JP2007149417A - Electrode for fuel cell, and method of manufacturing same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for a fuel cell wherein a power generation voltage is not reduced even if a long operation, starting, and stopping are repeated, by preventing a catalyst layer from being deteriorated without lowering the initial power generation voltage of the fuel cell. <P>SOLUTION: The electrode for the fuel cell carries catalyst particles of platinum or the like on a part of a conductive carrier surface made of carbon. A corrosion resistant coating film of silicon oxide or the like is formed on the surface of the carrier except for portions on which the catalyst particles are carried, and thereby, the carrier is prevented from being deteriorated by oxidation. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

この発明は、固体高分子形燃料電池やリン酸形燃料電池に用いられる燃料電池用電極に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell electrode used in a polymer electrolyte fuel cell and a phosphoric acid fuel cell.

固体高分子形燃料電池は、水素を含有した燃料ガスと酸素を含有した酸化剤ガス(例えば空気)とを電解質膜を介して配置された触媒で電気化学反応を起こして発電するシステムである。このような発電システムは、発電による生成物が主に水であることからクリーンエネルギーとして期待されている。最近では、電気自動車用の電源や家庭用の定置型電源として開発が進められており、そのような用途への適用のために、長期間の信頼性確保が重要な課題となっている。   A polymer electrolyte fuel cell is a system that generates electricity by causing an electrochemical reaction between a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas (for example, air) containing oxygen via a catalyst disposed through an electrolyte membrane. Such a power generation system is expected as clean energy because the product of power generation is mainly water. Recently, development has been promoted as a power source for electric vehicles and a stationary power source for home use, and ensuring long-term reliability has become an important issue for application to such applications.

固体高分子形燃料電池においては、高いガス拡散性を有するカーボンペーパーなどの導電性電極支持体の表面に触媒層が形成された電極が用いられる。触媒層は、カーボンブラックなどカーボン製の導電性の担体に貴金属製の触媒微粒子を担持させた触媒で構成されている。一対の電極は、触媒層が高分子電解質膜に接するように配置して接合されている。各電極にそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して、触媒層で電気化学反応を起こして高分子電解質膜を貫通して水素イオンを移動させることで電極間に電流を流して発電している。燃料ガスが供給される電極はアノードと呼ばれ、酸化剤ガスが供給される電極はカソードとなる。   In the polymer electrolyte fuel cell, an electrode having a catalyst layer formed on the surface of a conductive electrode support such as carbon paper having high gas diffusibility is used. The catalyst layer is composed of a catalyst in which noble metal catalyst fine particles are supported on a carbon conductive carrier such as carbon black. The pair of electrodes are arranged and bonded so that the catalyst layer is in contact with the polymer electrolyte membrane. Supplying fuel gas and oxidant gas to each electrode, causing an electrochemical reaction in the catalyst layer and moving hydrogen ions through the polymer electrolyte membrane to generate electricity by passing current between the electrodes Yes. The electrode to which the fuel gas is supplied is called an anode, and the electrode to which the oxidant gas is supplied is a cathode.

このように構成された固体高分子形燃料電池では、長時間の運転や起動および停止を繰り返すことによって発電電圧が減少する場合がある。具体的には、触媒を構成する導電性の担体の酸化によって体積が減少し、触媒微粒子の担体からの脱落とそれに伴う触媒触媒微粒子の凝集などによって、触媒層での電気化学反応の効率が低下し、発電電圧が減少する。とくに酸化剤ガスが供給されるカソードの触媒層においては、次式に示す反応によりカーボン製の担体が酸素と反応して二酸化炭素に分解されて消耗する、いわゆる酸化劣化を起こす場合がある。   In the polymer electrolyte fuel cell configured as described above, the generated voltage may be reduced by repeating the long-time operation, starting and stopping. Specifically, the volume of the catalyst is reduced due to the oxidation of the conductive carrier that constitutes the catalyst, and the efficiency of the electrochemical reaction in the catalyst layer decreases due to the dropping of the catalyst particles from the carrier and the accompanying aggregation of the catalyst catalyst particles. As a result, the generated voltage decreases. In particular, in the catalyst layer of the cathode to which the oxidant gas is supplied, there is a case where a carbon carrier reacts with oxygen and decomposes into carbon dioxide and is consumed due to the reaction shown in the following formula.

C + O → CO
一方、アノードの触媒層においては、燃料ガスの酸化反応とともに水の電気分解や担体の酸化が発生する場合がある。例えば、水を酸化剤として次式に示す反応により担体が二酸化炭素に分解されて消耗する(酸化劣化を起こす)場合がある。
C + O 2 → CO 2
On the other hand, in the anode catalyst layer, water electrolysis and carrier oxidation may occur together with the oxidation reaction of the fuel gas. For example, the carrier may be decomposed into carbon dioxide and consumed (causes oxidative deterioration) by the reaction shown in the following formula using water as an oxidizing agent.

C +HO → CO +4H + 4e
このようなカーボン製の担体の酸化劣化(以下、腐食と記す)に対して、カーボンブラックなどを高温で熱処理してグラファイト化して耐食性を高めたものや、黒鉛化度および比表面積を最適化して排水性を高めたものを担体として用いることが行われている。
C + H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e
For such oxidative deterioration (hereinafter referred to as corrosion) of the carbon carrier, carbon black or the like is heat treated at high temperature to be graphitized to enhance corrosion resistance, and the graphitization degree and specific surface area are optimized. A material having improved drainage is used as a carrier.

しかしながら、グラファイト化して耐食性を高める方法では、担体の比表面積が小さくなるため、この担体を用いた触媒の分散性が低下して触媒微粒子の凝集が起こりやすく初期の発電電圧が低下する問題があった。また、黒鉛化度および比表面積を最適化して排水性を高める方法では、短期的な腐食を改善することはできるが、長期的な腐食はほとんど改善されないという問題があった。   However, in the method of increasing the corrosion resistance by graphitization, the specific surface area of the carrier is reduced, so that the dispersibility of the catalyst using this carrier is reduced, and the catalyst fine particles are likely to aggregate and the initial power generation voltage is lowered. It was. Further, the method for improving drainage by optimizing the degree of graphitization and the specific surface area can improve short-term corrosion, but there is a problem that long-term corrosion is hardly improved.

そのため、別の方法として、カーボンの表面に金属炭化物のコーティング膜を形成して酸化反応を防止したものを担体として用いる方法がある。さらに、このカーボン表面に触媒微粒子を担持させて触媒層を構成するときに、コーティング膜に用いた金属炭化物よりも腐食しやすい性質を備えた金属炭化物の微粒子を混合することで、コーティング膜に用いた金属炭化物の腐食をさらに抑制する方法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。   Therefore, as another method, there is a method in which a metal carbide coating film is formed on the surface of carbon to prevent an oxidation reaction and used as a carrier. Furthermore, when a catalyst layer is formed by supporting catalyst fine particles on the carbon surface, metal carbide fine particles having properties that are more susceptible to corrosion than the metal carbide used in the coating film are mixed to be used for the coating film. A method for further suppressing the corrosion of the metal carbide was disclosed (for example, see Patent Document 1).

特開2004−172107号公報(4−5頁、図2)JP 2004-172107 A (page 4-5, FIG. 2)

しかしながら、従来のカーボンの表面に金属炭化物のコーティング膜を形成して腐食を防止したものを担体として用いる方法では、触媒微粒子は金属炭化物のコーティング膜の上に担持され、触媒微粒子とカーボンとは直接接触されていない。この結果、比較的電気抵抗の高い金属炭化物を介して触媒微粒子とカーボンとが電気的に接続されるため、触媒層の抵抗が大きく、触媒微粒子とカーボンとの間での電子やイオンの移動が妨げられ、電気化学反応の効率が低下する、すなわち初期の発電電圧が低下するという問題があった。   However, in the conventional method in which a metal carbide coating film is formed on the surface of carbon to prevent corrosion, the catalyst fine particles are supported on the metal carbide coating film, and the catalyst fine particles and the carbon are directly There is no contact. As a result, the catalyst fine particles and the carbon are electrically connected via the metal carbide having a relatively high electric resistance, so that the resistance of the catalyst layer is large, and the movement of electrons and ions between the catalyst fine particles and the carbon is large. This hinders the efficiency of the electrochemical reaction, that is, the initial power generation voltage is reduced.

また、触媒層を構成するときに、コーティング膜に用いた金属炭化物よりも腐食しやすい性質を備えた金属炭化物の微粒子を混合する方法では、腐食しやすい金属炭化物が水と反応して金属イオンが溶出する。この結果、溶出した金属イオンによる触媒微粒子の被毒や高分子電解質膜の劣化などが起こり、発電電圧が減少するという問題があった。   In addition, when the catalyst layer is formed, the method of mixing fine particles of metal carbide having the property of being more easily corroded than the metal carbide used in the coating film, the metal carbide that is easily corroded reacts with water and metal ions are formed. Elute. As a result, poisoning of catalyst fine particles by the eluted metal ions, deterioration of the polymer electrolyte membrane, and the like occurred, and there was a problem that the generated voltage decreased.

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、初期の発電電圧を低下させることなく触媒層の劣化を防止し、長時間の運転や起動および停止を繰り返すことによっても発電電圧が減少しない燃料電池用電極を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and prevents deterioration of the catalyst layer without lowering the initial power generation voltage, and can also generate power by repeating long-time operation, starting and stopping. An object of the present invention is to provide a fuel cell electrode in which the voltage does not decrease.

この発明に係る燃料電池用電極においては、導電性を有する担体の表面の一部に触媒微粒子を担持し、触媒微粒子が担持された部分を除く担体の表面に耐食性のコーティング膜を形成したものである。   In the fuel cell electrode according to the present invention, catalyst fine particles are supported on a part of the surface of the carrier having conductivity, and a corrosion-resistant coating film is formed on the surface of the carrier excluding the part where the catalyst fine particles are supported. is there.

この発明は、触媒微粒子が担持された部分を除く担体の表面に耐食性のコーティング膜を形成しているので、触媒微粒子と担体との導電性が低下することがなく、コーティング膜の形成に伴う初期の電池特性の低下を防ぐことができる。さらに、耐食性のコーティング膜によって担体の腐食を防止しているので、触媒微粒子の担体からの脱落とそれに伴う触媒触媒微粒子の凝集を防ぐことができ、長時間の運転や起動および停止を繰り返すことによっても高い発電電圧を維持することができる。   In the present invention, since the corrosion-resistant coating film is formed on the surface of the carrier excluding the part where the catalyst fine particles are supported, the conductivity between the catalyst fine particles and the carrier is not lowered, and the initial stage associated with the formation of the coating film The battery characteristics can be prevented from deteriorating. Furthermore, since corrosion of the carrier is prevented by the corrosion-resistant coating film, it is possible to prevent the catalyst fine particles from falling off the carrier and the accompanying aggregation of the catalyst catalyst fine particles, and by repeating the operation, starting and stopping for a long time. Even high power generation voltage can be maintained.

実施の形態1.
図1は、この発明を実施するための実施の形態1における、燃料電池用電極の模式図である。図1において、カーボンブラックの担体1の表面の一部に触媒微粒子である白金微粒子2が担持されている。白金微粒子2は担体1と一部が接触していおり、この接触部で担体1と白金微粒子2とは電気的に導通している。担体1の表面の白金微粒子2が担持された部分を除く部分には、酸化シリコンを主成分とする耐食性のコーティング膜3が形成されている。このように構成された触媒が、燃料電池のカソードあるいはアノードとなる導電性基板4の表面に塗布されて燃料電池用電極5となる。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell electrode according to Embodiment 1 for carrying out the present invention. In FIG. 1, platinum fine particles 2 as catalyst fine particles are supported on a part of the surface of a carbon black carrier 1. The platinum fine particles 2 are partly in contact with the carrier 1, and the carrier 1 and the platinum fine particles 2 are electrically connected at this contact portion. A corrosion-resistant coating film 3 mainly composed of silicon oxide is formed on the surface of the carrier 1 excluding the portion where the platinum fine particles 2 are supported. The catalyst configured as described above is applied to the surface of the conductive substrate 4 which becomes the cathode or anode of the fuel cell to form the fuel cell electrode 5.

このように構成された燃料電池用電極においては、白金微粒子2と担体1とは直接接触しているので、白金微粒子2と担体1との導電性が低下することがない。また、白金微粒子2と担体1とは直接接触して電気的に導通しているので、耐食性のコーティング膜3は必ずしも導電性を有している必要はなく、コーティング膜3に用いる材料の選択幅が広くなる。さらに、耐食性のコーティング膜3によって担体1の腐食を防止することができるので、水と接触しても担体1が腐食して担体1の体積が減少することもなく、白金微粒子2の担体1からの脱落やそれに伴う白金微粒子2の凝集を防ぐことができる。その結果、本実施の形態の燃料電池用電極を用いた燃料電池においては、初期の発電電圧が低下することもなく、長時間の運転や起動および停止を繰り返すことによっても高い発電電圧を維持することができる。   In the fuel cell electrode thus configured, the platinum fine particles 2 and the carrier 1 are in direct contact with each other, so that the conductivity between the platinum fine particles 2 and the carrier 1 does not decrease. Further, since the platinum fine particles 2 and the carrier 1 are in direct contact and are electrically connected, the corrosion-resistant coating film 3 does not necessarily have conductivity, and the selection range of materials used for the coating film 3 Becomes wider. Furthermore, since the corrosion of the carrier 1 can be prevented by the corrosion-resistant coating film 3, the carrier 1 is corroded even if it contacts with water, and the volume of the carrier 1 does not decrease. Can be prevented from falling off and aggregation of the platinum fine particles 2 associated therewith. As a result, in the fuel cell using the fuel cell electrode according to the present embodiment, the initial power generation voltage does not decrease, and a high power generation voltage is maintained even by repeated operation, start and stop for a long time. be able to.

なお、本実施の形態では、担体としてカーボンブラックを用いたが、担体は導電性を有した材料であればとくに限定されない。ただし、電気化学反応の反応面積を広くするためには比表面積が大きいことが望ましいので、一般にはカーボンを主成分とするものが望ましい。担体としては、カーボンブラックのほかに、グラファイト化カーボンや活性炭などを用いることができる。   In the present embodiment, carbon black is used as the carrier, but the carrier is not particularly limited as long as it is a conductive material. However, in order to widen the reaction area of the electrochemical reaction, it is desirable that the specific surface area be large, and therefore it is generally desirable that the main component is carbon. As the carrier, in addition to carbon black, graphitized carbon, activated carbon, or the like can be used.

また、耐食性のコーティング膜として、二酸化シリコンを主成分とする膜の例を示したが、酸化シリコンのほかに耐食性の高い、例えばチタン、ジルコニウム、アルミニウム、タンタル、ニオブなどの金属酸化物を用いることもできる。   In addition, an example of a film mainly composed of silicon dioxide has been shown as a corrosion-resistant coating film. However, in addition to silicon oxide, a metal oxide having high corrosion resistance, such as titanium, zirconium, aluminum, tantalum, or niobium, should be used. You can also.

さらに、本実施の形態においては、触媒微粒子として白金微粒子を用いているが、他の貴金属微粒子、例えば白金、イリジウム、金、銀、パラジウムなどの微粒子を用いることもできる。   Furthermore, in the present embodiment, platinum fine particles are used as the catalyst fine particles, but other noble metal fine particles, for example, fine particles of platinum, iridium, gold, silver, palladium and the like can also be used.

実施の形態2.
実施の形態2は、実施の形態1で説明した燃料電池用電極の製造方法について述べる。図2は、本実施の形態における燃料電池用電極の製造工程を示す模式図である。まず始めに、燃料電池のカソードあるいはアノードとなる導電性基板4の表面に、カーボン製の担体1を塗布する(図2(a))。担体1の塗布方法としては、スクリーン印刷法などを用いることができる。次に、触媒として用いる貴金属よりも電気化学的に溶解しやすいニッケル微粒子6を、担体1の表面の一部に形成する(図2(b))。ニッケル微粒子6の形成方法としては、スプレー塗布法などを用いることができる。さらに、担体1およびニッケル微粒子6の表面全体を覆うように、酸化シリコンを主成分とするコーティング膜3を形成する(図2(c))。コーティング膜3の形成方法としては、分子線エピタキシー法などを用いることができる。
Embodiment 2. FIG.
The second embodiment describes a method for manufacturing the fuel cell electrode described in the first embodiment. FIG. 2 is a schematic diagram showing the manufacturing process of the fuel cell electrode in the present embodiment. First, the carbon carrier 1 is applied to the surface of the conductive substrate 4 that becomes the cathode or anode of the fuel cell (FIG. 2 (a)). As a coating method of the carrier 1, a screen printing method or the like can be used. Next, nickel fine particles 6 that are more easily electrochemically dissolved than the noble metal used as a catalyst are formed on a part of the surface of the carrier 1 (FIG. 2B). As a method for forming the nickel fine particles 6, a spray coating method or the like can be used. Further, a coating film 3 mainly composed of silicon oxide is formed so as to cover the entire surface of the carrier 1 and the nickel fine particles 6 (FIG. 2C). As a method of forming the coating film 3, a molecular beam epitaxy method or the like can be used.

次に、ドライエッチングにより、ニッケル微粒子6の表面が露出するまで表面をエッチングする(図2(d))。なお、前の工程において分子線エピタキシー法によりコーティング膜3を形成したときに、ニッケル微粒子6と担体1との境界部分のコーティング膜3はニッケル微粒子6の影になるため他の部分より薄くかつ粗になる。そのため、ドライエッチングでは、ニッケル微粒子6と担体1との境界部分のコーティング膜3は、他の部分より速くエッチングされるため、ニッケル微粒子6近傍のコーティング膜3のエッチングに進行が速く、担体1の表面が露出する前にニッケル微粒子6の表面が露出する。   Next, the surface is etched by dry etching until the surface of the nickel fine particles 6 is exposed (FIG. 2D). When the coating film 3 is formed by the molecular beam epitaxy method in the previous step, the coating film 3 at the boundary portion between the nickel fine particles 6 and the carrier 1 becomes a shadow of the nickel fine particles 6, and thus is thinner and rougher than the other portions. become. Therefore, in the dry etching, the coating film 3 at the boundary portion between the nickel fine particles 6 and the carrier 1 is etched faster than the other portions. The surface of the nickel fine particle 6 is exposed before the surface is exposed.

次に、塩化白金酸水溶液中での置換めっきによりニッケル微粒子6が形成された位置に触媒微粒子である白金微粒子2を置換する。このときの置換反応は、ニッケルが白金よりイオン化傾向が高いので、ニッケル微粒子6がイオン化して溶液中に溶解し、溶液中の白金が電子と結合して、ニッケル微粒子6の形成されていた位置に白金微粒子2としてめっき(置換)される(図2(e))。   Next, the platinum fine particles 2 that are catalyst fine particles are substituted at positions where the nickel fine particles 6 are formed by displacement plating in a chloroplatinic acid aqueous solution. In this substitution reaction, since nickel has a higher ionization tendency than platinum, the nickel fine particles 6 are ionized and dissolved in the solution, and the platinum in the solution is combined with the electrons to form the nickel fine particles 6. Is plated (replaced) as platinum fine particles 2 (FIG. 2E).

このように構成された製造方法において得られた燃料電池用電極は、触媒粒子である白金微粒子2がニッケル微粒子6の形成されていた位置に置換されるために白金微粒子2が直接担体1と接触しているので、白金微粒子2と担体1との導電性が低下することがない。また、担体1の表面の白金微粒子2が形成されていない部分は、酸化シリコンのコーティング膜3で覆われているので、水と接触しても担体1が腐食して担体1の体積が減少することもなく、その結果、白金微粒子2の担体1からの脱落やそれに伴う白金微粒子2の凝集を防ぐことができる。さらに、白金微粒子2がコーティング膜3の隙間に形成されるので、アンカー効果によって白金微粒子2が強固に保持されるため、白金微粒子2の脱落をさらに防ぐことができる。   In the fuel cell electrode obtained by the manufacturing method configured as described above, the platinum fine particles 2 are directly brought into contact with the carrier 1 because the platinum fine particles 2 as the catalyst particles are replaced with the positions where the nickel fine particles 6 were formed. Therefore, the conductivity between the platinum fine particles 2 and the carrier 1 does not decrease. Further, the portion of the carrier 1 where the platinum fine particles 2 are not formed is covered with the silicon oxide coating film 3, so that the carrier 1 is corroded even when it comes into contact with water, and the volume of the carrier 1 is reduced. As a result, it is possible to prevent the platinum fine particles 2 from dropping from the carrier 1 and the accompanying aggregation of the platinum fine particles 2. Furthermore, since the platinum fine particles 2 are formed in the gaps between the coating films 3, the platinum fine particles 2 are firmly held by the anchor effect, so that the platinum fine particles 2 can be further prevented from falling off.

なお、本実施の形態においては、担体1の塗布方法としてスクリーン印刷法を用いたが、他の方法、例えばテーブルコータやスプレー塗布法を用いることができる。また、触媒として用いる貴金属よりも電気化学的に溶解しやすい材料としてニッケル微粒子を用いたが、他の金属、例えば錫などの微粒子を用いることもできる。また、コーティング膜の形成法法として、分子線エピタキシー法を用いたが、他の方法、例えば化学気相法(Chemical Vapor Deposition:CVD)、物理気相法(Physical Vapor Deposition:PVD)、スパッタリング法、真空アーク蒸着法、溶融蒸着法、ゾルゲル法、溶融塩電解法、めっき法などを用いることができる。コーティング膜の膜厚は、100〜300nmの範囲であることが望ましい。この範囲の膜厚であれば、次の工程のエッチング後にも、担体の表面に腐食を防ぐために必要なコーティング膜の膜厚が残存する。また、コーティング膜のエッチング法としてドライエッチングを用いたが、他のエッチング法、例えばウェットエッチング法、ケミカルエッチング法などを用いることができる。   In the present embodiment, the screen printing method is used as the method for applying the carrier 1, but other methods such as a table coater or a spray coating method can be used. Further, although nickel fine particles are used as a material that is more easily dissolved electrochemically than a noble metal used as a catalyst, fine particles such as other metals such as tin can also be used. In addition, the molecular beam epitaxy method is used as a method for forming the coating film. However, other methods such as chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), and sputtering are used. A vacuum arc deposition method, a melt deposition method, a sol-gel method, a molten salt electrolysis method, a plating method, or the like can be used. The thickness of the coating film is desirably in the range of 100 to 300 nm. If the film thickness is within this range, the film thickness of the coating film necessary for preventing corrosion remains on the surface of the carrier even after the etching in the next step. Moreover, although dry etching was used as an etching method for the coating film, other etching methods such as a wet etching method and a chemical etching method can be used.

実施の形態3.
実施の形態3では、実施の形態2とは別の燃料電池用電極の製造方法について述べる。本実施の形態においては、実施の形態2で説明したニッケル微粒子を湿式法で形成したものである。塩酸ニッケルと硼酸とを主成分とするめっき液に、導電性基板の表面にカーボンブラックの担体を塗布した燃料電池用電極を浸漬する。燃料電池用電極とこの燃料電池用電極に対向する位置に浸漬した対向電極との間にパルス電流を流すことにより、カーボンブラックの表面にニッケル微粒子を形成する。さらに、燃料電池用電極を水洗した後乾燥する。
Embodiment 3 FIG.
In the third embodiment, a method of manufacturing a fuel cell electrode different from that of the second embodiment will be described. In the present embodiment, the nickel fine particles described in the second embodiment are formed by a wet method. A fuel cell electrode having a carbon black carrier coated on the surface of a conductive substrate is immersed in a plating solution containing nickel hydrochloride and boric acid as main components. Nickel fine particles are formed on the surface of the carbon black by flowing a pulse current between the fuel cell electrode and a counter electrode immersed in a position facing the fuel cell electrode. Further, the fuel cell electrode is washed with water and then dried.

次に、CVD法により、酸化チタンのコーティング膜を燃料電池用電極にコーティングする。さらに、燃料電池用電極を希硫酸中に保持して紫外線を照射することにより、酸化チタンのコーティング膜をエッチングしてニッケル微粒子の表面を露出させる。   Next, a titanium oxide coating film is coated on the fuel cell electrode by CVD. Further, by holding the fuel cell electrode in dilute sulfuric acid and irradiating with ultraviolet rays, the titanium oxide coating film is etched to expose the surface of the nickel fine particles.

次に、燃料電池用電極を塩化白金酸水溶液中に浸漬する。このとき、ニッケルは白金よりイオン化傾向が高いので、表面の露出したニッケル微粒子はイオン化して溶液中に溶け出し、ニッケルから遊離した電子と溶液中の白金イオンとが反応することで、ニッケル微粒子が存在した領域に白金微粒子が形成される。   Next, the fuel cell electrode is immersed in a chloroplatinic acid aqueous solution. At this time, since nickel has a higher ionization tendency than platinum, the nickel fine particles exposed on the surface are ionized and dissolved into the solution, and the electrons released from the nickel react with the platinum ions in the solution, so that the nickel fine particles are formed. Platinum fine particles are formed in the existing region.

このように構成された製造方法において得られた燃料電池用電極は、触媒粒子である白金微粒子がニッケル微粒子の形成されていた位置に置換されるために白金微粒子が直接担体と接触しているので、白金微粒子と担体との導電性が低下することがない。また、担体の表面の白金微粒子が形成されていない部分は、酸化チタンのコーティング膜で覆われているので、水と接触しても担体が腐食して担体の体積が減少することもなく、白金微粒子の担体からの脱落やそれに伴う白金微粒子の凝集を防ぐことができる。とくに、白金微粒子がコーティング膜の隙間に形成されるので、アンカー効果によって白金微粒子が強固に保持されるため、白金微粒子の脱落をさらに防ぐことができる。   In the fuel cell electrode obtained in the manufacturing method configured as described above, the platinum fine particles, which are catalyst particles, are replaced with the positions where the nickel fine particles are formed, so the platinum fine particles are in direct contact with the carrier. The conductivity between the platinum fine particles and the carrier does not decrease. In addition, since the portion where the platinum fine particles are not formed on the surface of the carrier is covered with a titanium oxide coating film, the carrier does not corrode even if it comes into contact with water, and the volume of the carrier does not decrease. Dropping of the fine particles from the carrier and accompanying aggregation of the platinum fine particles can be prevented. In particular, since the platinum fine particles are formed in the gaps in the coating film, the platinum fine particles are firmly held by the anchor effect, so that the platinum fine particles can be further prevented from falling off.

実施の形態4.
実施の形態4においては、実施の形態2と同様な製造方法で得られた燃料電池用電極を用いて作製した固体高分子形の燃料電池セルの寿命特性を測定したものである。比較のために、担体にコーティング膜を形成していない燃料電池用電極を用いて作製した燃料電池セルの寿命特性も測定した。燃料電池用電極の触媒層の厚さは、コーティング膜の有無に係らず10〜15μmの範囲である。
Embodiment 4 FIG.
In the fourth embodiment, the life characteristics of a polymer electrolyte fuel cell manufactured using the fuel cell electrode obtained by the same manufacturing method as in the second embodiment are measured. For comparison, the life characteristics of a fuel cell manufactured using a fuel cell electrode in which a coating film was not formed on the carrier were also measured. The thickness of the catalyst layer of the fuel cell electrode is in the range of 10 to 15 μm regardless of the presence or absence of the coating film.

コーティング膜の有無の燃料電池用電極を一対用意し、高分子電解質溶液に浸漬した。その後、それぞれの一対の燃料電池用電極で触媒層が高分子電解質膜に接するように配置して高分子電解質膜を挟持し、120℃で0.2MPaの圧力で15分間ホットプレスして、一対の燃料電池用電極と高分子電解質膜とを接合した膜電極接合体を作製した。使用した高分子電解質膜は、厚さ約50μmである。このようにして得られたコーティング膜の有無で異なるそれぞれの膜電極接合体は、各電極がアノードおよびカソードに相当し、両電極の白金微粒子は、見かけの電極面積1cm当たり約0.5mgであり、電極面積は100cmである。 A pair of fuel cell electrodes with or without a coating film was prepared and immersed in a polymer electrolyte solution. Thereafter, the catalyst layer is placed in contact with the polymer electrolyte membrane with each pair of fuel cell electrodes, the polymer electrolyte membrane is sandwiched, and hot-pressed at 120 ° C. and a pressure of 0.2 MPa for 15 minutes. A membrane electrode assembly was prepared by joining the fuel cell electrode and the polymer electrolyte membrane. The used polymer electrolyte membrane has a thickness of about 50 μm. Each of the membrane electrode assemblies that differ in the presence or absence of the coating film thus obtained has each electrode corresponding to an anode and a cathode, and the platinum fine particles of both electrodes are about 0.5 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area. Yes, the electrode area is 100 cm 2 .

次に、コーティング膜の有無で異なるそれぞれの膜電極接合体をセパレータおよび集電体で挟んで燃料電池セルを構成し、アノードに水素ガスを、カソードに空気を供給するとともに燃料電池セルの出力を電気的負荷に接続して発電し、発電電圧を長時間測定した。発電条件は次のとおりである。燃料電池セルの温度は70℃、水素および空気は65℃で飽和加湿、水素利用効率は70%、空気利用効率は40%、電流密度は0.25A/cmである。燃料電池セルの運転条件は以下のとおりである。24時間に1回燃料電池セルの出力を電気的負荷から切断し、アノードおよびカソードへの水素ガスおよび空気の供給を停止した後、不活性ガスである窒素ガスでアノードおよびカソードをパージして30分間発電を停止する。その後アノードおよびカソードへの水素ガスおよび空気の供給を再開して30分間経過後、燃料電池セルの出力に電気的負荷を接続して発電を再開するように制御した。 Next, each of the membrane electrode assemblies, which differ depending on the presence or absence of a coating film, is sandwiched between a separator and a current collector to form a fuel cell, and hydrogen gas is supplied to the anode and air is supplied to the cathode and the output of the fuel cell is Electric power was generated by connecting to an electrical load, and the generated voltage was measured for a long time. The power generation conditions are as follows. The temperature of the fuel cell is 70 ° C., hydrogen and air are 65 ° C., saturated humidification, hydrogen utilization efficiency is 70%, air utilization efficiency is 40%, and current density is 0.25 A / cm 2 . The operating conditions of the fuel cell are as follows. Once the output of the fuel cell is disconnected from the electrical load once every 24 hours, the supply of hydrogen gas and air to the anode and cathode is stopped, and then the anode and cathode are purged with nitrogen gas as an inert gas. Stop power generation for a minute. Thereafter, the supply of hydrogen gas and air to the anode and cathode was resumed, and after 30 minutes had elapsed, an electric load was connected to the output of the fuel cell, and power generation was resumed.

図3は、本実施の形態における固体高分子形の燃料電池セルの寿命特性を示す特性図である。図3においては、コーティング膜の有無で異なるそれぞれの燃料電池用電極で作製した燃料電池セルの発電電圧の経時変化を示したものである。この図からわかるように、コーティング膜を形成した燃料電池用電極を用いた燃料電池セルは、1200時間経過後も発電電圧は約0.71Vであり、コーティング膜のない燃料電池用電極を用いた燃料電池セルの発電電圧よりも約0.1V高い電圧を維持している。このことから、コーティング膜を形成した触媒層をもつ燃料電池用電極では、触媒層の腐食を有効に防止でき、発電電圧の減少の小さい燃料電池セルを得ることができる。   FIG. 3 is a characteristic diagram showing the life characteristics of the polymer electrolyte fuel cell in the present embodiment. FIG. 3 shows the change with time of the power generation voltage of the fuel cells produced by the respective fuel cell electrodes that differ depending on the presence or absence of the coating film. As can be seen from this figure, the fuel cell using the fuel cell electrode with the coating film formed had a power generation voltage of about 0.71 V even after 1200 hours, and the fuel cell electrode without the coating film was used. The voltage about 0.1 V higher than the power generation voltage of the fuel cell is maintained. From this, in the fuel cell electrode having the catalyst layer on which the coating film is formed, corrosion of the catalyst layer can be effectively prevented, and a fuel cell having a small decrease in generated voltage can be obtained.

この発明の実施の形態1による燃料電池用電極の模式図である。It is a schematic diagram of the electrode for fuel cells by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態2による燃料電池用電極の製造工程を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the manufacturing process of the electrode for fuel cells by Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態4による燃料電池セルの特性図である。It is a characteristic view of the fuel battery cell by Embodiment 4 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 担体
2 白金微粒子
3 コーティング膜
4 導電性基板
5 燃料電池用電極
6 ニッケル微粒子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Carrier 2 Platinum particle 3 Coating film 4 Conductive substrate 5 Electrode for fuel cell 6 Nickel particle

Claims (6)

導電性基板と
この導電性基板の表面に付着された導電性を有する担体と、
この担体の表面の一部に担持された触媒微粒子と、
この触媒微粒子が担持された部分を除く前記担体の表面に形成された耐食性のコーティング膜と
を備えたことを特徴とする燃料電池用電極。
A conductive substrate and a conductive carrier attached to the surface of the conductive substrate;
Catalyst fine particles supported on a part of the surface of the carrier;
An electrode for a fuel cell, comprising: a corrosion-resistant coating film formed on a surface of the carrier excluding a portion on which the catalyst fine particles are supported.
コーティング膜が、酸化シリコン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタルまたは酸化ニオブのいずれかを含むことを特徴とする請求項1記載の燃料電池用電極。 2. The fuel cell electrode according to claim 1, wherein the coating film contains any one of silicon oxide, zirconium oxide, aluminum oxide, tantalum oxide and niobium oxide. 導電性基板の表面に導電性を有する担体を付着する工程と、
前記担体の表面の一部に金属微粒子を担持する工程と、
前記金属微粒子の表面および前記金属微粒子が担持された部分を除く前記担体の表面に耐食性のコーティング膜を形成する工程と、
前記金属微粒子の表面に形成された前記コーティング膜を除去する工程と、
前記金属微粒子を除去する工程と、
前記金属微粒子が除去された前記担体の表面に触媒微粒子を形成する工程と
を備えたことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
Attaching a conductive carrier to the surface of the conductive substrate;
A step of supporting metal fine particles on a part of the surface of the carrier;
Forming a corrosion-resistant coating film on the surface of the carrier excluding the surface of the metal fine particles and the portion on which the metal fine particles are supported;
Removing the coating film formed on the surface of the metal fine particles;
Removing the fine metal particles;
And a process for forming catalyst fine particles on the surface of the carrier from which the metal fine particles have been removed.
金属微粒子の材料は、触媒微粒子の材料よりもイオン化傾向の高い材料であることを特徴とする請求項3記載の燃料電池用電極の製造方法。 4. The method for producing a fuel cell electrode according to claim 3, wherein the material of the metal fine particles is a material having a higher ionization tendency than the material of the catalyst fine particles. 金属微粒子の材料は、ニッケルまたは錫のいずれかの材料であることを特徴とする請求項3記載の燃料電池用電極の製造方法。 4. The method for producing an electrode for a fuel cell according to claim 3, wherein the material of the metal fine particles is one of nickel and tin. コーティング膜を形成する工程は、液相形成法または気相形成法であることを特徴とする請求項3記載の燃料電池用電極の製造方法。 4. The method for producing an electrode for a fuel cell according to claim 3, wherein the step of forming the coating film is a liquid phase forming method or a gas phase forming method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2009091025A1 (en) * 2008-01-16 2009-07-23 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Electrode catalyst for fuel cell and solid polymer electrolyte fuel cell using the electrode catalyst
US7892701B2 (en) 2008-09-03 2011-02-22 Kabushiki Kaisha Toshiba Fuel cell

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