JP2008077974A - Electrode - Google Patents

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友克 姫野
Toshihiro Takegawa
寿弘 竹川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode having superior durability and superior catalytic performance. <P>SOLUTION: The electrode contains a compound 4 containing a nitrogen-containing six-membered ring, catalyst particles 3, catalyst carrying carbon 2 carrying the catalyst particles, and fibrous carbon 5. The compound containing the nitrogen-containing six-membered ring is a pyridine compound, and at least one compound selected from the group comprising a bipyridiene compound, a terpyridine compound, and a phenanthroline compound. The fibrous carbon is vapor phase growth carbon fibers, and 1-30 mass% is contained with respect to the total mass of the electrode. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は電極に関し、より詳細には、耐久性に優れる燃料電池用電極に関する。   The present invention relates to an electrode, and more particularly to a fuel cell electrode having excellent durability.

近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動し高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子型燃料電池は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。   In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. In particular, the polymer electrolyte fuel cell is expected as a power source for electric vehicles because it operates at a relatively low temperature.

固体高分子型燃料電池の構成は、一般的には、膜−電極接合体(以下、単に「MEA」とも記載する)をセパレータで挟持した構造となっている。MEAは、固体高分子電解質膜が一対の電極触媒層およびガス拡散層により挟持されてなるものである。電極触媒層は、電極触媒と、固体高分子電解質とを少なくとも含み、単に電極とも呼ばれている。   In general, a polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a membrane-electrode assembly (hereinafter, also simply referred to as “MEA”) is sandwiched between separators. The MEA is formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between a pair of electrode catalyst layers and a gas diffusion layer. The electrode catalyst layer includes at least an electrode catalyst and a solid polymer electrolyte, and is also simply called an electrode.

燃料電池用電極に用いられる触媒は、発電開始初期から長期にわたって所望の触媒活性を維持することが求められ、様々な研究開発が進められている。   Catalysts used for fuel cell electrodes are required to maintain a desired catalytic activity for a long period from the beginning of power generation, and various research and developments are underway.

例えば、特許文献1では、触媒層に対し繊維状炭素を添加した電極が開示されている。この方法によれば、繊維状炭素の添加することにより、電極触媒層内の空孔率が増加するため、電極触媒層のガス拡散性および排水性が向上し、高い発電性能を得ることができる。また、繊維状炭素の添加により、電極触媒層の導電ネットワークが形成されるため、触媒利用率が向上し、さらには触媒層の耐久性向上にも寄与することが明らかとなっている。
特開2003−115302号公報
For example, Patent Document 1 discloses an electrode in which fibrous carbon is added to a catalyst layer. According to this method, since the porosity in the electrode catalyst layer is increased by adding fibrous carbon, the gas diffusibility and drainage of the electrode catalyst layer are improved, and high power generation performance can be obtained. . Further, it has been clarified that the addition of fibrous carbon forms a conductive network of the electrode catalyst layer, thereby improving the catalyst utilization rate and further contributing to the improvement of the durability of the catalyst layer.
JP 2003-115302 A

しかしながら、実際の運転モードにおいて、負荷変動や高電位状態等により、触媒担持カーボンの触媒粒子溶出、あるいはカーボンの腐食が生じ、さらに繊維状炭素表面の撥水性が低下する。そのため、溶解、析出、および遊離した触媒粒子が、繊維状炭素に析出・付着しやすくなるため、高電位時において繊維状炭素の酸化腐食が促進することで触媒層の空孔が減少し電極触媒層の性能が低下し、その結果、燃料電池の性能が低下するという問題があった。   However, in an actual operation mode, catalyst particles are eluted from the catalyst-carrying carbon or carbon is corroded due to a load fluctuation or a high potential state, and the water repellency of the surface of the fibrous carbon is further reduced. As a result, dissolved, precipitated, and free catalyst particles are likely to deposit and adhere to the fibrous carbon. Therefore, the oxidative corrosion of the fibrous carbon is promoted at high potentials, and the pores of the catalyst layer are reduced. There was a problem that the performance of the layer was lowered, and as a result, the performance of the fuel cell was lowered.

そこで本発明は、耐久性と触媒性能との双方において優れた性能を有する電極を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the electrode which has the performance outstanding in both durability and catalyst performance.

本発明者らは、上記の課題に鑑み、鋭意研究を積み重ねた結果、含窒素6員環を含む化合物を電極触媒層に添加することにより、電極触媒の成分の溶出および腐食劣化を抑制でき、耐久性および触媒性能に優れた電極触媒が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of accumulating intensive studies in view of the above problems, the present inventors can suppress elution and corrosion deterioration of the components of the electrode catalyst by adding a compound containing a nitrogen-containing six-membered ring to the electrode catalyst layer. The inventors have found that an electrode catalyst excellent in durability and catalytic performance can be obtained, and have completed the present invention.

すなわち、本発明は、含窒素6員環を含む化合物と、触媒粒子と、前記触媒粒子を担持してなる触媒担持カーボンと、繊維状炭素と、を含むことを特徴とする、電極である。   That is, the present invention is an electrode comprising a compound containing a nitrogen-containing 6-membered ring, catalyst particles, catalyst-supporting carbon formed by supporting the catalyst particles, and fibrous carbon.

本発明によれば、耐久性と触媒性能との双方において優れた性能を有する電極が提供されうる。   According to the present invention, an electrode having excellent performance in both durability and catalyst performance can be provided.

以下、本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

本発明は、含窒素6員環を含む化合物と、触媒粒子と、前記触媒粒子を担持してなる触媒担持カーボンと、繊維状炭素と、を含むことを特徴とする、電極である。   The present invention is an electrode comprising a compound containing a nitrogen-containing 6-membered ring, catalyst particles, catalyst-supporting carbon formed by supporting the catalyst particles, and fibrous carbon.

まず、本発明の電極の構造について、図面を参照して説明する。なお、本発明においては、説明の都合上、図面が誇張されており、本発明の技術的範囲は、図面に掲示する形態に限定されない。また、図面以外の実施形態も採用されうる。   First, the structure of the electrode of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present invention, the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and the technical scope of the present invention is not limited to the forms shown in the drawings. Also, embodiments other than the drawings may be employed.

図1は、本発明の電極の一実施形態を示す断面図である。図1に示す形態の電極1は、導電性担体2上に、触媒粒子3が担持され、さらに含窒素6員環を含む化合物4が、導電性担体2および触媒粒子3を被覆するように担持されている構造を有する。従来、触媒担持カーボンに対し繊維状炭素を添加することで、電極触媒層内の空孔率が増加するため、ガス拡散性および排水性が向上し、高い発電性能を得られ、さらには触媒層の耐久性向上にも寄与することが明らかとなっている。一方で、従来、実際の運転モードにおいては、電池の負荷変動や高電位状態などにより、触媒担持カーボンの触媒粒子溶出、あるいはカーボンの腐食が生じ、繊維状炭素表面の撥水性が低下する。そのため溶解、析出、および遊離した触媒粒子が、繊維状炭素に付着しやすくなるため、高電位時において繊維状炭素の酸化腐食が促進され、触媒層の空孔が減少し電極触媒層の性能低下を引き起こす場合があった。そこで、この電極触媒層中に触媒粒子の溶出耐性効果を持つ、金属配位能を有する含窒素6員環を含む化合物を添加することにより、繊維状炭素上への触媒粒子の付着を抑え、添加した繊維状炭素自体の劣化を抑制することが可能となる。また、あらかじめ含窒素6員環を含む化合物を繊維状炭素に担持させておくことにより、白金粒子の析出による繊維状炭素の腐食を抑制できる。さらに、繊維状炭素が触媒担持カーボンと均一に絡むことにより、触媒粒子同士の距離が増し、微量の触媒成分の溶解および析出が生じたとしても、粒子同士の凝集が起こりにくくすることができる。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the electrode of the present invention. The electrode 1 having the form shown in FIG. 1 has a catalyst particle 3 supported on a conductive carrier 2 and a compound 4 containing a nitrogen-containing six-membered ring so as to cover the conductive carrier 2 and the catalyst particle 3. Has a structure. Conventionally, by adding fibrous carbon to the catalyst-supporting carbon, the porosity in the electrode catalyst layer is increased, so that gas diffusibility and drainage are improved, and high power generation performance can be obtained. It has been clarified that it contributes to the improvement of the durability. On the other hand, conventionally, in an actual operation mode, catalyst particle elution of the catalyst-supported carbon or carbon corrosion occurs due to battery load fluctuation or high potential state, and the water repellency of the surface of the fibrous carbon decreases. As a result, dissolved, precipitated, and liberated catalyst particles tend to adhere to the fibrous carbon, which promotes oxidative corrosion of the fibrous carbon at high potentials, reduces the pores of the catalyst layer, and lowers the performance of the electrode catalyst layer. Could cause. Therefore, by adding a compound containing a nitrogen-containing 6-membered ring having a metal coordination ability and having an elution resistance effect of the catalyst particles in the electrode catalyst layer, the adhesion of the catalyst particles on the fibrous carbon is suppressed, It becomes possible to suppress degradation of the added fibrous carbon itself. Moreover, corrosion of the fibrous carbon due to precipitation of platinum particles can be suppressed by supporting a compound containing a nitrogen-containing 6-membered ring in advance on the fibrous carbon. Furthermore, even if the fibrous carbon is entangled with the catalyst-carrying carbon evenly, the distance between the catalyst particles is increased, and even if a minute amount of the catalyst component is dissolved and precipitated, the particles can hardly be aggregated.

本発明に用いられる含窒素6員環を含む化合物は、電極反応に対して触媒効果を示さず、かつ金属配位能を有する含窒素6員環構造を含む化合物であれば特に限定されず、従来公知のものを用いることができるが、中でもピリジン化合物が好ましく、ビピリジン化合物、ターピリジン化合物、およびフェナントロリン化合物からなる群より選択される少なくとも1種の化合物であることがより好ましい。   The compound containing a nitrogen-containing 6-membered ring used in the present invention is not particularly limited as long as it is a compound containing a nitrogen-containing 6-membered ring structure that does not show a catalytic effect on the electrode reaction and has a metal coordination ability. Conventionally known compounds can be used, and among them, a pyridine compound is preferable, and at least one compound selected from the group consisting of a bipyridine compound, a terpyridine compound, and a phenanthroline compound is more preferable.

これは、多環構造を有する化合物(特に、多環芳香族化合物)が形成するブリッジ構造が、白金などの金属の触媒機能サイトを確保することとなることと、前述の白金の溶解メカニズムにより白金の溶出を抑制することができるためと推測できる。さらに、多環芳香族化合物の構造から起因される立体的効果、すなわち多面体構造を有するPtなどの触媒成分のへりの部分、角の部分の原子は、面上の原子と比べて自由度が大きく、比較的大きい多環芳香族化合物が触媒成分に接近した際の立体的な阻害要因が少ないため、選択的に触媒成分のへりの部分、角の部分へ優先的に配位しやすく、かつ配位子が安定するものと考えられる。   This is because the bridge structure formed by a compound having a polycyclic structure (especially a polycyclic aromatic compound) secures a catalytic function site of a metal such as platinum and the above-described dissolution mechanism of platinum. It can be presumed that elution of selenium can be suppressed. Furthermore, the steric effect resulting from the structure of the polycyclic aromatic compound, that is, the atoms at the edges and corners of the catalyst component such as Pt having a polyhedral structure have a greater degree of freedom than the atoms on the surface. Because there are few steric hindrances when a relatively large polycyclic aromatic compound approaches the catalyst component, it is easy to selectively coordinate to the edge portion and corner portion of the catalyst component preferentially. It is considered that the ligand is stable.

本発明に係るビピリジン化合物、ターピリジン化合物、およびフェナントロリン化合物の具体例としては、2,2’−ビピリジン、2,6−ジ(2−ピリジル)ピリジン、1,10−フェナントロリン、4,7−ビフェニル−1,10−フェナントロリン、1,7−フェナントロリン、バソクプロイン、バソクプロインスルホン酸などが好ましく挙げられ、なかでも、2,2’−ビピリジンが特に好ましい。   Specific examples of the bipyridine compound, terpyridine compound, and phenanthroline compound according to the present invention include 2,2′-bipyridine, 2,6-di (2-pyridyl) pyridine, 1,10-phenanthroline, 4,7-biphenyl- 1,10-phenanthroline, 1,7-phenanthroline, bathocuproin, bathocuproin sulfonic acid and the like are preferable, and 2,2′-bipyridine is particularly preferable.

本発明に用いられる含窒素6員環を含む化合物の添加量は、白金担持カーボン粉末中の白金電極面積あたり、好ましくは0.1〜1.5nmol/cmである。含窒素6員環を含む化合物の添加量が0.1nmol/cm未満であれば白金溶出の抑制効果が表われにくくなる場合があり、1.5nmol/cmを超えると発電性能を低下させる場合がある。 The addition amount of the compound containing a nitrogen-containing 6-membered ring used in the present invention is preferably 0.1 to 1.5 nmol / cm 2 per platinum electrode area in the platinum-supported carbon powder. May if the addition amount of the compound containing a nitrogen-containing 6-membered ring is less than 0.1 nmol / cm 2 inhibitory effect of the platinum elution hardly cracks Table, lowering the power generation performance exceeds 1.5 nmol / cm 2 There is a case.

本発明に係る含窒素6員環を含む化合物が、触媒表面上に金属配位能を有する窒素原子を介して共存することで、Ptの酸化を抑制するため、Ptの溶出を抑制または防止できていると考えられる。Ptの溶出は、この活性の高い部位で生じるPt酸化物種形成を起点として始まると考えれば、これらの芳香族化合物が活性の高い部位へ選択的に吸着することで白金の酸化体形成を抑制し、結果として白金の溶出を抑制しているものと考えられる。   Since the compound containing a nitrogen-containing 6-membered ring according to the present invention coexists on the catalyst surface via a nitrogen atom having a metal coordination ability, Pt oxidation is suppressed, so that Pt elution can be suppressed or prevented. It is thought that. Assuming that Pt elution starts from the formation of Pt oxide species that occurs at this highly active site, these aromatic compounds selectively adsorb to the highly active site to suppress the formation of oxidants of platinum. As a result, it is considered that platinum elution is suppressed.

さらに、本発明に係る含窒素6員環を含む化合物を、従来の膜−電極接合体などに用いた場合、従来の膜−電極接合体の形態を変えることなく適用でき、Pt溶出量を抑制することができる。また、本発明に係る含窒素6員環を含む化合物は、ごくわずかな吸着量で効果を発揮できるため、吸着剤の触媒金属への吸着に伴う、触媒性能の低下を抑制することができ、それにより電池寿命を延ばすことができる。   Furthermore, when the compound containing a nitrogen-containing 6-membered ring according to the present invention is used in a conventional membrane-electrode assembly, it can be applied without changing the form of the conventional membrane-electrode assembly, and the amount of Pt elution is suppressed. can do. Moreover, since the compound containing a nitrogen-containing 6-membered ring according to the present invention can exert an effect with a very small amount of adsorption, it can suppress a decrease in catalyst performance accompanying adsorption of the adsorbent to the catalyst metal, Thereby, the battery life can be extended.

本発明に用いられる電極触媒層は、触媒成分が担持された触媒担持カーボンと、電解質(イオン導電性物質とも称する)と、繊維状炭素と、前記含窒素6員環を含む化合物とを含むものである。以下、本発明に用いられる触媒成分、触媒担持カーボン、イオン導電性物質、繊維状炭素、および高分子電解質について説明する。なお、本発明に係る含窒素6員環を含む化合物は上記で説明したため、ここでは省略する。   The electrode catalyst layer used in the present invention includes a catalyst-supporting carbon on which a catalyst component is supported, an electrolyte (also referred to as an ion conductive material), fibrous carbon, and a compound containing the nitrogen-containing six-membered ring. . Hereinafter, the catalyst component, catalyst-supporting carbon, ion conductive material, fibrous carbon, and polymer electrolyte used in the present invention will be described. In addition, since the compound containing the nitrogen-containing 6-membered ring which concerns on this invention was demonstrated above, it abbreviate | omits here.

本発明の電極に用いられる触媒成分は、酸化剤極側触媒では、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、燃料極側触媒に用いられる触媒成分もまた、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、金、銀、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、またはアルミニウム等の金属、およびそれらの合金等などから選択される。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。   The catalyst component used in the electrode of the present invention is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxygen reduction reaction, and a known catalyst can be used in the same manner. Also, the catalyst component used for the fuel electrode side catalyst is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxidation reaction of hydrogen, and a known catalyst can be used in the same manner. Specifically, metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, gold, silver, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, or aluminum, and their It is selected from alloys and the like. Among these, those containing at least platinum are preferably used in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance, and the like.

また、各電極触媒反応に対して電極触媒活性に優れるとともに含窒素6員環を含む化合物の吸着による溶出抑制効果が得られる触媒種としてはPt、Pd、Ir、Rh、またはAuが特に好ましい。これらの触媒金属は金属単独あるいは合金あるいは他の貴金属や卑金属、金属組成物を混合した状態などで使用することが出来る。Pd、Ir、Rh、およびAuは、Ptと同様にそれ自体の酸化還元過程において溶解種が生成することにより溶出が起こると考えられ、Ptと同様の溶出抑制効果が得られる。   Further, Pt, Pd, Ir, Rh, or Au is particularly preferable as a catalyst species that is excellent in electrocatalytic activity for each electrocatalytic reaction and that has an elution suppressing effect by adsorption of a compound containing a nitrogen-containing 6-membered ring. These catalytic metals can be used in the state where a metal alone or an alloy, or other noble metal, base metal, or metal composition is mixed. Pd, Ir, Rh, and Au are considered to be eluted by the generation of dissolved species in their own redox process, like Pt, and the same elution suppression effect as Pt is obtained.

なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。   In general, an alloy is a generic term for a metal element having one or more metal elements or non-metal elements added and having metallic properties.

合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、酸化剤極側電極触媒層に用いられる触媒成分および燃料極側電極触媒層に用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択できる。以下の説明では、特記しない限り、酸化剤極側電極触媒層および燃料極側電極触媒層用の触媒成分についての説明は、両者について同様の定義であり、一括して、「触媒成分」と称する。しかしながら、酸化剤極側電極触媒層および燃料極側電極触媒層用の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択される。   The alloy structure consists of a eutectic alloy, which is a mixture of the component elements as separate crystals, a component element completely melted into a solid solution, and a component element composed of an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. There is what is formed, and any may be used in the present application. At this time, the catalyst component used for the oxidant electrode side electrode catalyst layer and the catalyst component used for the fuel electrode side electrode catalyst layer can be appropriately selected from the above. In the following description, unless otherwise specified, the descriptions of the catalyst components for the oxidant electrode side electrode catalyst layer and the fuel electrode side electrode catalyst layer have the same definition for both, and are collectively referred to as “catalyst components”. . However, the catalyst components for the oxidant electrode side electrode catalyst layer and the fuel electrode side electrode catalyst layer do not need to be the same, and are appropriately selected so as to exhibit the desired action as described above.

触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず、公知の触媒成分と同様の形状および大きさが使用できるが、触媒成分は、粒状であることが好ましい。この際、電極触媒に用いられる触媒成分の平均粒子径は0.1〜100nmであることが好ましく、0.5〜10nmであることがより好ましく、1〜5nmであることがさらに好ましい。平均粒子径が0.1nm以上であれば、比表面積が大き過ぎず高い質量活性も得られ、十分なPtの溶出耐性も得られる。100nm以下であれば、溶出耐性も得られ、比表面積も小さすぎず十分な質量活性が得られる。なお、本発明における触媒成分の平均粒子径は、透過型電子顕微鏡(TEM)観察から算出した値を採用するものとする。   The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be used, but the catalyst component is preferably granular. Under the present circumstances, it is preferable that the average particle diameter of the catalyst component used for an electrode catalyst is 0.1-100 nm, It is more preferable that it is 0.5-10 nm, It is further more preferable that it is 1-5 nm. If the average particle size is 0.1 nm or more, the specific surface area is not too large, high mass activity is obtained, and sufficient Pt elution resistance is also obtained. If it is 100 nm or less, elution resistance is obtained, and the specific surface area is not too small, and sufficient mass activity is obtained. In addition, the value computed from the transmission electron microscope (TEM) observation shall be employ | adopted for the average particle diameter of the catalyst component in this invention.

前記触媒担持カーボンにおいて、触媒成分の担持量は、導電性担体に対して、好ましくは10〜80質量%、より好ましくは30〜60質量%とするのがよい。ここで、触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって測定した値を採用するものとする。   In the catalyst-supported carbon, the supported amount of the catalyst component is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 30 to 60% by mass with respect to the conductive support. Here, a value measured by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP) is adopted as the loading amount of the catalyst component.

Ptの溶出をより抑制するためには、触媒成分の担持量をある一定の範囲にしたほうがよい。10質量%以上であれば、触媒層が厚くなり過ぎず、かつ高い電極性能も得られる。また、80質量%以下であれば、Ptの溶出はより抑制され、かつ、触媒成分は高分散になるため触媒成分量に対して得られる性能が十分になる。   In order to further suppress the elution of Pt, the supported amount of the catalyst component should be within a certain range. If it is 10 mass% or more, the catalyst layer does not become too thick, and high electrode performance can be obtained. Moreover, if it is 80 mass% or less, the elution of Pt is further suppressed, and the catalyst component becomes highly dispersed, so that the performance obtained with respect to the amount of the catalyst component becomes sufficient.

本発明に係る触媒担持カーボンに用いられるカーボン材料は、触媒成分を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであれば本発明に使用することができ、主成分が導電性材料であることが好ましい。導電性材料を用いることで、電気抵抗ロス、物質拡散ロスの少ない高性能燃料極側極を得ることが出来る。カーボン材料の具体的な例としては、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン材料などが好ましく挙げられる。また、かようなカーボン材料として、より具体的には、アセチレンブラック、バルカン、ケッチェンブラック、ブラックパール、黒鉛化アセチレンブラック、黒鉛化バルカン、黒鉛化ケッチェンブラック、黒鉛化カーボン、黒鉛化ブラックパール、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、およびカーボンフィブリルからなる群より選択される少なくとも1種を含むものなどが挙げられる。   The carbon material used for the catalyst-carrying carbon according to the present invention has a specific surface area for carrying the catalyst component in a desired dispersed state, and has sufficient electronic conductivity as a current collector. It can be used in the present invention, and the main component is preferably a conductive material. By using a conductive material, it is possible to obtain a high-performance fuel electrode side electrode with little electrical resistance loss and material diffusion loss. Specific examples of the carbon material preferably include carbon materials such as carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, and artificial graphite. Further, as such carbon materials, more specifically, acetylene black, Vulcan, Ketjen black, black pearl, graphitized acetylene black, graphitized Vulcan, graphitized Ketjen black, graphitized carbon, graphitized black pearl And at least one selected from the group consisting of carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, and carbon fibrils.

また、前記カーボン材料の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点から、1次粒子径を好ましくは2〜100nm、より好ましくは10〜80nm、さらに好ましくは20〜50nm程度とするのがよい。前記カーボン材料の1次粒子径が2nm以上であれば、触媒成分粒子径に対して小さすぎることなく、高分散担持を維持することが容易になり、100nm以下であれば、担体として十分な比表面積が得られるため、触媒成分の凝集が生じることなく十分な電極性能が得られる。なお、本発明において、カーボン材料の1次粒子径とは、透過型電子顕微鏡または走査型電子顕微鏡による観察から算出した値を採用するものとする。   Further, the size of the carbon material is not particularly limited, but the primary particle diameter is preferably 2 to 2 from the viewpoint of easy loading, catalyst utilization, and control of the thickness of the electrode catalyst layer within an appropriate range. The thickness should be 100 nm, more preferably 10 to 80 nm, and still more preferably about 20 to 50 nm. If the primary particle diameter of the carbon material is 2 nm or more, it becomes easy to maintain highly dispersed support without being too small with respect to the catalyst component particle diameter. Since the surface area is obtained, sufficient electrode performance can be obtained without aggregation of catalyst components. In the present invention, a value calculated from observation with a transmission electron microscope or a scanning electron microscope is adopted as the primary particle diameter of the carbon material.

また、導電性材料、例えば上記のカーボンブラックなどの炭素材は、一般的に複数凝集しているが、凝集体を構成する個々の粒子を、本明細書においては「1次粒子」と称する。   In addition, a plurality of conductive materials, for example, carbon materials such as the above-described carbon black are generally aggregated, but individual particles constituting the aggregate are referred to as “primary particles” in the present specification.

さらに、前記導電性材料の空孔率は、5〜80体積%が好ましく、10〜70体積%がより好ましい。   Furthermore, the porosity of the conductive material is preferably 5 to 80% by volume, and more preferably 10 to 70% by volume.

前記カーボン材料は、85質量%〜100質量%の炭素により構成される粉末または多孔質構造体であることが好ましく、90質量%〜100質量%がより好ましく、95質量%〜100質量%がさらに好ましい。導電性材料における炭素の割合が、前記範囲内であれば、十分な比表面積と高い電子導電性とを共に有する、高性能な電極を得ることが可能になる。   The carbon material is preferably a powder or a porous structure composed of 85% by mass to 100% by mass of carbon, more preferably 90% by mass to 100% by mass, and further 95% by mass to 100% by mass. preferable. When the proportion of carbon in the conductive material is within the above range, a high-performance electrode having both a sufficient specific surface area and high electronic conductivity can be obtained.

また、前記カーボン材料の比表面積は、好ましくは25〜1600m/g、より好ましくは80〜1200m/gとするのがよい。前記比表面積が25m/g未満であれば、担持される触媒粒子の分散性が低下し粒子の粗大化を招き、触媒の比表面積が大きく低下して、良好な電池性能を得られにくくなる場合がある。一方、1600m/gを超えると、触媒粒子が高分散で担持されやすくなるが、触媒粒子の利用率が低下してしまう場合がある。なお、前記比表面積は、BET法により測定した値を採用するものとする。 The specific surface area of the carbon material is preferably 25 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to 1200 m 2 / g. If the specific surface area is less than 25 m 2 / g, the dispersibility of the supported catalyst particles is reduced, resulting in coarse particles, and the specific surface area of the catalyst is greatly reduced, making it difficult to obtain good battery performance. There is a case. On the other hand, if it exceeds 1600 m 2 / g, the catalyst particles are easily supported in a highly dispersed state, but the utilization rate of the catalyst particles may be reduced. In addition, the value measured by BET method shall be employ | adopted for the said specific surface area.

触媒成分を担持するカーボンより構成される材料は十分な電子導電性を有し、かつ触媒成分を容易に高分散させることが必要であることから、炭素質の材料が好適に用いられるが、炭素以外に含まれる元素としては、例えば、撥水性を付与するためのフッ素や珪素などのほかに、カーボン材料の耐腐食性を向上させるためのホウ素、表面官能基に含まれる水素、酸素、窒素、および不純物となる金属などが挙げられる。   A material composed of carbon supporting the catalyst component has sufficient electronic conductivity, and it is necessary to easily disperse the catalyst component easily. Therefore, a carbonaceous material is preferably used. Examples of elements included other than, for example, fluorine and silicon for imparting water repellency, boron for improving the corrosion resistance of carbon materials, hydrogen, oxygen, nitrogen contained in surface functional groups, In addition, metals that become impurities can be used.

本発明に係る導電性材料への触媒成分の担持は公知の方法で行うことができる。例えば、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、または逆ミセル法(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法が使用できる。   The catalyst component can be supported on the conductive material according to the present invention by a known method. For example, a known method such as an impregnation method, a liquid phase reduction support method, an evaporation to dryness method, a colloid adsorption method, a spray pyrolysis method, or a reverse micelle method (microemulsion method) can be used.

例えば、含浸法により導電性材料表面に触媒成分を担持させるには、導電性材料を、触媒成分を含む溶液(以下、触媒溶液とも称する)に添加する段階と、前記導電性材料表面に前記触媒溶液を含浸させる段階と、により前記導電性材料に触媒成分を担持させる触媒成分担持工程を含む方法が用いられる。これにより、導電性材料表面に触媒成分を高分散担持することができ、十分な初期性能と優れた耐久性を有する電極触媒を得ることができる。   For example, in order to support the catalyst component on the surface of the conductive material by the impregnation method, a step of adding the conductive material to a solution containing the catalyst component (hereinafter also referred to as catalyst solution), and the catalyst on the surface of the conductive material And a step of impregnating the solution with a catalyst component supporting step of supporting the catalyst component on the conductive material. As a result, the catalyst component can be highly dispersed and supported on the surface of the conductive material, and an electrode catalyst having sufficient initial performance and excellent durability can be obtained.

なお、触媒成分を含む溶液とは、導電性材料に担持させる触媒成分の元素を含む溶液のことであり、前記触媒成分としては、高い触媒活性を示すことから、上記の本発明に係る電極触媒層に用いられる触媒成分と同様の元素が挙げられる。   The solution containing the catalyst component is a solution containing the element of the catalyst component supported on the conductive material. Since the catalyst component exhibits high catalytic activity, the electrode catalyst according to the present invention described above is used. The same elements as the catalyst component used for the layer can be mentioned.

前記電極触媒層における電解質であるイオン導電性材料は、特に限定されず公知のものを用いることができるが、高分子電解質膜に用いられたものと同様の材料が挙げられ、少なくとも高いプロトン伝導性を有する材料であればよい。本発明の酸化剤極側触媒層/燃料極側触媒層(以下、単に「触媒層」とも称する)には、電極触媒の他に、高分子電解質が含まれる。この際使用できる高分子電解質は、高分子骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、高分子骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。   The ion conductive material that is an electrolyte in the electrode catalyst layer is not particularly limited and a known material can be used. Examples thereof include the same materials as those used for the polymer electrolyte membrane, and at least high proton conductivity. Any material that has The oxidant electrode side catalyst layer / fuel electrode side catalyst layer (hereinafter also simply referred to as “catalyst layer”) of the present invention includes a polymer electrolyte in addition to the electrode catalyst. The polymer electrolyte that can be used in this case is roughly classified into a fluorine-based electrolyte containing fluorine atoms in the whole or a part of the polymer skeleton and a hydrocarbon-based electrolyte not containing fluorine atoms in the polymer skeleton.

前記フッ素系電解質として、具体的には、ナフィオン(登録商標;デュポン社製)、アシプレックス(登録商標;旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標;旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系高分子、パーフルオロカーボンホスホン酸系高分子、トリフルオロスチレンスルホン酸系高分子、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系高分子、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、またはポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子などが好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the fluorine electrolyte include perfluorocarbon sulfonic acids such as Nafion (registered trademark; manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark; manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark; manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like. Polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene Polymers or polyvinylidene fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid polymers are preferred examples.

前記炭化水素系電解質として、具体的には、ポリスルホンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、またはポリフェニルスルホン酸等が好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include polysulfone sulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl phosphonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyether ether ketone sulfonic acid, and poly A suitable example is phenylsulfonic acid.

前記高分子電解質は、耐熱性、化学的安定性などに優れることから、フッ素原子を含むことが好ましく、なかでも、ナフィオン(登録商標;デュポン社製)、アシプレックス(登録商標;旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標;旭硝子株式会社製)などのフッ素系電解質がより好ましい。   Since the polymer electrolyte is excellent in heat resistance, chemical stability, etc., it preferably contains a fluorine atom. Among them, Nafion (registered trademark; manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark; manufactured by Asahi Kasei Corporation) ), Flemion (registered trademark; manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) and the like are more preferable.

本発明に用いられる繊維状炭素の例としては、PAN(Polyacrylonitrile)系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブなどが好ましく挙げられる。ただし、ピッチ系炭素繊維やPAN系炭素繊維は、繊維長が100μmより長く、そのままでは触媒と均一に混合しにくく、均一な厚みを有する触媒層を形成することが困難である場合がある。したがって、導電性の点も考慮すると、ナノチューブ、または気相成長炭素繊維(VGCF(登録商標);昭和電工株式会社製)を使用することがより好ましく、熱処理して電気伝導性を高めたVGCF(登録商標)が特に好ましい。VGCF(登録商標)は、触媒層を構成する触媒物質や、触媒物質を担持したカーボン粒子に絡みつくことにより、このカーボン粒子の点接触による導電パスに加えて新たな導電パスが発現し、触媒層の電子伝導性が向上する。また、VGCF(登録商標)は絡み合って触媒層中に存在することにより空孔が生じやすく、この空孔は、電解質膜に対してプレス接合されても残る可能性があるので燃料ガス等の流路として機能し、発電効率が向上する。また、本発明においては、VGCF(登録商標)には触媒成分が担持されていないほうがよい。予め触媒成分が担持されていると、高電位時において触媒成分によるVGCF(登録商標)の腐食が促進されることとなり、耐久性が低下してしまう。したがって、VGCF(登録商標)の添加手段としては、導電性材料と触媒成分とを含有する前駆体溶液を用いて作製した触媒担持導電性材料とともに、高分子電解質と溶媒を混練して形成した触媒インク中に添加するのがよい。また、繊維状炭素にあらかじめピリジン化合物を担持させていてもよい。   Preferred examples of the fibrous carbon used in the present invention include PAN (Polyacrylonitrile) -based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, vapor-grown carbon fiber, and carbon nanotube. However, pitch-based carbon fibers and PAN-based carbon fibers have a fiber length longer than 100 μm, and as such, are difficult to mix uniformly with the catalyst, and it may be difficult to form a catalyst layer having a uniform thickness. Therefore, in view of conductivity, it is more preferable to use nanotubes or vapor-grown carbon fibers (VGCF (registered trademark); manufactured by Showa Denko KK), and VGCF (heat conductivity is increased by heat treatment) Registered trademark) is particularly preferred. VGCF (registered trademark) is entangled with the catalyst material constituting the catalyst layer and the carbon particles supporting the catalyst material, so that a new conductive path is developed in addition to the conductive path due to the point contact of the carbon particles. The electron conductivity of the is improved. In addition, VGCF (registered trademark) is entangled and exists in the catalyst layer, so that voids are likely to be generated, and these voids may remain even if they are press-bonded to the electrolyte membrane. It functions as a road and power generation efficiency is improved. In the present invention, it is preferable that no catalyst component is supported on VGCF (registered trademark). If the catalyst component is supported in advance, the corrosion of the VGCF (registered trademark) by the catalyst component at a high potential is promoted, resulting in a decrease in durability. Therefore, as a means for adding VGCF (registered trademark), a catalyst formed by kneading a polymer electrolyte and a solvent together with a catalyst-carrying conductive material prepared using a precursor solution containing a conductive material and a catalyst component It is preferable to add it to the ink. Further, a pyridine compound may be previously supported on the fibrous carbon.

また、本発明に係る電極触媒層の厚さは、好ましくは1〜50μm、より好ましくは5〜20μmとするのがよい。   In addition, the thickness of the electrode catalyst layer according to the present invention is preferably 1 to 50 μm, more preferably 5 to 20 μm.

前記高分子電解質は、接着の役割をする高分子として電極触媒を被覆しているのが好ましい。これにより、電極の構造を安定に維持できるとともに、電極反応が進行する三相界面を十分に確保して、高い触媒活性を得ることができる。電極中に含まれる前記イオン導電性材料の含有量は、特に限定されないが、触媒成分の全量に対して20〜60質量%とするのが好ましい。   The polymer electrolyte is preferably coated with an electrode catalyst as a polymer that functions as an adhesive. Thereby, while being able to maintain the structure of an electrode stably, the sufficient three-phase interface where an electrode reaction advances can be ensured, and high catalyst activity can be obtained. Although content of the said ion conductive material contained in an electrode is not specifically limited, It is preferable to set it as 20-60 mass% with respect to the whole quantity of a catalyst component.

なお、本発明に係る電極を膜−電極接合体(MEA)として用いる場合において、高分子電解質膜と電極層とで用いる高分子電解質は、異なってもよいが、膜と電極の接触抵抗などを考慮すると同じものを用いるのが好ましい。   In the case where the electrode according to the present invention is used as a membrane-electrode assembly (MEA), the polymer electrolyte used in the polymer electrolyte membrane and the electrode layer may be different, but the contact resistance between the membrane and the electrode, etc. In consideration, it is preferable to use the same one.

前記膜−電極接合体に用いられる高分子電解質膜としては、特に限定されず、電極触媒層に用いたものと同様の高分子電解質からなる膜が挙げられる。また、ナフィオン(登録商標;デュポン社製)、アシプレックス(登録商標;旭化成株式会社製)、またはフレミオン(登録商標;旭硝子株式会社製)に代表されるパーフルオロスルホン酸膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベース高分子とする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素樹脂系膜など、一般的に市販されている高分子型電解質膜、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。さらに、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などから形成された多孔質状の薄膜に、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸させたものを用いてもよい。前記高分子電解質膜に用いられる高分子電解質と、各電極触媒層に用いられる高分子電解質とは、同じであっても異なっていてもよいが、各電極触媒層と高分子電解質膜との密着性を向上させる観点から、同じものを用いるのが好ましい。   The polymer electrolyte membrane used for the membrane-electrode assembly is not particularly limited, and examples thereof include a membrane made of the same polymer electrolyte as that used for the electrode catalyst layer. In addition, perfluorosulfonic acid membranes represented by Nafion (registered trademark; manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark; manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), or Flemion (registered trademark; manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), manufactured by Dow Chemical Co., Ltd. Fluorine polymer electrolytes such as ion exchange resins, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer resin membranes, resin membranes based on trifluorostyrene, and hydrocarbon resin membranes with sulfonic acid groups Alternatively, a commercially available polymer electrolyte membrane, a membrane in which a polymer microporous membrane is impregnated with a liquid electrolyte, a membrane in which a porous body is filled with a polymer electrolyte, and the like may be used. Further, a porous thin film formed of polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), or the like may be impregnated with an electrolyte component such as phosphoric acid or ionic liquid. The polymer electrolyte used for the polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte used for each electrode catalyst layer may be the same or different, but the adhesion between each electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane From the viewpoint of improving the properties, it is preferable to use the same one.

前記高分子電解質膜の厚みとしては、得られる膜−電極接合体の特性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは10〜75μm、より好ましくは15〜70μm、特に好ましくは20〜60μmである。製膜時の強度や膜電極接合体作動時の耐久性の観点から10μm以上であることが好ましく、膜電極接合体作動時の出力特性の観点から75μm以下であることが好ましい。   The thickness of the polymer electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained membrane-electrode assembly, but is preferably 10 to 75 μm, more preferably 15 to 70 μm, and particularly preferably 20 to 60 μm. is there. The thickness is preferably 10 μm or more from the viewpoint of strength during film formation and durability during operation of the membrane electrode assembly, and is preferably 75 μm or less from the viewpoint of output characteristics during operation of the membrane electrode assembly.

次に、本発明の電極の製造方法を説明する。なお、以下の態様は、本発明の好ましい態様を示したものであり、本発明の電極の製造方法が下記の方法に限定されるものではない。   Next, the manufacturing method of the electrode of this invention is demonstrated. In addition, the following aspects show the preferable aspect of this invention, and the manufacturing method of the electrode of this invention is not limited to the following method.

本発明の電極は、例えばカーボンブラックなどの導電性担体に、白金などの触媒成分溶液および含窒素6員環を含む化合物を含む溶液を加えて、ホモジナイザなどで分散させた後担持させる。次いで、触媒成分および含窒素6員環を含む化合物が担持された触媒担持カーボンを乾燥する。その後、触媒担持カーボンおよびナフィオンなどのイオン伝導性物質を、必要に応じて水またはアルコールなどの溶剤に添加して、触媒スラリーを調整する。   The electrode of the present invention is supported after a catalyst component solution such as platinum and a solution containing a compound containing a nitrogen-containing 6-membered ring are added to a conductive carrier such as carbon black, and dispersed by a homogenizer or the like. Next, the catalyst-carrying carbon carrying the catalyst component and the compound containing a nitrogen-containing 6-membered ring is dried. Thereafter, catalyst-carrying carbon and ion conductive materials such as Nafion are added to a solvent such as water or alcohol as necessary to prepare a catalyst slurry.

前記触媒成分溶液の固形分濃度は、好ましくは5%〜20%、5%未満であると、触媒スラリーの粘度が低下し良好な触媒塗布状態を得ることができない場合があり、20%を超えると触媒スラリーの粘度が高まり同じく良好な触媒塗布状態を得ることができない場合がある。触媒成分については、上記で説明した通りであるので、ここでは説明を省略する。   If the solid content concentration of the catalyst component solution is preferably 5% to 20% or less than 5%, the viscosity of the catalyst slurry may be lowered and a good catalyst application state may not be obtained, and it exceeds 20%. In addition, the viscosity of the catalyst slurry is increased, and a good catalyst application state may not be obtained. Since the catalyst component is as described above, the description thereof is omitted here.

前記含窒素6員環を含む化合物を含む溶液の濃度は、好ましくは1〜1000μMである。含窒素6員環を含む化合物については、上記で説明した通りであるので、ここでは説明を省略する。   The concentration of the solution containing the compound containing the nitrogen-containing 6-membered ring is preferably 1-1000 μM. Since the compound containing a nitrogen-containing 6-membered ring is as described above, the description thereof is omitted here.

前記触媒スラリーを転写用台紙上に塗布・乾燥して、電極触媒層を形成する。この際、転写用台紙としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)シート、PET(ポリエチレンテレフタレート)シート、またはポリエステルシートなどの公知のシートが使用できる。なお、転写用台紙は、使用する触媒スラリー(特にインク中のカーボン等の導電性材料)の種類に応じて適宜選択される。また、上記工程において、電極触媒層の厚みは、水素の酸化反応(燃料極側)および酸素の還元反応(酸化剤極側)の触媒作用が十分発揮できる厚みであれば特に制限されず、従来と同様の厚みが使用できる。具体的には、電極触媒層の厚みは、好ましくは0.1〜50μm、より好ましくは1〜10μmである。   The catalyst slurry is applied onto a transfer mount and dried to form an electrode catalyst layer. In this case, as the transfer mount, a known sheet such as a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet, a PET (polyethylene terephthalate) sheet, or a polyester sheet can be used. The transfer mount is appropriately selected according to the type of catalyst slurry to be used (particularly, a conductive material such as carbon in ink). Further, in the above process, the thickness of the electrode catalyst layer is not particularly limited as long as it can sufficiently exhibit the catalytic action of the hydrogen oxidation reaction (fuel electrode side) and the oxygen reduction reaction (oxidant electrode side). Similar thicknesses can be used. Specifically, the thickness of the electrode catalyst layer is preferably 0.1 to 50 μm, more preferably 1 to 10 μm.

転写用台紙上への触媒スラリーは、特に制限されず、スクリーン印刷法、沈積法、あるいはスプレー法などの公知の方法が同様にして適用できる。また、塗布された電極触媒層乾燥条件もまた、電極触媒層から極性溶剤を完全に除去できる条件であれば特に制限されない。具体的には、触媒スラリーの塗布層(電極触媒層)を真空乾燥機内にて、好ましくは室温〜100℃、より好ましくは50〜80℃で、30〜60分間、乾燥する。この際、触媒層の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで、上記塗布・乾燥工程を繰り返す。次に下記の工程に進む。   The catalyst slurry on the transfer mount is not particularly limited, and a known method such as a screen printing method, a deposition method, or a spray method can be similarly applied. The applied electrode catalyst layer drying conditions are not particularly limited as long as the polar solvent can be completely removed from the electrode catalyst layer. Specifically, the coating layer (electrode catalyst layer) of the catalyst slurry is dried in a vacuum dryer, preferably at room temperature to 100 ° C, more preferably at 50 to 80 ° C, for 30 to 60 minutes. At this time, if the thickness of the catalyst layer is not sufficient, the coating and drying process is repeated until a desired thickness is obtained. Next, the process proceeds to the following steps.

すなわち、このようにして作製された固体高分子電解質膜を挟持した後、当該積層についてホットプレスを行なう。この際、ホットプレス条件は、電極触媒層および固体高分子電解質膜が十分密接に接合できる条件であれば特に制限されないが、110〜150℃、より好ましくは120〜140℃で、電極面に対して好ましくは1〜5MPaのプレス圧力で行う。これにより固体高分子電解質膜および電極触媒層との接合性を高めることができる。   That is, after sandwiching the solid polymer electrolyte membrane thus produced, hot pressing is performed on the laminate. At this time, the hot press conditions are not particularly limited as long as the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane can be joined sufficiently closely, but are 110 to 150 ° C., more preferably 120 to 140 ° C. Preferably, the press pressure is 1 to 5 MPa. Thereby, bondability with a solid polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer can be improved.

ホットプレスを行なった後、転写用台紙を剥がすことにより、電極触媒層および固体高分子電解質膜の複合体(いわゆるCCM)を得ることができる。   After performing the hot press, the composite of the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane (so-called CCM) can be obtained by peeling off the transfer mount.

本発明に係る電極を用いた燃料電池の作成方法については、電極触媒層および固体高分子電解質膜の複合体の両側に、一対のガス拡散層を設ける必要がある。   In the method for producing a fuel cell using the electrode according to the present invention, it is necessary to provide a pair of gas diffusion layers on both sides of the composite of the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane.

このガス拡散層の作製は、エタノールなどの公知の溶媒と、カーボンペーパまたはカーボン不織布またはカーボンクロスとを、必要に応じてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素系樹脂を含む溶液中に含浸させ、大気中または窒素などの不活性ガス中に乾燥させることにより行うのが好ましい。   The gas diffusion layer is produced by impregnating a known solvent such as ethanol and carbon paper or carbon non-woven fabric or carbon cloth into a solution containing a fluorine-based resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) as necessary. It is preferably carried out by drying in air or an inert gas such as nitrogen.

本発明に用いられる触媒スラリーにおいて、電極触媒は、所望の作用、即ち、水素の酸化反応(燃料極側)および酸素の還元反応(酸化剤極側)を触媒する作用を十分発揮できる量であればいずれの量で、使用されてもよい。電極触媒が、触媒スラリー中、触媒スラリーの全質量に対して、好ましくは5〜75質量%、より好ましくは10〜60質量%となるような量で存在することがよい。   In the catalyst slurry used in the present invention, the electrode catalyst should have an amount sufficient to exhibit the desired action, that is, the action of catalyzing the hydrogen oxidation reaction (fuel electrode side) and the oxygen reduction reaction (oxidant electrode side). Any amount may be used. The electrode catalyst is preferably present in the catalyst slurry in an amount such that it is 5 to 75% by mass, more preferably 10 to 60% by mass, based on the total mass of the catalyst slurry.

また、前記触媒スラリーには、電極触媒、イオン伝導性高分子、および溶剤に加えて、必要があればポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体といった撥水性高分子、増粘剤などが含まれてもよい。これにより、得られる電極触媒層の撥水性を高めることができ、発電時に生成した水などを速やかに排出することができる。   In addition to the electrode catalyst, the ion conductive polymer, and the solvent, the catalyst slurry has water repellency such as polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, if necessary. Polymers, thickeners and the like may be included. Thereby, the water repellency of the obtained electrode catalyst layer can be increased, and water generated at the time of power generation can be quickly discharged.

増粘剤の使用は、触媒スラリーなどが転写用台紙上にうまく塗布できない場合などに有効である。この際使用できる増粘剤は、特に制限されず、公知の増粘剤が使用できるが、例えば、グリセリン、EG(エチレングリコール)、またはPVA(ポリビニルアルコール)などが挙げられる。増粘剤を使用する際の、増粘剤の添加量は、本発明の上記効果を妨げない程度の量であれば特に制限されないが、触媒スラリーの全質量に対して、好ましくは0〜10質量%である。さらに、本発明で使用される触媒スラリーを構成する溶剤としては、特に制限されず、触媒層を形成するのに使用される通常の溶剤が同様にして使用できる。具体的には、水やシクロヘキサノールやエタノールや2−プロパノール等の低級アルコールが使用できる。   The use of a thickener is effective when the catalyst slurry or the like cannot be successfully applied onto the transfer mount. The thickener that can be used in this case is not particularly limited, and a known thickener can be used. Examples thereof include glycerin, EG (ethylene glycol), and PVA (polyvinyl alcohol). The amount of the thickener added when using the thickener is not particularly limited as long as it does not interfere with the above effect of the present invention, but is preferably 0 to 10 with respect to the total mass of the catalyst slurry. % By mass. Furthermore, the solvent constituting the catalyst slurry used in the present invention is not particularly limited, and ordinary solvents used for forming the catalyst layer can be used in the same manner. Specifically, water, cyclohexanol, lower alcohols such as ethanol and 2-propanol can be used.

本発明で使用される溶剤の量は、電解質を溶解できる量であれば特に制限されないが、電解質が溶剤中、好ましくは0.1〜20質量%、より好ましくは0.5〜10質量%の濃度になるような量である。この際、電解質の濃度が20質量%以下であれば、電解質を完全には溶解し、コロイドが形成される可能性が低い。また、0.1質量%以上であると、含まれる電解質量が適量であるため、電解質高分子の分子鎖がよく絡まりあう。このため、形成される電極触媒層の機械的強度が優れる。また、触媒スラリーにおいて、電極触媒および固体高分子電解質などを合わせた固形分の濃度は、触媒スラリー中、好ましくは5〜50質量%、より好ましくは10〜40質量%程度とするのがよい。   The amount of the solvent used in the present invention is not particularly limited as long as it is an amount capable of dissolving the electrolyte, but the electrolyte is preferably 0.1 to 20% by mass, more preferably 0.5 to 10% by mass in the solvent. The amount is such that the concentration is reached. At this time, if the concentration of the electrolyte is 20% by mass or less, it is unlikely that the electrolyte is completely dissolved and colloid is formed. On the other hand, when the content is 0.1% by mass or more, the electrolyte mass contained is an appropriate amount, and thus the molecular chains of the electrolyte polymer are entangled well. For this reason, the mechanical strength of the electrode catalyst layer formed is excellent. Further, in the catalyst slurry, the concentration of the solid content including the electrode catalyst and the solid polymer electrolyte is preferably 5 to 50% by mass, more preferably about 10 to 40% by mass in the catalyst slurry.

本発明に用いられる触媒スラリーは、酸化剤極側電極触媒層もしくは燃料極側電極触媒層のいずれか一方のみに使用されても、または双方に使用されてもよいが、酸化剤極側は特に出力変動による生成水量の変化により乾湿の変化を受けて、初期状態における電極触媒層の多孔構造が崩れ、空隙率が低下して、電極触媒層への反応ガス供給量が低下する危険性が高いため、少なくとも燃料極側電極触媒層に使用されることが好ましい。   The catalyst slurry used in the present invention may be used only for either the oxidant electrode side electrode catalyst layer or the fuel electrode side electrode catalyst layer, or may be used for both, but the oxidant electrode side is particularly There is a high risk that the porous structure of the electrode catalyst layer in the initial state will collapse due to changes in the amount of generated water due to output fluctuations, the porosity will decrease, and the amount of reactant gas supplied to the electrode catalyst layer will decrease Therefore, it is preferably used for at least the fuel electrode side electrode catalyst layer.

前記拡散層は、上記方法において、転写用台紙を剥がし、得られた接合体をさらにガス拡散層で挟持することによって、電極触媒層と固体高分子電解質膜との接合後にさらに各電極触媒層に接合することが好ましい。または、電極触媒層を予めガス拡散層表面上に形成して電極触媒層−ガス拡散層接合体を製造した後、上記したのと同様にして、この電極触媒層−ガス拡散層接合体で固体高分子電解質膜をホットプレスにより挟持・接合することもまた好ましい。   In the above method, the diffusion layer is peeled off the transfer mount, and the obtained joined body is further sandwiched between gas diffusion layers, so that the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane are further bonded to each electrode catalyst layer. It is preferable to join. Alternatively, after an electrode catalyst layer is formed on the surface of the gas diffusion layer in advance to produce an electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly, the electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly is solid as described above. It is also preferable to sandwich and bond the polymer electrolyte membrane by hot pressing.

前記のホットプレスの方法以外に、ガス拡散層上に逐次塗布により、電極触媒層−高分子電解質膜−電極触媒層−ガス拡散層を積層する方法を用いても良い。   In addition to the hot pressing method, a method of laminating an electrode catalyst layer, a polymer electrolyte membrane, an electrode catalyst layer, and a gas diffusion layer by sequential coating on the gas diffusion layer may be used.

第2の発明は、本発明による電極を用いたことを特徴とする燃料電池である。   A second invention is a fuel cell using the electrode according to the present invention.

前記燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では高分子電解質型燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、リン酸型燃料電池に代表される酸型電解質の燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、固体高分子電解質型燃料電池が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用であるが、特にシステムの起動/停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途で特に好適に使用できる。   The type of the fuel cell is not particularly limited. In the above description, the polymer electrolyte fuel cell has been described as an example, but in addition to this, a representative example is an alkaline fuel cell and a phosphoric acid fuel cell. Examples thereof include an acid electrolyte fuel cell, a direct methanol fuel cell, and a micro fuel cell. Among them, a solid polymer electrolyte fuel cell is preferable because it is small in size and can achieve high density and high output. The fuel cell is useful as a stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. However, the fuel cell is particularly useful for an automobile application in which system start / stop and output fluctuation frequently occur. It can be particularly preferably used.

前記高分子電解質型燃料電池は、定置用電源の他、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求されることによるカーボン材料の腐食、および、運転時に高い出力電圧が取り出されることにより高分子電解質の劣化が生じやすい自動車などの移動体用電源として用いられるのが特に好ましい。   The polymer electrolyte fuel cell is useful not only as a stationary power source but also as a power source for a moving body such as an automobile having a limited mounting space. In particular, mobile objects such as automobiles that are susceptible to corrosion of carbon materials due to high output voltage requirements after a relatively long shutdown, and deterioration of polymer electrolytes due to high output voltage being extracted during operation. It is particularly preferred to be used as a power source.

前記燃料電池の構成としては、特に限定されず、従来公知の技術を適宜利用すればよいが、一般的には、膜電極接合体をセパレータで挟持した構造を有する。   The configuration of the fuel cell is not particularly limited, and a conventionally known technique may be used as appropriate. Generally, the fuel cell has a structure in which a membrane electrode assembly is sandwiched between separators.

前記セパレータとしては、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、従来公知のものであれば制限なく用いることができる。セパレータは、空気と燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、それらの流路を確保するための流路溝が形成されてもよい。セパレータの厚さや大きさ、流路溝の形状などについては、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。   The separator can be used without limitation as long as it is conventionally known, such as those made of carbon such as dense carbon graphite and a carbon plate, and those made of metal such as stainless steel. The separator has a function of separating air and fuel gas, and a channel groove for securing the channel may be formed. The thickness and size of the separator, the shape of the flow channel, and the like are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of the obtained fuel cell.

また、各触媒層に供給されるガスが外部にリークするのを防止するために、ガスケット層上の触媒層が形成されていない部位にさらにガスシール部が設けられてもよい。前記ガスシール部を構成する材料としては、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリイソブチレンゴム等のゴム材料、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等のフッ素系の高分子材料、ポリオレフィンまたはポリエステル等の熱可塑性樹脂などが挙げられる。また、ガスシール部の厚さとしては、好ましくは50μm〜2mm、より好ましくは100μm〜1mm程度とすればよい。   Further, in order to prevent the gas supplied to each catalyst layer from leaking to the outside, a gas seal portion may be further provided at a portion where the catalyst layer is not formed on the gasket layer. Examples of the material constituting the gas seal portion include rubber materials such as fluoro rubber, silicon rubber, ethylene propylene rubber (EPDM), polyisobutylene rubber, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoro. Fluorine polymer materials such as propylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and thermoplastic resins such as polyolefin or polyester. In addition, the thickness of the gas seal portion is preferably 50 μm to 2 mm, more preferably about 100 μm to 1 mm.

さらに、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、セパレータを介して膜電極接合体を複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。   Furthermore, a stack in which a plurality of membrane electrode assemblies are stacked via a separator and connected in series may be formed so that the fuel cell can obtain a desired voltage or the like. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.

本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。   The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.

(実施例1)
<酸化剤極側用触媒インクの作製>
1.0Mの硫酸水溶液に2,2’−ビピリジンの濃度が10μMとなるように溶解させたものを用意した。次に白金担持濃度が50質量%であり、導電性担体がケッチェンブラックである白金担持カーボン粉末(TEC10E50E、田中貴金属工業株式会社製)を混合し、白金触媒上へ2,2’−ビピリジンを吸着させた。得られたビピリジン吸着白金担持カーボン粉末5gと水4.6gとを混合し、攪拌・脱泡処理を行った。そこへ触媒組成物の総質量に対して10質量%となるように気相成長炭素繊維(VGCF(登録商標)、昭和電工株式会社製)を添加し、さらにNPAで希釈した濃度5質量%の電解質ポリマー(ナフィオン(登録商標))分散液(DE−520、デュポン社製)を、触媒層中のカーボンの質量に対する電解質の質量比が0.9となるように混合し、十分に攪拌および脱泡処理を行った。その後ホモジナイザーを用いて常温で3時間以上粉砕および均一化処理することにより、触媒インクを作製した。
(Example 1)
<Preparation of catalyst ink for oxidant electrode side>
What was dissolved in a 1.0 M sulfuric acid aqueous solution so that the concentration of 2,2′-bipyridine was 10 μM was prepared. Next, a platinum-supported carbon powder (TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) having a platinum-supported concentration of 50% by mass and a conductive carrier of ketjen black is mixed, and 2,2′-bipyridine is mixed onto the platinum catalyst. Adsorbed. 5 g of the obtained bipyridine-adsorbed platinum-supported carbon powder and 4.6 g of water were mixed and subjected to stirring and defoaming treatment. Vapor growth carbon fiber (VGCF (registered trademark), manufactured by Showa Denko Co., Ltd.) was added so as to be 10% by mass with respect to the total mass of the catalyst composition, and further diluted with NPA at a concentration of 5% by mass. An electrolyte polymer (Nafion (registered trademark)) dispersion (DE-520, manufactured by DuPont) was mixed so that the mass ratio of the electrolyte to the mass of carbon in the catalyst layer was 0.9, and the mixture was sufficiently stirred and removed. Foam treatment was performed. Thereafter, a catalyst ink was prepared by pulverizing and homogenizing at room temperature for 3 hours or more using a homogenizer.

<燃料極側用触媒インクの作製>
白金担持濃度が50質量%であり、導電性担体がケッチェンブラックである白金担持カーボン粉末(TEC10E50E、田中貴金属工業株式会社製)5gと水4.6gとを混合し、攪拌・脱泡処理を行った。さらに、NPAで希釈した濃度5質量%の電解質ポリマー(ナフィオン(登録商標))分散液(DE−520、デュポン社製)を、触媒層中のカーボン量に対する電解質量比が0.9となるように混合し、十分に攪拌および脱泡処理を行い、ホモジナイザーを用いて常温で3時間以上粉砕および均一化処理することにより、燃料極側用触媒インクを作製した。
<Preparation of fuel electrode catalyst ink>
5 g of platinum-supported carbon powder (TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) whose platinum support concentration is 50% by mass and the conductive carrier is ketjen black is mixed with 4.6 g of water, followed by stirring and defoaming treatment. went. Further, an electrolyte polymer (Nafion (registered trademark)) dispersion (DE-520, manufactured by DuPont) diluted with NPA and having a concentration of 5% by mass has an electrolytic mass ratio of 0.9 relative to the amount of carbon in the catalyst layer. The mixture was thoroughly stirred and defoamed, and pulverized and homogenized at room temperature for 3 hours or more using a homogenizer to prepare a fuel electrode catalyst ink.

<触媒インクの塗布>
前記の方法により作製した酸化剤極側用触媒インクを、スクリーンプリンターを用いてテフロンシート(厚さ80μm)上に塗布した。塗布は、テフロンシートの単位面積当たりの白金担持量が0.35mg/cmになるまで繰り返した。この触媒塗布シートを十分乾燥させて酸化剤極側用シートとした。また、前記の方法により作製した燃料極側用触媒インクを、酸化剤極側用触媒インクの場合と同様にスクリーンプリンターを用いてテフロンシート(厚さ80μm)上に塗布した。塗布は、テフロンシートの単位面積当たりの白金担持量が0.05mg/cmになるように塗布し、十分乾燥させて燃料極側用シートとした。
<Application of catalyst ink>
The catalyst ink for the oxidant electrode side produced by the above method was applied on a Teflon sheet (thickness 80 μm) using a screen printer. The application was repeated until the amount of platinum supported per unit area of the Teflon sheet was 0.35 mg / cm 2 . The catalyst-coated sheet was sufficiently dried to obtain an oxidant electrode side sheet. Further, the fuel electrode side catalyst ink produced by the above method was applied onto a Teflon sheet (thickness 80 μm) using a screen printer in the same manner as in the case of the oxidant electrode side catalyst ink. The coating was performed so that the amount of platinum supported per unit area of the Teflon sheet was 0.05 mg / cm 2 and sufficiently dried to obtain a fuel electrode side sheet.

<膜−触媒層接合体の形成>
前記のように作製した酸化剤極側用シートおよび燃料極側用シートを用いて、デカール法により電解質膜上に触媒層を転写した。温度130℃、圧力2.0MPa、時間10minの転写条件で転写を行い、イオン伝導性を持つイオン交換膜(NR−211、膜厚25μm、EW(Equivalent Weight:スルホン酸基1モルあたりの乾燥膜重量を表し、大きいほどイオン交換量が小さい)=1100、デュポン社製)からなる電解質膜を用い、電解質膜の厚み方向の両側に前記の酸化剤極シートおよび燃料極シートを配置した。
<Formation of membrane-catalyst layer assembly>
Using the oxidant electrode side sheet and the fuel electrode side sheet prepared as described above, the catalyst layer was transferred onto the electrolyte membrane by a decal method. Ion exchange membrane (NR-211, film thickness 25 μm, EW (Equivalent Weight: dry film per mole of sulfonic acid group) is transferred under transfer conditions of temperature 130 ° C., pressure 2.0 MPa, time 10 min. The above-mentioned oxidant electrode sheet and fuel electrode sheet were disposed on both sides of the electrolyte membrane in the thickness direction, using an electrolyte membrane of 1100 (made by DuPont).

(実施例2)
酸化剤極側用触媒インクを下記のように作製した以外は、実施例1と同様の方法で、膜−触媒層接合体を製造した。
(Example 2)
A membrane-catalyst layer assembly was produced in the same manner as in Example 1 except that the oxidant electrode side catalyst ink was produced as follows.

<酸化剤極側用触媒インクの作製>
1.0Mの硫酸水溶液中に2,2’−ビピリジンが10μMとなるように溶解させたものを用意した。
<Preparation of catalyst ink for oxidant electrode side>
A solution prepared by dissolving 2,2′-bipyridine in a 1.0 M sulfuric acid aqueous solution to 10 μM was prepared.

次に白金担持濃度が50質量%であり、導電性担体がケッチェンブラックである白金担持カーボン粉末(TEC10E50E、田中貴金属工業株式会社製)を混合し、白金触媒上へ2,2’−ビピリジンを吸着させた。得られたビピリジン吸着白金担持カーボン粉末5gと水4.6gとを混合し、攪拌・脱泡処理を行った。そこへNPAで希釈した濃度が5質量%である電解質ポリマー(ナフィオン(登録商標))分散液(DE−520、デュポン社製)を、触媒層中のカーボン量に対する電解質量比が0.9となるように混合し、十分に攪拌および脱泡処理を行った。その後ホモジナイザーを用いて常温で3時間以上粉砕および均一化処理を施した。   Next, platinum-supported carbon powder (TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) having a platinum-supported concentration of 50% by mass and a conductive carrier of ketjen black is mixed, and 2,2′-bipyridine is mixed onto the platinum catalyst. Adsorbed. 5 g of the obtained bipyridine-adsorbed platinum-supported carbon powder and 4.6 g of water were mixed and subjected to stirring and defoaming treatment. An electrolyte polymer (Nafion (registered trademark)) dispersion (DE-520, manufactured by DuPont) having a concentration of 5% by mass diluted with NPA was added to an electrolysis mass ratio of 0.9 relative to the amount of carbon in the catalyst layer. The mixture was mixed and sufficiently stirred and defoamed. Thereafter, the mixture was pulverized and homogenized at room temperature for 3 hours or more using a homogenizer.

次に触媒組成物の総質量に対して10質量%となる量の気相成長炭素繊維(VGCF(登録商標):昭和電工株式会社製)と、上記で作製した白金担持カーボン粉末の白金電極面積あたり1.1nmol/cmとなる量の2,2’−ビピリジンとを混合し、2,2’−ビピリジン担持VGCF(登録商標)を作製した。この2,2’−ビピリジン担持VGCF(登録商標)を、上記で作製した白金担持カーボン粉末を含むインクと混合し、十分に攪拌および脱泡処理を行い、得られたものを酸化剤極側用触媒インクとした。 Next, vapor-grown carbon fiber (VGCF (registered trademark) manufactured by Showa Denko KK) in an amount of 10% by mass with respect to the total mass of the catalyst composition, and the platinum electrode area of the platinum-supported carbon powder produced above. 2,2′-bipyridine in an amount of 1.1 nmol / cm 2 per unit was mixed to prepare 2,2′-bipyridine-carrying VGCF (registered trademark). This 2,2′-bipyridine-supported VGCF (registered trademark) is mixed with the ink containing the platinum-supported carbon powder prepared above, sufficiently stirred and degassed, and the resulting product is used for the oxidant electrode side. A catalyst ink was obtained.

(比較例)
酸化剤極側用触媒インクを下記のように作製した以外は、実施例1と同様の方法で、膜−触媒層接合体を製造した。
(Comparative example)
A membrane-catalyst layer assembly was produced in the same manner as in Example 1 except that the oxidant electrode side catalyst ink was produced as follows.

<酸化剤極側用触媒インクの作製>
白金担持濃度が50質量%であり、導電性担体がケッチェンブラックである白金担持カーボン粉末(TEC10E50E、田中貴金属工業株式会社製)と、水4.6gとを混合し、十分に攪拌および脱泡処理を行った。その後ホモジナイザーを用いて常温で3時間以上粉砕および均一化処理することにより、触媒インクを作製した。
<Preparation of catalyst ink for oxidant electrode side>
A platinum-carrying carbon powder (TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) having a platinum-carrying concentration of 50% by mass and a conductive carrier of ketjen black is mixed with 4.6 g of water, and sufficiently stirred and degassed. Processed. Thereafter, a catalyst ink was prepared by pulverizing and homogenizing at room temperature for 3 hours or more using a homogenizer.

(評価試験)
<発電試験>
膜電極接合体の両面に、ガス流路付きガスセパレータを配置し所定の面圧になるように締め付け評価用単セルとした。得られた固体高分子型燃料電池単セルを評価装置により、以下の条件のもとで発電試験を行った。
(Evaluation test)
<Power generation test>
A gas separator with a gas flow path was disposed on both surfaces of the membrane electrode assembly, and a single cell for tightening evaluation was formed so as to have a predetermined surface pressure. The obtained polymer electrolyte fuel cell single cell was subjected to a power generation test using an evaluation apparatus under the following conditions.

Figure 2008077974
Figure 2008077974

評価用単セルの、燃料極側には燃料として水素を供給し、酸化剤極側には酸化剤として空気を供給した。両ガスともセル出口圧力は大気圧とし、水素は58.6℃、R.H60%および0.261L/min、空気は55.0℃、R.H.50%、および1.041L/min、セル温度は70℃に設定し、水素利用率は60%、空気利用率は40%とした。この条件下で、電流密度1A/cmにおいてセル電圧を測定し、セルの発電性能とした。 In the single cell for evaluation, hydrogen was supplied as a fuel to the fuel electrode side, and air was supplied as an oxidant to the oxidant electrode side. For both gases, the cell outlet pressure was atmospheric pressure, hydrogen was 58.6 ° C., R.V. H60% and 0.261 L / min, air is 55.0 ° C., R.V. H. 50% and 1.041 L / min, the cell temperature was set to 70 ° C., the hydrogen utilization rate was 60%, and the air utilization rate was 40%. Under this condition, the cell voltage was measured at a current density of 1 A / cm 2 to determine the power generation performance of the cell.

<起動停止耐久試験>
実施例1〜2、および比較例で得られた固体高分子型燃料電池単セルについて、単セル評価装置により、以下の条件の下で起動停止耐久試験を行った。
<Start / stop durability test>
About the polymer electrolyte fuel cell single cell obtained by Examples 1-2 and the comparative example, the start-stop durability test was done on the following conditions with the single cell evaluation apparatus.

Figure 2008077974
Figure 2008077974

評価用単セルの、燃料極側には燃料として水素を供給し、酸化剤極側には酸化剤として空気を供給した。両ガスともセル出口圧力は大気圧とし、水素は58.6℃、R.H60%および0.261L/min、空気は55.0℃、R.H.50%、および1.041L/min、セル温度は70℃に設定し、水素利用率は60%、空気利用率は40%とした。この条件下で、電流密度1A/cmにて1分発電した後、発電を停止した。停止後、水素および空気の供給を停止し、乾燥空気を単セルに供給しセル内を1分間置換した後、1分間燃料極側に水素ガスを上記利用率で供給した。その後、酸化剤極側に空気を上記と同様の利用率で供給し、再度発電した。この発電/停止動作を繰り返し、1A/cmgeo.時のセル電圧を測定し、起動停止回数が1500回に達した時点で評価を終了した。結果を図2〜4に示す。 In the single cell for evaluation, hydrogen was supplied as a fuel to the fuel electrode side, and air was supplied as an oxidant to the oxidant electrode side. For both gases, the cell outlet pressure was atmospheric pressure, hydrogen was 58.6 ° C., R.V. H60% and 0.261 L / min, air is 55.0 ° C., R.V. H. 50% and 1.041 L / min, the cell temperature was set to 70 ° C., the hydrogen utilization rate was 60%, and the air utilization rate was 40%. Under this condition, power was generated at a current density of 1 A / cm 2 for 1 minute, and then power generation was stopped. After stopping, the supply of hydrogen and air was stopped, dry air was supplied to the single cell, the inside of the cell was replaced for 1 minute, and then hydrogen gas was supplied to the fuel electrode side at the above utilization rate for 1 minute. Thereafter, air was supplied to the oxidant electrode side at the same utilization rate as above, and power was generated again. This power generation / stop operation is repeated, and 1 A / cm 2 -geo. The cell voltage at the time was measured, and the evaluation was completed when the number of start / stop times reached 1500 times. The results are shown in FIGS.

図2〜4からわかるように、比較例の電極に比べ、実施例1および2の電極は耐久性に優れていることがわかる。   As can be seen from FIGS. 2 to 4, it can be seen that the electrodes of Examples 1 and 2 are superior in durability compared to the electrode of the comparative example.

本発明の電極の一実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one Embodiment of the electrode of this invention. 実施例1による電極の起動停止耐久試験の結果を示すグラフである。4 is a graph showing the results of an electrode start / stop durability test according to Example 1; 実施例2による電極の起動停止耐久試験の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the start-stop durability test of the electrode by Example 2. FIG. 比較例1による電極の起動停止耐久試験の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the start-stop durability test of the electrode by the comparative example 1.

符号の説明Explanation of symbols

1 電極、
2 導電性担体、
3 触媒粒子、
4 含窒素6員環を含む化合物、
5 繊維状炭素。
1 electrode,
2 conductive carrier,
3 catalyst particles,
4 a compound containing a nitrogen-containing 6-membered ring,
5 Fibrous carbon.

Claims (9)

含窒素6員環を含む化合物と、
触媒粒子と、
前記触媒粒子を担持してなる触媒担持カーボンと、
繊維状炭素と、
を含むことを特徴とする、電極。
A compound containing a nitrogen-containing 6-membered ring;
Catalyst particles,
Catalyst-supporting carbon formed by supporting the catalyst particles;
Fibrous carbon,
An electrode comprising:
前記化合物が、ピリジン化合物であることを特徴とする、請求項1に記載の電極。   The electrode according to claim 1, wherein the compound is a pyridine compound. 前記ピリジン化合物が、ビピリジン化合物、ターピリジン化合物、およびフェナントロリン化合物からなる群より選択される少なくとも1種の化合物であることを特徴とする、請求項2に記載の電極。   The electrode according to claim 2, wherein the pyridine compound is at least one compound selected from the group consisting of a bipyridine compound, a terpyridine compound, and a phenanthroline compound. 前記ビピリジン化合物が、2,2−ビピリジンであることを特徴とする、請求項3に記載の電極。   The electrode according to claim 3, wherein the bipyridine compound is 2,2-bipyridine. 前記触媒担持カーボン上の触媒粒子が、白金粒子または白金を含む合金の粒子であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電極。   The electrode according to any one of claims 1 to 4, wherein the catalyst particles on the catalyst-supporting carbon are platinum particles or particles of an alloy containing platinum. 前記繊維状炭素が気相成長炭素繊維であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電極。   The electrode according to claim 1, wherein the fibrous carbon is a vapor-grown carbon fiber. 前記繊維状炭素が、電極の総質量に対して1〜30質量%含有されていることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電極。   The said fibrous carbon is contained 1-30 mass% with respect to the gross mass of an electrode, The electrode of any one of Claims 1-6 characterized by the above-mentioned. 含窒素6員環を含む化合物と、
触媒粒子と、
導電性担体と、
触媒成分が担持されていない気相成長炭素繊維と、
を含む触媒インクを調製する工程を含むことを特徴とする、電極の製造方法。
A compound containing a nitrogen-containing 6-membered ring;
Catalyst particles,
A conductive carrier;
A vapor-grown carbon fiber on which no catalyst component is supported;
The manufacturing method of the electrode characterized by including the process of preparing the catalyst ink containing this.
請求項1〜7に記載の電極を用いた燃料電池。   A fuel cell using the electrode according to claim 1.
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