JP2004152489A - Catalyst electrode for fuel cell, fuel cell, catalyst carrier particle for fuel cell, and manufacturing method of catalyst electrode - Google Patents

Catalyst electrode for fuel cell, fuel cell, catalyst carrier particle for fuel cell, and manufacturing method of catalyst electrode Download PDF

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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a catalyst electrode for a fuel cell having high usability of a catalyst, and a fuel cell using the electrode. <P>SOLUTION: A carbon nanohorn aggregate 401 is used as a carbon material for use in a catalyst layer of a catalyst carrier carbon particle. A solution of a metallic salt and the aggregate 401 are mixed. By adding a reducing agent into the mixture and stirring and mixing it, a catalyst metal 405 is carried on a surface of the aggregate 401. Then, by performing a reducing-treatment at a low temperature, a particle diameter of the catalyst metal 405 is suppressed. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用触媒電極、燃料電池、および燃料電池用触媒担持粒子、燃料電池用触媒電極の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた電解質から構成され、燃料極には燃料が、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。燃料極に水素、酸化剤極に酸素がそれぞれ供給される場合、各電極で生じる電気化学反応は、燃料極では、
→ 2H + 2e
であり、また、酸化剤極では、
1/2O + 2H +2e → H
である。たとえば電解質にパーフルオロスルフォン酸膜等の固体電解質膜を用いた電池の場合、上記の反応によって、常温・常圧で1A/cm以上の高出力を得ることができる。この高出力を実現するために、両電極は触媒物質が担持された炭素粒子と固体高分子電解質との混合体より構成されている。
【0003】
以上、水素を燃料とした燃料電池について説明したが、近年はメタノールなどの有機液体燃料を用いた燃料電池の研究開発も盛んに行われている。有機液体燃料を使用する燃料電池には、有機液体燃料を水素ガスへ改質して燃料として使用するものや、ダイレクトメタノール型燃料電池に代表されるような、有機液体燃料を改質せずに燃料極に直接供給するものなどが知られている(特許文献1)。
【0004】
【特許文献1】
特開平11−3724号公報
【0005】
燃料電池の特性を向上させるためには、触媒物質の表面積を大きくすることにより、触媒電極における触媒活性を高める必要がある。そのためには、触媒粒子の粒子径を小さくし、均一に分散させる必要がある。従来の燃料電池用触媒電極においては、炭素粒子に触媒物質を担持させる方法として、触媒金属塩を溶かして溶液にしたものを作り、コロイド上にした触媒物質を炭素粒子に担持させた後、還元処理をする方法を用いていた。この還元処理は、一般に400℃以上の温度で水素雰囲気下にて行われるが、アセチレンブラックなど通常用いられる炭素材料を使って400℃前後での還元処理を行うと、触媒物質の平均粒子径が7〜10nm程度と肥大化し、また触媒粒子同士の凝集も生じていた。この結果、触媒物質の表面積が小さくなり、触媒電極における触媒活性が不十分であるという課題があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記事情に鑑み、本発明の目的は、炭素粒子表面に担持された触媒物質の表面積が大きく、触媒活性の高い燃料電池用触媒電極およびそれを用いた燃料電池を提供することにある。本発明の別の目的は、触媒物質が良好な分散状態で炭素粒子に担持された、触媒活性の高い燃料電池用触媒電極およびそれを用いた燃料電池を提供することにある。本発明のまた別の目的は、粒子径の小さい触媒物質が良好な分散状態で担持された、触媒活性の高い燃料電池用触媒担持粒子およびそれを用いた燃料電池用触媒電極の製造方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、固体高分子電解質と触媒物質とを担持した炭素粒子を含む燃料電池用触媒電極であって、前記炭素粒子はカーボンナノホーンが球状に集合してなるカーボンナノホーン集合体であって、前記触媒物質の平均粒子径が5nm以下であることを特徴とする燃料電池用触媒電極が提供される。
【0008】
本発明に係る燃料電池用触媒電極においては、触媒物質の粒径が5nm以下と極めて小さいため、触媒の比表面積が大きく、触媒効率が高い。したがって、少ない触媒量で高い反応性を得ることができる。また、炭素粒子にカーボンナノホーン集合体を用いているため、炭素粒子の表面積も極めて大きく、触媒物質の担持量が多い。さらに、カーボンナノホーン集合体特有の三次元構造により、触媒物質と固体高分子電解質との接触面積も大きい。また、触媒反応で発生した水素イオンが効率よく伝達される。したがって、本発明に係る燃料電池用触媒電極は、触媒反応に用いられる面積が極めて大きく、燃料電池に用いた際にその出力を向上させることができる。
【0009】
上記燃料電池用触媒電極においては触媒物質の平均粒子径を5nm以下としているが、2nm以下とすることがより好ましい。こうすることにより、触媒物質の比表面積をより一層小さくすることができる。したがって、燃料電池に用いた際の触媒効率が高まり、燃料電池の出力をさらに向上させることができる。なお、下限については特に制限がないが、たとえば0.1nm以上、好ましくは0.5nm以上とすることができる。こうすることにより、良好な触媒効率を有する電極を製造安定性良く得ることができる。
【0010】
本発明の燃料電池用触媒電極において、前記触媒物質が略球形である構成とすることができる。ここで、「略球形である」とは、触媒粒子の長径/短径比の平均値が3以下であることをいう。こうすることにより、触媒物質の形状の均一性を向上させ、また触媒物質の比表面積をより一層増加させることができる。また、前記触媒物質がカーボンナノホーン集合体上に均一に分散している構成とすることができる。ここで、「均一に分散」とは、凝集塊や二次粒子の形成が抑制され、触媒物質が良好な分散状態でカーボンナノホーン集合体表面に担持された状態をいう。こうすることにより、触媒反応に用いられる表面積をさらに増すことができる。したがって、燃料電池に用いた際にその出力を向上させることができる。
【0011】
本発明の燃料電池用触媒電極において、前記触媒物質が金または白金族金属またはその合金である構成とすることができる。こうすることにより、触媒物質の活性をさらに向上させることができる。
【0012】
本発明の燃料電池用触媒電極において、前記カーボンナノホーン集合体が単層カーボンナノホーン集合体である構成とすることができる。こうすることにより、触媒電極における水素イオンの伝導性を向上させることができる。また、前記カーボンナノホーン集合体が単層グラファイトナノホーンからなる単層グラファイトナノホーン集合体である構成とすることができる。こうすることにより、炭素粒子の電気伝導性が向上するため、触媒電極の性能をより一層向上させることができる。さらに、前記カーボンナノホーン集合体が炭素繊維、カーボンナノファイバー、またはカーボンナノチューブに担持された構成とすることができる。こうすることにより、触媒電極中の微細構造を好適に調節することが可能となる。
【0013】
本発明によれば、燃料極、酸化剤極、および前記燃料極と前記酸化剤極とで挟持された固体電解質膜を含む燃料電池であって、前記燃料極または前記酸化剤極が、前記燃料電池用触媒電極であることを特徴とする燃料電池が提供される。本発明に係る燃料電池は、燃料極または酸化剤極に、上記の燃料電池用触媒電極が用いられているため、触媒電極における触媒反応の効率が高い。したがって、燃料電池の出力特性を向上させることができる。
【0014】
本発明によれば、金属塩の溶液と、カーボンナノホーン集合体と、還元剤とを混合し、前記カーボンナノホーン集合体の表面に金属を担持させる工程と、担持させる前記工程の後、10℃以上100℃以下の温度で前記金属を還元する工程と、を含むことを特徴とする燃料電池用触媒担持粒子の製造方法が提供される。本発明に係る燃料電池用触媒担持炭素粒子の製造方法によれば、カーボンナノホーン集合体を用い、かつ還元温度を低温とすることにより、カーボンナノホーン集合体表面に担持される触媒物質の平均粒子径を5nm以下、たとえば1nm以上2nm以下と極めて小さくすることができる。また、触媒物質の分散性を向上させることができる。
【0015】
本発明によれば、前記燃料電池用触媒担持粒子の製造方法により燃料電池用触媒担持粒子を作製する工程と、前記燃料電池用触媒担持粒子と固体高分子電解質を含む粒子とを含有する塗布液を基体上に塗布して触媒層を形成する工程と、を含むことを特徴とする燃料電池用触媒電極の製造方法が提供される。本発明に係る燃料電池用触媒電極の製造方法によれば、触媒層を形成する工程において、上述の燃料電池用触媒担持炭素粒子を用いるため、触媒反応効率の高い触媒電極が安定的に製造可能である。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的構成について図面を参照しながら説明する。
【0017】
図1は本実施形態に係る燃料電池の構造の一例を模式的に表した断面図である。触媒電極−固体電解質膜接合体101は、燃料極102、酸化剤極108、固体電解質膜114から構成される。燃料極102と酸化剤極108とをあわせて触媒電極と呼ぶ。燃料極102は基体104および触媒層106から構成される。酸化剤極108は基体110および触媒層112から構成される。単数または複数の触媒電極−固体電解質膜接合体101が、燃料極側セパレータ120および酸化剤極側セパレータ122を介して電気的に接続される。
【0018】
以上のように構成された燃料電池100において、各触媒電極−固体電解質膜接合体101の燃料極102には、燃料極側セパレータ120を介して燃料124が供給される。また、各触媒電極−固体電解質膜接合体101の酸化剤極108には、酸化剤極側セパレータ122を介して空気あるいは酸素などの酸化剤126が供給される。
【0019】
燃料極102および酸化剤極108は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質の微粒子とを含み、触媒層106、触媒層112を基体104、基体110上に形成した構成となっている。基体表面は撥水処理してもよい。
【0020】
基体104および基体110としては、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属などの多孔性基体を用いることができる。また、基体の撥水処理にはポリテトラフルオロエチレンなどの撥水剤を用いることができる。
【0021】
図2は、カーボンナノホーン集合体401の表面に触媒金属405が担持された様子を示す図である。図1の燃料電池100においては、触媒層106または触媒層112に、図2に示される構成の触媒担持炭素粒子および固体高分子電解質403が用いられる。
【0022】
図2に示すように、触媒を担持する炭素粒子として、炭素原子のみからなる新しい炭素同位体であるカーボンナノホーンが球状に集合してなるカーボンナノホーン集合体401を用いる。ここでいう球状とは、必ずしも真球という意味ではなく、楕円形状、ドーナツ状等その他の様々な形状に集合しているものも含まれる。
【0023】
カーボンナノホーン集合体401は、カーボンナノチューブの一端が円錐形状を有する管状体であって、各々の円錐部間に働くファンデルワールス力によって複数のものがチューブを中心にし、円錐部が角(ホーン)のように表面に突き出るような構成で集合したものである。このカーボンナノホーン集合体401の直径は120nm以下、代表的には10nm以上100nm以下である。また、カーボンナノホーン集合体401を構成する各カーボンナノホーンは、チューブの直径が2nm程度、代表的な長さは30nm以上50nm以下であり、円錐部は軸断面の傾角が平均20°程度である。このような特異な構造をとるため、カーボンナノホーン集合体401は非常に比表面積の大きいパッキング構造となっている。カーボンナノホーン集合体401は、通常、室温、1.01325×10Paの不活性ガス雰囲気中で、グラファイト等の固体状炭素単体物質をターゲットとするレーザーアブレーション法によって製造することができる。また、カーボンナノホーン集合体401の球状粒子間の細孔の大きさは、レーザーアブレーション法による製造条件や製造後の酸化処理等によって制御することが可能である。カーボンナノホーン集合体401の中心部ではカーボンナノホーン同士が化学的に結合している、またはカーボンナノチューブが蹴鞠のように丸まっているような形状も考えられるが、これら中心部の構造によって制限されるものではない。また、中心部が中空となっているものも考えられる。
【0024】
また、カーボンナノホーン集合体401を構成するカーボンナノホーンは、先端となる一端が閉じているものでもよいし、閉じていないものでもよい。また、その一端の円錐形状の頂点が丸まった形状で終端していてもよい。カーボンナノホーン集合体401を構成するカーボンナノホーンが、その一端の円錐形状の頂点が丸まった形状で終端している場合、頂点が丸まった部分を外側に向けて放射状に集合している。また、カーボンナノホーンの構造の一部が不完全であり、微細孔を有するものでもよい。さらに、カーボンナノホーン集合体401は、カーボンナノチューブを含むことができる。
【0025】
カーボンナノホーン集合体401は、単層カーボンナノホーンとすることができる。こうすることにより、カーボンナノホーン集合体401中の水素イオン伝導性を向上させることができる。また、カーボンナノホーン集合体401を単層グラファイトナノホーンからなる単層カーボンナノホーン集合体とすることができる。こうすることにより、カーボンナノホーン集合体401の電気伝導性が向上するため、燃料電池用触媒電極に用いた際にその性能を向上させることができる。
【0026】
触媒金属405として、たとえば以下の物質が利用可能である。燃料極102の触媒としては、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、金、銀、ニッケル、コバルト、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウムなどが例示され、これらを単独または二種類以上組み合わせて用いることができる。一方、酸化剤極108の触媒としては、燃料極102の触媒と同様のものが用いることができ、上記例示物質を使用することができる。なお、燃料極102および酸化剤極108の触媒は同じものを用いても異なるものを用いてもよい。
【0027】
また、固体高分子電解質403は、触媒電極の表面において、触媒金属405を担持したカーボンナノホーン集合体401と固体電解質膜114を電気的に接続するとともに、触媒金属405の表面に燃料124を到達させる役割を有しており、水素イオン伝導性が要求される。さらに、燃料極102にメタノール等の有機液体燃料が供給される場合、燃料透過性が求められ、酸化剤極108においては酸素透過性が求められる。固体高分子電解質403としてはこうした要求を満たすために、水素イオン伝導性や、メタノール等の有機液体燃料透過性に優れる材料が好ましく用いられる。具体的には、スルホン基、リン酸基などの強酸基や、カルボキシル基などの弱酸基などの極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、スルホン基含有パーフルオロカーボン(ナフィオン(デュポン社製)、アシプレックス(旭化成社製)など);
カルボキシル基含有パーフルオロカーボン(フレミオンS膜(旭硝子社製)など);
ポリスチレンスルホン酸共重合体、ポリビニルスルホン酸共重合体、架橋アルキルスルホン酸誘導体、フッ素樹脂骨格およびスルホン酸からなるフッ素含有高分子などの共重合体;
アクリルアミド−2−メチルプロパンスルフォン酸のようなアクリルアミド類とn−ブチルメタクリレートのようなアクリレート類とを共重合させて得られる共重合体;
などが例示される。
【0028】
また、極性基の結合する対象の高分子としては他に、ポリベンズイミダゾール誘導体、ポリベンズオキサゾール誘導体、ポリエチレンイミン架橋体、ポリサイラミン誘導体、ポリジエチルアミノエチルポリスチレン等のアミン置換ポリスチレン、ジエチルアミノエチルポリメタクリレート等の窒素置換ポリアクリレート等の窒素または水酸基を有する樹脂;
シラノール含有ポリシロキサン、ヒドロキシエチルポリメチルアクリレートに代表される水酸基含有ポリアクリル樹脂;
パラヒドロキシポリスチレンに代表される水酸基含有ポリスチレン樹脂;
などを用いることもできる。
【0029】
また、上記の高分子に対して、適宜、架橋性の置換基、例えば、ビニル基、エポキシ基、アクリル基、メタクリル基、シンナモイル基、メチロール基、アジド基、ナフトキノンジアジド基を導入してもよい。
【0030】
燃料極102および酸化剤極に108おける上記の固体高分子電解質403は、同一のものであっても異なるものであってもよい。
【0031】
なお、図2において、固体高分子電解質403はカーボンナノホーン集合体401の一部のみに設けられているように図示されているが、実際にはカーボンナノホーン集合体401全体に形成されている。
【0032】
燃料電池100において、固体電解質膜114は、燃料極102と酸化剤極108を隔てるとともに、両者の間で水素イオンや水分子を移動させる役割を有する。このため、固体電解質膜114は、水素イオンの伝導性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。固体電解質膜114を構成する材料としては、スルホン基、リン酸基、ホスホン基、ホスフィン基などの強酸基や、カルボキシル基などの弱酸基などの極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、スルフォン化ポリ(4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン)、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾールなどの芳香族含有高分子;
ポリスチレンスルホン酸共重合体、ポリビニルスルホン酸共重合体、架橋アルキルスルホン酸誘導体、フッ素樹脂骨格およびスルホン酸からなるフッ素含有高分子などの共重合体;
アクリルアミド−2−メチルプロパンスルフォン酸のようなアクリルアミド類とn−ブチルメタクリレートのようなアクリレート類とを共重合させて得られる共重合体;
スルホン基含有パーフルオロカーボン(ナフィオン(デュポン社製:登録商標)、アシプレックス(旭化成社製));
カルボキシル基含有パーフルオロカーボン(フレミオンS膜(旭硝子社製:登録商標));
などが例示される。このうち、スルフォン化ポリ(4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン)、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾールなどの芳香族含有高分子を選択した場合、有機液体燃料の透過を抑制でき、クロスオーバーによる電池効率の低下を抑えることができる。
【0033】
燃料電池100に供給する燃料124としては、気体燃料または液体燃料を用いることができる。気体燃料を用いる場合、たとえば水素を用いることができる。また、液体燃料を用いる場合、燃料124に含まれる有機化合物として、たとえばメタノール、エタノール、プロパノ−ルなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのエーテル類、シクロヘキサンなどのシクロパラフィン類、水酸基、カルボキシル基、アミノ基、アミド基等の親水基を有するシクロパラフィン類、シクロパラフィンの1置換体または2置換体、などを用いることができる。ここで、シクロパラフィン類は、シクロパラフィンおよびその置換体をいい、芳香族化合物以外のものが用いられる。
【0034】
次に、燃料電池100の製造方法について説明する。燃料電池100の製造方法に特に制限はないが、たとえば以下のようにして作製することができる。
【0035】
まず、触媒電極の製造方法について説明する。触媒金属405のカーボンナノホーン集合体401への担持は、一般的に用いられている含浸法によって行うことができる。これは、触媒金属405の金属塩を溶媒に溶解または分散させることによりコロイド状にした触媒物質を、カーボンナノホーン集合体401に担持させた後、還元処理をする方法である。室温を含む100℃以下の低い温度、たとえば10℃以上100℃以下にてこの還元処理を行うことにより、カーボンナノホーン集合体401の表面に担持された触媒金属405の平均粒子径を5nm以下、たとえば1nm以上2nm以下の極めて小さい球状粒子状とすることができる。さらに、触媒金属405をカーボンナノホーン粒子上に均一に分散させることができる。次に触媒を担持させた炭素粒子と固体高分子電解質403の粒子を溶媒に分散させ、ペースト状とした後、これを基体104、110に塗布、乾燥させることによって触媒電極を得ることができる。
【0036】
触媒ペースト中の固体高分子電解質403の粒径は、たとえば0.05μm以上1μm以下とする。カーボンナノホーン集合体401と固体高分子電解質403の粒子とは、たとえば、重量比で2:1〜40:1の範囲で用いられる。また、ペースト中の水と溶質との重量比は、たとえば、1:2〜10:1程度とする。なお、カーボンナノホーン集合体401を、炭素繊維、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等に熱処理などによって担持させて用いてもよい。こうすることにより、触媒層106、触媒層112の微細構造を任意に調節することができる。
【0037】
基体104、110へのペーストの塗布方法については特に制限がないが、たとえば、刷毛塗り、スプレー塗布、およびスクリーン印刷等の方法を用いることができる。ペーストは、たとえば約1μm以上2mm以下の厚さで塗布される。ペーストを塗布した後、使用するフッ素樹脂に応じた加熱温度および加熱時間で加熱し、燃料極102または酸化剤極108が作製される。加熱温度および加熱時間は、用いる材料によって適宜選択されるが、たとえば、加熱温度100℃以上250℃以下、加熱時間30秒以上30分以下とすることができる。
【0038】
以上の方法で作製した触媒電極を用いて、以下のようにして燃料電池100を作製する。
【0039】
固体電解質膜114は、用いる材料に応じて適宜な方法を採用して作製することができる。たとえば固体電解質膜114を有機高分子材料で構成する場合、有機高分子材料を溶媒に溶解ないし分散した液体を、ポリテトラフルオロエチレン等の剥離性シート等の上にキャストして乾燥させることにより得ることができる。
【0040】
得られた固体電解質膜114を、燃料極102および酸化剤極108で挟み、ホットプレスし、触媒電極−固体電解質膜接合体101を作製する。このとき、燃料極102、酸化剤極108の触媒層106、112が設けられた面と固体電解質膜114とが接するようにする。ホットプレスの条件は、材料に応じて選択されるが、固体電解質膜114や触媒電極表面の固体高分子電解質を、軟化点やガラス転移点を有する有機高分子で構成する場合、これらの高分子の軟化温度やガラス転位温度を超える温度とすることができる。具体的には、例えば、温度100℃以上250℃以下、圧力1kg/cm以上100kg/cm以下、時間10秒以上300秒以下とする。
【0041】
以上により得られた燃料電池100は、触媒担持炭素粒子としてカーボンナノホーン集合体401が用いられ、カーボンナノホーン集合体401の表面に担持された触媒金属405が平均粒子径5nm以下の球状であり、また触媒金属405が均一に分散しているため、触媒利用効率が高く、優れた電池特性を有する。
【0042】
本実施形態に係る燃料電池の用途は特に限定されないが、たとえば、携帯電話、ノートパソコン、PDA(Personal Digital Assistant)、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤー等、携帯型の小型電気機器に適切に用いられる。
【0043】
【実施例】
以下に本発明に係る燃料電池用触媒電極およびそれを用いた燃料電池を実施例によってさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。
【0044】
[実施例1]
カーボンナノホーン集合体はレーザーアブレーション法により作製した。すなわち、固体状炭素物質としての焼結丸棒炭素を真空容器内に設置し、容器内を10−2Paにまで減圧排気した後、Arガスを1.01325×10Paの雰囲気圧となるように導入した。次いで、高出力のCOレーザー光を前記固体状炭素物質に室温中、30分照射した。前記レーザーの出力は100W、パルス幅20msの連続発振とし、固体状炭素物質表面とのなす角が120°となるよう照射した。これにより得られたすす状物質を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察したところ、カーボンナノホーン集合体構造であることが確認された。
【0045】
得られたすす状物質をエタノール中で超音波処理(400kHz、60分)とデカンテーションを4回繰り返し行うことにより、単一また数個の粒子からなるカーボンナノホーン集合体を得ることができた。得られたカーボンナノホーン集合体の粒子径は、粒子のTEM観察より10nm以上100nm以下の範囲であった。
【0046】
上で得られたカーボンナノホーン集合体を用いて触媒担持炭素粒子を作製した。触媒となる白金を3wt%含有するジニトロジアミン白金硝酸溶液500gにカーボンナノホーン集合体10gを混合させて攪拌後、還元剤として98v/v%エタノール水溶液60mlを添加した。この分散液を沸点の約95℃で8時間攪拌混合し、触媒物質となる白金微粒子をカーボンナノホーン集合体に担持させた。白金微粒子が担持されたカーボンナノホーン集合体を濾別、乾燥し、水素気流中で室温(20℃)において5時間還元して触媒担持炭素粒子を得た。白金の担持量はカーボンナノホーン集合体の重量に対して50%程度であった。
【0047】
得られた触媒担持炭素粒子をTEMにより観察した結果、カーボンナノホーン集合体上に担持された白金は、平均粒子径が1〜2nmで、粒子の長径/短径比が約1の球状であり、またカーボンナノホーン上に均一に分散していることが確認された。また、60℃、80℃の各温度で還元を行った場合にも、白金粒子の形状と大きさは、室温で還元した場合とほぼ等しかった。なお、400℃で還元を行った場合、白金粒子の平均粒子径は約5nmの球状であった。
【0048】
したがって、炭素材料としてカーボンナノホーン集合体を用い、かつ還元処理を低温で行うことにより、触媒金属をカーボンナノホーン集合体表面に均一に分散させ、かつその平均粒子径を1nm〜2nmと極めて小さくすることができた。
【0049】
[比較例1]
炭素材料としてアセチレンブラック(電気化学社製)を用い、実施例1と同様にして触媒金属を担持させた。
【0050】
得られた触媒担持炭素粒子を実施例1と同様にしてTEMにより観察したところ、アセチレンブラック上に担持された白金は平均粒子径が約7nmであった。また白金粒子の形状は一定せず、かつ幾つかの粒子が凝集していた。なお、通常の400℃での還元をした場合にはアセチレンブラック上の触媒金属の平均粒子径は約10nmであった。したがって、低温で還元処理を行うことにより、アセチレンブラックを用いた場合においても触媒の粒子を小さくする効果があることがわかった。
【0051】
[実施例2]
実施例1で作製した触媒担持炭素粒子(カーボンナノホーン集合体)を用いて燃料電池用触媒電極および燃料電池を作製した。
【0052】
固体高分子電解質のアルコール溶液として、アルドリッチ・ケミカル社製の5%ナフィオン溶液を用いた。これを、固体高分子電解質量が0.1〜0.4mg/cmとなるようにn−酢酸ブチルと混合攪拌し、固体高分子電解質のコロイド状分散液を作製した。実施例1で白金を担持させたカーボンナノホーン集合体の粉末を、上記の高分子電解質のコロイド状分散液に添加することにより、カーボンナノホーン集合体の表面にコロイドを吸着させた。得られた分散液を、超音波分散器を用いてペースト状とした。このペーストを、基体(ガス拡散層)となるカーボンペーパー上にスクリーン印刷法で塗布した後、加熱乾燥して固体高分子型燃料電池用電極を作製した。基体として、厚さ0.19mmのカーボンペーパー(東レ社製)を用いた。
【0053】
得られた燃料電池用触媒電極を、デュポン社製ナフィオン115の両面に温度120〜200℃、圧力50〜100kg/cmでホットプレスして触媒電極−固体電解質膜接合体を作製した。これを燃料電池の単セル測定用装置にセットした。
【0054】
このセルの供給ガスに酸素、水素(1.01325×10Pa、室温)を用いてセルの出力特性を測定した。その結果、0.80Wという高い出力特性が発揮された。これは、触媒物質である白金が、カーボンナノホーン集合体表面で微細な球状となり、比表面積が増大することによって触媒活性が向上するとともに、触媒反応が関与する表面積が大きくなったためと考えられる。
【0055】
[比較例2]
比較例1で白金を担持させたアセチレンブラックの粉末を用いて燃料電池用触媒電極および燃料電池を実施例2と同様にして作製、評価した。
【0056】
アセチレンブラック上に担持した白金を400℃で還元したものを使用した場合には0.60Wの出力であったが、同じアセチレンブラック上に担持した白金を室温で還元したものを使用した場合には0.65Wの出力であった。したがって、触媒担持炭素粒子の作製時に還元処理を低温で行うことにより、やや出力特性が改善するものの、炭素材料としてカーボンナノホーン集合体を用いた場合に比べると低い出力であった。
【0057】
[実施例3]
実施例1と同様の方法で、触媒金属が白金−ルテニウムの合金となるように、塩化白金及び塩化ルテニウムから触媒金属が溶解した溶液を作製し、カーボンナノホーン集合体状に担持させた。還元処理は、4wt%水素を含んだアルゴンガス気流中室温において行った。
【0058】
得られた触媒担持炭素粒子上の白金−ルテニウム合金を実施例1と同様にしてTEMにより観察したところ、触媒金属は、平均粒子径が1〜2nmで、粒子の長径/短径比が約1の球状であり、またカーボンナノホーン上に均一に分散していることが確認された。したがって、触媒金属を白金−ルテニウム合金とした場合であっても、炭素材料としてカーボンナノホーン集合体を用い、室温で還元処理を行うことにより触媒金属の粒子径を小さくし、カーボンナノホーン集合体表面に均一に分散されることが確かめられた。
【0059】
[比較例3]
炭素材料としてアセチレンブラック(電気化学社製)を用い、実施例3と同様にして触媒金属を担持させた。
【0060】
得られた触媒担持炭素粒子を実施例1と同様にしてTEMにより観察したところ、アセチレンブラック上に担持された白金−ルテニウム合金は平均粒子径が約7nmであった。また触媒金属の形状は一定せず、かつ幾つかの粒子が凝集していた。なお、通常の400℃での還元をした場合にはアセチレンブラック上の触媒金属の平均粒子径は約10nmであった。したがって、低温で還元処理を行うことにより、アセチレンブラックを用いた場合においても触媒の粒子を小さくする効果があることがわかった。
【0061】
[実施例4]
実施例3で得られた触媒担持炭素粒子(カーボンナノホーン集合体)を用い、実施例2と同様にして燃料電池を作製した。得られた電池の燃料極および酸化剤極に、10v/v%メタノールおよび1.01325×10Paの酸素をそれぞれ供給してダイレクトメタノール型燃料電池とし、この出力特性を室温にて測定した。
【0062】
その結果、0.20Wまで出力特性が向上していることが確認された。
【0063】
[比較例4]
比較例3で白金を担持させたアセチレンブラックの粉末を用いて燃料電池用触媒電極および燃料電池を実施例4と同様にして作製、評価した。
【0064】
アセチレンブラック上に担持した白金を室温および400℃で還元したものを使用した電池はいずれも0.15Wの出力であった。したがって、いずれも炭素材料としてカーボンナノホーン集合体を用いた場合に比べて出力特性が低かった。
【0065】
以上の実施例および比較例より、触媒電極に用いる触媒担持炭素粒子をカーボンナノホーン集合体とし、触媒金属を担持させる際の還元処理を低温で行うことにより、触媒金属の粒子径を小さくし、かつカーボンナノホーン集合体表面に均一に分散させることが可能であった。また、こうして触媒金属が担持されたカーボンナノホーン集合体を用いて作製した燃料電池は、出力特性に優れることが明らかになった。
【0066】
なお、本発明が上記の実施例に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施例は適宜変更され得ることは明らかである。たとえば、本実施例では水素−酸素およびメタノール−酸素を燃料とした電池を取り上げたが、天然ガス、ナフサなどを燃料とする改質水素を燃料に用いた電池や、酸化剤として空気を用いた燃料電池などに適用することも可能である。
【0067】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、炭素粒子をカーボンナノホーンが球状に集合してなるカーボンナノホーン集合体とし、触媒物質の平均粒子径を5nm以下とすることにより、炭素粒子表面に担持された触媒物質の表面積が大きく、触媒活性の高い燃料電池用触媒電極およびそれを用いた燃料電池が実現される。また、本発明によれば、触媒物質の凝集が抑制され、良好な分散状態で担持された、触媒活性の高い燃料電池用触媒電極およびそれを用いた燃料電池が実現される。さらに、本発明によれば、粒子径の小さい触媒物質が良好な分散状態で担持された、触媒活性の高い燃料電池用触媒担持粒子およびそれを用いた燃料電池用触媒電極の製造方法が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃料電池の構成の一例を模式的に示す断面図である。
【図2】本発明に係るカーボンナノホーン集合体と、触媒金属と、固体高分子電解質とを含む複合電解質の構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
100 燃料電池
101 触媒電極−固体電解質膜接合体
102 燃料極
104 基体
106 触媒層
108 酸化剤極
110 基体
112 触媒層
114 固体電解質膜
120 燃料極側セパレータ
122 酸化剤極側セパレータ
124 燃料
126 酸化剤
401 カーボンナノホーン集合体
403 固体高分子電解質
405 触媒金属
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a catalyst electrode for a fuel cell, a fuel cell, catalyst-carrying particles for a fuel cell, and a method for producing a catalyst electrode for a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is composed of a fuel electrode and an oxidant electrode, and an electrolyte provided therebetween. Fuel is supplied to the fuel electrode and an oxidant is supplied to the oxidant electrode to generate power by an electrochemical reaction. When hydrogen is supplied to the fuel electrode and oxygen is supplied to the oxidant electrode, the electrochemical reaction occurring at each electrode is:
H2  → 2H+  + 2e
And at the oxidant electrode,
1 / 2O2  + 2H+  + 2e  → H2O
It is. For example, in the case of a battery using a solid electrolyte membrane such as a perfluorosulfonic acid membrane as an electrolyte, 1 A / cm at normal temperature and normal pressure is obtained by the above reaction.2The above high output can be obtained. In order to realize this high output, both electrodes are composed of a mixture of carbon particles carrying a catalytic substance and a solid polymer electrolyte.
[0003]
As described above, the fuel cell using hydrogen as a fuel has been described. In recent years, research and development of a fuel cell using an organic liquid fuel such as methanol have been actively performed. Fuel cells that use organic liquid fuel include those that reform organic liquid fuel into hydrogen gas and use it as fuel, and those that do not reform organic liquid fuel, such as direct methanol fuel cells. A fuel cell directly supplying the fuel electrode is known (Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-11-3724
[0005]
In order to improve the characteristics of the fuel cell, it is necessary to increase the surface area of the catalyst substance to increase the catalytic activity at the catalyst electrode. For that purpose, it is necessary to reduce the particle diameter of the catalyst particles and to uniformly disperse them. In conventional catalyst electrodes for fuel cells, as a method of supporting a catalyst substance on carbon particles, a solution prepared by dissolving a catalyst metal salt is made, and after the catalyst substance on a colloid is supported on the carbon particles, reduction is performed. The method of processing was used. This reduction treatment is generally performed in a hydrogen atmosphere at a temperature of 400 ° C. or higher. However, when a reduction treatment is performed at approximately 400 ° C. using a commonly used carbon material such as acetylene black, the average particle size of the catalyst substance is reduced. It was enlarged to about 7 to 10 nm, and aggregation of the catalyst particles occurred. As a result, there has been a problem that the surface area of the catalyst substance becomes small and the catalytic activity at the catalyst electrode is insufficient.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a catalyst electrode for a fuel cell having a large surface area of a catalyst substance supported on the surface of carbon particles and having high catalytic activity, and a fuel cell using the same. Another object of the present invention is to provide a catalyst electrode for a fuel cell having high catalytic activity, in which a catalyst substance is supported on carbon particles in a favorable dispersed state, and a fuel cell using the same. Still another object of the present invention is to provide a catalyst-carrying particle for a fuel cell having high catalytic activity, in which a catalyst substance having a small particle size is supported in a good dispersion state, and a method for producing a catalyst electrode for a fuel cell using the same. Is to do.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, there is provided a catalyst electrode for a fuel cell including carbon particles supporting a solid polymer electrolyte and a catalyst substance, wherein the carbon particles are carbon nanohorn aggregates in which carbon nanohorns are aggregated in a spherical shape. And a catalyst electrode for a fuel cell, wherein the catalyst material has an average particle size of 5 nm or less.
[0008]
In the catalyst electrode for a fuel cell according to the present invention, since the particle size of the catalyst substance is as extremely small as 5 nm or less, the specific surface area of the catalyst is large and the catalyst efficiency is high. Therefore, high reactivity can be obtained with a small amount of catalyst. Further, since the carbon nanohorn aggregate is used for the carbon particles, the surface area of the carbon particles is extremely large, and the amount of the catalyst substance carried is large. Furthermore, the contact area between the catalyst substance and the solid polymer electrolyte is large due to the three-dimensional structure unique to the carbon nanohorn aggregate. Further, hydrogen ions generated by the catalytic reaction are efficiently transmitted. Therefore, the catalyst electrode for a fuel cell according to the present invention has an extremely large area used for a catalytic reaction, and its output can be improved when used in a fuel cell.
[0009]
In the above-mentioned catalyst electrode for a fuel cell, the average particle diameter of the catalyst substance is set to 5 nm or less, but is more preferably set to 2 nm or less. By doing so, the specific surface area of the catalyst substance can be further reduced. Therefore, the catalyst efficiency when used in a fuel cell is increased, and the output of the fuel cell can be further improved. The lower limit is not particularly limited, but may be, for example, 0.1 nm or more, preferably 0.5 nm or more. By doing so, an electrode having good catalytic efficiency can be obtained with good production stability.
[0010]
In the catalyst electrode for a fuel cell according to the present invention, the catalyst substance may have a substantially spherical shape. Here, “substantially spherical” means that the average value of the ratio of the major axis / minor axis of the catalyst particles is 3 or less. By doing so, the uniformity of the shape of the catalyst substance can be improved, and the specific surface area of the catalyst substance can be further increased. Further, the catalyst substance may be uniformly dispersed on the carbon nanohorn aggregate. Here, “uniformly dispersed” refers to a state in which the formation of agglomerates and secondary particles is suppressed, and the catalyst substance is supported on the surface of the carbon nanohorn aggregate in a favorable dispersed state. By doing so, the surface area used for the catalytic reaction can be further increased. Therefore, when used in a fuel cell, its output can be improved.
[0011]
In the catalyst electrode for a fuel cell according to the present invention, the catalyst substance may be gold or a platinum group metal or an alloy thereof. By doing so, the activity of the catalyst substance can be further improved.
[0012]
In the fuel cell catalyst electrode of the present invention, the carbon nanohorn aggregate may be configured as a single-layer carbon nanohorn aggregate. By doing so, the conductivity of hydrogen ions at the catalyst electrode can be improved. Further, the carbon nanohorn aggregate may be configured as a single-layer graphite nanohorn aggregate composed of a single-layer graphite nanohorn. By doing so, the electric conductivity of the carbon particles is improved, so that the performance of the catalyst electrode can be further improved. Further, the carbon nanohorn aggregate may be supported on carbon fibers, carbon nanofibers, or carbon nanotubes. This makes it possible to suitably adjust the fine structure in the catalyst electrode.
[0013]
According to the present invention, there is provided a fuel cell including a fuel electrode, an oxidizer electrode, and a solid electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxidizer electrode, wherein the fuel electrode or the oxidizer electrode includes the fuel electrode. A fuel cell is provided, which is a catalyst electrode for a cell. In the fuel cell according to the present invention, since the above-described fuel cell catalyst electrode is used for the fuel electrode or the oxidant electrode, the efficiency of the catalytic reaction at the catalyst electrode is high. Therefore, the output characteristics of the fuel cell can be improved.
[0014]
According to the present invention, a step of mixing a metal salt solution, a carbon nanohorn aggregate, and a reducing agent to support a metal on the surface of the carbon nanohorn aggregate, and after the step of supporting the metal, at least 10 ° C. A step of reducing the metal at a temperature of 100 ° C. or lower. According to the method for producing catalyst-carrying carbon particles for a fuel cell according to the present invention, using a carbon nanohorn aggregate, and by reducing the reduction temperature, the average particle diameter of the catalyst material supported on the carbon nanohorn aggregate surface Can be made as extremely small as 5 nm or less, for example, 1 nm or more and 2 nm or less. Further, the dispersibility of the catalyst substance can be improved.
[0015]
According to the present invention, a step of producing a fuel cell catalyst-carrying particle by the method for producing a fuel cell catalyst-carrying particle, and a coating liquid containing the fuel cell catalyst-carrying particle and a particle containing a solid polymer electrolyte Forming a catalyst layer by applying the catalyst layer on a substrate. According to the method for producing a catalyst electrode for a fuel cell according to the present invention, in the step of forming a catalyst layer, the above-mentioned catalyst-supporting carbon particles for a fuel cell are used, so that a catalyst electrode having high catalytic reaction efficiency can be stably produced. It is.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a specific configuration of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0017]
FIG. 1 is a sectional view schematically showing an example of the structure of the fuel cell according to the present embodiment. The catalyst electrode-solid electrolyte membrane assembly 101 includes a fuel electrode 102, an oxidant electrode 108, and a solid electrolyte membrane 114. The fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 are collectively called a catalyst electrode. The fuel electrode 102 includes a base 104 and a catalyst layer 106. The oxidant electrode 108 includes a base 110 and a catalyst layer 112. One or more catalyst electrode-solid electrolyte membrane assemblies 101 are electrically connected via a fuel electrode side separator 120 and an oxidant electrode side separator 122.
[0018]
In the fuel cell 100 configured as described above, the fuel 124 is supplied to the fuel electrode 102 of each catalyst electrode-solid electrolyte membrane assembly 101 via the fuel electrode separator 120. Further, an oxidizing agent 126 such as air or oxygen is supplied to the oxidizing electrode 108 of each catalyst electrode-solid electrolyte membrane assembly 101 via an oxidizing electrode-side separator 122.
[0019]
The fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 include carbon particles carrying a catalyst and fine particles of a solid polymer electrolyte, and have a structure in which the catalyst layer 106 and the catalyst layer 112 are formed on the bases 104 and 110. The substrate surface may be subjected to a water-repellent treatment.
[0020]
As the bases 104 and 110, a porous base such as carbon paper, a carbon molded body, a carbon sintered body, a sintered metal, or a foamed metal can be used. Further, a water repellent such as polytetrafluoroethylene can be used for the water repellent treatment of the substrate.
[0021]
FIG. 2 is a diagram illustrating a state where the catalyst metal 405 is supported on the surface of the carbon nanohorn aggregate 401. In the fuel cell 100 of FIG. 1, the catalyst-supporting carbon particles and the solid polymer electrolyte 403 having the configuration shown in FIG. 2 are used for the catalyst layer 106 or the catalyst layer 112.
[0022]
As shown in FIG. 2, a carbon nanohorn aggregate 401 in which carbon nanohorns, which are new carbon isotopes consisting only of carbon atoms, are aggregated in a spherical shape is used as the carbon particles carrying the catalyst. Here, the term “spherical” does not necessarily mean a true sphere, but also includes a variety of other shapes such as an elliptical shape and a donut shape.
[0023]
The carbon nanohorn aggregate 401 is a tubular body in which one end of a carbon nanotube has a conical shape, and a plurality of carbon nanohorns are formed around the tube by van der Waals force acting between the conical portions, and the conical portions have a corner (horn). Are assembled in such a way as to protrude from the surface as shown. The diameter of the carbon nanohorn aggregate 401 is 120 nm or less, typically 10 nm or more and 100 nm or less. Each of the carbon nanohorns constituting the carbon nanohorn aggregate 401 has a tube diameter of about 2 nm, a typical length of 30 nm or more and 50 nm or less, and the conical portion has an average inclination angle of about 20 ° in the axial cross section. In order to adopt such a unique structure, the carbon nanohorn aggregate 401 has a packing structure with a very large specific surface area. The carbon nanohorn aggregate 401 is usually at room temperature, 1.01325 × 105It can be manufactured by a laser ablation method using a solid carbon simple substance such as graphite as a target in an inert gas atmosphere of Pa. Further, the size of the pores between the spherical particles of the carbon nanohorn aggregate 401 can be controlled by the production conditions by the laser ablation method, the oxidation treatment after the production, and the like. At the center of the carbon nanohorn aggregate 401, carbon nanohorns may be chemically bonded to each other, or carbon nanotubes may be rounded like a kemari. However, the shape is limited by the structure of the center. is not. In addition, it is conceivable that the center is hollow.
[0024]
Further, the carbon nanohorn constituting the carbon nanohorn assembly 401 may have a closed end at the tip or may not be closed. Further, the apex of the conical shape at one end may end in a rounded shape. When the carbon nanohorns constituting the carbon nanohorn aggregate 401 end at a conical vertex at one end, the vertex of the conical shape is radially aggregated with the rounded vertex outward. Further, the carbon nanohorn may be partially incomplete and have fine pores. Further, the carbon nanohorn aggregate 401 can include carbon nanotubes.
[0025]
The carbon nanohorn aggregate 401 can be a single-layer carbon nanohorn. By doing so, the hydrogen ion conductivity in the carbon nanohorn aggregate 401 can be improved. Further, the carbon nanohorn aggregate 401 can be a single-layer carbon nanohorn aggregate made of a single-layer graphite nanohorn. By doing so, the electrical conductivity of the carbon nanohorn assembly 401 is improved, and when used for a catalyst electrode for a fuel cell, its performance can be improved.
[0026]
As the catalyst metal 405, for example, the following substances can be used. Examples of the catalyst for the fuel electrode 102 include platinum, rhodium, palladium, iridium, osmium, ruthenium, rhenium, gold, silver, nickel, cobalt, lithium, lanthanum, strontium, and yttrium. These may be used alone or in combination of two or more. Can be used. On the other hand, as the catalyst for the oxidant electrode 108, the same catalyst as the catalyst for the fuel electrode 102 can be used, and the above-described exemplary substances can be used. The catalysts of the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 may be the same or different.
[0027]
The solid polymer electrolyte 403 electrically connects the carbon nanohorn aggregate 401 supporting the catalyst metal 405 and the solid electrolyte membrane 114 on the surface of the catalyst electrode, and allows the fuel 124 to reach the surface of the catalyst metal 405. It has a role and requires hydrogen ion conductivity. Furthermore, when an organic liquid fuel such as methanol is supplied to the fuel electrode 102, fuel permeability is required, and oxygen permeability is required at the oxidant electrode 108. In order to satisfy such requirements, a material excellent in hydrogen ion conductivity and organic liquid fuel permeability such as methanol is preferably used as the solid polymer electrolyte 403. Specifically, an organic polymer having a polar group such as a strong acid group such as a sulfone group or a phosphoric acid group or a weak acid group such as a carboxyl group is preferably used. Examples of such organic polymers include sulfone group-containing perfluorocarbons (such as Nafion (manufactured by DuPont) and Aciplex (manufactured by Asahi Kasei Corporation));
Carboxyl group-containing perfluorocarbon (such as Flemion S membrane (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.));
Copolymers such as a polystyrenesulfonic acid copolymer, a polyvinylsulfonic acid copolymer, a crosslinked alkylsulfonic acid derivative, a fluorine-containing polymer composed of a fluororesin skeleton and sulfonic acid;
A copolymer obtained by copolymerizing acrylamides such as acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid and acrylates such as n-butyl methacrylate;
And the like.
[0028]
In addition, as the polymer to be bonded to the polar group, other polybenzimidazole derivatives, polybenzoxazole derivatives, polyethyleneimine cross-linked, polysilamine derivatives, amine-substituted polystyrene such as polydiethylaminoethyl polystyrene, diethylaminoethyl polymethacrylate, etc. Resins having nitrogen or hydroxyl groups, such as nitrogen-substituted polyacrylates;
Hydroxyl-containing polyacrylic resin represented by silanol-containing polysiloxane and hydroxyethyl polymethyl acrylate;
Hydroxyl-containing polystyrene resin represented by parahydroxy polystyrene;
Etc. can also be used.
[0029]
Further, a crosslinkable substituent, for example, a vinyl group, an epoxy group, an acrylic group, a methacryl group, a cinnamoyl group, a methylol group, an azide group, or a naphthoquinonediazide group may be appropriately introduced into the polymer. .
[0030]
The solid polymer electrolyte 403 in the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 may be the same or different.
[0031]
In FIG. 2, the solid polymer electrolyte 403 is illustrated as being provided only on a part of the carbon nanohorn aggregate 401, but is actually formed on the entire carbon nanohorn aggregate 401.
[0032]
In the fuel cell 100, the solid electrolyte membrane 114 has a role to separate the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 and to move hydrogen ions and water molecules between the two. For this reason, the solid electrolyte membrane 114 is preferably a membrane having high conductivity of hydrogen ions. Further, it is preferable that the material is chemically stable and has high mechanical strength. As a material constituting the solid electrolyte membrane 114, an organic polymer having a polar group such as a strong acid group such as a sulfone group, a phosphate group, a phosphone group, or a phosphine group, or a weak acid group such as a carboxyl group is preferably used. Such organic polymers include aromatic-containing polymers such as sulfonated poly (4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene) and alkylsulfonated polybenzimidazole;
Copolymers such as a polystyrene sulfonic acid copolymer, a polyvinyl sulfonic acid copolymer, a cross-linked alkyl sulfonic acid derivative, a fluorine-containing polymer comprising a fluororesin skeleton and sulfonic acid;
A copolymer obtained by copolymerizing acrylamides such as acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid and acrylates such as n-butyl methacrylate;
Sulfone group-containing perfluorocarbon (Nafion (manufactured by DuPont: registered trademark), Aciplex (manufactured by Asahi Kasei Corporation));
Carboxyl group-containing perfluorocarbon (Flemion S membrane (trade name, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.));
And the like. Among these, when aromatic-containing polymers such as sulfonated poly (4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene) and alkylsulfonated polybenzimidazole are selected, the permeation of organic liquid fuel can be suppressed, and the battery by crossover can be suppressed. A decrease in efficiency can be suppressed.
[0033]
As the fuel 124 supplied to the fuel cell 100, a gaseous fuel or a liquid fuel can be used. When a gaseous fuel is used, for example, hydrogen can be used. When a liquid fuel is used, the organic compounds contained in the fuel 124 include, for example, alcohols such as methanol, ethanol and propanol, ethers such as dimethyl ether, cycloparaffins such as cyclohexane, hydroxyl group, carboxyl group and amino group. And cycloparaffins having a hydrophilic group such as an amide group, and mono- or di-substituted cycloparaffins. Here, cycloparaffins refer to cycloparaffins and substituted products thereof, and those other than aromatic compounds are used.
[0034]
Next, a method for manufacturing the fuel cell 100 will be described. The method of manufacturing the fuel cell 100 is not particularly limited, but can be manufactured, for example, as follows.
[0035]
First, a method for manufacturing a catalyst electrode will be described. The catalyst metal 405 can be supported on the carbon nanohorn aggregate 401 by a generally used impregnation method. This is a method in which a colloidal catalyst substance obtained by dissolving or dispersing a metal salt of the catalyst metal 405 in a solvent is supported on the carbon nanohorn aggregate 401 and then subjected to a reduction treatment. By performing this reduction treatment at a low temperature of 100 ° C. or less including room temperature, for example, 10 ° C. or more and 100 ° C. or less, the average particle diameter of the catalyst metal 405 supported on the surface of the carbon nanohorn aggregate 401 is 5 nm or less, for example. Very small spherical particles of 1 nm or more and 2 nm or less can be obtained. Further, the catalyst metal 405 can be uniformly dispersed on the carbon nanohorn particles. Next, the catalyst-supported carbon particles and the particles of the solid polymer electrolyte 403 are dispersed in a solvent to form a paste, which is then applied to the substrates 104 and 110 and dried to obtain a catalyst electrode.
[0036]
The particle size of the solid polymer electrolyte 403 in the catalyst paste is, for example, 0.05 μm or more and 1 μm or less. The carbon nanohorn aggregate 401 and the particles of the solid polymer electrolyte 403 are used in a weight ratio of, for example, 2: 1 to 40: 1. The weight ratio between water and solute in the paste is, for example, about 1: 2 to 10: 1. Note that the carbon nanohorn aggregate 401 may be supported on carbon fibers, carbon nanofibers, carbon nanotubes, or the like by heat treatment or the like. By doing so, the fine structure of the catalyst layers 106 and 112 can be adjusted arbitrarily.
[0037]
The method of applying the paste to the bases 104 and 110 is not particularly limited, and for example, a method such as brush coating, spray coating, and screen printing can be used. The paste is applied with a thickness of, for example, about 1 μm or more and 2 mm or less. After applying the paste, the paste is heated at a heating temperature and for a heating time according to the fluororesin to be used, whereby the fuel electrode 102 or the oxidant electrode 108 is produced. The heating temperature and the heating time are appropriately selected depending on the material used. For example, the heating temperature can be 100 ° C. or more and 250 ° C. or less, and the heating time can be 30 seconds or more and 30 minutes or less.
[0038]
The fuel cell 100 is manufactured as follows using the catalyst electrode manufactured by the above method.
[0039]
The solid electrolyte membrane 114 can be manufactured by employing an appropriate method depending on a material to be used. For example, when the solid electrolyte membrane 114 is composed of an organic polymer material, it is obtained by casting and drying a liquid obtained by dissolving or dispersing the organic polymer material in a solvent on a peelable sheet such as polytetrafluoroethylene. be able to.
[0040]
The obtained solid electrolyte membrane 114 is sandwiched between the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 and hot-pressed to produce the catalyst electrode-solid electrolyte membrane assembly 101. At this time, the surfaces of the fuel electrode 102 and the oxidizer electrode 108 where the catalyst layers 106 and 112 are provided are in contact with the solid electrolyte membrane 114. The conditions for hot pressing are selected according to the material. However, when the solid electrolyte membrane 114 and the solid polymer electrolyte on the surface of the catalyst electrode are composed of an organic polymer having a softening point or a glass transition point, these polymers are used. Above the softening temperature or the glass transition temperature. Specifically, for example, the temperature is 100 ° C. or more and 250 ° C. or less, and the pressure is 1 kg / cm.2More than 100kg / cm2Hereinafter, the time is from 10 seconds to 300 seconds.
[0041]
In the fuel cell 100 obtained as described above, the carbon nanohorn aggregate 401 is used as the catalyst-supporting carbon particles, and the catalyst metal 405 supported on the surface of the carbon nanohorn aggregate 401 has a spherical shape with an average particle diameter of 5 nm or less; Since the catalyst metal 405 is uniformly dispersed, the catalyst utilization efficiency is high and the battery has excellent battery characteristics.
[0042]
The use of the fuel cell according to the present embodiment is not particularly limited. For example, the fuel cell is suitable for a portable small electric device such as a mobile phone, a notebook computer, a PDA (Personal Digital Assistant), various cameras, a navigation system, and a portable music player. Used for
[0043]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, the catalyst electrode for a fuel cell according to the present invention and the fuel cell using the same will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.
[0044]
[Example 1]
The carbon nanohorn aggregate was produced by a laser ablation method. That is, sintered round bar carbon as a solid carbon material is placed in a vacuum vessel, and-2After depressurizing and evacuating to Pa, Ar gas was discharged to 1.01325 × 105It was introduced so as to have an atmospheric pressure of Pa. Then, the high output CO2The solid carbon material was irradiated with laser light at room temperature for 30 minutes. Irradiation was performed so that the laser output was 100 W and the pulse width was 20 ms, and the angle between the laser and the surface of the solid carbon material was 120 °. Observation of the soot-like substance thus obtained by a transmission electron microscope (TEM) confirmed that the substance had a carbon nanohorn aggregate structure.
[0045]
The obtained soot-like substance was subjected to ultrasonic treatment (400 kHz, 60 minutes) and decantation four times in ethanol, whereby a carbon nanohorn aggregate consisting of a single particle or several particles could be obtained. The particle diameter of the obtained carbon nanohorn aggregate was in the range of 10 nm or more and 100 nm or less from TEM observation of the particles.
[0046]
Using the carbon nanohorn aggregate obtained above, catalyst-carrying carbon particles were produced. 10 g of carbon nanohorn aggregate was mixed with 500 g of a dinitrodiamineplatinum nitric acid solution containing 3 wt% of platinum serving as a catalyst and stirred, and then 60 ml of a 98 v / v% aqueous ethanol solution was added as a reducing agent. This dispersion was stirred and mixed at a boiling point of about 95 ° C. for 8 hours, and platinum fine particles serving as a catalyst substance were supported on a carbon nanohorn aggregate. The carbon nanohorn aggregate supporting the platinum fine particles was separated by filtration, dried, and reduced in a hydrogen stream at room temperature (20 ° C.) for 5 hours to obtain catalyst-supported carbon particles. The supported amount of platinum was about 50% based on the weight of the carbon nanohorn aggregate.
[0047]
As a result of observing the obtained catalyst-carrying carbon particles by TEM, the platinum supported on the carbon nanohorn aggregate was spherical with an average particle diameter of 1 to 2 nm and a ratio of the major axis / minor axis of the particles of about 1, It was also confirmed that the particles were uniformly dispersed on the carbon nanohorn. Also, when the reduction was performed at each temperature of 60 ° C. and 80 ° C., the shape and size of the platinum particles were almost equal to those when the reduction was performed at room temperature. When the reduction was performed at 400 ° C., the average particle diameter of the platinum particles was a sphere having a diameter of about 5 nm.
[0048]
Therefore, by using a carbon nanohorn aggregate as a carbon material and performing the reduction treatment at a low temperature, the catalyst metal is uniformly dispersed on the surface of the carbon nanohorn aggregate, and the average particle diameter is extremely small as 1 nm to 2 nm. Was completed.
[0049]
[Comparative Example 1]
Using acetylene black (manufactured by Denki Kagaku) as a carbon material, a catalyst metal was supported in the same manner as in Example 1.
[0050]
The obtained catalyst-carrying carbon particles were observed by TEM in the same manner as in Example 1. As a result, the platinum supported on acetylene black had an average particle diameter of about 7 nm. Further, the shape of the platinum particles was not constant, and some particles were aggregated. When the reduction was performed at a normal temperature of 400 ° C., the average particle diameter of the catalyst metal on acetylene black was about 10 nm. Therefore, it was found that by performing the reduction treatment at a low temperature, there was an effect of reducing the size of the catalyst particles even when acetylene black was used.
[0051]
[Example 2]
Using the catalyst-carrying carbon particles (carbon nanohorn aggregates) produced in Example 1, a catalyst electrode for a fuel cell and a fuel cell were produced.
[0052]
As the alcohol solution of the solid polymer electrolyte, a 5% Nafion solution manufactured by Aldrich Chemical Co. was used. When the mass of the solid polymer electrolyte is 0.1 to 0.4 mg / cm2And stirred with n-butyl acetate to obtain a colloidal dispersion of solid polymer electrolyte. The colloid was adsorbed on the surface of the carbon nanohorn aggregate by adding the powder of the carbon nanohorn aggregate supporting platinum in Example 1 to the colloidal dispersion of the polymer electrolyte. The resulting dispersion was made into a paste using an ultrasonic disperser. This paste was applied on carbon paper as a substrate (gas diffusion layer) by a screen printing method, and then dried by heating to produce an electrode for a polymer electrolyte fuel cell. Carbon paper (manufactured by Toray Industries, Inc.) having a thickness of 0.19 mm was used as the base.
[0053]
The obtained fuel cell catalyst electrode was applied to both sides of Nafion 115 manufactured by DuPont at a temperature of 120 to 200 ° C. and a pressure of 50 to 100 kg / cm.2To produce a catalyst electrode-solid electrolyte membrane assembly. This was set in an apparatus for measuring a single cell of a fuel cell.
[0054]
Oxygen and hydrogen (1.01325 × 105(Pa, room temperature). As a result, a high output characteristic of 0.80 W was exhibited. This is presumably because platinum, which is a catalytic substance, became finely spherical on the surface of the carbon nanohorn aggregate, and the specific surface area was increased, thereby improving the catalytic activity and increasing the surface area involved in the catalytic reaction.
[0055]
[Comparative Example 2]
In Comparative Example 1, a catalyst electrode for a fuel cell and a fuel cell were produced and evaluated in the same manner as in Example 2 using acetylene black powder carrying platinum.
[0056]
When the platinum supported on acetylene black was reduced at 400 ° C., the output was 0.60 W, but when the platinum supported on the same acetylene black was reduced at room temperature, The output was 0.65 W. Therefore, although the output characteristics were slightly improved by performing the reduction treatment at a low temperature during the preparation of the catalyst-supporting carbon particles, the output was lower than when the carbon nanohorn aggregate was used as the carbon material.
[0057]
[Example 3]
In the same manner as in Example 1, a solution in which the catalyst metal was dissolved from platinum chloride and ruthenium chloride was prepared so that the catalyst metal became a platinum-ruthenium alloy, and was carried in the form of a carbon nanohorn aggregate. The reduction treatment was performed at room temperature in an argon gas stream containing 4 wt% hydrogen.
[0058]
When the obtained platinum-ruthenium alloy on the catalyst-supporting carbon particles was observed by TEM in the same manner as in Example 1, the catalyst metal had an average particle diameter of 1 to 2 nm and a ratio of the major axis / minor axis of the particles of about 1 to about 1 nm. And it was confirmed that the particles were uniformly dispersed on the carbon nanohorn. Therefore, even when the catalyst metal is a platinum-ruthenium alloy, the carbon nanohorn aggregate is used as the carbon material, and the reduction process is performed at room temperature to reduce the particle size of the catalyst metal, and the surface of the carbon nanohorn aggregate is reduced. It was confirmed that they were uniformly dispersed.
[0059]
[Comparative Example 3]
Using acetylene black (manufactured by Denki Kagaku) as a carbon material, a catalyst metal was carried in the same manner as in Example 3.
[0060]
The obtained catalyst-carrying carbon particles were observed by TEM in the same manner as in Example 1. As a result, the platinum-ruthenium alloy supported on acetylene black had an average particle diameter of about 7 nm. Further, the shape of the catalyst metal was not constant, and some particles were aggregated. When the reduction was performed at a normal temperature of 400 ° C., the average particle diameter of the catalyst metal on acetylene black was about 10 nm. Therefore, it was found that by performing the reduction treatment at a low temperature, there was an effect of reducing the size of the catalyst particles even when acetylene black was used.
[0061]
[Example 4]
Using the catalyst-carrying carbon particles (carbon nanohorn aggregates) obtained in Example 3, a fuel cell was produced in the same manner as in Example 2. 10 v / v% methanol and 1.01325 × 105A direct methanol fuel cell was prepared by supplying oxygen of Pa, and the output characteristics were measured at room temperature.
[0062]
As a result, it was confirmed that the output characteristics were improved up to 0.20 W.
[0063]
[Comparative Example 4]
In Comparative Example 3, a catalyst electrode for a fuel cell and a fuel cell were prepared and evaluated in the same manner as in Example 4 using acetylene black powder supporting platinum.
[0064]
Each of the batteries using the platinum supported on acetylene black reduced at room temperature and 400 ° C. had an output of 0.15 W. Therefore, in each case, the output characteristics were lower than in the case where the carbon nanohorn aggregate was used as the carbon material.
[0065]
From the above Examples and Comparative Examples, the catalyst-carrying carbon particles used for the catalyst electrode are made into carbon nanohorn aggregates, and the reduction treatment when carrying the catalyst metal is performed at a low temperature, thereby reducing the particle diameter of the catalyst metal, and It was possible to disperse uniformly on the surface of the carbon nanohorn aggregate. In addition, it has been clarified that the fuel cell manufactured using the carbon nanohorn aggregate on which the catalyst metal is supported has excellent output characteristics.
[0066]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is clear that each embodiment can be appropriately changed within the scope of the technical idea of the present invention. For example, in this embodiment, a battery using hydrogen-oxygen and methanol-oxygen as a fuel is taken, but a battery using reformed hydrogen as a fuel using natural gas, naphtha, or the like, or air using an oxidant as a fuel. It is also possible to apply to a fuel cell or the like.
[0067]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the carbon particles are supported on the surface of the carbon particles by setting the average particle diameter of the catalyst material to 5 nm or less by forming the carbon particles into a carbon nanohorn aggregate in which carbon nanohorns are aggregated in a spherical shape. A catalyst electrode for a fuel cell having a large surface area of a catalyst substance and high catalytic activity and a fuel cell using the same are realized. Further, according to the present invention, a catalyst electrode for a fuel cell having high catalytic activity, in which aggregation of a catalyst substance is suppressed and supported in a good dispersion state, and a fuel cell using the same are realized. Further, according to the present invention, a catalyst-supporting particle for a fuel cell having high catalytic activity in which a catalyst substance having a small particle size is supported in a good dispersion state, and a method for producing a catalyst electrode for a fuel cell using the same are realized. You.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing one example of a configuration of a fuel cell according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an example of a configuration of a composite electrolyte including a carbon nanohorn aggregate, a catalyst metal, and a solid polymer electrolyte according to the present invention.
[Explanation of symbols]
100 fuel cell
101 Catalyst electrode-solid electrolyte membrane assembly
102 Fuel electrode
104 base
106 catalyst layer
108 Oxidizer electrode
110 base
112 catalyst layer
114 Solid electrolyte membrane
120 Fuel electrode side separator
122 Oxidizer electrode side separator
124 fuel
126 Oxidizing agent
401 Carbon nanohorn aggregate
403 Solid polymer electrolyte
405 catalytic metal

Claims (10)

固体高分子電解質と触媒物質とを担持した炭素粒子を含む燃料電池用触媒電極であって、前記炭素粒子はカーボンナノホーンが球状に集合してなるカーボンナノホーン集合体であって、前記触媒物質の平均粒子径が5nm以下であることを特徴とする燃料電池用触媒電極。A fuel cell catalyst electrode comprising carbon particles supporting a solid polymer electrolyte and a catalyst material, wherein the carbon particles are a carbon nanohorn aggregate formed by spherically assembling carbon nanohorns, and the average of the catalyst material A catalyst electrode for a fuel cell, wherein the particle diameter is 5 nm or less. 請求項1に記載の燃料電池用触媒電極において、前記触媒物質が略球形であることを特徴とする燃料電池用触媒電極。The catalyst electrode for a fuel cell according to claim 1, wherein the catalyst substance is substantially spherical. 請求項1または2に記載の燃料電池用触媒電極において、前記触媒物質がカーボンナノホーン集合体上に均一に分散していることを特徴する燃料電池用触媒電極。3. The fuel cell catalyst electrode according to claim 1, wherein the catalyst material is uniformly dispersed on the carbon nanohorn aggregate. 請求項1乃至3いずれかに記載の燃料電池用触媒電極において、前記触媒物質が金または白金族金属またはその合金であることを特徴とする燃料電池用触媒電極。The fuel cell catalyst electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the catalyst substance is gold, a platinum group metal, or an alloy thereof. 請求項1乃至4いずれかに記載の燃料電池用触媒電極において、前記カーボンナノホーン集合体が単層カーボンナノホーン集合体であることを特徴とする燃料電池用触媒電極。The fuel cell catalyst electrode according to any one of claims 1 to 4, wherein the carbon nanohorn assembly is a single-layer carbon nanohorn assembly. 請求項1乃至5いずれかに記載の燃料電池用触媒電極において、前記カーボンナノホーン集合体が単層グラファイトナノホーンからなる単層グラファイトナノホーン集合体であることを特徴とする燃料電池用触媒電極。The fuel cell catalyst electrode according to any one of claims 1 to 5, wherein the carbon nanohorn assembly is a single-layer graphite nanohorn assembly composed of a single-layer graphite nanohorn. 請求項1乃至6いずれかに記載の燃料電池用触媒電極において、前記カーボンナノホーン集合体が炭素繊維、カーボンナノファイバー、またはカーボンナノチューブに担持されたことを特徴とする燃料電池用触媒電極。The fuel cell catalyst electrode according to any one of claims 1 to 6, wherein the carbon nanohorn aggregate is supported on carbon fibers, carbon nanofibers, or carbon nanotubes. 燃料極、酸化剤極、および前記燃料極と前記酸化剤極とで挟持された固体電解質膜を含む燃料電池であって、前記燃料極または前記酸化剤極が、請求項1乃至7いずれかに記載の燃料電池用触媒電極であることを特徴とする燃料電池。8. A fuel cell including a fuel electrode, an oxidant electrode, and a solid electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxidant electrode, wherein the fuel electrode or the oxidant electrode is any one of claims 1 to 7. A fuel cell, which is the catalyst electrode for a fuel cell according to any one of the preceding claims. 金属塩の溶液と、カーボンナノホーン集合体と、還元剤とを混合し、前記カーボンナノホーン集合体の表面に金属を担持させる工程と、
担持させる前記工程の後、10℃以上100℃以下の温度で前記金属を還元する工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池用触媒担持粒子の製造方法。
A solution of a metal salt, a carbon nanohorn aggregate, and mixing a reducing agent, a step of supporting a metal on the surface of the carbon nanohorn aggregate,
After the step of supporting, a step of reducing the metal at a temperature of 10 ° C. or more and 100 ° C. or less,
A method for producing catalyst-carrying particles for a fuel cell, comprising:
請求項9に記載の燃料電池用触媒担持粒子の製造方法により燃料電池用触媒担持粒子を作製する工程と、
前記燃料電池用触媒担持粒子と固体高分子電解質を含む粒子とを含有する塗布液を基体上に塗布して触媒層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池用触媒電極の製造方法。
Producing a catalyst-carrying particle for a fuel cell by the method for producing a catalyst-carrying particle for a fuel cell according to claim 9;
A step of applying a coating solution containing the fuel cell catalyst-carrying particles and particles containing a solid polymer electrolyte to a substrate to form a catalyst layer,
A method for producing a catalyst electrode for a fuel cell, comprising:
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