JP2022142887A - Electrode catalyst, manufacturing method thereof, electrode for fuel cell, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電極触媒及びその製造方法、並びに、燃料電池用電極及び燃料電池に関し、さらに詳しくは、触媒粒子の表面が含窒素炭素膜で被覆された電極触媒及びその製造方法、並びに、このような電極触媒を備えた燃料電池用電極及び燃料電池に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electrode catalyst, a method for producing the same, an electrode for a fuel cell, and a fuel cell. The present invention relates to a fuel cell electrode and a fuel cell provided with an electrode catalyst.
固体高分子形燃料電池は、電解質膜の両面に触媒を含む電極が接合された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly,MEA)を備えている。MEAの両面には、さらに、ガス流路を備えた集電体(セパレータ)が配置される。固体高分子形燃料電池は、通常、このようなMEAと集電体からなる単セルが複数個積層された構造(燃料電池スタック)を備えている。 A polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) in which electrodes containing a catalyst are joined to both sides of an electrolyte membrane. Current collectors (separators) having gas flow paths are further disposed on both sides of the MEA. A polymer electrolyte fuel cell usually has a structure (fuel cell stack) in which a plurality of single cells each including such an MEA and a current collector are stacked.
燃料電池用電極は、通常、電解質膜側に配置された触媒層と、ガス流路側に配置された拡散層との積層体からなる。触媒層は、一般に、担体表面に白金や白金合金などの触媒粒子が担持された電極触媒と、触媒層アイオノマとの混合物からなる。電極反応は、主として触媒粒子の表面で起こる。そのため、触媒粒子をできるだけ微細化し、電極の単位面積当たりの白金使用量を低減することが行われている。
しかしながら、電位変動を伴う燃料電池の作動環境下においては、触媒粒子が微細になるほど、触媒粒子の溶解、凝集による粗大化、及び/又は、担体からの脱離が起こりやすくなる。その結果、触媒層の活性が次第に低下するという問題がある。
A fuel cell electrode is usually composed of a laminate of a catalyst layer arranged on the electrolyte membrane side and a diffusion layer arranged on the gas channel side. The catalyst layer is generally composed of a mixture of an electrode catalyst in which catalyst particles such as platinum or platinum alloy are supported on the surface of a carrier, and a catalyst layer ionomer. Electrode reactions occur primarily on the surface of catalyst particles. Therefore, efforts have been made to reduce the amount of platinum used per unit area of the electrode by making the catalyst particles as fine as possible.
However, under the operating environment of a fuel cell that involves potential fluctuations, the finer the catalyst particles, the more likely they are to dissolve, coarsen due to agglomeration, and/or detach from the carrier. As a result, there is a problem that the activity of the catalyst layer is gradually lowered.
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、非特許文献1には、
(a)不規則fcc-PtFeナノ粒子をカーボン粒子表面に担持させ、
(b)これをドーパミン塩酸塩水溶液で処理することにより、ナノ粒子表面をポリドーパミンで被覆し、
(c)カーボンに担持され、かつ、ドーパミンで被覆されたfcc-PtFeナノ粒子(fcc-PtFe/C)を700℃で熱処理し、Nドープカーボンで被覆された規則fct-PtFeナノ粒子触媒(fct-Pt/Fe/C)を得る
PtFeナノ粒子触媒の製造方法が開示されている。
In order to solve this problem, various proposals have been conventionally made.
For example, in Non-Patent
(a) supporting irregular fcc-PtFe nanoparticles on the carbon particle surface;
(b) coating the nanoparticle surface with polydopamine by treating it with an aqueous solution of dopamine hydrochloride;
(c) Carbon-supported and dopamine-coated fcc-PtFe nanoparticles (fcc-PtFe/C) were heat-treated at 700° C. to obtain a N-doped carbon-coated ordered fct-PtFe nanoparticle catalyst (fct -Pt/Fe/C) is disclosed.
同文献には、
(A)ドーパミン被覆なしでPtFe/Cを熱処理すると、ナノ粒子のサイズが数十ナノメートルまで増大するのに対し、ドーパミンで被覆されたPtFe/Cを熱処理すると、ナノ粒子のサイズが熱処理前とほぼ同等の大きさ(6.5nm)に維持される点、
(B)Nドープカーボンシェルで被覆されたfct-PtFe/C触媒は、市販のPt/C触媒に比べて11.4倍高い質量活性と、10.5倍高い比活性を示す点、及び、
(C)Pt/CをNドープカーボンシェルで被覆しても、活性に及ぼす効果は無視できる程度である点
が記載されている。
In the same document,
(A) Heat treatment of PtFe/C without dopamine coating increases the size of the nanoparticles to tens of nanometers, whereas heat treatment of dopamine-coated PtFe/C increases the size of the nanoparticles compared to before heat treatment. maintaining approximately the same size (6.5 nm);
(B) fct-PtFe/C catalyst coated with N-doped carbon shell exhibits 11.4 times higher mass activity and 10.5 times higher specific activity than commercial Pt/C catalyst;
(C) It is stated that coating Pt/C with an N-doped carbon shell has a negligible effect on activity.
特許文献1には、触媒粒子と、前記触媒粒子の表面を被覆する炭素膜とを備え、前記触媒粒子の単位表面積当たりの塩化物イオンの含有量が12.5μg/m2未満である電極触媒が開示されている。
同文献には、
(a)触媒粒子の表面を有機物に由来する被膜で被覆し、これを熱処理すると、触媒粒子表面が炭素膜で被覆された電極触媒が得られる点、
(b)得られた電極触媒を洗浄すると、触媒粒子表面に吸着している塩化物イオンが脱離するために、洗浄なしの電極触媒に比べて初期活性が向上する点、及び、
(c)炭素膜が触媒粒子の溶解、凝集、及び/又は、脱離を抑制し、かつ、触媒粒子のアイオノマ被毒を抑制するために、初期活性及び耐久性が向上する点
が記載されている。
In the same document,
(a) By coating the surface of the catalyst particles with a film derived from an organic substance and heat-treating it, an electrode catalyst in which the surfaces of the catalyst particles are coated with a carbon film can be obtained;
(b) when the obtained electrode catalyst is washed, the chloride ions adsorbed on the surface of the catalyst particles are desorbed, so that the initial activity is improved compared to the electrode catalyst without washing;
(c) The carbon film suppresses dissolution, aggregation, and/or detachment of the catalyst particles, and suppresses ionomer poisoning of the catalyst particles, thereby improving initial activity and durability. there is
合成したままのPtFe合金ナノ粒子は、不規則な面心立方(fcc)構造を持ち、触媒活性が低い。それを700℃で熱処理すると、規則的な面心正方(fct)構造に変わり、面積比活性が向上する。しかし、熱処理の工程でナノ粒子が粗大化するため、質量活性が著しく低下するという問題があった。 As-synthesized PtFe alloy nanoparticles have an irregular face-centered cubic (fcc) structure and low catalytic activity. Heat treating it at 700° C. transforms it into a regular face-centered tetragonal (fct) structure, improving the area specific activity. However, since the nanoparticles are coarsened in the heat treatment step, there is a problem that the mass activity is remarkably lowered.
これに対し、非特許文献1には、PtFe合金ナノ粒子の表面をドーパミンで被覆し、700℃で熱処理すると、ナノ粒子の粒径の増大が抑制される点が記載されている。これは、ナノ粒子表面を覆う薄い炭素膜(ドーパミンの熱分解物)によって、熱処理工程で起きるナノ粒子の凝集が抑制されたためと説明されている。
また、非特許文献1には、このような処理を行ったfct-PtFe/C触媒は、純Pt/C触媒や不規則なfcc-PtFe/C触媒に比べて、面積活性、質量活性及び耐久性が向上する点が記載されている。耐久性が向上したのは、Pt表面を覆う炭素膜によって耐久試験中に起きるPtの溶解・凝集・脱離が抑制されたためと説明されている。
On the other hand, Non-Patent
In
しかしながら、ドーパミン修飾及び熱処理によって生成する炭素膜そのものが触媒の性能に及ぼす影響については、十分に明らかにされていない。実際、非特許文献1には、純Pt/C触媒をドーパミンで被覆し、700℃で熱処理を行っても、初期性能は向上しなかったと報告されている。
However, the effects of dopamine modification and the carbon film itself formed by heat treatment on the performance of the catalyst have not been sufficiently clarified. In fact, Non-Patent
一方、特許文献1には、純Pt/C触媒の表面をドーパミン由来の炭素膜で被覆した後、電極触媒を洗浄すると、電極触媒の初期活性及び耐久性が向上する点が記載されている。しかしながら、燃料電池の性能をさらに向上させるためには、電極触媒の初期活性及び耐久性をさらに向上させることが望まれる。
On the other hand,
本発明が解決しようとする課題は、触媒粒子の表面が特定の条件を満たす被膜で被覆された新規な電極触媒及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、初期活性及び耐久性に優れた新規な電極触媒及びその製造方法を提供することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、このような電極触媒を備えた燃料電池用電極及び燃料電池を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to provide a novel electrode catalyst in which the surfaces of catalyst particles are coated with a coating that satisfies specific conditions, and a method for producing the same.
Another object of the present invention is to provide a novel electrode catalyst with excellent initial activity and durability, and a method for producing the same.
Furthermore, another problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell electrode and a fuel cell having such an electrode catalyst.
上記課題を解決するために、本発明に係る電極触媒は、
触媒粒子と、
前記触媒粒子の表面を被覆する含窒素炭素膜と
を備え、
前記含窒素炭素膜は、マイクロ孔を含むことを要旨とする。
In order to solve the above problems, the electrode catalyst according to the present invention is
catalyst particles;
and a nitrogen-containing carbon film covering the surface of the catalyst particles,
The gist is that the nitrogen-containing carbon film includes micropores.
本発明に係る燃料電池用電極は、本発明に係る電極触媒と、触媒層アイオノマとを含む触媒層を備えている。
本発明に係る燃料電池は、
固体高分子電解質からなる電解質膜と、
前記電解質膜の両面に接合された電極と
を備え、
前記電極の少なくとも一方は、本発明に係る燃料電池用電極からなる。
A fuel cell electrode according to the present invention comprises a catalyst layer containing the electrode catalyst according to the present invention and a catalyst layer ionomer.
The fuel cell according to the present invention is
an electrolyte membrane made of a solid polymer electrolyte;
and electrodes bonded to both sides of the electrolyte membrane,
At least one of the electrodes is composed of the fuel cell electrode according to the present invention.
本発明に係る電極触媒の製造方法は、
触媒粒子の表面を、ポリメラミン及びポリドーパミンを含む被膜で被覆し、電極触媒前駆体を得る被覆工程と、
前記電極触媒前駆体を熱処理することにより前記被膜を熱分解させ、前記触媒粒子の表面が含窒素炭素膜で被覆された電極触媒を得る熱分解工程と
を備えている。
The method for producing an electrode catalyst according to the present invention comprises:
a coating step of coating the surface of the catalyst particles with a coating containing polymelamine and polydopamine to obtain an electrode catalyst precursor;
a thermal decomposition step of thermally decomposing the film by heat-treating the electrode catalyst precursor to obtain an electrode catalyst in which the surfaces of the catalyst particles are coated with a nitrogen-containing carbon film.
触媒粒子の表面をポリメラミン及びポリドーパミンで被覆し、ポリメラミン及びポリドーパミンを熱分解させると、触媒粒子の表面がマイクロ孔を含む含窒素炭素膜で被覆された電極触媒が得られる。このようにして得られた電極触媒は、ポリドーパミン由来の炭素膜で被覆された電極触媒に比べて初期活性及び耐久性が向上する場合がある。これは、
(a)含窒素炭素膜が熱処理時における触媒粒子の粒成長を抑制するため、
(b)含窒素炭素膜はマイクロ孔を有しているために、含窒素炭素膜の厚さが厚くなっても触媒粒子表面への物質輸送が阻害されにくいため、及び、
(c)含窒素炭素膜が触媒粒子の溶解、凝集、及び/又は、脱離、並びに、触媒粒子のアイオノマ被毒を抑制するため、
と考えられる。
By coating the surface of the catalyst particles with polymelamine and polydopamine and thermally decomposing the polymelamine and polydopamine, an electrode catalyst in which the surfaces of the catalyst particles are coated with a nitrogen-containing carbon film containing micropores is obtained. The electrode catalyst thus obtained may have improved initial activity and durability as compared with an electrode catalyst coated with a polydopamine-derived carbon film. this is,
(a) Since the nitrogen-containing carbon film suppresses grain growth of catalyst particles during heat treatment,
(b) Since the nitrogen-containing carbon film has micropores, even if the thickness of the nitrogen-containing carbon film increases, the transport of substances to the surface of the catalyst particles is less likely to be inhibited;
(c) Since the nitrogen-containing carbon film suppresses dissolution, aggregation, and/or detachment of the catalyst particles and ionomer poisoning of the catalyst particles,
it is conceivable that.
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 電極触媒]
本発明に係る電極触媒は、
触媒粒子と、
前記触媒粒子の表面を被覆する含窒素炭素膜と
を備えている。
前記電極触媒は、前記触媒粒子を担持する担体をさらに備えていても良い。
An embodiment of the present invention will be described in detail below.
[1. Electrocatalyst]
The electrode catalyst according to the present invention is
catalyst particles;
and a nitrogen-containing carbon film covering the surface of the catalyst particles.
The electrode catalyst may further include a carrier that supports the catalyst particles.
[1.1. 触媒粒子]
[1.1.1. 組成]
本発明において、触媒粒子の材料は、特に限定されない。触媒粒子の材料としては、
(a)貴金属(Pt、Au、Ag、Pd、Rh、Ir、Ru、Os)、
(b)2種以上の貴金属元素を含む合金、
(c)1種又は2種以上の貴金属元素と、1種又は2種以上の卑金属元素(例えば、Fe、Co、Ni、Cr、V、Tiなど)とを含む合金、
などがある。
[1.1. catalyst particles]
[1.1.1. composition]
In the present invention, the material of catalyst particles is not particularly limited. Materials for catalyst particles include:
(a) noble metals (Pt, Au, Ag, Pd, Rh, Ir, Ru, Os),
(b) an alloy containing two or more precious metal elements;
(c) alloys containing one or more noble metal elements and one or more base metal elements (e.g., Fe, Co, Ni, Cr, V, Ti, etc.);
and so on.
これらの中でも、触媒粒子は、Pt又はPt合金が好ましい。これは、燃料電池の電極反応に対して高い活性を有するためである。
Pt合金としては、例えば、Pt-Fe合金、Pt-Co合金、Pt-Ni合金、Pt-Pd合金、Pt-Cr合金、Pt-V合金、Pt-Ti合金、Pt-Ru合金、Pt-Ir合金などがある。
Among these, the catalyst particles are preferably Pt or Pt alloy. This is because it has high activity for the electrode reaction of the fuel cell.
Pt alloys include, for example, Pt--Fe alloys, Pt--Co alloys, Pt--Ni alloys, Pt--Pd alloys, Pt--Cr alloys, Pt--V alloys, Pt--Ti alloys, Pt--Ru alloys, Pt--Ir alloys, etc.
[1.1.2. 粒径]
触媒粒子の粒径は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な粒径を選択することができる。一般に、触媒粒子の粒径が小さすぎると、触媒粒子が溶解しやすくなる。従って、触媒粒子の粒径は、1nm以上が好ましい。
一方、触媒粒子の粒径が大きくなりすぎると、質量活性が低下する。従って、触媒粒子の粒径は、20nm以下が好ましい。触媒粒子の粒径は、好ましくは、10nm以下、さらに好ましくは、5nm以下である。
[1.1.2. Particle size]
The particle size of the catalyst particles is not particularly limited, and an optimum particle size can be selected according to the purpose. In general, when the particle size of the catalyst particles is too small, the catalyst particles tend to dissolve. Therefore, the particle size of the catalyst particles is preferably 1 nm or more.
On the other hand, if the particle size of the catalyst particles becomes too large, the mass activity will decrease. Therefore, the particle size of the catalyst particles is preferably 20 nm or less. The particle size of the catalyst particles is preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less.
[1.2. 担体]
[1.2.1. 材料]
触媒粒子は、そのままの状態で各種用途に用いても良く、あるいは、担体表面に担持された状態で用いても良い。触媒粒子を担体表面に担持させると、微細な触媒粒子を安定して分散させることができるので、触媒使用量を低減することができる。
担体としては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、活性炭、天然黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、ガラス状炭素粉末などがある。
[1.2. carrier]
[1.2.1. material]
The catalyst particles may be used for various purposes as they are, or may be used while being supported on the surface of a carrier. When the catalyst particles are carried on the surface of the carrier, fine catalyst particles can be stably dispersed, so that the amount of catalyst used can be reduced.
Examples of carriers include carbon black, carbon nanotubes, carbon nanohorns, activated carbon, natural graphite, mesocarbon microbeads, and glassy carbon powder.
[1.2.2. 触媒担持量]
触媒粒子が担体表面に担持されている場合、触媒担持量は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な担持量を選択することができる。一般に、触媒担持量が少なすぎると、十分な活性が得られない。一方、触媒担持量を必要以上に多くしても、効果に差がなく、実益がない。
例えば、カーボン担体表面にPt又はPt合金からなる触媒粒子を担持させる場合、触媒担持量は、5wt%~70wt%が好ましい。
[1.2.2. Amount of catalyst supported]
When the catalyst particles are supported on the surface of the carrier, the amount of catalyst supported is not particularly limited, and an optimum supported amount can be selected according to the purpose. In general, if the amount of catalyst supported is too small, sufficient activity cannot be obtained. On the other hand, even if the amount of catalyst supported is increased more than necessary, there is no difference in the effect and there is no practical benefit.
For example, when catalyst particles made of Pt or a Pt alloy are supported on the surface of a carbon support, the catalyst support amount is preferably 5 wt % to 70 wt %.
[1.3. 含窒素炭素膜]
[1.3.1. 組成]
触媒粒子の表面は、含窒素炭素膜で被覆されている。「含窒素炭素膜」とは、触媒粒子の表面をポリメラミン及びポリドーパミンを含む被膜で被覆し、被膜を熱分解させることにより得られる膜をいう。
[1.3. Nitrogen-containing carbon film]
[1.3.1. composition]
The surfaces of the catalyst particles are coated with a nitrogen-containing carbon film. A "nitrogen-containing carbon film" refers to a film obtained by coating the surfaces of catalyst particles with a film containing polymelamine and polydopamine and thermally decomposing the film.
ポリドーパミンのみを含む被膜を熱分解させると、緻密であり、かつ、実質的に炭素のみからなる炭素膜が得られる。一方、ポリメラミンとポリドーパミンを含む被膜を熱分解させると、マイクロ孔を含み、かつ、ポリドーパミン由来の炭素膜に比べて窒素量が多い含窒素炭素膜が得られる。含窒素炭素膜に含まれる窒素は、ポリメラミンに由来する。含窒素炭素膜に含まれる窒素量は、製造方法にもよるが、通常、0.1mass%~35mass%である。 Pyrolysis of a film containing only polydopamine results in a carbon film that is dense and consists essentially of carbon. On the other hand, when a film containing polymelamine and polydopamine is thermally decomposed, a nitrogen-containing carbon film containing micropores and having a higher amount of nitrogen than the carbon film derived from polydopamine can be obtained. Nitrogen contained in the nitrogen-containing carbon film is derived from polymelamine. The amount of nitrogen contained in the nitrogen-containing carbon film is usually 0.1 mass % to 35 mass %, depending on the manufacturing method.
含窒素炭素膜は、
(a)触媒粒子の表面を、ポリメラミン及びポリドーパミンの混合物からなる被膜で被覆し、被膜を熱分解させること(同時修飾法)により得られたもの、あるいは、
(b)触媒粒子の表面をポリメラミンで被覆し、さらに触媒粒子の表面をポリドーパミンで被覆した後、ポリメラミン及びポリドーパミンの積層膜を熱分解させること(逐次修飾法)により得られたもの、
のいずれであっても良い。
特に、逐次修飾法により得られた含窒素炭素膜は、同時修飾法により得られた含窒素炭素膜よりも高い特性を示す。
The nitrogen-containing carbon film is
(a) obtained by coating the surface of catalyst particles with a coating comprising a mixture of polymelamine and polydopamine and thermally decomposing the coating (simultaneous modification method), or
(b) Those obtained by coating the surfaces of the catalyst particles with polymelamine, further coating the surfaces of the catalyst particles with polydopamine, and then thermally decomposing the laminated film of polymelamine and polydopamine (sequential modification method). ,
It may be either.
In particular, the nitrogen-containing carbon film obtained by the sequential modification method exhibits higher properties than the nitrogen-containing carbon film obtained by the simultaneous modification method.
[1.3.2. マイクロ孔の容量]
「マイクロ孔」とは、直径が2nm以下である細孔をいう。
「マイクロ孔の容量」とは、電極触媒について窒素吸着量測定を行い、中実炭素を基準等温線としたt-plot法で解析することにより得られる値をいう。
[1.3.2. Micropore capacity]
"Micropores" refer to pores with a diameter of 2 nm or less.
The “capacity of micropores” refers to a value obtained by measuring the amount of nitrogen adsorbed on an electrode catalyst and analyzing it by the t-plot method using solid carbon as a reference isotherm.
上述したように、ポリメラミン共存下でポリドーパミンを熱分解させると、マイクロ孔を有する含窒素炭素膜が得られる。マイクロ孔の容量が少なくなりすぎると、触媒粒子表面への物質移動が阻害され、初期活性が低下する場合がある。従って、マイクロ孔の容積は、0.001cc/g以上が好ましい。
一方、マイクロ孔の容量が過剰になると、触媒粒子の溶解、凝集、及び/又は、脱離、あるいは、触媒粒子のアイオノマ被毒が起きる場合がある。従って、マイクロ孔の容量は、0.3cc/g以下が好ましい。
As described above, when polydopamine is thermally decomposed in the presence of polymelamine, a nitrogen-containing carbon film having micropores can be obtained. If the volume of the micropores becomes too small, mass transfer to the surface of the catalyst particles may be hindered, resulting in a decrease in initial activity. Therefore, the volume of micropores is preferably 0.001 cc/g or more.
On the other hand, excessive micropore volume may result in dissolution, agglomeration, and/or detachment of the catalyst particles, or ionomer poisoning of the catalyst particles. Therefore, the volume of micropores is preferably 0.3 cc/g or less.
[1.3.3. 厚さ]
含窒素炭素膜の厚さは、触媒粒子の安定性及び活性に影響を与える。含窒素炭素膜の厚さが薄すぎると、触媒粒子の溶解、凝集、及び/又は、脱離が起きやすくなる。また、このような電極触媒を燃料電池用電極に適用した場合において、含窒素炭素膜の厚さが薄すぎる時には、触媒粒子が触媒層アイオノマで被毒されやすくなる。従って、含窒素炭素膜の厚さは、0.2nm以上が好ましい。含窒素炭素膜の厚さは、好ましくは、0.5nm以上である。
一方、含窒素炭素膜の厚さが厚くなりすぎると、反応物質の輸送抵抗が大きくなり、活性が低下する場合がある。従って、含窒素炭素膜の厚さは、20nm以下が好ましい。
[1.3.3. thickness]
The thickness of the nitrogen-containing carbon film affects the stability and activity of the catalyst particles. If the thickness of the nitrogen-containing carbon film is too thin, dissolution, agglomeration and/or detachment of the catalyst particles tend to occur. Further, when such an electrode catalyst is applied to a fuel cell electrode, if the thickness of the nitrogen-containing carbon film is too thin, the catalyst particles are likely to be poisoned by the catalyst layer ionomer. Therefore, the thickness of the nitrogen-containing carbon film is preferably 0.2 nm or more. The thickness of the nitrogen-containing carbon film is preferably 0.5 nm or more.
On the other hand, when the thickness of the nitrogen-containing carbon film is too thick, the transport resistance of the reactants increases, and the activity may decrease. Therefore, the thickness of the nitrogen-containing carbon film is preferably 20 nm or less.
[1.4. 特性]
[1.4.1. 初期活性]
「初期活性」とは、本発明に係る電極触媒をカソード触媒に用いた固体高分子形燃料電池の初期状態(慣らし運転後)における0.86Vでの電流密度をいう。
本発明に係る電極触媒において、製造条件を最適化すると、初期活性は、0.02A/cm2@0.86V以上となる。
[1.4. Characteristic]
[1.4.1. Initial activity]
"Initial activity" refers to the current density at 0.86 V in the initial state (after break-in) of a polymer electrolyte fuel cell using the electrode catalyst according to the present invention as a cathode catalyst.
In the electrode catalyst according to the present invention, the initial activity is 0.02 A/cm 2 @0.86 V or more when the manufacturing conditions are optimized.
[1.4.2. 耐久性試験後の活性]
「耐久試験後の活性」とは、本発明に係る電極触媒をカソード触媒に用いた固体高分子形燃料電池の耐久試験後における0.86Vでの電流密度をいう。
「耐久試験後」とは、燃料電池に対して0.6V(3s保持)と1.0V(3s保持)の電位変動を10000サイクル与えた後をいう。
本発明に係る電極触媒において、製造条件を最適化すると、耐久試験後の活性は、0.02A/cm2@0.86V以上となる。
[1.4.2. Activity after durability test]
"Activity after endurance test" refers to the current density at 0.86 V after endurance test of a polymer electrolyte fuel cell using the electrode catalyst according to the present invention as a cathode catalyst.
“After endurance test” refers to the state after 10,000 cycles of potential fluctuation of 0.6 V (held for 3 seconds) and 1.0 V (held for 3 seconds) to the fuel cell.
In the electrode catalyst according to the present invention, if the manufacturing conditions are optimized, the activity after the endurance test will be 0.02 A/cm 2 @0.86 V or more.
[1.4.3. ECSA維持率]
「ECSA維持率(%)」とは、耐久試験前のECSA(x0)に対する耐久試験後のECSA(x)の割合(=x×100/x0)をいう。
「耐久試験後」とは、燃料電池に対して0.6V(3s保持)と1.0V(3s保持)の電位変動を10000サイクル与えた後をいう。
本発明に係る電極触媒において、製造条件を最適化すると、ECSA維持率は、80%以上となる。製造条件をさらに最適化すると、ECSA維持率は、90%以上、あるいは、95%以上となる。
[1.4.3. ECSA maintenance rate]
“ECSA retention rate (%)” refers to the ratio of ECSA (x) after durability test to ECSA (x 0 ) before durability test (=x×100/x 0 ).
“After endurance test” refers to the state after 10,000 cycles of potential fluctuation of 0.6 V (held for 3 seconds) and 1.0 V (held for 3 seconds) to the fuel cell.
In the electrode catalyst according to the present invention, when the manufacturing conditions are optimized, the ECSA retention rate becomes 80% or more. If the production conditions are further optimized, the ECSA retention rate will be 90% or more, or 95% or more.
[2. 燃料電池用電極]
本発明に係る燃料電池用電極は、本発明に係る電極触媒と、触媒層アイオノマとを含む触媒層を備えている。燃料電池用電極は、集電体側に配置された拡散層をさらに備えていても良い。
触媒層に含まれる触媒層アイオノマの含有量は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な含有量を選択することができる。例えば、触媒粒子がカーボン担体に担持されている場合、カーボンの重量(C)に対する触媒層アイオノマの重量(I)の比(=I/C)は、0.3以上2.0以下が好ましい。
[2. Fuel cell electrode]
A fuel cell electrode according to the present invention comprises a catalyst layer containing the electrode catalyst according to the present invention and a catalyst layer ionomer. The fuel cell electrode may further include a diffusion layer arranged on the current collector side.
The content of the catalyst layer ionomer contained in the catalyst layer is not particularly limited, and the optimum content can be selected according to the purpose. For example, when catalyst particles are supported on a carbon support, the ratio of the weight (I) of the ionomer in the catalyst layer to the weight (C) of carbon (=I/C) is preferably 0.3 or more and 2.0 or less.
[3. 燃料電池]
本発明に係る燃料電池は、
固体高分子電解質からなる電解質膜と、
前記電解質膜の両面に接合された電極と
を備えている。
[3. Fuel cell]
The fuel cell according to the present invention is
an electrolyte membrane made of a solid polymer electrolyte;
and electrodes bonded to both surfaces of the electrolyte membrane.
[3.1. 電解質膜]
電解質膜は、固体高分子電解質からなる。固体高分子電解質の組成は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な材料を選択することができる。固体高分子電解質としては、例えば、ナフィオン(登録商標)、フレミオン(登録商標)、アシプレックス(登録商標)、アクイヴィオン(登録商標)などがある。
[3.1. Electrolyte membrane]
The electrolyte membrane consists of a solid polymer electrolyte. The composition of the solid polymer electrolyte is not particularly limited, and an optimum material can be selected according to the purpose. Examples of solid polymer electrolytes include Nafion (registered trademark), Flemion (registered trademark), Aciplex (registered trademark), and Aquivion (registered trademark).
[3.2. 電極]
電極は、電解質膜の両面に接合される。本発明に係る燃料電池おいて、電極の少なくとも一方は、本発明に係る燃料電池用電極からなる。本発明に係る燃料電池用電極は、アノード側及びカソード側のいずれに用いても良い。
本発明に係る燃料電池用電極は、特に、カソードに用いるのが好ましい。これは、燃料電池の初期活性及び耐久性に及ぼす被膜の有無の影響は、アノードよりカソードの方が大きいためである。
[3.2. electrode]
Electrodes are bonded to both sides of the electrolyte membrane. In the fuel cell according to the present invention, at least one of the electrodes is composed of the fuel cell electrode according to the present invention. The fuel cell electrode according to the present invention may be used on either the anode side or the cathode side.
The fuel cell electrode according to the present invention is particularly preferably used as a cathode. This is because the presence or absence of a coating has a greater effect on the initial activity and durability of the fuel cell on the cathode than on the anode.
[4. 電極触媒の製造方法]
本発明に係る電極触媒の製造方法は、
触媒粒子の表面を、ポリメラミン及びドーパミンを含む被膜で被覆し、電極触媒前駆体を得る被覆工程と、
前記電極触媒前駆体を熱処理することにより前記被膜を熱分解させ、前記触媒粒子の表面が含窒素炭素膜で被覆された電極触媒を得る熱分解工程と
を備えている。
[4. Electrocatalyst manufacturing method]
The method for producing an electrode catalyst according to the present invention comprises:
a coating step of coating the surface of the catalyst particles with a coating containing polymelamine and dopamine to obtain an electrode catalyst precursor;
a thermal decomposition step of thermally decomposing the film by heat-treating the electrode catalyst precursor to obtain an electrode catalyst in which the surfaces of the catalyst particles are coated with a nitrogen-containing carbon film.
[4.1. 被覆工程]
まず、触媒粒子の表面を、ポリメラミン及びポリドーパミンを含む被膜で被覆し、電極触媒前駆体を得る(被覆工程)。
被膜工程は、触媒粒子の表面を、ポリメラミンとポリドーパミンの混合物からなる被膜で被覆するものでも良い(同時修飾法)。
あるいは、被覆工程は、
触媒粒子の表面をポリメラミンで被覆する第1被覆工程と、
前記触媒粒子の表面をポリドーパミンでさらに被覆する第2被覆工程と
を備えているものでも良い(逐次修飾法)。
[4.1. Coating process]
First, the surface of the catalyst particles is coated with a coating containing polymelamine and polydopamine to obtain an electrode catalyst precursor (coating step).
In the coating step, the surfaces of the catalyst particles may be coated with a coating comprising a mixture of polymelamine and polydopamine (simultaneous modification method).
Alternatively, the coating step is
a first coating step of coating the surface of the catalyst particles with polymelamine;
and a second coating step of further coating the surface of the catalyst particles with polydopamine (sequential modification method).
[4.1.1. 触媒粒子]
触媒粒子は、担体表面に担持されているものでも良く、あるいは、担体表面に担持されていないものでも良い。触媒粒子に関するその他の点については、上述した通りであるので、説明を省略する。
[4.1.1. catalyst particles]
The catalyst particles may be supported on the surface of the carrier, or may not be supported on the surface of the carrier. Other points regarding the catalyst particles are the same as described above, so the description is omitted.
[4.1.2. 被膜]
被膜は、ポリメラミン及びポリドーパミンを含む。被膜は、ポリメラミンとポリドーパミンの混合物であっても良く、あるいは、ポリメラミンとポリドーパミンの積層膜であっても良い。初期活性及び耐久性に優れた電極触媒を得るためには、被膜はポリメラミンとポリドーパミンの積層膜が好ましい。
[4.1.2. coating]
The coating contains polymelamine and polydopamine. The coating may be a mixture of polymelamine and polydopamine, or a laminate film of polymelamine and polydopamine. In order to obtain an electrode catalyst excellent in initial activity and durability, the film is preferably a laminated film of polymelamine and polydopamine.
ポリメラミンとポリドーパミンの混合物からなる被膜を形成する場合、例えば、ポリメラミンを溶解させた溶液にドーパミン塩酸塩を加え、これにさらに触媒粒子(又は、担体に担持された触媒粒子)を加えて所定時間攪拌し、乾燥させる。これにより、ドーパミンが重合してポリドーパミンになると同時に、触媒粒子の表面がポリメラミンとポリドーパミンの混合物からなる被膜で被覆される(同時修飾法)。 When forming a coating film comprising a mixture of polymelamine and polydopamine, for example, dopamine hydrochloride is added to a solution in which polymelamine is dissolved, and then catalyst particles (or catalyst particles supported on a carrier) are added. Stir for a predetermined time and dry. As a result, dopamine is polymerized to polydopamine, and at the same time, the surface of the catalyst particles is coated with a mixture of polymelamine and polydopamine (simultaneous modification method).
一方、積層膜からなる被膜を形成する場合、例えば、まず、ポリメラミンを溶解させた溶液に触媒粒子(又は、担体に担持された触媒粒子)を加えて所定時間攪拌し、乾燥させる。これにより、ポリメラミンで被覆された触媒粒子が得られる。次いで、ドーパミン塩酸塩を含む溶液にポリメラミンで被覆された触媒粒子を加えて攪拌し、乾燥させる。これにより、ドーパミンが重合してポリドーパミンになると同時に、ポリメラミンで被覆された触媒粒子の表面がさらにポリドーパミンで被覆される(逐次修飾法)。 On the other hand, when forming a film made of a laminated film, for example, first, catalyst particles (or catalyst particles supported on a carrier) are added to a solution in which polymelamine is dissolved, stirred for a predetermined time, and dried. This yields catalyst particles coated with polymelamine. Then, the polymelamine-coated catalyst particles are added to a solution containing dopamine hydrochloride, stirred, and dried. As a result, dopamine is polymerized into polydopamine, and at the same time, the surface of the polymelamine-coated catalyst particles is further coated with polydopamine (sequential modification method).
[4.1.3. ポリメラミン及びポリドーパミンの添加量]
ポリメラミンの添加量及びポリドーパミンの添加量は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な添加量を選択することができる。これらの添加量を変えることにより、含窒素炭素膜の厚さや窒素含有量を制御することができる。
[4.1.3. Addition amount of polymelamine and polydopamine]
The amount of polymelamine and the amount of polydopamine to be added are not particularly limited, and the optimum amount to be added can be selected according to the purpose. The thickness and nitrogen content of the nitrogen-containing carbon film can be controlled by changing the amount of these additives.
ここで、「ポリメラミン又はポリドーパミンの添加量」とは、次の式(1)で表される値をいう。
含有量(mass%)=y×100/(y+z) …(1)
但し、
yは、電極触媒前駆体に含まれるポリメラミン又はポリドーパミンの質量、
zは、電極触媒前駆体に含まれる触媒粒子の質量(触媒粒子が担体に担持されているときは、触媒粒子と担体の総質量)
Here, "addition amount of polymelamine or polydopamine" refers to a value represented by the following formula (1).
Content (mass%) =
however,
y is the mass of polymelamine or polydopamine contained in the electrode catalyst precursor;
z is the mass of the catalyst particles contained in the electrode catalyst precursor (when the catalyst particles are supported on a carrier, the total mass of the catalyst particles and the carrier);
ポリメラミンの添加量が少なくなりすぎると、マイクロ孔が生成せず、耐久性も低下する。従って、ポリメラミンの添加量は、10mass%以上が好ましい。ポリメラミンの添加量は、さらに好ましくは、50mass%以上である。
一方、ポリメラミンの添加量が過剰になると、かえって耐久性が低下する。従って、ポリメラミンの添加量は、99mass%以下が好ましい。ポリメラミンの添加量は、さらに好ましくは、93mass%以下である。
If the amount of polymelamine added is too small, micropores will not form and the durability will be reduced. Therefore, the amount of polymelamine to be added is preferably 10% by mass or more. The amount of polymelamine added is more preferably 50 mass % or more.
On the other hand, if the added amount of polymelamine is excessive, the durability is lowered. Therefore, the amount of polymelamine to be added is preferably 99 mass % or less. The amount of polymelamine added is more preferably 93 mass % or less.
ポリドーパミンの添加量が少なくなりすぎると、マイクロ孔が生成せず、耐久性も低下する。従って、ポリドーパミンの添加量は、5mass%以上が好ましい。ポリドーパミンの添加量は、さらに好ましくは、10mass%以上である。
一方、ポリドーパミンの添加量が過剰になると、かえって耐久性が低下する。従って、ポリドーパミンの添加量は、50mass%以下が好ましい。ポリドーパミンの添加量は、さらに好ましくは、24mass%以下である。
If the amount of polydopamine added is too small, micropores will not form and the durability will be reduced. Therefore, the amount of polydopamine to be added is preferably 5 mass % or more. The amount of polydopamine to be added is more preferably 10 mass % or more.
On the other hand, if the amount of polydopamine added is excessive, the durability will rather decrease. Therefore, the amount of polydopamine to be added is preferably 50 mass % or less. The amount of polydopamine to be added is more preferably 24 mass % or less.
[4.2. 熱分解工程]
次に、電極触媒前駆体を熱処理することにより被膜を熱分解させる(熱分解工程)。これにより、触媒粒子の表面が含窒素炭素膜で被覆された電極触媒を得ることができる。
熱処理条件は、被膜を炭化させることが可能なものである限りにおいて、特に限定されない。熱処理は、不活性雰囲気下において、600℃以上1000℃以下の温度において、0.5時間~10時間加熱するのが好ましい。
[4.2. Thermal decomposition process]
Next, the film is thermally decomposed by heat-treating the electrode catalyst precursor (thermal decomposition step). As a result, an electrode catalyst in which the surfaces of catalyst particles are coated with a nitrogen-containing carbon film can be obtained.
The heat treatment conditions are not particularly limited as long as the coating can be carbonized. The heat treatment is preferably carried out at a temperature of 600° C. or more and 1000° C. or less in an inert atmosphere for 0.5 to 10 hours.
[5. 作用]
ポリドーパミンのみで触媒粒子の表面を修飾し、熱分解させると、触媒粒子の表面に炭素膜を形成することができる。しかしながら、ポリドーパミン由来の炭素膜は緻密であるため、炭素膜が厚くなると、触媒粒子表面への物質移動が阻害され、性能が低下する。
一方、ポリメラミンのみで触媒粒子の表面を修飾し、熱分解させずに使用すると、ポリドーパミン由来の炭素膜で修飾した場合に比べて、低負荷域の性能向上効果は高くなる。しかし、ポリメラミン膜を熱処理すると、そのほとんどが分解され、炭素膜として残るのはごく僅かである。また、僅かに残ったポリメラミン由来の炭素膜は、ポリドーパミン由来の炭素膜と同様に緻密であるため、炭素膜が厚くなると性能が低下する。
[5. action]
A carbon film can be formed on the surface of the catalyst particles by modifying the surface of the catalyst particles only with polydopamine and thermally decomposing it. However, since the polydopamine-derived carbon film is dense, the thicker the carbon film, the more impeded mass transfer to the surface of the catalyst particles, and the lower the performance.
On the other hand, when the surface of the catalyst particles is modified only with polymelamine and used without being thermally decomposed, the effect of improving the performance in the low load range is higher than when modified with a polydopamine-derived carbon film. However, when the polymelamine film is heat-treated, most of it is decomposed and only a very small amount remains as a carbon film. In addition, since the slightly remaining carbon film derived from polymelamine is as dense as the carbon film derived from polydopamine, the thicker the carbon film, the lower the performance.
これに対し、触媒粒子の表面をポリメラミン及びポリドーパミンで被覆し、ポリメラミン及びポリドーパミンを熱分解させると、触媒粒子の表面がマイクロ孔を含む含窒素炭素膜で被覆された電極触媒が得られる。このようにして得られた電極触媒は、ポリドーパミン由来の炭素膜で被覆された電極触媒に比べて初期活性及び耐久性が向上する場合がある。これは、
(a)含窒素炭素膜が熱処理時における触媒粒子の粒成長を抑制するため、
(b)含窒素炭素膜はマイクロ孔を有しているために、含窒素炭素膜の厚さが厚くなっても触媒粒子表面への物質輸送が阻害されにくいため、及び、
(c)含窒素炭素膜が触媒粒子の溶解、凝集、及び/又は、脱離、並びに、触媒粒子のアイオノマ被毒(アイオノマのスルホン酸基が触媒粒子表面に吸着して活性サイトを減らす現象)を抑制するため、
と考えられる。
On the other hand, when the surfaces of the catalyst particles are coated with polymelamine and polydopamine, and the polymelamine and polydopamine are thermally decomposed, an electrode catalyst in which the surfaces of the catalyst particles are coated with a nitrogen-containing carbon film containing micropores is obtained. be done. The electrode catalyst thus obtained may have improved initial activity and durability as compared with an electrode catalyst coated with a polydopamine-derived carbon film. this is,
(a) Since the nitrogen-containing carbon film suppresses grain growth of catalyst particles during heat treatment,
(b) Since the nitrogen-containing carbon film has micropores, even if the thickness of the nitrogen-containing carbon film increases, the transport of substances to the surface of the catalyst particles is less likely to be inhibited;
(c) Nitrogen-containing carbon film dissolves, aggregates, and/or desorbs catalyst particles, and ionomer poisoning of catalyst particles (a phenomenon in which sulfonic acid groups of ionomers adsorb to catalyst particle surfaces to reduce active sites) to suppress
it is conceivable that.
(実施例1~3、比較例1~2)
[1. 試料の作製]
[1.1. 電極触媒の作製]
[1.1.1. 実施例1~2: 逐次修飾材]
触媒には、30mass%Pt/Vulcan(登録商標)(TEC10V30E)(以下、これを単に「Pt/C触媒」ともいう)を用いた。これを高温(100℃)のMilli-Q(登録商標)水(以下、単に「水」ともいう)で洗浄し、乾燥させた。洗浄後のPt/C触媒を水と2-プロパノールとの混合溶媒に分散させ、これにポリメラミン(PME)溶液を添加し、室温で3時間攪拌した。攪拌後、吸引濾過にて粉末Aを回収し、100℃で真空乾燥させた。PME添加量(=Pt/C触媒及びPMEの総質量に対するPMEの質量の割合)は、93mass%(実施例1)、又は、19mass%(実施例2)とした。次の式(2)に、ポリメラミン(ポリ(メラミン-co-ホルムアルデヒド))の分子構造を示す。
(Examples 1-3, Comparative Examples 1-2)
[1. Preparation of sample]
[1.1. Preparation of electrode catalyst]
[1.1.1. Examples 1 and 2: Sequential modification material]
30 mass% Pt/Vulcan (registered trademark) (TEC10V30E) (hereinafter also simply referred to as "Pt/C catalyst") was used as the catalyst. This was washed with hot (100° C.) Milli-Q (registered trademark) water (hereinafter also simply referred to as “water”) and dried. The washed Pt/C catalyst was dispersed in a mixed solvent of water and 2-propanol, to which a polymelamine (PME) solution was added and stirred at room temperature for 3 hours. After stirring, the powder A was collected by suction filtration and vacuum dried at 100°C. The amount of PME added (=the ratio of the mass of PME to the total mass of the Pt/C catalyst and PME) was 93 mass% (Example 1) or 19 mass% (Example 2). The following formula (2) shows the molecular structure of polymelamine (poly(melamine-co-formaldehyde)).
次に、乾燥後の粉末A、ドーパミン塩酸塩、及び、pH8.5に調整したトリス塩酸緩衝液をビーカーに入れ、超音波分散させた。ドーパミン塩酸塩の添加量(=Pt/C触媒及びドーパミン塩酸塩の総質量に対するドーパミン塩酸塩の質量の割合)は、30mass%とした。なお、塩酸を除いたドーパミンの質量は、24mass%である。次いで、分散液を室温、大気中において、スターラーを用いて6時間攪拌した。これにより、ドーパミンが重合してポリドーパミン(PDA)となった。次の式(3)に、ポリドーパミンの分子構造を示す。 Next, the dried powder A, dopamine hydrochloride, and Tris-hydrochloride buffer adjusted to pH 8.5 were placed in a beaker and ultrasonically dispersed. The amount of dopamine hydrochloride added (=the ratio of the mass of dopamine hydrochloride to the total mass of the Pt/C catalyst and dopamine hydrochloride) was 30% by mass. The mass of dopamine excluding hydrochloric acid is 24 mass%. The dispersion was then stirred at room temperature in the air for 6 hours using a stirrer. This caused dopamine to polymerize into polydopamine (PDA). The following formula (3) shows the molecular structure of polydopamine.
攪拌後、吸引濾過にて粉末Bを回収し、室温の水で洗浄した。さらに、洗浄後の粉末Bを100℃で真空乾燥させた。得られた粉末Bを環状炉内でArを流しながら700℃で2時間熱処理し、PME及びPDAを炭化させた。熱処理後の粉末Cを高温(100℃)の水で洗浄し、電極触媒を得た。 After stirring, powder B was collected by suction filtration and washed with water at room temperature. Further, the powder B after washing was vacuum-dried at 100°C. The obtained powder B was heat-treated at 700° C. for 2 hours while flowing Ar in a tubular furnace to carbonize PME and PDA. The heat-treated powder C was washed with high-temperature (100° C.) water to obtain an electrode catalyst.
[1.1.2. 実施例3: 同時修飾材]
上記のPt/C触媒を、水と2-プロパノールとの混合溶媒に分散させた。これに、PME溶液(PME添加量:93mass%)及びドーパミン塩酸塩(塩酸を除いたドーパミンの質量:24mass%)を添加し、室温で3時間攪拌した。攪拌後、吸引濾過にて粉末Dを回収し、100℃で真空乾燥させた。得られた粉末Dを環状炉内でArを流しながら700℃で2時間熱処理し、PME及びPDAを炭化させた。熱処理後の粉末Dを高温(100℃)の水で洗浄し、電極触媒を得た。
[1.1.2. Example 3: Simultaneous modification material]
The above Pt/C catalyst was dispersed in a mixed solvent of water and 2-propanol. A PME solution (PME addition amount: 93 mass%) and dopamine hydrochloride (mass of dopamine excluding hydrochloric acid: 24 mass%) were added thereto, and the mixture was stirred at room temperature for 3 hours. After stirring, the powder D was collected by suction filtration and vacuum dried at 100°C. The obtained powder D was heat-treated at 700° C. for 2 hours while flowing Ar in a tubular furnace to carbonize PME and PDA. The heat-treated powder D was washed with high-temperature (100° C.) water to obtain an electrode catalyst.
[1.1.3. 比較例1: 未修飾材]
上記のPt/C触媒をそのまま試験に供した。
[1.1.4. 比較例2: PDA修飾材]
Pt/C触媒表面のPME被覆を省略した以外は、実施例1と同様にして、PDA由来の炭素膜で被覆された電極触媒を得た。
[1.1.3. Comparative Example 1: Unmodified Material]
The above Pt/C catalyst was used for the test as it was.
[1.1.4. Comparative Example 2: PDA Modifier]
An electrode catalyst coated with a PDA-derived carbon film was obtained in the same manner as in Example 1, except that the PME coating on the Pt/C catalyst surface was omitted.
[1.2. 燃料電池の作製]
上記の電極触媒を、水・エタノール・ナフィオン(登録商標)アイオノマ溶液(D-2020)に分散させ、触媒インクを作製した。触媒インク中の水/アルコール質量比は、約1とした。この触媒インクをポリテトラフルオロエチレンシート上に塗工し、カソード触媒層を作製した。カソード触媒層のPt目付量は0.1mg/cm2、カーボン担体の質量に対するアイオノマの質量の比(I/C)は約1とした。
[1.2. Fabrication of fuel cell]
The above electrode catalyst was dispersed in water/ethanol/Nafion (registered trademark) ionomer solution (D-2020) to prepare a catalyst ink. The water/alcohol mass ratio in the catalyst ink was about 1. This catalyst ink was applied onto a polytetrafluoroethylene sheet to prepare a cathode catalyst layer. The Pt basis weight of the cathode catalyst layer was set to 0.1 mg/cm 2 , and the ratio (I/C) of the mass of the ionomer to the mass of the carbon support was set to about 1.
アノード触媒層には、電極触媒として60mass%Pt/Ketjen(登録商標)を含み、アイオノマとしてナフィオン(登録商標)(D-2020)を含み、Pt目付量が0.2mg/cm2であり、I/Cが1.0であるものを用いた。 The anode catalyst layer contains 60 mass% Pt/Ketjen (registered trademark) as an electrode catalyst, contains Nafion (registered trademark) (D - 2020) as an ionomer, has a Pt basis weight of 0.2 mg/cm /C of 1.0 was used.
上記カソード触媒層及びアノード触媒層をナフィオン(登録商標)膜(NR211)の両面にそれぞれ熱転写(120℃、50kgf/cm2、5min)し、膜電極接合体(MEA)を作製した。電極面積は、1cm2とした。このMEAを撥水層付きペーパー拡散層(GDL)で挟んでセルを構成した。
[2. 試験方法]
[2.1. マイクロ孔容量]
得られた電極触媒について、窒素吸着量測定を行った。得られたデータを、中実炭素を基準等温線としたt-plot法により解析し、細孔内表面積、細孔外表面積、及び、マイクロ孔容量を求めた。
The cathode catalyst layer and the anode catalyst layer were thermally transferred (120° C., 50 kgf/cm 2 , 5 min) to both sides of Nafion (registered trademark) membrane (NR211) to prepare a membrane electrode assembly (MEA). The electrode area was 1 cm 2 . A cell was constructed by sandwiching this MEA between paper diffusion layers (GDL) with a water-repellent layer.
[2. Test method]
[2.1. Micropore capacity]
The nitrogen adsorption amount of the obtained electrode catalyst was measured. The obtained data were analyzed by the t-plot method using solid carbon as a reference isotherm, and the pore inner surface area, pore outer surface area, and micropore volume were determined.
[2.2. 初期発電性能及び耐久後発電性能]
得られたセルを用いて、慣らし運転後の発電性能(初期発電性能)と、電位サイクル試験後の発電性能(耐久後発電性能)を調べた。発電性能の評価は、高湿度下(セル温度60℃/加湿度80%RH)で行った。また、電位サイクル耐久試験は、0.6V(3s保持)と1.0V(3s保持)の電位変動を10,000サイクル与える方法で行った。
[2.2. Initial power generation performance and power generation performance after endurance]
Using the obtained cell, power generation performance after break-in (initial power generation performance) and power generation performance after potential cycle test (durability power generation performance) were examined. The power generation performance was evaluated under high humidity (
[2.3. 高分解能透過型電子顕微鏡観察]
PME及びPDAで修飾した電極触媒の熱処理後の状態を調べるため、高分解能透過型電子顕微鏡(HRTEM)観察を行った。
[2.3. Observation with a high-resolution transmission electron microscope]
High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) observation was performed to examine the state of the PME- and PDA-modified electrocatalysts after heat treatment.
[3. 結果]
[3.1. マイクロ孔容量]
表1に、各電極触媒のt-plot法で解析した細孔内表面積、細孔外表面積、及びマイクロ孔容量を示す。未修飾材(比較例1)及びPDA修飾材(比較例2)は、いずれも、細孔内表面積及びマイクロ孔容積がゼロであった。一方、逐次修飾材(実施例1、2)及び同時修飾材(実施例3)は、細孔内表面積及びマイクロ孔容量がいずれも正の値となった。また、PMEによる修飾量が多いほど、これらは高い値となった。これは、700℃での熱処理によってPMEの一部が分解することにより、被膜がポーラスになったためと考えられる。また、熱処理後の重量分析から、残りのPMEは、PDAとともに被膜中に残存していると考えられる。
[3. result]
[3.1. Micropore capacity]
Table 1 shows the pore inner surface area, pore outer surface area, and micropore volume analyzed by the t-plot method for each electrode catalyst. Both the unmodified material (Comparative Example 1) and the PDA-modified material (Comparative Example 2) had zero inner pore surface area and zero micropore volume. On the other hand, the sequential modification materials (Examples 1 and 2) and the simultaneous modification material (Example 3) had positive values for both the pore inner surface area and the micropore volume. In addition, the higher the amount of modification by PME, the higher these values. It is considered that this is because the film became porous due to the partial decomposition of PME due to the heat treatment at 700°C. Further, from the weight analysis after the heat treatment, it is considered that the remaining PME remains in the film together with the PDA.
[3.2. 初期発電性能及び耐久後発電性能]
図1に、実施例1、3及び比較例1で得られた電極触媒の高湿度下での電流-電圧曲線を示す。図1より、
(a)実施例1は、比較例1より耐久試験による性能低下が小さいこと、及び、
(b)実施例3は、実施例1に比べて初期発電性能が低下したこと
がわかる。
図2に、図1に示す電流-電圧曲線の低負荷域の拡大図を示す。図2より、低負荷域において、実施例1は、比較例1に比べて初期発電性能及び耐久後発電性能のいずれも高く、触媒活性が向上していることが分かる。
[3.2. Initial power generation performance and power generation performance after endurance]
FIG. 1 shows current-voltage curves of the electrode catalysts obtained in Examples 1 and 3 and Comparative Example 1 under high humidity. From Figure 1,
(a) Example 1 has less performance deterioration due to the durability test than Comparative Example 1, and
(b) It can be seen that the initial power generation performance of Example 3 was lower than that of Example 1.
FIG. 2 shows an enlarged view of the low load region of the current-voltage curve shown in FIG. As can be seen from FIG. 2, in the low-load range, Example 1 has higher initial power generation performance and higher power generation performance after endurance than Comparative Example 1, and has improved catalytic activity.
図3に、実施例1及び比較例1~2で得られた電極触媒の耐久試験結果を示す。図3より、実施例1は、比較例1及び比較例2よりも高いECSA維持率を示しており、耐久性が高いことが分かる。
図4に、実施例1及び比較例1~2で得られた電極触媒の質量活性維持率を示す。図4より、実施例1は、比較例1及び比較例2に比べて質量活性維持率が著しく向上していることが分かる。
FIG. 3 shows the durability test results of the electrode catalysts obtained in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. As shown in FIG. From FIG. 3 , Example 1 shows a higher ECSA retention rate than Comparative Examples 1 and 2, indicating that the durability is high.
FIG. 4 shows the mass activity retention ratios of the electrode catalysts obtained in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. As shown in FIG. From FIG. 4, it can be seen that the mass activity retention rate of Example 1 is remarkably improved as compared with Comparative Examples 1 and 2. FIG.
[3.3. 高分解能透過型電子顕微鏡観察]
図5に、実施例1で得られた電極触媒のHRTEM像を示す。白金表面を覆う含窒素炭素膜の厚さは、厚いところで約20nmであった。図示はしないが、PDAのみで修飾した場合も、触媒の表面が炭素膜で覆われている様子が伺えた(参考文献1参照)。実施例1の電極触媒が比較例2の電極触媒よりも耐久性に優れているのは、共吸着させたPMEに含まれる窒素のキレート効果により、溶解した白金イオンの電解質への移動が抑制され、触媒の劣化が抑制されたためと考えられる。
[参考文献1]H. Yamada et al., J. Electrochem. Soc. 167 (2020) 084508
[3.3. Observation with a high-resolution transmission electron microscope]
5 shows an HRTEM image of the electrode catalyst obtained in Example 1. FIG. The thickness of the nitrogen-containing carbon film covering the platinum surface was about 20 nm at the thickest point. Although not shown, it was observed that the surface of the catalyst was covered with a carbon film even when modified only with PDA (see Reference 1). The reason why the electrode catalyst of Example 1 is more durable than the electrode catalyst of Comparative Example 2 is that the chelate effect of nitrogen contained in co-adsorbed PME suppresses the movement of dissolved platinum ions to the electrolyte. , it is thought that the deterioration of the catalyst was suppressed.
[Reference 1] H. Yamada et al., J. Electrochem. Soc. 167 (2020) 084508
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is by no means limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention.
本発明に係る電極触媒は、固体高分子形燃料電池の触媒層に含まれる触媒として用いることができる。 The electrode catalyst according to the present invention can be used as a catalyst contained in a catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell.
Claims (14)
前記触媒粒子の表面を被覆する含窒素炭素膜と
を備え、
前記含窒素炭素膜は、マイクロ孔を含む
電極触媒。 catalyst particles;
and a nitrogen-containing carbon film covering the surface of the catalyst particles,
The nitrogen-containing carbon film is an electrode catalyst containing micropores.
前記電解質膜の両面に接合された電極と
を備え、
前記電極の少なくとも一方は、請求項10に記載の燃料電池用電極からなる燃料電池。 an electrolyte membrane made of a solid polymer electrolyte;
and electrodes bonded to both sides of the electrolyte membrane,
11. A fuel cell, wherein at least one of the electrodes is the fuel cell electrode according to claim 10.
前記電極触媒前駆体を熱処理することにより前記被膜を熱分解させ、前記触媒粒子の表面が含窒素炭素膜で被覆された電極触媒を得る熱分解工程と
を備えた電極触媒の製造方法。 a coating step of coating the surface of the catalyst particles with a coating containing polymelamine and polydopamine to obtain an electrode catalyst precursor;
and a thermal decomposition step of thermally decomposing the film by heat-treating the electrode catalyst precursor to obtain an electrode catalyst in which the surfaces of the catalyst particles are coated with a nitrogen-containing carbon film.
前記触媒粒子の表面を、ポリメラミンで被覆する第1被覆工程と、
前記触媒粒子の表面をポリドーパミンでさらに被覆する第2被覆工程と
を備えている請求項12に記載の電極触媒の製造方法。 The coating step includes
a first coating step of coating the surface of the catalyst particles with polymelamine;
13. The method for producing an electrode catalyst according to claim 12, further comprising a second coating step of further coating the surfaces of the catalyst particles with polydopamine.
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