JP2017084475A - Electrode material and electrode - Google Patents

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昌男 笹平
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode material which enables the enhancement in the resistance of an electrode against oxidation.SOLUTION: An electrode material comprises resin particles 11, and a catalyst metal 12. The resin particles 11 are 1000 Ω cm or less in resistivity, and 100 N/mm2 or more in compression modulus when the resin particles 11 are compressed by 10%. The resin particles 11 include carbon black, graphite, graphitized carbon, boron carbide, carbon nanotube, diamond, fullerene or graphene, and have an aspect ratio of 5 or less. It is preferable that the electrode material further comprises carbon particles. The catalyst metal 12 is supported by the resin particles 11.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、電極を形成するために用いられる電極材料に関する。また、本発明は、上記電極材料を用いた電極に関する。   The present invention relates to an electrode material used for forming an electrode. The present invention also relates to an electrode using the above electrode material.

燃料電池などの電極には、例えば、カーボンに触媒金属を担持させた電極材料が用いられている。カーボンは、導電性に優れており、燃料電池環境(高電位及び強酸性)において化学的に安定である性質を有する。このため、燃料電池用電極に含まれる担体として、カーボンが一般的に用いられている。   For an electrode of a fuel cell or the like, for example, an electrode material in which a catalytic metal is supported on carbon is used. Carbon is excellent in conductivity and has a property of being chemically stable in a fuel cell environment (high potential and strong acidity). For this reason, carbon is generally used as the carrier contained in the fuel cell electrode.

しかし、カーボンの酸化耐性は低い。カーボンは、燃料電池の作動条件下において、下記式(1)で表される反応によって電気化学的に酸化される。   However, the oxidation resistance of carbon is low. Carbon is electrochemically oxidized by the reaction represented by the following formula (1) under the operating conditions of the fuel cell.

C+2HO→CO+4H+4e …(1) C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e (1)

この反応は徐々に進行する。このため、燃料電池を長時間作動させることにより、カーボンが痩せていき、燃料電池の性能が低下するという問題が生じる。   This reaction proceeds gradually. For this reason, when the fuel cell is operated for a long time, the carbon is thinned, resulting in a problem that the performance of the fuel cell is deteriorated.

この問題に対しては、カーボンの結晶性を高め、比表面積を小さくすることによってある程度対処することができる。しかし、カーボンの比表面積を小さくすると、触媒金属を担持させる部位が小さくなるため、触媒金属が粗大粒子としてカーボンに担持される。この結果、触媒活性が低下するという問題が生じる。   This problem can be addressed to some extent by increasing the crystallinity of carbon and reducing the specific surface area. However, when the specific surface area of carbon is reduced, the portion for supporting the catalyst metal is reduced, so that the catalyst metal is supported on the carbon as coarse particles. As a result, there arises a problem that the catalytic activity is lowered.

上記のような問題に対して、触媒活性を高める方法が、下記の特許文献1に開示されている。また、酸化耐性と触媒活性とを高める方法が、下記の特許文献2に開示されている。   A method for increasing the catalytic activity with respect to the above problems is disclosed in Patent Document 1 below. A method for enhancing oxidation resistance and catalytic activity is disclosed in Patent Document 2 below.

特許文献1では、触媒金属を担持させる担体として、光散乱法で粒度分布を測定したときに、粒度累積曲線の90%粒径D90が28μm以下である担体を用いることが開示されている。特許文献1では、具体的には、担体として、粒径が制御されたカーボンが用いられている。   Patent Document 1 discloses that a carrier having a 90% particle size D90 of a particle size cumulative curve of 28 μm or less when a particle size distribution is measured by a light scattering method is used as a carrier for supporting a catalyst metal. In Patent Document 1, specifically, carbon having a controlled particle size is used as a carrier.

特許文献2では、触媒金属を担持させる担体として、カーボンにかえて、炭化ホウ素を用いることが開示されている。   Patent Document 2 discloses that boron carbide is used in place of carbon as a carrier for supporting a catalyst metal.

WO2009/051111AWO2009 / 051111A 特開2014−49289号公報JP 2014-49289 A

特許文献1に記載のように粒径を制御したとしても、カーボンが痩せていき、電極性能が低下し、電極の酸化耐性を充分に得ることは困難である。また、本発明者らは、カーボンが痩せると、電極にかかる応力が増加し、燃料電池の発電効率が低下し、燃料電池の信頼性が低下するという課題が生じることを見出した。   Even if the particle size is controlled as described in Patent Document 1, it is difficult to obtain sufficient oxidation resistance of the electrode because the carbon is thinned, the electrode performance is deteriorated. In addition, the present inventors have found that when carbon is thinned, the stress applied to the electrode increases, the power generation efficiency of the fuel cell decreases, and the reliability of the fuel cell decreases.

また、特許文献2でも、電極の酸化耐性を充分に高めることが困難である。   Also in Patent Document 2, it is difficult to sufficiently increase the oxidation resistance of the electrode.

本発明の目的は、電極の酸化耐性を高めることができる電極材料を提供することである。また、本発明の目的は、上記電極材料を用いた電極を提供することである。   The objective of this invention is providing the electrode material which can improve the oxidation tolerance of an electrode. Moreover, the objective of this invention is providing the electrode using the said electrode material.

本発明の広い局面によれば、樹脂粒子と、触媒金属とを含み、前記樹脂粒子の抵抗率が1000Ω・cm以下である、電極材料が提供される。   According to a wide aspect of the present invention, there is provided an electrode material comprising resin particles and a catalyst metal, wherein the resin particles have a resistivity of 1000 Ω · cm or less.

前記樹脂粒子を10%圧縮したときの圧縮弾性率が、100N/mm以上であることが好ましい。 It is preferable that the compression elastic modulus when the resin particles are compressed by 10% is 100 N / mm 2 or more.

本発明に係る電極材料のある特定の局面では、前記樹脂粒子に前記触媒金属が担持されている。   In a specific aspect of the electrode material according to the present invention, the catalyst metal is supported on the resin particles.

前記樹脂粒子に前記触媒金属が担持されている粒子複合体を10%圧縮したときの圧縮弾性率が、100N/mm以上であることが好ましい。 It is preferable that a compression elastic modulus when the particle composite in which the catalyst metal is supported on the resin particles is compressed by 10% is 100 N / mm 2 or more.

本発明に係る電極材料のある特定の局面では、前記樹脂粒子がカーボンを含む。   On the specific situation with the electrode material which concerns on this invention, the said resin particle contains carbon.

本発明に係る電極材料のある特定の局面では、前記樹脂粒子が、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛化カーボン、炭化ホウ素、カーボンナノチューブ、ダイヤモンド、フラーレン又はグラフェンを含む。   In a specific aspect of the electrode material according to the present invention, the resin particles include carbon black, graphite, graphitized carbon, boron carbide, carbon nanotube, diamond, fullerene, or graphene.

本発明に係る電極材料のある特定の局面では、前記樹脂粒子のアスペクト比が5以下である。   On the specific situation with the electrode material which concerns on this invention, the aspect-ratio of the said resin particle is 5 or less.

本発明に係る電極材料のある特定の局面では、前記電極材料は、カーボン粒子を含む。   In a specific aspect of the electrode material according to the present invention, the electrode material includes carbon particles.

本発明に係る電極材料は、燃料電池用電極を形成するために好適に用いられる。   The electrode material according to the present invention is suitably used for forming a fuel cell electrode.

本発明の広い局面によれば、上述した電極材料により形成されている電極が提供される。   According to a wide aspect of the present invention, an electrode formed of the electrode material described above is provided.

本発明に係る電極材料は、樹脂粒子と、触媒金属とを含み、上記樹脂粒子の抵抗率が1000Ω・cm以下であるので、本発明に係る電極材料を用いて電極を形成したときに、電極の酸化耐性を高めることができる。   The electrode material according to the present invention includes resin particles and a catalyst metal, and the resistivity of the resin particles is 1000 Ω · cm or less. Therefore, when the electrode is formed using the electrode material according to the present invention, the electrode material The oxidation resistance of can be increased.

図1は、本発明の一実施形態に係る電極材料に含まれている樹脂粒子及び触媒金属を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing resin particles and catalyst metal contained in an electrode material according to an embodiment of the present invention.

以下、本発明の詳細を説明する。   Details of the present invention will be described below.

本発明に係る電極材料は、電極を形成するために用いられる。本発明に係る電極材料は、樹脂粒子と、触媒金属とを含む。本発明に係る電極材料では、上記樹脂粒子の抵抗率が1000Ω・cm以下である。   The electrode material according to the present invention is used to form an electrode. The electrode material according to the present invention includes resin particles and a catalytic metal. In the electrode material according to the present invention, the resin particles have a resistivity of 1000 Ω · cm or less.

本発明に係る電極材料では、上記の構成が採用されているので、電極材料を用いて電極を形成したときに、電極の酸化耐性を高めることができる。抵抗率が上記上限以下である樹脂粒子は、カーボンと異なり、痩せにくい。このため、電極が長期間使用されても、樹脂粒子の形状が維持され、結果として電極の形状及び電極の空隙率が維持される。結果として、触媒活性も高く維持される。   In the electrode material according to the present invention, since the above-described configuration is adopted, when the electrode is formed using the electrode material, the oxidation resistance of the electrode can be increased. Unlike carbon, the resin particles whose resistivity is not more than the above upper limit are less likely to fade. For this reason, even if an electrode is used for a long period of time, the shape of the resin particle is maintained, and as a result, the shape of the electrode and the porosity of the electrode are maintained. As a result, the catalytic activity is also kept high.

電極として電極材料を好適に用いることができ、触媒活性が効果的に発揮されるので、上記樹脂粒子に上記触媒金属が担持されていることが好ましい。上記電極材料において、上記樹脂粒子と上記触媒金属とは、上記樹脂粒子に上記触媒金属が担持された粒子複合体であることが好ましい。上記電極材料は、複数の粒子複合体を含むことが好ましい。   An electrode material can be suitably used as the electrode, and since the catalytic activity is effectively exhibited, the catalyst metal is preferably supported on the resin particles. In the electrode material, the resin particles and the catalyst metal are preferably a particle composite in which the catalyst metal is supported on the resin particles. The electrode material preferably includes a plurality of particle composites.

図1は、本発明の一実施形態に係る電極材料に含まれている樹脂粒子及び触媒金属を示す断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing resin particles and catalyst metal contained in an electrode material according to an embodiment of the present invention.

図1に示す樹脂粒子11及び触媒金属12では、樹脂粒子11に触媒金属12が担持されている。樹脂粒子11及び触媒金属12は、樹脂粒子11に触媒金属12が担持された粒子複合体1である。   In the resin particles 11 and the catalyst metal 12 shown in FIG. 1, the catalyst metal 12 is supported on the resin particles 11. The resin particles 11 and the catalyst metal 12 are the particle composite 1 in which the catalyst metal 12 is supported on the resin particles 11.

上記樹脂粒子の抵抗率は1000Ω・cm以下である。導電性を効果的に高める観点からは、上記樹脂粒子の抵抗率は好ましくは500Ω・cm以下、より好ましくは300Ω・cm以下である。上記樹脂粒子の抵抗率の下限は特に限定されない。   The resistivity of the resin particles is 1000 Ω · cm or less. From the viewpoint of effectively increasing the conductivity, the resistivity of the resin particles is preferably 500 Ω · cm or less, more preferably 300 Ω · cm or less. The lower limit of the resistivity of the resin particles is not particularly limited.

導電性を効果的に高める観点からは、上記粒子複合体の抵抗率は好ましくは1000Ω・cm以下、より好ましくは500Ω・cm以下、更に好ましくは300Ω・cm以下である。上記粒子複合体の抵抗率の下限は特に限定されない。   From the viewpoint of effectively increasing the conductivity, the resistivity of the particle composite is preferably 1000 Ω · cm or less, more preferably 500 Ω · cm or less, and even more preferably 300 Ω · cm or less. The lower limit of the resistivity of the particle composite is not particularly limited.

上記樹脂粒子の抵抗率は以下のようにして測定される。上記粒子複合体の抵抗率も同様に測定される。   The resistivity of the resin particles is measured as follows. The resistivity of the particle composite is similarly measured.

上記樹脂粒子1.5gを円柱容器内(直径20mm、上下方向の長さ50mm)に入れてから、この樹脂粒子に、ロードセル付き加圧機で、63.7MPaの圧力、20kNの荷重の圧縮荷重を上下方向にかける。そして、低抵抗率計(Model MCP−T610:三菱化学アナリテック社製)を用いて直流抵抗を測定し、下記式により抵抗率を算出する。抵抗率が小さい程、導電性が優れている。   After putting 1.5 g of the resin particles in a cylindrical container (diameter 20 mm, vertical length 50 mm), a pressure load of 63.7 MPa and a compressive load of 20 kN were applied to the resin particles with a pressurizer with a load cell. Apply up and down. And DC resistance is measured using the low resistivity meter (Model MCP-T610: Mitsubishi Chemical Analytech Co., Ltd.), and a resistivity is calculated by the following formula. The smaller the resistivity, the better the conductivity.

抵抗率=測定値×円柱容器内の圧縮後の樹脂粒子の断面積(円柱容器に対して水平方向)/圧縮後の樹脂粒子の厚み   Resistivity = measured value × cross-sectional area of resin particles after compression in a cylindrical container (horizontal direction with respect to the cylindrical container) / thickness of resin particles after compression

上記樹脂粒子のアスペクト比は好ましくは5以下、より好ましくは3以下、更に好ましくは2以下である。上記アスペクト比は、長径/短径を示す。上記樹脂粒子は、球状であることが好ましい。球状とは、アスペクト比が2以下であることをいう。   The aspect ratio of the resin particles is preferably 5 or less, more preferably 3 or less, and still more preferably 2 or less. The aspect ratio indicates a major axis / minor axis. The resin particles are preferably spherical. Spherical means that the aspect ratio is 2 or less.

上記樹脂粒子の平均粒子径は、好ましくは0.1μm以上、より好ましくは1.0μm以上であり、好ましくは10.0μm以下、より好ましくは5.0μm以下である。上記平均粒子径が上記下限以上であると、電極における空隙率を適度に高めることができ、燃料電池等の発電効率を効率的に高めることができる。上記平均粒子径が上記上限以下であると、触媒活性がより一層高くなる。   The average particle diameter of the resin particles is preferably 0.1 μm or more, more preferably 1.0 μm or more, preferably 10.0 μm or less, more preferably 5.0 μm or less. When the average particle diameter is equal to or more than the lower limit, the porosity of the electrode can be appropriately increased, and the power generation efficiency of a fuel cell or the like can be efficiently increased. When the average particle size is not more than the above upper limit, the catalytic activity is further increased.

上記樹脂粒子の平均粒子径は、数平均粒子径を示す。該平均粒子径は、例えばコールターカウンター(ベックマンコールター社製)を用いて測定できる。   The average particle diameter of the resin particles indicates a number average particle diameter. The average particle size can be measured using, for example, a Coulter counter (manufactured by Beckman Coulter).

上記触媒金属の平均長径は、好ましくは5nm以上、より好ましくは10nm以上であり、好ましくは500nm以下、より好ましくは50nm以下である。上記平均長径が上記下限以上であると、燃料電池等の発電効率を効率的に高めることができる。上記平均長径が上記上限以下であると、触媒活性がより一層高くなる。   The average major axis of the catalyst metal is preferably 5 nm or more, more preferably 10 nm or more, preferably 500 nm or less, more preferably 50 nm or less. When the average major axis is equal to or more than the lower limit, the power generation efficiency of a fuel cell or the like can be efficiently increased. When the average major axis is not more than the above upper limit, the catalytic activity is further increased.

上記触媒金属の平均長径は、電子顕微鏡による画像から測定することができる。上記触媒金属の平均長径は、例えば、電界放射型透過電子顕微鏡(FE−TEM)(日本電子社製「JEM−ARM200F」)を用いて、100個の電極材を無作為に選択し、100万倍で測定することができる。   The average major axis of the catalyst metal can be measured from an image taken with an electron microscope. The average major axis of the catalyst metal is selected, for example, by randomly selecting 100 electrode materials using a field emission transmission electron microscope (FE-TEM) (“JEM-ARM200F” manufactured by JEOL Ltd.). It can be measured at double.

上記触媒金属の平均長径の上記樹脂粒子の平均粒子径に対する比(触媒金属の平均長径/樹脂粒子の平均粒子径)は、好ましくは0.0001以上、より好ましくは0.001以上であり、好ましくは0.1以下、より好ましくは0.01以下である。   The ratio of the average long diameter of the catalyst metal to the average particle diameter of the resin particles (the average long diameter of the catalyst metal / the average particle diameter of the resin particles) is preferably 0.0001 or more, more preferably 0.001 or more, preferably Is 0.1 or less, more preferably 0.01 or less.

触媒活性を効果的に高める観点からは、上記樹脂粒子の粒子径のCV値(変動係数)は、好ましくは10%以下、より好ましくは5%以下、更に好ましくは3%以下である。上記樹脂粒子の粒子径のCV値は下記式により算出される。   From the viewpoint of effectively increasing the catalytic activity, the CV value (coefficient of variation) of the particle diameter of the resin particles is preferably 10% or less, more preferably 5% or less, and even more preferably 3% or less. The CV value of the particle diameter of the resin particles is calculated by the following formula.

樹脂粒子の粒子径のCV値(%)=樹脂粒子の粒子径の標準偏差/樹脂粒子の平均粒子径×100   CV value of resin particle diameter (%) = standard deviation of resin particle diameter / average particle diameter of resin particles × 100

電極の形状及び電極の空隙率をより一層維持し、燃料電池の長期間の使用による発電効率の低下を抑える観点からは、上記樹脂粒子を10%圧縮したときの圧縮弾性率(10%K値)は、好ましくは100N/mm以上、より好ましくは500N/mm以上、更に好ましくは1000N/mm以上である。上記圧縮弾性率が上記下限以上であると、電極にかかる応力の増加が抑えられ、長期間に渡り燃料電池の信頼性がより一層高くなる。電極の形状及び電極の空隙率をより一層維持し、燃料電池の長期間の使用による発電効率の低下を抑える観点からは、上記樹脂粒子を10%圧縮したときの圧縮弾性率(10%K値)は、好ましくは10000N/mm以下、より好ましくは5000N/mm以下である。 From the viewpoint of further maintaining the shape of the electrode and the porosity of the electrode and suppressing the decrease in power generation efficiency due to the long-term use of the fuel cell, the compression modulus (10% K value) when the resin particles are compressed by 10% ) Is preferably 100 N / mm 2 or more, more preferably 500 N / mm 2 or more, and still more preferably 1000 N / mm 2 or more. When the compression elastic modulus is equal to or higher than the lower limit, an increase in stress applied to the electrode is suppressed, and the reliability of the fuel cell is further enhanced over a long period. From the viewpoint of further maintaining the shape of the electrode and the porosity of the electrode and suppressing the decrease in power generation efficiency due to the long-term use of the fuel cell, the compression modulus (10% K value) when the resin particles are compressed by 10% ) Is preferably 10,000 N / mm 2 or less, more preferably 5000 N / mm 2 or less.

電極の形状及び電極の空隙率をより一層維持し、燃料電池の長期間の使用による発電効率の低下を抑える観点からは、上記粒子複合体を10%圧縮したときの圧縮弾性率(10%K値)は、好ましくは100N/mm以上、より好ましくは500N/mm以上、更に好ましくは1000N/mm以上、特に好ましくは1500N/mm以上である。上記圧縮弾性率が上記下限以上であると、電極にかかる応力の増加が抑えられ、長期間に渡り燃料電池の信頼性がより一層高くなる。電極の形状及び電極の空隙率をより一層維持し、燃料電池の長期間の使用による発電効率の低下を抑える観点からは、上記粒子複合体を10%圧縮したときの圧縮弾性率(10%K値)は、好ましくは12000N/mm以下、より好ましくは8000N/mm以下である。 From the viewpoint of further maintaining the shape of the electrode and the porosity of the electrode, and suppressing the decrease in power generation efficiency due to long-term use of the fuel cell, the compression modulus (10% K) when the particle composite is compressed by 10% The value is preferably 100 N / mm 2 or more, more preferably 500 N / mm 2 or more, still more preferably 1000 N / mm 2 or more, and particularly preferably 1500 N / mm 2 or more. When the compression elastic modulus is equal to or higher than the lower limit, an increase in stress applied to the electrode is suppressed, and the reliability of the fuel cell is further enhanced over a long period. From the viewpoint of further maintaining the shape of the electrode and the porosity of the electrode, and suppressing the decrease in power generation efficiency due to long-term use of the fuel cell, the compression modulus (10% K) when the particle composite is compressed by 10% value) is preferably 12000N / mm 2 or less, and more preferably not more than 8000 N / mm 2.

上記樹脂粒子及び上記粒子複合体の上記10%K値は、以下のようにして測定できる。   The 10% K value of the resin particles and the particle composite can be measured as follows.

微小圧縮試験機を用いて、円柱(直径50μm、ダイヤモンド製)の平滑圧子端面で、25℃、最大試験荷重90mNを30秒かけて負荷する条件下で、樹脂粒子又は粒子複合体を圧縮する。このときの荷重値(N)及び圧縮変位(mm)を測定する。得られた測定値から、上記圧縮弾性率が下記式により求められる。上記微小圧縮試験機として、例えば、フィッシャー社製「フィッシャースコープH−100」等が用いられる。   Using a micro-compression tester, resin particles or particle composites are compressed under a condition that a smooth tester end face of a cylinder (diameter 50 μm, made of diamond) is loaded at 25 ° C. and a maximum test load of 90 mN over 30 seconds. The load value (N) and compression displacement (mm) at this time are measured. From the measured value obtained, the compression elastic modulus is obtained by the following formula. As the micro compression tester, for example, “Fischer Scope H-100” manufactured by Fischer is used.

K値(N/mm)=(3/21/2)・F・S−3/2・R−1/2
F:樹脂粒子又は粒子複合体が10%圧縮変形したときの荷重値(N)
S:樹脂粒子又は粒子複合体が10%圧縮変形したときの圧縮変位(mm)
R:樹脂粒子又は粒子複合体の半径(mm)
K value (N / mm 2 ) = (3/2 1/2 ) · F · S −3 / 2 · R −1/2
F: Load value (N) when the resin particle or particle composite is 10% compressively deformed
S: Compression displacement (mm) when resin particles or particle composites are 10% compressively deformed
R: radius of resin particle or particle composite (mm)

上記電極材料において、上記樹脂粒子100重量部に対して、上記触媒金属の含有量は、好ましくは1重量部以上、より好ましくは30重量部以上であり、好ましくは95重量部以下、より好ましくは60重量部以下である。上記触媒金属の含有量が上記下限以上であると、触媒活性及び酸化耐性が効果的に高くなる。   In the electrode material, with respect to 100 parts by weight of the resin particles, the content of the catalyst metal is preferably 1 part by weight or more, more preferably 30 parts by weight or more, preferably 95 parts by weight or less, more preferably 60 parts by weight or less. When the content of the catalyst metal is not less than the above lower limit, the catalyst activity and oxidation resistance are effectively increased.

導電性を高める観点から、上記電極材料は、カーボン粒子を含んでいてもよい。上記カーボン粒子に、触媒金属が担持されていてもよい。上記樹脂粒子又は上記カーボン粒子に、触媒金属が担持されていることが好ましい。上記樹脂粒子は、従来のカーボン粒子の一部の代替品として用いることができる。   From the viewpoint of enhancing conductivity, the electrode material may contain carbon particles. A catalytic metal may be supported on the carbon particles. It is preferable that a catalyst metal is supported on the resin particles or the carbon particles. The resin particles can be used as a partial substitute for conventional carbon particles.

上記電極材料において、上記樹脂粒子の含有量の上記カーボン粒子の含有量に対する比は、重量基準で、好ましくは0.01以上、より好ましくは0.1以上であり、更に好ましくは1以上、好ましくは100以下、より好ましくは10以下である。上記樹脂粒子の含有量が相対的に多くなると、酸化耐性及び応力緩和性がより一層高くなる。上記カーボン粒子の含有量が相対的に多くなると、導電性がより一層高くなる。酸化耐性及び応力緩和性をより一層高める観点からは、上記樹脂粒子の含有量を多くし、上記カーボン粒子の含有量を少なくすることが好ましい。   In the electrode material, the ratio of the content of the resin particles to the content of the carbon particles is preferably 0.01 or more, more preferably 0.1 or more, further preferably 1 or more, based on weight. Is 100 or less, more preferably 10 or less. When the content of the resin particles is relatively increased, oxidation resistance and stress relaxation properties are further enhanced. When the content of the carbon particles is relatively increased, the conductivity is further increased. From the viewpoint of further improving the oxidation resistance and stress relaxation properties, it is preferable to increase the content of the resin particles and decrease the content of the carbon particles.

上記電極材料において、樹脂粒子に触媒金属が担持された粒子複合体の含有量のカーボン粒子に触媒金属が担持された粒子複合体の含有量に対する比は、重量基準で、好ましくは0.01以上、より好ましくは0.1以上、更に好ましくは1以上であり、好ましくは100以下、より好ましくは10以下である。上記樹脂粒子に触媒金属が担持された粒子複合体の含有量が相対的に多くなると、酸化耐性及び応力緩和性がより一層高くなる。上記カーボン粒子に触媒金属が担持された粒子複合体の含有量が相対的に多くなると、導電性がより一層高くなる。酸化耐性及び応力緩和性をより一層高める観点からは、上記樹脂粒子に触媒金属が担持された粒子複合体の含有量を多くし、上記カーボン粒子に触媒金属が担持された粒子複合体の含有量を少なくすることが好ましい。   In the electrode material, the ratio of the content of the particle composite in which the catalyst metal is supported on the resin particles to the content of the particle composite in which the catalyst metal is supported on the carbon particles is preferably 0.01 or more on a weight basis. More preferably, it is 0.1 or more, More preferably, it is 1 or more, Preferably it is 100 or less, More preferably, it is 10 or less. When the content of the particle composite in which the catalyst metal is supported on the resin particles is relatively increased, the oxidation resistance and the stress relaxation property are further increased. When the content of the particle composite in which the catalytic metal is supported on the carbon particles is relatively increased, the conductivity is further increased. From the viewpoint of further improving the oxidation resistance and stress relaxation properties, the content of the particle composite in which the catalyst metal is supported on the resin particles is increased, and the content of the particle composite in which the catalyst metal is supported on the carbon particles. Is preferably reduced.

上記粒子複合体の製造方法としては特に限定されないが、樹脂粒子を溶媒に分散させた分散液に、触媒金属を添加し、混合した後、溶媒を除去する方法が挙げられる。   Although it does not specifically limit as a manufacturing method of the said particle composite, The method of removing a solvent after adding and mixing a catalyst metal to the dispersion liquid which disperse | distributed the resin particle in the solvent is mentioned.

以下、樹脂粒子、触媒金属、電極及び用途などの他の詳細を説明する。なお、以下の説明において、「(メタ)アクリル」は「アクリル」と「メタクリル」との一方又は双方を意味し、「(メタ)アクリレート」は「アクリレート」と「メタクリレート」との一方又は双方を意味する。   Hereinafter, other details such as resin particles, catalytic metals, electrodes, and applications will be described. In the following description, “(meth) acryl” means one or both of “acryl” and “methacryl”, and “(meth) acrylate” means one or both of “acrylate” and “methacrylate”. means.

(樹脂粒子)
上記樹脂粒子は、樹脂を含む。上記樹脂粒子の材料(樹脂)として、種々の有機物が好適に用いられる。上記樹脂粒子の材料(樹脂)としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリイソブチレン、ポリブタジエン等のポリオレフィン樹脂;ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート等のアクリル樹脂;ポリアルキレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリアミド、フェノールホルムアルデヒド樹脂、メラミンホルムアルデヒド樹脂、ベンゾグアナミンホルムアルデヒド樹脂、尿素ホルムアルデヒド樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ベンゾグアナミン樹脂、尿素樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、飽和ポリエステル樹脂、ポリスルホン、ポリフェニレンオキサイド、ポリアセタール、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、及び、エチレン性不飽和基を有する種々の重合性単量体を1種もしくは2種以上重合させて得られる重合体等が挙げられる。電極材料に適した任意の圧縮時の物性を有する樹脂粒子を設計及び合成することができ、かつ樹脂粒子の圧縮弾性率を好適な範囲に容易に制御できるので、上記樹脂粒子の材料は、エチレン性不飽和基を複数有する重合性単量体を1種又は2種以上重合させた重合体であることが好ましい。
(Resin particles)
The resin particles include a resin. Various organic materials are suitably used as the material (resin) of the resin particles. Examples of the resin particle material (resin) include polyolefin resins such as polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyisobutylene, and polybutadiene; acrylic resins such as polymethyl methacrylate and polymethyl acrylate; Terephthalate, polycarbonate, polyamide, phenol formaldehyde resin, melamine formaldehyde resin, benzoguanamine formaldehyde resin, urea formaldehyde resin, phenol resin, melamine resin, benzoguanamine resin, urea resin, epoxy resin, unsaturated polyester resin, saturated polyester resin, polysulfone, polyphenylene oxide , Polyacetal, polyimide, polyamideimide, polyetheretherketone Polyethersulfone, and polymers such as obtained by a variety of polymerizable monomer having an ethylenically unsaturated group is polymerized with one or more thereof. Resin particles having any compression property suitable for electrode materials can be designed and synthesized, and the compression elastic modulus of the resin particles can be easily controlled within a suitable range. It is preferably a polymer obtained by polymerizing one or more polymerizable monomers having a plurality of polymerizable unsaturated groups.

上記樹脂粒子を、エチレン性不飽和基を有する単量体を重合させて得る場合には、上記エチレン性不飽和基を有する単量体としては、非架橋性の単量体と架橋性の単量体とが挙げられる。   When the resin particles are obtained by polymerizing a monomer having an ethylenically unsaturated group, the monomer having the ethylenically unsaturated group may be a non-crosslinkable monomer or a crosslinkable monomer. And a polymer.

上記非架橋性の単量体としては、例えば、スチレン、α−メチルスチレン等のスチレン系単量体;(メタ)アクリル酸、マレイン酸、無水マレイン酸等のカルボキシル基含有単量体;メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、プロピル(メタ)アクリレート、ブチル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート、セチル(メタ)アクリレート、ステアリル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、イソボルニル(メタ)アクリレート等のアルキル(メタ)アクリレート類;2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、グリセロール(メタ)アクリレート、ポリオキシエチレン(メタ)アクリレート、グリシジル(メタ)アクリレート等の酸素原子含有(メタ)アクリレート類;(メタ)アクリロニトリル等のニトリル含有単量体;メチルビニルエーテル、エチルビニルエーテル、プロピルビニルエーテル等のビニルエーテル類;酢酸ビニル、酪酸ビニル、ラウリン酸ビニル、ステアリン酸ビニル等の酸ビニルエステル類;エチレン、プロピレン、イソプレン、ブタジエン等の不飽和炭化水素;トリフルオロメチル(メタ)アクリレート、ペンタフルオロエチル(メタ)アクリレート、塩化ビニル、フッ化ビニル、クロルスチレン等のハロゲン含有単量体等が挙げられる。   Examples of the non-crosslinkable monomer include styrene monomers such as styrene and α-methylstyrene; carboxyl group-containing monomers such as (meth) acrylic acid, maleic acid, and maleic anhydride; (Meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, propyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate, 2-ethylhexyl (meth) acrylate, lauryl (meth) acrylate, cetyl (meth) acrylate, stearyl (meth) acrylate, cyclohexyl ( Alkyl (meth) acrylates such as meth) acrylate and isobornyl (meth) acrylate; oxygen such as 2-hydroxyethyl (meth) acrylate, glycerol (meth) acrylate, polyoxyethylene (meth) acrylate and glycidyl (meth) acrylate (Meth) acrylates; nitrile-containing monomers such as (meth) acrylonitrile; vinyl ethers such as methyl vinyl ether, ethyl vinyl ether, propyl vinyl ether; vinyl acids such as vinyl acetate, vinyl butyrate, vinyl laurate, vinyl stearate Esters; Unsaturated hydrocarbons such as ethylene, propylene, isoprene and butadiene; Halogen-containing monomers such as trifluoromethyl (meth) acrylate, pentafluoroethyl (meth) acrylate, vinyl chloride, vinyl fluoride and chlorostyrene Is mentioned.

上記架橋性の単量体としては、例えば、テトラメチロールメタンテトラ(メタ)アクリレート、テトラメチロールメタントリ(メタ)アクリレート、テトラメチロールメタンジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールペンタ(メタ)アクリレート、グリセロールトリ(メタ)アクリレート、グリセロールジ(メタ)アクリレート、(ポリ)エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、(ポリ)プロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、(ポリ)テトラメチレングリコールジ(メタ)アクリレート、1,4−ブタンジオールジ(メタ)アクリレート等の多官能(メタ)アクリレート類;トリアリル(イソ)シアヌレート、トリアリルトリメリテート、ジビニルベンゼン、ジアリルフタレート、ジアリルアクリルアミド、ジアリルエーテル、γ−(メタ)アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、トリメトキシシリルスチレン、ビニルトリメトキシシラン等のシラン含有単量体等が挙げられる。   Examples of the crosslinkable monomer include tetramethylolmethane tetra (meth) acrylate, tetramethylolmethane tri (meth) acrylate, tetramethylolmethane di (meth) acrylate, trimethylolpropane tri (meth) acrylate, and dipenta Erythritol hexa (meth) acrylate, dipentaerythritol penta (meth) acrylate, glycerol tri (meth) acrylate, glycerol di (meth) acrylate, (poly) ethylene glycol di (meth) acrylate, (poly) propylene glycol di (meth) Polyfunctional (meth) acrylates such as acrylate, (poly) tetramethylene glycol di (meth) acrylate, 1,4-butanediol di (meth) acrylate; triallyl (iso) cyanure And silane-containing monomers such as triallyl trimellitate, divinylbenzene, diallyl phthalate, diallylacrylamide, diallyl ether, γ- (meth) acryloxypropyltrimethoxysilane, trimethoxysilylstyrene, vinyltrimethoxysilane It is done.

酸化耐性を効果的に高め、応力緩和性を効果的に高め、燃料電池の長期間の使用による発電効率の低下を抑える観点からは、上記樹脂粒子は、(メタ)アクリル樹脂、シリコーン樹脂又はジビニルベンゼン重合体樹脂、又はエポキシ樹脂を含むことが好ましい。   From the viewpoint of effectively increasing oxidation resistance, effectively increasing stress relaxation, and suppressing reduction in power generation efficiency due to long-term use of the fuel cell, the resin particles are (meth) acrylic resin, silicone resin or divinyl. It preferably contains a benzene polymer resin or an epoxy resin.

上記エチレン性不飽和基を有する重合性単量体を、公知の方法により重合させることで、上記樹脂粒子を得ることができる。この方法としては、例えば、ラジカル重合開始剤の存在下で懸濁重合する方法、並びに非架橋の種粒子を用いてラジカル重合開始剤とともに単量体を膨潤させて重合する方法等が挙げられる。   The resin particles can be obtained by polymerizing the polymerizable monomer having an ethylenically unsaturated group by a known method. Examples of this method include a method of suspension polymerization in the presence of a radical polymerization initiator, and a method of polymerizing by swelling a monomer together with a radical polymerization initiator using non-crosslinked seed particles.

導電性を高める観点からは、上記樹脂粒子は、導電材料を含むことが好ましい。   From the viewpoint of enhancing conductivity, the resin particles preferably include a conductive material.

上記導電材料としては、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛化カーボン、炭化ホウ素、カーボンナノチューブ、ダイヤモンド、フラーレン、グラフェン、チタニア、シリカ、セリア、アルミナ、マグネシア、ジルコニア及びイットリア等が挙げられる。   Examples of the conductive material include carbon black, graphite, graphitized carbon, boron carbide, carbon nanotube, diamond, fullerene, graphene, titania, silica, ceria, alumina, magnesia, zirconia, and yttria.

導電性を効果的に高め、かつ酸化耐性を効果的に高める観点からは、上記樹脂粒子は、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛化カーボン、炭化ホウ素、カーボンナノチューブ、ダイヤモンド、フラーレン又はグラフェンを含むことが好ましい。上記ダイヤモンドはナノダイヤモンドであることが好ましい。   From the viewpoint of effectively increasing conductivity and effectively increasing oxidation resistance, the resin particles preferably contain carbon black, graphite, graphitized carbon, boron carbide, carbon nanotubes, diamond, fullerene, or graphene. . The diamond is preferably nanodiamond.

導電性を効果的に高め、かつ酸化耐性を効果的に高める観点からは、上記導電材料は、カーボンブラックであることが好ましい。   From the viewpoint of effectively increasing the conductivity and effectively increasing the oxidation resistance, the conductive material is preferably carbon black.

カーボンブラックとしては、特に限定されず、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、及びファーネスブラック等が挙げられる。カーボンブラックの分散性を向上させるために、マイクロリス(チバガイギー社製)等の表面処理が施されたカーボンブラックを用いることもできる。   Carbon black is not particularly limited, and examples thereof include ketjen black, acetylene black, channel black, and furnace black. In order to improve the dispersibility of carbon black, carbon black subjected to surface treatment such as microlith (manufactured by Ciba Geigy) can also be used.

導電性を効果的に高め、かつ酸化耐性を効果的に高める観点からは、上記樹脂粒子は、ケッチェンブラックを含むことが好ましい。酸化耐性を効果的に高める観点からは、上記樹脂粒子は、上記樹脂粒子中に、カーボンブラックを含むことが好ましい。一部のカーボンブラックは、上記樹脂粒子の表面上に配置されていてもよい。   From the viewpoint of effectively increasing the conductivity and effectively increasing the oxidation resistance, the resin particles preferably include ketjen black. From the viewpoint of effectively increasing oxidation resistance, the resin particles preferably contain carbon black in the resin particles. Some carbon blacks may be disposed on the surface of the resin particles.

上記樹脂粒子において、樹脂100重量部に対して、上記樹脂粒子に含まれる上記導電材料の含有量は、好ましくは5重量部以上、より好ましくは50重量部以上であり、好ましくは95重量部以下、より好ましくは80重量部以下である。上記導電材料の含有量が上記下限以上及び上記上限以下であると、触媒活性及び酸化耐性が効果的に高くなる。   In the resin particles, the content of the conductive material contained in the resin particles with respect to 100 parts by weight of the resin is preferably 5 parts by weight or more, more preferably 50 parts by weight or more, and preferably 95 parts by weight or less. More preferably, it is 80 parts by weight or less. When the content of the conductive material is not less than the above lower limit and not more than the above upper limit, catalytic activity and oxidation resistance are effectively increased.

上記樹脂粒子において、樹脂100重量部に対して、上記樹脂粒子に含まれるカーボンの含有量は、好ましくは5重量部以上、より好ましくは50重量部以上であり、好ましくは95重量部以下、より好ましくは80重量部以下である。カーボンの含有量が上記下限以上及び上記上限以下であると、触媒活性及び酸化耐性が効果的に高くなる。   In the resin particle, the content of carbon contained in the resin particle is preferably 5 parts by weight or more, more preferably 50 parts by weight or more, and preferably 95 parts by weight or less, with respect to 100 parts by weight of the resin. The amount is preferably 80 parts by weight or less. When the carbon content is not less than the above lower limit and not more than the above upper limit, the catalytic activity and the oxidation resistance are effectively increased.

(触媒金属)
上記触媒金属としては、貴金属等が挙げられる。上記触媒金属としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、オスミウム、金及び銀等が挙げられる。上記触媒金属は、単一金属であってもよく、合金であってもよい。上記合金は、貴金属と、貴金属以外の金属との合金であってもよい。上記合金としては、白金−コバルト合金、白金−ルテニウム合金、及び白金−イリジウム合金等が挙げられる。上記触媒金属は、1種のみが用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。
(Catalyst metal)
Examples of the catalyst metal include noble metals. Examples of the catalyst metal include platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium, osmium, gold and silver. The catalyst metal may be a single metal or an alloy. The alloy may be an alloy of a noble metal and a metal other than the noble metal. Examples of the alloy include a platinum-cobalt alloy, a platinum-ruthenium alloy, and a platinum-iridium alloy. As for the said catalyst metal, only 1 type may be used and 2 or more types may be used together.

触媒活性を効果的に高める観点からは、上記触媒金属は、白金、白金合金、又はパラジウムであることが好ましい。   From the viewpoint of effectively increasing the catalytic activity, the catalytic metal is preferably platinum, a platinum alloy, or palladium.

(電極)
上記電極材料により電極を形成することができる。
(electrode)
An electrode can be formed of the electrode material.

上記電極材料の製造方法としては特に限定されないが、樹脂粒子を溶媒に分散させた分散液に、触媒金属を添加し、混合した後、混合液を所定の厚みに塗工し、溶媒を除去する方法、並びに、溶媒を含む電極材料、又は電極材料に溶剤を添加した液を、所定の厚みに塗工し、溶媒を除去する方法等が挙げられる。   Although it does not specifically limit as a manufacturing method of the said electrode material, After adding a catalyst metal to the dispersion liquid which disperse | distributed the resin particle in the solvent, and mixing, the liquid mixture is apply | coated to predetermined thickness and a solvent is removed. Examples thereof include a method, an electrode material containing a solvent, or a method in which a solution obtained by adding a solvent to an electrode material is applied to a predetermined thickness and the solvent is removed.

上記溶媒を除去する際に、熱処理を行うことができる。   Heat treatment can be performed when removing the solvent.

上記熱処理の温度は、特に限定されない。上記熱処理の温度は、好ましくは50℃以上、より好ましくは100℃以上であり、好ましくは上記樹脂粒子の融点温度未満、より好ましくは上記樹脂粒子の融点温度−5℃以下である。   The temperature of the heat treatment is not particularly limited. The temperature of the heat treatment is preferably 50 ° C. or higher, more preferably 100 ° C. or higher, preferably less than the melting point temperature of the resin particles, more preferably the melting point temperature of the resin particles is −5 ° C. or lower.

(用途)
上記電極材料は、燃料電池用電極を得るために好適に用いられる。上記電極は、燃料電池用電極であることが好ましい。
(Use)
The electrode material is suitably used for obtaining a fuel cell electrode. The electrode is preferably a fuel cell electrode.

上記電極材料は、燃料電池用電極以外の用途に用いられてもよい。燃料電池用電極以外の用途としては、リチウムイオン電池用電極等が挙げられる。   The electrode material may be used for applications other than fuel cell electrodes. Applications other than fuel cell electrodes include lithium ion battery electrodes.

上記燃料電池は、例えば、第1の電極及び第2の電極(燃料極及び空気極)と、電解質とを備える。上記第1の電極及び上記第2の電極の内の少なくとも一方の電極が、上記電極材料を用いた上記燃料電池用電極であることが好ましい。上記第1の電極及び上記第2の電極の内の一方の電極のみが、上記電極材料を用いた上記燃料電池用電極である場合に、他の電極は特に限定されない。上記他の電極として、従来公知の電極が使用可能である。   The fuel cell includes, for example, a first electrode and a second electrode (a fuel electrode and an air electrode) and an electrolyte. It is preferable that at least one of the first electrode and the second electrode is the fuel cell electrode using the electrode material. When only one of the first electrode and the second electrode is the fuel cell electrode using the electrode material, the other electrode is not particularly limited. Conventionally known electrodes can be used as the other electrodes.

上記燃料電池としては、固体高分子形燃料電池(PEFC)、りん酸形燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、固体酸化物形燃料電池(SOFC)、アルカリ電解質形燃料電池(AFC)、及び直接形燃料電池(DFC)等が挙げられる。   Examples of the fuel cell include a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), a solid oxide fuel cell (SOFC), and an alkaline electrolyte fuel cell. (AFC) and direct fuel cell (DFC).

以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明を具体的に説明する。本発明は、以下の実施例のみに限定されない。   Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples. The present invention is not limited only to the following examples.

(実施例1)
(1)樹脂粒子の作製
カーボンブラックを用いた樹脂粒子を以下のようにして作製した。
Example 1
(1) Production of resin particles Resin particles using carbon black were produced as follows.

テトラメチロールメタントリアクリレート60重量部、ジビニルベンゼン20重量部及びアクリロニトリル20重量部を均一に混合し、更に、カーボンブラック40重量部を添加した。その後、ビーズミルを用いて48時間かけてカーボンブラックを均一に分散させて、重合性単量体組成物を得た。   60 parts by weight of tetramethylol methane triacrylate, 20 parts by weight of divinylbenzene and 20 parts by weight of acrylonitrile were uniformly mixed, and 40 parts by weight of carbon black was further added. Thereafter, carbon black was uniformly dispersed over 48 hours using a bead mill to obtain a polymerizable monomer composition.

得られた重合性単量体組成物に、過酸化ベンゾイル2重量部を均一に混合して、混合液を得た。上記混合液を3重量%濃度のポリビニルアルコール水溶液850重量部に入れ、よく攪拌した。その後、ホモジナイザーで着色重合性単量体液滴の粒径が約0.5〜5.0μm微粒状になるように懸濁させ、懸濁液を得た。   To the obtained polymerizable monomer composition, 2 parts by weight of benzoyl peroxide was uniformly mixed to obtain a mixed solution. The above mixed solution was put into 850 parts by weight of a 3% strength by weight aqueous polyvinyl alcohol solution and well stirred. Thereafter, the colored polymerizable monomer droplets were suspended with a homogenizer so that the particle diameter was about 0.5 to 5.0 μm, and a suspension was obtained.

得られた懸濁液を、温度計、攪拌機及び還流冷却器を備えた2リットルのセパラブルフラスコに移し、窒素雰囲気中で攪拌しながら85℃に昇温及び加熱し、7時間重合反応を行い、更に90℃に昇温して3時間保ち、重合反応を完結させて、重合反応液を得た。その後、重合反応液を冷却し、生成した樹脂粒子をろ過し、充分に水洗し乾燥させて、平均粒子径が2.5μmである粒子120重量部を得た。得られた粒子を分級して、樹脂粒子を得た。   The obtained suspension was transferred to a 2 liter separable flask equipped with a thermometer, a stirrer and a reflux condenser, heated to 85 ° C. with stirring in a nitrogen atmosphere, and subjected to a polymerization reaction for 7 hours. Further, the temperature was raised to 90 ° C. and maintained for 3 hours to complete the polymerization reaction to obtain a polymerization reaction solution. Thereafter, the polymerization reaction liquid was cooled, and the produced resin particles were filtered, sufficiently washed with water and dried to obtain 120 parts by weight of particles having an average particle diameter of 2.5 μm. The obtained particles were classified to obtain resin particles.

得られた樹脂粒子において、樹脂100重量部に対して、カーボンブラックの含有量は48重量部であった。   In the obtained resin particles, the content of carbon black was 48 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin.

(2)電極材料(樹脂粒子に触媒金属が担持されている粒子複合体)の作製
上記(1)樹脂粒子の作製で得られた樹脂粒子1.0gを純水1Lに加え攪拌し、均一に分散させて、分散液を得た。
(2) Preparation of electrode material (particle composite in which catalyst metal is supported on resin particles) (1) Add 1.0 g of resin particles obtained in the preparation of resin particles to 1 L of pure water, and stir uniformly. A dispersion was obtained by dispersing.

得られた分散液に、白金メタル0.5gを含むヘジアンミンジニトロ白金(II)硝酸溶液を添加し、十分に攪拌し樹脂粒子となじませ、懸濁液(1)を得た。   To the obtained dispersion, hediamminedinitroplatinum (II) nitric acid solution containing 0.5 g of platinum metal was added, and the mixture was sufficiently stirred to be blended with the resin particles to obtain a suspension (1).

懸濁液(1)に10%アンモニア水溶液を添加してpH8.5に調整し、その後、還元剤溶液として0.5g/L水素化ホウ素カリウム溶液を滴下速度0.1ml/min.で滴下した。還元剤溶液の滴下中は、発生した白金核を超音波攪拌により分散しながら樹脂粒子に付着させた。その後pHが安定するまで攪拌し、水素の発泡が停止するのを確認し、懸濁液(2)を得た。   A 10% aqueous ammonia solution was added to the suspension (1) to adjust the pH to 8.5, and then 0.5 g / L potassium borohydride solution was added as a reducing agent solution at a dropping rate of 0.1 ml / min. It was dripped at. During the dropping of the reducing agent solution, the generated platinum nuclei were adhered to the resin particles while being dispersed by ultrasonic stirring. Thereafter, the mixture was stirred until the pH became stable, and it was confirmed that hydrogen foaming stopped, and a suspension (2) was obtained.

その後、懸濁液(2)をろ過することにより、粒子を取り出し、水洗することにより、上記樹脂粒子の表面上に触媒金属として白金が形成された粒子を得た。この粒子を100℃で24時間乾燥させて、電極材料(粒子複合体)を得た。得られた電極材料をXRDで測定したところ、触媒金属の平均長径は8.4nmであった。   Thereafter, the suspension (2) was filtered to take out the particles and washed with water to obtain particles in which platinum was formed as a catalyst metal on the surface of the resin particles. The particles were dried at 100 ° C. for 24 hours to obtain an electrode material (particle composite). When the obtained electrode material was measured by XRD, the average major axis of the catalyst metal was 8.4 nm.

得られた粒子複合体において、樹脂粒子100重量部に対して、触媒金属の含有量は36重量部であった。触媒金属の平均長径の樹脂粒子の平均粒子径に対する比は0.005であった。   In the obtained particle composite, the content of the catalyst metal was 36 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin particles. The ratio of the average major axis of the catalyst metal to the average particle diameter of the resin particles was 0.005.

(3)電極の作製
得られた粒子複合体を用いて、以下のようにして固体高分子型燃料電池用の単セル電極を作製した。
(3) Production of electrode Using the obtained particle composite, a single cell electrode for a polymer electrolyte fuel cell was produced as follows.

上記粒子複合体をデュポン社製のNafionとともに有機溶媒に分散させて、分散液を得た。得られた分散液をフッ素樹脂シート上に塗布して触媒層を形成した。電極面積あたりの白金触媒の量は、0.5mg/cmであった。粒子複合体により形成された2つの電極を高分子電解質膜を介してホットプレスにより貼り合わせて、積層体を得た。得られた積層体の両側に拡散層を設置して、単セル電極(厚み50μm)を得た。 The particle composite was dispersed in an organic solvent together with Nafion manufactured by DuPont to obtain a dispersion. The obtained dispersion was applied onto a fluororesin sheet to form a catalyst layer. The amount of platinum catalyst per electrode area was 0.5 mg / cm 2 . Two electrodes formed of the particle composite were bonded together by hot pressing through a polymer electrolyte membrane to obtain a laminate. A diffusion layer was placed on both sides of the obtained laminate to obtain a single cell electrode (thickness 50 μm).

(実施例2〜12)
樹脂粒子の材料(樹脂)の配合量を下記の表1に示すように変更したこと以外は実施例1と同様して、樹脂粒子を得た。得られた樹脂粒子を用いて、実施例1と同様にして、電極材料(粒子複合体)及び電極を作製した。なお、実施例7で用いた被覆カーボンブラックは、ポリエチレンにより表面が被覆されたカーボンブラックである。
(Examples 2 to 12)
Resin particles were obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount of the resin particle material (resin) was changed as shown in Table 1 below. Using the obtained resin particles, an electrode material (particle composite) and an electrode were produced in the same manner as in Example 1. The coated carbon black used in Example 7 is carbon black whose surface is coated with polyethylene.

実施例2〜12における樹脂粒子及び粒子複合体の詳細は以下の通りである。   Details of the resin particles and the particle composite in Examples 2 to 12 are as follows.

実施例2:
得られた樹脂粒子において、樹脂100重量部に対して、カーボンブラックの含有量は24重量部であった。得られた粒子複合体において、樹脂粒子100重量部に対して、触媒金属の含有量は36重量部であった。触媒金属の平均長径の樹脂粒子の平均粒子径に対する比は0.005であった。
Example 2:
In the obtained resin particles, the content of carbon black was 24 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin. In the obtained particle composite, the content of the catalyst metal was 36 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin particles. The ratio of the average major axis of the catalyst metal to the average particle diameter of the resin particles was 0.005.

実施例3:
得られた樹脂粒子において、樹脂100重量部に対して、カーボンブラックの含有量は72重量部であった。得られた粒子複合体において、樹脂粒子100重量部に対して、触媒金属の含有量は36重量部であった。触媒金属の平均長径の樹脂粒子の平均粒子径に対する比は0.005であった。
Example 3:
In the obtained resin particles, the carbon black content was 72 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin. In the obtained particle composite, the content of the catalyst metal was 36 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin particles. The ratio of the average major axis of the catalyst metal to the average particle diameter of the resin particles was 0.005.

実施例4:
得られた樹脂粒子において、樹脂100重量部に対して、カーボンブラックの含有量は48重量部であった。得られた粒子複合体において、樹脂粒子100重量部に対して、触媒金属の含有量は36重量部であった。触媒金属の平均長径の樹脂粒子の平均粒子径に対する比は0.005であった。
Example 4:
In the obtained resin particles, the content of carbon black was 48 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin. In the obtained particle composite, the content of the catalyst metal was 36 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin particles. The ratio of the average major axis of the catalyst metal to the average particle diameter of the resin particles was 0.005.

実施例5:
得られた樹脂粒子において、樹脂100重量部に対して、カーボンブラックの含有量は48重量部であった。得られた粒子複合体において、樹脂粒子100重量部に対して、触媒金属の含有量は36重量部であった。触媒金属の平均長径の樹脂粒子の平均粒子径に対する比は0.005であった。
Example 5:
In the obtained resin particles, the content of carbon black was 48 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin. In the obtained particle composite, the content of the catalyst metal was 36 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin particles. The ratio of the average major axis of the catalyst metal to the average particle diameter of the resin particles was 0.005.

実施例6:
得られた樹脂粒子において、樹脂100重量部に対して、カーボンブラックの含有量は48重量部であった。得られた粒子複合体において、樹脂粒子100重量部に対して、触媒金属の含有量は36重量部であった。触媒金属の平均長径の樹脂粒子の平均粒子径に対する比は0.005であった。
Example 6:
In the obtained resin particles, the content of carbon black was 48 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin. In the obtained particle composite, the content of the catalyst metal was 36 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin particles. The ratio of the average major axis of the catalyst metal to the average particle diameter of the resin particles was 0.005.

実施例7:
得られた樹脂粒子において、樹脂100重量部に対して、被覆カーボンブラックの含有量は39重量部であった。得られた粒子複合体において、樹脂粒子100重量部に対して、触媒金属の含有量は36重量部であった。触媒金属の平均長径の樹脂粒子の平均粒子径に対する比は0.005であった。
Example 7:
In the obtained resin particles, the content of the coated carbon black was 39 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin. In the obtained particle composite, the content of the catalyst metal was 36 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin particles. The ratio of the average major axis of the catalyst metal to the average particle diameter of the resin particles was 0.005.

実施例8:
得られた樹脂粒子において、樹脂100重量部に対して、黒鉛化カーボンの含有量は48重量部であった。得られた粒子複合体において、樹脂粒子100重量部に対して、触媒金属の含有量は36重量部であった。触媒金属の平均長径の樹脂粒子の平均粒子径に対する比は0.005であった。
Example 8:
In the obtained resin particles, the content of graphitized carbon was 48 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin. In the obtained particle composite, the content of the catalyst metal was 36 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin particles. The ratio of the average major axis of the catalyst metal to the average particle diameter of the resin particles was 0.005.

実施例9:
得られた樹脂粒子において、樹脂100重量部に対して、炭化ホウ素の含有量は48重量部であった。得られた粒子複合体において、樹脂粒子100重量部に対して、触媒金属の含有量は36重量部であった。触媒金属の平均長径の樹脂粒子の平均粒子径に対する比は0.005であった。
Example 9:
In the obtained resin particles, the content of boron carbide was 48 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin. In the obtained particle composite, the content of the catalyst metal was 36 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin particles. The ratio of the average major axis of the catalyst metal to the average particle diameter of the resin particles was 0.005.

実施例10:
得られた樹脂粒子において、樹脂100重量部に対して、グラフェンの含有量は48重量部であった。得られた粒子複合体において、樹脂粒子100重量部に対して、触媒金属の含有量は36重量部であった。触媒金属の平均長径の樹脂粒子の平均粒子径に対する比は0.005であった。
Example 10:
In the obtained resin particles, the graphene content was 48 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin. In the obtained particle composite, the content of the catalyst metal was 36 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin particles. The ratio of the average major axis of the catalyst metal to the average particle diameter of the resin particles was 0.005.

実施例11:
得られた樹脂粒子において、樹脂100重量部に対して、フラーレンの含有量は48重量部であった。得られた粒子複合体において、樹脂粒子100重量部に対して、触媒金属の含有量は36重量部であった。触媒金属の平均長径の樹脂粒子の平均粒子径に対する比は0.005であった。
Example 11:
In the obtained resin particles, the content of fullerene was 48 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin. In the obtained particle composite, the content of the catalyst metal was 36 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin particles. The ratio of the average major axis of the catalyst metal to the average particle diameter of the resin particles was 0.005.

実施例12:
得られた樹脂粒子において、樹脂100重量部に対して、カーボンナノチューブの含有量は48重量部であった。得られた粒子複合体において、樹脂粒子100重量部に対して、触媒金属の含有量は36重量部であった。触媒金属の平均長径の樹脂粒子の平均粒子径に対する比は0.005であった。
Example 12:
In the obtained resin particles, the content of carbon nanotubes was 48 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin. In the obtained particle composite, the content of the catalyst metal was 36 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin particles. The ratio of the average major axis of the catalyst metal to the average particle diameter of the resin particles was 0.005.

(比較例1)
電極材料の作製:
カーボン粒子(市販品:平均粒子径2.2μm、CV値48.6%、アスペクト比8.2)3.5gを純水1Lに加え分散させて、分散液を得た。得られた分散液に白金メタル0.5gを含むヘジアンミンジニトロ白金(II)硝酸溶液を添加し、十分にカーボン粒子となじませ、懸濁液(1)を得た。懸濁液(1)に10%アンモニア水溶液を添加してpH8.5に調整した。その後、水酸化物形成用アルカリ溶液として28%アンモニア溶液を滴下速度0.1ml/min.で滴下した。水酸化物形成用アルカリ溶液の滴下中は、発生した白金水酸化物を超音波攪拌により分散しながらカーボン粒子に付着させ、懸濁液(2)を得た。
(Comparative Example 1)
Production of electrode material:
3.5 g of carbon particles (commercial product: average particle size 2.2 μm, CV value 48.6%, aspect ratio 8.2) was added to 1 L of pure water and dispersed to obtain a dispersion. To the resulting dispersion, a heminminedinitroplatinum (II) nitric acid solution containing 0.5 g of platinum metal was added and sufficiently blended with the carbon particles to obtain a suspension (1). A 10% aqueous ammonia solution was added to the suspension (1) to adjust the pH to 8.5. Thereafter, a 28% ammonia solution as a hydroxide forming alkali solution was added at a dropping rate of 0.1 ml / min. It was dripped at. During the dropwise addition of the hydroxide-forming alkaline solution, the generated platinum hydroxide was adhered to the carbon particles while being dispersed by ultrasonic stirring to obtain a suspension (2).

その後、懸濁液(2)をろ過することにより、粉末を取り出し、得られた粉末を130℃、24時間真空乾燥した。次に水素ガス雰囲気で450℃、10時間保持して還元処理し、カーボン粒子を得た。還元処理時の昇温速度は10℃/minとした。得られたカーボン粒子を用いて、実施例1と同様にして、電極材料(複数の粒子複合体)及び電極を作製した。   Thereafter, the suspension (2) was filtered to take out the powder, and the obtained powder was vacuum dried at 130 ° C. for 24 hours. Next, it reduced at 450 degreeC hold | maintained for 10 hours in hydrogen gas atmosphere, and obtained the carbon particle. The rate of temperature increase during the reduction treatment was 10 ° C./min. Using the obtained carbon particles, an electrode material (a plurality of particle composites) and an electrode were produced in the same manner as in Example 1.

(比較例2)
(1)樹脂粒子の作製
カーボンブラックを用いたカーボン樹脂粒子を以下のようにして作製した。
(Comparative Example 2)
(1) Production of resin particles Carbon resin particles using carbon black were produced as follows.

テトラメチロールメタントリアクリレート1重量部、アクリロニトリル99重量部を均一に混合し更に、カーボンブラック5重量部を添加した。その後、ビーズミルを用いて48時間かけて表面が被覆されたカーボンブラックを均一に分散させて、重合性単量体組成物を得た。   1 part by weight of tetramethylol methane triacrylate and 99 parts by weight of acrylonitrile were mixed uniformly, and 5 parts by weight of carbon black was further added. Thereafter, carbon black having a surface coated for 48 hours was uniformly dispersed using a bead mill to obtain a polymerizable monomer composition.

得られた重合性単量体組成物に、過酸化ベンゾイル2重量部を均一に混合して、混合液を得た。上記混合液を3重量%濃度のポリビニルアルコール水溶液850重量部に入れ、よく攪拌した。その後、ホモジナイザーで着色重合性単量体液滴の粒径が約0.5〜5.0μm微粒状になるように懸濁させ、懸濁液を得た。   To the obtained polymerizable monomer composition, 2 parts by weight of benzoyl peroxide was uniformly mixed to obtain a mixed solution. The above mixed solution was put into 850 parts by weight of a 3% strength by weight aqueous polyvinyl alcohol solution and well stirred. Thereafter, the colored polymerizable monomer droplets were suspended with a homogenizer so that the particle diameter was about 0.5 to 5.0 μm, and a suspension was obtained.

得られた懸濁液を、温度計、攪拌機及び還流冷却器を備えた2リットルのセパラブルフラスコに移し、窒素雰囲気中で攪拌しながら85℃に昇温及び加熱し、7時間重合反応を行い、更に90℃に昇温して3時間保ち、重合反応を完結させて、重合反応液を得た。その後、重合反応液を冷却し、生成した樹脂粒子をろ過し、充分に水洗し乾燥させて、粒子径が2.5μmである粒子120重量部を得た。得られた粒子を分級して、樹脂粒子を得た。   The obtained suspension was transferred to a 2 liter separable flask equipped with a thermometer, a stirrer and a reflux condenser, heated to 85 ° C. with stirring in a nitrogen atmosphere, and subjected to a polymerization reaction for 7 hours. Further, the temperature was raised to 90 ° C. and maintained for 3 hours to complete the polymerization reaction to obtain a polymerization reaction solution. Thereafter, the polymerization reaction liquid was cooled, and the produced resin particles were filtered, sufficiently washed with water and dried to obtain 120 parts by weight of particles having a particle diameter of 2.5 μm. The obtained particles were classified to obtain resin particles.

得られた樹脂粒子を用いて、実施例1と同様にして、電極材料(複数の粒子複合体)及び電極を作製した。   Using the obtained resin particles, an electrode material (a plurality of particle composites) and an electrode were produced in the same manner as in Example 1.

得られた樹脂粒子において、樹脂100重量部に対して、カーボンブラックの含有量は5重量部であった。得られた粒子複合体において、樹脂粒子100重量部に対して、触媒金属の含有量は36重量部であった。触媒金属の平均長径の樹脂粒子の平均粒子径に対する比は0.009であった。   In the obtained resin particles, the carbon black content was 5 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin. In the obtained particle composite, the content of the catalyst metal was 36 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin particles. The ratio of the average long diameter of the catalyst metal to the average particle diameter of the resin particles was 0.009.

(評価)
(1)樹脂粒子、及び、粒子複合体の抵抗率
粉体圧縮抵抗を測定することにより、樹脂粒子及び、粒子複合体の抵抗率を求めた。
(Evaluation)
(1) Resistivity of resin particles and particle composites The resistivity of resin particles and particle composites was determined by measuring the powder compression resistance.

上記樹脂粒子及び上記粒子複合体を円柱容器内(直径20mm、上下方向の長さ50mm)に入れてから、上記樹脂粒子及び上記粒子複合体に、ロードセル付き加圧機で、63.7MPaの圧力、20kNの荷重の圧縮荷重を上下方向にかけた。そして、低抵抗率計(Model MCP−T610:三菱化学アナリテック社製)を用いて直流抵抗を測定し、下記式により抵抗率を算出した。抵抗率が小さい程、導電性が優れていた。   The resin particles and the particle composite are placed in a cylindrical container (diameter 20 mm, vertical length 50 mm), and then the resin particles and the particle composite are put into a pressure cell with a load cell with a pressure of 63.7 MPa, A compressive load of 20 kN was applied in the vertical direction. And DC resistance was measured using the low resistivity meter (Model MCP-T610: Mitsubishi Chemical Analytech Co., Ltd.), and the resistivity was computed by the following formula. The smaller the resistivity, the better the conductivity.

抵抗率=測定値×円柱容器内の樹脂粒子又は上記粒子複合体の断面積/樹脂粒子又は上記粒子複合体の厚み   Resistivity = measured value × cross-sectional area of resin particle or particle composite in cylindrical container / thickness of resin particle or particle composite

(2)樹脂粒子、及び、粒子複合体の圧縮弾性率(10%K値)
上記樹脂粒子及び上記粒子複合体の上記圧縮弾性率(10%K値)を、23℃の条件で、上述した方法により、微小圧縮試験機(フィッシャー社製「フィッシャースコープH−100」)を用いて測定した。
(2) Compression elastic modulus (10% K value) of resin particles and particle composite
Using the above-described compression elastic modulus (10% K value) of the resin particles and the particle composite, using a micro-compression tester (“Fischer Scope H-100” manufactured by Fischer) under the condition of 23 ° C. Measured.

(3)発電効率(応力緩和性)及び酸化耐性の評価
第1の電極及び第2の電極(燃料極及び空気極)と、電解質とを備える燃料電池において、得られた電極を第1の電極及び第2の電極として用いた。得られた燃料電池を80℃で4000時間作動させた。
(3) Evaluation of power generation efficiency (stress relaxation) and oxidation resistance In a fuel cell including a first electrode and a second electrode (a fuel electrode and an air electrode) and an electrolyte, the obtained electrode is used as the first electrode. And used as the second electrode. The obtained fuel cell was operated at 80 ° C. for 4000 hours.

作動開始時の発電効率に対する作動開始後の発電効率の保持率を評価した。比較例1を基準として、以下の基準により判定した。   The retention rate of power generation efficiency after the start of operation relative to the power generation efficiency at the start of operation was evaluated. Based on Comparative Example 1, the determination was made according to the following criteria.

○:比較例1よりも保持率が高い
△:比較例1よりも保持率が低いが、保持率が80%以上に維持されている
×:比較例1よりも保持率が低く、かつ保持率が80%未満
○: Retention rate is higher than Comparative Example 1 Δ: Retention rate is lower than Comparative Example 1, but the retention rate is maintained at 80% or higher ×: Retention rate is lower than Comparative Example 1 and retention rate Is less than 80%

また、作動前の電極の空隙率に対する作動後の電極の空隙率の保持率を評価した。比較例1を基準として、以下の基準により判定した。   Moreover, the retention rate of the porosity of the electrode after the operation with respect to the porosity of the electrode before the operation was evaluated. Based on Comparative Example 1, the determination was made according to the following criteria.

○:比較例1よりも保持率が高い
△:比較例1よりも保持率が低いが、保持率が80%以上に維持されている
×:比較例1よりも保持率が低く、かつ保持率が80%未満
○: Retention rate is higher than Comparative Example 1 Δ: Retention rate is lower than Comparative Example 1, but the retention rate is maintained at 80% or higher ×: Retention rate is lower than Comparative Example 1 and retention rate Is less than 80%

Figure 2017084475
Figure 2017084475

1…粒子複合体
11…樹脂粒子
12…触媒金属
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Particle complex 11 ... Resin particle 12 ... Catalyst metal

Claims (10)

樹脂粒子と、触媒金属とを含み、
前記樹脂粒子の抵抗率が1000Ω・cm以下である、電極材料。
Including resin particles and catalytic metal,
The electrode material whose resistivity of the said resin particle is 1000 ohm * cm or less.
前記樹脂粒子を10%圧縮したときの圧縮弾性率が、100N/mm以上である、請求項1に記載の電極材料。 The electrode material according to claim 1, wherein a compression elastic modulus when the resin particles are compressed by 10% is 100 N / mm 2 or more. 前記樹脂粒子に前記触媒金属が担持されている、請求項1又は2に記載の電極材料。   The electrode material according to claim 1, wherein the catalyst metal is supported on the resin particles. 前記樹脂粒子に前記触媒金属が担持されている粒子複合体を10%圧縮したときの圧縮弾性率が、100N/mm以上である、請求項3に記載の電極材料。 The electrode material according to claim 3, wherein a compression elastic modulus when a particle composite in which the catalyst metal is supported on the resin particles is compressed by 10% is 100 N / mm 2 or more. 前記樹脂粒子がカーボンを含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電極材料。   The electrode material according to claim 1, wherein the resin particles contain carbon. 前記樹脂粒子が、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛化カーボン、炭化ホウ素、カーボンナノチューブ、ダイヤモンド、フラーレン又はグラフェンを含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電極材料。   The electrode material according to claim 1, wherein the resin particles include carbon black, graphite, graphitized carbon, boron carbide, carbon nanotubes, diamond, fullerene, or graphene. 前記樹脂粒子のアスペクト比が5以下である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電極材料。   The electrode material according to any one of claims 1 to 6, wherein an aspect ratio of the resin particles is 5 or less. カーボン粒子を含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載の電極材料。   The electrode material according to claim 1, comprising carbon particles. 燃料電池用電極を形成するために用いられる、請求項1〜8のいずれか1項に記載の電極材料。   The electrode material according to claim 1, which is used for forming a fuel cell electrode. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の電極材料により形成されている電極。   The electrode formed with the electrode material of any one of Claims 1-9.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020187991A (en) * 2019-05-10 2020-11-19 東洋インキScホールディングス株式会社 Conductive material dispersion and utilization thereof
CN113036132A (en) * 2019-12-25 2021-06-25 旭化成株式会社 Polymer composition for nonaqueous secondary battery and nonaqueous secondary battery

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