JP3613330B2 - Catalyst for fuel cell, method for producing the same, and electrode for fuel cell - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用触媒及びその製造方法、並びに燃料電池用電極に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
燃料電池は、内燃機関に比べて、30〜40%という高いエネルギー効率と、水素と酸素を燃料として水しか排出しないため、エネルギー・環境の領域で世界に革命を起こしうる21世紀の究極の電池候補の一つとして考えられている。中でも、70〜90℃という低温で作動し、高エネルギー密度で小容量という特徴を持つ固体電解質型燃料電池は、電気自動車用又は家庭用電源として非常に注目されている。
【0003】
燃料電池の構造は、膜・電極接合体を中心に挟んで一番外側にあるセパレーターの両側から水素と酸素が供給されるようになっているセルと、このセルを複数枚直列につないだスタックから構成されている。この膜・電極接合体は、イオン交換膜の両側に、水素極と酸素極と呼ばれる2つの触媒層のついた電極から構成されている。水素極では、燃料の水素ガスが触媒の働きでプロトン(H)となり、イオン交換膜を通り抜けて酸素極に向かう。酸素極では、送られてきた空気中の酸素が触媒の働きでプロトンと反応し、水になる。この一連の反応で電気が生み出される。こうした水素極や酸素極での触媒は、通常、白金からなる触媒が使用されている。
【0004】
白金触媒は、一般的には活性炭やカーボンブラックのような炭素単体に、塩化白金酸のような白金イオン含有溶剤を含浸させ、これをポリビニルアルコールのような保護コロイドの存在下に、ソディウムボロハイドライドや水素のような還元剤を作用させることにより、白金コロイドを炭素単体上に沈着させて調製している。
【0005】
しかし、この触媒には、次のような要望・問題点がある。
(1)白金金属が高価であるので、使用量を減らし、高活性にしたい。
(2)一酸化炭素や硫黄などの不純物が入って触媒表面を覆うと、触媒活性を落とす(被毒)。
(3)時間の経過とともに白金粒子同士がくっついて表面積が減少し、活性が減少する。
【0006】
この解決方法として、(1)は白金金属を微粒子にして表面積を上げ、活性を上げる、(2)はルテニウム、ロジウムやパラジウム等の白金以外の金属を添加するなどの対策がなされている。
【0007】
しかし、(3)については、保護コロイドや還元剤を主材料である白金や炭素単体に対してどのくらい使用するかという配合比、白金微粒子化の反応条件の選定、温度・時間・雰囲気の細かく煩雑な設定を行い、対応していたが、本質的な解決はできていなかった。特に、触媒電極にするために最終工程で焼成したとき、従来から保護コロイドとして用いられていたポリビニルアルコール、ポリメチルビニルエーテル、ポリビニルピロリドンやゼラチンなどは分解してしまい、白金を安定に保持することができず、電極材料としたときの白金の凝集を防ぐことができなかった。このため、白金の高い触媒活性を、自動車では5000時間、家庭用では50000時間といわれる長い寿命で発現させることができてはいなかった。
【0008】
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、簡便かつ迅速なる工程により、白金微粒子を分散・安定化させたケイ素系高分子化合物でコートしたカーボン粉体を得ることができ、高効率で耐久性に優れる触媒として利用できる燃料電池用触媒及びその製造方法、更にはこの触媒を用いた燃料用電池電極を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段及び発明の実施の形態】
本発明者は、鋭意検討を行った結果、カーボン粉体上に形成させた還元性ケイ素系高分子薄膜を、白金系遷移金属の塩と接触させることにより、簡便かつ迅速な工程で白金微粒子を分散・安定化させたケイ素系高分子化合物でコートしたカーボン粉体を得ることができ、高効率で耐久性に優れる触媒として利用できる燃料電池用触媒が得られることを知見した。
【0010】
ところで、ケイ素系高分子化合物は、炭素に比べてケイ素が高い金属性をもち、酸化ケイ素が高い耐酸化性を持つため、有機樹脂ではとうてい得られていない高い耐熱性を持ち、更にケイ素上への有機基の導入により低温での柔軟性、良好な薄膜形成性を示す広い温度で使用可能な非常に興味深い素材である。また、ある種のケイ素系高分子化合物、例えばポリシランは炭化ケイ素セラミック材料の前駆体として、ポリシロキサンは酸化ケイ素セラミック材料の前駆体として、熱処理等により非常に耐熱性に優れた材料になることも良く知られている。更に、Si−Si結合及び/又はSi−H結合を有するケイ素系高分子化合物、特にポリシランあるいはSi原子に直接結合した水素原子を有する重合体は、還元性を持ち、金属塩から金属コロイドを生成することが知られている。
【0011】
本発明において、燃料電池の触媒機能性発現のためには、高度に分散した白金コロイドが必要である。そこで、本発明者は、上述したケイ素系高分子化合物を用いることにより、ポリビニルアルコールのような保護コロイドや、ソディウムボロハイドライドや水素のような還元剤を全く作用させることなく、高温でも安定に白金コロイドの分散した高分子でコートした炭素担体が得られることを見出した。
【0012】
つまり、金属塩の中で特に白金系遷移金属塩を還元性ケイ素系高分子化合物と接触させると、ケイ素系高分子化合物は、白金系遷移金属塩の還元とそのコロイドの安定化という2つの仕事を同時に行うことができるため、工程も制御も簡単となることを知見した。更に、還元性ケイ素系高分子化合物としてポリシランを用いると、ポリシランと白金系遷移金属塩が反応した時、白金塩が白金コロイドに還元されると同時にポリシランはポリシロキサンに酸化されて微細なコロイド状態のまま白金を保持し、触媒電極にするために最終工程で焼成したときでも白金を安定に保持することができるため、長期耐久性のある燃料電池用電極材料とすることができることを知見し、本発明をなすに至ったものである。
【0013】
従って、本発明は、還元性を有するケイ素系高分子化合物で表面をコートしたカーボン粉体に白金系遷移金属の塩を接触させることにより得られた白金系遷移金属微粒子を担持したカーボン粉体からなる燃料電池用触媒、及び、還元性を有するケイ素系高分子化合物を有機溶剤に溶解した溶液でカーボン粉体を処理し、次いでカーボン粉体表面から上記有機溶剤を除去して上記ケイ素系高分子化合物で表面をコートしたカーボン粉体を得、これを上記ケイ素系高分子化合物を溶解しない溶剤に溶解又は分散させた白金系遷移金属塩と接触させて、この白金系遷移金属塩を上記ケイ素系高分子化合物で白金系遷移金属コロイドに還元して、白金系遷移金属微粒子を担持したカーボン粉体を得ることを特徴とする燃料電池用触媒の製造方法、並びに上記触媒の焼成物を含有する燃料用電池電極を提供する。
【0014】
以下、本発明につき更に詳しく説明する。
本発明で使用するカーボン粉体としては、球状のカーボンブラック、鱗片状のグラファイト、繊維状の炭素繊維、中空状の炭素バルンなどが利用できる。カーボンブラックとしては、粒子径、比表面積、DBP吸油量などで特徴づけられる多くの品種が利用でき、例えばケッチェンブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラック、バルカン、SRFカーボン、活性炭などが挙げられる。また、炭素繊維としては、等方性ピッチ系、液晶ピッチ系とPAN系に大別されるいずれのものも使用でき、クレカ(呉羽化学)、ドナカーボ(ドナック)、ザイラス(日東紡)、フォルカ(東燃)の名称で市販されているものなどを挙げることができる。
【0015】
本発明の製造方法においては、還元性を有するケイ素系高分子化合物で処理し、上記カーボン粉体の最表面に還元性ケイ素系高分子化合物の層を形成する。
【0016】
この場合、上記粉体を処理するケイ素系高分子化合物としては、還元作用を有するものを使用する。還元作用を持つケイ素系高分子化合物は、Si−Si結合あるいはSi−H結合を有するポリシラン、ポリカルボシラン、ポリシロキサン、ポリシラザンの中から選ばれるものとすることができ、中でもポリシラン、あるいはSi原子に直接結合した水素原子を有するポリシロキサンが好適に用いられる。
【0017】
ここで、分子中にSi−Si結合を有するケイ素系高分子化合物としては、ポリシランが好ましく用いられ、下記一般式(1)で表されるポリシランが好適である。
(R Si) (1)
(式中、R,Rは水素原子又は置換もしくは非置換の一価炭化水素基、XはR、アルコキシ基、ハロゲン原子、酸素原子又は窒素原子を示し、mは0.1≦m≦2、nは0≦n≦1、pは0≦p≦0.5であり、かつ1≦m+n+p≦2.5を満足する数である。qは4≦q≦100,000を満足する整数である。)
【0018】
上記式(1)のポリシランにおいて、R,Rは、水素原子又は置換もしくは非置換の一価炭化水素基であり、RとRとは互いに同一であっても異なっていてもよいが、上記一価炭化水素基としては、脂肪族、脂環式又は芳香族炭化水素基が用いられる。脂肪族又は脂環式炭化水素の場合、炭素数1〜12、好ましくは1〜6であり、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等が挙げられる。また、芳香族炭化水素基としては炭素数6〜14,より好ましくは6〜10のものが好適であり、例えばフェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基、ベンジル基、フェネチル基等が挙げられる。なお、置換炭化水素基としては、上記に例示した非置換の炭化水素基の水素原子の一部又は全部をハロゲン原子、アルコキシ基、アミノ基、アミノアルキル基などで置換したもの、例えばモノフルオロメチル基、トリフルオロメチル基、m−ジメチルアミノフェニル基等が挙げられる。Xは、Rと同様の基、アルコキシ基、ハロゲン原子であり、アルコキシ基としてはメトキシ基、エトキシ基、イソプロポキシ基等の炭素数1〜4のもの、ハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子等が挙げられ、通常メトキシ基、エトキシ基が用いられる。
【0019】
mは0.1≦m≦2、特に0.5≦m≦1、nは0≦n≦1、特に0.5≦n≦1、pは0≦p≦0.5、特に0≦p≦0.2であり、かつ1≦m+n+p≦2.5、特に1.5≦m+n+p≦2を満足する数であり、qは4≦q≦100,000、特に10≦q≦10,000の範囲の整数である。
【0020】
また、ケイ素原子に直接結合した水素原子(Si−H基)を有するケイ素系高分子化合物としては、側鎖にSi−H基、主鎖にSi−O−Si結合を持つ下記一般式(2)で表されるポリシロキサンが好適に用いられる。
(R SiO (2)
(式中、R,Rは水素原子、置換もしくは非置換の一価炭化水素基、アルコキシ基又はハロゲン原子を示し、aは0.1≦a≦2、bは0≦b≦1、cは0.01≦c≦1、dは0.5≦d≦1.95であり、かつ2≦a+b+c+d≦3.5を満足する数である。eは2≦e≦100,000を満足する整数である。)
【0021】
上記式(2)のポリシロキサンにおいて、R,Rは、水素原子又は置換もしくは非置換の一価炭化水素基であり、RとRと互いに同一であっても異なっていてもよいが、上記一価炭化水素基としては、脂肪族、脂環式又は芳香族炭化水素基が用いられる。脂肪族又は脂環式炭化水素の場合、炭素数1〜12、好ましくは1〜6であり、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等が挙げられる。また、芳香族炭化水素基としては、炭素数6〜14、より好ましくは6〜10のものが好適であり、例えばフェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基、ベンジル基、フェネチル基等が挙げられる。なお、置換炭化水素基としては、上記に例示した非置換の炭化水素基の水素原子の一部又は全部をハロゲン原子、アルコキシ基、アミノ基、アミノアルキル基などで置換したもの、例えばモノフルオロメチル基、トリフルオロメチル基、m−ジメチルアミノフェニル基等が挙げられる。アルコキシ基としては、メトキシ基、エトキシ基、イソプロポキシ基等の炭素数1〜4のもの、ハロゲン原子としてはフッ素原子、塩素原子、臭素原子等が挙げられる。
【0022】
aは0.1≦a≦2、特に0.5≦a≦1、bは0≦b≦1、特に0.5≦b≦1、cは0.01≦c≦1、特に0.1≦c≦1、dは0.5≦d≦1.95、特に1≦d≦1.5であり、かつ2≦a+b+c+d≦3.5、好ましくは2≦a+b+c+d≦3.2を満足する数である。eは2≦e≦100,000、好ましくは10≦e≦10,000の範囲の整数である。
【0023】
本発明において、上記粉体をケイ素系高分子化合物で処理し、粉体表面に該ケイ素系高分子化合物の層を形成させる工程は、ケイ素系高分子化合物を有機溶剤に溶解させ、この溶液中に粉体を、あるいは粉体中に溶液を投入混合した後に有機溶剤を除くことで、粉体の表面にケイ素系高分子化合物の層を形成することができる。
【0024】
この工程において、ケイ素系高分子化合物を溶解させる有機溶剤としては、例えばベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族系炭化水素、ヘキサン、オクタン、シクロヘキサンのような脂肪族系炭化水素溶剤、テトラヒドロフラン、ジブチルエーテルなどのエーテル系溶剤、酢酸エチルのようなエステル類、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホリックトリアミドのような非プロトン性極性溶媒、その他、ニトロメタン、アセトニトリル等が好適に用いられる。
【0025】
ケイ素系高分子化合物含有溶液の濃度は、0.01〜50%(重量%、以下同様)、好ましくは0.1〜30%、特に0.1〜10%が好適であり、濃度が低すぎると、ケイ素系高分子化合物層が薄くなり粉体表面に均一に形成しにくく、また大量の溶剤を使用するのでコストの上昇を招く場合がある。また、濃度が高すぎると、ケイ素系高分子化合物層が厚くなり粉体の凝集を引き起こしやすくなるおそれがある。
【0026】
次いで、温度を上げたり、減圧にすることにより、溶媒を留去させる。通常は、溶媒の沸点以上の温度で、例えば1〜100mmHgという減圧下で40〜200℃程度の温度に撹拌すると効果的である。この後、しばらく乾燥雰囲気下であるいは減圧下で40〜200℃程度の温度で静置することで、溶剤を効果的に留去乾燥することにより、ケイ素系高分子化合物処理粉体を製造できる。
【0027】
ケイ素系高分子化合物層の厚さは、0.001〜1.0μm、望ましくは0.01〜0.1μmが好適である。0.001μmより薄いと、ケイ素系高分子化合物層を粉体表面に均一に形成しにくくなる。また、1.0μmより厚いと、ケイ素系高分子化合物層が厚くなり粉体の凝集を引き起こしやすくなり、更にケイ素系高分子化合物の量が多くなって高価となり、経済的に不利が生じる場合がある。
【0028】
次に、得られたカーボン粉体表面にケイ素系高分子化合物層が形成された粉体を白金系遷移金属からなる金属塩を含む溶液で処理し、ケイ素系高分子化合物層上に該金属コロイドを析出させる工程を行う。これは、ケイ素系高分子化合物処理粉体の表面を金属塩を含む溶液と接触させるもので、この処理では、ケイ素系高分子化合物の還元作用により、金属コロイドがケイ素系高分子化合物の被膜表面に形成され、金属被膜が形成されるものである。
【0029】
本発明で使用する白金系遷移金属としては、白金、Ir、Pd、Rhの一種又はそれらの混合物が好ましく、これらの中でも、特に白金が好適である。
【0030】
白金塩としては、Pt2+、Pt3+、又はPt4+を含んでなるもので、PtX、PtX、PtX、[PtA]X、M [PtX]、M [PtX]、M[PtXY]、M[PtX]、M [PtX](X,Yは、いずれもF、Cl、Br、I、OH、CN、NO 、N 、CHCOO、SCN、アセチルアセトナート、1/2SO 2−、1/2CO 2−等の陰イオンであり、Mは、K、NaあるいはH等の一価の陽イオンであり、Aは、NH又はアミン類である。)などの形で表すことができる。具体的には、PtCl、PtBr、PtI、Pt(CN)、Pt(SCN)、PtCl、PtBr、PtI、PtF、PtCl、PtBr、PtI、K[PtCl(acac)]、HPtClなどが例示される。
【0031】
イリジウム塩としては、Ir、Ir2+、Ir3+又はIr4+を含んでなるもので、IrX、IrX、IrX、IrX、[IrX]M 、M[IrX](Xは、Cl、Br等のハロゲン、SOなどの陰イオンであり、Mは、K、Na、Rb、CsあるいはH等の一価の陽イオンである。)などの形で表すことができる。具体的には、KIr(SO、RbIr(SO、CsIr(SO等が例示される。
【0032】
パラジウム塩としては、Pd2+を含んでなるもので、通常Pd−Zの形で表すことができる。Zは、Cl、Br、I等のハロゲン、アセテート、トリフルオロアセテート、アセチルアセトネート、カーボネート、パークロレート、ナイトレート、スルフェート、オキサイド等の塩である。具体的には、PdCl、PdBr、PdI、Pd(OCOCH、Pd(OCOCF、PdSO、Pd(NO、PdO等が例示される。
【0033】
ロジウム塩としては、Rh3+を含んでなるもので、RhX、Rh、[RhA]X、M [RhX]、M[RhX](Xは、F、Cl等のハロゲン、CN、SOなどの陰イオンであり、Mは、K、NaあるいはH等の一価陽イオンであり、Aは、NH又はアミン類である。)などの形で表すことができる。具体的には、Rh(SO、Rh(NO、RhCl、RhF、RhCN、KRh(SO、NaRh(SO、HRh(SO等が例示される。
【0034】
粉体を白金系遷移金属塩溶液で処理する方法としては、ケイ素系高分子化合物を溶解せず、かつ白金系遷移金属塩を溶解又は分散させることができる溶剤を用いて白金系遷移金属塩を含む溶液を調製し、この溶液にケイ素系高分子化合物膜で被覆された粉体を投入して白金系遷移金属塩と接触させる溶液法が好適である。このように処理することにより、ケイ素系高分子化合物で被覆された粉体のケイ素系高分子化合物被膜表面に白金系遷移金属塩が吸着されると同時に還元されたコロイドとして担持された金属被覆粉体が形成される。
【0035】
ここで、ケイ素系高分子化合物を溶解せず、かつ金属塩を溶解又は分散させることができる溶剤としては、側鎖基の種類により溶解性が異なるため一概には言えないが、水やアセトン、メチルエチルケトンのようなケトン類、酢酸エチルのようなエステル類、メタノール、エタノールのようなアルコール類、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホリックアミドのような非プロトン性極性溶媒、その他、ニトロメタン、アセトニトリル等が挙げられる。特に、フェニルメチルポリシランの場合、水や水を混合したアルコールやケトンのような親水性有機溶剤が好適に用いうる。
【0036】
金属塩の濃度は、塩を溶解させる溶剤によって異なるが、0.01%〜塩の飽和溶液までが用られる。0.01%未満では、メッキ触媒となる金属コロイドの量が十分でなく、また飽和溶液を超えると、固体塩の析出があり好ましくない。溶剤が水の場合、0.01〜20%、より好ましくは0.1〜5%がよく用いられる。
【0037】
上記ケイ素系高分子化合物処理粉体を、室温から70℃の温度で、0.1〜120分、より好ましくは1〜15分程度、金属塩溶液に浸漬すればよい。これによりカーボン粉体上のケイ素系高分子化合物表面に金属コロイドが析出した粉体が製造できる。
【0038】
上記金属塩を含む溶液の処理は、界面活性剤の存在下又は非存在下に行うものであるが、特に界面活性剤の存在下に行うことが望ましい。即ち、粉体は、ケイ素系高分子化合物処理により疎水性となっている。このため、金属塩を溶解させた溶液との親和性が低下し、溶液中に分散しないため、金属コロイド生成反応の効率が低下していることがある。この場合は、界面活性剤を添加して向上させるのがよく、これにより、ケイ素系高分子化合物処理粉体を金属塩を含む溶液に短時間に分散させることができる。
【0039】
ここで、界面活性剤としては、発泡を起こさず、表面張力のみを下げるものが望ましく、サーフィノール104,420,504(日信化学工業(株)製)等の非イオン性界面活性剤を好適に用いることができる。
【0040】
界面活性剤を添加する場合、界面活性剤の添加量は、界面活性剤溶液又は界面活性剤を含む金属塩溶液に上記ケイ素系高分子化合物被覆粉体が均一に分散する量であることがよく、金属塩溶液100重量部に対して0.0001〜10重量部、特に0.001〜1重量部、とりわけ0.01〜0.5重量部の範囲で使用するのが望ましい。界面活性剤の添加量が少なすぎると効果が乏しい場合がある。
【0041】
処理方法としては、先ずケイ素系高分子化合物処理粉体を、界面活性剤あるいは水により希釈した界面活性剤と接触させ、撹拌して分散させ、次いで金属塩を含む溶液と接触させることが好ましく、これによりケイ素系高分子化合物の還元作用により金属コロイドをこの膜表面に形成させる反応を速やかに進めることができる。また必要に応じて50〜60℃の温度で熱処理をすることにより、ケイ素系高分子化合物膜表面での金属塩の吸着及び金属塩から金属コロイドの生成が促進される。
【0042】
界面活性剤を使用しない場合は、ケイ素系高分子化合物処理粉体を溶剤と接触させ、十分に撹拌して分散させることが好ましい。
【0043】
こうした処理の後は、金属塩を含まない上記と同様の溶剤で処理し、還元されず、粉体にただ吸着されただけの金属塩を除き、最後にこの粉体から不要な溶剤を除去することで金属コロイド被覆粉体を得ることができる。
【0044】
上記ケイ素系高分子化合物処理粉体を、室温から70℃の温度で、0.1〜120分、より好ましくは1〜15分程度、金属塩溶液に浸漬すればよい。これによりケイ素系高分子化合物表面に金属コロイドが析出した粉体が製造できる。
【0045】
その後、必要に応じて加熱することで、ケイ素系高分子化合物表面の白金系遷移金属塩から金属コロイドの生成を促進し、良好に白金系遷移金属を分散した高分子でコートした粉体を得ることができる。加熱条件としては、通常室温〜150℃で、1分〜10時間、常圧又は減圧で行うことが好ましい。
【0046】
なお、燃料電池用触媒として用いるケイ素系高分子化合物処理粉体の白金系遷移金属担持量は、一般に1〜50%であり、電極の価格と性能の関係から、3〜25%が望ましい。
【0047】
その後、常法に従い、該燃料電池用触媒をテフロンディスパージョンのような撥水剤やアルコール、界面活性剤等の混和剤と混和し、カーボンペーパーのような導電性多孔質基材に塗布成形し、最後に得られた成形体を焼成して燃料電池用電極を製造することができる。
【0048】
焼成は、酸化ガス、アルゴン−水素、アンモニア等の還元ガス又はアルゴン、ヘリウム、窒素などの不活性ガスの雰囲気下で行うことができる。熱処理温度は、酸化ガス雰囲気下の場合は、150℃〜350℃が望ましく、還元ガス又は不活性ガスの雰囲気下の場合は、150℃〜1000℃が望ましく、特に200℃以上の温度で熱処理することが好ましい。また処理時間は、0.5〜8時間、より望ましくは1〜4時間がよい。これにより、粉体と金属間にある上記還元性ケイ素系高分子化合物の一部又は全部がセラミック化することでより高い耐熱性と絶縁性と密着性を持つ燃料電池用電極を好適に製造することができる。
【0049】
【実施例】
以下、合成例、実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
【0050】
[合成例1]
ポリシランの製造方法
フェニルハイドロジェンポリシラン(以下PPHSと略記する)を以下の方法により製造した。
アルゴン置換したフラスコ内にビス(シクロペンタジエニル)ジクロロジルコニウムのTHF溶液にメチルリチウムのジエチルエーテル溶液を添加し、30分室温で反応させた後、溶剤を減圧にて留去することで、系内で触媒を調製した。これに、フェニルトリヒドロシランを触媒の10,000倍モル添加し、100〜150℃で3時間、次いで200℃で8時間加熱撹拌を行った。生成物をトルエンに溶解させ、塩酸水洗を行うことで、触媒を失活除去した。このトルエン溶液に硫酸マグネシウムを加えて水分を除去し、濾過した。これにより、ほぼ定量的に重量平均分子量1,200、ガラス転移点65℃のPPHSを得た。
【0051】
[実施例1]
カーボン粉体のポリシラン処理
カーボン粉体としては、市販のアセチレンブラックを用いた。PPHS1gをトルエン200gに溶解させ、この溶液をアセチレンブラック100gに加え1時間撹拌した。ロータリーエバポレーターにて、60℃の温度、45mmHgの圧力で、トルエンを留去させ乾燥させた。1%のポリシラン処理された粉体が得られた。
【0052】
白金コロイド析出粉体の製造
ポリシラン処理粉体は、疎水化され、水に投入すると水表面に浮くようになる。界面活性剤として、サーフィノール504(日信化学工業(株)製界面活性剤)の0.5%水溶液200gにこの処理粉体10gを投入し、超音波を使った撹拌で水中に分散させた。
【0053】
白金処理は、上記粉体−水分散体210gに対し2%HPtCl水溶液を50g(塩化白金酸として1g、白金として0.48g)添加して、30分撹拌後、ろ過し、水洗した。これらの処理により、粉体表面は白金コロイドが付着した粉体が得られた。この粉体はろ過により単離し、水洗乾燥後空気中で250℃で1時間加熱を行った。
【0054】
白金コロイド析出粉体の分析
この触媒を電子顕微鏡により観察したところ、1〜5nmの白金コロイドが1次粒子の状態で担体上に保持されているのが確認され、空気中で250℃で1時間加熱しても担体上に均一に分散しているのが確認された。
【0055】
[比較例1]
比較のため、ポリシラン処理を行っていないアセチレンブラック10gを、サーフィノール504の0.5%水溶液200gに投入し、同様に撹拌し水中に分散させた。
【0056】
白金処理は、上記粉体−水分散体210gに対し2%HPtCl水溶液を50g添加して、実施例1と同一条件で処理した。これらの処理では、白金コロイドは全く生成せず、粉体表面は白金イオンが付着した粉体が得られた。この粉体は水洗により白金イオンが留出し担持させることはできなかった。
【0057】
[比較例2]従来の一般的な調整法
ポリビニルアルコール2gを、メタノール・水が50/50V/V%の水溶液400gに投入し、撹拌し溶解させた。ポリシラン処理を行っていないアセチレンブラック5gを、このメタノール水溶液400gに投入し、超音波撹拌し水中に分散させた。
【0058】
白金処理は、上記粉体−水分散体405gに対し2%HPtCl水溶液を50g添加して、70℃で還流加熱を行いながら激しく撹拌した。8時間後ろ過し、水洗した。これらの処理では、白金コロイドが粉体表面に付着した粉体が得られた。この触媒を電子顕微鏡により観察したところ、10〜50nmの凝集して2次粒子となった白金コロイドが担体上に均一に分散しているのが確認されたが、空気中で250℃で1時間加熱したところ、μm以上の大きな塊状で担体上に偏在しているのが確認された。
【0059】
実施例1と比較例2で調製した触媒を1g量り取り、25V/V%のエタノール水溶液とテフロンディスパージョン液を触媒当たり25wt%になるように加え十分混練りしたものを、カーボンペーパー上に塗布した。室温で一昼夜風乾した後、150℃で2時間乾燥させ、更に空気中で350℃で2時間焼成して触媒電極にした。
【0060】
これらの電極は、標準水素電極に対する酸素極の単極電位として、190℃のリン酸中でその性能を評価した。結果を表1に示す。
【0061】
【表1】

Figure 0003613330
【0062】
表1に示すように、比較例2で作製した電極の性能に比して、本発明の方法によれば、白金は微細化されて一様に分散しており、熱履歴後もその状態が保持されるため、電極性能は大きく向上し、その寿命も大きく改善されることが明らかとなった。
【0063】
【発明の効果】
本発明によれば、簡単かつ迅速なる工程により、白金系遷移金属の分散したケイ素系高分子でコートしたカーボン粉体を得ることができ、これは高効率で耐久性に優れる燃料電池用触媒として利用できる触媒電極として使用することができる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell catalyst, a method for producing the same, and a fuel cell electrode.
[0002]
[Prior art and problems to be solved by the invention]
Fuel cells have a high energy efficiency of 30 to 40% compared to internal combustion engines and only water is discharged using hydrogen and oxygen as fuel, so the ultimate battery of the 21st century that can revolutionize the world in the area of energy and environment It is considered as one of the candidates. Among them, a solid oxide fuel cell that operates at a low temperature of 70 to 90 ° C. and has a high energy density and a small capacity has attracted much attention as an electric vehicle or household power source.
[0003]
The structure of the fuel cell consists of a cell in which hydrogen and oxygen are supplied from both sides of the outermost separator across the membrane / electrode assembly, and a stack of these cells connected in series It is composed of This membrane / electrode assembly is composed of electrodes having two catalyst layers called a hydrogen electrode and an oxygen electrode on both sides of an ion exchange membrane. At the hydrogen electrode, the hydrogen gas of the fuel is activated by protons (H+) Through the ion exchange membrane toward the oxygen electrode. At the oxygen electrode, the oxygen in the air that has been sent reacts with protons by the action of the catalyst to become water. This series of reactions generates electricity. As a catalyst at such a hydrogen electrode or oxygen electrode, a catalyst made of platinum is usually used.
[0004]
The platinum catalyst is generally impregnated with a carbon ion such as activated carbon or carbon black with a platinum ion-containing solvent such as chloroplatinic acid, and this is added to sodium borohydride in the presence of a protective colloid such as polyvinyl alcohol. It is prepared by depositing platinum colloid on carbon alone by acting a reducing agent such as hydrogen or hydrogen.
[0005]
However, this catalyst has the following demands and problems.
(1) Since platinum metal is expensive, we want to reduce the amount used and make it highly active.
(2) When impurities such as carbon monoxide and sulfur enter and cover the catalyst surface, the catalytic activity is reduced (poisoning).
(3) Platinum particles adhere to each other over time, the surface area decreases, and the activity decreases.
[0006]
As a solution to this problem, measures are taken such as (1) using platinum metal as fine particles to increase the surface area and increasing the activity, and (2) adding metal other than platinum such as ruthenium, rhodium and palladium.
[0007]
However, with regard to (3), the mixing ratio of how much protective colloid and reducing agent are used for the main materials platinum and carbon alone, selection of reaction conditions for platinum fine particles, temperature, time, and atmosphere are complicated However, the essential solution was not achieved. In particular, when baked in the final step to form a catalyst electrode, polyvinyl alcohol, polymethyl vinyl ether, polyvinyl pyrrolidone, gelatin, and the like conventionally used as protective colloids are decomposed, and platinum can be stably held. It was not possible to prevent aggregation of platinum when used as an electrode material. For this reason, the high catalytic activity of platinum could not be expressed with a long life of 5000 hours for automobiles and 50000 hours for home use.
[0008]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and a carbon powder coated with a silicon-based polymer compound in which platinum fine particles are dispersed and stabilized can be obtained by a simple and rapid process, which is highly efficient and durable. It aims at providing the catalyst for fuel cells which can be utilized as a catalyst which is excellent in the property, its manufacturing method, and also the fuel cell electrode using this catalyst.
[0009]
Means for Solving the Problem and Embodiment of the Invention
As a result of intensive studies, the inventor made platinum fine particles in a simple and rapid process by bringing a reducing silicon polymer thin film formed on carbon powder into contact with a platinum transition metal salt. It was found that a carbon powder coated with a dispersed and stabilized silicon polymer compound can be obtained, and a fuel cell catalyst that can be used as a highly efficient and durable catalyst can be obtained.
[0010]
By the way, silicon-based polymer compounds have high metal resistance compared to carbon, and silicon oxide has high oxidation resistance. Therefore, silicon-based polymer compounds have high heat resistance that cannot be obtained with organic resins. It is a very interesting material that can be used at a wide range of temperatures, exhibiting flexibility at low temperatures and good thin film formation by introducing organic groups. In addition, certain silicon-based polymer compounds, such as polysilane as a precursor of silicon carbide ceramic material and polysiloxane as a precursor of silicon oxide ceramic material, can be a material with extremely high heat resistance by heat treatment or the like. Well known. Furthermore, silicon-based polymer compounds having Si-Si bonds and / or Si-H bonds, particularly polymers having hydrogen atoms directly bonded to polysilane or Si atoms have reducibility and generate metal colloids from metal salts. It is known to do.
[0011]
In the present invention, a highly dispersed platinum colloid is necessary for manifesting the catalytic functionality of the fuel cell. Therefore, the present inventor can use the above-described silicon-based polymer compound to stably form platinum even at a high temperature without using any protective colloid such as polyvinyl alcohol or a reducing agent such as sodium borohydride or hydrogen. It has been found that a carbon carrier coated with a colloid-dispersed polymer can be obtained.
[0012]
In other words, when a platinum-based transition metal salt is brought into contact with a reducible silicon-based polymer compound among metal salts, the silicon-based polymer compound performs two tasks: reduction of the platinum-based transition metal salt and stabilization of its colloid. It was found that the process and control can be simplified because the process can be performed simultaneously. Furthermore, when polysilane is used as the reducing silicon-based polymer compound, when the polysilane reacts with the platinum-based transition metal salt, the platinum salt is reduced to a platinum colloid and at the same time, the polysilane is oxidized to a polysiloxane to form a fine colloidal state. Since it is possible to stably hold platinum even when baked in the final step in order to hold platinum as it is and to make a catalyst electrode, it is found that it can be a long-term durable fuel cell electrode material, The present invention has been achieved.
[0013]
Therefore, the present inventionIt was obtained by bringing platinum transition metal salt into contact with carbon powder whose surface was coated with a reducing silicon-based polymer compound.A fuel cell catalyst comprising carbon powder carrying platinum-based transition metal fine particles, andA carbon powder obtained by treating carbon powder with a solution in which a reducing silicon-based polymer compound is dissolved in an organic solvent, then removing the organic solvent from the surface of the carbon powder and coating the surface with the silicon-based polymer compound. A platinum-based transition metal salt dissolved in or dispersed in a solvent that does not dissolve the silicon-based polymer compound, and the platinum-based transition metal salt is converted into a platinum-based transition metal with the silicon-based polymer compound. A method for producing a catalyst for a fuel cell, characterized in that carbon powder carrying platinum-based transition metal fine particles is obtained by reduction to a colloidAnd a fuel cell electrode containing the fired product of the catalyst.
[0014]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
As the carbon powder used in the present invention, spherical carbon black, scaly graphite, fibrous carbon fiber, hollow carbon balun and the like can be used. As carbon black, many varieties characterized by particle diameter, specific surface area, DBP oil absorption and the like can be used, and examples thereof include ketjen black, furnace black, acetylene black, vulcan, SRF carbon, activated carbon and the like. In addition, as the carbon fiber, any of isotropic pitch type, liquid crystal pitch type and PAN type can be used, and Kureka (Kureha Chemical), Dona Carbo (Donak), Zyrus (Nittobo), Volca ( Examples include those sold under the name Tonen).
[0015]
In the production method of the present invention, treatment is performed with a silicon polymer compound having reducibility, and a layer of the reducible silicon polymer compound is formed on the outermost surface of the carbon powder.
[0016]
In this case, as the silicon-based polymer compound for treating the powder, those having a reducing action are used. The silicon-based polymer compound having a reducing action can be selected from polysilane, polycarbosilane, polysiloxane, and polysilazane having a Si—Si bond or Si—H bond. A polysiloxane having a hydrogen atom directly bonded to is preferably used.
[0017]
Here, as the silicon-based polymer compound having a Si—Si bond in the molecule, polysilane is preferably used, and polysilane represented by the following general formula (1) is preferable.
(R1 mR2 nXpSi)q            (1)
(Wherein R1, R2Is a hydrogen atom or a substituted or unsubstituted monovalent hydrocarbon group, X is R1Represents an alkoxy group, a halogen atom, an oxygen atom or a nitrogen atom, m is 0.1 ≦ m ≦ 2, n is 0 ≦ n ≦ 1, p is 0 ≦ p ≦ 0.5, and 1 ≦ m + n + p ≦ It is a number satisfying 2.5. q is an integer satisfying 4 ≦ q ≦ 100,000. )
[0018]
In the polysilane of the above formula (1), R1, R2Is a hydrogen atom or a substituted or unsubstituted monovalent hydrocarbon group, R1And R2May be the same as or different from each other, but as the monovalent hydrocarbon group, an aliphatic, alicyclic or aromatic hydrocarbon group is used. In the case of an aliphatic or alicyclic hydrocarbon, it has 1 to 12, preferably 1 to 6 carbon atoms, such as methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, pentyl group, hexyl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, etc. Is mentioned. The aromatic hydrocarbon group preferably has 6 to 14 carbon atoms, more preferably 6 to 10 carbon atoms, and examples thereof include a phenyl group, a tolyl group, a xylyl group, a naphthyl group, a benzyl group, and a phenethyl group. . Examples of the substituted hydrocarbon group include those obtained by substituting some or all of the hydrogen atoms of the unsubstituted hydrocarbon groups exemplified above with halogen atoms, alkoxy groups, amino groups, aminoalkyl groups, and the like, such as monofluoromethyl Group, trifluoromethyl group, m-dimethylaminophenyl group and the like. X is R1Are the same groups, alkoxy groups, halogen atoms, alkoxy groups having 1 to 4 carbon atoms such as methoxy group, ethoxy group, isopropoxy group, etc., halogen atoms are fluorine atom, chlorine atom, bromine atom, etc. Usually, a methoxy group and an ethoxy group are used.
[0019]
m is 0.1 ≦ m ≦ 2, especially 0.5 ≦ m ≦ 1, n is 0 ≦ n ≦ 1, especially 0.5 ≦ n ≦ 1, p is 0 ≦ p ≦ 0.5, especially 0 ≦ p. ≦ 0.2 and 1 ≦ m + n + p ≦ 2.5, particularly 1.5 ≦ m + n + p ≦ 2, and q is 4 ≦ q ≦ 100,000, especially 10 ≦ q ≦ 10,000. An integer in the range.
[0020]
Moreover, as a silicon-type high molecular compound which has the hydrogen atom (Si-H group) directly couple | bonded with the silicon atom, the following general formula (2) which has Si-H group in a side chain and Si-O-Si bond in a principal chain. ) Is preferably used.
(R3 aR4 bHcSiOd)e          (2)
(Wherein R3, R4Represents a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted monovalent hydrocarbon group, an alkoxy group or a halogen atom, a is 0.1 ≦ a ≦ 2, b is 0 ≦ b ≦ 1, and c is 0.01 ≦ c ≦ 1. , D is a number satisfying 0.5 ≦ d ≦ 1.95 and satisfying 2 ≦ a + b + c + d ≦ 3.5. e is an integer satisfying 2 ≦ e ≦ 100,000. )
[0021]
In the polysiloxane of the above formula (2), R3, R4Is a hydrogen atom or a substituted or unsubstituted monovalent hydrocarbon group, R3And R4May be the same as or different from each other, but as the monovalent hydrocarbon group, an aliphatic, alicyclic or aromatic hydrocarbon group is used. In the case of an aliphatic or alicyclic hydrocarbon, it has 1 to 12, preferably 1 to 6 carbon atoms, such as methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, pentyl group, hexyl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, etc. Is mentioned. As the aromatic hydrocarbon group, those having 6 to 14 carbon atoms, more preferably 6 to 10 carbon atoms are suitable, and examples thereof include a phenyl group, a tolyl group, a xylyl group, a naphthyl group, a benzyl group, and a phenethyl group. It is done. Examples of the substituted hydrocarbon group include those obtained by substituting some or all of the hydrogen atoms of the unsubstituted hydrocarbon groups exemplified above with halogen atoms, alkoxy groups, amino groups, aminoalkyl groups, and the like, such as monofluoromethyl Group, trifluoromethyl group, m-dimethylaminophenyl group and the like. Examples of the alkoxy group include those having 1 to 4 carbon atoms such as a methoxy group, an ethoxy group, and an isopropoxy group, and examples of the halogen atom include a fluorine atom, a chlorine atom, and a bromine atom.
[0022]
a is 0.1 ≦ a ≦ 2, especially 0.5 ≦ a ≦ 1, b is 0 ≦ b ≦ 1, especially 0.5 ≦ b ≦ 1, c is 0.01 ≦ c ≦ 1, especially 0.1 ≦ c ≦ 1, d is 0.5 ≦ d ≦ 1.95, especially 1 ≦ d ≦ 1.5, and 2 ≦ a + b + c + d ≦ 3.5, preferably 2 ≦ a + b + c + d ≦ 3.2 It is. e is an integer in the range of 2 ≦ e ≦ 100,000, preferably 10 ≦ e ≦ 10,000.
[0023]
In the present invention, the step of treating the powder with a silicon-based polymer compound and forming a layer of the silicon-based polymer compound on the powder surface comprises dissolving the silicon-based polymer compound in an organic solvent, A layer of a silicon-based polymer compound can be formed on the surface of the powder by removing the organic solvent after the powder is added to or mixed with the solution.
[0024]
In this step, examples of the organic solvent for dissolving the silicon polymer compound include aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, and xylene, aliphatic hydrocarbon solvents such as hexane, octane, and cyclohexane, tetrahydrofuran, and dibutyl ether. Preferably used are ether solvents such as ethyl acetate, esters such as ethyl acetate, aprotic polar solvents such as dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and hexamethylphosphoric triamide, nitromethane, acetonitrile, and the like.
[0025]
The concentration of the silicon-based polymer compound-containing solution is 0.01 to 50% (% by weight, the same applies hereinafter), preferably 0.1 to 30%, particularly 0.1 to 10%, and the concentration is too low. When the silicon-based polymer compound layer is thin, it is difficult to form a uniform surface on the powder surface, and a large amount of solvent is used, which may increase the cost. On the other hand, if the concentration is too high, the silicon-based polymer compound layer may become thick and tend to cause aggregation of the powder.
[0026]
Next, the solvent is distilled off by raising the temperature or reducing the pressure. Usually, it is effective to stir at a temperature of about 40 to 200 ° C. under a reduced pressure of 1 to 100 mmHg, for example, at a temperature equal to or higher than the boiling point of the solvent. Then, the silicon-based polymer compound-treated powder can be produced by allowing the solvent to be effectively distilled off and dried by standing still in a dry atmosphere or under reduced pressure at a temperature of about 40 to 200 ° C. for a while.
[0027]
The thickness of the silicon-based polymer compound layer is preferably 0.001 to 1.0 μm, and more preferably 0.01 to 0.1 μm. When it is thinner than 0.001 μm, it is difficult to form a silicon-based polymer compound layer uniformly on the powder surface. On the other hand, if the thickness is larger than 1.0 μm, the silicon-based polymer compound layer becomes thick and the powder is likely to be aggregated. Further, the amount of the silicon-based polymer compound increases, resulting in an economical disadvantage. is there.
[0028]
Next, the obtained powder having a silicon-based polymer compound layer formed on the surface of the carbon powder is treated with a solution containing a metal salt composed of a platinum-based transition metal, and the metal colloid is formed on the silicon-based polymer compound layer. The process of depositing is performed. This is a method in which the surface of the silicon polymer compound-treated powder is brought into contact with a solution containing a metal salt. In this treatment, the metal colloid is formed on the surface of the coating film of the silicon polymer compound by the reducing action of the silicon polymer compound. And a metal film is formed.
[0029]
The platinum-based transition metal used in the present invention is preferably one of platinum, Ir, Pd, and Rh or a mixture thereof, and among these, platinum is particularly preferable.
[0030]
Platinum salts include Pt2+, Pt3+Or Pt4+PtX2, PtX3, PtX4, [PtA6] X2, MI 2[PtX4], MI 2[PtX2Y2], MI[PtX3Y], MI[PtX2Y2], MI 2[PtX6] (X and Y are both F, Cl, Br, I, OH, CN, NO3 , N3 , CH3COO, SCN, acetylacetonate, 1 / 2SO4 2-, 1 / 2CO3 2-Anion such as MIIs a monovalent cation such as K, Na or H, and A is NH3Or amines. ) And the like. Specifically, PtCl2, PtBr2, PtI2, Pt (CN)2, Pt (SCN)2, PtCl3, PtBr3, PtI3, PtF4, PtCl4, PtBr4, PtI4, K2[PtCl2(Acac)2], H2PtCl6Etc. are exemplified.
[0031]
As an iridium salt, Ir+, Ir2+, Ir3+Or Ir4+IrX, IrX2, IrX3, IrX4, [IrX6] MI 3, MI[IrX4] (X is halogen such as Cl and Br, SO4Anion such as MIIs a monovalent cation such as K, Na, Rb, Cs or H. ) And the like. Specifically, KIr (SO4)2, RbIr (SO4)2, CsIr (SO4)2Etc. are exemplified.
[0032]
Pd salts include Pd2+In general, Pd-Z2It can be expressed in the form of Z is a salt of halogen such as Cl, Br, and I, acetate, trifluoroacetate, acetylacetonate, carbonate, perchlorate, nitrate, sulfate, oxide, and the like. Specifically, PdCl2, PdBr2, PdI2, Pd (OCOCH3)2, Pd (OCOCF3)2, PdSO4, Pd (NO3)2, PdO, and the like.
[0033]
Rhodium salts include Rh3+RhX3, Rh2X6, [RhA6] X3, MI 3[RhX6], MI[RhX4] (X is halogen such as F and Cl, CN, SO4Anion such as MIIs a monovalent cation such as K, Na or H, and A is NH3Or amines. ) And the like. Specifically, Rh2(SO4)3, Rh (NO3)3, RhCl3, RhF3, RhCN3, KRh (SO4)2, NaRh (SO4)2, HRh (SO4)2Etc. are exemplified.
[0034]
As a method of treating the powder with a platinum-based transition metal salt solution, the platinum-based transition metal salt is dissolved using a solvent that does not dissolve the silicon-based polymer compound and can dissolve or disperse the platinum-based transition metal salt. A solution method is preferred in which a solution is prepared, a powder coated with a silicon-based polymer compound film is added to the solution, and contacted with a platinum-based transition metal salt. By this treatment, the platinum-based transition metal salt is adsorbed on the surface of the silicon-based polymer compound coating surface of the powder coated with the silicon-based polymer compound, and at the same time, the metal-coated powder supported as a reduced colloid. The body is formed.
[0035]
Here, as a solvent that does not dissolve the silicon-based polymer compound and can dissolve or disperse the metal salt, the solubility differs depending on the type of the side chain group. Ketones such as methyl ethyl ketone, esters such as ethyl acetate, alcohols such as methanol and ethanol, aprotic polar solvents such as dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and hexamethylphosphoric amide, and others, nitromethane, acetonitrile, etc. Is mentioned. In particular, in the case of phenylmethylpolysilane, hydrophilic organic solvents such as water or alcohol mixed with water or ketone can be suitably used.
[0036]
The concentration of the metal salt varies depending on the solvent in which the salt is dissolved, but from 0.01% to a saturated solution of the salt is used. If it is less than 0.01%, the amount of the metal colloid used as a plating catalyst is not sufficient, and if it exceeds the saturated solution, solid salt is precipitated, which is not preferable. When the solvent is water, 0.01 to 20%, more preferably 0.1 to 5% is often used.
[0037]
The silicon-based polymer compound-treated powder may be immersed in the metal salt solution at a temperature of room temperature to 70 ° C. for 0.1 to 120 minutes, more preferably about 1 to 15 minutes. Thereby, a powder in which a metal colloid is deposited on the surface of the silicon polymer compound on the carbon powder can be produced.
[0038]
The treatment of the solution containing the metal salt is carried out in the presence or absence of a surfactant, and it is particularly desirable to carry out the treatment in the presence of a surfactant. That is, the powder is made hydrophobic by the silicon polymer compound treatment. For this reason, since the affinity with the solution in which the metal salt is dissolved decreases and does not disperse in the solution, the efficiency of the metal colloid generation reaction may decrease. In this case, it is preferable to improve by adding a surfactant, whereby the silicon-based polymer compound-treated powder can be dispersed in a solution containing a metal salt in a short time.
[0039]
Here, as the surfactant, those which do not cause foaming and reduce only the surface tension are desirable, and a nonionic surfactant such as Surfynol 104, 420, 504 (manufactured by Nissin Chemical Industry Co., Ltd.) is suitable. Can be used.
[0040]
In the case of adding a surfactant, the amount of the surfactant added is preferably such that the silicon-based polymer compound-coated powder is uniformly dispersed in the surfactant solution or the metal salt solution containing the surfactant. It is desirable to use in the range of 0.0001 to 10 parts by weight, particularly 0.001 to 1 part by weight, especially 0.01 to 0.5 part by weight, based on 100 parts by weight of the metal salt solution. If the amount of surfactant added is too small, the effect may be poor.
[0041]
As the treatment method, it is preferable that the silicon-based polymer compound-treated powder is first brought into contact with a surfactant or a surfactant diluted with water, stirred and dispersed, and then brought into contact with a solution containing a metal salt, As a result, the reaction of forming the metal colloid on the film surface by the reducing action of the silicon-based polymer compound can be rapidly advanced. Further, if necessary, heat treatment is performed at a temperature of 50 to 60 ° C. to promote the adsorption of the metal salt on the surface of the silicon-based polymer compound film and the formation of the metal colloid from the metal salt.
[0042]
When the surfactant is not used, it is preferable that the silicon-based polymer compound-treated powder is brought into contact with a solvent and sufficiently stirred and dispersed.
[0043]
After such treatment, treatment with the same solvent as above without metal salt is performed, except for the metal salt that is not reduced and merely adsorbed on the powder, and finally the unnecessary solvent is removed from this powder. Thus, a metal colloid-coated powder can be obtained.
[0044]
The silicon-based polymer compound-treated powder may be immersed in the metal salt solution at a temperature of room temperature to 70 ° C. for 0.1 to 120 minutes, more preferably about 1 to 15 minutes. Thereby, a powder in which a metal colloid is deposited on the surface of the silicon-based polymer compound can be produced.
[0045]
After that, by heating as necessary, the formation of metal colloid from the platinum-based transition metal salt on the surface of the silicon-based polymer compound is promoted, and a powder coated with a polymer in which the platinum-based transition metal is well dispersed is obtained. be able to. As heating conditions, it is usually preferable to carry out at room temperature to 150 ° C. for 1 minute to 10 hours at normal pressure or reduced pressure.
[0046]
The amount of platinum-based transition metal supported on the silicon-based polymer compound-treated powder used as a fuel cell catalyst is generally 1 to 50%, and 3 to 25% is desirable from the relationship between electrode price and performance.
[0047]
Thereafter, according to a conventional method, the fuel cell catalyst is mixed with a water repellent such as Teflon dispersion, an admixture such as alcohol, a surfactant, etc., and applied to a conductive porous substrate such as carbon paper. The molded body obtained at the end can be fired to produce a fuel cell electrode.
[0048]
Firing can be performed in an atmosphere of an oxidizing gas, a reducing gas such as argon-hydrogen and ammonia, or an inert gas such as argon, helium, and nitrogen. The heat treatment temperature is desirably 150 ° C. to 350 ° C. in an oxidizing gas atmosphere, and desirably 150 ° C. to 1000 ° C. in a reducing gas or inert gas atmosphere, and is particularly heat treated at a temperature of 200 ° C. or higher. It is preferable. The treatment time is 0.5 to 8 hours, more preferably 1 to 4 hours. As a result, a part or all of the reducing silicon polymer compound between the powder and the metal is converted into a ceramic so that a fuel cell electrode having higher heat resistance, insulation and adhesion can be suitably produced. be able to.
[0049]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although a synthesis example, an Example, and a comparative example are shown and this invention is demonstrated concretely, this invention is not restrict | limited to the following Example.
[0050]
[Synthesis Example 1]
Production method of polysilane
Phenyl hydrogen polysilane (hereinafter abbreviated as PPHS) was produced by the following method.
In a flask purged with argon, a diethyl ether solution of methyllithium was added to a THF solution of bis (cyclopentadienyl) dichlorozirconium and reacted at room temperature for 30 minutes. The catalyst was prepared within. To this was added 10,000 times moles of phenyltrihydrosilane as a catalyst, and the mixture was heated and stirred at 100 to 150 ° C. for 3 hours and then at 200 ° C. for 8 hours. The catalyst was deactivated and removed by dissolving the product in toluene and washing with hydrochloric acid. Magnesium sulfate was added to the toluene solution to remove water, and the solution was filtered. As a result, PPHS having a weight average molecular weight of 1,200 and a glass transition point of 65 ° C. was obtained almost quantitatively.
[0051]
[Example 1]
Polysilane treatment of carbon powder
Commercially available acetylene black was used as the carbon powder. 1 g of PPHS was dissolved in 200 g of toluene, and this solution was added to 100 g of acetylene black and stirred for 1 hour. In a rotary evaporator, toluene was distilled off and dried at a temperature of 60 ° C. and a pressure of 45 mmHg. A 1% polysilane treated powder was obtained.
[0052]
Production of colloidal platinum powder
The polysilane-treated powder is hydrophobized and floats on the water surface when thrown into water. As a surfactant, 10 g of this treated powder was added to 200 g of a 0.5% aqueous solution of Surfynol 504 (surfactant manufactured by Nissin Chemical Industry Co., Ltd.) and dispersed in water by stirring using ultrasonic waves. .
[0053]
The platinum treatment is 2% H with respect to 210 g of the powder-water dispersion.2PtCl650 g of aqueous solution (1 g as chloroplatinic acid, 0.48 g as platinum) was added, stirred for 30 minutes, filtered, and washed with water. By these treatments, a powder having platinum colloid adhered to the powder surface was obtained. This powder was isolated by filtration, washed with water, dried and heated in air at 250 ° C. for 1 hour.
[0054]
Analysis of platinum colloid deposition powder
When this catalyst was observed with an electron microscope, it was confirmed that a platinum colloid of 1 to 5 nm was held on the support in the form of primary particles, and even when heated at 250 ° C. in air for 1 hour, A uniform dispersion was confirmed.
[0055]
[Comparative Example 1]
For comparison, 10 g of acetylene black not subjected to polysilane treatment was added to 200 g of a 0.5% aqueous solution of Surfynol 504, and similarly stirred and dispersed in water.
[0056]
The platinum treatment is 2% H with respect to 210 g of the powder-water dispersion.2PtCl650 g of an aqueous solution was added and treated under the same conditions as in Example 1. In these treatments, no platinum colloid was produced, and a powder having platinum ions attached to the powder surface was obtained. This powder could not carry and carry platinum ions by washing with water.
[0057]
[Comparative Example 2] Conventional general adjustment method
2 g of polyvinyl alcohol was added to 400 g of an aqueous solution of 50% / 50% methanol / water and stirred to dissolve. 5 g of acetylene black not subjected to polysilane treatment was put into 400 g of this aqueous methanol solution, and stirred ultrasonically and dispersed in water.
[0058]
The platinum treatment is 2% H with respect to 405 g of the powder-water dispersion.2PtCl650 g of an aqueous solution was added and stirred vigorously while heating at 70 ° C. under reflux. After 8 hours, it was filtered and washed with water. In these treatments, a powder in which platinum colloid adhered to the powder surface was obtained. When this catalyst was observed with an electron microscope, it was confirmed that the platinum colloid which was agglomerated at 10 to 50 nm and became secondary particles was uniformly dispersed on the carrier. When heated, it was confirmed that it was unevenly distributed on the carrier in a large lump of μm or more.
[0059]
1 g of the catalyst prepared in Example 1 and Comparative Example 2 was weighed, and a 25 V / V% ethanol aqueous solution and a Teflon dispersion liquid were added to the catalyst so that the amount was 25 wt%, and the mixture was kneaded and applied onto carbon paper. did. After air drying at room temperature all day and night, it was dried at 150 ° C. for 2 hours, and further calcined in air at 350 ° C. for 2 hours to form a catalyst electrode.
[0060]
The performance of these electrodes was evaluated in phosphoric acid at 190 ° C. as the monopolar potential of the oxygen electrode with respect to the standard hydrogen electrode. The results are shown in Table 1.
[0061]
[Table 1]
Figure 0003613330
[0062]
As shown in Table 1, compared with the performance of the electrode produced in Comparative Example 2, according to the method of the present invention, platinum is finely dispersed and uniformly dispersed, and the state remains even after the heat history. It was clarified that the electrode performance was greatly improved and the service life was greatly improved because it was maintained.
[0063]
【The invention's effect】
According to the present invention, a carbon powder coated with a silicon-based polymer in which a platinum-based transition metal is dispersed can be obtained by a simple and rapid process, which is a highly efficient and highly durable fuel cell catalyst. It can be used as an available catalyst electrode.

Claims (11)

還元性を有するケイ素系高分子化合物で表面をコートしたカーボン粉体に白金系遷移金属の塩を接触させることにより得られた白金系遷移金属微粒子を担持したカーボン粉体からなる燃料電池用触媒。 A fuel cell catalyst comprising a carbon powder carrying platinum-based transition metal fine particles obtained by bringing a platinum-based transition metal salt into contact with a carbon powder whose surface is coated with a silicon polymer compound having a reducing property . 白金系遷移金属が、白金、Ir、Pd又はRhである請求項1記載の触媒。The catalyst according to claim 1, wherein the platinum-based transition metal is platinum, Ir, Pd, or Rh. 還元性を有するケイ素系高分子化合物が、Si−Si結合及び/又はSi−H結合を有するポリシラン、ポリカルボシラン、ポリシロキサン、ポリシラザンの中から選ばれたものである請求項1又は2記載の触媒。The silicon-based polymer compound having reducibility is selected from polysilane, polycarbosilane, polysiloxane, and polysilazane having a Si-Si bond and / or Si-H bond. catalyst. ポリシランが、下記式(1)で表されるものである請求項3記載の触媒。
(R1 m2 npSi)q (1)
(式中、R1,R2は水素原子又は置換もしくは非置換の一価炭化水素基、XはR1、アルコキシ基、ハロゲン原子、酸素原子又は窒素原子を示し、mは0.1≦m≦2、nは0≦n≦1、pは0≦p≦0.5であり、かつ0.1≦m+n+p≦2.5を満足する数、qは4≦q≦100,000を満足する整数である。)
The catalyst according to claim 3, wherein the polysilane is represented by the following formula (1).
(R 1 m R 2 n X p Si) q (1)
Wherein R 1 and R 2 are a hydrogen atom or a substituted or unsubstituted monovalent hydrocarbon group, X is R 1 , an alkoxy group, a halogen atom, an oxygen atom or a nitrogen atom, and m is 0.1 ≦ m ≦ 2, n is 0 ≦ n ≦ 1, p is 0 ≦ p ≦ 0.5, and 0.1 ≦ m + n + p ≦ 2.5, and q satisfies 4 ≦ q ≦ 100,000 (It is an integer.)
ポリシロキサンが、下記式(2)で表されるものである請求項3記載の触媒。
(R3 a4 bcSiOde
(式中、R3,R4は水素原子、置換もしくは非置換の一価炭化水素基、アルコキシ基又はハロゲン原子を示し、aは0.1≦a≦2、bは0≦b≦1、cは0.01≦c≦1、dは0.5≦d≦1.95であり、かつ2≦a+b+c+d≦3.5を満足する数、eは2≦e≦100,000を満足する整数である。)
The catalyst according to claim 3, wherein the polysiloxane is represented by the following formula (2).
(R 3 a R 4 b H c SiO d ) e ( 2 )
(Wherein R 3 and R 4 represent a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted monovalent hydrocarbon group, an alkoxy group or a halogen atom, a is 0.1 ≦ a ≦ 2, b is 0 ≦ b ≦ 1, c is a number satisfying 0.01 ≦ c ≦ 1, d is 0.5 ≦ d ≦ 1.95 and 2 ≦ a + b + c + d ≦ 3.5, and e is an integer satisfying 2 ≦ e ≦ 100,000 .)
還元性を有するケイ素系高分子化合物を有機溶剤に溶解した溶液でカーボン粉体を処理し、次いでカーボン粉体表面から上記有機溶剤を除去して上記ケイ素系高分子化合物で表面をコートしたカーボン粉体を得、これを上記ケイ素系高分子化合物を溶解しない溶剤に溶解又は分散させた白金系遷移金属塩と接触させて、この白金系遷移金属塩を上記ケイ素系高分子化合物で白金系遷移金属コロイドに還元して、白金系遷移金属微粒子を担持したカーボン粉体を得ることを特徴とする燃料電池用触媒の製造方法。A carbon powder obtained by treating carbon powder with a solution in which a reducing silicon-based polymer compound is dissolved in an organic solvent, then removing the organic solvent from the surface of the carbon powder and coating the surface with the silicon-based polymer compound. A platinum-based transition metal salt dissolved in or dispersed in a solvent that does not dissolve the silicon-based polymer compound, and the platinum-based transition metal salt is converted into a platinum-based transition metal with the silicon-based polymer compound. A method for producing a catalyst for a fuel cell, characterized in that carbon powder carrying platinum-based transition metal fine particles is obtained by reduction to a colloid. 白金系遷移金属が、白金、Ir、Pd又はRhである請求項6記載の方法。The method according to claim 6, wherein the platinum-based transition metal is platinum, Ir, Pd, or Rh. 還元性を有するケイ素系高分子化合物が、Si−Si結合及び/又はSi−H結合を有するポリシラン、ポリカルボシラン、ポリシロキサン、ポリシラザンの中から選ばれたものである請求項6又は7記載の方法。8. The silicon-based polymer compound having reducibility is selected from polysilane, polycarbosilane, polysiloxane, and polysilazane having a Si—Si bond and / or a Si—H bond. Method. ポリシランが、下記式(1)で表されるものである請求項8記載の方法。
(R1 m2 npSi)q (1)
(式中、R1,R2は水素原子又は置換もしくは非置換の一価炭化水素基、XはR1、アルコキシ基、ハロゲン原子、酸素原子又は窒素原子を示し、mは0.1≦m≦2、nは0≦n≦1、pは0≦p≦0.5であり、かつ0.1≦m+n+p≦2.5を満足する数、qは4≦q≦100,000を満足する整数である。)
The method according to claim 8, wherein the polysilane is represented by the following formula (1).
(R 1 m R 2 n X p Si) q (1)
Wherein R 1 and R 2 are a hydrogen atom or a substituted or unsubstituted monovalent hydrocarbon group, X is R 1 , an alkoxy group, a halogen atom, an oxygen atom or a nitrogen atom, and m is 0.1 ≦ m ≦ 2, n is 0 ≦ n ≦ 1, p is 0 ≦ p ≦ 0.5, and 0.1 ≦ m + n + p ≦ 2.5, and q satisfies 4 ≦ q ≦ 100,000 (It is an integer.)
ポリシロキサンが、下記式(2)で表されるものである請求項8記載の方法。
(R3 a4 bcSiOde
(式中、R3,R4は水素原子、置換もしくは非置換の一価炭化水素基、アルコキシ基又はハロゲン原子を示し、aは0.1≦a≦2、bは0≦b≦1、cは0.01≦c≦1、dは0.5≦d≦1.95であり、かつ2≦a+b+c+d≦3.5を満足する数、eは2≦e≦100,000を満足する整数である。)
The method according to claim 8, wherein the polysiloxane is represented by the following formula (2).
(R 3 a R 4 b H c SiO d ) e ( 2 )
Wherein R 3 and R 4 represent a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted monovalent hydrocarbon group, an alkoxy group or a halogen atom, a is 0.1 ≦ a ≦ 2, b is 0 ≦ b ≦ 1, c is a number satisfying 0.01 ≦ c ≦ 1, d is 0.5 ≦ d ≦ 1.95, and 2 ≦ a + b + c + d ≦ 3.5, and e is an integer satisfying 2 ≦ e ≦ 100,000 .)
請求項1乃至5のいずれか1項記載の触媒の焼成物を含有する燃料電池用電極。An electrode for a fuel cell containing the fired product of the catalyst according to any one of claims 1 to 5.
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