JP2011175772A - Catalyst for polymer electrolyte fuel cell and method of manufacturing the same - Google Patents

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省二 吉岡
Hiroto Nishiguchi
博人 西口
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久敏 福本
Shigeru Aihara
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a catalyst for a polymer electrolyte fuel cell having a small particle diameter of the catalyst carrier capable of mass-producing, and to provide a method of manufacturing the same. <P>SOLUTION: To manufacture the catalyst for a polymer electrolyte fuel cell which is so composed that a platinum catalyst material is carried on a titanium oxide catalyst carrier coated with a carbon layer, paste is prepared by mixing and stirring titanium oxide particles, PVA and water, then titanium oxide particles coated with the carbon layer is prepared by reduction-baking the paste to crush and pulverize it. Then, ethanol and chloroplatinic acid solution are mixed with the particles and put under heating and drying distillation to obtain platinum catalyst-carrying particles. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

この発明は、固体高分子型燃料電池触媒およびその製造方法に関し、特に高酸化雰囲気で高い耐久性を発現する担体を備えた固体高分子型燃料電池触媒およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell catalyst and a method for producing the same, and more particularly to a polymer electrolyte fuel cell catalyst having a carrier that exhibits high durability in a highly oxidizing atmosphere and a method for producing the same.

従来の固体高分子型燃料電池の空気極および水素極の触媒層は、触媒と触媒担体、電解質膜から構成された多孔質体であり、触媒は白金や白金合金などの貴金属触媒が使用され、触媒の粒子径は数ナノメートルの超微粒子である。この触媒を担持する材料としてカーボンブラックが一般に使用され、カーボン粒子の表面に白金微粒子を均一に担持することで、理想的な電極反応界面が形成される。担持触媒は、エタノールまたは水にカーボンブラックを分散させた溶液に、塩化白金酸水溶液を加え、炭酸水素ナトリウム水溶液を滴下し、加熱撹拌して還元し、ナトリウム成分等を洗浄除去することで得られる。触媒の還元は水素雰囲気中で加熱することによっても得られる。担持した触媒と電解質成分を含む混合水溶液またはエタノール溶液を十分に混合して得られた電極ペーストを薄くカーボンペーパーなどの電極基材に塗布して電極を作製する。   The catalyst layer of the air electrode and the hydrogen electrode of a conventional polymer electrolyte fuel cell is a porous body composed of a catalyst, a catalyst carrier, and an electrolyte membrane, and a noble metal catalyst such as platinum or a platinum alloy is used as the catalyst. The catalyst particle size is ultrafine particles of several nanometers. Carbon black is generally used as a material for supporting this catalyst, and an ideal electrode reaction interface is formed by uniformly supporting platinum fine particles on the surface of carbon particles. The supported catalyst is obtained by adding a chloroplatinic acid aqueous solution to a solution in which carbon black is dispersed in ethanol or water, dropping a sodium hydrogen carbonate aqueous solution, reducing by heating and stirring, and washing and removing sodium components and the like. . Reduction of the catalyst can also be obtained by heating in a hydrogen atmosphere. An electrode paste obtained by sufficiently mixing a mixed aqueous solution or ethanol solution containing a supported catalyst and an electrolyte component is thinly applied to an electrode substrate such as carbon paper to produce an electrode.

この電極と電解質膜を加熱ラミネーションすることによって電解質膜−電極複合体(MEA)が完成する。電極層はカーボンペーパーと一体化しており、カーボンペーパーは、その空間部を燃料極では水素が、空気極では空気が拡散して電極に供給されるのでガス拡散層という機能名で呼ばれることがある。電極へは、セパレータ表面に形成された凹凸状の流路を経由してガスが供給される。燃料電池はMEA、燃料極流路板および空気極流路板で構成された単セルが基本単位であり、無負荷状態の単セル電圧は約1Vであり、負荷電圧は電流にもよるが、約0.7V近辺である。システムでは単セルを直列に積層したスタックで運転され、総電圧は50セル直列で35V程度が一般的である。   The electrode and the electrolyte membrane are heat-laminated to complete an electrolyte membrane-electrode complex (MEA). The electrode layer is integrated with the carbon paper, and the carbon paper is sometimes referred to by the functional name of the gas diffusion layer because hydrogen is diffused in the fuel electrode at the fuel electrode and air is diffused and supplied to the electrode at the air electrode. . A gas is supplied to the electrode through an uneven channel formed on the separator surface. A fuel cell is a basic unit of a single cell composed of an MEA, a fuel electrode flow channel plate, and an air electrode flow channel plate. The single cell voltage in an unloaded state is about 1 V, and the load voltage depends on the current. It is around 0.7V. The system is operated by a stack in which single cells are stacked in series, and the total voltage is generally about 35 V for 50 cells in series.

空気極では、供給された酸素と、電解質膜を通して水素極側から移動してきたプロトンが反応し、電気化学的還元反応によって水が生成される。水素極では供給された水素が酸化されてプロトンが生成される。空気極で生成した水は、ガス拡散層の空隙を透過して空気極流路に排出される。空気極に供給される空気中の水蒸気露点が低い場合は、電極反応で生成した水は気体として排出されるが、供給される空気中の水蒸気露点が高い場合には、水は液体として生成し、ガス拡散層内部およびガス流路内を液体水として排出される。   At the air electrode, the supplied oxygen reacts with protons that have moved from the hydrogen electrode side through the electrolyte membrane, and water is generated by an electrochemical reduction reaction. At the hydrogen electrode, the supplied hydrogen is oxidized to generate protons. Water generated at the air electrode passes through the gap of the gas diffusion layer and is discharged to the air electrode channel. When the water vapor dew point in the air supplied to the air electrode is low, the water produced by the electrode reaction is discharged as a gas, but when the water vapor dew point in the air supplied is high, the water is produced as a liquid. The gas diffusion layer and the gas flow path are discharged as liquid water.

プロトン導電性電解質膜は、フッ素系、炭化水素系に限らず湿度が高いほどプロトン導電性が高い。また、副反応で生成するアニオンラジカルによる膜の劣化に対しても湿度の高い環境ほど高い耐久性を示す。そのため、発電性能および寿命の観点からは高加湿条件が好ましいが、燃料電池システム効率の観点からは、ガスの加湿に必要なエネルギーが少ない低加湿運転が好ましいため、実際のシステムでは、空気排出口で全熱交換型の水熱交換器等を用いて生成水と熱を回収し入口に戻して循環させる発電がとられる。   The proton conductive electrolyte membrane is not limited to a fluorine-based or hydrocarbon-based one, and the proton conductivity is higher as the humidity is higher. In addition, the higher the humidity, the higher the durability against the deterioration of the membrane due to the anion radical generated by the side reaction. Therefore, high humidification conditions are preferable from the viewpoint of power generation performance and life, but from the viewpoint of fuel cell system efficiency, low humidification operation with less energy required for gas humidification is preferable. Then, the generated water and heat are recovered by using a total heat exchange type water heat exchanger or the like, and returned to the inlet for circulation.

固体高分子型燃料電池システムは80℃前後と比較的低温で操作するため、構成材料の腐食劣化の影響は小さい。しかし、電極の触媒表面上は酸化電位が高く、電気化学反応による発熱、水分生成が同時に進行する過酷な環境にあり、長期的にみれば腐食反応が進行するため、電極構成材料には高い耐久性が要求される。一般に、電極層の触媒担体には比較的耐久性の高いカーボンブラックが用いられているが十分ではない。   Since the polymer electrolyte fuel cell system is operated at a relatively low temperature of about 80 ° C., the influence of the corrosion deterioration of the constituent materials is small. However, the electrode has a high oxidation potential on the catalyst surface, and it is in a harsh environment where heat generation and moisture generation due to electrochemical reactions proceed simultaneously, and the corrosion reaction proceeds over the long term. Sex is required. In general, carbon black having a relatively high durability is used for the catalyst carrier of the electrode layer, but it is not sufficient.

触媒担体には高い耐久性の他に電子導電性が必要である。触媒担体上に担持されるPt触媒の表面では電子の移動を伴う電気化学反応が進行するが、電子がセル外部から流入し、触媒表面上での電気化学反応に寄与するには、担体を必ず経由しなければならない。また、粒子径の小さい触媒を担体上に均一担持するには、担体被表面積が大きくなければならない。このように、触媒担体は、高耐食性、高電子導電性、高被表面積をあわせもつ必要がある。   In addition to high durability, the catalyst carrier must have electronic conductivity. An electrochemical reaction involving the movement of electrons proceeds on the surface of the Pt catalyst supported on the catalyst support. However, in order for electrons to flow from the outside of the cell and contribute to the electrochemical reaction on the catalyst surface, the support must be used. Have to go through. Further, in order to uniformly support a catalyst having a small particle diameter on a support, the support surface area must be large. Thus, the catalyst carrier needs to have high corrosion resistance, high electron conductivity, and high surface area.

カーボンより耐食性の高い材料として、電子導電性を有する金属酸化物である酸化チタンを触媒担体として使用することが提案されている。この導電性金属酸化物は、カーボンに比べて耐食性には優れるが、電子伝導性が必要であり、通常は還元処理が施される。しかしながら、1,000℃近い高温下での還元焼成が必要であるため、酸化物が焼結して還元と同時に粒子径が増大する。白金を高表面積で担持するには、担体粒子径を小さくして表面積を大きくする必要がある(例えば特許文献1参照)。   As a material having higher corrosion resistance than carbon, it has been proposed to use titanium oxide, which is a metal oxide having electronic conductivity, as a catalyst carrier. This conductive metal oxide is excellent in corrosion resistance as compared with carbon, but it needs electron conductivity and is usually subjected to a reduction treatment. However, since reduction firing at a high temperature close to 1,000 ° C. is necessary, the oxide is sintered and the particle size increases simultaneously with the reduction. In order to support platinum with a high surface area, it is necessary to reduce the carrier particle diameter and increase the surface area (see, for example, Patent Document 1).

粒径増大を起こさずに酸化物を還元する方法として、紫外レーザーによる微粒子化が試みられている(例えば非特許文献1参照)。   As a method for reducing oxides without causing an increase in particle size, attempts have been made to make fine particles using an ultraviolet laser (see, for example, Non-Patent Document 1).

特開2005−149742号公報JP 2005-149742 A

電気化学会第76回大会講演要旨集P396−1Q28(2009)Abstracts of the 76th Annual Meeting of the Electrochemical Society of Japan P396-1Q28 (2009)

しかしながら、紫外レーザーによる微粒子化によれば、紫外線レーザー照射で温度を上げることなく還元することが可能である一方、この方法では一度に大量の酸化チタンを安価に還元処理することは困難で、工業的な適用が困難であった。したがって、大量生産可能な粒子径増大を招かない酸化チタンの還元方法には不向きであった。また、還元した酸化チタンのチタンと酸素の組成比制御が困難であるという問題があった。   However, while it is possible to reduce the particle size by ultraviolet laser irradiation without increasing the temperature, it is difficult to reduce a large amount of titanium oxide at a low cost at one time by this method. Application was difficult. Therefore, the method is not suitable for a method of reducing titanium oxide that does not cause an increase in particle diameter that can be mass-produced. Further, there is a problem that it is difficult to control the composition ratio of titanium and oxygen in the reduced titanium oxide.

従ってこの発明の目的は、大量生産可能で触媒担体の粒子径が小さい固体高分子型燃料電池触媒およびその製造方法を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell catalyst capable of mass production and having a small catalyst carrier particle size and a method for producing the same.

この発明の固体高分子型燃料電池触媒は、電子導電性を有する金属酸化物粒子である触媒担体上に電極反応性の触媒物質が担持された固体高分子型燃料電池触媒において、上記触媒担体の表面がカーボン層で被覆されていることを特徴とするものである。   The polymer electrolyte fuel cell catalyst of the present invention is a polymer electrolyte fuel cell catalyst in which an electrode-reactive catalyst substance is supported on a catalyst carrier that is metal oxide particles having electronic conductivity. The surface is covered with a carbon layer.

また、この発明の固体高分子型燃料電池触媒の製造方法は、電子導電性を有する金属酸化物粒子である触媒担体上に電極反応性の触媒物質が担持された固体高分子型燃料電池触媒を製造するために、上記金属酸化物粒子、ポリビニルアルコールおよび水を混合攪拌してペーストを作製し、上記ペーストを還元焼成して粉砕微粉化して、上記金属酸化物粒子がカーボン層で被覆された触媒担体粉末を作製し、この触媒担体粉末、エタノールおよび塩化白金酸溶液を混合、加熱乾留して白金触媒担持粉体を作製することを特徴とするものである。   The method for producing a polymer electrolyte fuel cell catalyst according to the present invention includes a polymer electrolyte fuel cell catalyst in which an electrode-reactive catalyst substance is supported on a catalyst carrier that is metal oxide particles having electronic conductivity. In order to manufacture, a catalyst in which the metal oxide particles, polyvinyl alcohol and water are mixed and stirred to prepare a paste, the paste is reduced and fired to pulverize and pulverize, and the metal oxide particles are coated with a carbon layer. A carrier powder is prepared, and the catalyst carrier powder, ethanol and a chloroplatinic acid solution are mixed and heated to dry distillation to produce a platinum catalyst-supported powder.

この発明によれば、酸化チタン触媒担体の粒径の増大を招くことなく還元処理が可能で工業的に大量生産が可能な固体高分子型燃料電池触媒を製造できる。   According to this invention, it is possible to produce a solid polymer fuel cell catalyst that can be reduced without causing an increase in the particle size of the titanium oxide catalyst carrier and can be industrially mass-produced.

この発明の固体高分子型燃料電池触媒を用いた燃料電池の単セルの一実施の形態の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of one embodiment of a single cell of a fuel cell using the polymer electrolyte fuel cell catalyst of the present invention. 図1のセパレータ流路を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows the separator flow path of FIG. 図1の燃料電池の触媒担持粒子を電解質層とともに半分だけ示す概略断面図である。FIG. 2 is a schematic sectional view showing only half of the catalyst-carrying particles of the fuel cell of FIG. 1 together with an electrolyte layer. この発明の固体高分子型燃料電池触媒の製造方法を用いた燃料電池の製造方法示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the fuel cell using the manufacturing method of the polymer electrolyte fuel cell catalyst of this invention.

以下、この発明をより詳細に説明するため、この発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。   DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings in order to explain the present invention in more detail. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the part which is the same or it corresponds, The duplication description is simplified or abbreviate | omitted suitably.

実施の形態1.
図1および2には、この発明の実施の形態1による固体高分子型燃料電池触媒を用いた単セル燃料電池を模式図で示してあり、図3には、この発明の実施の形態1による固体高分子型燃料電池触媒の触媒担持粒子の半分を概略断面図で示してあり、図4にはこの発明の固体高分子型燃料電池触媒の製造方法を用いた燃料電池の製造方法をフローチャートで示してある。
Embodiment 1 FIG.
FIGS. 1 and 2 schematically show a single cell fuel cell using a polymer electrolyte fuel cell catalyst according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 3 shows the structure according to Embodiment 1 of the present invention. Half of the catalyst-carrying particles of the polymer electrolyte fuel cell catalyst are shown in a schematic cross-sectional view, and FIG. 4 is a flowchart showing a fuel cell manufacturing method using the polymer electrolyte fuel cell catalyst manufacturing method of the present invention. It is shown.

図1および2において、固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜1と、そのアノード側(図1において右側)の表面上に配置されたアノード触媒層2と、カソード側(図1において左側)の表面上に配置されたカソード触媒層3とを備えている。アノード触媒層2およびカソード触媒層3の外側面、即ち固体高分子電解質膜1と接する面と反対側の面上には、それぞれアノード側およびカソード側の中間層4aおよび4bが配置されており、両中間層4aおよび4bの外側にはそれぞれアノード側およびカソード側のガス拡散層5aおよび5bが配置されており、両ガス拡散層5aおよび5bの外側にはそれぞれガスを供給するガス流路6aおよび6bが形成されたアノード側およびカソード側のセパレータ板7aおよび7bが配置されており、セパレータ板7aおよび7bと中間層4aおよび4bとの間にはガス拡散層5aおよび5bを囲んでガスが外部に漏れるのを防止するためのガスシール8aおよび8bが設けられている。   1 and 2, a solid polymer fuel cell includes a solid polymer electrolyte membrane 1 having proton conductivity, an anode catalyst layer 2 disposed on the surface of the anode side (right side in FIG. 1), a cathode And a cathode catalyst layer 3 disposed on the surface of the side (left side in FIG. 1). On the outer surfaces of the anode catalyst layer 2 and the cathode catalyst layer 3, that is, on the surface opposite to the surface in contact with the solid polymer electrolyte membrane 1, the anode-side and cathode-side intermediate layers 4a and 4b are respectively disposed. Anode-side and cathode-side gas diffusion layers 5a and 5b are disposed outside the intermediate layers 4a and 4b, respectively, and gas passages 6a and 6b for supplying gas are provided outside the gas diffusion layers 5a and 5b, respectively. The anode-side and cathode-side separator plates 7a and 7b on which 6b is formed are arranged. Between the separator plates 7a and 7b and the intermediate layers 4a and 4b, gas is surrounded by the gas diffusion layers 5a and 5b. Gas seals 8a and 8b are provided for preventing leakage.

アノード触媒層2およびカソード触媒層3はそれぞれこの発明の固体高分子型燃料電池触媒によって形成されており、固体高分子型燃料電池触媒においては、白金等の電極反応性の触媒物質9を担持した酸化チタン等の電子導電性を有する金属酸化物粒子である多数の粒状の触媒担体10で構成された触媒担持粒体による三次元的な多孔質構造が構成されている。これらのアノード触媒層2およびカソード触媒層3は固体高分子電解質膜1に接触しているため、内部に触媒、高分子電解質、細孔による三相界面が形成されて電気化学的な反応が起こり燃料電池として作用するのである。   The anode catalyst layer 2 and the cathode catalyst layer 3 are each formed by the polymer electrolyte fuel cell catalyst of the present invention, and the polymer electrolyte fuel cell catalyst carries an electrode-reactive catalyst substance 9 such as platinum. A three-dimensional porous structure is constituted by catalyst-supporting granules composed of a number of granular catalyst carriers 10 which are metal oxide particles having electronic conductivity such as titanium oxide. Since the anode catalyst layer 2 and the cathode catalyst layer 3 are in contact with the solid polymer electrolyte membrane 1, a three-phase interface is formed inside by a catalyst, a polymer electrolyte, and pores, and an electrochemical reaction occurs. It acts as a fuel cell.

図3には、このような固体高分子型燃料電池触媒を構成し、触媒物質9と、触媒物質9を担持した粒子状の触媒担体10とで構成された触媒担持粒体の一つだけに着目してその半分だけを周囲構造と共に模式的に描いてある。触媒担体10の粒子直径は、およそ20nmから100nm程度であり、触媒物質9の粒子径は2nmから10nm程度である。触媒担体10は、酸化チタンあるいは酸化チタンの還元物質等の金属酸化物粒子であり、表面がカーボン薄膜であるカーボン層11によって被覆されている。カーボン層11は電子導電性が高いため、触媒層内の電子導電性を高めることができる。   FIG. 3 shows such a polymer electrolyte fuel cell catalyst, and only one of the catalyst-carrying particles comprising the catalyst substance 9 and the particulate catalyst carrier 10 carrying the catalyst substance 9 is shown. Only half of it is drawn with the surrounding structure. The catalyst carrier 10 has a particle diameter of about 20 nm to 100 nm, and the catalyst substance 9 has a particle diameter of about 2 nm to 10 nm. The catalyst carrier 10 is made of metal oxide particles such as titanium oxide or a titanium oxide reducing substance, and the surface thereof is covered with a carbon layer 11 which is a carbon thin film. Since the carbon layer 11 has high electronic conductivity, the electronic conductivity in the catalyst layer can be increased.

触媒物質9は、カーボン層11の表面上に担持されているものもあり、またカーボン層11を貫通して触媒担体10に接触して担持されているものもあり、電極触媒層内の電子導電性を高めることができる。カーボン層11の表面は、シリカ系あるいはフッ素系材料の撥水層12によって被覆されていて、電極反応生成水による電極の水没を避けることができる。撥水層12は触媒物質9を被覆することなく外部に露出させている。触媒担体10はさらにプロトン導電体である電解質層13によって覆われている。   Some of the catalyst materials 9 are supported on the surface of the carbon layer 11, and some of the catalyst materials 9 are supported in contact with the catalyst carrier 10 through the carbon layer 11. Can increase the sex. The surface of the carbon layer 11 is covered with a water-repellent layer 12 made of silica or fluorine material, so that the electrode can be prevented from being submerged by electrode reaction product water. The water repellent layer 12 is exposed to the outside without covering the catalyst material 9. The catalyst carrier 10 is further covered with an electrolyte layer 13 that is a proton conductor.

このように、触媒担体10の表面にカーボン層11および撥水層12を配置することで、触媒担体10と強酸性の電解質層13とが直接接触しにくくなり、触媒担体10の損傷を軽減できるだけでなく、触媒担体10の表面の水濡れによる特性低下を抑制することができる。   Thus, by disposing the carbon layer 11 and the water repellent layer 12 on the surface of the catalyst carrier 10, the catalyst carrier 10 and the strongly acidic electrolyte layer 13 are less likely to be in direct contact, and damage to the catalyst carrier 10 can be reduced. In addition, it is possible to suppress deterioration of characteristics due to water wetting on the surface of the catalyst carrier 10.

この実施の形態では、この発明の固体高分子型燃料電池触媒は、アノード触媒層2およびカソード触媒層3の両者に用いられているが、アノード触媒層2およびカソード触媒層3の少なくともいずれか一方だけをこの発明によるものとすることもできる。アノード触媒層2およびカソード触媒層3には、強酸性の電解質が含有されるが、触媒担体10の表面にカーボン層11が存在するため、電子導電性が高く、また、撥水層12が存在するために優れた耐酸性を有しており、触媒担体10の耐酸性が比較的低い材質であっても、電解質または触媒による損傷を受けにくい。また、燃料電池用触媒の表面は撥水層12の効果により、生成水に濡れにくいのでアノード触媒層2およびカソード触媒層3のガス拡散性が十分に確保される。   In this embodiment, the polymer electrolyte fuel cell catalyst of the present invention is used for both the anode catalyst layer 2 and the cathode catalyst layer 3, but at least one of the anode catalyst layer 2 and the cathode catalyst layer 3 is used. Can also be according to the invention. The anode catalyst layer 2 and the cathode catalyst layer 3 contain a strongly acidic electrolyte. However, since the carbon layer 11 is present on the surface of the catalyst carrier 10, the electronic conductivity is high and the water repellent layer 12 is present. Therefore, even if the material of the catalyst carrier 10 is relatively low in acid resistance, it is not easily damaged by the electrolyte or the catalyst. Further, the surface of the fuel cell catalyst is hardly wetted by the generated water due to the effect of the water repellent layer 12, so that the gas diffusibility of the anode catalyst layer 2 and the cathode catalyst layer 3 is sufficiently ensured.

カーボン層11は触媒担体10の表面に数nmから数十nmの厚さとし、電子導電性の相対的に低い酸化物金属の触媒担体10の表面層の電子伝導を補助し、電極中の触媒担体10どうしの電子伝導ネットワークを低抵抗化させる。カーボン層11は、後に詳述するように、例えばポリビニルアルコール(PVA)と水と触媒担体10とのペーストを水素雰囲気中で還元焼成して触媒担体10表面に炭素を残すことにより形成できる。カーボン層11は、厚さが数nmから数十nmの範囲よりも薄いと電子伝導性の補助への寄与が不十分となり、厚すぎると耐食性の優れた酸化チタンなどの酸化物金属の触媒担体10を用いる利点が損なわれる。   The carbon layer 11 has a thickness of several nanometers to several tens of nanometers on the surface of the catalyst carrier 10, assists electronic conduction in the surface layer of the oxide metal catalyst carrier 10 having relatively low electronic conductivity, and supports the catalyst carrier in the electrode. Reduce the resistance of 10 electron conduction networks. As will be described in detail later, the carbon layer 11 can be formed, for example, by reducing and firing a paste of polyvinyl alcohol (PVA), water, and the catalyst carrier 10 in a hydrogen atmosphere to leave carbon on the surface of the catalyst carrier 10. If the carbon layer 11 is thinner than a range of several nanometers to several tens of nanometers, the contribution to assisting electronic conductivity becomes insufficient, and if it is too thick, the catalyst carrier of oxide metal such as titanium oxide having excellent corrosion resistance. The advantage of using 10 is impaired.

撥水層12は、例えば、ステアリン酸のような長鎖有機酸、シリカ系材料、フッ素系材料等で形成されるが、より撥水性に優れるという点で、シリカ系材料およびフッ素系材料が好ましい。中でも、結合力の高いシロキサン結合を有し、且つメチル基およびフルオロ基のうちの少なくとも一種を含む材料は、表面吸着性が高い上に、撥水性に優れるので、より水濡れしにくく、且つより長期間安定に触媒物質9を保持することができる燃料電池用触媒担体が得られるという点で好ましい。更に、シロキサン結合を介して撥水層12を触媒担体10の表面に直接吸着させることで、撥水層12を触媒担体10の表面により強固に吸着させることもできる。   The water-repellent layer 12 is formed of, for example, a long-chain organic acid such as stearic acid, a silica-based material, a fluorine-based material, or the like, and a silica-based material and a fluorine-based material are preferable in terms of more excellent water repellency. . Among them, a material having a siloxane bond having a high binding force and containing at least one of a methyl group and a fluoro group has a high surface adsorptivity and is excellent in water repellency. This is preferable in that a catalyst support for a fuel cell capable of stably holding the catalyst substance 9 for a long period of time can be obtained. Furthermore, the water-repellent layer 12 can be more strongly adsorbed to the surface of the catalyst carrier 10 by directly adsorbing the water-repellent layer 12 to the surface of the catalyst carrier 10 via a siloxane bond.

触媒担体10としては、無機材質からなる微粉体であればよいが、耐酸化性に優れる金属酸化物の微粉体を用いることが好ましい。また、アノード触媒層2およびカソード触媒層3の電気伝導性をより高める観点から、体積抵抗率が1MΩcm以下の無機材質を用いることが好ましい。具体的には、触媒担体10の材料として、インジウム系酸化物、スズ系酸化物、チタン系酸化物、ジルコニウム系酸化物、セレン系酸化物、タングステン系酸化物、亜鉛系酸化物、バナジウム系酸化物、ニオブ系酸化物およびレニウム系酸化物が挙げられる。より好ましい触媒担体10の材料としては、スズ含有インジウム酸化物、アンチモン含有スズ酸化物、マグネリ相含有スズ酸化物およびマグネリ相含有チタン酸化物(例えばTi2n−1(n=2〜9)など)の良電導性酸化物が挙げられる。 The catalyst carrier 10 may be a fine powder made of an inorganic material, but a metal oxide fine powder having excellent oxidation resistance is preferably used. From the viewpoint of further increasing the electrical conductivity of the anode catalyst layer 2 and the cathode catalyst layer 3, it is preferable to use an inorganic material having a volume resistivity of 1 MΩcm or less. Specifically, the material of the catalyst carrier 10 is indium oxide, tin oxide, titanium oxide, zirconium oxide, selenium oxide, tungsten oxide, zinc oxide, vanadium oxide. Products, niobium-based oxides and rhenium-based oxides. More preferable materials for the catalyst carrier 10 include tin-containing indium oxide, antimony-containing tin oxide, magnetic phase-containing tin oxide, and magnetic phase-containing titanium oxide (for example, Ti n O 2n-1 (n = 2 to 9)). And the like).

触媒物質9をより高比表面積に担持させる観点から、触媒担体10の平均一次粒径は1nm〜500nmの範囲であることが望ましい。   From the viewpoint of supporting the catalyst material 9 on a higher specific surface area, the average primary particle size of the catalyst carrier 10 is desirably in the range of 1 nm to 500 nm.

上記した触媒担体10としては、導電性酸化物の微粒子である、スズ含有インジウム酸化物(ITO)やアンチモン含有スズ酸化物、酸化スズ等が市販されており、これらを入手して使用することが可能である。また、酸化チタンの微粉末を熱処理することで導電性を高めて使用することも可能である。例えば、酸化チタンの微粉末を水素還元雰囲気において高温で数時間処理することにより、電子伝導度を3桁以上向上させることができる。   As the catalyst carrier 10 described above, tin-containing indium oxide (ITO), antimony-containing tin oxide, tin oxide and the like, which are fine particles of conductive oxide, are commercially available, and these can be obtained and used. Is possible. It is also possible to increase the conductivity by heat-treating the fine powder of titanium oxide. For example, by treating a fine powder of titanium oxide for several hours at a high temperature in a hydrogen reduction atmosphere, the electron conductivity can be improved by 3 digits or more.

触媒担体10に担持可能な触媒物質9としては、例えば、白金や白金と貴金属類(ルテニウム、ロジウム、イリジウムなど)との合金、白金と卑金属(バナジウム、クロム、コバルト、ニッケル、鉄など)との合金等が挙げられる。   Examples of the catalytic substance 9 that can be supported on the catalyst carrier 10 include platinum, an alloy of platinum and noble metals (ruthenium, rhodium, iridium, etc.), platinum and a base metal (vanadium, chromium, cobalt, nickel, iron, etc.). An alloy etc. are mentioned.

これら白金等の触媒物質9は、高比表面積化することで少量でも効率良く発電することが可能となるため、触媒担体10上で微粒子状に存在することが望ましい。より具体的には、触媒物質9の平均粒径は1nm〜数十nmであることが望ましい。また、微粒子状の金属系触媒物質が触媒担体10の表面で分散して存在することにより触媒担体10自体の導電性を補う効果もある。   Since the catalyst material 9 such as platinum can efficiently generate power even in a small amount by increasing the specific surface area, it is desirable that the catalyst material 9 exists in the form of fine particles on the catalyst carrier 10. More specifically, the average particle diameter of the catalyst substance 9 is desirably 1 nm to several tens of nm. Further, the presence of the particulate metal catalyst material dispersed on the surface of the catalyst carrier 10 has an effect of supplementing the conductivity of the catalyst carrier 10 itself.

これら触媒物質9を触媒担体10の表面に担持させる方法は当該技術分野において公知の方法を制限なく採用することができる。例えば、前駆体として塩化白金酸六水和物(HPtCl6・6H2O)やジニトロジアンミン白金(Pt(NH(NO)等を用い、これらを液相化学還元法、気相化学還元法、含浸−還元熱分解法、表面修飾コロイド熱分解還元法等の公知の手法により還元することで触媒担体10に白金を担持させることができる。触媒物質9の担持量は、燃料電池用触媒担体に対して5質量%〜70質量%の範囲であることが好ましい。 As a method for supporting the catalyst material 9 on the surface of the catalyst carrier 10, a method known in the art can be adopted without limitation. For example, chloroplatinic acid hexahydrate (H 2 PtCl 6 .6H 2 O), dinitrodiammine platinum (Pt (NH 3 ) 2 (NO 2 ) 2 ) or the like is used as a precursor, and these are subjected to a liquid phase chemical reduction method. Platinum can be supported on the catalyst carrier 10 by reduction by a known method such as a gas phase chemical reduction method, an impregnation-reduction pyrolysis method, a surface-modified colloid pyrolysis reduction method. The supported amount of the catalyst substance 9 is preferably in the range of 5% by mass to 70% by mass with respect to the catalyst support for the fuel cell.

アノード触媒層2およびカソード触媒層3を構成する他の材料としては、電解質が挙げられる。また、アノード触媒層2およびカソード触媒層3は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粒子等の撥水性材料、粉体同士を結着させるバインダー、カーボンブラック等の導電性を向上させる導電性材料等を含んでもよい。   Examples of other materials constituting the anode catalyst layer 2 and the cathode catalyst layer 3 include electrolytes. The anode catalyst layer 2 and the cathode catalyst layer 3 are made of a water-repellent material such as polytetrafluoroethylene (PTFE) particles, a binder that binds powders together, a conductive material that improves conductivity such as carbon black, and the like. May be included.

これらのアノード触媒層2およびカソード触媒層3は、固体高分子電解質膜1上に形成してもよいし、ガス拡散層5a、5b上に形成してもよいし、ガス拡散層上に形成した中間層4a、4bの表面に形成してもよい。また、アノード触媒層2およびカソード触媒層3をシート状に成形し、これを固体高分子電解質膜1と中間層4a、4bとの間あるいは固体高分子電解質膜1とガス拡散層5a、5bとの間に配置してもよい。   These anode catalyst layer 2 and cathode catalyst layer 3 may be formed on the solid polymer electrolyte membrane 1, may be formed on the gas diffusion layers 5a and 5b, or may be formed on the gas diffusion layer. You may form in the surface of intermediate | middle layer 4a, 4b. Further, the anode catalyst layer 2 and the cathode catalyst layer 3 are formed into a sheet shape, which is formed between the solid polymer electrolyte membrane 1 and the intermediate layers 4a and 4b or between the solid polymer electrolyte membrane 1 and the gas diffusion layers 5a and 5b. You may arrange | position between.

アノード触媒層2およびカソード触媒層3の形成手段としては、当該技術分野において公知の方法を制限なく採用することができ、例えば、スクリーン印刷塗布、ドクターブレード塗布、スプレー塗布、スリットダイ塗布、リバースコート塗布、バーコート塗布など一般的な塗布手段を採用することが可能である。   As a means for forming the anode catalyst layer 2 and the cathode catalyst layer 3, a method known in the technical field can be adopted without limitation. For example, screen printing coating, doctor blade coating, spray coating, slit die coating, reverse coating Common application means such as coating and bar coating can be employed.

固体高分子電解質膜1としては、燃料電池内の環境において化学的に安定であり、且つプロトン伝導性およびガスバリア性が高く、更に電子導電性のない材料であればよい。このような材料としては、一般に、パーフルオロ系主鎖にスルホン酸基がついた高分子電解質膜を用いることが多いがこれに限定されるものではなく、炭化水素系なども用いることが可能である。   The solid polymer electrolyte membrane 1 may be any material that is chemically stable in the environment within the fuel cell, has high proton conductivity and gas barrier properties, and does not have electronic conductivity. As such a material, in general, a polymer electrolyte membrane having a sulfonic acid group in a perfluoro main chain is often used, but the material is not limited to this, and a hydrocarbon type or the like can also be used. is there.

ガス拡散層5a、5bとしては、電子導電性を有し、且つ反応ガスをガス流路6a、6bからアノード触媒層2およびカソード触媒層3へ拡散可能な構造を有する材料であればよい。このような材料としては、主に炭素含有材料からなる多孔質体を用いることが多く、具体的には、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボン不織布等の炭素繊維で形成された多孔質カーボンが用いられる。また、これらの材料に撥水処理や親水性処理等の表面処理を施したものも用いることができる。   The gas diffusion layers 5a and 5b may be any material having electronic conductivity and a structure capable of diffusing the reaction gas from the gas flow paths 6a and 6b to the anode catalyst layer 2 and the cathode catalyst layer 3. As such a material, a porous body mainly made of a carbon-containing material is often used, and specifically, porous carbon formed of carbon fibers such as carbon paper, carbon cloth, and carbon nonwoven fabric is used. . Further, those obtained by subjecting these materials to surface treatment such as water repellent treatment or hydrophilic treatment can also be used.

ガス流路6a、6bが表面に形成されたセパレータ板7a、7bとしては、電子導電性を有し、且つガス流路6a、6bおよび冷却水流路を形成可能なものであれば特に限定されない。このような材料としては、ステンレス等の金属、カーボン、カーボンと樹脂との混合物等が挙げられる。   The separator plates 7a and 7b on which the gas flow paths 6a and 6b are formed are not particularly limited as long as they have electronic conductivity and can form the gas flow paths 6a and 6b and the cooling water flow path. Examples of such a material include metals such as stainless steel, carbon, a mixture of carbon and resin, and the like.

ガス拡散層5a、5bと各触媒層2および3との間に配置可能な中間層4a、4bは、ガス拡散層5a、5bと各触媒層2および3との接触抵抗を低減し、水分透過性を管理するなどの機能を有する。中間層4a、4bは、カーボンブラック等の導電性フィラーを含み、必要に応じて導電性フィラーを成形するためのバインダー、撥水性にするための撥水剤、親水性にするための親水化剤等を含むことができる。中でも、撥水剤およびバインダーとしてフッ素系樹脂を用いると、燃料電池内の環境において安定性に優れる中間層とすることができるため好ましい。特に、ポリテトラフルオロエチレン(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(FEP)は、撥水性および耐熱性が優れているので更に好ましい。また、中間層4a、4bには、親水性を付与するためにパーフルオロスルホン酸系等の高分子電解質成分を含有させてもよい。   The intermediate layers 4a and 4b that can be disposed between the gas diffusion layers 5a and 5b and the catalyst layers 2 and 3 reduce the contact resistance between the gas diffusion layers 5a and 5b and the catalyst layers 2 and 3, and allow moisture permeation. It has functions such as managing sex. The intermediate layers 4a and 4b include a conductive filler such as carbon black, and if necessary, a binder for forming the conductive filler, a water repellent for water repellency, and a hydrophilizing agent for hydrophilicity. Etc. can be included. Among them, it is preferable to use a fluorine-based resin as the water repellent and the binder because an intermediate layer having excellent stability in the environment within the fuel cell can be obtained. In particular, polytetrafluoroethylene (PTFE) and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP) are more preferable because of their excellent water repellency and heat resistance. The intermediate layers 4a and 4b may contain a perfluorosulfonic acid-based polymer electrolyte component in order to impart hydrophilicity.

以下、本発明の固体高分子型燃料電池触媒およびその製造方法を図4に示すフローチャートに沿ってより具体的に説明する。   Hereinafter, the solid polymer fuel cell catalyst of the present invention and the method for producing the same will be described more specifically with reference to the flowchart shown in FIG.

(S1:酸化チタン粉末の還元処理)
触媒担体の作製のための第1工程として、水素管状炉で石英ガラス容器に入れた金属酸化物としての酸化チタン微粉末を水素気流中、1、050℃で5時間還元処理を行った。還元処理した酸化チタン粉末は、白色から黒色に変化し、粉末X線回折より、酸素が欠損したTi、Ti、Tiなどと同定された。粉体をペレット状に固めて抵抗を測定すると、還元前は絶縁体であった粉体が、1KScm-1の導電性を示した。導電性向上とともに焼結による粒子成長も見られ、担体表面積の減少が確認された。
(S1: Reduction treatment of titanium oxide powder)
As a first step for producing the catalyst carrier, a titanium oxide fine powder as a metal oxide placed in a quartz glass container in a hydrogen tubular furnace was subjected to reduction treatment at 1,050 ° C. for 5 hours in a hydrogen stream. The reduction-treated titanium oxide powder changed from white to black, and was identified as oxygen-deficient Ti 4 O 7 , Ti 2 O 5 , Ti 5 O 9 and the like by powder X-ray diffraction. When the powder was solidified into a pellet and the resistance was measured, the powder that was an insulator before the reduction showed a conductivity of 1 KScm −1 . Particle growth due to sintering was observed as well as conductivity improvement, confirming a decrease in the surface area of the carrier.

(S2:ペースト作製)
次に、還元した酸化チタン粉末と有機ポリマー樹脂としてのポリビニルアルコール(PVA)とを1対3、1対2、1対1、2対1の重量比でそれぞれ混合し、合計重量と等重量の水に分散させ、撹拌して乳白色のペーストを作製した。ポリビニルアルコールの溶解性を高めるため、60℃の温水を分散溶媒に使用した。
(S2: Paste preparation)
Next, the reduced titanium oxide powder and polyvinyl alcohol (PVA) as the organic polymer resin are mixed in a weight ratio of 1: 3, 1: 2, 1: 1, 2: 1, respectively, and the total weight is equal to the total weight. A milky white paste was prepared by dispersing in water and stirring. In order to increase the solubility of polyvinyl alcohol, 60 ° C. warm water was used as a dispersion solvent.

(S3:混合シート作製)
このペーストをマイラーシート上に薄く塗布して自然乾燥で水分を除去し、酸化チタンとポリビニルアルコールの混合シートを作製した。シート厚の限定は特にないが、数100μm程度の厚さが焼成しやすい。
(S3: Preparation of mixed sheet)
The paste was thinly applied on a mylar sheet, and moisture was removed by natural drying to prepare a mixed sheet of titanium oxide and polyvinyl alcohol. There is no particular limitation on the thickness of the sheet, but a thickness of about several hundred μm is easy to fire.

(S4:小片作製)
このシートを一辺5mm程度の四角片に裁断した。
(S4: Small piece production)
This sheet was cut into square pieces having a side of about 5 mm.

(S5:還元焼成微粉化)
裁断したシートを上記S1の工程と同様、水素/不活性ガス(N、Arなど)混合ガス中で、1、050℃、5時間の還元焼成処理を行って水素を完全除去した後に室温で粉砕して微粉化して、カーボン薄膜即ちカーボン層11で被覆された触媒担体10である触媒担体粉末を製造した。還元焼成後のシートにおいては、酸化チタンは還元されて残されて多数の三次元的に連続した細孔を持つ炭素中に取り込まれた状態で分散しており、シートの粉砕により、酸化チタン粉体間を橋絡している炭素が破断されるため、微粉化され、カーボン層11で被覆された触媒担体10である触媒担体粉末が製造できる。このように、酸化物粉体(酸化チタン)と樹脂(PVA)とを均一に混合したものを高温の水素雰囲気下で還元焼成処理することにより、酸化物粉体間の焼結を防止することができ、粒子径の小さい触媒担体粉末を得ることが可能となる。
(S5: Reduced firing fine powder)
The cut sheet is subjected to a reduction baking treatment at 1,050 ° C. for 5 hours in a hydrogen / inert gas (N 2 , Ar, etc.) mixed gas in the same manner as in the above step S 1, and after complete removal of hydrogen at room temperature. The catalyst carrier powder which is the catalyst carrier 10 covered with the carbon thin film, that is, the carbon layer 11, was pulverized and pulverized. In the sheet after reduction firing, titanium oxide is reduced and left and dispersed in a state of being taken up in carbon having a large number of three-dimensionally continuous pores. Since the carbon bridging between the bodies is broken, a catalyst carrier powder that is a catalyst carrier 10 that is finely powdered and coated with the carbon layer 11 can be produced. Thus, sintering between oxide powders can be prevented by reducing and firing a uniform mixture of oxide powder (titanium oxide) and resin (PVA) in a high-temperature hydrogen atmosphere. Thus, it becomes possible to obtain a catalyst carrier powder having a small particle size.

S2において酸化チタン粉末と混合する有機ポリマー樹脂は、ポリフェノール、ポリピロール、ポリアニリンなどでもよい。酸化チタンとポリビニルアルコールの混合重量比を変えて上述の工程S1〜S5により製造した酸化チタン粒子のX線回折チャートから求めた平均粒径は、S2における樹脂量が多いほど小さく抑えられ、酸化チタン/PVAを1/3、1/2、1/1および2/1と変化させたとき、酸化チタン粒子の平均粒径はそれぞれ45nm、60nm、80nmおよび105nmであった。   The organic polymer resin mixed with the titanium oxide powder in S2 may be polyphenol, polypyrrole, polyaniline, or the like. The average particle diameter obtained from the X-ray diffraction chart of the titanium oxide particles manufactured by the above-described steps S1 to S5 by changing the mixing weight ratio of titanium oxide and polyvinyl alcohol is reduced as the amount of resin in S2 is increased. When / PVA was changed to 1/3, 1/2, 1/1 and 2/1, the average particle diameters of the titanium oxide particles were 45 nm, 60 nm, 80 nm and 105 nm, respectively.

(S6:撥水化処理)
白金触媒担持粉体の調製をするために、S1〜S5のようにして製造され、カーボン層11で被覆された酸化チタンの触媒担体10を用い、この粉体5gに対して、ヘキサメチルジシラザン(試薬特級)を3g添加し、よく混合した。このペースト状液体を60℃で5時間乾燥し、更に120℃で5時間真空乾燥して、ヘキサメチルジシラザン処理により撥水層12で被覆された酸化チタン粉体5.1gを得た。ヘキサメチルジシラザンは、酸化チタン粉体の吸着可能サイトに吸着する以外は反応に供せず、乾燥により蒸発してしまう。したがって、得られたヘキサメチルジシラザン処理酸化チタン粉体においては、撥水性表面保護物質であるヘキサメチルジシラザンは、触媒担体である酸化チタン粉体に対して0.5質量%吸着されていることになる。
(S6: Water repellent treatment)
In order to prepare a platinum catalyst-supported powder, a titanium oxide catalyst carrier 10 manufactured as in S1 to S5 and coated with a carbon layer 11 was used. 3 g (special reagent grade) was added and mixed well. This pasty liquid was dried at 60 ° C. for 5 hours, and further vacuum-dried at 120 ° C. for 5 hours to obtain 5.1 g of titanium oxide powder coated with the water-repellent layer 12 by the hexamethyldisilazane treatment. Hexamethyldisilazane is not subjected to the reaction other than adsorbing to the adsorbable site of the titanium oxide powder, and evaporates by drying. Therefore, in the obtained hexamethyldisilazane-treated titanium oxide powder, 0.5% by mass of hexamethyldisilazane, which is a water-repellent surface protective substance, is adsorbed to the titanium oxide powder, which is a catalyst carrier. It will be.

(S7:白金触媒担持粉体の作製)
このヘキサメチルジシラザン処理酸化チタン粉体5gをエタノール50g中に分散させた後、水45gおよび5質量%塩化白金酸水溶液25gを添加して、よく攪拌した。この溶液を還流装置内で加熱還流を2時間行い、白金をヘキサメチルジシラザン処理酸化チタン粉体に担持させた。次いで、この溶液の遠心分離を数回繰り返すことにより洗浄を行った。洗浄後、60℃で5時間乾燥し、更に120℃で5時間真空乾燥して、触媒物質9として白金粒子を担持した触媒担体10を得た。この白金触媒担持粉体のICP分析を行った結果、白金の担持量は約11質量%であった。
(S7: Production of platinum catalyst-supported powder)
After 5 g of this hexamethyldisilazane-treated titanium oxide powder was dispersed in 50 g of ethanol, 45 g of water and 25 g of a 5 mass% chloroplatinic acid aqueous solution were added and stirred well. This solution was heated and refluxed in a reflux apparatus for 2 hours, and platinum was supported on hexamethyldisilazane-treated titanium oxide powder. The solution was then washed by repeating the centrifugation several times. After washing, it was dried at 60 ° C. for 5 hours, and further vacuum-dried at 120 ° C. for 5 hours to obtain a catalyst carrier 10 carrying platinum particles as the catalyst material 9. As a result of ICP analysis of the platinum catalyst-supported powder, the amount of platinum supported was about 11% by mass.

白金触媒担持粉体の酸溶液浸漬試験を実行するために、S7で得た白金触媒担持粉体を1M硫酸水溶液中に入れて、80℃にて100時間浸漬した。その後、溶液中のイオン分析を行った結果、イオン量はppm以下であった。   In order to perform the acid solution immersion test of the platinum catalyst-supported powder, the platinum catalyst-supported powder obtained in S7 was placed in a 1M sulfuric acid aqueous solution and immersed at 80 ° C. for 100 hours. Then, as a result of performing the ion analysis in a solution, the amount of ions was ppm or less.

(S8:白金触媒担持粉体を含有する触媒層の作製)
S7で得た白金触媒担持粉体にパーフルオロスルホン酸系高分子電解質溶液(デュポン製、ナフィオン(登録商標)溶液)と溶媒とを添加し、攪拌混合して均一な状態の触媒層ペーストを得た。この触媒層ペーストを厚さ50μmのポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上にスクリーン印刷した後に60℃にて乾燥を行った。
(S8: Preparation of catalyst layer containing platinum catalyst-supported powder)
To the platinum catalyst-supported powder obtained in S7, a perfluorosulfonic acid polymer electrolyte solution (manufactured by DuPont, Nafion (registered trademark) solution) and a solvent are added and mixed by stirring to obtain a uniform catalyst layer paste. It was. The catalyst layer paste was screen-printed on a polyethylene terephthalate (PET) film having a thickness of 50 μm and then dried at 60 ° C.

(S9:高分子電解質膜上への触媒層の形成)
S8で得られた2枚のPETフィルム上に形成された白金触媒担持粉体を含有する触媒層によって高分子電解質膜(例えばデュポン製、ナフィオン(登録商標)112膜)を挟み、130℃で2分間ホットプレスし、PETフィルムを除去することで高分子電解質膜の両面にカソード触媒層およびアノード触媒層を形成した。各触媒層は縦横50mmの正方形状に形成した。
(S9: Formation of catalyst layer on polymer electrolyte membrane)
A polymer electrolyte membrane (for example, DuPont, Nafion (registered trademark) 112 membrane) is sandwiched between catalyst layers containing platinum catalyst-supported powders formed on the two PET films obtained in S8, and 2 at 130 ° C. The cathode catalyst layer and the anode catalyst layer were formed on both sides of the polymer electrolyte membrane by hot pressing for minutes and removing the PET film. Each catalyst layer was formed in a square shape having a length and width of 50 mm.

(S10:電池の作製)
S9で得られた触媒層付き高分子電解質膜を一対の中間層付きガス拡散層で挟み、更にガス流路が形成された一対のカーボン板で挟み、図2に示したものと同様の構成の固体高分子型燃料電池を作製した。
(S10: Production of battery)
The polymer electrolyte membrane with a catalyst layer obtained in S9 is sandwiched between a pair of gas diffusion layers with an intermediate layer, and further sandwiched between a pair of carbon plates in which a gas flow path is formed, and has the same configuration as that shown in FIG. A polymer electrolyte fuel cell was produced.

(電池の運転)
固体高分子型燃料電池のアノード電極側に水素ガスを供給すると共に、カソード電極側に常圧の空気を供給した。水素ガスの利用率は75%に、空気側は酸素利用率が40%になるように流量を設定した。両ガスはそれぞれ外部加湿器で加湿を行ってから固体高分子型燃料電池に供給した。また、固体高分子型燃料電池の温度は80℃になるように温度調節した。供給ガスの湿度については、アノード電極側は露点75℃に、カソード電極側は露点70℃になるように外部加湿器を調節した。この固体高分子型燃料電池を電流密度200mA/cm2で運転し、始動から24時間経過後の出力電圧を測定した結果、比較例であるカーボン担持触媒を用いた電池とほぼ同等の性能を得た。また、セル温度80℃に対して供給する空気の露点を65℃まで下げた低加湿条件においては、カーボン担持触媒を用いた電池より高い性能を示した。
(Battery operation)
Hydrogen gas was supplied to the anode electrode side of the polymer electrolyte fuel cell, and atmospheric air was supplied to the cathode electrode side. The flow rate was set so that the utilization rate of hydrogen gas was 75% and the oxygen utilization rate on the air side was 40%. Both gases were humidified by an external humidifier and then supplied to the polymer electrolyte fuel cell. The temperature of the polymer electrolyte fuel cell was adjusted to 80 ° C. Regarding the humidity of the supplied gas, an external humidifier was adjusted so that the dew point was 75 ° C. on the anode electrode side and the dew point was 70 ° C. on the cathode electrode side. This solid polymer fuel cell was operated at a current density of 200 mA / cm 2 , and the output voltage after 24 hours from the start was measured. As a result, almost the same performance as a cell using a carbon-supported catalyst as a comparative example was obtained. It was. Moreover, in the low humidification condition where the dew point of the air supplied to the cell temperature of 80 ° C. was lowered to 65 ° C., the performance was higher than that of the battery using the carbon supported catalyst.

このように、この発明によれば、大量生産可能で触媒担体の粒子径が小さい固体高分子型燃料電池触媒およびその製造方法を提供することができる。   Thus, according to the present invention, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell catalyst capable of mass production and having a small catalyst carrier particle size and a method for producing the same.

以上に図示して説明した固体高分子型燃料電池触媒およびその製造方法は単なる例であって様々な変形が可能であり、またそれぞれの具体例の特徴を全てあるいは選択的に組み合わせて用いることもできる。   The polymer electrolyte fuel cell catalyst and the method for producing the same illustrated and described above are merely examples, and various modifications are possible, and all the features of the specific examples may be used in combination. it can.

この発明は固体高分子型燃料電池触媒およびその製造方法として利用できるものである。   The present invention can be used as a polymer electrolyte fuel cell catalyst and a method for producing the same.

1 固体高分子電解質膜、2 アノード触媒層、3 カソード触媒層、4a、4b 中間層、5a、5b ガス拡散層、6a、6b ガス流路、7a、7b セパレータ板、8a、8b ガスシール、9 触媒物質、10 触媒担体(金属酸化物粒子)、11 カーボン層、12 撥水層、13 電解質層。   1 solid polymer electrolyte membrane, 2 anode catalyst layer, 3 cathode catalyst layer, 4a, 4b intermediate layer, 5a, 5b gas diffusion layer, 6a, 6b gas flow path, 7a, 7b separator plate, 8a, 8b gas seal, 9 Catalyst material, 10 catalyst carrier (metal oxide particles), 11 carbon layer, 12 water repellent layer, 13 electrolyte layer.

Claims (12)

電子導電性を有する金属酸化物粒子である触媒担体上に電極反応性の触媒物質が担持された固体高分子型燃料電池触媒において、
上記触媒担体の表面がカーボン層で被覆されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池触媒。
In a polymer electrolyte fuel cell catalyst in which an electrode-reactive catalyst substance is supported on a catalyst carrier that is metal oxide particles having electronic conductivity,
A polymer electrolyte fuel cell catalyst, wherein the surface of the catalyst carrier is coated with a carbon layer.
上記触媒担体が、インジウム系酸化物、スズ系酸化物、チタン系酸化物、ジルコニウム系酸化物、セレン系酸化物、タングステン系酸化物、亜鉛系酸化物、バナジウム系酸化物、ニオブ系酸化物およびレニウム系酸化物からなる群れから選択した少なくとも一つであることを特徴とする請求項1に記載の固体高分子型燃料電池触媒。   The catalyst carrier is an indium oxide, tin oxide, titanium oxide, zirconium oxide, selenium oxide, tungsten oxide, zinc oxide, vanadium oxide, niobium oxide and 2. The polymer electrolyte fuel cell catalyst according to claim 1, wherein the catalyst is at least one selected from the group consisting of rhenium-based oxides. 上記触媒担体が、スズ含有インジウム酸化物、アンチモン含有スズ酸化物、マグネリ相含有スズ酸化物およびマグネリ相含有チタン酸化物からなる群れから選択した少なくとも一つであることを特徴とする請求項1に記載の固体高分子型燃料電池触媒。   2. The catalyst carrier according to claim 1, wherein the catalyst carrier is at least one selected from the group consisting of tin-containing indium oxide, antimony-containing tin oxide, magnetic phase-containing tin oxide, and magnetic phase-containing titanium oxide. The polymer electrolyte fuel cell catalyst described. 上記触媒担体が、酸化チタンの還元物質であることを特徴とする請求項1に記載の固体高分子型燃料電池触媒。   2. The polymer electrolyte fuel cell catalyst according to claim 1, wherein the catalyst carrier is a titanium oxide reducing substance. 上記触媒物質が、上記カーボン層の表面に担持、または上記触媒担体に接触して担持されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池触媒。   The polymer electrolyte fuel cell catalyst according to any one of claims 1 to 4, wherein the catalyst substance is supported on the surface of the carbon layer or in contact with the catalyst carrier. . 上記カーボン層が、数nm〜数十nmの厚さをもっていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池触媒。   6. The polymer electrolyte fuel cell catalyst according to claim 1, wherein the carbon layer has a thickness of several nanometers to several tens of nanometers. 上記カーボン層が、撥水層で被覆されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池触媒。   The solid polymer fuel cell catalyst according to any one of claims 1 to 6, wherein the carbon layer is coated with a water repellent layer. 上記撥水層が、シリカ系あるいはフッ素系材料であることを特徴とする請求項7に記載の固体高分子型燃料電池触媒。   8. The polymer electrolyte fuel cell catalyst according to claim 7, wherein the water repellent layer is a silica-based or fluorine-based material. 電子導電性を有する金属酸化物粒子である触媒担体上に電極反応性の触媒物質が担持された固体高分子型燃料電池触媒を製造するために、
上記触媒担体、有機ポリマー樹脂および水を混合攪拌してペーストを作製し、
上記ペーストを還元焼成して粉砕微粉化して、上記触媒担体がカーボン層で被覆された触媒担体粉末を作製し、
この触媒担体粉末、エタノールおよび塩化白金酸溶液を混合、加熱乾留して触媒担持粒体を作製することを特徴とする固体高分子型燃料電池触媒の製造方法。
In order to produce a polymer electrolyte fuel cell catalyst in which an electrode-reactive catalyst material is supported on a catalyst carrier that is metal oxide particles having electronic conductivity,
The catalyst carrier, organic polymer resin and water are mixed and stirred to produce a paste,
The paste is reduced and fired to pulverize and pulverize to produce a catalyst carrier powder in which the catalyst carrier is coated with a carbon layer,
A method for producing a polymer electrolyte fuel cell catalyst, comprising mixing the catalyst carrier powder, ethanol, and a chloroplatinic acid solution, followed by heating to dry distillation to produce catalyst-carrying particles.
上記有機ポリマー樹脂が、ポリビニルアルコールであることを特徴とする請求項9に記載の固体高分子型燃料電池触媒の製造方法。   The method for producing a polymer electrolyte fuel cell catalyst according to claim 9, wherein the organic polymer resin is polyvinyl alcohol. 上記触媒担体粉末を作製する工程の後に、上記触媒担体粉末の表面をシリカ系あるいはフッ素系材料により撥水処理をすることを特徴とする請求項9あるいは10に記載の固体高分子型燃料電池触媒の製造方法。   11. The polymer electrolyte fuel cell catalyst according to claim 9 or 10, wherein after the step of producing the catalyst carrier powder, the surface of the catalyst carrier powder is subjected to water repellent treatment with a silica-based or fluorine-based material. Manufacturing method. 上記触媒担体が、インジウム系酸化物、スズ系酸化物、チタン系酸化物、ジルコニウム系酸化物、セレン系酸化物、タングステン系酸化物、亜鉛系酸化物、バナジウム系酸化物、ニオブ系酸化物およびレニウム系酸化物からなる群れから選択した少なくとも一つであることを特徴とする請求項9〜11のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池触媒の製造方法。   The catalyst carrier is an indium oxide, tin oxide, titanium oxide, zirconium oxide, selenium oxide, tungsten oxide, zinc oxide, vanadium oxide, niobium oxide and The method for producing a polymer electrolyte fuel cell catalyst according to any one of claims 9 to 11, wherein the method is at least one selected from the group consisting of rhenium-based oxides.
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