燃料电池用催化剂油墨、燃料电池用催化剂层和膜电极接合体制造技术

本发明专利技术提供兼得催化剂油墨的粘度和使用该催化剂油墨制造的燃料电池的发电性能的燃料电池用催化剂油墨、燃料电池用催化剂层和膜电极接合体。一种燃料电池用催化剂油墨，其特征在于，含有：担载有催化剂的载体、具有质子传导性的离聚物和纤维素系纳米纤维。

Catalyst ink for fuel cell, catalyst layer and membrane electrode assembly for fuel cell

The present invention provides a catalyst ink for fuel cell, a catalyst layer for fuel cell and a membrane electrode bond for fuel cell, which have both the viscosity of catalyst ink and the power generation performance of fuel cell manufactured with the catalyst ink. A catalyst ink for fuel cell is characterized in that it contains a carrier with a catalyst, an ionomer with proton conductivity, and a cellulose nanofiber.

【技术实现步骤摘要】
燃料电池用催化剂油墨、燃料电池用催化剂层和膜电极接合体
本公开涉及燃料电池用催化剂油墨、燃料电池用催化剂层和膜电极接合体。
技术介绍
为了提高燃料电池的生产率和发电性能，进行过各种研究。例如，在专利文献1中，公开了担载催化剂的碳材料的分散性良好、低粘度且保存稳定性、质子传导性聚合物的吸附率优异、具备涂覆性的燃料电池用水性催化剂膏组合物和催化剂油墨组合物。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2016－122594号公报专利文献2：日本特开2010－238513号公报专利文献3：日本特开2004－113848号公报专利文献4：国际公开第2013/121781号专利文献5：日本特开2014－154225号公报专利文献6：日本特表2014－522552号公报
技术实现思路
但是，专利文献1中记载的催化剂油墨组合物存在有时难以兼得催化剂油墨的粘度和使用该催化剂油墨制造的燃料电池的发电性能这样的问题。鉴于上述实际情况，本申请中，提供兼得催化剂油墨的粘度和使用该催化剂油墨制造的燃料电池的发电性能的燃料电池用催化剂油墨、燃料电池用催化剂层和膜电极接合体。本公开的燃料电池用催化剂油墨，其特征在于，含有：担载有催化剂的载体、具有质子传导性的离聚物和纤维素系纳米纤维。在本公开的燃料电池用催化剂油墨中，上述纤维素系纳米纤维(F)与上述离聚物(I)的质量比(F/I)可以为0＜(F/I)≤0.4。在本公开的燃料电池用催化剂油墨中，上述纤维素系纳米纤维可以为选自具有羟基且该羟基没有被取代的纤维素纳米纤维、该羟基被乙酰基或其衍生物取代的纤维素纳米纤维、硫酸纤维素纳米纤维、磷酸纤维素纳米纤维和该羟基被C1－C10烷基或其衍生物取代的纤维素纳米纤维中的1种以上。在本公开的燃料电池用催化剂油墨中，上述离聚物可以为全氟磺酸系树脂。在本公开的燃料电池用催化剂油墨中，利用E型粘度计测得的剪切速度150(1/s)下的粘度可以为30～180(mPa·s)。在本公开的燃料电池用催化剂油墨中，上述纤维素系纳米纤维的聚合度可以为200～750。在本公开的燃料电池用催化剂油墨中，上述纤维素系纳米纤维(F)与上述离聚物(I)的质量比(F/I)可以为0＜(F/I)≤0.2，且上述纤维素系纳米纤维的聚合度可以为200～300。本公开的燃料电池用催化剂层，其特征在于，含有：担载有催化剂的载体、具有质子传导性的离聚物和纤维素系纳米纤维。在本公开的燃料电池用催化剂层中，上述纤维素系纳米纤维(F)与上述离聚物(I)的质量比(F/I)可以为0＜(F/I)≤0.4。在本公开的燃料电池用催化剂层中，上述纤维素系纳米纤维可以为选自具有羟基且该羟基没有被取代的纤维素纳米纤维、该羟基被乙酰基或其衍生物取代的纤维素纳米纤维、硫酸纤维素纳米纤维、磷酸纤维素纳米纤维和该羟基被C1－C10烷基或其衍生物取代的纤维素纳米纤维中的1种以上。在本公开的燃料电池用催化剂层中，上述离聚物可以为全氟磺酸系树脂。在本公开的燃料电池用催化剂层中，上述纤维素系纳米纤维的聚合度可以为200～750。在本公开的燃料电池用催化剂层中，上述纤维素系纳米纤维(F)与上述离聚物(I)的质量比(F/I)可以为0＜(F/I)≤0.2，且上述纤维素系纳米纤维的聚合度可以为200～300。本公开的膜电极接合体，其特征在于，具备：具有阴极催化剂层的阴极电极、具有阳极催化剂层的阳极电极以及配置在该阴极催化剂层和该阳极催化剂层之间的电解质层，上述阴极催化剂层和上述阳极催化剂层中的至少任一方的催化剂层为上述燃料电池用催化剂层。根据本公开，能够改善催化剂油墨的涂覆性，且能够抑制燃料电池的发电性能的下降。附图说明图1是表示良好的催化剂油墨涂面的一个例子的光学显微镜照片。图2是表示不良的催化剂油墨涂面的一个例子的光学显微镜照片。图3是表示流平性低的催化剂油墨涂面的一个例子的光学显微镜照片。图4是在基材上涂覆比较例1中制造的催化剂油墨而得的涂面的光学显微镜照片。图5是在基材上涂覆实施例1中制造的催化剂油墨而得的涂面的光学显微镜照片。图6是在基材上涂覆比较例2中制造的催化剂油墨而得的涂面的光学显微镜照片。图7是在基材上涂覆实施例5中制造的催化剂油墨而得的涂面的光学显微镜照片。图8是实施例1～4、比较例1、3的催化剂油墨的粘度的条形图。图9是实施例5～8、比较例2的催化剂油墨的粘度的条形图。图10是表示具备使用实施例1～4、比较例1、3的催化剂油墨制造的各MEA的燃料电池在高加湿(RH80％)条件下的相对于纤维素纳米纤维添加量(质量％)的电流密度(A/cm2)＠0.6V(高负荷条件)的图。图11是表示具备使用实施例5～8、比较例2的催化剂油墨制造的各MEA的燃料电池在高加湿(RH80％)条件下的相对于纤维素纳米纤维添加量(质量％)的电流密度(A/cm2)＠0.88V(低负荷条件)的图。图12是表示具备使用实施例1～4、比较例1、3的催化剂油墨制造的各MEA的燃料电池在高加湿(RH80％)条件下的相对于催化剂油墨的粘度的电流密度(A/cm2)＠0.6V(高负荷条件)的图。图13是表示具备使用实施例5～8、比较例2的催化剂油墨制造的各MEA的燃料电池在高加湿(RH80％)条件下的相对于催化剂油墨的粘度的电流密度(A/cm2)＠0.6V(高负荷条件)的图。图14是表示具备使用实施例1～8、比较例1～2的催化剂油墨制造的各MEA的燃料电池在低加湿条件下的相对于纤维素纳米纤维添加量(质量％)的电流密度(A/cm2)＠0.6V(高负荷条件)的图。图15是表示具备使用实施例5～8、比较例2的催化剂油墨制造的各MEA的燃料电池的高加湿(RH80％)高负荷(0.6V)性能试验结果和低加湿(RH25％)高负荷(0.6V)性能试验结果合并而得的结果的图。图16是表示具备膜电极接合体的燃料电池的一个例子的图。符号说明21电解质膜22阴极催化剂层23阳极催化剂层24、25气体扩散层26阴极电极27阳极电极28膜电极接合体29、30间隔件31、32气体流路200燃料电池具体实施方式1.燃料电池用催化剂油墨本公开的燃料电池用催化剂油墨，其特征在于，含有：担载有催化剂的载体、具有质子传导性的离聚物和纤维素系纳米纤维。为了确保电池特性，希望燃料电池的电极制作中使用的催化剂油墨为高分散。这里提及的高分散是指担载有催化剂的载体的粒径小且在油墨中该载体被离聚物被覆，不发生再凝聚、沉降而稳定地保持粒径。另一方面，在燃料电池的制造工序中，为了确保涂覆性，催化剂油墨的粘度也成为重要的项目。如果粘度过低，则产生流挂的问题，如果粘度过高，则产生流平性变低等问题，对涂面性状造成影响。应予说明，流挂是指由于催化剂油墨的粘性低，流动性高，所以无法保持涂覆时的形状而涂膜溢出，或者在干燥中产生不均，产生涂膜厚的部分和薄的部分(参照图1～2)。图1是表示使用剪切速度150(1/s)下的粘度为30(mPa·s)的催化剂油墨的涂面良好的电极涂面的一个例子的光学显微镜照片。另外，图2是使用剪切速度150(1/s)下的粘度为10(mPa·s)的催化剂油墨的涂面不良的电极涂面的一个例子的光学显微镜照片。如图2所示，可知催化剂油墨的粘度低，产生流挂。另外，流平性低是指催化剂油墨的粘度高的情况下，由于流动性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池用催化剂油墨，其特征在于，含有：担载有催化剂的载体、具有质子传导性的离聚物和纤维素系纳米纤维。

【技术特征摘要】
2017.03.03 JP 2017-0408141.一种燃料电池用催化剂油墨，其特征在于，含有：担载有催化剂的载体、具有质子传导性的离聚物和纤维素系纳米纤维。2.根据权利要求1所述的燃料电池用催化剂油墨，其中，所述纤维素系纳米纤维F与所述离聚物I的质量比F/I为0＜(F/I)≤0.4。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池用催化剂油墨，其中，所述纤维素系纳米纤维为选自具有羟基且该羟基没有被取代的纤维素纳米纤维、该羟基被乙酰基或其衍生物取代的纤维素纳米纤维、硫酸纤维素纳米纤维、磷酸纤维素纳米纤维和该羟基被C1－C10烷基或其衍生物取代的纤维素纳米纤维中的1种以上。4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池用催化剂油墨，其中，所述离聚物为全氟磺酸系树脂。5.根据权利要求1～4中任一项所述的燃料电池用催化剂油墨，其中，利用E型粘度计测得的剪切速度150s-1下的粘度为30～180mPa·s。6.根据权利要求1～5中任一项所述的燃料电池用催化剂油墨，其中，所述纤维素系纳米纤维的聚合度为200～750。7.根据权利要求1～6中任一项所述的燃料电池用催化剂油墨，其中，所述纤维素系纳米纤维F与所述离聚物I的质量比F/I为0＜(F/I)≤0.2，且所述纤维素系纳米纤维的聚合度为200～300。8.一种燃料电...

【专利技术属性】
技术研发人员：竹平祐一，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP