JP2007103175A - Electrode for polymeric fuel cell and polymeric fuel cell using the same - Google Patents

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

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for a PEFC and a PEFC using the same showing high output performance and durability over a low temperature state through a high temperature state of humidifying temperature of fuel or an oxidant. <P>SOLUTION: On the electrode for the polymeric fuel cell of which is provided with a catalyst layer containing catalytic powder carrying catalytic metal mainly on a contact face of a proton conducting passage made of cation exchange resin and a surface of carbon, the catalyst layer contains not less than two kinds of catalytic powder of which ion exchanging capacities of the cation exchange resin are different from each other, and respective values of ion exchanging capacities of the cation exchange resin contained in the catalytic powder are not less than 1 milliequivalent/1 gram of dried resin, and less than 1 milliequivalent/1 gram of dried resin. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、陽イオン交換膜を用いた高分子形燃料電池用電極およびそれを用いた高分子形燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a polymer fuel cell electrode using a cation exchange membrane and a polymer fuel cell using the same.

高分子形燃料電池(PEFC)の単セルは、膜/電極接合体を一対のガスフロープレートで挟持した構造である。その膜/電極接合体は、陽イオン交換膜の一方の面にアノ−ドを、もう一方の面にカソ−ドを接合したものである。そのガスフロープレートにはガス流路が加工されており、たとえば、アノ−ドに燃料として水素、カソ−ドに酸化剤として酸素を供給することによって、電力が得られる。そのアノ−ドおよびカソ−ドでは、つぎのような電気化学反応が進行する。   A single cell of a polymer fuel cell (PEFC) has a structure in which a membrane / electrode assembly is sandwiched between a pair of gas flow plates. The membrane / electrode assembly is obtained by bonding an anode to one surface of a cation exchange membrane and a cathode to the other surface. A gas flow path is processed in the gas flow plate. For example, power is obtained by supplying hydrogen as fuel to the anode and oxygen as oxidant to the cathode. In the anode and cathode, the following electrochemical reaction proceeds.

アノ−ド:2H→4H+4e
カソ−ド:O+4H+4e→2H
上記のような電気化学反応は、酸化剤あるいは燃料などの反応物質と、プロトン(H)と電子(e)とが存在する界面(以下、この界面を反応界面と呼ぶことにする)で進行する。
Anod: 2H 2 → 4H + + 4e
Cathode: O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O
The electrochemical reaction as described above is performed at an interface where a reactant such as an oxidant or a fuel, protons (H + ), and electrons (e ) exist (hereinafter, this interface is referred to as a reaction interface). proceed.

PEFCの電極は、触媒金属を含む触媒層と導電性多孔質体とを備える。その導電性多孔質体には撥水性を付与した多孔質なカーボンペーパー、カーボンフェルトあるいはカーボンクロスなどが用いられる。   The PEFC electrode includes a catalyst layer containing a catalyst metal and a conductive porous body. As the conductive porous body, porous carbon paper, carbon felt, carbon cloth or the like imparted with water repellency is used.

従来のPEFC用電極は、例えば特許文献1で開示されているように、触媒金属を担持したカーボン粉末と陽イオン交換樹脂の溶液との混合物を陽イオン交換膜あるいは導電性多孔質体に塗布することによって製作され、触媒層は高分子電解質である陽イオン交換樹脂とカーボン粉末と触媒金属とを含んでいる。   For example, as disclosed in Patent Document 1, a conventional PEFC electrode is applied to a cation exchange membrane or a conductive porous body with a mixture of a carbon powder supporting a catalyst metal and a solution of a cation exchange resin. The catalyst layer includes a cation exchange resin as a polymer electrolyte, carbon powder, and a catalyst metal.

パーフルオロスルホン酸樹脂などの陽イオン交換樹脂は、非特許文献1や非特許文献2に記載されているように、主鎖が集合した疎水性領域と側鎖が集合した親水性領域とにミクロ相分離した構造であることが知られている。   As described in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, cation exchange resins such as perfluorosulfonic acid resin are microscopically divided into a hydrophobic region in which main chains are assembled and a hydrophilic region in which side chains are assembled. It is known to have a phase separated structure.

その疎水性領域は、ポリテトラフルオロエチレンに類似の構造であるので、反応物および水の透過は著しく少ない。一方、そのプロトン伝導経路では、側鎖の先端に結合しているイオン交換基がクラスターを形成しており、そのクラスターに水が取り込まれることによって、対イオンが移動可能な状態になる。つまり、水、プロトンおよび反応物(水素または酸素)は、プロトン伝導経路を移動することができる。   Since the hydrophobic region is a structure similar to polytetrafluoroethylene, there is significantly less permeation of reactants and water. On the other hand, in the proton conduction path, the ion exchange group bonded to the tip of the side chain forms a cluster, and when water is taken into the cluster, the counter ion becomes movable. That is, water, protons and reactants (hydrogen or oxygen) can move through the proton conduction path.

したがって、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に担持された触媒金属は反応界面を形成することができるので、電気化学的な反応に対して活性である。逆に、陽イオン交換樹脂の疎水性領域とカーボンの表面との接面に存在する触媒金属は反応物およびプロトンの供給がおこらないので、電気化学的な反応に対して不活性である。   Therefore, the catalytic metal supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface can form a reaction interface and is active for electrochemical reaction. Conversely, the catalytic metal present at the contact surface between the hydrophobic region of the cation exchange resin and the carbon surface is inert to the electrochemical reaction because the reactant and proton are not supplied.

従来の製造方法によって得られたPEFC用電極では、触媒金属が陽イオン交換樹脂の疎水性領域とカーボンの表面との接面に存在する、すなわち反応界面以外にも存在し、不活性な触媒金属が多く存在しているため、触媒金属の利用率が著しく低い。すなわち、触媒利用率は10%程度であることが、非特許文献3に示されている。   In the PEFC electrode obtained by the conventional manufacturing method, the catalyst metal is present at the contact surface between the hydrophobic region of the cation exchange resin and the carbon surface, that is, other than the reaction interface, and is an inert catalyst metal. Therefore, the utilization rate of the catalyst metal is remarkably low. That is, Non-Patent Document 3 shows that the catalyst utilization rate is about 10%.

PEFC用電極の触媒層における触媒金属の利用率を高める技術が特許文献2に開示されている。すなわち、触媒金属が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に形成される反応界面に主に担持されたものである。この触媒層における触媒金属の利用率は極めて高いことが非特許文献4に示されている。以後、「触媒金属が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に形成される反応界面に主に担持された電極」を「超少量触媒担持電極」と呼ぶことにする。   Patent Document 2 discloses a technique for increasing the utilization rate of a catalyst metal in a catalyst layer of a PEFC electrode. That is, the catalyst metal is mainly supported on the reaction interface formed at the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface. Non-patent document 4 shows that the utilization rate of the catalyst metal in the catalyst layer is extremely high. Hereinafter, the “electrode on which the catalytic metal is mainly supported on the reaction interface formed at the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface” will be referred to as “ultra-small amount catalyst supporting electrode”.

PEFCにおいて、複数の触媒層を用いる技術が特許文献3、特許文献4および特許文献5に開示されている。特許文献3には、活性層(触媒層)が少なくとも2層からなり、それぞれの層中のイオノマーの平均当量重量が少なくとも50異なり、かつ固体ポリマー電解質膜に最も近い位置にある活性層が平均当量重量の低い方のイオノマーを含有することが記載され、固体ポリマー電解質膜に隣接する低い当量重量イオノマーは低電流密度でよりすぐれた性能のために高い水含量をもつ領域を提供し、一方、より少ない親水性高当量重量イオノマーは高い電流密度で膜からの水の移動を助けるものである。   Techniques using a plurality of catalyst layers in PEFC are disclosed in Patent Document 3, Patent Document 4, and Patent Document 5. In Patent Document 3, the active layer (catalyst layer) is composed of at least two layers, the average equivalent weight of the ionomer in each layer is at least 50 different, and the active layer located closest to the solid polymer electrolyte membrane has an average equivalent weight. A lower equivalent weight ionomer adjacent to the solid polymer electrolyte membrane provides a region with a higher water content for better performance at a lower current density, while more Less hydrophilic high equivalent weight ionomers help to transfer water from the membrane at high current densities.

また特許文献4には、PEFCにおいて、カソードがガス拡散層と、ガス拡散層と高分子電解質膜との間に配置される複数の触媒層とを備え、高分子電解質膜に接する最内部の触媒層に含有されているイオン交換樹脂のイオン交換容量X(ミリ当量/g乾燥樹脂)およびガス拡散層に接する最外部の触媒層に含有されているイオン交換樹脂のイオン交換容量Yとの間に0.18≦(X−Y)≦0.70の関係を満たす技術が開示され、起動初期において大電流を流す場合であってもフラッディングの発生を十分に防止するものである。   In Patent Document 4, in PEFC, the innermost catalyst in contact with the polymer electrolyte membrane is provided with a cathode having a gas diffusion layer and a plurality of catalyst layers arranged between the gas diffusion layer and the polymer electrolyte membrane. Between the ion exchange capacity X (milli equivalent / g dry resin) of the ion exchange resin contained in the layer and the ion exchange capacity Y of the ion exchange resin contained in the outermost catalyst layer in contact with the gas diffusion layer A technique that satisfies the relationship of 0.18 ≦ (X−Y) ≦ 0.70 is disclosed and sufficiently prevents flooding even when a large current flows in the initial stage of startup.

さらに特許文献5には、触媒粉末およびEW(イオン交換基の当量重量)の異なる少なくとも2種類のイオン交換樹脂を含む触媒層を構成し、この触媒層内におけるイオン交換樹脂のEWを、触媒層の厚さ方向に沿って変化させ、触媒層の厚さ方向のEWを、ガス拡散層側を大、固体高分子電解質膜側を小とすることが記載され、触媒層中にイオン交換樹脂を含むPEFCにおいて、電解質中水分の過不足とガス拡散阻害の発生の防止を図るものである。
特開平11−045730号公報 特開2000−01204号公報 特開2001−185158号公報 特開2001−338654号公報 特開2002−164057号公報 H.L.Yeager等、J.Electrochem.Soc.,128,1880、(1981) 小久見等、J.Electrochem.Soc.,132,2601(1985) Edson A.Ticianelli、J.Electroanal.Chem、251、275(1988) 人見周二他、第40回電池討論会要旨集、167−168、(1999)
Further, in Patent Document 5, a catalyst layer containing at least two types of ion exchange resins having different catalyst powder and EW (equivalent weight of ion exchange groups) is formed, and the EW of the ion exchange resin in the catalyst layer is defined as the catalyst layer. The EW in the thickness direction of the catalyst layer is changed to be large on the gas diffusion layer side and small on the solid polymer electrolyte membrane side, and an ion exchange resin is placed in the catalyst layer. In the PEFC that is included, it is intended to prevent excessive and insufficient moisture in the electrolyte and gas diffusion inhibition.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-045730 JP 2000-01204 A JP 2001-185158 A JP 2001-338654 A JP 2002-164057 A H. L. Yeager et al. Electrochem. Soc. , 128, 1880, (1981) Okumi et al. Electrochem. Soc. , 132, 2601 (1985) Edson A. Ticianelli, J. et al. Electroanal. Chem, 251, 275 (1988) Shuji Hitomi et al., 40th Battery Discussion Meeting, 167-168, (1999)

超少量触媒担持電極を用いたPEFCでは、触媒層における触媒金属の利用率は極めて高いという利点がある。しかし、超少量触媒担持電極では、触媒金属が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に主に担持されるので、触媒層に過剰の水が蓄積することによって、PEFCの出力性能が著しく低下するという、いわゆるフラディングの影響を強く受けることが問題であった。   In PEFC using an ultra-small amount catalyst-supporting electrode, there is an advantage that the utilization rate of the catalyst metal in the catalyst layer is extremely high. However, in the ultra-small catalyst-carrying electrode, the catalyst metal is mainly carried on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface, so that excess water accumulates in the catalyst layer, thereby The problem is that the output performance is significantly affected by so-called flooding, which is significantly reduced.

このフラディングを抑制するために、イオン交換容量が小さい陽イオン交換樹脂を用いることによって、陽イオン交換樹脂が取り込む水分量を低減し、電極に滞留する水を少なくした結果、その電極を備えるPEFCの出力性能が向上した。   In order to suppress this flooding, by using a cation exchange resin having a small ion exchange capacity, the amount of water taken in by the cation exchange resin is reduced, and the amount of water remaining in the electrode is reduced. Improved output performance.

しかしながら、触媒層にイオン交換容量値が小さい陽イオン交換樹脂を備える超少量触媒担持電極では、燃料あるいは酸化剤の加湿温度の低下にともなって、PEFCの出力性能が著しく低下した。この出力低下は、電極に含まれる陽イオン交換樹脂の含水量が低減することに起因することが明らかになった。   However, in the ultra-small catalyst-carrying electrode provided with a cation exchange resin having a small ion exchange capacity value in the catalyst layer, the output performance of the PEFC is remarkably lowered as the humidification temperature of the fuel or oxidant is lowered. It has been clarified that this decrease in output is caused by a reduction in the water content of the cation exchange resin contained in the electrode.

この現象の一因は、その樹脂は水分の取り込み量が少ないので、その低下によってその樹脂の含水量が著しく低減することであった。さらに、その出力性能の低下によってPEFCの耐久性能が低下することも研究の結果から明らかになった。言い換えると、PEFCの出力性能と耐久性能とを維持するためには、燃料および酸化剤の加湿温度を正確に制御することが不可欠であった。   One cause of this phenomenon is that the water content of the resin is significantly reduced due to its lowering because the resin has less moisture uptake. In addition, the results of research also revealed that the durability performance of PEFC decreases due to the decrease in output performance. In other words, in order to maintain the output performance and durability performance of PEFC, it has been essential to accurately control the humidification temperature of the fuel and the oxidant.

しかしながらその正確な制御は、実用的なPEFCでは非常に煩雑であった。つまり、PEFCの出力性能と耐久性能とを向上するためには、その加湿温度が低い状態から高い状態において、電極の含水量を適正な範囲に維持することが課題であった。   However, the precise control is very complicated in practical PEFC. That is, in order to improve the output performance and durability performance of PEFC, it has been a problem to maintain the moisture content of the electrode within an appropriate range from a low humidification temperature to a high humidification temperature.

特許文献3〜5で開示されている技術は、触媒層に含まれるイオン交換樹脂のイオン交換容量または当量重量(EW)を、触媒層の厚さ方向で異なるものであるが、この技術を特許文献1に記載のような、従来の触媒層の製造方法に適用した場合、イオン交換容量の異なるイオン交換樹脂で被覆された触媒のドメインをランダムに形成することは困難であり、また、そのような技術は開示されていない。   The techniques disclosed in Patent Documents 3 to 5 differ in the ion exchange capacity or equivalent weight (EW) of the ion exchange resin contained in the catalyst layer in the thickness direction of the catalyst layer. When applied to a conventional method for producing a catalyst layer as described in Document 1, it is difficult to randomly form domains of a catalyst coated with ion exchange resins having different ion exchange capacities. No technology is disclosed.

イオン交換容量の異なるイオン交換樹脂で被覆された触媒のドメインをランダムに形成する技術は、カーボン粒子とイオン交換樹脂とがあらかじめ一体にされているという、超少量触媒担持電極の製造方法によってはじめて達成可能である。   The technology to randomly form catalyst domains coated with ion exchange resins with different ion exchange capacities is achieved for the first time by a method for producing ultra-small catalyst-carrying electrodes in which carbon particles and ion exchange resins are integrated in advance. Is possible.

本発明の目的は、燃料あるいは酸化剤の加湿温度が低い状態から高い状態においても高い出力性能と耐久性能とを示すPEFC用電極およびそれを用いたPEFCを提供することである。   An object of the present invention is to provide a PEFC electrode that exhibits high output performance and durability performance even from a low to high humidification temperature of a fuel or an oxidizer, and a PEFC using the same.

請求項1の発明は、触媒金属が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に主に担持された触媒粉末を含む触媒層を備えた高分子形燃料電池用電極において、前記触媒層が陽イオン交換樹脂のイオン交換容量が異なる2種以上の触媒粉末を含むことを特徴とする。   The invention of claim 1 is an electrode for a polymer fuel cell comprising a catalyst layer containing a catalyst powder mainly supported on a contact surface between a proton conduction path of a cation exchange resin and a carbon surface. The catalyst layer includes two or more kinds of catalyst powders having different ion exchange capacities of cation exchange resins.

請求項2の発明は、請求項1に記載の高分子形燃料電池用電極の触媒粉末に含まれる陽イオン交換樹脂のイオン交換容量値が1ミリ当量/g乾燥樹脂以上と、1ミリ当量/g乾燥樹脂未満であることを特徴とする。   The invention of claim 2 is such that the ion exchange capacity value of the cation exchange resin contained in the catalyst powder of the polymer fuel cell electrode according to claim 1 is 1 milliequivalent / g dry resin or more and 1 milliequivalent / It is characterized by being less than g dry resin.

請求項3の発明は、高分子形燃料電池において、請求項1または2記載の高分子形燃料電池用電極を備えることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a polymer fuel cell comprising the polymer fuel cell electrode according to the first or second aspect.

触媒金属が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に主に担持された触媒粉末を備える高分子形燃料電池用電極において、イオン交換容量値が大きい陽イオン交換樹脂と小さい陽イオン交換樹脂を備える2種類以上の触媒粉末を用いることによって、陽イオン交換樹脂が過度に水分を放出することに起因する電極の乾燥と、陽イオン交換樹脂が過剰な水分の取り込むことに起因する電極のフラディングとを抑制できる。   In the polymer fuel cell electrode comprising a catalyst powder in which the catalyst metal is mainly supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface, the cation exchange resin has a large ion exchange capacity value and is small. By using two or more kinds of catalyst powders with cation exchange resin, the cation exchange resin dries the electrode excessively, and the cation exchange resin takes in excessive moisture. Electrode flooding can be suppressed.

その結果、燃料および酸化剤の加湿温度が低い状態から高い状態においても、その電極を備えるPEFCの出力性能および耐久性能を向上することが可能になった。   As a result, it is possible to improve the output performance and durability performance of the PEFC including the electrode even when the humidification temperature of the fuel and the oxidizer is low to high.

超少量触媒担持電極に含まれる、触媒金属が主に陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に担持された触媒粉末の模式図を図1に示す。図1において、11はカーボン粒子、12は陽イオン交換樹脂、13は陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路(親水性領域)、14は陽イオン交換樹脂の疎水性領域、15は触媒金属である。   FIG. 1 shows a schematic view of a catalyst powder in which a catalyst metal contained in an ultra-small catalyst-carrying electrode is carried mainly on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface. In FIG. 1, 11 is carbon particles, 12 is a cation exchange resin, 13 is a proton conduction path (hydrophilic region) of the cation exchange resin, 14 is a hydrophobic region of the cation exchange resin, and 15 is a catalyst metal.

図1に示したように、カーボン粒子11の表面は、陽イオン交換樹脂12によって被覆されている。その陽イオン交換樹脂12は、プロトン伝導経路(親水性領域)13と疎水性領域14とから構成される。そのプロトン伝導経路13とカーボン11の表面との接面に触媒金属15が選択的に担持されている。   As shown in FIG. 1, the surfaces of the carbon particles 11 are covered with a cation exchange resin 12. The cation exchange resin 12 includes a proton conduction path (hydrophilic region) 13 and a hydrophobic region 14. A catalytic metal 15 is selectively supported on the contact surface between the proton conduction path 13 and the surface of the carbon 11.

プロトン伝導経路(親水性領域)13は反応ガスおよび水を排出する通路として働く。したがって、陽イオン交換樹脂12のプロトン伝導経路13とカーボン11の表面との接面に担持された触媒金属15は反応界面を形成することができるので、電気化学的な反応に対して活性である。   The proton conduction path (hydrophilic region) 13 serves as a passage for discharging the reaction gas and water. Therefore, since the catalytic metal 15 supported on the contact surface between the proton conduction path 13 of the cation exchange resin 12 and the surface of the carbon 11 can form a reaction interface, it is active against an electrochemical reaction. .

超少量触媒担持電極は、図1に示したような特殊な構造であるので、水の滞留に起因するフラディングの影響を強く受ける。そのフラディングによって、超少量触媒担持電極を備えるPEFCの出力性能および耐久性能が低下することが研究の結果から明らかになった。   Since the ultra-small catalyst-carrying electrode has a special structure as shown in FIG. 1, it is strongly affected by flooding due to water retention. From the research results, it became clear that the output performance and durability performance of PEFC equipped with an ultra-small amount of catalyst-carrying electrode deteriorated due to the flooding.

本発明は、イオン交換容量値が大きい陽イオン交換樹脂を備える触媒粉末と、イオン交換容量値が小さい陽イオン交換樹脂を備える触媒粉末とを混合して電極に用いることによって、その電極を備えるPEFCの出力性能および耐久性能に著しく向上するという発見にもとづくものである。   The present invention relates to a PEFC comprising an electrode by mixing a catalyst powder comprising a cation exchange resin having a large ion exchange capacity value and a catalyst powder comprising a cation exchange resin having a small ion exchange capacity value. This is based on the discovery that the output performance and durability performance of this product are significantly improved.

陽イオン交換樹脂には、パーフルオロスルホン酸樹脂などのフッ素樹脂系のものが、化学的に安定であることに加えて高いプロトン伝導性であるという理由によって用いられることが多い。陽イオン交換樹脂は、フルオロカーボンの主鎖が集合した疎水性領域とスルホン基をもつ側鎖が会合した親水性領域とに相分離した特殊な構造である。   As the cation exchange resin, a fluororesin resin such as perfluorosulfonic acid resin is often used because it is chemically stable and has high proton conductivity. The cation exchange resin has a special structure in which a phase separation into a hydrophobic region where fluorocarbon main chains are assembled and a hydrophilic region where side chains having sulfone groups are associated.

陽イオン交換樹脂の親水性領域は、外部から水を取り込む性質がある。この水の取り込みによってスルホン基からプロトンが電離し、その親水性領域を移動するこが可能になる。そのスルホン酸基が少ない場合、言い換えるとイオン交換容量が小さい場合は、親水性領域が小さくなり、水の取り込み量も少なくなる。逆に、イオン交換容量が大きい場合は、親水性領域が大きくなり、水の取り込み量も多くなる。   The hydrophilic region of the cation exchange resin has a property of taking water from the outside. This water uptake causes protons to ionize from the sulfone group and move through the hydrophilic region. When the sulfonic acid group is small, in other words, when the ion exchange capacity is small, the hydrophilic region is small and the amount of water taken up is also small. On the contrary, when the ion exchange capacity is large, the hydrophilic region becomes large and the amount of water taken up also increases.

イオン交換容量が小さい陽イオン交換樹脂を備える触媒粉末を用いた場合は、電極のフラディングが起こり難い一方で、燃料あるいは酸化剤の加湿度の低下によって電極が乾燥しやすいという特質がある。   When a catalyst powder including a cation exchange resin having a small ion exchange capacity is used, electrode flooding is unlikely to occur, but the electrode is easily dried due to a decrease in the humidity of the fuel or oxidant.

陽イオン交換樹脂のイオン交換容量は、以下の方法によって測定することができる。陽イオン交換樹脂溶液を用いて、キャスト膜を製作したのちに、一定量を切り出し、HCl水溶液中に浸し、この液を何回か取りかえて、陽イオン交換樹脂をプロトン型にする。つぎに、このキャスト膜を蒸留水中に入れ、HClの浸出が認められなくなるまで充分に洗浄下のちに、2NのNaCl水溶液中に繰り返し浸し、HとNaとを交換させ、溶液中に出たHの全量を標準苛性ソーダ溶液で滴定する。つぎに、Na型になったキャスト膜をClの浸出が認められなくなるまで蒸留水で洗い、取り出して膜表面の余分な水分を拭き取ったのちに、170℃で真空乾燥する。充分水分を除いたのちに、このキャスト膜を密閉容器に手早く移し、膜の乾燥重量を秤量する。Hの滴定で得られた当量(eq)を膜の乾燥重量(g)で除することによって、イオン交換容量を算出する。なお、イオン交換容量の逆数がEW値である。 The ion exchange capacity of the cation exchange resin can be measured by the following method. After producing a cast membrane using a cation exchange resin solution, a certain amount is cut out and immersed in an aqueous HCl solution, and this solution is replaced several times to make the cation exchange resin a proton type. Next, the cast membrane is placed in distilled water, thoroughly washed until HCl leaching is not observed, and then repeatedly immersed in a 2N NaCl aqueous solution to exchange H + and Na +, and then comes out into the solution. The total amount of H + is titrated with a standard caustic soda solution. Next, the cast film in the Na + form is washed with distilled water until Cl + leaching is not observed, taken out, wiped off excess moisture on the film surface, and then vacuum dried at 170 ° C. After sufficiently removing moisture, the cast membrane is quickly transferred to a sealed container, and the dry weight of the membrane is weighed. The ion exchange capacity is calculated by dividing the equivalent weight (eq) obtained by titration of H + by the dry weight (g) of the membrane. The reciprocal of the ion exchange capacity is the EW value.

以下では、イオン交換容量値が大きい陽イオン交換樹脂を備える触媒粉末を「高容量形触媒粉末」と称し、イオン交換容量値が小さい陽イオン交換樹脂を備える触媒粉末を「低容量形触媒粉末」と称することにする。   Hereinafter, a catalyst powder having a cation exchange resin having a large ion exchange capacity value is referred to as a “high capacity catalyst powder”, and a catalyst powder having a cation exchange resin having a small ion exchange capacity value is referred to as a “low capacity catalyst powder”. I will call it.

本発明の、高容量形触媒粉末と低容量形触媒粉末と備える超少量触媒担持電極の模式図を図2に示す。図2において、21は超少量触媒担持電極、22は触媒層、23は導電性多孔質体、24は高容量形触媒粉末、25は低容量形触媒粉末、26は陽イオン交換膜である。   FIG. 2 shows a schematic diagram of an ultra-small catalyst supporting electrode provided with a high capacity catalyst powder and a low capacity catalyst powder of the present invention. In FIG. 2, 21 is an ultra-small catalyst supporting electrode, 22 is a catalyst layer, 23 is a conductive porous body, 24 is a high capacity catalyst powder, 25 is a low capacity catalyst powder, and 26 is a cation exchange membrane.

図2に示したように、超少量触媒担持電極21は触媒層22と導電性多孔質体23とからなり、触媒層22は高容量形触媒粉末24と低容量形触媒粉末25とを含む。高容量形触媒粉末24と低容量形触媒粉末25とは、触媒層22の中にランダムに存在する。さらに、その超少量触媒担持電極21は陽イオン交換膜26に接合されることによって膜/電極接合体を形成することができる。   As shown in FIG. 2, the ultra-small catalyst supporting electrode 21 includes a catalyst layer 22 and a conductive porous body 23, and the catalyst layer 22 includes a high capacity catalyst powder 24 and a low capacity catalyst powder 25. The high capacity catalyst powder 24 and the low capacity catalyst powder 25 are randomly present in the catalyst layer 22. Furthermore, the ultra-small catalyst carrying electrode 21 can be joined to the cation exchange membrane 26 to form a membrane / electrode assembly.

本発明のPEFC用電極では、PEFCの加湿温度が低い場合には、高容量形触媒粉末24の高い保水性によって電極の乾燥が抑制され、加湿温度が高い場合には低容量形触媒粉末25の低い保水性によって電極のフラディングが防止されるので、加湿温度の上昇および低下にともなう電極の乾燥およびフラディングの発生を抑制することができる。   In the PEFC electrode of the present invention, when the humidification temperature of the PEFC is low, drying of the electrode is suppressed by the high water retention of the high-capacity catalyst powder 24, and when the humidification temperature is high, the low-capacity catalyst powder 25 Since the flooding of the electrode is prevented by the low water retention, it is possible to suppress the drying of the electrode and the occurrence of flooding accompanying the increase and decrease of the humidification temperature.

したがって、本発明のPEFC用電極を備えるPEFCの出力性能は、加湿温度が低い状態から高い状態で安定する。さらに、その出力性能が安定することによって電極の劣化が抑制されるので、PEFCの耐久性能も向上することができる。   Therefore, the output performance of the PEFC including the PEFC electrode of the present invention is stable from a low humidification temperature state to a high state. Furthermore, since the output performance is stabilized, deterioration of the electrode is suppressed, so that the durability performance of the PEFC can be improved.

本発明のPEFC用電極においては、高容量形触媒粉末に含まれる陽イオン交換樹脂のイオン交換容量が1ミリ当量/g乾燥樹脂以上とし、低容量形触媒粉末に含まれる陽イオン交換樹脂のイオン交換容量が1ミリ当量/g乾燥樹脂未満とすることにより、フラディング防止効果を高めることができる。   In the electrode for PEFC of the present invention, the ion exchange capacity of the cation exchange resin contained in the high capacity catalyst powder is 1 meq / g dry resin or more, and the ion of the cation exchange resin contained in the low capacity catalyst powder. By making the exchange capacity less than 1 milliequivalent / g dry resin, the effect of preventing flooding can be enhanced.

本発明においては、好ましくは、高容量形触媒粉末に含まれる陽イオン交換樹脂のイオン交換容量の範囲が1.1〜1.4ミリ当量/g乾燥樹脂であり、低容量形触媒粉末に含まれる陽イオン交換樹脂のイオン交換容量の範囲が0.8ミリ当量/g乾燥樹脂以上、1.0ミリ当量/g乾燥樹脂未満である。   In the present invention, the ion exchange capacity of the cation exchange resin contained in the high capacity catalyst powder is preferably 1.1 to 1.4 meq / g dry resin, and is contained in the low capacity catalyst powder. The range of the ion exchange capacity of the cation exchange resin is 0.8 meq / g dry resin or more and less than 1.0 meq / g dry resin.

なお本発明のPEFC用電極において、触媒粉末に含まれる陽イオン交換樹脂のイオン交換容量が3種類以上であってもよい。その場合、触媒粉末に含まれる陽イオン交換樹脂のうち、少なくともひとつのイオン交換容量が1ミリ当量/g乾燥樹脂以上であり、少なくともひとつのイオン交換容量が1ミリ当量/g乾燥樹脂未満であることが好ましい。   In the PEFC electrode of the present invention, the cation exchange resin contained in the catalyst powder may have three or more ion exchange capacities. In that case, among the cation exchange resins contained in the catalyst powder, at least one ion exchange capacity is 1 meq / g dry resin or more, and at least one ion exchange capacity is less than 1 meq / g dry resin. It is preferable.

本発明の触媒粉末を備える触媒層では,高容量形触媒粉末が存在するところは硫黄が多く、逆に、低容量形触媒粉末が存在するところは硫黄が少なくなる。電子線プローブ微小分析法(EPMA)を用いてその触媒層の硫黄の分布を分析することによって、低容量形触媒粉末と高容量形触媒粉末とが混在していることと、さらに、それらの触媒粉末の混合比率を調べることができる。   In the catalyst layer provided with the catalyst powder of the present invention, a high capacity catalyst powder is present in a large amount of sulfur, and conversely, a low capacity catalyst powder is present in a low amount of sulfur. By analyzing the distribution of sulfur in the catalyst layer using electron probe microanalysis (EPMA), the low-capacity catalyst powder and the high-capacity catalyst powder are mixed, and the catalysts are mixed. The mixing ratio of the powder can be examined.

本発明のPEFC用電極に用いる触媒粉末の調製手順はつぎのとおりである。まず、陽イオン交換樹脂の溶液とカーボンとを含む分散物を調製したのちに、その分散物から溶媒を取り除くことによって、陽イオン交換樹脂とカーボンとを含む混合物を製作する。   The procedure for preparing the catalyst powder used in the PEFC electrode of the present invention is as follows. First, a dispersion containing a cation exchange resin solution and carbon is prepared, and then the solvent is removed from the dispersion to produce a mixture containing the cation exchange resin and carbon.

つぎに、触媒金属の陽イオンが含まれる化合物を水またはアルコールを含む水に溶解した溶液を調製したのちに、その溶液に、陽イオン交換樹脂とカーボンとを含む混合物を浸漬し、陽イオン交換樹脂の固定イオン(パーフルオロスルホン酸樹脂の場合は−SO )に触媒金属を含む陽イオンを吸着させ、その後、脱イオン水で洗浄・乾燥する。 Next, after preparing a solution in which a compound containing a catalyst metal cation is dissolved in water or water containing alcohol, a mixture containing a cation exchange resin and carbon is immersed in the solution, and cation exchange is performed. (for perfluorosulfonic acid resin -SO 3 -) fixed ions of the resin to adsorb the cations containing a catalytic metal, then washed and dried with deionized water.

最後に、その吸着した陽イオンを水素雰囲気で還元することによって、カーボンの表面と陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路との接面に主に触媒金属が担持された燃料電池用触媒が調製される。   Finally, the adsorbed cation is reduced in a hydrogen atmosphere to prepare a fuel cell catalyst in which a catalytic metal is mainly supported on the contact surface between the carbon surface and the proton conduction path of the cation exchange resin. .

本発明の製造方法によって得られた触媒混合体に含まれる触媒金属は、カーボンの表面と陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路との接面に主に担持されている。カーボンの表面と陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路との接面は、電子とプロトンとの授受を同時におこなうことのできる場所であるので、この接面に担持された触媒金属は、電極反応に効率的に関与する。したがって、その接面に担持された触媒金属の割合を高めることによって、触媒金属の使用量を低減できる。   The catalytic metal contained in the catalyst mixture obtained by the production method of the present invention is mainly supported on the contact surface between the carbon surface and the proton conduction path of the cation exchange resin. The contact surface between the carbon surface and the proton conduction path of the cation exchange resin is a place where electrons and protons can be exchanged at the same time, so the catalytic metal supported on this contact surface is efficient for electrode reactions. Involved. Therefore, the usage amount of the catalyst metal can be reduced by increasing the ratio of the catalyst metal supported on the contact surface.

本発明のPEFC用触媒混合体において、「触媒金属が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路と炭素材料の表面との接面におもに担持されている」とは、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路に接するカーボン粒子表面に担持された触媒金属量が全触媒金属担持量の50質量%以上であることを意味する。すなわち、全触媒金属担持量の50質量%以上が、電極反応に対して活性な触媒金属であるため、触媒金属の利用率が著しく高くなる。   In the catalyst mixture for PEFC of the present invention, “the catalyst metal is mainly supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the surface of the carbon material” means that the proton conduction path of the cation exchange resin It means that the amount of the catalyst metal supported on the surface of the carbon particles in contact is 50% by mass or more of the total amount of the catalyst metal supported. That is, 50% by mass or more of the total catalytic metal loading is a catalytic metal active for the electrode reaction, so that the utilization rate of the catalytic metal is remarkably increased.

なお、本発明においては、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路に接するカーボン粒子表面に担持された触媒金属量の全触媒金属担持量に対する割合は高いほど好ましく、特に80質量%を超えていることが好ましい。このようにして、プロトン伝導経路とカーボン粒子との接触面に触媒金属を高率で担持させることによって、電極の高活性化をはかることができる。   In the present invention, the ratio of the amount of the catalyst metal supported on the surface of the carbon particles in contact with the proton conduction path of the cation exchange resin to the total amount of the catalyst metal supported is preferably as high as possible, particularly exceeding 80% by mass. preferable. Thus, the electrode can be highly activated by supporting the catalytic metal at a high rate on the contact surface between the proton conduction path and the carbon particles.

本発明の触媒混合体では、触媒金属が炭素質材料と陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路との接面に主に担持されている。このことは、この触媒混合体を備えたPEFCの高電流密度領域における質量活性と、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路と疎水性骨格との体積比とからわかる(M.Kohmoto et.al.,GS Yuasa Technical Report,1,48(2004))。この質量活性とは、ある電圧における電流密度を、単位面積あたりの触媒金属担持量で除したものである。   In the catalyst mixture of the present invention, the catalyst metal is mainly supported on the contact surface between the carbonaceous material and the proton conduction path of the cation exchange resin. This can be seen from the mass activity in the high current density region of PEFC equipped with this catalyst mixture and the volume ratio between the proton conduction path of the cation exchange resin and the hydrophobic skeleton (M. Kohmoto et. Al.,). GS Yuasa Technical Report, 1, 48 (2004)). This mass activity is obtained by dividing the current density at a certain voltage by the amount of catalyst metal supported per unit area.

本発明のPEFC用電極に用いる触媒粉末の調製過程における好適な条件をつぎに説明する。はじめに、陽イオン交換樹脂溶液とカーボンとを混合することによって、スラリー状の分散物を調製する。そのカーボンには、粉末状、顆粒状あるいは繊維状などの形態のものを用いることができ、さらにそれらの混合物を用いてもよい。   The preferable conditions in the preparation process of the catalyst powder used for the electrode for PEFC of this invention are demonstrated below. First, a slurry-like dispersion is prepared by mixing a cation exchange resin solution and carbon. The carbon may be in the form of powder, granules or fibers, and a mixture thereof may be used.

本発明において用いるカーボンは、電子伝導性が高く、かつ表面積が大きいアセチレンブラックあるいはファーネスブラックなどのカーボンブラックが好ましい。さらに、カーボンチューブ、カーボンホーンあるいはカーボン繊維など種々のカーボン材料を用いることができる。   The carbon used in the present invention is preferably carbon black such as acetylene black or furnace black having high electron conductivity and a large surface area. Furthermore, various carbon materials such as carbon tubes, carbon horns, and carbon fibers can be used.

陽イオン交換樹脂溶液とカーボンとを混合したスラリー状の分散物は、たとえば、陽イオン交換樹脂溶液にカーボンを加えたのちに攪拌することによって調製されるが、混合方法には、とくに限定はなく溶液とカーボンとが混ざり合うことができれば、どのような方法を用いてもかまわない。この混合の過程において、その分散物に超音波を照射することによって、さらに効果的に混合溶液とカーボンと混ぜることができる。   The slurry dispersion in which the cation exchange resin solution and carbon are mixed is prepared, for example, by adding carbon to the cation exchange resin solution and then stirring, but the mixing method is not particularly limited. Any method may be used as long as the solution and carbon can be mixed. In this mixing process, the mixed solution and carbon can be more effectively mixed by irradiating the dispersion with ultrasonic waves.

つぎに、陽イオン交換樹脂とカーボンとを含む混合物を調製する。その混合物は、上述の陽イオン交換樹脂溶液とカーボンとの分散物から溶媒を取り除くことによって調製できる。その混合物は、シート状、塊状あるいは粉末状で得られる。   Next, a mixture containing a cation exchange resin and carbon is prepared. The mixture can be prepared by removing the solvent from the cation exchange resin solution and carbon dispersion described above. The mixture is obtained in the form of a sheet, lump or powder.

陽イオン交換樹脂とカーボンとを含む混合物がシート状である場合には、陽イオン交換樹脂溶液とカーボンとを含む分散物を高分子シートあるいは金属箔などの基材に塗布したのちに乾燥することによって得られる。陽イオン交換樹脂とカーボンとを含む混合物が塊状である場合には、その分散物を容器などに入れた状態で乾燥することによって得られる。さらに、陽イオン交換樹脂とカーボンとを含む混合体が粉末状である場合には、その分散物を噴霧乾燥する方法あるいは、シート状や塊状の混合物を粉砕することによって得られる。   When the mixture containing the cation exchange resin and carbon is in the form of a sheet, the dispersion containing the cation exchange resin solution and carbon is applied to a substrate such as a polymer sheet or metal foil and then dried. Obtained by. When the mixture containing the cation exchange resin and carbon is in the form of a lump, it can be obtained by drying the dispersion in a container or the like. Furthermore, when the mixture containing a cation exchange resin and carbon is in a powder form, it can be obtained by spray-drying the dispersion, or by pulverizing a sheet-like or lump-like mixture.

最後に、陽イオン交換樹脂とカーボンとを含む混合物に触媒金属を付与する。この工程では、まず、触媒金属の陽イオンが含まれる化合物を水またはアルコールを含む水に溶解した溶液を調製する。その化合物には、白金族金属を含む陽イオン、あるいは白金族金属の錯イオンを用いることができる。   Finally, a catalytic metal is applied to the mixture containing the cation exchange resin and carbon. In this step, first, a solution is prepared by dissolving a compound containing a catalyst metal cation in water or water containing an alcohol. As the compound, a cation containing a platinum group metal or a complex ion of a platinum group metal can be used.

たとえば、その錯イオンとして、[Pt(NH2+や[Pt(NH4+などとあらわすことができる白金のアンミン錯イオン、または[Ru(NH2+や[Ru(NH3+が好ましい。あるいは、アンミン錯体イオンの他にも、硝酸基あるいはニトロソ基を配位した白金族金属の錯イオンを用いることができる。 For example, as the complex ion, [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ or [Pt (NH 3 ) 6 ] 4+ can be represented as platinum ammine complex ion, or [Ru (NH 3 ) 6 ] 2+ or [ Ru (NH 3 ) 6 ] 3+ is preferred. Alternatively, in addition to the ammine complex ion, a platinum group metal complex ion coordinated with a nitrate group or a nitroso group can be used.

つぎに、その溶液に、陽イオン交換樹脂とカーボンとを含む混合物を浸漬したのちに、その混合物を脱イオン水で洗浄し、乾燥する。その浸漬によって、触媒金属の陽イオンが混合物に含まれる陽イオン交換樹脂に吸着する。その吸着は、陽イオン交換樹脂の対イオンと触媒金属の陽イオンとのイオン交換反応によるものである。そのとき、イオン交換させる陽イオンを2種類以上用いることによって、その混合物に2種類以上の触媒金属の陽イオンを吸着させることができる。   Next, after a mixture containing a cation exchange resin and carbon is immersed in the solution, the mixture is washed with deionized water and dried. By the immersion, the cation of the catalyst metal is adsorbed on the cation exchange resin contained in the mixture. The adsorption is due to an ion exchange reaction between the counter ion of the cation exchange resin and the cation of the catalytic metal. At that time, by using two or more types of cations to be ion-exchanged, two or more types of catalytic metal cations can be adsorbed to the mixture.

この洗浄によって、混合物に含まれる陽イオン交換樹脂に吸着した陽イオン以外は、取り除かれる。その取り除かれる陽イオンには、たとえばカーボンに吸着したものなどが含まれる。   By this washing, other than the cation adsorbed on the cation exchange resin contained in the mixture is removed. The cations removed include, for example, those adsorbed on carbon.

さらに、その陽イオン交換樹脂に吸着した陽イオンを化学的に還元する。その還元には、量産に適するので還元剤を用いる方法が好ましく、とくに、水素ガスまたは水素を含むガスによって気相還元する方法またはヒドラジンを含む不活性ガスによって気相還元する方法が好ましい。ここで、水素ガスを含むガスとは、水素ガスと窒素やヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスとの混合ガスであることが好ましく、水素ガスを10vol%以上含むことが好ましい。   Furthermore, the cation adsorbed on the cation exchange resin is chemically reduced. Since the reduction is suitable for mass production, a method using a reducing agent is preferable. In particular, a method in which gas phase reduction is performed with hydrogen gas or a gas containing hydrogen or a method in which gas phase reduction is performed with an inert gas containing hydrazine is preferable. Here, the gas containing hydrogen gas is preferably a mixed gas of hydrogen gas and an inert gas such as nitrogen, helium, or argon, and preferably contains 10 vol% or more of hydrogen gas.

上述の手順によって本発明の電極を構成する燃料電池用触媒粉末が調製される。その粉末に含まれる陽イオン交換樹脂のイオン交換容量は、陽イオン交換樹脂溶液の種類に応じて決めることができる。   The catalyst powder for a fuel cell constituting the electrode of the present invention is prepared by the above procedure. The ion exchange capacity of the cation exchange resin contained in the powder can be determined according to the type of the cation exchange resin solution.

つぎに、イオン交換容量の値が大きい陽イオン交換樹脂を備える高容量形触媒粉末とその値が小さい樹脂を備える低容量形触媒粉末とをそれぞれ調製したのちに、その高容量形触媒粉末、低容量形触媒粉末および分散媒とを混合し、その混合物を塗布・乾燥することによって本発明の燃料電池用電極を作製することができる。   Next, after preparing a high capacity catalyst powder comprising a cation exchange resin having a large ion exchange capacity value and a low capacity catalyst powder comprising a resin having a small value, the high capacity catalyst powder, The electrode for a fuel cell of the present invention can be produced by mixing the capacity type catalyst powder and the dispersion medium, and applying and drying the mixture.

その高容量形触媒粉末と低容量形触媒粉末との混合割合は、任意に選ぶことができ、通常の運転条件では、その混合割合が重量比で60:40〜40:60の範囲とした場合に、電極の乾燥とフラディングとを抑制する効果が高いので好ましい。   The mixing ratio of the high-capacity catalyst powder and the low-capacity catalyst powder can be arbitrarily selected. Under normal operating conditions, the mixing ratio is 60:40 to 40:60 by weight. Furthermore, it is preferable because the effect of suppressing the drying and flooding of the electrode is high.

さらに、燃料あるいは酸化剤の加湿が低い条件でPEFCを作動させる場合には、高容量形触媒粉末の混合割合を多くすることが、その電池の出力性能および耐久性能を向上できるので好ましい。逆に、燃料あるいは酸化剤の加湿が高い条件でPEFCを作動させる場合には、低容量形触媒粉末の混合割合を多くすることが、その電池の出力性能および耐久性能を向上できるので好ましい。   Furthermore, when the PEFC is operated under conditions where the humidification of the fuel or oxidant is low, it is preferable to increase the mixing ratio of the high capacity catalyst powder because the output performance and durability performance of the battery can be improved. Conversely, when the PEFC is operated under conditions where the fuel or oxidant is highly humidified, it is preferable to increase the mixing ratio of the low-capacity catalyst powder because the output performance and durability performance of the battery can be improved.

上述のように本発明の電極では、高容量形触媒粉末によって電極の乾燥が防止され、さらに低容量形触媒粉末電極によって電極のフラッディングが抑制されるので、その電極を備えるPEFCの出力性能および耐久性能が向上するものと考えられる。   As described above, in the electrode of the present invention, drying of the electrode is prevented by the high-capacity catalyst powder, and further, flooding of the electrode is suppressed by the low-capacity catalyst powder electrode, so that the output performance and durability of the PEFC including the electrode are reduced. It is considered that the performance is improved.

[実施例1〜4および比較例1、2]
[実施例1]
以下、好適な実施例を用いて、本発明の具体的な例を説明する。触媒粉末を製作する手順は、つぎにとおりである。
[Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2]
[Example 1]
Hereinafter, specific examples of the present invention will be described using preferred embodiments. The procedure for producing the catalyst powder is as follows.

イオン交換容量が0.92ミリ当量/g乾燥樹脂である陽イオン交換樹脂溶液A(濃度5質量%)320g、エタノール160gおよび脱イオン水160gを混合したのちに、その溶液にカーボンブラック(Vulcan XC−72、キャボット社製)24gを添加し、真空混合機で混合して分散物を調製し、さらに、その分散物に超音波照射装置で超音波を照射したのち、その分散物を噴霧乾燥することによって粉末状の混合物を調製した。   After mixing 320 g of cation exchange resin solution A (concentration 5 mass%) having an ion exchange capacity of 0.92 meq / g dry resin, 160 g of ethanol and 160 g of deionized water, carbon black (Vulcan XC) was added to the solution. -72, manufactured by Cabot Corporation) is added and mixed with a vacuum mixer to prepare a dispersion. Further, the dispersion is irradiated with ultrasonic waves with an ultrasonic irradiation device, and then the dispersion is spray-dried. A powdery mixture was prepared.

つぎに、その粉末状の混合物35gを、50mmol/l濃度の[Pt(NH]Cl水溶液250mlに6時間以上浸漬することによって、その混合物に含まれる陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路に白金アンミン錯体の陽イオン[Pt(NH2+を吸着し、そのあと、その混合物を脱イオン水で充分洗浄したのちに乾燥した。 Next, 35 g of the powdery mixture is immersed in 250 ml of a 50 mmol / l concentration [Pt (NH 3 ) 4 ] Cl 2 aqueous solution for 6 hours or more, so that the proton conduction pathway of the cation exchange resin contained in the mixture is obtained. Was adsorbed with the cation [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ of the platinum ammine complex, and the mixture was thoroughly washed with deionized water and dried.

最後に、その混合物を還元器に設置して、水素雰囲気、150℃の条件で6時間保持することによって、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に主に触媒金属が担持された低容量形触媒粉末Aを調製した。この触媒粉末は、担持された白金の重量がカーボンブラックの重量に対して約3.0質量%であった。   Finally, the mixture is placed in a reducer and maintained in a hydrogen atmosphere at 150 ° C. for 6 hours, so that the catalytic metal is mainly on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface. A supported low volume catalyst powder A was prepared. In this catalyst powder, the weight of platinum supported was about 3.0 mass% with respect to the weight of carbon black.

つぎに、イオン交換容量が1.11ミリ当量/g乾燥樹脂である陽イオン交換樹脂溶液X(濃度5質量%)を用いた以外は、上述の低容量形触媒粉末の調製と同様の条件で、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に主に触媒金属が担持された高容量形触媒粉末Xを調製した。この触媒粉末は、担持された白金の重量がカーボンブラックの重量に対して約3.6質量%であった。   Next, under the same conditions as in the preparation of the low-capacity catalyst powder described above, except that the cation exchange resin solution X (concentration 5 mass%) having an ion exchange capacity of 1.11 meq / g dry resin was used. A high-capacity catalyst powder X in which a catalytic metal was mainly supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface was prepared. In this catalyst powder, the weight of platinum supported was about 3.6 mass% with respect to the weight of carbon black.

カーボンペーパー(360μm厚)の一方に面に、電子伝導性微細孔層を備える導電性多孔体層を製作した。その作製手順は、つぎのとおりである。カーボンペーパーを固形分10質量%のポリテトラフロロエチレン(PTFE)ディスパージョンに浸漬したのちに、余剰のディスパージョンをろ紙で除去し、つぎに、室温で2時間、80℃の乾燥機で1時間乾燥した。   A conductive porous layer having an electron conductive microporous layer on one surface of carbon paper (360 μm thick) was manufactured. The manufacturing procedure is as follows. After immersing the carbon paper in a polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion having a solid content of 10% by mass, the excess dispersion is removed with a filter paper, and then at room temperature for 2 hours and at 80 ° C. for 1 hour with a dryer. Dried.

そのカーボンペーパーに電子伝導性微細孔層用のペースト状の混合物を塗布・乾燥したのちに、それを350℃の乾燥機で1時間乾燥した。その電子伝導性微細孔層用の混合物には、水200g、カーボンブラック(Vulcan XC−72、キャボット社製)15gおよび固形分60質量%のPTFEディスパージョン16.7gとを混合したものを用いた。   The carbon paper was coated and dried with a paste-like mixture for the electron conductive microporous layer, and then dried with a dryer at 350 ° C. for 1 hour. A mixture of 200 g of water, 15 g of carbon black (Vulcan XC-72, manufactured by Cabot) and 16.7 g of a PTFE dispersion with a solid content of 60% by mass was used as the mixture for the electron conductive microporous layer. .

さらに、導電性多孔体層に触媒層を形成することによって、電極を製作した。その作製手順は、つぎのとおりである。上述の導電性多孔体層の電子伝導性微細孔層が形成された面に、触媒層用のペースト状の混合物を塗布・乾燥したのちに、それを100℃で2時間、真空乾燥した。   Further, an electrode was manufactured by forming a catalyst layer on the conductive porous layer. The manufacturing procedure is as follows. After applying and drying the paste-like mixture for the catalyst layer on the surface of the conductive porous body layer on which the electron conductive microporous layer was formed, it was vacuum dried at 100 ° C. for 2 hours.

その触媒層用混合物の調製は、低容量形触媒粉末A7.5g、高容量形触媒粉末X7.5gおよび2-メチルエチルピロリドン(NMP)32gとを二軸回転式混合機で30分間混合し、つづいてその混合物に固形分60質量%のPTFEディスパージョン6.4gを加えたのちに、二軸回転式混合機で30分間、混合することによっておこなわれた。その触媒層の白金担持量を0.06mg/cmとし、電極の大きさを25cmとした。 The catalyst layer mixture was prepared by mixing 7.5 g of low-capacity catalyst powder A, 7.5 g of high-capacity catalyst powder and 32 g of 2-methylethylpyrrolidone (NMP) in a twin-screw rotary mixer for 30 minutes. Subsequently, 6.4 g of a PTFE dispersion having a solid content of 60% by mass was added to the mixture, followed by mixing with a twin-screw rotary mixer for 30 minutes. The amount of platinum supported on the catalyst layer was 0.06 mg / cm 2 and the size of the electrode was 25 cm 2 .

最後に、電極と陽イオン交換膜とを加熱圧接することによって、膜/電極接合体(MEA)を製作した。その接合手順は、つぎのとおりである。まず、電極/陽イオン交換膜/電極の順に重ねたのちに、その積層物を平プレス機で圧迫し、さらに145℃に加熱して5分間保持した。それぞれの電極には、実施例1で製作した同仕様のものを用いた。その陽イオン交換膜には、DuPont社製のNafion115膜を用いた。   Finally, a membrane / electrode assembly (MEA) was manufactured by heat-pressing the electrode and the cation exchange membrane. The joining procedure is as follows. First, after stacking in the order of electrode / cation exchange membrane / electrode, the laminate was pressed with a flat press and further heated to 145 ° C. and held for 5 minutes. The same specification manufactured in Example 1 was used for each electrode. As the cation exchange membrane, a Nafion 115 membrane manufactured by DuPont was used.

その膜には、0.5mol/l濃度の希硫酸で1時間煮沸し、その後、脱イオン水で5回洗浄するという前処理を施した。このMEAを実施例1のMEAとし、そのMEAを備える実施例1の高分子形燃料電池(PEFC)を製作した。   The membrane was pretreated by boiling with dilute sulfuric acid at a concentration of 0.5 mol / l for 1 hour and then washing 5 times with deionized water. This MEA was used as the MEA of Example 1, and a polymer fuel cell (PEFC) of Example 1 having the MEA was manufactured.

[実施例2]
イオン交換容量が0.81ミリ当量/g乾燥樹脂である陽イオン交換樹脂溶液B(濃度5質量%)を用いた以外は実施例1の低容量形触媒粉末の調製と同様の条件で、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に主に触媒金属が担持された低容量形触媒粉末Bを調製した。この触媒粉末は、担持された白金の重量がカーボンブラックの重量に対して約2.7質量%であった。
[Example 2]
Under the same conditions as in the preparation of the low-capacity catalyst powder of Example 1, except that the cation exchange resin solution B (concentration 5 mass%) having an ion exchange capacity of 0.81 meq / g dry resin was used. A low-capacity catalyst powder B in which a catalytic metal was mainly supported on the contact surface between the proton conduction path of the ion exchange resin and the carbon surface was prepared. In this catalyst powder, the weight of platinum supported was about 2.7% by mass based on the weight of carbon black.

イオン交換容量が1.37ミリ当量/g乾燥樹脂である陽イオン交換樹脂溶液Y(濃度5質量%)を用いた以外は、実施例1の低容量形触媒粉末の調製と同様の条件で、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に主に触媒金属が担持された高容量形触媒粉末Yを調製した。この触媒粉末は、担持された白金の重量がカーボンブラックの重量に対して約4.4質量%であった。   Except for using the cation exchange resin solution Y (concentration 5 mass%) whose ion exchange capacity is 1.37 meq / g dry resin, under the same conditions as the preparation of the low capacity catalyst powder of Example 1, A high-capacity catalyst powder Y in which a catalytic metal was mainly supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface was prepared. In this catalyst powder, the weight of platinum supported was about 4.4 mass% with respect to the weight of carbon black.

低容量形触媒粉末Bと高容量形触媒粉末Yとを用いた以外は、実施例1と同様にしてMEAを作製し、このMEAを備える実施例2のPEFCを製作した。   An MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that the low-capacity catalyst powder B and the high-capacity catalyst powder Y were used, and a PEFC of Example 2 having this MEA was produced.

[実施例3]
低容量形触媒粉末Aと高容量形触媒粉末Yとを用いた以外は実施例1と同様にしてMEAを作製し、このMEAを備える実施例3のPEFCを製作した。
[Example 3]
An MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that the low-capacity catalyst powder A and the high-capacity catalyst powder Y were used, and a PEFC of Example 3 having this MEA was produced.

[実施例4]
低容量形触媒粉末Bと高容量形触媒粉末Xとを用いた以外は実施例1と同様にしてMEAを作製し、このMEAを備える実施例4のPEFCを製作した。
[Example 4]
An MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that the low-capacity catalyst powder B and the high-capacity catalyst powder X were used, and a PEFC of Example 4 having this MEA was produced.

[比較例1]
触媒層用混合物の調製に、低容量形触媒粉末A15gと2-メチルエチルピロリドン(NMP)32gとを用いた以外は実施例1と同様にしてMEAを作製し、このMEAを備える比較例1のPEFCを製作した。
[Comparative Example 1]
An MEA was prepared in the same manner as in Example 1 except that 15 g of low-capacity catalyst powder A and 32 g of 2-methylethylpyrrolidone (NMP) were used for the preparation of the catalyst layer mixture. Made PEFC.

[比較例2]
触媒層用混合物の調製に、高容量形触媒粉末X15gと2-メチルエチルピロリドン(NMP)32gとを用いた以外は実施例1と同様にしてMEAを作製し、このMEAを備える比較例2のPEFCを製作した。
[Comparative Example 2]
An MEA was prepared in the same manner as in Example 1 except that 15 g of high capacity catalyst powder X and 32 g of 2-methylethylpyrrolidone (NMP) were used for the preparation of the catalyst layer mixture. Made PEFC.

[PEFCの特性]
実施例1〜4および比較例1、2のPEFCの出力性能と耐久性能とを評価した。その評価の条件はつぎのとおりである。電池温度を70℃、加湿方法をバブラー式加湿器、空気および水素の加湿温度を70℃、空気および水素の供給量を化学量論比2.5および1.25、電流密度を250mA/cmとした。この条件では、PEFCは十分に加湿された条件で作動する。
[Characteristics of PEFC]
The output performance and durability performance of the PEFCs of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 were evaluated. The conditions for the evaluation are as follows. The cell temperature is 70 ° C., the humidification method is a bubbler humidifier, the humidification temperature of air and hydrogen is 70 ° C., the supply amounts of air and hydrogen are stoichiometric ratios of 2.5 and 1.25, and the current density is 250 mA / cm 2. It was. Under this condition, the PEFC operates under fully humidified conditions.

この条件で作動開始から100時間後と1600時間後とのセル電圧の値を測定した。その測定の値を表1に示す。その表には、100時間から1600時間における1時間あたりのセル電圧の低下率を示す。その低下率は、PEFCの耐久性能を示すものであり、その率が小さいものほど高い耐久性能であることを示す。   Under these conditions, cell voltage values were measured 100 hours and 1600 hours after the start of operation. The measured values are shown in Table 1. The table shows the cell voltage reduction rate per hour from 100 hours to 1600 hours. The decrease rate indicates the durability performance of PEFC, and the smaller the rate, the higher the durability performance.

Figure 2007103175
表1から、100時間後における比較例2のPEFCのセル電圧値は、実施例1〜4および比較例1のものよりも高いが、1600時間後においてはその値が最も低くなった。言い換えると、比較例2のPEFCではセル電圧の低下が他のいずれの電池よりも大きいことがわかった。
Figure 2007103175
From Table 1, the cell voltage value of PEFC of Comparative Example 2 after 100 hours was higher than that of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1, but the value was lowest after 1600 hours. In other words, in the PEFC of Comparative Example 2, it was found that the cell voltage drop was larger than that of any other battery.

この結果は、比較例2の超少量触媒担持電極には、イオン交換容量値が高い陽イオン交換樹脂のみが含まれるので、運転開始直後にはその樹脂のプロトン伝導性が高いことによってセル電圧も高いが、一方で、連続作動によって電極での水の生成にともなって保水性の高い樹脂に水が過剰に蓄積されるのでフラディングが起こり、セル電圧が著しく低下したものと考えられる。フラディングにともなうセル電圧の低下によって、比較例2のPEFCの低下率が大きくなったものと考えられる。このセル電圧の低下は、従来の超少量触媒担持電極の課題であった。   As a result, since the ultra-small catalyst-carrying electrode of Comparative Example 2 contains only a cation exchange resin having a high ion exchange capacity value, the cell voltage is also increased due to the high proton conductivity of the resin immediately after the start of operation. Although it is high, on the other hand, it is considered that flooding occurs due to excessive accumulation of water in a resin having high water retention with the generation of water at the electrode due to continuous operation, and the cell voltage is significantly reduced. It is considered that the decrease rate of PEFC in Comparative Example 2 was increased due to the decrease in cell voltage accompanying flooding. This reduction in cell voltage has been a problem with conventional ultra-small catalyst supported electrodes.

一方、比較例1では、100時間後におけるセル電圧は他のどのPEFCよりも低いが、セル電圧の低下率は最も小さいことがわかる。この結果は、比較例1の超少量触媒担持電極には、イオン交換容量値が低い陽イオン交換樹脂のみが含まれるので、その樹脂の保水性が低いことによってフラディングが抑制されたことに起因するものと思われる。   On the other hand, in Comparative Example 1, the cell voltage after 100 hours is lower than that of any other PEFC, but the cell voltage decrease rate is the smallest. This result is attributed to the fact that the ultra-small catalyst-carrying electrode of Comparative Example 1 contains only a cation exchange resin having a low ion exchange capacity value, and therefore flooding was suppressed due to the low water retention of the resin. It seems to do.

また、実施例1〜4のPEFCの低下率からわかるように、電極に低容量形触媒粉末と高容量形触媒粉末とを含ませることによって、100時間後のセル電圧を高くすることと、連続運転にともなうセル電圧の低下率を低くすることとを両立できることがわかる。この両立は、高い加湿温度では低容量形触媒粉末によってフラッディングが抑制され、逆に、低い加湿温度では高容量形触媒粉末によって乾燥が抑制されることに起因するものと考えられる。   Moreover, as can be seen from the rate of decrease in PEFC in Examples 1 to 4, by increasing the cell voltage after 100 hours by including a low-capacity catalyst powder and a high-capacity catalyst powder in the electrode, It can be seen that it is possible to achieve both a reduction in the cell voltage decrease rate during operation. This coexistence can be attributed to the fact that flooding is suppressed by the low-capacity catalyst powder at high humidification temperatures, and conversely, drying is suppressed by the high-capacity catalyst powder at low humidification temperatures.

つぎに、空気および水素の加湿温度を55℃に変更した以外は上記と同様の条件で同様の実験をおこなった。この条件では、空気および水素は低加湿の状態である。この条件で作動開始から100時間後と1600時間後とのセル電圧の値を測定した。そのセル電圧の値と低下率とを表2に示す。   Next, a similar experiment was performed under the same conditions as above except that the humidification temperature of air and hydrogen was changed to 55 ° C. Under this condition, air and hydrogen are in a low humidified state. Under these conditions, cell voltage values were measured 100 hours and 1600 hours after the start of operation. Table 2 shows the cell voltage values and the rate of decrease.

Figure 2007103175
表2と表1とを比較することによって、低い加湿温度では全てのPEFCのセル電圧が低下することがわかる。このセル電圧の低下は、電極および電解質膜の保水量が低減したことに起因するものと考えられる。
Figure 2007103175
By comparing Table 2 and Table 1, it can be seen that the cell voltage of all PEFCs decreases at low humidification temperatures. This decrease in the cell voltage is considered to be caused by a decrease in the water retention amount of the electrode and the electrolyte membrane.

保水性が高い高容量形触媒粉末を備える比較例2の場合では、加湿温度の低下にともなうセル電圧の低下が少ないことから、その電極は、低加湿でも比較的良好に作動することがわかった。   In the case of Comparative Example 2 having a high-capacity catalyst powder with high water retention, it was found that the electrode operates relatively well even at low humidification because there is little decrease in the cell voltage accompanying the decrease in humidification temperature. .

一方、比較例1のPEFCでは、100時間後のセル電圧も低く、さらにセル電圧の低下率も著しく大きいことがわかる。この結果、低イオン交換容量のイオン交換樹脂を備える電極は、低い加湿温度では耐久性能が著しく低下することがわかった。   On the other hand, in the PEFC of Comparative Example 1, it can be seen that the cell voltage after 100 hours is low, and the cell voltage decrease rate is remarkably large. As a result, it was found that the durability of an electrode provided with an ion exchange resin having a low ion exchange capacity is remarkably lowered at a low humidification temperature.

また、実施例1から実施例4のPEFCの低下率は実施例1の場合の半分以下であることからわかるように、電極に低容量形触媒粉末と高容量形触媒粉末とを含ませることによって、低い加湿温度でも、連続運転にともなうセル電圧の低下率を抑制できることがわかった。   Further, as can be seen from the fact that the rate of decrease in PEFC in Examples 1 to 4 is less than half that in Example 1, it is possible to include low capacity catalyst powder and high capacity catalyst powder in the electrode. It was also found that the cell voltage reduction rate with continuous operation can be suppressed even at low humidification temperatures.

[実施例5および6]
[実施例5]
低容量形触媒粉末A3.5gと低容量形触媒粉末B3.5gと高容量形触媒粉末X8gとを用いた以外は実施例1と同様にしてMEAを作製し、このMEAを備える実施例5のPEFCを製作した。
[Examples 5 and 6]
[Example 5]
An MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that 3.5 g of the low capacity catalyst powder A, 3.5 g of the low capacity catalyst powder B, and 8 g of the high capacity catalyst powder X8 g were used. Made PEFC.

[実施例6]
低容量形触媒粉末A7gと高容量形触媒粉末X4gと高容量形触媒粉末Y4gとを用いた以外は実施例1と同様にしてMEAを作製し、このMEAを備える実施例6のPEFCを製作した。
[Example 6]
An MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that 7 g of the low-capacity catalyst powder A, 4 g of the high-capacity catalyst powder X4 g, and high-capacity catalyst powder Y4 g were used, and a PEFC of Example 6 equipped with this MEA was produced. .

[PEFCの特性]
実施例5および6のPEFCの出力性能と耐久性能とを、実施例1と同様の条件で評価した。その評価の条件は、電池温度を70℃、加湿方法をバブラー式加湿器、空気および水素の加湿温度を70℃、空気および水素の供給量を化学量論比2.5および1.25、電流密度を250mA/cmとした。
[Characteristics of PEFC]
The output performance and durability performance of the PEFCs of Examples 5 and 6 were evaluated under the same conditions as in Example 1. The conditions for the evaluation were as follows: the battery temperature was 70 ° C., the humidification method was a bubbler humidifier, the humidification temperature of air and hydrogen was 70 ° C., the supply amounts of air and hydrogen were stoichiometric ratios of 2.5 and 1.25, current The density was 250 mA / cm 2 .

この条件で作動開始から100時間後と1600時間後とのセル電圧の値を測定し、測定値と100時間から1600時間における1時間あたりのセル電圧の低下率とを表3に示す。   Under these conditions, the cell voltage values after 100 hours and 1600 hours from the start of operation were measured, and the measured values and the cell voltage decrease rate per hour from 100 hours to 1600 hours are shown in Table 3.

Figure 2007103175
表3から、触媒粉末として、低容量形触媒粉末と高容量形触媒粉末とを3種類混合して用いた場合においても、セル電圧および1時間あたりのセル電圧の低下率は、低容量形触媒粉末と高容量形触媒粉末とを1種類づつ混合した実施例1〜4の場合と同様の、優れた特性を示した。
Figure 2007103175
From Table 3, even when three kinds of low-capacity catalyst powder and high-capacity catalyst powder are mixed and used as the catalyst powder, the cell voltage and the rate of decrease in cell voltage per hour are low-capacity catalyst. The same excellent characteristics as in Examples 1 to 4 in which the powder and the high-capacity catalyst powder were mixed one by one were exhibited.

以上のように、本発明の低容量形触媒粉末と高容量形触媒粉末とを備える超少量触媒担持電極は、連続運転のときのフラディングに起因するセル電圧の低下を抑制できるとともに、低い加湿温度でも高い出力性能と耐久性能とを両立できることが明らかになった。加湿温度が低い場合でも作動が可能であることは、加湿装置を簡素化できるなどPEFCの実用化に極めて有効であるものといえる。   As described above, the ultra-small catalyst-carrying electrode comprising the low-capacity catalyst powder and the high-capacity catalyst powder according to the present invention can suppress a decrease in cell voltage due to flooding during continuous operation, and has low humidification. It became clear that both high output performance and durability performance can be achieved even at temperatures. The fact that the operation is possible even when the humidification temperature is low can be said to be extremely effective for practical use of PEFC, such as simplifying the humidifier.

触媒金属が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に主に担持された触媒の模式図。The schematic diagram of the catalyst by which the catalyst metal was mainly carry | supported by the contact surface of the proton conduction path | route of cation exchange resin, and the surface of carbon. 低容量形触媒粉末と高容量形触媒粉末とを備える電極の模式図。The schematic diagram of an electrode provided with a low capacity type catalyst powder and a high capacity type catalyst powder.

符号の説明Explanation of symbols

11 カーボン
12 陽イオン交換樹脂
13 陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路(親水性領域)
14 陽イオン交換樹脂の疎水性領域
15 触媒金属
21 超少量触媒担持電極
22 触媒層
23 導電性多孔質体
24 高容量形触媒粉末
25 低容量形触媒粉末
26 陽イオン交換膜
11 Carbon 12 Cation exchange resin 13 Proton conduction path of cation exchange resin (hydrophilic region)
14 Hydrophobic region 15 of cation exchange resin 15 Catalytic metal 21 Ultra-small catalyst supporting electrode 22 Catalyst layer 23 Conductive porous body 24 High capacity catalyst powder 25 Low capacity catalyst powder 26 Cation exchange membrane

Claims (3)

触媒金属が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に主に担持された触媒粉末を含む触媒層を備えた高分子形燃料電池用電極において、前記触媒層が陽イオン交換樹脂のイオン交換容量が異なる2種以上の触媒粉末を含むことを特徴とする高分子形燃料電池用電極。 In a polymer fuel cell electrode having a catalyst layer containing a catalyst powder mainly supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface, the catalyst layer is cation exchange An electrode for a polymer fuel cell, comprising two or more kinds of catalyst powders having different ion exchange capacities of resins. 触媒粉末に含まれる陽イオン交換樹脂のイオン交換容量値が1ミリ当量/g乾燥樹脂以上と、1ミリ当量/g乾燥樹脂未満であることを特徴とする請求項1に記載の高分子形燃料電池用電極。 2. The polymer fuel according to claim 1, wherein the ion exchange capacity value of the cation exchange resin contained in the catalyst powder is 1 meq / g dry resin or more and less than 1 meq / g dry resin. Battery electrode. 請求項1または2記載の高分子形燃料電池用電極を備えることを特徴とする高分子形燃料電池。 A polymer fuel cell comprising the polymer fuel cell electrode according to claim 1.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012123927A (en) * 2010-12-06 2012-06-28 Nippon Soken Inc Catalyst layer member and membrane electrode assembly and fuel cell
JP2018110052A (en) * 2016-12-28 2018-07-12 凸版印刷株式会社 Electrode catalyst layer for fuel cell and manufacturing method thereof
CN113270593A (en) * 2021-04-22 2021-08-17 上海唐锋能源科技有限公司 Membrane electrode for proton exchange membrane fuel cell and preparation method thereof

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000173626A (en) * 1998-12-07 2000-06-23 Japan Storage Battery Co Ltd Electrode for fuel cell and manufacture thereof
JP2000215899A (en) * 1999-01-27 2000-08-04 Japan Storage Battery Co Ltd Manufacture of fuel cell electrode
JP2001118582A (en) * 1999-10-19 2001-04-27 Japan Storage Battery Co Ltd Electrode of fuel cell and method for manufacturing the same
JP2001167770A (en) * 1999-09-27 2001-06-22 Japan Storage Battery Co Ltd Electrode for fuel cell, and method of fabricating the same
JP2001319661A (en) * 2000-05-12 2001-11-16 Japan Storage Battery Co Ltd Catalyst for fuel cell and its manufacturing method
JP2003086191A (en) * 2001-09-11 2003-03-20 Matsushita Electric Ind Co Ltd Solid polymer fuel cell and its manufacturing method

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000173626A (en) * 1998-12-07 2000-06-23 Japan Storage Battery Co Ltd Electrode for fuel cell and manufacture thereof
JP2000215899A (en) * 1999-01-27 2000-08-04 Japan Storage Battery Co Ltd Manufacture of fuel cell electrode
JP2001167770A (en) * 1999-09-27 2001-06-22 Japan Storage Battery Co Ltd Electrode for fuel cell, and method of fabricating the same
JP2001118582A (en) * 1999-10-19 2001-04-27 Japan Storage Battery Co Ltd Electrode of fuel cell and method for manufacturing the same
JP2001319661A (en) * 2000-05-12 2001-11-16 Japan Storage Battery Co Ltd Catalyst for fuel cell and its manufacturing method
JP2003086191A (en) * 2001-09-11 2003-03-20 Matsushita Electric Ind Co Ltd Solid polymer fuel cell and its manufacturing method

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012123927A (en) * 2010-12-06 2012-06-28 Nippon Soken Inc Catalyst layer member and membrane electrode assembly and fuel cell
JP2018110052A (en) * 2016-12-28 2018-07-12 凸版印刷株式会社 Electrode catalyst layer for fuel cell and manufacturing method thereof
CN113270593A (en) * 2021-04-22 2021-08-17 上海唐锋能源科技有限公司 Membrane electrode for proton exchange membrane fuel cell and preparation method thereof
CN113270593B (en) * 2021-04-22 2023-01-31 上海唐锋能源科技有限公司 Membrane electrode for proton exchange membrane fuel cell and preparation method thereof

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