JP2006004662A - Catalyst for fuel cell and manufacturing method of catalyst layer for fuel cell - Google Patents

Catalyst for fuel cell and manufacturing method of catalyst layer for fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP2006004662A
JP2006004662A JP2004177110A JP2004177110A JP2006004662A JP 2006004662 A JP2006004662 A JP 2006004662A JP 2004177110 A JP2004177110 A JP 2004177110A JP 2004177110 A JP2004177110 A JP 2004177110A JP 2006004662 A JP2006004662 A JP 2006004662A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
catalyst
graphitized carbon
fuel cell
group
metal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2004177110A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tetsushi Horibe
哲史 堀部
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2004177110A priority Critical patent/JP2006004662A/en
Publication of JP2006004662A publication Critical patent/JP2006004662A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

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

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a means for improving affinity between graphitized carbon used as a catalyst support and an ion exchanging polymer (ionomer) and for preventing flooding in the vicinity of a catalyst. <P>SOLUTION: This catalyst for a fuel cell comprises the graphitized carbon 10 having, on a surface thereof, an affinity functional group 30 disappearing during operation of the fuel cell, and a catalyst metal 20 supported to the graphitized carbon. An affinity compound removable by chemical processing may be arranged instead of the affinity functional group 30. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池において用いられる触媒に関する。より詳しくは、担体として黒鉛化カーボンを用いる触媒に関する。本発明の触媒は、例えば、固体高分子型燃料電池(PEFC)における触媒層に用いられる。   The present invention relates to a catalyst used in a fuel cell. More specifically, the present invention relates to a catalyst using graphitized carbon as a support. The catalyst of this invention is used for the catalyst layer in a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), for example.

燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんど無いクリーンな発電システムである。燃料電池としては、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池など、各種燃料電池が提案されている。この中では、固体高分子型燃料電池(PEFC)は、比較的低温で作動可能であることから、自動車等の移動体用動力源として期待され、開発が進められている。   A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. Various fuel cells such as a polymer electrolyte fuel cell, a solid oxide fuel cell, a molten carbonate fuel cell, and a phosphoric acid fuel cell have been proposed as fuel cells. Among these, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) can be operated at a relatively low temperature, and thus is expected as a power source for moving bodies such as automobiles, and is being developed.

固体高分子型燃料電池においては、空気などの酸化剤が酸素極に供給され、水素ガスが燃料極に供給される。そして、電気化学的反応によって電力が発生する。   In the polymer electrolyte fuel cell, an oxidant such as air is supplied to the oxygen electrode, and hydrogen gas is supplied to the fuel electrode. Electric power is generated by an electrochemical reaction.

電極反応を促進する触媒金属としては、白金などの触媒金属が用いられている。触媒金属は、触媒の有効利用を図るべく、導電性担体に担持された状態で触媒層に配置されることが多い。触媒の耐久性を高める観点からは、導電性担体として、熱処理により製造された黒鉛化カーボンが用いられることが好ましい。   As the catalyst metal that promotes the electrode reaction, a catalyst metal such as platinum is used. In many cases, the catalyst metal is arranged in the catalyst layer in a state of being supported on a conductive support in order to effectively use the catalyst. From the viewpoint of enhancing the durability of the catalyst, graphitized carbon produced by heat treatment is preferably used as the conductive carrier.

しかしながら、黒鉛化処理によって、黒鉛化カーボンの表面は疎水性になる傾向がある。担体表面が疎水性であると、触媒とイオン交換性高分子(アイオノマー)とを複合化する際に、アイオノマーに位置するスルホン酸基などの親水性官能基と触媒との親和性が低下する。電極反応は、触媒、アイオノマー、反応ガスの三相界面で進行する反応であるため、アイオノマーと触媒との親和性が低いと、電気化学的活性表面積(ECA:Electrochemical Area)が低くなる問題がある。つまり、疎水性の黒鉛化カーボンを用いると、触媒金属の利用率が低下し、ひいては燃料電池の発電効率が低下する。低下した利用率を向上させるには、触媒金属の使用量を増加させればよいが、白金などの触媒金属の増量は、触媒の製造コストを大幅に上昇させてしまう。   However, the surface of graphitized carbon tends to become hydrophobic due to the graphitization treatment. When the support surface is hydrophobic, the affinity between the catalyst and an ion-exchange polymer (ionomer) and the hydrophilic functional group such as a sulfonic acid group located in the ionomer and the catalyst is lowered. Since the electrode reaction is a reaction that proceeds at the three-phase interface of the catalyst, ionomer, and reaction gas, if the affinity between the ionomer and the catalyst is low, there is a problem that the electrochemical active surface area (ECA) becomes low. . That is, when hydrophobic graphitized carbon is used, the utilization factor of the catalyst metal is lowered, and consequently the power generation efficiency of the fuel cell is lowered. In order to improve the decreased utilization rate, the amount of catalyst metal used may be increased. However, an increase in the amount of catalyst metal such as platinum greatly increases the production cost of the catalyst.

黒鉛化カーボンの表面を親水化する方法としては、カーボン表面に親水性の単分子層を形成する手法が挙げられる(例えば、特許文献1参照)。しかしながら、カーボン表面に位置する親水性部位は、触媒近傍からの水の排出を妨げ、特に長時間運転の際にはフラッディングを引き起こして、燃料電池の性能低下を招いてしまう。
特開2000−243404号公報
As a method of hydrophilizing the surface of graphitized carbon, there is a method of forming a hydrophilic monomolecular layer on the carbon surface (see, for example, Patent Document 1). However, the hydrophilic portion located on the carbon surface hinders the discharge of water from the vicinity of the catalyst and causes flooding particularly during long-time operation, leading to a decrease in fuel cell performance.
JP 2000-243404 A

そこで、本発明の目的は、担体として用いられる黒鉛化カーボンとイオン交換性高分子(アイオノマー)との親和性を向上させ、かつ、触媒近傍におけるフラッディングを防止する手段を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide means for improving the affinity between graphitized carbon used as a support and an ion-exchange polymer (ionomer) and preventing flooding in the vicinity of the catalyst.

本発明は、燃料電池の稼動中に消失する親水性官能基、または化学処理によって除去されうる親水性化合物を表面に有する黒鉛化カーボンと、前記黒鉛化カーボンに担持されてなる触媒金属とを有する、燃料電池用触媒である。   The present invention has a graphitized carbon having a hydrophilic functional group that disappears during operation of a fuel cell or a hydrophilic compound that can be removed by chemical treatment on the surface, and a catalytic metal supported on the graphitized carbon. And a fuel cell catalyst.

黒鉛化カーボンの表面に親水性部位を設けることにより、黒鉛化カーボンとイオン交換性高分子(アイオノマー)との親和性が向上する。しかも、触媒とイオン交換性高分子とを複合化した後に、黒鉛化カーボンの表面に位置する親水性部位を消失させることが可能であるため、黒鉛化カーボンの表面に位置する親水性部位に起因するフラッディングを防止することも可能である。   By providing the hydrophilic part on the surface of the graphitized carbon, the affinity between the graphitized carbon and the ion exchange polymer (ionomer) is improved. In addition, it is possible to eliminate the hydrophilic part located on the surface of the graphitized carbon after combining the catalyst and the ion-exchange polymer, resulting in the hydrophilic part located on the surface of the graphitized carbon. It is also possible to prevent flooding.

本発明の第1は、燃料電池の稼動中に消失する親水性官能基、または化学処理によって除去されうる親水性化合物を表面に有する黒鉛化カーボンと、前記黒鉛化カーボンに担持されてなる触媒金属とを有する、燃料電池用触媒である。   A first aspect of the present invention is a graphitized carbon having a hydrophilic functional group that disappears during operation of the fuel cell or a hydrophilic compound that can be removed by chemical treatment on the surface, and a catalytic metal supported on the graphitized carbon. And a fuel cell catalyst.

本発明の燃料電池用触媒は、黒鉛化処理によって疎水化したカーボン担体の表面に親水化処理が施されてなる。黒鉛化カーボンの表面に親水性部位を配置することにより、黒鉛化カーボンの表面を親水化することが可能であり、触媒層を形成する際における、黒鉛化カーボンとアイオノマーとの親和性が高まる。その結果、触媒、アイオノマー、および反応ガスの三相界面の実効面積が増大し、電気化学的活性表面積(ECA)が大きくなる。つまり、担持される触媒金属を有効に活用することが可能である。例えば、白金を担持する親水性カーボンのECAを1としたとき、同量の白金担持量で0.8以上のECAとなる燃料電池用触媒が得られる。   The fuel cell catalyst of the present invention is obtained by hydrophilizing the surface of a carbon support that has been hydrophobized by graphitization. By disposing a hydrophilic portion on the surface of the graphitized carbon, the surface of the graphitized carbon can be hydrophilized, and the affinity between the graphitized carbon and the ionomer in forming the catalyst layer is increased. As a result, the effective area of the three-phase interface of the catalyst, ionomer, and reaction gas increases, and the electrochemically active surface area (ECA) increases. That is, it is possible to effectively utilize the supported catalyst metal. For example, when the ECA of hydrophilic carbon supporting platinum is 1, a fuel cell catalyst having an ECA of 0.8 or more with the same amount of platinum supported can be obtained.

親水性部位による、黒鉛化カーボンとアイオノマーとの親和性向上について、図面を用いて説明する。なお、図面においては、スルホン酸基を有するアイオノマーを例として説明しているが、本発明の技術的範囲が、スルホン酸基を有するアイオノマーに限定されることはない。   The improvement in the affinity between graphitized carbon and ionomer by the hydrophilic portion will be described with reference to the drawings. In the drawings, an ionomer having a sulfonic acid group is described as an example, but the technical scope of the present invention is not limited to an ionomer having a sulfonic acid group.

図1は、親水性官能基が表面に配置された黒鉛化カーボンにおける、黒鉛化カーボンとアイオノマーとの親和性を説明する模式図である。黒鉛化カーボン10には、触媒金属20が担持されている。黒鉛化カーボンが親水化処理されていない状態では、アイオノマーの有するスルホン酸基と黒鉛化カーボン表面とが反発し、黒鉛化カーボンとアイオノマーとの接触が阻害される。一方、図1に示すように、黒鉛化カーボン10の表面に親水性官能基30が付着していると、親水性官能基30の作用により、アイオノマーの有するスルホン酸基が黒鉛化カーボンの近傍に存在するようになる。その結果、ECAが増大し、燃料電池の発電特性が向上する。   FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the affinity between graphitized carbon and ionomer in graphitized carbon having hydrophilic functional groups arranged on the surface. The graphitized carbon 10 carries a catalyst metal 20. In the state where the graphitized carbon has not been hydrophilized, the sulfonic acid group of the ionomer and the surface of the graphitized carbon are repelled, and the contact between the graphitized carbon and the ionomer is inhibited. On the other hand, as shown in FIG. 1, when the hydrophilic functional group 30 is attached to the surface of the graphitized carbon 10, the sulfonic acid group of the ionomer is brought close to the graphitized carbon by the action of the hydrophilic functional group 30. It comes to exist. As a result, the ECA increases and the power generation characteristics of the fuel cell are improved.

図2は、親水性化合物が表面に配置された黒鉛化カーボンにおける、黒鉛化カーボンとアイオノマーとの親和性を説明する模式図である。黒鉛化カーボン10には、触媒金属20が担持されている。黒鉛化カーボン10の表面には、親水性化合物40が付着しているため、親水性化合物40の作用により、アイオノマーの有するスルホン酸基が黒鉛化カーボンの近傍に存在するようになる。その結果、ECAが増大し、燃料電池の発電特性が向上する。   FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the affinity between graphitized carbon and ionomer in graphitized carbon having a hydrophilic compound disposed on the surface. The graphitized carbon 10 carries a catalyst metal 20. Since the hydrophilic compound 40 is attached to the surface of the graphitized carbon 10, the sulfonic acid group possessed by the ionomer is present in the vicinity of the graphitized carbon by the action of the hydrophilic compound 40. As a result, the ECA increases and the power generation characteristics of the fuel cell are improved.

親水性部位は、時としてフラッディングの原因となるが、本発明の触媒における親水性部位は、化学処理によって除去可能、または燃料電池の稼動中に消失する。親水性官能基は、燃料電池の稼動中に消失させることが可能である。黒鉛化カーボンの表面に位置する親水性官能基は、一般に黒鉛化カーボンよりも腐食しやすいため、燃料電池の稼動中に選択的に劣化・消失しやすい。また、親水性化合物は、電極形成後に化学処理によって除去することが可能である。そして、アイオノマーと複合化させた後であれば、親水性部位が消失しても、三相界面の実行面積には大きな影響はない。したがって、本発明の燃料電池用触媒を用いることによって、担体である黒鉛化カーボンとアイオノマーとの親和性が高く、かつ、黒鉛化カーボンの親水性部位に起因するフラッディングの発生を防止できる。   Hydrophilic sites sometimes cause flooding, but the hydrophilic sites in the catalyst of the present invention can be removed by chemical treatment or disappear during fuel cell operation. The hydrophilic functional group can be lost during operation of the fuel cell. Since the hydrophilic functional group located on the surface of graphitized carbon is generally more susceptible to corrosion than graphitized carbon, it is likely to be selectively deteriorated and lost during operation of the fuel cell. In addition, the hydrophilic compound can be removed by chemical treatment after electrode formation. And if it is after making it complex with an ionomer, even if a hydrophilic part lose | disappears, there will be no big influence on the effective area of a three-phase interface. Therefore, by using the fuel cell catalyst of the present invention, the affinity between the graphitized carbon as a carrier and the ionomer is high, and the occurrence of flooding due to the hydrophilic portion of the graphitized carbon can be prevented.

以下、本発明の燃料電池用触媒の構成について、詳細に説明する。   Hereinafter, the configuration of the fuel cell catalyst of the present invention will be described in detail.

黒鉛化カーボンとは、炭素材料の黒鉛化処理によって作製される材料である。黒鉛化カーボンは、導電性を有し、金属触媒を担持可能であれば、特に限定されない。黒鉛化カーボンは、黒鉛化されていない炭素材料を熱処理することによって作製してもよいし、市販されている黒鉛化カーボンを購入して用いてもよい。場合によっては、所望する触媒金属が既に担持されている黒鉛化カーボンを、原料として購入して用いてもよい。   Graphitized carbon is a material produced by graphitizing a carbon material. The graphitized carbon is not particularly limited as long as it has conductivity and can support a metal catalyst. Graphitized carbon may be produced by heat-treating a non-graphitized carbon material, or commercially available graphitized carbon may be purchased and used. In some cases, graphitized carbon on which a desired catalyst metal is already supported may be purchased and used as a raw material.

黒鉛化カーボンの表面には、燃料電池の稼動中に消失する親水性官能基、または化学処理によって除去されうる親水性化合物が付着している。なお、本願においては、説明の都合上、「親水性官能基」および「親水性化合物」を合わせて、「親水性部位」とも記載する。   A hydrophilic functional group that disappears during the operation of the fuel cell or a hydrophilic compound that can be removed by chemical treatment adheres to the surface of the graphitized carbon. In the present application, for the convenience of explanation, “hydrophilic functional group” and “hydrophilic compound” are also collectively referred to as “hydrophilic portion”.

親水性官能基とは、黒鉛化カーボン表面に付着することによって、黒鉛化カーボンの親水性を向上させうる官能基を意味する。親水性官能基の具体例としては、特に限定されないが、カルボキシル基、フェノール性水酸基、水酸基、カルボニル基、ニトロ基、スルホン酸基、およびアミノ基が挙げられる。フェノール性水酸基とは、フェノール型(−(C)OH)の官能基として水酸基が含まれる態様を意味する。親水性官能基としては、プロトンを引き付け、アイオノマーとスルホン酸基との親和性を向上させる機能に優れる、水酸基、カルボキシル基、またはアミノ基が好ましい。親水官能基は、2種以上の官能基が用いられてもよい。 The hydrophilic functional group means a functional group that can improve the hydrophilicity of graphitized carbon by adhering to the graphitized carbon surface. Specific examples of the hydrophilic functional group include, but are not limited to, a carboxyl group, a phenolic hydroxyl group, a hydroxyl group, a carbonyl group, a nitro group, a sulfonic acid group, and an amino group. The phenolic hydroxyl group means an embodiment in which a hydroxyl group is included as a functional group of phenol type (— (C 6 H 4 ) OH). The hydrophilic functional group is preferably a hydroxyl group, a carboxyl group, or an amino group that has an excellent function of attracting protons and improving the affinity between the ionomer and the sulfonic acid group. Two or more functional groups may be used as the hydrophilic functional group.

親水性官能基の付着量については特に限定されない。親水性官能基の量や親水性官能基の種類を制御することによって、黒鉛化カーボン表面の親水性の度合いを調節することができる。   The amount of hydrophilic functional group attached is not particularly limited. The degree of hydrophilicity of the graphitized carbon surface can be adjusted by controlling the amount of the hydrophilic functional group and the type of the hydrophilic functional group.

親水性化合物とは、黒鉛化カーボン表面に付着することによって、黒鉛化カーボンの親水性を向上させうる化合物を意味する。親水性化合物の具体例としては、特に限定されないが、珪素、マグネシウム、スズ、アルミニウム、ニオブ、ルテニウム、タンタル、チタン、亜鉛、ジルコニウム、およびこれらの混合物からなる群より選択される金属の、金属酸化物、金属水酸化物、または金属オキシ水酸化物が挙げられる。この中では、チタン、珪素、ジルコニア、またはこれらの混合物の、金属酸化物、金属水酸化物、または金属オキシ水酸化物が好ましい。これらを用いることによって、水の保持能力が高い化合物が形成される。親水性化合物の具体例としては、チタン酸化物、ケイ素酸化物、ジルコニア酸化物などが挙げられる。   A hydrophilic compound means a compound that can improve the hydrophilicity of graphitized carbon by adhering to the graphitized carbon surface. Specific examples of the hydrophilic compound include, but are not limited to, metal oxidation of a metal selected from the group consisting of silicon, magnesium, tin, aluminum, niobium, ruthenium, tantalum, titanium, zinc, zirconium, and mixtures thereof. Products, metal hydroxides, or metal oxyhydroxides. In this, the metal oxide, metal hydroxide, or metal oxyhydroxide of titanium, silicon, zirconia, or a mixture thereof is preferable. By using these, a compound having a high water holding ability is formed. Specific examples of the hydrophilic compound include titanium oxide, silicon oxide, zirconia oxide, and the like.

親水性化合物の付着量については特に限定されない。親水性化合物の量や親水性化合物の種類を制御することによって、黒鉛化カーボン表面の親水性の度合いを調節することができる。   The adhesion amount of the hydrophilic compound is not particularly limited. The degree of hydrophilicity of the graphitized carbon surface can be adjusted by controlling the amount of the hydrophilic compound and the type of the hydrophilic compound.

担持される触媒金属は、特に限定されない。燃料電池用触媒に使用される各種触媒金属が用いられうる。例えば、触媒金属として白金が用いられる。触媒特性を高めるために、イリジウム酸化物などの他成分が白金と共に併用されてもよい。   The catalyst metal to be supported is not particularly limited. Various catalytic metals used for fuel cell catalysts can be used. For example, platinum is used as the catalyst metal. In order to enhance the catalytic properties, other components such as iridium oxide may be used in combination with platinum.

触媒金属の担持量は、触媒の製造コスト、触媒活性、担体の種類などを考慮して決定されればよい。例えば、触媒金属として白金を用いる場合、充分な量の白金を担持させることによって、高い触媒活性を発現させることが可能である。しかしながら、白金は高価であるため触媒の製造コストを上昇させる主要因となる。好ましくは、触媒全体の質量に対して、10〜50質量%の白金が含まれるように、白金担持量を制御する。   The amount of the catalyst metal supported may be determined in consideration of the production cost of the catalyst, the catalyst activity, the type of the support, and the like. For example, when platinum is used as the catalyst metal, high catalytic activity can be expressed by supporting a sufficient amount of platinum. However, since platinum is expensive, it becomes a main factor that increases the manufacturing cost of the catalyst. Preferably, the amount of platinum supported is controlled so that 10 to 50% by mass of platinum is included with respect to the total mass of the catalyst.

本発明の第2は、本発明の第1の燃料電池用触媒、およびプロトン伝導性アイオノマーが、触媒層に配置されてなる燃料電池である。電極触媒層は、空気極であっても燃料極であってもどちらでもよい。双方に本発明の触媒が配置されてもよい。燃料電池の種類については、本発明の触媒が適用可能であれば特に限定されない。好ましくは、本発明の触媒は、固体高分子型燃料電池に用いられる。   A second aspect of the present invention is a fuel cell in which the first fuel cell catalyst of the present invention and a proton conductive ionomer are disposed in a catalyst layer. The electrode catalyst layer may be an air electrode or a fuel electrode. The catalyst of this invention may be arrange | positioned at both. The type of fuel cell is not particularly limited as long as the catalyst of the present invention is applicable. Preferably, the catalyst of the present invention is used for a polymer electrolyte fuel cell.

本発明の触媒を配置することによって、少ない白金担持量で高い発電性能を有する燃料電池が得られる。このため、燃料電池の製造コストを低下させることが可能である。また、黒鉛化カーボンを担体として用いることによって、燃料電池の耐久性が向上するなどの効果も得られる。   By disposing the catalyst of the present invention, a fuel cell having high power generation performance with a small amount of platinum supported can be obtained. For this reason, it is possible to reduce the manufacturing cost of the fuel cell. In addition, by using graphitized carbon as a carrier, effects such as improved durability of the fuel cell can be obtained.

本発明の第3は、親水性官能基を黒鉛化カーボンの表面に付着させる手法を用いた、燃料電池の触媒層の製造方法に関する。具体的には、本発明の第3は、触媒金属を担持する黒鉛化カーボンの表面に、燃料電池の稼動中に消失する親水性官能基を付加する段階と、前記親水性官能基を表面に有する黒鉛化カーボン、およびアイオノマーを含む、触媒インクを調製する段階と、前記触媒インクからなる塗膜を乾燥する段階とを含む、燃料電池の触媒層の製造方法である。以下、工程順に詳細に説明する。   The third aspect of the present invention relates to a method for producing a catalyst layer for a fuel cell, using a technique for attaching a hydrophilic functional group to the surface of graphitized carbon. Specifically, the third aspect of the present invention is the step of adding a hydrophilic functional group that disappears during operation of the fuel cell to the surface of graphitized carbon carrying the catalyst metal, and the hydrophilic functional group on the surface. A method for producing a catalyst layer of a fuel cell, comprising: preparing a catalyst ink containing graphitized carbon having an ionomer; and drying a coating film made of the catalyst ink. Hereinafter, it demonstrates in detail in order of a process.

まず、触媒金属を担持する黒鉛化カーボンの表面に、燃料電池の稼動中に消失する親水性官能基を付加する。用いられる触媒金属および黒鉛化カーボンについては、既に説明した通りであるため、ここでは説明を省略する。また、付加される親水性官能基は、黒鉛化カーボン表面に付着することによって、黒鉛化カーボンの親水性を向上させうる官能基である。親水性官能基の具体例としては、特に限定されないが、カルボキシル基、フェノール性水酸基、水酸基、カルボニル基、ニトロ基、スルホン酸基、およびアミノ基が挙げられる。2種以上の親水性官能基が付加されてもよい。   First, a hydrophilic functional group that disappears during operation of the fuel cell is added to the surface of graphitized carbon carrying the catalyst metal. Since the catalyst metal and graphitized carbon used are as described above, description thereof is omitted here. The hydrophilic functional group to be added is a functional group that can improve the hydrophilicity of the graphitized carbon by adhering to the surface of the graphitized carbon. Specific examples of the hydrophilic functional group include, but are not limited to, a carboxyl group, a phenolic hydroxyl group, a hydroxyl group, a carbonyl group, a nitro group, a sulfonic acid group, and an amino group. Two or more hydrophilic functional groups may be added.

触媒金属を担持する黒鉛化カーボンの表面に親水性官能基を付加する手法としては、特に限定されないが、黒鉛化カーボンを酸で処理する手法が挙げられる。すなわち、触媒金属を担持する黒鉛化カーボンを酸で処理することによって、黒鉛化カーボンの表面に、燃料電池の稼動中に消失する親水性官能基を付加する。   A technique for adding a hydrophilic functional group to the surface of the graphitized carbon carrying the catalyst metal is not particularly limited, and a technique for treating the graphitized carbon with an acid may be mentioned. That is, by treating the graphitized carbon carrying the catalyst metal with an acid, a hydrophilic functional group that disappears during operation of the fuel cell is added to the surface of the graphitized carbon.

黒鉛化カーボンに親水性官能基を付加するために用いられる酸としては、硝酸および硫酸の混合溶液、過マンガン酸カリウム、硝酸、クロロスルホン酸などが挙げられる。酸の種類および濃度を調整することによって、付加される親水性官能基の種類および量を制御可能である。例えば、酸として硝酸および硫酸の混合溶液を用いた場合には、カルボキシル基、カルボニル基、およびエーテル基が導入されやすく、酸として過マンガン酸カリウムを用いた場合には、フェノール性水酸基および水酸基が導入されやすく、酸として硝酸を用いた場合には、アミノ基およびニトロ基が導入されやすく、酸としてクロロスルホン酸を用いた場合には、スルホン酸基が導入されやすい。   Examples of the acid used for adding a hydrophilic functional group to graphitized carbon include a mixed solution of nitric acid and sulfuric acid, potassium permanganate, nitric acid, chlorosulfonic acid, and the like. By adjusting the type and concentration of the acid, the type and amount of the hydrophilic functional group to be added can be controlled. For example, when a mixed solution of nitric acid and sulfuric acid is used as the acid, carboxyl groups, carbonyl groups, and ether groups are easily introduced. When potassium permanganate is used as the acid, phenolic hydroxyl groups and hydroxyl groups are introduced. It is easy to introduce, when nitric acid is used as the acid, amino groups and nitro groups are easily introduced, and when chlorosulfonic acid is used as the acid, sulfonic acid groups are easily introduced.

次に、親水性官能基を表面に有する黒鉛化カーボン、およびアイオノマーを含む、触媒インクを調製する。イソプロピルアルコールなどの他成分が必要に応じて含まれてもよい。触媒インクは、カソード用であってもアノード用であってもよい。場合によっては、1つの触媒インクを、カソードおよびアノードの双方に適用できる。   Next, a catalyst ink containing graphitized carbon having a hydrophilic functional group on the surface and an ionomer is prepared. Other components such as isopropyl alcohol may be included as necessary. The catalyst ink may be for the cathode or for the anode. In some cases, one catalyst ink can be applied to both the cathode and anode.

アイオノマーの種類、配合量、触媒インク調製手段などについては、特に限定されない。既に得られている知見に基づいて適宜調製してもよいし、新たに得られた知見が適用されてもよい。例えば、アイオノマーとしては、ナフィオンTMに代表されるパーフルオロスルホン酸型ポリマーや、非フッ素系芳香族環含有ポリマーにスルホン酸基を導入したポリマーなどの、プロトン伝導性を有するアイオノマーが用いられる。 There are no particular limitations on the type, blending amount, catalyst ink preparation means, and the like of the ionomer. It may be prepared as appropriate based on the knowledge already obtained, or newly obtained knowledge may be applied. For example, as the ionomer, an ionomer having proton conductivity such as a perfluorosulfonic acid type polymer represented by Nafion TM or a polymer in which a sulfonic acid group is introduced into a non-fluorinated aromatic ring-containing polymer is used.

その後、前記触媒インクからなる塗膜を乾燥して、触媒層とする。触媒層は、ポリテトラフルオロエチレンなどのシート上に形成し、その後、必要な箇所に転写されてもよい。または、必要な箇所に、触媒インクを直接塗布することにより、触媒層を形成してもよい。例えば、固体高分子型燃料電池を製造する場合には、高分子電解質膜に、触媒インクを直接塗布することによって触媒層を形成してもよい。   Thereafter, the coating film made of the catalyst ink is dried to form a catalyst layer. The catalyst layer may be formed on a sheet such as polytetrafluoroethylene and then transferred to a necessary place. Or you may form a catalyst layer by apply | coating a catalyst ink directly to a required location. For example, when producing a polymer electrolyte fuel cell, the catalyst layer may be formed by directly applying a catalyst ink to the polymer electrolyte membrane.

親水性官能基を黒鉛化カーボンの表面に付加する手法を用いた場合、この段階では親水性官能基は黒鉛化カーボンの表面に残存しているが、燃料電池の稼動とともに消失していき、黒鉛化カーボンの表面が疎水性に戻る。このような作用により、触媒層におけるフラッディングが防止される。   When using a method of adding hydrophilic functional groups to the surface of graphitized carbon, the hydrophilic functional groups remain on the surface of the graphitized carbon at this stage, but disappear with the operation of the fuel cell. The surface of activated carbon returns to hydrophobic. Such an action prevents flooding in the catalyst layer.

本発明の第4は、親水性化合物を黒鉛化カーボンの表面に付着させる手法を用いた、燃料電池の触媒層の製造方法に関する。具体的には、本発明の第4は、触媒金属を担持する黒鉛化カーボンの表面に、化学処理によって除去されうる親水性化合物を付加する段階と、前記親水性化合物を表面に有する黒鉛化カーボン、およびアイオノマーを含む、触媒インクを調製する段階と、前記触媒インクからなる塗膜を乾燥する段階と、前記塗膜を乾燥した後に、前記塗膜を化学処理することによって、前記親水性化合物を除去する段階とを含む、燃料電池の触媒層の製造方法である。以下、工程順に詳細に説明する。   The 4th of this invention is related with the manufacturing method of the catalyst layer of a fuel cell using the method of making a hydrophilic compound adhere to the surface of graphitized carbon. Specifically, the fourth aspect of the present invention is the step of adding a hydrophilic compound that can be removed by chemical treatment to the surface of the graphitized carbon carrying the catalyst metal, and the graphitized carbon having the hydrophilic compound on the surface. And a step of preparing a catalyst ink containing an ionomer, a step of drying a coating film made of the catalyst ink, and a chemical treatment of the coating film after the coating film has been dried. And a step of removing the catalyst layer. Hereinafter, it demonstrates in detail in order of a process.

まず、触媒金属を担持する黒鉛化カーボンの表面に、化学処理によって除去されうる親水性化合物を付加する。用いられる触媒金属および黒鉛化カーボンについては、既に説明した通りであるため、ここでは説明を省略する。また、付加される親水性化合物は、黒鉛化カーボン表面に付着することによって、黒鉛化カーボンの親水性を向上させうる化合物である。親水性化合物の具体例としては、特に限定されないが、珪素、マグネシウム、スズ、アルミニウム、ニオブ、ルテニウム、タンタル、チタン、亜鉛、ジルコニウム、およびこれらの混合物からなる群より選択される金属の、金属酸化物、金属水酸化物、または金属オキシ水酸化物が挙げられる。2種以上の親水性化合物が付加されてもよい。   First, a hydrophilic compound that can be removed by chemical treatment is added to the surface of graphitized carbon carrying the catalyst metal. Since the catalyst metal and graphitized carbon used are as described above, description thereof is omitted here. The hydrophilic compound to be added is a compound that can improve the hydrophilicity of graphitized carbon by adhering to the surface of graphitized carbon. Specific examples of the hydrophilic compound include, but are not limited to, metal oxidation of a metal selected from the group consisting of silicon, magnesium, tin, aluminum, niobium, ruthenium, tantalum, titanium, zinc, zirconium, and mixtures thereof. Products, metal hydroxides, or metal oxyhydroxides. Two or more hydrophilic compounds may be added.

触媒金属を担持する黒鉛化カーボンの表面に親水性化合物を付加する手法としては、特に限定されないが、黒鉛化カーボンに親水性化合物を担持させる手法が挙げられる。すなわち、化学処理によって除去されうる親水性化合物と触媒金属を担持する黒鉛化カーボンとを液中で混合し、ついで、親水性化合物と触媒金属とからなる混合物を乾燥させて、親水性化合物が表面に担持した前記黒鉛化カーボンを得る。例えば、触媒金属を担持する黒鉛化カーボンと所望の親水性化合物とを水中で混合し、得られる混合物を乾燥させて水を揮発させ、親水性化合物が表面に付着した黒鉛化カーボンを得る。黒鉛化カーボンの表面に付加される親水性化合物の量を制御可能である。   The technique for adding the hydrophilic compound to the surface of the graphitized carbon supporting the catalyst metal is not particularly limited, and a technique for supporting the hydrophilic compound on the graphitized carbon may be mentioned. That is, a hydrophilic compound that can be removed by chemical treatment and graphitized carbon supporting the catalyst metal are mixed in a liquid, and then the mixture of the hydrophilic compound and the catalyst metal is dried to make the hydrophilic compound surface. The graphitized carbon supported on the surface is obtained. For example, graphitized carbon carrying a catalyst metal and a desired hydrophilic compound are mixed in water, and the resulting mixture is dried to volatilize water to obtain graphitized carbon having the hydrophilic compound attached to the surface. The amount of the hydrophilic compound added to the surface of the graphitized carbon can be controlled.

次に、親水性化合物を表面に有する黒鉛化カーボン、およびアイオノマーを含む、触媒インクを調製する。触媒インクの調製に関しては、本発明の第3について説明した通りであるため、ここでは説明を省略する。   Next, a catalyst ink containing graphitized carbon having a hydrophilic compound on the surface and an ionomer is prepared. The preparation of the catalyst ink is the same as that described for the third aspect of the present invention, and thus the description thereof is omitted here.

その後、前記触媒インクからなる塗膜を乾燥して、触媒層として作用する皮膜を得る。触媒層は、ポリテトラフルオロエチレンなどのシート上に形成し、その後、必要な箇所に転写されてもよい。または、必要な箇所に、触媒インクを直接塗布することにより、触媒層を形成してもよい。例えば、固体高分子型燃料電池を製造する場合には、高分子電解質膜に、触媒インクを直接塗布することによって触媒層を形成してもよい。   Thereafter, the coating film made of the catalyst ink is dried to obtain a film acting as a catalyst layer. The catalyst layer may be formed on a sheet such as polytetrafluoroethylene and then transferred to a necessary place. Or you may form a catalyst layer by apply | coating a catalyst ink directly to a required location. For example, when producing a polymer electrolyte fuel cell, the catalyst layer may be formed by directly applying a catalyst ink to the polymer electrolyte membrane.

親水性化合物を黒鉛化カーボンの表面に付加する手法を用いた場合、この段階では親水性化合物は黒鉛化カーボンの表面に残存している。親水性化合物は、黒鉛化カーボンおよびアイオノマーからなる触媒インクからなる塗膜を乾燥した後に、塗膜を化学処理することによって除去される。   When a method of adding a hydrophilic compound to the surface of graphitized carbon is used, the hydrophilic compound remains on the surface of the graphitized carbon at this stage. The hydrophilic compound is removed by chemically treating the coating film after drying the coating film made of the catalyst ink made of graphitized carbon and ionomer.

塗膜を化学処理することによって親水性化合物を除去する手法としては、特に限定されないが、塗膜を酸水溶液と接触させることによって、親水性化合物を除去する手法が挙げられる。つまり、酸水溶液で親水性化合物を溶解させて、黒鉛化カーボンの表面から親水性化合物を除去する。このような作用により、触媒層におけるフラッディングが防止される。   A technique for removing the hydrophilic compound by chemically treating the coating film is not particularly limited, and a technique for removing the hydrophilic compound by bringing the coating film into contact with an acid aqueous solution may be mentioned. That is, the hydrophilic compound is dissolved with an acid aqueous solution to remove the hydrophilic compound from the surface of the graphitized carbon. Such an action prevents flooding in the catalyst layer.

酸水溶液は、例えば、硫酸、硝酸、フッ酸、酢酸などの酸を含む水溶液を用いることが好ましい。触媒層を均一に形成する観点からは、酸水溶液は、好ましくは硫酸水溶液である。酸水溶液の濃度は、特に限定されないが、好ましくは0.1〜3M程度である。   As the acid aqueous solution, for example, an aqueous solution containing an acid such as sulfuric acid, nitric acid, hydrofluoric acid, and acetic acid is preferably used. From the viewpoint of uniformly forming the catalyst layer, the acid aqueous solution is preferably a sulfuric acid aqueous solution. The concentration of the acid aqueous solution is not particularly limited, but is preferably about 0.1 to 3M.

酸水溶液により塗膜の化学処理の際の温度は、特に限定されない。エネルギー効率を考慮すれば、常温で行うことが好ましい。また、酸水溶液による塗膜の化学処理時間も特に限定されない。酸水溶液の種類や濃度により異なるが、通常は、30分程度処理すれば、親水性化合物を除去することが可能である。   The temperature during the chemical treatment of the coating film with the acid aqueous solution is not particularly limited. Considering energy efficiency, it is preferable to perform at normal temperature. Further, the chemical treatment time of the coating film with the acid aqueous solution is not particularly limited. Although it depends on the type and concentration of the acid aqueous solution, it is usually possible to remove the hydrophilic compound by treating for about 30 minutes.

<比較例1>
1.触媒インクの調製
白金担持黒鉛化カーボン、アイオノマーとしてDu Pont株式会社製5質量%ナフィオンTM溶液、水、およびイソプロピルアルコール(IPA)を1:0.5:2.5:1の比率で混合し、微粉砕用ホモジナイザーで攪拌・粉砕を行い、触媒インクを得た。
<Comparative Example 1>
1. Preparation of catalyst ink Platinum-supported graphitized carbon, 5% by weight Nafion TM solution manufactured by Du Pont Co., Ltd., water, and isopropyl alcohol (IPA) as an ionomer were mixed at a ratio of 1: 0.5: 2.5: 1. The mixture was stirred and pulverized with a homogenizer for fine pulverization to obtain a catalyst ink.

2.触媒層の作製
調製した触媒インクを、厚さ0.2mmのポリテトラフルオロエチレンシート上にスクリーンプリンタを用いて塗布し、乾燥させてシート状の触媒層を形成させた。白金量は0.4mg/cmとした。
2. Preparation of Catalyst Layer The prepared catalyst ink was applied onto a 0.2 mm thick polytetrafluoroethylene sheet using a screen printer and dried to form a sheet-like catalyst layer. The amount of platinum was 0.4 mg / cm 2 .

3.膜・電極接合体の作製
作製したシート状触媒層二枚の間に電解質膜を挟み、ホットプレスを130℃で10分間行って膜・電極接合体を得た。電解質膜としてはDu Pont株式会社製ナフィオンTM111を使用した。
3. Production of Membrane / Electrode Assembly An electrolyte membrane was sandwiched between two produced sheet-like catalyst layers, and hot pressing was performed at 130 ° C. for 10 minutes to obtain a membrane / electrode assembly. Nafion TM 111 manufactured by Du Pont Co., Ltd. was used as the electrolyte membrane.

4.性能評価
作製した膜・電極接合体を用いて、セル温度70℃で、サイクリックボルタンメトリーによる電気化学的活性表面積(ECA)評価を行ったところ、ECAは50m/g−Ptだった。
4). Performance Evaluation Using the produced membrane / electrode assembly, an electrochemically active surface area (ECA) was evaluated by cyclic voltammetry at a cell temperature of 70 ° C., and the ECA was 50 m 2 / g-Pt.

<実施例1>
1.親水性官能基付加
白金担持黒鉛化カーボンを0.4mol/l過マンガン酸カリウム水溶液中に入れ、70℃で4時間反応させた。反応を終えた白金担持黒鉛化カーボンの粉末をろ過した。粉末を約70℃の蒸留水で十分洗浄し、110℃で乾燥させて、燃料電池の稼動中に消失する親水性官能基であるフェノール性水酸基および水酸基が表面に付加した黒鉛化カーボン、および黒鉛化カーボンに担持されてなる触媒金属として白金を有する、燃料電池用触媒を得た。
<Example 1>
1. Addition of hydrophilic functional group Platinum-supported graphitized carbon was placed in a 0.4 mol / l potassium permanganate aqueous solution and reacted at 70 ° C. for 4 hours. The platinum-supported graphitized carbon powder after the reaction was filtered. The powder is sufficiently washed with distilled water at about 70 ° C. and dried at 110 ° C., and a phenolic hydroxyl group that is a hydrophilic functional group that disappears during operation of the fuel cell and graphitized carbon having a hydroxyl group added to the surface, and graphite A fuel cell catalyst having platinum as a catalyst metal supported on activated carbon was obtained.

2.カソード触媒インクの調製
作製した燃料電池用触媒、アイオノマーとしてDu Pont株式会社製5質量%ナフィオンTM溶液、水、およびIPAを1:0.5:2.5:1の比率で混合し、微粉砕用ホモジナイザーで攪拌・粉砕を行い、カソード触媒インクを得た。
2. Preparation of cathode catalyst ink The prepared fuel cell catalyst, 5% by weight Nafion TM solution made by Du Pont Co., Ltd., water, and IPA as an ionomer were mixed at a ratio of 1: 0.5: 2.5: 1 and pulverized. The mixture was stirred and pulverized with a homogenizer for use to obtain a cathode catalyst ink.

3.アノード触媒インクの調製
白金担持黒鉛化カーボン、アイオノマーとしてDu Pont株式会社製5質量%ナフィオンTM溶液、水、およびIPAを1:0.5:2.5:1の比率で混合し、微粉砕用ホモジナイザーで攪拌・粉砕を行い、アノード触媒インクを得た。
3. Preparation of anode catalyst ink Platinum-supported graphitized carbon, 5% by weight Nafion TM solution made by Du Pont Co., Ltd., water, and IPA as an ionomer were mixed at a ratio of 1: 0.5: 2.5: 1 for fine grinding. Agitation and pulverization were performed with a homogenizer to obtain an anode catalyst ink.

4.触媒層の作製
調製したカソード触媒インクおよびアノード触媒インクを、厚さ0.2mmのポリテトラフルオロエチレンシート上にスクリーンプリンタを用いて塗布し、乾燥させてシート状の触媒層を形成させた。白金量は0.4mg/cmとした。
4). Preparation of Catalyst Layer The prepared cathode catalyst ink and anode catalyst ink were applied onto a 0.2 mm-thick polytetrafluoroethylene sheet using a screen printer and dried to form a sheet-like catalyst layer. The amount of platinum was 0.4 mg / cm 2 .

5.膜・電極接合体の作製
作製したシート状触媒層二枚の間に電解質膜を挟み、ホットプレスを130℃で10分間行って膜・電極接合体を得た。電解質膜としてはDu Pont株式会社製ナフィオンTM111を使用した。
5. Production of Membrane / Electrode Assembly An electrolyte membrane was sandwiched between two produced sheet-like catalyst layers, and hot pressing was performed at 130 ° C. for 10 minutes to obtain a membrane / electrode assembly. Nafion TM 111 manufactured by Du Pont Co., Ltd. was used as the electrolyte membrane.

6.性能評価
作製した膜・電極接合体を用いて、セル温度70℃で、サイクリックボルタンメトリーによるECA評価を行ったところ、親水性官能基を付加しない場合に比べECAが10%向上した。
6). Performance Evaluation Using the produced membrane / electrode assembly, an ECA evaluation was performed by cyclic voltammetry at a cell temperature of 70 ° C. As a result, the ECA was improved by 10% as compared with the case where no hydrophilic functional group was added.

<実施例2>
1.親水性化合物付加
白金担持黒鉛化カーボンと、化学処理によって除去されうる親水性化合物としてチタン酸化物を含むコロイド溶液とを混合した。混合液を攪拌しながら2時間保持し、白金担持黒鉛化カーボン上にチタン酸化物を担持させた。その後、混合液をろ過し、約70℃の蒸留水で十分洗浄し、さらに110℃で乾燥させて、親水性化合物であるチタン酸化物が、白金担持黒鉛化カーボンの表面に付着した燃料電池用触媒を得た。
<Example 2>
1. Hydrophilic Compound Addition Platinum-supported graphitized carbon and a colloidal solution containing titanium oxide as a hydrophilic compound that can be removed by chemical treatment were mixed. The mixed liquid was held for 2 hours with stirring, and titanium oxide was supported on the platinum-supporting graphitized carbon. Thereafter, the mixed solution is filtered, sufficiently washed with distilled water at about 70 ° C., and further dried at 110 ° C., and the titanium oxide as a hydrophilic compound adheres to the surface of the platinum-supported graphitized carbon. A catalyst was obtained.

2.カソード触媒インクの調製
作製した燃料電池用触媒、アイオノマーとしてDu Pont株式会社製5質量%ナフィオンTM溶液、水、およびIPAを1:0.5:2.5:1の比率で混合し、微粉砕用ホモジナイザーで攪拌・粉砕を行い、カソード触媒インクを得た。
2. Preparation of cathode catalyst ink The prepared fuel cell catalyst, 5% by weight Nafion TM solution made by Du Pont Co., Ltd., water, and IPA as an ionomer were mixed at a ratio of 1: 0.5: 2.5: 1 and pulverized. The mixture was stirred and pulverized with a homogenizer for use to obtain a cathode catalyst ink.

3.アノード触媒インクの調製
白金担持黒鉛化カーボン、アイオノマーとしてDu Pont株式会社製5質量%ナフィオンTM溶液、水、およびIPAを1:0.5:2.5:1の比率で混合し、微粉砕用ホモジナイザーで攪拌・粉砕を行い、アノード触媒インクを得た。
3. Preparation of anode catalyst ink Platinum-supported graphitized carbon, 5% by weight Nafion TM solution made by Du Pont Co., Ltd., water, and IPA as an ionomer were mixed at a ratio of 1: 0.5: 2.5: 1 for fine grinding. Agitation and pulverization were performed with a homogenizer to obtain an anode catalyst ink.

4.触媒層の作製
調製したカソード触媒インクおよびアノード触媒インクを、厚さ0.2mmのポリテトラフルオロエチレンシート上にスクリーンプリンタを用いて塗布し、乾燥させてシート状の触媒層を形成させた。白金量は0.4mg/cmとした。
4). Preparation of Catalyst Layer The prepared cathode catalyst ink and anode catalyst ink were applied onto a 0.2 mm-thick polytetrafluoroethylene sheet using a screen printer and dried to form a sheet-like catalyst layer. The amount of platinum was 0.4 mg / cm 2 .

5.膜・電極接合体の作製
作製したシート状触媒層二枚の間に電解質膜を挟み、ホットプレスを130℃で10分間行って膜・電極接合体を得た。電解質膜としてはDu Pont株式会社製ナフィオンTM111を使用した。
5. Production of Membrane / Electrode Assembly An electrolyte membrane was sandwiched between two produced sheet-like catalyst layers, and hot pressing was performed at 130 ° C. for 10 minutes to obtain a membrane / electrode assembly. Nafion TM 111 manufactured by Du Pont Co., Ltd. was used as the electrolyte membrane.

6.親水性化合物の除去
得られた膜・電極接合体を、1mol/lの硫酸水溶液中に1時間浸漬させ、カーボン表面に付着したチタン酸化物を溶解除去した。
6). Removal of hydrophilic compound The obtained membrane-electrode assembly was immersed in a 1 mol / l sulfuric acid aqueous solution for 1 hour to dissolve and remove the titanium oxide adhering to the carbon surface.

7.性能評価
酸水溶液による化学処理を経た膜・電極接合体を用いて、セル温度70℃で、サイクリックボルタンメトリーによるECA評価を行ったところ、親水性化合物を付加しない場合に比べECAが13%向上した。
7). Performance Evaluation ECA evaluation by cyclic voltammetry was performed at a cell temperature of 70 ° C. using a membrane / electrode assembly that had been subjected to chemical treatment with an acid aqueous solution. As a result, ECA was improved by 13% compared to the case where no hydrophilic compound was added. .

<評価>
実施例1および実施例2に示すように、本発明の燃料電池用触媒を用いた場合には、親水性官能基や親水性化合物の作用により、担体である黒鉛化カーボンとアイオノマーとの親和性が高まり、ECAが向上する。
<Evaluation>
As shown in Example 1 and Example 2, when the fuel cell catalyst of the present invention is used, the affinity between graphitized carbon as a carrier and ionomer is exerted by the action of a hydrophilic functional group or a hydrophilic compound. And ECA is improved.

本発明の触媒は、金属触媒が担持された黒鉛化カーボンを用いる燃料電池に適用される。例えば、本発明の触媒は、固体高分子型燃料電池の電極の触媒層に配置される。   The catalyst of the present invention is applied to a fuel cell using graphitized carbon carrying a metal catalyst. For example, the catalyst of this invention is arrange | positioned at the catalyst layer of the electrode of a polymer electrolyte fuel cell.

親水性官能基が表面に配置された黒鉛化カーボンにおける、黒鉛化カーボンとアイオノマーとの親和性を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining affinity of graphitized carbon and ionomer in graphitized carbon in which a hydrophilic functional group is arranged on the surface. 親水性化合物が表面に配置された黒鉛化カーボンにおける、黒鉛化カーボンとアイオノマーとの親和性を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the affinity of graphitized carbon and ionomer in graphitized carbon with which the hydrophilic compound is arrange | positioned on the surface.

符号の説明Explanation of symbols

10…黒鉛化カーボン、20…触媒金属、30…親水性官能基、40…親水性化合物。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Graphitized carbon, 20 ... Catalytic metal, 30 ... Hydrophilic functional group, 40 ... Hydrophilic compound.

Claims (11)

燃料電池の稼動中に消失する親水性官能基、または化学処理によって除去されうる親水性化合物を表面に有する黒鉛化カーボンと、
前記黒鉛化カーボンに担持されてなる触媒金属とを有する、燃料電池用触媒。
Graphitized carbon having a hydrophilic functional group that disappears during operation of the fuel cell or a hydrophilic compound that can be removed by chemical treatment on the surface;
A fuel cell catalyst comprising a catalyst metal supported on the graphitized carbon.
前記親水性官能基は、カルボキシル基、フェノール性水酸基、水酸基、カルボニル基、ニトロ基、スルホン酸基、およびアミノ基からなる群より選択される、請求項1に記載の燃料電池用触媒。   2. The fuel cell catalyst according to claim 1, wherein the hydrophilic functional group is selected from the group consisting of a carboxyl group, a phenolic hydroxyl group, a hydroxyl group, a carbonyl group, a nitro group, a sulfonic acid group, and an amino group. 前記親水性化合物は、珪素、マグネシウム、スズ、アルミニウム、ニオブ、ルテニウム、タンタル、チタン、亜鉛、ジルコニウム、およびこれらの混合物からなる群より選択される金属の、金属酸化物、金属水酸化物、または金属オキシ水酸化物である、請求項1に記載の燃料電池用触媒。   The hydrophilic compound is a metal oxide, metal hydroxide, or metal selected from the group consisting of silicon, magnesium, tin, aluminum, niobium, ruthenium, tantalum, titanium, zinc, zirconium, and mixtures thereof, or The fuel cell catalyst according to claim 1, which is a metal oxyhydroxide. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒、およびプロトン伝導性アイオノマーが、触媒層に配置されてなる燃料電池。   A fuel cell comprising the catalyst for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3 and a proton conductive ionomer arranged in a catalyst layer. 触媒金属を担持する黒鉛化カーボンの表面に、燃料電池の稼動中に消失する親水性官能基を付加する段階と、
前記親水性官能基を表面に有する黒鉛化カーボン、およびアイオノマーを含む、触媒インクを調製する段階と、
前記触媒インクからなる塗膜を乾燥する段階と、
を含む、燃料電池の触媒層の製造方法。
Adding a hydrophilic functional group that disappears during operation of the fuel cell to the surface of graphitized carbon carrying the catalyst metal;
Preparing a catalyst ink comprising graphitized carbon having a hydrophilic functional group on its surface and an ionomer;
Drying the coating film comprising the catalyst ink;
The manufacturing method of the catalyst layer of a fuel cell containing this.
触媒金属を担持する黒鉛化カーボンの表面に、燃料電池の稼動中に消失する親水性官能基を付加する段階は、
触媒金属を担持する黒鉛化カーボンを酸で処理することによって、前記黒鉛化カーボンの表面に、燃料電池の稼動中に消失する親水性官能基を付加する段階である、請求項5に記載の製造方法。
The step of adding a hydrophilic functional group that disappears during operation of the fuel cell to the surface of graphitized carbon carrying the catalyst metal is as follows:
6. The production according to claim 5, wherein the graphitized carbon supporting the catalyst metal is treated with an acid to add a hydrophilic functional group that disappears during operation of the fuel cell to the surface of the graphitized carbon. Method.
前記黒鉛化カーボンの表面に付加される親水性官能基は、カルボキシル基、フェノール性水酸基、水酸基、カルボニル基、ニトロ基、スルホン酸基、およびアミノ基からなる群より選択される、請求項5または6に記載の製造方法。   The hydrophilic functional group added to the surface of the graphitized carbon is selected from the group consisting of a carboxyl group, a phenolic hydroxyl group, a hydroxyl group, a carbonyl group, a nitro group, a sulfonic acid group, and an amino group. 6. The production method according to 6. 触媒金属を担持する黒鉛化カーボンの表面に、化学処理によって除去されうる親水性化合物を付加する段階と、
前記親水性化合物を表面に有する黒鉛化カーボン、およびアイオノマーを含む、触媒インクを調製する段階と、
前記触媒インクからなる塗膜を乾燥する段階と、
前記塗膜を乾燥した後に、前記塗膜を化学処理することによって、前記親水性化合物を除去する段階と、
を含む、燃料電池の触媒層の製造方法。
Adding a hydrophilic compound that can be removed by chemical treatment to the surface of graphitized carbon carrying the catalytic metal;
Preparing a catalyst ink comprising graphitized carbon having the hydrophilic compound on its surface and an ionomer;
Drying the coating film comprising the catalyst ink;
Removing the hydrophilic compound by chemically treating the coating film after drying the coating film;
The manufacturing method of the catalyst layer of a fuel cell containing this.
触媒金属を担持する黒鉛化カーボンの表面に、化学処理によって除去されうる親水性化合物を付加する段階は、
化学処理によって除去されうる親水性化合物と触媒金属を担持する黒鉛化カーボンとを液中で混合する段階と、前記親水性化合物と前記触媒金属とからなる混合物を乾燥させて、前記親水性化合物が表面に担持した前記黒鉛化カーボンを得る段階とを含む、請求項8に記載の製造方法。
The step of adding a hydrophilic compound that can be removed by chemical treatment to the surface of graphitized carbon carrying the catalyst metal is as follows:
Mixing the hydrophilic compound that can be removed by chemical treatment and graphitized carbon carrying the catalyst metal in a liquid; and drying the mixture of the hydrophilic compound and the catalyst metal to obtain the hydrophilic compound The method according to claim 8, further comprising obtaining the graphitized carbon supported on a surface.
前記黒鉛化カーボンの表面に付加される親水性化合物は、珪素、マグネシウム、スズ、アルミニウム、ニオブ、ルテニウム、タンタル、チタン、亜鉛、ジルコニウム、およびこれらの混合物からなる群より選択される金属の、金属酸化物、金属水酸化物、または金属オキシ水酸化物である、請求項8または9に記載の製造方法。   The hydrophilic compound added to the surface of the graphitized carbon is a metal selected from the group consisting of silicon, magnesium, tin, aluminum, niobium, ruthenium, tantalum, titanium, zinc, zirconium, and mixtures thereof. The manufacturing method of Claim 8 or 9 which is an oxide, a metal hydroxide, or a metal oxyhydroxide. 前記塗膜を乾燥した後に、前記塗膜を化学処理することによって、前記親水性化合物を除去する段階は、
前記塗膜を乾燥した後に、前記塗膜を酸水溶液と接触させることによって、前記親水性化合物を除去する段階である、請求項8〜10のいずれか1項に記載の製造方法。
After the coating film is dried, the step of removing the hydrophilic compound by chemically treating the coating film comprises the steps of:
The manufacturing method according to any one of claims 8 to 10, wherein the hydrophilic compound is removed by bringing the coating film into contact with an acid aqueous solution after the coating film is dried.
JP2004177110A 2004-06-15 2004-06-15 Catalyst for fuel cell and manufacturing method of catalyst layer for fuel cell Pending JP2006004662A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004177110A JP2006004662A (en) 2004-06-15 2004-06-15 Catalyst for fuel cell and manufacturing method of catalyst layer for fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004177110A JP2006004662A (en) 2004-06-15 2004-06-15 Catalyst for fuel cell and manufacturing method of catalyst layer for fuel cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2006004662A true JP2006004662A (en) 2006-01-05

Family

ID=35772886

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004177110A Pending JP2006004662A (en) 2004-06-15 2004-06-15 Catalyst for fuel cell and manufacturing method of catalyst layer for fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2006004662A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007287414A (en) * 2006-04-14 2007-11-01 Toyota Motor Corp Membrane electrode assembly for fuel cell and its manufacturing method
US9160008B2 (en) 2010-03-16 2015-10-13 Toppan Printing Co., Ltd Cathode catalyst layer, manufacturing method thereof and membrane electrode assembly
JP2016540118A (en) * 2013-10-25 2016-12-22 オハイオ・ユニバーシティ Electrochemical cell with graphene-covered electrode
CN109524629A (en) * 2017-09-18 2019-03-26 上海杉杉科技有限公司 A kind of preparation method of the spherical silicon-carbon cathode material of lithium ion battery

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007287414A (en) * 2006-04-14 2007-11-01 Toyota Motor Corp Membrane electrode assembly for fuel cell and its manufacturing method
US8906574B2 (en) 2006-04-14 2014-12-09 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell membrane-electrode assembly and production method therefor
US10115991B2 (en) 2006-04-14 2018-10-30 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell membrane-electrode assembly and production method therefor
US9160008B2 (en) 2010-03-16 2015-10-13 Toppan Printing Co., Ltd Cathode catalyst layer, manufacturing method thereof and membrane electrode assembly
JP2016540118A (en) * 2013-10-25 2016-12-22 オハイオ・ユニバーシティ Electrochemical cell with graphene-covered electrode
CN109524629A (en) * 2017-09-18 2019-03-26 上海杉杉科技有限公司 A kind of preparation method of the spherical silicon-carbon cathode material of lithium ion battery

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6125580B2 (en) Three-way platinum alloy catalyst
JP4545403B2 (en) Water-based catalyst inks and their use for the production of catalyst-coated substrates
JP6203286B2 (en) Support carbon material and metal catalyst particle-supported carbon material for polymer electrolyte fuel cell, and production method
KR101823158B1 (en) Anode-side catalyst composition for fuel cell and membrane electrode assembly (mea) for solid polymer-type fuel cell
US20060105226A1 (en) Metal catalyst and fuel cell with electrode including the same
WO2006088194A1 (en) Electrode catalyst and method for producing same
JP2006187744A (en) Carbon carrier and its production method
US7575824B2 (en) Method of improving fuel cell performance by removing at least one metal oxide contaminant from a fuel cell electrode
WO2006114942A1 (en) Particle containing carbon particle, platinum and ruthenium oxide, and method for producing same
JP4759507B2 (en) Fuel cell electrode catalyst and fuel cell using the same
JP2007188768A (en) Polymer electrolyte fuel cell
Ko et al. Redesign of Anode Catalyst for Sustainable Survival of Fuel Cells
JP4992185B2 (en) Catalyst for fuel cell, membrane electrode composite, and solid polymer electrolyte fuel cell
JP2006134752A (en) Solid polymer fuel cell and vehicle
JP2007224300A (en) Polymer membrane, method of manufacturing the same and fuel cell
KR101955666B1 (en) Catalyst electrode of three-phase sepatation and manufacturing method for the same
JP2006004662A (en) Catalyst for fuel cell and manufacturing method of catalyst layer for fuel cell
JP2005294175A (en) Electrode catalyst layer and its manufacturing method
JP2006179427A (en) Electrode catalyst for fuel cell, and the fuel cell
JP4665536B2 (en) Method for producing electrode catalyst layer for fuel cell and fuel cell having the electrode catalyst layer
JP2006160543A (en) Electroconductive material, electrode catalyst for fuel cell using the same, and methods for manufacturing them
JP2005190712A (en) Catalyst carrying electrode, mea for fuel cell, and fuel cell
KR100738059B1 (en) Electrode for fuel cell, manufacturing method thereof, and fuel cell employing the same
JP2020517059A (en) Membrane electrode assembly with improved bond strength
JP2005190887A (en) Electrode catalyst having surface constitution to structure catalyst layer having high performance and durability, and its manufacturing method