JP2003151564A - Electrode for solid high polymer fuel cell - Google Patents

Electrode for solid high polymer fuel cell

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JP2003151564A JP2001349167A JP2001349167A JP2003151564A JP 2003151564 A JP2003151564 A JP 2003151564A JP 2001349167 A JP2001349167 A JP 2001349167A JP 2001349167 A JP2001349167 A JP 2001349167A JP 2003151564 A JP2003151564 A JP 2003151564A
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for solid high polymer fuel cells, which can form a catalyst layer, which has the vacancy structure of high power-generating efficiency, without adding a complicated process. SOLUTION: It has the catalyst layer, which consists of a catalyst substance, an ion conductivity substance, an electronic conductivity substance, and a hole making agent, and vacancy volume of diameters of 60 to 1000 nm in the above catalyst layer is set to 0.15 to 0.25 cm<3> /g.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池用電極に係り、特に、触媒層を有効に機能させる技
術に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrode for a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly to a technique for effectively functioning a catalyst layer.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、平板状の電極
構造体の両側にセパレータが積層されて構成されてい
る。電極構造体は、一般に、正極(カソード)側の触媒
層と負極(アノード)側の触媒層との間に高分子電解質
膜が挟まれ、各触媒層の外側にガス拡散層がそれぞれ積
層された積層体である。この触媒層は、触媒ペースト
を電解質膜に塗布した後、ホットプレスを行う方法や、
触媒ペーストをカーボンペーパーやFRPシートに塗
布して電極シートを作成した後、ホットプレスを行い電
解質膜と接合する方法等により形成される。なお、触媒
ペーストは、白金等の触媒物質、カーボン粒子等の電子
伝導性物質、およびイオン伝導性物質(高分子電解質)
からなり、必要に応じてPTFE等の結合剤および撥水
剤が添加される。
2. Description of the Related Art A polymer electrolyte fuel cell is constructed by laminating separators on both sides of a flat plate electrode structure. In the electrode structure, generally, a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a positive electrode (cathode) side catalyst layer and a negative electrode (anode) side catalyst layer, and a gas diffusion layer is laminated outside each catalyst layer. It is a laminated body. The catalyst layer is formed by applying a catalyst paste to the electrolyte membrane and then hot pressing,
It is formed by a method in which the catalyst paste is applied to carbon paper or an FRP sheet to form an electrode sheet, and then hot pressing is performed to join the electrode sheet. The catalyst paste is a catalyst substance such as platinum, an electron conductive substance such as carbon particles, and an ion conductive substance (polymer electrolyte).
And a binder such as PTFE and a water repellent are added as necessary.

【0003】このような燃料電池によると、負極の触媒
層では、燃料ガス(水素)からプロトンと電子とを取り
出す反応が、また、正極の触媒層では、プロトンと電子
と酸化性ガス(空気)とが水になる反応が起こってお
り、これらの反応により燃料電池が発電する。
According to such a fuel cell, in the catalyst layer of the negative electrode, a reaction of taking out protons and electrons from the fuel gas (hydrogen) is carried out, and in the catalyst layer of the positive electrode, the protons, electrons and the oxidizing gas (air) are taken. There is a reaction in which and become water, and the fuel cell generates electricity by these reactions.

【0004】したがって、燃料電池の発電効率を向上さ
せるためには、燃料ガスおよび酸化性ガスを触媒層全体
に均等に供給することが必要となる。そこで、ガス通路
となる触媒層の細孔について、即ち触媒層中の最適な細
孔構造について種々検討が行われている。
Therefore, in order to improve the power generation efficiency of the fuel cell, it is necessary to uniformly supply the fuel gas and the oxidizing gas to the entire catalyst layer. Therefore, various studies have been carried out on the pores of the catalyst layer serving as the gas passages, that is, the optimum pore structure in the catalyst layer.

【0005】特開平9−92293号公報では、直径
0.04〜1.0μmの細孔(空孔)がガスチャンネル
として機能し、その比容積が0.04cm/g以上で
あると、ガスの拡散性が良好であるとている。しかしな
がら、上記の空孔容積はイオン伝導性物質量またはホッ
トプレス条件によって制御されており、空孔を増加させ
るためにはイオン伝導性物質を減少させなければならず
(イオン伝導チャンネルの減少)、またはホットプレス
条件の温度・圧力を下げねばならず、膜と電極との密着
性が悪化するという問題がある。また、この方法では、
空孔密度を0.1cm/g以上にすることは困難であ
る。
In Japanese Patent Laid-Open No. 9-92293, pores (pores) having a diameter of 0.04 to 1.0 μm function as gas channels, and if the specific volume is 0.04 cm 3 / g or more, the gas is Is said to have good diffusivity. However, the above-mentioned void volume is controlled by the amount of ion-conducting substance or hot pressing conditions, and in order to increase the number of vacancies, the ion-conducting substance must be decreased (decrease of ion-conducting channel). Alternatively, the temperature and pressure of the hot press conditions must be lowered, which causes a problem that the adhesion between the film and the electrode deteriorates. Also, with this method,
It is difficult to set the pore density to 0.1 cm 3 / g or more.

【0006】また、特開平6−203840号公報で
は、触媒層の空孔率が65〜90容量%である電極が提
案されている。しかしながら、この電極においても、空
孔はホットプレス条件によって制御されている。
Further, JP-A-6-203840 proposes an electrode in which the porosity of the catalyst layer is 65 to 90% by volume. However, also in this electrode, the voids are controlled by the hot pressing conditions.

【0007】さらに、上記触媒層の形成方法で作成した
触媒層は、ホットプレスをする前にある程度の空孔は存
在しているものの、ホットプレスの工程後では空孔が潰
れて減少するため、ホットプレス工程前の空孔量より増
加させることはできない。
Further, although the catalyst layer formed by the above method for forming a catalyst layer has some pores before hot pressing, the pores are crushed and reduced after the hot pressing step. It cannot be increased beyond the amount of holes before the hot pressing process.

【0008】そこで、この問題を解決するために、特開
平6−203852号公報、特開平6−236762号
公報、特開平7−176310号公報、特開平8−18
0879号公報、特開平9−199138号公報、特開
平10−3929号公報、特開平10−189005号
公報、特開平10−189012号公報では、触媒ペー
ストに、亜鉛粉末、シリカゾル、炭酸水素アンモニウ
ム、水溶性短繊維、ショウノウ、炭酸リチウム等の造孔
剤を添加し、ホットプレス後に造孔剤を除去して空孔を
増加させる方法が提案されている。しかしながら、これ
らの方法では、ホットプレス後に造孔剤を取り除く工程
が必要であり、工程が煩雑となってしまう。
Therefore, in order to solve this problem, JP-A-6-203852, JP-A-6-236762, JP-A-7-176310, and JP-A-8-18 are available.
In Japanese Patent No. 0879, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-199138, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-3929, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-189005, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-189012, zinc powder, silica sol, ammonium hydrogen carbonate, It has been proposed to add a pore-forming agent such as water-soluble short fibers, camphor and lithium carbonate, and remove the pore-forming agent after hot pressing to increase the number of pores. However, these methods require a step of removing the pore-forming agent after hot pressing, which makes the step complicated.

【0009】また、特開平9−223503号公報で
は、触媒ペーストに高沸点の溶剤を添加し、焼成工程で
蒸発させることにより空孔を増加させる方法が提案され
ている。しかしながら、この方法においても、焼成工程
という付加工程が必要となり、工程の煩雑化の問題を有
している。
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-223503 proposes a method of increasing the number of pores by adding a solvent having a high boiling point to the catalyst paste and evaporating it in the firing step. However, even in this method, an additional step called a firing step is required, and there is a problem of complicated steps.

【0010】さらに、特開平11−329452号公報
では、イオン伝導性物質を含むインキAと、ドデカン酸
メチルエステル等のイオノマー溶解能を示さない溶媒を
含むインキBとを混合してインキCを調製し、このイン
キCで触媒層を形成後、ドデカン酸メチルエステル等の
有機溶剤を蒸発させることにより、空孔を増加させる方
法が提案されている。しかしながら、この方法では、2
種類のインキを用意しなければならず、また、有機溶剤
を蒸発させる作業雰囲気を厳重に管理する必要がある等
の問題がある。
Further, in JP-A-11-329452, an ink C is prepared by mixing an ink A containing an ion conductive substance and an ink B containing a solvent such as methyl dodecanoate which does not dissolve an ionomer. Then, after forming a catalyst layer with this ink C, a method of increasing the number of pores by evaporating an organic solvent such as methyl dodecanoate has been proposed. However, this method
There is a problem that it is necessary to prepare various kinds of ink, and it is necessary to strictly control the working atmosphere for evaporating the organic solvent.

【0011】特開平10−223233号公報では、多
孔質基体(拡散層)中の細孔を触媒ペーストが塞がない
ように、触媒ペーストに炭素繊維を添加することが提案
されている。しかしながら、この電極はカーボンペーパ
ー内部の表面層に触媒層を形成する構成であるため、カ
ーボンペーパーを含まない触媒層を有する本発明の形態
とは異なるものである。
Japanese Unexamined Patent Publication No. 10-223233 proposes to add carbon fibers to the catalyst paste so that the catalyst paste does not block the pores in the porous substrate (diffusion layer). However, since this electrode has a structure in which the catalyst layer is formed on the surface layer inside the carbon paper, it is different from the embodiment of the present invention having the catalyst layer containing no carbon paper.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】固体高分子型燃料電池
にあっては、上記のように、触媒層の体積当たりの発電
効率を高めるために様々な試みがなされているが、満足
の得られる発電効率を発揮するものは未だに製造されて
いないのが実情である。よって、本発明は、煩雑な工程
を付加することなく、発電効率の高い空孔構造を有する
触媒層を形成できる固体高分子型燃料電池用電極を提供
することを目的としている。
As described above, in the polymer electrolyte fuel cell, various attempts have been made to increase the power generation efficiency per volume of the catalyst layer, but satisfactory results have been obtained. The reality is that the ones that exhibit power generation efficiency have not been manufactured yet. Therefore, an object of the present invention is to provide an electrode for a polymer electrolyte fuel cell capable of forming a catalyst layer having a pore structure with high power generation efficiency without adding a complicated process.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明の固体高分子型燃
料電池用電極は、触媒物質、イオン伝導性物質、電子伝
導性物質および造孔剤からなる触媒層を有し、前記触媒
層中の直径60〜1000nmの空孔容積が、0.15
〜0.25cm/gであることを特徴としている。
An electrode for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention has a catalyst layer composed of a catalyst substance, an ion conductive substance, an electron conductive substance and a pore-forming agent. The pore volume of 60 to 1000 nm in diameter is 0.15
It is characterized by being ˜0.25 cm 3 / g.

【0014】本発明の固体高分子型燃料電池用電極は、
例えば電子伝導物質とイオン伝導物質とにより多数の空
孔を有する多孔質体の触媒層において、触媒物質が電子
伝導物質の表面に担持され、またはイオン伝導物質に分
散され、あるいは、この両方の形態として含有された構
成である。
The solid polymer fuel cell electrode of the present invention comprises:
For example, in a catalyst layer of a porous body having a large number of pores due to an electron conductive material and an ion conductive material, the catalyst material is supported on the surface of the electron conductive material, dispersed in the ion conductive material, or both of them. It is a composition included as.

【0015】本発明によれば、上記の構成を形成する際
に特定の造孔剤を用いることにより、触媒層中の直径6
0〜1000nmの空孔容積を0.15〜0.25cm
/gの範囲内にすることができ、良好なガスチャンネ
ルとして機能する空孔構造を有した触媒層が形成され、
高い発電効率を実現することができる。さらに、本発明
においては、上記の空孔容積が0.17〜0.22cm
/gであることがより好ましい形態である。
According to the present invention, a diameter of 6 in the catalyst layer can be obtained by using a specific pore-forming agent when forming the above structure.
0-1000 nm pore volume 0.15-0.25 cm
3 / g, and a catalyst layer having a pore structure that functions as a good gas channel is formed.
High power generation efficiency can be realized. Furthermore, in the present invention, the pore volume is 0.17 to 0.22 cm.
A more preferable form is 3 / g.

【0016】本発明における造孔剤は、直径が0.4μ
m以下の微細な繊維状物質であることが望ましい。この
ような微細な繊維状物質を造孔剤として触媒ペーストに
添加することにより、繊維がピラーとなってプレス時の
荷重を受け持ち、カーボンや固体高分子電解質に必要以
上の圧縮加重が作用することなく、ガスチャンネルが潰
されずに保持されるため、発電効率が向上される。さら
に、このような繊維状物質を用いる利点としては、プレ
ス工程後の触媒層の空孔率を繊維状物質の添加量により
自在に制御することが可能となる。
The pore-forming agent in the present invention has a diameter of 0.4 μm.
It is desirable that the fine fibrous substance is m or less. By adding such a fine fibrous substance to the catalyst paste as a pore-forming agent, the fibers become pillars and bear the load at the time of pressing, and carbon or solid polymer electrolyte is subjected to excessive compression load. Since the gas channel is not crushed and is held, the power generation efficiency is improved. Further, as an advantage of using such a fibrous substance, the porosity of the catalyst layer after the pressing step can be freely controlled by the addition amount of the fibrous substance.

【0017】また、本発明によれば、形成した触媒層中
に繊維状物質を残した状態で触媒層が構成されるため、
造孔剤の除去工程を必要とせず、簡素化された工程によ
り高い発電効率を発揮する固体高分子型燃料電池用電極
を製造することができる。
Further, according to the present invention, since the catalyst layer is formed with the fibrous substance left in the formed catalyst layer,
It is possible to manufacture an electrode for a polymer electrolyte fuel cell that exhibits high power generation efficiency by a simplified process without requiring a pore forming agent removing process.

【0018】上記の繊維状物質としては、アルミナウィ
スカー、シリカウィスカー等の無機繊維、気相成長カー
ボン(炭素ウィスカー)等の炭素繊維、ナイロンやポリ
イミド等の高分子繊維が挙げられるが、これらの中で
も、微細で、かつ電子伝導性を有する炭素ウィスカーが
好ましく用いられる。炭素ウィスカーは、触媒層を構成
する触媒物質や、触媒物質を担持した電子伝導物質に絡
みつくことにより、この電子伝導物質の点接触による導
電パスに加えて新たな導電パスが発現し、このため、触
媒層の電子伝導性が向上する。また、炭素ウィスカー
は、電子伝導性を有するので、触媒物質の電極内での面
積密度の向上を目的として、触媒物質を炭素ウィスカー
の表面にも担持させて用いることもできる。
Examples of the above fibrous substances include inorganic fibers such as alumina whiskers and silica whiskers, carbon fibers such as vapor grown carbon (carbon whiskers), and polymer fibers such as nylon and polyimide. Among these, among these, A carbon whisker that is fine and has electronic conductivity is preferably used. The carbon whiskers are entangled with the catalyst substance that constitutes the catalyst layer and the electron conductive substance carrying the catalyst substance, so that a new conductive path is developed in addition to the conductive path due to the point contact of this electron conductive substance. The electron conductivity of the catalyst layer is improved. Further, since the carbon whiskers have electron conductivity, the catalyst substances can be supported on the surface of the carbon whiskers for the purpose of improving the area density of the catalyst substance in the electrode.

【0019】また、本発明に係る繊維状物質は、自身が
撥水性を有するもの、または表面が撥水化処理されてい
るものであることを好ましい形態としている。前述の如
く、繊維状物質は絡み合って触媒層中に存在することに
より空孔が生じやすく、この空孔がガスチャンネルとし
て機能する。燃料電池にあっては、発電に伴い正極(カ
ソード)側の触媒層内では水蒸気が生成し、その水蒸気
は触媒層の表面側に形成される拡散層を通って系外に排
出される。ここで、その水蒸気が結露すると水がガスチ
ャンネルを閉塞し、ガスの流動性を著しく低下させる。
そこで、繊維状物質が撥水性を有していたり表面が撥水
化処理されていたりすれば、結露が防止されて空孔すな
わちガスチャンネルの閉塞が防止され、ガスの透過性が
確保される。
Further, the fibrous material according to the present invention preferably has a water-repellent property by itself or a surface of which is treated to be water-repellent. As described above, the fibrous substances are entangled with each other and are present in the catalyst layer, so that vacancies are easily generated, and the vacancies function as gas channels. In a fuel cell, steam is generated in the catalyst layer on the positive electrode (cathode) side as power is generated, and the steam is discharged to the outside of the system through a diffusion layer formed on the surface side of the catalyst layer. Here, when the water vapor condenses, water clogs the gas channel and remarkably lowers the fluidity of the gas.
Therefore, if the fibrous substance has water repellency or its surface is treated to be water repellent, dew condensation is prevented, pores, that is, gas channels are prevented from being closed, and gas permeability is secured.

【0020】さらに、本発明に係る繊維状物質は、上記
のように結露によるガスチャンネルの閉塞を防ぐ観点か
ら、自身が親水性を有するもの、または表面が親水化処
理されているものであってもよい。この形態によれば、
発電によって生成した水蒸気が結露する状況になった場
合、水が毛細管現象によって繊維状物質に広がり液滴が
生じない。このため、水の投影面積が小さくなると同時
に、水は乾いた部分に移動し、ガスチャンネルの閉塞が
防止される。例えば、ガスチャンネルの下流側は湿度が
高くなって結露が起こりやすいが、このような場所でも
結露が防止され、発電性能は低下しにくい。また、毛細
管現象によって、水が過剰な場所から水の不足している
場所への水の速やかな移動が起こり、これによって電極
内部では自発的な水不足の解消がなされる。その結果、
加湿量に応じた電圧変動の発生が抑制されるといった効
果が奏される。
Further, the fibrous substance according to the present invention has hydrophilicity on its own or has its surface hydrophilized from the viewpoint of preventing clogging of the gas channel due to dew condensation as described above. Good. According to this form,
When the water vapor generated by the power generation is condensed, the water spreads to the fibrous substance due to the capillary phenomenon and no droplets are generated. For this reason, the projected area of the water becomes small, and at the same time, the water moves to the dry portion, and the blockage of the gas channel is prevented. For example, on the downstream side of the gas channel, the humidity is high and dew condensation is likely to occur. However, dew condensation is prevented even in such a place, and the power generation performance is less likely to deteriorate. In addition, due to the capillary phenomenon, rapid movement of water from a place where water is excessive to a place where water is insufficient occurs, thereby eliminating spontaneous water shortage inside the electrode. as a result,
The effect of suppressing the occurrence of voltage fluctuations according to the amount of humidification is exhibited.

【0021】本発明に係る繊維状物質の触媒層への含有
量は、触媒層の総量に対して5〜25重量%含有されて
いることが好ましい。その理由としては、含有量が5重
量%未満では上記の各効果が発揮されにくくなり、一
方、25重量%を超えると、体積当たりの触媒反応点の
絶対量が少なくなって発電効率の低下を招くからであ
る。
The content of the fibrous substance according to the present invention in the catalyst layer is preferably 5 to 25% by weight based on the total amount of the catalyst layer. The reason is that if the content is less than 5% by weight, each of the above-mentioned effects becomes difficult to be exhibited, while if it exceeds 25% by weight, the absolute amount of catalytic reaction sites per volume is reduced and the power generation efficiency is reduced. Because it invites.

【0022】本発明においては、電子伝導物質として、
例えばカーボンブラック粒子を用いることができ、触媒
物質としては、白金、パラジウム等の白金族金属を用い
ることができる。また、イオン伝導物質としては、フッ
素樹脂系イオン交換樹脂を用いることができる。
In the present invention, as the electron conductive material,
For example, carbon black particles can be used, and a platinum group metal such as platinum or palladium can be used as the catalyst substance. Further, as the ion conductive material, a fluororesin ion exchange resin can be used.

【0023】イオン伝導物質に分散された触媒物質は、
電子伝導物質に担持された触媒物質よりも小さいことが
望ましい。すなわち、より微細な触媒物質がイオン伝導
物質に分散することにより、燃料ガスが活性化される点
が増加して触媒物質の利用率が向上するからである。イ
オン伝導物質に分散された触媒物質の平均粒径は、0.
5〜5nmが望ましく、1〜3nmであればさらに好適
である。また、電子伝導物質に担持された触媒物質の平
均粒径は、1〜8nmが望ましく、3〜5nmであれば
さらに好適である。
The catalyst material dispersed in the ion conductive material is
It is desirable to be smaller than the catalyst material supported on the electron conducting material. That is, when the finer catalyst material is dispersed in the ion conductive material, the number of points at which the fuel gas is activated is increased and the utilization rate of the catalyst material is improved. The average particle size of the catalyst material dispersed in the ion conductive material is 0.
It is preferably 5 to 5 nm, and more preferably 1 to 3 nm. Further, the average particle size of the catalyst material supported on the electron conductive material is preferably 1 to 8 nm, and more preferably 3 to 5 nm.

【0024】イオン伝導物質に分散された触媒物質の量
は、触媒物質の総量の1〜80重量%とすることが望ま
しい。この触媒物質の量が1%未満では、活性化過電圧
が高くなって利用に供し得る電圧が低下し、触媒担持粒
子のみによって触媒物質を賄う場合に対する利点が得難
くなる。また、イオン伝導物質に分散される触媒物質の
量が80重量%を超えると、ほとんどの触媒物質をイオ
ン伝導物質中に分散させることとなり、耐久性を考慮す
ると発電に必要な触媒物質量の担持が困難となる。例え
ば、触媒イオンの置換・還元のみで触媒物質を導入する
場合は、イオン伝導物質のイオン交換容量で触媒物質量
が決定するが、触媒物質を増加させるには置換・還元を
繰り返し行うかイオン伝導物質量を多くすることが挙げ
られる。しかしながら、前者では触媒物質の粒径の成長
が起こり、後者では電極中のガス拡散性が低下するとい
う問題がある。そのため、イオン伝導物質に分散される
触媒物質の量は、全体の触媒物質の量の3〜50重量%
であるとより望ましく、3〜20重量%であればさらに
好適である。また、電子伝導物質に担持させた触媒物質
を増加させることにより、イオン伝導物質と電子伝導物
質との接触面およびその近傍に前記触媒物質を偏在させ
ることができ、触媒の利用率を大きくすることができ
る。さらに、イオン伝導物質中に触媒物質を均一に分散
させることにより、有効な電子伝導ネットワークを構築
することができる。
The amount of the catalyst substance dispersed in the ion conductive material is preferably 1 to 80% by weight based on the total amount of the catalyst substance. When the amount of the catalyst substance is less than 1%, the activation overvoltage becomes high and the voltage that can be used decreases, and it becomes difficult to obtain the advantage over the case where the catalyst substance is covered only by the catalyst-supporting particles. Further, when the amount of the catalyst substance dispersed in the ion conductive substance exceeds 80% by weight, most of the catalyst substance is dispersed in the ion conductive substance, and in consideration of durability, the amount of the catalyst substance required for power generation is supported. Will be difficult. For example, when the catalyst substance is introduced only by replacement / reduction of the catalyst ion, the amount of the catalyst substance is determined by the ion exchange capacity of the ion conductive substance. Increasing the amount of substance can be mentioned. However, in the former case, the particle size of the catalyst substance grows, and in the latter case, there is a problem that the gas diffusivity in the electrode is lowered. Therefore, the amount of the catalytic material dispersed in the ion conductive material is 3 to 50% by weight of the total amount of the catalytic material.
Is more preferable, and 3 to 20% by weight is further preferable. Further, by increasing the amount of the catalyst substance supported on the electron conductive substance, the catalyst substance can be unevenly distributed on the contact surface between the ion conductive substance and the electron conductive substance and in the vicinity thereof, thereby increasing the utilization rate of the catalyst. You can Furthermore, an effective electron conduction network can be constructed by uniformly dispersing the catalyst substance in the ion conductive substance.

【0025】電子伝導物質に対するイオン伝導物質の重
量比は、1.2以下にすることが望ましい。イオン伝導
物質の量が少ないと空孔率が増加してガス拡散性が向上
するが、その一方で白金担持電子伝導物質が充分に被覆
されなくなり、燃料ガスが活性化される点が減少して触
媒物質の利用率が低下してしまう。
The weight ratio of the ion conductive material to the electron conductive material is preferably 1.2 or less. When the amount of ionic conductive material is small, the porosity increases and the gas diffusivity improves, but on the other hand, the platinum-supported electron conductive material is not sufficiently covered, and the point at which the fuel gas is activated decreases. The utilization rate of the catalytic substance is reduced.

【0026】本発明の燃料電池用電極は、次のようにし
て製造することができる。先ず、表面に触媒物質を担持
させた電子伝導物質または触媒物質を有さない電子伝導
物質と、イオン伝導物質と、造孔剤を混合し、この混合
物を触媒物質を含む溶液で処理してイオン置換する。例
えば、イオン伝導物質がスルホン基を有する場合には、
スルホン基のプロトンが触媒物質を含む陽イオンによっ
て置換される。次いで、イオン置換後の混合物を還元雰
囲気にさらすことにより、微細な触媒物質をイオン導電
物質中に分散された触媒ペーストとする。
The fuel cell electrode of the present invention can be manufactured as follows. First, an electron conductive material having a catalytic material supported on the surface or an electron conductive material having no catalytic material, an ion conductive material, and a pore-forming agent are mixed, and the mixture is treated with a solution containing the catalytic material to produce ions. Replace. For example, when the ion conductive material has a sulfone group,
The protons of the sulphonic groups are replaced by cations containing the catalytic material. Next, the mixture after ion substitution is exposed to a reducing atmosphere to obtain a catalyst paste in which fine catalyst substances are dispersed in an ion conductive substance.

【0027】還元方法は、水素や一酸化炭素などの還元
性ガスを用いる気相法(乾式)と、NaBH、ホルム
アルデヒド、ブドウ糖、ヒドラジン等を用いる液相法
(湿式)に大きく分けることができる。本発明ではいず
れの還元方法も採用することができるが、液相法の方が
好ましい。その理由は、液相法による還元では、イオン
伝導物質中の触媒金属イオンが全て還元され、イオン伝
導物質中に触媒物質が均一に分散されるからである。
The reduction method can be roughly divided into a gas phase method (dry method) using a reducing gas such as hydrogen and carbon monoxide, and a liquid phase method (wet method) using NaBH 4 , formaldehyde, glucose, hydrazine and the like. . In the present invention, any reduction method can be adopted, but the liquid phase method is preferable. The reason is that in the reduction by the liquid phase method, all the catalytic metal ions in the ion conductive material are reduced, and the catalytic material is uniformly dispersed in the ion conductive material.

【0028】また、この触媒ペーストは、シート状に形
成してから上記のイオン置換を行うこともできる。ある
いは、触媒ペースト作製後、これを乾燥固化して粉砕
し、粉末化した状態でイオン置換・還元を行った後に、
ペースト状にしてシート状に成形することもできる。ま
た、ペースト作製後にイオン置換・還元を行うこともで
きる。シート状に成形するには、触媒ペーストを膜電極
複合体作製後に剥がすことになるフィルムに塗布する方
法、または触媒ペーストをカーボンペーパーや電解膜に
塗布する方法等、公知の製造方法で作製することができ
る。
The catalyst paste may be formed into a sheet and then subjected to the above-mentioned ion substitution. Alternatively, after the catalyst paste is prepared, it is dried and solidified, pulverized, and subjected to ion substitution / reduction in a powdered state,
It can also be made into a paste and formed into a sheet. Also, ion substitution / reduction can be performed after the paste is prepared. In order to form a sheet, a known manufacturing method such as a method of applying the catalyst paste to a film that is to be peeled off after manufacturing the membrane electrode composite, or a method of applying the catalyst paste to carbon paper or an electrolytic membrane is used. You can

【0029】イオン置換には、触媒金属が白金の場合に
は、Pt(NH(OH)、Pt(NH
、PtCl等の溶液を用いることができる。ま
た、イオン置換される触媒金属イオンは、Pt等の金
属イオンそのものの他、Pt(NH 2+のような
錯体イオンであってもよい。なお、イオン置換を用いな
いでも触媒物質をイオン伝導物質に分散させることがで
きる。例えば、Pt(NH(NO、H
tCl、HPt(OH)等をイオン伝導物質と良
く混合し、その後に触媒金属イオンを還元することで触
媒含有高分子電解質とすることもできる。なお、触媒金
属イオンとは、触媒金属イオンのみならず、錯体イオン
等触媒物質を含むイオン等まで含まれる。
For ion substitution, when the catalyst metal is platinum, Pt (NH 3 ) 4 (OH) 2 and Pt (NH 3 ) 4 C
A solution such as l 2 or PtCl 4 can be used. The catalytic metal ion to be ion-substituted may be a metal ion such as Pt + itself or a complex ion such as Pt (NH 3 ) 4 2+ . The catalyst substance can be dispersed in the ion conductive substance without using ion substitution. For example, Pt (NH 3 ) 2 (NO 2 ) 2 and H 2 P
It is also possible to prepare a catalyst-containing polymer electrolyte by thoroughly mixing tCl 6 , H 2 Pt (OH) 6 and the like with an ion conductive material and then reducing the catalyst metal ions. The catalyst metal ions include not only the catalyst metal ions but also ions containing a catalyst substance such as complex ions.

【0030】[0030]

【実施例】次に、具体的な実施例により本発明を詳細に
説明する。 <試料1〜6>イオン伝導性ポリマー溶液(Nafio
n SE5112、Dupont社製)100gと、触
媒前駆体物質である10%[Pt(NO(N
]硝酸水溶液27.4gと、炭素粒子(ケッチ
ェンブラックEC)5.0gと、造孔剤としての炭素ウ
ィスカー(VGCF(昭和電工社の登録商標)、昭和電
工社製)0〜4.4g(固形分比で0〜25重量%)と
を混合した後、この混合物にエタノール溶液を還元剤と
して添加し、Ptを析出させて、炭素ウィスカーの添加
量を種々変化させた触媒ペーストを調製した。
Next, the present invention will be described in detail with reference to specific examples. <Samples 1 to 6> Ion conductive polymer solution (Nafio
n SE5112, manufactured by Dupont), and 10% [Pt (NO 2 ) 2 (N
H 3 ) 2 ] nitric acid aqueous solution 27.4 g, carbon particles (Ketjen Black EC) 5.0 g, and carbon whiskers (VGCF (registered trademark of Showa Denko KK), Showa Denko KK) 0 as a pore-forming agent After being mixed with 4.4 g (0 to 25% by weight in terms of solid content), an ethanol solution was added to this mixture as a reducing agent to precipitate Pt, and a catalyst paste in which the amount of carbon whiskers added was variously changed. Was prepared.

【0031】次いで、上記の触媒ペーストをテトラフル
オロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(F
EP)製のシート上に塗布乾燥させ、触媒層厚20μm
の電極シートとした。この電極シートの白金塗布量は
0.30mg/cmであった。次に、電極シートをデ
カール法にて高分子電解膜(Nafion 112、D
upont社製)の両面に転写し、膜厚50μmの試料
1〜6の膜電極複合体(MEA)を得た。なお、デカー
ル法による転写とは、電極シートを高分子電解膜に熱圧
着した後にFEPシートを剥離することを言う。
Next, the above catalyst paste was added to a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (F
EP) sheet is applied and dried, and the catalyst layer thickness is 20 μm.
Of the electrode sheet. The platinum coating amount of this electrode sheet was 0.30 mg / cm 2 . Next, the electrode sheet was decal-coated with a polymer electrolyte membrane (Nafion 112, D
(manufactured by Uppont) and transferred to both sides to obtain membrane electrode assemblies (MEA) of Samples 1 to 6 having a film thickness of 50 μm. The transfer by the decal method means that the FEP sheet is peeled after the electrode sheet is thermocompression-bonded to the polymer electrolyte membrane.

【0032】・炭素ウィスカーの添加量と空孔率上記の
試料1〜6の電極シートの触媒層について、水銀圧入法
により触媒層の空孔率を調べた。また、これらの電極シ
ートに対してプレス工程を行った後についても、同様の
方法により触媒層の空孔率を調べた。これらの結果は図
1に示した。
Amount of carbon whiskers added and porosity With respect to the catalyst layers of the electrode sheets of Samples 1 to 6 above, the porosity of the catalyst layers was examined by the mercury intrusion method. Further, the porosity of the catalyst layer was examined by the same method even after the pressing step was performed on these electrode sheets. The results are shown in FIG.

【0033】図1から明らかなように、触媒層の空孔率
は、プレス工程の前後ともに、触媒層への炭素ウィスカ
ーの添加量が増えるにしたがって上昇することが判る。
空孔は、添加された炭素ウィスカーが絡み合うことによ
り形成されるため、炭素ウィスカーが多いほど空孔率が
上昇したと推察される。また、この炭素ウィスカーの繊
維がピラーとなってプレス時の荷重を受け止めるため、
炭素ウィスカーの添加量によりプレス工程後の触媒層の
空孔率を60〜70%の範囲で自在に制御することがで
きることが分かった。
As is clear from FIG. 1, the porosity of the catalyst layer increases before and after the pressing step as the amount of carbon whiskers added to the catalyst layer increases.
Since the voids are formed by the entanglement of the added carbon whiskers, it is presumed that the more the carbon whiskers, the higher the porosity. Also, because the carbon whisker fibers become pillars to receive the load during pressing,
It was found that the porosity of the catalyst layer after the pressing step can be freely controlled within the range of 60 to 70% by the amount of carbon whiskers added.

【0034】・炭素ウィスカーの添加量と微分細孔容積
との関係 上記の試料1〜6の電極シートの触媒層のうち、炭素ウ
ィスカーの添加量が固形分比で0重量%、15重量%、
20重量%のものについて、水銀圧入法により、微分細
孔容積の変化を測定した。この結果は図2に示した。
Relationship between the addition amount of carbon whiskers and the differential pore volume In the catalyst layers of the electrode sheets of Samples 1 to 6 above, the addition amount of carbon whiskers was 0% by weight, 15% by weight in terms of solid content,
For 20% by weight, the change in differential pore volume was measured by the mercury penetration method. The result is shown in FIG.

【0035】図2から明らかなように、炭素ウィスカー
を添加することにより、濃度過電圧低減に有効な細孔で
ある直径60nm以上の細孔容積が大幅に増加し、特
に、15重量%のもので直径90nm付近に、また、2
0重量%のもので直径200nm付近に大幅な増加のピ
ークが見られた。このように造孔剤である炭素ウィスカ
ーの添加量の変化により、所望の直径の細孔を増減させ
ることができることが分かった。
As is clear from FIG. 2, by adding carbon whiskers, the volume of pores having a diameter of 60 nm or more, which are pores effective for reducing the concentration overvoltage, is significantly increased. Around 90nm diameter, 2
With 0% by weight, a large increase peak was observed around a diameter of 200 nm. As described above, it was found that it is possible to increase or decrease the number of pores having a desired diameter by changing the addition amount of carbon whiskers as a pore-forming agent.

【0036】・炭素ウィスカーの添加量と空孔容積の関
係 上記の試料1〜6の電極シートの触媒層について、水銀
圧入法により、触媒層における直径10〜60nmの空
孔および60〜1000nmの空孔の比容積を調べた。
この結果は図3に示した。
-Relationship between the amount of carbon whiskers added and the pore volume With respect to the catalyst layers of the electrode sheets of Samples 1 to 6 above, pores having a diameter of 10 to 60 nm and pores having a diameter of 60 to 1000 nm were formed in the catalyst layer by the mercury intrusion method. The specific volume of the holes was investigated.
The results are shown in FIG.

【0037】図3から明らかなように、直径10〜60
nmの空孔容積は、炭素ウィスカー添加量の増加にかか
わらずほぼ横ばいなのに対し、60〜1000nmの空
孔容積は顕著に増加している。この直径60〜1000
nmの空孔はガスチャンネルとして有効なものであり、
造孔剤である炭素ウィスカーの添加量の増減によりこの
有効なガスチャンネル量を制御できることが分かった。
As is apparent from FIG. 3, the diameter is 10 to 60.
The pore volume of nm is almost flat regardless of the increase in the amount of carbon whiskers added, whereas the pore volume of 60 to 1000 nm is significantly increased. This diameter 60-1000
nm holes are effective as gas channels,
It was found that the effective amount of gas channels can be controlled by increasing or decreasing the amount of carbon whiskers, which are pore-forming agents, added.

【0038】・直径60〜1000nmの空孔容積と端
子電圧 上記の試料1〜6の膜電極複合体について、負極側とし
た一方の触媒層に水素ガスを供給し、正極側とした他方
の触媒層に空気を供給して発電を行い、電流密度が1A
/cm時の細孔比容積に対する端子電圧を測定した。
水素ガスは、温度80℃、湿度25%RH、利用率50
%で供給した。また、空気は、温度80℃、湿度45%
RH、利用率50%で供給した。その結果は図4に示し
た。
-Void volume of 60 to 1000 nm and terminal voltage Regarding the membrane electrode assemblies of Samples 1 to 6 above, hydrogen gas was supplied to one catalyst layer on the negative electrode side and the other catalyst on the positive electrode side. Air is supplied to the bed to generate electricity, and the current density is 1A
The terminal voltage with respect to the specific pore volume at / cm 2 was measured.
Hydrogen gas has a temperature of 80 ° C, humidity of 25% RH, and utilization rate of 50.
Supplied in%. Air has a temperature of 80 ° C and a humidity of 45%.
It was supplied at RH and a utilization rate of 50%. The results are shown in Fig. 4.

【0039】図4から明らかなように、電流密度1A/
cm時の端子電圧は、直径60〜1000nmの空孔
の細孔比容積が0.15〜0.25cm/gである場
合に高い値を示すことが分かった。したがって、本発明
の固体高分子型燃料電池用電極においては、触媒層中の
直径60〜1000nmの空孔容積が、0.15〜0.
25cm/gであることが好適であることが分かっ
た。
As is apparent from FIG. 4, the current density is 1 A /
It was found that the terminal voltage at cm 2 shows a high value when the pore specific volume of the pores having a diameter of 60 to 1000 nm is 0.15 to 0.25 cm 3 / g. Therefore, in the polymer electrolyte fuel cell electrode of the present invention, the pore volume of the catalyst layer having a diameter of 60 to 1000 nm is 0.15 to 0.
It has been found suitable to be 25 cm 3 / g.

【0040】[0040]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の固体高分
子型燃料電池によれば、触媒物質、イオン伝導性物質、
電子伝導性物質および造孔剤からなる触媒層において、
造孔剤として繊維状物質、例えば炭素ウィスカーを用い
ることにより、煩雑な工程を付加することなく、直径6
0〜1000nmの空孔容積を、0.15〜0.25c
/gとし、その結果、高効率の発電を実現するとい
った効果を奏する。
As described above, according to the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, a catalyst substance, an ion conductive substance,
In the catalyst layer composed of the electron conductive substance and the pore former,
By using a fibrous substance as a pore-forming agent, for example, carbon whiskers, a diameter of 6 can be obtained without adding a complicated process.
0-1000 nm pore volume, 0.15-0.25c
With m 3 / g, the effect of realizing highly efficient power generation is achieved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明の固体高分子型燃料電池用電極におけ
る、炭素ウィスカーの添加量と触媒層の空孔率との関係
を示す線図である。
FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the amount of carbon whiskers added and the porosity of the catalyst layer in the polymer electrolyte fuel cell electrode of the present invention.

【図2】 本発明の固体高分子型燃料電池用電極におけ
る、炭素ウィスカーの添加量と微分細孔容積との関係を
示す線図である。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the amount of carbon whiskers added and the differential pore volume in the polymer electrolyte fuel cell electrode of the present invention.

【図3】 本発明の固体高分子型燃料電池用電極におけ
る、炭素ウィスカーの添加量と、直径10〜60nmの
空孔および60〜1000nmの空孔細孔比容積との関
係を示す線図である。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the amount of carbon whiskers added and the specific pore volume of pores with a diameter of 10 to 60 nm and pores with a diameter of 60 to 1000 nm in the polymer electrolyte fuel cell electrode of the present invention. is there.

【図4】 本発明の固体高分子型燃料電池用電極におけ
る、直径60〜1000nmの空孔細孔比容積と、電流
密度1A/cm時の端子電圧との関係を示す線図であ
る。
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a pore pore specific volume having a diameter of 60 to 1000 nm and a terminal voltage at a current density of 1 A / cm 2 in the electrode for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高山 克彦 埼玉県和光市中央一丁目4番1号 株式会 社本田技術研究所内 Fターム(参考) 5H018 AA06 AS02 AS03 BB03 BB06 BB08 BB12 BB17 CC06 DD05 EE03 EE05 EE08 EE11 EE17 EE18 HH00 HH01 HH04 5H026 AA06 CX02 EE05 HH01 HH02 HH04    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Katsuhiko Takayama             1-4-1 Chuo 1-4-1 Wako City, Saitama Prefecture             Inside Honda Research Laboratory F-term (reference) 5H018 AA06 AS02 AS03 BB03 BB06                       BB08 BB12 BB17 CC06 DD05                       EE03 EE05 EE08 EE11 EE17                       EE18 HH00 HH01 HH04                 5H026 AA06 CX02 EE05 HH01 HH02                       HH04

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 触媒物質、イオン伝導性物質、電子伝導
性物質および造孔剤からなる触媒層を有し、前記触媒層
中の直径60〜1000nmの空孔容積が、0.15〜
0.25cm/gであることを特徴とする固体高分子
型燃料電池用電極。
1. A catalyst layer comprising a catalyst substance, an ion conductive substance, an electron conductive substance and a pore forming agent, wherein the pore volume of the catalyst layer having a diameter of 60 to 1000 nm is 0.15 to 0.15.
It is 0.25 cm < 3 > / g and the electrode for polymer electrolyte fuel cells characterized by the above-mentioned.
【請求項2】 前記空孔容積は、0.17〜0.22c
/gであることを特徴とする請求頂1に記載の固体
高分子型燃料電池用電極。
2. The pore volume is 0.17 to 0.22c.
The electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the electrode is m 3 / g.
【請求項3】 前記造孔剤は、直径が0.4μm以下の
微細な繊維状物質であることを特徴とする請求項1また
は2に記載の固体高分子型燃料電池用電極。
3. The polymer electrolyte fuel cell electrode according to claim 1, wherein the pore-forming agent is a fine fibrous substance having a diameter of 0.4 μm or less.
【請求項4】 前記繊維状物質は、炭素ウィスカーであ
ることを特徴とする請求項3に記載の固体高分子型燃料
電池用電極。
4. The electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 3, wherein the fibrous material is carbon whiskers.
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