Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7187798B2 - Catalyst layers and membrane electrode assemblies for polymer electrolyte fuel cells - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7187798B2 - Catalyst layers and membrane electrode assemblies for polymer electrolyte fuel cells - Google Patents

Catalyst layers and membrane electrode assemblies for polymer electrolyte fuel cells Download PDF

Info

Publication number
JP7187798B2
JP7187798B2 JP2018069437A JP2018069437A JP7187798B2 JP 7187798 B2 JP7187798 B2 JP 7187798B2 JP 2018069437 A JP2018069437 A JP 2018069437A JP 2018069437 A JP2018069437 A JP 2018069437A JP 7187798 B2 JP7187798 B2 JP 7187798B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
polymer electrolyte
catalyst layer
membrane electrode
electrode assembly
carbon
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2018069437A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2019179709A (en
Inventor
敦弘 川村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toppan Inc
Original Assignee
Toppan Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toppan Inc filed Critical Toppan Inc
Priority to JP2018069437A priority Critical patent/JP7187798B2/en
Publication of JP2019179709A publication Critical patent/JP2019179709A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7187798B2 publication Critical patent/JP7187798B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池の構成部材である触媒層に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a catalyst layer that is a constituent member of a polymer electrolyte fuel cell.

近年、地球温暖化などの環境問題を解決するために、CO削減に向けた新規動力源の開発が求められている。その動力源として、COを排出しない燃料電池が注目されている。燃料電池とは、燃料(例:水素)と酸化剤(例:酸素)を用いて酸化して無害な水を生成する。水を生成することで得られた化学エネルギーを電気エネルギーに変換して、動力源または電源として使用される。
燃料電池は、電解質の種類によって分類されることから作動温度に強く依存し、搭載物が作動する温度領域によってそれぞれ適した燃料電池が使用される。固体高分子形燃料電池(PEFC)は、低温作動、高出力密度であり、小型化および軽量化が可能であることから、家庭用電源、車載用動力源として開発が行なわれている。
In recent years, in order to solve environmental problems such as global warming, the development of new power sources for CO2 reduction has been demanded. Fuel cells, which do not emit CO2 , have attracted attention as a power source. A fuel cell uses a fuel (eg, hydrogen) and an oxidant (eg, oxygen) to oxidize to produce harmless water. The chemical energy obtained by producing water is converted into electrical energy and used as a power source or power source.
Since fuel cells are classified according to the type of electrolyte, they strongly depend on the operating temperature, and a suitable fuel cell is used depending on the temperature range in which the mounted object operates. A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) operates at a low temperature, has a high output density, and can be made compact and lightweight. Therefore, it is being developed as a power source for home use and a power source for vehicles.

固体高分子形燃料電池(PEFC)は、高分子電解質膜を燃料極(アノード)と空気極(カソード)で挟んだ構造体(膜電極接合体)を持ち、燃料極側に燃料ガスとして水素を供給し、空気極側に酸素を含む空気ガスを供給することで、下記の電気化学反応により発電する。
アノード:H → 2H+ 2e ・・・(反応1)
カソード:1/2O + 2H + 2e → HO ・・・(反応2)
A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has a structure (membrane electrode assembly) in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode (anode) and an air electrode (cathode). By supplying air gas containing oxygen to the air electrode side, electricity is generated by the following electrochemical reaction.
Anode: H 2 → 2H + + 2e - (Reaction 1)
Cathode: 1/2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (Reaction 2)

アノードおよびカソードは、それぞれ触媒層とガス拡散層の積層構造からなる。アノード側触媒層に供給された水素から、電極触媒によりプロトンと電子を生成する(反応1)。プロトンは、アノード側触媒層内の高分子電解質、高分子電解質膜を通過して、カソードに移動する。電子は、外部回路を通り、カソードに移動する。カソード側触媒層では、プロトン、電子および外部から供給された空気中に含まれる酸素が反応して水を生成する(反応2)。 The anode and cathode each consist of a laminated structure of a catalyst layer and a gas diffusion layer. Protons and electrons are generated by the electrode catalyst from the hydrogen supplied to the anode-side catalyst layer (reaction 1). Protons pass through the polymer electrolyte in the anode-side catalyst layer and the polymer electrolyte membrane to move to the cathode. Electrons travel through an external circuit to the cathode. In the cathode-side catalyst layer, protons, electrons, and oxygen contained in air supplied from the outside react to produce water (reaction 2).

燃料電池の低コスト化に向けて、高出力特性を示す燃料電池の開発に注力されている。しかしながら、高出力運転によって水が過剰に生成され、触媒層やガス拡散層へのガス供給を妨害する現象(フラッディング)が生じることで発電性能を低下させる問題がある。
上記課題を解決するために、特許文献1、2では、白金担持カーボンだけでなく、カーボン繊維も含んだ触媒層が提案されている。
In order to reduce the cost of fuel cells, efforts are being made to develop fuel cells that exhibit high output characteristics. However, there is a problem that the power generation performance is lowered due to the phenomenon (flooding) that the gas supply to the catalyst layer and the gas diffusion layer is interrupted due to excessive generation of water due to the high output operation.
In order to solve the above problems, Patent Documents 1 and 2 propose catalyst layers containing not only platinum-supported carbon but also carbon fibers.

特開平10-241703号公報JP-A-10-241703 特許第5537178号公報Japanese Patent No. 5537178

特許文献1および2では、カーボン繊維を触媒層に含ませることで、触媒層中に空隙が生じて、排水性の向上に繋げたと推定されている。しかしながら、カーボン繊維の構造や含有量に関しては明記されているが、高発電性能を示す触媒層の構造については明らかにされていない。
そこで、触媒層の構造に強く影響を与えるアイオノマーのイオン交換容量が、良好な発電性能を示す範囲を明らかにする。
本発明は上記のような実情を鑑みて成されたものであり、排水性やガス拡散性が向上でき、高出力が可能な固体高分子形燃料電池用触媒層および膜電極接合体を提供することを目的とする。
In Patent Literatures 1 and 2, it is presumed that inclusion of carbon fibers in the catalyst layer created voids in the catalyst layer, leading to improved drainage. However, although the structure and content of carbon fibers are specified, the structure of the catalyst layer exhibiting high power generation performance is not clarified.
Therefore, we clarify the range in which the ion exchange capacity of the ionomer, which strongly affects the structure of the catalyst layer, exhibits good power generation performance.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a polymer electrolyte fuel cell catalyst layer and a membrane electrode assembly capable of improving drainage and gas diffusibility and capable of high output. for the purpose.

本発明の一形態は固体高分子形燃料電池用の触媒層である。上記課題を解決するために、上記触媒層は、触媒担持カーボン粒子、高分子電解質およびカーボン繊維で構成し、上記高分子電解質のイオン交換容量(IEC)として、式(1)を満たしていることを特徴とする。
1.5≧IEC≧1.1 [meq/g] ・・・・ 式(1)
また、本発明の一形態に係る膜電極接合体は、上記触媒層をアノードおよびカソードの少なくとも一方に設けている。
One aspect of the present invention is a catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell. In order to solve the above problems, the catalyst layer is composed of catalyst-supporting carbon particles, a polymer electrolyte and carbon fibers, and the ion exchange capacity (IEC) of the polymer electrolyte satisfies the formula (1). characterized by
1.5≧IEC≧1.1 [meq/g] Expression (1)
Further, a membrane electrode assembly according to one aspect of the present invention has the catalyst layer on at least one of the anode and the cathode.

本発明の一態様によれば、排水性やガス拡散性が向上し、高い発電性能を示す固体高分子形燃料電池用触媒層を提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell catalyst layer that exhibits improved drainage and gas diffusibility and high power generation performance.

本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池用の触媒層の構成図である。1 is a configuration diagram of a catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention; FIG. 本発明の実施形態に係る膜電極接合体の構成図である。1 is a configuration diagram of a membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention; FIG.

本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は、以下に記載する実施の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るものである。
図1は、触媒粒子1、導電性担体2、高分子電解質3およびカーボン繊維4を備えた本発明の一実施形態である固体高分子形燃料電池用の触媒層(カソード用触媒層6,アノード用触媒層7)である。図2は、高分子電解質膜5、カソード用触媒層6、アノード用触媒層7、ガスケット材8およびガス拡散層9を備えた本発明の一実施形態である膜電極接合体である。
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the present invention is not limited to the embodiments described below, and it is possible to add modifications such as design changes based on the knowledge of those skilled in the art. Embodiments are also included in the scope of embodiments of the present invention.
FIG. 1 shows a catalyst layer (cathode catalyst layer 6, anode catalyst layer 7). FIG. 2 shows a membrane electrode assembly according to one embodiment of the present invention comprising a polymer electrolyte membrane 5, a cathode catalyst layer 6, an anode catalyst layer 7, a gasket material 8 and a gas diffusion layer 9. FIG.

次に触媒層(カソード触媒層6,アノード触媒層7)の構成について、図1を参照して説明する。
本実施形態で用いる触媒粒子1としては、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素のほか、鉄、鉛、銅、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、アルミニウムなどの金属、若しくはこれらの合金が使用できる。また、酸化物、複酸化物等も使用できる。さらに、これらの触媒の粒径は、例えば0.1nm以上1μm以下、好ましくは0.5nm以上100nm以下、更に好ましくは1nm以上10nm以下程度である。
Next, the configuration of the catalyst layers (cathode catalyst layer 6, anode catalyst layer 7) will be described with reference to FIG.
The catalyst particles 1 used in the present embodiment include platinum group elements such as platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, and osmium, as well as iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum. or alloys thereof can be used. In addition, oxides, composite oxides, and the like can also be used. Further, the particle size of these catalysts is, for example, about 0.1 nm or more and 1 μm or less, preferably 0.5 nm or more and 100 nm or less, more preferably about 1 nm or more and 10 nm or less.

これらの触媒粒子1を担持する導電性担体2は、一般的にカーボン粒子が使用される。カーボン粒子の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒粒子1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が、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、活性炭、フラーレン等が使用できる。
本実施形態で用いる高分子電解質3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5(図2参照)と同様の素材を用いることができ、フッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質等を用いることができる。なお、フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製のNafion(登録商標)系材料等を用いることができる。
Carbon particles are generally used for the conductive carrier 2 that supports these catalyst particles 1 . Any kind of carbon particles may be used as long as they are particulate, conductive, and not affected by the catalyst particles 1. Carbon black, graphite, black lead, activated carbon, fullerene, etc. can be used.
The polymer electrolyte 3 used in this embodiment may be any material as long as it has proton conductivity, and the same material as the polymer electrolyte membrane 5 (see FIG. 2) can be used. A hydrogen-based polymer electrolyte or the like can be used. As the fluorine-based polymer electrolyte, for example, a Nafion (registered trademark)-based material manufactured by DuPont can be used.

触媒粒子1に担持されている導電性担体2の質量Cおよびカーボン繊維4の質量CFと高分子電解質3の質量Iとの比I/(C+CF)は、0.2以上1.5以下であると良い。
特に、IEC(高分子電界質のイオン交換容量)が1.1以上1.3未満の際には、I/(C+CF)は、0.2以上0.8未満であるとより好ましい。また、IECが1.3以上1.5未満の際には、I/(C+CF)は、0.8以上1.5以下であるとより好ましい。これは、IECが低いほど、高分子電解質3とカーボン繊維4とが絡み合いやすく、IECによって発電性能に対するI/(C+CF)の有効範囲が変化するためである。
I/(C+CF)が0.2未満のとき、プロトンパスが乏しく、発電性能を著しく損なう。また、I/(C+CF)が1.5を超えるとき、触媒層の排水性が低下して、燃料電池の発電性能を著しく損なう。
The ratio I/(C+CF) between the mass C of the conductive carrier 2 and the mass CF of the carbon fiber 4 supported by the catalyst particles 1 and the mass I of the polymer electrolyte 3 is 0.2 or more and 1.5 or less. and good.
In particular, when the IEC (ion exchange capacity of the polymer electrolyte) is 1.1 or more and less than 1.3, I/(C+CF) is more preferably 0.2 or more and less than 0.8. Moreover, when IEC is 1.3 or more and less than 1.5, I/(C+CF) is more preferably 0.8 or more and 1.5 or less. This is because the lower the IEC, the more likely the polymer electrolyte 3 and the carbon fibers 4 are entangled, and the effective range of I/(C+CF) with respect to power generation performance changes depending on the IEC.
When I/(C+CF) is less than 0.2, the proton pass is poor and the power generation performance is significantly impaired. On the other hand, when I/(C+CF) exceeds 1.5, the drainage performance of the catalyst layer is deteriorated, which significantly impairs the power generation performance of the fuel cell.

本実施形態で用いるカーボン繊維4としては、カーボンファイバー、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブなどを用いることが出来る。好ましくは、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブが挙げられる。例えば、昭和電工社製のVGCF(登録商標)などの材料を用いることが出来る。カーボン繊維4の繊維径としては、0.5~500nmが好ましく、10~300nmがより好ましい。上記範囲にすることにより、触媒層内の空隙を増加させることができ、高い発電性能を示す。カーボン繊維4の繊維長は1~200μmが好ましく、1~50μmがより好ましい。上記範囲にすることにより、触媒層の強度を高めることができ、形成時にクラックが生じることを抑制できる。また、触媒層内の空隙を増加させることができ、高い発電性能を示す。
また、触媒インクの分散媒として使用される溶媒は、触媒粒子1を担持した導電性担体2、高分子電解質3およびカーボン繊維4を浸食することがなく、高分子電解質3を流動性の高い状態で溶解若しく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。
Carbon fibers, carbon nanofibers, carbon nanotubes, and the like can be used as the carbon fibers 4 used in this embodiment. Carbon nanofibers and carbon nanotubes are preferred. For example, a material such as VGCF (registered trademark) manufactured by Showa Denko KK can be used. The fiber diameter of the carbon fibers 4 is preferably 0.5 to 500 nm, more preferably 10 to 300 nm. By setting it within the above range, the voids in the catalyst layer can be increased, and high power generation performance can be exhibited. The fiber length of the carbon fibers 4 is preferably 1-200 μm, more preferably 1-50 μm. By setting the content within the above range, the strength of the catalyst layer can be increased, and the occurrence of cracks during formation can be suppressed. Moreover, the voids in the catalyst layer can be increased, and high power generation performance is exhibited.
Further, the solvent used as the dispersion medium of the catalyst ink does not erode the conductive carrier 2 supporting the catalyst particles 1, the polymer electrolyte 3 and the carbon fiber 4, and keeps the polymer electrolyte 3 in a state of high fluidity. There is no particular limitation as long as it can be dissolved or dispersed as a fine gel with .

なお、溶媒としては揮発性の有機溶媒や水が含まれることが望ましく、有機溶媒に関しては、特に限定されるものではないが、メタノール、エタノール、1-プロパノ―ル、2-プロパノ―ル、1-ブタノ-ル、2-ブタノ-ル、イソブチルアルコール、tert-ブチルアルコール、ペンタノ-ル等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ペンタノン、メチルイソブチルケトン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジイソブチルケトンなどのケトン系溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジブチルエーテル等のエーテル系溶剤、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-プロパノール等の極性溶剤等が使用される。また、これらの溶剤や水のうち二種以上を混合させたものも使用できる。分散剤が含まれていても良い。 The solvent preferably contains a volatile organic solvent or water, and the organic solvent is not particularly limited, but methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1 -butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, tert-butyl alcohol, pentanol and other alcohols, acetone, methyl ethyl ketone, pentanone, methyl isobutyl ketone, heptanone, cyclohexanone, methylcyclohexanone, acetonylacetone, diisobutyl Ketone solvents such as ketones, ether solvents such as tetrahydrofuran, dioxane, diethylene glycol dimethyl ether, anisole, methoxytoluene, dibutyl ether, other dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, ethylene glycol, diethylene glycol, diacetone alcohol, 1- A polar solvent such as methoxy-2-propanol is used. A mixture of two or more of these solvents and water can also be used. A dispersant may be included.

次に膜電極接合体の作製と構成について、図2を参照して説明する。
上記膜電極接合体は、高分子電解質膜5の表裏面に、触媒層(表面側にカソード触媒層6,裏面側にアノード触媒層7)、ガスケット材8及びガス拡散層9を備えている。ガスケット材8及びガス拡散層9は、この順番で高分子電解質膜5側から順次積層されている。ガスケット材8は、触媒層(カソード触媒層6,アノード触媒層7)の周囲を囲むようにして配置されている。
Next, the fabrication and construction of the membrane electrode assembly will be described with reference to FIG.
The membrane electrode assembly has catalyst layers (a cathode catalyst layer 6 on the front side and an anode catalyst layer 7 on the back side), a gasket material 8 and a gas diffusion layer 9 on the front and back surfaces of the polymer electrolyte membrane 5 . The gasket material 8 and the gas diffusion layer 9 are laminated in this order from the polymer electrolyte membrane 5 side. The gasket material 8 is arranged so as to surround the catalyst layers (cathode catalyst layer 6, anode catalyst layer 7).

上記膜電極接合体に用いられる高分子電解質膜5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、炭化水素系高分子電解質等を用いることができる。なお、フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製のNafion(登録商標)等を用いることができる。また、炭化水素系高分子電解質膜としては、例えば、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、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等の電解質膜を用いることができる。中でも、高分子電解質膜5としてフッ素系高分子電解質としてパーフルオロスルホン酸を含む材料を好適に用いることができる。 As the polymer electrolyte membrane 5 used in the above-mentioned membrane electrode assembly, any material having proton conductivity may be used, and fluorine-based polymer electrolytes, hydrocarbon-based polymer electrolytes, and the like can be used. As the fluorine-based polymer electrolyte, for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont can be used. As the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane, for example, electrolyte membranes such as sulfonated polyetherketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene can be used. Among them, a material containing perfluorosulfonic acid as a fluorine-based polymer electrolyte can be preferably used for the polymer electrolyte membrane 5 .

ガスケット材8及び粘着層を有するプラスチックフィルムは、熱加圧時に溶融しない程度の耐熱性を有しているものであれば良い。例えば、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリパルバン酸アラミド、ポリアミド(ナイロン)、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアクリレート等の高分子フィルムを用いることができる。また、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、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、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、ポリテトラフルオロエチレン等の耐熱性フッ素樹脂を用いることもできる。ガスケット材8における基材としては、ガスバリヤ性、耐熱性を考慮した場合、ポリエチレンナフタレートであることが特に好ましい。 The plastic film having the gasket material 8 and the adhesive layer may have heat resistance to such an extent that it does not melt when heated and pressurized. Polymers such as polyethylene naphthalate, polyethylene terephthalate, polyimide, polyparvanic aramid, polyamide (nylon), polysulfone, polyethersulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone, polyetherimide, and polyacrylate A film can be used. Heat-resistant fluororesins such as ethylenetetrafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroperfluoroalkylvinylether copolymer, and polytetrafluoroethylene can also be used. As the base material of the gasket material 8, polyethylene naphthalate is particularly preferable in consideration of gas barrier properties and heat resistance.

ガスケット材8及び粘着層を有するプラスチックフィルムの粘着層は、アクリル系、ウレタン系、シリコーン系、ゴム系などの粘着剤であればよく、ガスケット材8及び高分子電解質膜5との密着性と、熱加圧時における耐熱性を考慮するとアクリル系であることがより好ましい。ガスケット材8及び粘着層を有するプラスチックフィルムの粘着層の密着性は、高分子電解質膜5-ガスケット材8間の密着力が、ガスケット材―粘着層を有するプラスチックフィルム間の密着力より大きければ、膜電極接合体にガスケット材8を付与することが容易であるため好ましい。 The adhesive layer of the plastic film having the gasket material 8 and the adhesive layer may be an adhesive such as acrylic, urethane, silicone, or rubber. Considering the heat resistance at the time of hot pressing, it is more preferable to be acrylic. The adhesiveness of the adhesive layer of the plastic film having the gasket material 8 and the adhesive layer is such that if the adhesive strength between the polymer electrolyte membrane 5 and the gasket material 8 is greater than the adhesive strength between the gasket material and the plastic film having the adhesive layer, It is preferable because it is easy to apply the gasket material 8 to the membrane electrode assembly.

次に、上記触媒層および膜電極接合体の製造について説明する。
触媒インクを作製する際の分散処理は、様々な装置を用いておこなうことができる。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、せん断ミルによる処理、湿式ミルによる処理、超音波分散処理などが挙げられる。また、遠心力で攪拌を行うホモジナイザーなどを用いても良い。
上記触媒インクを塗工用基材上に形成する塗工方式として、ダイコーター方式、ロールコーター方式およびスプレー方式などが挙げられるが、本発明に関しては限定しない。
膜電極接合体の構成要素である上記触媒層が形成される塗工用基材は、高分子電解質膜5および転写基材であるが、本発明に関しては限定しない。
Next, the production of the above catalyst layer and membrane electrode assembly will be described.
Dispersion treatment in preparing the catalyst ink can be performed using various devices. Examples of the dispersion treatment include treatment with a ball mill or roll mill, treatment with a shear mill, treatment with a wet mill, ultrasonic dispersion treatment, and the like. Alternatively, a homogenizer or the like that agitates by centrifugal force may be used.
Examples of the coating method for forming the catalyst ink on the substrate for coating include a die coater method, a roll coater method, and a spray method, but are not limited to the present invention.
The substrate for coating on which the catalyst layer, which is a component of the membrane electrode assembly, is formed is the polymer electrolyte membrane 5 and the transfer substrate, but is not limited in the present invention.

転写法で作製する場合、転写基材を構成する材料としては、その表面に触媒層を形成できるものであり、かつ触媒層を高分子電解質膜5に転写できるものであれば良い。例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリパルバン酸アラミド、ポリアミド(ナイロン)、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアクリレート、ポリエチレンナフタレート等の高分子フィルムを用いることができる。また、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、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、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、ポリテトラフルオロエチレン等の耐熱性フッ素樹脂を用いることもできる。 When the substrate is produced by the transfer method, any material can be used as long as it can form a catalyst layer on its surface and transfer the catalyst layer to the polymer electrolyte membrane 5 . Polymers such as polyimide, polyethylene terephthalate, polyparvanic acid aramid, polyamide (nylon), polysulfone, polyethersulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone, polyetherimide, polyacrylate, and polyethylene naphthalate A film can be used. Heat-resistant fluororesins such as ethylenetetrafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroperfluoroalkylvinylether copolymer, and polytetrafluoroethylene can also be used.

カソード用触媒層6およびアノード用触媒層7のイオン交換容量をIECとして、IECが1.1以上1.5以下であることが望ましい。この範囲では、触媒層のガス拡散性および排水性が高まり、良好な発電性能が得られる。一方、IECが1.1未満のとき、高分子電解質3とカーボン繊維4との絡み合いが抑制され、高分子電解質3が凝集するため、好ましくない。また、IECが1.5を超える場合、高分子電解質3と導電性担体2あるいはカーボン繊維4との結びつきが強くなり、排水性が低下するため、好ましくない。
上記のことから、IECが1.1以上1.5以下であるカーボン繊維含有の触媒層を持った膜電極接合体は高い発電性能を示すことがわかる。
Assuming that the ion exchange capacities of the cathode catalyst layer 6 and the anode catalyst layer 7 are IEC, the IEC is preferably 1.1 or more and 1.5 or less. Within this range, the gas diffusibility and drainage properties of the catalyst layer are enhanced, and good power generation performance is obtained. On the other hand, when the IEC is less than 1.1, the entanglement between the polymer electrolyte 3 and the carbon fibers 4 is suppressed, and the polymer electrolyte 3 aggregates, which is not preferable. Further, if the IEC exceeds 1.5, the bond between the polymer electrolyte 3 and the conductive carrier 2 or the carbon fiber 4 becomes strong, and the drainage performance deteriorates, which is not preferable.
From the above, it can be seen that a membrane electrode assembly having a carbon fiber-containing catalyst layer with an IEC of 1.1 or more and 1.5 or less exhibits high power generation performance.

本発明の実施形態の一つである膜電極接合体は、上記触媒層をアノードおよびカソードの少なくとも一方に設けており、このような構成とすることにより発電性能が優れた膜電極接合体が得られる。
以上で説明した膜電極接合体の製造方法によれば、高分子電解質膜5の両面に触媒層が良好な形状で接合された膜電極接合体を製造することができる。
以下、本発明を実施例について具体的に説明する。しかし、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
A membrane electrode assembly, which is one of the embodiments of the present invention, is provided with the catalyst layer on at least one of the anode and the cathode. be done.
According to the method for manufacturing the membrane electrode assembly described above, it is possible to manufacture a membrane electrode assembly in which the catalyst layers are bonded to both surfaces of the polymer electrolyte membrane 5 in good shape.
EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to Examples. However, the invention is not limited to only these examples.

(触媒インクの調液)
触媒層を形成するための触媒インクは、フッ素系高分子電解質の分散溶液、白金担持カーボン、カーボン繊維(VGCF-H,「VGCF」は登録商標)、1-プロパノールおよび水で構成されており、ボールミルで混合することで、触媒層の触媒インクを調液した。
(Preparation of catalyst ink)
The catalyst ink for forming the catalyst layer is composed of a fluorine-based polymer electrolyte dispersion solution, platinum-supported carbon, carbon fiber (VGCF-H, "VGCF" is a registered trademark), 1-propanol, and water. The catalyst ink for the catalyst layer was prepared by mixing with a ball mill.

(触媒層の形成および膜電極接合体の製造)
ダイ塗工により、アノードおよびカソードを高分子電解質膜5上に形成させて、膜電極接合体を製造した。
(発電評価)
実施例および比較例で作製した膜電極接合体を挟持するように、ガス拡散層9として用いるカーボンペーパーを貼りあわせ、発電評価セル内に設置した。燃料電池測定装置を用いて、セル温度80℃とし、電流電圧測定を行った。燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を用い、利用率一定による流量制御を行った。
(Formation of catalyst layer and manufacture of membrane electrode assembly)
An anode and a cathode were formed on the polymer electrolyte membrane 5 by die coating to produce a membrane electrode assembly.
(Power generation evaluation)
The carbon paper used as the gas diffusion layer 9 was adhered so as to sandwich the membrane electrode assemblies produced in Examples and Comparative Examples, and placed in a power generation evaluation cell. Using a fuel cell measuring device, the cell temperature was set to 80° C., and the current and voltage were measured. Hydrogen was used as the fuel gas, and air was used as the oxidant gas.

[実施例1]
白金担時カーボン(TEC10E50E)、カーボン繊維(VGCF-H)および高分子電解質(Aquivion830,IEC1.1)を使用し、I/(C+CF)が0.2である触媒インクで、触媒層の白金担持量が0.2mg/cmになるように高分子電解質膜Nafion212に塗工を行い、膜電極接合体を作製した。
[実施例2]
I/(C+CF)が0.7であることを除いて、実施例1と同様にして、膜電極接合体を作製した。
[Example 1]
A catalyst ink that uses platinum-supported carbon (TEC10E50E), carbon fiber (VGCF-H), and polymer electrolyte (Aquivion830, IEC1.1) and has an I/(C+CF) of 0.2, supporting platinum on the catalyst layer. A polymer electrolyte membrane Nafion 212 was coated with the coating so that the amount was 0.2 mg/cm 2 to prepare a membrane electrode assembly.
[Example 2]
A membrane electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1, except that I/(C+CF) was 0.7.

[実施例3]
高分子電解質(Aquivion950,IEC1.2)を使用したことを除いて、実施例1と同様にして、膜電極接合体を作製した。
[実施例4]
I/(C+CF)が0.7であることを除いて、実施例3と同様にして、膜電極接合体を作製した。
[Example 3]
A membrane electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1, except that a polymer electrolyte (Aquivion 950, IEC 1.2) was used.
[Example 4]
A membrane electrode assembly was produced in the same manner as in Example 3, except that I/(C+CF) was 0.7.

[実施例5]
白金担時カーボン(TEC10E50E)、カーボン繊維(VGCF-H)および高分子電解質(Aquivion700,IEC1.4)を使用し、I/(C+CF)が0.8である触媒インクで、触媒層の白金担持量が0.2mg/cmになるように高分子電解質膜Nafion212に塗工を行い、膜電極接合体を作製した。
[実施例6]
I/(C+CF)が1.5であることを除いて、実施例5と同様にして、膜電極接合体を作製した。
[Example 5]
A catalyst ink that uses platinum-supported carbon (TEC10E50E), carbon fiber (VGCF-H), and polymer electrolyte (Aquivion700, IEC1.4) and has an I/(C+CF) of 0.8, supporting platinum on the catalyst layer. A polymer electrolyte membrane Nafion 212 was coated with the coating so that the amount was 0.2 mg/cm 2 to prepare a membrane electrode assembly.
[Example 6]
A membrane electrode assembly was produced in the same manner as in Example 5, except that I/(C+CF) was 1.5.

[比較例1]
カーボン繊維を使用しないことを除いて、実施例1と同様にして、膜電極接合体を作製した。
[比較例2]
カーボン繊維を使用しないことを除いて、実施例5と同様にして、膜電極接合体を作製した。
[Comparative Example 1]
A membrane electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1, except that no carbon fiber was used.
[Comparative Example 2]
A membrane electrode assembly was produced in the same manner as in Example 5, except that no carbon fiber was used.

[比較例3]
高分子電解質(Nafion,IEC0.99)を使用したことを除いて、実施例1と同様にして、膜電極接合体を作製した。
[比較例4]
高分子電解質(Nafion117,IEC2.0)を使用したことを除いて、実施例1と同様にして、膜電極接合体を作製した。
(評価結果)
実施例および比較例の結果を表1にまとめた。
[Comparative Example 3]
A membrane electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1, except that a polymer electrolyte (Nafion, IEC 0.99) was used.
[Comparative Example 4]
A membrane electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1, except that a polymer electrolyte (Nafion 117, IEC 2.0) was used.
(Evaluation results)
The results of Examples and Comparative Examples are summarized in Table 1.

Figure 0007187798000001
Figure 0007187798000001

以上の結果から、本実施形態によれば、式(1)、式(2)および式(3)を満たす触媒層を持つことで膜電極接合体の発電性能が向上した。これにより、排水性やガス拡散性が向上でき、高出力が可能な高分子形燃料電池用触媒層を提供することができる。 From the above results, according to the present embodiment, the power generation performance of the membrane electrode assembly is improved by having the catalyst layer that satisfies the formulas (1), (2) and (3). As a result, it is possible to provide a polymer fuel cell catalyst layer capable of improving drainage and gas diffusibility and capable of high output.

1…触媒粒子
2…導電性担体
3…高分子電解質
4…カーボン繊維
5…高分子電解質膜
6…カソード触媒層
7…アノード触媒層
8…ガスケット材
9…ガス拡散層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Catalyst particle 2... Conductive carrier 3... Polymer electrolyte 4... Carbon fiber 5... Polymer electrolyte membrane 6... Cathode catalyst layer 7... Anode catalyst layer 8... Gasket material 9... Gas diffusion layer

Claims (2)

白金粒子、カーボン粒子、高分子電解質および繊維状物質を備えた固体高分子形燃料電池用触媒層であって、
前記繊維物質がカーボンナノチューブ、あるいはカーボンナノファイバーであり、
前記高分子電解質のイオン交換容量IECが下記の式(1)を満たす際に、前記白金粒子が担持されたカーボン粒子の質量Cおよび前記繊維物質の質量CFと高分子電解質の質量Iとの比I/(C+CF)は、0.8以上1.5以下であることを特徴とする固体高分子形燃料電池用触媒層。
1.5>IEC≧1.3[meq/g] ・・・・ 式(1)
A polymer electrolyte fuel cell catalyst layer comprising platinum particles, carbon particles, a polymer electrolyte and a fibrous material,
the fibrous substance is a carbon nanotube or carbon nanofiber,
When the ion exchange capacity IEC of the polymer electrolyte satisfies the following formula (1), the ratio of the mass C of the carbon particles supporting the platinum particles and the mass CF of the fiber material to the mass I of the polymer electrolyte A catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, wherein I/(C+CF) is 0.8 or more and 1.5 or less.
1.5>IEC≧1.3 [meq/g] Expression (1)
請求項1に記載の固体高分子形燃料電池用触媒層をアノードおよびカソードの少なくとも一方に設けたことを特徴とする膜電極接合体。 2. A membrane electrode assembly, wherein the polymer electrolyte fuel cell catalyst layer according to claim 1 is provided on at least one of an anode and a cathode.
JP2018069437A 2018-03-30 2018-03-30 Catalyst layers and membrane electrode assemblies for polymer electrolyte fuel cells Active JP7187798B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018069437A JP7187798B2 (en) 2018-03-30 2018-03-30 Catalyst layers and membrane electrode assemblies for polymer electrolyte fuel cells

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018069437A JP7187798B2 (en) 2018-03-30 2018-03-30 Catalyst layers and membrane electrode assemblies for polymer electrolyte fuel cells

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2019179709A JP2019179709A (en) 2019-10-17
JP7187798B2 true JP7187798B2 (en) 2022-12-13

Family

ID=68278837

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018069437A Active JP7187798B2 (en) 2018-03-30 2018-03-30 Catalyst layers and membrane electrode assemblies for polymer electrolyte fuel cells

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7187798B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12119715B2 (en) 2019-09-30 2024-10-15 Nidec Corporation Motor unit

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007200762A (en) 2006-01-27 2007-08-09 Asahi Glass Co Ltd Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell and method for producing the same
JP2007294237A (en) 2006-04-25 2007-11-08 Jsr Corp Electrode electrolyte for polymer electrolyte fuel cell, electrode paste, electrode and membrane-electrode assembly
JP2008166078A (en) 2006-12-27 2008-07-17 Jsr Corp Electrode electrolyte for polymer fuel cell and use thereof
JP2008258057A (en) 2007-04-06 2008-10-23 Asahi Glass Co Ltd Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007200762A (en) 2006-01-27 2007-08-09 Asahi Glass Co Ltd Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell and method for producing the same
JP2007294237A (en) 2006-04-25 2007-11-08 Jsr Corp Electrode electrolyte for polymer electrolyte fuel cell, electrode paste, electrode and membrane-electrode assembly
JP2008166078A (en) 2006-12-27 2008-07-17 Jsr Corp Electrode electrolyte for polymer fuel cell and use thereof
JP2008258057A (en) 2007-04-06 2008-10-23 Asahi Glass Co Ltd Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019179709A (en) 2019-10-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7314785B2 (en) Electrode catalyst layer, membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell
JP7120246B2 (en) Electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell
CN100433426C (en) Electrode substrate for fuel cell, method for producing same, and membrane electrode assembly including same
CN102195046B (en) For the membrane-electrode assembly of fuel cell, its method for making and fuel cell system
JP2006012832A (en) ELECTRODE FOR FUEL CELL, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY INCLUDING THE SAME AND FUEL CELL
JP6332541B1 (en) Electrocatalyst layer
JP7532973B2 (en) CATALYST LAYER FOR SOLID POLYMER FUEL CELL AND MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY, AND SOLID POLYMER FUEL CELL
WO2022124407A1 (en) Electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell
JP7310800B2 (en) Membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell
JP2006339124A (en) Membrane electrode assembly for fuel cell and polymer electrolyte fuel cell using the same
CN111247677A (en) Electrode catalyst layer and solid polymer fuel cell
JP7187798B2 (en) Catalyst layers and membrane electrode assemblies for polymer electrolyte fuel cells
JP7294513B2 (en) Electrode catalyst layer and polymer electrolyte fuel cell
JP7183706B2 (en) Catalyst layer and membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
JP7334843B2 (en) Catalyst layer and membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
JP7563156B2 (en) Catalyst ink for polymer electrolyte fuel cells
JP6950617B2 (en) Electrode catalyst layer
JP7215429B2 (en) Electrode catalyst layer, membrane-electrode assembly, and method for producing electrode catalyst layer
JP7315079B2 (en) Electrode catalyst layer, membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell
JP7797783B2 (en) Membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell
JP7140256B2 (en) Electrocatalyst layer
JP2009245932A (en) Electrode catalyst ink for fuel cell, electrode catalyst layer, membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell
JP2024013435A (en) Membrane electrode assembly for fuel cells and polymer electrolyte fuel cells

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20210217

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20211222

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220125

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220325

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220823

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20221017

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20221101

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20221114

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7187798

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250