JP2008235156A - Electrode catalyst layer for fuel cell, and fuel cell using it - Google Patents

Electrode catalyst layer for fuel cell, and fuel cell using it Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode catalyst layer for a fuel cell which is improved in utilization rate of catalyst and discharge performance of water and has an excellent power generation characteristics and is of low cost. <P>SOLUTION: The catalyst carrier is a composite carbon material in which carbon fiber is grown from the surface of a carbon base material, and the carbon base material and the carbon fiber are a carbon material one of the carbon crystal plane of which is oriented in parallel to the surface of the particles or fiber, and the other carbon crystal plane is not oriented in parallel to the surface of the particles or fiber. The carbon material the carbon crystal plane of which is not oriented in parallel to the surface is hydrophilic treated. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池に関し、特にその触媒層を好適な構成にした燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell having a suitable configuration of its catalyst layer.

携帯電話、携帯情報端末(PDA)、ノートPC、ビデオカメラ等の携帯用小型電子機器の多機能化に伴う消費電力の増大や連続使用時間の増加に対応するために、搭載電池の高エネルギー密度化が強く要望されている。現在、これらの電源として、主にリチウムイオン二次電池が使用されているが、エネルギー密度の点で近い将来に限界を迎えると予測されており、これに替わる電源として、固体高分子電解質膜を用いた燃料電池の早期実用化が期待されている。   High energy density of on-board battery to cope with increase in power consumption and increase in continuous use time due to multi-functionalization of portable electronic devices such as mobile phones, personal digital assistants (PDAs), notebook PCs, and video cameras There is a strong demand for it. Currently, lithium-ion secondary batteries are mainly used as these power sources, but it is predicted that they will reach the limit in the near future in terms of energy density, and solid polymer electrolyte membranes are used as alternative power sources. It is expected that the fuel cell used will be put to practical use at an early stage.

固体高分子型燃料電池は、高分子電解質膜の両面に、触媒層とガス拡散層からなるアノード、カソードをそれぞれ接合して膜電極接合体(MEA)とし、さらに、その両側を一対のセパレータで挟み込んだセル構造を有しており、アノード側に水素やメタノールなどの燃料を供給し、カソード側に酸素や空気などの酸化剤を供給することで発電する燃料電池である。   A polymer electrolyte fuel cell has a membrane electrode assembly (MEA) bonded to both sides of a polymer electrolyte membrane by a catalyst layer and a gas diffusion layer, and a pair of separators on both sides. The fuel cell has a sandwiched cell structure and generates electricity by supplying a fuel such as hydrogen or methanol to the anode side and an oxidant such as oxygen or air to the cathode side.

この中で、燃料を水素に改質せずに直接セル内部に供給して電極酸化し、発電するタイプの直接型燃料電池が、有機燃料の持つ理論エネルギー密度の高さ、システムの簡素化、燃料貯蔵のしやすさの面から注目され、活発な研究開発が行われている。例えば、直接メタノール型燃料電池は、燃料としてメタノールまたはメタノール水溶液を直接アノードに供給する。   Among these, the direct fuel cell that generates electricity by directly supplying the inside of the cell without reforming it into hydrogen and generating electrode power is the high theoretical energy density of organic fuel, simplification of the system, It is attracting attention from the viewpoint of ease of fuel storage, and active research and development is underway. For example, a direct methanol fuel cell supplies methanol or an aqueous methanol solution directly as a fuel to the anode.

しかしながら、これら固体高分子型燃料電池の実用化にはいくつかの問題点が存在している。   However, there are some problems in putting these solid polymer fuel cells into practical use.

その1つは、触媒層における触媒と電解質との接触率が低いことによる触媒利用率の低さである。電解質と接触していない触媒は、プロトン伝導パスがないため不活性となる。触媒利用率が低ければ、白金などの高価な貴金属触媒が無駄に使われていることになり、燃料電池のコストが高くなる。一般的には、触媒利用率は30%程度であると言われており、これを改善するための様々な技術が提案されている。   One of them is the low utilization rate of the catalyst due to the low contact rate between the catalyst and the electrolyte in the catalyst layer. Catalysts that are not in contact with the electrolyte are inactive because there is no proton conduction path. If the catalyst utilization rate is low, an expensive noble metal catalyst such as platinum is wasted, and the cost of the fuel cell increases. In general, the catalyst utilization is said to be about 30%, and various techniques have been proposed to improve this.

触媒や、これを担持する触媒担体の表面を親水化処理し、電解質との親和性を向上させることも、その技術の一例である。触媒担体は一般的にカーボンブラックなど炭素材料が用いられており、元来は疎水性である。このために電解質との親和性が低く、触媒と電解質との接触率の低さの原因となっている。従来の技術では、担持触媒の表面を親水化処理することで、触媒利用率を向上している。   An example of the technique is to improve the affinity with the electrolyte by hydrophilizing the surface of the catalyst or the catalyst carrier that supports the catalyst. The catalyst carrier is generally made of a carbon material such as carbon black, and is originally hydrophobic. For this reason, the affinity with the electrolyte is low, causing a low contact rate between the catalyst and the electrolyte. In the prior art, the catalyst utilization rate is improved by hydrophilizing the surface of the supported catalyst.

しかし一方で、担持触媒の表面が親水性であると、触媒層からの水の排出性が低下し、触媒層中でのガスの拡散性が低下する。直接メタノール型燃料電池では、アノードにメタノール水溶液が供給され、固体高分子型燃料電池でも、燃料は加湿されて供給される。さらに、カソードでは電極反応によって水が生成する。水の排出性が確保されていなければ、これらの水が触媒層中で溜まり、ガスの拡散パスを塞ぐことになる。   However, if the surface of the supported catalyst is hydrophilic, the water discharging ability from the catalyst layer is lowered, and the gas diffusibility in the catalyst layer is lowered. In the direct methanol fuel cell, an aqueous methanol solution is supplied to the anode, and in the polymer electrolyte fuel cell, the fuel is supplied after being humidified. Furthermore, water is generated by an electrode reaction at the cathode. If water discharge is not ensured, these waters accumulate in the catalyst layer and block the gas diffusion path.

このような問題点を解決する技術として、触媒担体を親水性炭素材料とし、さらに撥水性炭素材料を含む触媒層が提案されている。触媒と電解質との接触率を向上させ、触媒層の水の排出性も確保することで、発電特性を向上している。   As a technique for solving such problems, a catalyst layer is proposed in which a catalyst carrier is made of a hydrophilic carbon material and further contains a water-repellent carbon material. The power generation characteristics are improved by improving the contact rate between the catalyst and the electrolyte and ensuring the water discharge of the catalyst layer.

また、親水化の技術とは別に、触媒担体に関する技術として、炭素材料から成長させたナノカーボンを用いる技術が提案されている(例えば特許文献1または2など)。
特開2006−156366号公報 特開2006−156387号公報
In addition to the hydrophilization technique, a technique using nanocarbon grown from a carbon material has been proposed as a technique related to a catalyst carrier (for example, Patent Document 1 or 2).
JP 2006-156366 A JP 2006-156387 A

上述の親水材料と撥水材料を用いる技術のような構成でも、触媒層の親水性と撥水性の両立により、従来の構成に対して一定の特性向上は見込める。しかし、親水性炭素材料と撥水性炭素材料とは親和性が乏しいため、触媒層中で均質に分散した状態となりにくい。触媒層を形成するには、一般的に担持触媒と電解質とを分散媒中で混合した触媒層ペーストを調製し、これを塗布、乾燥させる。触媒層ペーストの調製において、親水性炭素材料と撥水性炭素材料を均質に混合させることは困難である。このため触媒の近傍では、触媒担体が親水性であるため局所的に親水性となっており、水の排出性が低くガスの拡散性が低いという問題点は解決されていない。   Even in the configuration such as the technique using the hydrophilic material and the water repellent material described above, a certain improvement in characteristics can be expected with respect to the conventional configuration due to the compatibility of the hydrophilicity and water repellency of the catalyst layer. However, since the hydrophilic carbon material and the water-repellent carbon material have poor affinity, they are unlikely to be uniformly dispersed in the catalyst layer. In order to form a catalyst layer, generally, a catalyst layer paste in which a supported catalyst and an electrolyte are mixed in a dispersion medium is prepared, and this is applied and dried. In preparing the catalyst layer paste, it is difficult to uniformly mix the hydrophilic carbon material and the water repellent carbon material. For this reason, in the vicinity of the catalyst, since the catalyst carrier is hydrophilic, it is locally hydrophilic, and the problem of low water discharge and low gas diffusibility has not been solved.

また、特許文献1および2においてもこの課題は認識されていない。   Also, Patent Documents 1 and 2 do not recognize this problem.

そこで本発明では、上記のような従来の課題を解決するため、触媒層において、親水性炭素材料と撥水性炭素材料とを均質に分散させ、触媒と電解質との接触率の向上と水の排出性の向上とを局所的にも両立させることが可能な燃料電池用電極触媒層を提供することを目的とする。   Accordingly, in the present invention, in order to solve the conventional problems as described above, the hydrophilic carbon material and the water-repellent carbon material are uniformly dispersed in the catalyst layer to improve the contact ratio between the catalyst and the electrolyte and to discharge water. An object of the present invention is to provide a fuel cell electrode catalyst layer capable of achieving both improvement in performance locally.

本発明は、触媒と、炭素材料からなる触媒担体と、高分子電解質とを含む燃料電池用電極触媒層であって、前記触媒担体は炭素基材の表面から炭素繊維を成長させた複合炭素材料であり、前記炭素基材と前記炭素繊維は、その一方の炭素結晶平面がその表面に対して平行に配向し、他方の炭素結晶平面がその表面に対して平行には配向していない炭素材料であり、前記炭素結晶平面がその表面に対して平行には配向していない炭素材料が親水化処理されているものである。   The present invention is a fuel cell electrode catalyst layer comprising a catalyst, a catalyst support made of a carbon material, and a polymer electrolyte, wherein the catalyst support is a composite carbon material in which carbon fibers are grown from the surface of a carbon substrate. The carbon base material and the carbon fiber are carbon materials in which one carbon crystal plane is oriented parallel to the surface and the other carbon crystal plane is not oriented parallel to the surface. A carbon material in which the carbon crystal plane is not oriented parallel to the surface is subjected to a hydrophilic treatment.

本発明の構成によると、1つの触媒担体の中に親水性の部分と撥水性の部分の両方が存在するため、触媒層ペーストの調製において、親水性炭素材料と疎水性炭素材料とを均質に混合することが可能となる。これにより、触媒層の中で、局所的にも親水性と疎水性とを両立させることができる。   According to the configuration of the present invention, since both the hydrophilic portion and the water-repellent portion are present in one catalyst carrier, the hydrophilic carbon material and the hydrophobic carbon material are homogeneously prepared in the preparation of the catalyst layer paste. It becomes possible to mix. Thereby, hydrophilicity and hydrophobicity can be reconciled locally in the catalyst layer.

本発明によれば、触媒の近傍に親水性炭素材料が存在するため、電解質との接触率を向上し触媒利用率を向上することができると同時に、触媒の近傍には撥水性炭素材料も存在するため、水の排出性をも向上しガスの拡散性を向上することができる。これらの効果から、使用する触媒量を低減することによってコストを低減することができ、ガスの拡散抵抗を低減することによって過電圧を低減することができる。   According to the present invention, since the hydrophilic carbon material is present in the vicinity of the catalyst, the contact ratio with the electrolyte can be improved and the catalyst utilization can be improved, and at the same time, the water-repellent carbon material is also present in the vicinity of the catalyst. Therefore, it is possible to improve water discharge and improve gas diffusibility. From these effects, the cost can be reduced by reducing the amount of catalyst used, and the overvoltage can be reduced by reducing the diffusion resistance of the gas.

本発明の実施の形態における燃料電池用電極触媒層は、触媒と、炭素材料からなる触媒担体と、高分子電解質から構成される。触媒としては活性の高い貴金属などが用いられ、中でも白金が好ましい。特にアノード触媒としては、一酸化炭素による触媒の被毒を低減するために、白金とルテニウムの合金触媒が好ましく用いられる。触媒担体としては、電子伝導性や耐酸性の高さから、カーボンブラックなど炭素材料が好ましく用いられる。高
分子電解質としては、プロトン伝導性、耐熱性、耐酸化性に優れることから、パーフルオロスルホン酸系高分子が好ましい。
The fuel cell electrode catalyst layer according to the embodiment of the present invention includes a catalyst, a catalyst carrier made of a carbon material, and a polymer electrolyte. As the catalyst, a highly active noble metal or the like is used, and platinum is particularly preferable. In particular, as an anode catalyst, an alloy catalyst of platinum and ruthenium is preferably used in order to reduce poisoning of the catalyst by carbon monoxide. As the catalyst carrier, a carbon material such as carbon black is preferably used because of its high electron conductivity and acid resistance. As the polymer electrolyte, a perfluorosulfonic acid polymer is preferable because it is excellent in proton conductivity, heat resistance, and oxidation resistance.

本発明による触媒層では、触媒担体は炭素基材の表面から炭素繊維を成長させた複合炭素材料であり、炭素基材と炭素繊維は、粒子または繊維状であるそれらの表面に対する炭素結晶平面の配向性が異なるものとする。   In the catalyst layer according to the present invention, the catalyst support is a composite carbon material in which carbon fibers are grown from the surface of the carbon substrate, and the carbon substrate and the carbon fibers are in the form of carbon crystal planes with respect to their surfaces that are particles or fibers. The orientation is different.

炭素基材としては、粒子状のカーボンブラックが好ましく用いられるが、合成方法や熱処理温度などによって炭素結晶平面の配向性を制御することが可能である。また、炭素繊維を炭素基材として用いることもできる。炭素繊維としては、繊維径が細く比表面積の大きいカーボンナノファイバやカーボンナノチューブが好ましい。これらの炭素繊維はその合成条件によって繊維径や繊維長、および炭素結晶平面の配向性などを制御することが可能であり、種々の形状のものがある。   As the carbon substrate, particulate carbon black is preferably used, but the orientation of the carbon crystal plane can be controlled by the synthesis method, heat treatment temperature, and the like. Carbon fiber can also be used as a carbon substrate. As the carbon fiber, a carbon nanofiber or a carbon nanotube having a small fiber diameter and a large specific surface area is preferable. These carbon fibers can be controlled in fiber diameter, fiber length, orientation of the carbon crystal plane, and the like depending on the synthesis conditions, and have various shapes.

カーボンナノファイバやカーボンナノチューブを合成するためには、表面に触媒元素を含む化合物を担持させた基材を、不活性ガス中で昇温させたのち、炭素含有ガスと水素ガスとの混合ガスを流入して反応させる方法がある。触媒元素としては、特に限定はされないが、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Moなどが挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、2種以上が混合されてもよい。また、炭素含有ガスとしては、こちらも特に限定はされないが、メタン、エタン、ブタン、エチレン、アセチレン、一酸化炭素、ベンゼン、トルエンなどが挙げられる。触媒元素と炭素含有ガスおよび反応温度の選択によって、合成されるカーボンナノファイバの形状などがそれぞれに異なる。   In order to synthesize carbon nanofibers and carbon nanotubes, the temperature of a substrate carrying a compound containing a catalytic element on the surface is raised in an inert gas, and then a mixed gas of carbon-containing gas and hydrogen gas is used. There is a method to react by inflow. Although it does not specifically limit as a catalyst element, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo etc. are mentioned. These may be used alone or in combination of two or more. Further, the carbon-containing gas is not particularly limited, and examples thereof include methane, ethane, butane, ethylene, acetylene, carbon monoxide, benzene, toluene and the like. Depending on the selection of the catalytic element, the carbon-containing gas, and the reaction temperature, the shape of the carbon nanofiber to be synthesized is different.

炭素基材に粒子状のカーボンブラックを用いる場合、アセチレンブラックやケッチェンブラックなど通常のものであれば、炭素結晶平面が成長していないため配向性が低く、粒子表面に対して平行に配向してはいない。これに対し、カーボンブラックを不活性雰囲気下にて1500〜2500℃で熱処理を行うと、炭素結晶の黒鉛化が起こって炭素結晶平面が成長し、粒子表面に対して平行に配向する。これらは、透過型電子顕微鏡(TEM)による観察などから確認することができる。   When particulate carbon black is used for the carbon substrate, the orientation is low if the carbon crystal plane is not grown if it is normal, such as acetylene black or ketjen black, and is oriented parallel to the particle surface. Not. On the other hand, when carbon black is heat-treated at 1500 to 2500 ° C. in an inert atmosphere, graphitization of the carbon crystal occurs, and the carbon crystal plane grows and is oriented parallel to the particle surface. These can be confirmed by observation with a transmission electron microscope (TEM).

本発明における「粒子表面」とは、微小な細孔や凹凸などまでは考慮せず略球体として粒子を捉えた場合の表面を指し、「平行に配向」とは、前記略球体としての粒子の断面を考えた場合に、炭素結晶平面が粒子表面に沿って配向されていることを指す。カーボンブラックの場合には、上記のような熱処理を行うと、微小な細孔や凹凸が減少し、粒子は球体と表現するよりも多面体と表現する方が適切な形状となる。このとき、粒子の断面を考えた場合に、炭素結晶平面は多面体の平面を形成するように粒子表面に沿って平行に配向されている。   In the present invention, the “particle surface” refers to the surface when the particle is captured as a substantially spherical body without considering minute pores or irregularities, and the “alignment in parallel” refers to the particle as the substantially spherical body. When a cross section is considered, it means that the carbon crystal plane is oriented along the particle surface. In the case of carbon black, when heat treatment as described above is performed, fine pores and irregularities are reduced, and particles are more appropriately represented as polyhedrons than spheres. At this time, when the cross section of the particle is considered, the carbon crystal plane is oriented in parallel along the particle surface so as to form a polyhedral plane.

カーボンナノファイバには、炭素結晶平面の配向性から、プレート状、ヘーリングボーン状、カップスタック状などがあり、炭素結晶平面が繊維平面に対して平行に配向しているチューブ状のものは特にカーボンナノチューブと呼ばれる。プレート状、ヘーリングボーン状、カップスタック状のカーボンナノファイバは、いずれも炭素結晶平面は繊維平面に対して一定の角度を持って配向している。これらもTEMによる観察などから確認することができる。   Carbon nanofibers include plate shapes, herringbone shapes, cup stack shapes, etc. due to the orientation of the carbon crystal plane, and tube-shaped ones with the carbon crystal plane oriented parallel to the fiber plane are particularly Called carbon nanotube. In the plate-shaped, herringbone-shaped, and cup-stacked carbon nanofibers, the carbon crystal plane is oriented with a certain angle with respect to the fiber plane. These can also be confirmed from observation with a TEM.

本発明における「繊維表面」とは、微小な細孔や凹凸などまでは考慮せず略円筒として繊維を捉えた場合の長さ方向の壁面を指し、端部にある円筒の上面と下面は含まない。「平行に配向」とは、前記略円筒としての繊維の長さ方向に平行な断面を考えた場合に、炭素結晶平面が繊維表面に沿って配向されていることを指す。カーボンナノファイバの場合には、チューブ状のものが上記のように平行な配向性となっている。   “Fiber surface” in the present invention refers to a wall surface in the length direction when a fiber is captured as a substantially cylinder without considering minute pores or irregularities, and includes the upper and lower surfaces of the cylinder at the end. Absent. “Oriented in parallel” means that the carbon crystal plane is oriented along the fiber surface when a cross section parallel to the length direction of the fiber as the substantially cylindrical shape is considered. In the case of carbon nanofibers, the tube-like one has parallel orientation as described above.

上記のような炭素基材の表面から炭素繊維を成長させることで、粒子または繊維の表面に対する炭素結晶平面の配向性が異なる複合炭素材料を得ることができる。炭素基材に、
炭素結晶平面が粒子表面に対して平行には配向していないカーボンブラックや繊維表面に対して平行には配向していないカーボンナノファイバを用いる場合には、成長させる炭素繊維としては炭素結晶平面が繊維表面に対して平行に配向しているカーボンナノチューブが好ましい。また、炭素基材に、炭素結晶平面が粒子表面に対して平行に配向している黒鉛化カーボンブラックや繊維表面に対して平行に配向しているカーボンナノチューブを用いる場合には、成長させる炭素繊維としては炭素結晶平面が繊維表面に対して平行には配向していないカーボンナノファイバが好ましい。
By growing the carbon fiber from the surface of the carbon base as described above, composite carbon materials having different orientations of the carbon crystal plane with respect to the surface of the particle or fiber can be obtained. Carbon substrate,
When carbon black whose carbon crystal plane is not oriented parallel to the particle surface or carbon nanofibers that are not oriented parallel to the fiber surface is used, the carbon crystal plane is the carbon fiber to be grown. Carbon nanotubes that are oriented parallel to the fiber surface are preferred. In addition, when carbonized carbon black whose carbon crystal plane is oriented parallel to the particle surface or carbon nanotubes oriented parallel to the fiber surface is used as the carbon substrate, the carbon fiber to be grown is used. As the carbon nanofiber, the carbon crystal plane is not oriented parallel to the fiber surface.

炭素結晶平面は共有結合による六員環を形成しており、化学的に安定な状態にある。これに対して、炭素結晶平面のエッジ部分は共有結合が崩れているため化学的に不安定である。炭素材料に親水化処理を行うと、不安定な炭素結晶平面のエッジ部分から優先的に親水化が起こる。このため、上記のような、粒子や繊維の表面に対する炭素結晶平面の配向性が異なる複合炭素材料である場合には、炭素結晶平面が粒子や繊維の表面に対して平行には配向していない炭素材料が優先的に親水化される。ここで言う親水化とは、粒子や繊維の表面に露出している炭素結晶平面のエッジ部分に親水性官能基が付着することである。親水性官能基としては、水酸基、スルホン酸基、カルボキシル基などが挙げられる。   The carbon crystal plane forms a six-membered ring by a covalent bond and is in a chemically stable state. On the other hand, the edge portion of the carbon crystal plane is chemically unstable because the covalent bond is broken. When the carbon material is hydrophilized, the hydrophilization preferentially occurs from the edge portion of the unstable carbon crystal plane. For this reason, in the case of a composite carbon material having a different orientation of the carbon crystal plane relative to the particle or fiber surface as described above, the carbon crystal plane is not oriented parallel to the particle or fiber surface. The carbon material is preferentially hydrophilized. The term “hydrophilization” as used herein means that a hydrophilic functional group adheres to an edge portion of a carbon crystal plane exposed on the surface of particles or fibers. Examples of the hydrophilic functional group include a hydroxyl group, a sulfonic acid group, and a carboxyl group.

本発明における「炭素結晶平面が平行に配向している」という記述は、全ての炭素結晶平面が平行に配向している場合だけではなく、部分的に平行には配向していない箇所が存在する場合も含む。また、本発明における「炭素結晶平面が平行には配向していない」という記述は、全ての炭素結晶平面が平行には配向していない場合だけでなく、部分的に平行に配向している箇所が存在する場合も含む。   The description that “the carbon crystal planes are oriented in parallel” in the present invention includes not only the case where all the carbon crystal planes are oriented in parallel, but also there are places that are not partially oriented in parallel. Including cases. In addition, the description “the carbon crystal planes are not oriented in parallel” in the present invention includes not only a case where all the carbon crystal planes are not oriented in parallel, but also a place where the carbon crystal planes are partially oriented in parallel. Including the case where exists.

上述したような親水化処理においては、炭素基材と成長させる炭素繊維との大部分の炭素結晶平面の配向性が異なっていれば親水化の優先度に明確に差異を持たせることが可能であるため、本発明の効果が得られる。例えば、TEMによる観察で確認できる炭素結晶平面のうち7割以上が粒子または繊維の表面に対して平行に配向している炭素材料と、7割以上が平行には配向していない炭素材料との組み合わせなどでは、本発明の効果が得られる。   In the hydrophilization treatment as described above, it is possible to give a clear difference in the priority of hydrophilization if the orientation of most carbon crystal planes of the carbon substrate and the carbon fiber to be grown is different. Therefore, the effect of the present invention can be obtained. For example, a carbon material in which 70% or more of the carbon crystal planes that can be confirmed by TEM observation are oriented in parallel to the particle or fiber surface, and a carbon material in which more than 70% are not oriented in parallel The effect of the present invention can be obtained by a combination.

また、炭素結晶平面が明確に確認できないような非晶質な炭素材料は、配向性自体が乏しいことに加えて、表面に親水性官能基が付着しやすいことからも、本発明における「炭素結晶平面が平行には配向していない」炭素材料に含むものである。   In addition, since the amorphous carbon material in which the carbon crystal plane cannot be clearly confirmed is poor in orientation itself, hydrophilic functional groups are easily attached to the surface. It is included in a carbon material whose planes are not oriented in parallel.

図1は、本発明による燃料電池用触媒担体の一例である。炭素基材として、炭素結晶平面が粒子表面に対して平行には配向していないカーボンブラック1を用い、炭素繊維として、炭素結晶平面が繊維表面に対して平行に配向しているカーボンナノチューブ2を用いたものである。図2も、本発明による燃料電池用触媒担体の一例である。炭素基材として、炭素結晶平面が粒子表面に対して平行には配向していないカーボンナノファイバ3を用い、炭素繊維として、炭素結晶平面が繊維表面に対して平行に配向しているカーボンナノチューブ4を用いたものである。   FIG. 1 is an example of a fuel cell catalyst carrier according to the present invention. Carbon black 1 whose carbon crystal plane is not oriented parallel to the particle surface is used as the carbon substrate, and carbon nanotube 2 whose carbon crystal plane is oriented parallel to the fiber surface is used as the carbon fiber. It is what was used. FIG. 2 is also an example of a fuel cell catalyst carrier according to the present invention. Carbon nanofibers 3 whose carbon crystal planes are not oriented parallel to the particle surface are used as the carbon substrate, and carbon nanotubes 4 whose carbon crystal planes are oriented parallel to the fiber surface are used as carbon fibers. Is used.

親水化処理の方法としては特に限定されることはなく、公知となっている種々の方法を用いることができる。酸や酸化剤と混合することで表面を改質する方法、プラズマを照射することで表面を改質する方法、親水基を有するシランカップリング剤を表面に付着する方法など、様々な方法がある。これらの中でも、発煙硫酸などでの処理によって表面にスルホン酸基を付着させる方法が、簡便であり好ましい。   The method for the hydrophilic treatment is not particularly limited, and various known methods can be used. There are various methods, such as a method of modifying the surface by mixing with an acid or an oxidizing agent, a method of modifying the surface by irradiating with plasma, or a method of attaching a silane coupling agent having a hydrophilic group to the surface. . Among these, the method of attaching sulfonic acid groups to the surface by treatment with fuming sulfuric acid is simple and preferable.

親水性の評価として、表面に付着している親水性官能基をイオン交換量として定量する方法がある。本発明の複合炭素材料の親水性と撥水性を両立させるためには、親水性官能基は10meq/g以上含有されていることが好ましい。親水性官能基の含有量が10meq/g未満である場合には、電解質との親和性が低下し、触媒利用率を向上する効果が低下する場合がある。また、親水性官能基の含有量は100meq/g以下であることが好ましい。親水性官能基の含有量が100meq/gを超える場合には、水の排出性が低下し、ガス拡散性を向上する効果が低下する場合がある。   As a hydrophilic evaluation, there is a method in which a hydrophilic functional group attached to the surface is quantified as an ion exchange amount. In order to achieve both hydrophilicity and water repellency of the composite carbon material of the present invention, the hydrophilic functional group is preferably contained in an amount of 10 meq / g or more. When the content of the hydrophilic functional group is less than 10 meq / g, the affinity with the electrolyte may decrease, and the effect of improving the catalyst utilization rate may decrease. Moreover, it is preferable that content of a hydrophilic functional group is 100 meq / g or less. When the content of the hydrophilic functional group exceeds 100 meq / g, the water discharging property is lowered, and the effect of improving the gas diffusibility may be lowered.

親水性官能基のイオン交換量としての定量方法としては、例えば中和滴定による方法などが挙げられる。複合炭素材料を塩化ナトリウム水溶液中に分散させて撹拌したのち、濾過した濾液を水酸化ナトリウム水溶液で中和滴定することで、ナトリウムと交換された親水性官能基のプロトン量を定量するなど、公知となっている種々の方法を用いることができる。   Examples of the quantitative method as the ion exchange amount of the hydrophilic functional group include a method by neutralization titration. The composite carbon material is dispersed in a sodium chloride aqueous solution and stirred, and then the filtrate is neutralized and titrated with an aqueous sodium hydroxide solution to quantify the proton content of the hydrophilic functional group exchanged with sodium. Various methods can be used.

本発明の複合炭素材料における、炭素結晶平面が粒子や繊維の表面に対して平行には配向していない炭素材料の重量比率は、20〜80重量%であることが好ましい。この範囲になければ、親水性官能基を10〜100meq/gとすることが難しくなる場合がある。   In the composite carbon material of the present invention, the weight ratio of the carbon material in which the carbon crystal plane is not oriented parallel to the particle or fiber surface is preferably 20 to 80% by weight. If it is not within this range, it may be difficult to adjust the hydrophilic functional group to 10 to 100 meq / g.

本発明における燃料電池の構造としては、固体高分子型燃料電池または直接メタノール型燃料電池として知られているものであれば特に限定されることはなく、公知の構造を取ることができる。一般的には、高分子電解質膜と、それを挟むように配置された一対の触媒層と、さらにそれらを挟むように配置された一対のガス拡散層からなる膜電極接合体(MEA)が構成要素となる。   The structure of the fuel cell in the present invention is not particularly limited as long as it is known as a polymer electrolyte fuel cell or a direct methanol fuel cell, and a known structure can be adopted. In general, a membrane electrode assembly (MEA) comprising a polymer electrolyte membrane, a pair of catalyst layers arranged so as to sandwich the polymer electrolyte membrane, and a pair of gas diffusion layers arranged so as to sandwich them is constituted. Become an element.

高分子電解質膜としては、プロトン伝導性、耐熱性、耐酸化性に優れたものであれば良く、その材質は特に限定されるものではない。一般的にはパーフルオロスルホン酸系高分子膜が使用されているが、直接メタノール型燃料電池などではメタノールクロスオーバーを低減できる炭化水素系高分子膜も好ましい。   The polymer electrolyte membrane is not particularly limited as long as it is excellent in proton conductivity, heat resistance, and oxidation resistance. In general, a perfluorosulfonic acid polymer membrane is used, but in a direct methanol fuel cell or the like, a hydrocarbon polymer membrane that can reduce methanol crossover is also preferable.

触媒層の作製プロセスとしては、まず、担持触媒粉末と、高分子電解質を分散させたディスパージョン液とを溶媒中で混合した触媒層ペーストを作製する。次に、これをスプレーやドクターブレードなどを使用して直接電解質膜の表面に塗布し、乾燥して触媒層を形成する。あるいは、支持体であるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのシート上に前記の触媒層ペーストを塗布し、乾燥して支持体上に触媒層を形成したのち、それを電解質膜の表面にホットプレス法などで熱転写するという方法もある。   As a catalyst layer preparation process, first, a catalyst layer paste is prepared by mixing a supported catalyst powder and a dispersion liquid in which a polymer electrolyte is dispersed in a solvent. Next, this is directly applied to the surface of the electrolyte membrane using a spray or a doctor blade, and dried to form a catalyst layer. Alternatively, the catalyst layer paste is applied on a support such as polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet, dried to form a catalyst layer on the support, and then hot pressed on the surface of the electrolyte membrane. There is also a method of thermal transfer by a method.

ガス拡散層としては、燃料や酸化剤の拡散性、発電により生成した水の排出性、電子伝導性を併せ持つ、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス等の導電性多孔質材料を用いることができる。また、水の排出性を高めるため、これら導電性多孔質材料をPTFEディスパージョンなどに浸漬し、乾燥して、撥水性を付与しても良い。   As the gas diffusion layer, it is possible to use a conductive porous material such as carbon paper or carbon cloth having both diffusibility of fuel and oxidant, discharge of water generated by power generation, and electronic conductivity. Moreover, in order to improve water discharge | emission property, these electroconductive porous materials may be immersed in PTFE dispersion etc., and you may dry and provide water repellency.

さらに、ガス拡散層表面のうち触媒層に接触する側の表面には、触媒層との結着性や水の排出性を向上させるために、多孔質の導電性撥水層を設けても良い。導電性撥水層は、カーボンブラックなどの電子伝導性のカーボン粉末と、PTFEや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などの撥水性材料から構成される。導電性撥水層の作製プロセスとしては、カーボンブラックと撥水性材料ディスパージョンとを溶媒中で混合したペーストを作製し、これをドクターブレードなどを使用してガス拡散層の表面に塗布し、乾燥する方法などがある。   Further, a porous conductive water-repellent layer may be provided on the surface of the gas diffusion layer that contacts the catalyst layer in order to improve the binding property with the catalyst layer and the water discharging property. . The conductive water repellent layer is composed of an electron conductive carbon powder such as carbon black and a water repellent material such as PTFE or tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer. The conductive water repellent layer is manufactured by preparing a paste in which carbon black and water repellent material dispersion are mixed in a solvent, and applying this to the surface of the gas diffusion layer using a doctor blade, etc. There are ways to do it.

MEAの作製方法としては、高分子電解質膜の両面に触媒層を形成させた触媒層付き電解質膜(CCM)の両面を一対のガス拡散層で挟み込み、ホットプレス法などで熱溶着する方法などがある。また、一般的には、MEAのうち両極の触媒層およびガス拡散層は同じ面積とし電解質膜のみ一回り大きくする構成となっているが、その電解質膜のみの部分には、燃料や酸化剤が電極外へリークすることを防ぐため、ゴム製シートなど一対のガスケットが電解質膜を挟むように配置される。   As a method for producing the MEA, there is a method in which both sides of an electrolyte membrane with a catalyst layer (CCM) in which a catalyst layer is formed on both sides of a polymer electrolyte membrane are sandwiched between a pair of gas diffusion layers and thermally welded by a hot press method or the like. is there. In general, both the catalyst layer and the gas diffusion layer of the MEA have the same area and only the electrolyte membrane is enlarged. However, only the electrolyte membrane contains fuel and oxidant. In order to prevent leakage to the outside of the electrode, a pair of gaskets such as rubber sheets are arranged so as to sandwich the electrolyte membrane.

セパレータは、燃料および酸化剤を分離するガス不透過性、燃料および酸化剤の流路を形成できる加工性、および電子伝導性、耐酸性などの面から、一般的には黒鉛などのカーボン材料から構成される。セパレータの表面のうちMEAに接触する面には、燃料または酸化剤を供給する流路が形成される。また、セパレータ材料として金属を用いる場合には、腐蝕を防止するコーティングが施される。   The separator is a gas impermeable material that separates the fuel and the oxidant, processability capable of forming a flow path for the fuel and the oxidant, electron conductivity, acid resistance, etc., and generally from a carbon material such as graphite. Composed. A flow path for supplying fuel or an oxidant is formed on the surface of the separator that contacts the MEA. Moreover, when using a metal as a separator material, the coating which prevents corrosion is given.

MEAを、それぞれ一対となるガスケット、セパレータで挟み込み、必要であれば複数のMEAとセパレータを交互に積層し、さらにそれぞれ一対となる集電板、ヒーター、絶縁板、端板で順に挟み込んで、燃料電池セルとする。   Each MEA is sandwiched between a pair of gaskets and separators, and if necessary, a plurality of MEAs and separators are alternately stacked, and further sandwiched between a pair of current collector plates, heaters, insulating plates, and end plates, respectively. A battery cell is used.

なお、本発明の燃料電池用電極触媒層における触媒の担持方法や触媒層ペーストの調製方法、電解質膜と触媒層の接合方法などは特に限定されるものではなく、公知となっている種々のものを使用することが可能である。さらに、本発明の固体高分子型燃料電池における集電板やセパレータなどの構成部材、セルの構造、また補器を含むシステム構造なども特に限定されることなく、公知となっている種々のものを使用することが可能である。   The method for supporting the catalyst, the method for preparing the catalyst layer paste, the method for joining the electrolyte membrane and the catalyst layer, etc. in the fuel cell electrode catalyst layer of the present invention are not particularly limited. Can be used. Furthermore, the constituent members such as current collector plates and separators in the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the structure of the cell, and the system structure including auxiliary devices are not particularly limited, and various known ones Can be used.

本発明の具体的な実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。   Specific embodiments of the present invention will be described, but the present invention is not limited only to the following examples.

(実施例1)
(複合炭素材料の合成)
炭素基材として、カーボンブラックであるアセチレンブラック(電気化学工業社製、デンカブラック)を用いた。TEMによる観察の結果、炭素結晶平面は微小であり、配向性に乏しかった。
(Example 1)
(Synthesis of composite carbon materials)
As the carbon substrate, acetylene black (Denka Black, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.), which is carbon black, was used. As a result of observation by TEM, the carbon crystal plane was very small and the orientation was poor.

硝酸鉄(関東化学社製、試薬)をイオン交換水に溶解させ、ここにアセチレンブラックを混合して分散させた。これを1時間撹拌したのち、エバポレーターで水分を除去することで、アセチレンブラックに硝酸鉄を担持させた。   Iron nitrate (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., reagent) was dissolved in ion exchange water, and acetylene black was mixed and dispersed therein. After stirring this for 1 hour, the water was removed by an evaporator, whereby iron nitrate was supported on acetylene black.

この炭素基材をセラミック製反応容器にセットし、ヘリウムガス雰囲気中において800℃まで昇温させたのち、水素ガス50%とアセチレンガス50%の混合ガスに置換して800℃で10分間保持することでカーボンナノチューブを成長させた。これを塩酸で処理して鉄を除去し、イオン交換水で洗浄することで、複合炭素材料を得た。   This carbon substrate is set in a ceramic reaction vessel, heated to 800 ° C. in a helium gas atmosphere, then replaced with a mixed gas of 50% hydrogen gas and 50% acetylene gas, and held at 800 ° C. for 10 minutes. By doing so, carbon nanotubes were grown. This was treated with hydrochloric acid to remove iron and washed with ion-exchanged water to obtain a composite carbon material.

複合炭素材料におけるカーボンナノチューブの重量比率は50重量%であった。カーボンナノチューブをTEMによって観察した結果、全ての炭素結晶平面は繊維表面に対して平行に配向していた。   The weight ratio of carbon nanotubes in the composite carbon material was 50% by weight. As a result of observing the carbon nanotubes by TEM, all the carbon crystal planes were oriented parallel to the fiber surface.

この複合炭素材料を5mol/Lの硫酸水溶液に分散させ、1時間撹拌することで、表面を親水化した。滴定法による複合炭素材料の親水性官能基の量は、20meq/gであった。   The composite carbon material was dispersed in a 5 mol / L sulfuric acid aqueous solution and stirred for 1 hour to make the surface hydrophilic. The amount of the hydrophilic functional group of the composite carbon material by the titration method was 20 meq / g.

(触媒層の形成)
上記の複合炭素材料に平均粒径5nmの白金を30重量%担持させたものをカソード触媒とし、同様に平均粒径5nmの白金ルテニウム合金(原子比Pt:Ru=1:1)を30重量%担持させたものをアノード触媒とした。
(Catalyst layer formation)
A cathode catalyst prepared by supporting 30% by weight of platinum having an average particle diameter of 5 nm on the above composite carbon material is similarly 30% by weight of a platinum ruthenium alloy having an average particle diameter of 5 nm (atomic ratio Pt: Ru = 1: 1). The supported catalyst was used as an anode catalyst.

上記の担持触媒をそれぞれイソプロパノール水溶液に分散させた液と、高分子電解質であるナフィオン(登録商標)を溶媒に分散させた液(アルドリッチ社製、試薬、5重量%溶液)を混合し十分に撹拌させることにより、触媒層ペーストをそれぞれ作製した。この際、触媒層ペースト中の触媒担体と高分子電解質の重量比は1:1とした。これらの触媒層ペーストを、ドクターブレードを用いてギャップ200μmでPTFEシート(ニチアス社製、ナフロンPTFEシート)上に塗布した後、大気中常温で6時間乾燥させることで、触媒層シートを形成した。   Mix each of the above supported catalysts dispersed in an isopropanol aqueous solution and a solution in which the polymer electrolyte Nafion (registered trademark) is dispersed in a solvent (Aldrich, reagent, 5 wt% solution) and mix well. Thus, catalyst layer pastes were respectively prepared. At this time, the weight ratio of the catalyst carrier to the polymer electrolyte in the catalyst layer paste was 1: 1. These catalyst layer pastes were applied on a PTFE sheet (manufactured by Nichias, Naflon PTFE sheet) with a gap of 200 μm using a doctor blade, and then dried at room temperature in the atmosphere for 6 hours to form a catalyst layer sheet.

(MEAの作製)
上記の触媒層シートをそれぞれ6cm×6cmのサイズに切断した後、12cm×12cmのサイズに切断された高分子電解質膜であるナフィオン(デュポン社製、ナフィオン112)を中心にして、各触媒層シートの塗布面が電解質膜と接触するようにして積層し、ホットプレス法により熱転写した。
(Production of MEA)
Each of the catalyst layer sheets is cut into a size of 6 cm × 6 cm, and each catalyst layer sheet is centered on Nafion (Nafion 112, manufactured by DuPont), which is a polymer electrolyte membrane cut into a size of 12 cm × 12 cm. Was laminated such that the coated surface was in contact with the electrolyte membrane, and was thermally transferred by a hot press method.

両面に触媒層を形成した電解質膜を中心にして、6cm×6cmのサイズに切断されたガス拡散層を積層し、ホットプレス法により接合することで、MEAを得た。   A gas diffusion layer cut to a size of 6 cm × 6 cm is stacked around an electrolyte membrane having a catalyst layer formed on both sides, and bonded by a hot press method to obtain an MEA.

(燃料電池セルの作製)
12cm×12cmに切断され、中央に6cm×6cmの穴が設けられた一対のゴム製ガスシール材を、上記で得たMEAを挟み込むようにして積層し、さらにこれをそれぞれ一対のセパレータ、集電板、ヒーター、絶縁板、端板で順に挟み込むようにして積層し、締結ロッドで固定した。この際、セパレータには、幅1.5mm、深さ1mmのサーペンタイン型流路が形成されており、集電板および端板は金メッキ処理を施したステンレス板を使用している。
(Production of fuel cell)
A pair of rubber gas seals cut into 12 cm x 12 cm and provided with a 6 cm x 6 cm hole in the center are laminated so as to sandwich the MEA obtained above, and further laminated with a pair of separators and current collectors, respectively. It laminated | stacked so that it might be inserted | pinched in order with a board, a heater, an insulating board, and an end plate, and it fixed with the fastening rod. At this time, the separator is formed with a serpentine type flow path having a width of 1.5 mm and a depth of 1 mm, and the current collector plate and the end plate are made of a stainless steel plate subjected to gold plating.

(実施例2)
実施例1で用いたアセチレンブラックをセラミック製反応容器にセットし、ヘリウムガス雰囲気中において2000℃まで昇温させ、5時間保持して熱処理を行い、黒鉛化カーボンブラックを得た。これをTEMにより観察した結果、炭素結晶平面は粒子表面に対して平行に配向していた。
(Example 2)
The acetylene black used in Example 1 was set in a ceramic reaction vessel, heated to 2000 ° C. in a helium gas atmosphere, and subjected to heat treatment for 5 hours to obtain graphitized carbon black. As a result of observing this with TEM, the carbon crystal plane was oriented parallel to the particle surface.

硝酸ニッケル(関東化学社製、試薬)をイオン交換水に溶解させ、ここに上記の黒鉛化カーボンブラックを混合して分散させた。これを1時間撹拌したのち、エバポレーターで水分を除去することで、黒鉛化アセチレンブラックに硝酸ニッケルを担持させた。   Nickel nitrate (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., reagent) was dissolved in ion exchange water, and the graphitized carbon black was mixed and dispersed therein. After stirring this for 1 hour, the water was removed by an evaporator, thereby supporting nickel nitrate on graphitized acetylene black.

この炭素基材をセラミック製反応容器にセットし、ヘリウムガス雰囲気中において500℃まで昇温させたのち、水素ガス50%とエチレンガス50%の混合ガスに置換して500℃で10分間保持することでカーボンナノファイバを成長させた。これを塩酸で処理してニッケルを除去し、イオン交換水で洗浄することで、複合炭素材料を得た。   This carbon substrate is set in a ceramic reaction vessel, heated to 500 ° C. in a helium gas atmosphere, then replaced with a mixed gas of 50% hydrogen gas and 50% ethylene gas, and held at 500 ° C. for 10 minutes. By doing so, carbon nanofibers were grown. This was treated with hydrochloric acid to remove nickel and washed with ion-exchanged water to obtain a composite carbon material.

複合炭素材料におけるカーボンナノファイバの重量比率は50重量%であった。カーボンナノファイバをTEMによって観察した結果、全ての炭素結晶平面が繊維表面に対して一定の角度を持って配向したヘーリングボーン状であった。   The weight ratio of carbon nanofibers in the composite carbon material was 50% by weight. As a result of observing the carbon nanofibers with a TEM, all the carbon crystal planes were in the form of a herringbone with a certain angle to the fiber surface.

この複合炭素材料を5mol/Lの硫酸水溶液に分散させ、1時間撹拌することで、表面を親水化した。滴定法による複合炭素材料の親水性官能基の量は、20meq/gであった。   The composite carbon material was dispersed in a 5 mol / L sulfuric acid aqueous solution and stirred for 1 hour to make the surface hydrophilic. The amount of the hydrophilic functional group of the composite carbon material by the titration method was 20 meq / g.

触媒担体として上記の複合炭素材料を用いたこと以外、実施例1と同様にしてMEAを作製した。このMEAを用いて、実施例1と同様の固体高分子型燃料電池を作製した。   An MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that the composite carbon material was used as a catalyst carrier. Using this MEA, the same polymer electrolyte fuel cell as in Example 1 was produced.

(実施例3)
シリコンウエハを、スパッタ装置のチャンバー内の基板にセットし、チャンバー内の圧力が1×10-6Paに到達したのち、チャンバー内にスパッタガスであるアルゴンガスを導入した。ニッケル製ターゲット上でグロー放電させることで、シリコンウエハ上に厚さ4nmのニッケル薄膜を形成した。
(Example 3)
The silicon wafer was set in a substrate in a chamber of a sputtering apparatus, after the pressure in the chamber reaches 1 × 10 -6 Pa, argon gas was introduced a sputtering gas into the chamber. By performing glow discharge on a nickel target, a nickel thin film having a thickness of 4 nm was formed on the silicon wafer.

ニッケル薄膜を形成したシリコンウエハをセラミック製反応容器にセットし、実施例2と同様にしてカーボンナノファイバを合成した。シリコンウエハ上からカーボンナノファイバを掻き落とし、粉砕したのち、塩酸で処理してニッケルを除去し、イオン交換水で洗浄することで、カーボンナノファイバを得た。   A silicon wafer on which a nickel thin film was formed was set in a ceramic reaction vessel, and carbon nanofibers were synthesized in the same manner as in Example 2. The carbon nanofibers were scraped off from the silicon wafer, pulverized, treated with hydrochloric acid to remove nickel, and washed with ion-exchanged water to obtain carbon nanofibers.

このカーボンナノファイバをTEMによって観察した結果、全ての炭素結晶平面が繊維表面に対して一定の角度を持って配向したヘーリングボーン状であった。   As a result of observing this carbon nanofiber by TEM, all the carbon crystal planes were in a herringbone shape oriented with a certain angle with respect to the fiber surface.

炭素基材として上記のカーボンナノファイバを用いたこと以外、実施例1と同様にして複合炭素材料を作製した。複合炭素材料におけるカーボンナノチューブの重量比率は50重量%であった。カーボンナノチューブをTEMによって観察した結果、全ての炭素結晶平面は粒子表面に対して平行に配向していた。   A composite carbon material was produced in the same manner as in Example 1 except that the carbon nanofiber was used as the carbon substrate. The weight ratio of carbon nanotubes in the composite carbon material was 50% by weight. As a result of observing the carbon nanotube by TEM, all the carbon crystal planes were oriented in parallel to the particle surface.

この複合炭素材料を5mol/Lの硫酸水溶液に分散させ、1時間撹拌することで、表面を親水化した。滴定法による複合炭素材料の親水性官能基の量は、20meq/gであった。   The composite carbon material was dispersed in a 5 mol / L sulfuric acid aqueous solution and stirred for 1 hour to make the surface hydrophilic. The amount of the hydrophilic functional group of the composite carbon material by the titration method was 20 meq / g.

この複合炭素材料を触媒担体として用いたこと以外、実施例1と同様にしてMEAを作製し、実施例1と同様の固体高分子型燃料電池を作製した。   An MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that this composite carbon material was used as a catalyst carrier, and a polymer electrolyte fuel cell similar to that in Example 1 was produced.

(実施例4)
シリコンウエハを、スパッタ装置のチャンバー内の基板にセットし、チャンバー内の圧力が1×10-6Paに到達したのち、チャンバー内にスパッタガスであるアルゴンガスを導入した。鉄製ターゲット上でグロー放電させることで、シリコンウエハ上に厚さ4nmの鉄薄膜を形成した。
Example 4
The silicon wafer was set in a substrate in a chamber of a sputtering apparatus, after the pressure in the chamber reaches 1 × 10 -6 Pa, argon gas was introduced a sputtering gas into the chamber. By performing glow discharge on an iron target, an iron thin film having a thickness of 4 nm was formed on the silicon wafer.

鉄薄膜を形成したシリコンウエハをセラミック製反応容器にセットし、実施例1と同様にしてカーボンナノチューブを合成した。シリコンウエハ上からカーボンナノチューブを掻き落とし、粉砕したのち、塩酸で処理して鉄を除去し、イオン交換水で洗浄することで、カーボンナノチューブを得た。   The silicon wafer on which the iron thin film was formed was set in a ceramic reaction vessel, and carbon nanotubes were synthesized in the same manner as in Example 1. The carbon nanotubes were scraped off from the silicon wafer, pulverized, treated with hydrochloric acid to remove iron, and washed with ion exchange water to obtain carbon nanotubes.

このカーボンナノチューブをTEMによって観察した結果、全ての炭素結晶平面は粒子表面に対して平行に配向していた。   As a result of observing the carbon nanotube by TEM, all the carbon crystal planes were oriented parallel to the particle surface.

炭素基材として上記のカーボンナノチューブを用いたこと以外、実施例2と同様にして複合炭素材料を作製した。複合炭素材料におけるカーボンナノファイバの重量比率は50重量%であった。カーボンナノファイバをTEMによって観察した結果、全ての炭素結晶
平面が繊維表面に対して一定の角度を持って配向したヘーリングボーン状であった。
A composite carbon material was produced in the same manner as in Example 2 except that the above carbon nanotube was used as the carbon substrate. The weight ratio of carbon nanofibers in the composite carbon material was 50% by weight. As a result of observing the carbon nanofibers with a TEM, all the carbon crystal planes were in the form of a herringbone with a certain angle with respect to the fiber surface.

この複合炭素材料を5mol/Lの硫酸水溶液に分散させ、1時間撹拌することで、表面を親水化した。滴定法による複合炭素材料の親水性官能基の量は、20meq/gであった
この複合炭素材料を触媒担体として用いたこと以外、実施例1と同様にしてMEAを作製し、実施例1と同様の固体高分子型燃料電池を作製した。
The composite carbon material was dispersed in a 5 mol / L sulfuric acid aqueous solution and stirred for 1 hour to make the surface hydrophilic. The amount of the hydrophilic functional group of the composite carbon material by the titration method was 20 meq / g. An MEA was prepared in the same manner as in Example 1 except that this composite carbon material was used as a catalyst carrier. A similar polymer electrolyte fuel cell was produced.

(比較例1)
実施例1で用いたアセチレンブラックを5mol/Lの硫酸水溶液に分散させ、1時間撹拌することで、表面を親水化した。滴定法による親水性官能基の量は、30meq/gであった。
(Comparative Example 1)
The surface was hydrophilized by dispersing acetylene black used in Example 1 in a 5 mol / L sulfuric acid aqueous solution and stirring for 1 hour. The amount of the hydrophilic functional group by the titration method was 30 meq / g.

このアセチレンブラックを触媒担体として用いたこと以外、実施例1と同様にしてMEAを作製し、実施例1と同様の固体高分子型燃料電池を作製した。   An MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that this acetylene black was used as a catalyst carrier, and a polymer electrolyte fuel cell similar to that in Example 1 was produced.

(比較例2)
実施例1で用いたアセチレンブラックを5mol/Lの硫酸水溶液に分散させ、1時間撹拌することで、表面を親水化した。また、実施例4と同様にして、カーボンナノチューブを作製し、全ての炭素結晶平面が繊維表面に対して一定の角度を持って配向したヘーリングボーン状であることを確認した。
(Comparative Example 2)
The surface was hydrophilized by dispersing acetylene black used in Example 1 in a 5 mol / L sulfuric acid aqueous solution and stirring for 1 hour. Further, in the same manner as in Example 4, carbon nanotubes were produced, and it was confirmed that all the carbon crystal planes were in the form of a herringbone oriented with a certain angle with respect to the fiber surface.

上記のアセチレンブラックに平均粒径5nmの白金を30重量%担持させたものをカソード触媒とし、同様に平均粒径5nmの白金ルテニウム合金(原子比Pt:Ru=1:1)を30重量%担持させたものをアノード触媒とした。   A cathode catalyst comprising 30% by weight of platinum having an average particle diameter of 5 nm supported on the above acetylene black and similarly supporting 30% by weight of a platinum ruthenium alloy having an average particle diameter of 5 nm (atomic ratio Pt: Ru = 1: 1). This was used as the anode catalyst.

上記の担持触媒をそれぞれイソプロパノール水溶液に分散させた液と、ナフィオンを溶媒に分散させた液と、上記のカーボンナノチューブを混合し十分に撹拌させることにより、触媒層ペーストをそれぞれ作製した。この際、触媒層ペースト中のアセチレンブラックとカーボンナノチューブと高分子電解質の重量比は1:1:2とした。これらの触媒層ペーストを、ドクターブレードを用いてギャップ200μmでPTFEシート(ニチアス社製、ナフロンPTFEシート)上に塗布した後、大気中常温で6時間乾燥させることで、触媒層シートを形成した。   A catalyst layer paste was prepared by mixing the above-mentioned supported catalyst in an isopropanol aqueous solution, a solution in which Nafion was dispersed in a solvent, and the above-mentioned carbon nanotubes and mixing them sufficiently. At this time, the weight ratio of acetylene black, carbon nanotube, and polymer electrolyte in the catalyst layer paste was 1: 1: 2. These catalyst layer pastes were applied on a PTFE sheet (manufactured by Nichias, Naflon PTFE sheet) with a gap of 200 μm using a doctor blade, and then dried at room temperature in the atmosphere for 6 hours to form a catalyst layer sheet.

上記の触媒層シートを用いたこと以外、実施例1と同様にしてMEAを作製し、実施例1と同様の固体高分子型燃料電池を作製した。   An MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that the catalyst layer sheet was used, and a polymer electrolyte fuel cell similar to that in Example 1 was produced.

(比較例3)
親水化処理を行わなかったこと以外、実施例1と同様にして複合炭素材料を作製した。この複合炭素材料を触媒担体として用いたこと以外、実施例1と同様にしてMEAを作製し、実施例1と同様の固体高分子型燃料電池を作製した。
(Comparative Example 3)
A composite carbon material was produced in the same manner as in Example 1 except that the hydrophilic treatment was not performed. An MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that this composite carbon material was used as a catalyst carrier, and a polymer electrolyte fuel cell similar to that in Example 1 was produced.

(電解質の接触面積の評価)
上記で作製した実施例1〜4および比較例1〜3の固体高分子型燃料電池について、触媒と電解質の接触面積を評価した。
(Evaluation of contact area of electrolyte)
For the polymer electrolyte fuel cells of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 prepared above, the contact area between the catalyst and the electrolyte was evaluated.

各燃料電池セルの作用極に加湿した窒素を150cm3/minで供給し、対極に加湿した水素を150cm3/minで供給した。サイクリックボルタンメトリーによって作用極における0.4V〜0.05Vの電気量を測定し、そこから電解質の接触面積を算出した。 Humidified nitrogen was supplied to the working electrode of each fuel cell at 150 cm 3 / min, and humidified hydrogen was supplied to the counter electrode at 150 cm 3 / min. The amount of electricity of 0.4 V to 0.05 V at the working electrode was measured by cyclic voltammetry, and the contact area of the electrolyte was calculated therefrom.

なお、実施例1〜4および比較例1〜3の担持触媒の、COガス吸着量測定による触媒の比表面積はいずれも、カソードで70m2/g、アノードで55m2/gであった。
(発電特性の評価)
上記で作製した実施例1〜4および比較例1〜3の固体高分子型燃料電池について、発電特性を評価した。
Incidentally, the supported catalysts of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3, none of the specific surface area of the catalyst with CO gas adsorption amount measurement, the cathode at 70m 2 / g, was the anode in 55m 2 / g.
(Evaluation of power generation characteristics)
The power generation characteristics of the polymer electrolyte fuel cells of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 prepared above were evaluated.

各燃料電池セルの温度は60℃に制御した。各燃料電池セルのアノードに2mol/Lのメタノール水溶液を2cm3/minで供給し、カソードに無加湿の空気を400cm3/minで供給した。定電流制御で電流密度が150mA/cm2となるように設定し、8時間連続で発電させた後の実効電圧を測定した。 The temperature of each fuel cell was controlled at 60 ° C. A 2 mol / L aqueous methanol solution was supplied at 2 cm 3 / min to the anode of each fuel cell, and non-humidified air was supplied to the cathode at 400 cm 3 / min. The current density was set to 150 mA / cm 2 by constant current control, and the effective voltage after power generation for 8 hours was measured.

これによって得られたデータを表1に示す。なお、表中では、カーボンブラックをCB、カーボンナノチューブをCNT、カーボンナノファイバをCNFと示した。
The data thus obtained is shown in Table 1. In the table, carbon black is indicated as CB, carbon nanotubes as CNT, and carbon nanofibers as CNF.

Figure 2008235156
Figure 2008235156

触媒担体に親水化処理を行った実施例1〜4および比較例1〜2は、親水化処理を行っていない比較例3に比べて、電解質との接触面積が向上している。親水化により電解質との親和性が向上したためである。しかし、親水化処理を行った炭素材料のみを用いた比較例1や、撥水性炭素材料を混合しただけの比較例2では、発電電圧が低下している。親水化のため触媒層での水の排出性が低下し、ガス拡散性が低下したためである。これに対して、触媒担体を複合炭素材料とし、部分的に親水化を行った実施例1〜4では、電解質との接触面積の向上と水の排出性の向上とを両立し、良好な発電特性が得られている。   In Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 in which the catalyst carrier was hydrophilized, the contact area with the electrolyte was improved as compared with Comparative Example 3 in which the hydrophilization was not performed. This is because the hydrophilicity has improved the affinity with the electrolyte. However, in Comparative Example 1 using only a carbon material that has been subjected to a hydrophilic treatment, and in Comparative Example 2 in which only a water-repellent carbon material is mixed, the generated voltage is reduced. This is because the water-discharging property in the catalyst layer is lowered due to the hydrophilization and the gas diffusibility is lowered. On the other hand, in Examples 1 to 4, in which the catalyst carrier is a composite carbon material and partially hydrophilized, the improvement of the contact area with the electrolyte and the improvement of the water discharge performance are both achieved, and good power generation is achieved. Characteristics are obtained.

以上の結果から、本発明の触媒層によって、触媒の利用率を向上し、過電圧を低減して良好な発電特性が得られることが分かった。この触媒層を備えた燃料電池用膜電解質接合体を用いることで、優れた発電特性および低コストな固体高分子型燃料電池を得ることが可能である。   From the above results, it was found that the catalyst layer of the present invention can improve the utilization rate of the catalyst, reduce the overvoltage, and obtain good power generation characteristics. By using the fuel cell membrane electrolyte assembly provided with the catalyst layer, it is possible to obtain a solid polymer fuel cell with excellent power generation characteristics and low cost.

本発明の固体高分子型燃料電池は、優れた発電特性を持ち、携帯電話、携帯情報端末(PDA)、ノートPC、ビデオカメラ等の携帯用小型電子機器用の電源として有用である。また、電動スクータ用電源等にも適用できる。   The polymer electrolyte fuel cell of the present invention has excellent power generation characteristics and is useful as a power source for portable small electronic devices such as a mobile phone, a personal digital assistant (PDA), a notebook PC, and a video camera. It can also be applied to a power source for electric scooters.

本発明にかかる燃料電池用触媒担体の一例の模式図Schematic diagram of an example of a fuel cell catalyst carrier according to the present invention. 本発明にかかる燃料電池用触媒担体の他の例の模式図Schematic view of another example of a fuel cell catalyst carrier according to the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 カーボンブラック
2 カーボンナノチューブ
3 カーボンナノファイバ
4 カーボンナノチューブ
1 carbon black 2 carbon nanotube 3 carbon nanofiber 4 carbon nanotube

Claims (8)

触媒と、前記触媒を担持する触媒担体と、高分子電解質とを含む燃料電池用電極触媒層であって、前記触媒担体は炭素基材の表面から炭素繊維を成長させた複合炭素材料からなり、前記炭素基材は、前記炭素基材中の炭素結晶平面が前記炭素基材の表面に対して平行に配向している炭素材料であり、前記炭素繊維は、前記炭素繊維中の炭素結晶平面が前記炭素繊維の表面に対して平行には配向していない炭素材料であり、さらに前記炭素繊維が親水化処理されている燃料電池用電極触媒層。   A fuel cell electrode catalyst layer comprising a catalyst, a catalyst carrier supporting the catalyst, and a polymer electrolyte, the catalyst carrier comprising a composite carbon material obtained by growing carbon fibers from the surface of a carbon substrate; The carbon base material is a carbon material in which a carbon crystal plane in the carbon base material is oriented parallel to the surface of the carbon base material, and the carbon fiber has a carbon crystal plane in the carbon fiber. An electrode catalyst layer for a fuel cell, which is a carbon material that is not oriented parallel to the surface of the carbon fiber, and in which the carbon fiber is hydrophilized. 触媒と、前記触媒を担持する触媒担体と、高分子電解質とを含む燃料電池用電極触媒層であって、前記触媒担体は炭素基材の表面から炭素繊維を成長させた複合炭素材料からなり、前記炭素繊維は、前記炭素繊維中の炭素結晶平面が前記炭素繊維の表面に対して平行に配向している炭素材料であり、前記炭素基材は、前記炭素基材中の炭素結晶平面が前記炭素基材の表面に対して平行には配向していない炭素材料であり、さらに前記炭素基材が親水化処理されている燃料電池用電極触媒層。   A fuel cell electrode catalyst layer comprising a catalyst, a catalyst carrier supporting the catalyst, and a polymer electrolyte, the catalyst carrier comprising a composite carbon material obtained by growing carbon fibers from the surface of a carbon substrate; The carbon fiber is a carbon material in which a carbon crystal plane in the carbon fiber is oriented in parallel to the surface of the carbon fiber, and the carbon base material has a carbon crystal plane in the carbon base material. An electrode catalyst layer for a fuel cell, which is a carbon material that is not oriented parallel to the surface of the carbon substrate, and wherein the carbon substrate is hydrophilized. 前記炭素基材は、粒子状炭素材料であり、その炭素結晶平面がその粒子表面に対して平行には配向していないカーボンブラックとし、前記炭素繊維は、その炭素結晶平面がその繊維表面に対して平行に配向しているカーボンナノチューブとした請求項2記載の燃料電池用電極触媒層。   The carbon base material is a particulate carbon material, and the carbon crystal plane is carbon black whose orientation is not parallel to the particle surface. The carbon fiber has a carbon crystal plane with respect to the fiber surface. The electrode catalyst layer for a fuel cell according to claim 2, wherein the carbon nanotubes are oriented in parallel with each other. 前記炭素基材は、粒子状炭素材料であり、その炭素結晶平面がその粒子表面に対して平行に配向している黒鉛化カーボンブラックとし、前記炭素繊維は、その炭素結晶平面がその繊維表面に対して平行には配向していないカーボンナノファイバとした請求項1記載の燃料電池用電極触媒層。   The carbon base material is a particulate carbon material, and the carbon crystal plane is graphitized carbon black oriented parallel to the particle surface, and the carbon fiber has the carbon crystal plane on the fiber surface. The electrode catalyst layer for a fuel cell according to claim 1, wherein the carbon nanofibers are not oriented parallel to each other. 前記炭素基材は、繊維状炭素材料であり、その炭素結晶平面がその繊維表面に対して平行には配向していないカーボンナノファイバとし、前記炭素繊維は、その炭素結晶平面が繊維表面に対して平行に配向しているカーボンナノチューブとした請求項2記載の燃料電池用電極触媒層。   The carbon base material is a fibrous carbon material, and the carbon crystal plane is a carbon nanofiber whose orientation is not parallel to the fiber surface, and the carbon fiber has a carbon crystal plane with respect to the fiber surface. The electrode catalyst layer for a fuel cell according to claim 2, wherein the carbon nanotubes are oriented in parallel with each other. 前記炭素基材は、繊維状炭素材料であり、その炭素結晶平面がその繊維表面に対して平行に配向しているカーボンナノチューブとし、前記炭素繊維は、その炭素結晶平面がその繊維表面に対して平行には配向していないカーボンナノファイバとした請求項1記載の燃料電池用電極触媒層。   The carbon base material is a fibrous carbon material, and the carbon crystal plane is a carbon nanotube oriented parallel to the fiber surface, and the carbon fiber has the carbon crystal plane with respect to the fiber surface. The electrode catalyst layer for a fuel cell according to claim 1, wherein the carbon nanofibers are not oriented in parallel. 前記複合炭素材料は、親水性官能基を10meq/g以上含有することを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の燃料電池用電極触媒層。   The fuel cell electrode catalyst layer according to any one of claims 1 to 6, wherein the composite carbon material contains 10 meq / g or more of a hydrophilic functional group. 請求項1から7のいずれかに記載の燃料電池用電極触媒層を備えた燃料電池。   A fuel cell comprising the fuel cell electrode catalyst layer according to claim 1.
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