JP2005317467A - Electrode for fuel cell and mea for fuel cell using the same - Google Patents

Electrode for fuel cell and mea for fuel cell using the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for a fuel cell capable of showing high performance for a long period of time. <P>SOLUTION: In the electrode for a fuel cell including an electrode catalyst composed of conductive carrier carrying catalyst particles and a trap member, the trap member reduces the component of the catalyst particles eluted from the electrode catalyst to make it deposit on the surface of the trap member, thereby solving the problem. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池用電極に関し、より詳細には高い耐久性を有する燃料電池用電極に関する。   The present invention relates to a fuel cell electrode, and more particularly to a fuel cell electrode having high durability.

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。固体高分子型燃料電池は、フィルム状の固体高分子膜からなる電解質膜を用いるのが特徴である。   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. . The solid polymer fuel cell is characterized by using an electrolyte membrane made of a film-like solid polymer membrane.

固体高分子型燃料電池の構成は、一般的には、膜−電極接合体(以下、「MEA」とも記載する。)をセパレータで挟持した構造となっている。また、MEAは、電解質膜が燃料電池用電極により挟持されてなるものである。   The polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which a membrane-electrode assembly (hereinafter also referred to as “MEA”) is sandwiched between separators. The MEA is formed by sandwiching an electrolyte membrane between fuel cell electrodes.

従来の固体高分子型燃料電池では、所望する電圧等を得られるように、MEAをセパレータを介して複数積層して直列に繋いだスタックを形成して用いられている(例えば、特許文献1参照)。当該文献1では、スタック内のセル電圧などの性能表示を比較し、燃料電池の故障や危険を生じるような状態での運転を防止する方法が記載されている。   Conventional polymer electrolyte fuel cells are used by forming a stack in which a plurality of MEAs are stacked in series through a separator so as to obtain a desired voltage or the like (for example, see Patent Document 1). ). The document 1 describes a method for comparing performance indications such as cell voltages in a stack and preventing operation in a state that causes a failure or danger of the fuel cell.

かような固体高分子型燃料電池では、電極触媒により、アノードでは燃料の水素ガスを酸化してプロトンに変え、カソードでは酸素を還元して電解質膜を通ってきたプロトンと結びつき水となる化学反応が起こる。固体高分子型燃料電池は、前記化学反応により得られた反応エネルギーから電気エネルギーを直接得るものである。   In such a polymer electrolyte fuel cell, an electrode catalyst oxidizes the hydrogen gas of the fuel at the anode to convert it to protons, and at the cathode it reduces oxygen and combines it with protons that have passed through the electrolyte membrane to form water and chemical reaction Happens. The polymer electrolyte fuel cell directly obtains electric energy from the reaction energy obtained by the chemical reaction.

電極触媒としては、カソードおよびアノードともに白金または白金合金等の触媒粒子を微細化して、カーボンブラック等の比表面積の大きい担体に担持させた電極触媒が用いられている。
特表平05−502973号公報
As an electrode catalyst, an electrode catalyst is used in which catalyst particles such as platinum or platinum alloy are made fine and supported on a carrier having a large specific surface area such as carbon black for both the cathode and the anode.
Japanese Translation of National Publication No. 05-502973

しかしながら、従来の固体高分子型燃料電池において、燃料電池の運転停止時にエアパージを行うなど、運転条件、起動および停止条件によってカソードが貴電位環境(約0.8V以上)となった場合などにおいて、白金の電気化学的な酸化反応が起こって触媒粒子が溶出するため、触媒量が減少して電池寿命が低下する恐れがあった。   However, in a conventional polymer electrolyte fuel cell, when the cathode becomes a noble potential environment (about 0.8 V or more) due to operating conditions, starting and stopping conditions, such as performing an air purge when the fuel cell is stopped, Since the electrochemical oxidation reaction of platinum occurs and the catalyst particles are eluted, the amount of the catalyst is reduced, which may reduce the battery life.

一方、アノードにおいても、燃料不足が起こった場合などでは、所望の電流密度を保つために燃料の酸化反応に代わって水の電気分解や担体の酸化が発生するとともに、触媒粒子の溶出が起こる恐れがあった。   On the other hand, when fuel shortage occurs in the anode, in order to maintain a desired current density, electrolysis of water and oxidation of the carrier may occur in place of the oxidation reaction of the fuel, and elution of catalyst particles may occur. was there.

固体高分子型燃料電池は、コストとともに電池の寿命が問題となっている。電池の寿命としては、自動車で5000時間、家庭用では4万時間ともいわれ、長期にわたって所望の発電性能を維持することが求められている。   In the polymer electrolyte fuel cell, the life of the battery is a problem as well as the cost. The battery life is said to be 5000 hours for automobiles and 40,000 hours for home use, and it is required to maintain desired power generation performance over a long period of time.

そこで、本発明が目的とするところは、長期に亘り高い性能を示すことができる燃料電池用電極を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell electrode that can exhibit high performance over a long period of time.

本発明者は、上記課題に鑑み鋭意検討した結果、電極触媒から溶出した触媒粒子成分を還元析出させる作用を有するトラップ材を燃料電池用電極に含めることにより、上記課題を解決できることを見出した。   As a result of intensive studies in view of the above problems, the present inventor has found that the above problems can be solved by including in the fuel cell electrode a trap material having an action of reducing and precipitating the catalyst particle component eluted from the electrode catalyst.

すなわち、本発明は、導電性担体に触媒粒子が担持されてなる電極触媒と、トラップ材とを含む燃料電池用電極であって、前記トラップ材は、前記電極触媒から溶出した触媒粒子成分を還元して前記トラップ材表面に析出させるものである燃料電池用電極である。   That is, the present invention provides a fuel cell electrode comprising an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on a conductive support and a trap material, wherein the trap material reduces catalyst particle components eluted from the electrode catalyst. Thus, the fuel cell electrode is deposited on the surface of the trap material.

本発明の燃料電池用電極に含まれるトラップ材によれば、電極反応の進行などとともに溶出した触媒粒子成分を前記トラップ材表面に還元析出させることができる。このようにして析出された触媒粒子は、再度、触媒作用を示すことができる。従って、本発明によれば、触媒粒子の利用率が向上され、長期に亘り高い発電性能を示すことができる燃料電池用電極を提供することができ、これにより燃料電池の性能をより向上させることが可能となる。   According to the trap material included in the fuel cell electrode of the present invention, the catalyst particle component eluted as the electrode reaction proceeds can be reduced and deposited on the surface of the trap material. The catalyst particles thus deposited can again exhibit catalytic action. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a fuel cell electrode capable of improving the utilization rate of catalyst particles and exhibiting high power generation performance over a long period of time, thereby further improving the performance of the fuel cell. Is possible.

本発明の第一は、導電性担体に触媒粒子が担持されてなる電極触媒と、トラップ材とを含む燃料電池用電極であって、前記トラップ材は、前記電極触媒から溶出した触媒粒子成分を還元して前記トラップ材表面に析出させるものである燃料電池用電極である。   The first of the present invention is a fuel cell electrode comprising an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on a conductive carrier and a trap material, wherein the trap material contains catalyst particle components eluted from the electrode catalyst. It is an electrode for a fuel cell that is reduced and deposited on the surface of the trap material.

上述した通り、燃料電池用電極に含まれる電極触媒の触媒粒子は、燃料電池の運転条件、起動および停止条件などに起因して溶出する恐れがある。電極触媒から溶出した触媒粒子成分は電極反応に関与することができない。そのため、触媒粒子の溶出は、燃料電池用電極の性能劣化の原因の一つであった。   As described above, the catalyst particles of the electrode catalyst included in the fuel cell electrode may be eluted due to the operating conditions, starting and stopping conditions of the fuel cell. The catalyst particle component eluted from the electrode catalyst cannot participate in the electrode reaction. Therefore, the elution of catalyst particles is one of the causes of performance deterioration of the fuel cell electrode.

本発明では、溶出した触媒粒子成分を析出させることができるトラップ材を燃料電池用電極に含めることにより、電極の性能劣化を抑制できることを見出した。図1にカーボン担体表面に還元性化合物が吸着されており、イオン交換性高分子で被覆されたトラップ材を例に挙げて説明する。電極触媒において触媒粒子として白金などを用いた場合、電極内では電極反応の進行などとともに白金イオン等の触媒粒子成分の溶出が生じる。図1に示すトラップ材は、還元性化合物により触媒粒子成分を捕捉して還元しやすい状態に表面が改質されているため、溶出した白金イオンを還元して化学的反応により微細な白金粒子としてカーボン表面に再び析出させることができる。また、前記トラップ材は、担体としてカーボン等を用いることにより電子伝導性が得られるだけでなく、イオン交換性高分子で被覆されることによりイオン伝導性をも有する。従って、表面に白金粒子が析出されたトラップ材は、新たな電極触媒として作用することができる。   In this invention, it discovered that the performance deterioration of an electrode could be suppressed by including the trap material which can precipitate the eluted catalyst particle component in the electrode for fuel cells. FIG. 1 illustrates an example of a trap material in which a reducing compound is adsorbed on the surface of a carbon support and is coated with an ion exchange polymer. When platinum or the like is used as catalyst particles in the electrode catalyst, elution of catalyst particle components such as platinum ions occurs in the electrode as the electrode reaction proceeds. Since the surface of the trap material shown in FIG. 1 is modified so that the catalyst particle component is captured and easily reduced by the reducing compound, the eluted platinum ions are reduced to form fine platinum particles by a chemical reaction. It can be deposited again on the carbon surface. The trap material not only has electronic conductivity by using carbon or the like as a carrier, but also has ion conductivity by being coated with an ion-exchange polymer. Therefore, the trap material having platinum particles deposited on the surface can act as a new electrode catalyst.

かようなトラップ材を含むことにより、長期に亘って高い発電性能を示すことができ、耐久性に優れ、かつ、白金などの触媒粒子の利用率が向上した燃料電池用電極が得られるのである。   By including such a trap material, it is possible to obtain a fuel cell electrode that can exhibit high power generation performance over a long period of time, has excellent durability, and has an improved utilization rate of catalyst particles such as platinum. .

以下、本発明の燃料電池用電極について、順を追って詳細に説明する。   Hereinafter, the fuel cell electrode of the present invention will be described in detail in order.

本発明の燃料電池用電極は、導電性担体に触媒粒子が担持されてなる電極触媒と、トラップ材とを含む。   The fuel cell electrode of the present invention includes an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on a conductive carrier, and a trap material.

電極触媒における導電性担体としては、触媒粒子を高分散担持させるために十分な比表面積を有し、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よく、例えば、主成分がカーボンであるのが好ましい。本発明においてカーボンとは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、「実質的に炭素原子からなる」とは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。   As the conductive carrier in the electrode catalyst, any conductive carrier may be used as long as it has a specific surface area sufficient for carrying the catalyst particles in a highly dispersed manner and has sufficient electronic conductivity as a current collector. Is preferably carbon. In the present invention, carbon refers to containing a carbon atom as a main component, and is a concept including both a carbon atom only and a substantially carbon atom. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. Note that “substantially consisting of carbon atoms” means that contamination of about 2 to 3% by mass or less of impurities is allowed.

具体的には、BET比表面積が50m/g以上、好ましくは250〜1,600m/gの導電性カーボンが挙げられる。より具体的には、ケッチェンブラック、ブラックパール、VulcanXC72、およびこれらをグラファイト化処理したものなどが挙げられる。また、前記導電性担体は、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウムなどのアルカリ溶液で、該担体表面の付着物を予め洗浄してもよい。 Specifically, BET specific surface area of 50 m 2 / g or more, and preferably conductive carbon 250~1,600m 2 / g. More specifically, ketjen black, black pearl, Vulcan XC72, and those obtained by graphitizing these may be used. In addition, the conductive carrier may be washed in advance with an alkaline solution such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, or calcium hydroxide.

なお、本発明において前記導電性担体の比表面積は、窒素を用いたBET法により測定した値とする。   In the present invention, the specific surface area of the conductive carrier is a value measured by a BET method using nitrogen.

次に、電極触媒における触媒粒子としては、特に限定されないが、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などが挙げられる。かような触媒粒子は、様々な電気化学反応、例えば酸素還元反応や水素酸化反応など、に対して高い活性を示すため好ましく用いられる。   Next, the catalyst particles in the electrode catalyst are not particularly limited, but platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, etc. And their alloys, and the like. Such catalyst particles are preferably used because they exhibit high activity against various electrochemical reactions such as oxygen reduction reaction and hydrogen oxidation reaction.

前記触媒粒子の粒径は、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得られる触媒活性も高くなる。しかしながら、実際には触媒粒子径が小さくなりすぎるとシンタリングなどを招き易く、むしろ触媒活性が低下する現象が見られる。そのため、導電性担体に担持される触媒粒子の平均粒径は好ましくは1〜30nm、より好ましくは1〜10nm、特に好ましくは2〜5nmであるのがよい。ここで「触媒粒子の平均粒径」とはX線回折における触媒粒子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粒子の粒子径の平均値を示す。   The smaller the particle size of the catalyst particles, the higher the catalytic activity obtained because the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds increases. However, in practice, if the catalyst particle diameter is too small, sintering or the like is likely to occur, and rather a phenomenon in which the catalytic activity decreases is observed. Therefore, the average particle diameter of the catalyst particles supported on the conductive support is preferably 1 to 30 nm, more preferably 1 to 10 nm, and particularly preferably 2 to 5 nm. Here, the “average particle diameter of the catalyst particles” refers to the average value of the particle diameter of the catalyst particles determined from the crystallite diameter or the transmission electron microscope image obtained from the half width of the diffraction peak of the catalyst particles in X-ray diffraction.

導電性担体への触媒粒子の担持は公知の方法で行うことができる。導電性担体における触媒粒子の担持量は、特に限定されないが、15〜70質量%程度とするのがよい。15質量%未満では充分な活性が得られない場合がある。また、70質量%を超えると均一に分散し難く、触媒粒子の高分散坦持が困難となる場合がある。触媒粒子の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって調べることができる。   The catalyst particles can be supported on the conductive support by a known method. The amount of catalyst particles supported on the conductive carrier is not particularly limited, but is preferably about 15 to 70% by mass. If it is less than 15% by mass, sufficient activity may not be obtained. Moreover, when it exceeds 70 mass%, it is difficult to disperse | distribute uniformly and it may become difficult to carry | support highly dispersed catalyst particles. The amount of catalyst particles supported can be examined by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).

本発明の電極において、前記電極触媒は、イオン交換性高分子で被覆されているのが好ましい。イオン交換性高分子がバインダーポリマーとして作用することにより、電極の構造を安定に維持できるとともに、電極反応が進行する反応サイト(三相界面)を十分に確保して高い触媒活性を得ることができる。   In the electrode of the present invention, the electrode catalyst is preferably coated with an ion exchange polymer. When the ion-exchange polymer acts as a binder polymer, the structure of the electrode can be maintained stably, and a high catalytic activity can be obtained by sufficiently securing the reaction site (three-phase interface) where the electrode reaction proceeds. .

前記イオン交換性高分子としては、特に限定されず公知のものを用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であればよい。具体的には、NAFION(デュポン社登録商標)などのスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体、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、一部がプロトン伝導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プロトン伝導体、などが挙げられる。   The ion-exchange polymer is not particularly limited and a known one can be used, but any member having at least high proton conductivity may be used. Specifically, a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group such as NAFION (registered trademark of DuPont), a hydrocarbon polymer compound doped with an inorganic acid such as phosphoric acid, a part of which is proton conductive. Examples thereof include organic / inorganic hybrid polymers substituted with functional groups, proton conductors in which a polymer matrix is impregnated with a phosphoric acid solution or a sulfuric acid solution, and the like.

次に、本発明の燃料電池用電極に用いられるトラップ材は、電極触媒から溶出した触媒粒子成分を還元して前記トラップ材表面に析出させることができる機能を有するものである。また、燃料電池用電極の機能を低下させることなく触媒粒子の析出を行うためには、前記トラップ材は電子伝導性及びイオン伝導性を有するのが好ましい。   Next, the trap material used for the fuel cell electrode of the present invention has a function of reducing the catalyst particle component eluted from the electrode catalyst and precipitating it on the surface of the trap material. In order to deposit catalyst particles without deteriorating the function of the fuel cell electrode, the trap material preferably has electron conductivity and ion conductivity.

前記トラップ材として具体的には、担体表面に還元性の表面官能基を有し、イオン交換性高分子で被覆されたトラップ材(1)、担体表面に還元性化合物を有し、イオン交換性高分子で被覆されたトラップ材(2)、イオン交換性高分子で被覆されてなる水素吸蔵性を有する材料からなるトラップ材(3)などが挙げられる。   Specifically, the trap material has a reducing surface functional group on the carrier surface and is coated with an ion exchange polymer (1), and has a reducing compound on the carrier surface, and has an ion exchange property. Examples thereof include a trap material (2) coated with a polymer, a trap material (3) made of a material having a hydrogen storage property and coated with an ion-exchange polymer.

トラップ材(1)において、前記表面官能基としては、還元性を有しており、溶出した触媒粒子成分を還元析出することが可能であれば特に限定されない。例えば、カルボキシル基(−COOH)、フェノール基(−OH)、ケトン基(>C=O)等が挙げられる。かような表面官能基は、触媒粒子成分の捕捉能および還元能が高いため、還元析出した触媒粒子を微粒子状態で担体表面に固定することができる。なかでも、カルボキシル基には、末端に容易に解離する水素イオン(H)が存在し、触媒粒子成分の還元性能が高いため、好ましく用いられる。 In the trap material (1), the surface functional group is not particularly limited as long as it has reducibility and is capable of reducing and depositing the eluted catalyst particle component. Examples thereof include a carboxyl group (—COOH), a phenol group (—OH), and a ketone group (> C═O). Such a surface functional group has a high ability to capture and reduce the catalyst particle component, so that the catalyst particles that have been reduced and deposited can be fixed on the support surface in a fine particle state. Among them, the carboxyl group is preferably used because a hydrogen ion (H + ) that easily dissociates at the terminal exists and the reduction performance of the catalyst particle component is high.

前記担体としては、カーボンブラック、アセチレンブラック、ファーネスブラック、活性炭、無定形炭素等の炭素単体から成るカーボン担体などが挙げられる。これらの他に、カーボンナノチューブ、フラーレン、カーボンナノファイバー、グラファイト等のカーボン担体であってもよい。これらのカーボンを担体として用いることにより、表面官能基を担体表面に導入することができるだけでなく、得られるトラップ材(1)に電子伝導性を付与することができる。   Examples of the carrier include carbon carriers composed of simple carbon such as carbon black, acetylene black, furnace black, activated carbon, and amorphous carbon. In addition to these, carbon supports such as carbon nanotubes, fullerenes, carbon nanofibers, and graphite may be used. By using these carbons as a carrier, not only can a surface functional group be introduced to the carrier surface, but also electron conductivity can be imparted to the resulting trapping material (1).

前記担体として具体的に列挙したもののうち、カーボンブラックなどの球状の担体を用いる場合には、BET比表面積が50m/g以上、好ましくは250〜1,600m/gのものを用いるのがよい。比表面積を上記範囲とすることにより、還元析出された触媒粒子を高分散担持させることが可能となり、トラップ材(1)が電極触媒として好適に作用することができる。 Among those specifically recited as the carrier, in the case of using a spherical carrier, such as carbon black, BET specific surface area of 50 m 2 / g or more, preferably to use one of 250~1,600m 2 / g Good. By setting the specific surface area within the above range, it is possible to carry highly reduced and supported catalyst particles in a highly dispersed manner, and the trap material (1) can preferably act as an electrode catalyst.

さらに、カーボンナノチューブなどの繊維状の担体を用いる場合には、内径が100nm以下、特に50〜5nmであり、長さが300〜2000nm、特に500〜1000nmのものを用いるのが好ましい。内径および長さを前記範囲内とすることにより、触媒粒子を担体表面に担持させることができ、トラップ材(1)が電極触媒として好適に作用することができる。   Further, when a fibrous carrier such as carbon nanotube is used, it is preferable to use one having an inner diameter of 100 nm or less, particularly 50 to 5 nm, and a length of 300 to 2000 nm, particularly 500 to 1000 nm. By setting the inner diameter and length within the above ranges, the catalyst particles can be supported on the surface of the carrier, and the trap material (1) can preferably act as an electrode catalyst.

前記表面官能基を担体表面に導入する方法としては、特に限定されず、担体表面を酸化処理する公知の各種技術を用いればよい。酸化処理は、例えば、過マンガン酸カリウム、硝酸、塩素酸塩、過硫酸塩、過硼酸塩、過炭酸塩、過酸化水素などを含む強酸化性水溶液による液相法;オゾン、窒素酸化物、空気、酸素などによる気相法;低温プラズマによる方法などが挙げられる。なかでも、カーボン表面を均一に酸化し、かつ、表面官能基として好適に用いられるカルボキシル基を多く導入できることから、液相法による酸化処理を用いることが好ましい。   The method for introducing the surface functional group onto the support surface is not particularly limited, and various known techniques for oxidizing the support surface may be used. For example, the oxidation treatment is a liquid phase method using a strong oxidizing aqueous solution containing potassium permanganate, nitric acid, chlorate, persulfate, perborate, percarbonate, hydrogen peroxide, etc .; ozone, nitrogen oxide, Examples include a gas phase method using air, oxygen, etc .; a method using low temperature plasma. Among these, it is preferable to use an oxidation treatment by a liquid phase method because the carbon surface can be uniformly oxidized and a large number of carboxyl groups suitably used as surface functional groups can be introduced.

液相法による酸化処理として、具体的には、前記強酸化性水溶液にカーボンなどの前記担体を入れて攪拌混合することにより行われる。   Specifically, the oxidation treatment by the liquid phase method is performed by putting the carrier such as carbon into the strong oxidizing aqueous solution and stirring and mixing.

前記強酸化性水溶液に前記担体を添加した後は、ホモジナイザー、超音波分散装置等の適当な分散手段により溶液中に担体を十分に分散させてもよく、これらの分散手段は適宜組み合わせてもよい。   After the carrier is added to the strong oxidizing aqueous solution, the carrier may be sufficiently dispersed in the solution by an appropriate dispersing means such as a homogenizer or an ultrasonic dispersing device, and these dispersing means may be appropriately combined. .

次に、前記強酸化性水溶液により表面が酸化処理された前記担体を、吸引瀘過などの瀘別手段などの公知の手段を用いて、濾取し、乾燥することにより、前記表面官能基が導入された担体を得ることができる。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、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、使用する方法に応じて適宜決定すればよい。また、前記担体が、バルク形態の場合には、適当に粉砕していてもよい。   Next, the carrier whose surface has been oxidized with the strong oxidizing aqueous solution is filtered and dried using a known means such as a separating means such as suction filtration, whereby the surface functional groups are obtained. An introduced carrier can be obtained. The drying method is not particularly limited as long as it is a known method such as vacuum drying, natural drying, rotary evaporator, drying by a blower dryer or the like. What is necessary is just to determine drying time etc. suitably according to the method to be used. Moreover, when the said support | carrier is a bulk form, you may grind | pulverize appropriately.

担体表面に導入される表面官能基の量としては、得られる電極が所望する特性を示すように適宜決定すればよいが、カーボン担体の一次粒子に対して、1〜10個、好ましくは3〜5個程度とするのが好ましい。表面官能基の量が1個未満であると期待するほどの効果が得られない恐れがあり、10個を超えるとカーボン担体と水との親和性が大きく変わってしまう恐れがある。これらは、強酸化性水溶液の濃度、担体の添加量、処理温度、処理時間などを適宜調整することにより制御することができる。   The amount of the surface functional group introduced on the surface of the carrier may be appropriately determined so that the obtained electrode exhibits desired characteristics, but 1 to 10, preferably 3 to the primary particles of the carbon carrier. The number is preferably about 5. If the amount of the surface functional group is less than 1, the effect as expected may not be obtained, and if it exceeds 10, the affinity between the carbon support and water may be greatly changed. These can be controlled by appropriately adjusting the concentration of the strong oxidizing aqueous solution, the added amount of the carrier, the treatment temperature, the treatment time, and the like.

本発明において、担体表面に導入された表面官能基を定量分析するには、昇温脱離スペクトル装置(TPD)を用いて行うものとする。   In the present invention, the surface functional group introduced on the surface of the carrier is quantitatively analyzed using a temperature programmed desorption spectrum apparatus (TPD).

表面官能基が導入された担体の表面はイオン交換性高分子で被覆されているのが好ましい。これにより、トラップ材にイオン伝導性を付与できるだけでなく、得られる電極の構造を安定して保つことができる。   The surface of the carrier into which the surface functional group has been introduced is preferably coated with an ion exchange polymer. Thereby, not only can ion conductivity be imparted to the trap material, but the structure of the obtained electrode can be stably maintained.

前記イオン交換性高分子としては、上述の電極触媒において説明したのと同様であるためここではその説明を省略する。前記担体の表面をイオン交換性高分子で被覆するには、表面官能基が導入された担体を、イオン交換性高分子を含む溶液に混合することにより行われる。   The ion-exchange polymer is the same as that described in the above-mentioned electrode catalyst, and the description thereof is omitted here. The surface of the carrier is coated with an ion exchange polymer by mixing the carrier having a surface functional group introduced into a solution containing the ion exchange polymer.

イオン交換性高分子を含む溶液としては、特に限定されず、従来から電極の作製にもちいられているものが挙げられる。具体的には、上述した電極触媒において説明したイオン交換性高分子などを、水やアルコール系有機溶媒などの溶媒中に混合分散させたものである。   The solution containing the ion exchange polymer is not particularly limited, and examples thereof include those conventionally used for producing electrodes. Specifically, the ion-exchangeable polymer described in the above electrode catalyst is mixed and dispersed in a solvent such as water or an alcohol-based organic solvent.

このように分散混合させた後は、前記担体を濾取し、乾燥することによりイオン交換性高分子で被覆されてなるトラップ材を得ることができる。濾取および乾燥方法としては、特に限定されず公知の方法を用いて行えばよい。得られるトラップ材がバルク形態の場合には、適宜粉砕するとよい。なお、前記トラップ材は、表面の全てがイオン交換性高分子で被覆されてなくともよく、表面の少なくとも一部がイオン交換性高分子で被覆されていればよい。   After dispersing and mixing in this manner, the trap material coated with the ion-exchange polymer can be obtained by filtering the carrier and drying it. The filtration and drying methods are not particularly limited and may be performed using known methods. When the obtained trap material is in a bulk form, it may be pulverized as appropriate. Note that the entire surface of the trap material may not be covered with the ion-exchange polymer, and it is sufficient that at least a part of the surface is covered with the ion-exchange polymer.

次に、トラップ材(2)によっても、電極触媒から溶出した触媒粒子成分を還元してトラップ材表面に触媒粒子を析出させることができる。前記トラップ材(2)では、吸着力の高い担体を利用して、上記した表面官能基よりも高い還元性を有する還元性化合物を担体表面に吸着させる。前記還元性化合物よって、溶出した触媒粒子成分の捕捉能および還元能がより高いトラップ材(2)を得ることが可能となる。   Next, also with the trap material (2), the catalyst particle component eluted from the electrode catalyst can be reduced to deposit catalyst particles on the surface of the trap material. In the trap material (2), a reductive compound having a reducibility higher than the above-described surface functional group is adsorbed on the surface of the support by using a support having a high adsorbing power. With the reducing compound, it is possible to obtain a trap material (2) having higher ability to capture and reduce the eluted catalyst particle component.

前記担体表面に吸着させる還元性化合物としては、還元性を有しており、溶出した触媒粒子成分を還元析出することが可能であれば特に限定されないが、例えば、次亜リン酸ナトリウム、亜硫酸ナトリウム、チオ硫酸ナトリウム、シュウ酸などが挙げられる。これらの還元性化合物は、触媒粒子成分の還元析出が容易に起こり易い。そのため、触媒粒子成分の捕集効率が高く、還元析出した触媒粒子を微粒子状態で担体表面に固定することができる。   The reducing compound adsorbed on the surface of the carrier is not particularly limited as long as it has reducibility and is capable of reducing and depositing the eluted catalyst particle component. For example, sodium hypophosphite, sodium sulfite , Sodium thiosulfate, oxalic acid and the like. In these reducing compounds, reduction precipitation of the catalyst particle component easily occurs. Therefore, the collection efficiency of the catalyst particle component is high, and the catalyst particles that are reduced and precipitated can be fixed on the support surface in a fine particle state.

前記担体としては、カーボンブラック、アセチレンブラック、ファーネスブラック、活性炭、無定形炭素等の炭素単体から成るカーボン担体、カーボンナノチューブ、フラーレン、カーボンナノファイバー、グラファイト等のカーボン担体が挙げられる。なかでも、表面積と導電性の点からカーボンブラックが好ましく用いられる。これらの他に、酸化タングステン、酸化スズ、酸化セリウム等の導電性金属酸化物;タングステンカーバイド、タンタルカーバイド、シリコンカーバイド等の炭化物;チタニウムナイトライド、タンタルナイトライド等の窒化物などを前記担体として用いることができる。   Examples of the carrier include carbon carriers made of simple carbon such as carbon black, acetylene black, furnace black, activated carbon, and amorphous carbon, and carbon carriers such as carbon nanotubes, fullerenes, carbon nanofibers, and graphite. Of these, carbon black is preferably used in terms of surface area and conductivity. In addition to these, conductive metal oxides such as tungsten oxide, tin oxide and cerium oxide; carbides such as tungsten carbide, tantalum carbide and silicon carbide; nitrides such as titanium nitride and tantalum nitride are used as the carrier. be able to.

前記担体として具体的に列挙したもののうち、カーボンブラックなどの球状の担体を用いる場合には、BET比表面積が50m/g以上、好ましくは250〜1,600m/gのものを用いるのがよい。比表面積を上記範囲とすることにより、還元析出された触媒粒子を高分散担持させることが可能となり、トラップ材(2)が電極触媒として好適に作用することができる。 Among those specifically recited as the carrier, in the case of using a spherical carrier, such as carbon black, BET specific surface area of 50 m 2 / g or more, preferably to use one of 250~1,600m 2 / g Good. By setting the specific surface area within the above range, it is possible to carry the reduced-deposited catalyst particles in a highly dispersed manner, and the trap material (2) can preferably act as an electrode catalyst.

さらに、カーボンナノチューブなどの繊維状の担体を用いる場合には、内径が100nm以下、特に50〜5nmであり、長さが300〜2000nm、特に500〜1000nmのものを用いるのが好ましい。内径および長さを前記範囲内とすることにより、触媒粒子を担体表面に担持させることができ、トラップ材(2)が電極触媒として好適に作用することができる。   Further, when a fibrous carrier such as carbon nanotube is used, it is preferable to use one having an inner diameter of 100 nm or less, particularly 50 to 5 nm, and a length of 300 to 2000 nm, particularly 500 to 1000 nm. By setting the inner diameter and length within the above ranges, the catalyst particles can be supported on the surface of the carrier, and the trap material (2) can preferably act as an electrode catalyst.

前記還元性化合物を担体表面に導入する方法としては特に限定されないが、例えば、前記還元性化合物を含む溶液に担体を添加して攪拌混合することにより、担体表面に前記溶液を含浸させる方法などが挙げられる。   The method for introducing the reducing compound onto the surface of the carrier is not particularly limited. For example, there is a method of impregnating the solution on the surface of the carrier by adding the carrier to the solution containing the reducing compound and stirring and mixing. Can be mentioned.

前記還元性化合物を含む溶液として、具体的には、前記還元性化合物を、水、アルコール、またはこれらの混合物に溶かしたものなどが挙げられる。   Specific examples of the solution containing the reducing compound include those obtained by dissolving the reducing compound in water, alcohol, or a mixture thereof.

前記還元性化合物を含む溶液に担体を添加した後は、上述したトラップ材(1)と同様にして、適当な分散手段などを用いて攪拌混合させ、前記溶液が含浸された担体を濾過、乾燥させればよい。   After the carrier is added to the solution containing the reducing compound, the carrier impregnated with the solution is filtered and dried in the same manner as the trapping material (1) described above by stirring and mixing using an appropriate dispersing means. You can do it.

担体表面に導入される還元性化合物の量としては、得られる電極が所望する特性を示すように適宜決定すればよいが、担体に対して、5〜30wt%、好ましくは10〜20wt%程度とするのが好ましい。還元性化合物の量が5wt%を未満であると期待するほどの効果が得られない恐れがあり、30wt%を超えると電極反応を阻害する恐れがある。これらは、前記溶液における還元性化合物の濃度、担体の添加量、処理温度、処理時間などを適宜調整することにより制御することができる。   The amount of the reducing compound introduced to the surface of the carrier may be appropriately determined so that the obtained electrode exhibits the desired characteristics, but is 5 to 30 wt%, preferably about 10 to 20 wt% with respect to the carrier. It is preferable to do this. If the amount of the reducing compound is less than 5 wt%, the effect as expected may not be obtained, and if it exceeds 30 wt%, the electrode reaction may be inhibited. These can be controlled by appropriately adjusting the concentration of the reducing compound in the solution, the amount of carrier added, the treatment temperature, the treatment time, and the like.

本発明において、担体表面に導入された還元性化合物を定量分析するには、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)を用いて行うものとする。   In the present invention, quantitative analysis of the reducing compound introduced on the surface of the carrier is performed using inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).

また、トラップ材(2)表面を被覆するイオン交換性高分子および被覆方法などついては、上述したトラップ材(1)においてした説明と同様であるためここでは詳細な説明を省略する。   Further, since the ion-exchangeable polymer and the coating method for coating the surface of the trap material (2) are the same as those described for the trap material (1) described above, detailed description thereof is omitted here.

次に、トラップ材(3)によっても、電極触媒から溶出した触媒粒子成分を還元してトラップ材(3)表面に触媒粒子を析出させることができる。   Next, also with the trap material (3), the catalyst particle component eluted from the electrode catalyst can be reduced to deposit catalyst particles on the surface of the trap material (3).

水素は、還元性を有するため、触媒粒子を還元析出することができる。また、燃料電池の運転時では、燃料ガスとして水素ガスが供給される。従って、水素吸蔵性を有する材料をトラップ材に用いれば、供給された水素ガスをトラップ材(3)に吸蔵することができ、これにより溶出した触媒粒子成分を捕捉して微粒子状の触媒粒子としてトラップ材(3)表面に還元析出させることができる。   Since hydrogen has reducibility, the catalyst particles can be reduced and deposited. Further, during operation of the fuel cell, hydrogen gas is supplied as the fuel gas. Therefore, if a material having hydrogen storage properties is used for the trap material, the supplied hydrogen gas can be stored in the trap material (3), and the catalyst particle components eluted thereby can be captured as fine catalyst particles. Reduction and precipitation can be performed on the surface of the trap material (3).

燃料電池において、アノード側から水素ガスが供給され、カソード側から酸素含有ガスが供給されるが、これらのガスは固体高分子電解質膜を透過する特性すなわちクロスオーバー現象を示す。特に、固体高分子電化質膜は湿潤されているため水素ガスの透過量が多くなり、アノード側から透過してきた水素ガスがカソードで反応し、効率低下を引き起こす恐れがある。   In a fuel cell, hydrogen gas is supplied from the anode side and oxygen-containing gas is supplied from the cathode side, and these gases exhibit a characteristic of permeating the solid polymer electrolyte membrane, that is, a crossover phenomenon. In particular, since the polymer electrolyte membrane is wet, the amount of hydrogen gas permeated increases, and the hydrogen gas that has permeated from the anode side may react at the cathode, causing a reduction in efficiency.

しかしながら、水素吸蔵性を有する材料からなるトラップ材(3)をカソードに用いることで、アノードから透過してきた水素を吸蔵することができ、かようなクロスオーバー現象による電極触媒の劣化を防止することもできる。   However, by using the trap material (3) made of a material having a hydrogen storage property for the cathode, it is possible to store the hydrogen that has permeated from the anode, and to prevent deterioration of the electrode catalyst due to such a crossover phenomenon. You can also.

水素吸蔵性を有する材料として、具体的には、カーボンナノチューブ、フラーレン、カーボンナノファイバーなどのカーボン材料;LaNiに代表されるAB型合金;Ti−Mn系、Ti−Cr系、Zr−Mn系のAB型合金などが挙げられる。かような材料は、水素吸蔵性を有するだけでなく、電子伝導性も有するため好ましく用いられる。 Specifically, as materials having hydrogen storage properties, carbon materials such as carbon nanotubes, fullerenes, and carbon nanofibers; AB 5 type alloys represented by LaNi 5 ; Ti—Mn series, Ti—Cr series, Zr—Mn And AB 2 type alloys of the system. Such a material is preferably used because it has not only hydrogen storage properties but also electron conductivity.

水素吸蔵性を有する前記材料として具体的に列挙したもののうち、AB型合金などの球状のものを用いる場合には、BET比表面積が50m/g以上、好ましくは250〜1,600m/gのものを用いるのがよい。比表面積を上記範囲とすることにより、還元析出された触媒粒子を高分散担持させることが可能となり、トラップ材(3)が電極触媒として好適に作用することができる。 Among the materials specifically listed as the materials having hydrogen storage properties, when a spherical material such as an AB type 5 alloy is used, the BET specific surface area is 50 m 2 / g or more, preferably 250 to 1,600 m 2 / It is good to use the thing of g. By setting the specific surface area within the above range, it is possible to carry the reduced-deposited catalyst particles in a highly dispersed manner, and the trap material (3) can preferably act as an electrode catalyst.

さらに、カーボンナノチューブなどの繊維状のものを用いる場合には、内径が100nm以下、特に50〜5nmであり、長さが300〜2000nm、特に500〜1000nmのものを用いるのが好ましい。内径および長さを前記範囲内とすることにより、触媒粒子を表面に担持させることができ、トラップ材(3)が電極触媒として好適に作用することができる。   Furthermore, when using fibrous things, such as a carbon nanotube, it is preferable to use a thing with an internal diameter of 100 nm or less, especially 50-5 nm, and length 300-2000 nm, especially 500-1000 nm. By setting the inner diameter and length within the above ranges, the catalyst particles can be supported on the surface, and the trap material (3) can preferably act as an electrode catalyst.

水素吸蔵性を有する前記材料は、イオン交換性高分子で被覆することによりトラップ材として好適に用いられる。前記材料を被覆するイオン交換性高分子および被覆方法などは、上述したトラップ材(1)においてした説明と同様であるためここでは詳細な説明を省略する。   The material having hydrogen storage properties is suitably used as a trap material by coating with an ion-exchange polymer. Since the ion-exchangeable polymer and the coating method for coating the material are the same as those described in the trap material (1) described above, detailed description thereof is omitted here.

なお、本発明において、トラップ材(1)および(2)に用いられる担体、およびトラップ材(3)に用いられる水素吸蔵性を有する材料の比表面積は、窒素を用いたBET法により測定した値とする。   In the present invention, the specific surface area of the carrier used for the trap materials (1) and (2) and the hydrogen storage material used for the trap material (3) is a value measured by the BET method using nitrogen. And

本発明の燃料電池用電極において、トラップ材の大きさと、電極触媒の大きさとは、得られる電極の空隙率、密度、ガス拡散性などを考慮すると同程度とするのが好ましい。これにより、得られるトラップ材を電極構造に影響を与えることなく電極内に含めることができる。   In the fuel cell electrode of the present invention, it is preferable that the size of the trap material and the size of the electrode catalyst are approximately the same considering the porosity, density, gas diffusibility, and the like of the obtained electrode. Thereby, the obtained trap material can be included in the electrode without affecting the electrode structure.

また、燃料電池用電極におけるトラップ材の含有量は、電極触媒に対して5〜20wt%、好ましくは5〜15wt%とするのがよい。前記含有量が5wt%未満であるとトラップ材により所望するほど効果が得られない恐れがあり、20wt%を超えると電極触媒量などが低下して電極の性能が低下する恐れがある。   The content of the trap material in the fuel cell electrode is 5 to 20 wt%, preferably 5 to 15 wt% with respect to the electrode catalyst. If the content is less than 5 wt%, the trap material may not be as effective as desired, and if it exceeds 20 wt%, the amount of the electrode catalyst may decrease and the electrode performance may decrease.

本発明の燃料電池用電極は、導電性担体に触媒粒子が高分散担持されてなる電極触媒が高分散された電極触媒層を有し、上述したトラップ材を含有する形態としては特に限定されない。例えば、前記電極触媒層に前記トラップ材が分散混合されていている形態が挙げられる。   The electrode for a fuel cell of the present invention has an electrode catalyst layer in which an electrode catalyst in which catalyst particles are highly dispersed and supported on a conductive carrier is highly dispersed, and the form containing the trap material described above is not particularly limited. For example, the trap material may be dispersed and mixed in the electrode catalyst layer.

かような形態を有する燃料電池用電極を図2を用いて説明する。図2は、固体高分子電解質膜が、導電性担体に触媒粒子が担持されてなる電極触媒が分散された電極触媒層からなる従来の燃料電池用電極と、トラップ材および前記電極触媒が混合された電極触媒層を有する本発明の燃料電池用電極と、で挟持されてなる燃料電池用MEAの模式断面図である。各電極触媒層に含まれる電極触媒およびトラップ材は、イオン交換性高分子で被覆されている。   The fuel cell electrode having such a configuration will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows a solid polymer electrolyte membrane in which a conventional fuel cell electrode composed of an electrode catalyst layer in which an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on a conductive carrier are dispersed, a trap material and the electrode catalyst are mixed. 1 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell MEA sandwiched between the electrode for a fuel cell of the present invention having an electrode catalyst layer. The electrode catalyst and trap material contained in each electrode catalyst layer are coated with an ion-exchange polymer.

図2に示される本発明の燃料電池用電極は、電極触媒から溶出した触媒粒子成分をトラップ材表面に還元析出させることができるとともに、このようにして析出された微粒子状の触媒粒子を表面に有する前記トラップ材は電極触媒としての作用を示すことができるため、触媒粒子の利用率および耐久性に優れる。さらに、前記トラップ材は、イオン交換性高分子でコーティングされているため、燃料電池用電極のイオン伝導性が向上し、発電性能が高い燃料電池用電極が得られる。   The fuel cell electrode of the present invention shown in FIG. 2 can reduce and deposit catalyst particle components eluted from the electrode catalyst on the surface of the trap material, and the finely divided catalyst particles thus deposited on the surface. Since the trap material having the above can exhibit an action as an electrode catalyst, it is excellent in the utilization rate and durability of the catalyst particles. Furthermore, since the trap material is coated with an ion-exchange polymer, the ion conductivity of the fuel cell electrode is improved, and a fuel cell electrode with high power generation performance is obtained.

かような燃料電池用電極の作製方法としては、従来の電極の作製方法において一般的に用いられていた触媒インクに、さらにトラップ材を混合することにより行われる。すなわち、電極触媒、イオン交換性高分子、水および/または有機溶媒を含む触媒インクに、トラップ材を混合し、得られた混合液をテフロン(登録商標)シートなどの離型シート上に塗布・乾燥することにより、図2に示す電極触媒層を有する本発明の燃料電池用電極が得られる。   Such a fuel cell electrode is produced by further mixing a trapping material with the catalyst ink generally used in the conventional electrode production method. That is, a trap material is mixed with a catalyst ink containing an electrode catalyst, an ion-exchange polymer, water and / or an organic solvent, and the obtained mixed solution is applied onto a release sheet such as a Teflon (registered trademark) sheet. By drying, the fuel cell electrode of the present invention having the electrode catalyst layer shown in FIG. 2 is obtained.

前記触媒インクに混合するトラップ材は、イオン交換性高分子で予め被覆されていないものを添加してもよい。すなわち、触媒インクに担体表面に還元性の表面官能基を有するものを混合した混合液を用いれば、電極触媒層を形成するとともにイオン交換性高分子で被覆されたトラップ材(1)を得ることができる。これは、担体表面に還元性の還元性化合物を有するもの、水素吸蔵性を有する材料についても同様にして行えば、電極触媒層の形成とともにトラップ材(2)およびトラップ材(3)を得ることができる。   The trap material mixed with the catalyst ink may be added with a material not previously coated with an ion exchange polymer. That is, by using a mixed solution in which a catalyst ink is mixed with a carrier surface having a reducing surface functional group, an electrode catalyst layer is formed and a trap material (1) coated with an ion-exchange polymer is obtained. Can do. If this is carried out in the same manner for a material having a reducing compound on the support surface and a material having hydrogen storage properties, the trap material (2) and the trap material (3) can be obtained together with the formation of the electrode catalyst layer. Can do.

しかしながら、被覆状態を制御することができるため、イオン交換性高分子で予め被覆されたトラップ材を触媒インクに混合するのが好ましい。   However, since the coating state can be controlled, it is preferable to mix the trap material previously coated with the ion-exchange polymer with the catalyst ink.

また、触媒インクには、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体といった撥水性高分子などが含まれてもよい。これにより、得られる電極触媒層の撥水性を高めることができ、発電時に生成した水などを速やかに排出することができる。   Further, the catalyst ink may contain a water-repellent polymer such as polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer. Thereby, the water repellency of the obtained electrode catalyst layer can be increased, and water generated at the time of power generation can be quickly discharged.

触媒インクとトラップ材の混合液を離型シート上に塗布および乾燥させるには、特に限定されず公知の各種技術を適宜用いて、所望の電極触媒層が得られるように行えばよい。   In order to apply and dry the mixed liquid of the catalyst ink and the trap material on the release sheet, it is not particularly limited, and any known technique may be used as appropriate to obtain a desired electrode catalyst layer.

触媒インクを塗布する基材として、離型シートの他に、本発明の燃料電池用電極を後述するMEAなどに用いる場合には触媒インクを固体高分子電解質膜やガス拡散層などに直接塗布してもよい。   In addition to the release sheet, the catalyst ink is directly applied to a solid polymer electrolyte membrane, a gas diffusion layer or the like when the fuel cell electrode of the present invention is used for an MEA described later as a substrate on which the catalyst ink is applied. May be.

本発明の燃料電池用電極は、図2に示す電極触媒層中にトラップ材を混合する形態の他、電極触媒層の少なくとも片面にトラップ材を含む層が形成された形態であってもよい。かような形態によっても、燃料電池用電極内にトラップ材を含有させることができる。前記形態を有する燃料電池用電極を図3および4を用いて説明する。   The electrode for a fuel cell of the present invention may have a form in which a layer containing a trap material is formed on at least one surface of the electrode catalyst layer in addition to a form in which a trap material is mixed in the electrode catalyst layer shown in FIG. Even in such a form, the trap material can be contained in the fuel cell electrode. The fuel cell electrode having the above configuration will be described with reference to FIGS.

図3は、固体高分子電解質膜を、導電性担体に触媒粒子が担持されてなる電極触媒が分散された電極触媒層からなる従来の燃料電池用電極と、前記電極触媒が分散された電極触媒層およびその片面にトラップ材を含む層を有する本発明の燃料電池用電極と、で挟持されてなる燃料電池用MEAの模式断面図である。各電極触媒層に含まれる電極触媒およびトラップ材は、イオン交換性高分子で被覆されている。   FIG. 3 shows a conventional fuel cell electrode comprising a solid polymer electrolyte membrane, an electrode catalyst layer in which an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on a conductive carrier is dispersed, and an electrode catalyst in which the electrode catalyst is dispersed. 1 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell MEA sandwiched between a layer and a fuel cell electrode of the present invention having a layer containing a trap material on one side thereof. The electrode catalyst and trap material contained in each electrode catalyst layer are coated with an ion-exchangeable polymer.

図3に示す本発明の燃料電池用電極のように、電極触媒層の片面にトラップ材を含む層を形成することによっても、電極触媒から溶出した触媒粒子成分をトラップ材表面に還元析出することができる。触媒粒子が微粒子状に再度析出された前記トラップ材を含む層が新たな電極触媒層としての作用を示すことができるため、触媒粒子の利用率および耐久性に優れた燃料電池用電極が得られる。   As in the fuel cell electrode of the present invention shown in FIG. 3, the catalyst particle component eluted from the electrode catalyst can be reduced and deposited on the surface of the trap material by forming a layer containing the trap material on one surface of the electrode catalyst layer. Can do. Since the layer containing the trapping material in which the catalyst particles are precipitated again in the form of fine particles can act as a new electrode catalyst layer, a fuel cell electrode excellent in the utilization rate and durability of the catalyst particles can be obtained. .

前記燃料電池用電極を用いて、燃料電池用MEAを形成する際には、前記トラップ材を含む層を固体高分子電解質膜側に配置するのが好ましい。これにより、触媒粒子成分が固体高分子電解質膜へ拡散するのを防止することができ、燃料電池用MEAの発電特性の向上も図れる。また、溶出した触媒粒子成分は電極反応により生成した水などとともにガス拡散層側へ拡散する恐れもある。従って、前記トラップ材を含む層を電極触媒層のガス拡散層側へ配置するのも、好ましい一実施形態である。   When forming the fuel cell MEA using the fuel cell electrode, it is preferable to dispose the layer containing the trap material on the solid polymer electrolyte membrane side. As a result, the catalyst particle component can be prevented from diffusing into the solid polymer electrolyte membrane, and the power generation characteristics of the fuel cell MEA can be improved. Further, the eluted catalyst particle component may diffuse to the gas diffusion layer side together with water generated by the electrode reaction. Therefore, it is also a preferable embodiment to arrange the layer containing the trap material on the gas diffusion layer side of the electrode catalyst layer.

また、図4に示すように、溶出した触媒粒子成分が固体高分子電解質膜およびガス拡散層へ拡散するのを防止するために、電極触媒層の両面にトラップ材を含む層を配置してもよい。   Further, as shown in FIG. 4, in order to prevent the eluted catalyst particle component from diffusing into the solid polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer, a layer containing a trap material may be disposed on both sides of the electrode catalyst layer. Good.

図3および図4に示されるように、電極触媒層の少なくとも片面にトラップ材を含む層を形成するには、上述した電極触媒において説明したイオン交換性高分子などを、水やアルコール系有機溶媒などの溶媒中に混合分散させたイオン交換性高分子溶液に、トラップ材をさらに混合したインクを用いて行えばよい。前記インクを、電極触媒層の少なくとも片面に塗布・乾燥することにより、トラップ材を含む層が形成された電極触媒層を有する燃料電池用電極が得られる。   As shown in FIG. 3 and FIG. 4, in order to form a layer containing a trap material on at least one surface of the electrode catalyst layer, the ion-exchangeable polymer described in the above-mentioned electrode catalyst is mixed with water or an alcohol-based organic solvent. An ink in which a trap material is further mixed with an ion exchange polymer solution mixed and dispersed in a solvent such as the above may be used. By applying and drying the ink on at least one surface of the electrode catalyst layer, a fuel cell electrode having an electrode catalyst layer in which a layer containing a trap material is formed can be obtained.

電極触媒層の形成方法としては、電極触媒、イオン交換性高分子、水および/または有機溶媒を含む触媒インクをテフロン(登録商標)シートなどの離型シート上に塗布・乾燥する、従来の公知技術を用いればよい。   As a method for forming an electrode catalyst layer, a conventionally known method is to apply and dry a catalyst ink containing an electrode catalyst, an ion-exchange polymer, water and / or an organic solvent on a release sheet such as a Teflon (registered trademark) sheet. Technology can be used.

次に、トラップ材が混合されたインクを電極触媒層に塗布するには、例えば、スクリーン印刷法、沈積法、あるいはスプレー法など、従来のスラリーを塗布する方法を用いればよい。   Next, in order to apply the ink mixed with the trap material to the electrode catalyst layer, a conventional slurry application method such as a screen printing method, a deposition method, or a spray method may be used.

また、前記イオン交換性高分子溶液に、添加するトラップ材は予めイオン交換性高分子で被覆されていないものを混合してもよい。すなわち、上述したトラップ材(1)を含む層を形成する場合、還元性の表面官能基が導入された担体を前記イオン交換性高分子溶液に混合することにより、前記担体をイオン交換性高分子で被覆するとともに、トラップ材(1)を含む層を形成することができる。トラップ材(2)およびトラップ材(3)を含む層についても、還元性化合物を表面に有する担体、水素吸蔵性を有する材料を用いて同様に行えばよい。   The trap material to be added may be mixed with the ion-exchange polymer solution that is not previously coated with the ion-exchange polymer. That is, when forming the layer containing the trap material (1) described above, the carrier having the reducing surface functional group introduced therein is mixed with the ion exchange polymer solution, whereby the carrier is exchanged with the ion exchange polymer. And a layer containing the trap material (1) can be formed. The trap material (2) and the layer including the trap material (3) may be similarly formed using a carrier having a reducing compound on the surface and a material having hydrogen storage properties.

その後、塗布した前記インクを乾燥させ、離型シートを剥がすことにより、電極触媒層の片面にトラップ材を含む層を形成することができる。乾燥方法としては、特に限定されないが、空気雰囲気下、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガス雰囲気下、20〜80℃で、30分〜6時間程度行えばよい。   Thereafter, the applied ink is dried, and the release sheet is peeled off, whereby a layer containing a trap material can be formed on one surface of the electrode catalyst layer. Although it does not specifically limit as a drying method, What is necessary is just to carry out for 30 minutes-about 6 hours by 20-80 degreeC by inert gas atmosphere, such as nitrogen atmosphere, argon, and helium.

電極触媒層の両面にトラップ材を含む層を形成するには、電極触媒層の離型シートを剥がした面に、さらに、トラップ材を含むインクを塗布・乾燥させればよい。   In order to form the layer containing the trap material on both surfaces of the electrode catalyst layer, the surface containing the release sheet of the electrode catalyst layer may be further coated and dried with ink containing the trap material.

また、離型シート上に電極触媒層およびトラップ材を含む層を形成する方法は、上述した方法に限定されない。すなわち、離型シート上にまずトラップ材を含む層を形成した後、前記層の上に電極触媒層を形成する方法であってもよい。他に、本発明の燃料電池用電極を後述するMEAなどとして用いる場合には、固体高分子電化質膜上にトラップ材を含む層を形成した後、さらに電極触媒層を形成する方法、ガス拡散層上に電極触媒層を形成した後、さらにトラップ材を含む層を形成する方法などであってもよい。   Moreover, the method of forming the layer containing an electrode catalyst layer and a trap material on a release sheet is not limited to the method described above. That is, a method of first forming a layer containing a trap material on a release sheet and then forming an electrode catalyst layer on the layer may be used. In addition, when the fuel cell electrode of the present invention is used as an MEA described later, a method of forming an electrode catalyst layer after forming a layer containing a trap material on a solid polymer electrolyte membrane, gas diffusion A method of forming a layer containing a trap material after forming an electrode catalyst layer on the layer may be used.

前記トラップ材を含む層の厚さは、所望する燃料電池用電極が得られるように適宜決定すればよいが、0.5〜5μm、好ましくは、1〜2μmとするのがよい。前記層の厚さが、0.5μm未満では、トラップ材を含む層による効果が所望するほど得られない恐れがあり、5μmを超えると電極反応時のガス透過性、イオン伝導性などが低下し、発電特性を低下させる恐れがある。   The thickness of the layer containing the trap material may be appropriately determined so as to obtain a desired fuel cell electrode, but it is preferably 0.5 to 5 μm, and preferably 1 to 2 μm. If the thickness of the layer is less than 0.5 μm, the effect of the layer containing the trap material may not be obtained as desired. If the thickness exceeds 5 μm, the gas permeability, ion conductivity, etc. during electrode reaction will decrease. The power generation characteristics may be degraded.

本発明の第二は、上述した燃料電池用電極を用いた燃料電池用MEAである。本発明の燃料電池用電極は、上述した各種特性を有することから、MEAに好適に用いることができる。MEAは、固体高分子電解質膜を、二つの電極すなわちアノードおよびカソードで挟持されてなるものである。   The second of the present invention is a fuel cell MEA using the fuel cell electrode described above. Since the fuel cell electrode of the present invention has the above-mentioned various characteristics, it can be suitably used for MEA. The MEA is obtained by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between two electrodes, that is, an anode and a cathode.

本発明の燃料電池用電極を用いることにより、高い発電特性を長期に亘って示すことができるMEAが得られる。従来のMEAでは、電極反応の進行とともに電極触媒から溶出した触媒粒子成分が、固体高分子電解質膜に拡散し、これが固体高分子電解質膜のイオン交換サイトにトラップされる恐れがあった。これは、触媒量の減少により触媒活性が低下するだけでなく、固体高分子電解質膜のイオン伝導性を低下させ、結果として燃料電池用MEAの発電特性の低下を招いていた。しかしながら、本発明の燃料電池用電極をMEAに用いれば、トラップ材を含むことにより、触媒量の減少や触媒粒子成分の固体高分子電解質膜やガス拡散層への溶出を好適に抑制することができる。   By using the fuel cell electrode of the present invention, an MEA capable of exhibiting high power generation characteristics over a long period of time is obtained. In the conventional MEA, the catalyst particle component eluted from the electrode catalyst with the progress of the electrode reaction may diffuse into the solid polymer electrolyte membrane and be trapped at the ion exchange site of the solid polymer electrolyte membrane. This not only reduces the catalytic activity due to a decrease in the amount of the catalyst, but also reduces the ionic conductivity of the solid polymer electrolyte membrane, resulting in a decrease in power generation characteristics of the fuel cell MEA. However, if the fuel cell electrode of the present invention is used for MEA, the inclusion of a trap material suitably suppresses the decrease in the amount of catalyst and the elution of catalyst particle components into the solid polymer electrolyte membrane and gas diffusion layer. it can.

MEAにおいて、本発明の燃料電池用電極は、カソードおよび/またはアノードとして用いることができる。しかしながら、触媒粒子の溶出は特にカソードにおいて生じ易いため、前記燃料電池用電極は少なくともカソードとして用いるのが好ましい。この時、アノードとしては、従来の燃料電池用電極を適用すればよく、特に限定されない。   In the MEA, the fuel cell electrode of the present invention can be used as a cathode and / or an anode. However, since elution of the catalyst particles is particularly likely to occur at the cathode, the fuel cell electrode is preferably used at least as the cathode. At this time, a conventional fuel cell electrode may be applied as the anode, and is not particularly limited.

MEAに用いられる固体高分子電解質膜としては特に限定されず、上述した電極触媒の説明において列挙したのと同様のイオン交換性高分子からなるのものなどが挙げられる。また、前記固体高分子電解質膜は市販されているものを用いてもよく、その例としては、デュポン社製NAFION、旭硝子社製FLEMION、旭化成社製ACIPLEX等が挙げられる。その他、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜などを用いてもよい。   The solid polymer electrolyte membrane used in the MEA is not particularly limited, and examples thereof include those made of the same ion exchange polymer as listed in the description of the electrode catalyst described above. Further, commercially available polymer electrolyte membranes may be used, and examples thereof include NAFION manufactured by DuPont, FLEMION manufactured by Asahi Glass Co., and ACIPLEX manufactured by Asahi Kasei. In addition, fluoropolymer electrolytes such as ion exchange resins manufactured by Dow Chemical Co., ethylene-tetrafluoroethylene copolymer resin membranes, resin membranes based on trifluorostyrene, and hydrocarbons having sulfonic acid groups A resin film or the like may be used.

固体高分子電解質膜、電極触媒層、トラップ材を含む層に用いられるイオン交換性高分子は、同じものを用いてもよく、異なるものを用いてもよいが、それぞれの接合性などを考慮すると同じものを用いるのが望ましい。   The ion-exchangeable polymer used for the solid polymer electrolyte membrane, the electrode catalyst layer, and the layer containing the trap material may be the same or different, but considering each bondability, etc. It is desirable to use the same one.

前記固体高分子電解質膜の厚みとしては、得られるMEAの特性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは5〜300μm、より好ましくは10〜200μm、特に好ましくは15〜150μmである。製膜時の強度や燃料電池作動時の耐久性の観点から5μm以上であることが好ましく、燃料電池作動時の出力特性の観点から300μm以下であることが好ましい。   The thickness of the solid polymer electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the properties of the obtained MEA, but is preferably 5 to 300 μm, more preferably 10 to 200 μm, and particularly preferably 15 to 150 μm. From the viewpoint of strength during film formation and durability during operation of the fuel cell, it is preferably 5 μm or more, and from the viewpoint of output characteristics during operation of the fuel cell, it is preferably 300 μm or less.

MEAの製造方法としては、上述した燃料電池用電極をカソードとして用い、従来の燃料電池用電極をアノードとして用いた場合、これらの電極により固体高分子電解質膜を挟持した後、ホットプレスを行う方法などが挙げられる。   As a manufacturing method of MEA, when the above-mentioned fuel cell electrode is used as a cathode and a conventional fuel cell electrode is used as an anode, a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between these electrodes and then hot pressing is performed. Etc.

ホットプレスは、100〜200℃、好ましくは110〜170℃で、電極面に対して1〜5MPaのプレス圧力で行うのが好ましい。これにより固体高分子電解質膜と触媒層との接合性を高めることができる。   Hot pressing is preferably performed at 100 to 200 ° C., preferably 110 to 170 ° C., with a pressing pressure of 1 to 5 MPa with respect to the electrode surface. Thereby, the bondability between the solid polymer electrolyte membrane and the catalyst layer can be enhanced.

また、前記MEAは、さらにガス拡散層により挟持されていてもよい。前記ガス拡散層としては、特に限定されず、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を基材とするものなどが挙げられる。また、撥水性を高めてフラッディング現象を防ぐために、公知の手段を用いて、前記ガス拡散層の撥水処理を行ったり、前記ガス拡散層上に炭素粒子集合体からなる層を形成するのが好ましい。   The MEA may be further sandwiched between gas diffusion layers. The gas diffusion layer is not particularly limited, and examples thereof include those based on a sheet-like material having conductivity and porosity such as a carbon woven fabric, a paper-like paper body, a felt, and a non-woven fabric. In order to increase water repellency and prevent flooding, the gas diffusion layer may be subjected to water repellency using a known means, or a layer of carbon particle aggregates may be formed on the gas diffusion layer. preferable.

前記撥水処理を行う方法として、例えば、ガス拡散層をポリテトラフルオロエチレンといったフッ素などを有する撥水性高分子の分散液に浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させることで撥水処理を行う方法が挙げられる。   As a method of performing the water repellent treatment, for example, a method of performing water repellent treatment by immersing the gas diffusion layer in a dispersion of a water repellent polymer having fluorine or the like such as polytetrafluoroethylene and then drying by heating in an oven or the like. Is mentioned.

前記ガス拡散層上に炭素粒子集合体からなる層を形成する方法としては、まず、カーボンブラックなどの炭素粒子、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体などのフッ素を含有する撥水性高分子等を、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒などの溶媒中に分散させることによりスラリーを調製する。次に、前記スラリーをガス拡散層上に塗布し乾燥、もしくは、前記スラリーを一度乾燥させ粉砕することで粉体にし、これを前記ガス拡散層上に塗布する方法などが挙げられる。前記方法において、炭素粒子集合体からなる層が形成された前記ガス拡散層上は、マッフル炉や焼成炉を用いて300〜400℃程度で熱処理を施すのが好ましい。   As a method of forming a carbon particle aggregate layer on the gas diffusion layer, first, carbon particles such as carbon black, polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, etc. A slurry is prepared by dispersing a water-repellent polymer containing fluorine in a solvent such as water, alcohol solvents such as perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, methanol, ethanol and the like. Next, the slurry is applied on the gas diffusion layer and dried, or the slurry is once dried and pulverized to form a powder, which is then applied onto the gas diffusion layer. In the method, the gas diffusion layer on which the layer composed of the carbon particle aggregate is formed is preferably heat-treated at about 300 to 400 ° C. using a muffle furnace or a firing furnace.

本発明において上述した燃料電池用電極および燃料電池用MEAは、燃料電池として好適に用いられる。前記燃料電池は、上述したトラップ材を含む燃料電池用電極を用いることを特徴とする。従って、その他の構成として、以下の記載などはその一例を示すに過ぎず、従来公知の燃料電池に利用しうる他の構成を本発明の燃料電池においても同様に利用してよい。   In the present invention, the fuel cell electrode and the fuel cell MEA described above are preferably used as a fuel cell. The fuel cell uses a fuel cell electrode including the trap material described above. Accordingly, the following description is merely an example of the other configurations, and other configurations that can be used for a conventionally known fuel cell may be similarly used for the fuel cell of the present invention.

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(単に「PEFC」とも記載する。)として用いるのが好ましい。PEFCは、MEAをセパレータで挟持した構造を有する。   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 (also simply referred to as “PEFC”) from the viewpoints of practicality and safety. Is preferred. The PEFC has a structure in which an MEA is sandwiched between separators.

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通溝が形成されてもよく、従来公知の技術を適宜利用することができる。セパレータなどの厚さや大きさについては、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。   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 flow groove may be formed in order to secure the flow path, and a conventionally known technique can be appropriately used. The thickness and size of the separator and the like are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of the obtained fuel cell.

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.

本発明の燃料電池用電極は、発電性能および耐久性に優れるため、長期に亘り優れた特性を示すことが可能となる。従って、かような燃料電池用電極を用いたMEAおよび燃料電池は、従来のものと比較して、より優れた性能を発揮することができる。よって、燃料電池システムの高効率化、小型化、軽量化を図ることができ、車両などの移動体用電源、定置用電源などとして有用である。   Since the fuel cell electrode of the present invention is excellent in power generation performance and durability, it can exhibit excellent characteristics over a long period of time. Therefore, the MEA and the fuel cell using such a fuel cell electrode can exhibit superior performance as compared with the conventional one. Therefore, the fuel cell system can be highly efficient, reduced in size, and reduced in weight, and is useful as a power source for moving bodies such as vehicles and a stationary power source.

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples. In addition, this invention is not limited only to these Examples.

<実施例1>
1.アノード触媒層の作製
白金担持カーボン(田中貴金属工業社製 TEC10E50E、白金含量46.5wt%)、固体高分子電解質溶液(DuPont社製 NAFION溶液DE520、電解質含量5wt%)、純水25g、およびイソプロパノール(関東化学社製 特級試薬)を、質量比で1:9:2.5:1の割合で、20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にて微粉砕用ホモジナイザーを用いて3時間混合分散することで、アノード触媒層インクを調製した。
<Example 1>
1. Preparation of anode catalyst layer Platinum-supported carbon (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., platinum content 46.5 wt%), solid polymer electrolyte solution (NAFION solution DE520 manufactured by DuPont, electrolyte content 5 wt%), pure water 25 g, and Using a homogenizer for fine pulverization in a glass container in a water bath set so that isopropanol (special grade reagent manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) is held at 20 ° C. at a mass ratio of 1: 9: 2.5: 1. An anode catalyst layer ink was prepared by mixing and dispersing for 3 hours.

次に、厚さ0.2mmのテフロン(登録商標)シート(ニチアス社製、商品名ナフロン)の片面上に、スクリーンプリンターを用いて先に調製したアノード触媒層インクを塗布し、オーブン中で100℃、30分間乾燥させた後、一辺5cmの正方形に切り出した。このようにして、アノード触媒層(10μm)形成テフロン(登録商標)シートを得た。   Next, the anode catalyst layer ink prepared previously using a screen printer was applied to one side of a 0.2 mm thick Teflon (registered trademark) sheet (manufactured by Nichias, trade name Naflon), and 100% in an oven. After drying at 0 ° C. for 30 minutes, it was cut into a square of 5 cm on a side. In this way, an anode catalyst layer (10 μm) -formed Teflon (registered trademark) sheet was obtained.

2.カソード触媒層の作製
カーボンブラック(CABOT社製VULCAN XC−72R)50gを、濃度1mol/lの過マンガン酸カリウム水溶液500mlに添加し、60℃で3時間攪拌混合することで、カーボンブラック表面の酸化処理を行った。その後、カーボンブラックをろ過し、蒸留水で十分洗浄し、真空乾燥器にて80℃で3時間乾燥後、ミキサーで粉砕して酸化処理カーボンブラックを得た。
2. Preparation of cathode catalyst layer 50 g of carbon black (VULCAN XC-72R manufactured by CABOT) was added to 500 ml of an aqueous potassium permanganate solution having a concentration of 1 mol / l, and the mixture was stirred and mixed at 60 ° C. for 3 hours to oxidize the carbon black surface. Processed. Thereafter, the carbon black was filtered, sufficiently washed with distilled water, dried at 80 ° C. for 3 hours in a vacuum dryer, and pulverized with a mixer to obtain oxidized carbon black.

次に、この酸化処理カーボンブラック、白金担持カーボン(田中貴金属工業社製 TEC10E50E、白金含量46.5wt%)、固体高分子電解質溶液(DuPont社製 NAFION溶液DE520、電解質含量5wt%)、純水25g、およびイソプロパノール(関東化学社製 特級試薬)を、質量比で0.1:1:12:2.5:1の割合で、20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にて微粉砕用ホモジナイザーを用いて3時間混合分散することで、カソード触媒層インクを調製した。   Next, this oxidized carbon black, platinum-supporting carbon (TEC10E50E, Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., platinum content 46.5 wt%), solid polymer electrolyte solution (NAFION solution DE520, DuPont NAFION solution 5 wt%), 25 g of pure water , And isopropanol (special grade reagent manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) in a glass container in a water bath set to hold at 20 ° C. at a mass ratio of 0.1: 1: 12: 2.5: 1. The cathode catalyst layer ink was prepared by mixing and dispersing for 3 hours using a homogenizer for pulverization.

厚さ0.2mmのテフロン(登録商標)シート(ニチアス社製、商品名ナフロン)の片面上に、スクリーンプリンターを用いて先に調製したカソード触媒層インクを塗布し、オーブン中で80℃、30分間乾燥させた後、一辺5cmの正方形に切り出した。このようにして、トラップ材が混合されたカソード触媒層(10μm)形成テフロン(登録商標)シートを得た。   The cathode catalyst layer ink prepared previously using a screen printer was applied to one side of a 0.2 mm thick Teflon (registered trademark) sheet (manufactured by Nichias Co., Ltd., trade name Naflon). After drying for a minute, it was cut into a square with a side of 5 cm. In this way, a cathode catalyst layer (10 μm) -formed Teflon (registered trademark) sheet in which the trap material was mixed was obtained.

3.膜・電極接合体の作製
一辺8cmの正方形で厚さ25μmの固体高分子電解質膜(DuPont社製NAFION111)を、先に作製したカソード触媒層形成テフロン(登録商標)シートおよびアノード触媒層形成テフロン(登録商標)シートを用いてテフロン(登録商標)シートが外側となるようにして挟持し、片側テフロン(登録商標)シートあたり3MPaの圧力で、130℃、10分間ホットプレスし、冷却後テフロン(登録商標)シートのみを剥がすことで、固体高分子電解質膜に各触媒層を転写させ接合体を得た。このとき、テフロン(登録商標)シートから固体高分子電解質膜への各触媒層の転写率は100%で、固体高分子電解質膜上の片面触媒層面積1cmあたりの白金重量はアノードが0.20mg、カソードが0.40mgとなるようにした。また、得られた接合体の模式図断面図を図2に示す。
3. Production of Membrane / Electrode Assembly A solid polymer electrolyte membrane (NAFION 111 manufactured by DuPont) having a square of 8 cm on a side and a thickness of 25 μm was prepared by using the previously prepared cathode catalyst layer-formed Teflon (registered trademark) sheet and anode catalyst layer-formed Teflon ( The Teflon (registered trademark) sheet is sandwiched by using the registered trademark sheet, and hot-pressed at 130 ° C. for 10 minutes at a pressure of 3 MPa per one side Teflon (registered trademark) sheet. By removing only the (trademark) sheet, each catalyst layer was transferred to the solid polymer electrolyte membrane to obtain a joined body. At this time, the transfer rate of each catalyst layer from the Teflon (registered trademark) sheet to the solid polymer electrolyte membrane was 100%, and the platinum weight per 1 cm 2 of the single-sided catalyst layer area on the solid polymer electrolyte membrane was 0. 20 mg and the cathode were adjusted to 0.40 mg. Moreover, the schematic diagram sectional drawing of the obtained conjugate | zygote is shown in FIG.

4.評価用単セルの組立て
厚さ270μmのカーボンペーパー(東レ社製TGP−H−090)を、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)分散液(ダイキン工業社製ポリフロンD−1E、60wt%)に浸漬後、オーブン内にて80℃、1時間乾燥させることにより、カーボンペーパー中にPTFEを分散させた。このとき、PTFE含有量は25wt%であった。このカーボンペーパー上にPTFEを20wt%含むカーボンブラックを塗布した。これにより、撥水処理したガス拡散層を得た。
4). Assembly of single cell for evaluation After immersing carbon paper (TGP-H-090 manufactured by Toray Industries Inc.) with a thickness of 270 μm in a polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion (polyflon D-1E manufactured by Daikin Industries, 60 wt%), PTFE was dispersed in carbon paper by drying at 80 ° C. for 1 hour in an oven. At this time, the PTFE content was 25 wt%. Carbon black containing 20 wt% PTFE was applied on the carbon paper. As a result, a water-repellent treated gas diffusion layer was obtained.

この撥水処理したガス拡散層2枚を用いて、先に作製した膜・電極接合体を挟んで重ねた状態とし、これをグラファイト製セパレータで挟持し、さらに金メッキしたステンレス製集電板で挟持して、評価用単セルとした。   Using these two water-repellent gas diffusion layers, the membrane / electrode assembly prepared above is sandwiched and sandwiched between graphite separators, and further sandwiched between gold-plated stainless steel collector plates Thus, an evaluation single cell was obtained.

5.性能評価
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60℃、空気は60℃で飽和加湿し、燃料電池本体の温度は70℃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1A/cmで10分間運転を続けた。発電を停止する場合には取り出す電流密度をゼロにした後、アノードはエアーパージをして水素を排出した後出口側を大気開放とし、カソードも同様に出口側を大気開放とした。このとき燃料電池本体の温度制御は行わず、停止時間は10分とした。発電停止時、実験環境は室温が20〜25℃、湿度は40〜60%RHであった。停止後、運転を再開する場合には、再び上記条件でセルにガスを導入し、発電を行った。この運転−停止サイクルを繰り返すことによって、単セルの耐久性評価を行った。
5). Performance evaluation Hydrogen was supplied to the anode side as fuel, and air was supplied to the cathode side. The supply pressure of both gases is atmospheric pressure, hydrogen is 60 ° C, air is saturated and humidified at 60 ° C, the temperature of the fuel cell body is set to 70 ° C, the hydrogen utilization rate is 70%, and the air utilization rate is 40%. The operation was continued at a current density of 1 A / cm 2 for 10 minutes. When power generation was stopped, the current density to be taken out was reduced to zero, and then the anode was purged with air to discharge hydrogen, and then the outlet side was opened to the atmosphere, and the cathode was similarly opened to the atmosphere. At this time, the temperature control of the fuel cell main body was not performed, and the stop time was 10 minutes. When power generation was stopped, the experimental environment was a room temperature of 20 to 25 ° C. and a humidity of 40 to 60% RH. When the operation was resumed after the stop, the gas was again introduced into the cell under the above conditions to generate power. The durability of the single cell was evaluated by repeating this operation-stop cycle.

単セルは、発電開始時電圧0.6V、1000サイクル運転後の発電時電圧0.54Vであり、電圧低下率は10%であった。   The single cell had a power generation start voltage of 0.6 V, a power generation voltage after 1000 cycle operation of 0.54 V, and the voltage drop rate was 10%.

<実施例2>
以下に示すようにして、トラップ材を含む層が片面に形成されたカソード触媒層を用いた以外は、実施例1と同様にして、膜・電極接合体および評価用単セルを作製し、その評価を行った。なお、作製した膜・電極接合体の断面模式図を図3に示す。
カーボンブラック(CABOT社製VULCAN XC−72R)50gを、濃度1mol/lの過マンガン酸カリウム水溶液500mlに添加し、60℃で3時間攪拌混合することで、カーボンブラック表面の酸化処理を行った。その後、カーボンブラックをろ過し、蒸留水で十分洗浄し、真空乾燥器にて80℃で3時間乾燥後、ミキサーで粉砕して酸化処理カーボンブラックを得た。
<Example 2>
As shown below, a membrane / electrode assembly and an evaluation single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that a cathode catalyst layer having a layer containing a trap material formed on one side was used. Evaluation was performed. A schematic cross-sectional view of the produced membrane / electrode assembly is shown in FIG.
50 g of carbon black (VULCAN XC-72R manufactured by CABOT) was added to 500 ml of an aqueous potassium permanganate solution having a concentration of 1 mol / l, and the carbon black surface was oxidized by stirring and mixing at 60 ° C. for 3 hours. Thereafter, the carbon black was filtered, sufficiently washed with distilled water, dried at 80 ° C. for 3 hours in a vacuum dryer, and pulverized with a mixer to obtain oxidized carbon black.

次に、この酸化処理カーボンブラック、固体高分子電解質溶液(DuPont社製 NAFION溶液DE520、電解質含量5wt%)、純水25g、およびイソプロパノール(関東化学社製 特級試薬)を、質量比で1:9:1:1の割合で、20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にて微粉砕用ホモジナイザーを用いて3時間混合分散することで、トラップ材インクを調製した。   Next, this oxidized carbon black, solid polymer electrolyte solution (NAFION solution DE520 manufactured by DuPont, electrolyte content 5 wt%), 25 g of pure water, and isopropanol (special grade reagent manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) in a mass ratio of 1: 9. A trapping material ink was prepared by mixing and dispersing for 3 hours in a glass container in a water bath set to be kept at 20 ° C. at a ratio of 1: 1 using a homogenizer for fine grinding.

ここで、実施例1のアノード触媒層と同様にして、カソード触媒層形成テフロン(登録商標)シートを作製した。このカソード触媒層上に、先に調製したトラップ材インクをスクリーンプリンターを用いて塗布し、オーブン中で80℃30分間乾燥させた後、一辺5cmの正方形に切り出した。これによりテフロン(登録商標)シート上に、カソード触媒層(10μm)およびトラップ材を含む層(2μm)を形成した。   Here, a cathode catalyst layer-formed Teflon (registered trademark) sheet was produced in the same manner as the anode catalyst layer of Example 1. On the cathode catalyst layer, the previously prepared trap material ink was applied using a screen printer, dried in an oven at 80 ° C. for 30 minutes, and then cut into a square having a side of 5 cm. As a result, a cathode catalyst layer (10 μm) and a layer containing a trap material (2 μm) were formed on the Teflon (registered trademark) sheet.

作製した単セルの耐久性評価は、発電開始時電圧0.6V、1000サイクル運転後の発電時電圧0.577Vであり、電圧低下率は4%であった。   The durability evaluation of the produced single cell was a power generation start voltage of 0.6 V, a power generation voltage after 1000 cycle operation of 0.577 V, and the voltage drop rate was 4%.

<実施例3>
以下に示すようにして、トラップ材を含む層が両面に形成されたカソード触媒層を用いた以外は、実施例1と同様にして、膜・電極接合体および評価用単セルを作製し、その評価を行った。なお、作製した膜・電極接合体の断面模式図を図4に示す。
<Example 3>
As shown below, a membrane / electrode assembly and an evaluation single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that a cathode catalyst layer in which a layer containing a trap material was formed on both sides was used. Evaluation was performed. A schematic cross-sectional view of the produced membrane / electrode assembly is shown in FIG.

まず、厚さ0.2mmのテフロン(登録商標)シート(ニチアス社製、商品名ナフロン)の片面上に、スクリーンプリンターを用いて実施例2で調製したトラップ材インクを塗布し、オーブン中80℃で30分間乾燥させることにより、テフロン(登録商標)シート上にトラップ材を含む層を形成した。   First, the trap material ink prepared in Example 2 was applied on one side of a 0.2-mm-thick Teflon (registered trademark) sheet (manufactured by Nichias Co., Ltd., trade name Naflon) using a screen printer. For 30 minutes to form a layer containing a trap material on a Teflon (registered trademark) sheet.

次に、このトラップ材を含む層上に、実施例1で調製したアノード触媒層インクをスクリーンプリンターを用いて塗布し、オーブン中で80℃、30分間乾燥させ、カソード触媒層を形成した。   Next, the anode catalyst layer ink prepared in Example 1 was applied onto the layer containing the trap material using a screen printer and dried in an oven at 80 ° C. for 30 minutes to form a cathode catalyst layer.

さらに、このカソード触媒層上に、再度、実施例2で調製したトラップ材インクをスクリーンプリンターを用いて塗布し、オーブン中80℃で30分間乾燥させた。このようにして、トラップ材を含む層(2μm)/カソード触媒層(10μm)/トラップ材を含む層(0.5μm)の順で、各層が形成されたテフロン(登録商標)シートを得た。その後、これを一辺5cmの正方形に切り出した。   Further, the trap material ink prepared in Example 2 was again applied onto the cathode catalyst layer using a screen printer and dried in an oven at 80 ° C. for 30 minutes. In this manner, a Teflon (registered trademark) sheet on which each layer was formed was obtained in the order of a layer containing a trap material (2 μm) / a cathode catalyst layer (10 μm) / a layer containing a trap material (0.5 μm). Then, this was cut out into a square of 5 cm on a side.

作製した単セルの耐久性評価は、発電開始時電圧0.596V、1000サイクル運転後の発電時電圧0.573Vであり、電圧低下率は3.8%であった。   The durability evaluation of the produced single cell was a power generation start voltage of 0.596 V, a power generation voltage after 1000 cycle operation of 0.573 V, and the voltage drop rate was 3.8%.

<比較例1>
実施例1において、作製したアノード触媒層をカソードおよびアノードの双方に用いた以外は、実施例1と同様にして膜・電極接合体および評価用単セルを作製し、その評価を行った。
<Comparative Example 1>
In Example 1, except that the produced anode catalyst layer was used for both the cathode and anode, a membrane / electrode assembly and an evaluation single cell were produced and evaluated in the same manner as in Example 1.

作製した単セルの耐久性評価は、発電開始時電圧0.6V、1000サイクル運転後の発電時電圧0.51Vであり、電圧低下率は15%であった。   The durability evaluation of the produced single cell was a power generation start voltage of 0.6 V, a power generation voltage after 1000 cycle operation of 0.51 V, and the voltage drop rate was 15%.

電極触媒から溶出した白金イオンを、トラップ材表面で還元析出させる際の模式図を示す。The schematic diagram at the time of carrying out reduction precipitation of the platinum ion eluted from the electrode catalyst on the trap material surface is shown. 本発明の好適な一実施形態である、トラップ材が混合された電極触媒層を有する燃料電池用電極を用いた燃料電池用MEAの模式断面図を示す。The schematic cross section of MEA for fuel cells using the electrode for fuel cells which has an electrode catalyst layer with which the trap material was mixed which is one suitable embodiment of this invention is shown. 本発明の好適な一実施形態である、電極触媒層の片面にトラップ材を含む層が形成されてなる燃料電池用電極を用いた燃料電池用MEAの模式断面図を示す。1 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell MEA using a fuel cell electrode in which a layer containing a trap material is formed on one surface of an electrode catalyst layer, which is a preferred embodiment of the present invention. 本発明の好適な一実施形態である、電極触媒層の両面にトラップ材を含む層が形成されてなる燃料電池用電極を用いた燃料電池用MEAの模式断面図を示す。1 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell MEA using a fuel cell electrode in which layers containing a trap material are formed on both sides of an electrode catalyst layer, which is a preferred embodiment of the present invention.

Claims (10)

導電性担体に触媒粒子が担持されてなる電極触媒と、トラップ材とを含む燃料電池用電極であって、
前記トラップ材は、前記電極触媒から溶出した触媒粒子成分を還元して前記トラップ材表面に析出させるものである燃料電池用電極。
A fuel cell electrode comprising an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on a conductive carrier, and a trap material,
The fuel cell electrode, wherein the trap material is a material that reduces and deposits catalyst particle components eluted from the electrode catalyst on the surface of the trap material.
前記トラップ材は、電子伝導性及びイオン伝導性を有する請求項1に記載の燃料電池用電極。   The fuel cell electrode according to claim 1, wherein the trap material has electron conductivity and ion conductivity. 前記トラップ材は、担体表面に還元性の表面官能基を有し、イオン交換性高分子で被覆されてなる請求項1または2記載の燃料電池用電極。   3. The fuel cell electrode according to claim 1, wherein the trap material has a reducing surface functional group on the surface of the carrier and is coated with an ion exchange polymer. 前記トラップ材は、担体表面に還元性化合物を有し、イオン交換性高分子で被覆されてなる請求項1または2記載の燃料電池用電極。   The fuel cell electrode according to claim 1, wherein the trap material has a reducing compound on the surface of the carrier and is coated with an ion-exchange polymer. 前記トラップ材は、イオン交換性高分子で被覆されてなる水素吸蔵性を有する材料であることを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池用電極。   3. The fuel cell electrode according to claim 1, wherein the trap material is a material having hydrogen storage properties coated with an ion-exchange polymer. 4. 前記トラップ材は、電極触媒層中に均一に分散されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電池用電極。   The fuel cell electrode according to claim 1, wherein the trap material is uniformly dispersed in the electrode catalyst layer. 前記トラップ材を含む層を、電極触媒層の少なくとも片面に有することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電池用電極。   The electrode for a fuel cell according to any one of claims 1 to 6, further comprising a layer containing the trap material on at least one surface of the electrode catalyst layer. 固体高分子電解質膜、これを挟持する一対の電極、ガス拡散層を含む燃料電池用MEAにおいて、
前記電極の少なくとも1つが請求項1〜7のいずれかに記載の燃料電池用電極である燃料電池用MEA。
In a fuel cell MEA including a solid polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes sandwiching the membrane, and a gas diffusion layer,
A fuel cell MEA, wherein at least one of the electrodes is a fuel cell electrode according to any one of claims 1 to 7.
請求項1〜7のいずれかに記載の燃料電池用電極をカソードとして用いる請求項8記載の燃料電池用MEA。   The fuel cell MEA according to claim 8, wherein the fuel cell electrode according to claim 1 is used as a cathode. 請求項1〜7のいずれかに記載の燃料電池用電極、または、請求項8もしくは9に記載の燃料電池用MEAを用いた燃料電池。   A fuel cell using the fuel cell electrode according to any one of claims 1 to 7, or the fuel cell MEA according to claim 8 or 9.
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