JP2009140657A - Electrode catalyst for fuel cell - Google Patents

Electrode catalyst for fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP2009140657A
JP2009140657A JP2007313705A JP2007313705A JP2009140657A JP 2009140657 A JP2009140657 A JP 2009140657A JP 2007313705 A JP2007313705 A JP 2007313705A JP 2007313705 A JP2007313705 A JP 2007313705A JP 2009140657 A JP2009140657 A JP 2009140657A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrode catalyst
electrode
catalyst
thin film
plane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2007313705A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tomokatsu Himeno
友克 姫野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2007313705A priority Critical patent/JP2009140657A/en
Publication of JP2009140657A publication Critical patent/JP2009140657A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

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

Landscapes

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

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode catalyst for a fuel cell for sufficiently obtaining catalyst activation. <P>SOLUTION: In the electrode catalyst including a carrier material and a catalyst component thin film formed on the carrier material, when a crystal orientation ratio on a (110) plane against the film thickness direction of the catalyst component thin film is displayed by the (110) plane of the catalyst component thin film/((100) plane of the catalyst component thin film +(111) plane of the catalyst component thin film), the crystal orientation ratio of the (110) plane exceeds 1. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、電極触媒、特に燃料電池用の電極触媒に関するものである。   The present invention relates to an electrode catalyst, particularly an electrode catalyst for a fuel cell.

固体高分子型燃料電池(PEFC)は、他のリン酸型燃料電池(PAFC)、アルカリ型燃料電池(AFC)などの燃料電池と比較しても常温で起動でき電解質の逸散・保持の問題が少なくメンテナンスが容易である。しかし、電極反応に使用される触媒成分としての白金は、資源供給量に問題があり、白金触媒量の一層の低減や白金に替わる触媒の開発が必要とされている。   The polymer electrolyte fuel cell (PEFC) can be started at room temperature compared to other fuel cells such as phosphoric acid fuel cells (PAFC) and alkaline fuel cells (AFC), and the problem of electrolyte dissipation and retention There are few and maintenance is easy. However, platinum as a catalyst component used for the electrode reaction has a problem in the amount of resource supply, and further reduction of the amount of platinum catalyst and development of a catalyst replacing platinum are required.

電極反応はいわゆる三相界面(電解質−触媒電極−反応ガス)でおこるが、PEFCでは電解質が固体膜であるために、反応場所が電極と膜との接触界面に限定され、白金の利用率が低下する傾向にある。このため、一般的に、燃料電池の電極触媒に用いられる触媒物質の形態は、カーボンブラック等の導電性担体粒子の表面に白金を含む触媒粒子を高分散に配置し、高い触媒表面積をもつような形状を有している。   The electrode reaction takes place at the so-called three-phase interface (electrolyte-catalyst electrode-reactive gas), but in PEFC, the electrolyte is a solid film, so the reaction site is limited to the contact interface between the electrode and the film, and the platinum utilization rate is It tends to decrease. For this reason, in general, the catalyst material used for the electrode catalyst of the fuel cell is such that the catalyst particles containing platinum are arranged in a highly dispersed manner on the surface of conductive carrier particles such as carbon black so that the catalyst surface area is high. It has a different shape.

しかしながら、カーボンブラック等の導電性担体粒子に白金を担持させる際に還元処理及び熱処理を行う必要があり、これらの条件によっては、白金の結晶性の低下や結晶粒子の粗大化を招き十分な触媒活性が得られなくなるといった問題があった。   However, when platinum is supported on conductive carrier particles such as carbon black, it is necessary to perform a reduction treatment and a heat treatment. Depending on these conditions, a sufficient catalyst may be caused due to a decrease in the crystallinity of the platinum or a coarsening of the crystal particles. There was a problem that the activity could not be obtained.

そのため、かかる問題を解決する技術として特許文献1がある。特許文献1では、物理的成膜法によって導電性粉体の表面に膜状に触媒を付着させることによって、低温で結晶性の良好な触媒となり、より少ない白金量で優れた触媒活性が得られたとしている。
特開2005−222736号公報
Therefore, there is Patent Document 1 as a technique for solving such a problem. In Patent Document 1, the catalyst is deposited in the form of a film on the surface of the conductive powder by a physical film formation method, whereby a catalyst having good crystallinity at a low temperature is obtained, and excellent catalytic activity is obtained with a smaller amount of platinum. I'm trying.
JP 2005-2222736 A

しかしながら、特許文献1に記載のような、ただ単に膜状に触媒を付着させるだけでは十分な触媒活性を得ることはできなかった。   However, as described in Patent Document 1, sufficient catalytic activity cannot be obtained simply by attaching the catalyst in a film form.

そこで本発明は、担体物質と、前記担体物質上に形成された触媒成分薄膜とを含む電極触媒であって、前記触媒成分薄膜の膜厚方向に対する(110)面の結晶配向比率を、   Therefore, the present invention is an electrode catalyst including a support material and a catalyst component thin film formed on the support material, wherein the crystal orientation ratio of the (110) plane with respect to the film thickness direction of the catalyst component thin film is

Figure 2009140657
Figure 2009140657

で表したとき、前記(110)面の結晶配向比率が1を超えることを特徴とする電極触媒により上記課題を解決する。 The above problem is solved by an electrode catalyst characterized in that the crystal orientation ratio of the (110) plane exceeds 1.

本発明では、触媒形状を粒子状ではなく薄膜状とし、さらには担体物質と薄膜作製条件により特定の方向に配向した触媒成分薄膜を作製し、特に(110)面方向に強く結晶配向した触媒成分薄膜とすることで、触媒活性を大幅に向上できることを見出した。これにより、固体高分子型燃料電池の電池性能の向上を実現できる。   In the present invention, the catalyst shape is made into a thin film instead of a particle, and further, a catalyst component thin film oriented in a specific direction according to the support material and the thin film production conditions is produced, and in particular, the catalyst component strongly crystallized in the (110) plane direction It has been found that the catalytic activity can be greatly improved by using a thin film. Thereby, the improvement of the cell performance of a polymer electrolyte fuel cell is realizable.

本発明の第一は、担体物質と、前記担体物質上に形成された触媒成分薄膜とを含む電極触媒であって、前記触媒成分薄膜の膜厚方向に対する(110)面の結晶配向比率を、   The first of the present invention is an electrode catalyst comprising a support material and a catalyst component thin film formed on the support material, wherein the crystal orientation ratio of the (110) plane relative to the film thickness direction of the catalyst component thin film is

Figure 2009140657
Figure 2009140657

で表したとき、前記(110)面の結晶配向比率が1を超えることを特徴とする電極触媒である。 The electrode catalyst is characterized in that the crystal orientation ratio of the (110) plane exceeds 1.

これにより、特に低指数面として(110)方向に強く結晶配向した触媒薄膜を作製することが、触媒活性の大幅な向上に寄与する。その結果、触媒自身が持つ比活性が大幅に向上するため、触媒活性の向上が可能となり、当該電極触媒を搭載した固体高分子型燃料電池は、良好な電池性能を示す固体高分子型燃料電池を提供することができる。   Thus, producing a catalyst thin film that is strongly crystallized in the (110) direction particularly as a low index plane contributes to a significant improvement in catalyst activity. As a result, the specific activity of the catalyst itself is greatly improved, so that the catalytic activity can be improved, and the polymer electrolyte fuel cell equipped with the electrode catalyst is a polymer electrolyte fuel cell exhibiting good cell performance. Can be provided.

なお、本明細書における「電極触媒」とは、触媒成分と担体物質とを含むものであり、カソード電極触媒およびアノード電極触媒をいう。さらに、「電極触媒層」とは、カソード電極触媒(層)/アノード電極触媒(層)(以下、単に「電極触媒(層)」とも称する)には、上記電極触媒の他に、高分子電解質が含まれる。また、本明細書における「膜−電極接合体」は、高分子電解質膜の片面にアノード電極触媒層が配置され、他方の面にカソード電極触媒層が配置され、さらにアノード電極触媒層およびカソード電極触媒層の他方の面にガス拡散層が配置されているものをいう。   The “electrode catalyst” in the present specification includes a catalyst component and a support material, and refers to a cathode electrode catalyst and an anode electrode catalyst. Furthermore, the “electrode catalyst layer” refers to a cathode electrode catalyst (layer) / anode electrode catalyst (layer) (hereinafter, also simply referred to as “electrode catalyst (layer)”). Is included. In addition, the “membrane-electrode assembly” in the present specification includes an anode electrode catalyst layer disposed on one surface of a polymer electrolyte membrane, a cathode electrode catalyst layer disposed on the other surface, and an anode electrode catalyst layer and a cathode electrode. A gas diffusion layer is disposed on the other surface of the catalyst layer.

本発明に係る各結晶面の配向は、例えばX線回折により求められた回折ピーク強度比を用いることで確認することができる。また、前記触媒成分薄膜の膜厚方向に対する(110)面の結晶配向比率は、X線回折で測定した(220)面のピーク強度I(220)と、他の(111)面のピーク強度I(111)および(200)面のピーク強度I(200)の和が、   The orientation of each crystal plane according to the present invention can be confirmed by using, for example, a diffraction peak intensity ratio obtained by X-ray diffraction. Further, the crystal orientation ratio of the (110) plane with respect to the film thickness direction of the catalyst component thin film is such that the peak intensity I (220) of the (220) plane measured by X-ray diffraction and the peak intensity I of the other (111) planes. The sum of the peak intensities I (200) of the (111) and (200) planes is

Figure 2009140657
Figure 2009140657

の関係であることが好ましい。 It is preferable that

なお、X線回折で測定される(200)及び(220)面は、低指数面である(100)面及び(110)面の倍周期であるため等価である。   Note that the (200) and (220) planes measured by X-ray diffraction are equivalent to the (100) and (110) planes which are low index planes.

なお、本発明においてのX線回折に用いたXRD測定装置は、マック・サイエンス社製 X線回折装置(MXP18VAHF型) 電圧・電流:40kV、300mA X線波長:CuKαである。また、上記ピーク強度の算出法は、上記装置を用いて、試料にX線を照射したとき、その入射X線に対してブラッグの条件を満たす角度だけ傾けたとき、ある格子面によって回折される。この原理を利用して、Ptなどの触媒成分の各結晶面の回折ピークデータベースを用い、試料のもつ各結晶面のピーク強度を算出している。   The XRD measurement apparatus used for X-ray diffraction in the present invention is an X-ray diffraction apparatus (MXP18VAHF type) manufactured by Mac Science Co., Ltd. Voltage / current: 40 kV, 300 mA X-ray wavelength: CuKα. In addition, when the sample is irradiated with X-rays using the above apparatus, the peak intensity is diffracted by a certain lattice plane when tilted by an angle satisfying the Bragg condition with respect to the incident X-rays. . Using this principle, the peak intensity of each crystal plane of the sample is calculated using the diffraction peak database of each crystal plane of the catalyst component such as Pt.

本明細書において「薄膜状」とは、担持体表面に対し粒子状ではなく、薄い膜厚で連続的または断続的に配置されている状態を指す。薄膜状に触媒を形成する際、担体構造や担持手法により、特定の結晶配向に制御することができ、例えば担体表面の結晶構造を変えることにより、その上に形成される薄膜状触媒の結晶配向を制御することができる。粒子状では困難であった(110)面の結晶配向の割合を増加することができる。   In this specification, the “thin film” refers to a state in which the film is not particulate but is continuously or intermittently disposed with a thin film thickness on the surface of the carrier. When forming a catalyst in a thin film state, it can be controlled to a specific crystal orientation depending on the support structure and support method. For example, by changing the crystal structure of the support surface, the crystal orientation of the thin film catalyst formed thereon Can be controlled. It is possible to increase the crystal orientation ratio of the (110) plane, which was difficult in the form of particles.

これにより、高い触媒活性を得ることができ、かつ耐久性の向上に寄与することが可能となり、高耐久かつ良好な固体高分子型電池性能を示す燃料電池を提供することができる。   As a result, high catalytic activity can be obtained, and it is possible to contribute to improvement in durability, and a fuel cell exhibiting high durability and good solid polymer battery performance can be provided.

本発明に係る触媒成分薄膜に用いられる触媒成分は、カソード電極触媒(層)では、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく、公知の触媒が同様にして使用できる。また、アノード電極触媒(層)では、酸素の還元反応に触媒作用を有する機能以外に水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。これらのうち、本発明に係る触媒成分薄膜に用いられる触媒成分は、少なくともPt、あるいはPtを含む合金であることが好ましい。   The catalyst component used in the catalyst component thin film according to the present invention is not particularly limited as long as it has a catalytic action for oxygen reduction reaction in the cathode electrode catalyst (layer), and a known catalyst can be used in the same manner. The anode electrode catalyst (layer) is not particularly limited as long as it has a catalytic action on the hydrogen oxidation reaction in addition to the function having a catalytic action on the oxygen reduction reaction, and a known catalyst can be used in the same manner. Specifically, it is selected from platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum and the like, and alloys thereof. Is done. Of these, the catalyst component used in the catalyst component thin film according to the present invention is preferably at least Pt or an alloy containing Pt.

前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金が30〜90原子%、合金化する金属が10〜70原子%とするのがよい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。   The composition of the alloy is preferably 30 to 90 atomic% for platinum and 10 to 70 atomic% for the metal to be alloyed, depending on the type of metal to be alloyed. In general, an alloy is a generic term for a metal element having one or more metal elements or non-metal elements added and having metallic properties.

合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがある。しかし、本発明ではいずれであってもよい。   The alloy structure consists of a eutectic alloy, which is a mixture of the component elements as separate crystals, a component element completely melted into a solid solution, and a component element composed of an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. There are things that are forming. However, any may be used in the present invention.

また、触媒成分薄膜は複数の層で形成されていてもよく、例えばPt層とPt合金層からなる二層構造やその他の金属が含まれる多層構造であってもよい。   Moreover, the catalyst component thin film may be formed of a plurality of layers, and may be, for example, a two-layer structure including a Pt layer and a Pt alloy layer or a multilayer structure including other metals.

さらに、本発明に係る触媒成分薄膜の厚みは、担体物質に対し触媒成分を薄膜状に形成させる際、触媒成分薄膜の厚みを1〜200nmの範囲にすることが好ましく、1〜20nmの範囲とすることがより好ましく、2〜10nmの範囲にすることが特に好ましい。   Furthermore, the thickness of the catalyst component thin film according to the present invention is preferably such that the thickness of the catalyst component thin film is in the range of 1 to 200 nm when the catalyst component is formed in a thin film form on the support material. It is more preferable to make it within a range of 2 to 10 nm.

当該触媒成分薄膜の厚みが、1〜200nmの範囲であると、触媒活性と触媒使用量の両立を図ることが可能となる。一方、薄膜厚みが本範囲を外れ、厚すぎると必然的に触媒使用量の増加を招くこととなり、コスト増になる可能性がある。また、さらには電極触媒層の空隙を埋めてしまう可能性があり、ガス拡散性の阻害や触媒利用率の低下を招く恐れがある。上記に記載の厚み範囲にあればよく、より好ましくは酸化還元活性の高いPtあるいはPt合金金属薄膜が1〜20nmの範囲にあるとよい。また、本発明の触媒成分薄膜自体は、薄膜で形成されているため、粒子状の触媒と比べ、比表面積が小さいことから、燃料電池の運転モード、例えば負荷サイクル運転などで顕著化する白金溶出を抑制・防止することができる。   When the thickness of the catalyst component thin film is in the range of 1 to 200 nm, both the catalyst activity and the amount of catalyst used can be achieved. On the other hand, if the thickness of the thin film is out of this range and is too thick, the amount of the catalyst used is inevitably increased, which may increase the cost. Furthermore, there is a possibility that the gaps in the electrode catalyst layer may be filled, and there is a risk of inhibiting gas diffusibility and reducing the catalyst utilization rate. The thickness may be in the above-described thickness range, and more preferably, the Pt or Pt alloy metal thin film having high redox activity is in the range of 1 to 20 nm. In addition, since the catalyst component thin film itself of the present invention is formed of a thin film, the specific surface area is smaller than that of the particulate catalyst, so that the platinum elution is prominent in the operation mode of the fuel cell, for example, duty cycle operation. Can be suppressed / prevented.

なお、本発明に係る触媒成分薄膜の厚みは、透過型電子顕微鏡TEMにて観察し測定している。   The thickness of the catalyst component thin film according to the present invention is measured by observation with a transmission electron microscope TEM.

これにより、高い触媒活性を得ることができ、かつ耐久性の向上に寄与することが可能となり、高耐久かつ良好な固体高分子型電池性能を示す燃料電池を提供することができる
本発明に係る触媒成分薄膜を形成する担体物質は、導電性担体物質および導電性高分子を表面に被覆している導電性担体物質からなる群から選択された少なくとも一つを200〜3000℃で熱処理して得られることが好ましく、1000〜3000℃で熱処理して得られることがより好ましく、特に2000〜3000℃で熱処理して得られることが好ましい。
As a result, it is possible to provide a fuel cell that can obtain a high catalytic activity and contribute to improvement in durability, and can exhibit high durability and good polymer electrolyte battery performance. The carrier material for forming the catalyst component thin film is obtained by heat-treating at 200 to 3000 ° C. at least one selected from the group consisting of a conductive carrier material and a conductive carrier material having a surface coated with a conductive polymer. It is preferable that the heat treatment be performed at 1000 to 3000 ° C, and it is preferable that the heat treatment be performed at 2000 to 3000 ° C.

これにより、本発明の担体物質上に形成される触媒成分薄膜が、(110)面の結晶配向の割合を増加することができる。   Thereby, the catalyst component thin film formed on the support material of the present invention can increase the ratio of crystal orientation of the (110) plane.

本発明に係る導電性高分子は、特に限定されることはないが、ポリアセチレン、ポリ−p−フェニレン、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリインドール、ポリ−2,5−ジアミノアントラキノン、ポリ(o−フェニレンジアミン)、ポリ(キノリニウム)塩、ポリ(イソキノリニウム)塩、ポリピリジン、ポリキノキサリン、ポリフェニルキノキサリン等の導電性高分子材料を挙げることができ、これらの導電性高分子は種々の置換基を有していてもよい。置換基を有する場合の該置換基の具体例としては、アルキル基、水酸基、アルコキシ基、アミノ基、カルボキシル基、スルホン酸基、ハロゲン基、ニトロ基、シアノ基、アルキルスルホン酸基、ジアルキルアミノ基、等を挙げることができる。   The conductive polymer according to the present invention is not particularly limited, but polyacetylene, poly-p-phenylene, polyaniline, polythiophene, polyindole, poly-2,5-diaminoanthraquinone, poly (o-phenylenediamine) , Poly (quinolinium) salts, poly (isoquinolinium) salts, polypyridines, polyquinoxalines, polyphenylquinoxalines, and the like, and these conductive polymers have various substituents. Also good. Specific examples of the substituent in the case of having a substituent include an alkyl group, a hydroxyl group, an alkoxy group, an amino group, a carboxyl group, a sulfonic acid group, a halogen group, a nitro group, a cyano group, an alkylsulfonic acid group, and a dialkylamino group. , Etc.

本発明に係る導電性担体物質は、具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン材料、より具体的には、アセチレンブラック、バルカン、ケッチェンブラック、ブラックパール、黒鉛化アセチレンブラック、黒鉛化バルカン、黒鉛化ケッチェンブラック、黒鉛化カーボン、黒鉛化ブラックパール、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、及びカーボンフィブリル、繊維状炭素などから選ばれる少なくとも一種を主成分として含む炭素材料や、ニッケル、金等の金属材料などを挙げることができる。なお、本発明に係る担体物質は、上記例示した担体物質を1種以上含んでもよい。これにより、触媒自身が持つ比活性が大幅に向上するため、触媒活性の向上が可能となり、良好な電池性能を示す固体高分子型燃料電池を提供することができる
なお、本発明において「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。導電性担体に、上記に挙げた炭素材を本発明に係る電極に使用することによって、ロスの少ない高性能アノード極が得られる。
The conductive carrier material according to the present invention is specifically a carbon material composed of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite, etc., more specifically, acetylene black, vulcan, ketjen black, black pearl. Mainly at least one selected from graphitized acetylene black, graphitized vulcan, graphitized ketjen black, graphitized carbon, graphitized black pearl, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, carbon fibril, and fibrous carbon Examples thereof include a carbon material contained as a component and a metal material such as nickel and gold. The carrier material according to the present invention may contain one or more of the above exemplified carrier materials. As a result, the specific activity of the catalyst itself is greatly improved, so that the catalytic activity can be improved, and a polymer electrolyte fuel cell exhibiting good battery performance can be provided. “Is a carbon” means to contain a carbon atom as a main component, and is a concept that includes both a carbon atom only and a substantially carbon atom. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by mass or less is allowed. By using the carbon materials listed above for the electrode according to the present invention as the conductive support, a high performance anode electrode with less loss can be obtained.

本発明に係る導電性担体物質の形状は、特に制限されるものではなく、粒子状のもの、繊維状物質、フィブリル形状、メッシュ形状、平板状など挙げられるが、中でも薄膜状の触媒成分を担持するには、導電性担体物質の形状としては例えば繊維状物質やフィブリル形状、メッシュ形状を持つものである方がより好ましい。   The shape of the conductive carrier material according to the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a particulate material, a fibrous material, a fibril shape, a mesh shape, and a flat plate shape. For this, it is more preferable that the conductive carrier material has, for example, a fibrous material, a fibril shape, or a mesh shape.

前記導電性担体が粒子状の場合の大きさは、特に限定されず、担持の容易さ、触媒利用率、電極触媒(層)の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点から、1次粒子径が2〜100nm、好ましくは20〜50nm程度とするのがよい。   The size of the conductive carrier in the form of particles is not particularly limited. From the viewpoint of controlling the ease of loading, the catalyst utilization, and the thickness of the electrode catalyst (layer) within an appropriate range, the primary particles. The diameter is 2 to 100 nm, preferably about 20 to 50 nm.

当該導電性材料1次粒子径が2nm以上であれば、触媒成分粒子径に対して小さすぎることなく、高分散担持を維持することが容易になり、100nm以下だと担体として十分な比表面積が得られるため触媒成分の凝集が生じることなく十分な電極性能が得られる。   If the primary particle diameter of the conductive material is 2 nm or more, it becomes easy to maintain highly dispersed support without being too small with respect to the catalyst component particle diameter. As a result, sufficient electrode performance can be obtained without aggregation of catalyst components.

また、本発明に係る導電性担体の空孔率は、5〜80体積%が好ましく、10〜70体積%がより好ましい。   Moreover, 5-80 volume% is preferable and, as for the porosity of the electroconductive support | carrier which concerns on this invention, 10-70 volume% is more preferable.

本発明に係る導電性担体が粒子状の場合の1次粒子径の測定方法としては、透過型電子顕微鏡像の任意の8視野中に観察される導電性材料の1次粒子の粒径をすべて測定し(総計N>60)、その粒径の中央値を1次粒子径とする条件で行なった。しかし、この測定方法に限らず公知の方法で1次粒子径を算出することができる。なお、本明細書において「1次粒子」とは、導電性担体、例えば上記のカーボンブラックなどの炭素材は、一般的に複数凝集しているが、その個々の粒子をいい、凝集体を構成する個々の粒子をいう。   As a method for measuring the primary particle diameter when the conductive carrier according to the present invention is in the form of particles, all the particle diameters of the primary particles of the conductive material observed in any eight visual fields of the transmission electron microscope image are used. Measurement was performed (total N> 60), and the conditions were such that the median particle size was the primary particle size. However, the primary particle diameter can be calculated not only by this measuring method but also by a known method. In the present specification, “primary particles” are generally a plurality of conductive carriers, for example, carbon materials such as the above-mentioned carbon black, which are aggregated. An individual particle.

本発明に係る担体物質の形状は、特に制限されるものではなく、粒子状のもの、繊維状物質、フィブリル形状、メッシュ形状、平板状など挙げられるが、中でも薄膜状の触媒成分を担持するには、担体物質の形状としては例えば繊維状物質やフィブリル形状、メッシュ形状を持つものである方がより好ましい。   The shape of the carrier material according to the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a particulate material, a fibrous material, a fibril shape, a mesh shape, and a flat plate shape. More preferably, the carrier material has, for example, a fibrous material, a fibril shape, or a mesh shape.

また、当該担体物質の選択によっては、形成される触媒成分薄膜の結晶配向等を制御することが可能となる。特に、触媒成分薄膜を形成するPtあるいはPt合金等と格子定数が近い金属材料等を用いることで、触媒成分薄膜の結晶配向制御をより容易にすることが可能となる。触媒自身が持つ比活性が大幅に向上するため、触媒活性の向上が可能となり、良好な電池性能を示す固体高分子型燃料電池を提供することができる。   Further, depending on the selection of the carrier material, it is possible to control the crystal orientation and the like of the formed catalyst component thin film. In particular, it is possible to more easily control the crystal orientation of the catalyst component thin film by using a metal material or the like having a lattice constant close to that of Pt or Pt alloy that forms the catalyst component thin film. Since the specific activity of the catalyst itself is greatly improved, the catalytic activity can be improved, and a polymer electrolyte fuel cell exhibiting good battery performance can be provided.

本発明に係る触媒成分薄膜は、溶液還元、電析、真空蒸着、スパッタリング、およびCVDからなる群から選択される方法により作製されることが好ましい。   The catalyst component thin film according to the present invention is preferably produced by a method selected from the group consisting of solution reduction, electrodeposition, vacuum deposition, sputtering, and CVD.

上記の担体物質上に触媒成分薄膜を形成する方法として、溶液還元法や電析等の湿式法やスパッタリング等の蒸着による乾式法を選択できるが、薄膜形状を有する触媒金属の作製には乾式法がより適している。特に、スパッタリング法は蒸着する際の金属粒子のエネルギーが大きく、より緻密な薄膜形成を行うことができるため、本発明においてより効果的である。用いる担体物質としては上記の材料を用い、特に触媒となる金属と格子定数が近い金属材料等を用いることで、触媒成分薄膜の結晶配向制御をより容易にすることが可能になる。例えば担体表面構造が(110)面に配向している傾向が強いものを選択することにより、その表面上に形成される触媒成分薄膜の結晶配向を(110)面に配向させることが容易になる。   As a method for forming a catalyst component thin film on the above-mentioned support material, a wet method such as a solution reduction method or electrodeposition, or a dry method by vapor deposition such as sputtering can be selected, but a dry method is used for producing a catalyst metal having a thin film shape. Is more suitable. In particular, the sputtering method is more effective in the present invention because the energy of the metal particles during vapor deposition is large and a denser thin film can be formed. As the carrier substance to be used, the above-mentioned materials are used, and in particular, by using a metal material having a lattice constant close to that of the metal serving as a catalyst, it becomes possible to control the crystal orientation of the catalyst component thin film more easily. For example, by selecting a carrier whose surface structure has a strong tendency to be oriented in the (110) plane, it becomes easy to orient the crystal orientation of the catalyst component thin film formed on the surface to the (110) plane. .

またこれにより、触媒自身が持つ比活性が大幅に向上するため、触媒活性の向上が可能となり、良好な電池性能を示す固体高分子型燃料電池を提供することができる。   In addition, since the specific activity of the catalyst itself is greatly improved, the catalytic activity can be improved, and a polymer electrolyte fuel cell exhibiting good battery performance can be provided.

本発明に係る導電性担体物質の表面に導電性高分子を被覆する方法は、重合することにより上記導電性高分子を形成する単量体を、溶媒に好ましくは0.01〜5mol/l、より好ましくは0.1〜1mol/lで溶解させた後、当該単量体を含有する溶液を調製する。次いで、当該溶液に導電性担体物質を含浸させ、陽極に導電性担体物質を、陰極にグラファイト棒を用いて、室温、5〜100分間で電解酸化重合により厚さ1〜30μmの導電性高分子層を形成する。   In the method of coating the surface of the conductive carrier material according to the present invention with a conductive polymer, a monomer that forms the conductive polymer by polymerization is preferably used in a solvent of 0.01 to 5 mol / l, More preferably, after dissolving at 0.1-1 mol / l, a solution containing the monomer is prepared. Next, the solution is impregnated with a conductive carrier material, a conductive carrier material is used for the anode, a graphite rod is used for the cathode, and a conductive polymer having a thickness of 1 to 30 μm by electrolytic oxidation polymerization at room temperature for 5 to 100 minutes. Form a layer.

上記溶媒は、重合することにより上記導電性高分子を形成する単量体を溶解できる溶媒であれば特に制限されることはなく、重合条件などで適宜選択されるものであるが、テトラヒドロフラン(THF)、アセトニトリル(AN)、 N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、水、ヘキサンなどが挙げられる。   The solvent is not particularly limited as long as it is a solvent that can dissolve the monomer that forms the conductive polymer by polymerization, and is appropriately selected according to polymerization conditions. ), Acetonitrile (AN), N, N-dimethylformamide (DMF), water, hexane and the like.

その他の本発明に係る導電性担体物質の表面に導電性高分子を被覆する方法は、導電性高分子を溶媒に溶解させた後ディッピング法、スピンコーティング法、含浸法、噴霧熱分解法など公知の方法で塗布・乾燥をして導電性高分子層を形成できる。   Other methods of coating the surface of the conductive carrier material according to the present invention with a conductive polymer include known methods such as dipping, spin coating, impregnation, and spray pyrolysis after dissolving the conductive polymer in a solvent. The conductive polymer layer can be formed by coating and drying by the above method.

本発明に係る導電性担体物質を熱処理する時間は、1〜30分間が好ましく、5〜20分間がより好ましい。   The time for heat-treating the conductive carrier material according to the present invention is preferably 1 to 30 minutes, more preferably 5 to 20 minutes.

本発明に係る担体物質は比表面積が10〜500m/gの範囲にあることが好ましく、20〜250m/gの範囲にあることがより好ましく、25〜200m/gの範囲にあることがより好ましい。10m/g未満の場合、所望の触媒成分量を得る際に、触媒層全体の厚み増加を招き、良好な電池性能を得られにくくなる可能性がある。一方、500m/gを超える場合、薄膜状触媒金属の有効利用率が低下するといった可能性がある。 Carrier material according to the present invention is preferably a specific surface area in the range of 10 to 500 m 2 / g, more preferably in the range of 20~250m 2 / g, in the range of 25~200m 2 / g Is more preferable. When the amount is less than 10 m 2 / g, when obtaining a desired amount of the catalyst component, the thickness of the entire catalyst layer is increased, and it may be difficult to obtain good battery performance. On the other hand, when exceeding 500 m < 2 > / g, there exists a possibility that the effective utilization factor of a thin film-like catalyst metal may fall.

なお、本発明における「比表面積」とは、BET比表面積であり、一般的に比表面積の測定方法は、透過法(Kozeny Carman法)、容量法、重量法、流動法、定流量法、定容法、定圧法などの物理吸着法や化学吸着法など挙げられる。   The “specific surface area” in the present invention is a BET specific surface area. Generally, the measurement method of the specific surface area is a permeation method (Kozeny Carman method), a volume method, a weight method, a flow method, a constant flow method, a constant flow method. Examples thereof include a physical adsorption method such as a volumetric method and a constant pressure method, and a chemical adsorption method.

なお、本発明に係る「比表面積」は、具体的にはまず試料を試料管に入れ250〜350℃で加熱しながら真空排気し表面の清浄処理を行い、その後の試料重量を測定する。再び装置に吸着セルを取りつけ、試料を液体窒素温度にまで冷却しセル内に窒素ガスを送り込む。試料表面に窒素ガスが吸着し、吹きこむガスの量を増やしていくと試料表面はガス分子で覆われていく。そしてガス分子が多重に吸着していく様子を圧力の変化に対する吸着量の変化としてプロットする。このグラフから試料表面にだけ吸着したガス分子吸着量をBET吸着等温式より求める。窒素分子はあらかじめ吸着占有面積がわかっているのでガス吸着量より試料の表面積を測定することができる。実際に本発明については、Quantachrome社のChemBET3000を用いて装置の標準的な測定法に従って求めている。   The “specific surface area” according to the present invention is specifically measured by first putting a sample into a sample tube and evacuating the sample while heating at 250 to 350 ° C., and then measuring the sample weight. The adsorption cell is attached to the apparatus again, the sample is cooled to the liquid nitrogen temperature, and nitrogen gas is sent into the cell. When nitrogen gas is adsorbed on the sample surface and the amount of gas blown is increased, the sample surface is covered with gas molecules. The state in which the gas molecules are adsorbed in a multiple manner is plotted as a change in the amount of adsorption with respect to a change in pressure. From this graph, the adsorption amount of gas molecules adsorbed only on the sample surface is obtained from the BET adsorption isotherm. The surface area of the sample can be measured from the amount of adsorbed gas because the adsorption occupation area of nitrogen molecules is known in advance. Actually, the present invention is obtained according to the standard measurement method of the apparatus using ChemBET 3000 of Quantachrome.

これにより、触媒自身が持つ比活性が大幅に向上するため、触媒活性の向上が可能となり、良好な電池性能を示す固体高分子型燃料電池を提供することができる。
(電極触媒層)
本発明は、電極触媒を備える燃料電池用電極触媒層であることが好ましく、本発明に係る電極触媒と高分子電解質とを含む電極触媒層である。
Thereby, since the specific activity of the catalyst itself is greatly improved, the catalytic activity can be improved, and a polymer electrolyte fuel cell exhibiting good battery performance can be provided.
(Electrocatalyst layer)
The present invention is preferably a fuel cell electrode catalyst layer comprising an electrode catalyst, and is an electrode catalyst layer comprising the electrode catalyst according to the present invention and a polymer electrolyte.

本発明の触媒成分薄膜で電極触媒層を構成することによって固体高分子型燃料電池の電池性能の向上かつ高耐久化を実現することができる。また、これにより、上記電極触媒層を燃料電池に搭載した場合、高耐久かつ良好な電池性能を示す固体高分子型燃料電池を提供することができる。   By constituting the electrode catalyst layer with the catalyst component thin film of the present invention, it is possible to improve the cell performance and increase the durability of the polymer electrolyte fuel cell. In addition, this makes it possible to provide a solid polymer fuel cell that exhibits high durability and good battery performance when the electrode catalyst layer is mounted on a fuel cell.

本発明に係る電極触媒層における高分子電解質は、特に限定されず公知のものを用いることができるが、高分子電解質膜に用いられたものと同様の材料が挙げられ、少なくとも高いプロトン伝導性を有する材料であればよい。この際使用できる高分子電解質は、高分子骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、高分子骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。   The polymer electrolyte in the electrode catalyst layer according to the present invention is not particularly limited and a known one can be used, but the same materials as those used for the polymer electrolyte membrane can be used, and at least high proton conductivity can be used. Any material can be used. The polymer electrolyte that can be used in this case is roughly classified into a fluorine-based electrolyte containing fluorine atoms in the whole or a part of the polymer skeleton and a hydrocarbon-based electrolyte not containing fluorine atoms in the polymer skeleton.

前記フッ素系電解質として、具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系高分子、パーフルオロカーボンホスホン酸系高分子、トリフルオロスチレンスルホン酸系高分子、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系高分子、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子などが好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the fluorine electrolyte include perfluorocarbon sulfonic acids such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene Preferred examples include polymers and polyvinylidene fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid polymers.

前記炭化水素系電解質として、具体的には、ポリスルホンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸等が好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include polysulfone sulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl phosphonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyether ether ketone sulfonic acid, polyphenyl. A suitable example is sulfonic acid.

高分子電解質は、耐熱性、化学的安定性などに優れることから、フッ素原子を含むのが好ましく、なかでも、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。   The polymer electrolyte preferably contains a fluorine atom because of its excellent heat resistance and chemical stability. Among them, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) Fluorine electrolytes such as Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) are preferred.

尚、本発明に係る電極触媒層を膜−電極接合体(MEA)として用いる場合において、高分子電解質膜と電極触媒層とで用いる高分子電解質は、異なってもよいが、膜と電極との接触抵抗などを考慮すると同じものを用いるのが好ましい。また、本発明に係る電極触媒を膜−電極接合体(MEA)として用いる場合の電極触媒層の厚さは、好ましくは1〜30μm、より好ましくは2〜10μm程度とするのがよい。   In the case where the electrode catalyst layer according to the present invention is used as a membrane-electrode assembly (MEA), the polymer electrolyte used in the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer may be different. In consideration of contact resistance and the like, it is preferable to use the same one. In addition, when the electrode catalyst according to the present invention is used as a membrane-electrode assembly (MEA), the thickness of the electrode catalyst layer is preferably 1 to 30 μm, more preferably about 2 to 10 μm.

前記高分子電解質は、接着の役割をする高分子として電極触媒を被覆しているのが好ましい。これにより、電極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。   The polymer electrolyte is preferably coated with an electrode catalyst as a polymer that functions as an adhesive. Thereby, while being able to maintain the structure of an electrode stably, the sufficient three-phase interface where an electrode reaction advances can be ensured, and high catalyst activity can be obtained.

本発明に係る電極触媒層中に含まれる前記高分子電解質の含有量は、特に限定されないが、触媒成分の全量に対して10〜60質量%、より好ましくは20〜50質量%とするのがよい。   The content of the polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer according to the present invention is not particularly limited, but is 10 to 60% by mass, more preferably 20 to 50% by mass with respect to the total amount of the catalyst component. Good.

本発明に係る電極触媒層中に含まれる導電性担体物質の含有量は、特に限定されないが、触媒成分の全量に対して20〜60質量%、より好ましくは30〜50質量%とするのがよい。   The content of the conductive carrier material contained in the electrode catalyst layer according to the present invention is not particularly limited, but is 20 to 60% by mass, more preferably 30 to 50% by mass, based on the total amount of the catalyst component. Good.

本発明に係る電極触媒層中に含まれる導電性高分子の含有量は、特に限定されないが、触媒成分の全量に対して20〜60質量%、より好ましくは30〜50質量%とするのがよい。   The content of the conductive polymer contained in the electrode catalyst layer according to the present invention is not particularly limited, but is 20 to 60% by mass, more preferably 30 to 50% by mass with respect to the total amount of the catalyst component. Good.

前記電極触媒層の空孔率は、30〜70%が好ましく、より好ましくは35〜50%である。空孔率が30%未満では、ガスの拡散が十分ではなく、高電流域でのセル電圧が低下する。また、空孔率が70%超では、電極触媒層の強度が十分ではなく、転写プロセスにおいて空孔率が低下する。   The porosity of the electrode catalyst layer is preferably 30 to 70%, more preferably 35 to 50%. If the porosity is less than 30%, gas diffusion is not sufficient, and the cell voltage in the high current region decreases. On the other hand, when the porosity exceeds 70%, the strength of the electrode catalyst layer is not sufficient, and the porosity decreases in the transfer process.

(膜−電極接合体)
本発明の第三は、高分子電解質膜の両側に一対の本発明に係る電極触媒層を挟持し、かつ前記電極触媒層の両側に一対のガス拡散層を挟持してなる膜−電極接合体である。
(Membrane-electrode assembly)
A third aspect of the present invention is a membrane-electrode assembly comprising a pair of electrode catalyst layers according to the present invention sandwiched on both sides of a polymer electrolyte membrane, and a pair of gas diffusion layers sandwiched on both sides of the electrode catalyst layer. It is.

本発明の膜−電極接合体に用いられる高分子電解質膜としては、特に限定されず、電極触媒層に用いたものと同様の高分子電解質からなる膜が挙げられる。また、デュポン社製の各種のNafion(デュポン社登録商標)やフレミオンに代表されるパーフルオロスルホン酸膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベース高分子とする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜など、一般的に市販されている高分子型電解質膜、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。前記高分子電解質膜に用いられる高分子電解質と、各電極触媒層に用いられる高分子電解質とは、同じであっても異なっていてもよいが、各電極触媒層と高分子電解質膜との密着性を向上させる観点から、同じものを用いるのが好ましい。   The polymer electrolyte membrane used for the membrane-electrode assembly of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a membrane made of the same polymer electrolyte as that used for the electrode catalyst layer. In addition, various Nafion (registered trademark of DuPont) manufactured by DuPont and perfluorosulfonic acid membranes represented by Flemion, ion exchange resins manufactured by Dow Chemical, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer resin membrane, trifluoro Fluorine polymer electrolytes such as styrene-based polymer membranes, hydrocarbon-based resin membranes with sulfonic acid groups, etc. A membrane impregnated with a liquid electrolyte, a membrane in which a porous body is filled with a polymer electrolyte, or the like may be used. The polymer electrolyte used for the polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte used for each electrode catalyst layer may be the same or different, but the adhesion between each electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane From the viewpoint of improving the properties, it is preferable to use the same one.

前記高分子電解質膜の厚みとしては、得られる膜電極接合体の特性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは1〜50μm、より好ましくは2〜30μm、特に好ましくは5〜30μmである。製膜時の強度や膜電極接合体作動時の耐久性の観点から1μm超であることが好ましく、膜電極接合体作動時の出力特性の観点から50μm未満であることが好ましい。   The thickness of the polymer electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained membrane electrode assembly, but is preferably 1 to 50 μm, more preferably 2 to 30 μm, and particularly preferably 5 to 30 μm. . From the viewpoint of strength during film formation and durability during operation of the membrane electrode assembly, it is preferably more than 1 μm, and from the viewpoint of output characteristics during operation of the membrane electrode assembly, it is preferably less than 50 μm.

また、上記高分子電解質膜としては、上記したようなフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂による膜に加えて、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などから形成された多孔質状の薄膜に、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸したものを使用してもよい。   The polymer electrolyte membrane includes polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinylidene fluoride (PVDF) in addition to the above-described fluorine-based polymer electrolyte and membranes made of hydrocarbon resins having sulfonic acid groups. For example, a porous thin film formed from a material impregnated with an electrolyte component such as phosphoric acid or ionic liquid may be used.

本発明に係るガス拡散層(以下GDLと称する)に用いられる材料としては、カーボンペーパ、不織布、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルトなどからなるシート状材料が提案されている。GDLが優れた電子伝導性を有していると、発電反応により生じた電子の効率的な運搬が達成され、燃料電池の性能が向上する。またGDLが優れた撥水性を有していると、生成した水が効率的に排出される。   As a material used for the gas diffusion layer (hereinafter referred to as GDL) according to the present invention, a sheet-like material made of carbon paper, non-woven fabric, carbon woven fabric, paper-like paper body, felt or the like has been proposed. When GDL has excellent electron conductivity, efficient transport of electrons generated by a power generation reaction is achieved, and the performance of the fuel cell is improved. Further, if the GDL has an excellent water repellency, the generated water is efficiently discharged.

高い撥水性を確保するために、GDLを構成する材料を撥水処理する技術も提案されている。例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素系樹脂を含む溶液中にカーボンペーパなどのGDLを構成する材料を含浸させ、大気中または窒素などの不活性ガス中に乾燥させる。場合によっては、親水化処理がGDLを構成する材料に施されてもよい。   In order to ensure high water repellency, a technique for water repellency treatment of a material constituting the GDL has also been proposed. For example, a solution containing a fluorine-based resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) is impregnated with a material constituting GDL such as carbon paper, and dried in the air or an inert gas such as nitrogen. Depending on the case, the hydrophilization treatment may be performed on the material constituting the GDL.

その他に、上記のカーボンペーパ、不織布などからなるシート状GDL上に、カーボン粒子およびバインダーを配置して、両者をガス拡散層として使用してもよく、カーボン粒子およびバインダーからなるフィルム自体をガス拡散層として使用してもよい。この結果、フィルム自体に均一に撥水材料、カーボン粒子が形成されているため、上記の塗布に比較して撥水効率の上昇がみられる。   In addition, carbon particles and a binder may be arranged on a sheet-like GDL made of the above-mentioned carbon paper or nonwoven fabric, and both may be used as a gas diffusion layer. It may be used as a layer. As a result, since the water repellent material and the carbon particles are uniformly formed on the film itself, the water repellent efficiency is increased as compared with the above application.

前記撥水材料としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、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(FEP)などのフッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系樹脂が好ましい。   Examples of the water repellent material include fluorine resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), polypropylene, polyethylene, and the like. Is mentioned. Of these, fluororesins are preferred because they are excellent in water repellency and corrosion resistance during electrode reaction.

尚、「バインダー」とは接着の役割を有する物質をいう。また、本発明に係る実施例では、バインダーの役割および撥水性の役割を兼ね備えたフッ素系樹脂を使用しているが、必ずしもこれに限定されず、バインダーおよび撥水材料を個々独立した物質で混合して使用しても良い。
本発明に係る膜−電極接合体において、必要に応じて使用される添加剤、アルコール類(メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなど)、水、撥水剤、バインダーの量は、諸条件によって適宜選択されるものである。
The “binder” refers to a substance having a bonding role. Further, in the examples according to the present invention, a fluorine-based resin having both the role of a binder and the role of water repellency is used. However, the present invention is not necessarily limited thereto, and the binder and the water-repellent material are mixed with independent substances. May be used.
In the membrane-electrode assembly according to the present invention, the amounts of additives, alcohols (methanol, ethanol, propanol, butanol, etc.), water, water repellent, and binder used as necessary are appropriately selected according to various conditions. It is what is done.

次に、以下、本発明に係る担体物質がフィブリル状の場合における膜−電極接合体の製造方法の好ましい態様を説明する。なお、以下の態様は、本発明の好ましい態様を示したものであり、本発明の膜−電極接合体の製造方法が下記方法に限定されるものではない。   Next, a preferred embodiment of a method for producing a membrane-electrode assembly when the carrier material according to the present invention is in the form of a fibril will be described. In addition, the following aspects show the preferable aspect of this invention, and the manufacturing method of the membrane-electrode assembly of this invention is not limited to the following method.

重合することにより上記導電性高分子を形成する単量体を、溶媒に溶解させた後、当該単量体を含有する溶液を調製する。次いで、当該溶液に導電性担体物質を含浸させ、陽極に導電性担体物質を、陰極にグラファイト棒を用いて、電解酸化重合により導電性高分子層をフィブリル状の導電性担体物質の表面に形成する。その後200〜3000℃で5〜60分間熱処理することで本発明に係る担体物質を得ることができる。   After the monomer that forms the conductive polymer by polymerization is dissolved in a solvent, a solution containing the monomer is prepared. Then, the solution is impregnated with a conductive carrier material, and a conductive polymer layer is formed on the surface of the fibrillar conductive carrier material by electrolytic oxidation polymerization using a conductive carrier material for the anode and a graphite rod for the cathode. To do. Thereafter, the support material according to the present invention can be obtained by heat treatment at 200 to 3000 ° C. for 5 to 60 minutes.

なお、本発明に係る導電性高分子層を導電性担体物質上に形成させない場合も、導電性担体物質を200〜3000℃で5〜60分間熱処理することで本発明に係る担体物質を得ることができる。   Even when the conductive polymer layer according to the present invention is not formed on the conductive carrier material, the carrier material according to the present invention is obtained by heat-treating the conductive carrier material at 200 to 3000 ° C. for 5 to 60 minutes. Can do.

次いで、溶液還元、真空蒸着、スパッタリング、およびCVDからなる群から選択される少なくとも一つの方法で、フィブリル状の導電性担体物質の表面に形成された当該導電性高分子層上に、触媒成分薄膜を形成する。その後、担体物質に触媒成分薄膜を形成させた電極触媒、ならびにナフィオンなどのイオン伝導性物質を必要に応じて水またはアルコールなどの溶剤に添加して、触媒スラリーを調整する。   Next, a catalyst component thin film is formed on the conductive polymer layer formed on the surface of the fibril-like conductive support material by at least one method selected from the group consisting of solution reduction, vacuum deposition, sputtering, and CVD. Form. Thereafter, an electrode catalyst having a catalyst component thin film formed on a support material and an ion conductive material such as Nafion are added to a solvent such as water or alcohol as necessary to prepare a catalyst slurry.

本発明の触媒スラリーを転写用台紙上に塗布・乾燥して、電極触媒層を形成する。この際、転写用台紙としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)シート、PET(ポリエチレンテレフタレート)シート、ポリエステルシートなどの公知のシートが使用できる。なお、転写用台紙は、使用する触媒スラリー(特にインク中のカーボン等の導電性担体物質)の種類に応じて適宜選択される。また、上記工程において、電極触媒層の厚みは、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)の触媒作用が十分発揮できる厚みであれば特に制限されず、従来と同様の厚みが使用できる。具体的には、電極触媒層の厚みは、1〜30μm、より好ましくは2〜10μmである。   The catalyst slurry of the present invention is applied to a transfer mount and dried to form an electrode catalyst layer. In this case, as the transfer mount, a known sheet such as a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet, a PET (polyethylene terephthalate) sheet, or a polyester sheet can be used. The transfer mount is appropriately selected according to the type of catalyst slurry used (particularly, a conductive carrier material such as carbon in the ink). In the above process, the thickness of the electrode catalyst layer is not particularly limited as long as it can sufficiently exhibit the catalytic action of the hydrogen oxidation reaction (anode side) and the oxygen reduction reaction (cathode side). Thickness can be used. Specifically, the thickness of the electrode catalyst layer is 1 to 30 μm, more preferably 2 to 10 μm.

転写用台紙上への触媒スラリーは、特に制限されず、スクリーン印刷法、沈積法、あるいはスプレー法などの公知の方法が同様にして適用できる。また、塗布された電極触媒層乾燥条件もまた、電極触媒層から極性溶剤を完全に除去できる条件であれば特に制限されない。具体的には、触媒スラリーの塗布層(電極触媒層)を真空乾燥機内にて、室温〜100℃、より好ましくは50〜80℃で、30〜60分間、乾燥する。この際、触媒層の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで、上記塗布・乾燥工程を繰り返す。次に下記の工程に進む。   The catalyst slurry on the transfer mount is not particularly limited, and a known method such as a screen printing method, a deposition method, or a spray method can be similarly applied. The applied electrode catalyst layer drying conditions are not particularly limited as long as the polar solvent can be completely removed from the electrode catalyst layer. Specifically, the coating layer (electrode catalyst layer) of the catalyst slurry is dried at room temperature to 100 ° C., more preferably 50 to 80 ° C. for 30 to 60 minutes in a vacuum dryer. At this time, if the thickness of the catalyst layer is not sufficient, the coating and drying process is repeated until a desired thickness is obtained. Next, the process proceeds to the following steps.

すなわち、このようにして作製された電極触媒層に固体高分子電解質膜を挟持した後、当該積層についてホットプレスを行なう。この際、ホットプレス条件は、電極触媒層及び固体高分子電解質膜が十分密接に接合できる条件であれば特に制限されないが、110〜150℃、より好ましくは120〜140℃で、電極面に対して1〜5MPaのプレス圧力で行なうのが好ましい。これにより固体高分子電解質膜および電極触媒層との接合性を高めることができる。   That is, after the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between the electrode catalyst layers thus produced, hot pressing is performed on the laminate. At this time, the hot press conditions are not particularly limited as long as the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane can be joined sufficiently closely, but are 110 to 150 ° C., more preferably 120 to 140 ° C., with respect to the electrode surface. The press pressure is preferably 1 to 5 MPa. Thereby, bondability with a solid polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer can be improved.

ホットプレスを行なった後、転写用台紙を剥がすことにより、電極触媒層および固体高分子電解質膜の複合体(いわゆるCCM)を得ることができる。   After performing the hot press, the composite of the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane (so-called CCM) can be obtained by peeling off the transfer mount.

また、本発明に係る膜−電極接合体を用いた燃料電池の作成方法については、膜−電極接合体の両側に一対のガス拡散層を設ける必要がある。このガス拡散層の作製は、必要に応じてカーボンペーパなどを、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素系樹脂を含む溶液中含浸させ、大気中または窒素などの不活性ガス中に乾燥させた後、ガス拡散層作製する。   Moreover, about the manufacturing method of the fuel cell using the membrane-electrode assembly which concerns on this invention, it is necessary to provide a pair of gas diffusion layer on both sides of a membrane-electrode assembly. The gas diffusion layer was produced by impregnating carbon paper or the like in a solution containing a fluorine-based resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) as necessary, and drying in the air or an inert gas such as nitrogen. Thereafter, a gas diffusion layer is prepared.

そして、上記に作製したガス拡散層2枚を用いて電極触媒層および固体高分子電解質膜を含む電極を挟持することにより膜−電極接合体を作製する。   Then, the membrane-electrode assembly is produced by sandwiching the electrode including the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane using the two gas diffusion layers produced above.

本発明の触媒スラリーにおいて、電極触媒は、所望の作用、即ち、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)を触媒する作用を十分発揮できる量であればいずれの量で、使用されてもよい。電極触媒が、触媒スラリー中、5〜75質量%、より好ましくは10〜60質量%となるような量で存在することが好ましい。   In the catalyst slurry of the present invention, the electrode catalyst may be used in any amount as long as it can sufficiently exhibit the desired action, that is, the action of catalyzing the hydrogen oxidation reaction (anode side) and the oxygen reduction reaction (cathode side). , May be used. It is preferable that the electrode catalyst is present in the catalyst slurry in an amount of 5 to 75% by mass, more preferably 10 to 60% by mass.

本発明の触媒スラリーには、電極触媒、高分子電解質、及び溶剤に加えて、必要があればポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、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といった撥水性高分子、増粘剤などが含まれてもよい。これにより、得られる電極触媒層の撥水性を高めることができ、発電時に生成した水などを速やかに排出することができる。   The catalyst slurry of the present invention includes a water-repellent polymer such as polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, if necessary, in addition to the electrode catalyst, polymer electrolyte, and solvent. , Thickeners and the like may be included. Thereby, the water repellency of the obtained electrode catalyst layer can be increased, and water generated at the time of power generation can be quickly discharged.

増粘剤の使用は、触媒スラリーなどが転写用台紙上にうまく塗布できない場合などに有効である。この際使用できる増粘剤は、特に制限されず、公知の増粘剤が使用できるが、例えば、グリセリン、(EG(エチレングリコール)、PVA(ポリビニルアルコール))などが挙げられる。増粘剤を使用する際の、増粘剤の添加量は、本発明の上記効果を妨げない程度の量であれば特に制限されないが、触媒スラリーの全質量に対して、好ましくは0〜10質量%である。さらに、本発明で使用される触媒スラリーを構成する溶剤としては、特に制限されず、触媒層を形成するのに使用される通常の溶剤が同様にして使用できる。具体的には、水、シクロヘキサノールやエタノールや2−プロパノール等の低級アルコールが使用できる。   The use of a thickener is effective when the catalyst slurry or the like cannot be successfully applied onto the transfer mount. The thickener that can be used in this case is not particularly limited, and a known thickener can be used. Examples thereof include glycerin, (EG (ethylene glycol), PVA (polyvinyl alcohol)), and the like. The amount of the thickener added when using the thickener is not particularly limited as long as it does not interfere with the above effect of the present invention, but is preferably 0 to 10 with respect to the total mass of the catalyst slurry. % By mass. Furthermore, the solvent constituting the catalyst slurry used in the present invention is not particularly limited, and ordinary solvents used for forming the catalyst layer can be used in the same manner. Specifically, water, lower alcohols such as cyclohexanol, ethanol and 2-propanol can be used.

本発明で使用される溶剤の量は、電解質を完全に溶解できる量であれば特に制限されないが、電解質が、溶剤中、好ましくは0.1〜20質量%、より好ましくは0.5〜10質量%の濃度になるような量である。この際、電解質の濃度が20質量%以下であれば、電解質を完全には溶解し、コロイドが形成される可能性が低い。また、0.1質量%以上であると、含まれる電界質量が適量であるため、電解質高分子の分子鎖がよく絡まりあう。このため、形成される電極触媒層の機械的強度が優れる。また、触媒スラリーにおいて、電極触媒および固体高分子電解質などを合わせた固形分の濃度は、触媒スラリー中、5〜50質量%、より好ましくは10〜40質量程度%とするのがよい。   The amount of the solvent used in the present invention is not particularly limited as long as the electrolyte can be completely dissolved, but the electrolyte is preferably 0.1 to 20% by mass, more preferably 0.5 to 10% in the solvent. The amount is such that the concentration becomes mass%. At this time, if the concentration of the electrolyte is 20% by mass or less, it is unlikely that the electrolyte is completely dissolved and colloid is formed. Moreover, since the electric field mass contained in it being 0.1 mass% or more is an appropriate amount, the molecular chains of the electrolyte polymer are entangled well. For this reason, the mechanical strength of the electrode catalyst layer formed is excellent. Moreover, in the catalyst slurry, the concentration of the solid content including the electrode catalyst and the solid polymer electrolyte is preferably 5 to 50% by mass, more preferably about 10 to 40% by mass in the catalyst slurry.

本発明の触媒スラリーは、カソード側電極触媒層またはアノード側電極触媒層のいずれか一方のみに使用されてもあるいは双方に使用されてもよい。しかし、カソード側は特に出力変動による生成水量の変化により乾湿の変化を受けて、初期状態における電極触媒層の多孔構造が崩れ、空隙率が低下して、電極触媒層への反応ガス供給量が低下する危険性が高い。そのため少なくともアノード側電極触媒層に使用されることが好ましい。   The catalyst slurry of the present invention may be used for only one or both of the cathode side electrode catalyst layer and the anode side electrode catalyst layer. However, the cathode side is affected by changes in the amount of water produced due to output fluctuations in particular, resulting in changes in the wet and dry conditions. The porous structure of the electrode catalyst layer in the initial state collapses, the porosity decreases, and the amount of reactant gas supplied to the electrode catalyst layer decreases. High risk of decline. Therefore, it is preferably used at least for the anode side electrode catalyst layer.

本発明に係るガス拡散層は、上記方法において、転写用台紙を剥がし、得られた接合体をさらにガス拡散層で挟持することによって、電極触媒層と固体高分子電解質膜との接合後にさらに各電極触媒層に接合することが好ましい。または、電極触媒層を予めガス拡散層表面上に形成して電極触媒層−ガス拡散層接合体を製造した後、上記したのと同様にして、この電極触媒層−ガス拡散層接合体で固体高分子電解質膜をホットプレスにより挟持・接合することもまた好ましい。   In the above method, the gas diffusion layer according to the present invention is further separated after bonding the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane by peeling off the transfer mount and further sandwiching the obtained bonded body with the gas diffusion layer. It is preferable to join the electrode catalyst layer. Alternatively, after an electrode catalyst layer is formed on the surface of the gas diffusion layer in advance to produce an electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly, the electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly is solid as described above. It is also preferable to sandwich and bond the polymer electrolyte membrane by hot pressing.

なお、前記のホットプレス方法以外に、ガス拡散層上に逐次塗布により電極触媒層−高分子電解質膜−電極触媒層−ガス拡散層を積層する方法を用いても良い。   In addition to the hot pressing method described above, a method of laminating an electrode catalyst layer, a polymer electrolyte membrane, an electrode catalyst layer, and a gas diffusion layer on the gas diffusion layer by sequential application may be used.

本発明の第3は、前記膜−電極接合体を含む燃料電池である。前記燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では高分子電解質型燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、リン酸型燃料電池に代表される酸型電解質の燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、固体高分子電解質型燃料電池が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用である。特にシステムの起動/停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途で特に好適に使用できる。   A third aspect of the present invention is a fuel cell including the membrane-electrode assembly. The type of the fuel cell is not particularly limited. In the above description, the polymer electrolyte fuel cell has been described as an example, but in addition to this, a representative example is an alkaline fuel cell and a phosphoric acid fuel cell. Examples thereof include an acid electrolyte fuel cell, a direct methanol fuel cell, and a micro fuel cell. Among them, a solid polymer electrolyte fuel cell is preferable because it is small in size and can achieve high density and high output. The fuel cell is useful as a stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. In particular, the present invention can be used particularly favorably in automobile applications where system start / stop and output fluctuations frequently occur.

前記高分子電解質型燃料電池は、定置用電源の他、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求されることによるカーボン担体の腐食、および、運転時に高い出力電圧が取り出されることにより高分子電解質の劣化が生じやすい自動車などの移動体用電源として用いられるのが特に好ましい。   The polymer electrolyte fuel cell is useful not only as a stationary power source but also as a power source for a moving body such as an automobile having a limited mounting space. In particular, moving bodies such as automobiles that are susceptible to corrosion of the carbon support due to the high output voltage required after a relatively long shutdown, and deterioration of the polymer electrolyte due to the high output voltage being taken out during operation. It is particularly preferred to be used as a power source.

前記燃料電池の構成としては、特に限定されず、従来公知の技術を適宜利用すればよいが、一般的には膜電極接合体をセパレータで挟持した構造を有する。   The configuration of the fuel cell is not particularly limited, and a conventionally known technique may be appropriately used. Generally, the fuel cell has a structure in which a membrane electrode assembly is sandwiched between separators.

前記セパレータとしては、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、従来公知のものであれば制限なく用いることができる。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の流路溝が形成されてもよい。セパレータの厚さや大きさ、流路溝の形状などについては、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 separator can be used without limitation as long as it is conventionally known, such as those made of carbon such as dense carbon graphite and a carbon plate, and those made of metal such as stainless steel. The separator has a function of separating air and fuel gas, and a channel groove for securing the channel may be formed. The thickness and size of the separator, the shape of the flow channel, and the like are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of the obtained fuel cell.

また、各電極触媒層に供給されるガスが外部にリークするのを防止するために、ガスケット層上の電極触媒層が形成されていない部位にさらにガスシール部が設けられてもよい。前記ガスシール部を構成する材料としては、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリイソブチレンゴム等のゴム材料、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、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(FEP)等のフッ素系の高分子材料、ポリオレフィンやポリエステル等の熱可塑性樹脂などが挙げられる。また、ガスシール部の厚さとしては、2mm〜50μm、望ましくは1mm〜100μm程度とすればよい。   Further, in order to prevent the gas supplied to each electrode catalyst layer from leaking to the outside, a gas seal portion may be further provided at a portion on the gasket layer where the electrode catalyst layer is not formed. Examples of the material constituting the gas seal portion include rubber materials such as fluoro rubber, silicon rubber, ethylene propylene rubber (EPDM), polyisobutylene rubber, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoro. Fluorine polymer materials such as propylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and thermoplastic resins such as polyolefin and polyester. The thickness of the gas seal portion may be 2 mm to 50 μm, preferably about 1 mm to 100 μm.

さらに、燃料電池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膜電極接合体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。燃料電池の形状などは、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 membrane electrode assemblies are stacked via a separator and connected in series may be formed so that the fuel cell can obtain a desired voltage or the like. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.

以下、実施例および比較例により本発明の実施の形態を詳細に説明する。本発明はこれらに限定されるものではない。なお、本発明において採用した分析方法および分析機器は下記の通りである。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to Examples and Comparative Examples. The present invention is not limited to these. In addition, the analysis method and the analytical equipment employed in the present invention are as follows.

(実施例1)
0.1Mアニリン水溶液の入った容器を設置し、カーボン基材(ガス拡散基材(GDL):カーボン繊維でできた板状のもの、を陽極、対極としてグラファイト棒を用い電流を印加し、アニリンの電解酸化重合により基材上にポリアニリンの層(触媒層の厚みが30μm)を形成した。さらにこのポリアニリン形成基材を2500℃以上の高温焼成を10分間、真空雰囲気で施し、その後アルゴンガス(不活性ガス)を投入し、さらに圧力を下げてフィブリル状(繊維状)の電極基材を作製した。このときBET法により測定した結果、担体物質の比表面積は25m/gであった。
Example 1
A container containing a 0.1M aniline aqueous solution was installed, and a carbon substrate (gas diffusion substrate (GDL): plate-like material made of carbon fiber) was used as an anode and a current was applied using a graphite rod as a counter electrode. A polyaniline layer (catalyst layer thickness of 30 μm) was formed on the base material by electrolytic oxidation polymerization, and the polyaniline-formed base material was subjected to high-temperature firing at 2500 ° C. or higher for 10 minutes in a vacuum atmosphere, and then argon gas ( Inert gas was added, and the pressure was further reduced to produce a fibrillar (fibrous) electrode substrate, which was measured by the BET method, and as a result, the specific surface area of the support material was 25 m 2 / g.

上記作製電極をスパッタ装置に設置し、ターゲット金属としてPtを用い、出力40W、5Paとして、150秒間スパッタリング操作を行うことにより、Pt薄膜の厚さ14nm、Pt量0.05mg/cmとなる触媒担持電極を得た。このときマック・サイエンス社製 X線回折装置(MXP18VAHF型)により測定した結果、(110)面の結晶配向比率は1.5であった。
上記触媒金属を担持した試料電極を評価用作用極、酸素ガスを飽和した0.5mol/L硫酸水溶液を電解液とした、三電極式ガラスセルを用いて評価を行った。
A catalyst that has a Pt thin film thickness of 14 nm and a Pt amount of 0.05 mg / cm 2 by installing the production electrode in a sputtering apparatus, performing a sputtering operation for 150 seconds using Pt as a target metal and an output of 40 W and 5 Pa. A supported electrode was obtained. At this time, as a result of measurement with an X-ray diffractometer (MXP18VAHF type) manufactured by Mac Science, the crystal orientation ratio of the (110) plane was 1.5.
The evaluation was performed using a three-electrode glass cell in which the sample electrode supporting the catalytic metal was used as an evaluation working electrode, and a 0.5 mol / L sulfuric acid aqueous solution saturated with oxygen gas was used as an electrolyte.

試料電極を電解液に浸し、自然電位から低電位側に、電位を1mV/秒の速度で操作する。このときの電位−電流曲線から0.85V時の電流値を測定し、Pt含有量を除したものを酸素還元反応に対する白金の質量活性とした。   The sample electrode is immersed in an electrolytic solution, and the potential is operated from the natural potential to the low potential side at a speed of 1 mV / second. The current value at 0.85 V was measured from the potential-current curve at this time, and the value obtained by removing the Pt content was defined as the mass activity of platinum for the oxygen reduction reaction.

(実施例2)
カーボンブラック粉末とテフロン(登録商標)分散液を混合したインクを、カーボンブラックとPTFEのうちPTFEが10%となるように、カーボンペーパ(GDL)上に塗布厚みが50μmとなるように塗布し、300℃以上、3時間、空気雰囲気で熱処理することで電極基材(カーボンブラック粒子が集まって形成された多孔質状のもの)を作製した。このときBETにより測定した結果、担体物質の比表面積は250m/gであった。
(Example 2)
An ink in which carbon black powder and Teflon (registered trademark) dispersion are mixed is applied on carbon paper (GDL) so that the PTFE is 10% of carbon black and PTFE, and the coating thickness is 50 μm. An electrode substrate (a porous material formed by collecting carbon black particles) was prepared by heat treatment in an air atmosphere at 300 ° C. or higher for 3 hours. As a result of measurement by BET at this time, the specific surface area of the support material was 250 m 2 / g.

上記作製電極をスパッタ装置に設置し、ターゲット金属としてPtを用い、出力40W、5Paとして、150秒間スパッタリング操作を行うことにより、Pt薄膜の厚さ6nm、Pt量0.05mg/cmとなる触媒担持電極を得た。このときマック・サイエンス社製 X線回折装置(MXP18VAHF型)により測定した結果、(110)面の結晶配向比率は1.5であった。 A catalyst that has a Pt thin film thickness of 6 nm and a Pt amount of 0.05 mg / cm 2 by installing the production electrode in a sputtering apparatus, performing a sputtering operation for 150 seconds using Pt as a target metal and an output of 40 W and 5 Pa. A supported electrode was obtained. At this time, as a result of measurement with an X-ray diffractometer (MXP18VAHF type) manufactured by Mac Science, the crystal orientation ratio of the (110) plane was 1.5.

上記触媒金属を担持した試料電極を評価用作用極、酸素ガスを飽和した0.5mol/L硫酸水溶液を電解液とした、三電極式ガラスセルを用いて評価を行った。   The evaluation was performed using a three-electrode glass cell in which the sample electrode supporting the catalytic metal was used as an evaluation working electrode, and a 0.5 mol / L sulfuric acid aqueous solution saturated with oxygen gas was used as an electrolyte.

試料電極を電解液に浸し、自然電位から低電位側に、電位を1mV/秒の速度で操作する。このときの電位−電流曲線から0.85V時の電流値を測定し、Pt含有量を除したものを酸素還元反応に対する白金の質量活性とした。   The sample electrode is immersed in an electrolytic solution, and the potential is operated from the natural potential to the low potential side at a speed of 1 mV / second. The current value at 0.85 V was measured from the potential-current curve at this time, and the value obtained by removing the Pt content was defined as the mass activity of platinum for the oxygen reduction reaction.

(比較例1)
スパッタ法を用い、カーボン粉体の表面にPtを膜状に付着させた。ここで、カーボン粉体に対して50wt%となるように白金量を調整した。こうしてできたPt担持カーボン粉末を、フラレノール、撥水材樹脂及び造孔材(CaCO)とともに混練し、 Ptを0.05mg/cmとなるようにカーボン基材に塗布した。次に、酸処理により造孔材を除去することで、触媒担持電極を作製した。
(Comparative Example 1)
A sputtering method was used to deposit Pt in the form of a film on the surface of the carbon powder. Here, the amount of platinum was adjusted so as to be 50 wt% with respect to the carbon powder. The Pt-supported carbon powder thus produced was kneaded with fullerenol, a water repellent resin, and a pore former (CaCO 3 ), and applied to a carbon substrate so that Pt was 0.05 mg / cm 2 . Next, a catalyst-carrying electrode was produced by removing the pore former by acid treatment.

上記触媒金属を担持した試料電極を評価用作用極、酸素ガスを飽和した0.5mol/L硫酸水溶液を電解液とした、三電極式ガラスセルを用いて評価を行った。   The evaluation was performed using a three-electrode glass cell in which the sample electrode supporting the catalytic metal was used as an evaluation working electrode, and a 0.5 mol / L sulfuric acid aqueous solution saturated with oxygen gas was used as an electrolyte.

試料電極を電解液に浸し、自然電位から低電位側に、電位を1mV/秒の速度で操作する。このときの電位−電流曲線から0.925V時の電流値を測定し、Pt含有量を除したものを酸素還元反応に対する白金の質量活性とした。   The sample electrode is immersed in an electrolytic solution, and the potential is operated from the natural potential to the low potential side at a speed of 1 mV / second. The current value at 0.925 V was measured from the potential-current curve at this time, and the value obtained by dividing the Pt content was defined as the mass activity of platinum for the oxygen reduction reaction.

Figure 2009140657
Figure 2009140657

Claims (8)

担体物質と、前記担体物質上に形成された触媒成分薄膜とを含む電極触媒であって、
前記触媒成分薄膜の膜厚方向に対する(110)面の結晶配向比率を、
Figure 2009140657
で表したとき、前記(110)面の結晶配向比率が1を超えることを特徴とする電極触媒。
An electrocatalyst comprising a support material and a catalyst component thin film formed on the support material,
The crystal orientation ratio of the (110) plane with respect to the film thickness direction of the catalyst component thin film,
Figure 2009140657
The electrode catalyst, wherein the crystal orientation ratio of the (110) plane exceeds 1 when expressed as
前記触媒成分薄膜の膜厚方向に対する(110)面の結晶配向比率は、X線回折で測定した(220)面のピーク強度I(220)と、他の(111)面のピーク強度I(111)および(200)面のピーク強度I(200)の和が、
Figure 2009140657
の関係である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電極触媒。
The crystal orientation ratio of the (110) plane with respect to the film thickness direction of the catalyst component thin film is the peak intensity I (220) of the (220) plane measured by X-ray diffraction and the peak intensity I (111) of the other (111) plane. ) And (200) plane peak intensity I (200)
Figure 2009140657
The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 3, wherein
前記触媒成分薄膜は、少なくともPt、あるいはPtを含む合金である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電極触媒。   The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 4, wherein the catalyst component thin film is at least Pt or an alloy containing Pt. 前記担体物質は、炭素材料、導電性高分子材料、および金属材料からなる群から選択される導電性材料である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電極触媒。   The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 5, wherein the carrier substance is a conductive material selected from the group consisting of a carbon material, a conductive polymer material, and a metal material. 前記担体物質は、比表面積が10〜500m/gである、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電極触媒。 The electrode catalyst according to claim 1, wherein the support material has a specific surface area of 10 to 500 m 2 / g. 前記担体物質は、導電性担体物質および表面に導電性高分子を被覆している導電性担体物質からなる群から選択される少なくとも一方を200〜3000℃で熱処理して得られる、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電極触媒の製造方法。   The carrier material is obtained by heat-treating at least one selected from the group consisting of a conductive carrier material and a conductive carrier material whose surface is coated with a conductive polymer at 200 to 3000 ° C. 6. The method for producing an electrode catalyst according to any one of 5 above. 前記触媒成分薄膜は、溶液還元、電析、真空蒸着、スパッタリング、およびCVDからなる群から選択される少なくとも一つの方法で形成される、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電極触媒の製造方法。   The electrode catalyst according to claim 1, wherein the catalyst component thin film is formed by at least one method selected from the group consisting of solution reduction, electrodeposition, vacuum deposition, sputtering, and CVD. Manufacturing method. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の電極触媒、または請求項6または7の製造方法から得られた電極触媒を備える燃料電池用電極触媒層。   The electrode catalyst layer for fuel cells provided with the electrode catalyst of any one of Claims 1-5, or the electrode catalyst obtained from the manufacturing method of Claim 6 or 7.
JP2007313705A 2007-12-04 2007-12-04 Electrode catalyst for fuel cell Pending JP2009140657A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007313705A JP2009140657A (en) 2007-12-04 2007-12-04 Electrode catalyst for fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007313705A JP2009140657A (en) 2007-12-04 2007-12-04 Electrode catalyst for fuel cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2009140657A true JP2009140657A (en) 2009-06-25

Family

ID=40871094

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007313705A Pending JP2009140657A (en) 2007-12-04 2007-12-04 Electrode catalyst for fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2009140657A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011017562A (en) * 2009-07-07 2011-01-27 Yokogawa Electric Corp Method and device for evaluation using cyclic voltammetry
KR20170044146A (en) 2014-10-24 2017-04-24 가부시키가이샤 캬타라 Fuel cell electrode catalyst and manufacturing method thereof
DE102018206378A1 (en) 2017-04-28 2018-10-31 Cataler Corporation Electrode catalyst for fuel cells and method for its production
WO2019177060A1 (en) 2018-03-16 2019-09-19 株式会社キャタラー Electrode catalyst for fuel cell, and fuel cell using same

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011017562A (en) * 2009-07-07 2011-01-27 Yokogawa Electric Corp Method and device for evaluation using cyclic voltammetry
KR20170044146A (en) 2014-10-24 2017-04-24 가부시키가이샤 캬타라 Fuel cell electrode catalyst and manufacturing method thereof
US10950869B2 (en) 2014-10-24 2021-03-16 Cataler Corporation Fuel cell electrode catalyst and method for producing the same
DE102018206378A1 (en) 2017-04-28 2018-10-31 Cataler Corporation Electrode catalyst for fuel cells and method for its production
US11217796B2 (en) 2017-04-28 2022-01-04 Cataler Corporation Electrode catalyst for fuel cell and method of production of same
WO2019177060A1 (en) 2018-03-16 2019-09-19 株式会社キャタラー Electrode catalyst for fuel cell, and fuel cell using same
US11949113B2 (en) 2018-03-16 2024-04-02 Cataler Corporation Electrode catalyst for fuel cell, and fuel cell using same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5055788B2 (en) Electrocatalyst
JP5810860B2 (en) Fuel cell electrode catalyst layer
JP5998277B2 (en) Fuel cell catalyst and fuel cell electrode catalyst layer including the same
JP6113837B2 (en) Catalyst, electrode catalyst layer using the catalyst, membrane electrode assembly, and fuel cell
JP5488254B2 (en) Hydrophilic porous layer for fuel cell, gas diffusion electrode, production method thereof, and membrane electrode assembly
WO2014175097A1 (en) Catalyst, method for producing same, and electrode catalyst layer using said catalyst
JP5066998B2 (en) Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells
JP5458503B2 (en) Method for producing electrolyte membrane-electrode assembly
WO2017183475A1 (en) Electrocatalyst, membrane electrode assembly using said electrocatalyst, and fuel cell
JP2008186798A (en) Electrolyte membrane-electrode assembly
JP2006252967A (en) Solid polymer electrolyte membrane for fuel cell, and fuel cell using the same
JP5034344B2 (en) Gas diffusion electrode and fuel cell using the same
JP2006339018A (en) Gas diffusion layer for fuel cell and its manufacturing method
JP2007095582A (en) Manufacturing method of membrane electrode assembly
JP2008077974A (en) Electrode
JP2007165025A (en) Membrane electrode assembly
JP6780912B2 (en) Method for manufacturing electrode catalyst layer for fuel cell
JP2008047473A (en) Electrode catalyst
JP2009140657A (en) Electrode catalyst for fuel cell
JP2006196452A (en) Electrode
JP5396730B2 (en) Membrane electrode assembly
JP2007128665A (en) Electrode catalyst layer for fuel cell, and manufacturing method of membrane-electrode assembly using it
JP2008047472A (en) Electrode catalyst
JP2008140703A (en) Composition material for battery, and film containing the same
JP2006294267A (en) Catalyst ink for fuel cell electrode formation