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公開番号2024165981
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-11-28
出願番号2023082631
出願日2023-05-18
発明の名称複合体及び触媒層
出願人株式会社豊田中央研究所
代理人個人
主分類H01M 4/86 20060101AFI20241121BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】プロトン抵抗の高いプロトン伝導パスをプロトンが長距離移動することに起因する性能低下を抑制することが可能な複合体、及び、これを備えた触媒層を提供すること。
【解決手段】複合体は、基材粒子の表面がアイオノマAで被覆されたアイオノマ/基材複合体と、電極触媒の表面がアイオノマBで被覆されたアイオノマ/触媒複合体とを備えている。前記電極触媒は、担体と、前記担体の表面に担持された触媒粒子とを備えている。前記アイオノマ/基材複合体の表面は、前記アイオノマ/触媒複合体で被覆されている。触媒層は、このような複合体を備えている。
【選択図】図6
特許請求の範囲【請求項１】
基材粒子の表面がアイオノマＡで被覆されたアイオノマ／基材複合体と、
電極触媒の表面がアイオノマＢで被覆されたアイオノマ／触媒複合体と
を備え、
前記電極触媒は、担体と、前記担体の表面に担持された触媒粒子とを備え、
前記アイオノマ／基材複合体の表面は、前記アイオノマ／触媒複合体で被覆されている
複合体。
続きを表示（約 1,300 文字）【請求項２】
前記基材粒子は、グラファイトナノシートを含む請求項１に記載の複合体。
【請求項３】
前記アイオノマＡは、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマを含み、
前記アイオノマＢは、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマ、及び／又は、高酸素透過アイオノマを含む
請求項１に記載の複合体。
【請求項４】
前記アイオノマ／基材複合体は、次の式（１）を満たす請求項１に記載の複合体。
０．５≦Ｉ
1
／Ｓ
1
≦１０．０ …（１）
但し、
Ｉ
1
は、前記アイオノマＡの質量、
Ｓ
1
は、前記基材の質量。
【請求項５】
前記アイオノマ／触媒複合体は、次の式（２）を満たす請求項１に記載の複合体。
０．１≦Ｉ
2
／Ｓ
2
≦１．２ …（２）
但し、
Ｉ
2
は、前記アイオノマＢの質量、
Ｓ
2
は、前記担体の質量。
【請求項６】
次の式（３）を満たす請求項１に記載の複合体。
０．０１≦ｔ
2
／ｔ
1
≦３．０ …（３）
但し、
ｔ
1
は、前記アイオノマ／基材複合体の厚さ、
ｔ
2
は、前記アイオノマ／基材複合体の表面を被覆する前記アイオノマ／触媒複合体の厚さ。
【請求項７】
次の式（４）を満たす請求項１に記載の複合体。
０．１≦Ｗ
2
／Ｗ
1
≦１０．０ …（４）
但し、
Ｗ
1
は、前記アイオノマ／基材複合体の質量、
Ｗ
2
は、前記アイオノマ／基材複合体の表面を被覆する前記アイオノマ／触媒複合体の質量。
【請求項８】
次の式（５）及び式（６）を満たす請求項１に記載の複合体。
１μｍ≦Ｄ
1
≦５０μｍ …（５）
０．００１≦ｔ
2
／Ｄ
1
≦３．０ …（６）
但し、
Ｄ
1
は、前記アイオノマ／基材複合体の最大長さ、
ｔ
2
は、前記アイオノマ／基材複合体の表面を被覆する前記アイオノマ／触媒複合体の厚さ。
【請求項９】
次の式（７）を満たす請求項１に記載の複合体。
０．３≦Ａ
2
／Ａ
1
≦１．０ …（７）
但し、
Ａ
1
は、前記アイオノマ／基材複合体の総表面積、
Ａ
2
は、前記アイオノマ／基材複合体の表面を被覆する前記アイオノマ／触媒複合体の面積。
【請求項１０】
請求項１に記載の複合体を備えた触媒層。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合体及び触媒層に関し、さらに詳しくは、アイオノマ／基材複合体とアイオノマ／触媒複合体とを含む複合体及びこれを備えた触媒層に関する。
続きを表示（約 1,900 文字）【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、電解質膜の両面に触媒層が接合された膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly，ＭＥＡ）を備えている。触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、一般に、白金等の触媒粒子を担持したカーボンと固体高分子電解質（触媒層アイオノマ）との複合体からなる。通常、触媒層の外側には、さらにガス拡散層が配置される。ガス拡散層は、触媒層に反応ガス及び電子を供給するためのものであり、カーボンペーパー、カーボンクロス等が用いられる。
さらに、ガス拡散層の外側には、ガス流路を備えたセパレータが配置される。固体高分子形燃料電池は、一般に、このようなＭＥＡ、ガス拡散層、及びセパレータからなる単セルが複数個積層された構造（スタック構造）を備えている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池は、低温高湿条件から高温低湿条件までの幅広い温湿度環境で高い発電性能を示すことが求められている。これらの性能を両立させるためには、反応が生じる触媒層の改良が必要である。高温低湿条件での発電性能の向上のためには、プロトン抵抗を下げて、ＩＲロスを低減することが必要である。また、低温高湿条件での発電性能の向上のためには、触媒層の空隙率を高くすることや、水の排出性能を高くすることでガス拡散抵抗を低減することが考えられる。
しかし、これらの性能は、トレードオフの関係にある。例えば、アイオノマの体積分率を高くすれば、プロトン抵抗は低減できるが、その分、空隙率は低下する。
【０００４】
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、
電極触媒の表面が第１アイオノマでコートされたアイオノマコート触媒を製造し、
基材粒子の表面が第２アイオノマでコートされたアイオノマ／基材複合体を製造し、
ドライ塗工法を用いて、アイオノマコート触媒とアイオノマ／基材複合体との混合物を基材表面に塗工する
ことにより得られる触媒層が開示されている。
【０００５】
同文献には、このような方法を用いて触媒層を製造する場合において、アイオノマコート触媒のアイオノマ比率（Ｉ
1
／Ｃ
1
）をアイオノマ／基材複合体のアイオノマ比率（Ｉ
2
／Ｃ
2
）より小さくすると、高温低湿度条件下及び低温高湿度条件下の双方において、高い性能を示す触媒層が得られる点が記載されている。
【０００６】
特許文献２には、
シート状のコア粒子と、
前記コア粒子の表面を被覆する電解質ポリマーと
を備え、
直径Ｄ
1
が１μｍ以上５０μｍ以下であり、
厚さｔ
1
がＤ
1
×０．５未満である
シート状粒子複合体が開示されている。
【０００７】
同文献には、
（Ａ）シート状のコア粒子と電解質ポリマーとを含む分散液を泡立て、泡立てた分散液を凍結乾燥させ、凍結乾燥物を粉砕すると、コア粒子がシート形状を保ったまま電解質ポリマーで被覆されたシート状粒子複合体が得られる点、及び、
（Ｂ）このようなシート状粒子複合体を触媒層に添加すると、触媒層のプロトン伝導度が向上する点
が記載されている。
【０００８】
特許文献３には、
プロトン伝導体を含む繊維の集合体からなる不織布と、
繊維の表面に付着している電極触媒と
を備えた触媒層が開示されている。
【０００９】
同文献には、
（Ａ）基材表面へのプロトン伝導体を含む繊維の堆積と、繊維表面への電極触媒を含む触媒インクの散布とを同時に行うと、不織布内の空隙が維持されると同時に、不織布内において孤立した触媒粒子の発生確率が低くなる点、及び、
（Ｂ）これによって、触媒粒子の電気化学的有効表面積（ＥＣＳＡ）が向上する点
が記載されている。
【００１０】
特許文献１に記載されているように、アイオノマ比率（Ｉ
1
／Ｃ
1
）の低いアイオノマコート触媒と、アイオノマ比率（Ｉ
2
／Ｃ
2
）の高いアイオノマ／基材複合体との混合物をドライ塗工すると、高温低湿度条件下及び低温高湿度条件下の双方において、高い性能を示す触媒層が得られる。
（【００１１】以降は省略されています）

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