JP2005190887A - ELECTRODE CATALYST HAVING SURFACE STRUCTURE FOR CONSTRUCTING CATALYST LAYER HAVING HIGH PERFORMANCE AND DUTY AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME - Google Patents
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Abstract
【課題】 高性能、耐久性を有する触媒層を構築するのに適した表面構造を備えた燃料電池用電極触媒を提供する。
【解決手段】 担持体上に触媒金属を担持してなる電極触媒において、該電極触媒のX線光電子分光法で得られるC1sピークのピーク分割により得られる(C−Oピーク高さ)/(C−Cピーク高さ)比が0.2以上であることを特徴とする燃料電池用電極触媒。
【選択図】 図2PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell electrode catalyst having a surface structure suitable for constructing a catalyst layer having high performance and durability.
In an electrode catalyst in which a catalyst metal is supported on a support, (CO peak height) / (C obtained by peak splitting of a C1s peak obtained by X-ray photoelectron spectroscopy of the electrode catalyst. -C peak height) ratio is 0.2 or more, The electrode catalyst for fuel cells characterized by the above-mentioned.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、高性能、耐久性を有する燃料電池用電極の触媒層を構築するための表面構造を有する燃料電池用電極、好ましくは、固体高分子型燃料電池用電極に用いられ得る電極触媒及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell electrode having a surface structure for constructing a catalyst layer of a fuel cell electrode having high performance and durability, and preferably an electrode catalyst that can be used for a polymer electrolyte fuel cell electrode and It relates to the manufacturing method.
近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動し高出力密度が得られる固体高分子型燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。 In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental issues, polymer electrolyte fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. .
かかる固体高分子型燃料電池の主要な構成要素は、アノード、カソードの両電極と、ガス流路を形成するセパレータ板、両極間を隔てる固体高分子電解質膜である。アノードの触媒上で生成したプロトンは、固体高分子電解質膜中を移動してカソードの触媒上に達し、酸素と反応する。したがって、両極間のイオン伝導抵抗は、電池性能に大きく影響する。 The main components of such a polymer electrolyte fuel cell are an anode and a cathode, a separator plate that forms a gas flow path, and a solid polymer electrolyte membrane that separates the electrodes. Protons generated on the anode catalyst move through the solid polymer electrolyte membrane, reach the cathode catalyst, and react with oxygen. Therefore, the ion conduction resistance between the two electrodes greatly affects the battery performance.
燃料電池を形成するには、両電極の触媒と固体高分子電解質膜をイオン伝導パスで接合する必要がある。そのために、電解質ポリマーの溶液と触媒粒子とを混合し、塗布・乾燥して両者を結合させた触媒層を電極に用いたり、電極の触媒と固体高分子電解質膜とを加熱下でプレスするという手法が一般的に用いられていた。 In order to form a fuel cell, it is necessary to join the catalyst of both electrodes and the solid polymer electrolyte membrane through an ion conduction path. For this purpose, a catalyst layer in which an electrolyte polymer solution and catalyst particles are mixed, applied and dried to bond them together is used as an electrode, or the electrode catalyst and a solid polymer electrolyte membrane are pressed under heating. The technique was commonly used.
イオン伝導を担う電解質ポリマーには、一般に、パーフルオロ系の主鎖にスルホン酸基が導入されたポリマーが使用される。具体的な商品としては、デュポン社製のナフィオン、旭硝子株式会社製のフレミオン、旭化成株式会社製のアシプレックスなどが使用される。パーフルオロ系の電解質ポリマーは、パーフルオロ系主鎖とスルホン酸基をもつ側鎖からなり、スルホン酸基の相とパーフルオロ系の主鎖の相とにミクロ相分離して、スルホン酸基の相はクラスターを形成すると言われている。イオン伝導に寄与するのは、スルホン酸基が集まってクラスターを形成している部分である。 As the electrolyte polymer responsible for ionic conduction, a polymer in which a sulfonic acid group is introduced into a perfluoro main chain is generally used. As specific products, Nafion manufactured by DuPont, Flemion manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., Aciplex manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., and the like are used. A perfluoro-based electrolyte polymer is composed of a perfluoro main chain and a side chain having a sulfonic acid group, and is microphase-separated into a sulfonic acid group phase and a perfluoro main chain phase to form a sulfonic acid group. The phases are said to form clusters. What contributes to ionic conduction is the portion where sulfonic acid groups are gathered to form clusters.
触媒反応では、電極の触媒表面で効率良くイオンのやりとりがなされることが必要である。したがって、触媒表面にはイオン伝導に寄与するスルホン酸基が配向している状態が望ましい。その状態を得るには、触媒表面が親水性である必要がある。 In the catalytic reaction, it is necessary that ions are efficiently exchanged on the catalyst surface of the electrode. Therefore, it is desirable that the sulfonic acid group contributing to ionic conduction is oriented on the catalyst surface. In order to obtain this state, the catalyst surface needs to be hydrophilic.
しかしながら、電極触媒は、カーボンブラック粒子表面に白金などの触媒活性を有する金属が担持されたものである。カーボンブラック粒子表面は、元来疎水性であり、触媒活性を有する金属の表面も不純物などによって親水性の状態にない。すなわち、こうしたカーボン担持体においては、耐食性向上のためグラファイト化の処理が行われており、該カーボン表面はより疎水性となるため、高分子電解質と電極触媒との絡み状態が低下する傾向にあった。したがって、特別な処理を施さずに電極触媒粒子と高分子電解質の界面を形成すると、スルホン酸基を電極の触媒表面に配向することができない。その結果、従来の方法では、界面でのイオン伝導抵抗を低くすることが困難になっていた。 However, the electrode catalyst is one in which a metal having catalytic activity such as platinum is supported on the surface of carbon black particles. The surface of the carbon black particles is originally hydrophobic, and the surface of the metal having catalytic activity is not in a hydrophilic state due to impurities or the like. That is, in such a carbon carrier, the graphitization treatment is performed to improve the corrosion resistance, and the carbon surface becomes more hydrophobic, so that the entanglement state between the polymer electrolyte and the electrode catalyst tends to decrease. It was. Therefore, if the interface between the electrode catalyst particles and the polymer electrolyte is formed without any special treatment, the sulfonic acid group cannot be oriented on the electrode catalyst surface. As a result, in the conventional method, it has been difficult to reduce the ion conduction resistance at the interface.
こうした問題点を解決する手段として、固体高分子型燃料電池において、電解質ポリマーとそれと界面を形成する触媒とのイオン伝導抵抗を低下させ、高い発電効率を得るべく、電解質ポリマーと界面を形成するカーボンブラック粒子表面に触媒活性を有する金属を担持したものの表面をプラズマ照射や過酸化水素または無機酸を含む水溶液への浸漬などによって親水化し、電解質ポリマーのイオン伝導に寄与する部分、例えば、スルホン酸基の相)を配向させる手法が記載されている(例えば、特許文献1参照。)。
上記特許文献1では、触媒表面の状態と電解質ポリマーの界面の制御法(即ち、触媒表面を親水化し、電解質ポリマーのスルホン酸基の相を配向させるように制御する点)について述べている。しかしながら、それの処理によりどのような触媒表面状態がより耐久性、高性能触媒層に適しているかの記述はなかった。また、それに必要な処理温度、処理調整条件、濃度などに関しても記述もされていなかった。そのため、実際に、高性能、耐久性を有する触媒層を構築するのに適した表面構造を備えた触媒およびこれを用いた固体高分子型燃料電池は提供できていなかった。 The above-mentioned Patent Document 1 describes a method for controlling the state of the catalyst surface and the interface between the electrolyte polymer (that is, a point for controlling the catalyst surface to be hydrophilic and to orient the sulfonic acid group phase of the electrolyte polymer). However, there has been no description of what catalyst surface state is more durable and suitable for a high-performance catalyst layer by its treatment. In addition, there is no description regarding the processing temperature, processing adjustment conditions, concentration, and the like necessary for it. Therefore, in reality, a catalyst having a surface structure suitable for constructing a catalyst layer having high performance and durability and a polymer electrolyte fuel cell using the same cannot be provided.
そこで、本発明が目的とするところは、高性能、耐久性を有する触媒層を構築する上で最適化された触媒表面構造を備えた燃料電池用電極触媒及びその製造方法並びに該電極触媒を用いた燃料電池用電極及びその製造方法を提供するものである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell electrode catalyst having a catalyst surface structure optimized for constructing a catalyst layer having high performance and durability, a method for producing the same, and the use of the electrode catalyst. An electrode for a fuel cell and a method for manufacturing the same are provided.
本発明者が上記課題を解決するため鋭意検討を行った結果、触媒のX線光電子分光法(X−ray photoelectron spectroscopy:以下、単にXPSともいう)で得られるC1sピークのピーク分割により得られる(C−Oピーク高さ)/(C−Cピーク高さ)比を一定の範囲になるように表面状態を調整することで、上記課題を解決できることを見出した。 As a result of intensive studies by the present inventor to solve the above-mentioned problems, it is obtained by peak splitting of the C1s peak obtained by X-ray photoelectron spectroscopy (hereinafter, also simply referred to as XPS) of the catalyst ( It has been found that the above problem can be solved by adjusting the surface state so that the ratio of (C—O peak height) / (C—C peak height) is in a certain range.
すなわち、本発明は、担持体上に触媒金属を担持してなる電極触媒において、該電極触媒のXPSで得られるC1sピークのピーク分割により得られる(C−Oピーク高さ)/(C−Cピーク高さ)比が0.2以上であることを特徴とする燃料電池用電極触媒である。 That is, the present invention provides an electrode catalyst in which a catalytic metal is supported on a support, and is obtained by peak splitting of the C1s peak obtained by XPS of the electrode catalyst (CO peak height) / (CC The fuel cell electrode catalyst is characterized by having a peak height ratio of 0.2 or more.
本発明の電極触媒では、触媒のXPSで得られる(C−Oピーク高さ)/(C−Cピーク高さ)比が0.2以上となるように表面状態を調整することにより、いわば、C−Oピーク高さで表される親水基の被覆率を調整することができる。即ち、電解質ポリマーとの親和性の高い親水基を表面に備えることができる。これにより、電解質ポリマーの被覆率を制御することができる。その結果、ガス拡散領域及びプロトン伝導パスの制御が可能になり任意に触媒層のデザインができる。これは、燃料電池の水分管理にも貢献することよりセル性能能向上となる。 In the electrode catalyst of the present invention, by adjusting the surface state so that the (CO peak height) / (CC peak height) ratio obtained by XPS of the catalyst is 0.2 or more, so to speak, The coverage of the hydrophilic group represented by the C—O peak height can be adjusted. That is, a hydrophilic group having high affinity with the electrolyte polymer can be provided on the surface. Thereby, the coverage of the electrolyte polymer can be controlled. As a result, the gas diffusion region and the proton conduction path can be controlled, and the catalyst layer can be arbitrarily designed. This contributes to the moisture management of the fuel cell, thereby improving the cell performance capability.
また、本発明の電極触媒では、触媒のXPSで得られる(C−Oピーク高さ)/(C−Cピーク高さ)比が0.2以上となるように表面状態を調整することにより、親水基で覆われた表面をもつ担持体表面とすることができる。これにより、電解質ポリマーの親水部との親和性が向上し、触媒層中の触媒の分散性、電解質ポリマーとの親和性も向上する。よってプロトン導電パスが維持され、プロトン導電率の向上及びセル性能が向上の効果が得られる。その結果、高い耐久性及び高性能触媒層の構築が可能となる。 Further, in the electrode catalyst of the present invention, by adjusting the surface state so that the (CO peak height) / (CC peak height) ratio obtained by XPS of the catalyst is 0.2 or more, A support surface having a surface covered with a hydrophilic group can be obtained. Thereby, the affinity with the hydrophilic part of the electrolyte polymer is improved, and the dispersibility of the catalyst in the catalyst layer and the affinity with the electrolyte polymer are also improved. Therefore, the proton conduction path is maintained, and the effects of improving proton conductivity and cell performance are obtained. As a result, it is possible to construct a high durability and high performance catalyst layer.
本発明は、担持体上に触媒金属を担持してなる電極触媒において、該電極触媒のXPSで得られるC1sピークのピーク分割により得られる(C−Oピーク高さ)/(C−Cピーク高さ)比が0.2以上、好ましくは0.25〜0.5であることを特徴とする燃料電池用電極触媒である。 The present invention provides (C—O peak height) / (C—C peak height) obtained by peak splitting of the C1s peak obtained by XPS of an electrode catalyst having a catalyst metal supported on a support. The fuel cell electrode catalyst is characterized in that the ratio is 0.2 or more, preferably 0.25 to 0.5.
以下、本発明の電極触媒(以下、単に触媒ともいう)についてより詳細に説明する。 Hereinafter, the electrode catalyst of the present invention (hereinafter also simply referred to as catalyst) will be described in more detail.
本発明の電極触媒の基本構成は、担持体上に触媒金属が担持されてなるものである。 The basic structure of the electrode catalyst of the present invention is that a catalytic metal is supported on a support.
上記担持体としては、触媒を高分散担持させるために十分な比表面積をもった基体としてだけではなく、集電体として十分な電子導電性を有しているものであれば、特に制限されるべきものではなく、従来公知のものを利用することができる。なかでも、主成分がカーボンであるものが好ましい。担持体の電気抵抗が高いと、電極触媒、ひいては燃料電池用電極の内部抵抗が高くなり、結果として電池性能の低下を招く。担持体は、カーボンを主成分とすることにより十分に高い電子導電率を得ることができ、電気抵抗を低くすることができる。前記担持体として、より具体的には、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック;種々の炭素原子を含む材料を炭化、賦活処理した活性炭;グラファイト化カーボン等のカーボンを主成分とするものが挙げられる。 The carrier is not particularly limited as long as it has sufficient electronic conductivity as a current collector as well as a substrate having a specific surface area sufficient to carry the catalyst in a highly dispersed manner. Conventionally known ones can be used. Among these, those whose main component is carbon are preferable. When the electric resistance of the carrier is high, the internal resistance of the electrode catalyst, and hence the electrode for the fuel cell, becomes high, resulting in a decrease in battery performance. The carrier can have a sufficiently high electronic conductivity by using carbon as a main component, and can reduce the electrical resistance. More specifically, as the support, carbon black such as channel black, furnace black, and thermal black; activated carbon obtained by carbonizing and activating a material containing various carbon atoms; and carbon such as graphitized carbon as a main component. Things.
上記触媒金属は、電極反応を促進する機能を有する。前記触媒金属としては、従来公知のものを利用することができるが、Pt、Ir、Au、Ag、Pdから選択される少なくとも1種を含むのが好ましい。なかでもPtは、高い酸素還元活性および水素還元活性を示すため、白金単独で用いるのが触媒金属の好適な態様の1つである。また、前記触媒金属の安定性や活性を高めるために、Ptを基体とした貴金属合金、ないしPtを基体とした貴金属−卑金属混合物として用いるのが触媒金属の好適な態様の他の1つである。ここで前記卑金属としては、特に限定されないが、クロム、マンガン、鉄、コバルト、およびニッケルよりなる群から選ばれる少なくとも1種の卑金属が挙げられる。 The catalyst metal has a function of promoting an electrode reaction. As the catalyst metal, a conventionally known metal can be used, but preferably contains at least one selected from Pt, Ir, Au, Ag, and Pd. Among them, Pt exhibits high oxygen reduction activity and hydrogen reduction activity, so that platinum is used alone as one of the preferred embodiments of the catalyst metal. Further, in order to enhance the stability and activity of the catalyst metal, it is another preferred embodiment of the catalyst metal to be used as a noble metal alloy based on Pt or a noble metal-base metal mixture based on Pt. . Here, the base metal is not particularly limited, and includes at least one base metal selected from the group consisting of chromium, manganese, iron, cobalt, and nickel.
上記触媒金属の平均粒径は、小さいほど電気化学反応が進行する有効電極面積が増加するため酸素還元活性も高くなる。実際には触媒金属の粒子径が小さくなりすぎるとむしろ活性が低下する現象が見られる。そのため、前記触媒金属の平均粒径は、好ましくは1〜10nmであり、より好ましくは2〜5nmである。 The smaller the average particle diameter of the catalyst metal, the higher the oxygen reduction activity because the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds increases. Actually, when the particle diameter of the catalyst metal becomes too small, a phenomenon is observed in which the activity is rather lowered. Therefore, the average particle diameter of the catalyst metal is preferably 1 to 10 nm, more preferably 2 to 5 nm.
上記触媒金属の平均粒径は、上記担持体との関係から規定することもできる。即ち、担持体として通常よく用いられる導電性カーボンブラックは、直径約10〜50nm程度のカーボン1次粒子がアグリゲート(aggregate:凝集物の意味)構造を形成し、さらにそれが2次凝集してアグロメレート(agglomerate:集塊物の意味)構造を形成している。大きな比表面積を持つカーボンは、このような高次構造内にnmオーダーの微細孔を多く有している。集電体としても機能する担持体と触媒金属がより多く接触していることが望ましいため、触媒金属は担持体の微細構造内に浸入可能でより均一に高分散担持が実現できる程度に微細な粒子であることが求められる。以上のことから、本発明に用いることのできる触媒金属の平均粒径は、上記担持体の1次粒子径の0.1〜1倍、好ましくは0.4〜0.8倍であることが望ましい。上記触媒金属の平均粒径がかかる範囲内であれば、担持体の微細構造中に侵入して担持体上に均一に高分散して担持し得るためである。 The average particle diameter of the catalyst metal can also be defined from the relationship with the support. That is, in conductive carbon black usually used as a carrier, primary carbon particles having a diameter of about 10 to 50 nm form an aggregate (aggregate) structure, which is further agglomerated. It forms an agglomerate (agglomerate) structure. Carbon having a large specific surface area has many fine pores in the order of nm in such a higher-order structure. Since it is desirable that the carrier that also functions as a current collector and the catalyst metal are in contact with each other more, the catalyst metal can penetrate into the microstructure of the carrier and is fine enough to achieve more uniform and highly dispersed support. It is required to be a particle. From the above, the average particle diameter of the catalyst metal that can be used in the present invention is 0.1 to 1 times, preferably 0.4 to 0.8 times the primary particle diameter of the support. desirable. This is because, if the average particle diameter of the catalyst metal is within such a range, the catalyst metal can penetrate into the fine structure of the support and can be uniformly dispersed and supported on the support.
ここで「触媒金属の平均粒径」は、X線回折における触媒金属の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径あるいは透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒金属の粒子径の平均値により測定することができる。 Here, the “average particle diameter of the catalyst metal” is measured by the average value of the crystallite diameter obtained from the half width of the diffraction peak of the catalyst metal in X-ray diffraction or the particle diameter of the catalyst metal determined from the transmission electron microscope image. be able to.
上記担持体上への触媒金属の担持量は、前記電極触媒全量に対して、好ましくは10〜70質量%、より好ましくは20〜60質量%、特に好ましくは30〜40質量%とするのがよい。触媒金属の担持量が10質量%未満であると、触媒金属による十分な触媒活性がえられない恐れがある。そのため、高い活性を得るためには電極を厚くしなければならず、これによる電極の内部抵抗の増加などに起因して電池性能の低下が生じる恐れがあるため望ましくない。また、触媒金属の担持量が80質量%を超えた場合には、担持体上に担持する触媒金属の重なりが多くなることから、十分な触媒金属の反応面積が得られず触媒活性が低下する恐れがある。 The amount of the catalyst metal supported on the support is preferably 10 to 70% by mass, more preferably 20 to 60% by mass, and particularly preferably 30 to 40% by mass with respect to the total amount of the electrode catalyst. Good. If the supported amount of the catalyst metal is less than 10% by mass, there is a possibility that sufficient catalyst activity by the catalyst metal cannot be obtained. For this reason, in order to obtain high activity, the electrode must be thickened, which is undesirable because the battery performance may be deteriorated due to an increase in the internal resistance of the electrode. Further, when the amount of the catalyst metal supported exceeds 80% by mass, the overlap of the catalyst metals supported on the support increases, so that a sufficient catalytic metal reaction area cannot be obtained and the catalytic activity is lowered. There is a fear.
本発明の電極触媒では、さらに該触媒のXPSで得られるC1sピークのピーク分割により得られる(C−Oピーク高さ)/(C−Cピーク高さ)比(以下、単にCO/CC比とも略記する)が0.2以上、好ましくは0.25〜0.5であることを特徴とするものである。かかる要件は、いわば上記触媒表面の親水性の官能基(単に親水基とする)を定量的に規定したものといえ、親水基による被覆率を規定したものといえる。即ち、上記CO/CC比が0.2以上、好ましくは0.25〜0.5は、親水基による表面被覆率が20%以上、好ましくは25〜50%であるともいえる。例えば、水酸基を表面に被覆した場合に、図2に示すように、上記C−Oピーク高さを1とし、上記C−Cピーク高さが4であれば、上記CO/CC比は1/4=0.25である。この場合、親水基(水酸基)による被覆率が25%と規定する。なお、上記CO/CC比が0.2未満(被覆率20%未満)では、アイオノマーとの親和性向上のほか、高性能、耐久性を有する触媒層を構築するのに適した表面構造を備えた触媒を提供するのが困難となる。なお、上記CO/CC比の上限に関しては、特に制限されるものではないが、0.5を超える場合には疎水性の官能基が表面を支配するために触媒層の高性能化の指標となるアイオノマーとの親和性向上(三相帯界面形成)に不利である。 In the electrode catalyst of the present invention, the (CO peak height) / (CC peak height) ratio (hereinafter simply referred to as the CO / CC ratio) obtained by the peak splitting of the C1s peak obtained by XPS of the catalyst. (Abbreviated) is 0.2 or more, preferably 0.25 to 0.5. In other words, the requirement is that the hydrophilic functional group (simply referred to as a hydrophilic group) on the catalyst surface is quantitatively defined, and the coverage by the hydrophilic group is defined. That is, when the CO / CC ratio is 0.2 or more, preferably 0.25 to 0.5, it can be said that the surface coverage by hydrophilic groups is 20% or more, preferably 25 to 50%. For example, when the hydroxyl group is coated on the surface, as shown in FIG. 2, if the CO peak height is 1 and the CC peak height is 4, the CO / CC ratio is 1 / 4 = 0.25. In this case, the coverage by the hydrophilic group (hydroxyl group) is defined as 25%. When the CO / CC ratio is less than 0.2 (less than 20% coverage), in addition to improving affinity with ionomers, it has a surface structure suitable for building a catalyst layer having high performance and durability. It becomes difficult to provide a new catalyst. The upper limit of the CO / CC ratio is not particularly limited, but when it exceeds 0.5, the hydrophobic functional group dominates the surface. This is disadvantageous in improving the affinity with the ionomer (forming a three-phase zone interface).
このように、本発明の上記要件を満足することで、触媒の表面状態がより耐久性、高性能触媒層に適している状態、即ち、触媒表面(主に担持体表面)が親水基で覆われた状態とすることができる。その結果、イオン伝導を担う電解質ポリマー(アイオノマー;イオン性高分子材料などともいう)が均一に触媒を覆うようにすることができる。 Thus, by satisfying the above requirements of the present invention, the surface state of the catalyst is more durable and suitable for a high-performance catalyst layer, that is, the catalyst surface (mainly the support surface) is covered with hydrophilic groups. It can be in a broken state. As a result, an electrolyte polymer (ionomer; also referred to as an ionic polymer material) responsible for ion conduction can uniformly cover the catalyst.
これら触媒の表面状態、さらに電解質ポリマーとの間の結びつき、及び反応経路(プロセス)を模式的に表した説明概略面を図1に示す。 FIG. 1 shows an explanatory schematic surface schematically showing the surface state of these catalysts, the connection between the catalyst and the electrolyte polymer, and the reaction route (process).
図1に示すように、担持体11上に触媒金属13を担持してなる触媒15において、親水基として水酸基(OH基)、カルボニル基(CO−基)、カルボキシル基(COOH基)等が触媒15の表面を覆うように存在することで、本発明の上記要件を満足することができる。これにより、電解質ポリマー17としてパーフルオロ系を例にとれば、該パーフルオロ系の主鎖の疎水部17aに導入されたスルホン酸基(SO3 −基)の親水部17bと、触媒15の親水基との間で親和性を向上させることができる。 As shown in FIG. 1, the catalyst 15 formed by supporting a catalytic metal 13 on carrier 11, a hydroxyl group (OH group) as a hydrophilic group, a carbonyl group (CO - group), a carboxyl group (COOH group) and the like catalysts The above requirements of the present invention can be satisfied by existing so as to cover the surface of 15. As a result, when the perfluoro type is taken as an example of the electrolyte polymer 17, the hydrophilic part 17 b of the sulfonic acid group (SO 3 - group) introduced into the hydrophobic part 17 a of the main chain of the perfluoro type, and the hydrophilicity of the catalyst 15. Affinity between groups can be improved.
そのため、当該触媒を用いた触媒層では、該触媒層内での触媒粒子の分散性、電解質ポリマーとの親和性を大幅に向上することができる。よって、プロトン導電パス(図1中のH+の導入経路)が維持され、プロトン導電率の向上及びセル性能が向上の効果が得られる(高性能触媒層の構築が可能となる)。 Therefore, in the catalyst layer using the catalyst, the dispersibility of the catalyst particles in the catalyst layer and the affinity with the electrolyte polymer can be greatly improved. Therefore, the proton conduction path (H + introduction path in FIG. 1) is maintained, and the effect of improving proton conductivity and cell performance is obtained (high performance catalyst layer can be constructed).
また、上記構成要件を満足する表面状態というのは、表面への不純物の混入が抑制された状態でもあり、プロトン導電パスの阻害要因が少ない状態であるといえる。そのため、不純物により妨害されていた活性サイトを回復することができる。即ち、触媒金属の表面が清浄であり、汚染物による活性サイトがなく、これにより触媒活性サイトの利用率を100%にでき、触媒活性向上となる。また、酸素還元4電子パス(図1中のO2の導入経路)の阻害要因である不純物が少ない状態にあり、不純物が介在すると発生するH2O2を大幅に抑制ないし防止する効果(図1中、触媒金属13上でのH2O2の発生防止効果)がある。また触媒金属(Pt等)の被毒、更には、触媒層中の電解質ポリマーや電解質膜の劣化を防止できる。その結果、触媒層、ひいては電池の耐久性向上に貢献し得るものである。 In addition, the surface state that satisfies the above-described structural requirements is a state in which the mixing of impurities on the surface is suppressed, and it can be said that there are few factors that inhibit the proton conduction path. Therefore, the active site that has been disturbed by the impurities can be recovered. That is, the surface of the catalytic metal is clean and there are no active sites due to contaminants, whereby the utilization rate of the catalytic active sites can be 100% and the catalytic activity is improved. Further, there are few impurities that are obstructive factors for the oxygen reduction 4-electron path (O 2 introduction path in FIG. 1), and the effect of significantly suppressing or preventing H 2 O 2 generated when impurities are present (FIG. 1, there is an effect of preventing generation of H 2 O 2 on the catalyst metal 13. Further, poisoning of the catalyst metal (Pt or the like) and further deterioration of the electrolyte polymer or electrolyte membrane in the catalyst layer can be prevented. As a result, it is possible to contribute to improving the durability of the catalyst layer and, consequently, the battery.
また、本発明の上記電極触媒においては、担持体上に水酸基、カルボニル基、カルボキシル基のうち少なくとも1種類以上の親水基が存在することが望ましい。これらの親水基は、上記C−Oピーク高さとして測定でき、上記CO/CC比の要件を用いて担持体の表面状態(親水基の被覆率)を調整・制御する上で有効なためである。 In the electrode catalyst of the present invention, it is preferable that at least one hydrophilic group among a hydroxyl group, a carbonyl group, and a carboxyl group exists on the support. These hydrophilic groups can be measured as the CO peak height, and are effective in adjusting and controlling the surface state of the support (hydrophilic group coverage) using the requirements of the CO / CC ratio. is there.
ここで、親水基としては、水酸基、カルボニル基、カルボキシル基のうち少なくとも1種類以上であればよく、図1に示すように、2種以上が存在していてもよい。ただし、本発明の親水基は、これらに何ら制限されるものではない。 Here, the hydrophilic group may be at least one of a hydroxyl group, a carbonyl group, and a carboxyl group, and two or more types may exist as shown in FIG. However, the hydrophilic group of the present invention is not limited to these.
次に、上記してなる本発明の電極触媒の製造方法につき説明する。 Next, the method for producing the electrode catalyst of the present invention as described above will be described.
本発明の電極触媒の製造方法は、担持体上に触媒金属を担持した後に活性酸素を含有する水溶液で処理(前処理)することを特徴とするものである。好ましくは、該前処理が、担持体上に触媒金属を担持した後に活性酸素を含有する水溶液で処理する工程(酸化工程)と、超純水により洗浄する工程(洗浄工程)とを含むことを特徴とするものである。より好ましくは、上記酸化工程が、担持体上に触媒金属を担持した電極触媒を活性酸素を含有する水溶液に分散させる過程(分散過程)と、分散過程で得られた分散溶液内で酸素生成を行う過程(酸素生成過程)とを含み、上記洗浄工程が、該酸素生成過程が完了した後に、ろ過、超純水による触媒洗浄を行う過程を含むことを特徴とするものである。 The method for producing an electrode catalyst of the present invention is characterized in that a catalytic metal is supported on a support and then treated (pretreated) with an aqueous solution containing active oxygen. Preferably, the pretreatment includes a step of treating with an aqueous solution containing active oxygen after supporting the catalyst metal on the support (oxidation step), and a step of cleaning with ultrapure water (cleaning step). It is a feature. More preferably, the oxidation step includes a step of dispersing an electrocatalyst carrying a catalytic metal on a carrier in an aqueous solution containing active oxygen (dispersion step), and oxygen generation in the dispersion obtained in the dispersion step. The cleaning step includes a step of performing filtration and catalyst cleaning with ultrapure water after the oxygen generation step is completed.
上記製造方法により、触媒表面(主に担持体表面)が親水基で覆われた状態とすることができる。また不純物が除去され、触媒活性サイトの利用率を向上(利用率100%が期待)でき、触媒活性向上となる。また、不純物除去により、セル発電時に汚染物が介在すると発生するH2O2を防止する効果があり、H2O2発生による触媒層中の電解質ポリマーや電解質膜の劣化を防止することができる。その結果、触媒層、ひいては電池性能の性能および耐久性向上を図ることができる。 By the above production method, the catalyst surface (mainly the support surface) can be in a state of being covered with a hydrophilic group. Further, impurities are removed, the utilization rate of the catalytic activity site can be improved (a utilization rate of 100% is expected), and the catalytic activity is improved. Further, removal of impurities has an effect of preventing H 2 O 2 generated when contaminants are present during cell power generation, and can prevent deterioration of the electrolyte polymer and the electrolyte membrane in the catalyst layer due to generation of H 2 O 2. . As a result, it is possible to improve the performance and durability of the catalyst layer, and consequently the battery performance.
図8は、本発明の製造方法における前処理前後の電極触媒の表面状態、さらに電解質ポリマーとの間の結びつきを模式的に表した説明概略面である。このうち、図8(a)は、前処理前の電極触媒単独での表面状態を模式的に表した説明概略面である。図8(b)は、前処理後の電極触媒の表面状態、及び電解質ポリマーとの間の結びつきを模式的に表した説明概略面である。図8(a)に示すように、前処理前の電極触媒81においては、カーボンなどの担持体83に担持された白金合金等の触媒金属85中/上に、溶解する第2成分87が存在した状態である。これを前処理により、予め溶出することもできる。これにより、図8(b)に示すように、前処理後の電極触媒81’では、第2成分87が触媒金属85中/上に存在していない。そのため、電池作動時の触媒金属85からの溶出によるNafionなどの電解質ポリマー89や電解質膜(図示せず)等への電池内汚染による性能低下及び劣化を防止できる。なお、上記溶解する第2成分とは、Pt以外の元素をいい、例えば、Al、Si、Ti、V、Cr、Fe、Ni、Co、Cu、W、Ag、Vなどが該当する。 FIG. 8 is an explanatory schematic view schematically showing the surface state of the electrode catalyst before and after the pretreatment and the connection with the electrolyte polymer in the production method of the present invention. Among these, Fig.8 (a) is the explanatory schematic surface which represented typically the surface state in the electrode catalyst single before a pre-processing. FIG. 8B is an explanatory schematic view schematically showing the surface state of the electrode catalyst after the pretreatment and the connection with the electrolyte polymer. As shown in FIG. 8 (a), in the electrode catalyst 81 before the pretreatment, there exists a second component 87 to be dissolved in / on the catalyst metal 85 such as platinum alloy supported on a carrier 83 such as carbon. It is in the state. This can be eluted in advance by pretreatment. As a result, as shown in FIG. 8B, the second component 87 is not present in / on the catalyst metal 85 in the electrode catalyst 81 ′ after the pretreatment. Therefore, it is possible to prevent performance degradation and deterioration due to in-battery contamination of the electrolyte polymer 89 such as Nafion or the electrolyte membrane (not shown) due to elution from the catalyst metal 85 during battery operation. In addition, the said 2nd component to melt | dissolve means elements other than Pt, for example, Al, Si, Ti, V, Cr, Fe, Ni, Co, Cu, W, Ag, V etc. correspond.
以下、本発明の製造方法につき、工程(過程)に即して説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the present invention will be described along with the steps.
上記活性酸素を含有する水溶液で処理の工程(酸化工程)では、活性酸素を含有する水溶液中で酸化処理(親水処理)を行い、触媒のCO/CC比が0.2以上(親水基による被覆率が20%以上)になるように調整・制御すればよい。言い換えれば、電解質ポリマーが均一に触媒を覆うことが出来る表面構造を構築することができるように担持体表面の酸化処理を行えばよいといえる。 In the treatment step (oxidation step) with the above aqueous solution containing active oxygen, oxidation treatment (hydrophilic treatment) is carried out in an aqueous solution containing active oxygen, and the CO / CC ratio of the catalyst is 0.2 or more (coating with hydrophilic groups) Adjustment and control may be performed so that the rate is 20% or more. In other words, it can be said that the surface of the support may be oxidized so that a surface structure can be constructed in which the electrolyte polymer can uniformly cover the catalyst.
したがって、上記活性酸素を含有する水溶液で処理する工程としては、例えば、活性酸素を含有する水溶液に、担持体上に触媒金属を担持した電極触媒を浸漬して親水処理を行う方法などが挙げられる。より具体的には、活性酸素を含有する水溶液に、担持体上に触媒金属を担持した電極触媒を分散させる過程(分散過程)と、該分散過程で得られた分散溶液内で酸素生成を行う過程(酸素生成過程)とを含むものが望ましい。以下、活性酸素を含有する水溶液で処理する工程を、上記分散過程と、上記酸素生成過程とに分けて説明するが、本発明がこれらに限定されるものではない。 Therefore, the step of treating with the aqueous solution containing active oxygen includes, for example, a method of performing a hydrophilic treatment by immersing an electrode catalyst carrying a catalyst metal on a carrier in an aqueous solution containing active oxygen. . More specifically, a process (dispersion process) in which an electrode catalyst having a catalyst metal supported on a support is dispersed in an aqueous solution containing active oxygen, and oxygen is generated in the dispersion solution obtained in the dispersion process. It is desirable to include a process (oxygen generation process). Hereinafter, the process of treating with an aqueous solution containing active oxygen will be described separately for the dispersion process and the oxygen generation process, but the present invention is not limited to these.
上記分散過程では、元来疎水表面を持つ触媒粒子同士が活性酸素を含有する水溶液中で凝集・塊状化しないように、適当な攪拌・分散装置、例えば、ホモジナイザ、超音波分散装置、遊星ボールミルなどの適当な手段を用いて分散・混合できるようにすればよい。 In the dispersion process, an appropriate stirring / dispersing device such as a homogenizer, an ultrasonic dispersing device, a planetary ball mill, etc. is used so that the catalyst particles originally having a hydrophobic surface do not aggregate or agglomerate in an aqueous solution containing active oxygen. What is necessary is just to enable it to disperse | distribute and mix using an appropriate means.
ここで、上記担持体上に触媒金属を担持した電極触媒については、「本発明の電極触媒の基本構成」の欄において、既に説明した通りであるので、ここでの説明は省略する。 Here, the electrode catalyst in which the catalyst metal is supported on the support is as already described in the section “Basic structure of the electrode catalyst of the present invention”, and the description thereof is omitted here.
また、担持体上に触媒金属を担持させる方法としては、公知の方法が挙げられ、特に限定されない。例えば、触媒金属化合物溶液に担持体を分散し、これに還元剤を加えることにより、担持体上に触媒金属を担持した電極触媒を得ることができる。 Moreover, as a method of carrying | supporting a catalyst metal on a support body, a well-known method is mentioned, It does not specifically limit. For example, an electrode catalyst having a catalyst metal supported on the support can be obtained by dispersing the support in a catalyst metal compound solution and adding a reducing agent thereto.
上記触媒金属化合物溶液とは、触媒金属としてPtを用いる場合には、例えば、塩化白金酸、塩化アンミン白金、ジニトロジアンミン白金などの触媒金属化合物を含有する溶液のことである。貴金属−卑金属混合物触媒などとするには、前記溶液に白金の他に所望する卑金属の硝酸塩、塩化物、硫酸塩など卑金属化合物を分散させればよい。また、触媒金属化合物を添加する溶媒としては、水、メタノール、エタノール、左記の混合溶媒などを用いることができる。 The catalyst metal compound solution is a solution containing a catalyst metal compound such as chloroplatinic acid, chloroplatinum platinum, or dinitrodiammine platinum when Pt is used as the catalyst metal. In order to obtain a noble metal-base metal mixture catalyst or the like, a base metal compound such as a desired base metal nitrate, chloride or sulfate may be dispersed in the solution in addition to platinum. As the solvent to which the catalytic metal compound is added, water, methanol, ethanol, the mixed solvent described on the left, and the like can be used.
前記触媒金属化合物溶液に、担持体を分散するには、ホモジナイザ、超音波分散装置等の適当な分散手段を用いればよい。触媒金属化合物溶液における触媒金属濃度、および、触媒金属化合物と担持体との配合比率などは、得られる電極触媒が所望の特性を有するように適宜決定すればよい。 In order to disperse the carrier in the catalyst metal compound solution, an appropriate dispersing means such as a homogenizer or an ultrasonic dispersing device may be used. What is necessary is just to determine suitably the catalyst metal density | concentration in a catalyst metal compound solution, the compounding ratio of a catalyst metal compound, and a support body etc. so that the obtained electrode catalyst may have a desired characteristic.
上記還元剤としては、触媒金属化合物を還元できるものであれば特に限定されず、チオ硫酸ナトリウム、クエン酸、クエン酸ナトリウム、L−アスコルビン酸、水素化ホウ素ナトリウム、ヒドラジン、ホルムアルデヒド、メタノール、エタノール、水素、エチレン、一酸化炭素などを用いることができる。前記還元剤を添加することにより、担持体上に触媒金属化合物を触媒金属粒子として高分散担持させることができる。 The reducing agent is not particularly limited as long as it can reduce the catalytic metal compound. Sodium thiosulfate, citric acid, sodium citrate, L-ascorbic acid, sodium borohydride, hydrazine, formaldehyde, methanol, ethanol, Hydrogen, ethylene, carbon monoxide, or the like can be used. By adding the reducing agent, the catalyst metal compound can be highly dispersed and supported as catalyst metal particles on the support.
上記還元剤を、上述の触媒金属化合物と担持体との分散液に適量加え、還流反応装置を用いて60〜100℃、好ましくは60〜80℃に加熱し、その後、室温まで放冷することにより担持体表面に触媒金属の還元担持を行うことができる。 An appropriate amount of the above reducing agent is added to the above dispersion of the catalytic metal compound and the support, heated to 60 to 100 ° C., preferably 60 to 80 ° C. using a reflux reactor, and then allowed to cool to room temperature. Thus, reduction loading of the catalyst metal can be performed on the surface of the support.
また、触媒粒子を合金化させるには、さらに、焼成を行うのが好ましい。焼成方法としては、担持体上の触媒粒子の分散状態、粒子径などによって異なるが、好ましくは、窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性雰囲気中で、焼成温度300〜1000℃、好ましくは200〜400℃で、1〜6時間程度、行えばよい。 In order to alloy the catalyst particles, it is preferable to further perform firing. The calcination method varies depending on the dispersed state of catalyst particles on the support, the particle diameter, and the like, but preferably in an inert atmosphere such as nitrogen, helium or argon, calcination temperature is 300 to 1000 ° C., preferably 200 to 400. What is necessary is just to carry out at 1 degreeC for about 1 to 6 hours.
担持体上に触媒金属を担持させる上述した方法では還元剤を用いたが、特にこれに限定されない。例えば、含浸法、共沈法、競争吸着法などの各種公知技術を用いることができる。また、特開平7−246343号公報や特開平10−216517号公報などに記載されるマイクロエマルジョン法を用いて電極触媒を製造してもよい。前記マイクロエマルジョン法によっても、導電性担体上に触媒金属を高分散担持することができる。 Although the reducing agent is used in the above-described method for supporting the catalytic metal on the support, it is not particularly limited to this. For example, various known techniques such as an impregnation method, a coprecipitation method, and a competitive adsorption method can be used. Alternatively, an electrode catalyst may be produced using a microemulsion method described in JP-A-7-246343, JP-A-10-216517, and the like. Also by the microemulsion method, the catalyst metal can be highly dispersed and supported on the conductive support.
次に、上記活性酸素を含有する水溶液としては、特に制限されるものではないが、良好な触媒表面を構築する溶液条件としては、過酸化水素(H2O2)を含むものが望ましい。ただし、本発明では、活性酸素を含有する水溶液として、過酸化水素(H2O2)、水酸化ナトリウム(NaOH)、炭酸水素ナトリウム(NaHCO3)、次亜塩素酸ナトリウム、塩素、一酸化二窒素、過マンガン酸カリウム、重クロム酸カリウムおよび無機酸のうちの1種類以上を含む水溶液などが挙げられるが、これらに制限されるものではない。 Next, the aqueous solution containing the active oxygen is not particularly limited, but as a solution condition for constructing a good catalyst surface, one containing hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is desirable. However, in the present invention, as an aqueous solution containing active oxygen, hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), sodium hydroxide (NaOH), sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ), sodium hypochlorite, chlorine, dioxide monoxide Examples include, but are not limited to, an aqueous solution containing one or more of nitrogen, potassium permanganate, potassium dichromate, and inorganic acids.
ここでいう無機酸には、硫酸、硝酸などが含まれるが、これらに制限されるものではない。 The inorganic acid here includes sulfuric acid, nitric acid and the like, but is not limited thereto.
また、本発明では、異なる活性酸素を含有する水溶液を2種以上用意し、これらの水溶液中に触媒を順に酸化処理(詳しくは、分散し、酸素生成)してもよい。異なる活性酸素を含有する水溶液としては、例えば、上記水溶液の種類が異なるもの、濃度等が異なるもの、上記水溶液の種類及び濃度等が異なるものなど、特に制限されるものではない。 In the present invention, two or more kinds of aqueous solutions containing different active oxygens may be prepared, and the catalyst may be sequentially oxidized in these aqueous solutions (specifically, dispersed to generate oxygen). The aqueous solutions containing different active oxygens are not particularly limited, for example, those having different types of aqueous solutions, those having different concentrations, and those having different types and concentrations of the aqueous solutions.
上記過酸化水素(H2O2)を含む溶液のH2O2濃度としては、良好な触媒表面を構築する溶液条件の1つとして、0.001〜0.1質量%が好ましい。H2O2濃度が0.001質量%未満では、酸化力不足により上記CO/CC比が0.2以上とする要件を満足させるのが困難となる。H2O2濃度が0.1質量%を超える場合には、酸化力によってカーボン担持体が損傷を受けるおそれがある。過酸化水素濃度の上限は1質量%、下限は0.001質量%であることがより好ましい。 The H 2 O 2 concentration of the solution containing hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is preferably 0.001 to 0.1% by mass as one of the solution conditions for constructing a good catalyst surface. When the H 2 O 2 concentration is less than 0.001% by mass, it becomes difficult to satisfy the requirement that the CO / CC ratio is 0.2 or more due to insufficient oxidizing power. When the H 2 O 2 concentration exceeds 0.1% by mass, the carbon support may be damaged by the oxidizing power. The upper limit of the hydrogen peroxide concentration is more preferably 1% by mass, and the lower limit is more preferably 0.001% by mass.
同様に、水酸化ナトリウム(NaOH)を含む溶液のNaOH濃度としては、良好な触媒表面を構築する溶液条件の1つとして、0.001〜0.1質量%が好ましい。これらの範囲を外れる場合には、上記H2O2濃度の場合と同様である。 Similarly, the NaOH concentration of the solution containing sodium hydroxide (NaOH) is preferably 0.001 to 0.1% by mass as one of the solution conditions for constructing a good catalyst surface. When outside these ranges, it is the same as in the case of the H 2 O 2 concentration.
炭酸水素ナトリウム(NaHCO3)を含む溶液のNaHCO3濃度としては、良好な触媒表面を構築する溶液条件の1つとして、0.001〜0.1質量%が好ましい。これらの範囲を外れる場合には、上記H2O2濃度の場合と同様である。 The NaHCO 3 concentration of the solution containing sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ) is preferably 0.001 to 0.1% by mass as one of the solution conditions for constructing a good catalyst surface. When outside these ranges, it is the same as in the case of the H 2 O 2 concentration.
無機酸を含む溶液中の無機酸濃度は、0.01〜0.1Nが好ましい。無機酸の濃度が0.01N未満では、上記CO/CC比が0.2以上とする要件を満足するのが困難となる。一方、1Nを超える場合には、希釈時の発熱など、取扱い上の問題が生じるおそれがある。無機酸の濃度は、0.01〜0.05Nであることがより好ましい。 The concentration of the inorganic acid in the solution containing the inorganic acid is preferably 0.01 to 0.1N. When the concentration of the inorganic acid is less than 0.01 N, it is difficult to satisfy the requirement that the CO / CC ratio is 0.2 or more. On the other hand, if it exceeds 1N, there is a risk of problems in handling such as heat generation during dilution. The concentration of the inorganic acid is more preferably 0.01 to 0.05N.
次に、上記酸素生成過程では、上記CO/CC比が0.2以上=親水基による被覆率が20%以上となるまで酸化処理(親水処理)を行えばよい。これにより電解質ポリマーが均一に触媒を覆うことが出来る表面構造を構築することができる。この際の処理温度、処理調整条件、濃度などに関しては、触媒表面から不純物を除去(溶出)し、かつ上記CO/CC比が0.2以上になるように、これらの処理条件を適宜設定すればよい。尚、酸素生成過程が完了するまで、上記分散過程で用いた装置などを使用して、分散溶液を撹拌するとより均一な処理が可能である。
本発明では、これらの処理条件として上記CO/CC比の要件を満足するように調整することが、触媒表面状態がより耐久性、高性能触媒層に適していることを見出したものである。従来はこうした処理によりどのような表面状態がより耐久性、高性能触媒層に適しているかは記述されておらず、処理条件もどのように設定するのが適しているか見出すことができていなかった。
Next, in the oxygen generation process, oxidation treatment (hydrophilic treatment) may be performed until the CO / CC ratio is 0.2 or more = the coverage with hydrophilic groups is 20% or more. Thereby, a surface structure in which the electrolyte polymer can uniformly cover the catalyst can be constructed. Regarding the treatment temperature, treatment adjustment conditions, concentration, etc. at this time, these treatment conditions should be appropriately set so that impurities are removed (eluted) from the catalyst surface and the CO / CC ratio is 0.2 or more. That's fine. In addition, until the oxygen generation process is completed, a more uniform process is possible by stirring the dispersion solution using the apparatus used in the dispersion process.
In the present invention, it has been found that adjusting the conditions for the above-mentioned CO / CC ratio as the treatment conditions is more suitable for a durable and high-performance catalyst layer. Conventionally, it has not been described what kind of surface state is more durable and suitable for a high-performance catalyst layer by such treatment, and it has not been possible to find out how to set treatment conditions. .
次に、上記超純水により洗浄する工程では、上述した活性酸素含有水溶液による処理工程に続き、超純水による洗浄を行うことにより、触媒表面から汚染物質を完全除去することができる。その結果、良好な触媒表面を維持することができるものである。 Next, in the step of cleaning with ultrapure water, the contaminants can be completely removed from the catalyst surface by performing cleaning with ultrapure water following the above-described treatment step with the active oxygen-containing aqueous solution. As a result, a good catalyst surface can be maintained.
上記超純水により洗浄する工程として、より具体的には、酸素生成過程が完了した後に、ろ過、超純水による触媒洗浄を行う過程を含むものが望ましい。 More specifically, the step of cleaning with ultrapure water preferably includes a step of performing filtration and catalyst cleaning with ultrapure water after the oxygen generation step is completed.
ここで、酸素生成過程が完了したとは、上記CO/CC比の要件を満足した時点である。すなわち、本発明では、触媒の表面状態がより耐久性、高性能触媒層に適しているかを、製造過程で確認しながら行うことができる利点を有する。これは、従来のように、燃料電池セルを作製し電池特性を評価しなければ触媒性能を判断できなかったのに比べて、触媒の生産性を向上することができる。即ち、本発明では、製造過程で触媒の表面状態が十分でなければ、上記酸素生成過程を継続して行うことができる。そのため製品の歩留まりが大幅に改善でき、所望の表面状態を有する触媒を歩留まりがほぼ100%として得ることができる。そのため、燃料電池セル作製後でなければ触媒性能を判断できなければ、こうした触媒を用いた電池製品(部品)が全て無駄となるが、本発明ではそうした問題を生じる事がない点で有利といえる。 Here, the completion of the oxygen generation process is a time when the requirement of the CO / CC ratio is satisfied. That is, the present invention has an advantage that it can be carried out while confirming in the production process whether the surface state of the catalyst is more durable and suitable for a high-performance catalyst layer. This can improve the productivity of the catalyst as compared with the conventional case where the catalyst performance cannot be judged without producing the fuel cell and evaluating the battery characteristics. That is, in the present invention, if the surface state of the catalyst is not sufficient during the production process, the oxygen generation process can be continued. Therefore, the yield of the product can be greatly improved, and a catalyst having a desired surface state can be obtained with a yield of almost 100%. For this reason, if the catalyst performance cannot be judged unless the fuel cell is manufactured, all battery products (parts) using such a catalyst are wasted. However, the present invention is advantageous in that it does not cause such a problem. .
上記ろ過では、触媒粒子と、使用済みの活性酸素を含有する水溶液とが瀘別できるものであればよい。なお、濾液側の使用済みの活性酸素を含有する水溶液は、活性酸素濃度などを調整した上で、活性酸素を含有する水溶液として再利用するのが望ましい。かかるろ過を行うためのろ過装置としては、上記目的が達成できるものであれば特に制限されるものではなく、例えば、ミリポアメンブレンフィルターを用いたろ過機などを用いることができる。 In the said filtration, what is necessary is just to be able to distinguish a catalyst particle and the aqueous solution containing used active oxygen. The aqueous solution containing used active oxygen on the filtrate side is desirably reused as an aqueous solution containing active oxygen after adjusting the concentration of active oxygen. A filtration apparatus for performing such filtration is not particularly limited as long as the above-described object can be achieved. For example, a filter using a millipore membrane filter can be used.
上記ろ過後の触媒洗浄に用いることのできる超純水としては、電気比抵抗18.3MΩ・cm以下、TOC(有機物濃度)5ppb以下のものが望ましい。これら超純水の電気比抵抗、TOCに関しては、既に多くの測定機器が市販されており、これらを用いて測定可能である。また、これらの要件を満足しえる超純水製造装置も既に数多く市販されており、これらを用いて所望の超純水を得ることも可能である。 As ultrapure water that can be used for the catalyst washing after the filtration, those having an electrical specific resistance of 18.3 MΩ · cm or less and a TOC (organic concentration) of 5 ppb or less are desirable. With respect to the electrical resistivity and TOC of these ultrapure waters, many measuring instruments are already available on the market and can be measured using them. Many ultrapure water production apparatuses that can satisfy these requirements are already on the market, and it is also possible to obtain desired ultrapure water using them.
なお、触媒洗浄した後、電極触媒は、親水基が不活化したり、触媒表面に不純物が再付着しないように十分に留意しながら、乾燥させてもよいが、湿潤状態のまま次工程の触媒スラリー調製工程に利用してもよい。 In addition, after washing the catalyst, the electrode catalyst may be dried while paying sufficient attention so that the hydrophilic group is not inactivated or impurities are not reattached to the catalyst surface. You may utilize for a slurry preparation process.
乾燥させる際の条件としては、特に制限されないが、生産性を高める上では、60〜80℃程度に加熱して乾燥させるのが望ましい。乾燥方法としては、真空乾燥、自然乾燥、ロータリーエバポレーター、沿送風乾燥機による乾燥など、公知の方法を用いればよく特に限定されない。乾燥時間などは、乾燥方法に応じて適宜決定すればよい。 The conditions for drying are not particularly limited, but it is desirable to heat and dry at about 60 to 80 ° C. in order to increase productivity. The drying method is not particularly limited as long as a known method such as vacuum drying, natural drying, rotary evaporator, and drying by a blower dryer is used. What is necessary is just to determine drying time etc. suitably according to the drying method.
また、本発明の製造方法では、図9(a)に示すように、上記洗浄工程を行う場合には、アイオノマー溶液への分散性を維持することができず沈降する。一方、図9(b)に示すように、上記洗浄工程を行なわない場合には、アイオノマー溶液への分散性を維持することができる。これは、超純水を用いて触媒洗浄を行うことで、汚染物質の完全除去がなされ、清浄かつ親水性表面状態となっているので該溶液中で触媒粒子が凝集し易くなっているためと考えられる。しかしながら、本発明者らは、後述するように、電極触媒と、電解質ポリマーとを重量比で10:2〜10:6の範囲内となるようにすれば、洗浄工程を行った電極触媒でも、触媒スラリー中に好適に分散性し得ることを見出したものである。そのため、以後の製造過程において、触媒粒子の凝集による問題なく、従来の塗布、印刷技術を利用して触媒層を形成できる。 Moreover, in the manufacturing method of this invention, as shown to Fig.9 (a), when performing the said washing | cleaning process, the dispersibility to an ionomer solution cannot be maintained but it precipitates. On the other hand, as shown in FIG. 9B, dispersibility in the ionomer solution can be maintained when the washing step is not performed. This is because the catalyst is cleaned using ultrapure water, so that contaminants are completely removed and the surface is clean and hydrophilic, so that the catalyst particles easily aggregate in the solution. Conceivable. However, as will be described later, the inventors of the present invention can provide an electrode catalyst and an electrolyte polymer within a range of 10: 2 to 10: 6 by weight ratio. It has been found that it can be suitably dispersed in the catalyst slurry. Therefore, in the subsequent manufacturing process, the catalyst layer can be formed using conventional coating and printing techniques without problems due to aggregation of the catalyst particles.
また、本発明の製造方法では、担持体上に触媒金属を担持した電極触媒粒子の触媒活性を高めるために、適当な時期に還元処理を行ってもよい。還元処理は、水素や一酸化炭素などの還元ガスを用いる気相法;NaBH4、ホルムアルデヒド、ブドウ糖、ヒドラジンなどを用いる液相法(湿式)など公知の方法により行えばよい。前記還元処理を行うのは、担持体上に触媒金属を担持した後、本発明の前処理により所望の電極触媒を作製した後、触媒層を作製した後、あるいは電極を作製した後など特に限定されない。 In the production method of the present invention, the reduction treatment may be performed at an appropriate time in order to increase the catalytic activity of the electrode catalyst particles supporting the catalyst metal on the support. The reduction treatment may be performed by a known method such as a gas phase method using a reducing gas such as hydrogen or carbon monoxide; a liquid phase method (wet) using NaBH 4 , formaldehyde, glucose, hydrazine, or the like. The reduction treatment is particularly limited after a catalyst metal is supported on a support, a desired electrode catalyst is produced by the pretreatment of the present invention, a catalyst layer is produced, or an electrode is produced. Not.
本発明の製造方法によれば、担持体の高い比表面積を維持したまま、電解質ポリマーとの親和性を向上させる親水基を表面に導入することができる。また導入した親水基は、導電性の電解質ポリマーとの親和性を向上できるため、これらの界面での導電性の低下を防止することもできる。 According to the production method of the present invention, a hydrophilic group that improves the affinity with the electrolyte polymer can be introduced on the surface while maintaining a high specific surface area of the carrier. Moreover, since the introduced hydrophilic group can improve the affinity with the conductive electrolyte polymer, it is also possible to prevent a decrease in conductivity at these interfaces.
本発明の電極触媒の製造方法では、上述したような前処理を行い、上記CO/CC比の要件を満足するように調整することで、図3〜6に示すような優れた特性を有する電極触媒を得ることができるものである。 In the method for producing an electrode catalyst of the present invention, an electrode having excellent characteristics as shown in FIGS. 3 to 6 is prepared by performing the pretreatment as described above and adjusting so as to satisfy the requirements of the CO / CC ratio. A catalyst can be obtained.
図3は、実際の燃料電池での発電試験において含まれる電解質膜や、触媒層に付帯するガス拡散層の影響がなく、触媒層自体の活性を評価するのに有効な回転電極を用い、回転電極上に触媒層を保持して正極反応である酸素還元反応に対する活性を調べたものである。詳しくは、回転電極を1000rpmで回転させたときの、前処理(H2O2処理)されてなる本発明の電極触媒を用いて作製した触媒層、及び前処理(H2O2処理)していない従来の電極触媒を用いて作製した触媒層における酸素還元電流Iと電極電位Eとの関係を表した図面である。 FIG. 3 shows a rotating electrode that is effective in evaluating the activity of the catalyst layer itself without the influence of the electrolyte membrane included in the power generation test in an actual fuel cell and the gas diffusion layer incidental to the catalyst layer. The catalyst layer is held on the electrode and the activity for the oxygen reduction reaction which is the positive electrode reaction is examined. Specifically, when rotating the rotating electrode at 1000 rpm, pretreated (H 2 O 2 treatment) is prepared by using the electrode catalyst of the present invention in which a catalyst layer, and pretreatment (H 2 O 2 treatment) 2 is a diagram showing a relationship between an oxygen reduction current I and an electrode potential E in a catalyst layer produced using a conventional electrode catalyst that is not used.
図3から分かるように、前処理(H2O2処理)していない従来の電極触媒を用いたものでは、厳密な触媒能解析に必要な限界電流が不純物のため現れない(図中の破線参照)。これに対し、触媒表面状態がより耐久性、高性能触媒層に適しているように前処理(H2O2処理)されてなる本発明の電極触媒を用いたものでは、厳密な触媒能解析に必要な限界電流がはっきり現れている(図中の実線参照)。このことから、前処理(H2O2処理)により不純物が完全に除去されていることがわかる。 As can be seen from FIG. 3, in the case of using a conventional electrode catalyst that has not been pretreated (H 2 O 2 treatment), the limit current required for strict catalytic performance analysis does not appear due to impurities (dashed line in the figure). reference). On the other hand, in the case of using the electrode catalyst of the present invention that has been pretreated (H 2 O 2 treatment) so that the catalyst surface state is more durable and suitable for a high performance catalyst layer, strict catalytic ability analysis The critical current required for the is clearly shown (see the solid line in the figure). This shows that the impurities are completely removed by the pretreatment (H 2 O 2 treatment).
図4は、図3と同様の電極触媒を用いて作製した触媒層(電極)の、硫酸酸性溶液中におけるサイクリックボルタモグラムを表した図面である。 FIG. 4 is a view showing a cyclic voltammogram in a sulfuric acid acidic solution of a catalyst layer (electrode) produced using the same electrode catalyst as in FIG.
図4からも、前処理(H2O2処理)していない従来の電極触媒を用いたものでは、不純物のため触媒活性サイトが減少している。そのため十分な電位が得られない(図中の破線参照)。これに対し、触媒表面状態がより耐久性、高性能触媒層に適しているように前処理(H2O2処理)されてなる本発明の電極触媒を用いたものでは、前処理(H2O2処理)により、Pt/Cの表面洗浄の効果があり、不純物が十分に除去されている。そのため、該不純物により妨害されていた活性サイトが回復している。これにより触媒活性サイトの利用率100%が期待でき、触媒活性が向上することになる。そのため高電位を維持できる(図中の実線参照)。また、前処理(H2O2処理)は、不純物が介在すると発生するH2O2を防止する効果があり、触媒層ひいては電池の耐久性向上に貢献する。その結果、図4に示すように、所定の電位領域、特に低電位領域で破線に比べて実線の電流(酸化電流および還元電流)が大きくなっている。かかる領域では電流値が個々の触媒粒子の活性の指標となるので、本発明の電極触媒が優れていることが確認できる。これは、高電位領域では触媒層の全体が反応に寄与するのに対し、低電位領域では水溶液に面している表面近傍のみが反応に寄与すると考えられる。そこで、本発明の触媒では表面が親水基により所定の割合で被覆されていることで、低電位領域においても活性を高めることができると考えられる。その結果、図4に示すように、本発明の触媒では従来の触媒に比して、ほぼ全電位領域にわたって酸素還元電流を増加することができる。 Also from FIG. 4, in the case of using a conventional electrode catalyst that has not been pretreated (H 2 O 2 treatment), the number of catalytically active sites is reduced due to impurities. Therefore, a sufficient potential cannot be obtained (see the broken line in the figure). On the other hand, in the case of using the electrode catalyst of the present invention that is pretreated (H 2 O 2 treatment) so that the catalyst surface state is more durable and suitable for a high performance catalyst layer, the pretreatment (H 2 O 2 treatment) has an effect of cleaning the surface of Pt / C, and impurities are sufficiently removed. Therefore, the active site that has been disturbed by the impurities is recovered. As a result, a utilization rate of catalytic activity sites of 100% can be expected, and the catalytic activity is improved. Therefore, a high potential can be maintained (see the solid line in the figure). Further, the pretreatment (H 2 O 2 treatment) has an effect of preventing H 2 O 2 generated when impurities are present, and contributes to improvement of the durability of the catalyst layer and the battery. As a result, as shown in FIG. 4, the solid line currents (oxidation current and reduction current) are larger in a predetermined potential region, particularly in the low potential region than in the broken line. In such a region, the current value becomes an index of the activity of the individual catalyst particles, so that it can be confirmed that the electrode catalyst of the present invention is excellent. This is considered that the entire catalyst layer contributes to the reaction in the high potential region, whereas only the vicinity of the surface facing the aqueous solution contributes to the reaction in the low potential region. Therefore, it is considered that the activity of the catalyst of the present invention can be enhanced even in a low potential region by coating the surface with a hydrophilic group at a predetermined ratio. As a result, as shown in FIG. 4, the catalyst of the present invention can increase the oxygen reduction current over almost the entire potential region as compared with the conventional catalyst.
図5は、図3で作製した本発明の電極触媒のXPS分析結果を表すグラフである。詳しくは、XPSで得られるPt4fピークのピーク分割により得られる4f5/2ピーク高さ(75±0.3eV)と、4f7/2ピーク高さ(72±0.3eV)を表すグラフである。 FIG. 5 is a graph showing the results of XPS analysis of the electrode catalyst of the present invention produced in FIG. Specifically, it is a graph showing 4f5 / 2 peak height (75 ± 0.3 eV) and 4f7 / 2 peak height (72 ± 0.3 eV) obtained by peak splitting of the Pt4f peak obtained by XPS.
図5から、Pt/CをH2O2処理した本発明の電極触媒では、Pt表面には不純物や第2成分であるPt以外の元素をいい、例えば、Al、Si、Ti、V、Cr、Fe、Ni、Co、Cu、W、Ag、Vは触媒表面上にはなく(図8参照のこと)、このため、ほぼ等しいPt4f5/2及びPt4f7/2のピークが見られる。 From FIG. 5, in the electrode catalyst of the present invention in which Pt / C is treated with H 2 O 2 , impurities other than impurities and second component Pt are present on the Pt surface. For example, Al, Si, Ti, V, Cr , Fe, Ni, Co, Cu, W, Ag, and V are not on the catalyst surface (see FIG. 8), and therefore, approximately equal Pt4f5 / 2 and Pt4f7 / 2 peaks are observed.
図6は、図3と同様の電極触媒を用いて作製した電池の発電耐久性を調べたものである。即ち、発電時間(時間)と電極電位(E)の関係を表した図面である。 FIG. 6 shows the power generation durability of a battery manufactured using the same electrode catalyst as in FIG. That is, it is a diagram showing the relationship between power generation time (time) and electrode potential (E).
図6からも分かるように、H2O2処理していない従来の電極触媒を用いたものでは、発電初期は高電圧を有するものの、電解質ポリマーとの親和性が十分でなく、不純物(コンタミ)のため触媒活性サイトが減少している。また不純物により発生するH2O2により電解質ポリマー等の劣化が急速に進行する。そのため、電池電圧の急速な低下が生じる(図中の破線参照)。これに対し、本発明の電極触媒を用いたものでは、前処理(H2O2)処理により、電解質ポリマーとの親和性が向上し、かつ不純物が介在すると発生するH2O2を防止でき、触媒活性も向上する。その結果、触媒層ひいては電池の耐久性が大幅に改善し、電池電圧の低下を長期にわたり抑えることができることがわかる(図中の実線参照)。 As can be seen from FIG. 6, the conventional electrode catalyst that has not been treated with H 2 O 2 has a high voltage at the initial stage of power generation, but has insufficient affinity with the electrolyte polymer, and impurities (contamination). As a result, the number of catalytically active sites has decreased. In addition, deterioration of the electrolyte polymer and the like rapidly proceeds due to H 2 O 2 generated by impurities. As a result, the battery voltage rapidly decreases (see the broken line in the figure). On the other hand, in the case of using the electrode catalyst of the present invention, the pretreatment (H 2 O 2 ) treatment improves the affinity with the electrolyte polymer and can prevent H 2 O 2 generated when impurities are present. Also, the catalytic activity is improved. As a result, it can be seen that the durability of the catalyst layer and the battery is greatly improved, and the decrease in battery voltage can be suppressed over a long period of time (see the solid line in the figure).
以上、本発明の電極触媒の製造方法の好適な実施形態につき説明したものであるが、本発明の電極触媒は、これらの製造方法に何ら限定されるものではない。例えば、担持体表面の前処理により親水基で覆う手法としては、過酸化水素(H2O2)、水酸化ナトリウム(NaOH)、炭酸水素ナトリウム(NaHCO3)および無機酸等のうちの1種類以上の活性酸素を含有する水溶液に浸漬する(酸化処理する)手法を用いることができるほか、プラズマ処理する手法等を用いることができる。プラズマ処理する手法によっても、上記CO/CC比が0.2以上の要件を満足する触媒を製造することができる。 As mentioned above, although it demonstrated per suitable embodiment of the manufacturing method of the electrode catalyst of this invention, the electrode catalyst of this invention is not limited to these manufacturing methods at all. For example, as a method of covering the support surface with a hydrophilic group by pretreatment, one kind of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), sodium hydroxide (NaOH), sodium bicarbonate (NaHCO 3 ), inorganic acid, and the like is used. In addition to the above-described method of immersing (oxidizing) in an aqueous solution containing active oxygen, a method of performing plasma treatment or the like can be used. A catalyst that satisfies the requirement that the CO / CC ratio is 0.2 or more can also be produced by the plasma treatment method.
かかるプラズマ処理による手法としては、処理が容易であり、電池性能に悪影響を及ぼすような不純物が混入しにくい方法として、担持体上に触媒金属を担持した電極触媒にプラズマを照射するプラズマ照射法が挙げられる。プラズマ照射された触媒表面では、有機物などの不純物が除去され、水酸基などの親水基が導入される。 As a method using such a plasma treatment, a plasma irradiation method in which plasma is irradiated to an electrode catalyst having a catalyst metal supported on a carrier as a method that is easy to process and difficult to mix impurities that adversely affect battery performance. Can be mentioned. On the surface of the catalyst irradiated with plasma, impurities such as organic substances are removed, and hydrophilic groups such as hydroxyl groups are introduced.
上記プラズマ照射法においても、上記CO/CC比が0.2以上となるように、プラズマ照射条件(照射距離、照射レベル、照射時間、照射回数など)を適宜調整・制御すればよい。 Also in the plasma irradiation method, plasma irradiation conditions (irradiation distance, irradiation level, irradiation time, number of irradiations, etc.) may be adjusted and controlled as appropriate so that the CO / CC ratio is 0.2 or more.
プラズマ照射によって上記した触媒表面を得る装置としては、多くの種類があるが、簡便には常温常圧の空気中で放電する、いわゆるコロナ放電処理装置を用いることができる。触媒粒子の性状によっては、該触媒粒子が飛散しやすく、照射処理が困難であることがある。こういった場合には、あらかじめ少量の溶媒で触媒粒子を僅かな湿潤状態にしてからプラズマ照射処理することができる。照射中に触媒粒子を撹拌するとより均一な処理が可能である。 There are many types of apparatuses for obtaining the above-described catalyst surface by plasma irradiation, but a so-called corona discharge treatment apparatus that discharges in air at normal temperature and pressure can be used. Depending on the properties of the catalyst particles, the catalyst particles may be easily scattered and irradiation treatment may be difficult. In such a case, the plasma irradiation treatment can be performed after the catalyst particles are slightly wetted in advance with a small amount of solvent. When the catalyst particles are agitated during irradiation, a more uniform treatment is possible.
次に、本発明の燃料電池用電極は、燃料電池用電極の触媒層として、上記した本発明の電極触媒ないし上記した本発明の製造方法により得られてなる電極触媒の少なくとも1つの電極触媒と、電解質ポリマー(アイオノマー)とを含有してなることを特徴とするものである。 Next, the fuel cell electrode of the present invention comprises at least one electrode catalyst of the above-described electrode catalyst of the present invention or the electrode catalyst obtained by the manufacturing method of the present invention as a catalyst layer of the fuel cell electrode. And an electrolyte polymer (ionomer).
本発明の電極の構成としては、上記要件を満足するものであれば特に制限されるものではない。以下、触媒層がガス拡散層上に形成されてなる実施形態を例にとり、触媒層とガス拡散層とに分けて説明する。 The configuration of the electrode of the present invention is not particularly limited as long as the above requirements are satisfied. Hereinafter, an embodiment in which the catalyst layer is formed on the gas diffusion layer will be described as an example, and the catalyst layer and the gas diffusion layer will be described separately.
(1)触媒層
本発明の触媒層に含有されてなる上記電極触媒に関しては、既に説明したとおりであるのでここでの説明は省略する。
(1) Catalyst layer Since the electrode catalyst contained in the catalyst layer of the present invention is as already described, the description thereof is omitted here.
また、上記触媒層に含有されてなる上記電解質ポリマーとしては、電極触媒の表面に導入された親水基との間で親和性の向上を図ることができるものであれば特に制限されるものではなく、従来公知のものを用いることができる。具体的には、電極触媒の表面に導入された親水基との間で親和性の向上を図ることのできる官能基を有する電解質ポリマーを用いることができる。 The electrolyte polymer contained in the catalyst layer is not particularly limited as long as it can improve the affinity with the hydrophilic group introduced on the surface of the electrode catalyst. A conventionally well-known thing can be used. Specifically, an electrolyte polymer having a functional group capable of improving the affinity with the hydrophilic group introduced on the surface of the electrode catalyst can be used.
かかる電解質ポリマーとしては、少なくとも高いプロトン導電性を有する液体、固体、ゲル状材料などが利用可能であり、具体的にはリン酸、硫酸、アンチモン酸、スズ酸、ヘテロポリ酸などの固体酸、パーフルオロスルホン酸アイオノマー、リン酸などの無機酸を炭化水素系高分子化合物にドープさせたもの、一部がプロトン導電性の官能基で置換された有機/無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたゲル状プロトン導電性電解質ポリマーなどが挙げられる。 As such an electrolyte polymer, a liquid, solid, gel-like material having at least high proton conductivity can be used. Specifically, solid acids such as phosphoric acid, sulfuric acid, antimonic acid, stannic acid, and heteropolyacid, Fluorosulfonic acid ionomer, inorganic acid such as phosphoric acid doped with hydrocarbon polymer compound, organic / inorganic hybrid polymer partially substituted with proton conductive functional group, phosphoric acid solution in polymer matrix And a gelled proton conductive electrolyte polymer impregnated with a sulfuric acid solution.
また、電解質ポリマーとして他には、ランタンガレート系混合導電体、酸素イオン−電子混合導電体、水素イオン−電子混合導電体などの電子導電性を同時に有する混合導電体も利用できる。 In addition, as the electrolyte polymer, a mixed conductor having electronic conductivity such as a lanthanum gallate mixed conductor, an oxygen ion-electron mixed conductor, and a hydrogen ion-electron mixed conductor can be used.
好ましくは、担持体表面の親水基との間で親和性を向上し得る官能基の1つであるスルホン酸基(SO3 −基)を有する、スチレン−ジビニルベンゼンスルホン酸樹脂、パーフルオロカーボンスルホン酸系の樹脂その他各種イオン交換樹脂が使用されるが、パーフルオロカーボンスルホン酸系の樹脂を用いるのが好ましい。特に電解質膜としてパーフルオロカーボンスルホン酸系の樹脂膜を用いる場合には同系統のパーフルオロカーボンスルホン酸系の樹脂を用いるのが好ましい。 Preferably, is one sulfonic acid functional groups capable of improving affinity between the hydrophilic groups of the carrier surface - with a (SO 3 groups), styrene - divinylbenzene sulfonic acid resin, a perfluorocarbon sulfonic acid Of these, various ion exchange resins are used, but perfluorocarbon sulfonic acid resins are preferably used. In particular, when a perfluorocarbon sulfonic acid resin film is used as the electrolyte membrane, it is preferable to use a perfluorocarbon sulfonic acid resin of the same type.
具体的には、既に市販されているアンバーライトIR−120B(T−3)〔スチレン−ジビニルベンゼンスルホン酸樹脂、Na型、粒径30μmの粉末、Organo社製、商品名)やNAFION(パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、H型、脂肪族アルコールと水との混合溶媒中5%溶液、Aldrich Chemical社製、商品名)などが例示できるがこれらに何ら制限されるものではない。 Specifically, Amberlite IR-120B (T-3) [Styrene-divinylbenzene sulfonic acid resin, Na type, 30 μm particle diameter, manufactured by Organo Co., Ltd., trade name) and NAFION (perfluorocarbon) are commercially available. Examples thereof include, but are not limited to, sulfonic acid resin, H type, 5% solution in a mixed solvent of aliphatic alcohol and water, Aldrich Chemical, trade name), and the like.
ただし、本発明の電解質ポリマーが有する、担持体表面の親水基との間で親和性を向上し得る官能基としては、上記スルホン酸基に何ら限定されるものではなく、例えば、カルボキシル基などの官能基を有するものであってもよい。 However, the functional group that the electrolyte polymer of the present invention can improve the affinity with the hydrophilic group on the surface of the support is not limited to the sulfonic acid group, and examples thereof include a carboxyl group. It may have a functional group.
かかる官能基を有する電解質ポリマーを用いることにより、担持体表面の親水基との間で親和性が向上し、電解質ポリマーが均一に触媒粒子を覆うことが出来、触媒層中の分散性も高められる。特に、本発明では、電極触媒の親水基の被覆率の制御(=CO/CC比の制御)により、電解質ポリマーの被覆率の制御が可能となる。これにより、ガス拡散領域及びプロトン伝導パスの制御が可能になり任意に触媒層のデザインができる。これは、電池の水分管理にも貢献することよりセル性能向上となる。 By using the electrolyte polymer having such a functional group, the affinity with the hydrophilic group on the surface of the support is improved, the electrolyte polymer can uniformly cover the catalyst particles, and the dispersibility in the catalyst layer is also improved. . In particular, in the present invention, it is possible to control the coverage of the electrolyte polymer by controlling the coverage of the hydrophilic groups of the electrode catalyst (= control of the CO / CC ratio). Thereby, the gas diffusion region and the proton conduction path can be controlled, and the catalyst layer can be arbitrarily designed. This contributes to the water management of the battery, thereby improving the cell performance.
前記電解質ポリマーは、バインダーポリマーとしての観点からも、前記電極触媒を被覆しているのが好ましい。これにより、触媒層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反応サイト(三相界面;その触媒粒子が電解質及びガス相と共存しており、この三相界面をより多く確保することにより、電池の性能を向上させることができる。)を十分に確保して、高い触媒活性を得ることができる。 The electrolyte polymer preferably covers the electrode catalyst from the viewpoint of a binder polymer. As a result, the structure of the catalyst layer can be stably maintained, and the reaction site where the electrode reaction proceeds (three-phase interface; the catalyst particles coexist with the electrolyte and the gas phase, and more of this three-phase interface is secured. Thus, the battery performance can be improved sufficiently, and high catalytic activity can be obtained.
上記触媒層中に含まれる前記電極触媒と電解質ポリマーの含有比率は、特に限定されないが、電極触媒と電解質ポリマーとが重量比で10:2〜10:6となるように含有されているのが望ましい。かかる範囲内に調整することで、製造過程において触媒粒子の電解質ポリマーへの分散性を維持しながら添加することができるものである。その結果、触媒層内で高分散された個々の触媒粒子表面を電解質ポリマーが均一に覆った状態とすることができる。よって、プロトン導電パスが維持され、プロトン導電率の向上及びセル性能が向上の効果が得られる。 The content ratio of the electrode catalyst and the electrolyte polymer contained in the catalyst layer is not particularly limited, but the electrode catalyst and the electrolyte polymer are contained in a weight ratio of 10: 2 to 10: 6. desirable. By adjusting within this range, the catalyst particles can be added while maintaining the dispersibility of the catalyst particles in the electrolyte polymer during the production process. As a result, the surface of each catalyst particle highly dispersed in the catalyst layer can be in a state where the electrolyte polymer uniformly covers it. Therefore, the proton conduction path is maintained, and the effects of improving proton conductivity and cell performance are obtained.
また、本発明の電極のうち、カソードなどでは、酸素還元反応によって多量の水が生成する。この生成水は反応ガスが拡散するための細孔を閉鎖する恐れがあるため、電極の撥水性を確保することも重要である。従って、上記触媒層には、必要に応じてポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEという)等の撥水剤を含有させてもよい。ただし、撥水剤は絶縁体であるため電極の出力の観点からはその量は少量であるほど望ましく、その含有量は、触媒層の全量に対して20〜40質量%が好ましい。 In addition, among the electrodes of the present invention, a large amount of water is generated by an oxygen reduction reaction at the cathode or the like. Since this generated water may close the pores for the reaction gas to diffuse, it is also important to ensure the water repellency of the electrode. Therefore, the catalyst layer may contain a water repellent such as polytetrafluoroethylene (hereinafter referred to as PTFE) as necessary. However, since the water repellent is an insulator, its amount is preferably as small as possible from the viewpoint of the output of the electrode, and its content is preferably 20 to 40% by mass with respect to the total amount of the catalyst layer.
(2)ガス拡散層
本発明の電極において、上記触媒層を支持するガス拡散層としては、特に限定されるものではなく、従来公知のものを適宜使用することができる。例えば、多孔質のカーボンペーパー、または、カーボン布などの多孔質カーボン基材等が挙げられる。
(2) Gas diffusion layer In the electrode of this invention, it does not specifically limit as a gas diffusion layer which supports the said catalyst layer, A conventionally well-known thing can be used suitably. For example, porous carbon paper or a porous carbon substrate such as a carbon cloth can be used.
本発明の電極では、触媒層およびガス拡散層の厚さは、反応ガス拡散性を向上するには薄い方が望ましいが、薄すぎると十分な電極出力が得られない。従って、所望の特性を有する電極が得られるように適宜決定すればよい。 In the electrode of the present invention, the catalyst layer and the gas diffusion layer are desirably thin in order to improve the reaction gas diffusibility. However, if the thickness is too thin, sufficient electrode output cannot be obtained. Therefore, it may be determined as appropriate so as to obtain an electrode having desired characteristics.
また、本発明の電極は、アノード及びカソードの双方に適用し得るものである。よって、アノードにのみ用いてもよし、カソードにのみ用いてもよし、双方に用いてもよいなど、特に制限されるものではない。 The electrode of the present invention can be applied to both the anode and the cathode. Therefore, it may be used only for the anode, may be used only for the cathode, or may be used for both.
次に、本発明の電極の製造方法としては、上記した通り、本発明の電極触媒ないし本発明の製造方法により得られてなる電極触媒の少なくとも1つの電極触媒と、電解質ポリマーとが重量比で10:2〜10:6となるように混合された材料を用いて触媒層を形成することを特徴とするものが望ましい。かかる電極触媒と電解質ポリマーとの量の関係が上記範囲に調整することにより、分散性を維持しながら添加することができる。 Next, as described above, as a method for producing the electrode of the present invention, at least one electrode catalyst of the electrode catalyst of the present invention or the electrode catalyst obtained by the production method of the present invention and the electrolyte polymer are in a weight ratio. What is characterized by forming a catalyst layer using the material mixed so that it may become 10: 2-10: 6 is desirable. By adjusting the relationship between the amount of the electrode catalyst and the electrolyte polymer within the above range, it can be added while maintaining dispersibility.
本発明の電極の製造方法としては、上記電極触媒と電解質ポリマーを上記比率で混合した材料の他に、必要に応じて、撥水剤、造孔剤、増粘剤、希釈溶媒などの材料を添加し、混合してペースト状あるいはスラリー状にする。これをガス拡散層または後述の電解質層上にスクリーン印刷法、沈積法、あるいはスプレー法などで所望の厚さに塗布して触媒層を形成する公知の方法が挙げられる。 As a method for producing the electrode of the present invention, in addition to the material obtained by mixing the electrode catalyst and the electrolyte polymer in the above ratio, materials such as a water repellent, a pore-forming agent, a thickener, and a diluting solvent are used as necessary. Add and mix to form paste or slurry. A known method of forming a catalyst layer by applying this to a desired thickness by a screen printing method, a deposition method, a spray method or the like on a gas diffusion layer or an electrolyte layer described later can be used.
図7は、実際の燃料電池での発電試験として、電池電位(E)と電池電流(I)の関係を表した図面である。図7では、図3と同様の電極触媒を用いて、該電極触媒と、電解質ポリマーとが重量比で10:2〜10:6の範囲となるように電極を作製し、更に該電極を用いて作製した燃料電池につき発電特性を調べたものである。 FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the battery potential (E) and the battery current (I) as a power generation test in an actual fuel cell. In FIG. 7, using the same electrode catalyst as in FIG. 3, the electrode catalyst and the electrolyte polymer were prepared such that the weight ratio was in the range of 10: 2 to 10: 6, and the electrode was further used. The power generation characteristics of the fuel cell fabricated in this way were investigated.
図7からも分かるように、前処理(H2O2処理)していない電極触媒を用いたもの(図中の破線)に比べて、前処理(H2O2処理)されてなる本発明の電極触媒を用いたもの(図中の実線)の方が、終始、優れた発電特性(I−V特性)を示すことがわかる。これは、前処理(H2O2処理)により、親水基の被覆率を制御(=CO/CC比の制御)することにより、電解質ポリマーの被覆率の制御が可能となる。これにより、ガス拡散領域及びプロトン伝導パスの制御が可能になり任意に触媒層のデザインができる。また電池の水分管理にも貢献することよりセル性能向上となる。その結果、図7に示すように、本発明の電極触媒を用いたもの(図中の実線)では、終始、優れた発電特性を発揮することができるものである。また、触媒層を製造する際に、触媒スラリー中の触媒粒子の分散性が維持できているため、発電特性において触媒粒子が凝集することによる影響もないことがわかる。 As can be seen from FIG. 7, the present invention is pre-treated (H 2 O 2 treatment) as compared with an electrode catalyst that has not been pre-treated (H 2 O 2 treatment) (broken line in the figure). It can be seen that the one using the electrode catalyst (solid line in the figure) shows better power generation characteristics (IV characteristics) from beginning to end. In this case, the coverage of the electrolyte polymer can be controlled by controlling the coverage of hydrophilic groups (= control of the CO / CC ratio) by pretreatment (H 2 O 2 treatment). Thereby, the gas diffusion region and the proton conduction path can be controlled, and the catalyst layer can be arbitrarily designed. In addition, cell performance is improved by contributing to moisture management of the battery. As a result, as shown in FIG. 7, the one using the electrode catalyst of the present invention (solid line in the figure) can exhibit excellent power generation characteristics from beginning to end. It can also be seen that, when the catalyst layer is produced, the dispersibility of the catalyst particles in the catalyst slurry can be maintained, so that there is no influence on the power generation characteristics due to the aggregation of the catalyst particles.
次に、本発明の固体高分子型燃料電池は、上述した本発明の電極を有することを特徴とするものである。本発明の電極触媒を用いた電極は、高い電極性能を長期に渡って維持することができる。従って、かような電極を燃料電池用電極として用いれば、高い性能を長期に渡って示すことのできる燃料電池を提供することが可能となり得る。燃料電池の種類としては、所望する電池特性が得られるのであれば特に限定されないが、実用性・安全性などの観点から固体高分子型燃料電池(以下、「PEFC」とも記載する。)として用いるのが好ましい。以下、固体高分子型燃料電池につき説明するが、これらに制限されるものではない。 Next, the polymer electrolyte fuel cell of the present invention has the above-described electrode of the present invention. An electrode using the electrode catalyst of the present invention can maintain high electrode performance over a long period of time. Therefore, if such an electrode is used as an electrode for a fuel cell, it may be possible to provide a fuel cell that can exhibit high performance over a long period of time. The type of fuel cell is not particularly limited as long as desired cell characteristics can be obtained, but it is used as a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter also referred to as “PEFC”) from the viewpoints of practicality and safety. Is preferred. Hereinafter, the polymer electrolyte fuel cell will be described, but is not limited thereto.
PEFCは、一般的には、膜−電極接合体(以下、「MEA」とも記載する。)をガス流路溝を設けたカーボン板等のセパレータで積層(挟持)した構造となっている。また、MEAは、電解質膜(電解質層)が電極により挟持されてなるものである。従って、前記電極における触媒層は、少なくとも片面が電解質膜に接している。 The PEFC generally has a structure in which a membrane-electrode assembly (hereinafter also referred to as “MEA”) is laminated (sandwiched) with a separator such as a carbon plate provided with a gas flow channel groove. The MEA is formed by sandwiching an electrolyte membrane (electrolyte layer) between electrodes. Therefore, at least one surface of the catalyst layer in the electrode is in contact with the electrolyte membrane.
PEFCにおける電極に関しては、上述した通りであるため、ここではその説明を省略する。また、上述した電極をカソードとして用いた場合、アノードはカソードと同じものを用いてもよく、特開2002−151089号公報などに記載される従来公知のアノード用電極を用いてもよく、特に限定されない。 Since the electrodes in PEFC are as described above, the description thereof is omitted here. When the above-mentioned electrode is used as a cathode, the anode may be the same as the cathode, or a conventionally known anode electrode described in JP-A No. 2002-151089 or the like may be used. Not.
アノードに用いられる電極は、水素酸化反応に対して高い触媒活性を有するものであればよく、カソードに用いたものと同じものを用いればよく、ここではその説明を省略する。 The electrode used for the anode is not particularly limited as long as it has a high catalytic activity for the hydrogen oxidation reaction, and the same electrode as that used for the cathode may be used.
前記電解質膜は、プロトン導電性部材からなるフィルム状の固体高分子膜である。前記電解質膜に用いられるプロトン導電性部材としては、特に限定されず、上述した触媒層において列挙した電解質ポリマーと同じものが挙げられる。また、触媒層と電解質膜とに用いる電解質ポリマーとプロトン導電性部材とは、同じものを用いても、異なったものを用いてもよい。 The electrolyte membrane is a film-like solid polymer membrane made of a proton conductive member. The proton conductive member used for the electrolyte membrane is not particularly limited, and examples thereof include the same electrolyte polymers listed in the catalyst layer described above. Further, the electrolyte polymer and proton conductive member used for the catalyst layer and the electrolyte membrane may be the same or different.
MEAを挟持するセパレータとしては、カーボンペーパー、カーボンクロスなど公知のものを用いればよい。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に流路溝が形成されてもよい。セパレータの流路溝の溝幅やピッチに関しては特に限定されないが、細くなるほど電極へのガス拡散性が改善され、通常は0.5〜1.0mm程度の溝幅が用いられている。また、カソードにおいて生成した水がセパレータの流路に滞留するのを防ぐため、流路を長くして流速を早めたり、セパレータを立てて生成水が上から下へと流れ易くなるようにしてもよい。 A known separator such as carbon paper or carbon cloth may be used as a separator for sandwiching the MEA. The separator has a function of separating air and fuel gas, and a channel groove may be formed in order to secure the channel. The groove width and pitch of the flow path groove of the separator are not particularly limited, but the gas diffusibility to the electrode is improved as the thickness is reduced, and a groove width of about 0.5 to 1.0 mm is usually used. In addition, in order to prevent water generated at the cathode from staying in the separator flow path, the flow path can be lengthened to increase the flow rate, or the separator can be set up so that the generated water can easily flow from top to bottom. Good.
MEAの製造方法としては、電解質膜上に電極を直接形成する方法、セパレータ上に電極を形成しこれを電解質膜と接合する方法、平板上に電極を形成しこれを電解質膜に転写する方法等の種々の方法が挙げられる。なお、電極を電解質膜とは別個にセパレータ上に形成した場合は、電極と電解質膜とは、ホットプレス法、接着法(特開平7−220741号公報参照)等により接合することが好ましい。 The MEA manufacturing method includes a method of directly forming an electrode on an electrolyte membrane, a method of forming an electrode on a separator and bonding it to the electrolyte membrane, a method of forming an electrode on a flat plate and transferring it to the electrolyte membrane, etc. The various methods are mentioned. When the electrode is formed on the separator separately from the electrolyte membrane, the electrode and the electrolyte membrane are preferably joined by a hot press method, an adhesive method (see Japanese Patent Laid-Open No. 7-220741) or the like.
さらに、PEFC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MEA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。PEFC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 MEAs are stacked via a separator and connected in series may be formed so that a desired voltage or the like can be obtained by the PEFC. The shape of the PEFC is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.
本発明の電極を用いた燃料電池は、従来のものと比較して長期に渡って電池性能を維持することができる。従って、車両などの移動体用電源、定置用電源などとして信頼性の高い燃料電池を提供することが可能である。なお、上述した固体高分子型燃料電池に関しては、本発明の一実施形態を示したに過ぎず、本発明がこれに限定されるものではない。従って、本発明の電極を用いた電極燃料電池は、本発明の範囲に含まれるものである。 The fuel cell using the electrode of the present invention can maintain the cell performance for a long time as compared with the conventional one. Therefore, it is possible to provide a highly reliable fuel cell as a power source for a moving body such as a vehicle or a stationary power source. In addition, regarding the polymer electrolyte fuel cell described above, only one embodiment of the present invention is shown, and the present invention is not limited to this. Therefore, an electrode fuel cell using the electrode of the present invention is included in the scope of the present invention.
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples.
<Pt/Cの調製>
導電性カーボンブラック(Vulcan XC−72:Cabot社製)粉末1gを0.4質量%の白金を含有する塩化白金酸水溶液250g中にホモジナイザを用いて十分に分散させた後、これにクエン酸ナトリウム3gを加え、還流反応装置を使用して80℃に加熱し、白金の還元担持を行った。そして、室温まで放冷した後、白金が担持されたカーボンを濾別することにより、Pt担持カーボンブラック粉末(Pt/C)を得た。このPt/Cにおける白金の平均粒子径は透過型電子顕微鏡観察の結果から約2.9nmであった。また、Pt担持量を誘導結合プラズマ発光分光法によって調べた結果、40.6質量%のPtが担持されていることが確認された。
<Preparation of Pt / C>
1 g of conductive carbon black (Vulcan XC-72: manufactured by Cabot) powder was sufficiently dispersed in 250 g of a chloroplatinic acid aqueous solution containing 0.4% by mass of platinum using a homogenizer, and then sodium citrate was added thereto. 3 g was added, and the mixture was heated to 80 ° C. using a reflux reactor, and platinum was supported for reduction. And after standing to cool to room temperature, Pt carrying | support carbon black powder (Pt / C) was obtained by filtering carbon carrying | supporting platinum. The average particle diameter of platinum in Pt / C was about 2.9 nm from the result of observation with a transmission electron microscope. Further, as a result of examining the amount of Pt supported by inductively coupled plasma emission spectroscopy, it was confirmed that 40.6% by mass of Pt was supported.
<H2O2処理による電極触媒の調製>
上記で得られたPt/C0.05gを0.04質量%濃度のH2O2水溶液に超音波ホモジナイザー拡散装置を用いて分散させた。得られたPt/C分散H2O2溶液内で25℃で0.5時間攪拌を継続し酸素生成(酸化処理)を行った。
<Preparation of electrode catalyst by H 2 O 2 treatment>
The Pt / C0.05g obtained above was dispersed using an ultrasonic homogenizer diffuser in aqueous solution of H 2 O 2 of 0.04 wt% concentration. Stirring was continued for 0.5 hours at 25 ° C. in the obtained Pt / C-dispersed H 2 O 2 solution to generate oxygen (oxidation treatment).
酸素生成過程が完了した後に、ミリポアろ過フィルターを用いてろ過し、電気比抵抗18.3MΩ・cm以下、TOC(有機物濃度)5ppb以下の超純水を用いて触媒洗浄を行う操作を2回繰り返し行って、電極触媒を作製した。 After the oxygen generation process is completed, filtration is performed using a Millipore filtration filter, and the catalyst cleaning is repeated twice using ultrapure water having an electrical resistivity of 18.3 MΩ · cm or less and a TOC (organic concentration) of 5 ppb or less. In this way, an electrode catalyst was produced.
<電極触媒のXPSのC1sピークの分析・評価>
得られた電極触媒につき、X線光電子分光法(XPS)による測定を行い、C1sピークのピーク分割により得られるグラフを図2に示す。図2から、(C−Oピーク高さ)/(C−Cピーク高さ)比を求めた。
<Analysis and evaluation of C1s peak of XPS of electrode catalyst>
The obtained electrode catalyst is measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and a graph obtained by peak division of the C1s peak is shown in FIG. From FIG. 2, the ratio of (CO peak height) / (CC peak height) was determined.
図2から、本実施例の電極触媒では、H2O2処理条件を調整することにより、XPSで得られるC1sピークのピーク分割により得られるC−Oピーク高さを1とした際の、C−Cピーク高さが4であった。このことから、上記CO/CC比=1/4=0.25であることが確認された。即ち、水酸基(OH基)による被覆率が25%であった。 From FIG. 2, in the electrode catalyst of this example, the C—O peak height obtained by the peak splitting of the C1s peak obtained by XPS was adjusted to 1 by adjusting the H 2 O 2 treatment condition. The -C peak height was 4. From this, it was confirmed that the CO / CC ratio = 1/4 = 0.25. That is, the coverage with hydroxyl groups (OH groups) was 25%.
<電極触媒を用いた回転電極による酸素還元反応に対する活性分析・評価>
本実施例で得られたH2O2処理済みの電極触媒と、H2O2処理なしのPt/Cを用いて回転電極による酸素還元反応に対する活性比較を行った。
<Activity analysis and evaluation for oxygen reduction reaction with rotating electrode using electrode catalyst>
Using the electrode catalyst that had been treated with H 2 O 2 obtained in this example and Pt / C that had not been treated with H 2 O 2, the activity was compared with respect to the oxygen reduction reaction by the rotating electrode.
回転電極及び触媒層は、以下の方法により作製した。 The rotating electrode and the catalyst layer were produced by the following method.
混合比;H2O:Nafion=100:1(重量比)にて、5wt%Nafion溶液を超純水にて希釈してナフィオン水溶液を得た。次に、Pt/C 20mgをH2O 20mLに超音波ホモジナイザーを用いて分散させて、触媒サスペンジョンを得た。 A 5 wt% Nafion solution was diluted with ultrapure water at a mixing ratio of H 2 O: Nafion = 100: 1 (weight ratio) to obtain an aqueous Nafion solution. Next, 20 mg of Pt / C was dispersed in 20 mL of H 2 O using an ultrasonic homogenizer to obtain a catalyst suspension.
上記の触媒サスペンジョン10μLをマイクロピペットで電極基盤(GlassyCarbon上)に滴下し、真空乾燥機にてサスペンジョンの水分を飛ばした。乾燥後、Pt/Cの上にマイクロピペットを用いて上記ナフィオン水溶液を10μL滴下した。これを電気化学測定に用いた。 10 μL of the above catalyst suspension was dropped onto the electrode substrate (on the Glassy Carbon) with a micropipette, and the water in the suspension was blown away with a vacuum dryer. After drying, 10 μL of the above Nafion aqueous solution was dropped on Pt / C using a micropipette. This was used for electrochemical measurements.
上記で得られた回転電極を用い、図10に示すように、回転電極101上に触媒層103を保持して正極反応である酸素還元反応に対する活性を調べた。詳しくは、回転電極101を1000rpmで回転させたときの、本発明の電極触媒を用いて作製した触媒層、及び従来の電極触媒を用いて作製した触媒層における酸素還元電流Iと電極電位Eとの関係を調べた。得られた結果を図3に示す。 Using the rotating electrode obtained above, as shown in FIG. 10, the catalyst layer 103 was held on the rotating electrode 101, and the activity for the oxygen reduction reaction as the positive electrode reaction was examined. Specifically, the oxygen reduction current I and the electrode potential E in the catalyst layer produced using the electrode catalyst of the present invention and the catalyst layer produced using the conventional electrode catalyst when the rotating electrode 101 is rotated at 1000 rpm. I investigated the relationship. The obtained results are shown in FIG.
図3から、H2O2処理していない従来の電極触媒を用いたものでは、厳密な触媒能解析に必要な限界電流が不純物(コンタミ)のため現れないことが確認された。これに対し、触媒表面状態がより耐久性、高性能触媒層に適しているようにH2O2処理されてなる本発明の電極触媒を用いたものでは、厳密な触媒能解析に必要な限界電流がはっきり現れていることが確認できた。このことから、本発明の電極触媒では触媒表面の不純物が十分に除去されていることが確認できた。 From FIG. 3, it was confirmed that the limit current required for the strict catalytic analysis does not appear due to impurities (contamination) in the case of using a conventional electrode catalyst not treated with H 2 O 2 . On the other hand, in the case of using the electrode catalyst of the present invention that has been treated with H 2 O 2 so that the catalyst surface state is more durable and suitable for a high-performance catalyst layer, the limit necessary for strict catalytic performance analysis It was confirmed that the current clearly appeared. From this, it was confirmed that impurities on the catalyst surface were sufficiently removed in the electrode catalyst of the present invention.
<電極触媒を用いた回転電極による酸素還元の分極曲線分析・評価>
本実施例で得られたH2O2処理済みの電極触媒と、H2O2処理なしのPt/Cを用いて回転電極による酸素還元の分極曲線を測定した。得られた結果を図4に示す。図4は、電極の硫酸水溶液中におけるサイクリックボルタモグラムを表した図面である。
<Polarization curve analysis and evaluation of oxygen reduction by rotating electrode using electrode catalyst>
Using the electrode catalyst that had been treated with H 2 O 2 obtained in this example and Pt / C that had not been treated with H 2 O 2 , the polarization curve of oxygen reduction by a rotating electrode was measured. The obtained results are shown in FIG. FIG. 4 is a view showing a cyclic voltammogram of the electrode in a sulfuric acid aqueous solution.
図4から、H2O2処理していない従来の電極触媒を用いたもの(図中の破線)では、不純物のため触媒活性サイトが減少しているため、電位が低く現れることが確認できた。これに対し、触媒表面状態がより耐久性、高性能触媒層に適しているようにH2O2処理されてなる本発明の電極触媒を用いたもの(図中の実線)では、H2O2処理により、Pt/Cの表面洗浄の効果があり、不純物が十分に除去されているため、電位が高く現れることが確認できた(図中の実線)。 From FIG. 4, it was confirmed that in the case of using the conventional electrode catalyst not treated with H 2 O 2 (broken line in the figure), the potential appears to be low because the catalytic active site is reduced due to impurities. . On the other hand, in the case of using the electrode catalyst of the present invention treated with H 2 O 2 so that the catalyst surface state is more durable and suitable for a high performance catalyst layer (solid line in the figure), H 2 O It was confirmed that the two treatments had the effect of cleaning the surface of Pt / C and the impurities were sufficiently removed, so that the potential appeared high (solid line in the figure).
<電極触媒のXPSのPt4fピークの分析評価>
本実施例で得られたH2O2処理済みの電極触媒につき、X線光電子分光法(XPS)による測定を行い、Pt4fピークのピーク分割により得られる4f5/2ピーク高さ(75±0.3eV)と、4f7/2ピーク高さ(72±0.3eV)を表すグラフを図5に示す。
<Analytical evaluation of XPS Pt4f peak of electrode catalyst>
The H 2 O 2 -treated electrode catalyst obtained in this example was measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and the 4f5 / 2 peak height (75 ± 0.00) obtained by peak splitting of the Pt4f peak. 3eV) and a graph representing the 4f7 / 2 peak height (72 ± 0.3eV) are shown in FIG.
図5から、本実施例で得られたH2O2処理済みの電極触媒では、Pt表面には不純物や第2成分であるPt以外の元素をいい、例えば、Al、Si、Ti、V、Cr、Fe、Ni、Co、Cu、W、Ag、Vはなく(図8参照のこと)、このため、ほぼ等しいPt4f5/2ピーク及びPt4f 57/2ピークのピークが見られる。 From FIG. 5, in the electrode catalyst treated with H 2 O 2 obtained in this example, the Pt surface refers to elements other than impurities and Pt as the second component. For example, Al, Si, Ti, V, There is no Cr, Fe, Ni, Co, Cu, W, Ag, or V (see FIG. 8), and therefore, approximately equal Pt4f5 / 2 peak and Pt4f 57/2 peak are observed.
<電極触媒を用いた電池の発電耐久性試験>
実際の燃料電池での発電耐久性試験として、本実施例で得られたH2O2処理済みの電極触媒と、H2O2処理なしのPt/Cを用いて下記に示す方法により燃料電池セルを作製し、これを用いて下記に示す発電耐久性試験を行った。発電耐久性試験により得られた発電時間(サイクル数)と電池電位(E)の関係を図6に示す。
<Power generation durability test of battery using electrode catalyst>
As the power generation durability test in an actual fuel cell, and H 2 O 2 treated electrode catalyst obtained in the present embodiment, the fuel cell by the following method using a Pt / C without H 2 O 2 treatment A cell was prepared, and a power generation durability test shown below was performed using the cell. FIG. 6 shows the relationship between the power generation time (number of cycles) obtained by the power generation durability test and the battery potential (E).
(燃料電池の作製)
電極触媒の重量に対して5倍量の精製水を加えた後、0.5倍量のイソプロピルアルコールを加え、さらにはNafionの重量が1倍量になるようにNafion溶液(Aldrich社製5wt%Nafion含有)を加えて混合スラリーとした。即ち、本実施例では、電極触媒と電解質ポリマーであるNafionが重量比で10:10に混合された材料を用いた。
(Fabrication of fuel cell)
After adding 5 times the amount of purified water with respect to the weight of the electrode catalyst, 0.5 times the amount of isopropyl alcohol is added, and further, the Nafion solution (Aldrich 5 wt% so that the weight of Nafion is 1 time). Nafion containing) was added to form a mixed slurry. That is, in this example, a material in which the electrode catalyst and the electrolyte polymer Nafion were mixed at a weight ratio of 10:10 was used.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザでよく分散させ、それに続いて減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをガス拡散層(GDL)であるカーボンペーパー(東レ株式会社製TGP−H−120)の片面にスクリーン印刷法によって所望の厚さに応じて所定量の触媒スラリーを印刷し、60℃で24時間乾燥させた後、触媒層を塗布した面を電解質膜に合わせて120℃、0.1MPaで10分間ホットプレスを行うことによりカソードと電解質膜との接合を行った。電解質膜にはNafion112(厚さ:約50μm)を用いた。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, followed by adding a vacuum degassing operation to prepare a catalyst slurry. A predetermined amount of catalyst slurry is printed on one side of a carbon paper (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc.), which is a gas diffusion layer (GDL), by a screen printing method according to a desired thickness. After drying for a period of time, the surface coated with the catalyst layer was aligned with the electrolyte membrane and hot pressed at 120 ° C. and 0.1 MPa for 10 minutes to bond the cathode and the electrolyte membrane. Nafion 112 (thickness: about 50 μm) was used for the electrolyte membrane.
次に、アノードもカソードと同様にして作製し、触媒層を電解質膜のカソード接合面と反対の面に接合して電極(膜−電極接合体;MEA)とした。アノードおよびカソード触媒層の厚さはいずれのセルについても8〜12μmの範囲内とした。 Next, the anode was prepared in the same manner as the cathode, and the catalyst layer was bonded to the surface opposite to the cathode bonding surface of the electrolyte membrane to form an electrode (membrane-electrode assembly; MEA). The thickness of the anode and cathode catalyst layers was in the range of 8 to 12 μm for both cells.
得られたMEAは、アノード、カソードともにPt使用量を見かけの電極面積1cm2あたり0.5mgとし、電極面積は300cm2とした。 In the obtained MEA, the amount of Pt used for both the anode and the cathode was 0.5 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, and the electrode area was 300 cm 2 .
得られたMEAをガス流路溝を設けたカーボン板で挟み、燃料電池セルを構成した。 The obtained MEA was sandwiched between carbon plates provided with gas flow channel grooves to form fuel cells.
(電池の発電耐久性試験)
発電耐久性試験は、以下の方法により行った。
(Battery power generation durability test)
The power generation durability test was performed by the following method.
燃料電池セルを発電運転させる場合にはアノード側に燃料として水素を供給し、カソード側には空気を供給した。両ガスとも供給圧力は大気圧とし、水素は80℃、空気は50℃で飽和加湿し、燃料電池セル本体の温度は60℃に設定し、水素利用率は70%、空気利用率は40%として、電流密度0.7A/cm2で3日間運転を続け、燃料電池セルの耐久性評価を行った。 When the fuel cell was operated for power generation, hydrogen was supplied as fuel to the anode side, and air was supplied to the cathode side. The supply pressure for both gases is atmospheric pressure, hydrogen is 80 ° C, air is saturated and humidified at 50 ° C, the temperature of the fuel cell body is set to 60 ° C, the hydrogen utilization rate is 70%, and the air utilization rate is 40%. Then, the operation was continued for 3 days at a current density of 0.7 A / cm 2 to evaluate the durability of the fuel cell.
図6から、H2O2処理していない電極触媒を用いたもの(図中の破線)では、発電初期は高電位を有するものの、不純物により触媒活性サイトが減少しているため、電位の急速な低下が見られた。これに対し、触媒表面状態がより耐久性、高性能触媒層に適しているようにH2O2処理されてなる本発明の電極触媒を用いたもの(図中の実線)では、電極電位の低下が穏やかであり、電位低下が長期にわたり抑えられることが確認できた。このことから、H2O2処理により、電解質ポリマーとの親和性が向上し、かつ不純物が介在すると発生するH2O2を防止でき、触媒の劣化が抑えられ、触媒活性も向上する。その結果、触媒層ひいては電池の耐久性が大幅に改善し、電池電圧の低下を長期にわたり抑えることができることがわかる
<電極触媒を用いた燃料電池の発電特性評価>
実際の燃料電池での発電試験として、本実施例で得られたH2O2処理済みの電極触媒と、H2O2処理なしのPt/Cを用いて上記に示す方法により燃料電池セルを作製し、これを用いて下記に示す発電試験を行った。発電試験により得られた電池電位Eと電池電流Iの関係を図7に示す。
FIG. 6 shows that in the case of using an electrode catalyst not treated with H 2 O 2 (broken line in the figure), although the initial power generation has a high potential, the catalytic active site is reduced due to impurities, so the potential rapidly A significant decline was seen. On the other hand, in the case of using the electrode catalyst of the present invention that is treated with H 2 O 2 so that the catalyst surface state is more durable and suitable for a high-performance catalyst layer (solid line in the figure), the electrode potential is It was confirmed that the decrease was mild and the potential decrease was suppressed for a long time. From this, the H 2 O 2 treatment improves the affinity with the electrolyte polymer, prevents H 2 O 2 generated when impurities are present, suppresses catalyst deterioration, and improves catalyst activity. As a result, it can be seen that the durability of the catalyst layer and the battery is greatly improved, and that the battery voltage drop can be suppressed over a long period of time. <Evaluation of power generation characteristics of fuel cell using electrode catalyst>
As power generation test in an actual fuel cell, and H 2 O 2 treated electrode catalyst obtained in the present embodiment, the fuel cell by the methods described above using Pt / C with no H 2 O 2 treatment It produced and the power generation test shown below was done using this. FIG. 7 shows the relationship between the battery potential E and the battery current I obtained by the power generation test.
(燃料電池セルでの発電試験)
発電試験は、電池の発電耐久性試験と同様の方法により行った。
(Power generation test with fuel cells)
The power generation test was performed by the same method as the power generation durability test of the battery.
図7から、H2O2処理していない従来の電極触媒を用いたもの(図中の破線)では、発電初期は高電圧を有するものの、不純物のため触媒活性サイトが減少しているため、電池電圧の急速な低下が見られた。これに対し、触媒表面状態がより耐久性、高性能触媒層に適しているようにH2O2処理されてなる本発明の電極触媒を用いたもの(図中の実線)では、H2O2処理により、不純物が介在すると発生するH2O2を防止できており、その結果、図7に示すように、触媒層ひいては電池の耐久性が大幅に改善し、電池電圧の低下を長期にわたり抑えることができることがわかる。 From FIG. 7, the one using a conventional electrode catalyst not treated with H 2 O 2 (broken line in the figure) has a high voltage at the initial stage of power generation, but the catalytic active site is reduced due to impurities. A rapid drop in battery voltage was observed. On the other hand, in the case of using the electrode catalyst of the present invention treated with H 2 O 2 so that the catalyst surface state is more durable and suitable for a high performance catalyst layer (solid line in the figure), H 2 O 2 treatment prevents H 2 O 2 generated when impurities are present. As a result, as shown in FIG. 7, the durability of the catalyst layer and the battery is greatly improved, and the battery voltage is lowered for a long time. It can be seen that it can be suppressed.
更に、本発明の本実施例で得られたH2O2処理済みの電極触媒を用いて作製した燃料電池セルにアノード側には水素ガスをガス利用率が70%となるように、カソード側には常圧の空気を利用率が40%となるように、流量を調節して供給した。両方のガスを露点60℃になるように加湿して供給した。また燃料電池セルの温度は70℃になるように調節した。このセルを電流密度400mA/cm2で運転し、始動から24時間経過時点の出力電圧を測定したところ、700mVであった。また両極間の抵抗を測定したところ、60mΩ・cm2であった。同様の実験をH2O2処理していない従来の電極触媒を用いて作製した燃料電池で行った結果、始動から24時間経過時点の出力電圧は650mVであり、両極間の抵抗は68mΩ・cm2であった。以上のことから、本実施例では、アノード、カソード両極とも電極触媒表面が酸化処理され、好適な触媒表面状態を呈するように親水基の被覆率が制御されているために、高分子ポリマーとの被覆率も制御され、ガス拡散領域及びプロトン導電パスの制御が可能となるため、プロトン導電率が向上し、セル性能として、より高い電圧が得られることが確認できた。 Further, in the fuel cell manufactured using the electrode catalyst treated with H 2 O 2 obtained in the present embodiment of the present invention, hydrogen gas is supplied to the anode side so that the gas utilization rate is 70%. At normal pressure, air was supplied by adjusting the flow rate so that the utilization rate was 40%. Both gases were humidified and supplied so that the dew point was 60 ° C. The temperature of the fuel cell was adjusted to 70 ° C. This cell was operated at a current density of 400 mA / cm 2 , and the output voltage after 24 hours from the start of measurement was 700 mV. Moreover, when the resistance between both electrodes was measured, it was 60 mΩ · cm 2 . As a result of conducting a similar experiment with a fuel cell manufactured using a conventional electrode catalyst not treated with H 2 O 2 , the output voltage after 24 hours from the start was 650 mV, and the resistance between both electrodes was 68 mΩ · cm. 2 . From the above, in this example, the surface of the electrode catalyst is oxidized in both the anode and the cathode, and the hydrophilic group coverage is controlled so as to exhibit a suitable catalyst surface state. It was confirmed that the coverage ratio was also controlled and the gas diffusion region and the proton conduction path could be controlled, so that the proton conductivity was improved and a higher voltage was obtained as the cell performance.
<H2O2処理における洗浄過程の有無による分散性試験>
本実施例の上記「H2O2処理による電極触媒の調製」において、酸素生成過程が完了した後に、ミリポアフィルターを用いてろ過した後、超純水を用いて触媒洗浄を行うことなく乾燥して、洗浄過程なしの電極触媒を得た。
<Dispersibility test based on presence or absence of cleaning process in H 2 O 2 treatment>
In the above-mentioned “Preparation of Electrocatalyst by H 2 O 2 Treatment” in the present example, after the oxygen generation process is completed, it is filtered using a Millipore filter and then dried without washing the catalyst using ultrapure water. Thus, an electrode catalyst without a washing process was obtained.
上記H2O2処理による電極触媒の調製の通りにして得た洗浄過程ありの電極触媒と、洗浄過程なしの電極触媒とを、それぞれアイオノマー溶液(該電極触媒と、電解質ポリマーとが重量比で10:10になるように調製した。)に添加し、超音波ホモジナイザーを用いて15分間攪拌し、その後1時間放置した。図9は、放置後の溶液中の電極触媒の様子を模式的に表した図面である。 An electrode catalyst with a cleaning process and an electrode catalyst without a cleaning process obtained as in the preparation of the electrode catalyst by the above H 2 O 2 treatment were respectively mixed in an ionomer solution (the electrode catalyst and the electrolyte polymer in weight ratio). 10:10) and stirred for 15 minutes using an ultrasonic homogenizer and then left for 1 hour. FIG. 9 is a drawing schematically showing the state of the electrode catalyst in the solution after being left standing.
洗浄過程ありの電極触媒では、図9(a)に示すようにアイオノマー溶液への分散性は低く、沈降することが確認できた。一方、洗浄過程なしの電極触媒では、図9(b)に示すようにアイオノマー溶液への分散性が高く、均一に分散していることが確認できた。以上のことから、超純水を用いて触媒洗浄を行うことで、汚染物質の完全除去がなされているため、アイオノマー溶液への分散性を確保するのは困難であることが確認できた。 In the electrocatalyst with the washing process, as shown in FIG. 9A, the dispersibility in the ionomer solution was low, and it was confirmed that the electrode catalyst settled. On the other hand, as shown in FIG. 9B, the electrode catalyst without the washing process has high dispersibility in the ionomer solution and was confirmed to be uniformly dispersed. From the above, it was confirmed that it is difficult to ensure dispersibility in the ionomer solution because the contaminants are completely removed by performing catalyst cleaning using ultrapure water.
しかしながら、該電極触媒と、電解質ポリマーとが重量比で10:2〜10:6の範囲内となるようにして同様の実験を行った場合には、洗浄過程ありの電極触媒でも分散性が改善できており、図9(b)に示す良好な分散状態を維持できることが確認できた。 However, when the same experiment was conducted so that the weight ratio of the electrode catalyst and the electrolyte polymer was within the range of 10: 2 to 10: 6, the dispersibility was improved even with the electrode catalyst having a cleaning process. It was confirmed that the good dispersion state shown in FIG. 9B could be maintained.
11 担持体、
13 触媒金属、
15 電極触媒、
17 電解質ポリマー(アイオノマー)、
17a 電解質ポリマーの主鎖の疎水部、
17b 電解質ポリマーの側鎖等の親水部、
81 電極触媒、
83 担持体、
85 触媒金属
87 溶解する第2成分、
89 電解質ポリマー、
101 回転電極、
103 触媒層。
11 Carrier,
13 catalytic metal,
15 electrode catalyst,
17 Electrolyte polymer (ionomer),
17a hydrophobic part of the main chain of the electrolyte polymer,
17b hydrophilic part such as a side chain of the electrolyte polymer,
81 electrocatalyst,
83 carrier,
85 catalytic metal 87 second component to dissolve,
89 electrolyte polymer,
101 rotating electrode,
103 catalyst layer.
Claims (10)
該電極触媒のX線光電子分光法(X−ray photoelectron spectroscopy:XPS)で得られるC1sピークのピーク分割により得られる(C−Oピーク高さ)/(C−Cピーク高さ)比が0.2以上であることを特徴とする燃料電池用電極触媒。 In an electrode catalyst having a catalyst metal supported on a support,
The (C—O peak height) / (C—C peak height) ratio obtained by peak splitting of the C1s peak obtained by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of the electrode catalyst is 0. 2. An electrode catalyst for a fuel cell, characterized by being 2 or more.
担持体上に触媒金属を担持した後に活性酸素を含有する水溶液で処理することを特徴とする燃料電池用電極触媒の製造方法。 It is a manufacturing method of the electrode catalyst according to claims 1-3,
A process for producing an electrode catalyst for a fuel cell, characterized in that a catalyst metal is supported on a support and then treated with an aqueous solution containing active oxygen.
超純水により洗浄する工程と、を含むことを特徴とする請求項4に記載の電極触媒の製造方法。 Treatment with an aqueous solution containing active oxygen after supporting the catalyst metal on the support;
The method for producing an electrode catalyst according to claim 4, comprising a step of washing with ultrapure water.
分散過程で得られた分散溶液内で酸素生成を行う過程と、
酸素生成過程が完了した後に、ろ過、超純水による触媒洗浄を行う過程と、
を含むことを特徴とする請求項4または5に記載の電極触媒の製造方法。 A process of dispersing an electrocatalyst carrying a catalytic metal on a carrier in an aqueous solution containing active oxygen;
A process of generating oxygen in the dispersion obtained in the dispersion process;
After the oxygen generation process is completed, the process of filtering, cleaning the catalyst with ultrapure water,
The method for producing an electrocatalyst according to claim 4 or 5, characterized by comprising:
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