JP3826867B2 - Catalyst supporting particle for fuel cell and method for producing catalyst 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、燃料電池用触媒担持粒子および燃料電池用触媒電極の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた電解質から構成され、燃料極には燃料が、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。燃料極に水素、酸化剤極に酸素がそれぞれ供給される場合、各電極で生じる電気化学反応は、燃料極では、
→ 2H + 2e
であり、また、酸化剤極では、
1/2O + 2H +2e → H
である。たとえば電解質にパーフルオロスルフォン酸膜等の固体電解質膜を用いた電池の場合、上記の反応によって、常温・常圧で1A/cm以上の高出力を得ることができる。この高出力を実現するために、両電極は触媒物質が担持された炭素粒子と固体高分子電解質との混合体より構成されている。
【0003】
以上、水素を燃料とした燃料電池について説明したが、近年はメタノールなどの有機液体燃料を用いた燃料電池の研究開発も盛んに行われている。有機液体燃料を使用する燃料電池には、有機液体燃料を水素ガスへ改質して燃料として使用するものや、ダイレクトメタノール型燃料電池に代表されるような、有機液体燃料を改質せずに燃料極に直接供給するものなどが知られている(特許文献1)。
【0004】
【特許文献1】
特開平11−3724号公報
【0005】
燃料電池の特性を向上させるためには、触媒物質の表面積を大きくすることにより、触媒電極における触媒活性を高める必要がある。そのためには、触媒粒子の粒子径を小さくし、均一に分散させる必要がある。従来の燃料電池用触媒電極においては、炭素粒子に触媒物質を担持させる方法として、触媒金属塩を溶かして溶液にしたものを作り、コロイド上にした触媒物質を炭素粒子に担持させた後、還元処理をする方法を用いていた。この還元処理は、一般に400℃以上の温度で水素雰囲気下にて行われるが、アセチレンブラックなど通常用いられる炭素材料を使って400℃前後での還元処理を行うと、触媒物質の平均粒子径が7〜10nm程度と肥大化し、また触媒粒子同士の凝集も生じていた。この結果、触媒物質の表面積が小さくなり、触媒電極における触媒活性が不十分であるという課題があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記事情に鑑み、本発明の目的は、粒子径の小さい触媒物質が良好な分散状態で担持された、触媒活性の高い燃料電池用触媒担持粒子およびそれを用いた燃料電池用触媒電極の製造方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池用触媒担持粒子および燃料電池用触媒電極の製造方法に係るものである。本発明の燃料電池用触媒担持粒子および燃料電池用触媒電極の製造方法によれば、以下のような燃料電池用触媒電極および燃料電池が得られる。
本発明によれば、固体高分子電解質と触媒物質とを担持した炭素粒子を含む燃料電池用触媒電極であって、前記炭素粒子はカーボンナノホーンが球状に集合してなるカーボンナノホーン集合体であって、前記触媒物質の平均粒子径が5nm以下であることを特徴とする燃料電池用触媒電極が提供される。
【0008】
本発明に係る燃料電池用触媒電極においては、触媒物質の粒径が5nm以下と極めて小さいため、触媒の比表面積が大きく、触媒効率が高い。したがって、少ない触媒量で高い反応性を得ることができる。また、炭素粒子にカーボンナノホーン集合体を用いているため、炭素粒子の表面積も極めて大きく、触媒物質の担持量が多い。さらに、カーボンナノホーン集合体特有の三次元構造により、触媒物質と固体高分子電解質との接触面積も大きい。また、触媒反応で発生した水素イオンが効率よく伝達される。したがって、本発明に係る燃料電池用触媒電極は、触媒反応に用いられる面積が極めて大きく、燃料電池に用いた際にその出力を向上させることができる。
【0009】
上記燃料電池用触媒電極においては触媒物質の平均粒子径を5nm以下としているが、2nm以下とすることがより好ましい。こうすることにより、触媒物質の比表面積をより一層小さくすることができる。したがって、燃料電池に用いた際の触媒効率が高まり、燃料電池の出力をさらに向上させることができる。なお、下限については特に制限がないが、たとえば0.1nm以上、好ましくは0.5nm以上とすることができる。こうすることにより、良好な触媒効率を有する電極を製造安定性良く得ることができる。
【0010】
本発明の燃料電池用触媒電極において、前記触媒物質が略球形である構成とすることができる。ここで、「略球形である」とは、触媒粒子の長径/短径比の平均値が3以下であることをいう。こうすることにより、触媒物質の形状の均一性を向上させ、また触媒物質の比表面積をより一層増加させることができる。また、前記触媒物質がカーボンナノホーン集合体上に均一に分散している構成とすることができる。ここで、「均一に分散」とは、凝集塊や二次粒子の形成が抑制され、触媒物質が良好な分散状態でカーボンナノホーン集合体表面に担持された状態をいう。こうすることにより、触媒反応に用いられる表面積をさらに増すことができる。したがって、燃料電池に用いた際にその出力を向上させることができる。
【0011】
本発明の燃料電池用触媒電極において、前記触媒物質が金または白金族金属またはその合金である構成とすることができる。こうすることにより、触媒物質の活性をさらに向上させることができる。
【0012】
本発明の燃料電池用触媒電極において、前記カーボンナノホーン集合体が単層カーボンナノホーン集合体である構成とすることができる。こうすることにより、触媒電極における水素イオンの伝導性を向上させることができる。また、前記カーボンナノホーン集合体が単層グラファイトナノホーンからなる単層グラファイトナノホーン集合体である構成とすることができる。こうすることにより、炭素粒子の電気伝導性が向上するため、触媒電極の性能をより一層向上させることができる。さらに、前記カーボンナノホーン集合体が炭素繊維、カーボンナノファイバー、またはカーボンナノチューブに担持された構成とすることができる。こうすることにより、触媒電極中の微細構造を好適に調節することが可能となる。
【0013】
本発明によれば、燃料極、酸化剤極、および前記燃料極と前記酸化剤極とで挟持された固体電解質膜を含む燃料電池であって、前記燃料極または前記酸化剤極が、前記燃料電池用触媒電極であることを特徴とする燃料電池が提供される。本発明に係る燃料電池は、燃料極または酸化剤極に、上記の燃料電池用触媒電極が用いられているため、触媒電極における触媒反応の効率が高い。したがって、燃料電池の出力特性を向上させることができる。
【0014】
本発明によれば、金属塩の溶液と、カーボンナノホーン集合体と、還元剤とを混合し、前記カーボンナノホーン集合体の表面に金属を担持させる工程と、担持させる前記工程の後、前工程で得られた担持体を乾燥させる工程と、乾燥させる前記工程の後、20℃以上80℃以下の温度で前記金属を還元する工程と、を含むことを特徴とする燃料電池用触媒担持粒子の製造方法が提供される。本発明に係る燃料電池用触媒担持炭素粒子の製造方法によれば、カーボンナノホーン集合体を用い、かつ還元温度を低温とすることにより、カーボンナノホーン集合体表面に担持される触媒物質の平均粒子径を5nm以下、たとえば1nm以上2nm以下と極めて小さくすることができる。また、触媒物質の分散性を向上させることができる。
【0015】
本発明によれば、前記燃料電池用触媒担持粒子の製造方法により燃料電池用触媒担持粒子を作製する工程と、前記燃料電池用触媒担持粒子と固体高分子電解質を含む粒子とを含有する塗布液を基体上に塗布して触媒層を形成する工程と、を含むことを特徴とする燃料電池用触媒電極の製造方法が提供される。本発明に係る燃料電池用触媒電極の製造方法によれば、触媒層を形成する工程において、上述の燃料電池用触媒担持炭素粒子を用いるため、触媒反応効率の高い触媒電極が安定的に製造可能である。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的構成について図面を参照しながら説明する。
【0017】
図1は本実施形態に係る燃料電池の構造の一例を模式的に表した断面図である。触媒電極−固体電解質膜接合体101は、燃料極102、酸化剤極108、固体電解質膜114から構成される。燃料極102と酸化剤極108とをあわせて触媒電極と呼ぶ。燃料極102は基体104および触媒層106から構成される。酸化剤極108は基体110および触媒層112から構成される。単数または複数の触媒電極−固体電解質膜接合体101が、燃料極側セパレータ120および酸化剤極側セパレータ122を介して電気的に接続される。
【0018】
以上のように構成された燃料電池100において、各触媒電極−固体電解質膜接合体101の燃料極102には、燃料極側セパレータ120を介して燃料124が供給される。また、各触媒電極−固体電解質膜接合体101の酸化剤極108には、酸化剤極側セパレータ122を介して空気あるいは酸素などの酸化剤126が供給される。
【0019】
燃料極102および酸化剤極108は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質の微粒子とを含み、触媒層106、触媒層112を基体104、基体110上に形成した構成となっている。基体表面は撥水処理してもよい。
【0020】
基体104および基体110としては、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属などの多孔性基体を用いることができる。また、基体の撥水処理にはポリテトラフルオロエチレンなどの撥水剤を用いることができる。
【0021】
図2は、カーボンナノホーン集合体401の表面に触媒金属405が担持された様子を示す図である。図1の燃料電池100においては、触媒層106または触媒層112に、図2に示される構成の触媒担持炭素粒子および固体高分子電解質403が用いられる。
【0022】
図2に示すように、触媒を担持する炭素粒子として、炭素原子のみからなる新しい炭素同位体であるカーボンナノホーンが球状に集合してなるカーボンナノホーン集合体401を用いる。ここでいう球状とは、必ずしも真球という意味ではなく、楕円形状、ドーナツ状等その他の様々な形状に集合しているものも含まれる。
【0023】
カーボンナノホーン集合体401は、カーボンナノチューブの一端が円錐形状を有する管状体であって、各々の円錐部間に働くファンデルワールス力によって複数のものがチューブを中心にし、円錐部が角(ホーン)のように表面に突き出るような構成で集合したものである。このカーボンナノホーン集合体401の直径は120nm以下、代表的には10nm以上100nm以下である。また、カーボンナノホーン集合体401を構成する各カーボンナノホーンは、チューブの直径が2nm程度、代表的な長さは30nm以上50nm以下であり、円錐部は軸断面の傾角が平均20°程度である。このような特異な構造をとるため、カーボンナノホーン集合体401は非常に比表面積の大きいパッキング構造となっている。カーボンナノホーン集合体401は、通常、室温、1.01325×105Paの不活性ガス雰囲気中で、グラファイト等の固体状炭素単体物質をターゲットとするレーザーアブレーション法によって製造することができる。また、カーボンナノホーン集合体401の球状粒子間の細孔の大きさは、レーザーアブレーション法による製造条件や製造後の酸化処理等によって制御することが可能である。カーボンナノホーン集合体401の中心部ではカーボンナノホーン同士が化学的に結合している、またはカーボンナノチューブが蹴鞠のように丸まっているような形状も考えられるが、これら中心部の構造によって制限されるものではない。また、中心部が中空となっているものも考えられる。
【0024】
また、カーボンナノホーン集合体401を構成するカーボンナノホーンは、先端となる一端が閉じているものでもよいし、閉じていないものでもよい。また、その一端の円錐形状の頂点が丸まった形状で終端していてもよい。カーボンナノホーン集合体401を構成するカーボンナノホーンが、その一端の円錐形状の頂点が丸まった形状で終端している場合、頂点が丸まった部分を外側に向けて放射状に集合している。また、カーボンナノホーンの構造の一部が不完全であり、微細孔を有するものでもよい。さらに、カーボンナノホーン集合体401は、カーボンナノチューブを含むことができる。
【0025】
カーボンナノホーン集合体401は、単層カーボンナノホーンとすることができる。こうすることにより、カーボンナノホーン集合体401中の水素イオン伝導性を向上させることができる。また、カーボンナノホーン集合体401を単層グラファイトナノホーンからなる単層カーボンナノホーン集合体とすることができる。こうすることにより、カーボンナノホーン集合体401の電気伝導性が向上するため、燃料電池用触媒電極に用いた際にその性能を向上させることができる。
【0026】
触媒金属405として、たとえば以下の物質が利用可能である。燃料極102の触媒としては、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、金、銀、ニッケル、コバルト、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウムなどが例示され、これらを単独または二種類以上組み合わせて用いることができる。一方、酸化剤極108の触媒としては、燃料極102の触媒と同様のものが用いることができ、上記例示物質を使用することができる。なお、燃料極102および酸化剤極108の触媒は同じものを用いても異なるものを用いてもよい。
【0027】
また、固体高分子電解質403は、触媒電極の表面において、触媒金属405を担持したカーボンナノホーン集合体401と固体電解質膜114を電気的に接続するとともに、触媒金属405の表面に燃料124を到達させる役割を有しており、水素イオン伝導性が要求される。さらに、燃料極102にメタノール等の有機液体燃料が供給される場合、燃料透過性が求められ、酸化剤極108においては酸素透過性が求められる。固体高分子電解質403としてはこうした要求を満たすために、水素イオン伝導性や、メタノール等の有機液体燃料透過性に優れる材料が好ましく用いられる。具体的には、スルホン基、リン酸基などの強酸基や、カルボキシル基などの弱酸基などの極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、スルホン基含有パーフルオロカーボン(ナフィオン(デュポン社製)、アシプレックス(旭化成社製)など);
カルボキシル基含有パーフルオロカーボン(フレミオンS膜(旭硝子社製)など);
ポリスチレンスルホン酸共重合体、ポリビニルスルホン酸共重合体、架橋アルキルスルホン酸誘導体、フッ素樹脂骨格およびスルホン酸からなるフッ素含有高分子などの共重合体;
アクリルアミド−2−メチルプロパンスルフォン酸のようなアクリルアミド類とn−ブチルメタクリレートのようなアクリレート類とを共重合させて得られる共重合体;
などが例示される。
【0028】
また、極性基の結合する対象の高分子としては他に、ポリベンズイミダゾール誘導体、ポリベンズオキサゾール誘導体、ポリエチレンイミン架橋体、ポリサイラミン誘導体、ポリジエチルアミノエチルポリスチレン等のアミン置換ポリスチレン、ジエチルアミノエチルポリメタクリレート等の窒素置換ポリアクリレート等の窒素または水酸基を有する樹脂;
シラノール含有ポリシロキサン、ヒドロキシエチルポリメチルアクリレートに代表される水酸基含有ポリアクリル樹脂;
パラヒドロキシポリスチレンに代表される水酸基含有ポリスチレン樹脂;
などを用いることもできる。
【0029】
また、上記の高分子に対して、適宜、架橋性の置換基、例えば、ビニル基、エポキシ基、アクリル基、メタクリル基、シンナモイル基、メチロール基、アジド基、ナフトキノンジアジド基を導入してもよい。
【0030】
燃料極102および酸化剤極に108おける上記の固体高分子電解質403は、同一のものであっても異なるものであってもよい。
【0031】
なお、図2において、固体高分子電解質403はカーボンナノホーン集合体401の一部のみに設けられているように図示されているが、実際にはカーボンナノホーン集合体401全体に形成されている。
【0032】
燃料電池100において、固体電解質膜114は、燃料極102と酸化剤極108を隔てるとともに、両者の間で水素イオンや水分子を移動させる役割を有する。このため、固体電解質膜114は、水素イオンの伝導性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。固体電解質膜114を構成する材料としては、スルホン基、リン酸基、ホスホン基、ホスフィン基などの強酸基や、カルボキシル基などの弱酸基などの極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、スルフォン化ポリ(4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン)、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾールなどの芳香族含有高分子;
ポリスチレンスルホン酸共重合体、ポリビニルスルホン酸共重合体、架橋アルキルスルホン酸誘導体、フッ素樹脂骨格およびスルホン酸からなるフッ素含有高分子などの共重合体;
アクリルアミド−2−メチルプロパンスルフォン酸のようなアクリルアミド類とn−ブチルメタクリレートのようなアクリレート類とを共重合させて得られる共重合体;
スルホン基含有パーフルオロカーボン(ナフィオン(デュポン社製:登録商標)、アシプレックス(旭化成社製));
カルボキシル基含有パーフルオロカーボン(フレミオンS膜(旭硝子社製:登録商標));
などが例示される。このうち、スルフォン化ポリ(4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン)、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾールなどの芳香族含有高分子を選択した場合、有機液体燃料の透過を抑制でき、クロスオーバーによる電池効率の低下を抑えることができる。
【0033】
燃料電池100に供給する燃料124としては、気体燃料または液体燃料を用いることができる。気体燃料を用いる場合、たとえば水素を用いることができる。また、液体燃料を用いる場合、燃料124に含まれる有機化合物として、たとえばメタノール、エタノール、プロパノ−ルなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのエーテル類、シクロヘキサンなどのシクロパラフィン類、水酸基、カルボキシル基、アミノ基、アミド基等の親水基を有するシクロパラフィン類、シクロパラフィンの1置換体または2置換体、などを用いることができる。ここで、シクロパラフィン類は、シクロパラフィンおよびその置換体をいい、芳香族化合物以外のものが用いられる。
【0034】
次に、燃料電池100の製造方法について説明する。燃料電池100の製造方法に特に制限はないが、たとえば以下のようにして作製することができる。
【0035】
まず、触媒電極の製造方法について説明する。触媒金属405のカーボンナノホーン集合体401への担持は、一般的に用いられている含浸法によって行うことができる。これは、触媒金属405の金属塩を溶媒に溶解または分散させることによりコロイド状にした触媒物質を、カーボンナノホーン集合体401に担持させた後、還元処理をする方法である。室温を含む20℃以上80℃以下の低い温度にてこの還元処理を行うことにより、カーボンナノホーン集合体401の表面に担持された触媒金属405の平均粒子径を5nm以下、たとえば1nm以上2nm以下の極めて小さい球状粒子状とすることができる。さらに、触媒金属405をカーボンナノホーン粒子上に均一に分散させることができる。次に触媒を担持させた炭素粒子と固体高分子電解質403の粒子を溶媒に分散させ、ペースト状とした後、これを基体104、110に塗布、乾燥させることによって触媒電極を得ることができる。
【0036】
触媒ペースト中の固体高分子電解質403の粒径は、たとえば0.05μm以上1μm以下とする。カーボンナノホーン集合体401と固体高分子電解質403の粒子とは、たとえば、重量比で2:1〜40:1の範囲で用いられる。また、ペースト中の水と溶質との重量比は、たとえば、1:2〜10:1程度とする。なお、カーボンナノホーン集合体401を、炭素繊維、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等に熱処理などによって担持させて用いてもよい。こうすることにより、触媒層106、触媒層112の微細構造を任意に調節することができる。
【0037】
基体104、110へのペーストの塗布方法については特に制限がないが、たとえば、刷毛塗り、スプレー塗布、およびスクリーン印刷等の方法を用いることができる。ペーストは、たとえば約1μm以上2mm以下の厚さで塗布される。ペーストを塗布した後、使用するフッ素樹脂に応じた加熱温度および加熱時間で加熱し、燃料極102または酸化剤極108が作製される。加熱温度および加熱時間は、用いる材料によって適宜選択されるが、たとえば、加熱温度100℃以上250℃以下、加熱時間30秒以上30分以下とすることができる。
【0038】
以上の方法で作製した触媒電極を用いて、以下のようにして燃料電池100を作製する。
【0039】
固体電解質膜114は、用いる材料に応じて適宜な方法を採用して作製することができる。たとえば固体電解質膜114を有機高分子材料で構成する場合、有機高分子材料を溶媒に溶解ないし分散した液体を、ポリテトラフルオロエチレン等の剥離性シート等の上にキャストして乾燥させることにより得ることができる。
【0040】
得られた固体電解質膜114を、燃料極102および酸化剤極108で挟み、ホットプレスし、触媒電極−固体電解質膜接合体101を作製する。このとき、燃料極102、酸化剤極108の触媒層106、112が設けられた面と固体電解質膜114とが接するようにする。ホットプレスの条件は、材料に応じて選択されるが、固体電解質膜114や触媒電極表面の固体高分子電解質を、軟化点やガラス転移点を有する有機高分子で構成する場合、これらの高分子の軟化温度やガラス転位温度を超える温度とすることができる。具体的には、例えば、温度100℃以上250℃以下、圧力1kg/cm以上100kg/cm以下、時間10秒以上300秒以下とする。
【0041】
以上により得られた燃料電池100は、触媒担持炭素粒子としてカーボンナノホーン集合体401が用いられ、カーボンナノホーン集合体401の表面に担持された触媒金属405が平均粒子径5nm以下の球状であり、また触媒金属405が均一に分散しているため、触媒利用効率が高く、優れた電池特性を有する。
【0042】
本実施形態に係る燃料電池の用途は特に限定されないが、たとえば、携帯電話、ノートパソコン、PDA(Personal Digital Assistant)、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤー等、携帯型の小型電気機器に適切に用いられる。
【0043】
【実施例】
以下に本発明に係る燃料電池用触媒電極およびそれを用いた燃料電池を実施例によってさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。
【0044】
[実施例1]
カーボンナノホーン集合体はレーザーアブレーション法により作製した。すなわち、固体状炭素物質としての焼結丸棒炭素を真空容器内に設置し、容器内を10-2Paにまで減圧排気した後、Arガスを1.01325×105Paの雰囲気圧となるように導入した。次いで、高出力のCO2レーザー光を前記固体状炭素物質に室温中、30分照射した。前記レーザーの出力は100W、パルス幅20msの連続発振とし、固体状炭素物質表面とのなす角が120°となるよう照射した。これにより得られたすす状物質を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察したところ、カーボンナノホーン集合体構造であることが確認された。
【0045】
得られたすす状物質をエタノール中で超音波処理(400kHz、60分)とデカンテーションを4回繰り返し行うことにより、単一また数個の粒子からなるカーボンナノホーン集合体を得ることができた。得られたカーボンナノホーン集合体の粒子径は、粒子のTEM観察より10nm以上100nm以下の範囲であった。
【0046】
上で得られたカーボンナノホーン集合体を用いて触媒担持炭素粒子を作製した。触媒となる白金を3wt%含有するジニトロジアミン白金硝酸溶液500gにカーボンナノホーン集合体10gを混合させて攪拌後、還元剤として98v/v%エタノール水溶液60mlを添加した。この分散液を沸点の約95℃で8時間攪拌混合し、触媒物質となる白金微粒子をカーボンナノホーン集合体に担持させた。白金微粒子が担持されたカーボンナノホーン集合体を濾別、乾燥し、水素気流中で室温(20℃)において5時間還元して触媒担持炭素粒子を得た。白金の担持量はカーボンナノホーン集合体の重量に対して50%程度であった。
【0047】
得られた触媒担持炭素粒子をTEMにより観察した結果、カーボンナノホーン集合体上に担持された白金は、平均粒子径が1〜2nmで、粒子の長径/短径比が約1の球状であり、またカーボンナノホーン上に均一に分散していることが確認された。また、60℃、80℃の各温度で還元を行った場合にも、白金粒子の形状と大きさは、室温で還元した場合とほぼ等しかった。なお、400℃で還元を行った場合、白金粒子の平均粒子径は約5nmの球状であった。
【0048】
したがって、炭素材料としてカーボンナノホーン集合体を用い、かつ還元処理を低温で行うことにより、触媒金属をカーボンナノホーン集合体表面に均一に分散させ、かつその平均粒子径を1nm〜2nmと極めて小さくすることができた。
【0049】
[比較例1]
炭素材料としてアセチレンブラック(電気化学社製)を用い、実施例1と同様にして触媒金属を担持させた。
【0050】
得られた触媒担持炭素粒子を実施例1と同様にしてTEMにより観察したところ、アセチレンブラック上に担持された白金は平均粒子径が約7nmであった。また白金粒子の形状は一定せず、かつ幾つかの粒子が凝集していた。なお、通常の400℃での還元をした場合にはアセチレンブラック上の触媒金属の平均粒子径は約10nmであった。したがって、低温で還元処理を行うことにより、アセチレンブラックを用いた場合においても触媒の粒子を小さくする効果があることがわかった。
【0051】
[実施例2]
実施例1で作製した触媒担持炭素粒子(カーボンナノホーン集合体)を用いて燃料電池用触媒電極および燃料電池を作製した。
【0052】
固体高分子電解質のアルコール溶液として、アルドリッチ・ケミカル社製の5%ナフィオン溶液を用いた。これを、固体高分子電解質量が0.1〜0.4mg/cmとなるようにn−酢酸ブチルと混合攪拌し、固体高分子電解質のコロイド状分散液を作製した。実施例1で白金を担持させたカーボンナノホーン集合体の粉末を、上記の高分子電解質のコロイド状分散液に添加することにより、カーボンナノホーン集合体の表面にコロイドを吸着させた。得られた分散液を、超音波分散器を用いてペースト状とした。このペーストを、基体(ガス拡散層)となるカーボンペーパー上にスクリーン印刷法で塗布した後、加熱乾燥して固体高分子型燃料電池用電極を作製した。基体として、厚さ0.19mmのカーボンペーパー(東レ社製)を用いた。
【0053】
得られた燃料電池用触媒電極を、デュポン社製ナフィオン115の両面に温度120〜200℃、圧力50〜100kg/cmでホットプレスして触媒電極−固体電解質膜接合体を作製した。これを燃料電池の単セル測定用装置にセットした。
【0054】
このセルの供給ガスに酸素、水素(1.01325×105Pa、室温)を用いてセルの出力特性を測定した。その結果、0.80Wという高い出力特性が発揮された。これは、触媒物質である白金が、カーボンナノホーン集合体表面で微細な球状となり、比表面積が増大することによって触媒活性が向上するとともに、触媒反応が関与する表面積が大きくなったためと考えられる。
【0055】
[比較例2]
比較例1で白金を担持させたアセチレンブラックの粉末を用いて燃料電池用触媒電極および燃料電池を実施例2と同様にして作製、評価した。
【0056】
アセチレンブラック上に担持した白金を400℃で還元したものを使用した場合には0.60Wの出力であったが、同じアセチレンブラック上に担持した白金を室温で還元したものを使用した場合には0.65Wの出力であった。したがって、触媒担持炭素粒子の作製時に還元処理を低温で行うことにより、やや出力特性が改善するものの、炭素材料としてカーボンナノホーン集合体を用いた場合に比べると低い出力であった。
【0057】
[実施例3]
実施例1と同様の方法で、触媒金属が白金−ルテニウムの合金となるように、塩化白金及び塩化ルテニウムから触媒金属が溶解した溶液を作製し、カーボンナノホーン集合体状に担持させた。還元処理は、4wt%水素を含んだアルゴンガス気流中室温において行った。
【0058】
得られた触媒担持炭素粒子上の白金−ルテニウム合金を実施例1と同様にしてTEMにより観察したところ、触媒金属は、平均粒子径が1〜2nmで、粒子の長径/短径比が約1の球状であり、またカーボンナノホーン上に均一に分散していることが確認された。したがって、触媒金属を白金−ルテニウム合金とした場合であっても、炭素材料としてカーボンナノホーン集合体を用い、室温で還元処理を行うことにより触媒金属の粒子径を小さくし、カーボンナノホーン集合体表面に均一に分散されることが確かめられた。
【0059】
[比較例3]
炭素材料としてアセチレンブラック(電気化学社製)を用い、実施例3と同様にして触媒金属を担持させた。
【0060】
得られた触媒担持炭素粒子を実施例1と同様にしてTEMにより観察したところ、アセチレンブラック上に担持された白金−ルテニウム合金は平均粒子径が約7nmであった。また触媒金属の形状は一定せず、かつ幾つかの粒子が凝集していた。なお、通常の400℃での還元をした場合にはアセチレンブラック上の触媒金属の平均粒子径は約10nmであった。したがって、低温で還元処理を行うことにより、アセチレンブラックを用いた場合においても触媒の粒子を小さくする効果があることがわかった。
【0061】
[実施例4]
実施例3で得られた触媒担持炭素粒子(カーボンナノホーン集合体)を用い、実施例2と同様にして燃料電池を作製した。得られた電池の燃料極および酸化剤極に、10v/v%メタノールおよび1.01325×105Paの酸素をそれぞれ供給してダイレクトメタノール型燃料電池とし、この出力特性を室温にて測定した。
【0062】
その結果、0.20Wまで出力特性が向上していることが確認された。
【0063】
[比較例4]
比較例3で白金を担持させたアセチレンブラックの粉末を用いて燃料電池用触媒電極および燃料電池を実施例4と同様にして作製、評価した。
【0064】
アセチレンブラック上に担持した白金を室温および400℃で還元したものを使用した電池はいずれも0.15Wの出力であった。したがって、いずれも炭素材料としてカーボンナノホーン集合体を用いた場合に比べて出力特性が低かった。
【0065】
以上の実施例および比較例より、触媒電極に用いる触媒担持炭素粒子をカーボンナノホーン集合体とし、触媒金属を担持させる際の還元処理を低温で行うことにより、触媒金属の粒子径を小さくし、かつカーボンナノホーン集合体表面に均一に分散させることが可能であった。また、こうして触媒金属が担持されたカーボンナノホーン集合体を用いて作製した燃料電池は、出力特性に優れることが明らかになった。
【0066】
なお、本発明が上記の実施例に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施例は適宜変更され得ることは明らかである。たとえば、本実施例では水素−酸素およびメタノール−酸素を燃料とした電池を取り上げたが、天然ガス、ナフサなどを燃料とする改質水素を燃料に用いた電池や、酸化剤として空気を用いた燃料電池などに適用することも可能である。
【0067】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、粒子径の小さい触媒物質が良好な分散状態で担持された、触媒活性の高い燃料電池用触媒担持粒子およびそれを用いた燃料電池用触媒電極の製造方法が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃料電池の構成の一例を模式的に示す断面図である。
【図2】本発明に係るカーボンナノホーン集合体と、触媒金属と、固体高分子電解質とを含む複合電解質の構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
100 燃料電池
101 触媒電極−固体電解質膜接合体
102 燃料極
104 基体
106 触媒層
108 酸化剤極
110 基体
112 触媒層
114 固体電解質膜
120 燃料極側セパレータ
122 酸化剤極側セパレータ
124 燃料
126 酸化剤
401 カーボンナノホーン集合体
403 固体高分子電解質
405 触媒金属
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a fuel cell catalyst-carrying particle and a method for producing a fuel cell catalyst electrode.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is composed of a fuel electrode and an oxidant electrode, and an electrolyte provided therebetween. The fuel cell is supplied with fuel, and the oxidant electrode is supplied with an oxidant to generate electricity by an electrochemical reaction. When hydrogen is supplied to the fuel electrode and oxygen is supplied to the oxidizer electrode, the electrochemical reaction that occurs at each electrode is
H2 → 2H+ + 2e
And at the oxidizer electrode,
1 / 2O2 + 2H+ + 2e → H2O
It is. For example, in the case of a battery using a solid electrolyte membrane such as a perfluorosulfonic acid membrane as the electrolyte, 1 A / cm at normal temperature and normal pressure is obtained by the above reaction.2The above high output can be obtained. In order to realize this high output, both electrodes are composed of a mixture of carbon particles carrying a catalyst substance and a solid polymer electrolyte.
[0003]
Although the fuel cell using hydrogen as the fuel has been described above, research and development of a fuel cell using an organic liquid fuel such as methanol has been actively conducted in recent years. Fuel cells that use organic liquid fuels can be used without reforming organic liquid fuels, such as those that reform organic liquid fuels into hydrogen gas and use them as fuel, and direct methanol fuel cells. One that supplies directly to the fuel electrode is known (Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-3724
[0005]
In order to improve the characteristics of the fuel cell, it is necessary to increase the catalytic activity of the catalyst electrode by increasing the surface area of the catalyst material. For that purpose, it is necessary to reduce the particle diameter of the catalyst particles and to disperse them uniformly. In the conventional catalyst electrode for fuel cells, as a method of supporting the catalyst material on the carbon particles, a catalyst metal salt is dissolved to make a solution, and the catalyst material on the colloid is supported on the carbon particles and then reduced. The method of processing was used. This reduction treatment is generally performed in a hydrogen atmosphere at a temperature of 400 ° C. or higher. However, when a reduction treatment is performed at around 400 ° C. using a commonly used carbon material such as acetylene black, the average particle size of the catalyst substance is increased. The size was increased to about 7 to 10 nm, and aggregation of the catalyst particles occurred. As a result, there has been a problem that the surface area of the catalyst material is reduced and the catalytic activity in the catalyst electrode is insufficient.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
  In view of the above circumstances, the object of the present invention is,grainIt is an object of the present invention to provide a fuel cell catalyst-carrying particle having a high catalytic activity in which a catalyst substance having a small diameter is supported in a good dispersion state, and a method for producing a fuel cell catalyst electrode using the same.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
  The present invention relates to a method for producing fuel cell catalyst-carrying particles and a fuel cell catalyst electrode. According to the method for producing the fuel cell catalyst-carrying particles and the fuel cell catalyst electrode of the present invention, the following fuel cell catalyst electrode and fuel cell can be obtained.
  According to the present invention, there is provided a catalyst electrode for a fuel cell comprising carbon particles supporting a solid polymer electrolyte and a catalyst material, wherein the carbon particles are carbon nanohorn aggregates formed by collecting carbon nanohorns in a spherical shape. The catalyst electrode for fuel cells is provided, wherein the catalyst material has an average particle size of 5 nm or less.
[0008]
In the catalyst electrode for a fuel cell according to the present invention, since the particle size of the catalyst material is as small as 5 nm or less, the specific surface area of the catalyst is large and the catalyst efficiency is high. Therefore, high reactivity can be obtained with a small amount of catalyst. In addition, since carbon nanohorn aggregates are used for the carbon particles, the surface area of the carbon particles is extremely large and the amount of the catalyst substance supported is large. Furthermore, the contact area between the catalyst substance and the solid polymer electrolyte is large due to the three-dimensional structure unique to the carbon nanohorn aggregate. In addition, hydrogen ions generated by the catalytic reaction are efficiently transmitted. Therefore, the catalyst electrode for a fuel cell according to the present invention has an extremely large area used for a catalytic reaction, and can improve its output when used in a fuel cell.
[0009]
In the fuel cell catalyst electrode, the average particle size of the catalyst material is 5 nm or less, but more preferably 2 nm or less. By doing so, the specific surface area of the catalyst substance can be further reduced. Therefore, the catalyst efficiency when used in a fuel cell is increased, and the output of the fuel cell can be further improved. In addition, although there is no restriction | limiting in particular about a minimum, For example, it is 0.1 nm or more, Preferably it can be 0.5 nm or more. By carrying out like this, the electrode which has favorable catalyst efficiency can be obtained with manufacture stability.
[0010]
In the catalyst electrode for a fuel cell according to the present invention, the catalyst substance may have a substantially spherical shape. Here, “substantially spherical” means that the average value of the major axis / minor axis ratio of the catalyst particles is 3 or less. By doing so, the uniformity of the shape of the catalyst material can be improved, and the specific surface area of the catalyst material can be further increased. Further, the catalyst substance can be uniformly dispersed on the carbon nanohorn aggregate. Here, “uniformly dispersed” refers to a state in which the formation of aggregates and secondary particles is suppressed and the catalyst material is supported on the surface of the carbon nanohorn aggregate in a well dispersed state. By doing so, the surface area used for the catalytic reaction can be further increased. Therefore, when used in a fuel cell, its output can be improved.
[0011]
In the catalyst electrode for a fuel cell of the present invention, the catalyst substance may be gold, a platinum group metal, or an alloy thereof. By doing so, the activity of the catalyst substance can be further improved.
[0012]
In the catalyst electrode for a fuel cell according to the present invention, the carbon nanohorn aggregate may be a single-walled carbon nanohorn aggregate. By doing so, the conductivity of hydrogen ions in the catalyst electrode can be improved. Further, the carbon nanohorn aggregate may be a single-layer graphite nanohorn aggregate composed of single-layer graphite nanohorns. By doing so, the electrical conductivity of the carbon particles is improved, so that the performance of the catalyst electrode can be further improved. Further, the carbon nanohorn aggregate can be supported on carbon fibers, carbon nanofibers, or carbon nanotubes. By doing so, it is possible to suitably adjust the microstructure in the catalyst electrode.
[0013]
According to the present invention, there is provided a fuel cell including a fuel electrode, an oxidant electrode, and a solid electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxidant electrode, wherein the fuel electrode or the oxidant electrode is the fuel electrode. A fuel cell is provided that is a catalyst electrode for a battery. In the fuel cell according to the present invention, since the above-described catalyst electrode for a fuel cell is used for the fuel electrode or the oxidant electrode, the efficiency of the catalytic reaction at the catalyst electrode is high. Therefore, the output characteristics of the fuel cell can be improved.
[0014]
  According to the present invention, after mixing the metal salt solution, the carbon nanohorn aggregate, and the reducing agent, supporting the metal on the surface of the carbon nanohorn aggregate, and after the supporting process,After the step of drying the support obtained in the previous step and the step of drying, the temperature is 20 ° C. or higher and 80 ° C. or lower.And a step of reducing the metal at a temperature of 1. A method for producing catalyst-carrying particles for a fuel cell is provided. According to the method for producing catalyst-supported carbon particles for a fuel cell according to the present invention, the average particle diameter of the catalyst material supported on the surface of the carbon nanohorn aggregate is obtained by using the carbon nanohorn aggregate and lowering the reduction temperature. Can be made extremely small, for example, 5 nm or less, for example, 1 nm to 2 nm. In addition, the dispersibility of the catalyst substance can be improved.
[0015]
According to the present invention, a coating liquid containing a step of producing fuel cell catalyst-carrying particles by the method for producing fuel cell catalyst-carrying particles, and a fuel cell catalyst-carrying particle and a solid polymer electrolyte-containing particle. And a step of forming a catalyst layer on a substrate. A method for producing a catalyst electrode for a fuel cell is provided. According to the method for producing a catalyst electrode for a fuel cell according to the present invention, since the catalyst-supported carbon particles for a fuel cell are used in the step of forming a catalyst layer, a catalyst electrode having high catalytic reaction efficiency can be produced stably. It is.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a specific configuration of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0017]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of the structure of the fuel cell according to the present embodiment. The catalyst electrode-solid electrolyte membrane assembly 101 includes a fuel electrode 102, an oxidant electrode 108, and a solid electrolyte membrane 114. The fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 are collectively referred to as a catalyst electrode. The fuel electrode 102 includes a substrate 104 and a catalyst layer 106. The oxidant electrode 108 includes a base 110 and a catalyst layer 112. One or a plurality of catalyst electrode-solid electrolyte membrane assemblies 101 are electrically connected via a fuel electrode side separator 120 and an oxidant electrode side separator 122.
[0018]
In the fuel cell 100 configured as described above, the fuel 124 is supplied to the fuel electrode 102 of each catalyst electrode-solid electrolyte membrane assembly 101 via the fuel electrode-side separator 120. Further, an oxidant 126 such as air or oxygen is supplied to the oxidant electrode 108 of each catalyst electrode-solid electrolyte membrane assembly 101 via the oxidant electrode side separator 122.
[0019]
The fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 include carbon particles supporting a catalyst and solid polymer electrolyte fine particles, and the catalyst layer 106 and the catalyst layer 112 are formed on the substrate 104 and the substrate 110. The substrate surface may be subjected to a water repellent treatment.
[0020]
As the substrate 104 and the substrate 110, porous substrates such as carbon paper, a carbon molded body, a carbon sintered body, a sintered metal, and a foam metal can be used. A water repellent such as polytetrafluoroethylene can be used for the water repellent treatment of the substrate.
[0021]
FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which the catalytic metal 405 is supported on the surface of the carbon nanohorn aggregate 401. In the fuel cell 100 of FIG. 1, the catalyst-supporting carbon particles and the solid polymer electrolyte 403 having the configuration shown in FIG. 2 are used for the catalyst layer 106 or the catalyst layer 112.
[0022]
As shown in FIG. 2, a carbon nanohorn aggregate 401 in which carbon nanohorns, which are new carbon isotopes composed of only carbon atoms, are spherically assembled is used as the carbon particles supporting the catalyst. The term “spherical” as used herein does not necessarily mean a true sphere, but includes a collection of various shapes such as an elliptical shape and a donut shape.
[0023]
The carbon nanohorn aggregate 401 is a tubular body in which one end of a carbon nanotube has a conical shape. A plurality of carbon nanohorn aggregates are centered on a tube by van der Waals force acting between the conical parts, and the conical part has a corner (horn). As shown in the figure, they are assembled in a configuration that protrudes from the surface. The diameter of the carbon nanohorn aggregate 401 is 120 nm or less, typically 10 nm or more and 100 nm or less. Each carbon nanohorn constituting the carbon nanohorn aggregate 401 has a tube diameter of about 2 nm, a typical length of 30 nm or more and 50 nm or less, and the cone portion has an average angle of inclination of an axial section of about 20 °. In order to take such a unique structure, the carbon nanohorn aggregate 401 has a packing structure with a very large specific surface area. The carbon nanohorn aggregate 401 usually has a room temperature of 1.01325 × 10FiveIt can be produced by a laser ablation method using a solid carbon simple substance such as graphite as a target in an inert gas atmosphere of Pa. Moreover, the size of the pores between the spherical particles of the carbon nanohorn aggregate 401 can be controlled by the production conditions by the laser ablation method, the oxidation treatment after the production, or the like. In the central part of the carbon nanohorn aggregate 401, carbon nanohorns are chemically bonded to each other, or a shape in which the carbon nanotubes are rounded like a kicker is conceivable, but is limited by the structure of these central parts. is not. Moreover, what has a hollow center part is also considered.
[0024]
The carbon nanohorn constituting the carbon nanohorn aggregate 401 may be closed at one end or may not be closed. Moreover, you may terminate in the shape where the vertex of the cone shape of the one end was round. When the carbon nanohorns constituting the carbon nanohorn aggregate 401 are terminated with a rounded conical apex at one end, the carbon nanohorns are gathered radially with the rounded apex outward. Further, a part of the structure of the carbon nanohorn may be incomplete and may have fine pores. Furthermore, the carbon nanohorn aggregate 401 can include carbon nanotubes.
[0025]
The carbon nanohorn aggregate 401 can be a single-layer carbon nanohorn. By doing so, the hydrogen ion conductivity in the carbon nanohorn aggregate 401 can be improved. The carbon nanohorn aggregate 401 can be a single-layer carbon nanohorn aggregate composed of single-layer graphite nanohorns. By doing so, the electrical conductivity of the carbon nanohorn aggregate 401 is improved, so that the performance can be improved when used for the catalyst electrode for a fuel cell.
[0026]
For example, the following materials can be used as the catalyst metal 405. Examples of the catalyst for the fuel electrode 102 include platinum, rhodium, palladium, iridium, osmium, ruthenium, rhenium, gold, silver, nickel, cobalt, lithium, lanthanum, strontium, yttrium, and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Can be used. On the other hand, as the catalyst for the oxidant electrode 108, the same catalyst as that for the fuel electrode 102 can be used, and the above-mentioned exemplified substances can be used. The catalyst for the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 may be the same or different.
[0027]
The solid polymer electrolyte 403 electrically connects the carbon nanohorn aggregate 401 carrying the catalyst metal 405 and the solid electrolyte membrane 114 on the surface of the catalyst electrode, and allows the fuel 124 to reach the surface of the catalyst metal 405. Therefore, hydrogen ion conductivity is required. Further, when an organic liquid fuel such as methanol is supplied to the fuel electrode 102, fuel permeability is required, and the oxidant electrode 108 is required to have oxygen permeability. In order to satisfy these requirements, the solid polymer electrolyte 403 is preferably made of a material excellent in hydrogen ion conductivity and organic liquid fuel permeability such as methanol. Specifically, an organic polymer having a polar group such as a strong acid group such as a sulfone group or a phosphoric acid group or a weak acid group such as a carboxyl group is preferably used. Examples of such organic polymers include sulfone group-containing perfluorocarbons (Nafion (DuPont), Aciplex (Asahi Kasei), etc.);
Carboxyl group-containing perfluorocarbon (Flemion S membrane (Asahi Glass Co., Ltd.));
Copolymers such as polystyrene sulfonic acid copolymer, polyvinyl sulfonic acid copolymer, cross-linked alkyl sulfonic acid derivative, fluorine resin skeleton and fluorine-containing polymer comprising sulfonic acid;
A copolymer obtained by copolymerizing acrylamides such as acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid and acrylates such as n-butyl methacrylate;
Etc. are exemplified.
[0028]
In addition, examples of the polymer to which the polar group is bonded include polybenzimidazole derivatives, polybenzoxazole derivatives, polyethyleneimine cross-linked products, polysilamine derivatives, amine-substituted polystyrenes such as polydiethylaminoethylpolystyrene, diethylaminoethylpolymethacrylate, and the like. Resins having nitrogen or hydroxyl groups, such as nitrogen-substituted polyacrylates;
Hydroxyl group-containing polyacrylic resin represented by silanol-containing polysiloxane and hydroxyethyl polymethyl acrylate;
Hydroxyl group-containing polystyrene resin represented by parahydroxypolystyrene;
Etc. can also be used.
[0029]
In addition, a crosslinkable substituent such as a vinyl group, an epoxy group, an acrylic group, a methacryl group, a cinnamoyl group, a methylol group, an azide group, or a naphthoquinonediazide group may be appropriately introduced into the above polymer. .
[0030]
The solid polymer electrolyte 403 in the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 may be the same or different.
[0031]
In FIG. 2, the solid polymer electrolyte 403 is illustrated as being provided only on a part of the carbon nanohorn aggregate 401, but actually, it is formed on the entire carbon nanohorn aggregate 401.
[0032]
In the fuel cell 100, the solid electrolyte membrane 114 has a role of separating the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 and moving hydrogen ions and water molecules between the two. For this reason, the solid electrolyte membrane 114 is preferably a membrane having high hydrogen ion conductivity. Further, it is preferably chemically stable and has high mechanical strength. As a material constituting the solid electrolyte membrane 114, an organic polymer having a polar group such as a strong acid group such as a sulfone group, a phosphate group, a phosphone group, or a phosphine group, or a weak acid group such as a carboxyl group is preferably used. Examples of such organic polymers include aromatic-containing polymers such as sulfonated poly (4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene) and alkylsulfonated polybenzimidazole;
Copolymers such as polystyrene sulfonic acid copolymer, polyvinyl sulfonic acid copolymer, cross-linked alkyl sulfonic acid derivative, fluorine resin skeleton and fluorine-containing polymer comprising sulfonic acid;
A copolymer obtained by copolymerizing acrylamides such as acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid and acrylates such as n-butyl methacrylate;
Sulfone group-containing perfluorocarbon (Nafion (manufactured by DuPont: registered trademark), Aciplex (manufactured by Asahi Kasei));
Carboxyl group-containing perfluorocarbon (Flemion S membrane (Asahi Glass Co., Ltd .: registered trademark));
Etc. are exemplified. Among these, when an aromatic-containing polymer such as sulfonated poly (4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene) or alkylsulfonated polybenzimidazole is selected, the permeation of organic liquid fuel can be suppressed, and a battery by crossover A decrease in efficiency can be suppressed.
[0033]
As the fuel 124 supplied to the fuel cell 100, gaseous fuel or liquid fuel can be used. When gaseous fuel is used, for example, hydrogen can be used. When liquid fuel is used, examples of the organic compound contained in the fuel 124 include alcohols such as methanol, ethanol and propanol, ethers such as dimethyl ether, cycloparaffins such as cyclohexane, hydroxyl group, carboxyl group and amino group. , Cycloparaffins having a hydrophilic group such as an amide group, mono- or di-substituted cycloparaffins, and the like can be used. Here, cycloparaffins refer to cycloparaffins and substituted products thereof, and those other than aromatic compounds are used.
[0034]
Next, a method for manufacturing the fuel cell 100 will be described. Although there is no restriction | limiting in particular in the manufacturing method of the fuel cell 100, For example, it can produce as follows.
[0035]
  First, the manufacturing method of a catalyst electrode is demonstrated. The catalyst metal 405 can be supported on the carbon nanohorn aggregate 401 by a commonly used impregnation method. This is a method of carrying out a reduction treatment after supporting a colloidal catalyst substance by dissolving or dispersing a metal salt of the catalyst metal 405 in a solvent on the carbon nanohorn aggregate 401. Including room temperature20 ℃ to 80 ℃Low temperatureEvery timeBy performing this reduction treatment, the average particle diameter of the catalyst metal 405 supported on the surface of the carbon nanohorn aggregate 401 can be made into extremely small spherical particles of 5 nm or less, for example, 1 nm to 2 nm. Furthermore, the catalyst metal 405 can be uniformly dispersed on the carbon nanohorn particles. Next, the catalyst-supported carbon particles and the solid polymer electrolyte 403 particles are dispersed in a solvent to form a paste, which is then applied to the substrates 104 and 110 and dried to obtain a catalyst electrode.
[0036]
The particle size of the solid polymer electrolyte 403 in the catalyst paste is, for example, 0.05 μm or more and 1 μm or less. The carbon nanohorn aggregate 401 and the particles of the solid polymer electrolyte 403 are used, for example, in the range of 2: 1 to 40: 1 by weight ratio. Further, the weight ratio of water and solute in the paste is, for example, about 1: 2 to 10: 1. Note that the carbon nanohorn aggregate 401 may be supported on a carbon fiber, carbon nanofiber, carbon nanotube, or the like by heat treatment or the like. By doing so, the fine structures of the catalyst layer 106 and the catalyst layer 112 can be arbitrarily adjusted.
[0037]
Although there is no restriction | limiting in particular about the coating method of the paste to the base | substrates 104 and 110, For example, methods, such as brush coating, spray coating, and screen printing, can be used. The paste is applied with a thickness of about 1 μm to 2 mm, for example. After the paste is applied, the fuel electrode 102 or the oxidant electrode 108 is manufactured by heating at a heating temperature and a heating time corresponding to the fluororesin to be used. The heating temperature and the heating time are appropriately selected depending on the material to be used. For example, the heating temperature may be 100 ° C. or more and 250 ° C. or less, and the heating time may be 30 seconds or more and 30 minutes or less.
[0038]
The fuel cell 100 is produced as follows using the catalyst electrode produced by the above method.
[0039]
The solid electrolyte membrane 114 can be manufactured by employing an appropriate method depending on the material to be used. For example, when the solid electrolyte membrane 114 is made of an organic polymer material, a liquid obtained by dissolving or dispersing the organic polymer material in a solvent is obtained by casting on a peelable sheet such as polytetrafluoroethylene and drying the resultant. be able to.
[0040]
The obtained solid electrolyte membrane 114 is sandwiched between the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 and hot-pressed to produce the catalyst electrode-solid electrolyte membrane assembly 101. At this time, the surfaces of the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 on which the catalyst layers 106 and 112 are provided are in contact with the solid electrolyte membrane 114. The conditions for hot pressing are selected depending on the material. When the solid polymer electrolyte 114 or the solid polymer electrolyte on the surface of the catalyst electrode is composed of an organic polymer having a softening point or a glass transition point, these polymers are used. The temperature can be higher than the softening temperature or glass transition temperature. Specifically, for example, the temperature is 100 ° C. or more and 250 ° C. or less, and the pressure is 1 kg / cm.2100 kg / cm or more2Hereinafter, the time is 10 seconds to 300 seconds.
[0041]
In the fuel cell 100 obtained as described above, the carbon nanohorn aggregate 401 is used as the catalyst-supporting carbon particles, and the catalyst metal 405 supported on the surface of the carbon nanohorn aggregate 401 is spherical with an average particle diameter of 5 nm or less. Since the catalyst metal 405 is uniformly dispersed, the catalyst utilization efficiency is high and the battery characteristics are excellent.
[0042]
Although the use of the fuel cell according to the present embodiment is not particularly limited, for example, it is suitable for portable small electric devices such as a mobile phone, a notebook computer, a PDA (Personal Digital Assistant), various cameras, a navigation system, and a portable music player. Used for.
[0043]
【Example】
The fuel cell catalyst electrode and the fuel cell using the same according to the present invention will be described more specifically with reference to the following examples, but the present invention is not limited thereto.
[0044]
[Example 1]
The carbon nanohorn aggregate was produced by a laser ablation method. That is, sintered round bar carbon as a solid carbon material is placed in a vacuum container, and the container is filled with 10-2After evacuating to Pa, Ar gas was 1.01325 × 10FiveIt introduced so that it might become the atmospheric pressure of Pa. Next, high output CO2The solid carbon material was irradiated with laser light for 30 minutes at room temperature. The output of the laser was 100 W, the pulse width was 20 ms, and irradiation was performed so that the angle formed with the solid carbon material surface was 120 °. When the soot-like substance thus obtained was observed with a transmission electron microscope (TEM), it was confirmed to have a carbon nanohorn aggregate structure.
[0045]
The obtained soot-like substance was subjected to ultrasonic treatment (400 kHz, 60 minutes) and decantation in ethanol four times, whereby a carbon nanohorn aggregate composed of single or several particles could be obtained. The particle diameter of the obtained carbon nanohorn aggregate was in the range of 10 nm to 100 nm from TEM observation of the particles.
[0046]
Catalyst-supported carbon particles were produced using the carbon nanohorn aggregates obtained above. 10 g of the carbon nanohorn aggregate was mixed with 500 g of a dinitrodiamine platinum nitric acid solution containing 3 wt% of platinum serving as a catalyst and stirred, and then 60 ml of a 98 v / v% aqueous ethanol solution was added as a reducing agent. This dispersion was stirred and mixed at a boiling point of about 95 ° C. for 8 hours, and platinum fine particles serving as a catalyst material were supported on the carbon nanohorn aggregate. The carbon nanohorn aggregate on which the platinum fine particles were supported was separated by filtration, dried, and reduced in a hydrogen stream at room temperature (20 ° C.) for 5 hours to obtain catalyst-supported carbon particles. The amount of platinum supported was about 50% with respect to the weight of the carbon nanohorn aggregate.
[0047]
As a result of observing the obtained catalyst-carrying carbon particles by TEM, platinum carried on the carbon nanohorn aggregate is spherical with an average particle diameter of 1 to 2 nm and a major axis / minor axis ratio of about 1; Moreover, it was confirmed that it was uniformly dispersed on the carbon nanohorn. Also, when the reduction was performed at 60 ° C. and 80 ° C., the shape and size of the platinum particles were almost the same as when the reduction was performed at room temperature. When the reduction was performed at 400 ° C., the average particle diameter of the platinum particles was a spherical shape of about 5 nm.
[0048]
Therefore, by using a carbon nanohorn aggregate as a carbon material and performing a reduction treatment at a low temperature, the catalyst metal is uniformly dispersed on the surface of the carbon nanohorn aggregate, and the average particle diameter is extremely small, 1 nm to 2 nm. I was able to.
[0049]
[Comparative Example 1]
Acetylene black (manufactured by Denki Kagaku) was used as the carbon material, and a catalyst metal was supported in the same manner as in Example 1.
[0050]
The obtained catalyst-supported carbon particles were observed by TEM in the same manner as in Example 1. As a result, platinum supported on acetylene black had an average particle diameter of about 7 nm. Moreover, the shape of the platinum particles was not constant, and some particles were aggregated. When the reduction was performed at a normal temperature of 400 ° C., the average particle diameter of the catalyst metal on acetylene black was about 10 nm. Therefore, it was found that the reduction treatment at low temperature has the effect of reducing the catalyst particles even when acetylene black is used.
[0051]
[Example 2]
Using the catalyst-supported carbon particles (carbon nanohorn aggregate) produced in Example 1, a fuel cell catalyst electrode and a fuel cell were produced.
[0052]
As an alcohol solution of the solid polymer electrolyte, a 5% Nafion solution manufactured by Aldrich Chemical Co. was used. The solid polymer electrolytic mass is 0.1 to 0.4 mg / cm.2Then, the mixture was stirred with n-butyl acetate to prepare a colloidal dispersion of solid polymer electrolyte. The powder of the carbon nanohorn aggregate carrying platinum in Example 1 was added to the above-described colloidal dispersion of the polymer electrolyte to adsorb the colloid on the surface of the carbon nanohorn aggregate. The obtained dispersion was made into a paste using an ultrasonic disperser. This paste was applied on a carbon paper serving as a substrate (gas diffusion layer) by screen printing, and then dried by heating to produce a polymer electrolyte fuel cell electrode. Carbon paper (manufactured by Toray Industries, Inc.) having a thickness of 0.19 mm was used as the substrate.
[0053]
The obtained fuel cell catalyst electrode was formed on both surfaces of Nafion 115 manufactured by DuPont at a temperature of 120 to 200 ° C. and a pressure of 50 to 100 kg / cm.2And a catalyst electrode-solid electrolyte membrane assembly was produced by hot pressing. This was set in an apparatus for measuring a single cell of a fuel cell.
[0054]
Oxygen and hydrogen (1.01325 × 10Five(Pa, room temperature) was used to measure the output characteristics of the cell. As a result, a high output characteristic of 0.80 W was exhibited. This is presumably because platinum, which is a catalyst substance, becomes fine spheres on the surface of the carbon nanohorn aggregate, the catalytic activity is improved by increasing the specific surface area, and the surface area involved in the catalytic reaction is increased.
[0055]
[Comparative Example 2]
Using the acetylene black powder carrying platinum in Comparative Example 1, a fuel cell catalyst electrode and a fuel cell were prepared and evaluated in the same manner as in Example 2.
[0056]
When the platinum supported on acetylene black was reduced at 400 ° C., the output was 0.60 W, but when the platinum supported on the same acetylene black was reduced at room temperature, The output was 0.65W. Therefore, although the output characteristics are slightly improved by performing the reduction treatment at a low temperature during the production of the catalyst-supporting carbon particles, the output is lower than when the carbon nanohorn aggregate is used as the carbon material.
[0057]
[Example 3]
In the same manner as in Example 1, a solution in which the catalyst metal was dissolved from platinum chloride and ruthenium chloride was prepared so that the catalyst metal was a platinum-ruthenium alloy, and supported in a carbon nanohorn aggregate shape. The reduction treatment was performed at room temperature in an argon gas stream containing 4 wt% hydrogen.
[0058]
When the platinum-ruthenium alloy on the obtained catalyst-supporting carbon particles was observed by TEM in the same manner as in Example 1, the catalyst metal had an average particle diameter of 1 to 2 nm and a major axis / minor axis ratio of about 1 It was confirmed that it was spherical and was uniformly dispersed on the carbon nanohorn. Therefore, even when the catalyst metal is a platinum-ruthenium alloy, the carbon nanohorn aggregate is used as a carbon material, and the particle size of the catalyst metal is reduced by performing a reduction treatment at room temperature, so that the surface of the carbon nanohorn aggregate is reduced. It was confirmed that it was uniformly dispersed.
[0059]
[Comparative Example 3]
Acetylene black (manufactured by Denki Kagaku) was used as the carbon material, and a catalyst metal was supported in the same manner as in Example 3.
[0060]
The obtained catalyst-supported carbon particles were observed by TEM in the same manner as in Example 1. As a result, the platinum-ruthenium alloy supported on acetylene black had an average particle diameter of about 7 nm. Further, the shape of the catalyst metal was not constant, and some particles were aggregated. When the reduction was performed at a normal temperature of 400 ° C., the average particle diameter of the catalyst metal on acetylene black was about 10 nm. Therefore, it was found that the reduction treatment at a low temperature has the effect of reducing the catalyst particles even when acetylene black is used.
[0061]
[Example 4]
Using the catalyst-supported carbon particles (carbon nanohorn aggregate) obtained in Example 3, a fuel cell was produced in the same manner as in Example 2. To the fuel electrode and oxidant electrode of the obtained battery, 10 v / v% methanol and 1.01325 × 10FiveEach of oxygen of Pa was supplied to make a direct methanol fuel cell, and its output characteristics were measured at room temperature.
[0062]
As a result, it was confirmed that the output characteristics were improved up to 0.20 W.
[0063]
[Comparative Example 4]
A catalyst electrode for a fuel cell and a fuel cell were prepared and evaluated in the same manner as in Example 4 using the acetylene black powder carrying platinum in Comparative Example 3.
[0064]
All the batteries using the platinum supported on acetylene black reduced at room temperature and 400 ° C. had an output of 0.15 W. Therefore, in all cases, the output characteristics were low as compared with the case where the carbon nanohorn aggregate was used as the carbon material.
[0065]
From the above examples and comparative examples, the catalyst-supporting carbon particles used for the catalyst electrode are made into carbon nanohorn aggregates, and the reduction treatment when supporting the catalyst metal is performed at a low temperature, thereby reducing the particle diameter of the catalyst metal, and It was possible to uniformly disperse the carbon nanohorn aggregate surface. In addition, it has been clarified that the fuel cell produced using the carbon nanohorn aggregate carrying the catalyst metal is excellent in output characteristics.
[0066]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is obvious that each embodiment can be appropriately changed within the scope of the technical idea of the present invention. For example, in this example, a battery using hydrogen-oxygen and methanol-oxygen as fuel was taken up, but a battery using reformed hydrogen using fuel such as natural gas or naphtha as fuel, or air as an oxidant was used. It can also be applied to a fuel cell or the like.
[0067]
【The invention's effect】
  As explained above, according to the present invention,,grainA catalyst support particle for a fuel cell having a high catalytic activity in which a catalyst substance having a small diameter is supported in a good dispersion state and a method for producing a catalyst electrode for a fuel cell using the same are realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of a fuel cell according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of a composite electrolyte including a carbon nanohorn aggregate according to the present invention, a catalytic metal, and a solid polymer electrolyte.
[Explanation of symbols]
100 Fuel cell
101 catalyst electrode-solid electrolyte membrane assembly
102 Fuel electrode
104 Substrate
106 Catalyst layer
108 Oxidant electrode
110 substrate
112 Catalyst layer
114 Solid electrolyte membrane
120 Fuel electrode side separator
122 Oxidant electrode side separator
124 Fuel
126 Oxidizing agent
401 Carbon nanohorn aggregate
403 Solid polymer electrolyte
405 catalytic metal

Claims (2)

金属塩の溶液と、カーボンナノホーン集合体と、還元剤とを混合し、前記カーボンナノホーン集合体の表面に金属を担持させる工程と、
担持させる前記工程の後、前工程で得られた担持体を乾燥させる工程と、
乾燥させる前記工程の後、20℃以上80℃以下の温度で前記金属を還元させる工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池用触媒担持粒子の製造方法。
Mixing a metal salt solution, a carbon nanohorn aggregate, and a reducing agent, and supporting a metal on the surface of the carbon nanohorn aggregate;
After the step of carrying, the step of drying the carrier obtained in the previous step;
After the step of drying, a step of reducing the metal at a temperature of 20 ° C. or higher and 80 ° C. or lower ;
A method for producing catalyst-supporting particles for a fuel cell, comprising:
請求項1に記載の燃料電池用触媒担持粒子の製造方法により燃料電池用触媒担持粒子を作製する工程と、
前記燃料電池用触媒担持粒子と固体高分子電解質を含む粒子とを含有する塗布液を基体上に塗布して触媒層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池用触媒電極の製造方法。
Producing fuel cell catalyst-carrying particles by the method for producing fuel cell catalyst-carrying particles according to claim 1,
Applying a coating solution containing the fuel cell catalyst-carrying particles and particles containing a solid polymer electrolyte on a substrate to form a catalyst layer;
The manufacturing method of the catalyst electrode for fuel cells characterized by including these.
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