JP5682390B2 - Electrode catalyst layer and production method thereof, membrane electrode assembly and production method thereof, polymer electrolyte fuel cell, composite particle and production method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、電極触媒層及びこの製造方法、膜電極接合体及びこの製造方法、固体高分子形燃料電池、並びに複合粒子及びこの製造方法に関する技術である。さらに詳しくは、非白金触媒を用いて高い発電特性を示す電極触媒層及びこの製造方法、膜電極接合体及びこの製造方法、固体高分子形燃料電池、並びに複合粒子及びこの製造方法に関する。 The present invention relates to an electrode catalyst layer and a production method thereof, a membrane electrode assembly and a production method thereof, a polymer electrolyte fuel cell, and composite particles and a production method thereof. More specifically, the present invention relates to an electrode catalyst layer exhibiting high power generation characteristics using a non-platinum catalyst and a production method thereof, a membrane electrode assembly and a production method thereof, a polymer electrolyte fuel cell, and composite particles and a production method thereof.
燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを、触媒を含む電極で水の電気分解の逆反応を起こさせ、熱と同時に電気を生み出す発電システムである。この発電システムは、従来の発電方式と比較して高効率で低環境負荷、低騒音などの特徴を有し、将来のクリーンなエネルギー源として注目されている。用いるイオン伝導体の種類によってタイプがいくつかあり、プロトン伝導性高分子膜を用いたものは、固体高分子形燃料電池と呼ばれる。 A fuel cell is a power generation system that generates electricity simultaneously with heat by causing a hydrogen gas-containing fuel gas and an oxygen-containing oxidant gas to undergo reverse reaction of water electrolysis at an electrode including a catalyst. This power generation system has features such as high efficiency, low environmental load, and low noise as compared with conventional power generation systems, and is attracting attention as a clean energy source in the future. There are several types depending on the type of ion conductor used, and those using proton conductive polymer membranes are called solid polymer fuel cells.
燃料電池の中でも固体高分子形燃料電池は、室温程度で使用可能なことから、車載用電源や家庭据置用電源などへの使用が有望視されており、近年、様々な研究開発が行われている。固体高分子形燃料電池は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly;以下、MEAと称すことがある)を、一対のセパレータ板で挟持した電池である。前記膜電極接合体は、高分子電解質膜の両面に一対の電極を配置させた接合体であり、前記一対のセパレータ板の一方には、前記電極の一方に水素を含有する燃料ガスを供給するガス流路が形成されると共に、前記一対のセパレータ板の他方には、前記電極の他方に対し酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのガス流路が形成されている。 Among fuel cells, polymer electrolyte fuel cells can be used at about room temperature, and are therefore promising for use in in-vehicle power sources and household stationary power sources. In recent years, various research and development have been conducted. Yes. A polymer electrolyte fuel cell is a cell in which a membrane electrode assembly (hereinafter also referred to as MEA) is sandwiched between a pair of separator plates. The membrane electrode assembly is a assembly in which a pair of electrodes are arranged on both surfaces of a polymer electrolyte membrane, and one of the pair of separator plates is supplied with a fuel gas containing hydrogen to one of the electrodes. A gas flow path is formed, and a gas flow path for supplying an oxidant gas containing oxygen to the other of the electrodes is formed on the other of the pair of separator plates.
ここで、燃料ガスを供給する側の電極を燃料極、酸化剤を供給する側の電極を空気極と呼ぶ。これらの電極は、一般に、白金系の貴金属などの触媒物質を担持したカーボン粒子と高分子電解質を積層してなる電極触媒層と、ガス通気性と電子伝導性を兼ね備えたガス拡散層とからなる。
上述のような固体高分子形燃料電池の実用化に向けての課題は、出力密度や耐久性の向上などが挙げられるが、最大の課題は低コスト化である。
Here, the electrode on the side supplying the fuel gas is called a fuel electrode, and the electrode on the side supplying the oxidant is called an air electrode. These electrodes generally comprise an electrode catalyst layer formed by laminating carbon particles carrying a catalyst material such as a platinum-based noble metal and a polymer electrolyte, and a gas diffusion layer having both gas permeability and electronic conductivity. .
Although the problem toward the practical use of the polymer electrolyte fuel cell as described above includes improvement of output density and durability, the biggest problem is cost reduction.
現在の固体高分子形燃料電池には、高価な白金が電極触媒として用いられており、本格普及のためには、代替材料の開発が強く求められている。特に、空気極では、燃料極よりも多くの白金を使用しているため、空気極において高い酸素還元触媒能を示す白金代替材料(非白金触媒)の開発が盛んに行われている。
空気極における非白金触媒の例として、例えば特許文献1には、遷移金属である鉄の窒化物と貴金属の混合物が記載されている。また、特許文献2には、遷移金属であるモリブデンの窒化物が記載されている。しかし、特許文献1及び特許文献2で記載されているような触媒物質は、酸性電解質中での酸素還元能が不充分であり、且つ、触媒物質が溶解する場合がある。
In current polymer electrolyte fuel cells, expensive platinum is used as an electrode catalyst, and for the full-scale diffusion, development of alternative materials is strongly demanded. In particular, since the air electrode uses more platinum than the fuel electrode, development of platinum substitute materials (non-platinum catalysts) that exhibit high oxygen reduction catalytic activity in the air electrode has been actively conducted.
As an example of the non-platinum catalyst in the air electrode, for example,
一方、非特許文献1には、部分酸化されたタンタルの炭窒化物が記載されており、優れた安定性と触媒能を持つことを示している。しかし、この酸化物系非白金触媒は、触媒単体として高い酸素還元触媒能を示しているが、MEAとして高い出力性能を引き出すには電極触媒層の作製手法を最適化する必要がある。
白金触媒で用いられる作製手法としては、特許文献3〜5に記載されているように、複数種類の導電性炭素を電極触媒層に添加して、電極触媒層の耐久性や撥水性を高め、MEAとして高い出力性能を引き出す工夫がなされている。しかし、これらの白金触媒で用いられる作製手法は、非白金触媒を使用する場合には適していないという問題点がある。
On the other hand, Non-Patent
As a preparation method used in the platinum catalyst, as described in Patent Documents 3 to 5, a plurality of types of conductive carbon is added to the electrode catalyst layer to improve durability and water repellency of the electrode catalyst layer. The MEA has been devised to bring out high output performance. However, there is a problem that the preparation method used in these platinum catalysts is not suitable when a non-platinum catalyst is used.
本発明は、触媒物質に酸化物系非白金触媒を用いて高い発電特性を示す電極触媒層及びこの製造方法、膜電極接合体及びこの製造方法、固体高分子形燃料電池、並びに複合粒子を提供することを目的とする。 The present invention provides an electrode catalyst layer exhibiting high power generation characteristics using an oxide-based non-platinum catalyst as a catalyst material, a production method thereof, a membrane electrode assembly, a production method thereof, a polymer electrolyte fuel cell, and composite particles The purpose is to do.
本発明者は鋭意検討を重ねた結果、前記課題を解決することができ、本発明を完成するに至った。
そして、本発明の請求項1に係る発明は、高分子電解質および触媒物質と、黒鉛化率の異なる少なくとも2種類の炭素粒子とを備える電極触媒層で使用される複合粒子の製造方法であって、
前記2種類の炭素粒子は、第1の炭素粒子と、前記第1の炭素粒子よりも黒鉛化率が低い第2の炭素粒子と、を含み、
前記触媒物質と、前記触媒物質よりも比表面積が大きい前記第1の炭素粒子と、第1の高分子電解質を溶媒に分散させた第1の触媒インクを調整する第1調整工程と、
前記第1の触媒インクを乾燥させて、第1の高分子電解質で包埋した複合粒子を形成する複合粒子形成工程と、を備え、
前記複合粒子は、該複合粒子、前記第2の炭素粒子、及び第2の高分子電解質を溶媒に分散させた第2の触媒インクを調整した後に、該第2の触媒インクをガス拡散層、転写シートおよび高分子電解質膜から選択される基材上に塗布して前記電極触媒層を形成する工程で使用されることを特徴とする複合粒子の製造方法を提供するものである。
As a result of intensive studies, the present inventor has been able to solve the above-mentioned problems and has completed the present invention.
The invention according to
The two types of carbon particles include first carbon particles and second carbon particles having a graphitization rate lower than that of the first carbon particles,
Said catalyst material, said first carbon particles specific surface area is greater than the catalytic material, a first adjusting step of the first polyelectrolyte to adjust the first catalyst ink obtained by dispersing in a solvent,
A composite particle forming step of drying the first catalyst ink to form composite particles embedded with the first polymer electrolyte ; and
The composite particles are prepared by adjusting the second catalyst ink in which the composite particles, the second carbon particles, and the second polymer electrolyte are dispersed in a solvent, and then the second catalyst ink is added to the gas diffusion layer. there is provided a method of manufacturing composite particles, wherein are used Rukoto in the step of forming the electrode catalyst layer is coated on a substrate selected from the transfer sheet and polymer electrolyte membrane.
次に、請求項2に記載した発明は、請求項1に記載した構成に対し、前記第1の炭素粒子の黒鉛化率が他の炭素粒子の黒鉛化率よりも高く、前記第1の炭素粒子のX線回折の格子面間隔C0が、6.60Å以上6.95Å以下であることを特徴とする。
次に、請求項3に記載した発明は、請求項1又は請求項2に記載した構成に対し、 前記複合粒子形成工程において、第1の高分子電解質で包埋した複合粒子における、触媒物質と第1の炭素粒子との質量比を、1:0.01〜1:1の範囲内にすることを特徴とする。
Next, the invention described in claim 2 is characterized in that the graphitization rate of the first carbon particles is higher than the graphitization rate of other carbon particles compared to the configuration described in
Next, the invention described in claim 3 is directed to the structure described in
次に、請求項4に記載した発明は、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載した構成に対し、前記複合粒子形成工程において、第1の高分子電解質で包埋した複合粒子における、第1の炭素粒子と高分子電解質との質量比を、1:0.2〜1:50の範囲内にすることを特徴とする。
次に、請求項5に記載した発明は、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載した構成に対し、前記複合粒子形成工程において、第1の触媒インクを乾燥させる熱処理温度範囲を、30℃以上140℃以下の範囲内にすることを特徴とする。
Next, the invention described in claim 4 is a composite particle embedded in the composite particle forming step with the first polymer electrolyte in the configuration described in any one of
Next, the invention described in
次に、請求項6に記載した発明は、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載した構成に対し、前記触媒物質は、固体高分子形燃料電池の正極として用いられる酸素還元電極用の電極活物質であって、Ta、Nb、Ti、Zrから選択される少なくとも一つの遷移金属元素を含むことを特徴とする。
次に、請求項7に記載した発明は、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載した構成に対し、前記触媒物質は、Ta、Nb、Ti、Zrから選択される、少なくとも一つの遷移金属元素の炭窒化物の部分酸化物、もしくは前記遷移金属元素の酸化物であることを特徴とする。
Next, the invention described in
Next, the invention described in
次に、請求項8に記載した発明は、前記請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載した複合粒子の製造方法と、
前記複合粒子の製造方法で形成された第1の高分子電解質で包埋した複合粒子、前記触媒物質よりも比表面積が大きい第2の炭素粒子、及び第2の高分子電解質を溶媒に分散させた第2の触媒インクを調整する第2調整工程と、
ガス拡散層、転写シートおよび高分子電解質膜から選択される基材上に、前記第2の触媒インクを塗布して電極触媒層を形成する電極触媒層形成工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法を提供するものである。
Next, the invention described in
The composite particles embedded with the first polymer electrolyte formed by the composite particle manufacturing method, the second carbon particles having a specific surface area larger than that of the catalyst substance, and the second polymer electrolyte are dispersed in a solvent. A second adjustment step for adjusting the second catalyst ink;
An electrode catalyst layer forming step of forming an electrode catalyst layer by applying the second catalyst ink on a substrate selected from a gas diffusion layer, a transfer sheet and a polymer electrolyte membrane;
The manufacturing method of the electrode catalyst layer for fuel cells characterized by providing is provided.
次に、請求項9に記載した発明は、請求項8に記載した構成に対し、前記第2調整工程は、第1の高分子電解質で包埋した複合粒子と前記第2の炭素粒子を無溶媒で混合させる混合工程を備えることを特徴とする。
次に、請求項10に記載した発明は、請求項9に記載した構成に対し、前記混合工程は、第1の高分子電解質で包埋した複合粒子と第2の炭素粒子を熱処理させる熱処理工程を備えることを特徴とする。
Next, in the invention described in
Next, the invention described in claim 10 is the heat treatment step of heat-treating the composite particles embedded with the first polymer electrolyte and the second carbon particles in the configuration described in
次に、請求項11に記載した発明は、請求項10に記載した構成に対し、前記熱処理工程において、第1の高分子電解質で包埋した複合粒子と第2の炭素粒子の熱処理温度範囲を、50℃以上180℃以下の範囲内にすることを特徴とする。
次に、請求項12に記載した発明は、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載した複合粒子の製造方法で製造されたことを特徴とする高分子電解質で包埋した複合粒子を提供するものである。
Next, in the invention described in claim 11, the heat treatment temperature range of the composite particles embedded in the first polymer electrolyte and the second carbon particles in the heat treatment step is compared with the structure described in claim 10. 50 ° C. or more and 180 ° C. or less.
Next, the invention described in
次に、請求項13に記載した発明は、請求項8〜請求項11のいずれか1項に記載された燃料電池用電極触媒層の製造方法で製造されたことを特徴とする燃料電池用電極触媒層を提供するものである。
次に、請求項14に記載した発明は、一対の電極触媒層で挟まれたプロトン伝導性高分子電解質膜を、一対のガス拡散層で挟持する燃料電池用膜電極接合体の製造方法において、少なくとも一方の電極触媒層が、請求項13に記載の電極触媒層からなることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体の製造方法を提供するものである。
Next, the invention described in claim 13 is manufactured by the method for manufacturing an electrode catalyst layer for fuel cell described in any one of
Next, the invention described in claim 14 is a method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell in which a proton conductive polymer electrolyte membrane sandwiched between a pair of electrode catalyst layers is sandwiched between a pair of gas diffusion layers. At least one of the electrode catalyst layers comprises the electrode catalyst layer according to claim 13, and a method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell is provided.
次に、請求項15に記載した発明は、請求項14に記載された燃料電池用膜電極接合体の製造方法によって製造されたことを特徴とする燃料電池用膜電極接合体を提供するものである。
次に、請求項16に記載した発明は、請求項15に記載の膜電極接合体を一対のガス拡散層で狭持し、その一対のガス拡散層で狭持された膜電極接合体を、更に一対のセパレータで狭持したことを特徴とする固体高分子形燃料電池を提供するものである。
次に、請求項17に記載した発明は、高分子電解質および触媒物質と、黒鉛化率の異なる少なくとも2種類の炭素粒子とを備える電極触媒層に含まれる複合粒子の製造方法であって、
前記2種類の炭素粒子は、第1の炭素粒子と、前記第1の炭素粒子よりも黒鉛化率が低い第2の炭素粒子と、を含み、
前記触媒物質と、前記触媒物質よりも比表面積が大きい前記第1の炭素粒子と、第1の高分子電解質を溶媒に分散させた第1の触媒インクを調整する第1調整工程と、
前記第1の触媒インクを乾燥させて、第1の高分子電解質で包埋した複合粒子を形成する複合粒子形成工程と、を備えることを特徴とする複合粒子の製造方法を提供するものである。
Next, the invention described in claim 15 provides a membrane electrode assembly for a fuel cell manufactured by the method for manufacturing a membrane electrode assembly for a fuel cell described in claim 14. is there.
Next, in the invention described in claim 16, the membrane electrode assembly according to claim 15 is sandwiched between a pair of gas diffusion layers, and the membrane electrode assembly sandwiched between the pair of gas diffusion layers is Furthermore, the present invention provides a polymer electrolyte fuel cell characterized by being sandwiched by a pair of separators.
Next, the invention described in claim 17 is a method for producing composite particles contained in an electrode catalyst layer comprising a polymer electrolyte and a catalyst substance, and at least two types of carbon particles having different graphitization rates,
The two types of carbon particles include first carbon particles and second carbon particles having a graphitization rate lower than that of the first carbon particles,
A first adjustment step of adjusting the catalyst material, the first carbon particles having a specific surface area larger than that of the catalyst material, and a first catalyst ink in which a first polymer electrolyte is dispersed in a solvent;
And a composite particle forming step of forming a composite particle embedded with a first polymer electrolyte by drying the first catalyst ink. .
本発明によれば、高分子電解質と、触媒物質と、黒鉛化率の異なる少なくとも2種類の炭素粒子とを備える電極触媒層について、炭素粒子よりも小さい比表面積の触媒物質と、例えば黒鉛化処理を行った第1の炭素粒子に対して高分子電解質を包埋し、触媒表面のプロトン伝導性を高めるだけでなく、触媒物質と炭素粒子との接触性を高め、さらには第1の炭素粒子に比べて黒鉛化率が低い第2の炭素粒子を備えることで、電極触媒層のガス拡散性を高めることで反応活性点を増加させ、出力性能を向上させた電極触媒層及びこの製造方法、膜電極接合体及びこの製造方法、固体高分子形燃料電池、並びに複合粒子を提供することができる。 According to the present invention, for an electrode catalyst layer comprising a polymer electrolyte, a catalyst material, and at least two types of carbon particles having different graphitization rates, a catalyst material having a specific surface area smaller than that of the carbon particles, for example, graphitization treatment In addition to embedding the polymer electrolyte in the first carbon particles, the proton conductivity on the surface of the catalyst is increased, the contact between the catalyst substance and the carbon particles is increased, and further the first carbon particles By providing the second carbon particles having a low graphitization rate compared to the above, an electrode catalyst layer having an increased reaction active point by increasing the gas diffusibility of the electrode catalyst layer and improving the output performance, and this manufacturing method, A membrane electrode assembly and a production method thereof, a polymer electrolyte fuel cell, and composite particles can be provided.
以下に、本発明の実施形態に係る膜電極接合体について説明する。なお、本発明の実施形態は、以下に記載する実施形態に限定されうるものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更などの変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の実施形態の範囲に含まれうるものである。
(膜電極接合体)
図1は、本発明の実施形態に係る膜電極接合体12を示す概略断面図である。図1に示すように、本発明の実施形態に係る膜電極接合体12は、高分子電解質膜1と、その高分子電解質膜1の一方の面に配置される空気極側の電極触媒層2aと、高分子電解質膜1のもう一方の面に配置される燃料極側の電極触媒層2bを備えている。
Below, the membrane electrode assembly which concerns on embodiment of this invention is demonstrated. The embodiments of the present invention are not limited to the embodiments described below, and modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art. The described embodiments can also be included in the scope of the embodiments of the present invention.
(Membrane electrode assembly)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a
(固体高分子形燃料電池)
図2は、本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池の分解模式図である。本発明の固体高分子形燃料電池にあっては、図2に示すように、膜電極接合体12の電極触媒層2aおよび電極触媒層2bと対向させて、それぞれ空気極側のガス拡散層3および燃料極側のガス拡散層4が配置される。これによりそれぞれ空気極(カソード)5及び燃料極(アノード)6が構成される。更に、ガス拡散層3、膜電極接合体12、ガス拡散層4を間に挟んで一対のセパレータ9が配置される。一対のセパレータ9は、ガス流通用のガス流路7を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路8を備えた導電性でかつ不透過性の材料からなる。そして、燃料極6側のセパレータ9のガス流路7からは燃料ガスとして、例えば水素ガスが供給される。一方、空気極5側のセパレータ9のガス流路7からは、酸化剤ガスとして、例えば酸素を含むガスが供給される。そして、燃料ガスの水素と酸素ガスとを触媒の存在下で電極反応させることにより、燃料極と空気極の間に起電力を生じさせることができる。
(Solid polymer fuel cell)
FIG. 2 is an exploded schematic view of a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention. In the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, as shown in FIG. 2, the gas diffusion layer 3 on the air electrode side is opposed to the
図2に示した固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜1、電極触媒層2a、2b、ガス拡散層3、4が一組のセパレータに狭持された、いわゆる単セル構造の固体高分子形燃料電池であるが、本発明の適用にあっては、セパレータ9を介して複数のセルを積層して構成した燃料電池でもよい。
本実施形態の少なくとも一方の電極触媒層は、高分子電解質と、触媒物質と、黒鉛化率の異なる少なくとも2種類の炭素粒子とを備える電極触媒層であって、炭素粒子よりも小さい比表面積の触媒物質と、黒鉛化処理を行った第1の炭素粒子に対して高分子電解質を包埋している。この構成によって、触媒表面のプロトン伝導性を高めるだけでなく、触媒物質と炭素粒子との接触性を高めることができる。前記電極触媒層は、さらには黒鉛化処理を行っていない若しくは第1の炭素粒子よりも黒鉛化率が低い第2の炭素粒子を備えることで、電極触媒層のガス拡散性を高めることで反応活性点を増加させ、出力性能を向上させることができる。
The solid polymer fuel cell shown in FIG. 2 is a so-called single cell solid in which a solid
At least one of the electrode catalyst layers of the present embodiment is an electrode catalyst layer comprising a polymer electrolyte, a catalyst substance, and at least two types of carbon particles having different graphitization rates, and having a specific surface area smaller than that of the carbon particles. A polymer electrolyte is embedded in the catalyst material and the first carbon particles subjected to graphitization. With this configuration, not only the proton conductivity on the catalyst surface can be increased, but also the contact property between the catalyst substance and the carbon particles can be increased. The electrode catalyst layer further includes a second carbon particle that is not graphitized or has a lower graphitization rate than the first carbon particle, thereby increasing the gas diffusibility of the electrode catalyst layer. The active point can be increased and the output performance can be improved.
ここで、高分子電解質で複合粒子の包埋を行わない従来の電極触媒層の製造方法では、電極触媒層の形成時に、比表面積の大きい炭素粒子に高分子電解質が優先的に包埋されるため、触媒表面のプロトン伝導性が低く、反応活性点を増加させることはできない。従来の製造方法でも、電極触媒層の高分子電解質を高濃度にすることで触媒表面のプロトン伝導性を高めることもできるが、電極触媒層のガス流路が減少することとなり、出力性能を向上させることは困難である。
本発明の実施形態に係る黒鉛化率の異なる少なくとも2種類の炭素粒子としては、黒鉛化処理されている第1の炭素粒子と黒鉛化処理されていない第2の炭素粒子とが使用できる。
Here, in the conventional method of manufacturing an electrode catalyst layer that does not embed composite particles with a polymer electrolyte, the polymer electrolyte is preferentially embedded in carbon particles having a large specific surface area when the electrode catalyst layer is formed. Therefore, the proton conductivity on the catalyst surface is low and the reaction active point cannot be increased. Even with the conventional manufacturing method, it is possible to increase the proton conductivity on the catalyst surface by increasing the concentration of the polymer electrolyte in the electrode catalyst layer, but the gas flow path in the electrode catalyst layer is reduced and the output performance is improved. It is difficult to make it.
As the at least two types of carbon particles having different graphitization rates according to the embodiment of the present invention, first carbon particles that have been graphitized and second carbon particles that have not been graphitized can be used.
本発明の実施形態に係る第1の炭素粒子としては、特に限定されないが、カーボンブラックや活性炭等を原料として不活性雰囲気下で1000℃以上の高温で熱処理し、黒鉛化処理したものを使用できる。
本発明の実施形態に係る第2の炭素粒子としては、微粒子状で導電性を有し、触媒におかされないものであればどのようなものでも構わない。例えば、前記第2の炭素粒子としてカーボンブラックや活性炭などが使用できる。カーボン粒子の粒径は、小さすぎると電子伝導パスが形成されにくくなり、また大きすぎると電極触媒層のガス拡散性が低下したり、触媒の利用率が低下したりするので、10nm以上1000nm以下が好ましい。より好ましくは、10nm以上100nm以下が良い。
Although it does not specifically limit as 1st carbon particle which concerns on embodiment of this invention, Carbon black, activated carbon, etc. can be used as a raw material by heat-treating at 1000 degreeC or more in inert atmosphere, and graphitizing-treated .
The second carbon particles according to the embodiment of the present invention may be any particles as long as they are in the form of fine particles and have conductivity and are not exposed to the catalyst. For example, carbon black or activated carbon can be used as the second carbon particles. If the particle size of the carbon particles is too small, it becomes difficult to form an electron conduction path. If the particle size is too large, the gas diffusibility of the electrode catalyst layer decreases or the utilization factor of the catalyst decreases. Is preferred. More preferably, it is 10 nm or more and 100 nm or less.
一般に黒鉛化率の高い炭素粒子は、その製造工程での熱処理のため、黒鉛化率の低い炭素粒子よりも疎水性になることが多く、スルホン酸基を持つ高分子電解質との親和性が低下する。また、黒鉛化率の高い炭素粒子は、黒鉛化率の低い炭素粒子よりも導電性が高いが、比表面積が小さい傾向にある。 In general, carbon particles with a high graphitization rate are often more hydrophobic than carbon particles with a low graphitization rate due to heat treatment in the production process, and the affinity with a polymer electrolyte having a sulfonic acid group is reduced. To do. Carbon particles having a high graphitization rate have higher conductivity than carbon particles having a low graphitization rate, but tend to have a small specific surface area.
本実施形態の電極触媒層は、黒鉛化率の異なる少なくとも2種類の炭素粒子を備え、第1の炭素粒子の黒鉛化率が第2の炭素粒子の黒鉛化率よりも高く、X線回折の格子面間隔C0が6.60〜6.95Åである第1の炭素粒子を備えた電極触媒層である。この構成によって、触媒物質とともに高分子電解質で包埋される第1の炭素粒子の高分子電解質との親和性を低減させ、触媒物質を十分な高分子電解質で被覆することができる。また、第2の炭素粒子の黒鉛化率が、第1の炭素粒子の黒鉛化率よりも低い電極触媒層とすることで、十分なガス拡散性を確保し、出力性能を向上させることができる。
ここで、格子面間隔C0とは、黒鉛化率の目安となる指標であり、炭素粒子の黒鉛構造に基づいた炭素六員環平面の面間隔であり、X回折パターンから算出される炭素六員環平面のC軸方向の格子定数Cの1/2層間の距離を表すものである。
The electrode catalyst layer of the present embodiment includes at least two types of carbon particles having different graphitization rates, and the graphitization rate of the first carbon particles is higher than the graphitization rate of the second carbon particles. lattice spacing C 0 is an electrode catalyst layer having a first carbon particles is 6.60~6.95A. With this configuration, the affinity of the first carbon particles embedded in the polymer electrolyte together with the catalyst substance can be reduced, and the catalyst substance can be covered with a sufficient polymer electrolyte. Moreover, by making the electrode catalyst layer the graphitization rate of the second carbon particles lower than the graphitization rate of the first carbon particles, sufficient gas diffusibility can be ensured and the output performance can be improved. .
Here, the lattice spacing C 0 is an index serving as a measure of the graphitization rate, and is the spacing of the carbon six-membered ring plane based on the graphite structure of the carbon particles, and is calculated from the X diffraction pattern. This represents the distance between ½ layers of the lattice constant C in the C-axis direction of the member ring plane.
複合粒子に含まれる第1の炭素粒子のX線回折の格子面間隔C0が6.60Åに満たない場合には、黒鉛化率が高すぎて高分子電解質への親和性が過度に低くなり、炭素粒子のみで凝集し、反応活性点を十分に増加させることは困難である。また、複合粒子に含まれる第1の炭素粒子のX線回折の格子面間隔C0が6.95Åを超える場合には黒鉛化率が低すぎて高分子電解質への親和性が高くなり、触媒表面を包埋する高分子電解質が不足し、反応活性点を十分に増加させることは困難である。
また、第2の炭素粒子の黒鉛化率が第1の炭素粒子よりも高い場合には、炭素粒子の比表面積が小さく電極触媒層が密になり、電極触媒層のガス拡散性が低下し、出力性能を十分に向上させることは困難である。
If the lattice spacing C 0 of X-ray diffraction of the first carbon particles contained in the composite particles is less than 6.60Å, the graphitization rate is too high affinity to the polymer electrolyte becomes too low It is difficult to agglomerate only with carbon particles and sufficiently increase the reaction active point. Further, when the lattice spacing C 0 of the X-ray diffraction of the first carbon particles contained in the composite particles exceeds 6.95 mm, the graphitization rate is too low and the affinity for the polymer electrolyte is increased. It is difficult to sufficiently increase the reactive site due to a lack of polymer electrolyte embedding the surface.
Moreover, when the graphitization rate of the second carbon particles is higher than that of the first carbon particles, the specific surface area of the carbon particles is small and the electrode catalyst layer becomes dense, and the gas diffusibility of the electrode catalyst layer is reduced, It is difficult to sufficiently improve the output performance.
(製造方法)
第1の高分子電解質で包埋した複合粒子は、次の第1調整工程及び複合粒子形成工程を含む工程によって製造すれば良い。
第1調整工程では、前記触媒物質と、前記触媒物質よりも比表面積が大きい第1の炭素粒子と、第1の高分子電解質を溶媒に分散させた第1の触媒インクを調整する。
複合粒子形成工程では、前記第1の触媒インクを乾燥させて、第1の高分子電解質で包埋した複合粒子を形成する。
(Production method)
What is necessary is just to manufacture the composite particle embedded with the 1st polymer electrolyte by the process including the following 1st adjustment process and composite particle formation process.
In the first adjustment step, a first catalyst ink in which the catalyst material, first carbon particles having a specific surface area larger than that of the catalyst material, and a first polymer electrolyte are dispersed in a solvent is prepared.
In the composite particle forming step, the first catalyst ink is dried to form composite particles embedded with the first polymer electrolyte.
更に、燃料電池用電極触媒層の製造は、次の工程を備えた工程で製造すれば良い。
すなわち、第2調整工程では、前記複合粒子の製造方法で形成された第1の高分子電解質で包埋した複合粒子、前記触媒物質よりも比表面積が大きい第2の炭素粒子、及び第2の高分子電解質を溶媒に分散させた第2の触媒インクを調整する。
また、電極触媒層形成工程では、ガス拡散層、転写シートおよび高分子電解質膜から選択される基材上に、前記第2の触媒インクを塗布して電極触媒層を形成する。
Further, the fuel cell electrode catalyst layer may be manufactured by a process including the following processes.
That is, in the second adjustment step, the composite particles embedded with the first polymer electrolyte formed by the composite particle manufacturing method, the second carbon particles having a specific surface area larger than that of the catalyst substance, and the second A second catalyst ink in which a polymer electrolyte is dispersed in a solvent is prepared.
In the electrode catalyst layer forming step, the electrode catalyst layer is formed by applying the second catalyst ink on a substrate selected from a gas diffusion layer, a transfer sheet, and a polymer electrolyte membrane.
本実施形態の電極触媒層の製造方法において、触媒物質と第1の炭素粒子と高分子電解質を溶媒に分散させた第1の触媒インクを調整する第1の工程にあっては、乾燥によって形成させる複合粒子において触媒物質と第1の炭素粒子と高分子電解質との質量比を、インク組成の設定で制御することができる。
高分子電解質で包埋した複合粒子における触媒物質と第1の炭素粒子との質量比は、1:0.01以上1:1以下の範囲内であることが好ましい。触媒物質に対して、第1の炭素粒子の質量比が0.01に満たない場合にあっては、触媒物質と第1の炭素粒子との接触性が低く、反応活性点を増加せることが困難であることから、出力性能が向上しない場合がある。また、触媒物質に対して、第1の炭素粒子の質量比が1を超える場合にあっては、触媒表面のプロトン伝導性が変化せず、反応活性点を増加せることが困難であることから、出力性能が向上しない場合がある。
In the manufacturing method of the electrode catalyst layer of this embodiment, in the first step of preparing the first catalyst ink in which the catalyst substance, the first carbon particles, and the polymer electrolyte are dispersed in the solvent, the first catalyst ink is formed by drying. In the composite particles to be produced, the mass ratio of the catalyst substance, the first carbon particles, and the polymer electrolyte can be controlled by setting the ink composition.
The mass ratio between the catalyst substance and the first carbon particles in the composite particles embedded with the polymer electrolyte is preferably in the range of 1: 0.01 or more and 1: 1 or less. When the mass ratio of the first carbon particles to the catalyst material is less than 0.01, the contact property between the catalyst material and the first carbon particles is low, and the reaction active point may be increased. Since it is difficult, output performance may not improve. Further, when the mass ratio of the first carbon particles to the catalyst substance exceeds 1, the proton conductivity on the catalyst surface does not change and it is difficult to increase the reaction active point. The output performance may not improve.
また、高分子電解質で包埋した複合粒子における第1の炭素粒子と高分子電解質との質量比が、1:0.2以上1:50以下の範囲内であることが好ましい。第1の炭素粒子に対して、高分子電解質の質量比が0.2に満たない場合にあっては、第1の炭素粒子を包埋し、かつ触媒表面のプロトン伝導性が向上させることが困難であり、反応活性点を増加せることが困難であることから、出力性能が向上しない場合がある。また、第1の炭素粒子に対して、高分子電解質の質量比が50を超える場合にあっては、反応活性点へのガス拡散性が阻害され、出力性能が向上しない場合がある。 The mass ratio of the first carbon particles to the polymer electrolyte in the composite particles embedded with the polymer electrolyte is preferably in the range of 1: 0.2 or more and 1:50 or less. If the mass ratio of the polymer electrolyte to the first carbon particles is less than 0.2, the first carbon particles may be embedded and the proton conductivity on the catalyst surface may be improved. Since it is difficult and it is difficult to increase the reaction active point, the output performance may not be improved. In addition, when the mass ratio of the polymer electrolyte exceeds 50 with respect to the first carbon particles, the gas diffusibility to the reaction active site is hindered, and the output performance may not be improved.
本実施形態の電極触媒層の製造方法において、触媒物質と第1の炭素粒子、高分子電解質を溶媒に分散させた第1の触媒インクを乾燥する複合粒子形成工程にあっては、乾燥のための熱処理の温度が30℃以上140℃以下であることが好ましい。乾燥させる温度が30℃に満たない場合にあっては、第2の触媒インクを調整する第2調整工程で、複合粒子における高分子電解質の多くが溶媒に溶解し、出力性能が向上しない場合がある。また、乾燥させる温度が140℃を超える場合にあっても、複合粒子における高分子電解質のプロトン伝導性が阻害され、出力性能が向上しない場合がある。 In the method for producing an electrode catalyst layer of this embodiment, in the composite particle forming step of drying the first catalyst ink in which the catalyst substance, the first carbon particles, and the polymer electrolyte are dispersed in a solvent, The temperature of the heat treatment is preferably 30 ° C. or higher and 140 ° C. or lower. When the drying temperature is less than 30 ° C., in the second adjustment step of adjusting the second catalyst ink, most of the polymer electrolyte in the composite particles is dissolved in the solvent, and the output performance may not be improved. is there. Even when the drying temperature exceeds 140 ° C., the proton conductivity of the polymer electrolyte in the composite particles is hindered, and the output performance may not be improved.
本実施形態の電極触媒層の製造方法において、高分子電解質で包埋した複合粒子と第2の炭素粒子と高分子電解質とを溶媒に分散させた第2の触媒インクを調整する第2調整工程にあっては、溶媒に分散させる前に、複合粒子と、第2の炭素粒子とを無溶媒で混合させる混合工程を備えることが好ましい。この混合工程を実施しない場合には、複合粒子と第2の炭素粒子との接触性が低く、反応活性点を増加せることが困難であることから、出力性能が向上しない場合がある。 In the method for producing an electrode catalyst layer of this embodiment, a second adjustment step of adjusting a second catalyst ink in which composite particles embedded with a polymer electrolyte, second carbon particles, and a polymer electrolyte are dispersed in a solvent. In this case, it is preferable to include a mixing step in which the composite particles and the second carbon particles are mixed without a solvent before being dispersed in the solvent. If this mixing step is not performed, the output performance may not be improved because the contact between the composite particles and the second carbon particles is low and it is difficult to increase the reaction active point.
また、無溶媒で混合させる混合工程の後に熱処理工程を備えることが好ましい。この熱処理工程を実施しない場合にあっては、第2の触媒インクを調整する工程で、反応活性点が減少する場合がある。この熱処理工程にあっては、熱処理の温度が50℃以上180℃以下であることが好ましい。乾燥させる温度が50℃に満たない場合にあっては、第2の触媒インクを調整する工程で、複合粒子における高分子電解質の多くが溶媒に溶解し、また、形成した反応活性点の減少によって出力性能が向上しない場合がある。また、乾燥させる温度が180℃を超える場合にあっても、複合粒子における高分子電解質のプロトン伝導性が阻害され、出力性能が向上しない場合がある。 Moreover, it is preferable to provide a heat treatment step after the mixing step of mixing without solvent. If this heat treatment step is not performed, the reaction active point may decrease in the step of adjusting the second catalyst ink. In this heat treatment step, the heat treatment temperature is preferably 50 ° C. or higher and 180 ° C. or lower. When the drying temperature is less than 50 ° C., in the step of preparing the second catalyst ink, most of the polymer electrolyte in the composite particles is dissolved in the solvent, and the reaction active sites formed are reduced. Output performance may not improve. Even when the drying temperature exceeds 180 ° C., the proton conductivity of the polymer electrolyte in the composite particles is hindered, and the output performance may not be improved.
複合粒子および第2の炭素粒子と高分子電解質を溶媒に分散させた第2の触媒インクを調整する工程において、高分子電解質を添加せず、複合粒子に溶媒を添加して高分子電解質を一部溶出させても構わない。
本実施形態の実施形態に係る触媒物質は、一般的に用いられているものを使用してもよい。本実施形態において好ましくは、空気極における白金代替材料として固体高分子形燃料電池の正極として用いられる、Ta、Nb、Ti、またはZrから選択される、少なくとも一つの遷移金属元素を含む物質を使用してもよい。また、より好ましくは、これらの遷移金属元素の炭窒化物の部分酸化物、もしくは酸化物であることが好ましい。
さらに詳細に本発明の実施形態に係る膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池について説明する。
In the step of preparing the second catalyst ink in which the composite particles and the second carbon particles and the polymer electrolyte are dispersed in the solvent, the polymer electrolyte is added by adding the solvent to the composite particles without adding the polymer electrolyte. It may be partly eluted.
As the catalyst material according to the embodiment of the present embodiment, a commonly used catalyst material may be used. Preferably, in the present embodiment, a substance containing at least one transition metal element selected from Ta, Nb, Ti, or Zr, which is used as a positive electrode of a polymer electrolyte fuel cell as a platinum substitute material in an air electrode, is used. May be. More preferably, it is a partial oxide or oxide of a carbonitride of these transition metal elements.
The membrane electrode assembly and the polymer electrolyte fuel cell according to the embodiment of the present invention will be described in more detail.
本発明の実施形態に係る高分子電解質膜としては、プロトン伝導性を有するものであればよく、フッ素系高分子電解質、例えば、Dupont社製Nafion(登録商標)、旭硝子(株)製Flemion(登録商標)、旭化成(株)製Aciplex(登録商標)、Gore社製Gore Select(登録商標)などを用いてもよい。また、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホンなどの炭化水素系高分子電解質膜を用いてもよい。前記電解質膜の中でも、高分子電解質膜としてDupont社製Nafion(登録商標)系材料を好適に用いてもよい。 The polymer electrolyte membrane according to the embodiment of the present invention may be any one having proton conductivity, such as a fluorine-based polymer electrolyte, for example, Dupont Nafion (registered trademark), Asahi Glass Co., Ltd. Flemion (registered). Trademark), Asahi Kasei Corporation's Aciplex (registered trademark), and Gore Select Gore Select (registered trademark) may be used. Moreover, you may use hydrocarbon type polymer electrolyte membranes, such as sulfonated polyether ketone and sulfonated polyether sulfone. Among the electrolyte membranes, a Nafion (registered trademark) material manufactured by Dupont may be suitably used as the polymer electrolyte membrane.
本発明の実施形態に係る触媒インクに含まれる高分子電解質としては、プロトン伝導性を有するものであれば良く、高分子電解質膜と同様のフッ素系高分子電解質、炭化水系高分子電解質を用いてもよい。中でも、高分子電解質膜としてDupont社製Nafion(登録商標)系材料を好適に用いてもよい。なお、電極触媒層と高分子電解質膜の密着性を考慮すると、高分子電解質膜と同一の材料を用いることが好ましい。 The polymer electrolyte contained in the catalyst ink according to the embodiment of the present invention is not limited as long as it has proton conductivity, and the same fluorine-based polymer electrolyte and hydrocarbon-based polymer electrolyte as the polymer electrolyte membrane are used. Also good. Among these, a Nafion (registered trademark) material manufactured by Dupont may be suitably used as the polymer electrolyte membrane. In consideration of the adhesion between the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane, it is preferable to use the same material as the polymer electrolyte membrane.
触媒インクの分散媒として使用される溶媒は、触媒粒子や高分子電解質を浸食することがなく、高分子電解質を流動性の高い状態で溶解または微細ゲルとして分散できるものあれば特に制限はない。しかし、揮発性の有機溶媒が少なくとも含まれることが望ましく、特に限定されるものではないが、アルコール類、ケトン系溶剤、エーテル系溶剤、その他ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジアセトンアルコール、1−メトキシ−2−プロパノールなどの極性溶剤などを使用してもよい。また、これらの溶剤のうち二種以上を混合させたものを使用してもよい。 The solvent used as a dispersion medium for the catalyst ink is not particularly limited as long as it does not erode the catalyst particles and the polymer electrolyte and can dissolve or disperse the polymer electrolyte in a highly fluid state as a fine gel. However, it is desirable that at least a volatile organic solvent is contained, and is not particularly limited. However, alcohols, ketone solvents, ether solvents, other dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, ethylene glycol, You may use polar solvents, such as diethylene glycol, diacetone alcohol, and 1-methoxy-2-propanol. Moreover, you may use what mixed 2 or more types among these solvents.
また、溶媒として低級アルコールを用いたものは発火の危険性が高く、このような溶媒を用いる際は水との混合溶媒にするのが好ましい。高分子電解質となじみがよい水が含まれていてもよい。水の添加量は、高分子電解質が分離して白濁を生じたり、ゲル化したりしない程度であれば特に制限はない。
触媒物質や炭素粒子を分散させるために、触媒インクに分散剤が含まれていても良い。分散剤としては、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤などを挙げることができる。中でもアルキルベンゼンスルホン酸、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸、α−オレフィンスルホン酸、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホン酸塩などのスルホン酸型のアニオン界面活性剤は、カーボンの分散効果、分散剤の残存による触媒性能の変化などを考慮すると、好適である。
In addition, those using lower alcohol as the solvent have a high risk of ignition, and when using such a solvent, it is preferable to use a mixed solvent with water. Water that is compatible with the polymer electrolyte may be contained. The amount of water added is not particularly limited as long as the polymer electrolyte is not separated to cause white turbidity or gelation.
In order to disperse the catalyst substance and the carbon particles, the catalyst ink may contain a dispersant. Examples of the dispersant include an anionic surfactant, a cationic surfactant, an amphoteric surfactant, and a nonionic surfactant. Among them, sulfonic acid type anionic surfactants such as alkylbenzene sulfonic acid, oil-soluble alkyl benzene sulfonic acid, α-olefin sulfonic acid, sodium alkyl benzene sulfonate, oil-soluble alkyl benzene sulfonate, α-olefin sulfonate, carbon dispersion Considering effects, changes in catalyst performance due to residual dispersant, etc. are preferable.
触媒インクは必要に応じて分散処理が行われる。触媒インクの粘度、粒子のサイズは、触媒インクの分散処理の条件によって制御することができる。分散処理は、様々な装置を用いて行うことができる。例えば、分散処理としては、ボールミルやロールミルによる処理、超音波分散処理などが挙げられる。
触媒インク中の固形分含有量は、多すぎると触媒インクの粘度が高くなるため電極触媒層表面にクラックが入りやすくなり、また逆に少なすぎると成膜レートが非常に遅く、生産性が低下してしまうため、150質量%以上50質量%以下であることが好ましい。固形分は触媒物質および炭素粒子と高分子電解質からなるが、炭素粒子を多くすると同じ固形分含有量でも粘度は高くなり、少なくすると粘度は低くなる。そのため、固形分に占める炭素粒子の割合は10質量%以上80質量%以下が好ましい。また、このときの触媒インクの粘度は、0.1cP以上500cP以下程度が好ましく、さらに好ましくは5cP以上100cP以下が良い。また触媒インクの分散時に分散剤を添加することで、粘度の制御をしてもよい。
The catalyst ink is subjected to a dispersion treatment as necessary. The viscosity and particle size of the catalyst ink can be controlled by the conditions for the dispersion treatment of the catalyst ink. Distributed processing can be performed using various apparatuses. For example, examples of the dispersion process include a process using a ball mill and a roll mill, and an ultrasonic dispersion process.
If the solid content in the catalyst ink is too high, the viscosity of the catalyst ink will be high, so that the surface of the electrode catalyst layer will easily crack, and conversely if it is too low, the deposition rate will be very slow and productivity will be reduced. Therefore, the content is preferably 150% by mass or more and 50% by mass or less. The solid content is composed of a catalyst substance, carbon particles, and a polymer electrolyte. When the carbon particles are increased, the viscosity is increased even when the solid content is the same, and when the carbon content is decreased, the viscosity is decreased. Therefore, the proportion of carbon particles in the solid content is preferably 10% by mass or more and 80% by mass or less. Further, the viscosity of the catalyst ink at this time is preferably about 0.1 cP or more and 500 cP or less, and more preferably 5 cP or more and 100 cP or less. Further, the viscosity may be controlled by adding a dispersant when the catalyst ink is dispersed.
また、触媒インクに造孔剤が含まれても良い。造孔剤によれば、電極触媒層の形成後に除去することで、細孔を形成することができる。酸やアルカリ、水に溶ける物質や、ショウノウなどの昇華する物質、熱分解する物質などを用いても良い。温水で溶ける物質であれば、発電時に発生する水で取り除いても良い。
本実施形態の電極触媒層の製造方法において、高分子電解質で包埋した複合粒子は、触媒物質と炭素粒子、高分子電解質を溶媒に分散させた第1の触媒インクを転写シートに塗布し、乾燥させることで得てもよい。または、乾燥雰囲気中にスプレーすることでも複合粒子を直接得てもよい。
The catalyst ink may contain a pore forming agent. According to the pore forming agent, pores can be formed by removing after the formation of the electrode catalyst layer. A substance that dissolves in acid, alkali, or water, a sublimation substance such as camphor, or a substance that thermally decomposes may be used. If the substance is soluble in hot water, it may be removed with water generated during power generation.
In the method for producing an electrode catalyst layer of the present embodiment, composite particles embedded with a polymer electrolyte are coated with a catalyst material, carbon particles, and a first catalyst ink in which a polymer electrolyte is dispersed in a solvent, on a transfer sheet, It may be obtained by drying. Alternatively, the composite particles may be obtained directly by spraying in a dry atmosphere.
本実施形態の電極触媒層の製造方法において、高分子電解質で包埋した複合粒子および第2の炭素粒子と高分子電解質を溶媒に分散させた第2の触媒インクから電極触媒層を作製する電極触媒層形成工程にあっては、触媒インクは基材上に塗布され、乾燥工程を経て電極触媒層が形成される。基材として、ガス拡散層もしくは転写シートを用いた場合には、接合工程によって高分子電解質膜の両面に電極触媒層は接合される。また、本実施形態の膜電極接合体にあっては、基材として高分子電解質膜を用い、高分子電解質膜の両面に直接触媒インクを塗布し、高分子電解質膜両面に直接電極触媒層を形成してもよい。
このとき、塗布方法としては、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法、スプレー法などを用いてもよい。
In the method for producing an electrode catalyst layer of this embodiment, an electrode for producing an electrode catalyst layer from composite particles embedded with a polymer electrolyte and second catalyst ink in which second carbon particles and the polymer electrolyte are dispersed in a solvent In the catalyst layer forming step, the catalyst ink is applied on the substrate, and an electrode catalyst layer is formed through a drying step. When a gas diffusion layer or a transfer sheet is used as the substrate, the electrode catalyst layers are bonded to both surfaces of the polymer electrolyte membrane by a bonding process. Further, in the membrane electrode assembly of the present embodiment, a polymer electrolyte membrane is used as a substrate, a catalyst ink is directly applied to both sides of the polymer electrolyte membrane, and an electrode catalyst layer is directly applied to both sides of the polymer electrolyte membrane. It may be formed.
At this time, as a coating method, a doctor blade method, a dipping method, a screen printing method, a roll coating method, a spray method, or the like may be used.
本実施形態の電極触媒層の製造方法における基材としては、ガス拡散層、転写シートもしくは高分子電解質膜を用いてもよい。ガス拡散層としては、ガス拡散性と導電性とを有する材質のものを用いてもよい。また転写シートとしては、転写性がよい材質であればよく、例えばフッ素樹脂製のフィルムを用いてもよい。
基材として転写シートを用いた場合には、高分子電解質膜に電極触媒層を接合後に転写シートを剥離し、高分子電解質膜の両面に触媒層を備える膜電極接合体としてもよい。基材としてガス拡散層を接合工程後にガス拡散層である基材を剥離する必要は無い。
As a substrate in the method for producing an electrode catalyst layer of the present embodiment, a gas diffusion layer, a transfer sheet, or a polymer electrolyte membrane may be used. As the gas diffusion layer, a material having gas diffusibility and conductivity may be used. The transfer sheet may be any material having good transferability, and for example, a fluororesin film may be used.
When a transfer sheet is used as the substrate, the transfer sheet may be peeled after the electrode catalyst layer is bonded to the polymer electrolyte membrane, and a membrane electrode assembly having catalyst layers on both sides of the polymer electrolyte membrane may be obtained. It is not necessary to peel off the base material that is the gas diffusion layer after the bonding step.
ガス拡散層およびセパレータとしては、通常の燃料電池に用いられているものを用いてもよい。具体的にはガス拡散層としてはカーボンクロス、カーボンペーパー、不織布などのポーラスカーボン材を用いてもよい。セパレータとしては、カーボンタイプあるいは金属タイプのものなどを用いてもよい。燃料電池としては、ガス供給装置、冷却装置などその他付随する装置を組み立てることにより製造される。 As the gas diffusion layer and the separator, those used in ordinary fuel cells may be used. Specifically, a porous carbon material such as carbon cloth, carbon paper, and nonwoven fabric may be used as the gas diffusion layer. As the separator, a carbon type or a metal type may be used. The fuel cell is manufactured by assembling other accompanying devices such as a gas supply device and a cooling device.
本発明に係る燃料電池用電極触媒層の製造方法について、以下に具体的な実施例および比較例を挙げて説明する。ただし、本発明は下記実施例によって制限されるものではない。
(実施例1)
〔第1の触媒インクの調整〕
触媒物質(TaCNO、比表面積 約10m2/g)と、カーボンブラックに対して熱処理を行い、黒鉛化率を高めた第1の炭素粒子(C0=6.87Å)と、20質量%高分子電解質溶液(ナフィオン:Nafion(登録商標)、Dupont社製)を溶媒中で混合し、遊星型ボールミル(商品名:P−7、フリッチュ・ジャパン社製)で分散処理を行った。触媒インクの組成比は、触媒物質と炭素粒子の質量比で1:0.1とし、炭素粒子と高分子電解質の質量比で1:0.8とした。溶媒は超純水、1−プロパノールを体積比で1:1とした。PTFEシートを第1の触媒インクの乾燥用の基材として使用した。
The method for producing a fuel cell electrode catalyst layer according to the present invention will be described below with reference to specific examples and comparative examples. However, the present invention is not limited by the following examples.
(Example 1)
[Adjustment of first catalyst ink]
Catalyst material (TaCNO, specific surface area about 10 m 2 / g), first carbon particles (C 0 = 6.87 Å) that have been heat-treated to increase the graphitization rate, and 20% by mass polymer An electrolyte solution (Nafion: Nafion (registered trademark), manufactured by Dupont) was mixed in a solvent, and dispersion treatment was performed using a planetary ball mill (trade name: P-7, manufactured by Fritsch Japan). The composition ratio of the catalyst ink was 1: 0.1 in terms of the mass ratio of the catalyst substance and the carbon particles, and 1: 0.8 in terms of the mass ratio of the carbon particles to the polymer electrolyte. The solvent was 1: 1 by volume ratio of ultrapure water and 1-propanol. A PTFE sheet was used as a substrate for drying the first catalyst ink.
〔高分子電解質で包埋した触媒物質の形成方法〕
ドクターブレードにより、第1の触媒インクを基材上に塗布し、そして大気雰囲気中80℃で5分間乾燥させた。その後、高分子電解質で包埋した複合粒子を基材上から回収した。
〔複合粒子と、炭素粒子との混合および熱処理〕
複合粒子と第2の炭素粒子(Ketjen Black(登録商標)、商品名:EC−300J、ライオン社製)を遊星型ボールミルにて無溶媒で混合した。その後、複合粒子および炭素粒子の混合物を、100℃にて熱処理を行った。混合物の組成比は、触媒物質と複合粒子中に含まれない炭素粒子の質量比で1:0.4とした。
[Method of forming catalyst material embedded in polymer electrolyte]
The first catalyst ink was applied onto the substrate by a doctor blade and dried at 80 ° C. for 5 minutes in an air atmosphere. Thereafter, the composite particles embedded with the polymer electrolyte were collected from the substrate.
[Mixing and heat treatment of composite particles and carbon particles]
The composite particles and the second carbon particles (Ketjen Black (registered trademark), trade name: EC-300J, manufactured by Lion Corporation) were mixed without solvent in a planetary ball mill. Thereafter, the mixture of composite particles and carbon particles was heat-treated at 100 ° C. The composition ratio of the mixture was 1: 0.4 in terms of the mass ratio of the catalyst material and the carbon particles not included in the composite particles.
〔第2の触媒インクの調整〕
複合粒子と炭素粒子の混合物に熱処理を加えたものと、20質量%高分子電解質溶液を溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで分散処理を行った。触媒インクの組成比は、触媒物質と、炭素粒子と、高分子電解質との質量比が1:0.5:0.5としたものを第2の触媒インクとした。溶媒は超純水と、1−プロパノールとを体積比で1:1とした。PTFEシートを転写シートとして使用した。
〔電極触媒層の形成方法〕
ドクターブレードにより、第2の触媒インクを転写シートに塗布し、そして大気雰囲気中80℃で5分間乾燥させた。電極触媒層の厚さは、触媒物質担持量が0.5mg/cm2になるように調節し、空気極側の電極触媒層2を形成した。
[Adjustment of second catalyst ink]
A mixture of the composite particles and carbon particles subjected to heat treatment and a 20% by mass polymer electrolyte solution were mixed in a solvent and subjected to dispersion treatment using a planetary ball mill. The composition ratio of the catalyst ink was such that the mass ratio of the catalyst substance, the carbon particles, and the polymer electrolyte was 1: 0.5: 0.5, which was used as the second catalyst ink. The solvent was 1: 1 by volume ratio of ultrapure water and 1-propanol. A PTFE sheet was used as a transfer sheet.
[Method for forming electrode catalyst layer]
The second catalyst ink was applied to the transfer sheet with a doctor blade, and dried at 80 ° C. for 5 minutes in an air atmosphere. The thickness of the electrode catalyst layer was adjusted so that the amount of the catalyst substance supported was 0.5 mg / cm 2, and the electrode catalyst layer 2 on the air electrode side was formed.
(実施例2)
〔電極触媒層の作製方法〕
第2の触媒インクを調整する工程において、カーボンブラックに対して熱処理を行い、黒鉛化率を高めた第2の炭素粒子(C0=6.89Å)を使用したこと以外は実施例1と同様に作製し、空気極側の電極触媒層2を形成した。
(比較例)
〔触媒インクの調整〕
触媒物質と炭素粒子、および20質量%高分子電解質溶液を溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで分散処理を行った。触媒インクの組成比は、触媒物質と炭素粒子および高分子電解質の質量比が1:0.5:0.5としたものを触媒インクとした。溶媒は超純水、1−プロパノールを体積比で1:1とした。また、基材には、実施例と同じ転写シートを使用した。
(Example 2)
[Method for producing electrode catalyst layer]
In the step of preparing the second catalyst ink, the same procedure as in Example 1 was performed, except that the second carbon particles (C 0 = 6.89 た) that were heat-treated and increased in graphitization rate were used. The electrode catalyst layer 2 on the air electrode side was formed.
(Comparative example)
[Adjustment of catalyst ink]
A catalyst substance, carbon particles, and a 20% by mass polymer electrolyte solution were mixed in a solvent, and dispersion treatment was performed using a planetary ball mill. The composition ratio of the catalyst ink was such that the mass ratio of the catalyst substance, the carbon particles, and the polymer electrolyte was 1: 0.5: 0.5. The solvent was 1: 1 by volume ratio of ultrapure water and 1-propanol. Moreover, the same transfer sheet as the Example was used for the base material.
〔電極触媒層の作製方法〕
実施例と同様の手法で、転写シートに触媒インクを塗布し、乾燥させた。電極触媒層の厚さは触媒物質担持量が0.5mg/cm2になるように調節し、空気極側の電極触媒層2aを形成した。
〔燃料極用電極触媒層の作製〕
実施例および比較例について、白金担持量が50質量%である白金担持カーボン触媒(商品名:TEC10E50E、田中貴金属工業製)と、20質量%高分子電解質溶液を溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで分散処理を行ったものを触媒インクとした。触媒インクの組成比は、白金担持カーボン中のカーボンと、高分子電解質の質量比で1:1とし、溶媒は超純水、1−プロパノールを体積比で1:1とした。電極触媒層2aと同様の手法で、基材に触媒インクを塗布し、乾燥させた。実施例および比較例ともに、電極触媒層の厚さは触媒物質担持量が0.3mg/cm2になるように調節し、燃料極側の電極触媒層2bを形成した。
[Method for producing electrode catalyst layer]
In the same manner as in the example, the catalyst ink was applied to the transfer sheet and dried. The thickness of the electrode catalyst layer was adjusted so that the amount of the catalyst substance supported was 0.5 mg / cm 2 to form the
[Preparation of electrode catalyst layer for fuel electrode]
For Examples and Comparative Examples, a platinum-supported carbon catalyst (trade name: TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) having a platinum-supported amount of 50% by mass and a 20% by mass polymer electrolyte solution were mixed in a solvent, and a planetary ball mill The catalyst ink was subjected to a dispersion treatment as described above to obtain a catalyst ink. The composition ratio of the catalyst ink was 1: 1 by mass ratio of carbon in platinum-supported carbon and polymer electrolyte, and the solvent was 1: 1 by volume ratio of ultrapure water and 1-propanol. In the same manner as the
(膜電極接合体の作製)
実施例および比較例において作製した空気極側電極触媒層2aが形成された基材と、燃料極側電極触媒層2bを形成された基材を、各々5cm2の正方形に打ち抜き、高分子電解質膜(ナフィオン(登録商標)212、Dupont社製)の両面に対面するように転写シートを配置し、130℃でホットプレスを行い、膜電極接合体12を得た。得られた膜電極接合体12の両面に、ガス拡散層として目止め層が形成されたカーボンクロス3,4を配置し、更に、一対のセパレータ9で挟持し、単セルの固体高分子形燃料電池を作製した。
(Production of membrane electrode assembly)
The base material on which the air electrode side
〔発電特性〕
(評価条件)
エヌエフ回路設計ブロック社製KIT−50156の燃料電池測定装置を用いて、セル温度80℃で、アノードおよびカソードともに100%RHの条件で発電特性評価を行った。燃料ガスとして純水素、酸化剤ガスとして純酸素を用い、流量一定による流量制御を行った。
[Power generation characteristics]
(Evaluation conditions)
Using a KIT-50156 fuel cell measuring device manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd., power generation characteristics were evaluated at a cell temperature of 80 ° C. under conditions of 100% RH for both the anode and the cathode. Using pure hydrogen as the fuel gas and pure oxygen as the oxidant gas, the flow rate was controlled at a constant flow rate.
(測定結果)
図3に実施例1と実施例2、および比較例で作製した膜電極接合体の発電特性評価結果を示す。この図3では、0.3A/cm2、1.0A/cm2におけるセル電圧を示した。
図3から分かるように、実施例1および実施例2で作製した膜電極接合体は、比較例で作製した膜電極接合体よりも優れた発電評価を示した。また、実施例1は実施例2よりも優れた発電性能を示した。これは、実施例1および2では、触媒物質および炭素粒子の一部に対して高分子電解質を包埋することで触媒表面のプロトン伝導性が高められ、反応活性点が増加したためと推察される。これに対して、比較例では、触媒物質と炭素粒子および高分子電解質を一段階で溶媒中に分散させるため、触媒物質よりも比表面積の大きい炭素粒子に対して高分子電解質が優先的に吸着したことで、触媒表面では十分なプロトン伝導性が確保されなかったためと推察される。また、実施例2では第2の炭素粒子の黒鉛化率が高すぎて、実施例1よりもガス拡散性が低下したためと推察される。以上より、本発明によれば、高い発電特性を示す膜電極接合体を有する固体高分子形燃料電池が提供されることが確認された。
(Measurement result)
FIG. 3 shows the evaluation results of the power generation characteristics of the membrane electrode assemblies produced in Examples 1 and 2 and the comparative example. In FIG. 3, cell voltages at 0.3 A / cm 2 and 1.0 A / cm 2 are shown.
As can be seen from FIG. 3, the membrane electrode assemblies produced in Example 1 and Example 2 showed a power generation evaluation superior to the membrane electrode assemblies produced in Comparative Examples. Further, Example 1 showed power generation performance superior to that of Example 2. This is presumably because, in Examples 1 and 2, the proton conductivity on the catalyst surface was increased by embedding the polymer electrolyte in part of the catalyst material and carbon particles, and the reaction active points increased. . In contrast, in the comparative example, the catalyst material, the carbon particles, and the polymer electrolyte are dispersed in the solvent in one step, so that the polymer electrolyte is preferentially adsorbed on the carbon particles having a larger specific surface area than the catalyst material. Therefore, it is presumed that sufficient proton conductivity was not ensured on the catalyst surface. Moreover, in Example 2, the graphitization rate of the 2nd carbon particle is too high, and it is guessed that the gas diffusibility fell rather than Example 1. From the above, it was confirmed that according to the present invention, a polymer electrolyte fuel cell having a membrane electrode assembly exhibiting high power generation characteristics is provided.
本発明の電極触媒層の製造方法によれば、触媒物質に酸化物系非白金触媒を使用した電極触媒層において、従来の製造方法よりも触媒物質の潜在能力を引き出し、出力性能の向上した固体高分子形燃料電池を提供することができるという顕著な効果を奏するので、産業上の利用価値が高い。したがって、本発明は高分子形燃料電池、特に家庭用燃料電池システムや燃料電池自動車などにおける、燃料電池単セルやスタックに好適に活用することができる。 According to the method for producing an electrocatalyst layer of the present invention, in an electrocatalyst layer using an oxide-based non-platinum catalyst as a catalyst material, a solid material having a higher output performance than that of the conventional production method is obtained. Since the polymer fuel cell can be provided with a remarkable effect, the industrial utility value is high. Therefore, the present invention can be suitably used for a single fuel cell or a stack in a polymer fuel cell, particularly in a home fuel cell system or a fuel cell vehicle.
1 固体高分子電解質膜
2a 電極触媒層
2b 電極触媒層
12 膜電極接合体
3 ガス拡散層
4 ガス拡散層
5 空気極(カソード)
6 燃料極(アノード)
7 ガス流路
8 冷却水流路
9 セパレータ
DESCRIPTION OF
6 Fuel electrode (anode)
7
Claims (17)
前記2種類の炭素粒子は、第1の炭素粒子と、前記第1の炭素粒子よりも黒鉛化率が低い第2の炭素粒子と、を含み、
前記触媒物質と、前記触媒物質よりも比表面積が大きい前記第1の炭素粒子と、第1の高分子電解質を溶媒に分散させた第1の触媒インクを調整する第1調整工程と、
前記第1の触媒インクを乾燥させて、第1の高分子電解質で包埋した複合粒子を形成する複合粒子形成工程と、を備え、
前記複合粒子は、該複合粒子、前記第2の炭素粒子、及び第2の高分子電解質を溶媒に分散させた第2の触媒インクを調整した後に、該第2の触媒インクをガス拡散層、転写シートおよび高分子電解質膜から選択される基材上に塗布して前記電極触媒層を形成する工程で使用されることを特徴とする複合粒子の製造方法。 A method for producing composite particles used in an electrode catalyst layer comprising a polymer electrolyte and a catalyst substance and at least two types of carbon particles having different graphitization rates,
The two types of carbon particles include first carbon particles and second carbon particles having a graphitization rate lower than that of the first carbon particles,
Said catalyst material, said first carbon particles specific surface area is greater than the catalytic material, a first adjusting step of the first polyelectrolyte to adjust the first catalyst ink obtained by dispersing in a solvent,
A composite particle forming step of drying the first catalyst ink to form composite particles embedded with the first polymer electrolyte ; and
The composite particles are prepared by adjusting the second catalyst ink in which the composite particles, the second carbon particles, and the second polymer electrolyte are dispersed in a solvent, and then the second catalyst ink is added to the gas diffusion layer. method for producing composite particles, characterized in used Rukoto in the step of forming the electrode catalyst layer is coated on the transfer sheet and polymer electrolyte membrane on a base material selected from the.
前記複合粒子の製造方法で形成された第1の高分子電解質で包埋した複合粒子、前記触媒物質よりも比表面積が大きい第2の炭素粒子、及び第2の高分子電解質を溶媒に分散させた第2の触媒インクを調整する第2調整工程と、
ガス拡散層、転写シートおよび高分子電解質膜から選択される基材上に、前記第2の触媒インクを塗布して電極触媒層を形成する電極触媒層形成工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法。 The method for producing composite particles according to any one of claims 1 to 7,
The composite particles embedded with the first polymer electrolyte formed by the composite particle manufacturing method, the second carbon particles having a specific surface area larger than that of the catalyst substance, and the second polymer electrolyte are dispersed in a solvent. A second adjustment step for adjusting the second catalyst ink;
An electrode catalyst layer forming step of forming an electrode catalyst layer by applying the second catalyst ink on a substrate selected from a gas diffusion layer, a transfer sheet and a polymer electrolyte membrane;
A method for producing an electrode catalyst layer for a fuel cell, comprising:
少なくとも一方の電極触媒層が、請求項13に記載の電極触媒層からなることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体の製造方法。 In a method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell in which a proton conductive polymer electrolyte membrane sandwiched between a pair of electrode catalyst layers is sandwiched between a pair of gas diffusion layers,
A method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell, wherein at least one of the electrode catalyst layers comprises the electrode catalyst layer according to claim 13.
前記2種類の炭素粒子は、第1の炭素粒子と、前記第1の炭素粒子よりも黒鉛化率が低い第2の炭素粒子と、を含み、The two types of carbon particles include first carbon particles and second carbon particles having a graphitization rate lower than that of the first carbon particles,
前記触媒物質と、前記触媒物質よりも比表面積が大きい前記第1の炭素粒子と、第1の高分子電解質を溶媒に分散させた第1の触媒インクを調整する第1調整工程と、A first adjustment step of adjusting the catalyst material, the first carbon particles having a specific surface area larger than that of the catalyst material, and a first catalyst ink in which a first polymer electrolyte is dispersed in a solvent;
前記第1の触媒インクを乾燥させて、第1の高分子電解質で包埋した複合粒子を形成する複合粒子形成工程と、を備えることを特徴とする複合粒子の製造方法。A composite particle forming step of drying the first catalyst ink to form composite particles embedded with the first polymer electrolyte.
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