JP2007172887A - Carried catalyst for fuel cell, reaction layer for fuel cell, fuel cell, and manufacturing method of carried catalyst for fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a supported catalyst for fuel cell capable of lowering polarization resistance, obtaining a high output, and having a high utilization rate of catalyst, a reaction layer for fuel cell, a fuel cell, and a manufacturing method of the supported catalyst for fuel cell. <P>SOLUTION: Catalyst is supported by carbon aerogel powder in which a proton conductive path made of sulfonic acid group and glass phosphate or the like is formed. As a manufacturing method of the carbon aerogel powder, firstly, resorcinol and formaldehyde aqueous solution and sodium carbonate aqueous solution are mixed, agitated, and an organic wet gelation object is obtained. Next, the organic wet gelation object is pulverized and made into a gel powder slurry. Then, the gel powder slurry is solvent substituted by acetone. Then, the gel powder is super-critically dried by CO<SB>2</SB>, and a gel dry powder is obtained. Lastly, the gel dry powder is heated under a nitrogen atmosphere to obtain the carbon aerogel powder. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用担持触媒、燃料電池用反応層、燃料電池、及び燃料電池用担持触媒の製造方法に関する。   The present invention relates to a supported catalyst for a fuel cell, a reaction layer for a fuel cell, a fuel cell, and a method for producing a supported catalyst for a fuel cell.

固体高分子電解質型燃料電池(PEFC)は、出力密度が高く、低温で作動し、有害な排気ガスも出さないため、内燃機関に代わる新たなエネルギー源として注目されている。
このPEFCは、プロトン伝導性ポリマー膜の一方の面にアノードを、他の面にカソードを接合して構成されている。そして、アノードには水素ガス、カソードには酸素ガスを供給し、アノードで水素ガスをプロトンに酸化し、カソードで酸素を水に還元して発電する。アノード及びカソードには、共にカーボン等の担体にPt等の貴金属からなる触媒粒子を担持した微粉末からなる燃料電池用担持触媒が用いられている。
A solid polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is attracting attention as a new energy source to replace an internal combustion engine because it has a high power density, operates at a low temperature, and does not emit harmful exhaust gas.
This PEFC is constructed by bonding an anode to one surface of a proton conductive polymer membrane and a cathode to the other surface. Then, hydrogen gas is supplied to the anode and oxygen gas is supplied to the cathode. The hydrogen gas is oxidized into protons at the anode, and oxygen is reduced to water at the cathode to generate power. For the anode and the cathode, a supported catalyst for a fuel cell made of fine powder in which catalyst particles made of a noble metal such as Pt are supported on a carrier such as carbon is used.

PEFCの理論電圧は、水素と酸素の化学反応における自由エネルギー変化の値から1.23Vと算出されるが、実際には種々の分極抵抗により、これより小さな出力電圧しか得られていない。出力端子の電圧低下は、PEFCの効率低下を意味しており、分極の起こりにくい燃料電池用担持触媒が求められている。
また、燃料電池用担持触媒に使用する触媒は白金等の貴金属が用いられており、触媒コストは電池全体の数十%を占める。このため、燃料電池技術を普及技術とするためには、使用する触媒量を低減することが必要不可欠とされる。
The theoretical voltage of PEFC is calculated as 1.23 V from the value of the free energy change in the chemical reaction between hydrogen and oxygen, but actually, only an output voltage smaller than this is obtained due to various polarization resistances. Lowering the voltage at the output terminal means lowering the efficiency of PEFC, and there is a need for a supported catalyst for fuel cells that is less prone to polarization.
Moreover, noble metals such as platinum are used as the catalyst used for the fuel cell supported catalyst, and the catalyst cost accounts for several tens of percent of the total battery. For this reason, in order to make fuel cell technology popular, it is essential to reduce the amount of catalyst used.

これらの要求に応えるべく、カーボン担体として活性炭粉末を用いた燃料電池用担持触媒が提案されている。これは、活性炭が極めて大きな比表面積を有することから、電極反応の面積が広くなり、これによって分極抵抗を低くし、触媒の利用率を高めようというものである。   In order to meet these requirements, fuel cell supported catalysts using activated carbon powder as a carbon support have been proposed. This is because activated carbon has a very large specific surface area, so that the area of the electrode reaction is widened, thereby reducing the polarization resistance and increasing the utilization of the catalyst.

また、カーボンエアロゲルを燃料電池用担持触媒として用いることも提案されている(特許文献1)。カーボンエアロゲルは、粉砕することにより、粒子径を極めて小さくすることができるため、高分子電解質型燃料電池における電極として使用した場合、電極の厚さを薄くすることができる。また、乾燥したゲル化物の熱分解によって得られた炭化物は細孔構造を有しているため、これを粉砕して得られたカーボンエアロゲルも優れたガス透過性を有することが期待される。
さらには、活性炭のようなミクロな細孔よりは大きい細孔を有するため、触媒やプロトン伝導性ポリマーが細孔内に入り込みやすい。このため、電極反応に際して、反応物質・プロトン・電子のパスが触媒の周囲に存在するような構造(三相界面)を形成しやく、電極反応の促進を図ることができるとも考えられる。
なお、カーボンエアロゲル以外のメソポーラスな細孔を有するカーボンを用いても、同様な効果が期待される。ここで、メソポーラスな細孔とは、ミクロ孔とマクロ孔の中間の大きさの孔を意味し、具体的には2ナノメートルから50ナノメートルオーダーの孔(すなわちメソポア)のことをいう。
It has also been proposed to use carbon aerogel as a supported catalyst for fuel cells (Patent Document 1). Carbon airgel can be made extremely small in particle size by being pulverized. Therefore, when used as an electrode in a polymer electrolyte fuel cell, the thickness of the electrode can be reduced. Further, since the carbide obtained by pyrolysis of the dried gelled product has a pore structure, the carbon aerogel obtained by pulverizing the carbide is expected to have excellent gas permeability.
Furthermore, since it has pores larger than micro pores such as activated carbon, the catalyst and the proton conductive polymer easily enter the pores. For this reason, it is considered that in the electrode reaction, it is easy to form a structure (three-phase interface) in which a path of reactants, protons, and electrons exists around the catalyst, and the electrode reaction can be promoted.
Similar effects can be expected even when carbon having mesoporous pores other than carbon aerogel is used. Here, the mesoporous pore means a pore having an intermediate size between micropores and macropores, and specifically refers to pores in the order of 2 nanometers to 50 nanometers (that is, mesopores).

カーボンエアロゲルの製造方法としては、ジヒドロキシベンゼンとホルムアルデヒドとを出発物質とする以下の製造方法が知られている(特許文献2)。   As a method for producing carbon aerogel, the following production method using dihydroxybenzene and formaldehyde as starting materials is known (Patent Document 2).

(重合工程S91)
すなわち、図1に示すように、まず重合工程S91として、レゾルシノールやカテコール等のジヒドロキシベンゼンとホルムアルデヒドとを炭酸ナトリウムの存在下で重合して有機湿潤ゲル化物を得る。
(Polymerization step S91)
That is, as shown in FIG. 1, first, as a polymerization step S91, dihydroxybenzene such as resorcinol and catechol and formaldehyde are polymerized in the presence of sodium carbonate to obtain an organic wet gelled product.

(溶媒置換工程S92)
次に、溶媒置換工程S92として、有機湿潤ゲル化物をメタノールやアセトン等の水溶性有機溶媒で洗浄し、有機湿潤ゲル化物に含まれている水分を水溶性溶媒と溶媒置換する。
(Solvent replacement step S92)
Next, as a solvent replacement step S92, the organic wet gelled product is washed with a water-soluble organic solvent such as methanol or acetone, and the water contained in the organic wet gelled product is replaced with the water-soluble solvent.

(超臨界乾燥工程S93)
さらに、超臨界乾燥工程S93として、溶媒置換されたゲル化物をステンレス製の圧力容器に入れ、CO2を導入し、超臨界状態となるよう圧力と温度を調節し、その後ゆっくりとCO2を排出させることによって、CO2を気相条件へ移行させて超臨界乾燥を行う。こうして乾燥したゲル化物は、網目構造を形成している一次粒子の粒子径が0.1ミクロン以下の粒子からなり、嵩密度も100mg/mlと極めて小さくなっている。これは、超臨界乾燥では通常の乾燥と異なり、毛管力による収縮を伴わずに乾燥するため、重合工程S1におけるホルムアルデヒドによる架橋によって形成された細孔構造が、破壊されることなくそのままの状態で残るからと考えられる。
(Supercritical drying step S93)
Further, as the supercritical drying step S93, the solvent-substituted gelled product is put into a stainless steel pressure vessel, CO2 is introduced, the pressure and temperature are adjusted so as to be in a supercritical state, and then CO2 is slowly discharged. To shift the CO2 to the gas phase condition and perform supercritical drying. The gelled product thus dried is composed of primary particles forming a network structure having a particle size of 0.1 microns or less, and the bulk density is extremely small at 100 mg / ml. This is because in supercritical drying, unlike normal drying, drying does not involve shrinkage due to capillary force, so that the pore structure formed by crosslinking with formaldehyde in the polymerization step S1 remains intact without being destroyed. It is thought that it remains.

(熱分解工程S94)
そして、熱分解工程S94として、上記の乾燥されたゲル化物を窒素雰囲気下で高温にして炭化物の塊を得る。こうして得られた炭化物は、炭化する前の細孔構造が保たれている。
(Pyrolysis step S94)
Then, as the pyrolysis step S94, the dried gelled product is heated to a high temperature under a nitrogen atmosphere to obtain a carbide lump. The carbide thus obtained maintains the pore structure before carbonization.

(粉砕工程S95)
最後に、粉砕工程S95として上記炭化物の塊を粉砕機で粉砕し、カーボンエアロゲル粉末を得る。
(Crushing step S95)
Finally, in the pulverization step S95, the above-mentioned carbide mass is pulverized by a pulverizer to obtain a carbon airgel powder.

特表平11−503267号公報Japanese National Patent Publication No. 11-503267 U.S.patent No.4873218 claim14、15U. S. patent No. 4873218 claim14, 15

しかし、上記活性炭に触媒を担持させた燃料電池用担持触媒では、実際には期待されたほどの分極低下の効果は発揮されず、触媒の利用率もそれほど高くはない。この原因は、次のように説明される。   However, the supported catalyst for fuel cells in which the catalyst is supported on the activated carbon does not exhibit the effect of reducing polarization as expected in practice, and the utilization factor of the catalyst is not so high. The cause of this is explained as follows.

PEFCの電極触媒層では、カソード側において燃料電池用担持触媒中の細孔を拡散してきた酸素は、プロトン伝導性ポリマーに収着・拡散し、触媒に到達する。一方、プロトン及び電子はそれぞれ、プロトン伝導性ポリマー・炭素担体中を拡散し、触媒に到達し酸素と反応し水を生成する。従って、電極反応に際して、反応物質、プロトン及び電子のそれぞれのパスが触媒の周囲に存在するような構造(三相界面)が不可欠である。限られた触媒量で性能低下の少ない燃料電池用担持触媒とするためには、担体に導入された触媒の周りにできる限り多くの三相界面を形成させなければならない。   In the PEFC electrode catalyst layer, oxygen that has diffused through the pores in the fuel cell-supported catalyst on the cathode side sorbs and diffuses into the proton-conductive polymer and reaches the catalyst. On the other hand, protons and electrons diffuse through the proton conducting polymer / carbon carrier, reach the catalyst, and react with oxygen to produce water. Therefore, in the electrode reaction, a structure (three-phase interface) in which each path of the reactant, proton and electron exists around the catalyst is indispensable. In order to obtain a supported catalyst for a fuel cell with a limited amount of catalyst and a small decrease in performance, it is necessary to form as many three-phase interfaces as possible around the catalyst introduced into the carrier.

これに対し、上記活性炭に触媒を担持させた燃料電池用担持触媒では、活性炭に存在する細孔は極めて小さなミクロ細孔からなるため、触媒が担持された活性炭にナフィオン(登録商標)等のプロトン伝導性ポリマーを混合し作製した触媒ペーストを塗布・乾燥するというマクロな方法では、プロトン伝導性ポリマーが活性炭の一次細孔径よりも大きく、混合時に細孔内に進入できない為、活性炭凝集体内部の細孔(一次細孔)にはプロトン伝導性ポリマーが存在しておらず、一次細孔内に存在している触媒は有効利用されていない(図2参照)。
このため、単に活性炭粉末を触媒担体として用いても、充分な触媒活性を得ることはできず、思ったほど分極抵抗を下げることはできない。また、細孔内部に入り込んだ触媒は、電極反応に関与しないため無駄となり、触媒金属の利用率も低くなるのである。
On the other hand, in the fuel cell supported catalyst in which the catalyst is supported on the activated carbon, since the pores existing in the activated carbon are very small micropores, the activated carbon supporting the catalyst has protons such as Nafion (registered trademark). In the macro method of applying and drying the catalyst paste prepared by mixing the conductive polymer, the proton conductive polymer is larger than the primary pore diameter of the activated carbon and cannot enter the pores during mixing. No proton conductive polymer is present in the pores (primary pores), and the catalyst present in the primary pores is not effectively utilized (see FIG. 2).
For this reason, even if the activated carbon powder is simply used as a catalyst carrier, sufficient catalytic activity cannot be obtained, and the polarization resistance cannot be lowered as expected. In addition, the catalyst that has entered the pores is not involved in the electrode reaction and is wasted, and the utilization rate of the catalyst metal is also reduced.

また、発明者らが上記特許文献2記載のカーボンエアロゲルについて、詳細な試験を行ったところ、図1における熱分解工程S94によって得られた炭化物は細孔構造を有しているものの、これを粉砕して得られたカーボンエアロゲルはその細孔構造がほとんど破壊されていることが判明した。そして、このために、このカーボンエアロゲルに触媒を担持させた担持触媒を用いて燃料電池を構築しても、期待通りの高出力は得られなかった。   Further, when the inventors conducted a detailed test on the carbon aerogel described in Patent Document 2, the carbide obtained in the pyrolysis step S94 in FIG. 1 has a pore structure, but this is pulverized. The carbon airgel obtained in this way was found to have almost destroyed its pore structure. For this reason, even when a fuel cell is constructed using a supported catalyst in which a catalyst is supported on the carbon aerogel, a high output as expected cannot be obtained.

本発明は、上記従来の実情に鑑みなされたものであり、分極抵抗を小さくすることができ、高い出力を得ることが可能で、触媒の利用率の高い燃料電池用担持触媒、燃料電池用反応層、燃料電池、及び燃料電池用担持触媒の製造方法を提供することを解決すべき課題としている。   The present invention has been made in view of the above-described conventional circumstances, and can reduce polarization resistance, obtain a high output, and have a high catalyst utilization rate. It is an object to be solved to provide a method for producing a layer, a fuel cell, and a supported catalyst for a fuel cell.

発明者らは、上記従来のカーボンエアロゲル粉末を用いた燃料電池用担持触媒が、カーボンエアロゲルの細孔構造が破壊されているために、期待通りの特性の向上が図れないという問題点に着目し、まず、どうしたら細孔構造が保たれたカーボンエアロゲル粉末を製造することができるかについて、鋭意研究を行った。その結果、重合工程で得られた有機湿潤ゲル化物を溶媒置換する前に水中で粉砕しておき、その後、溶媒置換工程、超臨界乾燥工程、及び熱分解工程を行うことにより、製造過程において一旦形成された細孔構造がそのまま保たれたカーボンエアロゲル粉末が得られることを見出した。   The inventors focused on the problem that the supported catalyst for a fuel cell using the above-described conventional carbon airgel powder cannot improve the expected characteristics because the pore structure of the carbon airgel is destroyed. First of all, intensive research was conducted on how to produce a carbon airgel powder having a maintained pore structure. As a result, the organic wet gelled product obtained in the polymerization step is pulverized in water before solvent substitution, and then subjected to a solvent substitution step, a supercritical drying step, and a thermal decomposition step, thereby once in the production process. It has been found that a carbon airgel powder can be obtained in which the formed pore structure is maintained as it is.

また、さらには、反応物質、プロトン及び電子の各パスが触媒の周囲に存在するような構造(三相界面)を積極的に形成させるため、従来のように、単に触媒が担持されたカーボンとプロトン伝導性ポリマーとを機械的に混合するだけではなく、カーボン粉末の細孔内にプロトン伝導パスを形成させることを試みた。
そして、上記のように細孔構造がそのまま保たれたカーボンエアロゲル粉末にプロトン伝導パスを形成させれば、上記課題を解決できることを発見し、本発明を完成するに至った。
Furthermore, in order to actively form a structure (three-phase interface) in which each path of reactants, protons and electrons exists around the catalyst, as in the conventional case, the catalyst is simply loaded with carbon. In addition to mechanical mixing with the proton conducting polymer, an attempt was made to form a proton conducting path in the pores of the carbon powder.
And it discovered that if the proton conduction path was formed in the carbon airgel powder with the pore structure maintained as described above, the above problems could be solved, and the present invention was completed.

すなわち、第1発明の燃料電池用担持触媒は、カーボン粉末に触媒が担持された燃料電池用担持触媒において、該カーボン粉末は、有機湿潤ゲル化物を得る工程と、該有機湿潤ゲル化物を粉砕してゲル粉末とする粉砕工程と、該ゲル粉末を水溶性有機溶媒と接触させて溶媒置換を行う溶媒置換工程と、溶媒置換された該ゲル粉末を超臨界乾燥してゲル乾燥粉末を得る超臨界乾燥工程と、該ゲル乾燥粉末を熱分解してカーボンエアロゲル粉末とする熱分解工程とを経て得られたカーボンエアロゲル粉末であり、該カーボン粉末にはプロトン伝導パスが形成されていることを特徴とする。   That is, the fuel cell supported catalyst of the first invention is a fuel cell supported catalyst in which a catalyst is supported on carbon powder. The carbon powder is obtained by pulverizing the organic wet gelled product and a step of obtaining an organic wet gelled product. A pulverizing step to obtain a gel powder, a solvent replacement step in which the gel powder is contacted with a water-soluble organic solvent to perform solvent replacement, and supercritical drying of the solvent-substituted gel powder to obtain a gel dry powder. A carbon airgel powder obtained through a drying step and a pyrolysis step in which the gel dry powder is pyrolyzed to form a carbon airgel powder, wherein a proton conduction path is formed in the carbon powder. To do.

第1発明の燃料電池用担持触媒に担体として用いられるカーボン粉末は、上記特許文献2に記載されたカーボンエアロゲル粉末とは異なり、重合工程で得られた有機湿潤ゲル化物を溶媒置換する前に水中で粉砕しておき、その後、溶媒置換工程、超臨界乾燥工程、及び熱分解工程を行うことにより製造される。かかるカーボンエアロゲル粉末の製造方法では、有機湿潤ゲル化物を粉砕工程において粉砕してから溶媒置換されるため、ゲル化物の細孔に水が含まれた状態で粉砕されることとなり、乾燥状態での粉砕に比べて、水のクッション効果によって細孔が保護され、破壊され難くなる。また、予め有機湿潤ゲル化物が粉砕されているので溶媒置換の時間も短くなる。このため、こうして得られたカーボンエアロゲル粉末は、ゲル化物の細孔構造を反映した細孔構造が保たれていることとなる。このため、比表面積が大きく電極反応に寄与する面積が広くなり、優れたガス透過性を有することから物質移動による分極抵抗も小さくなり、高分子電解質型燃料電池における担持触媒として好適に用いることができる。   Unlike the carbon airgel powder described in Patent Document 2, the carbon powder used as a carrier for the fuel cell supported catalyst of the first invention is different from the carbon airgel powder described in Patent Document 2 in water before solvent replacement of the organic wet gelled product obtained in the polymerization step. And then, the solvent is replaced, the supercritical drying step, and the thermal decomposition step are performed. In such a method for producing a carbon airgel powder, the organic wet gelled product is pulverized in the pulverization step, and then the solvent is replaced. Compared with pulverization, the pores are protected by the cushioning effect of water and are not easily destroyed. In addition, since the organic wet gelled product is pulverized in advance, the solvent replacement time is also shortened. For this reason, the carbon airgel powder obtained in this way maintains the pore structure reflecting the pore structure of the gelled product. For this reason, the specific surface area is large, the area contributing to the electrode reaction is widened, and since it has excellent gas permeability, the polarization resistance due to mass transfer is also reduced, and it can be suitably used as a supported catalyst in polymer electrolyte fuel cells. it can.

そして、さらに、第1発明の燃料電池用担持触媒に担体として用いられるカーボン粉末には、プロトン伝導パスが形成されているため、電極反応を促進するために必須とされる、反応物質・プロトン・電子のパスが触媒の周囲に存在するような構造(三相界面)が広い範囲で形成される。プロトン伝導パスの形成方法としては、例えばカーボン粉末の細孔内でプロトン伝導性ポリマーやプロトン伝導性ガラスを合成したり、プロトン伝導性を有する官能基を修飾したりすること等が挙げられる。   Further, the carbon powder used as a carrier in the fuel cell supported catalyst of the first invention has a proton conduction path, and therefore is essential for promoting the electrode reaction. A structure (three-phase interface) in which an electron path exists around the catalyst is formed in a wide range. Examples of the method for forming the proton conduction path include synthesizing a proton conducting polymer or proton conducting glass in the pores of the carbon powder, or modifying a functional group having proton conductivity.

したがって、第1発明の燃料電池用担持触媒では、分極抵抗が小さくなり、高い出力を得ることが可能であり、カーボン粉末の細孔内に担持された触媒も有効に電極反応に寄与することとなり、触媒の利用率も高くなる。   Therefore, in the fuel cell-supported catalyst of the first invention, the polarization resistance is reduced and a high output can be obtained, and the catalyst supported in the pores of the carbon powder also effectively contributes to the electrode reaction. The utilization rate of the catalyst is also increased.

第1発明の第2の局面では、プロトン伝導パスは、前記カーボン粉末の孔内にプロトン伝導体を含ませることにより形成する。これにより、カーボン粉末の孔内に反応物質・プロトン・電子のパスが触媒の周囲に存在するような構造(三相界面)を確実に形成することができる。   In the second aspect of the first invention, the proton conduction path is formed by including a proton conductor in the pores of the carbon powder. As a result, a structure (three-phase interface) in which a path of reactants, protons, and electrons exists around the catalyst in the pores of the carbon powder can be reliably formed.

また、第1発明の第3の局面は、プロトン伝導体がガラス質のプロトン伝導体からなる。このようなプロトン伝導パスの形成は、比較的容易に形成することができる。例えば、レソルシノールとホルムアルデヒドとをアルカリ水溶液下で重合させたような、有機物からなる湿潤ゲル(以下有機湿潤ゲル化物という)と、オルトケイ酸テトラエチルとリン酸トリメチルとを加水分解して共重合させたようなリン酸ガラスの前駆体ゾルとを混合した後、
有機湿潤ゲル化物の細孔内でリン酸ガラスの前駆体ゾルを縮合させてプロトン伝導性のリン酸ガラスを形成させる方法等が挙げられる。
In a third aspect of the first invention, the proton conductor is a vitreous proton conductor. Such a proton conduction path can be formed relatively easily. For example, a wet gel made of organic matter (hereinafter referred to as an organic wet gel product), such as resorcinol and formaldehyde polymerized in an alkaline aqueous solution, and tetraethyl orthosilicate and trimethyl phosphate are hydrolyzed and copolymerized. After mixing with the phosphate glass precursor sol,
Examples thereof include a method of condensing a phosphate glass precursor sol in the pores of an organic wet gelled product to form a proton conductive phosphate glass.

さらに、第4の局面の発明では、カーボンエアロゲル粉末の孔内にプロトン伝導性を付与する官能基が修飾されている。このような官能基によっても、プロトン導伝性のパスを形成させることができる。ここで、官能基の修飾とは、カーボン表面にスルホン酸基等の官能基を化学結合させたり、物理吸着させたりすることをいう。プロトン伝導性を付与する官能基としては、スルホン酸基やメチルスルホン酸基、リン酸基等が挙げられる。   Furthermore, in the invention of the fourth aspect, a functional group that imparts proton conductivity is modified in the pores of the carbon airgel powder. Such a functional group can also form a proton conductive path. Here, the modification of the functional group means that a functional group such as a sulfonic acid group is chemically bonded or physically adsorbed on the carbon surface. Examples of the functional group imparting proton conductivity include a sulfonic acid group, a methylsulfonic acid group, and a phosphoric acid group.

また、第5の局面の発明では、カーボンエアロゲル粉末に担持させる触媒として、触媒作用と磁性作用とを併せもつ磁性触媒とした。燃料電池に酸化剤として供給される酸素は常磁性を有し、燃料電池の電極反応によって生ずる水は反磁性を有する。このため、燃料電池用担持触媒の触媒に触媒作用と磁性作用とを併せもつ磁性触媒を用いれば、空気極に担持した磁性触媒の磁気作用により、酸素は磁性触媒に引き付けられ、生成水は排斥される(図3参照)。このため、酸素の触媒への物質移動が促進されるとともに、電極に水が付着して物質移動を妨げるフラッディング現象がより確実に抑制され、燃料電池システムの出力向上をより確実に実現できる。   In the fifth aspect of the invention, the catalyst supported on the carbon airgel powder is a magnetic catalyst having both catalytic action and magnetic action. Oxygen supplied as an oxidant to the fuel cell has paramagnetism, and water generated by the electrode reaction of the fuel cell has diamagnetism. Therefore, if a magnetic catalyst having both catalytic action and magnetic action is used as the catalyst for the fuel cell supported catalyst, oxygen is attracted to the magnetic catalyst by the magnetic action of the magnetic catalyst supported on the air electrode, and the generated water is discharged. (See FIG. 3). For this reason, the mass transfer of oxygen to the catalyst is promoted, and the flooding phenomenon that prevents the mass transfer due to water adhering to the electrode is more reliably suppressed, and the output of the fuel cell system can be improved more reliably.

磁性触媒はfct構造を主相とするPt合金を採用することができる。fct構造を主相とするPt合金は、高い保磁力を有するため、燃料電池の出力をより高めることができる。より具体的には、磁性触媒としては、Pt−Fe合金を採用することができる。Pt−Fe合金の状態図によれば、熱処理温度を900°Cとすると、Pt/Fe=35/65〜54/46(at%)の範囲で磁気作用を奏するfct構造を主相とするPt−Fe合金が得られる。また、熱処理温度を1300°Cとすることにより、Pt/Fe=41/59〜74/26(at%)の範囲で磁気作用を奏するfct構造を主相とするP t−Fe合金が得られた。Pt/Fe=38.5/61.5(at%)のPt−Fe合金を1046°Cで100時間熱処理し、水で急冷したfct構造を主相とするPt−Fe 合金の磁化曲線から、このfct構造を主相とするPt−Fe合金は、−3.8〜3.8kOeの高い保磁力を有することが確かめられている。発明者らの推察によれば、Pt/Fe=40/60〜75/25(at%)の組成を有するPt−Fe合金を採用することが好ましい。また、保磁力が絶対値で2kOe以上のPt−Fe合金を採用することが好ましい。さらに、粒径が1〜10nmのPt−Fe合金を採用することが好ましい。この種のPt−Fe合金は水溶液反応を基礎とする逆ミセル法、有機金属を用いる合成法等によって得られる。   As the magnetic catalyst, a Pt alloy having an fct structure as a main phase can be adopted. Since the Pt alloy having the fct structure as the main phase has a high coercive force, the output of the fuel cell can be further increased. More specifically, a Pt—Fe alloy can be adopted as the magnetic catalyst. According to the phase diagram of the Pt—Fe alloy, when the heat treatment temperature is 900 ° C., the main phase is a Pt / Fe = 35 / 65-54 / 46 (at%) fct structure that exhibits a magnetic action. -Fe alloy is obtained. Further, by setting the heat treatment temperature to 1300 ° C., a P t—Fe alloy having a main phase of an fct structure exhibiting a magnetic action in a range of Pt / Fe = 41/59 to 74/26 (at%) can be obtained. It was. From the magnetization curve of a Pt-Fe alloy having a main phase of an fct structure obtained by heat-treating a Pt-Fe alloy of Pt / Fe = 38.5 / 61.5 (at%) at 1046 ° C. for 100 hours and quenching with water, It has been confirmed that a Pt—Fe alloy having this fct structure as a main phase has a high coercive force of −3.8 to 3.8 kOe. According to the inventors' estimation, it is preferable to employ a Pt—Fe alloy having a composition of Pt / Fe = 40/60 to 75/25 (at%). Moreover, it is preferable to employ a Pt—Fe alloy having a coercive force of 2 kOe or more in absolute value. Furthermore, it is preferable to employ a Pt—Fe alloy having a particle size of 1 to 10 nm. This type of Pt—Fe alloy can be obtained by a reverse micelle method based on an aqueous solution reaction, a synthesis method using an organic metal, or the like.

さらに、磁性触媒はPt−Co合金を採用することもできる。Pt−Co合金の状態図によれば、Pt/Co=40/60〜73/27(at%)の範囲で磁気作用を奏するfct構造を主相とするPt−Co合金が得られる。発明者らの推察によれば、Pt/Co=40/60〜75/25(at%)の組成を有するPt−Co合金を採用することが好ましい。また、保磁力が絶対値で2kOe以上のPt−Co合金を採用することが好ましい。さらに、粒径が1〜10nmのPt−Co合金を採用することが好ましい。この種のPt−Co合金も水溶液反応を基礎とする逆ミセル法、有機金属を用いる合成法等によって得られる。   Further, a Pt—Co alloy can be adopted as the magnetic catalyst. According to the phase diagram of the Pt—Co alloy, a Pt—Co alloy whose main phase is an fct structure that exhibits magnetic action in the range of Pt / Co = 40/60 to 73/27 (at%) can be obtained. According to the inventors' estimation, it is preferable to employ a Pt—Co alloy having a composition of Pt / Co = 40/60 to 75/25 (at%). Moreover, it is preferable to employ a Pt—Co alloy having a coercive force of 2 kOe or more in absolute value. Furthermore, it is preferable to employ a Pt—Co alloy having a particle size of 1 to 10 nm. This type of Pt—Co alloy is also obtained by a reverse micelle method based on an aqueous solution reaction, a synthesis method using an organic metal, or the like.

第2発明の燃料電池用担持触媒は、プロトン伝導性ポリマーが入り込めないメソポーラスな孔を有する多孔性カーボンに触媒が担持されており、前記メソポーラスな孔にプロトン伝導パスが形成されていることを特徴とする。   The supported catalyst for a fuel cell of the second invention is that the catalyst is supported on porous carbon having mesoporous pores into which proton conductive polymer cannot enter, and that a proton conduction path is formed in the mesoporous pores. Features.

第2発明の燃料電池用担持触媒では、多孔性カーボンのメソポーラスな孔にプロトン伝導パスが形成されているため、第2発明の燃料電池用担持触媒とプロトン伝導性ポリマーとを混合して燃料電池用反応層を形成させた場合において、プロトン伝導性ポリマー自身は多孔性カーボンのメソポーラスな孔には入り込めなくても、プロトンは、メソポーラスな孔に形成されたプロトン伝導パスを経由して多孔性カーボンの孔の内部に移動することができる。このため、多孔性カーボンのメソポーラスな孔内部にも、電極反応を促進するために必須となる反応物質、プロトン及び電子のパスが触媒の周囲に存在するような構造(三相界面)が形成される。
したがって、第2発明の燃料電池用担持触媒は、分極抵抗が小さくなり、高い出力を得ることが可能であり、カーボン粉末の細孔内に担持された触媒も有効に電極反応に寄与することとなり、触媒の利用率も高くなる。
In the fuel cell supported catalyst of the second invention, the proton conducting path is formed in the mesoporous pores of the porous carbon. Therefore, the fuel cell supported catalyst of the second invention and the proton conducting polymer are mixed to form a fuel cell. In the case where the reaction layer is formed, the proton conducting polymer itself does not enter the mesoporous pores of the porous carbon, but the proton is porous via the proton conducting path formed in the mesoporous pores. It can move into the carbon pores. For this reason, a structure (three-phase interface) is also formed inside the mesoporous pores of porous carbon so that the reactants, proton and electron paths essential for promoting the electrode reaction exist around the catalyst. The
Therefore, the fuel cell supported catalyst of the second invention has a low polarization resistance and can obtain a high output, and the catalyst supported in the pores of the carbon powder also contributes effectively to the electrode reaction. The utilization rate of the catalyst is also increased.

第2発明の第2の局面では、プロトン伝導パスは、前記メソポーラスな孔内にプロトン伝導体を含ませることにより形成する。これにより、カーボン粉末の孔内に反応物質・プロトン・電子のパスが触媒の周囲に存在するような構造(三相界面)を確実に形成することができる。   In the second aspect of the second invention, the proton conduction path is formed by including a proton conductor in the mesoporous hole. As a result, a structure (three-phase interface) in which a path of reactants, protons, and electrons exists around the catalyst in the pores of the carbon powder can be reliably formed.

また、第2発明の第3の局面は、プロトン伝導体はガラス質のプロトン伝導体とするものである。このようなプロトン伝導パスの形成は、第1発明の第3の局面の場合と同様にして、比較的容易に形成することができる。   According to a third aspect of the second invention, the proton conductor is a vitreous proton conductor. Such a proton conduction path can be formed relatively easily as in the case of the third aspect of the first invention.

さらに、第4の局面の発明では、メソポーラスな孔内に、プロトン伝導性を付与する官能基が修飾されている。このような官能基によっても、プロトン導伝性のパスを形成させることができる。プロトン伝導性を付与する官能基としては、メチルスルホン酸基等が挙げられる。   Furthermore, in the invention of the fourth aspect, a functional group imparting proton conductivity is modified in the mesoporous pore. Such a functional group can also form a proton conductive path. Examples of the functional group imparting proton conductivity include a methylsulfonic acid group.

また、第5の局面の発明では、多孔性カーボンに担持させる触媒として、触媒作用と磁性作用とを併せもつ磁性触媒とした。こうであれば、第1発明の第5の局面でも説明したように、酸素の常磁性としての性質と、水の反磁性としての性質から、酸素の触媒への物質移動が促進されるとともに、電極に水が付着して物質移動を妨げるフラッディング現象がより確実に抑制され、燃料電池システムの出力向上をより確実に実現できる。   In the fifth aspect of the invention, the catalyst supported on the porous carbon is a magnetic catalyst having both catalytic action and magnetic action. If this is the case, as described in the fifth aspect of the first invention, the mass transfer of oxygen to the catalyst is promoted from the nature of oxygen as paramagnetism and the nature of water as diamagnetism, The flooding phenomenon that prevents water from adhering to the electrode and preventing mass transfer is more reliably suppressed, and the output of the fuel cell system can be improved more reliably.

また、第1発明の第5の局面でも説明したように、磁性触媒はfct構造を主相とするPt−Fe合金やPt−Co合金等のPt合金を採用することができる。   Further, as described in the fifth aspect of the first invention, the magnetic catalyst may employ a Pt alloy such as a Pt—Fe alloy or a Pt—Co alloy having a fct structure as a main phase.

以上のように、第1発明及び第2発明の燃料電池用担持触媒を用いて燃料電池用反応層や燃料電池を作製すれば、分極抵抗を小さくすることができ、高い出力を得ることが可能で、触媒の利用率も高いものとなる。   As described above, if a fuel cell reaction layer or a fuel cell is produced using the fuel cell supported catalyst of the first and second inventions, the polarization resistance can be reduced and a high output can be obtained. Thus, the utilization rate of the catalyst is also high.

また、本発明の燃料電池用担持触媒の製造方法は、プロトン伝導性ポリマーが入り込めないメソポーラスな孔を有する触媒担持多孔性カーボンの該孔内でプロトン伝導体を合成することを特徴とする。これにより、多孔性カーボンの孔内で反応物質、プロトン及び電子のパスが触媒の周囲に存在するような構造(三相界面)を確実に形成することができる。   The method for producing a supported catalyst for a fuel cell according to the present invention is characterized in that a proton conductor is synthesized in the pores of catalyst-supporting porous carbon having mesoporous pores into which proton-conducting polymers cannot enter. Thereby, it is possible to reliably form a structure (three-phase interface) in which the paths of the reactants, protons and electrons exist around the catalyst in the pores of the porous carbon.

さらに、本発明の燃料電池用担持触媒の製造方法における第2の局面では、前記メソポーラスな孔を有する触媒担持多孔性カーボンは、有機湿潤ゲル化物を得る工程と、該有機湿潤ゲル化物を粉砕してゲル粉末とする粉砕工程と、該ゲル粉末を水溶性有機溶媒と接触させて溶媒置換を行う溶媒置換工程と、溶媒置換された該ゲル粉末を超臨界乾燥してゲル乾燥粉末を得る超臨界乾燥工程と、該ゲル乾燥粉末を熱分解してカーボンエアロゲル粉末とする熱分解工程とを経て得られたカーボンエアロゲル粉末に触媒が担持されてなることを特徴とする。   Furthermore, in the second aspect of the method for producing a supported catalyst for a fuel cell of the present invention, the catalyst-supporting porous carbon having mesoporous pores comprises a step of obtaining an organic wet gelled product, and a step of pulverizing the organic wet gelled product. A pulverizing step to obtain a gel powder, a solvent replacement step in which the gel powder is contacted with a water-soluble organic solvent to perform solvent replacement, and supercritical drying of the solvent-substituted gel powder to obtain a gel dry powder. A catalyst is supported on a carbon airgel powder obtained through a drying step and a pyrolysis step in which the gel dry powder is pyrolyzed to obtain a carbon airgel powder.

こうして得られた燃料電池用担持触媒は、第1発明において説明したように、ゲル化物の細孔構造を反映した細孔構造が保たれていることとなるため、優れたガス透過性を有し、ガスの物質移動が容易となり、物質移動による分極抵抗を小さくすることができる。また、粒子径を極めて小さくすることができるため、高分子電解質型燃料電池における電極として使用した場合、電極の厚さを薄くすることができる。   The fuel cell supported catalyst thus obtained has excellent gas permeability because the pore structure reflecting the pore structure of the gelled product is maintained as described in the first invention. Gas mass transfer is facilitated, and polarization resistance due to mass transfer can be reduced. Moreover, since the particle diameter can be made extremely small, when used as an electrode in a polymer electrolyte fuel cell, the thickness of the electrode can be reduced.

以下、本発明を具体化した実施例1〜4ついて説明する。
<カーボンエアロゲル粉末の調製>
実施例1〜4の燃料電池用担持触媒に使用したカーボンエアロゲル粉末は、以下のようにして調製した。
(調製例1)
重合工程S1
図4に示すように、重合工程S1としてレゾルシノール4gとホルムアルデヒド37%水溶液5.5mlと炭酸ナトリウム99.5%粉末0.019gとを混合し、3時間撹拌を行った後、室温−24h、50°C−24h、90°C−72hエージングする事により有機湿潤ゲル化物を得た。
Examples 1 to 4 embodying the present invention will be described below.
<Preparation of carbon airgel powder>
The carbon airgel powder used for the fuel cell supported catalysts of Examples 1 to 4 was prepared as follows.
(Preparation Example 1)
Polymerization step S1
As shown in FIG. 4, as the polymerization step S1, 4 g of resorcinol, 5.5 ml of 37% formaldehyde aqueous solution, and 0.019 g of sodium carbonate 99.5% powder were mixed and stirred for 3 hours. An organic wet gelled product was obtained by aging at a temperature of -24C for 90C.

粉砕工程S2
上記の有機湿潤ゲル化物をイオン交換水でデカンテーションした後、水の存在下でボールミルにより2時間の粉砕を行いゲル粉末スラリーとした。
Grinding step S2
The organic wet gelled product was decanted with ion-exchanged water, and then pulverized for 2 hours with a ball mill in the presence of water to obtain a gel powder slurry.

溶媒置換工程S3
そして、溶媒置換工程S3として、上記ゲル粉末スラリーを吸引ろ過法によりアセトンで5回洗浄した後、スラリーをケーキ層型とした。
Solvent replacement step S3
And as solvent substitution process S3, after wash | cleaning the said gel powder slurry 5 times with acetone by the suction filtration method, the slurry was made into the cake layer type | mold.

超臨界乾燥工程S4
さらに、超臨界乾燥工程S4として、溶媒置換されたゲル粉末をステンレス製の圧力容器に入れ、CO2を導入し、超臨界状態となるよう圧力と温度を調節し、その後ゆっくりとCO2を排出させることによって、CO2を気相条件へ移行させて超臨界乾燥を行いゲル乾燥粉末を得た。
Supercritical drying process S4
Furthermore, as the supercritical drying step S4, the solvent-substituted gel powder is put into a stainless steel pressure vessel, CO2 is introduced, the pressure and temperature are adjusted so as to be in a supercritical state, and then CO2 is slowly discharged. Thus, CO2 was transferred to gas phase conditions and supercritical drying was performed to obtain a gel dry powder.

熱分解工程S5
最後に、熱分解工程S5として、上記ゲル乾燥粉末を電気炉内に入れ、窒素雰囲気下、1000°Cにて4時間の加熱を行った後、冷却して調製例1のカーボンエアロゲル粉末を得た。
得られたカーボンエアロゲル粉末の特性は次の通りである。
BET比表面積: 629m/g
細孔容積: 2.00cm/g
Thermal decomposition process S5
Finally, as the pyrolysis step S5, the gel dry powder is placed in an electric furnace, heated in a nitrogen atmosphere at 1000 ° C. for 4 hours, and then cooled to obtain the carbon airgel powder of Preparation Example 1. It was.
The characteristics of the obtained carbon airgel powder are as follows.
BET specific surface area: 629 m 2 / g
Pore volume: 2.00cm 3 / g

(調製例2)
調製例2では、粉砕工程S2における粉砕時間を4時間とした。他の条件は調製例1と同じであり、説明を省略する。
得られたカーボンエアロゲル粉末の特性は次の通りである。
BET比表面積: 632m/g
細孔容積: 1.83cm/g
(Preparation Example 2)
In Preparation Example 2, the grinding time in the grinding step S2 was 4 hours. Other conditions are the same as those in Preparation Example 1, and a description thereof is omitted.
The characteristics of the obtained carbon airgel powder are as follows.
BET specific surface area: 632 m 2 / g
Pore volume: 1.83 cm 3 / g

(比較例1)
比較例1及び比較例2では、調製例1における粉砕工程S2を行わず、熱分解工程S5を行った後、得られた塊状のカーボンエアロゲルを測定試料とした。他の条件は調製例1と同じであり、説明を省略する。
得られたカーボンエアロゲル粉末の特性は次の通りである。
BET比表面積: 670m/g
細孔容積: 2.17cm/g
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the pulverization step S2 in Preparation Example 1 was not performed, and the pyrolysis step S5 was performed, and then the obtained bulk carbon airgel was used as a measurement sample. Other conditions are the same as those in Preparation Example 1, and a description thereof is omitted.
The characteristics of the obtained carbon airgel powder are as follows.
BET specific surface area: 670 m 2 / g
Pore volume: 2.17 cm 3 / g

(比較例2)
比較例2では、比較例1で得られた塊状のカーボンエアロゲルを粉砕機によって2時間粉砕を行って得られた粉体を測定試料とした。
得られたカーボンエアロゲル粉末の特性は次の通りである。
BET比表面積: 105m/g
細孔容積: 0.25cm/g
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, a powder obtained by pulverizing the massive carbon aerogel obtained in Comparative Example 1 with a pulverizer for 2 hours was used as a measurement sample.
The characteristics of the obtained carbon airgel powder are as follows.
BET specific surface area: 105 m 2 / g
Pore volume: 0.25cm 3 / g

<評 価>
上記調製例1及び比較例1のカーボンエアロゲルについて、BET吸着法により細孔分布を測定した。その結果、図5に示すように、調製例1のカーボンエアロゲルは、まったく粉砕を行っていない比較例1と比較しても、細孔分布についてほとんど差はなく、細孔構造が壊れることなく保たれていることが分かった。
<Evaluation>
With respect to the carbon aerogels of Preparation Example 1 and Comparative Example 1, the pore distribution was measured by the BET adsorption method. As a result, as shown in FIG. 5, the carbon airgel of Preparation Example 1 has almost no difference in pore distribution compared to Comparative Example 1 in which no pulverization is performed, and the pore structure is not broken. I found out that I was leaning.

これに対し、比較例2では、図6に示すように、細孔が減少しており、細孔構造がほとんど破壊されていることが分かる。   On the other hand, in the comparative example 2, as shown in FIG. 6, it turns out that the pore is reducing and the pore structure is almost destroyed.

また、調製例1及び調製例2における、ゲル粉末スラリー及び熱分解直後のカーボンエアロゲルの粒度分布を測定した。その結果、図7及び図8に示すように、粉砕工程S2における粉砕時間を制御することによって、カーボンエアロゲルの細孔分布を制御できることが分かった。また、ゲル粉末スラリーとカーボンエアロゲル粉末とは、ほとんど同じ粒度分布を示すことが分かった。   Further, the particle size distributions of the gel powder slurry and the carbon aerogel immediately after pyrolysis in Preparation Example 1 and Preparation Example 2 were measured. As a result, as shown in FIGS. 7 and 8, it was found that the pore distribution of the carbon airgel can be controlled by controlling the pulverization time in the pulverization step S2. It was also found that the gel powder slurry and the carbon airgel powder showed almost the same particle size distribution.

さらに、調製例1及び調製例2のカーボンエアロゲル粉末について、BET吸着法により細孔分布を測定した。その結果、図9に示すように、調製例1と調製例2とでは、細孔分布に差ができ、粉砕工程S2における粉砕時間を制御することによって、カーボンエアロゲルの細孔分布を制御できることがさらに確かめられた。   Further, the pore distribution of the carbon airgel powders of Preparation Example 1 and Preparation Example 2 was measured by the BET adsorption method. As a result, as shown in FIG. 9, there is a difference in pore distribution between Preparation Example 1 and Preparation Example 2, and the pore distribution of the carbon airgel can be controlled by controlling the pulverization time in the pulverization step S2. Further confirmed.

以上の結果から、調製例1及び調製例2のカーボンエアロゲル粉末は、有機湿潤ゲル化物の細孔構造を反映した細孔構造が保たれており、比表面積が大きいことが分かった。このため、電極反応に寄与する面積が広くなり、ガス透過性にも優れることから、分極抵抗も低くなることが分かる。   From the above results, it was found that the carbon airgel powders of Preparation Example 1 and Preparation Example 2 maintained the pore structure reflecting the pore structure of the organic wet gelled product and had a large specific surface area. For this reason, since the area which contributes to an electrode reaction becomes large and it is excellent also in gas permeability, it turns out that polarization resistance also becomes low.

次に、上記調製例1のカーボンエアロゲルを用い、後述する実施例1〜4の燃料電池用担持触媒を調製した。
<Pt担持カーボンエアロゲルの調製>
上記調製例1カーボンエアロゲル粉末をジニトロジアミン白金硝酸水溶液に加え、撹拌及び超音波によって分散し、その後、水素中で加熱することにより還元して、カーボンエアロゲル粉末にPtを担持させたPt担持カーボンエアロゲルを得た。こうして得られたPt担持カーボンエアロゲルは、図10の模式図に示すように、細孔構造がそのまま保たれたカーボンエアロゲル粉末の細孔にPtが担持されている。
Next, using the carbon airgel of Preparation Example 1, fuel cell supported catalysts of Examples 1 to 4 described later were prepared.
<Preparation of Pt-supported carbon aerogel>
Preparation Example 1 Carbon airgel powder added to a dinitrodiamine platinum nitric acid aqueous solution, dispersed by stirring and ultrasonic waves, then reduced by heating in hydrogen, and Pt-supported carbon airgel having Pt supported on carbon airgel powder Got. As shown in the schematic diagram of FIG. 10, the Pt-supported carbon airgel obtained in this way has Pt supported on the pores of the carbon airgel powder in which the pore structure is maintained as it is.

なお、触媒としてPtの代わりに、fct構造を主相とするPt−Fe合金や、fct構造を主相とするPt−Fe合金を用いることも可能である。これらの磁性触媒は、Pt−Fe合金やPt−Fe合金の微粉末を熱処理し、水で急冷することにより得ることができる。   In addition, it is also possible to use a Pt—Fe alloy having an fct structure as a main phase or a Pt—Fe alloy having an fct structure as a main phase instead of Pt as a catalyst. These magnetic catalysts can be obtained by heat-treating a fine powder of Pt—Fe alloy or Pt—Fe alloy and quenching with water.

<燃料電池用担持触媒の調製>
上記のようにして得られた調製例1のPt触媒担持カーボンエアロゲル粉末を用いて、以下の手順により実施例1〜4の燃料電池用担持触媒を調製した。
<Preparation of fuel cell supported catalyst>
Using the Pt catalyst-supported carbon airgel powder of Preparation Example 1 obtained as described above, fuel cell-supported catalysts of Examples 1 to 4 were prepared by the following procedure.

(実施例1)
実施例1では、調製例1のPt触媒担持カーボンエアロゲル粉末に対し、メチルスルホン酸基の修飾を行った(図11の工程図参照)。
すなわち、まず、調製例1のPt触媒担持カーボンエアロゲル粉末にホルムアルデヒド水溶液及び亜硫酸ナトリウムを加え、110℃で24 時間攪拌する。これにより図12に示すように、メチロール基が導入され、さらにメチルスルホン酸基への変換が行われる。そして、反応後、1M硫酸水溶液でイオン交換を15 分間程行うことによって、ナトリウムを水素にイオン交換し、水系でソックスレー抽出を一昼夜行い、未反応物を除去する。こうして、メチルスルホン酸基で修飾された実施例1のPt触媒担持カーボンエアロゲル粉末を得た。
なお、上記実施例1の方法に替えて、カーボンエアロゲル粉末にメチルスルホン酸基の修飾を行った後に、Pt触媒を担持させてもよい。
Example 1
In Example 1, the Pt catalyst-carrying carbon airgel powder of Preparation Example 1 was modified with a methylsulfonic acid group (see the process diagram of FIG. 11).
That is, first, an aqueous formaldehyde solution and sodium sulfite are added to the Pt catalyst-carrying carbon airgel powder of Preparation Example 1 and stirred at 110 ° C. for 24 hours. Thereby, as shown in FIG. 12, a methylol group is introduced and further converted into a methylsulfonic acid group. After the reaction, ion exchange is performed for 15 minutes with 1M sulfuric acid aqueous solution, so that sodium is ion-exchanged with hydrogen, and Soxhlet extraction is carried out in an aqueous system all day and night to remove unreacted substances. Thus, a Pt catalyst-supported carbon airgel powder of Example 1 modified with methylsulfonic acid groups was obtained.
Note that, instead of the method of Example 1, the carbon airgel powder may be modified with methylsulfonic acid groups and then loaded with a Pt catalyst.

こうして得られた実施例1の燃料電池用担持触媒は、細孔内部にプロトン伝導性を有するメチルスルホン酸基が導入されているため、これが細孔内部でのプロトン伝導パスとなり、電極反応に必要な三相界面が細孔内部で形成される。このため、電極反応が迅速に進行する。しかも、有機湿潤ゲル化物の細孔構造を反映した細孔構造が保たれており、比表面積が大きく電極反応に寄与する面積が広くなり、優れたガス透過性を有することから、物質移動による分極抵抗も小さくなる。   In the fuel cell supported catalyst of Example 1 obtained in this way, since a methylsulfonic acid group having proton conductivity is introduced into the pores, this becomes a proton conduction path inside the pores and is necessary for the electrode reaction. A three-phase interface is formed inside the pores. For this reason, an electrode reaction advances rapidly. Moreover, the pore structure reflecting the pore structure of the organic wet gelled product is maintained, the specific surface area is large, the area contributing to the electrode reaction is widened, and it has excellent gas permeability. Resistance also decreases.

(実施例2)
実施例2では、調製例1のPt触媒担持カーボンエアロゲル粉末に対し、細孔内でのグラフト化によるプロトン伝導性ポリマーの導入を行った(図13の工程図参照)。
すなわち、まず、調製例1のPt触媒担持カーボンエアロゲル粉末を水に分散し、30%のホルムアルデヒド水溶液と水酸化ナトリウム水溶液を加え、5分間の超音波分散を行った後、70℃で24時間の撹拌を行う。そして、吸引ろ過を行い、窒素雰囲気下で100°下で乾燥させる。こうして得られた粉末に0.47mol/Lの2-アクリルアミド-2−メチルプロパンスルホン酸(以下「ATBS」と略す)と0.2 mol/Lの硫酸アンモニウムセリウムとを加え、細孔内部でグラフト重合させた。こうして、ATBSを細孔内でグラフト重合した、実施例2のPt触媒担持カーボンエアロゲル粉末を得た。
なお、上記実施例2の方法に替えて、ATBSを細孔内でグラフト重合した後に、Pt触媒を担持させてもよい。
(Example 2)
In Example 2, a proton conductive polymer was introduced into the Pt catalyst-carrying carbon airgel powder of Preparation Example 1 by grafting within the pores (see the process diagram of FIG. 13).
That is, first, the Pt catalyst-carrying carbon airgel powder of Preparation Example 1 was dispersed in water, 30% formaldehyde aqueous solution and sodium hydroxide aqueous solution were added, and ultrasonic dispersion was performed for 5 minutes, and then at 70 ° C. for 24 hours. Stir. And suction filtration is performed and it is made to dry under 100 degrees under nitrogen atmosphere. 0.47 mol / L 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid (hereinafter abbreviated as “ATBS”) and 0.2 mol / L ammonium cerium sulfate were added to the powder thus obtained, and graft polymerization was performed inside the pores. Thus, the Pt catalyst-supported carbon airgel powder of Example 2 obtained by graft polymerization of ATBS in the pores was obtained.
Instead of the method of Example 2, the Pt catalyst may be supported after the ATBS is graft polymerized in the pores.

こうして得られた実施例2の燃料電池用担持触媒では、図14に示すように、細孔内部にプロトン伝導ポリマーであるポリATBSを有するため、実施例1の場合と同様、電極反応が迅速に進行する。また、細孔内部で重合させるモノマーの量を適宜調整することにより、有機湿潤ゲル化物の細孔構造を残し、電極反応に寄与する面積を広くし、分極抵抗を低下させることができる。   The fuel cell supported catalyst of Example 2 obtained in this way has poly ATBS, which is a proton conducting polymer, in the pores as shown in FIG. proceed. Further, by appropriately adjusting the amount of the monomer to be polymerized inside the pores, the pore structure of the organic wet gelled product can be left, the area contributing to the electrode reaction can be widened, and the polarization resistance can be reduced.

(実施例3)
実施例3では、調製例1のPt触媒担持カーボンエアロゲル粉末に対し、トリフルオロメタンスルホン酸カリウムを物理吸着させた(図15の工程図参照)。
すなわち、まず調製例1のPt触媒担持カーボンエアロゲル粉末を水に分散し、トリルオロメタンスルホン酸カリウムを加え、5分間の超音波分散を行った後、吸引ろ過により固液分離を行う。そして所定量の水を加え、さらに5質量%のナフィオン(登録商標)EW1100を加え、燃料電池反応層用の触媒ペーストを作成する。こうして得られた触媒ペーストをカーボンクロスやカーボンペーパーなどの電極基材の片面に塗り込み、乾燥させて反応層を形成させる。そして、電極基材を0.5 mol/Lの硫酸中に浸漬してプロトン置換を行い、細孔内にプロトン伝導パスを形成させる。そして、電極基材を取り出し、純水で数回洗浄した後、60℃で10時間の乾燥を行う。こうして細孔内にプロトン伝導パスが形成された反応層を有する電極基材を2枚用意し、反応層と高分子電解質膜とが接触するように両側から挟む状態でホットプレスを行い、MEAを作製した。
なお、上記実施例3の方法に替えて、カーボンエアロゲル粉末にトリフルオロメタンスルホン酸の修飾を行った後に、Pt触媒を担持させてもよい。
(Example 3)
In Example 3, potassium trifluoromethanesulfonate was physically adsorbed to the Pt catalyst-carrying carbon airgel powder of Preparation Example 1 (see the process diagram of FIG. 15).
That is, first, the Pt catalyst-carrying carbon airgel powder of Preparation Example 1 is dispersed in water, potassium trilloromethanesulfonate is added, and ultrasonic dispersion is performed for 5 minutes, followed by solid-liquid separation by suction filtration. Then, a predetermined amount of water is added, and further 5% by mass of Nafion (registered trademark) EW1100 is added to prepare a catalyst paste for the fuel cell reaction layer. The catalyst paste thus obtained is applied to one side of an electrode substrate such as carbon cloth or carbon paper and dried to form a reaction layer. Then, the electrode substrate is immersed in 0.5 mol / L sulfuric acid to perform proton substitution, thereby forming a proton conduction path in the pores. Then, the electrode substrate is taken out, washed several times with pure water, and then dried at 60 ° C. for 10 hours. In this way, two electrode base materials having a reaction layer in which a proton conduction path is formed in the pores are prepared, and hot pressing is performed while sandwiching from both sides so that the reaction layer and the polymer electrolyte membrane are in contact with each other. Produced.
Instead of the method of Example 3, the carbon airgel powder may be modified with trifluoromethanesulfonic acid and then supported with a Pt catalyst.

(実施例4)
実施例4では、調製例1の有機湿潤ゲル化物の細孔内部で、プロトン伝導性リン酸ガラスの合成を行った(図16参照)
すなわち、まず、調製例1の有機湿潤ゲル化物に、リン酸ガラス前駆体を含浸させる。このリン酸ガラス前駆体は、オルトケイ酸テトラエチルなどの金属アルコキシドに、リン酸トリメチル、塩酸、メタノール及びホルムアミドを加えて生成したゾルである。そして、さらに混合物を90°Cに加熱してゲル化させ、湿潤状態のまま粉砕してゲル粉末スラリーとする。さらに、ゲル粉末スラリーをアセトンで溶媒置換してゲル粉末とし、CO2による超臨界乾燥工程を行い、ゲル乾燥粉末を得た。このゲル乾燥粉末を800〜1000°Cで熱分解して、細孔内にガラス質のプロトン伝導体であるリン酸ガラスを形成させた。
Example 4
In Example 4, proton conductive phosphate glass was synthesized inside the pores of the organic wet gelled product of Preparation Example 1 (see FIG. 16).
That is, first, the organic wet gelled product of Preparation Example 1 is impregnated with a phosphate glass precursor. This phosphate glass precursor is a sol formed by adding trimethyl phosphate, hydrochloric acid, methanol and formamide to a metal alkoxide such as tetraethyl orthosilicate. Further, the mixture is heated to 90 ° C. to be gelled, and pulverized in a wet state to obtain a gel powder slurry. Furthermore, the gel powder slurry was solvent-substituted with acetone to obtain a gel powder, and a supercritical drying process using CO2 was performed to obtain a gel dry powder. The gel dry powder was pyrolyzed at 800 to 1000 ° C. to form phosphate glass as a vitreous proton conductor in the pores.

こうして得られた実施例4の燃料電池用担持触媒は、細孔内部にプロトン伝導性を有するリン酸ガラスが導入されているため、これが細孔内部でのプロトン伝導パスとなり、電極反応に必要な三相界面が細孔内部でも形成される。このため、電極反応が迅速に進行する。しかも、有機湿潤ゲル化物の細孔構造を反映した細孔構造が保たれており、比表面積が大きく電極反応に寄与する面積が広くなり、優れたガス透過性を有することから、分極抵抗も小さくなる。   In the fuel cell-supported catalyst of Example 4 obtained in this way, since phosphate glass having proton conductivity is introduced into the pores, this becomes a proton conduction path inside the pores and is necessary for the electrode reaction. A three-phase interface is also formed inside the pores. For this reason, an electrode reaction advances rapidly. Moreover, the pore structure reflecting the pore structure of the organic wet gelled product is maintained, the specific surface area is large, the area contributing to the electrode reaction is widened, and the gas permeability is excellent, so the polarization resistance is also small. Become.

以上のようにして得られた実施例1〜4の燃料電池用担持触媒を用いて燃料電池を構成することができる。すなわち、燃料電池用担持触媒とナフィオン溶液との質量比が0.5程度になるように、燃料電池用担持触媒へナフィオン(登録商標)溶液(5 質量% 溶液)を添加する。そして、これをよく攪拌・混合し、電極用ペーストを作製する。この電極用ペーストをカーボンクロスの一面側に塗布した後、乾燥させて電極反応層を形成する。こうしてカーボンクロスに電極反応層が形成された燃料電池用電極を2枚作成する。   A fuel cell can be constructed using the fuel cell supported catalysts of Examples 1 to 4 obtained as described above. That is, a Nafion (registered trademark) solution (5% by mass solution) is added to the fuel cell supported catalyst so that the mass ratio of the fuel cell supported catalyst to the Nafion solution is about 0.5. Then, this is thoroughly stirred and mixed to produce an electrode paste. After applying this electrode paste on one side of the carbon cloth, it is dried to form an electrode reaction layer. In this way, two fuel cell electrodes having an electrode reaction layer formed on the carbon cloth are prepared.

こうして得られた2枚の燃料電池用電極の間にナフィオン112(登録商標)からなる高分子固体電解質層(厚さ約50μm)を挟み込むように配置する。そして、温度140〜160°C、面圧70〜100kg/cm2の条件下で、ホットプレスによる熱圧着を行う。こうして、膜電極接合体を得る。さらに、この膜電極接合体及び一対のセパレータを組み付けて、燃料電池を作成することができる。   A polymer solid electrolyte layer (thickness: about 50 μm) made of Nafion 112 (registered trademark) is sandwiched between the two fuel cell electrodes thus obtained. Then, thermocompression bonding by hot pressing is performed under conditions of a temperature of 140 to 160 ° C. and a surface pressure of 70 to 100 kg / cm 2. In this way, a membrane electrode assembly is obtained. Furthermore, a fuel cell can be produced by assembling this membrane electrode assembly and a pair of separators.

この発明は上記発明の実施の態様及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。   The present invention is not limited to the description of the embodiments and examples of the invention described above. Various modifications are also included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the scope of the claims.

従来のカーボンエアロゲル粉末の製造方法を示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing method of the conventional carbon airgel powder. 従来の活性炭担持触媒を用いた燃料電池電極の模式図である。It is a schematic diagram of the fuel cell electrode using the conventional activated carbon carrying | support catalyst. 磁性触媒を担持させたカーボンエアロゲルの特性概念図である。It is a characteristic conceptual diagram of the carbon airgel which carry | supported the magnetic catalyst. 調製例のカーボンエアロゲル粉末の製造方法を示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing method of the carbon airgel powder of a preparation example. 調製例1及び比較例1の細孔分布を示すグラフである。4 is a graph showing the pore distribution of Preparation Example 1 and Comparative Example 1. 比較例1及び比較例2の細孔分布を示すグラフである。6 is a graph showing the pore distribution of Comparative Example 1 and Comparative Example 2. 調製例1及び調製例2における、超臨界乾燥を行った直後のゲル乾燥粉末の粒度分布を示すグラフである。It is a graph which shows the particle size distribution of the gel dry powder immediately after performing supercritical drying in the preparation examples 1 and 2. 調製例1及び調製例2における、熱分解を行った直後のカーボンエアロゲルの細孔分布を示すグラフである。It is a graph which shows the pore distribution of the carbon airgel immediately after performing thermal decomposition in the preparation example 1 and the preparation example 2. FIG. 調製例1及び調製例2のカーボンエアロゲル粉末の細孔分布を示すグラフである。It is a graph which shows the pore distribution of the carbon airgel powder of the preparation examples 1 and 2. Pt担持カーボンエアロゲルの模式図である。It is a schematic diagram of Pt carrying | support carbon aerogel. 実施例1の工程図である。2 is a process diagram of Example 1. FIG. 実施例1におけるメチルスルホン酸基導入の反応機構を示す図である。1 is a diagram showing a reaction mechanism for introducing a methylsulfonic acid group in Example 1. FIG. 実施例2の工程図である。10 is a process diagram of Example 2. FIG. 実施例2の燃料電池用担持触媒の模式拡大図である。3 is a schematic enlarged view of a supported catalyst for a fuel cell in Example 2. FIG. 実施例3の工程図である。6 is a process diagram of Example 3. FIG. 実施例4の工程図である。FIG. 6 is a process diagram of Example 4.

符号の説明Explanation of symbols

S1…重合工程
S2…粉砕工程
S3…溶媒置換工程
S4…超臨界乾燥工程
S5…熱分解工程
S1 ... polymerization step S2 ... grinding step S3 ... solvent replacement step S4 ... supercritical drying step S5 ... pyrolysis step

Claims (14)

カーボン粉末に触媒が担持された燃料電池用担持触媒において、
該カーボン粉末は、
有機湿潤ゲル化物を得る工程と、
該有機湿潤ゲル化物を粉砕してゲル粉末とする粉砕工程と、
該ゲル粉末を水溶性有機溶媒と接触させて溶媒置換を行う溶媒置換工程と、
溶媒置換された該ゲル粉末を超臨界乾燥してゲル乾燥粉末を得る超臨界乾燥工程と、
該ゲル乾燥粉末を熱分解してカーボンエアロゲル粉末とする熱分解工程と、
を経て得られたカーボンエアロゲル粉末であり、
該カーボン粉末にはプロトン伝導パスが形成されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池用担持触媒。
In a fuel cell supported catalyst in which a catalyst is supported on carbon powder,
The carbon powder is
Obtaining an organic wet gelled product;
A pulverizing step of pulverizing the organic wet gelled product to form a gel powder;
A solvent replacement step of contacting the gel powder with a water-soluble organic solvent to perform solvent replacement;
A supercritical drying step of obtaining a gel dry powder by supercritical drying the solvent-substituted gel powder;
A thermal decomposition step of thermally decomposing the gel dry powder into a carbon aerogel powder;
Is a carbon airgel powder obtained through
2. The supported catalyst for a fuel cell according to claim 1, wherein a proton conduction path is formed in the carbon powder.
前記プロトン伝導パスは、前記カーボン粉末の孔内にプロトン伝導体を含ませることにより形成したことを特徴とする請求項1記載の燃料電池用担持触媒。   The supported catalyst for a fuel cell according to claim 1, wherein the proton conduction path is formed by including a proton conductor in the pores of the carbon powder. 前記プロトン伝導体はガラス質のプロトン伝導体であることを特徴とする請求項2記載の燃料電池用担持触媒。   The supported catalyst for a fuel cell according to claim 2, wherein the proton conductor is a vitreous proton conductor. 前記プロトン伝導パスは、前記カーボン粉末の孔内にプロトン伝導性を付与する官能基が修飾されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池用担持触媒。   The supported catalyst for a fuel cell according to claim 1, wherein the proton conduction path is modified with a functional group imparting proton conductivity in the pores of the carbon powder. 前記触媒は触媒作用と磁性作用とを併せもつ磁性触媒であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の燃料電池用担持触媒。   The supported catalyst for a fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the catalyst is a magnetic catalyst having both a catalytic action and a magnetic action. プロトン伝導性ポリマーが入り込めないメソポーラスな孔を有する多孔性カーボンに触媒が担持されており、
前記メソポーラスな孔にプロトン伝導パスが形成されていることを特徴とする燃料電池用担持触媒。
A catalyst is supported on porous carbon having mesoporous pores into which proton conductive polymer cannot enter,
A supported catalyst for a fuel cell, wherein a proton conduction path is formed in the mesoporous hole.
前記プロトン伝導パスは、前記メソポーラスな孔内にプロトン伝導体を含ませることにより形成したことを特徴とする請求項6記載の燃料電池用担持触媒。   The supported catalyst for a fuel cell according to claim 6, wherein the proton conduction path is formed by including a proton conductor in the mesoporous hole. 前記プロトン伝導体はガラス質のプロトン伝導体であることを特徴とする請求項7記載の燃料電池用担持触媒。   8. The fuel cell supported catalyst according to claim 7, wherein the proton conductor is a vitreous proton conductor. 前記プロトン伝導パスは、前記メソポーラスな孔内に、プロトン伝導性を付与する官能基が修飾されていることを特徴とする請求項6記載の燃料電池用担持触媒。   7. The supported catalyst for a fuel cell according to claim 6, wherein the proton conduction path is modified with a functional group imparting proton conductivity in the mesoporous pores. 前記触媒は触媒作用と磁性作用とを併せもつ磁性触媒であることを特徴とする請求項6乃至9のいずれか1項記載の燃料電池用担持触媒。   The supported catalyst for a fuel cell according to any one of claims 6 to 9, wherein the catalyst is a magnetic catalyst having both a catalytic action and a magnetic action. 請求項1乃至10のいずれか1項記載の燃料電池用担持触媒を用いた燃料電池用反応層。   The reaction layer for fuel cells using the supported catalyst for fuel cells of any one of Claims 1 thru | or 10. 請求項11の燃料電池用反応層を用いた燃料電池。   A fuel cell using the reaction layer for a fuel cell according to claim 11. 触媒を担持し、プロトン伝導性ポリマーが入り込めないメソポーラスな孔を有する触媒担持多孔性カーボンの該孔内でプロトン伝導体を合成することを特徴とする燃料電池用担持触媒の製造方法。   A method for producing a supported catalyst for a fuel cell, comprising synthesizing a proton conductor in a catalyst-supporting porous carbon having a mesoporous pore that supports a catalyst and cannot contain a proton-conducting polymer. 前記メソポーラスな孔を有する触媒担持多孔性カーボンは、
有機湿潤ゲル化物を得る工程と、
該有機湿潤ゲル化物を粉砕してゲル粉末とする粉砕工程と、
該ゲル粉末を水溶性有機溶媒と接触させて溶媒置換を行う溶媒置換工程と、
溶媒置換された該ゲル粉末を超臨界乾燥してゲル乾燥粉末を得る超臨界乾燥工程と、
該ゲル乾燥粉末を熱分解してカーボンエアロゲル粉末とする熱分解工程と、
を経て得られたカーボンエアロゲル粉末に触媒が担持されてなることを特徴とする燃料電池用担持触媒の製造方法。
The catalyst-supporting porous carbon having the mesoporous pores is
Obtaining an organic wet gelled product;
A pulverizing step of pulverizing the organic wet gelled product to form a gel powder;
A solvent replacement step of contacting the gel powder with a water-soluble organic solvent to perform solvent replacement;
A supercritical drying step of obtaining a gel dry powder by supercritical drying the solvent-substituted gel powder;
A thermal decomposition step of thermally decomposing the gel dry powder into a carbon aerogel powder;
A method for producing a supported catalyst for a fuel cell, wherein the catalyst is supported on a carbon airgel powder obtained through the above process.
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