fuel cell, electricity can be taken out through the above-described electrochemical reaction.
前記電気化学的反応は、主に、触媒粒子と、固体高分子電解質と、供給ガスとが接触する三相界面において生じる。従って、密度の高い三相界面を形成するために、燃料ガスおよび酸化剤ガスは電極触媒層内で均一に拡散している必要がある。 The electrochemical reaction mainly occurs at a three-phase interface where the catalyst particles, the solid polymer electrolyte, and the feed gas are in contact. Therefore, in order to form a dense three-phase interface, the fuel gas and the oxidant gas need to be uniformly diffused in the electrode catalyst layer.
また、燃料電池の発電性能を向上させるためには、燃料電池の内部抵抗を低減することが重要となる。例えば、特許文献1には、電極触媒層とガス拡散層との間に導電性微粒子からなる層が配置された燃料電池が開示されている。該文献1によれば、密着性を向上させることにより電極触媒層とガス拡散層との間の接触抵抗を低減させ、これにより燃料電池の発電性能を向上させることが可能となり得る。
従来では、触媒粒子は、カーボン粒子などの導電性担体に担持させた電極触媒として電極触媒層中に含まれていた。電極触媒層内の電気化学的反応は触媒粒子表面で進行し、前記反応により生じた電子は電極触媒層に含まれる導電性担体、ガス拡散層などを介して外部回路へと流れる。しかしながら、導電性担体間の接触面積は小さく、場合によってはこれらの間に固体高分子電解質などが介在する。そのため、電極触媒層を構成している構成部材による電気抵抗も燃料電池の発電特性を低下させる要因となっていた。 Conventionally, catalyst particles have been included in an electrode catalyst layer as an electrode catalyst supported on a conductive carrier such as carbon particles. An electrochemical reaction in the electrode catalyst layer proceeds on the surface of the catalyst particles, and electrons generated by the reaction flow to an external circuit through a conductive carrier, a gas diffusion layer, and the like included in the electrode catalyst layer. However, the contact area between the conductive carriers is small, and in some cases, a solid polymer electrolyte or the like is interposed between them. For this reason, the electrical resistance due to the constituent members constituting the electrode catalyst layer has also been a factor that deteriorates the power generation characteristics of the fuel cell.
そのため、電極触媒層とガス拡散層との間に配置された導電性微粒子層によっても、十分な発電性能を有する燃料電池が得られない恐れがあった。 Therefore, there is a possibility that a fuel cell having sufficient power generation performance may not be obtained even with the conductive fine particle layer disposed between the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer.
そこで、本発明が目的とするところは、内部抵抗を低減することにより発電性能に優れた燃料電池用電極触媒層を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell electrode catalyst layer having excellent power generation performance by reducing internal resistance.
本発明者は、上記課題に鑑みて鋭意検討した結果、導電性繊維からなる電極基材を用いることで電極触媒層において連続した同一部材からなる電子伝導経路を確保することができ、従来のガス拡散電極において生じていた電子が担体間を移動する確率を大幅に低減させることが可能となることを見出した。 As a result of intensive studies in view of the above problems, the present inventor can secure an electron conduction path composed of the same member continuous in the electrode catalyst layer by using an electrode base material composed of conductive fibers, and the conventional gas It has been found that the probability that electrons generated in the diffusion electrode move between the carriers can be greatly reduced.
すなわち、本発明は、燃料電池用電極触媒層であって、導電性ナノ繊維を有する導電性繊維と、少なくとも前記導電性ナノ繊維に担持された触媒粒子と、固体高分子電解質と、を含む燃料電池用電極触媒層により上記課題を解決する。 That is, the present invention is a fuel cell electrode catalyst layer, comprising a conductive fiber having conductive nanofibers, at least catalyst particles supported on the conductive nanofibers, and a solid polymer electrolyte. The battery electrode catalyst layer solves the above problems.
本発明によれば構成部材による電気抵抗が低減されることにより優れた導電性を発揮し、触媒粒子が高分散されることにより電気化学的反応面積が向上され、結果として発電特性に優れた燃料電池用電極触媒層を得ることができる。 According to the present invention, excellent electrical conductivity is exhibited by reducing the electrical resistance due to the constituent members, and the electrochemical reaction area is improved by highly dispersing the catalyst particles, resulting in a fuel having excellent power generation characteristics. A battery electrode catalyst layer can be obtained.
本発明の第一は、燃料電池用電極触媒層であって、導電性ナノ繊維を有する導電性繊維と、少なくとも前記導電性ナノ繊維に担持された触媒粒子と、固体高分子電解質と、を含む燃料電池用電極触媒層(以下、単に「電極触媒層」とも記載する)である。 A first aspect of the present invention is an electrode catalyst layer for a fuel cell, which includes conductive fibers having conductive nanofibers, at least catalyst particles supported on the conductive nanofibers, and a solid polymer electrolyte. It is an electrode catalyst layer for a fuel cell (hereinafter also simply referred to as “electrode catalyst layer”).
まず、本発明の電極触媒層の好ましい一実施形態を図1の模式図を用いて説明する。なお、図1(A)の電極触媒層100では、導電性繊維からなる束を交差させて平織りすることにより織り込んでいるため、緯糸111として用いた導電性繊維は波型にうねった形状を模式的に示し、経糸111’として用いた導電性繊維は断面のみを模式的に示している。また、図1(B)では、説明の都合上、固体高分子電解質114を省略した。 First, a preferred embodiment of the electrode catalyst layer of the present invention will be described with reference to the schematic view of FIG. In the electrode catalyst layer 100 of FIG. 1 (A), the bundle of conductive fibers is woven by crossing and plain weaving, so that the conductive fibers used as the weft 111 have a wave-like shape. The conductive fiber used as the warp 111 ′ is schematically shown only in cross section. In FIG. 1B, the solid polymer electrolyte 114 is omitted for convenience of explanation.
図1(A)の電極触媒層100は、所定数の導電性繊維111および111’からなる束を複数用意して、得られた束を平織りすることによりシート状に成形したものが電極触媒層100の骨格部を担う。導電性繊維111および111’には、図1(B)に示すように、導電性ナノ繊維112が形成されている。また、導電性繊維111および111’ならびに導電性ナノ繊維112には、触媒粒子113が担持される。このように、電極触媒層100は、導電性ナノ繊維112が形成された導電性繊維111および111’からなる電極基材に、触媒粒子113が直接担持され、さらに、プロトン導電性電解質114を含む。 The electrode catalyst layer 100 in FIG. 1A is prepared by preparing a plurality of bundles made of a predetermined number of conductive fibers 111 and 111 ′, and weaving the obtained bundles into a sheet shape to form an electrode catalyst layer. It carries 100 skeleton parts. As shown in FIG. 1B, conductive nanofibers 112 are formed on the conductive fibers 111 and 111 '. Further, catalyst particles 113 are supported on the conductive fibers 111 and 111 ′ and the conductive nanofiber 112. Thus, in the electrode catalyst layer 100, the catalyst particles 113 are directly supported on the electrode base material composed of the conductive fibers 111 and 111 ′ in which the conductive nanofibers 112 are formed, and further includes the proton conductive electrolyte 114. .
本発明の電極触媒層は、少なくとも導電性ナノ繊維に触媒粒子が直接担持された構成となっている。これにより、前記電極触媒層において電極反応により生じた電子がガス拡散層へと移動する際に固体高分子電解質などが介在せずに連続した電子伝導経路を確保することができ、従来のガス拡散電極において生じていた異なる担体間を移動する確率を大幅に低減させることが可能となる。 The electrode catalyst layer of the present invention has a configuration in which catalyst particles are directly supported on at least conductive nanofibers. As a result, when the electrons generated by the electrode reaction in the electrode catalyst layer move to the gas diffusion layer, a continuous electron conduction path can be secured without interposing a solid polymer electrolyte, etc. The probability of moving between different carriers that has occurred in the electrode can be greatly reduced.
また、導電性繊維上に導電性ナノ繊維が形成されることにより、触媒粒子が担持される担体としての表面積を増大させることができる。これにより、電極触媒層において触媒粒子の凝集を抑制して高分散させることが可能となり、電気化学的反応面積を向上させて高い発電性能を発揮することができる。さらに、導電性繊維上に導電性ナノ繊維が形成されることにより、MEAを組立てた際に隣接して配置され得るガス拡散層との接触性を向上させることも可能となり、高い電子伝導性を確保することができる。 In addition, by forming conductive nanofibers on the conductive fibers, the surface area of the carrier on which the catalyst particles are supported can be increased. Thereby, it becomes possible to suppress the aggregation of the catalyst particles in the electrode catalyst layer and highly disperse it, and it is possible to improve the electrochemical reaction area and exhibit high power generation performance. Furthermore, by forming conductive nanofibers on the conductive fibers, it becomes possible to improve the contact property with the gas diffusion layer that can be disposed adjacently when the MEA is assembled. Can be secured.
このように、本発明のガス拡散電極は、構成部材による電気抵抗が低減されることにより優れた導電性を発揮し、触媒粒子が高分散されることにより電気化学的反応面積が向上され、結果として発電特性に優れたガス拡散電極を得ることができるのである。 As described above, the gas diffusion electrode of the present invention exhibits excellent conductivity by reducing the electric resistance due to the constituent members, and the electrochemical reaction area is improved by highly dispersing the catalyst particles, resulting in As a result, a gas diffusion electrode excellent in power generation characteristics can be obtained.
以下、本発明のガス拡散電極に関してより詳細に説明する。 Hereinafter, the gas diffusion electrode of the present invention will be described in more detail.
(導電性繊維)
本発明の電極触媒層に用いられる導電性繊維は、少なくとも炭素を含むものが好ましく用いられる。上述した通り、導電性繊維は導電性ナノ繊維および触媒粒子などを有し、アノード側電極触媒層に含まれる触媒粒子表面で生成した電子をガス拡散層へ伝導させ、また、ガス拡散層から移動してきた電子をカソード側電極触媒層に含まれる触媒粒子まで伝導させる必要がある。従って、電極触媒層を構成する部材には、少なくとも炭素を含むものなど、導電性の高い繊維を用いるのが望ましい。
(Conductive fiber)
As the conductive fiber used in the electrode catalyst layer of the present invention, one containing at least carbon is preferably used. As described above, the conductive fiber has conductive nanofibers and catalyst particles, and conducts electrons generated on the surface of the catalyst particles contained in the anode-side electrode catalyst layer to the gas diffusion layer and moves from the gas diffusion layer. It is necessary to conduct the generated electrons to the catalyst particles contained in the cathode side electrode catalyst layer. Therefore, it is desirable to use a highly conductive fiber such as one containing at least carbon as a member constituting the electrode catalyst layer.
導電性繊維として、具体的には、アクリル繊維を原料とするPAN系炭素繊維;石油、ピッチまたはナフタレン系ピッチを原料とするピッチ系炭素繊維;フェノール樹脂を原料とするフェノール系炭素繊維;レーヨン系炭素繊維などのカーボン繊維などが挙げられる。 Specific examples of conductive fibers include PAN-based carbon fibers made from acrylic fibers; pitch-based carbon fibers made from petroleum, pitch, or naphthalene-based pitches; phenol-based carbon fibers made from phenolic resins; rayon-based materials Examples thereof include carbon fibers such as carbon fibers.
導電性繊維は、高い導電性を有していればよいことから、上述した炭素繊維の他に、ステンレスなどの金属繊維を使用することもできる。 Since the conductive fiber only needs to have high conductivity, metal fibers such as stainless steel can be used in addition to the carbon fiber described above.
導電性繊維は、直径が1〜30μm、好ましくは5〜15μmであるものが好適に用いられる。直径が1μm未満であると得られる電極触媒層の機械的強度を低下させる恐れがあり、30μmを超えると得られる電極触媒層の空隙率などを低下させる恐れがある。なお、導電性繊維の直径は、例えば走査型電気化学顕微鏡(SEM)などを用いてガス拡散電極の断面観察像より測定することができる。 A conductive fiber having a diameter of 1 to 30 μm, preferably 5 to 15 μm is suitably used. If the diameter is less than 1 μm, the mechanical strength of the obtained electrode catalyst layer may be reduced, and if it exceeds 30 μm, the porosity of the obtained electrode catalyst layer may be reduced. In addition, the diameter of a conductive fiber can be measured from the cross-sectional observation image of a gas diffusion electrode using a scanning electrochemical microscope (SEM) etc., for example.
導電性繊維の目付量としては、10〜500g/m2、好ましくは30〜200g/m2程度のものを用いるのとよい。前記目付量が、10g/m2未満では電極触媒層の強度が低下する恐れがあり、500g/m2を超えると電極触媒層が厚くなりMEAの発電特性の低下や大型化などを招く恐れがある。 The basis weight of the conductive fiber is 10 to 500 g / m 2 , preferably about 30 to 200 g / m 2 . If the weight per unit area is less than 10 g / m 2 , the strength of the electrode catalyst layer may be reduced, and if it exceeds 500 g / m 2 , the electrode catalyst layer may be thickened, resulting in a decrease in power generation characteristics or an increase in size of the MEA. is there.
なお、本発明の電極触媒層に用いられる上述した導電性繊維は、織物、紙状抄紙体、不織布など、多孔質構造を有するシート状に成形して用いられる。 The conductive fibers used in the electrode catalyst layer of the present invention are used after being formed into a sheet having a porous structure, such as a woven fabric, a paper-like papermaking body, and a non-woven fabric.
(導電性ナノ繊維)
次に、本発明の電極触媒層では、上述した導電性繊維上に導電性ナノ繊維を有する。なお、前記電極触媒層は、導電性ナノ繊維が形成された導電性繊維を含むことを特徴とするが、この他に導電性ナノ繊維が形成されていない上述した導電性繊維を一部に含んでいてもよい。
(Conductive nanofiber)
Next, in the electrode catalyst layer of this invention, it has electroconductive nanofiber on the electroconductive fiber mentioned above. In addition, although the said electrode catalyst layer contains the conductive fiber in which the conductive nanofiber was formed, in addition to this, the conductive fiber mentioned above in which the conductive nanofiber was not formed is included in part. You may go out.
本発明において、導電性ナノ繊維とは、直径が200nm以下とナノメーターサイズの直径を有する繊維をいう。 In the present invention, the conductive nanofiber refers to a fiber having a diameter of 200 nm or less and a nanometer-sized diameter.
前記導電性ナノ繊維は、少なくとも炭素を含むものが好ましく挙げられる。前記導電性ナノ繊維は電極触媒層を構成する部材であるため、導電性繊維の説明において上記したのと同様に、少なくとも炭素を含む導電性ナノ繊維を用いることにより高い電子導電性が得られる。 The conductive nanofibers preferably include at least carbon. Since the conductive nanofibers are members constituting the electrode catalyst layer, high electronic conductivity can be obtained by using conductive nanofibers containing at least carbon, as described above in the description of the conductive fibers.
前記導電性ナノ繊維として、具体的には、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどが好ましく挙げられる。 Specific examples of the conductive nanofibers include carbon nanofibers, carbon nanotubes, and carbon nanohorns.
前記カーボンナノファイバーとは上記した所定の直径を有する繊維状炭素材料からなるものである。前記カーボンナノチューブとは上記した所定の直径を有し、繊維中心に空洞を有するチューブ状炭素材料からなるものである。前記カーボンナノチューブは、具体的には、グラファイトを円筒状に丸めたような構造を有し、前記円筒が一層の単層カーボンナノチューブ(SWNTs)、および前記円筒が同心円状に多層化した多層カーボンナノチューブ(MWNT)などが挙げられる。また、前記カーボンナノホーンとは、単層グラファイトからなり、上記した所定の直径を有する円錐構造の集合体からなるものである。 The carbon nanofiber is made of a fibrous carbon material having a predetermined diameter as described above. The carbon nanotube is made of a tubular carbon material having the above-mentioned predetermined diameter and having a cavity at the center of the fiber. Specifically, the carbon nanotube has a structure in which graphite is rolled into a cylindrical shape, the cylinder is a single-walled carbon nanotube (SWNTs), and the multi-walled carbon nanotube in which the cylinder is multi-layered concentrically. (MWNT). The carbon nanohorn is made of single-layer graphite, and is made of an aggregate of conical structures having the predetermined diameter described above.
このようにナノメーターサイズの直径を有する導電性ナノ繊維を用いることにより、電極触媒層においてガスが拡散するための空隙を閉塞することなく触媒粒子を担持させる担体としての面積を向上させることが可能となる。 By using conductive nanofibers with a nanometer-sized diameter in this way, it is possible to improve the area as a carrier for supporting catalyst particles without blocking the voids for gas diffusion in the electrode catalyst layer. It becomes.
前記導電性ナノ繊維の直径は、200nm以下、好ましくは100nm以下、より好ましくは50nm以下とするのがよい。導電性ナノ繊維の直径が200nmを超えると電極触媒層の空隙率を低下させたり、導電性ナノ繊維の表面積が低下する恐れがある。 The diameter of the conductive nanofiber is 200 nm or less, preferably 100 nm or less, more preferably 50 nm or less. If the diameter of the conductive nanofiber exceeds 200 nm, the porosity of the electrode catalyst layer may be reduced, or the surface area of the conductive nanofiber may be reduced.
前記導電性ナノ繊維の長さは、20〜0.1μm、好ましくは10〜1μm程度とするのがよい。前記長さが、0.1μm未満であると電極触媒層において触媒粒子を担持させる担体としての面積を十分に大きくすることができない恐れがあり、20μmを超えると電極触媒層の空隙率を低下させる恐れがある。 The length of the conductive nanofiber is 20 to 0.1 μm, preferably 10 to 1 μm. If the length is less than 0.1 μm, the area as a carrier for supporting catalyst particles in the electrode catalyst layer may not be sufficiently increased. If the length exceeds 20 μm, the porosity of the electrode catalyst layer is reduced. There is a fear.
電極触媒層における前記導電性ナノ繊維の含有量は、電極触媒層の単位面積(cm2)に対して、0.1〜2.5mg/cm2、好ましくは0.5〜1.5mg/cm2程度とするのがよい。前記含有量が、0.1mg/cm2未満であると導電性ナノ繊維を含有させることによる効果が十分に得られない恐れがあり、2.5mg/cm2を超えると電極触媒層中の空隙率を低下させる恐れがある。 The content of the conductive nano fibers in the electrode catalyst layer, to a unit area of the electrode catalyst layer (cm 2), 0.1~2.5mg / cm 2, preferably 0.5 to 1.5 mg / cm It should be about 2 . If the content is less than 0.1 mg / cm 2 , there is a possibility that the effect of containing conductive nanofibers may not be sufficiently obtained. If the content exceeds 2.5 mg / cm 2 , voids in the electrode catalyst layer may be obtained. There is a risk of reducing the rate.
電極触媒層に含まれる導電性繊維および/または導電性ナノ繊維は、撥水性および/または親水性に改質されてなるのが好ましい。具体的には、導電性繊維および/または導電性ナノ繊維に表面処理を行って各繊維表面を改質することにより、導電性繊維および/または導電性ナノ繊維に撥水性または親水性を付与するのが好ましい
電極触媒層には、電極反応により生成した水を外部へ迅速に排出させて、良好な三相界面を維持することが求められる。そこで、従来の電極触媒層では、PTFEなどの撥水材の添加が行われていた。しかしながら、前記撥水材は電気伝導性を有しないため、前記撥水剤を電極触媒層に添加するのは、MEAの内部抵抗の増加に繋がる恐れがあった。
The conductive fiber and / or conductive nanofiber contained in the electrode catalyst layer is preferably modified to have water repellency and / or hydrophilicity. Specifically, surface treatment is performed on the conductive fibers and / or conductive nanofibers to modify the surface of each fiber, thereby imparting water repellency or hydrophilicity to the conductive fibers and / or conductive nanofibers. It is preferable for the electrode catalyst layer to maintain a good three-phase interface by quickly discharging water generated by the electrode reaction to the outside. Therefore, in the conventional electrode catalyst layer, a water repellent material such as PTFE has been added. However, since the water repellent material does not have electrical conductivity, the addition of the water repellent agent to the electrode catalyst layer may lead to an increase in MEA internal resistance.
これに対して、本発明では、電極触媒層に撥水性を付与するために、好ましくは表面が撥水性に改質された導電性繊維および/または導電性ナノ繊維を用いる。これにより各繊維を、撥水性および導電性を兼ね備えた繊維とすることができ、電極触媒層に導電性を損ねることなく撥水性を付与することが可能となる。従って、高加湿、高電流密度など、多量の水が発生し易い運転条件下であっても、優れた性能を発揮することが可能なガス拡散電極が得られる。 On the other hand, in the present invention, in order to impart water repellency to the electrode catalyst layer, preferably, conductive fibers and / or conductive nanofibers whose surfaces are modified to be water repellant are used. Thereby, each fiber can be made into the fiber which has water repellency and electroconductivity, and it becomes possible to provide water repellency to an electrode catalyst layer, without impairing electroconductivity. Therefore, a gas diffusion electrode capable of exhibiting excellent performance can be obtained even under operating conditions where a large amount of water is likely to be generated such as high humidification and high current density.
また、低加湿、低電流運転密度などの運転条件下では、固体高分子電解質膜の乾燥が生じ易い。固体高分子電解質膜の乾燥は、プロトン伝導性を低下させ、結果として、発電性能の低下を招く。そこで本発明では、表面が親水性に改質された導電性繊維および/または導電性ナノ繊維を用いる。これにより、親水性および導電性を兼ね備えた繊維が得られ、固体高分子電解質膜の高度な加湿の迅速な達成や固体高分子電解質膜の乾燥を防止することが可能となる。 Also, the solid polymer electrolyte membrane tends to dry under operating conditions such as low humidification and low current operating density. Drying of the solid polymer electrolyte membrane decreases proton conductivity, resulting in a decrease in power generation performance. Therefore, in the present invention, conductive fibers and / or conductive nanofibers whose surfaces are modified to be hydrophilic are used. Thereby, a fiber having both hydrophilicity and conductivity can be obtained, and it is possible to quickly achieve high humidification of the solid polymer electrolyte membrane and to prevent the solid polymer electrolyte membrane from being dried.
電極触媒層における導電性繊維および/または導電性ナノ繊維は、運転条件や発電性能などを考慮して、表面を親水性および/または撥水性に改質すればよい。例えば、電極触媒層は、親水性に改質された導電性繊維および/または導電性ナノ繊維と、撥水性に改質された導電性繊維および/または導電性ナノ繊維と、のうちいずれか一方を含んでいればよい。しかしながら、電極触媒層には、親水性に改質された導電性繊維および/または導電性ナノ繊維と、撥水性に改質された導電性繊維および/または導電性ナノ繊維と、を用いるのが好ましい。これにより、撥水性および親水性を兼ね備えた電極触媒層とすることができ、広範な運転条件において安定して高い発電性能を発揮することが可能となる。 The surface of the conductive fiber and / or conductive nanofiber in the electrode catalyst layer may be modified to be hydrophilic and / or water-repellent in consideration of operating conditions and power generation performance. For example, the electrocatalyst layer is one of a conductive fiber and / or conductive nanofiber modified to be hydrophilic and a conductive fiber and / or conductive nanofiber modified to be water repellent. Should be included. However, the electrocatalyst layer uses conductive fibers and / or nanofibers modified to be hydrophilic and conductive fibers and / or nanofibers modified to be water-repellent. preferable. Thereby, it can be set as the electrode catalyst layer which has water repellency and hydrophilic property, and it becomes possible to exhibit high power generation performance stably in a wide range of operating conditions.
例えば、高電流密度、高加湿などの生成水が多く発生し易い運転条件下では、撥水性に改質された導電性繊維および/または導電性ナノ繊維の含有量を多くするのがよい。また、低加湿などの固体高分子電解質膜の乾燥を招き易い運転条件下では、親水性に改質された導電性繊維および/または導電性ナノ繊維の含有量を多くするのがよい。 For example, under operating conditions where a large amount of generated water such as high current density and high humidification is likely to be generated, the content of conductive fibers and / or conductive nanofibers modified to be water-repellent should be increased. In addition, the content of the conductive fibers and / or conductive nanofibers modified to hydrophilicity should be increased under operating conditions that tend to cause drying of the solid polymer electrolyte membrane such as low humidification.
導電性繊維および/または導電性ナノ繊維の表面を撥水性に改質する方法は、導電性繊維および/または導電性ナノ繊維が形成された導電性繊維などを、2000℃以上、特に2500℃以上で熱処理する方法などにより得られる。かような熱処理により、各繊維表面に存在するカルボキシル基、ラクトン基、ハイドロキノン基、およびキノン基等の親水性の表面官能基が減少し、繊維表面を撥水性に改質することができる。熱処理雰囲気としては、窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気中、水素、水素と不活性ガスとの混合ガスなどの還元性ガス雰囲気のいずれでもよい。繊維表面を撥水性に改質する方法は上記方法に限定されず、各繊維の導電性を損なわずに表面を撥水性に改質できるのであれば、従来公知の方法を適宜参照して用いてもよい。 The method for modifying the surface of conductive fibers and / or conductive nanofibers to be water-repellent is to use conductive fibers and / or conductive fibers formed with conductive nanofibers at 2000 ° C. or higher, particularly 2500 ° C. or higher. It can be obtained by, for example, a heat treatment method. By such heat treatment, hydrophilic surface functional groups such as a carboxyl group, a lactone group, a hydroquinone group, and a quinone group existing on the surface of each fiber are reduced, and the fiber surface can be modified to be water repellent. The heat treatment atmosphere may be an inert gas atmosphere such as nitrogen, helium, or argon, or a reducing gas atmosphere such as hydrogen or a mixed gas of hydrogen and an inert gas. The method for modifying the fiber surface to be water-repellent is not limited to the above-mentioned method. If the surface can be modified to be water-repellent without impairing the conductivity of each fiber, a conventionally known method can be used as appropriate. Also good.
次に、導電性繊維および/または導電性ナノ繊維の表面を親水性に改質する方法は、導電性繊維および/または導電性ナノ繊維が形成された導電性繊維などを、酸素ガス、水蒸気などによる気相法、プラズマ照射などの公知の技術を用いて、表面を酸化処理する方法などにより得られる。酸化処理することで導電性繊維表面のC−C結合の末端にカルボキシル基、フェノール基、ケトン基などの親水性表面官能基量が増大し、前記親水性表面官能基は水分子の蒸気からの吸着を促進する活性サイトとして作用するとともに、吸着させた水分子間の水素結合を媒介として水の凝縮を促進することができる。これにより各繊維表面を親水性に改質して、濡れ性を向上させることができる。 Next, the method of modifying the surface of the conductive fibers and / or conductive nanofibers to hydrophilic is performed by changing the conductive fibers and / or conductive fibers on which the conductive nanofibers are formed, oxygen gas, water vapor, etc. It is obtained by a method of oxidizing the surface using a known technique such as vapor phase method or plasma irradiation. Oxidation increases the amount of hydrophilic surface functional groups such as carboxyl groups, phenol groups, and ketone groups at the end of the C-C bond on the surface of the conductive fiber, and the hydrophilic surface functional groups are removed from the water molecule vapor. It can act as an active site that promotes adsorption, and can promote water condensation through hydrogen bonds between adsorbed water molecules. Thereby, each fiber surface can be modified to be hydrophilic and wettability can be improved.
例えば、気相法により親水性導電性繊維を得るには、350〜400℃の酸素ガス雰囲気下、または700〜1000℃の水蒸気中、などで導電性繊維および/または導電性ナノ繊維表面を酸化処理すればよい。 For example, in order to obtain hydrophilic conductive fibers by a vapor phase method, the surface of conductive fibers and / or conductive nanofibers is oxidized in an oxygen gas atmosphere at 350 to 400 ° C. or in water vapor at 700 to 1000 ° C. What is necessary is just to process.
また、プラズマ照射により各繊維表面を親水性に改質するには、従来一般的な装置を用いて行えばよく、簡便には常温常圧の空気中で放電するコロナ放電処理装置などを用いて行えばよい。 Further, in order to modify the surface of each fiber to be hydrophilic by plasma irradiation, a conventional general apparatus may be used. For convenience, a corona discharge treatment apparatus that discharges in air at normal temperature and pressure is used. Just do it.
各繊維表面を親水性に改質する方法としては、上述した方法に限定されず、例えば、水素と酸素を反応させて発生した水蒸気を利用するパイロジェニック法(水素燃焼);過マンガン酸カリウム、硝酸、塩素酸塩、過硫酸塩、過硼酸塩、過炭酸塩、過酸化水素などを含む強酸化性水溶液による液相法;オゾン、窒素酸化物、空気などによる気相法など、導電性繊維表面を酸化処理する公知の各種技術を適宜用いることができる。 The method for modifying the surface of each fiber to be hydrophilic is not limited to the above-described method. For example, a pyrogenic method (hydrogen combustion) using water vapor generated by reacting hydrogen and oxygen; potassium permanganate; Conductive fiber such as liquid phase method using strong oxidizing aqueous solution containing nitric acid, chlorate, persulfate, perborate, percarbonate, hydrogen peroxide, etc .; gas phase method using ozone, nitrogen oxide, air, etc. Various known techniques for oxidizing the surface can be used as appropriate.
また、導電性繊維として金属繊維を用いた場合、導電性繊維表面を親水性に改質するには、上記と同様にして、酸素雰囲気でのプラズマ照射などにより金属繊維表面を酸化処理することにより得られる。また、導電性繊維表面を撥水性に改質するには、フッ素系ガス雰囲気でのプラズマ照射などにより金属繊維表面を処理することにより得られる。 When metal fibers are used as the conductive fibers, the surface of the conductive fibers can be modified to be hydrophilic by oxidizing the surface of the metal fibers by plasma irradiation in an oxygen atmosphere in the same manner as described above. can get. The conductive fiber surface can be modified to be water repellent by treating the metal fiber surface with plasma irradiation in a fluorine-based gas atmosphere.
電極触媒層内では、外部から供給されたガスが均一に拡散されるのが望ましい。従って、電極触媒層内では生成水が局在化せずに、かつ、速やかに排出させる機能を備えているのが好ましい。しかしながら、酸化剤ガスなど外部から供給されるガスの流れに沿って電極触媒層内では生成水が局在化し易く、電極触媒層内でガスを均一に拡散させることが困難となり、発電性能の低下を招く恐れがある。 In the electrode catalyst layer, it is desirable that the gas supplied from the outside is uniformly diffused. Therefore, it is preferable that the electrode catalyst layer has a function of quickly discharging the generated water without being localized. However, the generated water tends to localize in the electrode catalyst layer along the flow of gas supplied from outside, such as oxidant gas, making it difficult to diffuse the gas uniformly in the electrode catalyst layer, resulting in reduced power generation performance. There is a risk of inviting.
従って、本発明の電極触媒層において、ガス導入部からからガス排出部へ向かって撥水性に改質された導電性繊維および/または導電性ナノ繊維の含有量を増加させてもよい。これにより、より効率的に生成水などを排除することが可能となる。かような場合には、触媒粒子を担持させる各繊維表面の性質は、特に制限されず、撥水性に改質された導電性繊維および/または導電性ナノ繊維、ならびに、親水性に改質された導電性繊維および/または導電性ナノ繊維の双方またはどちらか一方に担持されていればよく、所望の発電性能が得られるように適宜決定すればよい。 Therefore, in the electrode catalyst layer of the present invention, the content of conductive fibers and / or conductive nanofibers modified to have water repellency from the gas introduction part to the gas discharge part may be increased. Thereby, it becomes possible to eliminate generated water and the like more efficiently. In such a case, the properties of the surface of each fiber supporting the catalyst particles are not particularly limited, and the conductive fibers and / or conductive nanofibers modified to be water-repellent, and hydrophilically modified. The conductive fibers and / or the conductive nanofibers may be supported on either or either of them, and may be appropriately determined so as to obtain a desired power generation performance.
(触媒粒子)
本発明の電極触媒層において、上述した導電性繊維または導電性ナノ繊維のいずれか一方に触媒粒子が担持されればよいが、少なくとも導電性ナノ繊維に触媒粒子が担持されるのが好ましい。これにより、電極触媒層において触媒粒子を高分散担持させることができる。より好ましくは、導電性ナノ繊維および導電性繊維の双方に触媒粒子が担持されるのが望ましい。
(Catalyst particles)
In the electrode catalyst layer of the present invention, the catalyst particles may be supported on any one of the above-described conductive fibers or conductive nanofibers, but it is preferable that the catalyst particles are supported on at least the conductive nanofibers. Thereby, the catalyst particles can be highly dispersed and supported in the electrode catalyst layer. More preferably, the catalyst particles are supported on both the conductive nanofibers and the conductive fibers.
前記触媒粒子は、水素の酸化反応および/または酸素の還元反応に対して触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、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から選択される1種以上が挙げられる。また、前記触媒粒子は、白金単独で用いてもよいが、前記触媒粒子の触媒活性、熱や一酸化炭素などに対する安定性などを高めるために、白金を主成分とする合金としてもよい。 The catalyst particles are not particularly limited as long as they have a catalytic action with respect to an oxidation reaction of hydrogen and / or a reduction reaction of oxygen. For example, one kind selected from metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof. The above is mentioned. The catalyst particles may be used alone, but may be an alloy containing platinum as a main component in order to increase the catalytic activity of the catalyst particles, stability to heat, carbon monoxide, and the like.
触媒粒子の平均粒径は、1〜30nmであることが好ましい。触媒粒子は、平均粒径が小さいほど比表面積が大きくなるため触媒活性も向上すると推測されるが、実際は、触媒粒子径を極めて小さくしても、比表面積の増加分に見合った触媒活性は得られない恐れがあるため、上記範囲とするのが好ましい。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒径」は、X線回折における触媒金属の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径あるいは透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒粒子径の平均値により測定することができる。 The average particle diameter of the catalyst particles is preferably 1 to 30 nm. The catalyst particles are estimated to have a higher specific surface area as the average particle size is smaller, so the catalytic activity is also improved. However, in practice, even if the catalyst particle size is extremely small, catalyst activity commensurate with the increase in specific surface area is obtained. Therefore, the above range is preferable. The “average particle diameter of catalyst particles” in the present invention is measured by an average value of catalyst particle diameters determined from crystallite diameters or transmission electron microscope images determined from the half-value widths of diffraction peaks of catalyst metals in X-ray diffraction. can do.
電極触媒層における触媒粒子の担持量は、0.001〜10mg/cm2、好ましくは0.005〜1mg/cm2程度とするのがよい。担持量が少なすぎるとガス拡散電極の所望する発電量が得られない恐れがあり、担持量が多すぎても製造コストを増加させる恐れがある。なお、前記担持量は、例えば誘導結合プラズマ発光分析により測定した電極触媒層に含まれる触媒粒子量(g)を、電極触媒層の固体高分子電解質膜と接触する面の面積(cm2)で除した値とする。 Supported amount of the catalyst particles in the electrode catalyst layer, 0.001~10mg / cm 2, and it is preferably a 0.005~1mg / cm 2 approximately. If the supported amount is too small, there is a fear that the desired power generation amount of the gas diffusion electrode cannot be obtained, and even if the supported amount is too large, the manufacturing cost may be increased. The supported amount is, for example, the amount (g) of the catalyst particles contained in the electrode catalyst layer measured by inductively coupled plasma emission spectrometry as the area (cm 2 ) of the surface of the electrode catalyst layer in contact with the solid polymer electrolyte membrane. The divided value.
電極触媒層に含まれる触媒粒子は、少なくとも撥水性に改質された前記導電性ナノ繊維に担持されるのが好ましい。これにより、電極触媒層において触媒粒子を高分散担持させつつ、触媒粒子近傍の水を迅速に排除して触媒粒子に水素などのガスを効率的に接触させることができ、MEAの発電性能を向上させることができる。さらに、炭素を含む繊維などは水分が接触する部分で腐食を生じ易い。従って、撥水性に改質された繊維に触媒粒子を担持させることにより繊維の腐食を防止することができ、長期に亘り安定した発電性能を示すことが可能となる。より好ましくは、前記触媒粒子は、撥水性に改質された前記導電性繊維および前記導電性ナノ繊維に担持される。 The catalyst particles contained in the electrode catalyst layer are preferably supported on the conductive nanofibers modified to have at least water repellency. As a result, while the catalyst particles are highly dispersed and supported in the electrode catalyst layer, water near the catalyst particles can be quickly removed and gas such as hydrogen can be efficiently brought into contact with the catalyst particles, thereby improving the power generation performance of the MEA. Can be made. Furthermore, carbon-containing fibers and the like are likely to be corroded at portions where moisture comes into contact. Therefore, by supporting the catalyst particles on the fiber modified to have water repellency, the corrosion of the fiber can be prevented, and stable power generation performance can be exhibited over a long period of time. More preferably, the catalyst particles are supported on the conductive fibers and the conductive nanofibers modified to have water repellency.
(固体高分子電解質)
電極触媒層に含まれる固体高分子電解質としては、従来の電極触媒層において一般的に用いられているのであれば特に限定されない。具体的には、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固体高分子電解質、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固体高分子電解質、などが挙げられる。
(Solid polymer electrolyte)
The solid polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer is not particularly limited as long as it is generally used in conventional electrode catalyst layers. Specifically, the polymer skeleton is a fluorinated polymer in which all or a part of the polymer skeleton is fluorinated and has an ion exchange group, or a polymer polymer skeleton that does not contain fluorine. And solid polymer electrolytes having ion exchange groups.
前記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。 Examples of the ion-exchange group is not particularly limited, -SO 3 H, -COOH, -PO (OH) 2, -POH (OH), - SO 2 NHSO 2 -, - Ph (OH) (Ph represents a phenyl group A cation exchange group such as —NH 2 , —NHR, —NRR ′, —NRR′R ″ + , —NH 3 + and the like (R, R ′, R ″ represent an alkyl group, cycloalkyl Anion exchange groups such as a group, an aryl group, and the like.
前記フッ素系ポリマーであってイオン交換基を備えた固体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などが好適な一例として挙げられる。 Specific examples of the solid polymer electrolyte having an ion exchange group as the fluoropolymer include 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.), etc., perfluorocarbon sulfonic acid polymers, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymers, perfluorocarbon phosphonic acid polymers, trifluorostyrene sulfonic acid polymers, ethylenetetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymers Polymers, ethylene-tetrafluoroethylene copolymers and the like are preferable examples.
前記炭化水素系ポリマーであってイオン交換基を備えた固体高分子電解質として、具体的には、ポリスルホンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸等が好適な一例として挙げられる。 Specific examples of the solid polymer electrolyte having an ion exchange group as the hydrocarbon polymer include polysulfonesulfonic acid, polyaryletherketonesulfonic acid, polybenzimidazolealkylsulfonic acid, polybenzimidazolealkylphosphonic acid, and the like. Is a suitable example.
電極触媒層では、固体高分子電解質が導電性繊維、導電性ナノ繊維、および触媒粒子の表面を被覆しているのが好ましい。これにより、高密度な三相界面を得ることが可能となる。固体高分子電解質が被覆する厚さは、得られる電極触媒層の発電性能を考慮して適宜決定すればよいが、厚すぎると電極触媒層の空隙を閉塞する恐れがある。また、固体高分子電解質は、電極触媒層に含まれる導電性繊維、導電性ナノ繊維および触媒粒子の表面の全てを被覆する必要はなく、少なくとも一部を被覆していればよい。 In the electrode catalyst layer, the solid polymer electrolyte preferably covers the surfaces of conductive fibers, conductive nanofibers, and catalyst particles. This makes it possible to obtain a high-density three-phase interface. The thickness covered by the solid polymer electrolyte may be appropriately determined in consideration of the power generation performance of the obtained electrode catalyst layer, but if it is too thick, there is a possibility that the gap of the electrode catalyst layer is blocked. In addition, the solid polymer electrolyte does not need to cover all of the surfaces of the conductive fibers, conductive nanofibers, and catalyst particles contained in the electrode catalyst layer, and may be at least partially covered.
前記電極触媒層の厚さは、薄すぎると所望する発電量が得られず、厚すぎると高出力とすることができないため、これらを考慮して適宜決定すればよい。 If the thickness of the electrode catalyst layer is too thin, a desired power generation amount cannot be obtained, and if it is too thick, a high output cannot be obtained.
(緩衝層)
本発明の電極触媒層は、緩衝層を有するのが好ましい。前記緩衝層は、電極触媒層の少なくとも一つの面に配置されるのがよい。好ましくは、前記電極触媒層を用いてMEAを作製した際に、電極触媒層の固体高分子電解質膜と接し得る面に配置されるのがよい。
(Buffer layer)
The electrode catalyst layer of the present invention preferably has a buffer layer. The buffer layer may be disposed on at least one surface of the electrode catalyst layer. Preferably, when the MEA is produced using the electrode catalyst layer, the electrode catalyst layer may be disposed on a surface that can come into contact with the solid polymer electrolyte membrane.
前記緩衝層120を有する電極触媒層100の模式図を図2に示す。図2の電極触媒層100は、図1に示す電極触媒層100と同様にして作製し、さらに、電極触媒層100上に緩衝層120が形成された構成である。このように緩衝層を有することにより、MEAなどを組立てた際に電極触媒層と固体高分子電解質膜との接触性を向上させることができ、MEAの内部抵抗の低減が図れる。また、セルアッセンブリ時や燃料電池の運転中に加わる衝撃等により、電極触媒層を構成する導電性繊維などによる固体高分子電解質膜の破損を防止することができる。 A schematic diagram of the electrode catalyst layer 100 having the buffer layer 120 is shown in FIG. The electrode catalyst layer 100 in FIG. 2 is manufactured in the same manner as the electrode catalyst layer 100 shown in FIG. 1, and a buffer layer 120 is formed on the electrode catalyst layer 100. By having the buffer layer in this manner, the contact property between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane can be improved when the MEA or the like is assembled, and the internal resistance of the MEA can be reduced. Further, it is possible to prevent the solid polymer electrolyte membrane from being damaged by the conductive fibers constituting the electrode catalyst layer due to an impact applied during cell assembly or during operation of the fuel cell.
前記緩衝層は、プロトン伝導性電解質を含むものが挙げられる。プロトン伝導性を有する材料で緩衝層を構成することにより、固体高分子電解質膜と触媒粒子とのプロトン伝導性を好適に確保することができる。 Examples of the buffer layer include those containing a proton conductive electrolyte. By constituting the buffer layer with a material having proton conductivity, it is possible to suitably ensure proton conductivity between the solid polymer electrolyte membrane and the catalyst particles.
前記プロトン伝導性電解質としては、有機系化合物および/または無機系化合物が好ましく挙げられる。 Preferred examples of the proton conductive electrolyte include organic compounds and / or inorganic compounds.
前記有機系化合物としては、従来から電極触媒層などにおいて固体高分子電解質などとして一般的に用いられているものであれば特に限定されず、具体的には上述した電極触媒層に含まれる固体高分子電解質の説明において列挙したものと同様のものが挙げられる。なかでも、高いプロトン伝導性を有することから、スルホン酸基、またはカルボキシル基などの陽イオン交換基を少なくとも含むものが好ましく、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などが特に好ましく挙げられる。 The organic compound is not particularly limited as long as it is conventionally used as a solid polymer electrolyte in an electrode catalyst layer or the like. Specifically, the organic compound contained in the electrode catalyst layer described above is specifically limited. The thing similar to what was enumerated in description of molecular electrolyte is mentioned. Among them, those having at least a cation exchange group such as a sulfonic acid group or a carboxyl group are preferable because they have high proton conductivity. Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, Asahi Kasei Co., Ltd.) Perfluorocarbon sulfonic acid polymers such as Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) and the like are particularly preferred.
前記無機系化合物としては、P2O5、SiO2、B2O3、GeO2、またはAs2O3のうちいずれか1つを含むのが好ましい。なかでも、P2O5、SiO2が好ましく挙げられる。また、得られる緩衝層の安定性などを確保するためにアルカリ金属、アルカリ土類金属などの第二成分等が含まれてもよい。例えば、P2O5−ZrO2−SiO2含水ガラスは多量の水を吸収することによって高いプロトン伝導性を示し、水にも溶解することがないという特徴があり、無機系化合物特有の高温安定性が高いというメリットがある。 The inorganic compound preferably includes any one of P 2 O 5 , SiO 2 , B 2 O 3 , GeO 2 , or As 2 O 3 . Of these, P 2 O 5 and SiO 2 are preferable. In addition, a second component such as an alkali metal or an alkaline earth metal may be included in order to ensure the stability of the obtained buffer layer. For example, P 2 O 5 —ZrO 2 —SiO 2 water-containing glass is characterized by high proton conductivity by absorbing a large amount of water, and does not dissolve in water. There is a merit that the nature is high.
また、プロトン伝導性だけでなく、耐久性、柔軟性なども向上させるために、緩衝層は、前記有機系化合物および前記無機系化合物の混合物からなってもよい。 Further, in order to improve not only proton conductivity but also durability and flexibility, the buffer layer may be composed of a mixture of the organic compound and the inorganic compound.
前記混合物の形態としては、特に限定されないが、有機系化合物から構成される膜に無機系化合物が分散されている形態などが挙げられる。かような場合において、無機系化合物の形状は粉末状、板状、針状、球状、繊維状などが挙げられ、無機系化合物の分散状態は緩衝層中に偏在してもよく均一に分散されていてもよい。無機系化合物の表面に有機系化合物が結合した形態など、有機系化合物と無機系化合物が共有結合などにより複合化されているのが好ましい。 Although it does not specifically limit as a form of the said mixture, The form etc. with which the inorganic type compound is disperse | distributed to the film | membrane comprised from an organic type compound are mentioned. In such a case, the shape of the inorganic compound may be powder, plate, needle, sphere, fiber, etc., and the dispersion state of the inorganic compound may be unevenly distributed in the buffer layer. It may be. It is preferable that the organic compound and the inorganic compound are combined by a covalent bond or the like, such as a form in which the organic compound is bonded to the surface of the inorganic compound.
緩衝層を構成する有機化合物および/または無機化合物などのプロトン伝導性電解質は、電極触媒層に含まれる固体高分子電解質と、接触しているのが好ましい。これにより、緩衝層と電極触媒層とで連通したプロトン伝導経路を確保でき、MEAのプロトン伝導性を向上させることができる。 The proton conductive electrolyte such as an organic compound and / or an inorganic compound constituting the buffer layer is preferably in contact with the solid polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer. As a result, a proton conduction path communicating with the buffer layer and the electrode catalyst layer can be secured, and the proton conductivity of the MEA can be improved.
緩衝層の厚さは、0.1〜20μm、好ましくは1〜10μm程度とするのがよい。厚さが、0.1μm未満であると緩衝層によって期待するほどの効果が得られない恐れがあり、20μmを超えると却ってプロトン伝導性を低下させる恐れがあるため、上記範囲内とするのが好ましい。 The thickness of the buffer layer is 0.1 to 20 μm, preferably about 1 to 10 μm. If the thickness is less than 0.1 μm, the effect as expected by the buffer layer may not be obtained, and if it exceeds 20 μm, the proton conductivity may be reduced instead. preferable.
緩衝層の大きさは、電極触媒層よりも大きくするのが好ましい。これにより、緩衝層を電極触媒層の外淵部より外側まで配置させることができ、電極触媒層に含まれる導電性繊維などによる固体高分子電解質膜の破損をより効果的に防止することができる。 The size of the buffer layer is preferably larger than that of the electrode catalyst layer. As a result, the buffer layer can be disposed outside the outer flange portion of the electrode catalyst layer, and damage to the solid polymer electrolyte membrane due to conductive fibers contained in the electrode catalyst layer can be more effectively prevented. .
緩衝層は空隙を有していてもよい。これにより、応力の吸収性に優れた緩衝層が得られ、固体高分子電解質膜の破損をより効果的に防止することが可能となる。また、前記空隙内に水などを吸収できるため、緩衝層に保水性を付与することができ、電極触媒層の水分を制御することも可能となる。 The buffer layer may have voids. As a result, a buffer layer excellent in stress absorption can be obtained, and breakage of the solid polymer electrolyte membrane can be prevented more effectively. Moreover, since water etc. can be absorbed in the said space | gap, water retention can be provided to a buffer layer and it becomes possible to control the water | moisture content of an electrode catalyst layer.
本発明の電極触媒層の製造方法について、以下に記載する。しかしながら、下記に記載する方法は、本発明の好適な一実施形態を示すものであり、本発明の電極触媒層の製造方法が下記方法に限定されるわけではなく、従来公知の方法を適宜適用してもよい。 It describes below about the manufacturing method of the electrode catalyst layer of this invention. However, the method described below shows a preferred embodiment of the present invention, and the production method of the electrode catalyst layer of the present invention is not limited to the following method, and conventionally known methods are appropriately applied. May be.
(電極触媒層の製造方法)
前記電極触媒層の作製方法としては、まず、導電性繊維上に導電性ナノ繊維を形成した後、少なくとも前記導電性ナノ繊維上に触媒粒子を担持させる。次に、前記導電性ナノ繊維および前記触媒粒子を有する前記導電性繊維を、を所定の数で一まとめに撚って束とし、この束を複数用いて平織りなどによりシート状に成形することにより触媒粒子を含む電極触媒層前駆体を作製し、前記電極触媒層前駆体に、固体高分子電解質を含浸させる方法などが挙げられる。
(Method for producing electrode catalyst layer)
As a method for producing the electrode catalyst layer, first, conductive nanofibers are formed on conductive fibers, and then catalyst particles are supported on at least the conductive nanofibers. Next, the conductive fibers having the conductive nanofibers and the catalyst particles are twisted together in a predetermined number to form a bundle, and a plurality of the bundles are used to form a sheet by plain weaving or the like. Examples include a method of preparing an electrode catalyst layer precursor containing catalyst particles and impregnating the electrode catalyst layer precursor with a solid polymer electrolyte.
(1)導電性ナノ繊維の形成
導電性繊維上に導電性ナノ繊維を形成するには、導電性ナノ繊維としてカーボンナノチューブ(以下、「CNT」とも記載する)を用いた場合には、例えば、CNT形成用触媒からカーボンナノチューブを熱化学的気相成長させる熱化学蒸着法(熱CVD法)などが用いられる。
(1) Formation of conductive nanofibers To form conductive nanofibers on conductive fibers, when carbon nanotubes (hereinafter also referred to as “CNT”) are used as the conductive nanofibers, for example, A thermal chemical vapor deposition method (thermal CVD method) in which carbon nanotubes are grown by thermochemical vapor deposition from a CNT-forming catalyst is used.
具体的には、まず、導電性繊維にCNT形成用触媒を担持させる。CNT形成用触媒の担持方法は、物理的または化学的蒸着法など特に制限されることはなく、CNT形成用触媒を構成する元素を含む化合物を含有する溶液に導電性繊維を浸漬させ、前記化合物を導電性繊維に吸着させる方法、などを用いればよい。 Specifically, first, a conductive fiber is loaded with a CNT-forming catalyst. The method for supporting the CNT-forming catalyst is not particularly limited, such as physical or chemical vapor deposition, and the conductive fiber is immersed in a solution containing a compound containing an element constituting the CNT-forming catalyst. A method of adsorbing to the conductive fiber may be used.
CNT形成用触媒は、一般的に用いられているものであれば特に制限されず、Ni、Co、Fe、Y、Rh、Pd、Pt、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、およびLuからなる群から選択される少なくとも一種が挙げられ、これらは一種単独で用いてもよく、二種以上を混合して用いてもよい。 The CNT-forming catalyst is not particularly limited as long as it is a commonly used catalyst. Ni, Co, Fe, Y, Rh, Pd, Pt, La, Ce, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Examples include at least one selected from the group consisting of Ho, Er, and Lu, and these may be used alone or in combination of two or more.
CNT形成用触媒を構成する元素を含む化合物としては、例えば、前記CNT形成用触媒を構成する元素のアセチルアセトナート、酢酸塩、硝酸塩などが挙げられる。また、前記化合物を含む溶液は、前記化合物を、水、および/または、エチルアルコールなどアルコール類の溶媒に溶解させることにより調製できる。 Examples of the compound containing an element constituting the CNT-forming catalyst include acetylacetonate, acetate, and nitrate of the elements constituting the CNT-forming catalyst. The solution containing the compound can be prepared by dissolving the compound in water and / or an alcohol solvent such as ethyl alcohol.
前記化合物を含む溶液に、導電性繊維を浸漬させ、一定時間放置することにより前記導電性繊維に前記化合物を吸着させることができる。この時、攪拌、超音波照射などの手段を用いてもよい。 The conductive fiber can be adsorbed to the conductive fiber by immersing the conductive fiber in a solution containing the compound and allowing it to stand for a certain period of time. At this time, means such as stirring and ultrasonic irradiation may be used.
前記化合物が吸着された導電性繊維は、水素などの還元性ガス雰囲気、または、窒素、アルゴン、ヘリウム、またはその混合ガスなどの不活性ガス雰囲気で熱処理するのが好ましい。これにより、CNT形成用触媒が担持された導電性繊維が得られる。熱処理条件としては、特に制限されないが、300〜1000℃程度で、10〜100分程度である。 The conductive fiber on which the compound is adsorbed is preferably heat-treated in a reducing gas atmosphere such as hydrogen or an inert gas atmosphere such as nitrogen, argon, helium, or a mixed gas thereof. Thereby, the conductive fiber carrying the CNT-forming catalyst is obtained. Although it does not restrict | limit especially as heat processing conditions, It is about 300-1000 degreeC, and is about 10 to 100 minutes.
導電性繊維におけるCNT形成用触媒の担持量および平均粒子径などは、形成量、長さ、直径、中空径など所望する特性を有するCNTが得られるように適宜決定するとよい。 The supported amount and average particle diameter of the CNT-forming catalyst in the conductive fiber may be appropriately determined so that CNTs having desired characteristics such as the formation amount, length, diameter, and hollow diameter can be obtained.
導電性繊維上にCNT形成用触媒を担持させる方法は、上述した方法の他、マグネトロンスパッタリング法、抵抗加熱による蒸着方法などを用いることもできる。 As a method for supporting the CNT-forming catalyst on the conductive fiber, a magnetron sputtering method, a vapor deposition method by resistance heating, or the like can be used in addition to the above-described method.
次に、前記CNT形成用触媒が担持された導電性繊維を、熱CVD装置の容器内にセットし、CNT形成用触媒にキャリヤガスとともに炭化水素ガスを送り、炭化水素ガスを熱分解することによりカーボンナノチューブを形成する。 Next, the conductive fibers carrying the CNT-forming catalyst are set in a container of a thermal CVD apparatus, a hydrocarbon gas is sent to the CNT-forming catalyst together with a carrier gas, and the hydrocarbon gas is thermally decomposed. Carbon nanotubes are formed.
炭化水素ガスとしては、アセチレンガス、アルコール類、一酸化炭素、メタンガスなど、炭素を含むガスであれば用いることができる。また、ガスの流量は、炉によって好ましい流量を選択すればよい。また、キャリヤガスとしては、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスを用いることができ、アンモニア、水素などのエッチングガスを加えることもできる。また、ガスの流量は、炉によって好ましい流量を選択すればよい。熱CVD装置の温度は、400〜1200℃とすることが好ましい。熱CVD装置の温度がこの範囲をはずれると、カーボンナノチューブが成長しない傾向がある。 As the hydrocarbon gas, any gas containing carbon such as acetylene gas, alcohols, carbon monoxide, and methane gas can be used. Moreover, what is necessary is just to select the preferable flow volume with a furnace as the flow volume of gas. As the carrier gas, an inert gas such as nitrogen, argon or helium can be used, and an etching gas such as ammonia or hydrogen can be added. Moreover, what is necessary is just to select the preferable flow volume with a furnace as the flow volume of gas. The temperature of the thermal CVD apparatus is preferably 400 to 1200 ° C. If the temperature of the thermal CVD apparatus is out of this range, the carbon nanotubes tend not to grow.
上記の通りにしてCNTが形成された導電性繊維は、残存するCNT形成用触媒などの不純物を除去するために酸性水溶液や空気酸化処理など公知の方法を用いて精製処理を行ってもよい。 The conductive fibers on which CNTs are formed as described above may be subjected to a purification treatment using a known method such as an acidic aqueous solution or an air oxidation treatment in order to remove impurities such as the remaining CNT-forming catalyst.
CNTの形成方法として、上記では、熱CVD法を用いて説明したが、かような方法に限定されず、他にアーク放電法、レーザ蒸発法などCNTの形成方法として一般的に用いられている方法であれば特に制限なく用いられる。 As a CNT formation method, the thermal CVD method has been described above. However, the method is not limited to such a method, and other CNT formation methods such as an arc discharge method and a laser evaporation method are generally used. Any method can be used without particular limitation.
(2)触媒粒子の担持
次に、導電性ナノ繊維が形成された導電性繊維に、電極反応を促進させる触媒粒子を担持させる。この時、触媒粒子は、表面積が大きくて高分散担持が可能なことから導電性ナノ繊維に少なくとも担持されるのが好ましく、より好ましくは導電性ナノ繊維および導電性繊維の双方に担持される。
(2) Support of catalyst particles Next, catalyst particles that promote electrode reaction are supported on conductive fibers on which conductive nanofibers are formed. At this time, since the catalyst particles have a large surface area and can be supported in a highly dispersed state, the catalyst particles are preferably supported at least on the conductive nanofibers, more preferably on both the conductive nanofibers and the conductive fibers.
導電性ナノ繊維が形成された導電性繊維に触媒粒子を担持させるには、例えば、触媒化合物溶液に、導電性ナノ繊維が形成された導電性繊維を浸漬させた後、還元剤などを添加する方法が挙げられる。かような方法によれば、導電性ナノ繊維および導電性繊維上に触媒粒子を高分散担持することができ、触媒粒子の凝集を抑制することができる。 In order to support the catalyst particles on the conductive fibers on which the conductive nanofibers are formed, for example, after the conductive fibers on which the conductive nanofibers are formed are immersed in the catalyst compound solution, a reducing agent or the like is added. A method is mentioned. According to such a method, the catalyst particles can be highly dispersed and supported on the conductive nanofibers and the conductive fibers, and aggregation of the catalyst particles can be suppressed.
前記触媒化合物溶液とは、触媒粒子を構成する元素を含む化合物(単に「触媒化合物」ともいう)を含む溶液のことである。具体的には、触媒粒子としてPtを用いる場合には、例えば、塩化白金酸、塩化アンミン白金、ジニトロジアンミン白金などの触媒化合物を含有する溶液を用いることができる。白金合金とするには、前記溶液に白金の他に所望する触媒粒子の硝酸塩、塩化物、硫酸塩などの化合物を分散させればよい。また、触媒化合物を添加する溶媒としては、水、および/または、エタノール、メタノールなどのアルコール類などを用いることができる。また、触媒化合物溶液における触媒化合物濃度などは、所望する触媒粒子担持量が得られるように適宜決定すればよい。 The catalyst compound solution is a solution containing a compound containing elements constituting the catalyst particles (also simply referred to as “catalyst compound”). Specifically, when Pt is used as the catalyst particles, for example, a solution containing a catalyst compound such as chloroplatinic acid, chloroplatinum chloride, or dinitrodiammineplatinum can be used. In order to obtain a platinum alloy, other than platinum, a desired catalyst particle compound such as nitrate, chloride or sulfate may be dispersed in the solution. As the solvent to which the catalyst compound is added, water and / or alcohols such as ethanol and methanol can be used. Moreover, what is necessary is just to determine suitably the catalyst compound density | concentration in a catalyst compound solution, etc. so that the desired catalyst particle load may be obtained.
還元剤としては、触媒化合物を還元できるものであれば特に限定されず、チオ硫酸ナトリウム、クエン酸、クエン酸ナトリウム、L−アスコルビン酸、水素化ホウ素ナトリウム、ヒドラジン、ホルムアルデヒド、メタノール、エタノール、水素、エチレン、一酸化炭素などを用いることができる。前記還元剤を添加することにより、導電性繊維上に触媒化合物を触媒粒子として担持させることができる。上述の触媒化合物溶液に前記導電性繊維を浸漬させた後、前記還元剤を適量加え、還流反応装置などを用いて60〜100℃に加熱し、その後、室温まで放冷することにより触媒粒子の還元担持を行う。 The reducing agent is not particularly limited as long as it can reduce the catalyst compound. Sodium thiosulfate, citric acid, sodium citrate, L-ascorbic acid, sodium borohydride, hydrazine, formaldehyde, methanol, ethanol, hydrogen, Ethylene, carbon monoxide and the like can be used. By adding the reducing agent, the catalyst compound can be supported as catalyst particles on the conductive fiber. After immersing the conductive fiber in the catalyst compound solution described above, an appropriate amount of the reducing agent is added, heated to 60 to 100 ° C. using a reflux reactor or the like, and then allowed to cool to room temperature to thereby form catalyst particles. Perform reduction loading.
上述の通りにして、少なくとも導電性ナノ繊維に担持された触媒粒子を合金化させる場合には、さらに焼成を行うのが好ましい。また、焼成前に必要に応じて乾燥を行ってもよい。 As described above, when alloying at least the catalyst particles supported on the conductive nanofibers, it is preferable to perform further firing. Moreover, you may dry as needed before baking.
触媒粒子の還元担持後の導電性繊維の乾燥方法としては、真空乾燥、自然乾燥、ロータリーエバポレーター、沿送風乾燥機による乾燥など、公知の方法を用いればよく特に限定されない。乾燥時間などは、使用する方法に応じて適宜決定すればよい。 The method for drying the conductive fibers after the catalyst particles are reduced and supported is not particularly limited as long as a publicly known method such as vacuum drying, natural drying, rotary evaporator, and drying by a blow dryer is used. What is necessary is just to determine drying time etc. suitably according to the method to be used.
また、合金化させる場合などの焼成方法としては、空気雰囲気中、好ましくは、窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性雰囲気中、または、水素などの還元雰囲気中で、焼成温度300〜1000℃、好ましくは300〜600℃の範囲で、1〜6時間程度、行えばよい。 Further, as a firing method in the case of alloying, the firing temperature is preferably 300 to 1000 ° C. in an air atmosphere, preferably in an inert atmosphere such as nitrogen, helium, and argon, or in a reducing atmosphere such as hydrogen. May be performed in the range of 300 to 600 ° C. for about 1 to 6 hours.
導電性ナノ繊維が形成された導電性繊維に触媒粒子を担持させる方法として、還元剤を用いる上述した方法の他、含浸法、共沈法、競争吸着法、マイクロエマルジョン(逆ミセル法)などの方法を適用することができる。触媒粒子を高分散させて、導電性繊維および/または導電性ナノ繊維に強固に担持させることができる観点からは、還元剤を用いる方法、マイクロエマルジョン(逆ミセル法)などが好ましく用いられる。また、スパッタ、蒸着などのPVD法を用いて触媒粒子を担持させてもよい。 In addition to the above-described method using a reducing agent, the impregnation method, coprecipitation method, competitive adsorption method, microemulsion (reverse micelle method), etc. can be used as a method for supporting the catalyst particles on the conductive fiber on which the conductive nanofibers are formed. The method can be applied. From the viewpoint that the catalyst particles can be highly dispersed and firmly supported on the conductive fibers and / or conductive nanofibers, a method using a reducing agent, a microemulsion (reverse micelle method), and the like are preferably used. Moreover, you may carry | support catalyst particles using PVD methods, such as sputtering and vapor deposition.
(3)電極触媒層前駆体の作製
次に、上述の通りにして作製した、導電性ナノ繊維および触媒粒子を有する導電性繊維を用いてシート状に成形し、電極触媒層前駆体を作製する。具体的には、導電性ナノ繊維および触媒粒子を有する導電性繊維を、所定の数で一まとめ撚って束とし、この導電性繊維束を複数用意し、これらを経糸および緯糸として互いに交差させて織り込む平織りなどの方法を用いて行えばよい。
(3) Preparation of Electrode Catalyst Layer Precursor Next, the electrode catalyst layer precursor is prepared by forming into a sheet shape using conductive fibers having conductive nanofibers and catalyst particles prepared as described above. . Specifically, conductive fibers having conductive nanofibers and catalyst particles are twisted together in a predetermined number to form a bundle, and a plurality of the conductive fiber bundles are prepared and crossed with each other as warp and weft. It is sufficient to use a method such as plain weaving.
前記導電性繊維を一まとめに撚る本数としては、得られる電極触媒層の厚さ、空隙率などを考慮して適宜決定すればよい。一まとめに撚った2本以上の前記導電性繊維束をさらに束ねたものを用いて織り込んでもよい。また、これらの束には、導電性ナノ繊維が形成されていない導電性繊維を含んでいてもよい。 The number of the conductive fibers twisted together may be appropriately determined in consideration of the thickness, porosity, etc. of the obtained electrode catalyst layer. A bundle of two or more conductive fiber bundles twisted together may be woven. Further, these bundles may contain conductive fibers in which conductive nanofibers are not formed.
前記導電性繊維を一まとめに撚る本数として、具体的には、好ましくは20〜100本、より好ましくは40〜60本程度を用いて一まとめに撚り導電性繊維の束とするのがよい。導電性繊維束が20本未満であると、電極触媒層の強度が低下する可能性があり、導電性繊維束が100本を越えると電極触媒層の空隙率が減少してガス透過性、生成水の排出性などを低下させる恐れがある。 Specifically, the number of the conductive fibers twisted together is preferably 20 to 100, more preferably about 40 to 60, and the conductive fibers may be twisted together to form a bundle of conductive fibers. . If the number of conductive fiber bundles is less than 20, the strength of the electrode catalyst layer may be reduced, and if the number of conductive fiber bundles exceeds 100, the porosity of the electrode catalyst layer decreases and gas permeability and generation There is a risk of reducing water discharge.
また、導電性繊維を用いてシート状に成形するには、所望する電極触媒層が得られるのであれば特に限定されず、上述した平織りの他、綾織り、繻子織りなど、公知の方法を用いてシート状に成形してもよい。得られた電極触媒層前駆体は、ローラー、プレス装置などを用いて表面を平滑にしてもよい。 Moreover, in order to shape | mold into a sheet form using an electroconductive fiber, if a desired electrode catalyst layer is obtained, it will not specifically limit, In addition to the plain weave mentioned above, a well-known method, such as a twill weave and a satin weave, is used. May be formed into a sheet shape. The obtained electrode catalyst layer precursor may have a smooth surface using a roller, a press device or the like.
(4)固体高分子電解質の含浸
次に、上述の通りにして作製した触媒粒子を含む電極触媒層前駆体に、固体高分子電解質を含むスラリーを、フローコーティング法、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法などを用いて塗布した後、含浸および乾燥させる。これにより、電極触媒層前駆体に含まれる導電性繊維、導電性ナノ繊維、および触媒粒子を固体高分子電解質で被覆することができ、本発明の電極触媒層が得られる。
(4) Impregnation of the solid polymer electrolyte Next, the slurry containing the solid polymer electrolyte is added to the electrode catalyst layer precursor containing the catalyst particles prepared as described above, and the flow coating method, spray method, screen printing method, After applying using a doctor blade method or the like, it is impregnated and dried. Thereby, the electroconductive fiber, electroconductive nanofiber, and catalyst particle which are contained in an electrode catalyst layer precursor can be coat | covered with a solid polymer electrolyte, and the electrode catalyst layer of this invention is obtained.
前記スラリーとしては、固体高分子電解質を、水および/またはメタノール、エタノール、プロパノール、イソプロピルアルコール等のアルコール類などの溶媒に溶解させたもの等が用いられる。 As the slurry, a solution obtained by dissolving a solid polymer electrolyte in water and / or a solvent such as methanol, ethanol, propanol, isopropyl alcohol, or the like is used.
固体高分子電解質が、電極触媒層前駆体の内部や表面を被覆する厚さなどが所望の値となるようにするには、前記スラリーを含浸・乾燥させる作業を繰り返したり、前記スラリーの濃度を調整したり、することにより行えばよい。また、前記スラリーを塗布した後に、アスピレータ等を用いて電極触媒層前駆体背面から前記スラリーを吸引してもよい。 In order for the solid polymer electrolyte to have a desired thickness or the like covering the inside or surface of the electrode catalyst layer precursor, the operation of impregnating and drying the slurry is repeated, or the concentration of the slurry is adjusted. It can be done by making adjustments. In addition, after applying the slurry, the slurry may be sucked from the back surface of the electrode catalyst layer precursor using an aspirator or the like.
塗布した前記スラリーを乾燥させるには、特に限定されないが、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性雰囲気下で、20〜120℃、好ましくは60〜100℃で行えばよい。これにより、固体高分子電解質の酸化劣化などを防止して、電極触媒層を形成する事が出来る。 Although it does not specifically limit in order to dry the apply | coated said slurry, What is necessary is just to carry out at 20-120 degreeC under inert atmosphere, such as nitrogen, argon, helium, Preferably it is 60-100 degreeC. As a result, the electrode catalyst layer can be formed while preventing oxidative degradation of the solid polymer electrolyte.
また、固体高分子電解質を含浸させる方法としては、固体高分子電解質を含む前記スラリーに、電極基材を浸漬させた後に所定の速度で引き上げ、これを乾燥させる方法、前記スラリーを電極基材に塗布した後、ローラーなどで含浸させる方法、などを用いることもできる。 Moreover, as a method of impregnating the solid polymer electrolyte, the electrode substrate is immersed in the slurry containing the solid polymer electrolyte, and then pulled up at a predetermined speed and dried. The slurry is applied to the electrode substrate. After applying, a method of impregnating with a roller or the like can also be used.
このように、前記導電性繊維および/または前記導電性ナノ繊維に触媒粒子を担持させた後、固体高分子電解質を含浸させることにより、前記導電性繊維および前記導電性ナノ繊維と触媒粒子との間に固体高分子電解質が介在しない好適な接触状態を維持することができる。 As described above, after the catalyst particles are supported on the conductive fibers and / or the conductive nanofibers, the conductive fibers and the conductive nanofibers and the catalyst particles are impregnated with the solid polymer electrolyte. A suitable contact state in which no solid polymer electrolyte is interposed therebetween can be maintained.
(5)その他
本発明の導電性繊維および/または導電性ナノ繊維は、表面が親水性および/または撥水性に改質された繊維であってもよい。各繊維表面を親水性および/または撥水性に改質する方法としては上述した通りであるため、ここでは詳細な説明を省略する。
(5) Others The conductive fiber and / or conductive nanofiber of the present invention may be a fiber whose surface is modified to be hydrophilic and / or water-repellent. Since the method for modifying each fiber surface to be hydrophilic and / or water-repellent is as described above, detailed description thereof is omitted here.
各繊維表面を親水性および/または撥水性に改質する時期は、特に制限されない。例えば、上述した電極触媒層の製造において、予め親水性および/または撥水性に改質した導電性繊維を用いてもよく、導電性繊維などをシート状に成形した後に親水性および/または撥水性に改質する処理を行うこともできる。 There is no particular limitation on the timing of modifying each fiber surface to be hydrophilic and / or water repellent. For example, in the production of the electrode catalyst layer described above, conductive fibers that have been modified in advance to be hydrophilic and / or water-repellent may be used. After forming the conductive fibers into a sheet, the hydrophilic and / or water-repellent properties are used. It is also possible to carry out a modification process.
導電性繊維にCNTを形成する際に、導電性繊維表面が親水性であるとCNT形成用触媒を高分散担持させることができる。従って、CNTを形成する際に用いる導電性繊維は、先に表面が親水性に改質されたものを用いるのが好ましい。 When the CNTs are formed on the conductive fibers, the CNT-forming catalyst can be highly dispersed and supported if the surface of the conductive fibers is hydrophilic. Therefore, it is preferable to use the conductive fiber used for forming the CNTs whose surface has been modified to be hydrophilic first.
また、電極反応を促進させる触媒粒子が担持される導電性繊維および/または導電性ナノ繊維は、撥水性であるのが望ましい。従って、前記触媒粒子を担持させる際に用いる導電性ナノ繊維が形成された導電性繊維は、予め撥水性に改質されたものを用いるのがよい。また、先に親水性に改質された導電性繊維を用いて導電性ナノ繊維を形成した後、この導電性ナノ繊維が形成された導電性繊維を不活性ガス雰囲気下で熱処理するなどして、導電性ナノ繊維および導電性繊維をさらに撥水性に改質したものを触媒粒子を担持する際に用いることもできる。 The conductive fibers and / or conductive nanofibers on which the catalyst particles that promote the electrode reaction are supported are desirably water-repellent. Accordingly, it is preferable to use conductive fibers formed with conductive nanofibers used for supporting the catalyst particles, which have been modified to be water-repellent in advance. Also, after forming conductive nanofibers using conductive fibers that have been modified to be hydrophilic, the conductive fibers formed with the conductive nanofibers are heat-treated in an inert gas atmosphere. Further, conductive nanofibers and conductive fibers that are further modified to have water repellency can also be used when supporting catalyst particles.
また、導電性ナノ繊維に触媒粒子を担持した後に改質する事により触媒粒子が担持されていない部分を撥水性導電性繊維とすることもできる。 Moreover, the part which is not carry | supporting a catalyst particle can also be made into a water-repellent conductive fiber by modifying after carrying | supporting a catalyst particle on electroconductive nanofiber.
導電性繊維を用いてシート状に成形する際に、撥水性に改質された導電性繊維および/または導電性ナノ繊維と、親水性に改質された導電性繊維および/または導電性ナノ繊維とを、(i)混合して束にしたものをシート状に成形してもよく、(ii)別々に束としたものを混合してシート状に成形してもよい。 Conductive fibers and / or conductive nanofibers modified to be water repellent and conductive fibers and / or conductive nanofibers modified to hydrophilicity when formed into a sheet shape using conductive fibers And (i) what is mixed and bundled may be formed into a sheet shape, and (ii) those separately bundled may be mixed and formed into a sheet shape.
ガス拡散電極において、ガス導入部からガス排出部の方向に向かって撥水性に改質された導電性繊維および/または導電性ナノ繊維の含有量を増加させるには、前記(i)の方法において撥水性に改質された導電性繊維および/または導電性ナノ繊維の含有量が異なる束を複数容易し、これらの束をシート状に成形する際に適宜選択して用いるとよい。また、前記(ii)の方法において、シート状に成形する際に、撥水性に改質された導電性繊維および/または導電性ナノ繊維と、親水性に改質された導電性繊維および/または導電性ナノ繊維とのそれぞれの束の編み込む密度などを適宜調整することによっても、撥水性に改質された導電性繊維および/または導電性ナノ繊維の含有量が異なる電極触媒層が得られる。 In the gas diffusion electrode, in order to increase the content of the conductive fibers and / or conductive nanofibers modified to be water-repellent from the gas introduction portion toward the gas discharge portion, in the method (i) A plurality of bundles having different contents of conductive fibers and / or conductive nanofibers modified to have water repellency are easily selected, and these bundles may be appropriately selected and used when formed into a sheet. In the method (ii), when forming into a sheet, the conductive fibers and / or conductive nanofibers modified to be water-repellent, the conductive fibers modified to hydrophilicity and / or Electrode catalyst layers having different contents of conductive fibers and / or conductive nanofibers modified to be water-repellent can also be obtained by appropriately adjusting the density and the like of each bundle with the conductive nanofibers.
また、上述した方法では、まず導電性ナノ繊維および触媒粒子を導電性繊維の所望する部位に形成させた後、シート状に成形する方法であったが、かような方法に限定されない。導電性繊維を上記したのと同様にしてシート状に成形した後に、得られた成形体に導電性ナノ繊維および触媒粒子を担持させる方法であってもよい。前記方法として、例えば、所定数の導電性繊維を束ねてシート状に成形し、得られた成形体に導電性ナノ繊維を形成した後、さらに、前記導電性ナノ繊維が形成された成形体を触媒化合物溶液に浸漬させて還元剤などを添加することにより前記導電性繊維および導電性ナノ繊維に触媒粒子を担持させる方法などがある。なお、導電性ナノ繊維の形成方法、触媒粒子の担持方法、および固体高分子電解質の含浸方法は、上記したのと同様に行えるためここでは詳細な説明を省略する。 In the above-described method, the conductive nanofibers and catalyst particles are first formed at a desired portion of the conductive fiber and then formed into a sheet shape. However, the method is not limited thereto. A method may be used in which conductive nanofibers and catalyst particles are supported on the obtained molded body after the conductive fibers are formed into a sheet shape in the same manner as described above. As the method, for example, after a predetermined number of conductive fibers are bundled and formed into a sheet shape, conductive nanofibers are formed on the obtained molded body, and further, a molded body on which the conductive nanofibers are formed is obtained. There is a method in which catalyst particles are supported on the conductive fibers and conductive nanofibers by immersing them in a catalyst compound solution and adding a reducing agent or the like. Since the method for forming conductive nanofibers, the method for supporting catalyst particles, and the method for impregnating solid polymer electrolyte can be performed in the same manner as described above, detailed description thereof is omitted here.
前記成形体は、所望の導電性繊維を用いて予めシート状に成形した成形体として市販されているものを直接用いることもできる。このような市販品としては、例えば、東レ株式会社製カーボンペーパTGPシリーズ、E−TEK社製カーボンクロス、SGLカーボン社製黒鉛繊維不織布などが挙げられる。 The said molded object can also use directly what is marketed as a molded object previously shape | molded in the sheet form using the desired electroconductive fiber. Examples of such commercially available products include carbon paper TGP series manufactured by Toray Industries, Inc., carbon cloth manufactured by E-TEK, graphite fiber nonwoven fabric manufactured by SGL Carbon, and the like.
前記成形体を構成する導電性繊維および/または導電性ナノ繊維の表面を、親水性および/または撥水性に改質するには、成形体を酸化処理または不活性ガス雰囲気下での熱処理等をすることにより行える。なお、前記成形体を構成する各繊維表面を親水性および/または撥水性に改質する方法および時期は、上記したのと同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。 In order to modify the surface of conductive fibers and / or conductive nanofibers constituting the molded body to be hydrophilic and / or water-repellent, the molded body is subjected to oxidation treatment or heat treatment in an inert gas atmosphere. You can do that. In addition, since the method and time for modifying each fiber surface constituting the molded body to be hydrophilic and / or water-repellent are the same as described above, detailed description thereof is omitted here.
(緩衝層の作製)
電極触媒層上に緩衝層を作製する方法として、有機系化合物のみからなる緩衝層を製造する場合には、有機系化合物を水やアルコールなどの溶媒に溶解させた溶液を、電極触媒層上などに、塗布および乾燥させることにより得られる。
(Preparation of buffer layer)
As a method for producing a buffer layer on the electrode catalyst layer, when producing a buffer layer made of only an organic compound, a solution obtained by dissolving the organic compound in a solvent such as water or alcohol is used on the electrode catalyst layer. Then, it is obtained by coating and drying.
前記有機系化合物を溶解させた溶液において、前記有機系化合物の含有量は1〜20質量%程度とするのが望ましい。 In the solution in which the organic compound is dissolved, the content of the organic compound is preferably about 1 to 20% by mass.
前記塗布方法としては、特に限定されず、前記溶液の濃度を適宜調整することにより、フローコーティング法、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法など公知の方法を用いて行えばよい。また、得られる緩衝層が所望の厚さを有するように、前記溶液の濃度、塗布回数、塗布スピードなどを調整するとよい。 The application method is not particularly limited, and may be performed by using a known method such as a flow coating method, a spray method, a screen printing method, or a doctor blade method by appropriately adjusting the concentration of the solution. In addition, the concentration of the solution, the number of coatings, the coating speed, and the like may be adjusted so that the obtained buffer layer has a desired thickness.
前記乾燥方法としては、特に限定されないが、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガス雰囲気下で、20〜120℃、好ましくは60〜100℃程度で行えばよい。 Although it does not specifically limit as said drying method, What is necessary is just to carry out by 20-120 degreeC under inert gas atmosphere, such as nitrogen, argon, helium, Preferably it is about 60-100 degreeC.
また、無機系化合物からなる緩衝層を製造する場合には、P2O5、SiO2、B2O3、GeO2、またはAs2O3等の無機系化合物を構成する金属を少なくとも1つ含む金属アルコキシドを含有するゾル溶液を、十分に乾燥させて乾燥ゲルを得る方法などが挙げられる。 When a buffer layer made of an inorganic compound is manufactured, at least one metal constituting the inorganic compound such as P 2 O 5 , SiO 2 , B 2 O 3 , GeO 2 , or As 2 O 3 is used. Examples thereof include a method of sufficiently drying a sol solution containing a metal alkoxide to obtain a dry gel.
前記金属アルコキシドとしては、例えば、テトラメトキシシラン(TMOS、Si(OCH3)4)、テトラエトキシシラン(TEOS、Si(OC2H5)4)、グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(GPTS、(OCH3)3SiO(CH2)2OCH2CHO)、リン酸トリエチル(PO(OC2H5)3)やリン酸トリメチル(PO(OCH3)3)などが挙げられる。 Examples of the metal alkoxide include tetramethoxysilane (TMOS, Si (OCH 3 ) 4 ), tetraethoxysilane (TEOS, Si (OC 2 H 5 ) 4 ), glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTS, (OCH 3 ) 3 SiO (CH 2 ) 2 OCH 2 CHO), triethyl phosphate (PO (OC 2 H 5 ) 3 ), trimethyl phosphate (PO (OCH 3 ) 3 ), and the like.
前記ゾル溶液は、金属アルコキシドを水およびアルコールなどの溶媒に添加することにより得られる。また、前記ゾル溶液には、ゲル化速度を調整するために、塩酸、アンモニアなどの、酸や塩基を触媒として添加してもよい。 The sol solution can be obtained by adding a metal alkoxide to a solvent such as water and alcohol. In addition, an acid or base such as hydrochloric acid or ammonia may be added to the sol solution as a catalyst in order to adjust the gelation rate.
前記ゾル溶液を、電極触媒層上などに、上記したのと同様の塗布方法で塗布した後、常温で数週間程度放置したり、あるいは150℃程度で1〜24時間ほど放置したり、することにより乾燥ゲルとしたものを緩衝層として用いることができる。 After the sol solution is applied on the electrode catalyst layer by the same application method as described above, it is allowed to stand at room temperature for several weeks or at 150 ° C. for 1 to 24 hours. The dried gel can be used as the buffer layer.
これに限定されず、前記ゾル溶液を30〜80℃程度に保持して加水分解によるゲル化反応を進行させることによって得られる湿潤ゲルを、電極触媒層上などに塗布した後、これを30〜50℃程度で乾燥させ乾燥ゲルとしたものを緩衝層として用いることなどもできる。 It is not limited to this, After applying the wet gel obtained by maintaining the said sol solution at about 30-80 degreeC and advancing the gelatinization reaction by hydrolysis on an electrode catalyst layer etc., this is 30-30. What was dried at about 50 degreeC and made into the dry gel can also be used as a buffer layer.
得られる緩衝層が所望する厚さとなるように、前記ゾルまたは前記湿潤ゲルを塗布および乾燥させる工程を繰り返し行うとよい。 The step of applying and drying the sol or the wet gel may be repeated so that the obtained buffer layer has a desired thickness.
また、前記ゾルまたは前記湿潤ゲルを用いて、PTFE製シート上などに別途作製した乾燥ゲル膜を、電極触媒層上にホットプレスなどで接合することにより、電極触媒層上に緩衝層を転写してもよい。前記乾燥ゲル膜は、安定した高いプロトン伝導性を得るために、500〜1000℃程度の温度でさらに熱処理してもよい。 Further, a buffer layer is transferred onto the electrode catalyst layer by bonding a dry gel film separately produced on a PTFE sheet or the like using the sol or the wet gel onto the electrode catalyst layer by hot pressing or the like. May be. The dry gel membrane may be further heat-treated at a temperature of about 500 to 1000 ° C. in order to obtain stable high proton conductivity.
無機系化合物と有機系化合物との混合物からなる緩衝層を製造する場合には、例えば、上述した有機系化合物のみからなる緩衝層の製造において用いる、水やアルコールなどの溶媒に有機系化合物を溶解させた溶液に、無機系化合物を添加して、これを塗布および乾燥させる方法などが挙げられる。 When manufacturing a buffer layer composed of a mixture of an inorganic compound and an organic compound, for example, the organic compound is dissolved in a solvent such as water or alcohol used in the manufacture of the buffer layer composed only of the organic compound described above. For example, a method of adding an inorganic compound to the solution and applying and drying the compound may be used.
この時、前記無機系化合物の形状としては、粉末状、板状、針状、球状、繊維状などが挙げられ、特に限定されない。前記無機系化合物の添加量などは、得られる緩衝層の耐久性、柔軟性などを考慮して適宜決定すればよい。 At this time, examples of the shape of the inorganic compound include powder, plate, needle, sphere, and fiber, and are not particularly limited. What is necessary is just to determine suitably the addition amount etc. of the said inorganic type compound in consideration of durability, a softness | flexibility, etc. of the buffer layer obtained.
塗布および乾燥方法としては、有機系化合物のみからなる緩衝層の製造においてした説明と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。 The application and drying method is the same as that described in the production of the buffer layer made of only the organic compound, and therefore detailed description thereof is omitted here.
また、かような方法の他に、無機系化合物からなる緩衝層の製造において用いるゾル溶液に、有機系化合物溶液を添加し、これを乾燥させる方法により、無機系化合物と有機系化合物との混合物からなる緩衝層を製造してもよい。 In addition to such a method, a mixture of an inorganic compound and an organic compound can be obtained by adding an organic compound solution to a sol solution used in the production of a buffer layer made of an inorganic compound and drying the solution. You may manufacture the buffer layer which consists of.
前記有機系化合物溶液としては、水やアルコールなどの溶媒に有機系化合物を溶解させた溶液などが挙げられる。これは、上述した有機系化合物のみからなる緩衝層の製造においてした説明と同様であるため、ここではその説明を省略する。 Examples of the organic compound solution include a solution in which an organic compound is dissolved in a solvent such as water or alcohol. Since this is the same as that described in the production of the buffer layer made of only the organic compound, the description thereof is omitted here.
前記ゾル溶液に、前記有機系化合物溶液を添加する以外は、上述の無機系化合物からなる緩衝層の製造と同様にして行えばよい。 What is necessary is just to manufacture similarly to the buffer layer which consists of the above-mentioned inorganic type compound except adding the said organic type compound solution to the said sol solution.
緩衝層または電極触媒層の少なくとも一方に含まれるプロトン伝導性電解質または固体高分子電解質が濡れている状態で緩衝層および電極触媒層を接触させる方法を用いるとよい。これにより、緩衝層および電極触媒層に含まれるプロトン伝導性電解質および固体高分子電解質が連通した構成とすることができ、プロトン伝導性を向上させることができる。また、緩衝層と電極触媒層とを接触させる際に、電極触媒層は内部だけでなく表面まで固体高分子電解質が塗布されているとよい。 A method of contacting the buffer layer and the electrode catalyst layer in a state where the proton conductive electrolyte or the solid polymer electrolyte contained in at least one of the buffer layer and the electrode catalyst layer is wet may be used. Thereby, it can be set as the structure which the proton conductive electrolyte and solid polymer electrolyte which are contained in a buffer layer and an electrode catalyst layer connected, and can improve proton conductivity. Moreover, when making a buffer layer and an electrode catalyst layer contact, it is good for the electrode catalyst layer to apply | coat the solid polymer electrolyte not only to the inside but to the surface.
本発明の第二は、上述した本発明の第一の電極触媒層を用いた燃料電池用MEA(単に「MEA」とも記載する。)である。すなわち、固体高分子電解質膜の両側に、アノード側電極触媒層およびアノード側ガス拡散層と、カソード側電極触媒層およびカソード側ガス拡散層とが、それぞれ対向して配置された構成を有するMEAにおいて、アノード側電極触媒層およびカソード側電極触媒層の少なくとも一方に本発明の第一の電極触媒層を用いたMEAである。本発明の第一の電極触媒層を用いることにより、発電性能に優れるMEAが得られる。 The second of the present invention is a fuel cell MEA (also simply referred to as “MEA”) using the above-described first electrode catalyst layer of the present invention. That is, in an MEA having a configuration in which an anode-side electrode catalyst layer and an anode-side gas diffusion layer, and a cathode-side electrode catalyst layer and a cathode-side gas diffusion layer are arranged to face each other on both sides of a solid polymer electrolyte membrane. The MEA uses the first electrode catalyst layer of the present invention for at least one of the anode side electrode catalyst layer and the cathode side electrode catalyst layer. By using the first electrode catalyst layer of the present invention, an MEA having excellent power generation performance can be obtained.
本発明のMEAにおいて、本発明の第一の電極触媒層は、アノード側電極触媒層およびカソード側電極触媒層の少なくとも一方に用いられればよい。例えば、カソードに上述した電極触媒層を用いた場合、アノードには上述した電極触媒層の他、MEAに用いられる従来公知のアノード用電極触媒層を適用すればよい。しかしながら、電子伝導性などに優れることからアノード側電極触媒層およびカソード側電極触媒層の双方に、上述した本発明の第一の電極触媒層が用いられるのがより好ましい。 In the MEA of the present invention, the first electrode catalyst layer of the present invention may be used for at least one of the anode side electrode catalyst layer and the cathode side electrode catalyst layer. For example, when the above-described electrode catalyst layer is used for the cathode, a conventionally known anode electrode catalyst layer used for MEA may be applied to the anode in addition to the above-described electrode catalyst layer. However, it is more preferable that the above-described first electrode catalyst layer of the present invention is used for both the anode-side electrode catalyst layer and the cathode-side electrode catalyst layer because of its excellent electron conductivity.
本発明のMEA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、電極触媒層に用いたものと同様の固体高分子電解質からなる膜が挙げられる。また、この他にも、高分子微多孔膜に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、多孔質テフロンなどで補強した膜などを用いてもよい。前記固体高分子電解質膜に用いられる固体高分子電解質と、電極触媒層に用いられる固体高分子電解質とは、同じであっても異なっていてもよいが、電極触媒層と固体高分子電解質膜との密着性を向上させる観点から、同じものを用いるのが好ましい。 The solid polymer electrolyte membrane used in the MEA of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a membrane made of the same solid polymer electrolyte as that used for the electrode catalyst layer. In addition, a membrane in which a polymer microporous membrane is impregnated with a liquid electrolyte, a membrane in which a porous body is filled with a polymer electrolyte, a membrane reinforced with porous Teflon, or the like may be used. The solid polymer electrolyte used for the solid polymer electrolyte membrane and the solid polymer electrolyte used for the electrode catalyst layer may be the same or different, but the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane From the viewpoint of improving the adhesiveness, it is preferable to use the same one.
前記固体高分子電解質膜の厚さとしては、得られるMEAの特性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは5〜100μm、より好ましくは10〜50μmである。製膜時の強度やMEA作動時の耐久性の観点から、膜の厚みは5μm以上であることが好ましく、MEA作動時の出力特性の観点から100μm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 properties of the obtained MEA, but is preferably 5 to 100 μm, more preferably 10 to 50 μm. From the viewpoint of strength during film formation and durability during MEA operation, the thickness of the film is preferably 5 μm or more, and preferably from 100 μm or less from the viewpoint of output characteristics during MEA operation.
ガス拡散層としては、従来公知のものであれば特に制限なく用いることができる。具体的には、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材料などの基材からなるものが挙げられる。より具体的には、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボン不織布などが好ましく挙げられる。前記基材は、市販品を用いることもでき、例えば、東レ株式会社製カーボンペーパTGPシリーズ、E−TEK社製カーボンクロスなどが挙げられる。 As the gas diffusion layer, any conventionally known one can be used without particular limitation. Specifically, what consists of base materials, such as a sheet-like material which has electroconductivity and porosity, such as a carbon fabric, a paper-like paper body, a felt, and a nonwoven fabric, is mentioned. More specifically, carbon paper, carbon cloth, carbon nonwoven fabric and the like are preferable. A commercial item can also be used for the said base material, for example, carbon paper TGP series by Toray Industries, Inc., carbon cloth by E-TEK, etc. are mentioned.
前記ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐために、前記基材に撥水剤が含まれているのが好ましい。前記撥水剤としては、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 layer preferably contains a water repellent in the base material in order to further improve water repellency and prevent a flooding phenomenon. Although it does not specifically limit as said water repellent, It is fluorine-type, such as a polytetrafluoroethylene (PTFE), a polyvinylidene fluoride (PVDF), a polyhexafluoropropylene, a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). Examples thereof include polymer materials, polypropylene, and polyethylene.
また、撥水性をより向上させるために、前記ガス拡散層は、前記基材上に撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなる導電性微粒子層を有するものであってもよい。 In order to further improve water repellency, the gas diffusion layer may have a conductive fine particle layer made of an aggregate of carbon particles containing a water repellent on the base material.
前記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。 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.
前記カーボン粒子は、市販品を用いることができ、キャボット社製バルカンXC−72、バルカンP、ブラックパールズ880、ブラックパールズ1100、ブラックパールズ1300、ブラックパールズ2000、リーガル400、ライオン社製ケッチェンブラックEC、三菱化学社製#3150、#3250などのオイルファーネスブラック;電気化学工業社製デンカブラックなどのアセチレンブラック等が挙げられる。またカーボンブラックのほか、天然の黒鉛、ピッチ、コークス、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、フラン樹脂などの有機化合物から得られる人工黒鉛や炭素などがある。 Commercially available products can be used as the carbon particles, such as Cabot Vulcan XC-72, Vulcan P, Black Pearls 880, Black Pearls 1100, Black Pearls 1300, Black Pearls 2000, Legal 400, Ketjen Black EC manufactured by Lion. Oil furnace black such as # 3150 and # 3250 manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation; acetylene black such as Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. and the like. In addition to carbon black, there are artificial graphite and carbon obtained from organic compounds such as natural graphite, pitch, coke, polyacrylonitrile, phenol resin and furan resin.
前記カーボン粒子の粒径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、電極触媒層との接触性も向上させることが可能となる。 The particle size of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. Thereby, while being able to obtain the high drainage property by capillary force, it becomes possible to improve contact property with an electrode catalyst layer.
前記導電性微粒子層に用いられる撥水剤としては、前記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、電極反応時の耐腐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。 Examples of the water repellent used for the conductive fine particle layer include the same water repellents as those described above used for the substrate. Of these, fluorine-based polymer materials are preferably used because of their excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reaction.
前記導電性微粒子層における、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、導電性微粒子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。 In the conductive fine particle layer, the mixing ratio between the carbon particles and the water repellent may be insufficient to obtain the water repellency as expected if there are too many carbon particles. May not be obtained. Considering these, the mixing ratio of the carbon particles and the water repellent in the conductive fine particle layer is preferably about 90:10 to 40:60 in terms of mass ratio.
前記導電性微粒子層の厚さは、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。 The thickness of the conductive fine particle layer may be appropriately determined in consideration of the water repellency of the obtained gas diffusion layer.
ガス拡散層に撥水剤を含有させる場合には、一般的な撥水処理方法を用いて行えばよい。撥水剤の水性ディスパージョン溶液またはアルコールディスパージョン溶液に、ガス拡散層に用いられる基材を浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させる方法などが挙げられる。乾燥時の排ガス処理の容易さからは、撥水剤の水性ディスパージョン溶液を用いるのが好ましい。 When a water repellent is contained in the gas diffusion layer, a general water repellent treatment method may be used. Examples include a method in which a base material used for a gas diffusion layer is immersed in an aqueous dispersion solution or an alcohol dispersion solution of a water repellent, and then heated and dried in an oven or the like. In view of ease of exhaust gas treatment during drying, it is preferable to use an aqueous dispersion solution of a water repellent.
また、前記基材上に導電性微粒子層を有するガス拡散層を形成する場合には、カーボン粒子、撥水剤等を、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒などの溶媒中に分散させることによりスラリーを調製し、前記スラリーを基材上に塗布し乾燥、もしくは、前記スラリーを一度乾燥させ粉砕することで粉体にし、これを前記基材上に塗布する方法などを用いればよい。また、前記スラリーは、撥水剤の水性ディスパージョン溶液またはアルコールディスパージョン溶液に、カーボン粒子を混合することによっても調製できる。その後、マッフル炉や焼成炉を用いて250〜400℃程度で熱処理を施すのが好ましい。 In the case of forming a gas diffusion layer having a conductive fine particle layer on the substrate, carbon particles, water repellent, etc. are used as alcohol, water, perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, methanol, ethanol, etc. A slurry is prepared by dispersing in a solvent such as a solvent, and the slurry is applied on a substrate and dried, or the slurry is dried and pulverized to form a powder, which is applied on the substrate. Or the like. The slurry can also be prepared by mixing carbon particles in an aqueous dispersion solution or alcohol dispersion solution of a water repellent. Then, it is preferable to heat-process at about 250-400 degreeC using a muffle furnace or a baking furnace.
また、MEAの製造方法としては、特に限定されないが、例えば、電極触媒層およびガス拡散層を用いて固体高分子電解質膜を挟持した後、これをホットプレス法などを用いて接合する方法などを適宜用いればよい。ホットプレスは、好ましくは110〜170℃で、電極面に対して1〜5MPaのプレス圧力で行うのがよい。これにより接合性を高めることができる。 Also, the MEA production method is not particularly limited. For example, a method in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched using an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer and then bonded using a hot press method or the like. What is necessary is just to use suitably. Hot pressing is preferably performed at 110 to 170 ° C. and a pressing pressure of 1 to 5 MPa with respect to the electrode surface. Thereby, bondability can be improved.
本発明の第三は、上述したMEAを用いた燃料電池である。本発明の第二のMEAを用いることにより優れた発電性能を有する燃料電池が得られる。前記燃料電池によれば、燃料電池システムの高効率化、小型化、軽量化を図ることができ、定置用電源の他、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源などとして有用である。 A third aspect of the present invention is a fuel cell using the above-described MEA. By using the second MEA of the present invention, a fuel cell having excellent power generation performance can be obtained. According to the fuel cell, the fuel cell system can be highly efficient, reduced in size, and reduced in weight, and is useful as a power source for a moving body such as a vehicle having a limited mounting space in addition to a stationary power source. .
前記燃料電池の種類としては、小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、固体高分子型燃料電池が好ましく挙げられる。 The type of the fuel cell is preferably a polymer electrolyte fuel cell because it is small in size and high in density and high in output.
前記燃料電池の構成としては、特に限定されず、従来公知の技術を適宜利用すればよいが、一般的にはMEAをセパレータで挟持した構造を有する。MEAを挟持する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、空気と燃料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流路溝が形成されてもよい。セパレータの厚さや大きさ、流路溝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。 The configuration of the fuel cell is not particularly limited, and a conventionally known technique may be used as appropriate. Generally, the fuel cell has a structure in which an MEA is sandwiched between separators. As the separator for sandwiching the MEA, any conventionally known separator such as a carbon made of dense carbon graphite, a carbon plate, or a metal such as stainless steel can be used without limitation. The separator has a function of separating air and fuel gas, and a channel groove for securing the channel may be formed. The thickness and size of the separator, the shape of the flow channel, and the like are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of the obtained fuel cell.
さらに、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、セパレータを介してMEAを複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、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, a stack in which a plurality of MEAs are stacked via a separator and connected in series may be formed so that the fuel cell can obtain a desired voltage or the like. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.
以下、本発明を実施例を用いてより具体的に説明する。なお、本発明が下記実施例に限定されることはない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. In addition, this invention is not limited to the following Example.
(実施例1)
(1)カーボンナノチューブの形成
カーボン繊維(直径7〜8μm)にスパッタリング法を用いて繊維表面に鉄薄膜を作製した。続いて、石英ガラス製熱CVD炉に入れ、アルゴンガス雰囲気下700℃で焼成後、アルゴンガス400SCCM、アセチレンガス40SCCMを流して、700℃でカーボンナノチューブを成長させた。
Example 1
(1) Formation of carbon nanotube An iron thin film was produced on the fiber surface using a sputtering method for carbon fiber (diameter 7 to 8 μm). Subsequently, it was placed in a quartz glass thermal CVD furnace, fired at 700 ° C. in an argon gas atmosphere, and then argon gas 400 SCCM and acetylene gas 40 SCCM were flowed to grow carbon nanotubes at 700 ° C.
(2)白金粒子の担持
次に、カーボンナノチューブが形成されたカーボン繊維を、ジニトロジアンミン白金水溶液(Pt濃度1.0質量%)に浸漬させ、前記溶液に還元剤としてエタノール50mlを混合して1時間攪拌した。その後、30分で85℃まで加温し、さらに、85℃で6時間撹拌・混合した後、1時間で室温まで降温した。次いで、前記カーボン繊維を引き上げた後、減圧下85℃において12時間乾燥することにより、白金粒子をカーボン繊維およびカーボンナノチューブ上に担持させた。
(2) Supporting platinum particles Next, carbon fibers on which carbon nanotubes are formed are immersed in a dinitrodiammine platinum aqueous solution (Pt concentration: 1.0% by mass), and 50 ml of ethanol as a reducing agent is mixed with the solution to obtain 1 Stir for hours. Then, it heated up to 85 degreeC in 30 minutes, and also, after stirring and mixing at 85 degreeC for 6 hours, it cooled to room temperature in 1 hour. Subsequently, after pulling up the carbon fiber, the platinum particle was supported on the carbon fiber and the carbon nanotube by drying at 85 ° C. under reduced pressure for 12 hours.
(3)電極触媒層の作製
次に、前記白金粒子およびカーボンナノチューブが形成されたカーボン繊維25本を一まとめに撚り、さらに、この撚り糸2本をひとまとめに撚り込んだ繊維束を用いて平織りすることによりカーボンクロスを作製し、これを50mm角に打ち抜き、白金粒子が担持された電極触媒層前駆体とした。
(3) Production of electrode catalyst layer Next, 25 carbon fibers on which the platinum particles and the carbon nanotubes are formed are twisted together, and further, plain weaving is performed using a fiber bundle in which the two twisted yarns are twisted together. Thus, a carbon cloth was produced and punched into a 50 mm square to obtain an electrode catalyst layer precursor carrying platinum particles.
さらに、Nafion(登録商標)溶液(DuPont社製 DE520、Nafion5wt%含有)をイソプロピルアルコールにより濃度3wt%に調整した固体高分子電解質溶液を、前記電極触媒層前駆体上に窒素雰囲気下でフローコーティング法により塗布および含浸させ、さらに、窒素雰囲気中で60℃、60分間乾燥させることにより、電極触媒層を作製した。
(4)中間緩衝層の作製
前記電極触媒層の片面に、上記と同様の固体高分子電解質溶液を、窒素雰囲気下でフローコーティング法により塗布させた後、窒素雰囲気中で60℃、60分間乾燥させる工程を3回繰り返すことにより、電極触媒層の片面に中間緩衝層を作製した。
(5)ガス拡散層の作製
カーボンペーパ(東レ株式会社製カーボンペーパTGP−H−060、厚さ190μm)を50mm角に打ち抜いたガス拡散基材を準備した。このガス拡散基材を、PTFEのフッ素系水性ディスパージョン溶液(ダイキン工業社製 ポリフロンD−1E、PTFE60wt%含有)を純水で所定の濃度に調整した溶液中に5分浸漬させた後、オーブン内にて60℃、30分間乾燥させることにより、カーボンペーパ中にPTFEを分散させた。このとき、PTFE含有量は25wt%であった。これにより、撥水処理されたガス拡散基材を得た。
Further, a solid polymer electrolyte solution prepared by adjusting a Nafion (registered trademark) solution (DE520 manufactured by DuPont, containing Nafion 5 wt%) to a concentration of 3 wt% with isopropyl alcohol was applied to the electrode catalyst layer precursor by a flow coating method in a nitrogen atmosphere. Then, the electrode catalyst layer was prepared by applying and impregnating with the above, and drying in a nitrogen atmosphere at 60 ° C. for 60 minutes.
(4) Preparation of intermediate buffer layer A solid polymer electrolyte solution similar to the above was applied to one side of the electrode catalyst layer by a flow coating method in a nitrogen atmosphere, and then dried in a nitrogen atmosphere at 60 ° C for 60 minutes. The intermediate buffer layer was produced on one side of the electrode catalyst layer by repeating the step of causing the electrode catalyst layer 3 times.
(5) Production of Gas Diffusion Layer A gas diffusion base material was prepared by punching carbon paper (carbon paper TGP-H-060 manufactured by Toray Industries, Inc., thickness 190 μm) into a 50 mm square. This gas diffusion substrate was immersed for 5 minutes in a solution in which a PTFE fluorine-based aqueous dispersion solution (polyflon D-1E manufactured by Daikin Industries, Ltd., containing PTFE 60 wt%) was adjusted to a predetermined concentration with pure water, The PTFE was dispersed in the carbon paper by drying at 60 ° C. for 30 minutes. At this time, the PTFE content was 25 wt%. As a result, a water-repellent gas diffusion base material was obtained.
続いて、カーボンブラック(CABOT社製 VULCAN(登録商標) XC−72R)5.4gと、上記で用いたのと同じPTFEのフッ素系水性ディスパージョン溶液1.0gと、水29.6gとを、ホモジナイザーにて3時間混合分散し、スラリーを調製した。このスラリーを、先に作製した撥水処理されたガス拡散基材の一方の面にバーコーターにより均一に塗布し、オーブン内にて60℃、1時間乾燥させた後、さらにマッフル炉にて350℃、1時間熱処理を行った。これにより、ガス拡散基材上に導電性微粒子層が形成されたガス拡散層を得た。
(6)MEAおよび固体高分子電解質型燃料電池の作製
上記の通り作製した電極触媒層2枚を用いて、固体高分子電解質膜としてNafion112(100mm角、厚さ約50μm)の両側に配置した後、ホットプレス法により130℃、2.0MPaで10分間ホットプレスして接合体とした後、先に作製したガス拡散層2枚を用いて導電性微粒子層を内側にして前記接合体を挟持することによりMEAを作製した。
Subsequently, 5.4 g of carbon black (VULCAN (registered trademark) XC-72R manufactured by CABOT Co., Ltd.), 1.0 g of the same fluorine-based aqueous dispersion solution of PTFE as used above, and 29.6 g of water, A slurry was prepared by mixing and dispersing for 3 hours in a homogenizer. This slurry was uniformly applied to one surface of the previously prepared water-repellent gas diffusion base material by a bar coater, dried in an oven at 60 ° C. for 1 hour, and further subjected to 350 in a muffle furnace. A heat treatment was performed at 1 ° C. for 1 hour. Thereby, the gas diffusion layer in which the conductive fine particle layer was formed on the gas diffusion base material was obtained.
(6) Production of MEA and solid polymer electrolyte fuel cell After two electrode catalyst layers produced as described above were used and placed on both sides of Nafion 112 (100 mm square, thickness of about 50 μm) as a solid polymer electrolyte membrane Then, after hot pressing at 130 ° C. and 2.0 MPa for 10 minutes to form a joined body, the joined body is sandwiched by using two gas diffusion layers prepared earlier with the conductive fine particle layer inside. Thus, an MEA was produced.
上記の通りにして作製したMEAの両面にガス流路付きガスセパレータ、シール材を配置し所定の面圧になるように締め付け、固体高分子型燃料電池とした。 A gas separator with a gas flow path and a sealing material were arranged on both sides of the MEA produced as described above and tightened to a predetermined surface pressure to obtain a polymer electrolyte fuel cell.
(実施例2)
カーボン繊維(直径7〜8μm)を、水蒸気を含むアルゴンガスの不活性ガス雰囲気中で約900℃で、5時間熱処理することにより、前記カーボン繊維表面を親水性に改質した。得られた親水性カーボン繊維に、実施例1と同様にして、カーボンナノチューブを形成した。カーボンナノチューブが形成された親水性カーボン繊維を、さらに、水素雰囲気中、2800℃で、3時間熱処理することにより、カーボンナノチューブおよび親水性カーボン繊維表面を、撥水性に改質した。次に、この撥水性カーボン繊維を用い、実施例1と同様にして、白金粒子を撥水性カーボン繊維およびカーボンナノチューブ上に担持させた。
(Example 2)
The surface of the carbon fiber was modified to be hydrophilic by heat-treating the carbon fiber (diameter 7 to 8 μm) at about 900 ° C. in an inert gas atmosphere of argon gas containing water vapor for 5 hours. Carbon nanotubes were formed on the obtained hydrophilic carbon fibers in the same manner as in Example 1. The surface of the carbon nanotube and the hydrophilic carbon fiber was modified to be water repellent by further heat-treating the hydrophilic carbon fiber on which the carbon nanotube was formed at 2800 ° C. for 3 hours in a hydrogen atmosphere. Next, using this water-repellent carbon fiber, platinum particles were supported on the water-repellent carbon fiber and the carbon nanotube in the same manner as in Example 1.
次に、カーボン繊維(直径7〜8μm)を用い、上記と同様にして、前記カーボン繊維表面を親水性に改質した親水性カーボン繊維を得た。 Next, using carbon fibers (diameter 7 to 8 μm), hydrophilic carbon fibers obtained by modifying the surface of the carbon fibers to be hydrophilic were obtained in the same manner as described above.
上述の通りにして、白金粒子が担持された撥水性カーボン繊維と、親水性カーボン繊維と、をそれぞれ25本をそれぞれ一まとめに撚り、さらに、この撚り糸2本をひとまとめに撚り込んだ繊維束を用いて平織りすることによりカーボンクロスを作製し、50mm角に打ち抜き、白金粒子が担持された電極触媒層前駆体とした。 As described above, each of the 25 water-repellent carbon fibers carrying platinum particles and the hydrophilic carbon fibers is twisted together, and a fiber bundle in which the two twisted yarns are twisted together. A carbon cloth was produced by plain weaving and punched into a 50 mm square to obtain an electrode catalyst layer precursor carrying platinum particles.
前記電極触媒層前駆体に、実施例1と同様にして固体高分子電解質溶液を含浸および乾燥させることにより、電極触媒層を作製した。 The electrode catalyst layer was prepared by impregnating and drying the solid catalyst electrolyte solution in the same manner as in Example 1.
上記の通りにして得られた電極触媒層を用いた以外は、実施例1と同様にしてMEAおよび燃料電池を作製した。 An MEA and a fuel cell were produced in the same manner as in Example 1 except that the electrode catalyst layer obtained as described above was used.
(実施例3)
カーボン繊維(直径7〜8μm)を、水蒸気を含むアルゴンガスの不活性ガス雰囲気中で約900℃で、5時間熱処理することにより、前記カーボン繊維表面を親水性に改質した。得られた親水性カーボン繊維に、実施例1と同様にして、カーボンナノチューブ形成した。
(Example 3)
The surface of the carbon fiber was modified to be hydrophilic by heat-treating the carbon fiber (diameter 7 to 8 μm) at about 900 ° C. in an inert gas atmosphere of argon gas containing water vapor for 5 hours. Carbon nanotubes were formed on the obtained hydrophilic carbon fibers in the same manner as in Example 1.
上記と同様にしてカーボンナノチューブが形成された親水性カーボン繊維を別途作製し、この親水性カーボン繊維を、水素雰囲気中、2800℃で、3時間熱処理することにより、カーボンナノチューブおよび親水性カーボン繊維表面を、撥水性に改質した。 In the same manner as described above, a hydrophilic carbon fiber on which carbon nanotubes are formed is separately prepared, and this hydrophilic carbon fiber is heat-treated at 2800 ° C. for 3 hours in a hydrogen atmosphere, so that the surfaces of the carbon nanotube and the hydrophilic carbon fiber are obtained. Was modified to water repellency.
次に、カーボンナノチューブが形成された親水性カーボン繊維および撥水性カーボン繊維に、それぞれ、実施例1と同様にして、白金粒子を担持させた。 Next, platinum particles were supported on the hydrophilic carbon fiber and the water-repellent carbon fiber on which the carbon nanotubes were formed in the same manner as in Example 1.
カーボンナノチューブと白金粒子とが担持された親水性カーボン繊維および撥水性カーボン繊維を所定数でそれぞれ一まとめに撚り、さらに、この撚り糸2本をひとまとめに撚り込んだ繊維束を撥水性カーボン繊維および親水性カーボン繊維からなる繊維束を複数用意した。この時、繊維束における撥水性カーボン繊維と親水性カーボン繊維との合計本数を50本とし、撥水性カーボン繊維と親水性カーボン繊維との割合が異なる繊維束を複数用意した。 A predetermined number of hydrophilic carbon fibers and water repellent carbon fibers carrying carbon nanotubes and platinum particles are twisted together, and a fiber bundle in which the two twisted yarns are twisted together is formed into a water repellent carbon fiber and a hydrophilic fiber. A plurality of fiber bundles made of carbon fiber were prepared. At this time, the total number of water-repellent carbon fibers and hydrophilic carbon fibers in the fiber bundle was 50, and a plurality of fiber bundles having different ratios of the water-repellent carbon fibers and the hydrophilic carbon fibers were prepared.
得られた繊維束を平織りすることによりカーボンクロスを作製し、この際に得られるカーボンクロスのガス排出部における撥水性カーボン繊維の密度が高くなるようにして、カーボンクロスを作製した。このカーボンクロスを50mm角に打ち抜き、白金粒子を有する電極触媒層前駆体とした。前記電極触媒層前駆体における撥水性カーボン繊維および親水性カーボン繊維の密度は、ガス導入部側(50mm×25mm)では撥水性カーボン繊維と親水性カーボン繊維の割合を繊維本数比で1:2とし、また、ガス排出部側(50mm×25mm)では撥水性カーボン繊維と親水性カーボン繊維の割合を繊維本数比で2:1とした。 A carbon cloth was produced by plain weaving the obtained fiber bundle, and the carbon cloth was produced such that the density of the water-repellent carbon fibers in the gas discharge portion of the carbon cloth obtained at this time was increased. This carbon cloth was punched into a 50 mm square to obtain an electrode catalyst layer precursor having platinum particles. The density of the water-repellent carbon fiber and the hydrophilic carbon fiber in the electrode catalyst layer precursor is set to 1: 2 in terms of the number ratio of the water-repellent carbon fiber and the hydrophilic carbon fiber on the gas introduction side (50 mm × 25 mm). Moreover, the ratio of the water-repellent carbon fiber and the hydrophilic carbon fiber was 2: 1 in terms of the number of fibers on the gas discharge part side (50 mm × 25 mm).
前記電極基材に、実施例1と同様にして固体高分子電解質溶液を含浸および乾燥させることにより、電極触媒層を作製した。 An electrode catalyst layer was prepared by impregnating and drying the solid electrolyte solution in the same manner as in Example 1 on the electrode substrate.
上記の通りにして得られた電極触媒層を用いた以外は、実施例1と同様にしてMEAおよび燃料電池を作製した。 An MEA and a fuel cell were produced in the same manner as in Example 1 except that the electrode catalyst layer obtained as described above was used.
(比較例1)
白金担持カーボン(田中貴金属工業社製 TEC10E50E、白金含量46.5wt%)10g、ナフィオン/イソプロピルアルコール溶液(デュポン社製、ナフィオン5wt%含有、イオン交換基当量重量1100g/mol)90g、純水25g、イソプロピルアルコール(和光純薬工業社製 特級試薬)10gを、20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にて、ホモジナイザーを用いて3時間混合分散することで、電極触媒インクとした。
(Comparative Example 1)
10 g of platinum-supporting carbon (TEC10E50E, Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., platinum content 46.5 wt%), 90 g of Nafion / isopropyl alcohol solution (manufactured by DuPont, containing 5 wt% of Nafion, ion exchange group equivalent weight 1100 g / mol), 25 g of pure water, 10 g of isopropyl alcohol (special grade reagent manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was mixed and dispersed for 3 hours using a homogenizer in a glass container in a water bath set to be kept at 20 ° C. to obtain an electrode catalyst ink.
この電極触媒インクを、スクリーンプリンターを用いてテフロンシート上に塗布し、オーブン中で100℃、30分間乾燥させた後、一辺50mmの正方形に切り出すことにより電極触媒層を得た。 This electrode catalyst ink was applied onto a Teflon sheet using a screen printer, dried in an oven at 100 ° C. for 30 minutes, and then cut into a square having a side of 50 mm to obtain an electrode catalyst layer.
作製した各電極触媒層2枚を用いて、固体高分子電解質膜としてNafion112(100mm角、厚さ約50μm)の両側に配置し、ホットプレス法により130℃、2.0MPaで10分間ホットプレスして接合体とした後にテフロンシートを剥がし、固体高分子電解質膜の両面に電極触媒層を転写し接合体とした。 Using each of the two electrocatalyst layers thus prepared, they were placed as solid polymer electrolyte membranes on both sides of Nafion 112 (100 mm square, thickness of about 50 μm), and hot pressed at 130 ° C. and 2.0 MPa for 10 minutes by a hot press method. After the Teflon sheet was peeled off, the electrode catalyst layers were transferred to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane to obtain a joined body.
上記の通りにして得られた電極触媒層を用いた以外は、実施例1と同様にしてMEAおよび燃料電池を作製した。 An MEA and a fuel cell were produced in the same manner as in Example 1 except that the electrode catalyst layer obtained as described above was used.
内部抵抗などが低減された本発明の電極触媒層は、長期に亘って高い発電性能が所望される燃料電池などに有用である。 The electrode catalyst layer of the present invention with reduced internal resistance and the like is useful for fuel cells and the like where high power generation performance is desired over a long period of time.
100…電極触媒層、120…緩衝層、111…導電性繊維(緯糸)、111’…導電性繊維(経糸)、112…導電性ナノ繊維、113…触媒粒子、114…固体高分子電解質。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Electrode catalyst layer, 120 ... Buffer layer, 111 ... Conductive fiber (weft), 111 '... Conductive fiber (warp), 112 ... Conductive nanofiber, 113 ... Catalyst particle, 114 ... Solid polymer electrolyte
Claims (13)
導電性ナノ繊維を有する導電性繊維と、少なくとも前記導電性ナノ繊維に担持された触媒粒子と、固体高分子電解質と、を含む燃料電池用電極触媒層。 An electrode catalyst layer for a fuel cell,
An electrode catalyst layer for a fuel cell, comprising conductive fibers having conductive nanofibers, at least catalyst particles supported on the conductive nanofibers, and a solid polymer electrolyte.
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