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JP2008066017A - Paste for forming catalyst layer, catalyst electrode using it, membrane electrode assembly using it, and manufacturing methods of them - Google Patents

Paste for forming catalyst layer, catalyst electrode using it, membrane electrode assembly using it, and manufacturing methods of them Download PDF

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JP2008066017A
JP2008066017A JP2006239987A JP2006239987A JP2008066017A JP 2008066017 A JP2008066017 A JP 2008066017A JP 2006239987 A JP2006239987 A JP 2006239987A JP 2006239987 A JP2006239987 A JP 2006239987A JP 2008066017 A JP2008066017 A JP 2008066017A
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catalyst
catalyst layer
polymer electrolyte
membrane
layer forming
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Shinichiro Yamagata
紳一郎 山形
Hideki Kodaira
秀樹 小平
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Toppan Inc
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Toppan Printing Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a catalyst electrode excellent in gas permeability, paste for forming a catalyst layer for manufacturing it, a membrane electrode assembly having excellent power generation efficiency using them, and the manufacturing methods of them. <P>SOLUTION: An evaporating substance is contained in the paste for forming the catalyst layer. The evaporating substance is evaporated at temperature in the manufacturing process of the membrane electrode assembly. A perfluorocarbon membrane having a sulfonic group is used as a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, and styrene-acrylic copolymer wax is used as the evaporating substance. The drying temperature of a solvent in the manufacturing of a catalyst electrode is set at a temperature less than the boiling point of the evaporating substance. The pressure of the environment for fusion-bonding the catalyst layer of the catalyst electrode and the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane is set in the pressure lower than the atmospheric pressure (for example, 1×10<SP>3</SP>to 5×10<SP>4</SP>Pa). <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池用の触媒電極、該触媒電極の触媒層形成用ペースト、それらを用いた膜電極接合体、およびそれらの製造方法に関する。 The present invention relates to a catalyst electrode for a polymer electrolyte fuel cell, a catalyst layer forming paste for the catalyst electrode, a membrane electrode assembly using them, and a method for producing them.

近年、高効率にエネルギーを変換できる装置として、燃料電池が注目を集めている。 In recent years, fuel cells have attracted attention as devices capable of converting energy with high efficiency.

燃料電池は、用いる電解質の種類により、PAFC(リン酸型)、PEFC(固体高分子型)、DMFC(直接メタノール型)、および、SOFC(固体酸化物型)、MCFC(溶融炭酸塩型)に大別される。 Fuel cells are available in PAFC (phosphoric acid type), PEFC (solid polymer type), DMFC (direct methanol type), SOFC (solid oxide type), and MCFC (molten carbonate type) depending on the type of electrolyte used. Broadly divided.

上記の燃料電池のうち、電解質として水素イオン伝導性を有する固体高分子を用いた固体高分子型燃料電池は、加圧容器を必要とせず、小型で、高出力密度が得られること等の理由から、車両や携帯機器などの電源として注目されている。 Among the fuel cells described above, the solid polymer fuel cell using a solid polymer having hydrogen ion conductivity as an electrolyte does not require a pressurized container, is small, and has a high output density. Therefore, it is attracting attention as a power source for vehicles and portable devices.

固体高分子型燃料電池の発電方法としては、水素イオン伝導性高分子電解質膜を介して、(燃料ガスに含まれる)水素と(酸化剤ガスに含まれる)酸素に下記の電気化学反応を生じさせる方法を用いている。 As a power generation method for a polymer electrolyte fuel cell, the following electrochemical reaction occurs between hydrogen (contained in the fuel gas) and oxygen (contained in the oxidant gas) through the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane. Is used.

アノード;H→2H+2e (1)
カソード;4H+4e+O→2HO (2)
Anode; H 2 → 2H + + 2e (1)
Cathode; 4H + + 4e + O 2 → 2H 2 O (2)

従来、固体高分子型燃料電池のセルデザインとしては、水素イオン伝導性高分子電解質膜の両面に触媒電極を設けた膜電極接合体(MEA)の両側に、セパレータを配した単電池セルを複数個積層したセルデザインが用いられている。 Conventionally, as a cell design of a polymer electrolyte fuel cell, a plurality of single battery cells in which separators are arranged on both sides of a membrane electrode assembly (MEA) in which catalyst electrodes are provided on both sides of a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane are used. Individual cell designs are used.

触媒電極としては、ガス拡散材上に触媒層が形成された構成の物が汎用されている。
上記式(1)および(2)の電気化学反応は、該触媒層内で行われている。
As a catalyst electrode, the thing of the structure by which the catalyst layer was formed on the gas diffusion material is used widely.
The electrochemical reactions of the above formulas (1) and (2) are carried out in the catalyst layer.

触媒層に要求される機能としては、
ガス拡散材から供給された反応ガスを、触媒表面に供給するためのガス透過機能、
上記式(1)および(2)の電気化学反応で生成されたプロトンを伝導する機能、
上記式(1)および(2)の電気化学反応で生成された電子を伝導する機能、
がある。
As a function required for the catalyst layer,
A gas permeation function for supplying the reaction gas supplied from the gas diffusion material to the catalyst surface;
A function of conducting protons generated by the electrochemical reaction of the above formulas (1) and (2),
A function of conducting electrons generated by the electrochemical reaction of the above formulas (1) and (2),
There is.

触媒層にガス透過能を持たせるための方法としては、発達したストラクチャー構造を有するカーボン微粉末または造孔材を用いて、多孔質構造およびガスチャンネルを有する触媒層を形成する方法が汎用されている。(特許文献1参照) As a method for imparting gas permeability to the catalyst layer, a method of forming a catalyst layer having a porous structure and a gas channel by using a fine carbon powder or a pore former having a developed structure is widely used. Yes. (See Patent Document 1)

特開2006−4916号公報JP 2006-4916 A

しかし、上記特許文献1に記載の燃料電池においては、ガス透過能が十分ではなく、発電効率の観点から、未だ改善の余地がある。 However, in the fuel cell described in Patent Document 1, gas permeability is not sufficient, and there is still room for improvement from the viewpoint of power generation efficiency.

これに対し、触媒担持量を増やせば発電効率は上がるが、触媒は高価なためコスト負担が増大してしまうという問題を抱えている。 On the other hand, increasing the amount of catalyst supported increases the power generation efficiency, but has a problem that the cost burden increases because the catalyst is expensive.

本発明の課題は、ガス透過能に優れた触媒電極、それを作製するための触媒層形成用ペースト、それらを用いた発電効率に優れた膜電極接合体、および、それらの製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a catalyst electrode excellent in gas permeability, a catalyst layer forming paste for producing the catalyst electrode, a membrane electrode assembly excellent in power generation efficiency using them, and a method for producing them. That is.

請求項1に記載の発明は、固体高分子型燃料電池の触媒電極の製造に用いられる触媒層形成用ペーストであって、
触媒担持炭素粒子と、プロトン伝導性高分子電解質と、蒸発物質と、溶媒からなることを特徴とする触媒層形成用ペーストである。
The invention according to claim 1 is a paste for forming a catalyst layer used for manufacturing a catalyst electrode of a polymer electrolyte fuel cell,
A catalyst layer forming paste comprising catalyst-supporting carbon particles, a proton conductive polymer electrolyte, an evaporating substance, and a solvent.

触媒層形成用ペーストに蒸発物質を含有させることにより、膜電極接合体作製時に蒸発物質を蒸発させて空孔を形成し、触媒層のガス透過能を向上させることができる。 By including an evaporating substance in the catalyst layer forming paste, it is possible to evaporate the evaporating substance when forming the membrane electrode assembly to form pores, and to improve the gas permeability of the catalyst layer.

請求項2に記載の発明は、前記プロトン伝導性高分子電解質が、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンであり、
前記蒸発物質の沸点が、120〜140℃であることを特徴とする請求項1に記載の触媒層形成用ペーストである。
The invention according to claim 2 is characterized in that the proton conductive polymer electrolyte is a perfluorocarbon having a sulfonic acid group,
2. The catalyst layer forming paste according to claim 1, wherein the evaporating substance has a boiling point of 120 to 140 ° C. 3.

スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンは、プロトン伝導性に優れたプロトン伝導性高分子電解質である。
また、これを用いた場合、膜電極接合体作製時の負荷温度は、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンの融点の都合上、120〜140℃となる。
蒸発物質を膜電極接合体作製時以外では蒸発させず、膜電極接合体作製時においてのみ蒸発させるために、蒸発物質の沸点を120〜140℃とする必要がある。
A perfluorocarbon having a sulfonic acid group is a proton conductive polymer electrolyte excellent in proton conductivity.
Moreover, when this is used, the load temperature at the time of membrane electrode assembly preparation will be 120-140 degreeC on account of melting | fusing point of the perfluorocarbon which has a sulfonic acid group.
In order to evaporate the evaporated substance only at the time of manufacturing the membrane electrode assembly and not at the time of manufacturing the membrane electrode assembly, it is necessary to set the boiling point of the evaporated substance to 120 to 140 ° C.

請求項3に記載の発明は、前記蒸発物質が、スチレン−アクリル共重合体ワックスであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の触媒層形成用ペーストである。 The invention according to claim 3 is the catalyst layer forming paste according to claim 1 or 2, wherein the evaporating substance is a styrene-acrylic copolymer wax.

スチレン−アクリル共重合体ワックスは、沸点が120〜140℃であり、触媒担持炭素粒子およびプロトン伝導性高分子電解質を変質させないワックスである。 The styrene-acrylic copolymer wax has a boiling point of 120 to 140 ° C., and does not alter the catalyst-supporting carbon particles and the proton conductive polymer electrolyte.

請求項4に記載の発明は、固体高分子型燃料電池に用いられる触媒電極であって、
ガス拡散材上に、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の触媒層形成用ペーストを積層することにより触媒層を形成させてなる触媒電極である。
Invention of Claim 4 is a catalyst electrode used for a polymer electrolyte fuel cell,
It is a catalyst electrode formed by laminating | stacking the catalyst layer forming paste of any one of Claim 1 thru | or 3 on a gas diffusion material, and forming a catalyst layer.

これにより、ガス透過能に優れた触媒電極を得ることができる。 Thereby, the catalyst electrode excellent in gas permeability can be obtained.

請求項5に記載の発明は、触媒担持炭素粒子、プロトン伝導性高分子電解質、蒸発物質を溶媒に溶解した触媒層形成用ペーストを生成するための触媒層形成用ペースト生成工程と、
該触媒層形成用ペーストをガス拡散材上に塗布するための触媒層形成用ペースト塗布工程と、
該ガス拡散材上に塗布された該触媒層形成用ペースト中の溶媒を乾燥するための溶媒乾燥工程を有する請求項4に記載の触媒電極の製造方法であって、
前記溶媒乾燥工程における溶媒の乾燥温度が、前記蒸発物質の沸点温度未満であることを特徴とする触媒電極の製造方法である。
The invention according to claim 5 is a catalyst layer forming paste generating step for generating a catalyst layer forming paste in which catalyst-carrying carbon particles, a proton conductive polymer electrolyte, and an evaporated substance are dissolved in a solvent;
A catalyst layer forming paste application step for applying the catalyst layer forming paste on the gas diffusion material;
The method for producing a catalyst electrode according to claim 4, further comprising a solvent drying step for drying the solvent in the catalyst layer forming paste applied on the gas diffusion material.
The method for producing a catalyst electrode, wherein a drying temperature of the solvent in the solvent drying step is lower than a boiling point temperature of the evaporated substance.

溶媒の乾燥温度を蒸発物質の沸点温度以上とした場合には、蒸発物質が触媒電極作製の際に蒸発してしまう。 If the drying temperature of the solvent is equal to or higher than the boiling point temperature of the evaporating substance, the evaporating substance evaporates during the production of the catalyst electrode.

請求項6に記載の発明は、水素イオン伝導性高分子電解質膜の両面に請求項4に記載の触媒電極の触媒層を接合させてなる膜電極接合体である。 The invention according to claim 6 is a membrane electrode assembly in which the catalyst layer of the catalyst electrode according to claim 4 is bonded to both surfaces of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane.

これにより、発電効率の優れた膜電極接合体を得ることができる。 Thereby, the membrane electrode assembly excellent in power generation efficiency can be obtained.

請求項7に記載の発明は、水素イオン伝導性高分子電解質膜の両面に触媒電極の触媒層を配置するための配置工程と、
該水素イオン伝導性高分子電解質膜と該触媒層を溶融接合するための溶融接合工程を有する請求項6に記載の膜電極接合体の製造方法であって、
前記水素イオン伝導性高分子電解質膜がスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンからなり、前記溶融接合工程に用いる温度が、120〜140℃であることを特徴とする膜電極接合体の製造方法である。
The invention according to claim 7 is an arrangement step for arranging the catalyst layers of the catalyst electrodes on both surfaces of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane;
The method for producing a membrane / electrode assembly according to claim 6, further comprising a fusion bonding step for fusion bonding the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and the catalyst layer.
The method for producing a membrane / electrode assembly is characterized in that the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane is made of perfluorocarbon having a sulfonic acid group, and the temperature used in the fusion bonding step is 120 to 140 ° C.

溶融接合工程に用いる温度を120〜140℃とすることにより、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンからなるプロトン伝導性に優れたプロトン伝導性高分子電解質を溶融することができ、かつ、スチレン−アクリル共重合体ワックスを蒸発でき、発電効率の優れた膜電極接合体を得ることができる。 By setting the temperature used in the melt bonding step to 120 to 140 ° C., it is possible to melt a proton conductive polymer electrolyte made of a perfluorocarbon having a sulfonic acid group and excellent in proton conductivity, and to styrene-acrylic copolymer. The polymer wax can be evaporated, and a membrane electrode assembly excellent in power generation efficiency can be obtained.

請求項8に記載の発明は、前記溶融接合工程が、大気圧よりも低い圧力のもとで行なわれる工程であることを特徴とする請求項7に記載の膜電極接合体の製造方法である。 The invention according to claim 8 is the method of manufacturing a membrane electrode assembly according to claim 7, wherein the fusion bonding step is a step performed under a pressure lower than atmospheric pressure. .

溶融接合工程を行う環境の圧力を、大気圧よりも低い圧力(例えば1×10〜5×10Pa)にすることにより、蒸発物質を蒸発除去し易くすることができる。 By setting the pressure of the environment in which the melt bonding process is performed to a pressure lower than the atmospheric pressure (for example, 1 × 10 3 to 5 × 10 4 Pa), it is possible to easily remove the evaporated substance by evaporation.

本発明を用いることにより、ガス透過能に優れた触媒電極、それを作製するための触媒層形成用ペースト、それらを用いた発電効率に優れた膜電極接合体を得ることができる。 By using the present invention, a catalyst electrode excellent in gas permeability, a catalyst layer forming paste for producing the catalyst electrode, and a membrane electrode assembly excellent in power generation efficiency using them can be obtained.

本発明の触媒電極、それを用いた膜電極接合体の製造方法を、図1を基に説明する。 A catalyst electrode of the present invention and a method for producing a membrane electrode assembly using the catalyst electrode will be described with reference to FIG.

まず、ガス拡散材1上に触媒層2を積層し、触媒電極3を形成する。(図1(a)参照) First, the catalyst layer 2 is laminated on the gas diffusion material 1 to form the catalyst electrode 3. (See Fig. 1 (a))

ガス拡散材1としては、カーボンペーパーおよびカーボンクロスを用いることができる。 As the gas diffusion material 1, carbon paper and carbon cloth can be used.

触媒層2の材料としては、触媒担持炭素粒子、プロトン伝導性高分子電解質、および、蒸発物質を用いることができる。 As the material of the catalyst layer 2, catalyst-supporting carbon particles, proton conductive polymer electrolytes, and evaporating substances can be used.

触媒としては、金、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミニウムおよびイリジウムを用いることができる。 As the catalyst, gold, platinum, palladium, rhodium, ruthenium, osmium and iridium can be used.

炭素粒子としては、フラーレン、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等を用いることができる。
炭素粒子の粒径は、0.001〜0.1μmが好ましく、0.02〜0.06μmであれば更に好ましい。
As the carbon particles, fullerene, acetylene black, ketjen black, carbon nanotube, carbon nanohorn, or the like can be used.
The particle diameter of the carbon particles is preferably 0.001 to 0.1 μm, and more preferably 0.02 to 0.06 μm.

プロトン伝導性高分子電解質としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンを用いることができる。 As the proton conductive polymer electrolyte, perfluorocarbon having a sulfonic acid group can be used.

蒸発物質としては、スチレン−アクリル共重合体ワックスを用いることができる。 A styrene-acrylic copolymer wax can be used as the evaporating substance.

触媒層2の形成方法としては、触媒担持炭素粒子、プロトン伝導性高分子電解質、および、蒸発物質を、イソプロピルアルコール、ノルマルプロピルアルコール、プロパノール等のアルコール系溶媒に溶解して触媒層形成用ペーストを生成した後、該触媒層形成用ペーストをガス拡散材1上に、バーコート塗布、スプレー塗布、または、スクリーン印刷し、その後、蒸発物質の沸点未満の温度にて溶媒を乾燥する方法を用いることができる。 As a method for forming the catalyst layer 2, the catalyst-supporting carbon particles, the proton conductive polymer electrolyte, and the evaporating substance are dissolved in an alcohol solvent such as isopropyl alcohol, normal propyl alcohol, and propanol to prepare a catalyst layer forming paste. After the formation, the catalyst layer forming paste is bar-coated, spray-coated, or screen-printed on the gas diffusion material 1, and then the solvent is dried at a temperature lower than the boiling point of the evaporated substance. Can do.

最後に、2枚の触媒電極3の触媒層2どうしを向かい合わせにして、水素イオン伝導性高分子電解質膜4を挟み込み熱圧着することにより膜電極接合体5を得る。(図1(b)および(c)参照) Finally, the membrane electrode assembly 5 is obtained by sandwiching the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane 4 with the catalyst layers 2 of the two catalyst electrodes 3 facing each other and thermocompression bonding. (See FIGS. 1B and 1C)

水素イオン伝導性高分子電解質膜4の材料としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンを用いることができる。 As a material of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane 4, perfluorocarbon having a sulfonic acid group can be used.

熱圧着温度としては、触媒層2および水素イオン伝導性高分子電解質膜4の樹脂(スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン)の軟化温度やガラス転位温度を超える温度を用いることができる。 As the thermocompression bonding temperature, a temperature exceeding the softening temperature or glass transition temperature of the resin (perfluorocarbon having a sulfonic acid group) of the catalyst layer 2 and the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane 4 can be used.

熱圧着条件としては、温度100℃〜300℃、圧力1MPa〜15MPa、時間500秒〜700秒の熱圧着条件を用いることができる。 As thermocompression bonding conditions, thermocompression bonding conditions of a temperature of 100 ° C. to 300 ° C., a pressure of 1 MPa to 15 MPa, and a time of 500 seconds to 700 seconds can be used.

熱圧着を行う環境の圧力を、大気圧よりも低い圧力(例えば1×10〜5×10Pa)にすることが好ましく、そうすることにより、蒸発物質を蒸発除去し易くすることができる。 It is preferable to set the pressure of the environment in which thermocompression bonding is performed to a pressure lower than the atmospheric pressure (for example, 1 × 10 3 to 5 × 10 4 Pa), and by doing so, it is possible to facilitate evaporative removal of the evaporated substance. .

まず、アセチレンブラック(比表面積257m/g)(Cabot社製、Vulcan XC−72R)25gを、0.5mol/リットル過マンガン酸カリウム水溶液10リットルに入れ、75℃下において、5時間反応させた。 First, 25 g of acetylene black (specific surface area 257 m 2 / g) (manufactured by Cabot, Vulcan XC-72R) was put into 10 liter of 0.5 mol / liter potassium permanganate aqueous solution and reacted at 75 ° C. for 5 hours. .

次に、反応生成物を濾別し、75℃の蒸留水を用いて洗浄し、105℃下において乾燥した後、白金含有量10g/リットルのヘキサアンミン白金(IV)塩化物([Pt(IV)(NH]Cl)水溶液に室温で浸漬した。 Next, the reaction product is filtered off, washed with distilled water at 75 ° C., dried at 105 ° C., and then hexaammineplatinum (IV) chloride having a platinum content of 10 g / liter ([Pt (IV ) (NH 3 ) 6 ] Cl 4 ) in aqueous solution at room temperature.

次に、反応液から反応生成物を濾別し、その後、反応生成物を75℃の蒸留水を用いて洗浄し、その後、105℃下において乾燥させた後、気温180℃の水素気流中において還元することにより、白金を担持したアセチレンブラック(触媒担持炭素粒子)を得た。 Next, the reaction product is filtered off from the reaction solution, and then the reaction product is washed with distilled water at 75 ° C., then dried at 105 ° C., and then in a hydrogen stream at a temperature of 180 ° C. By reduction, acetylene black (catalyst-supported carbon particles) carrying platinum was obtained.

次に、該白金を担持したアセチレンブラック(触媒担持炭素粒子)(白金重量:アセチレンブラック重量=1:1)10g、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン(5wt%ナフィオン溶液)(デュポン社製、DE520(登録商標)(溶剤プロパノール))100g、スチレン−アクリル共重合体ワックス(鈴木油脂工業社製、S−9671、沸点124℃)10gを混合し、ホモジナイザーを用いて60分間分散処理することによって触媒層形成用ペーストを生成した。 Next, 10 g of acetylene black (catalyst-supported carbon particles) supporting platinum (platinum weight: acetylene black weight = 1: 1), perfluorocarbon having a sulfonic acid group (5 wt% Nafion solution) (DE520, manufactured by DuPont) (Registered trademark) (solvent propanol)) 100 g, styrene-acrylic copolymer wax (Suzuki Yushi Kogyo Co., Ltd., S-9671, boiling point 124 ° C.) 10 g are mixed and dispersed using a homogenizer for 60 minutes to form a catalyst layer. A forming paste was produced.

触媒層形成用ペーストの粘度を、回転粘度計(リオン社製、ビスコテスターVT−04(登録商標))を用いて測定したところ、触媒層形成用ペーストの粘度は、25℃下において3.0×10mPa・sであった。 When the viscosity of the catalyst layer forming paste was measured using a rotational viscometer (manufactured by Rion, Viscotester VT-04 (registered trademark)), the viscosity of the catalyst layer forming paste was 3.0 at 25 ° C. × 10 2 mPa · s.

次に、気孔率80%、厚さ110μmのカーボンペーパー(東レ社製、TGP−H−030)を110mm×110mmのサイズにカットした。 Next, carbon paper (TGP-H-030, manufactured by Toray Industries, Inc.) having a porosity of 80% and a thickness of 110 μm was cut into a size of 110 mm × 110 mm.

次に、カットしたカーボンペーパーに付着したゴミを、エアーガンを用いて除去した後、
スクリーン印刷機にセットした。
Next, after removing dust attached to the cut carbon paper using an air gun,
Set on a screen printer.

次に、前記調整した触媒層形成用ペーストを#250SUSメッシュ×乳剤厚20μm×線径0.05mmのスクリーン上に載せた。 Next, the prepared paste for forming a catalyst layer was placed on a screen of # 250SUS mesh × emulsion thickness 20 μm × wire diameter 0.05 mm.

次に、スキージ圧5kgf/cm、スキージ速度100mm/秒、スクリーンと前記カーボンペーパーのクリアランスが2.5mmの条件にて触媒層形成用ペーストをカーボンペーパー上に押し出し(スクリーン印刷し)、その後、窒素雰囲気中において100℃下で1時間の熱処理を施し、その後、30分間放冷し、触媒電極を2枚作製した。 Next, the catalyst layer forming paste was extruded onto the carbon paper (screen printing) under the conditions of a squeegee pressure of 5 kgf / cm 2 , a squeegee speed of 100 mm / second, and a clearance between the screen and the carbon paper of 2.5 mm, and then Heat treatment was performed at 100 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere, and then allowed to cool for 30 minutes to produce two catalyst electrodes.

次に、1×10Paの環境下において、2枚の触媒電極の触媒層を向かい合わせ、その間に厚さ50μmのスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン膜(水素イオン伝導性高分子電解質膜)(デュポン社製、ナフィオン117(登録商標))を挟み、温度130℃、圧力10MPa、時間10分の条件で熱圧着することにより、膜電極接合体を作製した。 Next, in an environment of 1 × 10 4 Pa, the catalyst layers of the two catalyst electrodes face each other, and a perfluorocarbon membrane (hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane) having a sulfonic acid group having a thickness of 50 μm therebetween ( A membrane electrode assembly was manufactured by sandwiching a DuPont Nafion 117 (registered trademark)) and thermocompression bonding under conditions of a temperature of 130 ° C., a pressure of 10 MPa, and a time of 10 minutes.

膜電極接合体の触媒層の厚さは6μm〜7μmであった。
また、膜電極接合体の触媒層における単位面積あたりの白金使用量は、0.5mg/cmであった。
The thickness of the catalyst layer of the membrane / electrode assembly was 6 μm to 7 μm.
Moreover, the platinum usage-amount per unit area in the catalyst layer of a membrane electrode assembly was 0.5 mg / cm < 2 >.

次に、SEM写真からの画像処理法により触媒層の気孔率を確認したところ、触媒層の気孔率は7.5%であった。 Next, when the porosity of the catalyst layer was confirmed by an image processing method from an SEM photograph, the porosity of the catalyst layer was 7.5%.

次に、膜電極接合体の出力を、エレクトロケミカルインターフェース(ソーラトロン社製SI−1287)、周波数応答アナライザー(ソーラトロン社製SI−1260)、電子負荷器(スクリブナー社製890CL)が用いられている燃料電池測定システムGFT−SG1(東陽テクニカ社製)を用いて、以下のように測定した。 Next, as for the output of the membrane electrode assembly, a fuel using an electrochemical interface (SI-1287 manufactured by Solartron), a frequency response analyzer (SI-1260 manufactured by Solartron), and an electronic loader (890CL manufactured by Scribner) is used. It measured as follows using battery measurement system GFT-SG1 (made by Toyo Technica Co., Ltd.).

まず、膜電極接合体をグラファイト製の発電セルに装着し、40℃、相対湿度100%の条件にて10時間保管した。
この間、厚さ50μmのスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン膜を十分に湿潤させる目的で、膜電極接合体には1A/cmの直流電流を発電モードで流し続けた。
First, the membrane electrode assembly was attached to a power generation cell made of graphite and stored for 10 hours under the conditions of 40 ° C. and relative humidity of 100%.
During this time, a direct current of 1 A / cm 2 was continuously supplied in the power generation mode to the membrane electrode assembly for the purpose of sufficiently wetting the perfluorocarbon membrane having a sulfonic acid group having a thickness of 50 μm.

次に、セル温度を80℃、アノード加湿器温度を80℃、カソード加湿器温度を80℃、配管温度を120℃、アノードの改質ガス(燃料ガス)(H:CO:HO=82:8:10)流量を0.3リットル/分、カソードの酸素ガス流量を1.0リットル/分の条件において、膜電極接合体の出力を測定したところ、電流密度100mA/cm時の起電圧が0.89Vとなり、良好な出力が得られたことを確認した。
また、この特性は1ヶ月経過後も変化が見られなかった。
Next, the cell temperature is 80 ° C., the anode humidifier temperature is 80 ° C., the cathode humidifier temperature is 80 ° C., the piping temperature is 120 ° C., and the reformed gas (fuel gas) of the anode (H 2 : CO 2 : H 2 O = 82: 8: 10) When the output of the membrane electrode assembly was measured under the conditions of a flow rate of 0.3 liter / min and a cathode oxygen gas flow rate of 1.0 liter / min, the current density was 100 mA / cm 2. It was confirmed that an electromotive voltage of 0.89V was obtained and a good output was obtained.
Also, this characteristic did not change after 1 month.

大気圧下において膜電極接合体を作製した以外は、実施例1と同様に、膜電極接合体を作製し、実施例1と同様に、触媒層の気孔率、膜電極接合体の起電圧を確認した。 A membrane / electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1 except that the membrane / electrode assembly was prepared under atmospheric pressure. As in Example 1, the porosity of the catalyst layer and the electromotive voltage of the membrane / electrode assembly were adjusted. confirmed.

触媒層の気孔率は6.9%であり、膜電極接合体の起電圧は、0.84Vであった。 The porosity of the catalyst layer was 6.9%, and the electromotive voltage of the membrane electrode assembly was 0.84V.

<比較例1>
スチレン−アクリル共重合体ワックスを用いなかった以外は、実施例1と同様に、膜電極接合体を作製し、実施例1と同様に、触媒層の気孔率、膜電極接合体の起電圧を確認した。
<Comparative Example 1>
A membrane / electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1 except that the styrene-acrylic copolymer wax was not used. As in Example 1, the porosity of the catalyst layer and the electromotive voltage of the membrane / electrode assembly were adjusted. confirmed.

触媒層の気孔率は2.4%であり、膜電極接合体の起電圧は、0.46Vであった。 The porosity of the catalyst layer was 2.4%, and the electromotive voltage of the membrane electrode assembly was 0.46V.

<比較例2>
スチレン−アクリル共重合体ワックスを用いなかった以外は、実施例2と同様に、膜電極接合体を作製し、実施例2と同様に、触媒層の気孔率、膜電極接合体の起電圧を確認した。
<Comparative example 2>
A membrane / electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 2 except that the styrene-acrylic copolymer wax was not used. As in Example 2, the porosity of the catalyst layer and the electromotive voltage of the membrane / electrode assembly were adjusted. confirmed.

触媒層の気孔率は2.4%であり、膜電極接合体の起電圧は、0.46Vであった。 The porosity of the catalyst layer was 2.4%, and the electromotive voltage of the membrane electrode assembly was 0.46V.

スチレン−アクリル共重合体ワックスを用いることにより、膜電極接合体の触媒層の気孔率が大きくなり、また、膜電極接合体の起電圧が上昇することが確認された。 It was confirmed that the use of styrene-acrylic copolymer wax increases the porosity of the catalyst layer of the membrane electrode assembly and increases the electromotive voltage of the membrane electrode assembly.

本発明の、触媒層形成用ペースト、それを用いた触媒電極、それを用いた膜電極接合体、およびそれらの製造方法は、電気自動車、携帯電話、自動販売機、水中ロボット、潜水艦、宇宙船、水中航走体、水中基地用電源等に用いる固体高分子型燃料電池に利用できる。 A paste for forming a catalyst layer, a catalyst electrode using the same, a membrane electrode assembly using the same, and a method for producing the same are disclosed in an electric vehicle, a mobile phone, a vending machine, an underwater robot, a submarine, and a spacecraft. It can be used for a polymer electrolyte fuel cell used for an underwater vehicle, a power source for an underwater base, and the like.

本発明の触媒電極、並びに、それを用いた膜電極接合体の製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the catalyst electrode of this invention, and a membrane electrode assembly using the same.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・・ガス拡散材
2・・・・触媒層
3・・・・触媒電極
4・・・・水素イオン伝導性高分子電解質膜
5・・・・膜電極接合体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Gas diffusion material 2 ... Catalyst layer 3 ... Catalyst electrode 4 ... Hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane 5 ... Membrane electrode assembly

Claims (8)

固体高分子型燃料電池の触媒電極の製造に用いられる触媒層形成用ペーストであって、
触媒担持炭素粒子と、プロトン伝導性高分子電解質と、蒸発物質と、溶媒からなることを特徴とする触媒層形成用ペースト。
A catalyst layer forming paste used in the manufacture of a catalyst electrode of a polymer electrolyte fuel cell,
A catalyst layer forming paste comprising catalyst-supporting carbon particles, a proton conductive polymer electrolyte, an evaporating substance, and a solvent.
前記プロトン伝導性高分子電解質が、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンであり、
前記蒸発物質の沸点が、120〜140℃であることを特徴とする請求項1に記載の触媒層形成用ペースト。
The proton conductive polymer electrolyte is a perfluorocarbon having a sulfonic acid group,
2. The catalyst layer forming paste according to claim 1, wherein the evaporation substance has a boiling point of 120 to 140 ° C. 3.
前記蒸発物質が、スチレン−アクリル共重合体ワックスであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の触媒層形成用ペースト。 The catalyst layer forming paste according to claim 1 or 2, wherein the evaporating substance is a styrene-acrylic copolymer wax. 固体高分子型燃料電池に用いられる触媒電極であって、
ガス拡散材上に、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の触媒層形成用ペーストを積層することにより触媒層を形成させてなる触媒電極。
A catalyst electrode used in a polymer electrolyte fuel cell,
The catalyst electrode formed by laminating | stacking the catalyst layer forming paste of any one of Claim 1 thru | or 3 on a gas diffusion material.
触媒担持炭素粒子、プロトン伝導性高分子電解質、蒸発物質を溶媒に溶解した触媒層形成用ペーストを生成するための触媒層形成用ペースト生成工程と、
該触媒層形成用ペーストをガス拡散材上に塗布するための触媒層形成用ペースト塗布工程と、
該ガス拡散材上に塗布された該触媒層形成用ペースト中の溶媒を乾燥するための溶媒乾燥工程を有する請求項4に記載の触媒電極の製造方法であって、
前記溶媒乾燥工程における溶媒の乾燥温度が、前記蒸発物質の沸点温度未満であることを特徴とする触媒電極の製造方法。
A catalyst layer forming paste generation step for generating a catalyst layer forming paste in which catalyst-supporting carbon particles, proton conductive polymer electrolyte, and evaporated substance are dissolved in a solvent;
A catalyst layer forming paste application step for applying the catalyst layer forming paste on the gas diffusion material;
The method for producing a catalyst electrode according to claim 4, further comprising a solvent drying step for drying the solvent in the catalyst layer forming paste applied on the gas diffusion material.
The method for producing a catalyst electrode, wherein a drying temperature of the solvent in the solvent drying step is lower than a boiling point temperature of the evaporating substance.
水素イオン伝導性高分子電解質膜の両面に請求項4に記載の触媒電極の触媒層を接合させてなる膜電極接合体。 The membrane electrode assembly formed by joining the catalyst layer of the catalyst electrode of Claim 4 to both surfaces of a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane. 水素イオン伝導性高分子電解質膜の両面に触媒電極の触媒層を配置するための配置工程と、
該水素イオン伝導性高分子電解質膜と該触媒層を溶融接合するための溶融接合工程を有する請求項6に記載の膜電極接合体の製造方法であって、
前記水素イオン伝導性高分子電解質膜がスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンからなり、前記溶融接合工程に用いる温度が、120〜140℃であることを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
An arrangement step for arranging the catalyst layers of the catalyst electrodes on both sides of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane;
The method for producing a membrane / electrode assembly according to claim 6, further comprising a fusion bonding step for fusion bonding the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and the catalyst layer.
The method for producing a membrane electrode assembly, wherein the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane is made of perfluorocarbon having a sulfonic acid group, and a temperature used in the melt bonding step is 120 to 140 ° C.
前記溶融接合工程が、大気圧よりも低い圧力のもとで行なわれる工程であることを特徴とする請求項7に記載の膜電極接合体の製造方法。 The method for producing a membrane / electrode assembly according to claim 7, wherein the fusion bonding step is a step performed under a pressure lower than atmospheric pressure.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016091873A (en) * 2014-11-07 2016-05-23 トヨタ自動車株式会社 Method for manufacturing membrane-electrode assembly, and membrane-electrode assembly
JP2020094282A (en) * 2018-12-11 2020-06-18 カーリットホールディングス株式会社 Electrode for water electrolysis and production method thereof

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