JP2007194197A - Catalyst electrode and its manufacturing method, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Catalyst electrode and its manufacturing method, and polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a catalyst electrode which can form a good three-phase interface and prevent flooding of an electrode by product water, and improve performance of a polymer electrolyte fuel cell. <P>SOLUTION: The catalyst electrode is composed of catalyst 2 and a porous carbon frame 3 which carries the catalyst 2. The catalyst 2 has a dendritic structure or a laminate structure, and the porous carbon frame 3 has fine holes with a diameter of 0.5μm or more and 10μm or less in a mode diameter, and moreover, with a porosity ratio of the catalyst electrode 4 in a range of 12% or more and 80% or less. The polymer electrolyte fuel cell is provided with the above catalyst electrode. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、触媒電極、その製造方法および固体高分子型燃料電池に関する。   The present invention relates to a catalyst electrode, a method for producing the same, and a polymer electrolyte fuel cell.

固体高分子形燃料電池は、エネルギー変換効率が高いこと、クリーンであることなどから、将来のエネルギー生成装置として期待されている。近年では、自動車や家庭用発電機などの用途だけではなく、そのエネルギー密度の高さから携帯電話やノート型パソコン、デジタルカメラなど小型の電気機器に搭載することによって、従来の2次電池に比べ長時間駆動できる可能性があり、注目を集めている。しかしながら、車載用、家庭用に関しては、まだまだコストの削減が必要であり、その一つの方法として触媒使用量を減らすことが望まれている。また、小型の電気機器用としての実用化には、システム全体のコンパクト化および発電効率の向上が必要である。   The polymer electrolyte fuel cell is expected as a future energy generation device because of its high energy conversion efficiency and cleanliness. In recent years, not only for applications such as automobiles and household generators, but also because of its high energy density, it can be installed in small electrical devices such as mobile phones, laptop computers, and digital cameras, compared to conventional secondary batteries. There is a possibility that it can be driven for a long time, attracting attention. However, for in-vehicle use and home use, it is still necessary to reduce the cost, and it is desired to reduce the amount of catalyst used as one method. Moreover, for practical use as a small electric device, it is necessary to make the entire system compact and improve the power generation efficiency.

これまで、触媒を微粒子化し、カーボン粒子などに担持させて三次元的に分散させることで、表面積を増大させ、触媒の利用効率を高めるという試みがなされてきた。また、触媒層中に空孔を設けることで物質輸送を良くし、触媒層中のガス拡散性を向上する試みがなされてきた。特に燃料電池を小型電気機器に搭載する場合においては、電池自体も小型化する必要があり、空気はポンプやブロワーなどを用いずに通気孔から自然拡散によって空気極へ供給される方式(air breathing)が多く採られている。このような場合、空気極での物質輸送が反応の律速となる場合が多く、触媒層のガス拡散性を向上することは有効な手段となると考えられる。   Until now, attempts have been made to increase the surface area and increase the utilization efficiency of the catalyst by making the catalyst fine particles, supporting them on carbon particles and dispersing them three-dimensionally. Further, attempts have been made to improve the gas diffusibility in the catalyst layer by providing pores in the catalyst layer to improve the material transport. In particular, when a fuel cell is mounted on a small electric device, the cell itself needs to be miniaturized, and air is supplied from the vent hole to the air electrode by natural diffusion without using a pump or a blower (air breathing). ) Is often taken. In such a case, mass transport at the air electrode is often the rate-limiting reaction, and it is considered that improving the gas diffusibility of the catalyst layer is an effective means.

ガス拡散性を向上して触媒利用率を解決する方法として、特許文献1には、繊維状カーボンに触媒を担持させた触媒電極からなる固体高分子型燃料電池用触媒電極の構成が開示されている。また、特許文献2には、カーボンナノファイバーの表面に触媒微粒子を担持して形成した燃料電池用電極が開示されている。
特開2003−200052 特開2002−298861
As a method for improving the gas diffusibility and solving the catalyst utilization rate, Patent Document 1 discloses a configuration of a catalyst electrode for a polymer electrolyte fuel cell comprising a catalyst electrode in which a catalyst is supported on fibrous carbon. Yes. Patent Document 2 discloses a fuel cell electrode formed by supporting catalyst fine particles on the surface of a carbon nanofiber.
JP2003-200052 JP 2002-298661

しかしながら、より汎用性があり、簡易な方法で触媒電極を製造することができ、かつ触媒利用率をさらに向上した触媒電極を得るという課題は、これまで十分に検討が為されてきたとは言えない。   However, the problem of obtaining a catalyst electrode that is more versatile and that can be produced by a simple method and that further improves the catalyst utilization rate has not been sufficiently studied so far. .

そこで、本発明は、触媒利用率の高い触媒電極とそれを用いた燃料電池を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a catalyst electrode having a high catalyst utilization rate and a fuel cell using the catalyst electrode.

本発明は、触媒と、該触媒を担持する多孔質カーボンフレームとから構成され、前記触媒は樹枝状構造あるいは薄片状構造を有し、前記多孔質カーボンフレームは孔径がモード径で0.5μm以上10μm以下の細孔を有し、かつ触媒電極中の空孔率が12%以上80%以下の範囲であることを特徴とする。   The present invention comprises a catalyst and a porous carbon frame supporting the catalyst, the catalyst has a dendritic structure or a flaky structure, and the porous carbon frame has a mode diameter of 0.5 μm or more in mode diameter. It has pores of 10 μm or less, and the porosity in the catalyst electrode is in the range of 12% or more and 80% or less.

前記触媒は多孔質カーボンフレームの表面及びフレーム内部に三次元的に分散して担持されていることが好ましい。
前記触媒は、白金酸化物、白金と白金以外の金属元素との複合酸化物、前記白金酸化物あるいは複合酸化物を還元処理した白金あるいは白金を含んだ多元金属、白金と白金以外の金属元素の酸化物との混合物、白金を含んだ多元金属と白金以外の金属元素の酸化物との混合物のいずれかであることが好ましい。ここで、白金以外の金属元素としては、Al,Si,Ti,V,Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ge,Zr,Nb,Mo,Ru,Rh,Pd,Ag,In,Sn,Hf,Ta,W,Os,Ir,Au,La,Ce,Ndから選ばれる少なくとも一種類以上の金属を好ましく用いることができる。
The catalyst is preferably supported in a three-dimensionally dispersed manner on the surface of the porous carbon frame and inside the frame.
The catalyst is composed of platinum oxide, a composite oxide of platinum and a metal element other than platinum, platinum obtained by reducing the platinum oxide or composite oxide, or a multi-element metal containing platinum, or a metal element other than platinum and platinum. It is preferably one of a mixture with an oxide and a mixture of a multi-element metal containing platinum and an oxide of a metal element other than platinum. Here, as metal elements other than platinum, Al, Si, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, In, Sn , Hf, Ta, W, Os, Ir, Au, La, Ce, and Nd can be preferably used.

前記樹枝状構造あるいは薄片状構造を有する触媒の分岐した枝あるいは薄片の平均厚みが5nm以上50nm以下であることが好ましい。
前記多孔質カーボンフレームは、カーボン粉末と、固体高分子電解質からなるバインダーとからなることが好ましい。
The average thickness of the branched branches or flakes of the catalyst having the dendritic structure or flaky structure is preferably 5 nm or more and 50 nm or less.
The porous carbon frame is preferably made of carbon powder and a binder made of a solid polymer electrolyte.

本発明の触媒電極は、固体高分子型燃料電池の触媒電極として好適に用いられる。
また、本発明は、触媒と、触媒を担持する多孔質カーボンフレームとから構成されている触媒電極の製造方法であって、触媒を気相中でスパッタ、真空蒸着またはイオンプレーティングによって、多孔質カーボンフレームの表面及びフレーム内部に形成する工程を有することを特徴とする。
The catalyst electrode of the present invention is suitably used as a catalyst electrode of a polymer electrolyte fuel cell.
The present invention also relates to a method for producing a catalyst electrode comprising a catalyst and a porous carbon frame carrying the catalyst, the catalyst being porous in the gas phase by sputtering, vacuum deposition or ion plating. It has the process of forming in the surface of a carbon frame, and the inside of a flame | frame.

また、本発明は、上述したいずれかの触媒電極と、該触媒電極に隣接する固体高分子電解質膜と、を有する固体高分子型燃料電池である。   The present invention also provides a solid polymer fuel cell comprising any of the catalyst electrodes described above and a solid polymer electrolyte membrane adjacent to the catalyst electrode.

本発明の触媒電極によれば、良好な三相界面の形成と生成水による電極のフラッディングが抑制され、固体高分子型燃料電池の性能の向上が可能となる。
また、本発明の触媒電極は、汎用性がある簡易な方法によって製造できるので、膜−触媒電極の性能安定化および均一性の向上を実現できる。
According to the catalyst electrode of the present invention, the formation of a good three-phase interface and the flooding of the electrode with generated water are suppressed, and the performance of the polymer electrolyte fuel cell can be improved.
In addition, since the catalyst electrode of the present invention can be manufactured by a simple method having versatility, it is possible to realize performance stabilization and improvement in uniformity of the membrane-catalyst electrode.

また、本発明は、長期間に渡って均一で安定な発電特性を有する固体高分子型燃料電池を安価で提供できる。   Further, the present invention can provide a polymer electrolyte fuel cell having a uniform and stable power generation characteristic over a long period of time at a low cost.

以下、図面を参照して、本発明の固体高分子型燃料電池の触媒電極およびその製造方法について、好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部材の材質、寸法、形状、その相対配置等は、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。同様に以下に記述する製造方法も唯一のものではない。   Hereinafter, with reference to the drawings, preferred embodiments of the catalyst electrode of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention and the manufacturing method thereof will be described in detail by way of example. However, the materials, dimensions, shapes, relative arrangements, and the like of the constituent members described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention only to those unless otherwise specified. Absent. Similarly, the manufacturing method described below is not the only one.

図1は、触媒電極を用いた固体高分子方燃料電池の単セルの断面構成の一例を示す模式図である。触媒電極は、樹枝状構造あるいは薄片状構造の触媒が多孔質カーボンフレームの表面及びフレーム内部に三次元的に分散配置されている。   FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a cross-sectional configuration of a single cell of a solid polymer fuel cell using a catalyst electrode. In the catalyst electrode, a dendritic or flaky catalyst is three-dimensionally distributed on the surface of the porous carbon frame and inside the frame.

図1において、1は固体高分子電解質膜、これを挟んで一対のカソード触媒電極4、アノード触媒電極5が配置され、さらにその外側にはカソードガス拡散層6、アノードガス拡散層7及びカソード集電体8、アノード集電体9が配置される。   In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a solid polymer electrolyte membrane, and a pair of cathode catalyst electrode 4 and anode catalyst electrode 5 are arranged on both sides of the membrane, and a cathode gas diffusion layer 6, anode gas diffusion layer 7 and cathode collector are disposed on the outside thereof. An electric body 8 and an anode current collector 9 are disposed.

本実施例においては、カソード触媒電極のみに樹枝状あるいは薄片状構造を有する触媒を多孔質カーボンフレームの表面及びフレーム内部に三次元的に分散配置した触媒電極を用いる例を示すが、触媒電極の配置構成としてはこれに限定するものではない。例えば、両極とも本発明の触媒電極を配置する場合、あるいはアノード側のみ本発明の触媒電極を配置する場合をも含んでおり、種々の構成を好ましく選択することができる。   In this embodiment, an example in which a catalyst electrode in which a catalyst having a dendritic or lamellar structure is three-dimensionally dispersed on the surface of a porous carbon frame and inside the frame is used only for the cathode catalyst electrode. However, the arrangement is not limited to this. For example, it includes a case where the catalyst electrode of the present invention is disposed on both electrodes, or a case where the catalyst electrode of the present invention is disposed only on the anode side, and various configurations can be preferably selected.

さらに、図1において、2は触媒、3は触媒の担体であり、本形態では、多孔質カーボンフレームであり、これらから触媒電極4が構成される。
触媒2は、白金酸化物、白金と白金以外の金属元素との複合酸化物、前記白金酸化物あるいは複合酸化物を還元処理した白金あるいは白金を含んだ多元金属、白金と白金以外の金属元素の酸化物との混合物、白金を含んだ多元金属と白金以外の金属元素の酸化物との混合物のいずれかであることが好ましい。
Furthermore, in FIG. 1, 2 is a catalyst, 3 is a catalyst carrier, and in this embodiment is a porous carbon frame, from which a catalyst electrode 4 is constructed.
The catalyst 2 is composed of platinum oxide, a composite oxide of platinum and a metal element other than platinum, platinum obtained by reducing the platinum oxide or the composite oxide or a multi-element metal containing platinum, and a metal element other than platinum and platinum. It is preferably one of a mixture with an oxide and a mixture of a multi-element metal containing platinum and an oxide of a metal element other than platinum.

前記白金以外の金属元素としては、Al,Si,Ti,V,Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ge,Zr,Nb,Mo,Ru,Rh,Pd,Ag,In,Sn,Hf,Ta,W,Os,Ir,Au,La,Ce,Ndから選ばれる少なくとも一種類以上の金属を好ましく用いることができる。   Examples of metal elements other than platinum include Al, Si, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, In, Sn, and Hf. , Ta, W, Os, Ir, Au, La, Ce, and Nd can be preferably used.

また、触媒2は、樹枝状構造あるいは薄片状構造を有している。樹枝状構造とは、例えば図3の本発明の実施例2の触媒電極の走査電子顕微鏡(SEM)写真(図3A:倍率1万倍、図3B:倍率3万倍)において、多数の樹枝状で示されるものが触媒であり、その樹枝状物の集合体からなる構造を表す。   The catalyst 2 has a dendritic structure or a flaky structure. The dendritic structure is, for example, a large number of dendritic shapes in a scanning electron microscope (SEM) photograph (FIG. 3A: magnification 10,000 times, FIG. 3B: magnification 30,000 times) of the catalyst electrode of Example 2 of the present invention shown in FIG. What is shown by is a catalyst, and represents the structure which consists of the aggregate | assembly of the dendritic material.

薄片状構造とは、例えば図2の本発明の実施例1の触媒電極の走査電子顕微鏡(SEM)写真(図2A:倍率1万倍、図2B:倍率3万倍、図2C:倍率30万倍)において、多数の薄片状で示されるものが触媒であり、その薄片状物の集合体からなる構造を表す。   The flaky structure is, for example, a scanning electron microscope (SEM) photograph of the catalyst electrode of Example 1 of the present invention shown in FIG. 2 (FIG. 2A: magnification 10,000 times, FIG. 2B: magnification 30,000 times, FIG. 2C: magnification 300,000) 2), a catalyst having a large number of flakes represents a structure composed of aggregates of the flakes.

なお、後述するようなスパッタ後に還元する方法を利用して触媒を形成する場合、触媒量が少ないと薄片状構造になりやすく、触媒量が多いと樹枝状構造になりやすい。樹枝状構造を詳細に観察すると、薄片状のナノ構造単位を有している場合があるが、このような場合も概念的には樹枝状構造に含まれる。   When the catalyst is formed using a method of reducing after sputtering as described later, a flaky structure is likely to occur when the amount of catalyst is small, and a dendritic structure is likely to occur when the amount of catalyst is large. When the dendritic structure is observed in detail, it may have a flaky nanostructure unit. Such a case is also conceptually included in the dendritic structure.

前記樹枝状構造あるいは薄片状構造を有する触媒の分岐した枝あるいは薄片の平均厚みが5nm以上50nm以下、さらに好適には5nm以上20nm以下の範囲であるのが望ましい。   The average thickness of the branched branches or flakes of the catalyst having the dendritic structure or flaky structure is preferably in the range of 5 nm to 50 nm, more preferably 5 nm to 20 nm.

以上述べた形態、組成、構成、寸法の触媒は、気相中でスパッタ、真空蒸着またはイオンプレーティング等の物理蒸着法、反応性真空蒸着法によって好適に形成することができる。例えば、樹枝状構造あるいは薄片状構造を有する白金酸化物は、白金ターゲットを使用した反応性スパッタによって、多孔質カーボンフレームの表面に容易に被覆形成することができ、表面及びフレーム内部に三次元的に分散配置することができる。   The catalyst having the form, composition, configuration, and dimensions described above can be suitably formed by a physical vapor deposition method such as sputtering, vacuum vapor deposition or ion plating, or a reactive vacuum vapor deposition method in a gas phase. For example, a platinum oxide having a dendritic structure or a flaky structure can be easily coated on the surface of a porous carbon frame by reactive sputtering using a platinum target. Can be distributed.

図1において、多孔質カーボンフレーム3は、細孔11を有し、該細孔が三次元的につながったカーボンのシートを表す。多孔質カーボンフレーム中の細孔は、孔径がモード径で0.5μm以上10μm以下、好ましくは1.0μm以上10μm以下であるのが望ましい。   In FIG. 1, a porous carbon frame 3 represents a carbon sheet having pores 11 and three-dimensionally connecting the pores. The pores in the porous carbon frame preferably have a mode diameter of 0.5 to 10 μm, preferably 1.0 to 10 μm in mode diameter.

また、多孔質カーボンフレームの空孔率は12%以上80%以下、好ましくは40%以上80%以下であるのが望ましい。なお、空孔率とは、試料面積×試料厚みで求めた試料体積中の細孔容積の割合を示す。   Further, the porosity of the porous carbon frame is 12% or more and 80% or less, preferably 40% or more and 80% or less. In addition, the porosity indicates the ratio of the pore volume in the sample volume obtained by the sample area × sample thickness.

また、触媒電極の厚さは、5μm以上30μm以下、好ましくは10μm以上25μm以下であるのが望ましい。
カーボンとしては、カーボンナノチューブ、ケッチェンブラック、昭和電工製:VGCF、日本黒鉛製:薄片カーボン、Cabot製:VulcanXC−72Rなどから好適に選択あるいは組み合わせて使用することができる。
The thickness of the catalyst electrode is 5 μm or more and 30 μm or less, preferably 10 μm or more and 25 μm or less.
As carbon, carbon nanotubes, ketjen black, Showa Denko: VGCF, Nippon Graphite: flake carbon, Cabot: Vulcan XC-72R can be suitably selected or used in combination.

多孔質カーボンフレームの製造方法は、カーボンナノチューブ、ケッチェンブラック、昭和電工製:VGCF、日本黒鉛製:薄片カーボン、Cabot製:VulcanXC−72Rなどから好適に選択あるいは組み合わせたカーボンを用いる。そのカーボンを固体高分子電解質あるいはテフロン(登録商標)などのバインダー及びIPAなどの分散溶媒とともにスラリーにし、テフロン(登録商標)シートに塗布することにより、多孔質カーボンフレームを得る。また、この際スラリーをガス拡散層上に直接塗布し、多孔質カーボンフレームを形成する方法を採ってもよい。   The method for producing the porous carbon frame uses carbon suitably selected or combined from carbon nanotubes, ketjen black, Showa Denko: VGCF, Nippon Graphite: flake carbon, Cabot: Vulcan XC-72R, and the like. The carbon is made into a slurry together with a solid polymer electrolyte or a binder such as Teflon (registered trademark) and a dispersion solvent such as IPA, and is applied to a Teflon (registered trademark) sheet to obtain a porous carbon frame. At this time, a method may be employed in which the slurry is directly applied onto the gas diffusion layer to form a porous carbon frame.

このようにして作製した多孔質カーボンフレームの表面及びフレーム内部に樹枝状構造あるいは薄片状構造を有する触媒を三次元的に分散配置させた触媒電極は、転写法により固体高分子電解質膜に接合することができる。その際、触媒電極にプロトン導電材としての固体高分子電解質溶液を滴下する方法をとってもよいし、また多孔質カーボンフレーム作製時に用いた固体高分子電解質を利用して転写し、電池として駆動することも可能である。ただし、多孔質カーボンフレーム中の固体高分子電解質を利用して転写、発電する場合は、スパッタの高真空雰囲気で固体高分子電解質が収縮してしまいフレームのカーボン同士の結着が切れてしまうため電極強度が弱なり、転写時に電極が割れてしまうという問題がある。さらにはプロトン導電パスが切れてしまうため、触媒の利用率が著しく低下するという問題が発生する。そのため、前記構成で転写、発電するためには、スパッタ後触媒電極にIPA、エタノールなどの有機溶媒を滴下し多孔質カーボンフレーム中の固体高分子電解質を溶解し、乾燥させることにより再結着させる必要がある。   The catalyst electrode in which the catalyst having a dendritic structure or a flake-like structure is three-dimensionally dispersed and arranged on the surface of the porous carbon frame and the inside of the frame is joined to the solid polymer electrolyte membrane by a transfer method. be able to. In that case, a method of dropping a solid polymer electrolyte solution as a proton conductive material onto the catalyst electrode may be used, or transfer using the solid polymer electrolyte used in the preparation of the porous carbon frame and driving as a battery. Is also possible. However, when transferring and generating electricity using the solid polymer electrolyte in the porous carbon frame, the solid polymer electrolyte contracts in the high vacuum atmosphere of sputtering, and the carbon in the frame is disconnected. There is a problem that the electrode strength is weakened and the electrode is cracked during transfer. Furthermore, since the proton conduction path is cut off, there arises a problem that the utilization rate of the catalyst is remarkably lowered. Therefore, in order to transfer and generate electric power with the above-described configuration, an organic solvent such as IPA or ethanol is dropped on the catalyst electrode after sputtering, and the solid polymer electrolyte in the porous carbon frame is dissolved and dried for rebinding. There is a need.

また、形成した触媒電極上に再度多孔質カーボンフレームを形成、スパッタにより触媒を形成することにより、触媒電極の積層が可能となる。その際、固体高分子電解質に近い電極の多孔質カーボンフレームにはより多くの固体高分子電解質を含ませることにより電解質膜の保水性、プロトン導電性を向上させることも可能である。また、ガス拡散層に近い電極の多孔質カーボンフレームにはテフロン(登録商標)をより多く含ませることにより撥水性、耐フラッディング性を向上させるなどして触媒電極の機能性に傾斜をもたせる
ことも可能である。
Further, by forming a porous carbon frame again on the formed catalyst electrode and forming the catalyst by sputtering, the catalyst electrodes can be stacked. At that time, it is possible to improve the water retention and proton conductivity of the electrolyte membrane by including more solid polymer electrolyte in the porous carbon frame of the electrode close to the solid polymer electrolyte. In addition, the porous carbon frame of the electrode close to the gas diffusion layer may be inclined to the functionality of the catalyst electrode by including more Teflon (registered trademark) to improve water repellency and flooding resistance. Is possible.

固体高分子電解質膜としては、フッ化炭素骨格にスルホン酸基を末端につけた側鎖が結合した構造のパーフルオロスルホン酸ポリマーを好適に使用することができる。パーフルオロスルホン酸ポリマーはフッ化炭素骨格が架橋しておらず、骨格部分がファンデルワールス力で結合した結晶を形成している。さらにスルホン酸基はいくつかが凝集して逆ミセル構造をとっており、ここがプロトンH+の伝導チャネルとなっている。 As the solid polymer electrolyte membrane, a perfluorosulfonic acid polymer having a structure in which a side chain having a sulfonic acid group at the end is bonded to a fluorocarbon skeleton can be preferably used. The perfluorosulfonic acid polymer has a fluorocarbon skeleton that is not crosslinked, and forms a crystal in which the skeleton is bonded by van der Waals force. Furthermore, some sulfonic acid groups are aggregated to form a reverse micelle structure, which is a conduction channel for proton H + .

なお、プロトンH+が電解質膜中をカソード側に向かって移動する場合には水分子を媒体として移動するので、電解質膜は水分子を保持する機能も有していることが好ましい。
したがって、固体高分子電解質膜は、アノード側で生成したプロトンH+をカソード側に伝達するとともに未反応の反応ガス(水素および酸素)を通さないこと、所定の保水機能を有していることが好ましい。この条件を満たすものの中から、任意のものを選択して使用することができる。
When proton H + moves in the electrolyte membrane toward the cathode side, it moves using water molecules as a medium. Therefore, the electrolyte membrane preferably has a function of holding water molecules.
Therefore, the solid polymer electrolyte membrane transmits proton H + generated on the anode side to the cathode side, does not pass unreacted reaction gases (hydrogen and oxygen), and has a predetermined water retention function. preferable. Any one satisfying this condition can be selected and used.

ガス拡散層6、7は電極反応を効率良く行わせるために燃料ガスまたは空気を燃料極または空気極の触媒層中の電極反応領域へ面内で均一に充分に供給する機能を有していることが好ましい。さらに、アノード電極反応によって生じる電荷を単セル外部に放出させること、さらに反応生成水や未反応ガスを単セル外部に効率よく排出する役割を担うものである。ガス拡散層としては、電子伝導性を有する多孔質体、例えばカーボンクロスやカーボンペーパーを好ましく用いることができる。   The gas diffusion layers 6 and 7 have a function of supplying the fuel gas or air uniformly and sufficiently in the plane to the electrode reaction region in the catalyst layer of the fuel electrode or the air electrode in order to perform the electrode reaction efficiently. It is preferable. Furthermore, the charge generated by the anode electrode reaction is released to the outside of the single cell, and the reaction product water and unreacted gas are efficiently discharged to the outside of the single cell. As the gas diffusion layer, a porous body having electron conductivity such as carbon cloth or carbon paper can be preferably used.

本形態の触媒電極ならびに固体高分子型燃料電池の製造方法としては、様々な方法があるが、図2Aから図2Cで示した触媒電極を例として、以下にその作製方法の一例を説明する。   There are various methods for producing the catalyst electrode of this embodiment and the polymer electrolyte fuel cell, and an example of a method for producing the catalyst electrode will be described below using the catalyst electrode shown in FIGS. 2A to 2C as an example.

具体的には、図2Aから図2Cで示した触媒電極は、カーボン粉末(昭和電工製:VGCF)を用いて作製した多孔質カーボンフレームの表面及びフレーム内部にスパッタ法により触媒を三次元的に分散配置させたものである。   Specifically, the catalyst electrode shown in FIGS. 2A to 2C is formed by three-dimensionally applying a catalyst by sputtering on the surface of a porous carbon frame produced using carbon powder (made by Showa Denko: VGCF) and inside the frame. It is distributed.

(1)触媒担体としての多孔質カーボンフレームの作製
カーボン粉末(昭和電工製:VGCF)、固体高分子電解質溶液(Dupont製:5%ナフィオン溶液)、IPA(キシダ化学製)を所定の割合で混合し、スラリー状にする。得られたスラリーを高分子電解質膜への転写層としてのPTFEシート上にドクターブレードを用いて塗布して、多孔質カーボンフレームを得る。
(1) Production of porous carbon frame as catalyst carrier Carbon powder (made by Showa Denko: VGCF), solid polymer electrolyte solution (made by Dupont: 5% Nafion solution), IPA (made by Kishida Chemical) are mixed at a predetermined ratio. Into a slurry. The obtained slurry is applied on a PTFE sheet as a transfer layer to the polymer electrolyte membrane using a doctor blade to obtain a porous carbon frame.

(2)多孔質カーボンフレームへの触媒の形成
次に、上記工程によって作製した基体をスパッタ装置に移動し、樹枝状及び薄片状構造を有する酸化白金触媒を約0.25mg/cm2製膜する。
(2) Formation of catalyst on porous carbon frame Next, the substrate produced by the above process is moved to a sputtering apparatus to form a platinum oxide catalyst having a dendritic and flaky structure into a film of about 0.25 mg / cm 2 . .

スパッタ室内圧力を1.0×10-4Paまで排気した後、Ar、O2を其々2.5、20.0sccm導入し、オリフィスにて全圧を6.0Paに調整する。
RF投入パワー4.0W/cm2にて反応性スパッタを行い、樹枝状あるいは薄片状構造を有する酸化白金を約0.25mg/cm2製膜する。
After the sputtering chamber pressure is evacuated to 1.0 × 10 −4 Pa, Ar and O 2 are introduced to 2.5 and 20.0 sccm, respectively, and the total pressure is adjusted to 6.0 Pa at the orifice.
Reactive sputtering is performed at an RF input power of 4.0 W / cm 2 to form about 0.25 mg / cm 2 of platinum oxide having a dendritic or flaky structure.

このとき、基体は十分な細孔と空孔を有しているため、スパッタされた酸化白金は多孔質カーボンフレームの表面だけでなく、フレーム内部にも製膜され、三次元的に分散配置されて形成される。   At this time, since the substrate has sufficient pores and holes, the sputtered platinum oxide is formed not only on the surface of the porous carbon frame but also on the inside of the frame, and is three-dimensionally distributed. Formed.

製膜が終了した基体は、10kPaの2%H2/Heに暴露することによって容易に還元され、カソード触媒電極を得る。
(3)アノード電極の作製
対極のアノード電極の触媒には白金担持カーボン(Jhonson Matthey製:HiSPEC4000)を用い、固体高分子電解質溶液(Dupont製:5%ナフィオン溶液)、IPAを所定の割合で混合し、スラリー状にする。得られたスラリーを高分子電解質膜への転写層としてのPTFEシート上にドクターブレードを用いて塗布、アノード触媒電極を得る。
The substrate after film formation is easily reduced by exposure to 10 kPa of 2% H 2 / He to obtain a cathode catalyst electrode.
(3) Production of anode electrode Platinum-supported carbon (manufactured by Johnson Matthey: HiSPEC 4000) is used as a catalyst for the anode electrode of the counter electrode, and a solid polymer electrolyte solution (manufactured by Dupont: 5% Nafion solution) and IPA are mixed at a predetermined ratio. Into a slurry. The obtained slurry is applied on a PTFE sheet as a transfer layer to the polymer electrolyte membrane using a doctor blade to obtain an anode catalyst electrode.

(4)MEA(膜−電極接合体)の作製
上記により得られたカソード触媒電極およびアノード触媒電極によって固体高分子電解質膜(Dupont製、Nafion112)を挟み込んでホットプレスを行う。さらにPTFEシートを剥離することにより、一対の触媒電極を高分子電解質膜に転写し、電解質膜と一対の触媒電極を接合する。この接合体をガス拡散層としてのカーボンクロス(E−TEK製、LT1400−W)、さらに燃料極電極および空気極電極によって挟んで単セルを作製する。
(4) Preparation of MEA (membrane-electrode assembly) Hot pressing is performed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane (manufactured by Dupont, Nafion 112) between the cathode catalyst electrode and the anode catalyst electrode obtained as described above. Further, by peeling the PTFE sheet, the pair of catalyst electrodes is transferred to the polymer electrolyte membrane, and the electrolyte membrane and the pair of catalyst electrodes are joined. A single cell is produced by sandwiching the joined body between a carbon cloth (manufactured by E-TEK, LT1400-W) as a gas diffusion layer, and a fuel electrode and an air electrode.

以上、図2に示した触媒電極の場合を例として、固体高分子型燃料電池の単セルの作製方法を説明したが、本発明はこの単セル構成の固体高分子型燃料電池に限定されるものではなく、単セルを複数スタックした構成の固体高分子型燃料電池をも含むものである。   The method for producing a single cell of the polymer electrolyte fuel cell has been described above by taking the case of the catalyst electrode shown in FIG. 2 as an example. However, the present invention is limited to the polymer electrolyte fuel cell having this single cell configuration. It is not intended to include a solid polymer fuel cell having a configuration in which a plurality of single cells are stacked.

次に、上記実施の形態に基づく、より具体的な実施例を詳細に説明する。
実施例1
本実施例は、カーボン粉末(昭和電工製:VGCF)を用いた多孔質カーボンフレームの表面及びフレーム内部にスパッタにより触媒を三次元的に分散させた場合の例である。
Next, more specific examples based on the above embodiment will be described in detail.
Example 1
In this example, the catalyst is three-dimensionally dispersed by sputtering on the surface of the porous carbon frame using carbon powder (made by Showa Denko: VGCF) and inside the frame.

以下、本実施例に係わる固体高分子型燃料電池の製造工程を詳細に説明する。
(工程1)
先ず、触媒担体としての多孔質カーボンフレームを用意する。
Hereinafter, the manufacturing process of the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment will be described in detail.
(Process 1)
First, a porous carbon frame is prepared as a catalyst carrier.

カーボン粉末(昭和電工製:VGCF)、固体高分子電解質溶液(Dupont製:5%ナフィオン溶液)、IPAを所定の割合で混合、分散し、スラリー状にする。得られたスラリーを高分子電解質膜への転写層としてのPTFEシート上にドクターブレードを用いて塗布し、厚さ20μmの多孔質カーボンフレームを得る。   Carbon powder (manufactured by Showa Denko: VGCF), solid polymer electrolyte solution (manufactured by Dupont: 5% Nafion solution), and IPA are mixed and dispersed at a predetermined ratio to form a slurry. The obtained slurry is applied onto a PTFE sheet as a transfer layer to the polymer electrolyte membrane by using a doctor blade to obtain a porous carbon frame having a thickness of 20 μm.

(工程2)
次に、上記工程によって作製した基体をスパッタ装置に移動し、樹枝状あるいは薄片状構造を有する酸化白金触媒を膜厚約0.25mg/cm2製膜する。
(Process 2)
Next, the substrate produced by the above process is moved to a sputtering apparatus, and a platinum oxide catalyst having a dendritic or flaky structure is formed to a film thickness of about 0.25 mg / cm 2 .

スパッタ室内圧力を1.0×10-4Paまで排気した後、Ar、O2を其々2.5、20.0sccm導入し、オリフィスにて全圧を6.0Paに調整する。
RF投入パワー4.0W/cm2にて反応性スパッタを行い、多孔質カーボンフレーム上に樹枝状あるいは薄片状構造を有する酸化白金を約0.25mg/cm2製膜した。
After the sputtering chamber pressure is evacuated to 1.0 × 10 −4 Pa, Ar and O 2 are introduced to 2.5 and 20.0 sccm, respectively, and the total pressure is adjusted to 6.0 Pa at the orifice.
Reactive sputtering was performed at an RF input power of 4.0 W / cm 2 to form about 0.25 mg / cm 2 of platinum oxide having a dendritic or flaky structure on a porous carbon frame.

このとき、基体は十分な細孔と空孔を有しているため、スパッタされた酸化白金は多孔質カーボンフレームの表面だけでなく、フレーム内部にも製膜され、三次元的に分散配置されて形成される。   At this time, since the substrate has sufficient pores and holes, the sputtered platinum oxide is formed not only on the surface of the porous carbon frame but also on the inside of the frame, and is three-dimensionally distributed. Formed.

製膜が終了した基体は、10kPaの2%H2/Heに暴露することによって容易に還元さる。還元後、基体1cm2当たりIPAを0.3cc滴下し、多孔質カーボンフレーム内のナフィオンを溶解、その後大気雰囲気で乾燥することにより再結着させカソード触媒電極を得る。 The substrate after film formation is easily reduced by exposure to 10 kPa of 2% H 2 / He. After the reduction, 0.3 cc of IPA per 1 cm 2 of the substrate is dropped to dissolve Nafion in the porous carbon frame, and then dried in the air atmosphere to rebound to obtain a cathode catalyst electrode.

(工程3)
次に対極のアノード触媒電極を作製する。アノード触媒には白金担持カーボン(Jhonson Matthey製:HiSPEC4000)を用い、固体高分子電解質溶液(Dupont製:5%ナフィオン溶液)、IPAを所定の割合で混合し、スラリー状にする。得られたスラリーを高分子電解質膜への転写層としてのPTFEシート上にドクターブレードを用いて塗布、アノード触媒電極を得る。
(Process 3)
Next, an anode catalyst electrode as a counter electrode is produced. Platinum-supported carbon (manufactured by Johnson Matthey: HiSPEC 4000) is used as the anode catalyst, and a solid polymer electrolyte solution (manufactured by Dupont: 5% Nafion solution) and IPA are mixed in a predetermined ratio to form a slurry. The obtained slurry is applied on a PTFE sheet as a transfer layer to the polymer electrolyte membrane using a doctor blade to obtain an anode catalyst electrode.

(工程4)
上記により得られたカソード触媒電極およびアノード触媒電極によって固体高分子電解質膜(Dupont製Nafion112)を挟み込んでホットプレスを行う。さらにPTFEシートを剥離することにより、一対の触媒電極を高分子電解質膜に転写し、電解質膜と一対の触媒電極を接合する。この接合体をガス拡散層としてのカーボンクロス(E−TEK製LT1400−W)、さらに燃料極電極および空気極電極によって挟んで単セルを作製する。本実施例においては多孔質カーボンフレーム作製時に用いた固体高分子電解質(Dupont製:ナフィオン)を用いて発電を行うため、多孔質カーボンフレームへの触媒付与後の固体高分子電解質の添加は不要である。
(Process 4)
A solid polymer electrolyte membrane (Dupont Nafion 112) is sandwiched between the cathode catalyst electrode and the anode catalyst electrode obtained as described above, and hot pressing is performed. Further, by peeling the PTFE sheet, the pair of catalyst electrodes is transferred to the polymer electrolyte membrane, and the electrolyte membrane and the pair of catalyst electrodes are joined. A single cell is produced by sandwiching the joined body between a carbon cloth (LT1400-W manufactured by E-TEK) as a gas diffusion layer, and a fuel electrode and an air electrode. In this example, since power generation is performed using the solid polymer electrolyte (manufactured by Dupont: Nafion) used at the time of producing the porous carbon frame, it is not necessary to add the solid polymer electrolyte after applying the catalyst to the porous carbon frame. is there.

以上の工程によって作製した単セルに関して、図5に示した構成の評価装置を用いて特性評価を行った。アノード電極側に水素ガスを、カソード電極側に空気を流し、電池温度80℃にて放電試験を行った。   With respect to the single cell manufactured through the above steps, the characteristics were evaluated using the evaluation apparatus having the configuration shown in FIG. A discharge test was conducted at a battery temperature of 80 ° C. by flowing hydrogen gas to the anode electrode side and air to the cathode electrode side.

このとき、比較例1として多孔質カーボンフレーム担体を用いずにガス拡散層に直接酸化白金をスパッタした触媒電極をカソードに用いて作製した単セルに関して同様の試験を行った。   At this time, as Comparative Example 1, a similar test was performed on a single cell manufactured using a catalyst electrode obtained by sputtering platinum oxide directly on a gas diffusion layer without using a porous carbon frame carrier as a cathode.

まず、実施例1と比較例1の電極の形状をSEM像により比較する。
図2Aから図2Cは、実施例1の触媒電極の触媒の粒子構造を示す走査電子顕微鏡(SEM)写真(図2A:倍率1万倍、図2B:倍率3万倍、図2C:倍率30万倍)である。
First, the shapes of the electrodes of Example 1 and Comparative Example 1 are compared using SEM images.
2A to 2C are scanning electron microscope (SEM) photographs showing the particle structure of the catalyst of the catalyst electrode of Example 1 (FIG. 2A: magnification 10,000 times, FIG. 2B: magnification 30,000 times, FIG. 2C: magnification 300,000) Times).

図4Aから図4Bは、比較例1の触媒電極の触媒の粒子構造を示す走査電子顕微鏡(SEM)写真(図4A:倍率1万倍、図4B:倍率3万倍)である。
比較例1の触媒は高分子電解質膜方向に開いた樹枝状の形態が観測された。本実施例1の触媒は同じ白金量がスパッタされているにもかかわらず、樹枝状形成初期の平均厚みが5nm以上50nm以下の薄片状の形態となった。実施例1は多孔質カーボンフレームの表面のみならずフレーム内部にも三次元的に分散配置されているためにスパッタ面積が大きくなり、薄片状の形態となったと考えられる。
4A to 4B are scanning electron microscope (SEM) photographs (FIG. 4A: magnification 10,000 times, FIG. 4B: magnification 30,000 times) showing the particle structure of the catalyst of the catalyst electrode of Comparative Example 1. FIG.
In the catalyst of Comparative Example 1, a dendritic morphology opened in the direction of the polymer electrolyte membrane was observed. In spite of the same platinum amount being sputtered, the catalyst of Example 1 was in the form of a flake with an average thickness at the initial dendritic formation of 5 nm to 50 nm. In Example 1, it is considered that the sputter area was increased because of the three-dimensionally distributed arrangement not only on the surface of the porous carbon frame but also inside the frame, resulting in a flaky shape.

次に、実施例1と比較例1のI−V特性を図6に示す。セル電圧が0Vとなる限界電流を比較すると比較例1が0.212A/cmであったのに対し、本実施例1は0.327A/cm2であった。また、比較例1の0.1A/cm2及び0.2A/cm2におけるセル電圧は各々0.542V、0.310Vであったのに対し、本実施例1では各々0.617V、0.499Vへと向上した。 Next, the IV characteristics of Example 1 and Comparative Example 1 are shown in FIG. Comparing the limiting current at which the cell voltage becomes 0 V, Comparative Example 1 was 0.212 A / cm 2 , while Example 1 was 0.327 A / cm 2 . Further, the cell voltage at 0.1 A / cm 2 and 0.2 A / cm 2 of Comparative Example 1 each 0.542V, while a which was 0.310V, respectively In Embodiment 1 0.617V, 0. It improved to 499V.

また、本実施例において触媒電極作製時に、スパッタ後IPAを滴下しなかった場合の限界電流は0.0048mA/cm2と極めて低い値であった。このことより、本実施例1のような構成の触媒電極においては、スパッタ後IPAを滴下することによるナフィオンの溶解、再結着という工程は不可欠であるということがわかる。 Further, in this example, the limit current was 0.0048 mA / cm 2 which was an extremely low value when no IPA was dropped after sputtering when the catalyst electrode was produced. From this, it can be seen that in the catalyst electrode having the structure as in Example 1, the steps of Nafion dissolution and rebinding by dropping IPA after sputtering are indispensable.

以上のように、多孔質カーボンフレームの表面及びフレーム内部に触媒を三次元的に分散配置させることにより良好なガスの拡散性と十分な水の排出性が確保され、良好な三相界面の形成と生成水による電極のフラッディング抑制により性能向上が可能となった。   As described above, the catalyst is three-dimensionally distributed on the surface of the porous carbon frame and inside the frame, so that good gas diffusibility and sufficient water discharge are ensured, and a good three-phase interface is formed. And the performance improvement was made possible by suppressing flooding of the electrode by the generated water.

以上のように、固体高分子型燃料電池の触媒層として本実施例に係わる触媒電極を用いることにより、良好な三相界面の形成と生成水による電極のフラッディング抑制により優れた電池特性を有する燃料電池が得られた。さらに本実施例にかかわる触媒電極の製造方法は、簡易かつ安価で再現性のよいプロセスであるため、安定な特性を持った固体高分子型燃料電池を低コストで実現できた。   As described above, by using the catalyst electrode according to the present embodiment as the catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell, a fuel having excellent cell characteristics by forming a good three-phase interface and suppressing flooding of the electrode by generated water. A battery was obtained. Furthermore, since the catalyst electrode manufacturing method according to this example is a simple, inexpensive, and reproducible process, a solid polymer fuel cell having stable characteristics can be realized at low cost.

実施例2
本実施例は、多孔質カーボンフレームの材料として、カーボン粉末(日本黒鉛製:薄片カーボンGR−15)を用いた場合の触媒電極の例である。以下では本実施例に係わる固体高分子型燃料電池の製造工程は、実施例1と同様である。以下には、実施例1と構成および製法上異なる(工程1)のみ詳細に説明する。
Example 2
This example is an example of a catalyst electrode in the case where carbon powder (manufactured by Nippon Graphite: flake carbon GR-15) is used as the material of the porous carbon frame. In the following, the manufacturing process of the polymer electrolyte fuel cell according to this example is the same as that of Example 1. In the following, only the step (step 1) that differs from the first embodiment in terms of configuration and manufacturing method will be described in detail.

(工程1)
先ず、触媒担体としての多孔質カーボンフレームを用意する。
カーボン粉末(日本黒鉛製:薄片カーボンGR−15)、固体高分子電解質溶液(Dupont製:5%ナフィオン溶液)、IPAを所定の割合で混合、分散し、スラリー状にする。得られたスラリーを高分子電解質膜への転写層としてのPTFEシート上にドクターブレードを用いて塗布し、厚さ20μmの多孔質カーボンフレームを得る。
(Process 1)
First, a porous carbon frame is prepared as a catalyst carrier.
Carbon powder (manufactured by Nippon Graphite: flake carbon GR-15), solid polymer electrolyte solution (manufactured by Dupont: 5% Nafion solution), and IPA are mixed and dispersed at a predetermined ratio to form a slurry. The obtained slurry is applied onto a PTFE sheet as a transfer layer to the polymer electrolyte membrane by using a doctor blade to obtain a porous carbon frame having a thickness of 20 μm.

以上の工程によって作製した単セルに関して、図5に示した構成の評価装置を用いて特性評価を行った。アノード電極側に水素ガスを、カソード電極側に空気を流し、電池温度80℃にて放電試験を行った。このとき、比較例1として担体を用いずにガス拡散層に直接酸化白金をスパッタした触媒電極をカソードに用いて作製した単セルに関して同様の試験を行った。   With respect to the single cell manufactured through the above steps, the characteristics were evaluated using the evaluation apparatus having the configuration shown in FIG. A discharge test was conducted at a battery temperature of 80 ° C. by flowing hydrogen gas to the anode electrode side and air to the cathode electrode side. At this time, as Comparative Example 1, a similar test was conducted on a single cell manufactured using a catalyst electrode obtained by sputtering platinum oxide directly on a gas diffusion layer without using a carrier.

まず比較例1と本実施例2の電極の形状をSEM像により比較する。
図3Aから図3Bは、実施例2の触媒電極の触媒の粒子構造を示す走査電子顕微鏡(SEM)写真(図3A:倍率1万倍、図3B:倍率3万倍)である。
First, the electrode shapes of Comparative Example 1 and Example 2 are compared using SEM images.
3A to 3B are scanning electron microscope (SEM) photographs (FIG. 3A: magnification 10,000 times, FIG. 3B: magnification 30,000 times) showing the particle structure of the catalyst of the catalyst electrode of Example 2. FIG.

図4Aから図4Bは、比較例1の触媒電極の触媒の粒子構造を示す走査電子顕微鏡(SEM)写真(図4A:倍率1万倍、図4B:倍率3万倍)である。
実施例1の場合とは異なり、実施例2の触媒の形状は比較例1同様に樹枝状となった。実施例2の樹枝状構造の分岐した枝の平均直径は20nmである。
4A to 4B are scanning electron microscope (SEM) photographs (FIG. 4A: magnification 10,000 times, FIG. 4B: magnification 30,000 times) showing the particle structure of the catalyst of the catalyst electrode of Comparative Example 1. FIG.
Unlike the case of Example 1, the shape of the catalyst of Example 2 was dendritic like that of Comparative Example 1. The average diameter of the branched branches of the dendritic structure of Example 2 is 20 nm.

実施例2と比較例1の樹枝状触媒の違いは、比較例1は樹枝の枝が垂直方向に成長し、電解質膜方向に開いた形状であるのに対し、実施例2は樹枝の枝が水平方向に成長した形状である。   The difference between the dendritic catalyst of Example 2 and Comparative Example 1 is that Comparative Example 1 has a shape in which the branch of the tree grows vertically and opens in the direction of the electrolyte membrane, whereas Example 2 has a branch of the dendritic catalyst. The shape grows in the horizontal direction.

次に、実施例2と比較例1のI−V特性を図6に示す。セル電圧が0Vとなる限界電流を比較すると比較例1が0.212A/cm2であったのに対し、本実施例2では0.229A/cm2であった。また、比較例1の0.1A/cm2及び0.2A/cm2におけるセル電圧は各々0.542V、0.310Vであったのに対し、本実施例2では各々0.527V、0.390Vであった。限界電流でわずかな上昇を確認したが、実施例1と比べるとその向上はわずかであった。 Next, the IV characteristics of Example 2 and Comparative Example 1 are shown in FIG. Comparing the limiting current at which the cell voltage becomes 0 V, Comparative Example 1 was 0.212 A / cm 2 , whereas in Example 2, it was 0.229 A / cm 2 . Further, the cell voltage at 0.1 A / cm 2 and 0.2 A / cm 2 of Comparative Example 1 each 0.542V, while was 0.310V, respectively in Example 2 0.527V, 0. It was 390V. Although a slight increase was confirmed in the limit current, the improvement was slight compared with Example 1.

次に、実施例1、2の触媒電極を用いて作製した固体高分子型燃料電池、および比較例1の固体高分子型燃料電池の特性を示した結果を、下記の表1に示す。   Table 1 below shows the results of the characteristics of the polymer electrolyte fuel cells produced using the catalyst electrodes of Examples 1 and 2 and the polymer electrolyte fuel cell of Comparative Example 1.

また、実施例1と実施例2の多孔質カーボンフレームの細孔分布を図7に、それにより得られた細孔の孔径と、触媒電極中の空孔率を比較した結果を、下記の表2に示す。   Moreover, the pore distribution of the porous carbon frames of Example 1 and Example 2 is shown in FIG. 7, and the results of comparing the pore diameters obtained thereby and the porosity in the catalyst electrode are shown in the following table. It is shown in 2.

実施例2の結果より、細孔の孔径がモード径で0.5μm以上10μm以下、空孔率12%以上80%以下でも多孔質カーボンフレームとしての効果は発揮するが、実施例1の結果より多孔質カーボンフレームはのぞましくは細孔の孔径がモード径で1.0μm以上10μm以下、空孔率40%以上80%以下である。このような多孔質カーボンフレームを用いることによりスパッタにより形成された触媒は多孔質カーボンフレームの表層のみならず層内部にまで三次元的に分散配置される。その結果、良好なガス拡散性と水の排出性により良好な三相界面の形成と生成水による電極のフラッディングが抑制され性能が大
幅に向上する。
From the results of Example 2, the effect as a porous carbon frame is exhibited even when the pore diameter is 0.5 μm or more and 10 μm or less in the mode diameter and the porosity is 12% or more and 80% or less. The porous carbon frame preferably has a pore diameter of 1.0 μm to 10 μm and a porosity of 40% to 80% in terms of mode diameter. By using such a porous carbon frame, the catalyst formed by sputtering is three-dimensionally distributed not only on the surface layer of the porous carbon frame but also inside the layer. As a result, the formation of a good three-phase interface and the flooding of the electrode due to the produced water are suppressed by the good gas diffusibility and water discharge property, and the performance is greatly improved.

本発明の触媒電極は、良好な三相界面の形成と生成水による電極のフラッディングが抑制されるので、長期間に渡って均一で安定な発電特性を有する固体高分子型燃料電池に利用することができる。   The catalyst electrode of the present invention can be used for a polymer electrolyte fuel cell having uniform and stable power generation characteristics over a long period of time because formation of a good three-phase interface and flooding of the electrode due to generated water are suppressed. Can do.

触媒電極を用いた固体高分子方燃料電池の単セルの断面構成の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the cross-sectional structure of the single cell of the polymer electrolyte fuel cell using a catalyst electrode. 実施例1の触媒電極の触媒の粒子構造を示す走査電子顕微鏡(SEM)写真(図2A:倍率1万倍)である。It is a scanning electron microscope (SEM) photograph (FIG. 2A: Magnification 10,000 times) which shows the particle structure of the catalyst of the catalyst electrode of Example 1. FIG. 実施例1の触媒電極の触媒の粒子構造を示す走査電子顕微鏡(SEM)写真(図2B:倍率3万倍)である。It is a scanning electron microscope (SEM) photograph (FIG. 2B: magnification 30,000 times) which shows the particle structure of the catalyst of the catalyst electrode of Example 1. FIG. 実施例1の触媒電極の触媒の粒子構造を示す走査電子顕微鏡(SEM)写真(図2C:倍率30万倍)である。It is a scanning electron microscope (SEM) photograph (FIG. 2C: 300,000 times magnification) which shows the particle structure of the catalyst of the catalyst electrode of Example 1. FIG. 実施例2の触媒電極の触媒の粒子構造を示す走査電子顕微鏡(SEM)写真(図3A:倍率1万倍)である。It is a scanning electron microscope (SEM) photograph (FIG. 3A: magnification 10,000 times) which shows the particle structure of the catalyst of the catalyst electrode of Example 2. FIG. 実施例2の触媒電極の触媒の粒子構造を示す走査電子顕微鏡(SEM)写真(図3B:倍率3万倍)である。It is a scanning electron microscope (SEM) photograph (FIG. 3B: 30,000 times magnification) which shows the particle structure of the catalyst of the catalyst electrode of Example 2. FIG. 比較例1の触媒電極の触媒の粒子構造を示す走査電子顕微鏡(SEM)写真(図4A:倍率1万倍)である。It is a scanning electron microscope (SEM) photograph (Drawing 4A: magnification 10,000 times) which shows the particle structure of the catalyst of the catalyst electrode of comparative example 1. 比較例1の触媒電極の触媒の粒子構造を示す走査電子顕微鏡(SEM)写真(図4B:倍率3万倍)である。It is a scanning electron microscope (SEM) photograph (FIG. 4B: 30,000 times magnification) which shows the particle structure of the catalyst of the catalyst electrode of the comparative example 1. 固体高分子型燃料電池の評価装置の模式図である。It is a schematic diagram of the evaluation apparatus of a polymer electrolyte fuel cell. 実施例1、2の触媒電極を用いて作製した固体高分子型燃料電池および比較例1の固体高分子型燃料電池の特性を示した図である。FIG. 3 is a graph showing characteristics of a polymer electrolyte fuel cell produced using catalyst electrodes of Examples 1 and 2 and a polymer electrolyte fuel cell of Comparative Example 1. 実施例1、2の多孔質カーボンフレームの細孔分布を示した図である。It is the figure which showed the pore distribution of the porous carbon frame of Example 1,2.

符号の説明Explanation of symbols

1 固体高分子電解質膜
2 触媒
3 多孔質カーボンフレーム
4 触媒電極
5 アノード触媒電極
6 カソードガス拡散層
7 アノードガス拡散層
8 カソード集電体
9 アノード集電体
10 膜−電極接合体
11 細孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid polymer electrolyte membrane 2 Catalyst 3 Porous carbon frame 4 Catalyst electrode 5 Anode catalyst electrode 6 Cathode gas diffusion layer 7 Anode gas diffusion layer 8 Cathode current collector 9 Anode current collector 10 Membrane-electrode assembly 11 Pore

Claims (7)

触媒と、該触媒を担持する多孔質カーボンフレームとから構成され、前記触媒は樹枝状構造あるいは薄片状構造を有し、前記多孔質カーボンフレームは孔径がモード径で0.5μm以上10μm以下の細孔を有し、かつ触媒電極中の空孔率が12%以上80%以下の範囲であることを特徴とする触媒電極。   A catalyst and a porous carbon frame supporting the catalyst. The catalyst has a dendritic structure or a flaky structure, and the porous carbon frame has a pore diameter of 0.5 μm or more and 10 μm or less in mode diameter. A catalyst electrode having pores and a porosity in the catalyst electrode in a range of 12% to 80%. 前記触媒は多孔質カーボンフレームの表面及びフレーム内部に三次元的に分散して担持されていることを特徴とする請求項1に記載の触媒電極。   The catalyst electrode according to claim 1, wherein the catalyst is supported in a three-dimensionally dispersed manner on the surface of the porous carbon frame and inside the frame. 前記触媒は、白金酸化物、白金と白金以外の金属元素との複合酸化物、前記白金酸化物あるいは複合酸化物を還元処理した白金あるいは白金を含んだ多元金属、白金と白金以外の金属元素の酸化物との混合物、白金を含んだ多元金属と白金以外の金属元素の酸化物との混合物のいずれかであることを特徴とする請求項1または2に記載の触媒電極。   The catalyst is composed of platinum oxide, a composite oxide of platinum and a metal element other than platinum, platinum obtained by reducing the platinum oxide or composite oxide, or a multi-element metal containing platinum, or a metal element other than platinum and platinum. 3. The catalyst electrode according to claim 1, wherein the catalyst electrode is any one of a mixture of an oxide and a mixture of a multicomponent metal containing platinum and an oxide of a metal element other than platinum. 前記樹枝状構造あるいは薄片状構造を有する触媒の分岐した枝あるいは薄片の平均厚みが5nm以上50nm以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかの項に記載の触媒電極。   4. The catalyst electrode according to claim 1, wherein an average thickness of the branched branches or flakes of the catalyst having the dendritic structure or the flaky structure is 5 nm or more and 50 nm or less. 前記多孔質カーボンフレームは、カーボン粉末と、固体高分子電解質からなるバインダーとからなることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかの項に記載の触媒電極。   The catalyst electrode according to any one of claims 1 to 4, wherein the porous carbon frame is composed of carbon powder and a binder made of a solid polymer electrolyte. 触媒と、触媒を担持する多孔質カーボンフレームとから構成されている触媒電極の製造方法であって、触媒を気相中でスパッタ、真空蒸着またはイオンプレーティングによって、多孔質カーボンフレームの表面及びフレーム内部に形成する工程を有することを特徴とする触媒電極の製造方法。   A method for producing a catalyst electrode comprising a catalyst and a porous carbon frame carrying the catalyst, wherein the surface of the porous carbon frame and the frame are formed by sputtering, vacuum deposition or ion plating of the catalyst in the gas phase. The manufacturing method of the catalyst electrode characterized by having the process formed in an inside. 請求項1乃至5のいずれかに記載の触媒電極と、該触媒電極に隣接する固体高分子電解質膜と、を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。   A solid polymer fuel cell comprising the catalyst electrode according to claim 1 and a solid polymer electrolyte membrane adjacent to the catalyst electrode.
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