JP2010238415A - Catalyst paste preparation method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a preparation method of a catalyst paste by which a catalyst layer capable of operation under low humidification and high temperature and hardly deteriorated can be formed at a low cost, and which is superior in stability. <P>SOLUTION: The catalyst paste in which zirconium phosphate gel suspension is uniformly dispersed is obtained by stirring Pt/C catalyst dispersion liquid and dropping zirconium phosphate gel suspension into it, and the catalyst layers 14, 16 are formed using such catalyst paste, thereby, a structure in which zirconium phosphate is uniformly dispersed is obtained. As a result, high battery characteristics are obtained without using a polymer electrolyte. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池を構成するための電極を兼ねる触媒層を形成するための電極触媒ペーストの調製方法に関する。   The present invention relates to a method for preparing an electrode catalyst paste for forming a catalyst layer that also serves as an electrode for constituting a solid polymer fuel cell.

燃料電池は、燃料として水素、メタノール、化石燃料からの改質水素等の還元剤を用い、空気や酸素を酸化剤として、電池内で燃料を電気化学的に酸化することにより、燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して取り出すものである。そのため、内燃機関に比較して効率が高く、静粛性に優れると共に、大気汚染の原因となるNOx、SOx、粒子状物質(PM)等の排出量が少ないことから、近年、クリーンな電気エネルギー供給源として注目されている。例えば、自動車用エンジンの代替、住宅用等の分散型電源や熱電供給システムとしての利用が期待されている。 A fuel cell uses a reducing agent such as hydrogen, methanol, or reformed hydrogen from fossil fuels as a fuel, and electrochemically oxidizes the fuel in the cell using air or oxygen as an oxidant, thereby chemical energy of the fuel. Is directly converted into electrical energy and extracted. As a result, it has higher efficiency and quietness compared to internal combustion engines, and has low emissions of NO x , SO x , particulate matter (PM), etc. that cause air pollution. It is attracting attention as an energy supply source. For example, it is expected to be used as a distributed power source or a thermoelectric supply system for automobile engines, residential use, etc.

このような燃料電池は、用いる電解質の種類によって、アルカリ形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、固体高分子形等に分類される。これらのうちプロトン伝導性の電解質を用いるリン酸形および固体高分子形は、熱力学におけるカルノーサイクルの制限を受けることなく高い効率で運転できるものであり、その理論効率は、25(℃)において83(%)にも達する。特に、固体高分子形燃料電池は、近年電解質膜や触媒技術の発展により性能の向上が著しくなり、低公害自動車用電源や高効率発電方法として注目を集めている。   Such fuel cells are classified into alkali type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, solid polymer type, and the like depending on the type of electrolyte used. Among these, the phosphoric acid form and the solid polymer form using a proton-conducting electrolyte can be operated with high efficiency without being restricted by the Carnot cycle in thermodynamics, and the theoretical efficiency is 25 (° C). It reaches 83 (%). In particular, solid polymer fuel cells have been remarkably improved in performance in recent years due to the development of electrolyte membranes and catalyst technology, and are attracting attention as a low-pollution automobile power source and high-efficiency power generation method.

上記の固体高分子形燃料電池は、板状や円筒状等の高分子電解質層の両面に一対の触媒層を介してガス拡散電極を設けた構造を備えるものであり、通常は、このような膜−電極接合体(Membrane Electrode Assembly:以下、MEA)をセパレータを介して積層したスタック構造で用いられる。燃料ガスおよび空気がMEAに供給されると、ガス拡散電極内を拡散して触媒層および電解質層表面に導かれる。この過程で燃料極側の触媒層上では酸化反応が生じてプロトン(H+)が発生し、電解質層内を通って空気極側の触媒層に向かって流れる。したがって、触媒層には、反応活性点が多く存在し、且つ、生成したプロトンや電子のパスが十分に形成されていると共に、ガス拡散電極を通して触媒層表面に導かれた燃料ガスや空気の拡散を阻害しないことが求められる。 The polymer electrolyte fuel cell has a structure in which gas diffusion electrodes are provided on both sides of a polymer electrolyte layer such as a plate or a cylinder via a pair of catalyst layers. Membrane Electrode Assembly (hereinafter referred to as MEA) is used in a stack structure in which separators are stacked. When the fuel gas and air are supplied to the MEA, they are diffused through the gas diffusion electrode and guided to the catalyst layer and the electrolyte layer surfaces. In this process, an oxidation reaction occurs on the catalyst layer on the fuel electrode side, protons (H + ) are generated, and flow through the electrolyte layer toward the catalyst layer on the air electrode side. Therefore, there are many reaction active points in the catalyst layer, and the generated proton and electron paths are sufficiently formed, and the diffusion of fuel gas and air guided to the catalyst layer surface through the gas diffusion electrode. It is required not to disturb.

上記触媒層は、例えば、高分子電解質を有機溶媒に溶解した電解質溶液に触媒を担持させた炭素粒子等を分散させて触媒ペーストを調製し、これを電極上に塗布して乾燥処理を施すことで形成されていた。上記高分子電解質としては、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸(PFS)等の高いプロトン導電性を有するものが用いられる。   The catalyst layer is prepared by, for example, preparing a catalyst paste by dispersing carbon particles or the like carrying a catalyst in an electrolyte solution in which a polymer electrolyte is dissolved in an organic solvent, and applying this to the electrode to perform a drying treatment. It was formed with. As the polymer electrolyte, for example, one having high proton conductivity such as perfluorocarbon sulfonic acid (PFS) is used.

しかしながら、高分子電解質は、長時間運転時にOHラジカルによって分解されて劣化する問題がある。また、高いプロトン伝導性を確保するためには、十分な加湿が必要であることから、システムが複雑化してコスト上昇の一因になるため、燃料電池システム全体の効率や製造および運転コストの観点から低加湿或いは無加湿条件での運転が望まれている。また、発電効率の向上、排熱の有効利用、および白金触媒のCO被毒の軽減の観点から100(℃)以上の中温運転が要求されているが、高分子電解質は有機物であることから耐熱性が低く、使用温度が80(℃)以下に限られる問題がある。また、更に、前述したように触媒層を形成するための触媒ペーストに樹脂材料が含まれていることから、ペーストの安定性に欠ける問題もある。   However, the polymer electrolyte has a problem that it degrades due to decomposition by OH radicals during long-time operation. In addition, in order to ensure high proton conductivity, sufficient humidification is required, which complicates the system and contributes to an increase in cost. Therefore, operation under low or no humidification conditions is desired. In addition, from the viewpoint of improving power generation efficiency, effective use of exhaust heat, and reduction of CO poisoning of platinum catalyst, medium temperature operation of 100 (° C) or more is required. There is a problem that the operating temperature is limited to 80 (° C.) or less. Furthermore, since the resin material is contained in the catalyst paste for forming the catalyst layer as described above, there is a problem that the paste is not stable.

特開2004−185980号公報JP 2004-185980 A 特開2005−011697号公報JP 2005-011697 A 特開2006−147478号公報JP 2006-147478 A 特開2008−243688号公報JP 2008-243688 A 特開2004−152635号公報JP 2004-152635 A 特開2006−059634号公報JP 2006-059634 A 特開2007−026709号公報JP 2007-026709 A

これに対して、例えば、高い保水能力を有する燐酸ジルコニウム等の金属燐酸化合物を触媒層に用いることが提案されている(例えば特許文献1,5〜7を参照。)。これにより、低加湿条件であっても長期間に亘って出力を十分に維持できる。しかしながら、燐酸ジルコニウムだけではプロトン伝導性が不十分であったものと考えられるが、触媒層には高分子電解質材料も同時に使用されているため、この技術では、運転温度、樹脂の劣化、触媒ペーストの安定性の問題は解決できていない。   On the other hand, for example, it has been proposed to use a metal phosphate compound such as zirconium phosphate having a high water retention capacity for the catalyst layer (see, for example, Patent Documents 1 to 7). Thereby, the output can be sufficiently maintained over a long period of time even under low humidification conditions. However, it is thought that proton conductivity alone was insufficient with zirconium phosphate alone, but polymer electrolyte material was also used in the catalyst layer at the same time, so this technology uses operating temperature, resin degradation, catalyst paste The stability problem has not been solved.

また、電解質膜および触媒層に燐酸ジルコニウムを用いることが提案されている(例えば特許文献2を参照。)。これにより、高分子電解質材料に対するOHラジカルの攻撃が抑制されるため、その耐久性が高められるので、燃料電池の性能を維持して長時間運転が可能となる。しかしながら、この技術においても、触媒層に高分子電解質材料が使用されていることから、運転温度や触媒ペーストの安定性の問題は解決できていない。   In addition, it has been proposed to use zirconium phosphate for the electrolyte membrane and the catalyst layer (see, for example, Patent Document 2). As a result, the attack of OH radicals on the polymer electrolyte material is suppressed, and the durability thereof is enhanced. Therefore, the fuel cell performance can be maintained and operation can be performed for a long time. However, even in this technique, since the polymer electrolyte material is used for the catalyst layer, the problems of the operating temperature and the stability of the catalyst paste cannot be solved.

また、高分子電解質材料と燐酸ジルコニウムとを複合化した電解質膜を用いることが提案されている(例えば特許文献3を参照。)。この技術によれば、従来よりも高い90(℃)で運転可能で、低湿度下においても良好な発電特性が得られる。しかしながら、触媒層には高分子電解質材料が用いられているので、樹脂の劣化や触媒ペーストの安定性の問題は解決できていない。   It has also been proposed to use an electrolyte membrane in which a polymer electrolyte material and zirconium phosphate are combined (see, for example, Patent Document 3). According to this technology, it is possible to operate at 90 (° C.) higher than before, and good power generation characteristics can be obtained even under low humidity. However, since a polymer electrolyte material is used for the catalyst layer, the problems of resin degradation and catalyst paste stability cannot be solved.

また、触媒層の電子伝導体兼触媒担体として酸化錫を用い、その表面にプロトン伝導性を有する燐酸錫を設けると共に、プロトン伝導性の燐酸インジウムを無機バインダーとして用いることが提案されている(例えば特許文献4を参照。)。この技術によれば、どの程度の発電特性が得られるのかは示されていないが、触媒層が無機材料で構成されていることから、前述した触媒層の劣化が抑制されて長期的に安定したセル特性が得られる。しかも、触媒層が樹脂を含まないことから、電解質膜構成材料の選択次第で低加湿や高温の環境下でも高特性を得られる可能性がある。しかしながら、触媒ペーストの調製プロセスが複雑で、熱処理工程を含むと共に無機バインダーとしては高価なインジウム化合物を用いることから、製造コスト面で問題がある。   In addition, it has been proposed to use tin oxide as an electron conductor and catalyst carrier of the catalyst layer, provide tin phosphate having proton conductivity on the surface, and use proton conductive indium phosphate as an inorganic binder (for example, (See Patent Document 4). According to this technology, it is not shown how much power generation characteristics can be obtained, but since the catalyst layer is composed of an inorganic material, the deterioration of the catalyst layer described above is suppressed and stable over the long term. Cell characteristics are obtained. In addition, since the catalyst layer does not contain a resin, there is a possibility that high characteristics can be obtained even in a low humidification or high temperature environment depending on the selection of the electrolyte membrane constituent material. However, the preparation process of the catalyst paste is complicated, and includes a heat treatment step, and an expensive indium compound is used as the inorganic binder, so that there is a problem in terms of manufacturing cost.

上述したように、従来から、燐酸ジルコニウムや燐酸錫等を用いることによって低加湿や高温下で運転可能とすることや、触媒層の樹脂の劣化や樹脂ペーストの変化を抑制等することが試みられているが、何れも十分なものではなく、また、コスト面でも満足できるものではなかった。   As described above, conventionally, attempts have been made to enable operation at low humidification and high temperatures by using zirconium phosphate, tin phosphate, etc., and to suppress deterioration of the resin in the catalyst layer and changes in the resin paste. However, none of them was satisfactory, and the cost was not satisfactory.

本発明は、以上の事情を背景として為されたものであって、その目的は、低加湿や高温下で運転可能で劣化し難い触媒層を安価に形成可能で、安定性にも優れた触媒ペーストの調製方法を提供することにある。   The present invention has been made in the background of the above circumstances, and its purpose is to form a catalyst layer that can be operated at low humidification and high temperature and hardly deteriorates at low cost, and has excellent stability. It is to provide a method for preparing a paste.

斯かる目的を達成するための本発明の要旨とするところは、固体高分子形燃料電池を構成するために固体高分子電解質上に気体を導き得る状態で設けられる多孔質の触媒層を製造するための触媒ペーストの調製方法であって、触媒を担持した微細な担体を溶媒中に分散させた分散液を攪拌しつつ、その分散液中に燐酸ジルコニウムゲル懸濁液を滴下する懸濁液滴下工程を含むことにある。   In order to achieve such an object, the gist of the present invention is to manufacture a porous catalyst layer provided in a state in which a gas can be guided on a solid polymer electrolyte in order to constitute a solid polymer fuel cell. A method for preparing a catalyst paste for the purpose of suspension dropping, in which a dispersion of a fine carrier carrying a catalyst dispersed in a solvent is stirred and a zirconium phosphate gel suspension is dropped into the dispersion It includes the steps.

このようにすれば、触媒担持担体の分散液を攪拌しつつ、その中に燐酸ジルコニウムゲル懸濁液が滴下されるので、その分散液中に燐酸ジルコニウムゲルが一様に分散する。そのため、このようにして得られた触媒ペーストをガス拡散電極上や電解質膜上に塗布、乾燥して触媒層を形成すると、無機電解質材料である燐酸ジルコニウムが一様に分散した触媒層が得られることから、触媒層中のガス拡散を阻害することなく、この燐酸ジルコニウムだけで十分に高いプロトン伝導性が得られるので、パーフルオロカーボンスルホン酸等の高分子電解質材料を触媒層に用いる必要がない。したがって、低加湿や高温下でも運転可能で劣化し難い触媒層を安価に形成可能で、安定性に優れた触媒ペーストが得られる。なお、燐酸ジルコニウムゲル懸濁液は、燐酸ジルコニウムゲルを水中で攪拌し、分散させた液である。   According to this configuration, the zirconium phosphate gel suspension is dropped into the catalyst-supporting carrier dispersion while stirring, so that the zirconium phosphate gel is uniformly dispersed in the dispersion. Therefore, when the catalyst paste thus obtained is applied to a gas diffusion electrode or an electrolyte membrane and dried to form a catalyst layer, a catalyst layer in which zirconium phosphate, which is an inorganic electrolyte material, is uniformly dispersed is obtained. Therefore, sufficiently high proton conductivity can be obtained with only this zirconium phosphate without hindering gas diffusion in the catalyst layer, so that it is not necessary to use a polymer electrolyte material such as perfluorocarbon sulfonic acid for the catalyst layer. Therefore, it is possible to form a catalyst layer that can be operated even under low humidification or high temperature and hardly deteriorates, and a catalyst paste having excellent stability can be obtained. The zirconium phosphate gel suspension is a liquid obtained by stirring and dispersing zirconium phosphate gel in water.

ここで、好適には、前記懸濁液滴下工程は燐酸ジルコニウム(Zr(HPO4)2・nH2O)がペースト中の固形分全量に対して10(wt%)以上且つ50(wt%)以下の範囲内の割合となるように前記燐酸ジルコニウムゲル懸濁液を滴下するものである。このようにすれば、燐酸ジルコニウムの添加量が適度な範囲にされているため、燃料電池を製造するに際してこの触媒ペーストを用いて触媒層を形成すると特に高い発電特性が得られる。例えば、0.4(V)において300(mA/cm2)以上の大きな電流密度が得られる。燐酸ジルコニウム量が10(wt%)以上であれば、プロトン伝導パスが十分に形成され、50(wt%)以下であれば、触媒層の電子伝導パスの減少延いては電子伝導度の低下やガス拡散性の低下が十分に小さく留められる。 Here, preferably, in the suspension dropping step, zirconium phosphate (Zr (HPO 4 ) 2 · nH 2 O) is 10 (wt%) or more and 50 (wt%) with respect to the total solid content in the paste. The zirconium phosphate gel suspension is dropped so as to have a ratio within the following range. In this way, since the amount of zirconium phosphate added is in an appropriate range, when the catalyst layer is formed using this catalyst paste when manufacturing a fuel cell, particularly high power generation characteristics can be obtained. For example, a large current density of 300 (mA / cm 2 ) or more can be obtained at 0.4 (V). If the amount of zirconium phosphate is 10 (wt%) or more, the proton conduction path is sufficiently formed, and if it is 50 (wt%) or less, the decrease in the electron conduction path of the catalyst layer and the decrease in electron conductivity The decrease in gas diffusivity is kept small enough.

また、好適には、前記触媒ペースト調製方法は、ジルコニウム前駆体粉末に燐酸を混合して反応させることにより前記燐酸ジルコニウムゲル懸濁液を合成する懸濁液合成工程を含むものである。このようにすれば、前記懸濁液滴下工程で前記分散液中に滴下したときに容易に分散する燐酸ジルコニウムゲル懸濁液が得られるので、燃料電池の発電特性を一層高め得る触媒層を形成可能な触媒ペーストが得られる。上記ジルコニウム前駆体粉末としては例えば水酸化ジルコニウム Zr(OH)4を好適に用い得る。 Preferably, the catalyst paste preparation method includes a suspension synthesis step of synthesizing the zirconium phosphate gel suspension by mixing phosphoric acid with the zirconium precursor powder and reacting the mixture. In this way, a zirconium phosphate gel suspension that is easily dispersed when dropped into the dispersion in the suspension dropping step can be obtained, thereby forming a catalyst layer that can further enhance the power generation characteristics of the fuel cell. A possible catalyst paste is obtained. For example, zirconium hydroxide Zr (OH) 4 can be suitably used as the zirconium precursor powder.

また、好適には、前記触媒ペースト調製方法は、ジルコニウム溶液にキレート剤を混合して反応させることにより前記ジルコニウム前駆体粉末を合成する前駆体合成工程を含むものである。このようにすれば、燐酸ジルコニウムゲル懸濁液を調製するに際して、水中に容易に分散するジルコニウム前駆体粉末が得られる。上記ジルコニウム溶液としては例えばジルコニウムブトキシドを、上記キレート剤としては例えばアセチルアセトンを、それぞれ好適に用い得る。これにより、上述したジルコニウム前駆体 Zr(OH)4が容易に得られる。 Preferably, the catalyst paste preparation method includes a precursor synthesis step of synthesizing the zirconium precursor powder by mixing and reacting a chelating agent with a zirconium solution. In this way, when preparing a zirconium phosphate gel suspension, a zirconium precursor powder that is easily dispersed in water is obtained. For example, zirconium butoxide can be preferably used as the zirconium solution, and acetylacetone can be preferably used as the chelating agent. Thereby, the zirconium precursor Zr (OH) 4 described above can be easily obtained.

また、好適には、前記微細な担体はカーボン粒子である。担体の構成材料や形状は特に限定されず、カーボンの他に導電性金属酸化物、耐食性金属等も用いることができ、粒子状の他に繊維状のもの等も用い得るが、導電性、価格や取扱いの容易性等の面でカーボン粒子を用いることが好ましい。また、30(nm)程度の平均粒径の粒子を用いることが好ましい。   Preferably, the fine carrier is carbon particles. The constituent material and shape of the carrier are not particularly limited. In addition to carbon, conductive metal oxides, corrosion-resistant metals, etc. can be used. In addition to particles, fibrous materials can also be used. It is preferable to use carbon particles in view of handling and ease of handling. Further, it is preferable to use particles having an average particle diameter of about 30 (nm).

また、本発明の調製方法で得られる触媒ペーストを使用するに際しては、例えばガス拡散電極上に塗布し、乾燥処理を施すことで触媒層を形成することができるが、このとき、塗布量は、例えば、所望の触媒担持量が得られるように定めればよい。また、このようにして触媒層を形成した後、2枚の触媒層付き電極を高分子電解質膜を挟んで積層し、加圧しつつ加熱することで平板形のMEAが得られる。なお、本発明の触媒ペースト調製方法が適用可能なMEAは平板形に限られず、円筒形などでも差し支えない。   In addition, when using the catalyst paste obtained by the preparation method of the present invention, for example, a catalyst layer can be formed by applying on a gas diffusion electrode and performing a drying treatment. For example, what is necessary is just to determine so that a desired catalyst carrying amount may be obtained. Further, after forming the catalyst layer in this manner, two electrodes with the catalyst layer are stacked with the polymer electrolyte membrane interposed therebetween, and heated while being pressed to obtain a flat plate MEA. The MEA to which the catalyst paste preparation method of the present invention is applicable is not limited to a flat plate shape, and may be a cylindrical shape.

また、本発明の触媒ペースト調製方法で得られる触媒ペーストは、種々の固体高分子電解質が用いられた固体高分子形燃料電池に適用され、固体高分子電解質の材質は特に限定されない。固体高分子電解質としては、例えば、イオン交換基(-SO3H基等)を有するモノマーの単独重合体または共重合体、イオン交換基を有するモノマーとそのモノマーと共重合可能な他のモノマーとの共重合体、加水分解等の後処理によりイオン交換基に転換し得る官能基(すなわちイオン交換基の前駆的官能基)を有するモノマーの単独重合体、または共重合体(プロトン伝導性高分子前駆体)に同様な後処理を施したもの等が挙げられる。 The catalyst paste obtained by the catalyst paste preparation method of the present invention is applied to a solid polymer fuel cell using various solid polymer electrolytes, and the material of the solid polymer electrolyte is not particularly limited. Examples of the solid polymer electrolyte include a homopolymer or copolymer of a monomer having an ion exchange group (such as a -SO 3 H group), a monomer having an ion exchange group, and another monomer copolymerizable with the monomer. Copolymer, a homopolymer of a monomer having a functional group that can be converted to an ion exchange group by post-treatment such as hydrolysis (that is, a precursor functional group of an ion exchange group), or a copolymer (proton conductive polymer) For example, a precursor obtained by performing a similar post-treatment.

上記高分子電解質の具体例としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂等のパーフルオロ型のプロトン伝導性高分子、パーフルオロカーボンカルボン酸樹脂膜、スルホン酸型ポリスチレン−グラフト−エチレンテトラフルオロエチレン(ETFE)共重合体膜、スルホン酸型ポリ(トリフルオロスチレン)−グラフト−ETFE共重合体膜、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)スルホン酸膜、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(ATBS)膜、炭化水素系膜等が例示される。   Specific examples of the polymer electrolyte include, for example, perfluoro proton conductive polymer such as perfluorocarbon sulfonic acid resin, perfluorocarbon carboxylic acid resin film, sulfonic acid type polystyrene-graft-ethylenetetrafluoroethylene (ETFE). Copolymer membrane, sulfonic acid type poly (trifluorostyrene) -graft-ETFE copolymer membrane, polyetheretherketone (PEEK) sulfonic acid membrane, 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid (ATBS) membrane, carbonized Examples include hydrogen-based films.

本発明の方法により調製した触媒ペーストが用いられた平板型のMEAの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the flat plate type MEA using the catalyst paste prepared by the method of this invention. 図1の触媒層を形成するための触媒ペースト調製方法のうちのジルコニウム前駆体合成工程を説明する工程図である。It is process drawing explaining the zirconium precursor synthetic | combination process among the catalyst paste preparation methods for forming the catalyst layer of FIG. 図2の工程で得られたジルコニウム前駆体を用いて燐酸ジルコニウムゲル懸濁液を調製する工程を説明する工程図である。It is process drawing explaining the process of preparing a zirconium phosphate gel suspension using the zirconium precursor obtained at the process of FIG. 図3の工程で得られた燐酸ジルコニウムゲル懸濁液を用いて触媒ペーストを調製する工程を説明する工程図である。It is process drawing explaining the process of preparing a catalyst paste using the zirconium phosphate gel suspension obtained at the process of FIG. 図4の懸濁液添加工程における添加量を変化させて触媒ペースト中の燐酸ジルコニウム含有量と発電特性との関係を評価した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having changed the addition amount in the suspension addition process of FIG. 4, and evaluating the relationship between zirconium phosphate content in a catalyst paste, and a power generation characteristic. 燃料電池評価装置の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of a fuel cell evaluation apparatus.

以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following embodiments, the drawings are appropriately simplified or modified, and the dimensional ratios, shapes, and the like of the respective parts are not necessarily drawn accurately.

図1は、本発明の一実施例の調製方法による触媒ペーストを用いて製造した平板型のMEA10の断面構造を示す図である。図1において、MEA10は、薄い平板層状の電解質膜12と、その両面に備えられた触媒層14,16と、それら触媒層14,16の上面に設けられたガス拡散電極18,20とから構成されている。   FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional structure of a flat plate MEA 10 manufactured using a catalyst paste according to the preparation method of one embodiment of the present invention. In FIG. 1, the MEA 10 includes a thin flat layer electrolyte membrane 12, catalyst layers 14 and 16 provided on both surfaces thereof, and gas diffusion electrodes 18 and 20 provided on the upper surfaces of the catalyst layers 14 and 16. Has been.

上記の電解質膜12は、例えばNafion(デュポン社の登録商標)等のプロトン伝導性高分子から成るもので、例えば20〜200(μm)の範囲内、例えば50(μm)程度の厚さ寸法を備えている。   The electrolyte membrane 12 is made of a proton conductive polymer such as Nafion (registered trademark of DuPont), and has a thickness dimension in the range of 20 to 200 (μm), for example, about 50 (μm). I have.

また、上記の触媒層14,16は、例えば球状の炭素粉末に白金等の触媒を担持させたPt担持カーボンブラック(以下、Pt/Cという)と、プロトン伝導性無機材料である燐酸ジルコニウムとから成る多孔質層である。触媒層14,16中には、燐酸ジルコニウムが10〜50(wt%)の範囲内、例えば20(wt%)程度の割合で含まれている。なお、触媒層14,16には、Nafion等の有機化合物は何ら含まれていない。また、Pt/Cは、例えば田中貴金属工業(株)から市販されているものが用いられている。これら触媒層14,16の厚さ寸法は、例えば50(μm)程度である。   The catalyst layers 14 and 16 include, for example, Pt-supported carbon black (hereinafter referred to as Pt / C) in which a catalyst such as platinum is supported on spherical carbon powder, and zirconium phosphate which is a proton conductive inorganic material. A porous layer. In the catalyst layers 14 and 16, zirconium phosphate is contained in a range of 10 to 50 (wt%), for example, about 20 (wt%). The catalyst layers 14 and 16 do not contain any organic compound such as Nafion. Further, as Pt / C, for example, those commercially available from Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. are used. The thickness of the catalyst layers 14 and 16 is, for example, about 50 (μm).

また、前記のガス拡散電極18,20は、例えば380(μm)程度の厚さ寸法を備えた炭素繊維紙(カーボンペーパー)から成るもので、厚み方向に容易に気体が流通し得る多孔質層である。この炭素繊維紙は、例えば東レ(株)から燃料電池用として市販されているものが用いられている。   The gas diffusion electrodes 18 and 20 are made of carbon fiber paper (carbon paper) having a thickness of about 380 (μm), for example, and a porous layer through which gas can easily flow in the thickness direction. It is. As this carbon fiber paper, for example, those commercially available for fuel cells from Toray Industries, Inc. are used.

以上のように構成されたMEA10は、例えば、ガス拡散電極18,20間の電圧を0.4(V)としたときの電流密度が430〜720(mA/cm2)と十分に高い電池特性を有している。また、上述したように触媒層14,16に有機化合物が含まれていないことから、有機化合物の劣化や、低加湿環境下や中温域運転の制限等が緩和されている。すなわち、十分な電池特性を確保しつつ、高分子電解質が触媒層14,16に用いられる場合の不都合が回避されている。 The MEA 10 configured as described above has sufficiently high battery characteristics such as a current density of 430 to 720 (mA / cm 2 ) when the voltage between the gas diffusion electrodes 18 and 20 is 0.4 (V). is doing. Further, as described above, since the catalyst layers 14 and 16 do not contain an organic compound, the deterioration of the organic compound, the limitation of the low-humidity environment and the operation in the middle temperature range, etc. are alleviated. That is, inconveniences when the polymer electrolyte is used for the catalyst layers 14 and 16 are avoided while ensuring sufficient battery characteristics.

図2〜図4は、上記のMEA10を製造するに際して、触媒層14,16を形成するための触媒ペーストの調製方法を説明する工程図である。図2はジルコニウム前駆体の合成工程を、図3は燐酸ジルコニウムゲル懸濁液の調製工程を、図4は触媒ペーストの調製工程をそれぞれ表している。本実施例においては、前記触媒層14,16を形成するための触媒ペーストの調製工程は、このような3段階に分かれている。   2 to 4 are process diagrams illustrating a method for preparing a catalyst paste for forming the catalyst layers 14 and 16 when the MEA 10 is manufactured. FIG. 2 shows a process for synthesizing a zirconium precursor, FIG. 3 shows a process for preparing a zirconium phosphate gel suspension, and FIG. 4 shows a process for preparing a catalyst paste. In the present embodiment, the preparation process of the catalyst paste for forming the catalyst layers 14 and 16 is divided into such three stages.

上記の図2において、工程1では、溶剤にジルコニウム溶液を混合する。この溶剤としては、例えば2-プロパノールを用いる。また、ジルコニウム溶液としては、例えばジルコニウムブトキシドを1-ブタノールに85(%)の濃度で溶解した溶液を用いる。次いで、工程2では、これに更にキレート剤を混合する。ここで添加するキレート剤としては、例えばアセチルアセトンを用いる。次いで、工程4では、これに1Nの硝酸を触媒として加える。これら工程1〜4における調合量は、例えば、2-プロパノール 400(g)、ジルコニウム溶液 22.6(g)、アセチルアセトン 10(g)、硝酸 20(ml)とした。   In FIG. 2 described above, in step 1, a zirconium solution is mixed with a solvent. As this solvent, for example, 2-propanol is used. As the zirconium solution, for example, a solution in which zirconium butoxide is dissolved in 1-butanol at a concentration of 85 (%) is used. Next, in step 2, a chelating agent is further mixed with this. As the chelating agent added here, for example, acetylacetone is used. Next, in Step 4, 1N nitric acid is added to this as a catalyst. The preparation amounts in these steps 1 to 4 were, for example, 2-propanol 400 (g), zirconium solution 22.6 (g), acetylacetone 10 (g), and nitric acid 20 (ml).

全て混合後、工程4の混合工程では、これを例えばマグネチックスターラーにより、例えば400rpmにて3時間混合する。これにより、ジルコニウムブトキシドとアセチルアセトンとの反応によってジルコニウム前駆体 Zr(OH)4が生成される。次いで、工程5の乾燥工程では、混合液を例えば80(℃)で乾燥する。乾燥時間は例えば18時間程度である。これにより、ジルコニウム前駆体粉末が得られる。 After all mixing, in the mixing step of step 4, this is mixed, for example, with a magnetic stirrer, for example, at 400 rpm for 3 hours. Thereby, the zirconium precursor Zr (OH) 4 is produced by the reaction of zirconium butoxide and acetylacetone. Next, in the drying step of Step 5, the mixed solution is dried at 80 (° C.), for example. The drying time is, for example, about 18 hours. Thereby, a zirconium precursor powder is obtained.

次いで、前記図3に示す工程6では、上記のようにして調製したジルコニウム前駆体粉末を用意し、工程7では、これに精製水を混合する。次いで、これに1N硝酸をpH調整のために添加する。これらの調合量は、例えば、ジルコニウム前駆体粉末 1.2(g)、精製水 13.2(g)、硝酸 0.84(g)とした。工程8の混合工程では、例えばマグネチックスターラーにより、例えば400rpmにて、これらを60分間混合し、ジルコニウム前駆体粉末を水中に分散させる。次いで、工程10では、これに85(%)燐酸を添加し、工程11の混合・反応工程では、これを更に攪拌して混合し、ジルコニウム前駆体と燐酸とを反応させて燐酸ジルコニウムを生成させ、室温で一晩放置する。燐酸の添加量は例えば3.46(g)とした。   Next, in step 6 shown in FIG. 3, the zirconium precursor powder prepared as described above is prepared, and in step 7, purified water is mixed therewith. Next, 1N nitric acid is added to this for pH adjustment. These preparation amounts were, for example, zirconium precursor powder 1.2 (g), purified water 13.2 (g), and nitric acid 0.84 (g). In the mixing step of Step 8, these are mixed for 60 minutes, for example, at 400 rpm with a magnetic stirrer, for example, and the zirconium precursor powder is dispersed in water. Next, in step 10, 85 (%) phosphoric acid is added thereto, and in the mixing and reaction step of step 11, this is further stirred and mixed to react the zirconium precursor and phosphoric acid to form zirconium phosphate. Leave at room temperature overnight. The amount of phosphoric acid added was, for example, 3.46 (g).

次いで、工程12の水洗工程では、反応させた混合液を濾過した後、水で過剰の燐酸を洗い流す。次いで、工程13の混合工程では、生成された燐酸ジルコニウムゲルを精製水と混合する。これにより、燐酸ジルコニウムゲル懸濁液が得られる。   Next, in the water washing step of step 12, after the reacted liquid mixture is filtered, excess phosphoric acid is washed away with water. Next, in the mixing step of step 13, the produced zirconium phosphate gel is mixed with purified water. Thereby, a zirconium phosphate gel suspension is obtained.

次いで、前記図4に示す工程14では、Pt/C触媒を用意し、次いで、工程15では、これを精製水に分散させ、更に、工程16ではこれに溶剤を加える。Pt/C触媒は、市販されているもので、例えばPtを45.8(%)含んでいる。また、溶剤は例えば2-プロパノールである。これらの調合量は、例えば、Pt/C触媒 0.4(g)、精製水 0.8(g)、溶剤 2.8(g)とした。これにより、溶媒中にPt/C触媒が分散した分散液が得られる。   Next, in step 14 shown in FIG. 4, a Pt / C catalyst is prepared. Next, in step 15, this is dispersed in purified water, and in step 16, a solvent is added thereto. The Pt / C catalyst is commercially available and contains, for example, 45.8 (%) of Pt. The solvent is 2-propanol, for example. These preparation amounts were, for example, Pt / C catalyst 0.4 (g), purified water 0.8 (g), and solvent 2.8 (g). Thereby, a dispersion in which the Pt / C catalyst is dispersed in the solvent is obtained.

次いで、工程17では、上記の分散液を混合・攪拌する。この処理は例えばマグネチックスターラを用いて200〜500(rpm)の範囲内、例えば400(rpm)程度の回転数で回転子を回転させることで行う。この混合・攪拌を例えば10分間行った後、工程18においてペーストの入った容器に対し超音波洗浄器により超音波振動を例えば10分間与えることにより、粒子の分散を行なう。続いて工程19では、工程17と同様に、マグネチックスターラーを用いた撹拌を行なう。そして、その攪拌を継続したまま、工程20においてこの分散液に前記燐酸ジルコニウムゲル懸濁液をピペット等を用いて滴下する。燐酸ジルコニウムゲル懸濁液の滴下量は、例えば固形分すなわちPt/C触媒との合計量の10〜50(wt%)である。工程21では、滴下終了後、混合・攪拌を10分間継続する。この工程21でも、例えばマグネチックスターラを用いた10分間の攪拌の後、超音波振動を10分間程度与えて粒子を分散させることが好ましい。これにより、燐酸ジルコニウムゲル懸濁液が一様に分散した触媒ペーストが得られる。   Next, in step 17, the above dispersion is mixed and stirred. This processing is performed, for example, by rotating the rotor at a rotational speed of about 400 (rpm) within a range of 200 to 500 (rpm) using a magnetic stirrer. After mixing and stirring for 10 minutes, for example, particles are dispersed by applying ultrasonic vibration to the container containing the paste in step 18 with an ultrasonic cleaner for 10 minutes, for example. Subsequently, in step 19, as in step 17, stirring using a magnetic stirrer is performed. Then, with the stirring continued, in step 20, the zirconium phosphate gel suspension is dropped into the dispersion using a pipette or the like. The dripping amount of the zirconium phosphate gel suspension is, for example, 10 to 50 (wt%) of the total amount of the solid content, that is, the Pt / C catalyst. In step 21, mixing and stirring are continued for 10 minutes after completion of the dropping. Also in this step 21, it is preferable to disperse the particles by applying ultrasonic vibration for about 10 minutes after stirring for 10 minutes using, for example, a magnetic stirrer. Thereby, a catalyst paste in which the zirconium phosphate gel suspension is uniformly dispersed is obtained.

このようにして触媒ペーストを調製して、これをカーボンペーパーに塗布し、例えば室温で一晩乾燥させた後、それぞれ触媒層を設けた2枚のカーボンペーパーの間に、それら触媒層を内側にしてNafion等から成る電解質膜を挟み、ホットプレスを施す。触媒ペーストの塗布量は、例えばPt量0.25(mg/cm2)に相当する量で、刷毛塗りやディップコート等の適宜の方法で行われる。また、ホットプレスは、例えば、温度130(℃)程度、圧力5.3(MPa)程度、加熱加圧時間1分間で行う。これにより、前記MEA10が得られる。 In this way, a catalyst paste is prepared, applied to carbon paper, dried at room temperature overnight, for example, and then the catalyst layer is placed inside between two carbon papers each provided with a catalyst layer. Sandwich the electrolyte membrane made of Nafion etc. and hot press. The application amount of the catalyst paste is, for example, an amount corresponding to a Pt amount of 0.25 (mg / cm 2 ), and is performed by an appropriate method such as brush coating or dip coating. The hot press is performed, for example, at a temperature of about 130 (° C.), a pressure of about 5.3 (MPa), and a heating and pressing time of 1 minute. Thereby, the MEA 10 is obtained.

したがって、本実施例によれば、Pt/C触媒分散液を攪拌しつつこれに燐酸ジルコニウムゲル懸濁液を滴下することから、燐酸ジルコニウムゲル懸濁液が一様に分散した触媒ペーストが得られ、前記触媒層14,16は、このような触媒ペーストを用いて形成されるので、燐酸ジルコニウムが一様に分散した組織が得られる。その結果、電子伝導性やガス拡散性を十分に保ちながら、プロトン伝導性が高められるので、高分子電解質が用いられることなく、前述したような高い電池特性が得られるものと考えられる。   Therefore, according to this example, since the zirconium phosphate gel suspension was dropped into the Pt / C catalyst dispersion while stirring, a catalyst paste in which the zirconium phosphate gel suspension was uniformly dispersed was obtained. Since the catalyst layers 14 and 16 are formed using such a catalyst paste, a structure in which zirconium phosphate is uniformly dispersed is obtained. As a result, proton conductivity is enhanced while sufficiently maintaining electron conductivity and gas diffusivity, and it is considered that the high battery characteristics as described above can be obtained without using a polymer electrolyte.

また、本実施例によれば、触媒ペーストには何ら有機化合物が含まれないので、安定性に優れる利点もある。   Moreover, according to the present Example, since an organic compound is not contained in a catalyst paste, there also exists an advantage which is excellent in stability.

下記の表1および図5は、前記MEA10の製造過程において、触媒ペーストを調製する際の燐酸ジルコニウムゲル懸濁液の滴下量を60(wt%)までの範囲で変化させてMEA10の電池特性を測定した結果をまとめたものである。各試料の製造条件は、燐酸ジルコニウムゲル懸濁液の量が異なり、延いては、触媒層14,16中の燐酸ジルコニウムの含有量が異なる他は、全て前述したものと同一とした。表1において、「ZrP導入量」は、滴下した燐酸ジルコニウムゲル懸濁液中の固形分燐酸ジルコニウムの量を触媒ペースト中の全固形物量に対する百分率で表したものである。また、「OCV」は、開放電圧、「電流密度」は、電圧が0.4(V)および0.6(V)のときの電流密度である。   Table 1 and FIG. 5 below show the battery characteristics of the MEA 10 by changing the dripping amount of the zirconium phosphate gel suspension when preparing the catalyst paste in the MEA 10 manufacturing process in a range of up to 60 (wt%). The results of measurement are summarized. The production conditions of each sample were the same as described above except that the amount of the zirconium phosphate gel suspension was different, and thus the zirconium phosphate contents in the catalyst layers 14 and 16 were different. In Table 1, “ZrP introduction amount” represents the amount of solid zirconium phosphate in the dropped zirconium phosphate gel suspension as a percentage of the total solid content in the catalyst paste. “OCV” is the open circuit voltage, and “current density” is the current density when the voltage is 0.4 (V) and 0.6 (V).

Figure 2010238415
Figure 2010238415

また、電流密度は、図6に概略構成を示す燃料電池評価装置30を用いて測定した。図6において、燃料供給源32から燃料として例えば水素がアノード側加湿槽34を経由してアノード側のガス拡散電極18に供給される。水素および水が供給される電極18上では下記(1)式の酸化反応が生じ、プロトンH+と電子e-が発生する。プロトンは電解質層12内を通ってカソード側の触媒層16に向かって流れ、電子は電極18に接続された図示しない端子から取り出され、外部回路を経由して負荷36に流れる。負荷36に供給された電子は、更に外部回路を経由して触媒層16に向かう。そして、触媒層16上において、プロトンおよび電子が、酸素供給源(或いは空気供給源)38からカソード側加湿槽40を経由して供給された酸素との間で下記(2)式の還元反応を発生させる。なお、燃料側は水素に代えてメタノールを供給してもよく、その場合の酸化反応を下記(3)式に示す。
3H2 → 6H+ + 6e- ・・・(1)
3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O ・・・(2)
CH3OH + H2O → 6H+ + CO2 + 6e- ・・・(3)
Further, the current density was measured using a fuel cell evaluation apparatus 30 whose schematic configuration is shown in FIG. In FIG. 6, for example, hydrogen is supplied from the fuel supply source 32 to the anode-side gas diffusion electrode 18 through the anode-side humidifying tank 34 as fuel. On the electrode 18 to which hydrogen and water are supplied, an oxidation reaction of the following formula (1) occurs, and protons H + and electrons e are generated. Protons flow through the electrolyte layer 12 toward the catalyst layer 16 on the cathode side, and electrons are extracted from a terminal (not shown) connected to the electrode 18 and flow to the load 36 via an external circuit. The electrons supplied to the load 36 further travel to the catalyst layer 16 via an external circuit. Then, on the catalyst layer 16, protons and electrons undergo a reduction reaction of the following formula (2) with oxygen supplied from the oxygen supply source (or air supply source) 38 via the cathode side humidification tank 40. generate. Note that methanol may be supplied on the fuel side instead of hydrogen, and the oxidation reaction in that case is shown in the following equation (3).
3H 2 → 6H + + 6e - ··· (1)
3 / 2O 2 + 6H + + 6e - → 3H 2 O ··· (2)
CH 3 OH + H 2 O → 6H + + CO 2 + 6e - ··· (3)

前記表1および図5に示す電流密度は、上記の評価装置30において、セル(MEA)10、加湿槽34,40、アノードガスの温度をそれぞれ70(℃)、水素流量(アノード側)を0.2(l/min)、空気流量(カソード側)を1.5(l/min)に保って、負荷36を調節することで電流密度を変化させつつ端子電圧を測定し、それら電流密度および端子電圧から算出した最大値である。   The current densities shown in Table 1 and FIG. 5 are as follows. In the evaluation apparatus 30, the temperature of the cell (MEA) 10, the humidifying tanks 34 and 40, the anode gas is 70 (° C.), and the hydrogen flow rate (anode side) is 0.2. (l / min), keeping the air flow rate (cathode side) at 1.5 (l / min), adjusting the load 36, measuring the terminal voltage while changing the current density, and calculating from the current density and terminal voltage It is the maximum value.

上記の表1および図5に示されるように、燐酸ジルコニウム量が10〜50(wt%)の範囲では、0.4(V)で430〜720(mA/cm2)、0.6(V)で140〜210(mA/cm2)の電流密度が得られた。0(wt%)および60(wt%)の曲線と、他の10〜50(wt%)の曲線とを比較すると、燐酸ジルコニウムの僅かな添加で電流密度が飛躍的に向上するが、20(wt%)で最大値を示し、過剰に添加すると却って電流密度が低下する傾向が認められる。50(wt%)までは電流密度の向上効果が明らかである。 As shown in Table 1 and FIG. 5, when the amount of zirconium phosphate is in the range of 10 to 50 (wt%), 0.4 (V) is 430 to 720 (mA / cm 2 ), 0.6 (V) is 140 to A current density of 210 (mA / cm 2 ) was obtained. Comparing the curves of 0 (wt%) and 60 (wt%) with the other curves of 10-50 (wt%), the current density is dramatically improved with a slight addition of zirconium phosphate. wt%) shows a maximum value, and when added excessively, the current density tends to decrease. Up to 50 wt%, the current density improvement effect is clear.

燐酸ジルコニウムが添加されると、触媒層14,16中でこれがプロトンパスを形成するが、10〜50(wt%)の範囲では、電子伝導性およびガス拡散性とプロトン伝導性との良好なバランスが得られるものと考えられる。10(wt%)の添加で発電特性が著しく向上しているが、これは、触媒層14,16中に燐酸ジルコニウムによってプロトンパスが形成されたことを示唆している。添加量が多くなると却って発電特性が低下傾向を示すのは、燐酸ジルコニウムが多くなると、カーボンブラック相互の接触が妨げられて電子伝導性が低下すると共に、燐酸ジルコニウムがガス拡散を阻害することによるものと推測される。   When zirconium phosphate is added, it forms a proton path in the catalyst layers 14 and 16, but in the range of 10 to 50 (wt%), there is a good balance between electron conductivity and gas diffusivity and proton conductivity. Is considered to be obtained. Although the power generation characteristics are remarkably improved by the addition of 10 (wt%), this suggests that a proton path is formed in the catalyst layers 14 and 16 by zirconium phosphate. The reason why the power generation characteristics show a tendency to decrease when the amount added is large is that when the amount of zirconium phosphate increases, the contact between carbon blacks is hindered and the electron conductivity decreases, and the zirconium phosphate inhibits gas diffusion. It is guessed.

以上、本発明を図面を参照して詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施でき、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。   As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail with reference to drawings, this invention can be implemented also in another aspect, A various change can be added in the range which does not deviate from the main point.

10:MEA、12:電解質膜、14,16:触媒層、18,20:ガス拡散電極 10: MEA, 12: electrolyte membrane, 14, 16: catalyst layer, 18, 20: gas diffusion electrode

Claims (4)

固体高分子形燃料電池を構成するために固体高分子電解質上に気体を導き得る状態で設けられる多孔質の触媒層を製造するための触媒ペーストの調製方法であって、
触媒を担持した微細な担体を溶媒中に分散させた分散液を攪拌しつつ、その分散液中に燐酸ジルコニウムゲル懸濁液を滴下する懸濁液滴下工程を含むことを特徴とする触媒ペースト調製方法。
A method for preparing a catalyst paste for producing a porous catalyst layer provided in a state in which a gas can be guided on a solid polymer electrolyte to constitute a solid polymer fuel cell,
Preparation of catalyst paste characterized by including a suspension dropping step of dropping a zirconium phosphate gel suspension into a dispersion while stirring a dispersion in which a fine carrier carrying a catalyst is dispersed in a solvent Method.
前記懸濁液滴下工程は燐酸ジルコニウムがペースト中の固形分全量に対して10(wt%)以上且つ50(wt%)以下の範囲内の割合となるように前記燐酸ジルコニウムゲル懸濁液を滴下するものである請求項1の触媒ペースト調製方法。   In the suspension dropping step, the zirconium phosphate gel suspension is dropped so that the zirconium phosphate has a ratio in the range of 10 (wt%) to 50 (wt%) with respect to the total solid content in the paste. The method of preparing a catalyst paste according to claim 1. ジルコニウム前駆体粉末に燐酸を混合して反応させることにより前記燐酸ジルコニウムゲル懸濁液を合成する懸濁液合成工程を含むものである請求項1または請求項2の触媒ペースト調製方法。   3. The method of preparing a catalyst paste according to claim 1, further comprising a suspension synthesis step of synthesizing the zirconium phosphate gel suspension by mixing phosphoric acid with the zirconium precursor powder and reacting the mixture. ジルコニウム溶液にキレート剤を混合して反応させることにより前記ジルコニウム前駆体粉末を合成する前駆体合成工程を含むものである請求項3の触媒ペースト調製方法。   The catalyst paste preparation method according to claim 3, comprising a precursor synthesis step of synthesizing the zirconium precursor powder by mixing and reacting a chelating agent with a zirconium solution.
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