JP2005174835A - Electrode - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode corresponding to a wide range of humidifying condition, and to provide an MEA and a fuel cell. <P>SOLUTION: The electrode contains a catalyst layer containing catalyst metal, a conductive carrier carrying the catalyst metal, and a proton conductive member, and the catalyst layer contains hydrophobic particle-carried hydrophilic particles. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池用電極、好ましくは固体高分子型燃料電池用電極に関する。   The present invention relates to a fuel cell electrode, preferably a polymer electrolyte fuel cell electrode.

近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動し高出力密度が得られる固体高分子型燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。固体高分子型燃料電池は、フィルム状の固体高分子膜からなる電解質層を用いるのが特徴である。   In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental issues, polymer electrolyte fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. . The solid polymer fuel cell is characterized by using an electrolyte layer made of a film-like solid polymer membrane.

固体高分子型燃料電池の構成は、一般的には、膜−電極接合体(以下、「MEA」とも記載する。)をセパレータで挟持した構造となっている。MEAは、電解質層が触媒担持電極により挟持されてなるものである。従って、前記触媒層は少なくとも片面が電解質層に接している。また、触媒担持電極には、電極触媒を高分散した触媒層と、ガス拡散層と、が含まれ得る。   The polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which a membrane-electrode assembly (hereinafter also referred to as “MEA”) is sandwiched between separators. The MEA is formed by sandwiching an electrolyte layer between catalyst supporting electrodes. Therefore, at least one surface of the catalyst layer is in contact with the electrolyte layer. Further, the catalyst-carrying electrode can include a catalyst layer in which the electrode catalyst is highly dispersed and a gas diffusion layer.

かような固体高分子型燃料電池では、下記化学式に示すように、アノードでは燃料の水素含有ガスを酸化してプロトンに変え、カソードでは酸化剤ガスに含まれる酸素を還元して電解質層を通ってきたプロトンと結びつき水となる化学反応が起こる。固体高分子型燃料電池は、前記化学反応により得られた反応エネルギーから電気エネルギーを直接得るものである。   In such a polymer electrolyte fuel cell, as shown in the chemical formula below, at the anode, the hydrogen-containing gas of the fuel is oxidized to protons, and at the cathode, oxygen contained in the oxidant gas is reduced and passed through the electrolyte layer. A chemical reaction occurs in which water is combined with protons. The polymer electrolyte fuel cell directly obtains electric energy from the reaction energy obtained by the chemical reaction.

Figure 2005174835
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固体高分子膜は、加湿されていないと高いプロトン導電性を示さない。そのため、固体高分子型燃料電池に供給する水素含有ガスは、ガス加湿装置を用いて加湿する必要がある。加湿方法としては、例えば、バブラーやミスト発生器等を用いて加湿する方法、セパレータ内部に形成された反応ガス流路に直接水分を供給する方法等が提案されている。   The solid polymer membrane does not exhibit high proton conductivity unless it is humidified. Therefore, the hydrogen-containing gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell needs to be humidified using a gas humidifier. As a humidifying method, for example, a method of humidifying using a bubbler, a mist generator, or the like, a method of supplying moisture directly to a reaction gas channel formed inside the separator, and the like have been proposed.

かようなガス加湿装置を用いて固体高分子膜を加湿するには、加湿用の水を貯蔵するための水タンク、加湿器、燃料電池から排出される水を回収するための凝縮機など、様々な補機が必要となる。また、加湿条件は狭い範囲に限定され、これを外れると電池性能が大きく低下する。これらは、燃料電池システム全体の複雑化・大型化を招くことになる。そのため、固体高分子型燃料電池の加湿条件をより簡便にすることにより、燃料電池システムの、小型化、軽量化、高効率化が所望されている。   In order to humidify the solid polymer membrane using such a gas humidifier, a water tank for storing water for humidification, a humidifier, a condenser for recovering water discharged from the fuel cell, etc. Various auxiliary machines are required. Further, the humidification conditions are limited to a narrow range, and battery performance is greatly deteriorated if the humidification conditions are not met. These lead to an increase in complexity and size of the entire fuel cell system. Therefore, it is desired that the fuel cell system be made smaller, lighter, and more efficient by making the humidification conditions of the polymer electrolyte fuel cell simpler.

加湿条件は、固体高分子型燃料電池内では、触媒層やガス拡散層の親水性・疎水性を調節することにより決まる。   The humidification condition is determined by adjusting the hydrophilicity / hydrophobicity of the catalyst layer and the gas diffusion layer in the polymer electrolyte fuel cell.

電池反応の反応速度が比較的高い作動条件下では、アノードからカソードに向けて固体高分子膜を移動するプロトンに伴って移動する水の量、およびカソードの触媒層内により生成して凝集する生成水の量が増加する。この時、これらの水は、カソードの触媒層内に滞留し、反応ガス供給路となっていた細孔を閉塞するフラッディング現象を招く。これにより、反応ガスを触媒層内の反応サイトへ安定かつ十分に供給することが困難となり、反応サイトの一部が機能しなくなる。フラッディング現象を抑制するために、撥水性樹脂などを触媒層内に含有させることにより、撥水性を付与する方法が用いられている。   Under operating conditions where the reaction rate of the cell reaction is relatively high, the amount of water that moves with the protons that move through the solid polymer membrane from the anode to the cathode, and the formation that forms and aggregates in the catalyst layer of the cathode The amount of water increases. At this time, these waters stay in the catalyst layer of the cathode and cause a flooding phenomenon that closes the pores that have become the reaction gas supply path. This makes it difficult to stably and sufficiently supply the reaction gas to the reaction site in the catalyst layer, and a part of the reaction site does not function. In order to suppress the flooding phenomenon, a method of imparting water repellency by using a water repellent resin or the like in the catalyst layer is used.

かような方法によれば、カソードにおいて生成水が多量に発生しても効率よく排水することができる。しかしながら、供給ガスが低加湿となった場合に、供給される水分の量が不足すると固体電解質膜のプロトン導電性を低下させるドライアウト現象を招く。そのため、供給ガスの加湿条件が、高加湿条件に限られてしまう。   According to such a method, even if a large amount of generated water is generated at the cathode, it can be efficiently drained. However, when the supply gas is low-humidified, if the amount of water supplied is insufficient, a dry-out phenomenon that reduces the proton conductivity of the solid electrolyte membrane is caused. For this reason, the humidification condition of the supply gas is limited to the high humidification condition.

また、特許文献1には、金属酸化物からなる保湿成分を1〜10000ppm含有させることで触媒層に親水性を付与する試みがなされている。該文献1の方法によれば、金属酸化物種によって保持された水分により、固体高分子膜のドライアウト現象を抑制することができる。そのため、供給ガスの加湿条件を低加湿条件、もしくは無加湿条件とすることができる。
特開2002−289200号公報
Patent Document 1 attempts to impart hydrophilicity to the catalyst layer by containing 1 to 10,000 ppm of a moisturizing component made of a metal oxide. According to the method of Document 1, the dry-out phenomenon of the solid polymer film can be suppressed by the moisture retained by the metal oxide species. Therefore, the humidification condition of the supply gas can be a low humidification condition or a non-humidification condition.
JP 2002-289200 A

しかしながら、該文献1の方法によれば、触媒層に含有させる金属酸化物の量が少ないために実質的にわずかな水分量しか貯留できない。そのため、ドライアウト現象の十分な抑制効果は得られていない。また、該文献1の電極を用いた燃料電池を高電流密度で運転した場合にフラッディング現象が発生しやすくなる。従って、該文献1の電極を用いても、加湿条件が狭い範囲に限定されてしまう問題があった。   However, according to the method of Document 1, since the amount of metal oxide contained in the catalyst layer is small, only a very small amount of water can be stored. For this reason, a sufficient suppression effect of the dry-out phenomenon is not obtained. Further, when a fuel cell using the electrode of Document 1 is operated at a high current density, a flooding phenomenon is likely to occur. Therefore, even when the electrode of Document 1 is used, there is a problem that the humidification condition is limited to a narrow range.

そこで、本発明が目的とするところは、広範囲な加湿条件に対応可能な電極、MEAおよび燃料電池を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an electrode, an MEA, and a fuel cell that can cope with a wide range of humidification conditions.

本発明者が上記課題に鑑みて鋭意検討した結果、電極内の親水性と疎水性とを最適化することにより上記課題が解決されること見出した。   As a result of intensive studies in view of the above problems by the present inventors, it has been found that the above problems can be solved by optimizing the hydrophilicity and hydrophobicity in the electrode.

すなわち、本発明は、触媒金属と、前記触媒金属を担持する導電性担体と、プロトン導電性部材とを含有する触媒層を含む電極において、前記触媒層は疎水性粒子担持親水性粒子を含有することを特徴とする電極により上記課題を解決するものである。   That is, according to the present invention, in an electrode including a catalyst layer containing a catalyst metal, a conductive carrier carrying the catalyst metal, and a proton conductive member, the catalyst layer contains hydrophobic particles carrying hydrophilic particles. The electrode is characterized in that the above-mentioned problems are solved.

本発明の電極は、触媒層に親水性粒子表面に疎水性粒子を担持させた疎水性粒子担持親水性粒子を含むことにより、電極の親水性と疎水性とを最適化することができる。すなわち、加湿されたガスに含まれる水分と電気化学反応により生成する水を最適な状態で保持することが可能となる。従って、疎水性粒子担持親水性粒子を含む本発明の電極を用いた燃料電池は、反応ガスの拡散性を均一化させることができ、これにより高い発電効率を得ることができるだけでなく、触媒層内の水分量を最適な状態で保持できることにより広範囲な加湿条件に対応することができる。よって、本発明によれば、運転条件の適応性に優れたMEAおよび燃料電池を提供することができ、燃料電池システムの小型化、軽量化、高効率化を図ることが可能となる。   The electrode of the present invention can optimize the hydrophilicity and hydrophobicity of the electrode by including the hydrophobic particle-supporting hydrophilic particles in which the hydrophobic particles are supported on the surface of the hydrophilic particles in the catalyst layer. That is, it becomes possible to keep the moisture contained in the humidified gas and the water generated by the electrochemical reaction in an optimal state. Therefore, the fuel cell using the electrode of the present invention including the hydrophobic particles-supporting hydrophilic particles can make the diffusibility of the reaction gas uniform, thereby not only obtaining high power generation efficiency but also the catalyst layer. It is possible to cope with a wide range of humidification conditions by keeping the water content in an optimal state. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide an MEA and a fuel cell excellent in adaptability of operating conditions, and it is possible to reduce the size, weight and efficiency of the fuel cell system.

本発明の第一は、触媒金属と、前記触媒金属を担持する導電性担体と、プロトン導電性部材とを含有する触媒層を含む電極において、前記触媒層は疎水性粒子担持親水性粒子を含有することを特徴とする電極である。   The first of the present invention is an electrode including a catalyst layer containing a catalyst metal, a conductive carrier carrying the catalyst metal, and a proton conductive member, wherein the catalyst layer contains hydrophobic particles carrying hydrophilic particles. It is an electrode characterized by doing.

まず、一般的な固体高分子型燃料電池を用いた発電について簡単に説明する。固体高分子型燃料電池は、膜−電極接合体(以下、「MEA」とも記載する。)がアノード側セパレータおよびカソード側セパレータによって挟持された構造を有する。さらに、両セパレータの端部には集電体が配置され得る。MEAは、プロトン伝導性を有する電解質層を挟んで、その両側にガス拡散層と触媒層とからなる二つの電極、および必要に応じて他の層が配置される。   First, power generation using a general polymer electrolyte fuel cell will be briefly described. The polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a membrane-electrode assembly (hereinafter also referred to as “MEA”) is sandwiched between an anode separator and a cathode separator. Furthermore, a current collector can be disposed at the end of both separators. In the MEA, two electrodes composed of a gas diffusion layer and a catalyst layer are disposed on both sides of an electrolyte layer having proton conductivity, and other layers are arranged as necessary.

アノード側セパレータには、燃料となる水素ガスを流通させるための流通溝が形成される。また、カソード側セパレータには、酸化剤としての酸素ガスを流通させるための流通溝が形成される。水素ガスおよび酸素ガスは、それぞれの流通溝から供給され、ガス拡散層を経て、触媒層に拡散される。このように反応ガスを供給することにより、下記式(1)および式(2)に示す電気化学反応が生じ、その進行に伴い電子が発生する。この電子を電極から外部回路に取り出すことにより、電気エネルギーが得られるのである。   The anode separator is formed with a flow groove for flowing hydrogen gas as fuel. The cathode side separator is formed with a flow groove for flowing oxygen gas as an oxidant. Hydrogen gas and oxygen gas are supplied from the respective flow grooves and diffused to the catalyst layer through the gas diffusion layer. By supplying the reaction gas in this way, an electrochemical reaction shown in the following formulas (1) and (2) occurs, and electrons are generated as the reaction proceeds. Electrical energy can be obtained by extracting the electrons from the electrodes to an external circuit.

Figure 2005174835
Figure 2005174835

燃料電池の電気化学反応においては、アノード側触媒層の触媒金属上で、燃料の酸化によりプロトンが発生する(式(1))。生成したプロトンは、触媒層内に分散されたプロトン導電性部材を介して、電解質層に到達する。プロトンは、さらに、電解質層内を通過してカソード側に移動する。その後、同じくカソード側触媒層に分散されたプロトン導電性部材を介して、カソード側触媒層内の触媒金属に達する。電極触媒においては、酸化剤として供給された酸素ガスおよび外部回路を通ってきた電子と反応して水を生成する。   In the electrochemical reaction of the fuel cell, protons are generated on the catalyst metal of the anode side catalyst layer by oxidation of the fuel (formula (1)). The generated protons reach the electrolyte layer through the proton conductive member dispersed in the catalyst layer. The proton further passes through the electrolyte layer and moves to the cathode side. Thereafter, the catalyst metal in the cathode side catalyst layer is reached through the proton conductive member dispersed in the cathode side catalyst layer. In an electrode catalyst, it reacts with oxygen gas supplied as an oxidant and electrons that have passed through an external circuit to produce water.

上記電気化学反応を進行させるためには、カソード側で生成する水を速やかに排出してカソードに酸素ガスを連続して供給する必要がある。また、固体高分子膜からなる電解質層が高いプロトン導電性を発現するためには、固体高分子膜が十分に加湿されていることが必要である。そのため、酸化ガスおよび水素ガスは十分に加湿されて供給される。   In order to advance the electrochemical reaction, it is necessary to quickly discharge water generated on the cathode side and continuously supply oxygen gas to the cathode. Further, in order for the electrolyte layer made of the solid polymer membrane to exhibit high proton conductivity, the solid polymer membrane needs to be sufficiently humidified. Therefore, the oxidizing gas and the hydrogen gas are supplied after being sufficiently humidified.

従来では、生成水を効率よく排除させるため、触媒層に撥水性樹脂を含有させることにより、電極に疎水性を付与する試みがなされている。しかしながら、かような電極では、触媒層内の水分量が少なくなるため、プロトン導電性部材のドライアウト現象を招きやすく、燃料電池の運転条件が高加湿条件下に限られる。また、触媒層内に金属酸化物からなる保湿成分を含有させることにより、供給ガスの湿度が低下しても、前記金属酸化物に保持された水分によって電解質層を加湿できる方法が開示されている。かような方法では、前記金属酸化物は絶縁物であるため、高い電池電圧を得るには前記金属酸化物を少量しか含有させることができず、十分な効果が得られない。また、特に高電流密度の運転においては、前記金属酸化物だけでなく前記金属酸化物周辺にも多くの水分を過剰に貯めてしまうため、フラッディング現象が生じやすい問題がある。   Conventionally, an attempt has been made to impart hydrophobicity to an electrode by incorporating a water-repellent resin in the catalyst layer in order to efficiently remove generated water. However, in such an electrode, the amount of water in the catalyst layer is reduced, so that the proton conductive member tends to dry out, and the operating conditions of the fuel cell are limited to high humidification conditions. In addition, a method is disclosed in which a moisture retaining component composed of a metal oxide is contained in the catalyst layer, so that the electrolyte layer can be humidified by moisture retained in the metal oxide even when the humidity of the supply gas is reduced. . In such a method, since the metal oxide is an insulator, only a small amount of the metal oxide can be contained to obtain a high battery voltage, and a sufficient effect cannot be obtained. In particular, in operation at a high current density, a large amount of water is excessively stored not only in the metal oxide but also in the vicinity of the metal oxide, so that a flooding phenomenon is likely to occur.

しかしながら、本発明の電極は、触媒層内に疎水性粒子担持親水性粒子を含むことにより水分を親水性粒子内に貯めることができる。また、疎水性粒子担持親水性粒子の一部が疎水性であるため、その周辺が過剰に水分を保持しないため、触媒層内のフラッディング現象の発生を防止することができる。本発明によれば、燃料電池の電極においては、加湿された水素ガスを電解質層にむらなく均一に供給することと、生成した水を流通溝に効率よく排出させるという異なる特性を両立させることができる。これにより、高電流密度の運転においても、供給ガス拡散のための細孔を確保することが可能となり、供給ガスを均一に拡散させることができ、高い発電効率が得られる。また、供給ガスの湿度が急に低下した場合でも、親水性粒子内に溜められた水分が放出されるため、電池性能の低下を防止することができる。   However, the electrode of the present invention can store moisture in the hydrophilic particles by including the hydrophobic particles-supporting hydrophilic particles in the catalyst layer. In addition, since some of the hydrophobic particles-supporting hydrophilic particles are hydrophobic, the periphery thereof does not hold excessive moisture, and thus the flooding phenomenon in the catalyst layer can be prevented. According to the present invention, in the fuel cell electrode, it is possible to simultaneously supply the humidified hydrogen gas uniformly to the electrolyte layer and to achieve different characteristics of efficiently discharging the generated water to the flow channel. it can. As a result, even in a high current density operation, it is possible to secure pores for diffusing the supply gas, diffusing the supply gas uniformly, and obtaining high power generation efficiency. In addition, even when the humidity of the supply gas suddenly decreases, the water stored in the hydrophilic particles is released, so that the battery performance can be prevented from being deteriorated.

疎水性粒子担持親水性粒子は、図1に示すように、親水性粒子1の表面に疎水性粒子2を担持させた形態を有する。疎水性粒子、および親水性粒子を単に電極内に混合させて含有させただけでは、いずれかの特性を局所的に発現するため、触媒層内の生成水を均一にすることができずに流通溝部分に水分が多く集中し、供給ガス等を電解質層に均一に供給することができない。これに対して、本発明の電極内は疎水性粒子担持親水性粒子がかような形態を有することにより、触媒層内の水分を均一に保持することができ、供給ガス等を電解質層へ均一に供給することができるのである。   As shown in FIG. 1, the hydrophobic particle-supporting hydrophilic particle has a form in which the hydrophobic particle 2 is supported on the surface of the hydrophilic particle 1. If only hydrophobic particles and hydrophilic particles are mixed and contained in the electrode, one of the characteristics is expressed locally, so the generated water in the catalyst layer cannot be made uniform. A lot of moisture concentrates in the groove portion, and the supply gas or the like cannot be uniformly supplied to the electrolyte layer. On the other hand, in the electrode of the present invention, the hydrophobic particles-supporting hydrophilic particles have such a form, so that the water in the catalyst layer can be uniformly maintained, and the supply gas and the like are uniformly distributed to the electrolyte layer. Can be supplied.

以下に、本発明の電極に関して、より詳細に説明する。   Below, it demonstrates in detail regarding the electrode of this invention.

本発明の電極は、触媒層の他にガス拡散層を含み得る。前記触媒層には、上述した通り、疎水性粒子担持親水性粒子、電極反応を促進する触媒金属、導電性担体、およびプロトン導電性部材を含有する。   The electrode of the present invention may include a gas diffusion layer in addition to the catalyst layer. As described above, the catalyst layer contains hydrophobic particles-supporting hydrophilic particles, a catalyst metal that promotes an electrode reaction, a conductive carrier, and a proton conductive member.

疎水性粒子担持親水性粒子は、図1に模式的に示すように、親水性粒子1の表面に疎水性粒子2が担持されてなる。親水性粒子と疎水性粒子との大きさの比としては、親水性粒子の平均粒径が疎水性粒子の平均粒径の10〜1000倍、好ましくは10〜500倍、より好ましくは10〜100倍とするのがよい。親水性粒子の平均粒径が疎水性粒子の平均粒径の1000倍を超えると、疎水性粒子が親水性粒子の微細構造の中に入り込んでしまい、親水性粒子が十分な水分量を保持することができなくなる恐れがある。また、親水性粒子の平均粒径が疎水性粒子の平均粒径の10倍未満であると、疎水性粒子が親水性粒子に対して大きすぎるため担持されにくくなり、疎水性粒子と親水性粒子の混合物に近い形態となるため、所望する効果が得られない恐れがある。   Hydrophobic particle-supporting hydrophilic particles are formed by supporting hydrophobic particles 2 on the surface of hydrophilic particles 1 as schematically shown in FIG. The size ratio between the hydrophilic particles and the hydrophobic particles is such that the average particle size of the hydrophilic particles is 10 to 1000 times, preferably 10 to 500 times, more preferably 10 to 100 times the average particle size of the hydrophobic particles. It is better to double. When the average particle size of the hydrophilic particles exceeds 1000 times the average particle size of the hydrophobic particles, the hydrophobic particles enter the fine structure of the hydrophilic particles, and the hydrophilic particles retain a sufficient amount of water. There is a risk that you will not be able to. Further, when the average particle size of the hydrophilic particles is less than 10 times the average particle size of the hydrophobic particles, the hydrophobic particles are too large to be supported by the hydrophilic particles, so that the hydrophobic particles and the hydrophilic particles are not supported. Therefore, the desired effect may not be obtained.

疎水性粒子担持親水性粒子における親水性粒子の平均粒径は、0.1〜10μm、好ましくは0.1〜8μm、より好ましくは0.1〜5μmとするのがよい。疎水性粒子担持親水性粒子は触媒層内に均一に分散させて使用するが、親水性粒子が0.1μm未満である場合には、疎水性粒子担持親水性粒子が導電性担体の微細構造のネットワーク内に閉じ込められてしまい、疎水性粒子担持親水性粒子の特性を発現し難くなる恐れがある。また、親水性粒子が10μmを超えた場合には、後述する導電性担体粒子よりもかなり大きくなるため、電極内に好適に分散することが困難になり、所望する特性を有する電極が得られない恐れがある。   The average particle diameter of the hydrophilic particles in the hydrophobic particle-supporting hydrophilic particles is 0.1 to 10 μm, preferably 0.1 to 8 μm, more preferably 0.1 to 5 μm. Hydrophobic particle-supporting hydrophilic particles are used by being uniformly dispersed in the catalyst layer. However, when the hydrophilic particles are less than 0.1 μm, the hydrophobic particle-supporting hydrophilic particles have a fine structure of the conductive carrier. There is a risk that it will be trapped in the network and it will be difficult to express the characteristics of the hydrophobic particles-supporting hydrophilic particles. In addition, when the hydrophilic particle exceeds 10 μm, it becomes considerably larger than the conductive carrier particle described later, and it becomes difficult to disperse suitably in the electrode, and an electrode having desired characteristics cannot be obtained. There is a fear.

疎水性粒子担持親水性粒子における疎水性粒子の平均粒径は、0.01〜1.0μm、好ましくは0.05〜0.8μm、より好ましくは0.1〜0.5μmとするのがよい。疎水性粒子は親水性粒子表面に担持させて使用するが、疎水性粒子が0.01μm未満である場合には、疎水性粒子が親水性粒子の微細孔の中に入り込んでしまい、親水性粒子が十分な水分量を保持することができなくなる恐れがある。疎水性粒子が1.0μmより大きい場合には、疎水性粒子が親水性粒子に担持されにくくなり、疎水性粒子と親水性粒子の混合物に近い形態になるため、所望する効果が得られない恐れがある。   The average particle diameter of the hydrophobic particles in the hydrophobic particles-supporting hydrophilic particles is 0.01 to 1.0 μm, preferably 0.05 to 0.8 μm, more preferably 0.1 to 0.5 μm. . Hydrophobic particles are used by supporting them on the surface of the hydrophilic particles, but when the hydrophobic particles are less than 0.01 μm, the hydrophobic particles enter the fine pores of the hydrophilic particles, and the hydrophilic particles May not be able to retain a sufficient amount of water. When the hydrophobic particles are larger than 1.0 μm, the hydrophobic particles are hardly supported on the hydrophilic particles, and a form close to a mixture of the hydrophobic particles and the hydrophilic particles is obtained, so that the desired effect may not be obtained. There is.

本発明において、親水性粒子および疎水性粒子の平均粒径はレーザー粒径分布測定器などの光散乱法を用いて測定する。   In the present invention, the average particle size of hydrophilic particles and hydrophobic particles is measured using a light scattering method such as a laser particle size distribution measuring device.

親水性粒子は、親水性で十分に水分を保持できるだけでなく、耐食性の高い材料でなければならない。本発明の電極における触媒層は、少なくとも片面が電解質層に接している。前記電解質層にはパーフルオロサン系ポリマーなどの強酸性イオン交換樹脂などが用いられるため、触媒層に用いられる親水性粒子は、親水性だけでなく耐食性をも求められるのである。   The hydrophilic particles must be a material that is hydrophilic and can sufficiently retain moisture, as well as having high corrosion resistance. At least one side of the catalyst layer in the electrode of the present invention is in contact with the electrolyte layer. Since a strongly acidic ion exchange resin such as a perfluorosan-based polymer is used for the electrolyte layer, the hydrophilic particles used for the catalyst layer are required to have not only hydrophilicity but also corrosion resistance.

かような条件を満たす親水性粒子として、具体的には、シリコン、チタン、アルミニウム、ジルコニウム、タンタル、イットリウム、スズ、タングステン、インジウム、アンチモンより選ばれた少なくとも1種の金属酸化物が挙げられる。前記親水性粒子は、耐食性、材料および製造コストの観点からは、シリコン、チタン、アルミニウム、スズより選ばれた少なくとも1種の金属酸化物がより好ましい。なお、本願において親水性粒子における親水性とは、金属酸化物自体が保水性を有することである。   Specific examples of the hydrophilic particles satisfying such a condition include at least one metal oxide selected from silicon, titanium, aluminum, zirconium, tantalum, yttrium, tin, tungsten, indium, and antimony. The hydrophilic particles are more preferably at least one metal oxide selected from silicon, titanium, aluminum, and tin from the viewpoint of corrosion resistance, material, and manufacturing cost. In the present application, the hydrophilicity in the hydrophilic particles means that the metal oxide itself has water retention.

疎水性粒子は、高い疎水性を長期間有することができ、微粒子化して親水性粒子表面に高分散担持することができるものでなければならない。   Hydrophobic particles must have a high hydrophobicity for a long period of time and must be capable of being finely divided and supported on the surface of hydrophilic particles in a highly dispersed manner.

かような条件を満たす疎水性粒子としては、含フッ素化合物が用いられる。疎水性粒子として、具体的には、フルオロエチレンポリマー、フルオロエチレン−プロピレン−コポリマーなどの含フッ素化合物が好適に用いられる。なお、本願において、疎水性粒子における疎水性とは、材料自体の少なくとも表面が撥水性を有することである。   Fluorine-containing compounds are used as hydrophobic particles that satisfy such conditions. Specifically, fluorine-containing compounds such as fluoroethylene polymer and fluoroethylene-propylene-copolymer are preferably used as the hydrophobic particles. In the present application, the hydrophobicity in the hydrophobic particles means that at least the surface of the material itself has water repellency.

疎水性粒子担持親水性粒子において、疎水性粒子の担持量は、0.1〜20質量%、好ましくは0.2〜10質量%、より好ましくは0.5〜5質量%とするのがよい。疎水性粒子担持親水性粒子における疎水性粒子の担持量が0.1質量%未満の場合には、親水性粒子周辺に疎水性の性質を付与することができず、期待する効果が得られない恐れがある。また、疎水性粒子担持親水性粒子における疎水性粒子の担持量が20質量%を超える場合には、親水性粒子表面が疎水性粒子により覆われてしまうため、親水性粒子内に水分が浸入できなくなり、十分な水分量を貯留できなくなる恐れがある。親水性粒子への疎水性粒子の担持量は、誘導結合プラズマ発光分析装置(ICP)により定量分析することができる。   In the hydrophobic particle-supporting hydrophilic particle, the supported amount of the hydrophobic particle is 0.1 to 20% by mass, preferably 0.2 to 10% by mass, more preferably 0.5 to 5% by mass. . When the amount of hydrophobic particles supported in the hydrophobic particles-supporting hydrophilic particles is less than 0.1% by mass, hydrophobic properties cannot be imparted around the hydrophilic particles, and the expected effect cannot be obtained. There is a fear. In addition, when the amount of the hydrophobic particles supported in the hydrophobic particles-supporting hydrophilic particles exceeds 20% by mass, the surface of the hydrophilic particles is covered with the hydrophobic particles, so that moisture can enter the hydrophilic particles. There is a risk that a sufficient amount of water cannot be stored. The amount of the hydrophobic particles supported on the hydrophilic particles can be quantitatively analyzed with an inductively coupled plasma emission spectrometer (ICP).

疎水性粒子の親水性粒子への担持方法としては、特に限定されず、従来公知の技術を用いることができる。具体的には、後の実施例に記載の方法が挙げられ、粒子加工装置を用いて、親水性粒子を流動させながら、疎水性粒子の水性ディスパージョン溶液を噴霧した後、これを分離して乾燥することにより親水性粒子表面に疎水性粒子が高分散担持した疎水性粒子担持親水性粒子が得られる。   The method for supporting the hydrophobic particles on the hydrophilic particles is not particularly limited, and a conventionally known technique can be used. Specifically, the method described in the following examples can be mentioned. Using a particle processing apparatus, while spraying an aqueous dispersion solution of hydrophobic particles while allowing hydrophilic particles to flow, this is separated. By drying, hydrophobic particle-supporting hydrophilic particles in which hydrophobic particles are highly dispersed and supported on the surface of the hydrophilic particles are obtained.

粒子加工装置としては、特に限定されず、アグロマスタAGM−MINI PJ(ホソカワミクロン社製)が主として挙げられる。これらは、パルス衝撃波により、熱エネルギーのみに頼る従来の噴霧乾燥法に比べて、低温で、効率よく疎水性粒子担持親水性粒子を調製することができる。   It does not specifically limit as a particle processing apparatus, Agromaster AGM-MINI PJ (made by Hosokawa Micron Corporation) is mainly mentioned. These can prepare hydrophilic particles carrying hydrophobic particles efficiently at a low temperature by a pulse shock wave as compared with the conventional spray drying method relying only on thermal energy.

疎水性粒子の水性ディスパージョン溶液とは、上述した含フッ素高分子化合物を、水を主成分とする水性分散体中に分散することにより得られる水性分散体である。水を主成分とする水性分散体とは、水の他に、界面活性剤、有機溶剤などの分散助剤などを含み、好ましくは実質的に分散助剤を含まない水混合物である。水性ディスパージョン溶液における疎水性粒子の含有量は、水性ディスパージョン溶液の全量に対して疎水性粒子が1〜60質量%程度とするのがよい。   The aqueous dispersion solution of hydrophobic particles is an aqueous dispersion obtained by dispersing the above-described fluorine-containing polymer compound in an aqueous dispersion mainly containing water. The aqueous dispersion containing water as a main component is a water mixture containing, in addition to water, a dispersion aid such as a surfactant and an organic solvent, and preferably substantially free of a dispersion aid. The content of the hydrophobic particles in the aqueous dispersion solution is preferably about 1 to 60% by mass of the hydrophobic particles with respect to the total amount of the aqueous dispersion solution.

疎水性粒子の水性ディスパージョン溶液としては、特に限定されないが、例えば、フルオンPTFEディスパージョンXAD911、AD936(旭硝子株式会社製)、ポリフロンD−4(ダイキン社製)などが挙げられる。   The aqueous dispersion solution of hydrophobic particles is not particularly limited, and examples thereof include full-on PTFE dispersion XAD911, AD936 (Asahi Glass Co., Ltd.), Polyflon D-4 (Daikin Co., Ltd.) and the like.

疎水性粒子および親水性粒子の平均粒径、添加量などは、上述した所定の関係を有する疎水性粒子担持親水性粒子が得られるように適宜決定すればよい。   What is necessary is just to determine suitably the average particle diameter, addition amount, etc. of hydrophobic particle | grains and hydrophilic particle | grains so that the hydrophobic particle carrying | support hydrophilic particle | grains which have the predetermined relationship mentioned above may be obtained.

乾燥手段としては、真空乾燥、自然乾燥、ロータリーエバポレーター、沿送風乾燥機などを用いる公知の方法が挙げられる。乾燥条件などは、用いた乾燥手段に応じて、所望の疎水性粒子担持親水性粒子が得られるように適宜決定すればよいが、60〜180℃、3〜12時間程度行えばよい。かような乾燥を行うことにより、疎水性粒子担持親水性粒子に残留する界面活性剤などの有機物をとり除くことができる。水性ディスパージョン溶液に含まれる前記有機物は、疎水性粒子担持親水性粒子に残留していると、電極性能を低下させる恐れがあるため取り除くとよい。   Examples of the drying means include known methods using vacuum drying, natural drying, a rotary evaporator, a blower dryer, and the like. The drying conditions and the like may be appropriately determined so as to obtain desired hydrophobic particle-supporting hydrophilic particles according to the drying means used, but may be performed at 60 to 180 ° C. for about 3 to 12 hours. By performing such drying, organic substances such as a surfactant remaining on the hydrophobic particles-supporting hydrophilic particles can be removed. If the organic matter contained in the aqueous dispersion solution remains in the hydrophobic particle-supporting hydrophilic particles, the electrode performance may be deteriorated, so that it may be removed.

疎水性粒子を親水性粒子に担持する方法は、上述した方法に限られず、他に化学気相法、スパッタリング法など、従来公知の各種方法を用いてよく特に限定されない。   The method for supporting the hydrophobic particles on the hydrophilic particles is not limited to the above-described method, and various other conventionally known methods such as chemical vapor deposition and sputtering may be used.

本発明の電極に含まれる触媒層において、疎水性粒子担持親水性粒子の含有量は、1.0〜30質量%、好ましくは5〜25質量%、より好ましくは10〜20質量%とするのがよい。疎水性粒子担持親水性粒子の含有率が1.0質量%未満の場合には、親水性粒子が貯留できる水分量が少なく、触媒層の水分量を最適に調節する機能を果たすには至らない恐れがある。また、疎水性粒子担持親水性粒子の含有量が30質量%を超えた場合には、水分を貯留する能力は十分であるものの、親水性粒子、疎水性粒子ともに他の触媒層構成成分に比べて電子導電性が低いため電極層の電子導電率を低下させ、結果として、電池の内部抵抗が大きくなり電池性能を低下させる恐れがある。   In the catalyst layer included in the electrode of the present invention, the content of the hydrophobic particle-supporting hydrophilic particles is 1.0 to 30% by mass, preferably 5 to 25% by mass, more preferably 10 to 20% by mass. Is good. When the content of the hydrophobic particle-supporting hydrophilic particles is less than 1.0% by mass, the amount of water that can be stored by the hydrophilic particles is small, and the function of optimally adjusting the moisture content of the catalyst layer cannot be achieved. There is a fear. Further, when the content of the hydrophobic particle-supporting hydrophilic particles exceeds 30% by mass, the ability to store moisture is sufficient, but both the hydrophilic particles and the hydrophobic particles are compared with other constituent components of the catalyst layer. In addition, since the electronic conductivity is low, the electronic conductivity of the electrode layer is lowered, and as a result, the internal resistance of the battery is increased and the battery performance may be lowered.

次に、本発明の電極における触媒層に含まれる触媒金属としては、Pt、Ir、Au、Ag、Pdからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属が挙げられる。これらの金属は1種単独で用いてもよいし、2種以上を単に併用してもよいほか、これらの一部または全部を合金形態で使用してもよい。なかでも、高い酸素還元活性を示すことからPtを用いることが好ましい。白金は単独で用いてもよいが、触媒金属としての安定性や活性を高めるため、Ptを基体とした貴金属合金触媒、貴金属−卑金属混合物触媒としてもよい。   Next, the catalyst metal contained in the catalyst layer in the electrode of the present invention includes at least one metal selected from the group consisting of Pt, Ir, Au, Ag, and Pd. These metals may be used alone or in combination of two or more, or some or all of them may be used in the form of an alloy. Among these, it is preferable to use Pt because it shows high oxygen reduction activity. Platinum may be used alone, but may be used as a noble metal alloy catalyst or a noble metal-base metal mixture catalyst based on Pt in order to enhance stability and activity as a catalyst metal.

前記貴金属合金触媒として、具体的には、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウムなどの白金以外の貴金属の金属、金、銀、クロム、鉄、チタン、マンガン、コバルト、ニッケルおよび銅からなる群から選ばれる1種以上の金属と、白金との合金が好ましい。また、前記貴金属−卑金属混合物触媒として、具体的には、Pt−WOなどの貴金属−金属酸化物混合物が挙げられる。 As the noble metal alloy catalyst, specifically, from a group consisting of metals of noble metals other than platinum such as ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, gold, silver, chromium, iron, titanium, manganese, cobalt, nickel and copper An alloy of one or more selected metals and platinum is preferred. Further, the noble metal - as base metal mixture catalyst, specifically, noble metals such as Pt-WO 3 - metal oxide mixtures.

触媒金属の粒径は、小さいほど電極反応が進行するための有効電極面積が増加する。従って、触媒活性が高くなるため触媒金属の使用量を減らすことができる。しかし、触媒金属の粒径が小さすぎると均一に分散することが困難となり、触媒活性を低下させる恐れがある。ゆえに触媒金属の平均粒径は、1〜10nm、特に2〜5nmであることが好ましい。触媒金属の平均粒径は、例えば、X線回折における触媒金属の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径、あるいは、透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒金属の粒径の平均値を示す。   As the particle size of the catalytic metal is smaller, the effective electrode area for the electrode reaction to proceed increases. Accordingly, since the catalytic activity is increased, the amount of catalytic metal used can be reduced. However, if the particle size of the catalyst metal is too small, it is difficult to uniformly disperse the catalyst metal, which may reduce the catalyst activity. Therefore, the average particle diameter of the catalyst metal is preferably 1 to 10 nm, particularly 2 to 5 nm. The average particle diameter of the catalyst metal indicates, for example, the crystallite diameter obtained from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst metal in X-ray diffraction or the average value of the particle diameter of the catalyst metal determined from a transmission electron microscope image.

触媒金属を担持させる導電性担体は、触媒金属粒子を担持させるだけではなく、電子を外部回路に取り出すあるいは外部回路から取り入れるための集電体としての機能を果たさなければならない。従って、導電性担体の電気抵抗が高いと電池の内部抵抗が高くなり、結果として電池の性能を低下させることになる。そのため、電極に含まれる導電性担体の電子導電率は十分に低くなければならない。   The conductive carrier for supporting the catalyst metal must not only support the catalyst metal particles but also function as a current collector for taking out electrons from the external circuit or taking them in from the external circuit. Therefore, if the electrical resistance of the conductive carrier is high, the internal resistance of the battery increases, resulting in a decrease in battery performance. For this reason, the electronic conductivity of the conductive carrier contained in the electrode must be sufficiently low.

導電性担体として、具体的には、カーボンブラック、グラファイト化カーボン、活性炭、などの導電性カーボン材料が挙げられるが、耐食性および電子導電性を有する材料ならば利用可能で特に限定されない。導電性担体の平均粒径は、特に限定されないが、10〜100nm程度とすればよい。   Specific examples of the conductive carrier include conductive carbon materials such as carbon black, graphitized carbon, and activated carbon. However, any material having corrosion resistance and electronic conductivity can be used and is not particularly limited. The average particle size of the conductive carrier is not particularly limited, but may be about 10 to 100 nm.

導電性担体に触媒金属を担持させる方法としては、後述する実施例に記載の還元剤を用いる方法の他、含浸法、共沈法、競争吸着法、マイクロエマルジョン法(逆ミセル法)などの各種公知技術を用いることができ特に限定されない。   Various methods such as impregnation method, coprecipitation method, competitive adsorption method, microemulsion method (reverse micelle method), etc. can be used as a method for supporting the catalyst metal on the conductive support. A known technique can be used and is not particularly limited.

導電性担体に担持させる触媒金属の担持量は、特に限定されないが、導電性担体に触媒金属を担持させた電極触媒の全量に対して、10〜80質量%、好ましくは30〜60質量%程度とするのがよい。   The amount of the catalyst metal supported on the conductive carrier is not particularly limited, but is 10 to 80% by mass, preferably about 30 to 60% by mass, based on the total amount of the electrode catalyst in which the catalyst metal is supported on the conductive carrier. It is good to do.

本発明の電極における触媒層は、触媒金属が担持された導電性担体をプロトン導電性部材がバインダーポリマーとして被覆しているのが好ましい。これにより、触媒層の構造を安定に維持できるとともに、電極反応が進行する反応サイト(三相界面)を十分に確保して、高い触媒活性を得ることができる。   In the catalyst layer of the electrode of the present invention, it is preferable that a conductive carrier carrying a catalytic metal is coated with a proton conductive member as a binder polymer. Thereby, while being able to maintain the structure of a catalyst layer stably, the sufficient reaction site (three-phase interface) where an electrode reaction advances can be ensured, and high catalyst activity can be acquired.

プロトン導電性部材とは、少なくとも高いプロトン導電性を有する液体、固体、ゲル状材料などが利用可能で、リン酸、硫酸、アンチモン酸、スズ酸、ヘテロポリ酸などの固体酸、パーフルオロスルホン酸アイオノマー、リン酸などの無機酸を炭化水素系高分子化合物やにドープさせたもの、一部がプロトン導電性の官能基で置換された有機/無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたゲル状プロトン導電性などが例示される。また、プロトン導電性部材は、電子導電性を同時に有する混合導電体も利用できる。   The proton conductive member can be a liquid, solid, gel-like material having at least high proton conductivity, solid acid such as phosphoric acid, sulfuric acid, antimonic acid, stannic acid, heteropoly acid, and perfluorosulfonic acid ionomer. , Hydrocarbon polymer compound doped with inorganic acid such as phosphoric acid, organic / inorganic hybrid polymer partially substituted with proton conductive functional group, phosphoric acid solution or sulfuric acid solution in polymer matrix Examples include gel proton conductivity impregnated with. The proton conductive member can also be a mixed conductor having electronic conductivity at the same time.

プロトン導電性部材として、具体的には、デュポン社製の各種のナフィオン(デュポン社登録商標:Nafion)やダウケミカル社製のイオン交換樹脂などの市販されているものを用いてもよい。プロトン導電性部材の含有量は、触媒層の全量に対して通常10〜50質量%、好ましくは15〜35質量%が望ましい。しかし、プロトン導電性部材の含有量は前記範囲に限定されず、ガス透過性、拡散性、プロトン導電性、電子伝導性などを考慮して、適宜決定すればよい。   As the proton conductive member, commercially available materials such as various Nafion manufactured by DuPont (registered trademark: Nafion) and ion exchange resin manufactured by Dow Chemical may be used. The content of the proton conductive member is usually 10 to 50% by mass, preferably 15 to 35% by mass with respect to the total amount of the catalyst layer. However, the content of the proton conductive member is not limited to the above range, and may be appropriately determined in consideration of gas permeability, diffusibility, proton conductivity, electron conductivity, and the like.

本発明の電極に用いられ得るガス拡散層としては、触媒層を支持する多孔質のカーボンペーパー、カーボンクロス等の導電性多孔質基材などが挙げられるが、特に限定されない。   Examples of the gas diffusion layer that can be used in the electrode of the present invention include, but are not particularly limited to, conductive porous substrates such as porous carbon paper and carbon cloth that support the catalyst layer.

また、本発明では、ガス拡散層やその他の層が2層以上の多層構造を有していてもよい。例えば、ガス拡散層と触媒層との間には、燃料電池をアッセンブリーする際の圧縮による破損や部材間の電気抵抗を抑制するために、カーボン層が配置されてもよい。本発明においては、カーボン層はガス拡散層に含まれる。   In the present invention, the gas diffusion layer and other layers may have a multilayer structure of two or more layers. For example, a carbon layer may be disposed between the gas diffusion layer and the catalyst layer in order to suppress damage due to compression when assembling the fuel cell and electrical resistance between members. In the present invention, the carbon layer is included in the gas diffusion layer.

本発明の電極は、上述した通り、親水性粒子表面に疎水性粒子が担持されてなる疎水性粒子担持親水性粒子を含有する。従って、親水性粒子により電極内に水分を保持できるだけでなく、疎水性粒子の撥水機能により過剰に生成した水分を速やかに排出することができる。よって、本発明の電極は、親水性と疎水性とが最適化されることにより、電極内の水分量を均一に保持することができるため、高い発電効率を有し、なおかつ、広範な加湿条件に対応することができる。   As described above, the electrode of the present invention contains hydrophobic particles carrying hydrophilic particles in which hydrophobic particles are carried on the surface of the hydrophilic particles. Therefore, not only can water be retained in the electrode by the hydrophilic particles, but also water generated excessively by the water repellent function of the hydrophobic particles can be quickly discharged. Therefore, the electrode of the present invention can maintain the water content in the electrode uniformly by optimizing the hydrophilicity and hydrophobicity, so that it has high power generation efficiency and a wide range of humidification conditions. It can correspond to.

本発明の第二は、上述した電極を用いてなるMEAである。本発明の電極は、上述した各種特性を有することから、燃料電池用のMEAに好適に用いることができる。前記MEAは、特に限定されないが、電解質層が電極により挟持されてなるものである。   The second of the present invention is an MEA using the above-described electrode. Since the electrode of the present invention has the above-described various characteristics, it can be suitably used for an MEA for a fuel cell. The MEA is not particularly limited, but an electrolyte layer is sandwiched between electrodes.

本発明のMEAにおいて、上述した疎水性粒子担持親水性粒子を含有する電極は、アノードおよびカソードのどちらに用いられてもよいが、水分量を最適な状態で保持できることからカソードとして用いるのが好ましい。従って、本発明のMEAは、カソードに上述した電極を用いた場合、アノードには上述した電極の他、MEAに用いられる従来公知のアノード用電極を用いてもよい。   In the MEA of the present invention, the electrode containing the above-described hydrophobic particles-supporting hydrophilic particles may be used for either the anode or the cathode, but is preferably used as the cathode because the moisture content can be maintained in an optimum state. . Therefore, in the MEA of the present invention, when the above-described electrode is used for the cathode, a conventionally known anode electrode used for MEA may be used for the anode in addition to the above-described electrode.

MEAにおける電解質層としては、特に制限されず、上述した電極における触媒層と同じプロトン導電性部材からなる固体高分子電解質膜などが挙げられる。また、電解質層の厚さや大きさについては、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。   The electrolyte layer in the MEA is not particularly limited, and examples thereof include a solid polymer electrolyte membrane made of the same proton conductive member as the catalyst layer in the electrode described above. Further, the thickness and size of the electrolyte layer are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of output characteristics of the obtained fuel cell.

MEAの製造方法としては、電解質層上に電極を直接作製する方法、セパレータ上に電極を作製しこれを電解質層と接合する方法、平板上に電極を作製しこれを電解質層に転写する方法などの種々の方法が挙げられる。なお、電極を電解質層とは別個にセパレータ上に形成した場合は、電極と電解質層とは、ホットプレス法、接着法(特開平7−220741号公報参照)等により接合することが好ましい。   As a method for manufacturing MEA, a method of directly producing an electrode on an electrolyte layer, a method of producing an electrode on a separator and bonding it to the electrolyte layer, a method of producing an electrode on a flat plate and transferring it to the electrolyte layer, etc. The various methods are mentioned. When the electrode is formed on the separator separately from the electrolyte layer, the electrode and the electrolyte layer are preferably joined by a hot press method, an adhesive method (see Japanese Patent Laid-Open No. 7-220741) or the like.

本発明の第三は、上記記載の電極、または上記記載の燃料電池用MEAを用いた燃料電池である。本発明の燃料電池は、上述した本発明の電極を用いたことを特徴とする。燃料電池の種類としては、所望する電池特性が得られるのであれば特に限定されないが、実用性・安全性などの観点から固体高分子型燃料電池(単に「PEFC」とも記載する。)として用いるのが好ましい。PEFCは、上述した通りであるが、MEAをセパレータで挟持した構造を有する。   A third aspect of the present invention is a fuel cell using the electrode described above or the MEA for fuel cell described above. The fuel cell of the present invention uses the above-described electrode of the present invention. The type of fuel cell is not particularly limited as long as desired cell characteristics can be obtained, but it is used as a polymer electrolyte fuel cell (also simply referred to as “PEFC”) from the viewpoints of practicality and safety. Is preferred. The PEFC has a structure in which the MEA is sandwiched between separators as described above.

MEAを挟持するセパレータとしては、カーボンペーパー、カーボンクロスなど公知のものを用いればよい。セパレータは、空気と燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、それらの流路を確保するために流通溝が形成されてもよく、従来公知の技術を適宜利用することができる。セパレータなどの厚さや大きさについては、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。   A known separator such as carbon paper or carbon cloth may be used as a separator for sandwiching the MEA. The separator has a function of separating air and fuel gas, and a flow groove may be formed in order to secure the flow path, and a conventionally known technique can be appropriately used. The thickness and size of the separator and the like are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of the obtained fuel cell.

さらに、PEFCが所望する電圧等を得られるように、セパレータを介してMEAを複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。PEFCの形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。   Furthermore, a stack in which a plurality of MEAs are stacked via a separator and connected in series may be formed so that a desired voltage or the like can be obtained by the PEFC. The shape of the PEFC is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.

本発明の電極は、高い発電効率を有するだけでなく、広範囲な加湿条件に適応可能である。また、上述した電極は、高い電流密度の運転においても優れた特性を示すことが可能となる。従って、かような電極を用いたMEAおよび燃料電池は、従来のものと比較して、より優れた運転条件適応性を有する。よって、燃料電池システムの高効率化、小型化、軽量化を図ることができ、車両などの移動体用電源、定置用電源などとして有用である。   The electrode of the present invention not only has high power generation efficiency, but can be adapted to a wide range of humidification conditions. In addition, the above-described electrode can exhibit excellent characteristics even in operation at a high current density. Therefore, the MEA and the fuel cell using such an electrode have better adaptability to operating conditions as compared with the conventional one. Therefore, the fuel cell system can be highly efficient, reduced in size, and reduced in weight, and is useful as a power source for moving bodies such as vehicles and a stationary power source.

なお、上述した電極、燃料電池用MEA、および燃料電池に関しては、本発明の一実施形態を示したに過ぎず、本発明がこれに限定されるものではない。従って、本発明の疎水性粒子担持親水性粒子を用いた触媒層以外の構成要件に関しては、特に制限されるべきものではなく、従来公知の燃料電池に関する技術を適宜利用することができる。   In addition, regarding the electrode mentioned above, MEA for fuel cells, and a fuel cell, only one Embodiment of this invention was shown, and this invention is not limited to this. Therefore, the constituent elements other than the catalyst layer using the hydrophobic particles-supporting hydrophilic particles of the present invention are not particularly limited, and conventionally known techniques relating to fuel cells can be appropriately used.

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されることはない。また、当該実施例において、「%」は特記しない限り質量百分率を表わすものとする。   Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples. In addition, this invention is not limited only to these Examples. In the examples, “%” represents a mass percentage unless otherwise specified.

<疎水性粒子担持親水性粒子(テフロン(登録商標)担持シリカ)の調製>
ここでは疎水性粒子としてテフロン(登録商標)粒子、親水性粒子としてシリカ粒子を用いた。テフロン(登録商標)粒子のシリカ粒子への担持は粒子加工装置(ホソカワミクロン社製アグロマスタAGM−MINI PJ)を用いて行った。シリカ粉末(SiO、平均粒径4μm、BET比表面積620m/g)9.9gを粒子加工装置のチャンバー内において乾燥空気で流動させながらテフロン(登録商標)ディスパージョン溶液(旭硝子製フルオンPTFEディスパージョンXAD911:平均PTFE粒径0.25μmを純水で10倍希釈したもの6%テフロン(登録商標)含有)1.7gをスプレー噴霧することによりテフロン(登録商標)粒子をシリカ表面に担持させ、空気で流動させて同時に乾燥させることによりテフロン(登録商標)粒子をシリカ粒子表面に高分散担持させた。これに続いて、さらにテフロン(登録商標)ディスパージョンに含まれる界面活性剤などの有機物を取り除くために、150℃で真空乾燥させた。この試料をICPにより定量分析した結果、0.96%のテフロン(登録商標)が担持されていることがわかった。
<Preparation of Hydrophobic Particles-Supporting Hydrophilic Particles (Teflon (Registered Trademark) -Supported Silica)>
Here, Teflon (registered trademark) particles were used as hydrophobic particles, and silica particles were used as hydrophilic particles. Teflon (registered trademark) particles were supported on silica particles using a particle processing apparatus (Agromaster AGM-MINI PJ manufactured by Hosokawa Micron Corporation). While 9.9 g of silica powder (SiO 2 , average particle size 4 μm, BET specific surface area 620 m 2 / g) is flowed with dry air in the chamber of the particle processing apparatus, a Teflon (registered trademark) dispersion solution (Fluon PTFE Disperse manufactured by Asahi Glass) John XAD 911: Average PTFE particle size 0.25 μm diluted 10-fold with pure water 6% Teflon (registered trademark) 1.7 g sprayed to support the Teflon (registered trademark) particles on the silica surface, Teflon (registered trademark) particles were supported in a highly dispersed manner on the surface of silica particles by flowing in air and simultaneously drying. This was followed by vacuum drying at 150 ° C. in order to further remove organic substances such as surfactants contained in the Teflon (registered trademark) dispersion. As a result of quantitative analysis of this sample by ICP, it was found that 0.96% of Teflon (registered trademark) was supported.

<Pt担持カーボンの調製>
カーボンブラック粉末1g(Cabot社製 Vulcan XC−72)を、0.4%の白金を含有する塩化白金酸水溶液250g中にホモジナイザを用いて十分に分散させた後、これにクエン酸ナトリウム3gを加え、還流反応装置を使用して85℃に加熱し、白金の還元担持を行った。そして、室温まで放冷した後、白金が担持されたカーボンを濾別することにより、Pt担持カーボンブラック粉末を得た。このPt担持カーボンブラック粉末の平均Pt粒径は透過型電子顕微鏡観察の結果から約3.1nmであった。また、Pt担持量をICPによって調べた結果、48.6%のPtが担持されていることが確認された。
<Preparation of Pt-supported carbon>
1 g of carbon black powder (Vulcan XC-72 manufactured by Cabot) was sufficiently dispersed in 250 g of a chloroplatinic acid aqueous solution containing 0.4% platinum using a homogenizer, and 3 g of sodium citrate was added thereto. Then, the mixture was heated to 85 ° C. using a reflux reactor, and platinum was supported for reduction. And after standing to cool to room temperature, Pt carrying | support carbon black powder was obtained by filtering carbon carrying | supporting platinum. The average Pt particle size of the Pt-supported carbon black powder was about 3.1 nm from the result of observation with a transmission electron microscope. Further, as a result of examining the amount of Pt supported by ICP, it was confirmed that 48.6% of Pt was supported.

(実施例電極触媒1)
上記の方法により調製したテフロン(登録商標)担持シリカ粉末とPt担持カーボン粉末とを、15:85(質量比)で乾式混合した。
Example Electrocatalyst 1
Teflon (registered trademark) -supported silica powder and Pt-supported carbon powder prepared by the above method were dry mixed at 15:85 (mass ratio).

(比較例電極触媒1)
上記の方法により調製したPt担持カーボンのみを使用した。
(Comparative Example Electrocatalyst 1)
Only Pt-supported carbon prepared by the above method was used.

<評価>
(MEAの作製)
MEA(膜―電極接合体)の作製についてはいずれについても以下のように行った。
<Evaluation>
(Production of MEA)
The production of MEA (membrane-electrode assembly) was performed as follows.

実施例電極触媒1および比較例電極触媒1の質量に対して5倍量の精製水を加えた後、0.5倍量のイソプロピルアルコールを加え、さらにはNafionの重量が0.8倍量になるようにNafion溶液(Aldrich社製5%Nafion含有)を加えた。混合スラリーを超音波ホモジナイザでよく分散させ、それに続いて減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをガス拡散層(GDL)であるカーボンペーパー(東レ製TGP−H−090)の片面にスクリーン印刷法によって所望の厚さに応じて所定量の触媒スラリーを印刷し、60℃で24時間乾燥させた後、カソード触媒層を塗布した面を電解質層に合わせて120℃、0.1MPaで10分間ホットプレスを行うことにより電解質層にカソードを作製した。   After adding 5 times the amount of purified water to the mass of Example Electrode Catalyst 1 and Comparative Example Electrocatalyst 1, 0.5 times the amount of isopropyl alcohol is added, and the weight of Nafion is 0.8 times the amount. A Nafion solution (containing 5% Nafion manufactured by Aldrich) was added. The mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, followed by addition of a vacuum degassing operation to prepare a catalyst slurry. A predetermined amount of catalyst slurry is printed on one side of carbon paper (Toray TGP-H-090 manufactured by Toray Industries, Inc.), which is a gas diffusion layer (GDL), according to the desired thickness, and dried at 60 ° C. for 24 hours. Then, the surface on which the cathode catalyst layer was applied was matched with the electrolyte layer, and hot pressing was performed at 120 ° C. and 0.1 MPa for 10 minutes to produce a cathode in the electrolyte layer.

アノードは、カソードと同様な方法を用いて電極触媒として上記のPt担持カーボンの調製法により調製したPt担持カーボンブラックのみを用いて、電解質膜のカソード接合面と反対の面に接合して作製し、MEAとした。アノードおよびカソードの触媒層の厚さはそれぞれ7μm、11μmであった。   The anode is prepared by bonding only the Pt-supported carbon black prepared by the above-described method for preparing Pt-supported carbon as an electrode catalyst using the same method as that for the cathode, and joining it to the surface opposite to the cathode joint surface of the electrolyte membrane. MEA. The thicknesses of the anode and cathode catalyst layers were 7 μm and 11 μm, respectively.

これらのMEAは、Pt使用量を見かけの電極面積1cmあたりアノードでは0.3mg、カソードでは0.5mgとし、電極面積は300cmとした。また、電解質膜としてNafion112(厚さ:約50μm)を用いた。 In these MEAs, the amount of Pt used was 0.3 mg for the anode and 0.5 mg for the cathode per 1 cm 2 of the apparent electrode area, and the electrode area was 300 cm 2 . In addition, Nafion 112 (thickness: about 50 μm) was used as the electrolyte membrane.

(単セル評価)
作製したMEAを用いて燃料電池単セルを構成し、カソードのガス加湿温度に対するセル電圧変化の評価を以下のような方法で行った。燃料電池のアノード側には燃料として水素を供給し、カソード側には空気を供給した。両ガスとも供給圧力は大気圧とし、燃料電池本体の温度は70℃に設定し、水素利用率は67%、空気利用率は40%として、電流密度を1A/cmのときのカソード加湿温度を変えた場合のセル電圧の変化を調べた。
(Single cell evaluation)
A fuel cell single cell was constructed using the produced MEA, and the cell voltage change with respect to the gas humidification temperature of the cathode was evaluated by the following method. Hydrogen was supplied as fuel to the anode side of the fuel cell, and air was supplied to the cathode side. The supply pressure for both gases is atmospheric pressure, the temperature of the fuel cell body is set to 70 ° C., the hydrogen utilization rate is 67%, the air utilization rate is 40%, and the cathode humidification temperature when the current density is 1 A / cm 2. The change of the cell voltage when changing was examined.

図2は、その結果を示すグラフであって、従来型の疎水性粒子担持親水性粒子を含まない比較例電極触媒1を用いた電池では、カソード加湿温度が低下するにつれて1A/cmにおけるセル電圧は低下し、加湿温度70℃と50℃では約50mVの違いが見られた。一方、実施例電極触媒1を用いた電池では、カソード加湿温度の低下に対するセル電圧の低下幅が小さく、加湿温度70℃と50℃で約20mVの低下しか見られなかった。 FIG. 2 is a graph showing the results. In the battery using the comparative example electrode catalyst 1 that does not include the hydrophilic particles carrying the conventional hydrophobic particles, the cell at 1 A / cm 2 as the cathode humidification temperature decreases. The voltage decreased, and a difference of about 50 mV was observed between the humidification temperatures of 70 ° C. and 50 ° C. On the other hand, in the battery using the example electrode catalyst 1, the decrease in the cell voltage with respect to the decrease in the cathode humidification temperature was small, and only a decrease of about 20 mV was observed at the humidification temperatures of 70 ° C and 50 ° C.

これは、比較例電極触媒1を用いた電池では電極内の水分量を適切な量に保つ機能が発現せず、高加湿側でフラッディングが発生したためと考えられる。この結果からも、疎水性粒子が親水性粒子に担持されている形態が、電極の水分量を適切な状態に保つ機能を付与する上で重要であるといえる。   This is presumably because the battery using the comparative example electrode catalyst 1 did not exhibit the function of maintaining an appropriate amount of water in the electrode, and flooding occurred on the high humidification side. Also from this result, it can be said that the form in which the hydrophobic particles are supported on the hydrophilic particles is important in providing the function of keeping the moisture content of the electrode in an appropriate state.

本発明における疎水性粒子を担持した親水性粒子の模式図である。It is a schematic diagram of the hydrophilic particle which carry | supported the hydrophobic particle in this invention. 本発明の疎水性粒子担持親水性粒子を含んだ燃料電池用電極触媒を用いた燃料電池と、比較例電極触媒を用いた燃料電池とのカソードガス加湿温度と電流密度1A/cmのときのセル電圧の関係を比較して示したグラフである。When the cathode gas humidification temperature and the current density of the fuel cell using the fuel cell electrode catalyst including the hydrophobic particle-supported hydrophilic particles of the present invention and the fuel cell using the comparative example electrode catalyst are 1 A / cm 2 It is the graph which showed the relationship of the cell voltage in comparison.

符号の説明Explanation of symbols

1…親水性粒子、2…疎水性粒子。   1 ... hydrophilic particles, 2 ... hydrophobic particles.

Claims (12)

触媒金属と、前記触媒金属を担持する導電性担体と、プロトン導電性部材とを含有する触媒層を含む電極において、前記触媒層は疎水性粒子担持親水性粒子を含有することを特徴とする電極。   An electrode comprising a catalyst layer containing a catalyst metal, a conductive carrier carrying the catalyst metal, and a proton conductive member, wherein the catalyst layer contains hydrophilic particles carrying hydrophobic particles . 前記疎水性粒子担持親水性粒子において、親水性粒子の平均粒径は、疎水性粒子の平均粒径に対して10〜1000倍である請求項1に記載の電極。   2. The electrode according to claim 1, wherein in the hydrophobic particles-supporting hydrophilic particles, the average particle diameter of the hydrophilic particles is 10 to 1000 times the average particle diameter of the hydrophobic particles. 前記疎水性粒子担持親水性粒子において、親水性粒子は平均粒径が0.1〜10μmである請求項1または2に記載の電極。   The electrode according to claim 1 or 2, wherein in the hydrophobic particle-supporting hydrophilic particles, the hydrophilic particles have an average particle size of 0.1 to 10 µm. 前記疎水性粒子担持親水性粒子において、疎水性粒子は平均粒径が0.01〜1.0μmである請求項1〜3のいずれかに記載の電極。   The electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein in the hydrophobic particle-supporting hydrophilic particles, the hydrophobic particles have an average particle diameter of 0.01 to 1.0 µm. 前記疎水性粒子担持親水性粒子において、親水性粒子は、シリコン、チタン、アルミニウム、ジルコニウム、タンタル、イットリウム、スズ、タングステン、インジウム、アンチモンからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属酸化物である請求項1〜4に記載の電極。   In the hydrophobic particle-supporting hydrophilic particle, the hydrophilic particle is at least one metal oxide selected from the group consisting of silicon, titanium, aluminum, zirconium, tantalum, yttrium, tin, tungsten, indium, and antimony. Item 5. The electrode according to Items 1-4. 前記疎水性粒子担持親水性粒子において、疎水性粒子は、含フッ素高分子化合物である請求項1〜5のいずれかに記載の電極。   The electrode according to any one of claims 1 to 5, wherein in the hydrophobic particle-supporting hydrophilic particle, the hydrophobic particle is a fluorine-containing polymer compound. 前記触媒金属は、Pt、Ir、Au、Ag、Pdからなる群から選ばれる少なくとも1種を含む請求項1〜6のいずれかに記載の電極。   The electrode according to claim 1, wherein the catalytic metal includes at least one selected from the group consisting of Pt, Ir, Au, Ag, and Pd. 前記触媒金属の平均粒径は、1〜10nmである請求項1〜7のいずれかに記載の電極。   The electrode according to claim 1, wherein the catalyst metal has an average particle size of 1 to 10 nm. 前記疎水性粒子担持親水性粒子において、疎水性粒子の担持量は0.1〜20質量%である請求項1〜8のいずれかに記載の電極。   The electrode according to any one of claims 1 to 8, wherein in the hydrophobic particle-supporting hydrophilic particle, the amount of the hydrophobic particle supported is 0.1 to 20% by mass. 前記触媒層における前記疎水性粒子担持親水性粒子の含有量は、1.0〜30質量%である請求項1〜9のいずれかに記載の電極。   The electrode according to any one of claims 1 to 9, wherein the content of the hydrophobic particle-supporting hydrophilic particles in the catalyst layer is 1.0 to 30% by mass. 請求項1〜10のいずれかに記載の電極を用いてなるMEA。   An MEA comprising the electrode according to claim 1. 請求項1〜10のいずれかに記載の電極を用いてなる燃料電池。   A fuel cell using the electrode according to claim 1.
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