JP2008108495A - Manufacturing method for fuel-cell catalyst carrier, membrane electrode assembly for fuel cell, fuel cell, and processor for fuel-cell catalyst carrier - Google Patents

Manufacturing method for fuel-cell catalyst carrier, membrane electrode assembly for fuel cell, fuel cell, and processor for fuel-cell catalyst carrier Download PDF

Info

Publication number
JP2008108495A
JP2008108495A JP2006288637A JP2006288637A JP2008108495A JP 2008108495 A JP2008108495 A JP 2008108495A JP 2006288637 A JP2006288637 A JP 2006288637A JP 2006288637 A JP2006288637 A JP 2006288637A JP 2008108495 A JP2008108495 A JP 2008108495A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
catalyst carrier
catalyst
fuel cell
electrode
carbon
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2006288637A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Mikio Sugiura
未来男 杉浦
Nobuyasu Suzuki
伸康 鈴木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Aisin Corp
Original Assignee
Aisin Seiki Co Ltd
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aisin Seiki Co Ltd, Toyota Motor Corp filed Critical Aisin Seiki Co Ltd
Priority to JP2006288637A priority Critical patent/JP2008108495A/en
Publication of JP2008108495A publication Critical patent/JP2008108495A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method for a fuel-cell catalyst carrier that improves the durability of a catalyst carrier while being advantageous for suppressing deterioration in the power generation performance of a fuel cell, a membrane electrode assembly for a fuel cell, the fuel cell, and a processor for the fuel-cell catalyst carrier. <P>SOLUTION: The manufacturing method is composed so as to execute a first step in which a catalyst carrier for carrying a catalyst used for a fuel cell is prepared, and a second step for applying a voltage to the catalyst carrier in an atmosphere including oxygen so as to locally oxidize the catalyst carrier. The membrane electrode assembly is provided with an ion conduction film and an anode electrode and a cathode electrode that sandwich the ion conduction film between them in a thickness direction. In the membrane electrode assembly, at least one of the anode electrode and the cathode electrode is provided with a fluid diffusion layer for allowing an active material to permeate through it and a catalyst layer formed on the surface of the fluid diffusion layer. The catalyst layer is formed while allowing the catalyst carrier to carry a catalyst. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用触媒担体の製造方法、燃料電池用膜電極接合体、燃料電池、燃料電池用触媒担体の処理装置に関する。   The present invention relates to a method for producing a fuel cell catalyst carrier, a fuel cell membrane electrode assembly, a fuel cell, and a fuel cell catalyst carrier treatment apparatus.

特許文献1には、異なる熱処理温度でグラファイト化処理した2種類以上のカーボン粉末を混合してカーボン担体を形成し、このカーボン担体に白金及び卑金属を担持させることにより白金担持カーボンを形成し、この白金担持カーボンを用いて燃料電池用触媒層を形成する技術が開示されている。   In Patent Document 1, two or more kinds of carbon powders graphitized at different heat treatment temperatures are mixed to form a carbon support, and platinum and base metal are supported on the carbon support to form platinum-supported carbon. A technique for forming a fuel cell catalyst layer using platinum-supported carbon is disclosed.

特許文献2には、黒鉛と触媒粒子とイオン伝導性樹脂とを有する固体高分子型燃料電池用触媒膜が開示されている。このものによれば、黒鉛を用いることにより、触媒膜における触媒およびイオン伝導性樹脂の配置が最適化されると記載されている。特許文献3には、30〜40質量%の白金黒と60〜70質量%に担持された触媒との混合物を含むカソード触媒が開示されている。
特開2002−273224号公報 特開2005−209544号公報 特開2005−294264号公報
Patent Document 2 discloses a catalyst membrane for a polymer electrolyte fuel cell having graphite, catalyst particles, and an ion conductive resin. According to this, it is described that the use of graphite optimizes the arrangement of the catalyst and the ion conductive resin in the catalyst membrane. Patent Document 3 discloses a cathode catalyst including a mixture of 30 to 40% by mass of platinum black and a catalyst supported on 60 to 70% by mass.
JP 2002-273224 A JP 2005-209544 A JP 2005-294264 A

産業界では、燃料電池の発電性能の耐久性について更なる向上が要請されている。しかし燃料電池の長時間にわたる連続運転、起動、停止など様々な要因によってアノード極およびカソード極の電極電位が変化するため、条件によっては、触媒担体の腐食が発生するおそれがある。この場合電極性能が変化するため、燃料電池の発電性能の耐久性の向上には限界がある。   In the industry, there is a demand for further improvement in the durability of the power generation performance of fuel cells. However, since the electrode potentials of the anode electrode and the cathode electrode change due to various factors such as continuous operation, starting and stopping of the fuel cell for a long time, the catalyst carrier may be corroded depending on conditions. In this case, since the electrode performance changes, there is a limit to improving the durability of the power generation performance of the fuel cell.

例えば、触媒担体がカーボン系であるとき、カソード極の場合、カソード極が貴な電位環境(約1.0ボルト以上)になった場合には、カーボンの電気化学的な酸化反応により、カーボンの腐食が進行するおそれがある。この場合、カーボンで形成されている触媒担体に担持されている触媒金属の粒子が遊離し、この結果、有効に使用される触媒金属の粒子が減少するおそれがある。この場合、燃料電池の発電性能が低下するおそれがある。またアノード極においては、発電運転中に燃料不足が発生すると、電流密度を保つためアノード極において燃料の酸化反応に代わって、水の電気分解が発生したり、触媒担体の酸化が発生するおそれがある。この場合、アノード極の性能が変化し、燃料電池の発電性能に影響を与えるおそれがある。   For example, when the catalyst support is carbon-based, in the case of the cathode electrode, when the cathode electrode is in a noble potential environment (about 1.0 V or more), the electrochemical oxidation reaction of carbon causes Corrosion may progress. In this case, the catalyst metal particles supported on the catalyst carrier formed of carbon are released, and as a result, the catalyst metal particles that are effectively used may be reduced. In this case, the power generation performance of the fuel cell may be reduced. In addition, if fuel shortage occurs during power generation operation at the anode electrode, water electrolysis or oxidation of the catalyst carrier may occur in place of the fuel oxidation reaction at the anode electrode to maintain current density. is there. In this case, the performance of the anode electrode changes, which may affect the power generation performance of the fuel cell.

特許文献1,2では、触媒担体を構成するカーボンを高温で熱処理することによりカーボンをグラファイト化し、カーボンの耐食性を高めている。更に、特許文献3では、白金担持カーボンと白金黒とのブレンドにより、総合的な耐食性のバランスをとる手法が採用されている。しかし上記した技術といえども、カーボンを主成分とする触媒担体の腐食を抑えるには限界がある。   In Patent Documents 1 and 2, carbon constituting the catalyst carrier is heat-treated at a high temperature to graphitize the carbon, thereby enhancing the corrosion resistance of the carbon. Furthermore, Patent Document 3 adopts a method of balancing the overall corrosion resistance by blending platinum-supporting carbon and platinum black. However, even with the above-described technique, there is a limit in suppressing the corrosion of the catalyst carrier mainly composed of carbon.

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池用の触媒担体の耐久性の向上を図り得、燃料電池の発電性能の低下を抑えるのに有利な燃料電池用触媒担体の製造方法、燃料電池用膜電極接合体、燃料電池、燃料電池用触媒担体の処理装置を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and can produce a catalyst support for a fuel cell that can improve the durability of the catalyst support for a fuel cell and is advantageous in suppressing a decrease in power generation performance of the fuel cell. It is an object of the present invention to provide a method, a fuel cell membrane electrode assembly, a fuel cell, and a fuel cell catalyst carrier treatment apparatus.

様相1に係る燃料電池用触媒担体の製造方法は、燃料電池の触媒担体を用意する第1工程と、酸化剤を含む雰囲気に触媒担体を設置した状態で、触媒担体に電圧を印加し、触媒担体を電気化学的に酸化させる第2工程とを実施することを特徴とする。   A method for manufacturing a fuel cell catalyst carrier according to aspect 1 includes a first step of preparing a fuel cell catalyst carrier, and applying a voltage to the catalyst carrier in a state where the catalyst carrier is placed in an atmosphere containing an oxidant. And a second step of electrochemically oxidizing the support.

様相2に係る燃料電池用触媒担体の製造方法は、第2工程後に、触媒担体に触媒を担持させる第3工程を実施する。この場合、第2工程を実施した後に、触媒担体に触媒を担持させるため、第2工程が触媒に影響を与えることが抑えられる。   In the method for producing a fuel cell catalyst carrier according to aspect 2, the third step of carrying the catalyst on the catalyst carrier is performed after the second step. In this case, since the catalyst is supported on the catalyst carrier after the second step, the second step can be prevented from affecting the catalyst.

様相3に係る燃料電池用触媒担体は、イオン伝導膜と、イオン伝導膜を厚み方向に挟むアノード用電極およびカソード用電極とを具備する燃料電池用膜電極接合体において、アノード用電極およびカソード用電極のうちの少なくとも一方は、活物質を透過させる流体拡散層と、イオン伝導膜に対面するように流体拡散層の表面に設けられた触媒層とを備えており、触媒層は、上記した様相に係る触媒担体と、触媒担体に担持された触媒とを含むことを特徴とする。   A fuel cell catalyst carrier according to aspect 3 is a fuel cell membrane electrode assembly comprising an ion conductive membrane and an anode electrode and a cathode electrode sandwiching the ion conductive membrane in the thickness direction. At least one of the electrodes includes a fluid diffusion layer that transmits the active material and a catalyst layer provided on the surface of the fluid diffusion layer so as to face the ion conductive membrane. And a catalyst supported on the catalyst carrier.

様相4に係る燃料電池は、イオン伝導膜とイオン伝導膜を厚み方向に挟むアノード用電極およびカソード用電極とを有する燃料電池用膜電極接合体と、燃料電池用膜電極接合体のアノード用電極側に設けられアノード用流体をアノード用電極に供給するアノード用配流部材と、燃料電池用膜電極接合体のカソード用電極側に設けられカソード用流体をカソード用電極に供給するカソード用配流部材とを具備する燃料電池において、燃料電池用膜電極接合体は、上記した様相に係る燃料電池用膜電極接合体で形成されていることを特徴とする。   A fuel cell according to aspect 4 includes a fuel cell membrane electrode assembly having an ion conductive membrane and an anode electrode and a cathode electrode sandwiching the ion conductive membrane in the thickness direction, and an anode electrode of the fuel cell membrane electrode assembly An anode distribution member for supplying anode fluid to the anode electrode, and a cathode distribution member for supplying cathode fluid to the cathode electrode of the fuel cell membrane electrode assembly; The fuel cell membrane electrode assembly is formed of the fuel cell membrane electrode assembly according to the above aspect.

上記した様相1〜4によれば、第2工程は、触媒担体のうち電気化学的に酸化し易い部分を燃料電池の組付前に電気化学的に予め酸化させるとともに、電気化学的に酸化しにくい部分を残留させる。従って、第2工程を経た触媒担体を燃料電池に組み付けたときには、触媒担体のうち電気化学的に酸化し易い部分は、予め酸化されて除去されている。従って、触媒担体のうち残留している部分は、電気化学的に酸化しにくい部分に相当する。この結果、第2工程が実施された触媒担体をもつ燃料電池を長時間にわたり発電運転するとしても、燃料電池に組み込まれている触媒担体の電気化学的な酸化が抑制される。ひいては燃料電池の耐久性の向上を図り得、出力電圧の低下を抑制できる。   According to the above aspects 1 to 4, in the second step, the portion of the catalyst carrier that is easily oxidized is electrochemically oxidized before the fuel cell is assembled and is electrochemically oxidized. Leave difficult parts. Therefore, when the catalyst carrier that has undergone the second step is assembled to the fuel cell, the portion of the catalyst carrier that is susceptible to electrochemical oxidation is previously oxidized and removed. Therefore, the remaining part of the catalyst carrier corresponds to a part that is not easily oxidized electrochemically. As a result, even if the fuel cell having the catalyst carrier in which the second step is performed is operated for power generation for a long time, the electrochemical oxidation of the catalyst carrier incorporated in the fuel cell is suppressed. As a result, the durability of the fuel cell can be improved, and a decrease in output voltage can be suppressed.

酸化剤は、相手の物質から電子を奪って相手を酸化させる物質をいう。上記した酸化剤を含む雰囲気としては、酸素原子を含む雰囲気、酸素ガス含有雰囲気(空気等)、あるいは、液相または気相の水(水蒸気)を含む雰囲気である形態が挙げられる。従って触媒担体と水蒸気とを接触させた状態で第2工程を実施する形態が例示される。ここで、カーボンについては、HOが酸化剤であるとき、次の式(1)ように炭素から二酸化酸素が形成される反応が進行すると考えられる。ここで、炭素の酸化還元電位(平衡電極電位)は+0.2ボルトである(vs.SHE)。ここで、SHEは水素標準電極を意味する。触媒担体に印加させる電位が平衡電極電位(vs.SHE)よりもプラスであれば、反応は酸化方向に進行し、カーボンの酸化が促進される。
式(1)……C+2HO→CO+4H+4e+0.2ボルト(vs.SHE)
Oxidizing agent refers to a substance that oxidizes a partner by taking electrons from the partner. Examples of the atmosphere containing an oxidizing agent include an atmosphere containing an oxygen atom, an oxygen gas-containing atmosphere (air or the like), or an atmosphere containing liquid phase or vapor phase water (water vapor). Therefore, the form which implements a 2nd process in the state which contacted the catalyst support and water vapor is illustrated. Here, regarding carbon, when H 2 O is an oxidizing agent, it is considered that a reaction in which oxygen dioxide is formed from carbon proceeds as in the following formula (1). Here, the redox potential (equilibrium electrode potential) of carbon is +0.2 volts (vs. SHE). Here, SHE means a hydrogen standard electrode. If the potential applied to the catalyst carrier is more positive than the equilibrium electrode potential (vs. SHE), the reaction proceeds in the oxidation direction, and the oxidation of carbon is promoted.
Formula (1): C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e +0.2 volts (vs. SHE)

第2工程を実施するにあたり、触媒担体は、白金等の触媒を担持する前の触媒担体であることが好ましい。この場合、触媒担体に電圧を印加するとき、白金等の触媒に影響を与えることが回避される。第2工程では、基準電極およびイオン伝導膜を用意し、触媒担体の集合体と基準電極とでイオン伝導膜を挟んだ状態で、基準電極に対する触媒担体の電位を電位制御手段により制御し、触媒担体のうち電気化学的に酸化し易い部分を酸化させるとともに、電気化学的に酸化しにくい部分を残留させる形態が例示される。   In carrying out the second step, the catalyst carrier is preferably a catalyst carrier before carrying a catalyst such as platinum. In this case, when a voltage is applied to the catalyst carrier, it is avoided that the catalyst such as platinum is affected. In the second step, a reference electrode and an ion conductive membrane are prepared, and the potential of the catalyst carrier with respect to the reference electrode is controlled by the potential control means in a state where the ion conductive membrane is sandwiched between the aggregate of catalyst carriers and the reference electrode, Examples include a mode in which a portion that is easily oxidized electrochemically in the carrier is oxidized and a portion that is not easily oxidized electrochemically is left.

様相5に係る燃料電池用触媒担体の処理装置は、上記した様相に係る燃料電池用触媒担体の製造方法を実施できる装置であり、触媒担体の集合体と基準電極とでイオン伝導膜を挟んだ状態で、触媒担体の集合体と基準電極とイオン伝導膜を保持する保持手段と、基準電極に電気的に接続される基準電極端子と、触媒担体の集合体に電気的に接続される作用電極端子とを備える電位制御手段とを具備しており、触媒担体の集合体に酸化剤を接触させた状態で、基準電極に対する触媒担体の集合体の電位を電位制御手段により制御し、触媒担体のうち電気化学的に酸化し易い部分を酸化させるとともに、電気化学的に酸化しにくい部分を残留させることを特徴とする。この場合、触媒担体のうち電気化学的に酸化し易い部分は、予め酸化されているため、燃料電池の発電運転中に酸化することが抑制される。酸化剤としては水(HO)、酸素ガス、空気中の酸素が例示される。水は、水蒸気、液相の水も含む。 The fuel cell catalyst carrier processing apparatus according to aspect 5 is an apparatus that can carry out the fuel cell catalyst carrier manufacturing method according to the aspect described above, in which the ion conductive membrane is sandwiched between the catalyst carrier assembly and the reference electrode. In the state, a holding means for holding the aggregate of the catalyst carrier, the reference electrode and the ion conductive membrane, a reference electrode terminal electrically connected to the reference electrode, and a working electrode electrically connected to the aggregate of the catalyst carrier A potential control means having a terminal, and the potential of the catalyst carrier assembly with respect to the reference electrode is controlled by the potential control means in a state where the oxidant is in contact with the catalyst carrier assembly. Among them, the portion that is easily oxidized electrochemically is oxidized, and the portion that is not easily oxidized electrochemically is left. In this case, the portion of the catalyst carrier that is likely to be oxidized electrochemically is oxidized in advance, so that oxidation during the power generation operation of the fuel cell is suppressed. Examples of the oxidizing agent include water (H 2 O), oxygen gas, and oxygen in the air. Water includes water vapor and liquid phase water.

触媒担体のうち酸化し易い部分が燃料電池の組付前に予め酸化されて消失している。このため、燃料電池の発電運転中に酸化することが抑制される。従って、燃料電池用の触媒担体の耐久性の向上を図り得、燃料電池の発電性能の低下を抑えるのに有利となる。   The portion of the catalyst carrier that is easily oxidized is oxidized and disappears before assembly of the fuel cell. For this reason, oxidation during the power generation operation of the fuel cell is suppressed. Therefore, it is possible to improve the durability of the catalyst carrier for the fuel cell, which is advantageous for suppressing a decrease in the power generation performance of the fuel cell.

本発明によれば、触媒担体を用意する第1工程と、酸化剤を含む雰囲気において触媒担体に電圧を印加し、触媒担体を酸化させる第2工程とを実施する。酸化剤を含有する雰囲気としては、空気等の酸素ガス含有雰囲気、あるいは、液相または気相の水を含む雰囲気である形態が例示される。触媒担体としてカーボン系が挙げられ、カーボン担体が好ましい。カーボン担体としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ(カーボンナノホーンを含む)、カーボンナノウォール、繊維状カーボン、活性炭、ダイヤモンドライクカーボン等が例示される。カーボンブラックとしては、ファーネスブラックやアセチレンブラック等が挙げられる。触媒としては貴金属が挙げられ、白金、ロジウム、パラジウム、オスミウム、ルテニウムのうちのいずれか少なくとも1種が挙げられる。   According to the present invention, the first step of preparing a catalyst carrier and the second step of applying a voltage to the catalyst carrier in an atmosphere containing an oxidizing agent to oxidize the catalyst carrier are performed. Examples of the atmosphere containing the oxidizing agent include an atmosphere containing oxygen gas such as air, or an atmosphere containing liquid or vapor phase water. Examples of the catalyst carrier include carbon-based materials, and a carbon carrier is preferable. Examples of the carbon carrier include carbon black, carbon nanotube (including carbon nanohorn), carbon nanowall, fibrous carbon, activated carbon, diamond-like carbon, and the like. Examples of carbon black include furnace black and acetylene black. A noble metal is mentioned as a catalyst, At least 1 type in any one of platinum, rhodium, palladium, osmium, and ruthenium is mentioned.

好ましくは、第2工程では、基準電極(参照電極ともいう)およびイオン伝導膜(プロトン伝導膜)を用意する。触媒担体の集合体と基準電極とでイオン伝導膜(プロトン伝導膜)を挟む。この状態で、水素ガスを基準電極に供給しつつ、酸化剤を含むキャリアガスを触媒担体の集合体に供給することが好ましい。キャリアガスとしては不活性ガスが好ましく、窒素ガス、アルゴンガスなどが例示される。基準電極に水素ガスを供給するのは、基準電極の電位を0ボルトまたは0ボルト付近(vs.SHE)に設定させるためである。そして、基準電極に対する触媒担体側の電位を制御する。この場合、電位をサイクリックに制御しても良いし、定電位(直流)で制御しても良い。第2工程を実行する前の触媒担体は、触媒を担持する前であることが好ましい。従って、第2工程を実行した後の触媒担体に対して触媒を担持させることが好ましい。これにより第2工程が触媒担体上の触媒に影響を与えることが抑えられる。   Preferably, in the second step, a reference electrode (also referred to as a reference electrode) and an ion conductive membrane (proton conductive membrane) are prepared. An ion conducting membrane (proton conducting membrane) is sandwiched between the catalyst carrier assembly and the reference electrode. In this state, it is preferable to supply a carrier gas containing an oxidizing agent to the catalyst carrier aggregate while supplying hydrogen gas to the reference electrode. The carrier gas is preferably an inert gas, and examples thereof include nitrogen gas and argon gas. The reason why hydrogen gas is supplied to the reference electrode is to set the potential of the reference electrode to 0 volts or near 0 volts (vs. SHE). Then, the potential on the catalyst carrier side with respect to the reference electrode is controlled. In this case, the potential may be controlled cyclically or may be controlled by a constant potential (direct current). The catalyst carrier before the second step is preferably before supporting the catalyst. Therefore, it is preferable to support the catalyst on the catalyst carrier after the second step is executed. This suppresses the second step from affecting the catalyst on the catalyst carrier.

上記した第2工程にあたり、触媒担体の集合体の電位をサイクリックに制御する場合には、基準電極に対する触媒担体の集合体の電位を、酸化条件および還元条件の双方を繰り返すサイクルを1サイクルとし、このサイクルを多数回繰り返すことを行うことができる。これにより触媒担体のうち電気化学的に酸化し易い部分を予め酸化させるとともに、酸化しにくい部分を残留させる。サイクル数としては適宜選択でき、例えば5〜10000回程度、10〜1000回程度にできるが、これに限定されるものではない。第2工程にあたり、酸化条件および還元条件の双方を繰り返す理由としては、実際の燃料電池では、起動および停止による電位変動があり、そのような環境の中での酸化し易い部分を確実に除去することを期待するからである。   In the second step, when the potential of the catalyst carrier assembly is cyclically controlled, the cycle of repeating both the oxidation condition and the reduction condition is set as one cycle for the potential of the catalyst carrier assembly with respect to the reference electrode. This cycle can be repeated many times. As a result, a portion of the catalyst carrier that is easily oxidized electrochemically is oxidized in advance, and a portion that is not easily oxidized is left. The number of cycles can be appropriately selected. For example, it can be about 5 to 10,000 times or about 10 to 1000 times, but is not limited thereto. In the second step, the reason for repeating both the oxidation condition and the reduction condition is that, in an actual fuel cell, there are potential fluctuations due to starting and stopping, and the oxidizable part in such an environment is reliably removed. Because we expect that.

ここで、基準電極に対して触媒担体の集合体の電位をサイクリックに制御する場合には、当該電位としては、触媒担体を形成する材料の酸化還元電位(平衡電極電位)を跨ぐように上下するサイクルを1サイクルにできる。即ち、触媒担体を形成する材料の酸化還元電位未満の電位領域と、当該酸化還元電位をプラス側に越える電位領域をもつサイクルを1サイクルにできる。   Here, when the potential of the aggregate of catalyst supports is cyclically controlled with respect to the reference electrode, the potential is increased or decreased so as to straddle the oxidation-reduction potential (equilibrium electrode potential) of the material forming the catalyst support. Cycle can be made one cycle. That is, a cycle having a potential region less than the oxidation-reduction potential of the material forming the catalyst carrier and a potential region exceeding the oxidation-reduction potential on the plus side can be made into one cycle.

ここで、触媒担体がカーボン系であるときには、例えば0.1ボルト←→1.0ボルト(vs.SHE)に制御するサイクルを1サイクルにできる。触媒担体がカーボン系であるとき、サイクリックに電位を制御する場合、電位の上限を1.0ボルトの電位に設定する理由は、それ以上の電位にすると、触媒担体の酸化が過剰に促進されるおそれがあると考えられるためである。また、サイクル電位の下限を0.1ボルトの電位に設定する理由は、それ以下の電位では、触媒担体の酸化には不充分であると考えられているためである。また0.1ボルト←→0.8ボルト(vs.SHE)に制御するサイクルを1サイクルにすることもできる。なおカーボンの酸化還元電位は+0.2ボルト(vs.SHE)である。   Here, when the catalyst carrier is carbon-based, for example, the cycle controlled to 0.1 volts ← → 1.0 volts (vs. SHE) can be made one cycle. When the potential of the catalyst support is cyclic, when the catalyst support is cyclic, the reason for setting the upper limit of the potential to a potential of 1.0 volts is that if the potential is higher than that, the oxidation of the catalyst support is excessively promoted. This is because there is a possibility that The reason why the lower limit of the cycle potential is set to a potential of 0.1 volts is that a potential lower than that is considered to be insufficient for the oxidation of the catalyst carrier. Further, the cycle controlled to 0.1 volts ← → 0.8 volts (vs. SHE) can be made one cycle. The redox potential of carbon is +0.2 volts (vs. SHE).

触媒担体がカーボン系であるとき、触媒担体の集合体を定電位(直流)で電位制御する場合には、基準電極に対する触媒担体の集合体の電位(定電位)としては、0.2ボルト〜0.5ボルト(vs.SHE)の範囲内であることが望ましい。この場合、0.5ボルトを超えると、触媒担体の酸化が過剰に促進させる可能性がある。また0.2ボルト未満であると、触媒担体の酸化には充分ではないと考えられる。触媒担体の集合体を定電位(直流)で電位制御する場合には、基準電極に対する触媒担体の集合体の電位(定電位)としては、場合によっては、0.2ボルト〜0.4ボルト(vs.SHE)の範囲内とすることもできる。   When the catalyst support is carbon-based, and the aggregate of the catalyst support is controlled at a constant potential (direct current), the potential (constant potential) of the aggregate of the catalyst support with respect to the reference electrode is 0.2 volts to It is desirable to be within the range of 0.5 volts (vs. SHE). In this case, if it exceeds 0.5 volts, the oxidation of the catalyst support may be promoted excessively. Moreover, it is thought that it is not enough for the oxidation of a catalyst support | carrier to be less than 0.2 volts. When the potential of the catalyst carrier aggregate is controlled at a constant potential (direct current), the potential of the catalyst carrier aggregate with respect to the reference electrode (constant potential) is 0.2 to 0.4 volts (in some cases). vs. SHE).

なお、触媒金属を既に担持している触媒担体に第2工程を実施する場合に、電位をサイクリックに電位制御する場合には、電位の上限電位は、触媒金属の酸化還元電位をプラス側に越えないことが好ましい。その理由としては、触媒金属の酸化を促進させない方が好ましいためである。   When the potential is cyclically controlled when the second step is performed on the catalyst carrier already supporting the catalyst metal, the upper limit potential of the potential is such that the oxidation-reduction potential of the catalyst metal is on the plus side. It is preferable not to exceed. This is because it is preferable not to promote oxidation of the catalyst metal.

例えば、触媒金属として白金を既に担持している触媒担体に第2工程を実施する場合には、下記の式(2)を考慮すると、サイクル電圧の上限電位は白金の酸化還元電位(+1.188ボルト(vs.SHE))を越えないことが好ましい。従ってサイクル電圧の上限電位としては、1.0ボルトを越えないことが望ましい。
式(2)……Pt2++2e−=Pt +1.188ボルト(vs.SHE)
For example, when the second step is performed on a catalyst carrier already supporting platinum as a catalyst metal, the upper limit potential of the cycle voltage is determined by considering the following equation (2), the oxidation-reduction potential of platinum (+1.188). It is preferable not to exceed the bolt (vs. SHE). Therefore, it is desirable that the upper limit potential of the cycle voltage does not exceed 1.0 volts.
Formula (2): Pt 2+ +2 e− = Pt +1.188 volts (vs. SHE)

上記した電位制御手段としては、基準電極に対する触媒担体側の電位を制御できるものであれば何でも良い。電位制御手段としては、触媒担体側および基準電極に電気的に接続されるポテンショスタットとする形態が例示される。   Any potential control means can be used as long as it can control the potential on the catalyst carrier side with respect to the reference electrode. Examples of the potential control means include a potentiostat that is electrically connected to the catalyst carrier side and the reference electrode.

本発明によれば、触媒担体は、電気化学的に酸化し易い部分が予め取り除かれている。このような触媒担体に触媒を担持させ、燃料電池用の触媒担体として使用すれば、燃料電池の発電運転において触媒担体の酸化劣化が抑制され、ひいては酸化劣化による表面積の低下が抑制され、この結果、触媒の粒子の凝集が抑制される。   According to the present invention, the catalyst carrier is previously removed from the portion that is easily oxidized electrochemically. If the catalyst is supported on such a catalyst carrier and used as a catalyst carrier for a fuel cell, the oxidation deterioration of the catalyst carrier is suppressed in the power generation operation of the fuel cell, and the decrease in the surface area due to the oxidation deterioration is suppressed. , Aggregation of catalyst particles is suppressed.

以下、本発明の実施例を具体的に説明する。先ず、図1に示す収容槽12をもつ保持装置10(保持手段)を用いる。保持装置10は配流部材14を備えている。配流部材14は、水素極電極16に水素ガスを供給する水素ガス供給部10aと、水素極電極16から水素ガスを排出する水素ガス排出部10cとをもつ。触媒担体として機能するカーボンブラック(ケッチェンカーボンブラック)で形成されたカーボン粒子の集合体2(質量10g)を装置10の収容槽12内に充填し、カーボン電極20を形成する。更に装置10は、カーボン電極20に窒素ガス(不活性ガス)を供給する不活性ガス供給部20aと、カーボン電極20から窒素ガス(不活性ガス)を排出する不活性ガス排出部20cとをもつ。   Examples of the present invention will be specifically described below. First, the holding device 10 (holding means) having the storage tank 12 shown in FIG. 1 is used. The holding device 10 includes a flow distribution member 14. The flow distribution member 14 includes a hydrogen gas supply unit 10 a that supplies hydrogen gas to the hydrogen electrode 16 and a hydrogen gas discharge unit 10 c that discharges hydrogen gas from the hydrogen electrode 16. An aggregate 2 (mass 10 g) of carbon particles formed of carbon black (Ketjen carbon black) functioning as a catalyst carrier is filled in the storage tank 12 of the apparatus 10 to form a carbon electrode 20. Furthermore, the apparatus 10 includes an inert gas supply unit 20a that supplies nitrogen gas (inert gas) to the carbon electrode 20, and an inert gas discharge unit 20c that discharges nitrogen gas (inert gas) from the carbon electrode 20. .

上記した水素極電極16は図2(A)〜(C)に示すように製造した。即ち、多孔質性および導電性をもつカーボン基材として、市販のカーボンペーパ3(東レ株式会社,TGP−H−60,厚み190μm)を用意した。このカーボンペーパ3にカーボンペースト4を含浸した。このカーボンペースト4は、導電物質としてのカーボンブラック(キャボット社製、VXC−72R、表面積380m/g)100gと、撥水剤としてのポリ四フッ化エチレン(PTFE)を含むディスパージョン(ポリフロンD−1、ダイキン株式会社)166.7gと、分散剤と、純水とを混練した混合物で形成した。 The hydrogen electrode 16 described above was manufactured as shown in FIGS. That is, a commercially available carbon paper 3 (Toray Industries, Inc., TGP-H-60, thickness 190 μm) was prepared as a carbon substrate having porosity and conductivity. This carbon paper 3 was impregnated with carbon paste 4. This carbon paste 4 is a dispersion (polyflon D) containing 100 g of carbon black (VXC-72R, surface area 380 m 2 / g, manufactured by Cabot Corporation) as a conductive material and polytetrafluoroethylene (PTFE) as a water repellent. -1, Daikin Co., Ltd.) 166.7 g, a dispersant, and a mixture obtained by kneading pure water.

上記したようにカーボンペーパ3にカーボンペースト4を含浸した後、そのカーボンペーパ3を80℃で1時間予備乾燥し、その後、380℃で1時間焼成した。これをガス拡散層160とした(図1(B)参照)。ガス拡散層160は面160a,160cをもつ。   As described above, the carbon paper 3 was impregnated with the carbon paste 4, and then the carbon paper 3 was pre-dried at 80 ° C. for 1 hour and then baked at 380 ° C. for 1 hour. This was used as the gas diffusion layer 160 (see FIG. 1B). The gas diffusion layer 160 has surfaces 160a and 160c.

次に触媒ペーストの形成について説明する。触媒として、白金を担持した白金担持カーボン(田中貴金属株式会社,TEC10E50E,白金50質量%)10gと、イオン交換樹脂溶液(旭化成株式会社,SS−1100/05,イオン交換樹脂:5質量%)100gと、イオン交換水40gとを、サンドミルにて1時間混練して分散し、触媒ペーストを形成した。サンドミルによる混練条件では、セラミックスボール(ジルコニア)の直径2ミリメートル、周速15m/sとした。この場合、質量比で、イオン交換樹脂/白金担持カーボンのカーボン=1.0とした。上記したように得られた触媒ペーストを、前記したガス拡散層160の面160aにドクターブレード法でギャップ100μmで塗布し(約0.4mgPt/cm)、触媒層162を形成し、水素極電極16を形成した(図2(C)参照)。触媒層162は燃料電池のイオン伝導膜5に対面接触する。 Next, formation of the catalyst paste will be described. As a catalyst, 10 g of platinum-supported carbon (Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., TEC10E50E, 50% by mass of platinum) supporting platinum and 100 g of ion exchange resin solution (Asahi Kasei Corporation, SS-1100 / 05, ion exchange resin: 5% by mass) And 40 g of ion-exchanged water were kneaded and dispersed in a sand mill for 1 hour to form a catalyst paste. The kneading conditions by the sand mill were a ceramic ball (zirconia) diameter of 2 mm and a peripheral speed of 15 m / s. In this case, the mass ratio of ion exchange resin / platinum-supported carbon was set to 1.0. The catalyst paste obtained as described above was applied to the surface 160a of the gas diffusion layer 160 with a gap of 100 μm by the doctor blade method (about 0.4 mg Pt / cm 2 ) to form the catalyst layer 162, and the hydrogen electrode 16 was formed (see FIG. 2C). The catalyst layer 162 is in contact with the ion conductive membrane 5 of the fuel cell.

そして通路溝状の流路140をもつ配流部材14(材質:カーボン)で水素極電極16を覆った。この場合、水素極電極16とカーボン電極20とでイオン伝導膜5(パーフルオロスルホン酸の膜、厚み:30マイクロメートル)を挟んだ。電位制御手段としてのポテンショスタット6(北斗電工製:ポテンショ/ガルバノスタット,HA−301)を用い、ポテンショスタット6の基準電極端子6aと水素極電極16(基準電極)とを配流部材14を介して電気的に接続し、かつ、ポテンショスタット6の作用電極端子6cとカーボン電極20側とを電気的にそれぞれ接続した。ポテンショスタット6は、定電位に制御するポテンショスタット機能と、定電流に制御するガルバノスタットスタット機能とを併有する。   Then, the hydrogen electrode 16 was covered with a flow distribution member 14 (material: carbon) having a passage groove-shaped channel 140. In this case, the ion conductive film 5 (perfluorosulfonic acid film, thickness: 30 μm) was sandwiched between the hydrogen electrode 16 and the carbon electrode 20. A potentiostat 6 (Hokuto Denko: potentio / galvanostat, HA-301) as potential control means is used, and the reference electrode terminal 6a and the hydrogen electrode 16 (reference electrode) of the potentiostat 6 are connected via the flow distribution member 14. The working electrode terminal 6c of the potentiostat 6 and the carbon electrode 20 side were electrically connected to each other. The potentiostat 6 has both a potentiostat function for controlling to a constant potential and a galvanostat function for controlling to a constant current.

そして、水素ガス(流量:1リットル/分間)を水素ガス供給部10aから水素極電極16(基準電極)に供給すると共に、水蒸気を含むキャリアガスとして窒素ガス(流量:1リットル/分間)を不活性ガス供給部20aからカーボン電極20に供給しつつ、ポテンショスタット6により、ポテンショスタット6の基準電極端子6aに対する作用電極端子6cの電位を制御した。即ち、水素極電極16(基準電極)に対するカーボン電極20の電位を制御した。この場合、水蒸気の導入方法としては、保持装置10の温度(室温25℃)と同温度のバブラーを通したガスを使用した(RH100%)とした。これによりカーボン電極20に対して第2工程を実行した。ここで、水素ガスが供給される水素極電極16は、0ボルトとされ、基準電極(参照電極ともいう)とされる。   Then, hydrogen gas (flow rate: 1 liter / minute) is supplied from the hydrogen gas supply unit 10a to the hydrogen electrode 16 (reference electrode), and nitrogen gas (flow rate: 1 liter / minute) is not used as a carrier gas containing water vapor. The potential of the working electrode terminal 6c with respect to the reference electrode terminal 6a of the potentiostat 6 was controlled by the potentiostat 6 while being supplied to the carbon electrode 20 from the active gas supply unit 20a. That is, the potential of the carbon electrode 20 with respect to the hydrogen electrode 16 (reference electrode) was controlled. In this case, as a method for introducing water vapor, a gas passed through a bubbler having the same temperature as the temperature of the holding device 10 (room temperature 25 ° C.) was used (RH 100%). As a result, the second step was performed on the carbon electrode 20. Here, the hydrogen electrode 16 to which hydrogen gas is supplied is set to 0 volts, and serves as a reference electrode (also referred to as a reference electrode).

この第2工程によれば、水素極電極16(基準電極)に対するカーボン電極20の電位について、0.1〜1.0ボルトを1サイクルとし、100サイクル実施した(掃引速度:50ミリボルト/秒)。カーボンに関する上記した式(1)における炭素の酸化還元電位(0.2ボルト)をしきい値電圧とし、しきい値電圧未満の電圧と、しきい値電圧を越える電圧とを交互に複数回繰り返す。即ち、しきい値電圧を跨ぐようにカーボン電極20の電位操作を複数回繰り返す。これによりカーボン電極20を構成しているカーボン粒子のうち電気化学的に酸化しやすい部分(例えばエッジ部分、結晶化度が低い部分)は、予め酸化される。電気化学的に酸化された部分は、二酸化炭素となってキャリアガスと共に外部に排出される。カーボン粒子のカーボン部分のうち電気化学的に酸化されにくい部分は残留する。このように第2工程を実施した後、カーボン電極20を構成しているカーボン粒子を収容槽12から取り外す。   According to the second step, the potential of the carbon electrode 20 with respect to the hydrogen electrode 16 (reference electrode) was set to one cycle of 0.1 to 1.0 volts, and 100 cycles were performed (sweep speed: 50 millivolts / second). . The carbon redox potential (0.2 volts) in the above-described formula (1) for carbon is defined as a threshold voltage, and a voltage less than the threshold voltage and a voltage exceeding the threshold voltage are alternately repeated a plurality of times. . That is, the potential operation of the carbon electrode 20 is repeated a plurality of times so as to cross the threshold voltage. Thereby, the part (for example, edge part, part with low crystallinity degree) which is easy to oxidize electrochemically among the carbon particles which comprise the carbon electrode 20 is oxidized beforehand. The electrochemically oxidized portion becomes carbon dioxide and is discharged to the outside together with the carrier gas. Of the carbon part of the carbon particles, the part that is not easily oxidized electrochemically remains. Thus, after implementing a 2nd process, the carbon particle which comprises the carbon electrode 20 is removed from the storage tank 12. FIG.

上記したように第2工程を実施したカーボン粒子10gと、ジニトロジアンミン白金硝酸溶液(触媒含有溶液,田中貴金属工業製,Pt8.476質量%)59gを混合して混合液を形成した。その後、混合液を70℃で24時間乾燥した。その後、水素雰囲気下で190℃で2時間還元することにより、白金をカーボン粒子に担持させ、白金担持カーボン(Pt:50質量%)を形成した。   As described above, 10 g of the carbon particles subjected to the second step and 59 g of a dinitrodiammine platinum nitric acid solution (catalyst-containing solution, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., Pt 8.476% by mass) were mixed to form a mixed solution. Thereafter, the mixed solution was dried at 70 ° C. for 24 hours. Thereafter, reduction was performed at 190 ° C. for 2 hours in a hydrogen atmosphere, whereby platinum was supported on carbon particles to form platinum-supported carbon (Pt: 50 mass%).

次に膜電極接合体を形成した。この場合、図3(A)に示すように、多孔質性および導電性をもつカーボン基材として、市販のカーボンペーパ7(東レ株式会社,TGP−H−60,厚み190μm)を用意した。このカーボンペーパ7にカーボンペースト8を含浸した。前記したカーボンペースト8は、導電物質としてのカーボンブラック(キャボット社製、VXC−72R、表面積380m/g)100gと、撥水剤としてのポリ四フッ化エチレン(PTFE)を含むディパージョン(ポリフロンD−1、ダイキン株式会社)166.7gと、分散剤と、純水とを混練した混合物で形成した。その後、このカーボンペースト8を含浸したカーボンペーパ7を80℃で1時間予備乾燥し、その後、380℃で1時間焼成した。これをガス拡散層70とした(図3(B)参照)。 Next, a membrane electrode assembly was formed. In this case, as shown in FIG. 3A, a commercially available carbon paper 7 (Toray Industries, Inc., TGP-H-60, thickness 190 μm) was prepared as a carbon base material having porosity and conductivity. This carbon paper 7 was impregnated with carbon paste 8. The carbon paste 8 is a dispersion (polyfluorocarbon) containing 100 g of carbon black (VXC-72R, surface area 380 m 2 / g, manufactured by Cabot Corporation) as a conductive material and polytetrafluoroethylene (PTFE) as a water repellent. D-1, Daikin Co., Ltd.) 166.7 g, a dispersant and pure water were kneaded. Thereafter, the carbon paper 7 impregnated with the carbon paste 8 was pre-dried at 80 ° C. for 1 hour, and then fired at 380 ° C. for 1 hour. This was used as the gas diffusion layer 70 (see FIG. 3B).

次に燃料電池用電極を形成した。この場合、触媒として、第2工程を実施したカーボン担体に白金を担持した白金担持カーボンを用いた。そして、第2工程を実施した白金担持カーボン10gと、イオン交換樹脂を含むイオン交換樹脂溶液(旭化成株式会社,SS−1100/05,イオン交換樹脂:5質量%)100gと、イオン交換水40gとを、サンドミルにて1時間混練して分散し、触媒ペーストを形成した。この場合、質量比で、イオン交換樹脂/白金担持カーボンのカーボン=1.0とした。イオン交換樹脂はプロトン伝導材として機能する。   Next, a fuel cell electrode was formed. In this case, platinum-supported carbon in which platinum was supported on the carbon support on which the second step was performed was used as a catalyst. And 10g of platinum carrying | support carbon which implemented the 2nd process, 100g of ion exchange resin solutions (Asahi Kasei Corporation, SS-1100 / 05, ion exchange resin: 5 mass%) containing ion exchange resin, 40g of ion exchange water, Was kneaded for 1 hour in a sand mill and dispersed to form a catalyst paste. In this case, the mass ratio of ion exchange resin / platinum-supported carbon was set to 1.0. The ion exchange resin functions as a proton conducting material.

得られた触媒ペーストを、前記したガス拡散層70の一方の面にドクターブレード法でギャップ250μmで塗布し(約1mgPt/cm)、カソード用電極シートを形成した。上記した触媒ペーストを別のガス拡散層70の一方の面にドクターブレード法でギャップ100μmで塗布し(約0.4mgPt/cm)、アノード用電極シートを形成した。 The obtained catalyst paste was applied to one surface of the gas diffusion layer 70 by a doctor blade method with a gap of 250 μm (about 1 mg Pt / cm 2 ) to form a cathode electrode sheet. The above catalyst paste was applied to one surface of another gas diffusion layer 70 by a doctor blade method with a gap of 100 μm (about 0.4 mg Pt / cm 2 ) to form an anode electrode sheet.

上記したカソード用電極シートを反応面積100cmに打ち抜き、カソード用電極7Cを形成した(図3(C)参照)。図3(C)に示すように、カソード用電極7Cは、ガス拡散層70(流体拡散層)と、ガス拡散層70に積層されたカソード用の触媒層70cとで形成されている。上記したアノード用電極シートを反応面積100cmに打ち抜き、アノード用電極7Aを形成した(図3(D)参照)。図3(D)に示すように、アノード用電極7Aは、ガス拡散層70(流体拡散層)と、ガス拡散層70に積層されたアノード用の触媒層70aとで形成されている。触媒層70a,70cは、触媒(白金)、触媒担体としてのカーボンブラック(導電物質)、プロトン伝導材とを含有する。 The cathode electrode sheet was punched into a reaction area of 100 cm 2 to form a cathode electrode 7C (see FIG. 3C). As shown in FIG. 3C, the cathode electrode 7 </ b> C is formed of a gas diffusion layer 70 (fluid diffusion layer) and a cathode catalyst layer 70 c laminated on the gas diffusion layer 70. The anode electrode sheet was punched into a reaction area of 100 cm 2 to form an anode electrode 7A (see FIG. 3D). As shown in FIG. 3D, the anode electrode 7 </ b> A is formed of a gas diffusion layer 70 (fluid diffusion layer) and an anode catalyst layer 70 a stacked on the gas diffusion layer 70. The catalyst layers 70a and 70c contain a catalyst (platinum), carbon black (conductive material) as a catalyst carrier, and a proton conductive material.

その後、12cm角形状に切り抜いたイオン伝導膜80(ゴア30−III−B:ジャパンゴアテックス株式会社)の一方の面80c側にカソード用電極7Cを配置した。またイオン伝導膜80の他方の面80a側にアノード用電極7Aを配置した。この場合、触媒層70aおよび触媒層70cがイオン伝導膜80を挟むように、イオン伝導膜80に対面して接触する。その状態で、140℃、8MPaで3分間ホットプレスし、膜電極接合体8(図4参照)を形成した。   Thereafter, the cathode electrode 7C was arranged on one surface 80c side of the ion conductive film 80 (Gore 30-III-B: Japan Gore-Tex Co., Ltd.) cut into a 12 cm square shape. An anode electrode 7A is disposed on the other surface 80a side of the ion conductive film 80. In this case, the catalyst layer 70a and the catalyst layer 70c face and contact the ion conductive film 80 so as to sandwich the ion conductive film 80. In this state, hot pressing was performed at 140 ° C. and 8 MPa for 3 minutes to form a membrane electrode assembly 8 (see FIG. 4).

そして、図4に示すように、アノードガスを流すガス流路85cをもつセパレータとも呼ばれるカソード用配流部材85を、膜電極接合体8のカソード用電極7Cにあてがい、且つ、カソードガスを流すガス流路86cをもつセパレータとも呼ばれるアノード用配流部材86をアノード用電極7Aにあてがい、試験セルを構成した。そして、試験セルを用いて発電性能を評価した。この場合、アノードガス(水素ガス)をガス流路85cに流すと共に、カソードガス(空気)をガス流路86cに流す。この場合、セル温度を80℃、アノード用電極7Aおよびカソード用電極7Cの露点を80℃、電流密度0.2アンペア/cm、水素利用率を70%、空気利用率を30%とした状態で評価した。 Then, as shown in FIG. 4, a cathode flow distribution member 85 also called a separator having a gas flow path 85c for flowing the anode gas is applied to the cathode electrode 7C of the membrane electrode assembly 8, and the gas flow for flowing the cathode gas. An anode distribution member 86, also called a separator having a path 86c, was applied to the anode electrode 7A to form a test cell. And power generation performance was evaluated using the test cell. In this case, the anode gas (hydrogen gas) is allowed to flow through the gas flow path 85c, and the cathode gas (air) is allowed to flow through the gas flow path 86c. In this case, the cell temperature is 80 ° C., the dew point of the anode electrode 7A and the cathode electrode 7C is 80 ° C., the current density is 0.2 amps / cm 2 , the hydrogen utilization rate is 70%, and the air utilization rate is 30%. It was evaluated with.

上記した製造条件に基づいて、本発明方法が実施されていない比較例に係る試験セルを作製し、同様な発電条件で試験セルの発電性能を評価した。但し、比較例では、カーボン粒子に対して第2工程を実施していない。   Based on the manufacturing conditions described above, a test cell according to a comparative example in which the method of the present invention was not implemented was produced, and the power generation performance of the test cell was evaluated under the same power generation conditions. However, in the comparative example, the second step is not performed on the carbon particles.

図5は試験結果を示す。図5の横軸は時間を示し、縦軸は初期の電圧を100%としたときにおける電圧保持率を示す。図5において、特性線S1は、本発明方法が実施されている実施例の試験セルに係る試験結果を示す。特性線S2は、本発明方法が実施されていない比較例の試験セルに係る試験結果を示す。特性線S1に示すように、実施例によれば、発電時間が長期にわたっても電圧保持率が高い状態で維持される。これに対して特性線S2に示すように、比較例によれば、発電時間が経過すると、電圧保持率が次第に低下していく。従って、触媒担体を構成するカーボン粒子のうち電気化学的に酸化し易い部分を、燃料電池として組み付ける前の段階で、電気化学的に予め酸化させておけば、燃料電池の耐久性が長期にわたり維持されることがわかる。即ち、本実施例では、本発明方法が実施されているため、触媒担体のうち酸化し易い部分が燃料電池の組付前に予め酸化されて消失している。このため、触媒担体のうち酸化し易い部分が、燃料電池の発電運転中に酸化することが抑制される。従って、燃料電池用の触媒担体の耐久性の向上を図り得、燃料電池の発電性能の低下を抑えるのに有利となる。   FIG. 5 shows the test results. The horizontal axis of FIG. 5 indicates time, and the vertical axis indicates the voltage holding ratio when the initial voltage is 100%. In FIG. 5, the characteristic line S1 shows the test result relating to the test cell of the example in which the method of the present invention is implemented. Characteristic line S2 shows the test result concerning the test cell of the comparative example in which the method of the present invention is not carried out. As shown by the characteristic line S1, according to the embodiment, the power generation time is maintained in a state where the voltage holding ratio is high even for a long period of time. On the other hand, as shown by the characteristic line S2, according to the comparative example, when the power generation time has elapsed, the voltage holding ratio gradually decreases. Therefore, the durability of the fuel cell can be maintained for a long time by electrochemically pre-oxidizing the part of the carbon particles that make up the catalyst carrier that is susceptible to electrochemical oxidation prior to assembly as a fuel cell. You can see that That is, in this embodiment, since the method of the present invention is carried out, a portion of the catalyst carrier that is easily oxidized is oxidized beforehand and disappears before assembly of the fuel cell. For this reason, it is suppressed that the part which is easily oxidized among catalyst carriers is oxidized during the power generation operation of the fuel cell. Therefore, it is possible to improve the durability of the catalyst carrier for the fuel cell, which is advantageous for suppressing a decrease in the power generation performance of the fuel cell.

比較例では、図6に示すように、カーボンで形成されている触媒担体のうち電気化学的に酸化し易い部分が燃料電池の発電運転中に酸化劣化し易く、消失(空洞化)し、このためカーボンで形成されている触媒担体同士の接点が減少し、電気抵抗が増大するものと推察される。   In the comparative example, as shown in FIG. 6, a portion of the catalyst carrier formed of carbon that is easily oxidized is easily oxidized and deteriorated during the power generation operation of the fuel cell, and disappears (hollows). For this reason, it is presumed that the contact points between the catalyst carriers formed of carbon are reduced and the electrical resistance is increased.

この場合、カーボンで形成されている触媒担体が酸化劣化すると、触媒担体に担持されている触媒金属の粒子が遊離し、有効に使用される触媒金属の粒子が減少するおそれがある。またカーボンが消失することで、遊離した触媒(白金)が凝集化するおそれもある。この場合、燃料電池の発電性能が低下するおそれがある。   In this case, when the catalyst support formed of carbon is oxidized and deteriorated, the catalyst metal particles supported on the catalyst support may be released, and the catalyst metal particles used effectively may be reduced. Further, the disappearance of carbon may cause aggregation of the liberated catalyst (platinum). In this case, the power generation performance of the fuel cell may be reduced.

なお、酸性溶液と触媒担体とを接触させる方策も考えられる。しかしこの場合には、触媒担体のうち化学的に劣化し易い部分が除去されるものであり、触媒担体のうち電気化学的に酸化し易い部分が酸化されるものではない。この方策は、電気化学的な発電反応を伴う燃料電池における触媒担体の劣化に整合しにくい。   A measure for bringing the acidic solution into contact with the catalyst carrier is also conceivable. In this case, however, the portion of the catalyst carrier that is susceptible to chemical degradation is removed, and the portion of the catalyst carrier that is susceptible to electrochemical oxidation is not oxidized. This measure is difficult to match the deterioration of the catalyst carrier in a fuel cell with an electrochemical power generation reaction.

本発明は上記した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
(付記項1)燃料電池の触媒担体を用意する第1工程と、酸化剤を含む雰囲気に前記触媒担体を設置した状態で、前記触媒担体を電気化学的に酸化させ、前記触媒担体のうち電気化学的に酸化し易い部分を予め酸化させる第2工程とを実施することを特徴とする燃料電池用触媒担体の製造方法。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented with appropriate modifications within a range not departing from the gist. The following technical idea can also be grasped from the above description.
(Additional Item 1) First step of preparing a catalyst support for a fuel cell, and in a state where the catalyst support is installed in an atmosphere containing an oxidant, the catalyst support is electrochemically oxidized to A method for producing a catalyst support for a fuel cell, comprising performing a second step of previously oxidizing a portion that is easily oxidized chemically.

本発明は例えば車両用、定置用、電気機器用、電子機器用、携帯用の燃料電池等に利用できる。   The present invention can be used, for example, for vehicles, stationary devices, electric devices, electronic devices, and portable fuel cells.

第2工程を実施する処理装置の概念図である。It is a conceptual diagram of the processing apparatus which implements a 2nd process. 水素極電極を形成する工程を模式的に示す構成図である。It is a block diagram which shows typically the process of forming a hydrogen electrode. カソード用電極およびアノード用電極を形成する工程を模式的に示す構成図である。It is a block diagram which shows typically the process of forming the electrode for cathodes, and the electrode for anodes. 燃料電池セルの分解した状態を模式的に示す構成図である。It is a block diagram which shows typically the state by which the fuel cell was decomposed | disassembled. 実施例と比較例に係る発電運転を行ったグラフである。It is the graph which performed the electric power generation operation which concerns on an Example and a comparative example. 比較例にかかり、カーボンで形成されている触媒担体同士の接点が減少している状態を模式的に示す図である。It is a figure concerning a comparative example and showing typically the state where the contact of catalyst carriers formed with carbon is decreasing.

符号の説明Explanation of symbols

10は保持装置、14は配流部材、16は水素極電極、20はカーボン電極、
7Aはアノード用電極、70はガス拡散層、70aはアノード用の触媒層、7Cはカソード用電極、70はガス拡散層、70cはカソード用の触媒層、80はイオン伝導膜、8は膜電極接合体を示す。
10 is a holding device, 14 is a distribution member, 16 is a hydrogen electrode, 20 is a carbon electrode,
7A is an anode electrode, 70 is a gas diffusion layer, 70a is an anode catalyst layer, 7C is a cathode electrode, 70 is a gas diffusion layer, 70c is a cathode catalyst layer, 80 is an ion conductive membrane, and 8 is a membrane electrode The joined body is shown.

Claims (7)

燃料電池の触媒担体を用意する第1工程と、
酸化剤を含む雰囲気に前記触媒担体を設置した状態で、前記触媒担体に電圧を印加し、前記触媒担体を電気化学的に酸化させる第2工程とを実施することを特徴とする燃料電池用触媒担体の製造方法。
A first step of preparing a fuel cell catalyst carrier;
And a second step of applying a voltage to the catalyst carrier and electrochemically oxidizing the catalyst carrier in a state where the catalyst carrier is installed in an atmosphere containing an oxidant. A method for producing a carrier.
請求項1において、前記触媒担体はカーボン系であり、前記酸化剤を含む雰囲気は、液相または気相の水を含む雰囲気、あるいは、酸素ガス含有雰囲気である燃料電池用触媒担体の製造方法。   2. The method for producing a catalyst support for a fuel cell according to claim 1, wherein the catalyst support is carbon-based, and the atmosphere containing the oxidizing agent is an atmosphere containing liquid or vapor phase water, or an oxygen gas-containing atmosphere. 請求項1において、前記第2工程後に、前記触媒担体に触媒を担持させる第3工程を実施する燃料電池用触媒担体の製造方法。   2. The method for producing a fuel cell catalyst carrier according to claim 1, wherein after the second step, a third step of carrying a catalyst on the catalyst carrier is performed. 請求項1〜3のうちの一項において、前記第2工程では、基準電極およびイオン伝導膜を用意し、
前記触媒担体の集合体と前記基準電極とで前記イオン伝導膜を挟んだ状態で、前記基準電極に対する前記触媒担体の電位を電位制御手段により制御し、前記触媒担体のうち電気化学的に酸化し易い部分を電気化学的に酸化させるとともに、電気化学的に酸化しにくい部分を残留させることを特徴とする燃料電池用触媒担体の製造方法。
In one of Claims 1-3, a reference electrode and an ion conductive film are prepared in the second step,
The potential of the catalyst carrier with respect to the reference electrode is controlled by potential control means in a state where the ion conductive membrane is sandwiched between the assembly of the catalyst carrier and the reference electrode, and the catalyst carrier is electrochemically oxidized. A method for producing a catalyst support for a fuel cell, wherein an easy-to-oxidize portion is electrochemically oxidized and a portion that is not easily oxidized electrochemically remains.
イオン伝導膜と、前記イオン伝導膜を厚み方向に挟むアノード用電極およびカソード用電極とを具備する燃料電池用膜電極接合体において、
前記アノード用電極および前記カソード用電極のそれぞれは、活物質を透過させる流体拡散層と、前記イオン伝導膜に対面するように前記流体拡散層の表面に設けられた触媒層とを備えており、
前記アノード用電極および前記カソード用電極のうちの少なくとも一方の前記触媒層は、請求項1〜4のうちの一項に係る触媒担体と、前記触媒担体に担持された触媒とを含むことを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。
In a fuel cell membrane electrode assembly comprising an ion conductive membrane, and an anode electrode and a cathode electrode sandwiching the ion conductive membrane in the thickness direction,
Each of the anode electrode and the cathode electrode includes a fluid diffusion layer that allows an active material to permeate, and a catalyst layer provided on a surface of the fluid diffusion layer so as to face the ion conductive membrane,
The catalyst layer of at least one of the anode electrode and the cathode electrode includes a catalyst carrier according to one of claims 1 to 4 and a catalyst supported on the catalyst carrier. A fuel cell membrane electrode assembly.
イオン伝導膜と前記イオン伝導膜を厚み方向に挟むアノード用電極およびカソード用電極とを有する燃料電池用膜電極接合体と、
前記燃料電池用膜電極接合体の前記アノード用電極側に設けられアノード用流体を前記アノード用電極に供給するアノード用配流部材と、
前記燃料電池用膜電極接合体の前記カソード用電極側に設けられカソード用流体を前記カソード用電極に供給するカソード用配流部材とを具備する燃料電池において、
前記燃料電池用膜電極接合体は、請求項5に係る燃料電池用膜電極接合体で形成されていることを特徴とする燃料電池。
A fuel cell membrane electrode assembly having an ion conductive membrane and an anode electrode and a cathode electrode sandwiching the ion conductive membrane in the thickness direction;
An anode flow distribution member provided on the anode electrode side of the fuel cell membrane electrode assembly and supplying an anode fluid to the anode electrode;
A fuel cell comprising a cathode flow distribution member provided on the cathode electrode side of the fuel cell membrane electrode assembly and supplying a cathode fluid to the cathode electrode;
The fuel cell membrane electrode assembly is formed of the fuel cell membrane electrode assembly according to claim 5.
触媒担体の集合体と基準電極とでイオン伝導膜を挟んだ状態で、前記触媒担体の集合体と前記基準電極と前記イオン伝導膜を保持する保持手段と、
前記基準電極に電気的に接続される基準電極端子と、前記触媒担体の集合体に電気的に接続される作用電極端子とを備える電位制御手段とを具備しており、
酸化剤を含む雰囲気に前記触媒担体の集合体を設置した状態で、前記基準電極に対する前記触媒担体の集合体の電位を電位制御手段により制御し、前記触媒担体のうち電気化学的に酸化し易い部分を電気化学的に酸化させるとともに、電気化学的に酸化しにくい部分を残留させることを特徴とする燃料電池用触媒担体の処理装置。
Holding means for holding the aggregate of the catalyst carrier, the reference electrode, and the ion conductive membrane in a state where the ion conductive membrane is sandwiched between the aggregate of the catalyst carrier and the reference electrode;
A potential control means comprising a reference electrode terminal electrically connected to the reference electrode and a working electrode terminal electrically connected to the assembly of the catalyst carriers;
In a state where the catalyst carrier aggregate is installed in an atmosphere containing an oxidant, the potential of the catalyst carrier aggregate with respect to the reference electrode is controlled by potential control means, and the catalyst carrier is easily oxidized electrochemically. An apparatus for treating a catalyst support for a fuel cell, wherein the portion is electrochemically oxidized and the portion that is not easily oxidized electrochemically remains.
JP2006288637A 2006-10-24 2006-10-24 Manufacturing method for fuel-cell catalyst carrier, membrane electrode assembly for fuel cell, fuel cell, and processor for fuel-cell catalyst carrier Pending JP2008108495A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006288637A JP2008108495A (en) 2006-10-24 2006-10-24 Manufacturing method for fuel-cell catalyst carrier, membrane electrode assembly for fuel cell, fuel cell, and processor for fuel-cell catalyst carrier

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006288637A JP2008108495A (en) 2006-10-24 2006-10-24 Manufacturing method for fuel-cell catalyst carrier, membrane electrode assembly for fuel cell, fuel cell, and processor for fuel-cell catalyst carrier

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2008108495A true JP2008108495A (en) 2008-05-08

Family

ID=39441683

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006288637A Pending JP2008108495A (en) 2006-10-24 2006-10-24 Manufacturing method for fuel-cell catalyst carrier, membrane electrode assembly for fuel cell, fuel cell, and processor for fuel-cell catalyst carrier

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2008108495A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011070975A1 (en) 2009-12-07 2011-06-16 日清紡ホールディングス株式会社 Support for catalyst supporting, material with supported catalyst, electrode, and cell

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011070975A1 (en) 2009-12-07 2011-06-16 日清紡ホールディングス株式会社 Support for catalyst supporting, material with supported catalyst, electrode, and cell
US8993164B2 (en) 2009-12-07 2015-03-31 Nisshinbo Holdings Inc. Support for catalyst supporting, carrier with supported catalyst, electrode, and battery

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100982645B1 (en) Supports for fuel cell catalysts
US20060257719A1 (en) Catalyst for fuel cell electrode
JP7190462B2 (en) Membrane electrode assembly
KR101823158B1 (en) Anode-side catalyst composition for fuel cell and membrane electrode assembly (mea) for solid polymer-type fuel cell
JP2006054165A (en) Polymer fuel electrolyte cell and manufacturing method of polymer electrolyte fuel cell
WO2007119640A1 (en) Electrode catalyst for fuel cell and method for producing the same
Lee et al. Multifunctional non-Pt ternary catalyst for the hydrogen oxidation and oxygen evolution reactions in reversal-tolerant anode
JP2009500789A (en) Voltage cycle resistant catalyst
JP2012094315A (en) Anode-side catalyst composition for fuel cell and membrane electrode assembly (mea) for solid polymer fuel cell including the same
CN109314250A (en) Membrane electrode assembly with improved electrode
WO2006082981A1 (en) Catalyst-supporting powder and method for producing same
JP2007188768A (en) Polymer electrolyte fuel cell
JP2006318707A (en) Electrode structure of solid polymer fuel cell
JP2004172107A (en) Electrocatalyst for fuel cells and manufacturing method thereof
Ota et al. Improvement of cathode materials for polymer electrolyte fuel cell
JP2008270169A (en) Fuel cell
Inoue et al. Preparation of Nanocrystalline Nb-Doped SnO2 on Mesoporous Carbon for PEFC Electrocatalysts
JP2020047432A (en) Anode catalyst layer for fuel cell and fuel cell arranged by use thereof
JP2020047430A (en) Anode catalyst layer for fuel cell and fuel cell arranged by use thereof
JP2006244721A (en) Fuel cell and its manufacturing method
JP2008108495A (en) Manufacturing method for fuel-cell catalyst carrier, membrane electrode assembly for fuel cell, fuel cell, and processor for fuel-cell catalyst carrier
JP2005141966A (en) Catalyst-carrying electrode, mea for fuel cell, and the fuel cell
JP2005135671A (en) Electrode for fuel cell
JP2007335268A (en) Fuel cell system and operation method of fuel cell
KR102640787B1 (en) Carbon-based catalyst for fuel cell with excellent durability and method of manufacturing thereof, and polymer electrolyte fuel cell including the same