JP3037344B2 - Electrode for direct methanol fuel cell and method for producing the same - Google Patents

Electrode for direct methanol fuel cell and method for producing the same

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JP3037344B2
JP3037344B2 JP1247795A JP24779589A JP3037344B2 JP 3037344 B2 JP3037344 B2 JP 3037344B2 JP 1247795 A JP1247795 A JP 1247795A JP 24779589 A JP24779589 A JP 24779589A JP 3037344 B2 JP3037344 B2 JP 3037344B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、大幅に電極触媒活性を高めた直接型メタノ
ール燃料電池用電極に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electrode for a direct methanol fuel cell, which has greatly enhanced electrocatalytic activity.

〔従来の技術〕 従来、メタノールあるいはその系列物質を燃料とする
直接型燃料電池用電極としては、適当な処理を施した炭
素系電極基材上に白金を担持させたもの、また更にその
白金を異種金属、特に超微量のスズを用いて表面修飾し
た電極{M.M.P.Janssen and J.Moolhuysen「Electrochi
mica Acta」21,861(1976)、M.Watanabe and S.Motoo
「J.Electroanal:Chem.,60,259(1975)}が知られてい
る。
[Prior art] Conventionally, as an electrode for a direct fuel cell using methanol or a series thereof as a fuel, an electrode obtained by supporting platinum on a carbon-based electrode substrate which has been subjected to an appropriate treatment, or further comprising the platinum Electrodes surface-modified with dissimilar metals, especially ultra-trace tin {MMP Janssen and J. Moolhuysen “Electrochi
mica Acta " 21 , 861 (1976), M. Watanabe and S. Motoo
"J. Electroanal: Chem., 60 , 259 (1975)} is known.

しかしながらその電極の触媒活性は依然として極めて
低く、また活性の時間的低下が甚だしいものであり、燃
料電池用電極として使用した場合の出力電圧は理論的に
予測される値に比べて大幅に低く、換言すれば燃料電池
のエネルギー変換効率が低い。
However, the catalytic activity of the electrode is still extremely low, and the activity is significantly reduced with time. The output voltage when used as a fuel cell electrode is much lower than the theoretically predicted value. Then, the energy conversion efficiency of the fuel cell is low.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

従来の電極では直接型メタノール燃料電池等の実用化
を目指すには不充分であり、そのため本発明は、より高
活性な電極触媒の開発を課題とする。
Conventional electrodes are not sufficient for practical use of direct methanol fuel cells and the like, and therefore, the present invention aims to develop a more active electrode catalyst.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

本発明の直接型メタノール燃料電池用電極は、炭素系
電極基材上に白金を坦持して形成した白金電極表面に、
更に金属成分が鉄、錫、バナジウム、モリブデン、ラン
タン、カドミウム、インジウム、鉛、ガリウム、タリウ
ム、アンチモンである導電性金属酸化物被膜、又は導電
性混合金属酸化物被膜を設けたことを特徴とする。
The direct methanol fuel cell electrode of the present invention, a platinum electrode surface formed by supporting platinum on a carbon-based electrode substrate,
Further, a metal component is provided with a conductive metal oxide film of iron, tin, vanadium, molybdenum, lanthanum, cadmium, indium, lead, gallium, thallium, antimony, or a conductive mixed metal oxide film. .

以下、本発明について説明する。 Hereinafter, the present invention will be described.

本発明において導電性金属酸化物を被膜する白金電極
は、炭素系電極基材上にこの種分野では公知の手段によ
り白金を担持させたものである。
In the present invention, the platinum electrode coated with the conductive metal oxide is obtained by supporting platinum on a carbon-based electrode substrate by means known in this field.

この白金電極上に設けられる金属酸化物被膜は、その
金属の硝酸化物、または塩化物のような金属化合物の水
溶液に、アルカリ溶液を滴下して水酸化物とし、次いで
この水酸化物を電極上に塗膜し、大気中で熱処理して金
属酸化物とするものである。
The metal oxide film provided on the platinum electrode is formed by dropping an alkali solution into an aqueous solution of a metal compound such as a metal oxide or chloride of the metal to form a hydroxide. And heat-treated in the air to form a metal oxide.

金属化合物における金属成分としては鉄、錫、バナジ
ウム、モリブデン、ランタン、カドミウム、インジウ
ム、鉛、ガリウム、タリウム、アンチモン等であること
ができ、特にインジウム、鉛、錫、アンチモンが好まし
い。
The metal component in the metal compound can be iron, tin, vanadium, molybdenum, lanthanum, cadmium, indium, lead, gallium, thallium, antimony, etc., with indium, lead, tin and antimony being particularly preferred.

また複数の金属を含む、混合金属酸化物を電極表面に
設けるには、上記金属化合物の混合水溶液にアルカリ溶
液を滴下することにより上記同様にして形成することが
でき、好ましい組み合わせは上記金属の酸化物の中で、
酸化インジウム−酸化鉛、酸化インジウム−酸化ガリウ
ム、酸化インジウム−酸化タリウム、酸化インジウム−
酸化ランタン、酸化錫−酸化アンチモンである。
Further, in order to provide a mixed metal oxide containing a plurality of metals on the electrode surface, the mixed metal oxide can be formed in the same manner as described above by dropping an alkali solution into a mixed aqueous solution of the above metal compounds. In things
Indium oxide-lead oxide, indium oxide-gallium oxide, indium oxide-thallium oxide, indium oxide-
Lanthanum oxide, tin oxide-antimony oxide.

これらの金属酸化物被膜は、熱処理後の膜厚が0.01μ
m〜100μmとなるように形成される。本発明の金属酸
化物被膜はこのように超微量ではなく、明確に酸化物の
形態とする必要があり、また酸化物でありながら電気伝
導性を有することが必要である。尚、熱処理温度は300
℃〜700℃、好ましくは350℃〜650℃で、熱処理時間は1
0分〜60分間とするとよい。
These metal oxide films have a thickness of 0.01 μm after heat treatment.
m to 100 μm. The metal oxide film of the present invention is not ultra-trace as described above, but needs to be clearly in the form of an oxide, and it is necessary that the oxide has electrical conductivity. The heat treatment temperature is 300
℃ ~ 700 ℃, preferably 350 ℃ ~ 650 ℃, heat treatment time is 1
0 to 60 minutes is recommended.

また、本発明の直接型メタノール燃料電池用電極は、
白金電極表面に設けられる導電性金属酸化物に、一酸化
炭素酸化触媒、特に金超微粒子を含有させた導電性金属
酸化物層を形成することにより、CO酸化性の優れた電極
となしうるものである。また金超微粒子に代えて白金超
微粒子を使用してもよい。
In addition, the direct methanol fuel cell electrode of the present invention,
By forming a conductive metal oxide layer containing a carbon monoxide oxidation catalyst, particularly ultrafine gold particles, on a conductive metal oxide provided on the surface of a platinum electrode, an electrode with excellent CO oxidizability can be obtained. It is. Also, platinum ultrafine particles may be used instead of gold ultrafine particles.

このような電極は、上記金属化合物の単独、または混
合物に塩化金酸を更に混合し上記同様にアルカリ処理し
た後、沈澱物を電極上に塗布し、熱処理することより作
製することができる。
Such an electrode can be produced by further mixing chloroauric acid with the above-mentioned metal compound alone or in a mixture, treating the mixture with an alkali in the same manner as described above, coating the precipitate on the electrode, and performing a heat treatment.

金属酸化物と金の相対量は、金属塩と塩化金酸の形で
の重量比で、好ましくは1〜1;100〜1とするとよく、
特に10:1となるようにするとよい。
The relative amounts of the metal oxide and gold are in a weight ratio in the form of a metal salt and chloroauric acid, preferably 1-1 and 100-1;
Especially, it is good to make it 10: 1.

〔作用〕[Action]

直接型メタノール燃料電池用電極においては、電極面
に金属酸化物の格子酸素又は吸着した酸素原子のような
適当な酸素種を保持し、それにより酸化反応を進行せし
むることが必要と考えられる。従来、白金の表面修飾に
は異種金属(例えば錫)が微量用いられ、それがある程
度その役割を果たすと理解されているが、その白金表面
での異種金属そのものの安定性に問題があり、ひいては
電極活性の不安定性の原因となるものである。
In an electrode for a direct methanol fuel cell, it is considered necessary to hold an appropriate oxygen species such as lattice oxygen of a metal oxide or an adsorbed oxygen atom on the electrode surface, thereby promoting the oxidation reaction. . Conventionally, a small amount of a different metal (for example, tin) is used for the surface modification of platinum, and it is understood that it plays a certain role. However, there is a problem in the stability of the different metal itself on the platinum surface. This causes instability of the electrode activity.

そのために本発明では適切に選択された導電性金属酸
化物膜を金電極または白金電極表面に形成することによ
り、安定した電極活性を有する電極となしえることを見
出したものである。
Therefore, in the present invention, it has been found that an electrode having stable electrode activity can be obtained by forming an appropriately selected conductive metal oxide film on the surface of a gold electrode or a platinum electrode.

即ち、直接型メタノール燃料電池は、メタノールを電
極酸化するのに必要な酸素を円滑に供給することが必要
であるが、電極上の金属酸化物は電極表面での酸素の一
時的保持、即ち酸素供給の経由地として機能するものと
考えられる。また一般に、金属酸化物の電気伝導度は低
いが、特に本発明では電池系としての作動に充分な電気
伝導度を有する複合酸化物を使用し、更にそれと電極と
の結合の安定性を増すために、金属化合物を電極表面に
膜形成した後、熱処理により固定することにより、触媒
活性の高い電極を調製しうることを見出したものであ
る。
That is, the direct methanol fuel cell needs to supply oxygen necessary to oxidize methanol smoothly, but the metal oxide on the electrode temporarily retains oxygen on the electrode surface, that is, oxygen. It is considered to function as a transit point for supply. In general, the electrical conductivity of metal oxides is low. In particular, in the present invention, a composite oxide having electrical conductivity sufficient for operation as a battery system is used, and furthermore, the stability of the bond between the metal oxide and the electrode is increased. Further, they have found that an electrode having high catalytic activity can be prepared by forming a film of a metal compound on the electrode surface and then fixing the film by heat treatment.

またメタノール酸化の際、反応の中間生成物として電
極表面にCO(一酸化炭素)類似物質が蓄積し、反応自体
を阻害することが知られているが、本発明の電極では、
CO(一酸化炭素)類似物質を電極表面から酸化、除去
し、かつ完全酸化による燃料利用効率の向上をはかるこ
とができる電極を製造することができる。従来からCO
(一酸化炭素)類似物質の除去の必要性は認識されてお
り、例えば異種金属により表面修飾を行った白金電極、
あるいは均一液相系、Redox対等が試みられているが、C
O(一酸化炭素)の酸化除去に必要な電極電位が、メタ
ノール酸化が行われる電位より大幅に正に位置し、従っ
て仮にそのような電位でCO類似物質の除去を行ってもメ
タノール系燃料を用いる燃料電池としては実際性がな
く、当然エネルギー変換効率の向上にも寄与しないとい
う問題がある。
Also, it is known that CO (carbon monoxide) -like substance accumulates on the electrode surface as an intermediate product of the reaction during methanol oxidation and inhibits the reaction itself.
An electrode capable of oxidizing and removing a CO (carbon monoxide) -like substance from the electrode surface and improving the fuel use efficiency by complete oxidation can be manufactured. Conventionally CO
The need to remove (carbon monoxide) analogs is recognized, for example, platinum electrodes surface modified with dissimilar metals,
Alternatively, a homogeneous liquid phase system, Redox comparable, etc.
The electrode potential required for the oxidative removal of O (carbon monoxide) is located much more positive than the potential at which methanol oxidation is performed. Therefore, even if CO-like substances are removed at such a potential, methanol-based fuel can be removed. There is a problem that the fuel cell used is not practical and does not contribute to the improvement of energy conversion efficiency.

本発明で製造される触媒は、COの酸素酸化に極めて高
い触媒活性を持つCO酸化触媒、例えば超微粒子金、超微
粒子白金を用いることにより、はるかに低い電位での完
全酸化を実現しえるものである。CO酸化触媒として特に
超微粒子金を用いる触媒は、他のCO酸化触媒と異なり、
低温、常温の低い温度範囲で高活性を示し、さらに水蒸
気の存在により活性を失わないばかりか、むしろ活性が
高められるという特徴を持ち、電極系での高活性が得ら
れるものである。
The catalyst produced by the present invention can realize complete oxidation at a much lower potential by using a CO oxidation catalyst having extremely high catalytic activity for oxygen oxidation of CO, for example, ultrafine gold or ultrafine platinum. It is. A catalyst using ultrafine gold in particular as a CO oxidation catalyst, unlike other CO oxidation catalysts,
It exhibits high activity in a low temperature range of low temperature and ordinary temperature, and further has the feature that not only the activity is not lost due to the presence of water vapor but also the activity is enhanced, and high activity in an electrode system is obtained.

本発明の電極の製造方法について説明する。 The method for manufacturing an electrode of the present invention will be described.

(1)まず、金属硝酸塩または塩化物を適量の水に溶か
した後、必要に応じさらに塩化金酸水溶液を混合した
後、水酸化ナトリウム溶液を徐々に滴下し、水酸化物と
して沈澱させる。
(1) First, after dissolving a metal nitrate or chloride in an appropriate amount of water, and further mixing an aqueous chloroauric acid solution as needed, a sodium hydroxide solution is gradually added dropwise to precipitate as a hydroxide.

(2)得られたゲル状沈澱物を、予め清浄に保っておい
た白金等の電極面に薄く塗布し、次いで磁製ヒーター上
で約60℃に保ち、沸騰させないように留意しつつ静かに
乾燥させる。
(2) The obtained gel precipitate is thinly applied to an electrode surface of platinum or the like which has been kept clean in advance, and then kept at about 60 ° C. on a porcelain heater, and gently taking care not to boil. dry.

(3)更に電気炉中で焼成させるが、その温度は例えば
300〜600℃の範囲である。
(3) Further firing in an electric furnace, the temperature of which is, for example,
It is in the range of 300-600 ° C.

(4)このようにして作製される供試電極を、ガラス管
に封じて導入したタンタル線の先端部にクリップで取り
付け、電解セル内に保持した。測定前にこれらの電極は
予め一定程度の還元状態にするため、電解質溶液内で陰
分極を行って部分的に還元した。
(4) The test electrode fabricated in this manner was attached to the tip of a tantalum wire sealed in a glass tube and introduced, and held in an electrolytic cell. Before the measurement, these electrodes were partially reduced by performing negative polarization in an electrolyte solution in order to bring the electrodes into a reduced state to a certain degree in advance.

尚、陰分極の条件は酸化物系によって異なるが、例え
ば酸化インジウム担持電極で、−0.1V、10分、酸化鉛や
酸化インジウム−酸化鉛混合担持電極系では−0.3V、30
分の条件で行なうとよい[電位は可逆水素電極電位(RH
E)基準〕。
The conditions of the negative polarization vary depending on the oxide system.For example, for an indium oxide-supported electrode, -0.1 V for 10 minutes, and for a lead oxide or an indium oxide-lead oxide mixed-support electrode system, -0.3 V, 30 minutes.
[The potential is the reversible hydrogen electrode potential (RH
E) Criteria].

以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ説明する 〔実施例1〕 硝酸インジウム水溶液に水酸化ナトリウム溶液を徐々
に滴下し、ゲル状の水酸化インジウムを沈澱させ、得ら
れたゲル状水酸化物を、予め清浄に保っておいた白金を
担持させた炭素電極基材の白金面に塗布し、次いで磁性
ヒーター上で約60℃に保ち、沸騰しないように留意しつ
つ静かに乾燥させる。更に電気炉中で600℃、60分間熱
処理し、約10μmの膜厚の酸化物被膜を有する本発明の
電極を得た。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. [Example 1] A sodium hydroxide solution is gradually dropped into an aqueous solution of indium nitrate to precipitate gelled indium hydroxide. The hydroxide is applied to the platinum surface of the carbon electrode substrate on which platinum has been kept clean beforehand, and then kept at about 60 ° C. on a magnetic heater and gently dried while being careful not to boil. . Further, heat treatment was performed at 600 ° C. for 60 minutes in an electric furnace to obtain an electrode of the present invention having an oxide film having a thickness of about 10 μm.

〔実施例2〜実施例3〕 実施例1において、硝酸インジウムに代えて硝酸鉛、
塩化錫をそれぞれ使用し、実施例1同様にしてそれぞれ
電極を得た。
[Examples 2 and 3] In Example 1, lead nitrate was used instead of indium nitrate.
Electrodes were obtained in the same manner as in Example 1 using tin chloride.

〔実施例4〕 実施例1において、硝酸インジウム水溶液に代えて、
硝酸インジウムと硝酸鉛との混合溶液(1:1の重量比)
を用い、実施例1同様にして電極を得た。
[Example 4] In Example 1, instead of the indium nitrate aqueous solution,
Mixed solution of indium nitrate and lead nitrate (1: 1 weight ratio)
And an electrode was obtained in the same manner as in Example 1.

〔実施例5〕 実施例1における硝酸インジウム水溶液に代えて、硝
酸ランタン水溶液に塩化金酸水溶液を、硝酸ランタンに
対して塩化金酸が重量比で10%となるように添加した混
合液を使用し、また白金を担持させた炭素電極基材に代
えて金を担持させた炭素電極基材を使用し、それ以外は
実施例1同様にして電極を得た。
[Example 5] Instead of the indium nitrate aqueous solution in Example 1, a mixed solution was used in which a chloroauric acid aqueous solution was added to a lanthanum nitrate aqueous solution and chloroauric acid was added in a weight ratio of 10% to lanthanum nitrate. An electrode was obtained in the same manner as in Example 1 except that a carbon electrode substrate supporting gold was used instead of the carbon electrode substrate supporting platinum.

〔実施例6〜実施例8〕 実施例5における硝酸ランタンに代えて、硝酸鉄(II
I)、塩化バナジウム(V)を使用し、また白金を担持
させた炭素電極基材を使用した以外は実施例5同様にし
て電極を得た。
[Examples 6 to 8] Instead of lanthanum nitrate in Example 5, iron nitrate (II
An electrode was obtained in the same manner as in Example 5, except that I), vanadium chloride (V) was used, and a carbon electrode substrate supporting platinum was used.

下記第1表は、上記実施例で作製した各電極につい
て、無負荷時の電極電位(静止電位と呼ぶ)を、0.05M
H2SO4+1M CH3OH、25℃溶液中で測定した結果である。
Table 1 below shows the electrode potential at no load (referred to as resting potential) of each electrode manufactured in the above example, which was 0.05M.
It is a result measured in a solution of H 2 SO 4 + 1M CH 3 OH at 25 ° C.

従来よりメタノール酸化用電極は、その電極触媒活性
が不充分なため、安定なメタノール酸化還元電位が得ら
れず、静止電位はそれより大幅な正の値しか得られてい
ない。従って電極が高活性を有するか否かの一つの尺度
として、その静止電位がどれだけ負側に位置するかを用
いることができる。即ち、静止電位がメタノール酸化反
応の理論平衡電位(酸性溶液中、RHE基準で約0.05V)に
可能な限り近いことを目標とする。
Conventionally, an electrode for methanol oxidation has insufficient electrode catalytic activity, so that a stable methanol oxidation-reduction potential has not been obtained, and the resting potential has only a much larger positive value. Thus, one measure of whether an electrode has high activity can be how negative its resting potential is located. That is, the goal is to make the resting potential as close as possible to the theoretical equilibrium potential of the methanol oxidation reaction (about 0.05 V in an acidic solution, based on RHE).

上記表からわかるように、白金電極を酸化インジウ
ム、又は酸化鉛、或いは酸化インジウム−酸化鉛混合系
で被覆したものが他のものに比して格段に優れているこ
とがわかる。
As can be seen from the above table, the platinum electrode coated with indium oxide, or lead oxide, or a mixed system of indium oxide and lead oxide is far superior to the others.

〔実施例9〕 実施例1における硝酸インジウム水溶液に代えて、硝
酸インジウム水溶液に硝酸鉛水溶液及び塩化金酸水溶液
を、硝酸インジウムに対して硝酸鉛、塩化金酸が重量比
で1:2:0.6となるように添加した混合液を使用し、それ
以外は実施例1同様にして電極を得た。
Example 9 Instead of the aqueous solution of indium nitrate in Example 1, an aqueous solution of lead nitrate and an aqueous solution of chloroauric acid were added to an aqueous solution of indium nitrate, and lead nitrate and chloroauric acid were added in a weight ratio of 1: 2: 0.6 to indium nitrate. An electrode was obtained in the same manner as in Example 1 except that a mixed solution added so as to be as follows was used.

この電極の静止電位は0.105Vと優れたものであった。 The static potential of this electrode was as excellent as 0.105V.

またこの電極について、定常的及び非定常的なメタノ
ール酸化速度(電流で示される)の大小を示す、いわゆ
る分極特性についての測定結果を第1図、第2図に示
す。
In addition, FIG. 1 and FIG. 2 show measurement results of so-called polarization characteristics of this electrode, which indicate the magnitude of the steady and unsteady methanol oxidation rate (indicated by the current).

第1図(ボルタンモグラム)は、電極電位を正方向及
び負方向に掃引したときの非定常電流値(真の単位表面
積あたりの値、20℃)の変化を記録した図で、メタノー
ルを含まない溶液中(0.05M H2SO4、点線)に比べメタ
ノールを含む溶液中(0.05M H2SO4+1M CH3OH、実線)
では大きな電流が流れている。上下の曲線の広がりは電
極の電気容量成分によるものであり、それを除いたもの
であるA線(一点鎖線)を見ると、0.2V(RHE)で既に
酸化電流が観測される。これはB線(二点鎖線)で示さ
れる従来のSnO2修飾白金電極に比べ大幅に低い電位での
メタノールの酸化が可能であることを示す。
FIG. 1 (voltammogram) shows the change in the unsteady current value (value per true unit surface area, 20 ° C.) when the electrode potential was swept in the positive and negative directions. In the solution containing methanol (0.05MH 2 SO 4 + 1M CH 3 OH, solid line) compared to the medium (0.05MH 2 SO 4 , dotted line)
Then a large current is flowing. The spread of the upper and lower curves is due to the capacitance component of the electrode, and when the line A (dashed-dotted line) is removed, the oxidation current is already observed at 0.2 V (RHE). This indicates that methanol can be oxidized at a much lower potential than the conventional SnO 2 -modified platinum electrode shown by the B line (two-dot chain line).

次に、第2図(ターフェル線)は、本発明による電極
で観測された定常電流値(真の単位表面積あたり、20
℃)により、定常分極特性を説明するための図である
が、図中には従来報告されているもののうち最高活性を
持つ代表例として、Janssen(23℃)及び本尾等(40
℃)の結果も比較のため示した。(何れもH2SO4+1M CH
3OH溶液中)。
Next, FIG. 2 (Tafel line) shows the steady-state current value (20 units per true unit surface area) observed with the electrode according to the present invention.
(° C.) to explain the steady-state polarization characteristics. In the figure, Janssen (23 ° C.) and Motoo et al.
C) are also shown for comparison. (H 2 SO 4 + 1M CH
In a 3 OH solution).

従来の電極に比べて本発明による電極は、同一電位
(例えば0.4V、RHE)での電流値として5倍以上、同一
電流(例えば10-5A・cm-2)を保持するのに必要な電位
で見れば0.1〜0.2Vより低電位という高活性を示してい
る。これはメタノール燃料電池を構成する場合、その出
力電圧が従来の約0.4Vに対し0.5〜0.6Vと、20〜30%の
エネルギー変換効率の向上をもたらすことを意味してい
る。
Compared with the conventional electrode, the electrode according to the present invention is required to maintain the same current (eg, 10 −5 A · cm −2 ) at a current value of 5 times or more at the same potential (eg, 0.4 V, RHE). In terms of potential, it shows a high activity of a potential lower than 0.1 to 0.2 V. This means that when a methanol fuel cell is configured, the output voltage is 0.5 to 0.6 V, which is about 0.4 V, which is the conventional value, which results in an improvement in energy conversion efficiency of 20 to 30%.

次に、第3図により各種電極の触媒活性の時間的持続
特性を説明する。図中、併せて従来報告されている白
金、スズ修飾白金電極のものと比較した。(溶液は何れ
も0.05M H2SO4+1M CH3OH、20℃)。また、In2O3−PbO
−Au/Ptについては右側のスケールで、他については左
側のスケールで示す。
Next, referring to FIG. 3, the characteristics of the catalytic activity of the various electrodes over time will be described. In the figure, a comparison was also made with previously reported platinum and tin-modified platinum electrodes. (All solutions are 0.05 MH 2 SO 4 +1 M CH 3 OH at 20 ° C.). In addition, In 2 O 3 -PbO
-Au / Pt is shown on the right scale, and others are shown on the left scale.

第3図から明らかなように、 、本発明のIn2O3−PbO修飾白金電極(実施例4におい
て硝酸インジウムに対して硝酸鉛を重量比で1:2となる
ように調製したもの)は、その触媒活性の時間的持続特
性に於いて極めて優れていること、 、実施例9で作製したIn2O3−PbO−Au修飾白金電極
は、更に高い活性と、同程度の持続性を示すことがわか
る。
As is clear from FIG. 3, the In 2 O 3 —PbO-modified platinum electrode of the present invention (the one prepared in Example 4 so that the weight ratio of lead nitrate to indium nitrate was 1: 2) was obtained. It is extremely excellent in its catalytic activity over time, and the In 2 O 3 -PbO-Au modified platinum electrode prepared in Example 9 shows higher activity and the same degree of durability. You can see that.

また、第4図は低い電位における実施例9の電極の触
媒活性の20℃、40℃及び60℃における時間的持続特性を
説明するための図である。(溶液は何れも0.05M H2SO4
+1M CH3OH) 第4図で見られるように、各使用温度での本発明のIn
2O3−PbO−Au修飾白金電極は、300mV(RHE){第4図
(a)}、あるいは200mV(RHE){第4図(b)}で
も、有意の高い活性を維持している。
FIG. 4 is a graph for explaining the time-dependent characteristics of the catalytic activity of the electrode of Example 9 at a low potential at 20 ° C., 40 ° C. and 60 ° C. (All solutions are 0.05MH 2 SO 4
+ 1M CH 3 OH) As can be seen in FIG.
The 2 O 3 -PbO-Au modified platinum electrode maintains a significantly higher activity even at 300 mV (RHE) {FIG. 4 (a)} or 200 mV (RHE) {FIG. 4 (b)}.

次に、実施例9で作製した電極をメタノール酸化反応
に使用した後、その表面組成をオージェ電子分光法で測
定した。その結果を下記第2表に示す。
Next, after the electrode prepared in Example 9 was used for the methanol oxidation reaction, the surface composition was measured by Auger electron spectroscopy. The results are shown in Table 2 below.

この表によれば、Inの表面濃度が仕込み組成から見て
極度に低く、Inが熱処理によって表面から失われたこと
を示している。即ち熱処理温度は単に金属酸化物の安定
化のみでなく、各成分の表面濃度を規定し、電極触媒活
性を決めるにも重要な因子となっていることがわかる。
According to this table, the surface concentration of In was extremely low from the viewpoint of the charged composition, indicating that In was lost from the surface by the heat treatment. That is, it can be seen that the heat treatment temperature is not only a stabilization of the metal oxide, but also an important factor in defining the surface concentration of each component and determining the electrocatalytic activity.

また表面の炭素が少ないことは、この電極上ではCO類
似物質の蓄積が極めて起こり難いことを示している。更
に下地となっている白金は表面には殆ど無く、その殆ど
が金属酸化物で覆われており、極く僅かの白金のみでこ
の高い活性が実現していることが判る。
Further, the fact that the amount of carbon on the surface is small indicates that accumulation of the CO-like substance is extremely unlikely to occur on this electrode. Furthermore, the underlying platinum is scarcely present on the surface, and most of the underlying platinum is covered with a metal oxide. It can be seen that this high activity is realized with only a small amount of platinum.

第5図は走査型電子顕微鏡(SEM、倍率104)による、
実施例9で作製し電極として使用後の電極表面の結晶の
構造を示す、図面に代える写真であるが、表面には、 、斜方晶系の大きな結晶、 、円形または不定形の小粒の塊、 、平坦部分の細かな粒子、 、平坦部を縦横に走る黒い溝の部分 等の特徴が見出される。
FIG. 5 shows the results obtained by a scanning electron microscope (SEM, magnification: 10 4 ).
14 is a photograph instead of a drawing, showing a crystal structure of an electrode surface after being used as an electrode prepared in Example 9. The surface includes large crystals of orthorhombic system, and clumps of circular or irregular small particles. Characteristics such as,, fine particles in the flat part, and black grooves running vertically and horizontally on the flat part are found.

第6図は、同じ電極表面のEPMA像であり、白金に関す
る像を第6図(a)に、鉛に関する像を第6図(b)
に、金に関する像を第6図(c)に示す。これらによっ
ても、白金は平坦部に分布し、一方鉛は斜方晶形の大き
な結晶部分により多く分布している。金は局在性が強
く、小さな塊状になって分布しており、SEM像で見られ
る小粒の球状粒子のところに多く分布している。
FIG. 6 is an EPMA image of the same electrode surface. FIG. 6 (a) shows an image relating to platinum, and FIG. 6 (b) shows an image relating to lead.
FIG. 6 (c) shows an image of gold. Again, platinum is distributed in flat areas, while lead is more distributed in large orthorhombic crystal parts. Gold is highly localized, distributed in small clusters, and is often distributed in small spherical particles seen in SEM images.

白金は電極触媒活性に本質的に寄与しているにもかか
わらず、電極表面での存在量は〜1%と非常に少ない。
EPMA測定によれば白金は平坦な部分と溝の部分に多く分
布しており、またこの部分は担持物質の層が薄いと見ら
れるので、観測された白金の特性X線の大部分はこれら
の場所からのものと考えられる。
Despite the substantial contribution of platinum to the electrocatalytic activity, its abundance on the electrode surface is very low, ~ 1%.
According to the EPMA measurement, the platinum is largely distributed in the flat part and the groove part, and since this part seems to have a thin layer of the supporting material, most of the observed characteristic X-rays of platinum are Probably from the place.

このことから本発明で作られた電極は、大幅に高い活
性を持つにもかかわらず、その活性は極く一部の白金に
由来していることがわかった。
From this, it was found that, although the electrode made in the present invention had a significantly higher activity, its activity was derived from only a part of platinum.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明の直接型メタノール燃料電池用電極は、金属酸
化物または複合金属酸化物により白金表面を修飾し、メ
タノール等の燃料の酸化に必要な酸化にその経由点を用
意したことにより、高い触媒活性を有する電極としえた
ものであり、更に一酸化炭素酸化触媒、特に超微粒子金
を金属酸化物または複合金属酸化物に含有させて電極形
成したことにより、電極触媒表面に生成するCO種の酸化
除去、及びそれに伴う酸化効率の向上を可能とし、高い
触媒活性を有する電極となし得たものであり、メタノー
ル燃料電池のエネルギー変換効率の向上に大きく貢献す
るものである。
The direct-type methanol fuel cell electrode of the present invention has a high catalytic activity by modifying the platinum surface with a metal oxide or a composite metal oxide and providing a transit point for the oxidation required for the oxidation of fuel such as methanol. The electrode has a carbon monoxide oxidation catalyst, especially ultrafine gold in the metal oxide or composite metal oxide to form the electrode, thereby removing CO species generated on the surface of the electrode catalyst by oxidation. Thus, an electrode having high catalytic activity can be obtained, which can greatly improve the energy conversion efficiency of a methanol fuel cell.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は、本発明電極を使用し、電極電位を正方向また
は負方向に掃引したときの非定常電流の変化を説明する
ための図、第2図は、本発明電極の定常的分極特性を説
明するための図、第3図は、本発明電極上で測定したメ
タノール酸化電流の時間的安定性を説明するための図、
第4図は、より低い電位に於いて第3図同様に測定した
メタノール酸化電流の各温度における時間的安定性を説
明するための図、第5図は走査型電子顕微鏡(SEM、倍
率104)による使用後の電極表面の粒子構造を示す、図
面に代える写真、第6図は第5図のSEM写真に対応するE
PMA像であり、使用後の電極表面の粒子構造を示す、図
面に代える写真である。
FIG. 1 is a diagram for explaining a change in an unsteady current when the electrode potential is swept in the positive or negative direction using the electrode of the present invention, and FIG. FIG. 3 is a diagram for explaining the temporal stability of the methanol oxidation current measured on the electrode of the present invention,
FIG. 4 is a view for explaining the temporal stability of methanol oxidation current measured at each temperature at a lower potential in the same manner as in FIG. 3, and FIG. 5 is a scanning electron microscope (SEM, magnification 10 4). ) Shows the particle structure of the electrode surface after use, and shows a photograph instead of a drawing, and FIG.
It is a PMA image and is a photograph in place of a drawing, showing a particle structure on an electrode surface after use.

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】炭素系電極基材上に白金を坦持して形成し
た白金電極表面に、更に金属成分が鉄、錫、バナジウ
ム、モリブデン、ランタン、カドミウム、インジウム、
鉛、ガリウム、タリウム、アンチモンである導電性金属
酸化物被膜、又は導電性混合金属酸化物被膜を設けたこ
とを特徴とする直接型メタノール燃料電池用電極。
1. A platinum electrode surface formed by supporting platinum on a carbon-based electrode substrate, wherein a metal component further comprises iron, tin, vanadium, molybdenum, lanthanum, cadmium, indium,
An electrode for a direct methanol fuel cell, comprising a conductive metal oxide film of lead, gallium, thallium, and antimony, or a conductive mixed metal oxide film.
【請求項2】炭素系電極基材上に白金を坦持して形成し
た白金電極表面に、更に金属成分が鉄、錫、バナジウ
ム、モリブデン、ランタン、カドミウム、インジウム、
鉛、ガリウム、タリウム、アンチモンである導電性金属
酸化物、又は導電性混合金属酸化物と、一酸化炭素酸化
触媒とを含有した被膜を設けたことを特徴とする直接型
メタノール燃料電池用電極。
2. A platinum electrode surface formed by supporting platinum on a carbon-based electrode substrate, and further comprising metal components such as iron, tin, vanadium, molybdenum, lanthanum, cadmium, indium, and the like.
An electrode for a direct methanol fuel cell, comprising a coating containing a conductive metal oxide such as lead, gallium, thallium, and antimony, or a conductive mixed metal oxide, and a carbon monoxide oxidation catalyst.
【請求項3】一酸化炭素酸化触媒が、金超微粒子、又は
白金超微粒子であることを特徴とする請求項2記載の直
接型メタノール燃料電池用電極。
3. The direct methanol fuel cell electrode according to claim 2, wherein the carbon monoxide oxidation catalyst is ultrafine gold particles or ultrafine platinum particles.
【請求項4】炭素系電極基材上に白金を坦持して形成し
た白金電極表面に、金属成分が鉄、錫、バナジウム、モ
リブデン、ランタン、カドミウム、インジウム、鉛、ガ
リウム、タリウム、アンチモンである金属水酸化物、又
は混合金属水酸化物を塗膜し、次いで熱処理して導電性
金属酸化物被膜、又は導電性混合金属酸化物被膜を形成
することを特徴とする直接型メタノール燃料電池用電極
の製造方法。
4. A platinum electrode surface formed by supporting platinum on a carbon-based electrode substrate, wherein the metal component is iron, tin, vanadium, molybdenum, lanthanum, cadmium, indium, lead, gallium, thallium, and antimony. A direct methanol fuel cell, wherein a metal hydroxide or a mixed metal hydroxide is coated and then heat-treated to form a conductive metal oxide film or a conductive mixed metal oxide film. Manufacturing method of electrode.
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