JP2011171120A - Manufacturing method of electrode catalyst - Google Patents

Manufacturing method of electrode catalyst Download PDF

Info

Publication number
JP2011171120A
JP2011171120A JP2010033880A JP2010033880A JP2011171120A JP 2011171120 A JP2011171120 A JP 2011171120A JP 2010033880 A JP2010033880 A JP 2010033880A JP 2010033880 A JP2010033880 A JP 2010033880A JP 2011171120 A JP2011171120 A JP 2011171120A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
catalyst
beads
rotor
carbon
ionomer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2010033880A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yuichi Takehira
祐一 竹平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2010033880A priority Critical patent/JP2011171120A/en
Publication of JP2011171120A publication Critical patent/JP2011171120A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

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

Landscapes

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

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of electrode catalyst capable of superbly dispersing catalyst-carrying carbon or ionomers, while preventing aggregation with one another. <P>SOLUTION: The manufacturing method of the electrode catalyst includes (1) an electrode material preparing process, (2) a crushing dispersion process, and (3) a coating and drying process. In (2) the crushing dispersion process, when a rotor 14 is rotated with supply of catalyst ink, a drift velocity difference is generated among beads 18 of a stirring space 16. According to this, the shearing force, grinding stress, friction, or the like, are generated among the beads 18 so as to be able to crush and disperse the catalyst ink. Hence, in this process, adjoining beads 18 can be made to flow in a reverse direction, as shown in Fig.2(B). and shearing force can be mainly generated among the beads 18. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

この発明は、電極触媒の製造方法に関し、より詳細には、燃料電池用の電極触媒の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing an electrode catalyst, and more particularly to a method for producing an electrode catalyst for a fuel cell.

従来、例えば特許文献1には、白金担持カーボン、アイオノマーのアルコール溶液及び有機溶媒を、遊星ボールミルやホモジナイザーで撹拌することにより電極触媒を製造する方法が開示されている。カーボンペーパーといった多孔質のガス拡散基材に電極ペーストを塗布すると、この電極ペーストがガス拡散基材の内部に入り込んでしまう問題がある。電極ペーストがガス拡散基材の内部に入り込むと、ガス拡散基材の細孔が閉じてしまうことになる。このため、ガス拡散基材がその機能を発揮できず、結果として、電極触媒中の触媒利用率が低下する可能性が高い。そこで、特許文献1では、遊星ボールミルやホモジナイザーで撹拌し、複数の白金担持カーボンが一次粒子の状態で繋がった構造体を形成させ、更に、これらの構造体を高度に絡み合わせている。これにより、撹拌後の電極ペーストに粘度を持たせることができる。したがって、電極ペーストがガス拡散基材内部へ入り込むのを防止できる。   Conventionally, for example, Patent Document 1 discloses a method for producing an electrode catalyst by stirring platinum-supported carbon, an alcohol solution of ionomer, and an organic solvent with a planetary ball mill or a homogenizer. When an electrode paste is applied to a porous gas diffusion substrate such as carbon paper, there is a problem that the electrode paste enters the gas diffusion substrate. When the electrode paste enters the gas diffusion base material, the pores of the gas diffusion base material are closed. For this reason, a gas diffusion base material cannot exhibit the function, As a result, possibility that the catalyst utilization rate in an electrode catalyst will fall is high. Therefore, in Patent Document 1, stirring is performed with a planetary ball mill or a homogenizer to form a structure in which a plurality of platinum-supporting carbons are connected in the form of primary particles, and these structures are highly entangled. Thereby, viscosity can be given to the electrode paste after stirring. Therefore, it is possible to prevent the electrode paste from entering the gas diffusion base material.

特開2000−164224号公報JP 2000-164224 A

ところで、燃料電池に対しては、更なる発電性能の向上が求められている。このため、特許文献1に限られず、発電性能を向上させる様々な取り組みがなされてきているところである。しかしながら、各種の製造方法において、電極触媒用の材料の撹拌手法に着目したものは非常に少ない。また、撹拌手法に着目した特許文献1の方法あっても、撹拌が不十分な場合には、触媒担持カーボンやアイオノマーの分散が不良となるので、作製した電極触媒の触媒層抵抗(プロトン移動抵抗)が高くなり、燃料電池の出力の低下に繋がる可能性があった。また、撹拌が進みすぎる場合には、触媒担持カーボンやアイオノマー同士が凝集してしまい、作製した電極触媒の反応ガス拡散性を低下させるので、上記同様、燃料電池の出力低下に繋がる可能性があった。   By the way, further improvement in power generation performance is required for fuel cells. For this reason, not only Patent Document 1 but various efforts to improve power generation performance have been made. However, in various production methods, very few have focused on the method of stirring the electrode catalyst material. Further, even in the method of Patent Document 1 that focuses on the stirring method, if the stirring is insufficient, the dispersion of the catalyst-supporting carbon and ionomer becomes poor, so that the catalyst layer resistance (proton transfer resistance) of the produced electrode catalyst becomes poor. ) May increase, leading to a decrease in the output of the fuel cell. In addition, if the stirring is excessive, the catalyst-carrying carbon and ionomer are aggregated, and the reaction gas diffusibility of the produced electrode catalyst is reduced, which may lead to a decrease in the output of the fuel cell as described above. It was.

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、触媒担持カーボンやアイオノマー同士の凝集を防止しつつ、これらを良好に分散させることが可能な電極触媒の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and provides an electrode catalyst manufacturing method capable of satisfactorily dispersing the catalyst-supporting carbon and ionomer while preventing aggregation thereof. For the purpose.

第1の発明は、上記の目的を達成するため、電極触媒の製造方法であって、
触媒担持カーボンと、固体高分子電解質成分としてのアイオノマーとを含む電極触媒用材料を調製する工程と、
円筒状のローターを内装する円筒状のベゼルを備え、前記ローターの外周壁と、前記ベゼルの内周壁との間に幅5mm以上9mm以下のミリング槽が形成されたミリング装置を準備し、調製した前記電極触媒用材料と、平均粒径0.1mm以上0.3mm以下のビーズとを、前記ミリング槽に投入する工程と、
前記ローターを1.5m/s以上5.0m/s未満の周速で回転させて前記ビーズを流動させることにより、投入した前記電極触媒用材料を破砕分散する工程と、
を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a first invention is a method for producing an electrode catalyst,
A step of preparing an electrode catalyst material comprising a catalyst-supporting carbon and an ionomer as a solid polymer electrolyte component;
Prepared and prepared a milling device comprising a cylindrical bezel that houses a cylindrical rotor, and a milling tank having a width of 5 mm to 9 mm formed between the outer peripheral wall of the rotor and the inner peripheral wall of the bezel Charging the electrode catalyst material and beads having an average particle size of 0.1 mm or more and 0.3 mm or less into the milling tank;
Crushing and dispersing the charged electrocatalyst material by rotating the rotor at a peripheral speed of 1.5 m / s or more and less than 5.0 m / s to flow the beads;
It is characterized by providing.

第1の発明によれば、幅5mm以上9mm以下のミリング槽において、電極触媒用材料と、平均粒径0.1mm以上0.3mm以下のビーズとを、周速1.5m/s以上5.0m/s未満でローターを回転させてビーズを流動させることにより、投入した電極触媒用材料を破砕分散することができる。これにより、電極触媒用材料中の触媒担持カーボンやアイオノマーが良好に破砕、分散するために必要なせん断力を加えることができる。したがって、触媒担持カーボンやアイオノマー同士の凝集を防止しつつ、これらを良好に分散させることができる。   According to the first invention, in the milling tank having a width of 5 mm or more and 9 mm or less, the electrode catalyst material and beads having an average particle diameter of 0.1 mm or more and 0.3 mm or less are fed at a peripheral speed of 1.5 m / s or more and 5. By rotating the rotor at less than 0 m / s to cause the beads to flow, the charged electrode catalyst material can be crushed and dispersed. Thereby, a shearing force necessary for satisfactorily crushing and dispersing the catalyst-supporting carbon and ionomer in the electrode catalyst material can be applied. Therefore, these can be favorably dispersed while preventing aggregation of the catalyst-supporting carbon and ionomer.

実施形態の製造方法の工程図である。It is process drawing of the manufacturing method of embodiment. 破砕分散工程に用いるロータータイプのビーズミルを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the rotor type bead mill used for a crushing dispersion | distribution process. ピンタイプのビーズミルを説明するための図である。It is a figure for demonstrating a pin type bead mill. 各種分散装置を用いた破砕分散工程前後におけるインク状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the ink state before and behind the crushing dispersion | distribution process using various dispersion apparatuses. 粒度分布測定の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of a particle size distribution measurement. 触媒層抵抗の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of catalyst layer resistance. I−V特性試験の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of an IV characteristic test.

以下、図1〜図7を参照しながら、本実施形態の製造方法を開示する。図1は、実施形態の製造方法の工程図を表す。図1に示すように、本実施形態の製造方法は、(1)電極材料調製工程、(2)破砕分散工程、(3)塗布、乾燥工程、の各工程を含む。これら(1)〜(3)の各工程について詳細を説明する。   Hereinafter, the manufacturing method of the present embodiment will be disclosed with reference to FIGS. FIG. 1 is a process diagram of the manufacturing method according to the embodiment. As shown in FIG. 1, the manufacturing method of this embodiment includes (1) an electrode material preparation step, (2) a crushing and dispersing step, and (3) a coating and drying step. Details of these steps (1) to (3) will be described.

(1)電極触媒用材料調製工程
本工程は、触媒担持カーボンと、固体高分子電解質成分としてのアイオノマーとを含む電極触媒用の材料を調製する工程である。
(1) Electrocatalyst material preparation step This step is a step of preparing an electrode catalyst material containing catalyst-supporting carbon and an ionomer as a solid polymer electrolyte component.

本工程では、先ず、カーボンに触媒を担持させる。具体的には、カーボンを、触媒となる金属の化合物溶液中に分散させて、含浸法や共沈法、あるいはイオン交換法によって担持させる。ここで、カーボンとしては、カーボンブラックが最も一般的であるが、その他にも黒鉛、炭素繊維、活性炭等やこれらの粉砕物、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等の炭素化合物等が使用できる。また、これらの2種類以上を混合して使用することもできる。また、触媒としては、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、又はそれらの合金等が挙げられる。これらの2種類以上を複合したものも用いることもできる。   In this step, first, a catalyst is supported on carbon. Specifically, carbon is dispersed in a metal compound solution serving as a catalyst and supported by an impregnation method, a coprecipitation method, or an ion exchange method. Here, carbon black is most commonly used as carbon. In addition, graphite, carbon fiber, activated carbon and the like, pulverized products thereof, carbon compounds such as carbon nanofiber and carbon nanotube, and the like can be used. Moreover, these two or more types can be mixed and used. Examples of the catalyst include platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osnium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and the like, or alloys thereof. It is done. A composite of these two or more types can also be used.

例えば、カーボンとしてカーボンブラックを用い、触媒として白金を用いる場合には、エタノールやイソプロパノール等のアルコール中に、テトラアンミン白金塩溶液やジニトロジアンミン白金溶液や白金硝酸塩溶液、あるいは塩化白金酸溶液等を適量溶解させた白金塩溶液中に、カーボンブラックを分散させる。その後、この白金塩溶液を水素雰囲気中で200℃以上に加熱して白金を還元させる。これにより、カーボンブラックに白金粒子を担持させることができる。   For example, when carbon black is used as carbon and platinum is used as a catalyst, a suitable amount of tetraammine platinum salt solution, dinitrodiammine platinum solution, platinum nitrate solution, or chloroplatinic acid solution is dissolved in an alcohol such as ethanol or isopropanol. Carbon black is dispersed in the platinum salt solution. Thereafter, this platinum salt solution is heated to 200 ° C. or higher in a hydrogen atmosphere to reduce platinum. Thereby, platinum particles can be carried on carbon black.

続いて、得られた触媒担持カーボンを、適当な水及びアルコール等の有機溶剤中に分散させる。更に、アイオノマーのアルコール溶液を添加する。これにより、電極触媒用材料(以下、「触媒インク」ともいう。)が調製できる。ここで、アイオノマーは、電極触媒中のプロトン伝導部位として機能するものであり、一般に、側鎖にリン酸基、スルホン酸基等を導入した炭化水素系の高分子電解質から構成される。アイオノマーのアルコール溶液としては、例えば、アルドリッチ社製のナフィオン(登録商標)溶液が挙げられる。   Subsequently, the obtained catalyst-supported carbon is dispersed in an appropriate organic solvent such as water and alcohol. Further, an ionomer alcohol solution is added. Thereby, an electrode catalyst material (hereinafter also referred to as “catalyst ink”) can be prepared. Here, the ionomer functions as a proton conducting site in the electrode catalyst, and is generally composed of a hydrocarbon-based polymer electrolyte in which a phosphate group, a sulfonate group or the like is introduced into the side chain. Examples of the ionomer alcohol solution include a Nafion (registered trademark) solution manufactured by Aldrich.

(2)破砕分散工程
本工程は、ローターを有するビーズミルを用い、ローターを1.5m/s以上5.0m/s未満の周速で回転させてビーズを流動させることにより(1)の工程で調製した触媒インクを破砕分散させる工程である。
(2) Crushing and dispersing step This step is a step (1) by using a bead mill having a rotor and rotating the rotor at a peripheral speed of 1.5 m / s or more and less than 5.0 m / s to flow the beads. In this step, the prepared catalyst ink is crushed and dispersed.

本工程を図2〜図4を用いて詳細に説明する。図2は、ロータータイプのビーズミルの説明図であり、図3は、ピンタイプのビーズミルの説明図である。図4は、各種分散装置を用いた破砕分散工程の前後における触媒インクの状態の説明図である。   This process will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 2 is an explanatory diagram of a rotor type bead mill, and FIG. 3 is an explanatory diagram of a pin type bead mill. FIG. 4 is an explanatory diagram of the state of the catalyst ink before and after the crushing and dispersing step using various dispersing devices.

図2(A)に示すように、本工程では、ロータータイプのビーズミル10を用いる。ビーズミル10は、その中心線が鉛直方向を向いている円筒状のベゼル12を備えるタイプである。ベゼル12内には、円筒状のローター14が内装されている。これにより、ベゼル12の内周壁とローター3の外周壁との間には、触媒インクを破砕、分散する撹拌スペース16が環状に形成される。ここで、撹拌スペース16の幅は、5mm以上9mm以下に設計されている。ベゼル12には、周壁上部に触媒インク及びビーズを供給する供給口(図示せず)が、側壁部に触媒インク及びビーズを排出する排出口(図示せず)が、それぞれ形成されている。したがって、触媒インクはポンプ等によって上記の供給口からベゼル12内に圧送され、撹拌スペース16を流れて排出口から排出される。   As shown in FIG. 2A, a rotor type bead mill 10 is used in this step. The bead mill 10 is of a type including a cylindrical bezel 12 whose center line is oriented in the vertical direction. A cylindrical rotor 14 is housed inside the bezel 12. As a result, a stirring space 16 for crushing and dispersing the catalyst ink is formed in an annular shape between the inner peripheral wall of the bezel 12 and the outer peripheral wall of the rotor 3. Here, the width of the stirring space 16 is designed to be 5 mm or more and 9 mm or less. In the bezel 12, a supply port (not shown) for supplying catalyst ink and beads is formed on the upper peripheral wall, and a discharge port (not shown) for discharging catalyst ink and beads is formed on the side wall. Therefore, the catalyst ink is pumped from the supply port into the bezel 12 by a pump or the like, flows through the stirring space 16 and is discharged from the discharge port.

ビーズミルの10の動作について、図2(A)、(B)を用いて説明する。触媒インクを供給しながらローター14を回転させると、撹拌スペース16のビーズ18間において、流動速度差が生じる。これにより、ビーズ18間にせん断力やずり応力、摩擦などを発生させて、触媒インクを破砕分散できる。特に本工程によれば、図2(B)に示すように、隣り合うビーズ18を逆方向に流動させることができる。したがって、これらビーズ18間において、主としてせん断力を生じさせることができる。この結果、後述する実施例で明らかにするように、触媒担持カーボン粒子がアイオノマー内に良好に分散された電極触媒を製造できる。   10 operations of the bead mill will be described with reference to FIGS. When the rotor 14 is rotated while supplying the catalyst ink, a difference in flow rate occurs between the beads 18 in the stirring space 16. Thereby, a shearing force, a shear stress, friction, etc. are generated between the beads 18, and the catalyst ink can be crushed and dispersed. In particular, according to this step, as shown in FIG. 2 (B), adjacent beads 18 can flow in the opposite direction. Therefore, a shearing force can be mainly generated between the beads 18. As a result, an electrode catalyst in which the catalyst-carrying carbon particles are well dispersed in the ionomer can be produced, as will be clarified in Examples described later.

上記ロータータイプのビーズミルとの比較として、図3にピンタイプのビーズミルを示す。図3(A)に示すように、ピンタイプのビーズミル20は、円筒状のベゼル22を備え、ベゼル22内には、円筒状のローター24が内装されている。ローター24の外周壁には、ベゼル22の中心軸と直交する方向に中心軸が形成されたピン25が複数設けられている。このため、ベゼル22の内周壁とローター24の外周壁との間に形成された撹拌スペース26は、一般に、図2(A)の撹拌スペース16よりも広く形成される。   As a comparison with the rotor type bead mill, FIG. 3 shows a pin type bead mill. As shown in FIG. 3A, the pin type bead mill 20 includes a cylindrical bezel 22, and a cylindrical rotor 24 is housed in the bezel 22. A plurality of pins 25 having a central axis formed in a direction orthogonal to the central axis of the bezel 22 are provided on the outer peripheral wall of the rotor 24. For this reason, the stirring space 26 formed between the inner peripheral wall of the bezel 22 and the outer peripheral wall of the rotor 24 is generally formed wider than the stirring space 16 in FIG.

複数のピン25が設けられていることで、ロータータイプのビーズミルと同一の周速としたときに、より強い撹拌力を触媒インクに加えることができる。特に、複数のピン25の周辺では、ピン25の上方から圧送されてきたビーズを、圧送方向とは異なる方向に流動させることができる。したがって、ピンタイプのビーズミルを用いた場合、図3(B)に示すように、隣り合うビーズ28を鉛直方向に強い力で衝突させることが可能となる。このような鉛直方向への強い衝突は、ピンの代わりにディスクを設けたディスクタイプのビーズミルによっても可能である。しかしながら、このような強い衝突による粉砕は、衝突エネルギーが強すぎるという問題がある。衝突エネルギーが強すぎると、せっかく破砕したカーボン粒子が再凝集してしまう場合がある。   By providing the plurality of pins 25, a stronger stirring force can be applied to the catalyst ink when the peripheral speed is the same as that of the rotor type bead mill. In particular, around the plurality of pins 25, the beads that have been pumped from above the pins 25 can be made to flow in a direction different from the pumping direction. Therefore, when a pin-type bead mill is used, adjacent beads 28 can collide with a strong force in the vertical direction as shown in FIG. Such a strong collision in the vertical direction is also possible by a disk type bead mill in which a disk is provided instead of a pin. However, the pulverization by such a strong collision has a problem that the collision energy is too strong. If the collision energy is too strong, the crushed carbon particles may reaggregate.

また、ピンタイプのビーズミル以外の撹拌装置を用いた場合にも、それぞれ他の問題が生じる。更に、ロータータイプのビーズミルを用いた場合であっても、撹拌する際の条件が異なる場合には、必ずしも分散が良好とならないこともある。これらの現象に関して、図4を用いて説明する。   In addition, when a stirring device other than a pin type bead mill is used, other problems arise. Furthermore, even when a rotor type bead mill is used, dispersion may not always be good if the conditions for stirring are different. These phenomena will be described with reference to FIG.

図4に示すように、破砕分散工程の前は、触媒担持カーボン、溶媒、アイオノマーが単に同一系に存在する状態である。即ち、カーボンはカーボン、アイオノマーはアイオノマーというように別々に存在している。一方、破砕分散工程の後には、触媒担持カーボンの粒子がアイオノマーで被覆されることになる。   As shown in FIG. 4, before the crushing and dispersing step, the catalyst-supporting carbon, the solvent, and the ionomer are simply present in the same system. That is, carbon exists separately, and ionomer exists separately as ionomer. On the other hand, after the crushing and dispersing step, the catalyst-supporting carbon particles are coated with the ionomer.

図4(A)に、超音波ホモジナイザーを用いて破砕分散工程を行った後の触媒インクの状態を示す。図4(A)に示すように、超音波ホモジナイザーを用いて破砕分散を行った場合、分散が進めば、カーボン粒子をアイオノマーで被覆することはできる。しかし、同図に示すように、アイオノマーは、それぞれが分離した状態となってしまう。アイオノマーのそれぞれが分離した状態では、離れたアイオノマーにプロトンを伝導させることができない。また、同図に示すように、カーボン粒子を被覆していないアイオノマー同士で凝集してしまうこともある。アイオノマー同士で凝集した場合には、プロトンの伝導はできる。しかし、アイオノマー内に触媒が存在しないので、電気化学反応を起こすことができない。   FIG. 4A shows the state of the catalyst ink after the crushing and dispersing step using an ultrasonic homogenizer. As shown in FIG. 4A, when the crushing dispersion is performed using an ultrasonic homogenizer, the carbon particles can be coated with the ionomer as the dispersion progresses. However, as shown in the figure, the ionomers are separated from each other. When the ionomers are separated from each other, protons cannot be conducted to remote ionomers. In addition, as shown in the figure, the ionomers that are not coated with carbon particles may aggregate together. When the ionomers are aggregated, protons can be conducted. However, since there is no catalyst in the ionomer, an electrochemical reaction cannot occur.

図4(C)に、ローラータイプのビーズミルを用い、強い力で撹拌して破砕分散工程を行った後の触媒インクの状態を示す。図4(C)に示すように、ローラータイプのビーズミルを用いた場合でも、強い力で撹拌した場合には、エネルギーが過大となる。そのため、アイオノマーで被覆されたカーボン粒子が過分散してしまう。この結果、せっかく破砕したカーボン粒子が再凝集してしまう。カーボン粒子が再凝集しても、プロトンの伝導や運搬は可能である。しかし、再凝集することで、複数のカーボン粒子が二次粒子を構成し、アイオノマー中に溶解した反応ガスの拡散を阻害する可能性がある。したがって、例えば、燃料電池を高負荷運転する場合、反応ガスの供給量を増加させたにも関らず、出力が低下してしまう原因となる。また、これら再凝集したカーボン粒子は、個々の凝集体として分離する可能性もある。この場合、各凝集体間にアイオノマーが不存在となるため、離れた凝集体にプロトンを伝導させることができない。   FIG. 4C shows a state of the catalyst ink after performing a crushing and dispersing process by stirring with a strong force using a roller type bead mill. As shown in FIG. 4C, even when a roller-type bead mill is used, energy is excessive when stirred with a strong force. For this reason, the carbon particles coated with the ionomer are excessively dispersed. As a result, the crushed carbon particles reaggregate. Even if the carbon particles are re-aggregated, protons can be conducted and transported. However, re-aggregation may cause a plurality of carbon particles to form secondary particles and inhibit diffusion of the reaction gas dissolved in the ionomer. Therefore, for example, when the fuel cell is operated at a high load, the output is reduced despite an increase in the supply amount of the reaction gas. Further, these re-aggregated carbon particles may be separated as individual aggregates. In this case, since no ionomer is present between the aggregates, protons cannot be conducted to the separated aggregates.

一方、図4(B)に示すように、本実施形態の破砕分散工程では、ローラータイプのビーズミルを用いて弱い力で撹拌する。これにより、カーボン粒子をアイオノマーで被覆すると同時に、このアイオノマー同士をせん断で引き伸ばす。したがって、同図に示すように、アイオノマーが繊維状に絡み合うネットワークを構築できる。   On the other hand, as shown in FIG. 4B, in the crushing and dispersing step of the present embodiment, stirring is performed with a weak force using a roller type bead mill. As a result, the carbon particles are coated with the ionomer, and at the same time, the ionomers are stretched by shearing. Therefore, as shown in the figure, it is possible to construct a network in which ionomers are intertwined in a fibrous form.

弱い力で撹拌するためには、ローター14の周速を低く設定することが必要である。具体的に、ローター14の周速を、1.5m/s以上5.0m/s未満に設定する。ローター14の周速を上記範囲に設定すれば、カーボン粒子の再凝集や分散不良を防止できる。   In order to stir with a weak force, it is necessary to set the circumferential speed of the rotor 14 low. Specifically, the circumferential speed of the rotor 14 is set to 1.5 m / s or more and less than 5.0 m / s. If the peripheral speed of the rotor 14 is set within the above range, reaggregation and poor dispersion of carbon particles can be prevented.

また、撹拌スペース16において、カーボン粒子やアイオノマー同士の凝集を防止し、良好に分散させるために、ビーズ18は微小なものを用いる。具体的に、ビーズ18の粒子径(平均)は、0.1mm以上0.3mm以下である。ビーズ18の粒子径を上記範囲とすれば、隣り合うビーズ18の衝撃によるエネルギーの発生を抑制でき、カーボン粒子の再凝集を防止できる。   In addition, in order to prevent the carbon particles and ionomers from agglomerating in the stirring space 16 and to disperse them well, fine beads 18 are used. Specifically, the particle diameter (average) of the beads 18 is 0.1 mm or more and 0.3 mm or less. If the particle diameter of the beads 18 is within the above range, energy generation due to impact of adjacent beads 18 can be suppressed, and reaggregation of carbon particles can be prevented.

(3)塗布、乾燥工程
本工程は、上記(2)破砕分散工程により得られた触媒インクを所定の基材上に塗布し、その後乾燥させる工程である。所定の基材としては、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン等が挙げられる。このような基材上に、例えば、グラビア印刷、スプレー法、アプリケーター法、スクリーン印刷、ドクターブレード法、あるいはインクジェット法により触媒インクを塗布する。続いて、触媒インク中の溶媒を乾燥除去する。乾燥温度や乾燥時間は、溶媒の沸点や、触媒インクの厚み等に応じて適宜変更できる。これにより、基材上に電極触媒が形成される。
なお、本工程は、触媒インクを所定の基材上ではなく、電解質膜上に塗布し、その後、触媒インク中の溶媒を乾燥除去する工程であってもよい。
(3) Application and drying step This step is a step in which the catalyst ink obtained by the above (2) crushing and dispersing step is applied on a predetermined substrate and then dried. Examples of the predetermined substrate include polyethylene, polyethylene terephthalate, and polytetrafluoroethylene. A catalyst ink is applied onto such a substrate by, for example, gravure printing, spraying, applicator method, screen printing, doctor blade method, or ink jet method. Subsequently, the solvent in the catalyst ink is removed by drying. The drying temperature and drying time can be appropriately changed according to the boiling point of the solvent, the thickness of the catalyst ink, and the like. Thereby, an electrode catalyst is formed on the substrate.
This step may be a step of applying the catalyst ink on the electrolyte membrane instead of on a predetermined substrate, and then drying and removing the solvent in the catalyst ink.

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples. In addition, this invention is not limited only to these Examples.

<試料の調製>
先ず、触媒インク用試料として、Ptをカーボンブラックに30wt%担持させたPt担持カーボン3.5g、溶媒として水44g、エタノール20gをそれぞれ秤量した。また、アイオノマーをI/C(アイオノマー/Pt担持カーボン中のカーボン重量)=0.75となるように秤量した。秤量したPt担持カーボンと水とを混合し、更に、エタノール、アイオノマーを添加して撹拌し、試料を調製した。
<Preparation of sample>
First, as a catalyst ink sample, 3.5 g of Pt-supported carbon in which 30 wt% of Pt was supported on carbon black, 44 g of water and 20 g of ethanol as solvents were weighed. The ionomer was weighed so that I / C (ionomer / carbon weight in Pt-supported carbon) = 0.75. A weighed Pt-supported carbon and water were mixed, and ethanol and ionomer were further added and stirred to prepare a sample.

[実施例1]
先ず、撹拌スペースの幅が7mm程度に調整されたロータータイプのビーズミルを準備した。次に、調製した上記試料をこのビーズミルに投入した。ビーズ径0.1mm、ローター周速2.5m/sで分散させて触媒インクを作製した。
その後、アプリケーターを用い、作製した触媒インクをPTFEシート上に塗工した。乾燥後、触媒インク面を電解質膜面に対向させて熱圧着し、その後にPTFEシートを剥離することでMEA化した。
[Example 1]
First, a rotor type bead mill in which the width of the stirring space was adjusted to about 7 mm was prepared. Next, the prepared sample was put into the bead mill. A catalyst ink was prepared by dispersing at a bead diameter of 0.1 mm and a rotor peripheral speed of 2.5 m / s.
Then, using the applicator, the produced catalyst ink was coated on the PTFE sheet. After drying, the catalyst ink surface was thermocompression bonded to the electrolyte membrane surface, and then the PTFE sheet was peeled to form MEA.

[比較例1]
ホモジナイザーを使用して、調製した上記試料を分散させて触媒インクを作製した。作製後、実施例1同様にMEA化した。
[Comparative Example 1]
Using a homogenizer, the prepared sample was dispersed to prepare a catalyst ink. After production, it was converted to MEA in the same manner as in Example 1.

[比較例2]
実施例1で使用したビーズミルを用い、調製した上記試料を、ビーズ径0.3mm、ローター周速10m/sで分散させて触媒インクを作製した。作製後、実施例1同様にMEA化した。
[Comparative Example 2]
Using the bead mill used in Example 1, the prepared sample was dispersed at a bead diameter of 0.3 mm and a rotor peripheral speed of 10 m / s to prepare a catalyst ink. After production, it was converted to MEA in the same manner as in Example 1.

<評価方法>
評価は、(i)分散後の各触媒インクにおける粒度分布測定、(ii)各MEAにおける触媒層抵抗測定、(iii)各MEAにおけるI−V特性観察、により行った。
なお、(i)は、レーザ回折式粒度分布測定装置を用い、粒度分布積算分率50%の値(D50)を算出することで評価した。(ii)は、交流インピーダンス測定装置(エヌエフ回路設計ブロック社製FRA)を用いて測定した値で評価した。具体的には、次の実験条件;温度=80℃、露点An/Ca=40℃/40℃、Bias=0.5V、Anガス(流速)/Caガス(流速)=H(0.5L/min)/N(0.5L/min)において、流振幅を±0.05V、周波数領域を0.1Hz〜10kHzとしてCole−Coleプロットを行う。スクリブナー社製ソフトのZプロットにて等価回路を組み、フィッテイングを行う。これにより求めた触媒層抵抗を評価した。(iii)の特性図は、各I−V特性を低加湿条件下で測定することで作成した。
<Evaluation method>
Evaluation was performed by (i) measurement of particle size distribution in each catalyst ink after dispersion, (ii) measurement of catalyst layer resistance in each MEA, and (iii) observation of IV characteristics in each MEA.
Note that (i) was evaluated by calculating a value (D50) of 50% of the particle size distribution integrated fraction using a laser diffraction particle size distribution measuring device. (ii) was evaluated by a value measured using an AC impedance measuring device (FRA manufactured by NF Circuit Design Block). Specifically, the following experimental conditions; temperature = 80 ° C., dew point An / Ca = 40 ° C./40° C., Bias = 0.5 V, An gas (flow rate) / Ca gas (flow rate) = H 2 (0.5 L / Min) / N 2 (0.5 L / min), Cole-Cole plot is performed with a flow amplitude of ± 0.05 V and a frequency region of 0.1 Hz to 10 kHz. An equivalent circuit is assembled with the Z plot of Scribner's software, and fitting is performed. The catalyst layer resistance thus determined was evaluated. The characteristic diagram of (iii) was created by measuring each IV characteristic under low humidification conditions.

実施例1、比較例1、2の結果を図5〜図7に示す。図5は、分散後の各触媒インクにおけるD50の結果を示す図である。図6は、各MEAにおける拡散層抵抗の結果を示す図である。図7は、各MEAにおけるI−V特性を示す図である。   The results of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 are shown in FIGS. FIG. 5 is a diagram showing the D50 result for each catalyst ink after dispersion. FIG. 6 is a diagram showing the results of diffusion layer resistance in each MEA. FIG. 7 is a diagram illustrating IV characteristics in each MEA.

図5から、比較例2、実施例1、比較例1の触媒インク順にD50値が小さくなっていることが分かる。D50値が小さくなる程、粒度が細かくなることを示す。比較例1の触媒インクの粒度が細かくなったのは、アイオノマー同士のネットワークが構築されていないためである。また、比較例2の触媒インクの粒度が粗くなったのは、ローターの周速を上げた結果、アイオノマーや白金担持カーボン粒子が再凝集したためである。   FIG. 5 shows that the D50 value decreases in the order of the catalyst inks of Comparative Example 2, Example 1, and Comparative Example 1. The smaller the D50 value, the finer the particle size. The reason why the particle size of the catalyst ink of Comparative Example 1 became fine is that the network of ionomers has not been constructed. The reason why the particle size of the catalyst ink of Comparative Example 2 became coarse is that ionomers and platinum-supported carbon particles reaggregated as a result of increasing the peripheral speed of the rotor.

図6から、実施例1及び比較例2の触媒層抵抗と比べ、比較例1の触媒層抵抗が極端に高くなっていることが分かる。触媒層抵抗が高くなったのは、アイオノマー同士のネットワークが構築されていないためである。一方、実施例1と比較例2の触媒層抵抗は、比較例1の触媒層抵抗に比べて低いことが分かる。   From FIG. 6, it can be seen that the catalyst layer resistance of Comparative Example 1 is extremely higher than the catalyst layer resistances of Example 1 and Comparative Example 2. The reason why the catalyst layer resistance is high is that a network of ionomers is not constructed. On the other hand, it can be seen that the catalyst layer resistance of Example 1 and Comparative Example 2 is lower than that of Comparative Example 1.

図6に示す触媒層抵抗の結果から、比較例2のMEAは、実施例1のMEA同様、触媒層抵抗が低いので、両者共に発電性能が良好となると考えられた。しかしながら、図7に示すように、同じ電流密度では、実施例1のMEAの電圧値は、比較例2における電圧値に比べて高い値を示していた。これは、ローターの周速を上げた結果、アイオノマーや白金担持カーボン粒子が再凝集したため、アイオノマー内における酸素の拡散性が低下したことによると考えられた。   From the result of the catalyst layer resistance shown in FIG. 6, since the MEA of Comparative Example 2 has a low catalyst layer resistance like the MEA of Example 1, it was considered that the power generation performance was good for both. However, as shown in FIG. 7, at the same current density, the voltage value of the MEA of Example 1 was higher than the voltage value of Comparative Example 2. This was thought to be due to the fact that the ionomer and platinum-supported carbon particles were re-agglomerated as a result of increasing the peripheral speed of the rotor, so that the diffusibility of oxygen in the ionomer decreased.

[実施例2]
実施例1で使用したビーズミルを用い、調製した上記試料を、平均粒径0.3mmビーズと共に投入した。ローター周速2.5m/sで分散させて触媒インクを作製した。作製後、実施例1同様にMEA化した。
[Example 2]
Using the bead mill used in Example 1, the prepared sample was charged together with beads having an average particle diameter of 0.3 mm. A catalyst ink was prepared by dispersing at a rotor peripheral speed of 2.5 m / s. After production, it was converted to MEA in the same manner as in Example 1.

[比較例3]
実施例1で使用したビーズミルを用い、調製した上記試料を、平均粒径0.3mmビーズと共に投入した。ローター周速5.0m/sで分散させて触媒インクを作製した。作製後、実施例1同様にMEA化した。
[Comparative Example 3]
Using the bead mill used in Example 1, the prepared sample was charged together with beads having an average particle diameter of 0.3 mm. A catalyst ink was prepared by dispersing at a rotor peripheral speed of 5.0 m / s. After production, it was converted to MEA in the same manner as in Example 1.

[比較例4]
実施例1で使用したビーズミルを用い、調製した上記試料を、平均粒径0.5mmビーズと共に投入した。ローター周速2.5m/sで分散させて触媒インクを作製した。作製後、実施例1同様にMEA化した。
[Comparative Example 4]
Using the bead mill used in Example 1, the prepared sample was charged together with beads having an average particle diameter of 0.5 mm. A catalyst ink was prepared by dispersing at a rotor peripheral speed of 2.5 m / s. After production, it was converted to MEA in the same manner as in Example 1.

<評価方法>
上記作製した実施例1、2及び比較例2〜4について、評価を行った。評価は、上記(i)、(ii)の他、(iv)0.4Vの際の電流密度により評価した。(iv)は、各MEAについてI−V特性曲線を作成することにより取得したものである。結果を下表に示す。

Figure 2011171120
<Evaluation method>
Evaluation was performed about the produced Examples 1 and 2 and Comparative Examples 2 to 4. In addition to the above (i) and (ii), the evaluation was based on (iv) current density at 0.4V. (iv) is obtained by creating an IV characteristic curve for each MEA. The results are shown in the table below.
Figure 2011171120

表から分かるように、ビーズ径を0.3mmとした場合は(実施例2)、実施例1よりも触媒層抵抗の低いMEAが得られ、0.4Vの際の電流密度も良好なMEAが得られた。一方、ビーズ径を0.5mmとした場合は(比較例4)、0.4Vの際の電流密度が低く、発電性能が低下していることを示す結果となった。
ローター周速を5.0m/sとした場合は(比較例3)、比較例2の場合同様、触媒層抵抗の低いMEAが得られるが、0.4Vの際の電流密度が低く、発電性能が低下していることを示す結果となった。
As can be seen from the table, when the bead diameter is 0.3 mm (Example 2), an MEA having a lower catalyst layer resistance than Example 1 is obtained, and an MEA having a good current density at 0.4 V is also obtained. Obtained. On the other hand, when the bead diameter was 0.5 mm (Comparative Example 4), the current density at 0.4 V was low, indicating that the power generation performance was reduced.
When the rotor peripheral speed is 5.0 m / s (Comparative Example 3), an MEA with a low catalyst layer resistance is obtained as in Comparative Example 2, but the current density at 0.4 V is low, and the power generation performance As a result, it has been shown that the decrease.

10 ビーズミル
12 ベゼル
14 ローター
16 撹拌スペース
18 ビーズ
10 Bead mill 12 Bezel 14 Rotor 16 Stirring space 18 Beads

Claims (1)

触媒担持カーボンと、固体高分子電解質成分としてのアイオノマーとを含む電極触媒用材料を調製する工程と、
円筒状のローターを内装する円筒状のベゼルを備え、前記ローターの外周壁と、前記ベゼルの内周壁との間に幅5mm以上9mm以下のミリング槽が形成されたミリング装置を準備し、調製した前記電極触媒用材料と、平均粒径0.1mm以上0.3mm以下のビーズとを、前記ミリング槽に投入する工程と、
前記ローターを1.5m/s以上5.0m/s未満の周速で回転させて前記ビーズを流動させることにより、投入した前記電極触媒用材料を破砕分散する工程と、
を備えることを特徴とする電極触媒の製造方法。
A step of preparing an electrode catalyst material comprising a catalyst-supporting carbon and an ionomer as a solid polymer electrolyte component;
Prepared and prepared a milling device comprising a cylindrical bezel that houses a cylindrical rotor, and a milling tank having a width of 5 mm to 9 mm formed between the outer peripheral wall of the rotor and the inner peripheral wall of the bezel Charging the electrode catalyst material and beads having an average particle size of 0.1 mm or more and 0.3 mm or less into the milling tank;
Crushing and dispersing the charged electrocatalyst material by rotating the rotor at a peripheral speed of 1.5 m / s or more and less than 5.0 m / s to flow the beads;
A method for producing an electrode catalyst, comprising:
JP2010033880A 2010-02-18 2010-02-18 Manufacturing method of electrode catalyst Pending JP2011171120A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010033880A JP2011171120A (en) 2010-02-18 2010-02-18 Manufacturing method of electrode catalyst

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010033880A JP2011171120A (en) 2010-02-18 2010-02-18 Manufacturing method of electrode catalyst

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2011171120A true JP2011171120A (en) 2011-09-01

Family

ID=44685029

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010033880A Pending JP2011171120A (en) 2010-02-18 2010-02-18 Manufacturing method of electrode catalyst

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2011171120A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015533448A (en) * 2012-10-26 2015-11-24 アウディ アクチェンゲゼルシャフトAudi Ag Manufacturing process of membrane electrode assembly for fuel cell
JP2017168222A (en) * 2016-03-14 2017-09-21 凸版印刷株式会社 Catalyst ink manufacturing method, electrode catalyst layer, and solid polymer type fuel cell

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015533448A (en) * 2012-10-26 2015-11-24 アウディ アクチェンゲゼルシャフトAudi Ag Manufacturing process of membrane electrode assembly for fuel cell
JP2017168222A (en) * 2016-03-14 2017-09-21 凸版印刷株式会社 Catalyst ink manufacturing method, electrode catalyst layer, and solid polymer type fuel cell

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zou et al. Conversion of PtNi alloy from disordered to ordered for enhanced activity and durability in methanol-tolerant oxygen reduction reactions
JP3869568B2 (en) Fuel cell electrode
Martin et al. Peak utilization of catalyst with ultra-low Pt loaded PEM fuel cell electrodes prepared by the electrospray method
JP6244936B2 (en) Carbon catalyst and method for producing the same, and catalyst ink and fuel cell using the carbon catalyst
JP5374273B2 (en) Method for producing electrode catalyst slurry for fuel cell, and electrode and membrane / electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
Bruno et al. Platinum supported on mesoporous carbon as cathode catalyst for direct methanol fuel cells
JP2008027799A (en) Assembly for fuel cell, fuel cell, and manufacturing method of fuel cell
EP3536664A1 (en) Method for manufacturing electrode, electrode manufactured thereby, membrane-electrode assembly comprising same electrode, and fuel cell including same membrane-electrode assembly
CN102709570A (en) Fuel-cell catalyst slurry and preparation method thereof
Liu et al. Preparation and characterization of carbon-supported Pt, PtSnO2 and PtRu nanoparticles for direct methanol fuel cells
Dang et al. A pulse electrochemical deposition method to prepare membrane electrode assemblies with ultra-low anode Pt loadings through in situ construction of active core–shell nanoparticles on an electrode
JP2007214008A (en) Electrode catalyst for polymer electrolyte fuel cell, its manufacturing method and solid polymer fuel cell
JPWO2003077336A1 (en) POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL MANUFACTURING METHOD AND POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FUEL CELL
CN108808027B (en) Electrode catalyst for fuel cell and method for producing same
Li et al. Carbon supported Ir nanoparticles modified and dealloyed with M (Má= áV, Co, Ni and Ti) as anode catalysts for polymer electrolyte fuel cells
JP2011159517A (en) Method for manufacturing fuel cell catalyst layer
Zheng et al. Tuning the catalytic activity of Ir@ Pt nanoparticles through controlling Ir core size on cathode performance for PEM fuel cell application
JP2006302644A (en) Catalyst paste for fuel cell electrode and its manufacturing method as well as electrode for fuel cells
Zhang et al. Investigation on electrocatalytic activity and stability of Pt/C catalyst prepared by facile solvothermal synthesis for direct methanol fuel cell
JP2011034678A (en) Method of forming catalyst for fuel cell
JP6040954B2 (en) Method for producing fuel cell catalyst
JP2011171120A (en) Manufacturing method of electrode catalyst
WO2019177060A1 (en) Electrode catalyst for fuel cell, and fuel cell using same
JP6819688B2 (en) Method for manufacturing membrane-electrode assembly, membrane-electrode assembly manufactured from now on, and fuel cell containing this
Lu et al. Phosphotungstic acid-assisted preparation of carbon nanotubes-supported uniform Pt and Pt bimetallic nanoparticles, and their enhanced catalytic activity on methanol electro-oxidation