JP2011222350A - Method of manufacturing oxygen reduction reaction electrode and fuel cell using the same - Google Patents

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Tetsuaki Hirayama
哲章 平山
Junichi Kondo
淳一 近藤
Akira Taomoto
昭 田尾本
Hisaaki Gyoten
久朗 行天
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a fuel-cell electrode which can retard increase in diameter of catalyst particles and their dropping, and which can secure high power generation characteristics for a long period by preventing dissolution and dissipation of noble metal catalyst particles under an acidic condition.SOLUTION: This invention is regarding a method of manufacturing an oxygen reduction reaction electrode for fuel cells and is regarding the fuel cells using the same. The oxygen reduction reaction electrode comprises catalyst powder whose surface at least has catalyst particles, and a layer with thickness of 0.5-5nm for retarding dissolution of platinum which is formed on the surface of the catalyst powder. The layer comprises a compound whose molecules include alkyl sulfonic acid group and a group represented by formula (RO)Si-(Rrepresents hydrogen atoms or a 1C-4C alkyl group). The spaces between the catalyst covered with the layer for retarding dissolution of platinum are filled with electrolyte.

Description

本発明は、酸素還元反応電極の製造方法に関し、特に高分子電解質型燃料電池用電極の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing an oxygen reduction reaction electrode, and more particularly to a method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池は、水素などプロトンを生成可能な燃料と、空気など酸素を含有する酸化剤とを、電気化学的に反応させることで、電力を発生させるものである。   A fuel cell generates electric power by electrochemically reacting a fuel capable of generating protons such as hydrogen and an oxidant containing oxygen such as air.

燃料電池のカソード極において、触媒粒子表面では気体の酸素と液体のプロトンと固体である導電性微粉末からの電子とにより水が生成する触媒反応が起きている。   In the cathode of the fuel cell, a catalytic reaction in which water is generated on the surface of the catalyst particles is generated by gaseous oxygen, liquid protons, and electrons from conductive fine powder that is solid.

前記触媒反応が起こっている反応中心は三相界面と一般に呼ばれる。この三相界面の面積はプロトンを効率的に供給できる電解質層に接している触媒粒子の有効表面積(ECA、電気化学表面積と呼ばれる)に比例しており、このECAを維持することができれば、長期にわたって高い電池出力特性が得られる。しかしながら、白金触媒は、電解質から供給されるプロトンにより酸性に晒されると酸化溶解がおこる。通常の燃料電池電極における強酸性条件では特に溶解反応が加速することにより、ECAの低下が起こる。また、電極反応にはその触媒表面への酸素の効率的供給も不可欠であるので、長期的に安定で高い電池特性を得るには、ECAと酸素拡散性の両方の観点から様々な材料開発がなされている。   The reaction center in which the catalytic reaction occurs is generally called a three-phase interface. The area of this three-phase interface is proportional to the effective surface area (ECA, called electrochemical surface area) of the catalyst particles in contact with the electrolyte layer that can efficiently supply protons. If this ECA can be maintained, long-term High battery output characteristics can be obtained. However, the platinum catalyst undergoes oxidative dissolution when exposed to acid by protons supplied from the electrolyte. Under strong acidic conditions in a normal fuel cell electrode, the dissolution reaction accelerates and ECA is lowered. In addition, since efficient supply of oxygen to the catalyst surface is essential for electrode reactions, various material developments are needed from the viewpoints of both ECA and oxygen diffusivity in order to obtain stable and high battery characteristics over the long term. Has been made.

一般的に、燃料電池用電極の触媒層は、ケッチェンブラックやアセチレンブラックなどの多孔性炭素微粉末に白金粒子を担持した触媒粉体と高分子電解質を混合することで形成されている。このなかでECAと酸素拡散性をともに担保するために、高分子電解質と触媒粒子との混合方法に関する検討がなされている。例えば、高分子電解質の溶媒中での分散性を段階的に調整しながら、触媒への電解質の被覆状態を変化させることで、高分子電解質を触媒粉末に重ね塗りしていくような方法が提案されている(特許文献1、2)。また、触媒粉末の表面に固着させた重合性官能基を基点として、高分子電解質を化学的に結合させる方法もある(特許文献3)。しかしながら、実機として用いる電池特性として不十分であったり、またパーフルオロアルキルスルホン酸系高分子電解質を用いているため、触媒の白金粒子は電位変動で酸性溶解して触媒劣化を起こし、その結果電池安定性が確保できない問題があった。   In general, a catalyst layer of a fuel cell electrode is formed by mixing a catalyst powder in which platinum particles are supported on a porous carbon fine powder such as ketjen black or acetylene black and a polymer electrolyte. Under these circumstances, in order to ensure both ECA and oxygen diffusivity, studies have been made on a method of mixing a polymer electrolyte and catalyst particles. For example, a method is proposed in which the polymer electrolyte is overcoated on the catalyst powder by changing the dispersion state of the electrolyte on the catalyst while gradually adjusting the dispersibility of the polymer electrolyte in the solvent. (Patent Documents 1 and 2). There is also a method in which a polymer electrolyte is chemically bonded using a polymerizable functional group fixed on the surface of a catalyst powder as a base point (Patent Document 3). However, since the battery characteristics used as an actual machine are insufficient, or because a perfluoroalkyl sulfonic acid polymer electrolyte is used, the catalyst platinum particles are acid-dissolved due to potential fluctuations, causing catalyst deterioration. There was a problem that stability could not be secured.

また、触媒となる白金ナノ粒子の安定性をまず確保する材料提案もなされているが、そもそも触媒活性を低下させる材料を使わざるを得ないために、ECAや酸素拡散性の他にも、電子的導通についての課題があり、満足のいく電池の初期特性を得るための有効な方法とはなり得ない(特許文献4)。   In addition, materials have been proposed to ensure the stability of platinum nanoparticles as a catalyst. However, in order to use materials that reduce catalytic activity in the first place, in addition to ECA and oxygen diffusivity, There is a problem with respect to electrical conduction, and it cannot be an effective method for obtaining satisfactory initial characteristics of a battery (Patent Document 4).

このように燃料電池用電極の開発において、発電特性とその長期的安定性の双方を同時に担保する材料の開発が大きな課題となっている。   Thus, in the development of fuel cell electrodes, the development of materials that simultaneously ensure both power generation characteristics and long-term stability has become a major issue.

その他、特許文献5は本発明に関連し得る。   In addition, Patent Document 5 may relate to the present invention.

特開平11−126615号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-126615 特開平7−254419号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-254419 特開2007−165005号公報JP 2007-165005 A 特開2007−5292号公報JP 2007-5292 A 特開2005−032668号公報JP 2005-032668 A

従来の電極構成では、燃料電池の出力特性を高くするために、触媒層中の高分子電解質にパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを用いなければならない。この電解質が分子構造中に有するスルホン酸基はその酸解離定数が非常に大きく、電極中の分散された白金ナノ粒子が容易に酸性溶解を起こす。そのため燃料電池作動中に徐々に触媒が劣化し、ECAの安定性確保が困難なことが課題であった。   In the conventional electrode configuration, a perfluorocarbon sulfonic acid polymer must be used for the polymer electrolyte in the catalyst layer in order to enhance the output characteristics of the fuel cell. The sulfonic acid group that the electrolyte has in its molecular structure has a very large acid dissociation constant, and the dispersed platinum nanoparticles in the electrode easily cause acidic dissolution. Therefore, the problem is that the catalyst gradually deteriorates during the operation of the fuel cell and it is difficult to ensure the stability of ECA.

本発明は、前記課題を解決するもので、金属ナノ粒子の溶解散逸が防がれ触媒劣化が抑制されることで、燃料電池のECAを安定に保ち、それに伴い発電性能も安定させることができる電極の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described problem, and prevents dissolution and dissipation of metal nanoparticles and suppresses catalyst deterioration, so that ECA of a fuel cell can be kept stable, and power generation performance can be stabilized accordingly. It aims at providing the manufacturing method of an electrode.

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池用電極の製造方法は、触媒粒子を表面に備えた触媒粉体と白金溶出抑制材料を混合してスラリーを調製する工程と、減圧乾燥処理および加熱乾燥処理を行うことにより、前記スラリー中で前記白金溶出抑制材料の重合反応を行うことで、前記ECA低下抑制材料の重合体から成る白金溶出抑制層を前記触媒粉体の表面上に形成して、抑制層被覆触媒を得る工程と、前記抑制層被覆触媒と溶媒と電解質を混合してペーストを調製する工程とを含む。   In order to solve the above-described conventional problems, the method for producing an electrode for a fuel cell according to the present invention includes a step of preparing a slurry by mixing a catalyst powder having catalyst particles on the surface and a platinum elution suppressing material, and drying under reduced pressure. By performing a polymerization reaction of the platinum elution suppression material in the slurry by performing a treatment and a heat drying process, a platinum elution suppression layer made of a polymer of the ECA lowering suppression material is formed on the surface of the catalyst powder. Forming a suppression layer-covered catalyst, and mixing the suppression layer-coated catalyst, a solvent, and an electrolyte to prepare a paste.

スラリー作成時に一定量以上の低分子状態白金溶出抑制材料を用い、その場で重合することで、白金表面及びカーボン表面上に、数nm厚みの白金溶出抑制層を形成できる。   A platinum elution suppression layer having a thickness of several nanometers can be formed on the platinum surface and the carbon surface by polymerizing in situ using a certain amount or more of a low molecular state platinum elution suppression material at the time of slurry preparation.

本発明の、酸素還元反応電極およびその製造方法によれば、高水準かつ長期間で安定したECAを有する電極を製造することができる。   According to the oxygen reduction reaction electrode and the manufacturing method thereof of the present invention, an electrode having a high level and stable ECA can be manufactured over a long period of time.

本発明の実施の形態1における酸素還元反応電極の製造方法に示した工程図Process drawing shown in the manufacturing method of the oxygen reduction reaction electrode in Embodiment 1 of this invention

以下本発明の実施の形態について、図面を参照にしながら説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

本実施の形態においては、工程S11−S15を実施することにより酸素還元反応電極を製造する。   In the present embodiment, an oxygen reduction reaction electrode is manufactured by performing steps S11 to S15.

まず工程S11において、重合性電解質前駆体(1)と重合性スペーサー前駆体(2)を溶媒1(3)に混合して、白金溶出抑制材料(4)を調製する。   First, in step S11, a polymerizable electrolyte precursor (1) and a polymerizable spacer precursor (2) are mixed with a solvent 1 (3) to prepare a platinum elution suppressing material (4).

重合性電解質前駆体(1)とは、重合性官能基を有する低分子化合物である。具体的にはプロトン酸性官能基と重縮合性官能基を同一分子内に併せ持つ化合物である。プロトン酸性官能基とは、酸素の還元反応が進行する白金触媒表面上へプロトンを供給する機能を持つ材料が有する官能基である。特にスルホン酸基が好適である。   The polymerizable electrolyte precursor (1) is a low molecular compound having a polymerizable functional group. Specifically, it is a compound having both a proton acidic functional group and a polycondensable functional group in the same molecule. The proton acidic functional group is a functional group possessed by a material having a function of supplying protons onto the platinum catalyst surface where oxygen reduction reaction proceeds. A sulfonic acid group is particularly preferable.

白金溶出抑制材料(4)は、プロトン供給能を有するために、少なくとも重合性電解質前駆体(1)を構成要素として含む。   The platinum elution suppressing material (4) has at least a polymerizable electrolyte precursor (1) as a constituent element in order to have proton supply ability.

上記重縮合性官能基とは、加熱及び/又は減圧等の条件により反応して重縮合反応が進行する官能基のことをいい、特にヒドロキシル基及び/又はアルコキシル基を有する珪素基が好ましい。この珪素基は、具体的には、式:(RO)Si−(式中、Rは水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表す)で表される。白金溶出抑制材料(4)はこの重縮合性官能基を有するために、後に説明する工程S12で重合して、重合体を形成することができる。重合の際には、珪素原子同士が酸素原子を介して結合することでシロキサン結合を形成し、水又はROHを放出する。 The polycondensable functional group refers to a functional group that undergoes a polycondensation reaction by reaction under conditions such as heating and / or reduced pressure, and a silicon group having a hydroxyl group and / or an alkoxyl group is particularly preferable. This silicon group is specifically represented by the formula: (R 1 O) 3 Si— (wherein R 1 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms). Since the platinum elution suppressing material (4) has this polycondensable functional group, it can be polymerized in step S12 described later to form a polymer. In the polymerization, silicon atoms are bonded to each other through an oxygen atom to form a siloxane bond and release water or R 1 OH.

前記式における炭素数1〜4のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、t−ブチル基等が挙げられる。なかでも、反応性の高さや重合後の除去の容易さから、エチル基が好ましい。   Examples of the alkyl group having 1 to 4 carbon atoms in the above formula include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, and a t-butyl group. Of these, an ethyl group is preferred because of its high reactivity and ease of removal after polymerization.

白金溶出抑制材料(4)として、具体的には、式:(RO)Si−R−SOH(式中、Rは水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表し、Rは炭素数1〜15のアルキレン基を表す)で表される化合物を使用することができる。1分子中に3個存在するRは同一でもよく、異なっていてもよい。 Specifically, as the platinum elution suppressing material (4), the formula: (R 1 O) 3 Si—R 2 —SO 3 H (wherein R 1 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms). , R 2 represents an alkylene group having 1 to 15 carbon atoms). Three R 1 present in one molecule may be the same or different.

によって表されるアルキレン基は炭素数1〜15のアルキレン基の中から適宜選択することができる。このアルキレン基は鎖状でも分岐状でもよい。好ましくは炭素数2〜10のアルキレン基である。 The alkylene group represented by R 2 can be appropriately selected from alkylene groups having 1 to 15 carbon atoms. This alkylene group may be linear or branched. Preferably it is a C2-C10 alkylene group.

溶媒1(3)は白金溶出抑制材料(4)もしくは重合性スペーサー前駆体(2)を溶解するのに用いられる。このような溶媒としては各化合物を溶解できるように極性溶媒であることが好ましく、具体的には、アセトン、炭素数1〜4のアルコール(メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール)、ジメチルアセトアミド、酢酸エチル、酢酸ブチル、テトラヒドロフラン等が挙げられる。溶媒(3)は1種類のみを用いてもよいし、複数種類を組み合わせて使用してもよい。   The solvent 1 (3) is used to dissolve the platinum elution suppressing material (4) or the polymerizable spacer precursor (2). Such a solvent is preferably a polar solvent so that each compound can be dissolved. Specifically, acetone, alcohol having 1 to 4 carbon atoms (methanol, ethanol, propanol, butanol), dimethylacetamide, ethyl acetate. , Butyl acetate, tetrahydrofuran and the like. As the solvent (3), only one type may be used, or a plurality of types may be used in combination.

溶媒の使用量は白金溶出抑制材料(4)もしくは重合性スペーサー前駆体(2)を溶解できる限り特に限定されない。   The amount of the solvent used is not particularly limited as long as the platinum elution suppressing material (4) or the polymerizable spacer precursor (2) can be dissolved.

次に工程S12では、触媒粉体(5)と白金溶出抑制材料(4)と溶媒2(6)から成るスラリー(7)を調製する。このとき、混合方法は特に限定されず、触媒粉体のもつ微細孔中及び粉末表面に、低分子状態にある抑制材料(4)が均一に隈無く配置される。   Next, in step S12, a slurry (7) composed of catalyst powder (5), platinum elution inhibiting material (4), and solvent 2 (6) is prepared. At this time, the mixing method is not particularly limited, and the suppression material (4) in a low molecular state is uniformly and uniformly disposed in the fine pores and the powder surface of the catalyst powder.

溶媒2(6)は、スラリー(7)の分散性を確保し、粘度を調整するために用いられる。このような溶媒としては各化合物を溶解できるように極性溶媒であることが好ましく、具体的には、アセトン、炭素数1〜4のアルコール(メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール)、ジメチルアセトアミド、酢酸エチル、酢酸ブチル、テトラヒドロフラン等が挙げられる。溶媒2(6)は1種類のみを用いてもよいし、複数種類を組み合わせて使用してもよい。   The solvent 2 (6) is used for securing the dispersibility of the slurry (7) and adjusting the viscosity. Such a solvent is preferably a polar solvent so that each compound can be dissolved. Specifically, acetone, alcohol having 1 to 4 carbon atoms (methanol, ethanol, propanol, butanol), dimethylacetamide, ethyl acetate. , Butyl acetate, tetrahydrofuran and the like. Only one type of solvent 2 (6) may be used, or a plurality of types may be used in combination.

触媒粉体(5)とは、燃料電池、特に高分子電解質型燃料電池の電極で使用されている金属触媒粒子を導電性担体の表面上に備えた粉体のことをいう。特に、プロトンと酸素と電子とが反応して水を生成するカソード極での反応を触媒する粒子のことをいう。具体的には、白金ナノ粒子を用いることができる。白金ナノ粒子の平均粒径は一般に1〜5nm程度であり、その比表面積は50〜200m/g程度である。また、燃料電池の要求性能から鑑みて一般的に用いられる白金ナノ粒子の粒径は2−3nm以下であるが、プロトン酸性条件下では容易に白金が溶出してしまい、触媒安定性が極めて低い。 The catalyst powder (5) refers to a powder provided on the surface of a conductive carrier with metal catalyst particles used in an electrode of a fuel cell, particularly a polymer electrolyte fuel cell. In particular, it refers to particles that catalyze the reaction at the cathode where protons, oxygen, and electrons react to produce water. Specifically, platinum nanoparticles can be used. The average particle diameter of the platinum nanoparticles is generally about 1 to 5 nm, and the specific surface area is about 50 to 200 m 2 / g. Moreover, although the particle diameter of platinum nanoparticles generally used in view of the required performance of the fuel cell is 2-3 nm or less, platinum is easily eluted under proton acidic conditions, and the catalyst stability is extremely low. .

導電性担体とは、触媒粒子を担持する多孔性担体のことをいう。多孔性担体は電子を触媒粒子に伝導する役割を持つため、導電性を持つ必要がある。具体的には、多孔性の炭素粒子を用いることができる。多孔性炭素粒子には、最小で数nmサイズの細孔が存在する。多孔性炭素粒子の平均粒径は触媒粒子の平均粒径より大きく、通常20〜100nm程度であり、比表面積100〜1000m/g程度である。 The conductive carrier refers to a porous carrier that supports catalyst particles. Since the porous carrier has a role of conducting electrons to the catalyst particles, it needs to have conductivity. Specifically, porous carbon particles can be used. Porous carbon particles have pores having a size of several nm at the minimum. The average particle diameter of the porous carbon particles is larger than the average particle diameter of the catalyst particles, and is usually about 20 to 100 nm, and has a specific surface area of about 100 to 1000 m 2 / g.

多孔性炭素粒子は、平面的な電極を形成するために、高分子電解質膜、またはカーボンペーパーやカーボンクロス等のガス拡散層の表面に結着させるには、有機高分子電解質を使用することが一般的である。   Porous carbon particles may use an organic polymer electrolyte to bind to the surface of a polymer electrolyte membrane or a gas diffusion layer such as carbon paper or carbon cloth to form a planar electrode. It is common.

本発明におけるスラリー調製時の混合方法としては、遊星ボールミル、ビーズミル、ホモジナイザをはじめとする公知の方法が挙げられ、特に限定しない。電極触媒インクの分散は不活性ガス下で行うのが好ましいが、大気雰囲気下で混合しても特に構わない。   Examples of the mixing method at the time of preparing the slurry in the present invention include known methods such as a planetary ball mill, a bead mill, and a homogenizer, and are not particularly limited. The electrocatalyst ink is preferably dispersed in an inert gas, but it may be mixed in an air atmosphere.

重合性の化合物としては上記白金溶出抑制材料(4)のみを使用してもよいが、得られる重合体の酸基濃度を制御するため、白金溶出抑制材料(4)に対して重合性スペーサー前駆体(2)を併用することが望ましい。重合性スペーサー前駆体(2)は、白金溶出抑制材料(4)との共重合性を有しているため、共重合することにより、得られる重合体の中に取り込まれる。重合性スペーサー前駆体(2)は、プロトン酸性官能基を有さず重縮合性官能基を持つ化合物である。具体的には、式:(RO)SiR (式中、Rは水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表し、Rは炭素数1〜10のアルキル基を表す。mは、2、3又は4を表し、nは0、1又は2を表す。ただしmとnの合計は4である。)で表される化合物である。1分子中に2〜4個存在するRは同一でもよく、異なっていてもよい。また、1分子中にRが2個存在する場合、それらRは同一でもよく、異なっていてもよい。 As the polymerizable compound, only the platinum elution suppressing material (4) may be used. However, in order to control the acid group concentration of the obtained polymer, the polymerizable spacer precursor is compared with the platinum elution suppressing material (4). It is desirable to use the body (2) together. Since the polymerizable spacer precursor (2) has copolymerizability with the platinum elution suppressing material (4), it is incorporated into the resulting polymer by copolymerization. The polymerizable spacer precursor (2) is a compound having no proton acidic functional group and having a polycondensable functional group. Specifically, the formula: (R 3 O) m SiR 4 n (wherein R 3 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and R 4 represents an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms). M represents 2, 3 or 4, and n represents 0, 1 or 2. However, the sum of m and n is 4. Two or four R 3 s in one molecule may be the same or different. Moreover, when two R < 4 > exists in 1 molecule, these R < 4 > may be the same and may differ.

を表す炭素数1〜4のアルキル基としては、Rの場合と同様、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、t−ブチル基等が挙げられる。なかでも、反応性の高さや重合後の除去の容易さから、メチル基が好ましい。 Examples of the alkyl group having 1 to 4 carbon atoms representing R 3 include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, and a t-butyl group as in the case of R 1. It is done. Of these, a methyl group is preferred because of its high reactivity and ease of removal after polymerization.

は、炭素数1〜10のアルキル基の中から、白金溶出抑制材料(4)の構造や、重合性スペーサー前駆体(2)の使用量等を勘案して、得られる白金溶出抑制材料(4)が触媒反応を阻害せずに、白金の溶出を抑制可能な酸性濃度を有する適切なものを選択することができる。 R 4 is a platinum elution suppressing material obtained from the alkyl group having 1 to 10 carbon atoms in consideration of the structure of the platinum elution suppressing material (4), the amount of the polymerizable spacer precursor (2) used, and the like. (4) can select the suitable thing which has an acidic concentration which can suppress elution of platinum, without inhibiting a catalytic reaction.

重合性スペーサー前駆体を使用する場合、重合性電解質前駆体(1)と重合性スペーサー前駆体(2)の使用割合は、重合して得られる白金溶出抑制層のEW値や、発電特性等を考慮して適宜決定することができるが、通常モル比で1:0.25〜10の範囲が望ましい。特に1:0.5〜8の範囲がより好ましい。   When the polymerizable spacer precursor is used, the usage ratio of the polymerizable electrolyte precursor (1) and the polymerizable spacer precursor (2) depends on the EW value of the platinum elution suppression layer obtained by polymerization, power generation characteristics, and the like. Although it can be appropriately determined in consideration of the above, a molar ratio of 1: 0.25 to 10 is usually desirable. In particular, the range of 1: 0.5 to 8 is more preferable.

上記EWとはEquivalent Weightの略称であり、スルホン酸基1モルあたりの乾燥電解質膜重量を表す。EW値が小さいほど、その電解質に含まれるスルホン酸基の比率が大きくなる。本発明における白金溶出抑制層は、白金触媒の安定性と電極の発電特性の両方を担保するために、大きすぎるEW値を持つことは好ましくない。具体的には、本発明における電解質層は4000以下のEW値が持つことが好ましいので、この範囲を満たすよう、重合性電解質前駆体(1)と重合性スペーサー前駆体の使用割合を調整することが好ましい。   The EW is an abbreviation for Equivalent Weight and represents the dry electrolyte membrane weight per mole of sulfonic acid groups. The smaller the EW value, the greater the proportion of sulfonic acid groups contained in the electrolyte. It is not preferable that the platinum elution suppressing layer in the present invention has an EW value that is too large in order to ensure both the stability of the platinum catalyst and the power generation characteristics of the electrode. Specifically, since the electrolyte layer in the present invention preferably has an EW value of 4000 or less, the use ratio of the polymerizable electrolyte precursor (1) and the polymerizable spacer precursor is adjusted so as to satisfy this range. Is preferred.

重合性スペーサー前駆体は1種類のみを用いてもよいし、複数種類を組み合わせて使用してもよい。   Only one type of polymerizable spacer precursor may be used, or a plurality of types may be used in combination.

本実施形態では、重合性スペーサー前駆体を用いる場合について説明しているが、前記重合性スペーサー前駆体(5)は使用しなくともよい。その場合でも、白金溶出抑制材料(2)が有する親油性部位の構造(例えば、アルキレン基Rの炭素数)を制御することで、酸性濃度を制御した白金溶出抑制層(5)を形成することができる。 In this embodiment, although the case where a polymerizable spacer precursor is used is described, the polymerizable spacer precursor (5) may not be used. Even then, the structure of the lipophilic moiety with platinum dissolution inhibiting material (2) (e.g., number of carbon atoms of the alkylene group R 2) by controlling the form of platinum elution suppressing layer having a controlled acid concentration (5) be able to.

また、燃料電池の運転時にカソード極の触媒サイトでは、酸素還元反応によって水が継続的に産生するため、本発明における白金溶出抑制層は効率的な排水を可能とする撥水性を示すものであることも求められる。この撥水性は、使用する白金溶出抑制材料(4)の構造、及び、任意使用の重合性スペーサー前駆体(2)の構造や使用割合等によって制御される。   Further, since water is continuously produced by the oxygen reduction reaction at the catalytic site of the cathode electrode during the operation of the fuel cell, the platinum elution suppressing layer in the present invention exhibits water repellency that enables efficient drainage. It is also required. This water repellency is controlled by the structure of the platinum elution suppressing material (4) to be used, the structure and use ratio of the optional polymerizable spacer precursor (2), and the like.

以上に示した白金溶出抑制材料を、白金担持カーボン触媒のカーボン重量に対して0.3以上0.7以下で用いることが望ましい。また白金溶出抑制材料とカーボンの重量比を以下ではI/Cと記載する。   It is desirable to use the platinum elution suppressing material shown above at 0.3 to 0.7 with respect to the carbon weight of the platinum-supported carbon catalyst. Further, the weight ratio of the platinum elution suppressing material and carbon is hereinafter referred to as I / C.

続いて工程S13から工程S14にあるように、スラリー(7)を減圧もしくは加熱乾燥処理することで、スラリー中に含まれる白金溶出抑制材料(4)が重縮合反応することによって白金溶出抑制層(8)へと変化し、白金粒子及びカーボン粒子を抑制層(8)が被覆するような形で、抑制層被覆触媒(9)が生成する。   Subsequently, as shown in Step S13 to Step S14, the platinum elution suppression material (4) contained in the slurry undergoes a polycondensation reaction by subjecting the slurry (7) to reduced pressure or heat drying treatment, whereby a platinum elution suppression layer ( 8), the suppression layer-coated catalyst (9) is produced in such a manner that the suppression layer (8) covers the platinum particles and the carbon particles.

工程S15において、抑制層被覆触媒(9)と高分子電解質(10)と溶媒3(11)を混合することで、ペースト(12)を作製する。用いる高分子電解質は、一般的に燃料電池用触媒電極でよく使用されるパーフルオロアルキルスルホン酸系高分子であるが、これと同程度のプロトン伝導率を有する電解質材料であれば問題なく、限定されない。ペースト作製の際に用いる電解質量は、白金担持カーボンのカーボン重量に対する重量比をN/Cと表した場合、前期I/Cとの合計(I/C+N/C)が0.9〜1.2の範囲であることが望ましい。   In step S15, the paste (12) is produced by mixing the suppression layer-coated catalyst (9), the polymer electrolyte (10), and the solvent 3 (11). The polymer electrolyte to be used is a perfluoroalkylsulfonic acid polymer generally used in fuel cell catalyst electrodes, but there is no problem as long as the electrolyte material has a proton conductivity comparable to this. Not. When the weight ratio of platinum-supported carbon to carbon weight is expressed as N / C, the electrolytic mass used for preparing the paste is 0.9 to 1 in total with the previous period I / C (I / C + N / C). It is desirable to be in the range of.

続いて工程S16に示したように、得られたペースト(12)を基材となる高分子フイルム上に塗布し、さらに乾燥処理にて溶媒を除去することで、触媒と白金溶出抑制層(8)と電解質(10)とを含む燃料電池用電極(12)を形成することができる。例えば、ナフィオン(R)(DuPont社製商品名)等のパーフルオロスルホン酸系高分子から構成される電解質膜へ直接的に塗布および乾燥することで、この膜表面に密着する形で、燃料電池用電極を形成することも可能である。 Subsequently, as shown in step S16, the obtained paste (12) is applied onto a polymer film as a base material, and the solvent is removed by a drying treatment, whereby a catalyst and a platinum elution suppressing layer (8 ) And an electrolyte (10), a fuel cell electrode (12) can be formed. For example, by directly applying to an electrolyte membrane composed of a perfluorosulfonic acid polymer such as Nafion (R) (trade name manufactured by DuPont ) and drying it, the fuel cell adheres to the membrane surface. It is also possible to form a working electrode.

以上により製造された燃料電池用電極(12)は、触媒である白金ナノ粒子がまず白金溶出抑制層(8)で被覆されており、さらにその外側に高分子電解質が配置された構造を有している。この構造により、このカソード極に存在する大部分の触媒表面に、アノード極で産生するプロトンが十分量供給されて高い発電特性を有しつつも、酸性溶解に伴う触媒金属の劣化は抑制されることとなる。   The fuel cell electrode (12) manufactured as described above has a structure in which platinum nanoparticles as a catalyst are first coated with a platinum elution suppression layer (8), and a polymer electrolyte is disposed on the outside thereof. ing. With this structure, a large amount of protons produced at the anode electrode are supplied to the surface of most of the catalyst present in the cathode electrode, and while having high power generation characteristics, deterioration of the catalyst metal due to acidic dissolution is suppressed. It will be.

なお本発明により製造される電極は、燃料電池用のカソード極として使用される。このカソード極は、パーフルオロスルホン酸系電解質膜を介して、アノード極と対向させて配置され、さらにセパレータで挟み込むことにより燃料電池として構成することができる。   The electrode manufactured according to the present invention is used as a cathode electrode for a fuel cell. The cathode electrode is disposed to face the anode electrode with a perfluorosulfonic acid electrolyte membrane interposed therebetween, and can be configured as a fuel cell by being sandwiched between separators.

以下に実施例を掲げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。   The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited to these examples.

本発明における白金溶出抑制層の形成
前述した方法に従って、まずスルホン酸基と重縮合性珪素基とを有する化合物である重合性電解質前駆体を有機溶媒により希釈する。その後、ここに水に不溶性の低分子材料を重合性スペーサー前駆体として加えて混合して白金溶出抑制材料を調製する。最後に減圧及び/又は加熱による乾燥により溶媒等の揮発成分を除去することで共重合反応を経由して、白金溶出抑制層を得るというものである。
Formation of platinum elution suppressing layer in the present invention According to the above-described method, first, a polymerizable electrolyte precursor, which is a compound having a sulfonic acid group and a polycondensable silicon group, is diluted with an organic solvent. Thereafter, a low molecular weight material insoluble in water is added as a polymerizable spacer precursor and mixed to prepare a platinum elution suppressing material. Finally, a platinum elution suppression layer is obtained through a copolymerization reaction by removing volatile components such as a solvent by drying under reduced pressure and / or heating.

具体的には、以下の手順通りである。スルホン酸基を持つトリヒドロキアルキルシラン化合物((RO)3Si-(CH2)3-SO3H、30wt%水溶液、Gelest社製)10mmolを、t-BuOHで希釈して、10wt%溶液を調製する。その後、(MeO)3Si-(CH2)5−Me 60mmolを加えて15分間攪拌し、さらにt-BuOHを加えて混合することで無色透明溶液として白金溶出抑制材料が調製できる。この工程により、スルホン酸基に変換された重合性電解質前駆体((HO)3Si-(CH2)3-SO3H)とスルホン酸基を持たない重合性スペーサー前駆体(MeO)3Si-(CH2)5−Meのモル比1:6混合の均一溶液が得られる。なお、この溶液のEW(スルホン酸基1molを含むために必要な材料質量)値は、1070となる。 Specifically, the procedure is as follows. 10 mmol of a trihydroxyalkylsilane compound having a sulfonic acid group ((RO) 3 Si— (CH 2 ) 3 —SO 3 H, 30 wt% aqueous solution, Gelest) diluted with t-BuOH Prepare. Thereafter, 60 mmol of (MeO) 3 Si— (CH 2 ) 5 —Me is added and stirred for 15 minutes, and further, t-BuOH is added and mixed to prepare a platinum elution inhibiting material as a colorless transparent solution. By this process, the polymerizable electrolyte precursor ((HO) 3 Si— (CH 2 ) 3 —SO 3 H) converted into a sulfonic acid group and the polymerizable spacer precursor (MeO) 3 Si not having a sulfonic acid group - (CH 2) 5 -Me molar ratio of 1: 6 homogeneous solution of the mixed is obtained. The EW (mass of material necessary to contain 1 mol of sulfonic acid group) value of this solution is 1070.

次に、上記溶液を減圧下で溶媒等の揮発成分を徐々に留去することで重合反応が進行し、結果、水に不溶性のポリシロキサン固体として白金溶出抑制層を得た。上記ポリシロキサン固体はシロキサン(Si-O-Si)骨格を有する。   Next, the polymerization reaction proceeded by gradually distilling off volatile components such as a solvent under reduced pressure from the above solution. As a result, a platinum elution suppressing layer was obtained as a water-insoluble polysiloxane solid. The polysiloxane solid has a siloxane (Si—O—Si) skeleton.

膜状物質として得られた上記ポリシロキサン固体の水への不溶性を確認するために、水にこの膜状物質を浸漬させ1昼夜攪拌した。上澄み液を取って水を減圧留去したが、ポリシロキサン化合物の析出は確認されなかった。   In order to confirm the insolubility of the polysiloxane solid obtained as a film-like substance in water, the film-like substance was immersed in water and stirred for one day. The supernatant was taken and water was distilled off under reduced pressure, but no precipitation of the polysiloxane compound was confirmed.

また、合成したポリシロキサン固体について固体NMR測定を行ったところ、13C-DDMAS-NMR(single pulse & 1H decouple)および29Si-CPMAS-NMR(1H→13C cross polarization & 1H decouple)において実測されたシグナルピークの化学シフト値が、その分子構造から予想される理論値と良い一致をし、合成した固体物が目的の分子構造を有する共重合物であることがわかった。 In addition, solid-state NMR measurements were performed on the synthesized polysiloxane solids. They were measured in 13 C-DDMAS-NMR (single pulse & 1H decouple) and 29 Si-CPMAS-NMR (1H → 13C cross polarization & 1H decouple). The chemical shift value of the signal peak was in good agreement with the theoretical value expected from its molecular structure, and it was found that the synthesized solid product was a copolymer having the target molecular structure.

なお、上記の白金溶出抑制材料の調製法を利用することで、(HO)3Si-(CH2)3-SO3Hと(MeO)3Si-Meの各種モル比1 : n(n=0,0.5,1,2,3)で混合した白金溶出抑制材料を調製可能である。各白金溶出抑制材料をナスフラスコへ移した後、ダイヤフラムポンプを用いて減圧下で溶媒留去することで重合反応を経て塊状固体を得た。 In addition, various molar ratios 1: n (n = n = n) of (HO) 3 Si— (CH 2 ) 3 —SO 3 H and (MeO) 3 Si—Me are obtained by using the above-described method for preparing the platinum elution suppressing material. It is possible to prepare platinum elution control materials mixed in 0, 0.5, 1, 2, 3). After transferring each platinum elution suppression material to the eggplant flask, the solvent was distilled off under reduced pressure using a diaphragm pump to obtain a bulk solid through a polymerization reaction.

n=1,2,3,4,5の重合物について水への不溶性を有することがわかった。   It was found that the polymers with n = 1, 2, 3, 4, 5 have insolubility in water.

また、上記の白金溶出抑制層(n=1,2,3)の有機溶剤への溶解性を検討したところ、アセトンならびにエチルアルコールに、上記の白金溶出抑制層を浸漬させ一昼夜攪拌した。しかし、全く溶解せず沈殿物のみを与える結果となった。   Further, when the solubility of the platinum elution suppression layer (n = 1, 2, 3) in an organic solvent was examined, the platinum elution suppression layer was immersed in acetone and ethyl alcohol and stirred all day and night. However, it did not dissolve at all and resulted in only a precipitate.

また、(HO)3Si-(CH2)3-SO3HとC6のアルキル鎖を有する(MeO)3Si-C6H13(東京化成社製)を、モル比1 : nで混合して調製した重合性電解質前駆体を、乾燥して重合反応することにより白金溶出抑制層を得た。n=0.50,0.75,1,2,3,6,10の白金溶出抑制層は、アセトンならびにエチルアルコールに一昼夜浸漬攪拌したが、全く溶解せず沈殿物のみを与える結果となった。 Further, (HO) 3 Si— (CH 2 ) 3 —SO 3 H and (MeO) 3 Si—C 6 H 13 (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) having a C6 alkyl chain were mixed at a molar ratio of 1: n. The polymerizable electrolyte precursor thus prepared was dried and subjected to a polymerization reaction to obtain a platinum elution suppressing layer. The platinum elution suppression layer with n = 0.50,0.75,1,2,3,6,10 was immersed and stirred in acetone and ethyl alcohol all day and night, but it did not dissolve at all, and only a precipitate was obtained.

また、(HO)3Si-(CH2)3-SO3HとC10のアルキル鎖を有する(MeO)3Si-C10H21(信越化学工業社製)を、モル比1 : nで混合して調製した白金溶出抑制材料を、乾燥して重合反応することにより白金溶出抑制層を得た。n=0.50,0.75,1,2,3,4,6,8の白金溶出抑制層は、アセトンならびにエチルアルコールに一昼夜浸漬攪拌したが、全く溶解せず沈殿物のみを与える結果となった。 Also, (HO) 3 Si— (CH 2 ) 3 —SO 3 H and (MeO) 3 Si—C 10 H 21 (made by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) having a C10 alkyl chain are mixed at a molar ratio of 1: n. The platinum elution suppression material thus prepared was dried and subjected to a polymerization reaction to obtain a platinum elution suppression layer. The platinum elution suppression layers with n = 0.50,0.75,1,2,3,4,6,8 were immersed and stirred in acetone and ethyl alcohol all day and night, but did not dissolve at all, resulting in only a precipitate.

上記の白金溶出抑制材料を調製可能な溶媒は、t-BuOH以外では、アセトン、エタノールなどの低級アルコール、ジメチルアセトアミドなどが挙げられる。   Examples of the solvent capable of preparing the platinum elution suppressing material include lower alcohols such as acetone and ethanol, dimethylacetamide, and the like other than t-BuOH.

(実施例1)燃料電池A〜Gの製造
これより、白金溶出抑制層の形成で述べた方法により得られる白金溶出抑制材料を用いて、燃料電池用電極を作製する方法について述べる。白金溶出抑制材料(4)は、重合性電解質前駆体(1)(HO)3Si-(CH2)3-SO3Hと重合性スペーサー前駆体(2)(R’O)3Si-R (R:アルキル基、R’:Me又はEt)の2種類のそれぞれを所定のモル比で含有する。固形分となるこれら2種類のモノマー(1)および(2)の混合物1gに対して、溶媒1(3)として超純水5gと、t−BuOH6.5gを加えて、8%重量濃度となるよう(4)の溶液を調製した。重合性電解質前駆体と重合性スペーサー前駆体の混合比については、前述電解質層の形成における水不溶性を有する材料範囲のなかで、電極として電流―電圧特性を有する適当なモル組成を選択しているが、この限りではない。この電解質前駆体に含有される(HO)3Si-(CH2)3-SO3H/(R’O)3Si-R (R:アルキル基、R’:Me又はEt)の各成分は、低分子状態で溶媒和されている。
(Example 1) Production of fuel cells A to G A method for producing an electrode for a fuel cell using a platinum elution suppressing material obtained by the method described in the formation of a platinum elution suppressing layer will be described. Platinum elution suppression material (4) is composed of polymerizable electrolyte precursor (1) (HO) 3 Si— (CH 2 ) 3 —SO 3 H and polymerizable spacer precursor (2) (R′O) 3 Si—R. Each of the two types (R: alkyl group, R ′: Me or Et) is contained in a predetermined molar ratio. 5 g of ultrapure water and 6.5 g of t-BuOH are added as solvent 1 (3) to 1 g of a mixture of these two types of monomers (1) and (2), which are solids, resulting in an 8% weight concentration. A solution of (4) was prepared. Regarding the mixing ratio of the polymerizable electrolyte precursor and the polymerizable spacer precursor, an appropriate molar composition having current-voltage characteristics is selected as the electrode in the range of materials having water insolubility in the formation of the electrolyte layer . But this is not the case. Each component of (HO) 3 Si— (CH 2 ) 3 —SO 3 H / (R′O) 3 Si—R (R: alkyl group, R ′: Me or Et) contained in this electrolyte precursor is Solvated in a low molecular state.

次に、触媒粉体(5)と白金溶出抑制材料(4)と溶媒2(6)を混合してスラリー(7)を調製する。典型例として電極Aを作製する場合について、以下に述べる。まず触媒粉体(5)として田中貴金属社製の白金担持カーボン(TEC10E50E)を用いて、ポリプロピレンビーカーに5g秤取し、ここへ溶媒t−BuOH5gを加え、全体的に溶媒がなじむように攪拌混合する。次に白金溶出抑制材料(8wt%溶液)10gを加えたうえで、さらにt−BuOH15gと純水5gを加えて、超音波ホモジナイザーで処理することでスラリー(7)を調製した。電極Aを製造する上で調製したスラリー(7)においてI/Cを0.4程度に調節した。ここで用いた触媒粉体については、炭素微粉末の表面に2〜3nm程度の白金ナノ粒子がカーボンブラック粒子に担持された多孔構造を有するものである。   Next, the catalyst powder (5), the platinum elution suppressing material (4), and the solvent 2 (6) are mixed to prepare a slurry (7). A case where the electrode A is manufactured as a typical example will be described below. First, using platinum supported carbon (TEC10E50E) manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd. as catalyst powder (5), weigh 5 g in a polypropylene beaker, add 5 g of solvent t-BuOH to this, and stir and mix so that the solvent can be used as a whole. To do. Next, after adding 10 g of platinum elution suppression material (8 wt% solution), 15 g of t-BuOH and 5 g of pure water were further added, and the slurry (7) was prepared by processing with an ultrasonic homogenizer. In the slurry (7) prepared for producing the electrode A, I / C was adjusted to about 0.4. The catalyst powder used here has a porous structure in which platinum nanoparticles of about 2 to 3 nm are supported on carbon black particles on the surface of fine carbon powder.

なお、電極Bから電極Eを製造するためのスラリー(7)それぞれについても、I/Cが0.3〜0.7になるように調製した。   Each of the slurries (7) for producing the electrode E from the electrode B was also prepared so that the I / C was 0.3 to 0.7.

重合性電解質前駆体(1)と重合性スペーサー前駆体(2)と溶媒1(3)から調製したスラリー(7)を、減圧下室温で攪拌することで溶媒の大部分を留去すると、白金溶出抑制材料は重縮合反応の進行に伴い、白金溶出抑制層(8)へと変化する。更に、1Torr、80℃、2時間処理することで、(8)を白金粒子近傍に備えた抑制層被覆触媒(9)を合成した。スラリー中に含まれる溶媒等の揮発成分を除去する方法としては、噴霧乾燥法や凍結乾燥も用いることが可能であり、求められる触媒の材料形状に応じて選択する。   When the slurry (7) prepared from the polymerizable electrolyte precursor (1), the polymerizable spacer precursor (2), and the solvent 1 (3) was stirred at room temperature under reduced pressure, most of the solvent was distilled off. The elution suppression material changes into a platinum elution suppression layer (8) as the polycondensation reaction proceeds. Furthermore, the suppression layer coating catalyst (9) provided with (8) in the vicinity of the platinum particles was synthesized by treatment at 1 Torr and 80 ° C. for 2 hours. As a method for removing volatile components such as a solvent contained in the slurry, a spray drying method or freeze drying can be used, and the method is selected according to the required material shape of the catalyst.

次に、抑制層被覆触媒(9)と電解質(10)と溶媒3(11)の混練により、ペースト(12)を調製した。具体的には、抑制層被覆触媒(9)1gに対して、溶媒に電解質(10)にパーフルオロカーボンスルホン酸高分子電解質であるナフィオン(R)分散液(10wt%、アルドリッチ社製)を3g加えN/C=0.7とし、さらに粘度調整のために水とアルコールを加えて攪拌することで、燃料電池カソード電極A用の触媒電極ペーストを調合した。 Next, paste (12) was prepared by kneading the suppression layer-coated catalyst (9), the electrolyte (10), and the solvent 3 (11). Specifically, 3 g of Nafion (R) dispersion liquid (10 wt%, manufactured by Aldrich) as a perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte is added to the electrolyte (10) as a solvent with respect to 1 g of the suppression layer coating catalyst (9). A catalyst electrode paste for the fuel cell cathode electrode A was prepared by setting N / C = 0.7, and further adding water and alcohol to adjust the viscosity and stirring.

なお、電極Bから電極Eを製造するためそれぞれについても、I/C+N/Cが0.9〜1.2になるように調製した。   In addition, in order to manufacture the electrode E from the electrode B, each was prepared so that I / C + N / C might be set to 0.9-1.2.

一方、アノード電極用ペーストは以下の方法により調合した。白金担持カーボン(TEC10E50E、田中貴金属社製)2gを、ナフィオン(R)分散液(10wt%、アルドリッチ社製)10gに分散させた後、さらに水およびエタノールを加えて粘度調整を行い、ペースト化した。 On the other hand, the anode electrode paste was prepared by the following method. 2 g of platinum-supported carbon (TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) was dispersed in 10 g of Nafion (R) dispersion (10 wt%, manufactured by Aldrich Co.), and then viscosity was adjusted by adding water and ethanol to obtain a paste. .

さらに、前記したカソード電極A用触媒電極ペーストと、高分子電解質膜ナフィオン(R)NR−211(デュポン社製)、並びにアノード電極用触媒電極ペーストを用いて、膜−電極接合体(MEA)を作製し燃料電池単セルを構成した。 Further, a membrane-electrode assembly (MEA) is prepared using the above-described catalyst electrode paste for cathode electrode A, polymer electrolyte membrane Nafion (R) NR-211 (manufactured by DuPont), and catalyst electrode paste for anode electrode. A single fuel cell was constructed.

両電極の白金担持量についてはカソード極:0.3mg/cm、アノード極:0.2mg/cmとなるように、ペースト(12)をダイコートして各電極を形成した。 Each electrode was formed by die-coating the paste (12) so that the amount of platinum supported on both electrodes was cathode electrode: 0.3 mg / cm 2 and anode electrode: 0.2 mg / cm 2 .

なお、一般的な燃料電池用MEAの作製法にならい、ペーストを高分子電解質膜に対してダイコートすることで電極の形成を行ったが、この限りではない。   In addition, although the electrode was formed by die-coating a paste with respect to a polymer electrolyte membrane according to the manufacturing method of MEA for general fuel cells, it is not this limitation.

その他の電極B〜Eについても、電極Aの場合と同様にして電極ペーストを調製した後、MEAを作製し燃料電池単セルを構成した。   For the other electrodes B to E, after preparing an electrode paste in the same manner as in the case of the electrode A, an MEA was prepared to constitute a fuel cell single cell.

(比較例1)燃料電池aの製造
EWが1070の白金溶出抑制材料を用いてI/C=0.2となる抑制層被覆触媒を作製した。さらにN/C=0.9となるようにナフィオン(R)分散液(10wt%、アルドリッチ社製)を用いて実施例と同様の手法でペーストを作製した。このぺーストと実施例中のアノード用ペーストを用いて膜−電極接合体(MEA)を作製し燃料電池単セルを構成した。
(Comparative Example 1) Production of fuel cell a
Using a platinum elution inhibitor material having an EW of 1070, a suppression layer-coated catalyst with I / C = 0.2 was prepared. Further, a paste was prepared in the same manner as in the example using Nafion (R) dispersion (10 wt%, manufactured by Aldrich ) so that N / C = 0.9. Using this paste and the anode paste in the examples, a membrane-electrode assembly (MEA) was produced to constitute a single fuel cell.

(比較例2)燃料電池bの製造
EWが1070の白金溶出抑制材料を用いてI/C=0.8となる抑制層被覆触媒を作製した。さらにN/C=0.1となるようにナフィオン(R)分散液(10wt%、アルドリッチ社製)を用いて実施例と同様の手法でペーストを作製した。このぺーストと実施例中のアノード用ペーストを用いて膜−電極接合体(MEA)を作製し燃料電池単セルを構成した。
(Comparative Example 2) Production of fuel cell b
Using a platinum elution inhibitor material having an EW of 1070, a suppression layer-coated catalyst with I / C = 0.8 was prepared. Further, a paste was prepared in the same manner as in Example using a Nafion (R) dispersion (10 wt%, manufactured by Aldrich ) so that N / C = 0.1. Using this paste and the anode paste in the examples, a membrane-electrode assembly (MEA) was produced to constitute a single fuel cell.

なお、両電極の白金担持量についてはカソード極:0.3mg/cm、アノード極:0.2mg/cmとなるように、ペーストをダイコートして各電極を形成した。 In addition, each electrode was formed by die-coating the paste so that the amount of platinum supported on both electrodes was cathode electrode: 0.3 mg / cm 2 and anode electrode: 0.2 mg / cm 2 .

燃料電池用電極の触媒反応面積(ECA)の変化
燃料電池A〜E、および燃料電池a、bに対して、アノード極に水素ガス(65℃、100%RH)およびカソード極に窒素ガス(65℃、100%RH)を供給しながら、触媒劣化試験を行った。触媒劣化試験のプロトコルは、以下のとおりである。カソード極に対して0.6V:3秒間/1.0V:3秒間を6秒1サイクルの電位負荷変動を、合計5000サイクルに行う。そして、試験前後のカソード極についてサイクリックボルタンメトリー法により白金の電気化学表面積(ECA)を測定し、試験後でのECA保持率を算出した。表1には各燃料電池についての触媒劣化試験後での電気化学表面積(ECA、初期値を100%として)の結果をまとめた。
Change in catalytic reaction area (ECA) of fuel cell electrode Hydrogen gas (65 ° C., 100% RH) at the anode electrode and nitrogen gas (65% at the cathode electrode ) for fuel cells A to E and fuel cells a and b (Centigrade, 100% RH) was supplied while conducting a catalyst deterioration test. The protocol for the catalyst degradation test is as follows. The potential load fluctuation of 1 cycle of 0.6 V: 3 seconds / 1.0 V: 3 seconds for 6 seconds and 1 cycle is performed for a total of 5000 cycles. And the electrochemical surface area (ECA) of platinum was measured by the cyclic voltammetry method about the cathode electrode before and behind a test, and ECA retention after the test was computed. Table 1 summarizes the results of the electrochemical surface area (ECA, assuming an initial value of 100%) after the catalyst deterioration test for each fuel cell.

Figure 2011222350

表1に示したとおり、I/Cが0.3から0.7の燃料電池において電位サイクル後のECA変化が比較例1及び2の燃料電池と比較して大きく抑制されているのが分かる。I/C=0.2においてはECA低下抑制の効果があまり得られなかった。I/C=0.8においては、ECA低下抑制効果は得られたものの出力特性が低かった。
Figure 2011222350

As shown in Table 1, it can be seen that the ECA change after the potential cycle in the fuel cell having an I / C of 0.3 to 0.7 is greatly suppressed as compared with the fuel cells of Comparative Examples 1 and 2. When I / C = 0.2, the ECA lowering suppression effect was not obtained so much. At I / C = 0.8, although the ECA reduction suppressing effect was obtained, the output characteristics were low.

本発明にかかる、燃料電池用電極の製造方法は、触媒劣化抑制効果によるECAの長期的な維持及びこれに伴う発電性能の維持を可能とすることができ、酸素還元電極、並びにこれを用いた燃料電池に有用である。また、多孔質構造体中に微分散された貴金属電極粒子や触媒粒子の使用量低減と信頼性確保に有効であり、安定で安価な電気化学電極等の用途にも広く応用できる。   The fuel cell electrode manufacturing method according to the present invention can enable long-term maintenance of ECA due to catalyst deterioration suppressing effect and maintenance of power generation performance associated therewith. Useful for fuel cells. Further, it is effective in reducing the amount of precious metal electrode particles and catalyst particles finely dispersed in the porous structure and ensuring reliability, and can be widely applied to uses such as stable and inexpensive electrochemical electrodes.

Claims (5)

酸素還元反応電極の製造方法であって、分子内にアルキルスルホン酸基と(RO)Si−(式中、Rは水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表す)で表される基を有する化合物からなる0.5〜5nm厚の白金溶出抑制層を、触媒粒子を少なくとも表面に備える触媒粉体の表面上に具備し、さらに上記白金溶出抑制層被覆触媒材料間を高分子電解質で満たした構造の酸素還元反応電極の製造方法。 A method for producing an oxygen reduction reaction electrode, which is represented by an alkylsulfonic acid group and (R 1 O) 3 Si— (wherein R 1 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms) in the molecule. A platinum elution suppressing layer having a thickness of 0.5 to 5 nm made of a compound having a group formed on the surface of the catalyst powder having at least the catalyst particles on the surface, A method for producing an oxygen reduction reaction electrode having a structure filled with a molecular electrolyte. 前記白金溶出抑制材料の、触媒粉末である白金担持カーボン触媒のカーボン粒子の重量に対する重量比が0.3〜0.7の請求項1記載の酸素還元反応電極の製造方法。   2. The method for producing an oxygen reduction reaction electrode according to claim 1, wherein a weight ratio of the platinum elution suppressing material to a weight of carbon particles of a platinum-supported carbon catalyst which is a catalyst powder is 0.3 to 0.7. 前記白金溶出抑制層被覆白金担持カーボン触媒間の隙間を満たす電解質材料の、前記白金溶出抑制層被覆白金担持カーボン触媒のカーボン粒子の重量に対する重量比が0.5〜0.9の請求項1記載の酸素還元反応電極の製造方法。   2. The weight ratio of the electrolyte material that fills the gap between the platinum elution suppression layer-coated platinum-supported carbon catalyst to the weight of the carbon particles of the platinum elution suppression layer-coated platinum-supported carbon catalyst is 0.5 to 0.9. A method for producing an oxygen reduction reaction electrode. 前記白金溶出抑制材料と、前記白金溶出抑制層被覆白金担持カーボン触媒間を満たす電解質材料の合計重量が、触媒粉末のカーボン重量に対して0.9〜1.2の請求項1記載の酸素還元反応電極の製造方法。   2. The oxygen reduction according to claim 1, wherein the total weight of the platinum elution inhibiting material and the electrolyte material filling the platinum elution inhibiting layer-covered platinum-supported carbon catalyst is 0.9 to 1.2 with respect to the carbon weight of the catalyst powder. A method for producing a reaction electrode. 請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法により得られる、燃料電池用電極を用いた燃料電池。   The fuel cell using the electrode for fuel cells obtained by the manufacturing method in any one of Claims 1-4.
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