JP4919005B2 - Method for producing electrode for fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、触媒インクを用いる燃料電池用電極の製造方法に関し、特に触媒金属の利用効率を向上させた燃料電池用電極の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell electrode using a catalyst ink, and more particularly to a method for manufacturing a fuel cell electrode with improved utilization efficiency of a catalyst metal.
燃料電池は、電気的に接続された2つの電極に燃料と酸化剤を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。 A fuel cell directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. Unlike thermal power generation, fuel cells are not subject to the Carnot cycle, and thus exhibit high energy conversion efficiency. A fuel cell is usually configured by laminating a plurality of single cells each having a basic structure of a membrane / electrode assembly (MEA) in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes. Among them, a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte membrane has advantages such as easy miniaturization and operation at a low temperature. It is attracting attention as a power source for the body.
水素を燃料、酸素を酸化剤とする固体高分子電解質型燃料電池において、アノード(燃料極)では(1)式の反応が進行する。
H2 → 2H+ + 2e− ・・・(1)
(1)式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソード(酸化剤極)に到達する。そして、(1)式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、電気浸透により固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に移動する。
一方、カソードでは(2)式の反応が進行する。
4H+ + O2 + 4e− → 2H2O ・・・(2)
In a solid polymer electrolyte fuel cell using hydrogen as a fuel and oxygen as an oxidant, the reaction of formula (1) proceeds at the anode (fuel electrode).
H 2 → 2H + + 2e − (1)
The electrons generated by the equation (1) reach the cathode (oxidant electrode) after working with an external load via an external circuit. Then, the proton generated in the formula (1) moves in the solid polymer electrolyte membrane from the anode side to the cathode side by electroosmosis while being hydrated with water.
On the other hand, the reaction of the formula (2) proceeds at the cathode.
4H + + O 2 + 4e − → 2H 2 O (2)
上記式(1)又は(2)の反応を促進させるため、各電極(燃料極、酸化剤極)には、それぞれ触媒金属を含有する触媒層が設けられる。触媒金属としては、白金や白金合金等が賞用され、炭素粒子等の導電性材料に担持させて触媒層内に含有されるのが一般的である。金属触媒として用いられている白金は非常に高価な材料であるため、燃料電池の実用化にあたり、利用率を向上させ、少ない使用量でも優れた発電性能を示す燃料電池の開発が望まれている。 In order to promote the reaction of the above formula (1) or (2), each electrode (fuel electrode, oxidant electrode) is provided with a catalyst layer containing a catalyst metal. As the catalyst metal, platinum, a platinum alloy, or the like is awarded and is generally contained in the catalyst layer by being supported on a conductive material such as carbon particles. Platinum, which is used as a metal catalyst, is a very expensive material. Therefore, for practical use of fuel cells, it is desired to improve the utilization rate and to develop fuel cells that exhibit excellent power generation performance even with a small amount of use. .
固体高分子電解質型燃料電池において、触媒層は、一般的に、触媒金属を担持した炭素粒子と電解質樹脂とを適当な溶媒に分散させて得られた触媒インクを、高分子電解質膜やガス拡散層となるガス拡散シート等の支持体に塗布、乾燥固化する方法で形成され、触媒金属を担持した炭素粒子(カーボンブラック等)と、高分子電解質とが混在したマトリックスを形成している。触媒層における上記(1)、(2)式の電極反応は、反応ガス(燃料又は酸化剤)の他、プロトン(H+)及び電子(e−)の授受を行うことができる三相界面において活発に進行する。すなわち、三相界面付近により多くの触媒金属を配置することで、触媒金属の利用率を向上させることができる。 In a solid polymer electrolyte fuel cell, the catalyst layer generally includes a catalyst ink obtained by dispersing carbon particles supporting a catalyst metal and an electrolyte resin in a suitable solvent, and then polymer electrolyte membrane or gas diffusion. It is formed by a method of applying to a support such as a gas diffusion sheet to be a layer, and drying and solidifying, thereby forming a matrix in which carbon particles (such as carbon black) supporting a catalyst metal and a polymer electrolyte are mixed. The electrode reaction of the above formulas (1) and (2) in the catalyst layer is performed at a three-phase interface that can exchange protons (H + ) and electrons (e − ) in addition to the reaction gas (fuel or oxidant). Progress actively. That is, the utilization rate of the catalyst metal can be improved by arranging more catalyst metal near the three-phase interface.
触媒層(電極)の製造方法として、例えば、特許文献1には、触媒を担持する固形物を攪拌する第一の工程と、前記固形物と水素イオン伝導性を有する樹脂とを混合する第二の工程とを経てペーストを作製し、次に前記ペーストを、導電性を有する基体に塗布して電極を作製し、さらに前記電極を高分子電解質膜の両面に接着して単電池を作製する燃料電池の製造方法であって、前記第一の工程における攪拌のせん断速度を、前記第二の工程における混合のせん断速度よりも高くすることを特徴とする燃料電池の製造方法が開示されている。
As a method for producing a catalyst layer (electrode), for example,
また、特許文献2には、触媒金属が担持されたカーボンブラックと、高分子電解質と、有機溶剤とを攪拌混合することにより、前記カーボンブラックを微粒子化して、この混合溶液に分散する粒子の平均粒子径が所定値となるまで攪拌を行い、次いで前記混合溶液に分散剤を添加して攪拌混合することにより、所定の平均粒子径を有する粒子が均一に分散したペーストを得ることを特徴とする電極用ペーストの製造方法が開示されている。この特許文献2の製造方法は、分散剤の添加時期を調節してカーボンブラック等の分散粒子の平均粒子径と分散剤の分散粒子への吸着を制御することにより、保存安定性を維持しながら、良好な発電性能を得るために十分な細孔容積を有する触媒層を形成可能な電極ペーストを製造しようというものである。 Patent Document 2 discloses that an average of particles dispersed in this mixed solution is obtained by stirring and mixing carbon black on which a catalyst metal is supported, a polymer electrolyte, and an organic solvent into fine particles. Stirring until the particle diameter reaches a predetermined value, and then adding a dispersant to the mixed solution and stirring and mixing to obtain a paste in which particles having a predetermined average particle diameter are uniformly dispersed A method for producing an electrode paste is disclosed. The manufacturing method of Patent Document 2 controls the average particle diameter of dispersed particles such as carbon black and the adsorption of the dispersant to the dispersed particles by adjusting the timing of adding the dispersant, while maintaining the storage stability. An electrode paste capable of forming a catalyst layer having a sufficient pore volume to obtain good power generation performance is to be manufactured.
しかしながら、上記特許文献1、2のような従来の方法によって調製された触媒インクを用いて触媒層を形成すると、触媒インクの調製時や、触媒インクを電解質膜等の支持体に塗布、乾燥する際に、触媒金属の表面が高分子電解質に被覆されてしまう(図9参照)。このように、触媒金属の表面が高分子電解質に覆われると、触媒金属表面への反応ガス(燃料ガスや酸化剤ガス)の供給が滞り、触媒金属へ到達する反応ガスが低減する。その結果、得られる燃料電池は、触媒金属の利用率が低く、高い発電性能や低コスト化が困難なものとなる。
However, when a catalyst layer is formed using a catalyst ink prepared by a conventional method such as
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、触媒金属の利用率が高く、発電性能に優れた燃料電池用電極の提供を目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell electrode having a high utilization rate of a catalyst metal and excellent power generation performance.
本発明の燃料電池用電極の製造方法は、触媒金属を担持した導電性粒子と高分子電解質と溶媒とを攪拌混合して触媒インクを調製する触媒インク調製工程と、前記触媒インクを支持体上に塗工し、乾燥する触媒インク塗工・乾燥工程とを備える燃料電池用電極の製造方法であって、前記触媒インク調製工程又はそれよりも前に行われる工程において、前記触媒金属の表面に、高分子電解質の付着を阻止するCO、SO 2 、NO、NO 2 、H 2 S、及びアルコール類から選ばれる少なくとも1種の付着性物質を付着させ、
前記触媒インク塗工・乾燥工程の後に、形成された触媒層を作用極とし、対極との間に電位差を生じさせることで、前記触媒金属の表面に付着させた前記付着性物質を電気化学的に除去することを特徴とする。
The method for producing an electrode for a fuel cell of the present invention comprises a catalyst ink preparing step of preparing a catalyst ink by stirring and mixing conductive particles carrying a catalyst metal, a polymer electrolyte, and a solvent, and the catalyst ink on a support. A method for producing a fuel cell electrode comprising a catalyst ink coating / drying step for coating and drying on the surface of the catalyst metal in the catalyst ink preparation step or a step performed prior thereto. Adhering at least one adhesive substance selected from CO, SO 2 , NO, NO 2 , H 2 S, and alcohols, which inhibits the adhesion of the polymer electrolyte;
After the catalyst ink coating / drying step, the formed catalyst layer is used as a working electrode, and a potential difference is generated between the electrode and the counter electrode, so that the adhesive substance attached to the surface of the catalyst metal is electrochemically applied. It is characterized by removing.
本発明の燃料電池用電極の製造方法は、触媒金属表面への高分子電解質の付着を阻止する付着性物質を、高分子電解質による触媒金属表面の被覆を抑制できる適切な時期に、触媒金属表面に付着及び当該触媒金属触媒表面から除去することによって、高分子電解質による触媒金属表面の被覆を抑制するものである。その結果、触媒金属表面へ到達する反応ガス量が増加し、触媒金属の利用率を高めることができる。
前記電位差が1.0V以上、或いは1.5V以上である場合、前記付着性物質をより確実に除去することができる。
本発明においては、電圧印加手段により外部から電位を印加し、前記電位差を生じさせることが好ましい。所望の電位を印加することができ、付着性物質をより確実に除去することが可能となるからである。
The method for producing an electrode for a fuel cell according to the present invention provides an adhesive substance that prevents the adhesion of a polymer electrolyte to the surface of the catalyst metal at an appropriate time when the coating of the catalyst metal surface with the polymer electrolyte can be suppressed. By adhering to and removing from the catalyst metal catalyst surface, the coating of the catalyst metal surface with the polymer electrolyte is suppressed. As a result, the amount of reaction gas that reaches the surface of the catalytic metal increases, and the utilization rate of the catalytic metal can be increased.
When the potential difference is 1.0 V or more, or 1.5 V or more, the adhesive substance can be more reliably removed.
In the present invention, it is preferable to apply a potential from the outside by a voltage applying means to generate the potential difference. This is because a desired potential can be applied and the adhesive substance can be more reliably removed.
前記付着性物質は、触媒金属の表面に容易に付着し、意図的に除去可能であることから、非共有電子対を有する3原子以下の無機化合物、又は、非共有電子対を有する炭素原子数が3個以下の有機化合物(但しホルムアルデヒドを含む)から選ばれる低分子化合物であることが好ましい。
具体的には、前記付着性物質として、CO、SO2、NO、NO2、H2S、及びアルコール類からなる群より選ばれる少なくとも1種以上の低分子化合物を用いることができる。
The adhering substance easily attaches to the surface of the catalyst metal and can be removed intentionally, so that it is an inorganic compound having 3 or less atoms having an unshared electron pair, or the number of carbon atoms having an unshared electron pair. Is preferably a low molecular compound selected from 3 or less organic compounds (including formaldehyde).
Specifically, at least one low molecular compound selected from the group consisting of CO, SO 2 , NO, NO 2 , H 2 S, and alcohols can be used as the adhesive substance.
前記触媒インク調製工程において、前記高分子電解質が、触媒金属の表面に付着するのをより確実に抑制する観点から、前記触媒インク調製工程の前に、前記触媒金属表面に付着性物質を付着させる工程を行なうことが好ましい。
また、前記触媒インク塗工・乾燥工程の後に、前記触媒金属表面に付着させた付着性物質を除去する工程を行なうことで、触媒金属の表面に対する高分子電解質の付着をより効果的に抑制することができる。
In the catalyst ink preparation process, from the viewpoint of more reliably suppressing the polymer electrolyte from adhering to the surface of the catalyst metal, an adhesive substance is attached to the surface of the catalyst metal before the catalyst ink preparation process. It is preferable to carry out the process.
In addition, after the catalyst ink coating / drying step, a step of removing the adhering substance attached to the surface of the catalyst metal is performed to more effectively suppress the adhesion of the polymer electrolyte to the surface of the catalyst metal. be able to.
本発明の燃料電池用電極の製造方法によれば、触媒金属表面が高分子電解質により被覆されるのを防止することによって、触媒金属表面へ充分量の反応ガスを供給することができる。そのため、本発明の燃料電池用電極の製造方法によれば、触媒金属の利用率が高く、発電性能に優れた燃料電池用電極を提供することができる。 According to the method for producing an electrode for a fuel cell of the present invention, a sufficient amount of reaction gas can be supplied to the catalytic metal surface by preventing the catalytic metal surface from being coated with the polymer electrolyte. Therefore, according to the method for producing a fuel cell electrode of the present invention, it is possible to provide a fuel cell electrode having a high utilization rate of the catalyst metal and excellent power generation performance.
本発明の燃料電池用電極の製造方法は、触媒金属を担持した導電性粒子と高分子電解質と溶媒とを攪拌混合して触媒インクを調製する触媒インク調製工程と、前記触媒インクを支持体上に塗工し、乾燥する触媒インク塗工・乾燥工程とを備える燃料電池用電極の製造方法であって、前記触媒インク調製工程又はそれよりも前に行われる工程において、前記触媒金属の表面に、高分子電解質の付着を阻止する付着性物質を付着させ、前記触媒インク調製工程後に行われる工程において、前記触媒金属の表面に付着させた前記付着性物質を除去することを特徴とする。 The method for producing an electrode for a fuel cell of the present invention comprises a catalyst ink preparing step of preparing a catalyst ink by stirring and mixing conductive particles carrying a catalyst metal, a polymer electrolyte, and a solvent, and the catalyst ink on a support. A method for producing a fuel cell electrode comprising a catalyst ink coating / drying step for coating and drying on the surface of the catalyst metal in the catalyst ink preparation step or a step performed prior thereto. In the step performed after the catalyst ink preparation step, the adhesive material adhered to the surface of the catalyst metal is removed in a step performed after the catalyst ink preparation step.
ここで、本発明の製造方法により提供される燃料電池用電極を含む単セルの構成例について図を参照しながら説明する。図4は、燃料電池用電極を含む単セルの一実施形態(単セル100)を模式的に示す横断面図である。
単セル100は、電解質膜1の一面側に燃料極(アノード)4a、及び酸化剤極(カソード)4bが設けられた膜・電極接合体5を有している。燃料極4aは電解質膜1に近い側から燃料極側触媒層2a、燃料極側ガス拡散層3aがこの順序で積層して構成される。酸化剤極4bも同様に電解質膜1に近い側から酸化剤極側触媒層2b、酸化剤極側ガス拡散層3bがこの順序で積層し構成される。尚、本実施形態において、各電極(燃料極、酸化剤極)は、共に、触媒層とガス拡散層とが積層した構造を有しているが、触媒層のみからなる単層構造であってもよいし、触媒層とガス拡散層の他に機能層を設けた構造でもよい。
Here, the structural example of the single cell containing the electrode for fuel cells provided by the manufacturing method of this invention is demonstrated, referring a figure. FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing an embodiment (unit cell 100) of a unit cell including an electrode for a fuel cell.
The
この膜・電極接合体5は、二つのセパレータ6a、6bで狭持され、単セル100が構成される。各セパレータ6a、6bの片面には、反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)の流路を形成する溝が設けられており、これらの溝と燃料極4a、酸化剤極4bの外面とで燃料ガス流路7a、酸化剤ガス流路7bが画成されている。燃料ガス流路7aは、燃料極4aに燃料ガス(水素を含む又は水素を発生させる気体)を供給するための流路であり、酸化剤ガス流路7bは、酸化剤極4bに酸化剤ガス(酸素を含む又は酸素を発生させる気体)を供給するための流路である。
The membrane /
触媒金属を担持した導電性粒子と高分子電解質と溶媒とを攪拌混合した触媒インクを塗工・乾燥する、従来の燃料電池用電極の製造方法では、特に触媒インクを調製する工程や、触媒インクを電解質膜等の支持体に塗工し、乾燥する工程において、高分子電解質が触媒金属表面へ付着し、触媒金属を被覆してしまう。このように高分子電解質が触媒金属の表面を被覆すると、反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)が、触媒金属に充分に行き届かなくなるため(図9参照)、触媒金属の利用率の低下を招く。 In the conventional method for producing an electrode for a fuel cell, in which a catalyst ink in which conductive particles supporting a catalyst metal, a polymer electrolyte, and a solvent are mixed with stirring is applied and dried, the process for preparing the catalyst ink, especially the catalyst ink, In the step of coating the catalyst film on a support such as an electrolyte membrane and drying, the polymer electrolyte adheres to the surface of the catalyst metal and coats the catalyst metal. When the polymer electrolyte coats the surface of the catalyst metal in this way, the reaction gas (fuel gas, oxidant gas) does not reach the catalyst metal sufficiently (see FIG. 9), which reduces the utilization rate of the catalyst metal. Invite.
これに対して、本発明では、触媒インク調製工程又はそれよりも前に行われる工程において、前記触媒金属の表面に高分子電解質の付着を阻止する付着性物質を付着させ、且つ、触媒インク調製工程又はそれよりも後に行われる工程において、前記触媒金属の表面に付着させた前記付着性物質を除去することによって(図1参照)、高分子電解質による触媒金属表面の被覆を抑制することができる。従って、本発明の製造方法により提供される燃料電池用電極は、従来の方法で作製された燃料電池用電極と比較して、反応ガスが到達する触媒金属の表面積が大きい(図2参照)ため、触媒金属の利用率が高い。その結果、触媒金属の使用量の低減や燃料電池の発電性能の向上が可能となる。 On the other hand, in the present invention, in the catalyst ink preparation step or a step performed prior thereto, an adhesive substance that prevents the adhesion of the polymer electrolyte is attached to the surface of the catalyst metal, and the catalyst ink preparation In the step or a step performed after the step, by removing the adhesive substance attached to the surface of the catalytic metal (see FIG. 1), the coating of the catalytic metal surface with the polymer electrolyte can be suppressed. . Therefore, the fuel cell electrode provided by the production method of the present invention has a larger surface area of the catalytic metal to which the reaction gas reaches compared to the fuel cell electrode produced by the conventional method (see FIG. 2). The utilization rate of catalytic metals is high. As a result, the amount of catalytic metal used can be reduced and the power generation performance of the fuel cell can be improved.
ここで、付着性物質とは、触媒金属の表面に付着させることによって、高分子電解質が触媒金属表面に付着することを阻止できるものであり、触媒金属の表面に容易に付着し、触媒インクの調製工程から触媒インクの塗工・乾燥工程において触媒金属が晒される環境条件下では、触媒金属表面からほとんど脱離しないが、意図的に除去することが可能なものである。 Here, the adhering substance is a substance that can prevent the polymer electrolyte from adhering to the surface of the catalytic metal by adhering to the surface of the catalytic metal. Under the environmental conditions where the catalyst metal is exposed from the preparation process to the coating / drying process of the catalyst ink, it is hardly detached from the surface of the catalyst metal but can be intentionally removed.
付着性物質の「付着性」、すなわち、触媒インクの調製工程から触媒インクの塗工・乾燥工程において触媒金属が晒される環境条件下では、触媒金属表面からほとんど脱離しない、という特性については、例えば、付着性物質を付着させていない触媒金属の単体の有効表面積Aを100%としたときの、該付着性物質を触媒金属表面から除去する前、好ましくは除去する直前における該付着性物質を付着させた触媒金属の有効表面積Bにより規定することができる。具体的には、触媒金属の単体の有効表面積Aに対する付着性物質を除去する前の触媒金属の有効表面積Bの割合(B/A×100%)が、0〜80%、特に10〜60%、さらに30〜50%、であることが好ましい。 Regarding the “adhesiveness” of the adhesive substance, that is, the property that it hardly desorbs from the surface of the catalytic metal under the environmental conditions where the catalytic metal is exposed from the catalyst ink preparation process to the catalyst ink coating / drying process. For example, when the effective surface area A of a single catalyst metal to which no adhering substance is attached is 100%, the adhering substance before removing the adhering substance from the surface of the catalytic metal, preferably immediately before removing the adhering substance. It can be defined by the effective surface area B of the deposited catalytic metal. Specifically, the ratio (B / A × 100%) of the effective surface area B of the catalytic metal before removing the adhesive substance to the effective surface area A of the catalytic metal is 0 to 80%, particularly 10 to 60%. Further, 30 to 50% is preferable.
このとき、触媒金属の有効表面積A及びBは、一般的なCO吸着法に準じて求めることができる。すなわち、80℃、水素ガス雰囲気(水素ガスを0.03ml/minで流通)に10〜15分間放置した後、80℃、CO雰囲気下(COガスを0.03ml/minで流通)に10〜15分間程度放置し、PtにCOを吸着させる。このとき、COはPt表面のみに吸着し、既に付着性物質が付着した表面には吸着しない。従って、COの流出量を測定し、CO流入量とCO流出量の差からPtによるCO吸着量を算出することができる。このように付着性物質の付着前後での有効表面積を測定することによって、付着性物質の付着性を規定することができる。尚、Ptが炭素粒子に担持されている場合には、担体である炭素粒子にもCOは吸着しない。 At this time, the effective surface areas A and B of the catalyst metal can be determined according to a general CO adsorption method. That is, after leaving at 80 ° C. in a hydrogen gas atmosphere (hydrogen gas circulated at 0.03 ml / min) for 10 to 15 minutes, 80 ° C. in a CO atmosphere (CO gas circulated at 0.03 ml / min) for 10 to 10 minutes. Let stand for about 15 minutes to adsorb CO to Pt. At this time, CO adsorbs only on the Pt surface, and does not adsorb on the surface to which the adhesive substance has already adhered. Therefore, the CO outflow amount can be measured, and the CO adsorption amount by Pt can be calculated from the difference between the CO inflow amount and the CO outflow amount. Thus, by measuring the effective surface area before and after adhesion of the adhesive substance, the adhesion of the adhesive substance can be defined. When Pt is supported on carbon particles, CO is not adsorbed on the carbon particles as the carrier.
或いは、付着性物質の「付着性」は、付着性物質を付着させていない触媒金属の単体の触媒活性を100%としたときの、該付着性物質を付着させた触媒金属の触媒活性により規定することもできる。具体的には、触媒金属の単体の触媒活性に対する付着性物質を付着させた触媒金属の触媒活性が、0〜80%、特に10〜60%、さらに30〜50%、であることが好ましい。 Alternatively, “adhesiveness” of an adhesive substance is defined by the catalytic activity of the catalytic metal to which the adhesive substance is attached, when the catalytic activity of the catalyst metal to which the adhesive substance is not attached is 100%. You can also Specifically, it is preferable that the catalytic activity of the catalytic metal to which an adhesive substance is attached to the catalytic activity of the single catalytic metal is 0 to 80%, particularly 10 to 60%, and further 30 to 50%.
付着性物質を付着させた又は付着させていない触媒金属の触媒活性は、例えば、以下のような方法で評価することができる。すなわち、付着性物質を付着させた又は付着させてない触媒金属を水等の溶媒に分散させた触媒分散液を、グラッシーカーボン等の導電性炭素材料のような導電性材料からなる電極上にキャスト、乾燥した後、三極式電気化学的測定装置を用いて評価することができる。具体的には、0.05M H2SO4水溶液中に酸素ガスを飽和させ、該溶液中に上記触媒分散液を塗布した電極を浸漬し、該電極の電位を1.2V→0.4V(vs.RHE)に掃引して酸素還元を行い、得られる限界電流値により評価することができる。付着性物質を付着させていない触媒金属担体を用いた電極の限界電流値(ILA)に対する付着性物質を付着させた触媒金属を用いた電極の限界電流値(ILB)の割合[(ILB/ILA)×100]が0〜80%、特に10〜60%、さらに30〜50%であることが好ましい。 The catalytic activity of the catalytic metal with or without the adhering substance attached can be evaluated, for example, by the following method. That is, a catalyst dispersion liquid in which a catalytic metal with or without an adhesive substance is dispersed in a solvent such as water is cast on an electrode made of a conductive material such as a conductive carbon material such as glassy carbon. After drying, it can be evaluated using a tripolar electrochemical measuring device. Specifically, an oxygen gas is saturated in a 0.05 MH 2 SO 4 aqueous solution, an electrode coated with the catalyst dispersion is immersed in the solution, and the potential of the electrode is changed from 1.2 V to 0.4 V ( vs. RHE), oxygen reduction is performed, and evaluation can be made based on the obtained limiting current value. Ratio of the limit current value (I LB ) of the electrode using the catalyst metal with the adherent substance to the limit current value (I LA ) of the electrode using the catalyst metal support to which no adherent substance is attached [(I LB / I LA ) × 100] is preferably 0 to 80%, more preferably 10 to 60%, and further preferably 30 to 50%.
具体的な付着性物質としては、特に限定はないが、一般に触媒金属を被毒する被毒性物質として知られているものを挙げることができる。中でも、触媒金属の表面へ容易に付着すること、また触媒金属の表面から意図的に除去が可能であることから、付着性物質としては、非共有電子対を有する3原子以下の無機化合物、又は非共有電子対を有する炭素原子数が3個以下の有機化合物から選ばれる低分子化合物であることが好ましい。
前記非共有電子対を有する3原子以下の無機化合物としては、例えば、CO、SO2、NO、NO2、H2S等のガス成分が挙げられる。
The specific adhesive substance is not particularly limited, and examples thereof include those generally known as toxic substances that poison catalyst metals. Among them, since it easily adheres to the surface of the catalytic metal and can be intentionally removed from the surface of the catalytic metal, the adhering substance includes an inorganic compound having 3 or less atoms having an unshared electron pair, or A low molecular compound selected from organic compounds having 3 or less carbon atoms having an unshared electron pair is preferable.
Examples of the inorganic compound having 3 or less atoms having an unshared electron pair include gas components such as CO, SO 2 , NO, NO 2 , and H 2 S.
前記非共有電子対を有する炭素原子数が3個以下の有機化合物としては、ヒドロキシル基やホルミル基等の官能基を有する有機化合物が挙げられ、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド等のアルデヒド類等が挙げられる。
付着性物質はこれらを単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
Examples of the organic compound having 3 or less carbon atoms having an unshared electron pair include organic compounds having a functional group such as a hydroxyl group or a formyl group. For example, alcohols such as methanol, ethanol, and propanol, formaldehyde Aldehydes such as acetaldehyde and propionaldehyde.
These adhesive substances may be used alone or in combination of two or more.
触媒金属表面への高分子電解質の付着は、特に触媒インク調製工程において生じ易いことから、触媒金属表面への付着性物質の付着は、触媒インク調製工程又はそれよりも前に行われる工程において行う。触媒インク調製工程後に付着性物質を付着させても、既に触媒金属表面への高分子電解質の付着が進行しているため、高分子電解質による触媒金属表面の被覆を充分に抑制することができないからである。
触媒金属表面へ付着性物質を付着させる時期は、触媒インク調製工程中(例えば、図1B、図1D)でもよいし、触媒インク調製工程の前(例えば、図1A、図1C)でもよいが、高分子電解質の触媒金属表面への付着をより確実に阻止するためには、触媒インクを調製する工程の前に、触媒金属の表面に付着性物質を付着させることが好ましい(例えば、図1A、図1C)。
Since the adhesion of the polymer electrolyte to the catalyst metal surface is likely to occur particularly in the catalyst ink preparation process, the adhesion of the adhesive substance to the catalyst metal surface is performed in the catalyst ink preparation process or a process performed prior thereto. . Even if an adhesive substance is attached after the catalyst ink preparation process, the adhesion of the polymer electrolyte to the surface of the catalyst metal has already progressed, so that the coating of the catalyst metal surface with the polymer electrolyte cannot be sufficiently suppressed. It is.
The timing of attaching the adhesive substance to the catalyst metal surface may be during the catalyst ink preparation process (for example, FIGS. 1B and 1D) or before the catalyst ink preparation process (for example, FIGS. 1A and 1C). In order to more reliably prevent the polymer electrolyte from adhering to the surface of the catalyst metal, it is preferable to attach an adhesive substance to the surface of the catalyst metal before the step of preparing the catalyst ink (for example, FIG. 1A, FIG. 1C).
触媒インク調製工程の前に触媒金属に付着性物質を付着させる場合、触媒金属の表面に付着性物質を予め付着させた後で、当該触媒金属を炭素粒子等の導電性粒子に担持させてもよいし、或いは、触媒金属を導電性粒子に担持させてから、該触媒金属の表面に付着性物質を付着させてもよい。触媒金属を導電性粒子に担持させる工程において付着性物質が剥離するのを防止する観点から、触媒金属を導電性粒子に担持させた後、触媒金属に付着性物質を付着させることが好ましい。 In the case where an adhesive substance is attached to the catalyst metal before the catalyst ink preparation step, after the adhesive substance is previously attached to the surface of the catalyst metal, the catalyst metal may be supported on conductive particles such as carbon particles. Alternatively, after the catalyst metal is supported on the conductive particles, the adhesive substance may be attached to the surface of the catalyst metal. From the viewpoint of preventing the adhesive substance from peeling off in the step of supporting the catalyst metal on the conductive particles, it is preferable to support the catalyst metal on the conductive particles and then attach the adhesive substance to the catalyst metal.
触媒金属の表面に付着性物質を付着させる方法としては、例えば、触媒金属を付着性物質と接触させる方法等が挙げられる。具体的には、付着性物質としてガス状のものを用いる場合には、触媒金属表面に付着性物質であるガスを吹き付けたり、付着性物質として液状のものを用いる場合には、触媒金属表面に付着性物質である液体を吹き付けたり、当該液体を含む溶液中に触媒金属を浸す等の方法が挙げられる。ガス状の付着性物質を付着させる場合には、ガスを置換できる密閉容器中に触媒金属を封入し、付着性物質ガスを送気する方法が挙げられる。
触媒インク調製工程中に触媒金属に付着性物質を付着させる場合、触媒金属を担持した導電性粒子と高分子電解質と溶媒とを攪拌混合しながら、該混合物に付着性物質であるガスを吹き付けたり、或いは、触媒インク中の溶媒に付着性物質を分散させる等の方法が挙げられる。
Examples of the method of attaching the adhesive substance to the surface of the catalyst metal include a method of bringing the catalyst metal into contact with the adhesive substance. Specifically, when a gaseous substance is used as the adhesive substance, a gas that is an adhesive substance is sprayed on the catalyst metal surface, or when a liquid substance is used as the adhesive substance, Examples thereof include a method of spraying a liquid that is an adhesive substance and a method of immersing a catalytic metal in a solution containing the liquid. In the case of attaching a gaseous adhesive substance, a method of enclosing a catalytic metal in an airtight container capable of replacing the gas and supplying the adhesive substance gas is exemplified.
When adhering an adhesive substance to the catalyst metal during the catalyst ink preparation process, the conductive particles carrying the catalyst metal, the polymer electrolyte, and the solvent are stirred and mixed, and a gas as the adhesive substance is sprayed onto the mixture. Alternatively, a method of dispersing an adhesive substance in a solvent in the catalyst ink can be used.
一方、触媒金属表面へ付着させた付着性物質の除去は、触媒金属表面への高分子電解質の付着が生じ易い触媒インク調製工程における高分子電解質の付着を少なくとも抑制する観点から、触媒インク調製工程後に行われる工程において行われる。触媒インク調製工程中に付着性物質を除去したのでは、触媒金属表面への高分子電解質の付着を充分に阻止することができない。 On the other hand, the removal of the adhering substance adhered to the catalyst metal surface is a catalyst ink preparation step from the viewpoint of at least suppressing the adhesion of the polymer electrolyte in the catalyst ink preparation step in which the polymer electrolyte is likely to adhere to the catalyst metal surface. This is performed in a later process. If the adhesive substance is removed during the catalyst ink preparation process, the adhesion of the polymer electrolyte to the catalyst metal surface cannot be sufficiently prevented.
触媒金属表面へ付着させた付着性物質の除去を行う時期は、触媒インク調製工程の後であれば、特に限定されない。ただし、触媒インクを調製する工程と共に、触媒金属表面への高分子電解質の付着が進行しやすい触媒インクの塗工・乾燥工程における高分子電解質の付着を阻止することが可能であることから、触媒インクの塗工・乾燥工程の後(例えば、図1A、図1B)とすることが好ましい。触媒インクの塗工・乾燥工程後の具体的な時期は特に限定されず、例えば、電解質膜又はガス拡散層シート又は転写基材等の支持体上に触媒層を形成した状態で行ってもよいし、さらに、触媒層を形成したこれら支持体と、他の層(ガス拡散層シート、電解質膜等)とを接合し、MEA化させた後でもよい。さらには、単セルを形成した後や、単セルを複数積層してスタックとした後でもよい。 There is no particular limitation on the timing of removing the adhesive substance adhered to the catalyst metal surface as long as it is after the catalyst ink preparation step. However, since it is possible to prevent the adhesion of the polymer electrolyte in the coating / drying step of the catalyst ink in which the adhesion of the polymer electrolyte to the catalyst metal surface is likely to proceed together with the step of preparing the catalyst ink, It is preferable to be after the ink coating / drying step (for example, FIGS. 1A and 1B). The specific time after the coating / drying step of the catalyst ink is not particularly limited. For example, the catalyst ink may be formed in a state where a catalyst layer is formed on a support such as an electrolyte membrane, a gas diffusion layer sheet, or a transfer substrate. Further, these supports on which the catalyst layer is formed may be joined to other layers (gas diffusion layer sheet, electrolyte membrane, etc.) to form MEA. Further, it may be after a single cell is formed or after a plurality of single cells are stacked to form a stack.
触媒金属の表面に付着させた付着性物質を除去する方法としては、特に限定されないが、例えば、以下に述べる電気化学的手法、及び化学的手法を挙げることができる。
電気化学的手法としては、例えば、付着性物質を除去したい触媒金属を含む電極を作用極とし、電解質膜を挟んで反対側に設ける電極を対極として、対極に水素、作用極に窒素又は酸素を流し、対極と作用極間に電位差を生じさせることで、触媒金属表面に付着した付着性物質を除去することができる。対極と作用極間の電位差は、対極に水素、作用極に酸素を供給した場合の電極反応による電位を利用する他、電圧印加手段を用いて電位差を生じさせてもよい。このとき、電極反応による電位を利用すると共に、電圧印加手段を用いてもよいし、電圧印加手段によってのみ対極と作用極間に電位差を生じさせてもよい。以上のような対極と作用極間の電位差は、1分間以上、特に5分間以上印加させることが好ましい。通常は、5〜10分間程度とすることが好ましい。
対極に窒素ガスを流す場合、通常、開回路電圧は0.2V以下であるため、付着性物質を除去するために必要な電位、特に1.0V以上の電位を得るためには、電圧印加手段により外部から電位を印加することとなる。
The method for removing the adhering substance attached to the surface of the catalyst metal is not particularly limited, and examples thereof include an electrochemical method and a chemical method described below.
As an electrochemical method, for example, an electrode including a catalytic metal from which an adhesive substance is to be removed is used as a working electrode, an electrode provided on the opposite side of the electrolyte membrane is used as a counter electrode, hydrogen is used as a counter electrode, and nitrogen or oxygen is used as a working electrode. The adhesive substance adhering to the surface of the catalyst metal can be removed by flowing and generating a potential difference between the counter electrode and the working electrode. As for the potential difference between the counter electrode and the working electrode, a potential difference may be generated by using a voltage applying means in addition to using a potential due to an electrode reaction when hydrogen is supplied to the counter electrode and oxygen is supplied to the working electrode. At this time, the potential due to the electrode reaction may be used, and a voltage application unit may be used, or a potential difference may be generated between the counter electrode and the working electrode only by the voltage application unit. The potential difference between the counter electrode and the working electrode as described above is preferably applied for 1 minute or more, particularly 5 minutes or more. Usually, it is preferably about 5 to 10 minutes.
When nitrogen gas is allowed to flow to the counter electrode, the open circuit voltage is usually 0.2 V or less, so that a voltage applying means is required to obtain a potential necessary for removing the adhering substance, particularly 1.0 V or more. Thus, a potential is applied from the outside.
付着性物質として、COを付着させている場合には、対極と作用極間の電圧を0.8V以上、好ましくは1.0V以上、特に1.2V以上とすることで、触媒金属表面のCOを除去することが可能である。このとき、対極と作用極間の電圧を0.8V〜1.2V程度に維持するには、電圧印加手段を用いずに、対極に水素、作用極に酸素を供給して生じる電極反応のみを利用することも可能である。 When CO is attached as an adhering substance, the voltage between the counter electrode and the working electrode is set to 0.8 V or more, preferably 1.0 V or more, and particularly 1.2 V or more, so that CO on the surface of the catalytic metal is increased. Can be removed. At this time, in order to maintain the voltage between the counter electrode and the working electrode at about 0.8V to 1.2V, only the electrode reaction caused by supplying hydrogen to the counter electrode and oxygen to the working electrode without using the voltage applying means. It can also be used.
付着性物質として、SO2、H2S、NO等を付着させている場合には、対極と作用極間の電圧を1.2V以上、好ましくは、1.5V以上とすることで、触媒金属表面のこれら付着性物質を除去することが可能である。このとき、対極と作用極間の電圧を1.2V以上に維持するには、通常、電圧印加手段を用いる必要がある。 In the case where SO 2 , H 2 S, NO, or the like is adhered as an adhering substance, the voltage between the counter electrode and the working electrode is 1.2 V or more, preferably 1.5 V or more, so that the catalyst metal It is possible to remove these adhesive substances on the surface. At this time, in order to maintain the voltage between the counter electrode and the working electrode at 1.2 V or higher, it is usually necessary to use a voltage applying means.
化学的手法としては、例えば、上記製造方法により得られた触媒層を備える燃料電池用電極を酸素雰囲気下で加熱することにより触媒金属表面に付着した付着性物質を除去することができる。ここで、酸素雰囲気下とは、20vol%以上のO2を含む0.1MPa以上の環境下であり、大気中でもよいが、酸素濃度は高いほど好ましい。また、加熱温度としては、使用する高分子電解質膜の耐熱性や、付着性物質の酸化反応性、触媒粒径の増加防止等を考慮して適宜設定すればよいが、通常、150〜200℃、特に160〜200℃、さらに180〜200℃であることが好ましい。
酸素雰囲気下における加熱は、加熱温度や付着性物質の酸化反応性等にもよるが、通常、10〜60分間、好ましくは30〜60分間、特に好ましくは45〜60分間程度行うことが好ましい。
As a chemical method, for example, an adhesive substance attached to the surface of the catalyst metal can be removed by heating a fuel cell electrode including the catalyst layer obtained by the above production method in an oxygen atmosphere. Here, under an oxygen atmosphere is an environment of 0.1 MPa or more containing 20 vol% or more of O 2 and may be in the air, but the higher the oxygen concentration, the better. The heating temperature may be appropriately set in consideration of the heat resistance of the polymer electrolyte membrane to be used, the oxidation reactivity of the adhesive substance, the prevention of increase in the catalyst particle size, etc., but is usually 150 to 200 ° C. In particular, it is preferably 160 to 200 ° C, more preferably 180 to 200 ° C.
The heating in an oxygen atmosphere is usually performed for 10 to 60 minutes, preferably 30 to 60 minutes, particularly preferably about 45 to 60 minutes, although it depends on the heating temperature and the oxidation reactivity of the adhesive substance.
以上のように、本発明の製造方法によれば、適切な時期に触媒金属表面に付着性物質を付着・除去することによって、触媒金属が高分子電解質に被覆されることを抑制することが可能であり、例えば、Ptを触媒金属として用いた場合、CO吸着法及びサイクリックボルタンメトリー(CV)により求められるPt有効表面積率が50%以上、さらには、75%以上の燃料電池用電極を提供することも可能である。 As described above, according to the production method of the present invention, it is possible to prevent the catalytic metal from being coated with the polymer electrolyte by attaching and removing the adhesive substance on the catalytic metal surface at an appropriate time. For example, when Pt is used as a catalyst metal, a fuel cell electrode having a Pt effective surface area ratio determined by a CO adsorption method and cyclic voltammetry (CV) of 50% or more, and further 75% or more is provided. It is also possible.
ここで、Pt有効表面積率とは、Pt/C触媒におけるPt(付着性物質を付着させていない状態のPt/C単体)の表面積A’(CO吸着法により測定)を100%としたとき、電解質樹脂と共に触媒層を形成した状態でのPt/C触媒におけるPtの表面積S(CVにより測定)の割合[(S/A’)×100]であり、一般的なCO吸着法及びサイクリックボルタンメトリー(CV)による表面積測定に準じて求めることができる。 Here, the Pt effective surface area ratio is defined as 100% of the surface area A ′ (measured by a CO adsorption method) of Pt (single Pt / C in a state where no adhering substance is attached) in the Pt / C catalyst. This is the ratio [(S / A ′) × 100] of the surface area S (measured by CV) of Pt in the Pt / C catalyst in a state in which the catalyst layer is formed together with the electrolyte resin, and the general CO adsorption method and cyclic voltammetry It can be determined according to the surface area measurement by (CV).
CO吸着法による、Pt/C触媒におけるPt(付着性物質を付着させていない状態のPt/C単体)の表面積A’の具体的な測定方法としては、まず、Pt/C単体を、80℃、水素ガス雰囲気下(水素ガスを0.03ml/minで流通)に、10〜15分間程度放置する。その後、80℃において、CO雰囲気下(COガスを0.03ml/minで流通)に10〜15分間程度放置し、PtにCOを吸着させる。このとき、COはPtのみに吸着し、担体であるCには吸着しない。COの流出量を測定し、CO流入量とCO流出量の差からPtによるCO吸着量を算出する。得られたCO吸着量からPt/C単体のPt有効表面積A’を算出することができる。 As a specific method for measuring the surface area A ′ of Pt (single Pt / C in a state where no adhering substance is adhered) in the Pt / C catalyst by the CO adsorption method, first, Pt / C alone is measured at 80 ° C. In a hydrogen gas atmosphere (circulate hydrogen gas at 0.03 ml / min), leave it for about 10 to 15 minutes. Then, at 80 ° C., it is allowed to stand for about 10 to 15 minutes in a CO atmosphere (CO gas is circulated at 0.03 ml / min) to adsorb CO to Pt. At this time, CO is adsorbed only on Pt and not adsorbed on C as a carrier. The CO outflow amount is measured, and the CO adsorption amount by Pt is calculated from the difference between the CO inflow amount and the CO outflow amount. The Pt effective surface area A ′ of the single Pt / C can be calculated from the obtained CO adsorption amount.
また、CVによる、電解質樹脂と共に触媒層を形成した状態でのPt/C触媒におけるPtの表面積Sの測定方法としては、例えば、表面積A’を求めた際と同量のPt/Cを用いた触媒層形成状態のPt/C触媒について、図3のようなCV曲線が得られた場合、0.05〜0.4Vの酸化電流の面積S’(電気量:図3中の破線斜線部分)を算出し、この得られた酸化電流の面積S’を、0.05〜0.4VにおけるPtからの水素脱離の電気量E(210μC/cm2)で割った値(S’/E)が触媒層形成状態のPt/C触媒におけるPt表面積Sとなる。 Moreover, as a measuring method of the surface area S of Pt in the Pt / C catalyst in a state where the catalyst layer is formed together with the electrolyte resin by CV, for example, the same amount of Pt / C as that when the surface area A ′ was obtained was used. When the CV curve as shown in FIG. 3 is obtained for the Pt / C catalyst in the catalyst layer forming state, the area S ′ of the oxidation current of 0.05 to 0.4 V (the amount of electricity: the hatched portion in FIG. 3) And the value (S ′ / E) obtained by dividing the area S ′ of the obtained oxidation current by the amount of electricity E (210 μC / cm 2 ) of hydrogen desorption from Pt at 0.05 to 0.4 V. Becomes the Pt surface area S in the Pt / C catalyst in the catalyst layer formation state.
本発明において、触媒金属としては、燃料極における水素の酸化反応又は酸化剤極における酸素の還元反応に対して触媒作用を有するものであれば特に限定されず、例えば、白金、又は、ルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン等の金属と白金との合金等が挙げられる。中でも、触媒活性が高い白金や白金−ルテニウム合金、白金−鉄合金が好ましい。1つの電極中に含有される触媒金属は、一種類のみであってもよいし、白金と白金合金の組み合わせ、種類の異なる白金合金の組み合わせのように2種以上を組み合わせてもよい。 In the present invention, the catalyst metal is not particularly limited as long as it has a catalytic action on the hydrogen oxidation reaction at the fuel electrode or the oxygen reduction reaction at the oxidant electrode. For example, platinum, ruthenium, iron And alloys of platinum and metals such as nickel and manganese. Among them, platinum, platinum-ruthenium alloy, and platinum-iron alloy having high catalytic activity are preferable. The catalyst metal contained in one electrode may be only one type, or may be a combination of two or more types such as a combination of platinum and a platinum alloy, or a combination of different types of platinum alloys.
触媒金属を担持する導電性粒子は、触媒金属を担持することができ、導電性を有するものであれば材料や形状に特に限定はなく、カーボンブラック、カーボンナノチューブ等の炭素材料や、タングステン酸化物、チタン酸化物等の金属酸化物等が挙げられる。多くの触媒金属を担持できる表面積を有し、また、電子伝導性が良好であることから、中でも炭素粒子が好ましく、特にカーボンブラックが好ましい。カーボンブラックとしては、例えば、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック等が挙げられる。 The conductive particles supporting the catalyst metal are not particularly limited in material and shape as long as they can support the catalyst metal and have conductivity, carbon materials such as carbon black and carbon nanotubes, and tungsten oxide And metal oxides such as titanium oxide. Among these, carbon particles are preferable, and carbon black is particularly preferable because it has a surface area capable of supporting many catalytic metals and good electronic conductivity. Examples of carbon black include ketjen black, furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black.
触媒金属を導電性粒子に担持させる方法としては、例えば、以下のような方法が挙げられる。まず、カーボンブラック等の導電性粒子を水中に分散させ、そこに塩化白金酸水溶液を必要量加えてよく攪拌する。次に、NaBH4等の還元剤を加えた後、H2O2等の酸化剤を添加し、過剰なNaBH4を除去することにより、カーボンブラックに白金が担持されたPt/Cを得ることができる。尚、触媒金属を導電性粒子に担持させる方法は上記方法に限定されない。導電性粒子に触媒金属を担持させた市販品を用いることもできる。 Examples of the method for supporting the catalyst metal on the conductive particles include the following methods. First, conductive particles such as carbon black are dispersed in water, and a necessary amount of a chloroplatinic acid aqueous solution is added thereto, followed by thorough stirring. Next, after adding a reducing agent such as NaBH 4 , an oxidizing agent such as H 2 O 2 is added to remove excess NaBH 4 to obtain Pt / C in which platinum is supported on carbon black. Can do. The method for supporting the catalyst metal on the conductive particles is not limited to the above method. A commercial product in which a catalytic metal is supported on conductive particles can also be used.
高分子電解質としては、一般的な燃料電池の電解質膜として用いられているものを特に制限されることなく使用することができ、例えば、ナフィオン(商品名、デュポン社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂に代表されるフッ素系電解質樹脂や炭化水素系高分子電解質等が挙げられる。 As a polymer electrolyte, what is used as an electrolyte membrane of a general fuel cell can be used without particular limitation. For example, perfluorocarbon sulfonic acid such as Nafion (trade name, manufactured by DuPont). Examples thereof include fluorine-based electrolyte resins typified by resins and hydrocarbon-based polymer electrolytes.
ここで、炭化水素系高分子電解質樹脂とは、典型的にはフッ素を全く含まないが、本発明による効果が充分に得られることから、部分的にフッ素置換されていてもよい。炭化水素系高分子電解質として、具体的には、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリパラフェニレン等のエンジニアリングプラスチックや、ポリビニル、ポリプロピレン、ポリスチレン等の汎用プラスチックにスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ボロン酸基等のプロトン伝導性基を導入したものや、ポリベンゾイミダゾール、ポリピリミジン、ポリベンゾオキサゾール等の塩基性高分子に強酸をドープした塩基性高分子と強酸との複合電解質等が挙げられる。 Here, the hydrocarbon-based polymer electrolyte resin typically does not contain any fluorine, but may be partially fluorine-substituted because the effects of the present invention can be sufficiently obtained. Specific examples of the hydrocarbon polymer electrolyte include engineering plastics such as polyether ether ketone, polyether ketone, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, and polyparaphenylene, and general-purpose plastics such as polyvinyl, polypropylene, and polystyrene. Incorporating proton conductive groups such as sulfonic acid group, carboxylic acid group, phosphoric acid group and boronic acid group into the base, and basic polymers such as polybenzimidazole, polypyrimidine and polybenzoxazole doped with strong acid And a composite electrolyte of a conductive polymer and a strong acid.
触媒インクの溶媒としては、高分子電解質と触媒金属を担持させた導電性粒子とを分散させた触媒インクを調製することができるものであればよく、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、プロピレングリコール、イソプロパノール等のアルコール類や、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド等、或いは、これらの混合物や水との混合物、或いは水を用いることができるが、これに限定されない。中でも、触媒金属を被毒しないことから、エタノール、水が好ましく用いられる。 As the solvent for the catalyst ink, any solvent can be used as long as it can prepare a catalyst ink in which a polymer electrolyte and conductive particles carrying a catalyst metal are dispersed. For example, methanol, ethanol, propanol, propylene glycol, Alcohols such as isopropanol, N, N-dimethylformamide, N, N-diethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, N-methylpyrrolidone, dimethylsulfoxide, etc., or mixtures thereof A mixture with water or water can be used, but is not limited thereto. Of these, ethanol and water are preferably used because they do not poison the catalyst metal.
触媒インク調製工程において、付着性物質を付着させた又は付着させていない触媒金属を担持した導電性粒子と、高分子電解質と、溶媒と、を攪拌混合する触媒インク調製工程において、上記成分を攪拌混合する方法は特に限定されず、一般的に触媒インクを調製する際に用いられている方法でよい。例えば、回転攪拌、ホモジナイザー、ボールミル、超音波粉砕、乳鉢混練等が挙げられる。 In the catalyst ink preparation step, the above components are stirred in the catalyst ink preparation step in which the conductive particles carrying the catalyst metal with or without the adhering substance attached thereto, the polymer electrolyte, and the solvent are stirred and mixed. The mixing method is not particularly limited, and may be a method generally used when preparing a catalyst ink. For example, rotational stirring, homogenizer, ball mill, ultrasonic pulverization, mortar kneading and the like can be mentioned.
触媒インクの各成分の配合割合は特に限定されないが、例えば、白金担持カーボン(Pt/C)を1としたときに、高分子電解質を0.1〜2.0(重量比)、溶媒を10〜30(重量比)程度とすることが好ましい。 The mixing ratio of each component of the catalyst ink is not particularly limited. For example, when the platinum-supporting carbon (Pt / C) is 1, the polymer electrolyte is 0.1 to 2.0 (weight ratio) and the solvent is 10 It is preferable to be about ˜30 (weight ratio).
このようにして得られた触媒インクを、支持体上に塗工、乾燥して触媒層が形成される。ここで、支持体とは、電解質膜や、ガス拡散層を構成するガス拡散層シート等の電極基材、転写フィルムの基材フィルム等である。すなわち、触媒インクは、電解質膜に直接塗布、乾燥することによって、或いは、ガス拡散層シートに直接塗布、乾燥することによって、或いは、基材フィルム上に塗布して転写フィルムを形成し、電解質膜又はガス拡散層シートに熱転写することによって、触媒層を形成することができる。転写フィルムの基材フィルムとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリプロピレン等が挙げられる。 The catalyst ink thus obtained is coated on a support and dried to form a catalyst layer. Here, the support is an electrolyte membrane, an electrode substrate such as a gas diffusion layer sheet constituting the gas diffusion layer, a substrate film of a transfer film, or the like. That is, the catalyst ink is applied directly to the electrolyte membrane and dried, or directly applied to the gas diffusion layer sheet and dried, or is applied onto the substrate film to form a transfer film, and the electrolyte membrane. Alternatively, the catalyst layer can be formed by thermal transfer to a gas diffusion layer sheet. Examples of the base film for the transfer film include polytetrafluoroethylene (PTFE) and polypropylene.
電解質膜上に触媒インクを塗布・乾燥して触媒層を形成する場合には、当該触媒層を形成した電解質膜とガス拡散層シートとを、触媒層を挟むように重ね合わせ、ホットプレス等で接合することによって、膜・電極接合体を形成することができる。また、ガス拡散層シートに触媒インクを塗布、乾燥して触媒層を形成する場合には、当該触媒層を形成したガス拡散層シートと電解質膜とを、触媒層を挟むように重ね合わせ、ホットプレス等で接合することによって膜・電極接合体を形成することができる。また、触媒インクを用いて転写フィルムを形成した場合、電解質膜又はガス拡散層シートに触媒層を転写し、当該触媒層を挟むように、ガス拡散層と電解質膜とを重ね合わせ、接合することによって膜・電極接合体を形成することができる。 When the catalyst layer is formed by applying and drying catalyst ink on the electrolyte membrane, the electrolyte membrane on which the catalyst layer is formed and the gas diffusion layer sheet are overlapped with the catalyst layer sandwiched, and hot press or the like is performed. By joining, a membrane / electrode assembly can be formed. When a catalyst ink is applied to a gas diffusion layer sheet and dried to form a catalyst layer, the gas diffusion layer sheet on which the catalyst layer is formed and the electrolyte membrane are stacked so as to sandwich the catalyst layer, and hot A membrane / electrode assembly can be formed by bonding with a press or the like. In addition, when a transfer film is formed using a catalyst ink, the catalyst layer is transferred to the electrolyte membrane or the gas diffusion layer sheet, and the gas diffusion layer and the electrolyte membrane are overlapped and bonded so as to sandwich the catalyst layer. By this, a membrane / electrode assembly can be formed.
触媒インクの塗布方法は、特に限定されず、インクジェット法やスプレー法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等、一般的な方法を用いることができる。作業性の観点からは、スプレー法が好適である。
触媒インクの乾燥方法は特に限定されず、減圧乾燥、加熱乾燥、減圧乾燥と加熱乾燥の併用等が挙げられる。通常、50〜150℃、0.1気圧以下の条件で乾燥することが好ましい。
触媒層の膜厚は、特に限定はされないが、乾燥状態において、5〜50μm程度とすればよい。触媒層は、上記触媒金属を担持させた導電性粒子、高分子電解質の他に必要に応じて撥水性高分子や結着剤等のその他の材料を含んでいてもよい。
The method for applying the catalyst ink is not particularly limited, and general methods such as an inkjet method, a spray method, a doctor blade method, a gravure printing method, and a die coating method can be used. From the viewpoint of workability, the spray method is preferable.
The drying method of the catalyst ink is not particularly limited, and examples thereof include vacuum drying, heat drying, combined use of vacuum drying and heat drying. Usually, it is preferable to dry on the conditions of 50-150 degreeC and 0.1 atmosphere or less.
Although the film thickness of a catalyst layer is not specifically limited, What is necessary is just to be about 5-50 micrometers in a dry state. The catalyst layer may contain other materials such as a water-repellent polymer and a binder as required in addition to the conductive particles supporting the catalyst metal and the polymer electrolyte.
電解質膜としては、一般的な燃料電池に用いられているものを使用することができ、例えば、ナフィオン(商品名、デュポン社製)、フレミオン(商品名、旭硝子社製)、アシプレックス(商品名、旭化成社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂に代表されるフッ素系電解質樹脂膜や、スルホン酸基、カルボン酸基、ボロン酸基等のプロトン伝導性基を側鎖に有する炭化水素系高分子電解質膜等の電解質樹脂膜、ポリベンゾイミダゾール、ポリピリミジン、ポリベンゾオキサゾールなどの塩基性高分子に強酸をドープした塩基性高分子と強酸との複合電解質膜等が挙げられる。電解質膜の膜厚は特に限定されないが、通常、5〜500μm程度でよい。 As the electrolyte membrane, those used in general fuel cells can be used. For example, Nafion (trade name, manufactured by DuPont), Flemion (trade name, manufactured by Asahi Glass), Aciplex (trade name) Fluorine electrolyte resin membranes typified by perfluorocarbon sulfonic acid resins such as Asahi Kasei Co., Ltd.) and hydrocarbon polymers having proton conductive groups such as sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, and boronic acid groups in the side chain Examples thereof include an electrolyte resin film such as an electrolyte film, and a composite electrolyte film of a basic polymer and a strong acid obtained by doping a basic polymer such as polybenzimidazole, polypyrimidine, and polybenzoxazole with a strong acid. The thickness of the electrolyte membrane is not particularly limited, but it may usually be about 5 to 500 μm.
ガス拡散層は、触媒層に効率良くガスを供給することができるガス拡散性、導電性、及びガス拡散層を構成する材料として要求される強度を有するもの、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔質体や、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅及びその合金、銀、アルミ合金、亜鉛合金、鉛合金、チタン、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス、金、白金等の金属から構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等の導電性多孔質体からなるガス拡散層シートを用いて形成することができる。導電性多孔質体の厚さは、50〜300μm程度であることが好ましい。 The gas diffusion layer has gas diffusibility, conductivity, and strength required as a material constituting the gas diffusion layer, for example, carbon paper, carbon cloth, carbon, which can efficiently supply gas to the catalyst layer. Carbonaceous porous body such as felt, titanium, aluminum, copper, nickel, nickel-chromium alloy, copper and its alloys, silver, aluminum alloy, zinc alloy, lead alloy, titanium, niobium, tantalum, iron, stainless steel, gold Further, it can be formed using a gas diffusion layer sheet made of a conductive porous material such as a metal mesh composed of a metal such as platinum or a metal porous material. The thickness of the conductive porous body is preferably about 50 to 300 μm.
ガス拡散層シートは、上記したような導電性多孔質体の単層からなるものであってもよいが、触媒層に面する側に撥水層を設けることもできる。撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものである。撥水層は、必ずしも必要なものではないが、触媒層及び電解質膜内の水分量を適度に保持しつつ、ガス拡散層の排水性を高めることができる上に、触媒層とガス拡散層間の電気的接触を改善することができるという利点がある。 The gas diffusion layer sheet may be composed of a single layer of the conductive porous body as described above, but a water repellent layer may be provided on the side facing the catalyst layer. The water-repellent layer usually has a porous structure containing conductive particles such as carbon particles and carbon fibers, water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE), and the like. The water-repellent layer is not always necessary, but it can improve the drainage of the gas diffusion layer while maintaining an appropriate amount of water in the catalyst layer and the electrolyte membrane. There is an advantage that electrical contact can be improved.
撥水層を導電性多孔質体上に形成する方法は特に限定されない。例えば、炭素粒子等の導電性粉粒体と撥水性樹脂、及び必要に応じてその他の成分を、エタノール、プロパノール、プロピレングリコール等の有機溶剤、水又はこれらの混合物等の溶剤と混合した撥水層インクを、導電性多孔質体の少なくとも触媒層に面する側に塗布し、その後、乾燥及び/又は焼成すればよい。撥水層インクを導電性多孔質体に塗布する方法としては、例えば、スクリーン印刷法、スプレー法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等が挙げられる。 The method for forming the water repellent layer on the conductive porous body is not particularly limited. For example, water repellent obtained by mixing conductive particles such as carbon particles, water repellent resin, and other components as necessary with an organic solvent such as ethanol, propanol, propylene glycol, water or a mixture thereof. The layer ink may be applied to at least the side of the conductive porous body facing the catalyst layer, and then dried and / or fired. Examples of the method for applying the water repellent layer ink to the conductive porous body include a screen printing method, a spray method, a doctor blade method, a gravure printing method, and a die coating method.
また、導電性多孔質体は、触媒層と面する側に、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性樹脂をバーコーター等によって含浸塗布することによって、触媒層内の水分がガス拡散層の外へ効率良く排出されるように加工してもよい。 In addition, the conductive porous body is formed by impregnating and applying a water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene to the side facing the catalyst layer with a bar coater, etc. You may process so that it may be discharged well.
電解質膜に一対の電極を設けた膜・電極接合体は、さらにセパレータで挟持され単セル(図4参照)を形成する。セパレータとしては、例えば、炭素繊維を高濃度に含有し、樹脂との複合材からなるカーボンセパレータや、金属材料を用いた金属セパレータ等を用いることができる。金属セパレータとしては、耐腐食性に優れた金属材料からなるものや、表面をカーボンや耐腐食性に優れた金属材料等で被覆し、耐腐食性を高めるコーティングが施されたもの等が挙げられる。 The membrane / electrode assembly provided with a pair of electrodes on the electrolyte membrane is further sandwiched between separators to form a single cell (see FIG. 4). As the separator, for example, a carbon separator containing a high concentration of carbon fiber and made of a composite material with a resin, a metal separator using a metal material, or the like can be used. Examples of the metal separator include those made of a metal material excellent in corrosion resistance, and those coated with a coating that enhances the corrosion resistance by coating the surface with carbon or a metal material excellent in corrosion resistance. .
(実施例1)
<触媒インクの調製>
市販のPt/C触媒(Pt担持率:45wt%)を、80℃、水素雰囲気下(水素ガス0.03ml/min流通下)で10分間処理した後、80℃、CO雰囲気下(COガスを0.03ml/minで流通)に放置し、PtにCOを付着させた。
Example 1
<Preparation of catalyst ink>
A commercially available Pt / C catalyst (Pt loading: 45 wt%) was treated at 80 ° C. under a hydrogen atmosphere (hydrogen gas 0.03 ml / min flow) for 10 minutes, and then at 80 ° C. under a CO atmosphere (CO gas was added). (Circulated at 0.03 ml / min) to allow CO to adhere to Pt.
上記COを付着させたPt/C触媒1gと、炭化水素系高分子電解質0.225gと、溶媒(エタノール)30gとを攪拌混合し、触媒インクを調製した。 A catalyst ink was prepared by stirring and mixing 1 g of the Pt / C catalyst with CO attached thereto, 0.225 g of a hydrocarbon polymer electrolyte, and 30 g of a solvent (ethanol).
炭化水素系高分子電解質膜の両面に上記触媒インクをスプレー塗布した。このとき、触媒層の単位面積当たりのPt量が0.5mg/cm2となるように触媒インクを塗布した。該インクを乾燥(80℃、0.1気圧以下)させ、触媒層を形成した。
得られた触媒層付き電解質膜を、ガス拡散層用カーボンクロスで挟持し、熱圧着(プレス圧:1.0MPa、プレス温度:120℃)して、膜・電極接合体を得た。この膜・電極接合体を、2枚のセパレータ(カーボン製)で挟持し、単セルを作製した。
The catalyst ink was spray-coated on both surfaces of the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane. At this time, the catalyst ink was applied so that the amount of Pt per unit area of the catalyst layer was 0.5 mg / cm 2 . The ink was dried (80 ° C., 0.1 atm or less) to form a catalyst layer.
The obtained electrolyte membrane with a catalyst layer was sandwiched between carbon diffusion layer gas diffusion layers and thermocompression bonded (press pressure: 1.0 MPa, press temperature: 120 ° C.) to obtain a membrane / electrode assembly. This membrane / electrode assembly was sandwiched between two separators (made of carbon) to produce a single cell.
得られた単セルの一方の電極に水素を流し対極とし、他方に窒素を流し作用極として、作用極の電圧を対極に対して1.5Vとなるように外部から電圧を印加し、10分間保持することによって、作用極内のPt表面に付着したCOを除去した。次に対極と作用極を入れ替え、同様の操作を行ない、残るもう一方の電極内のPt表面に付着したCOを除去し、実施例1の燃料電池用電極を含む単セルを得た。
実施例1の電極について、Pt有効表面積率を上述のCO吸着法及びCVにより算出したところ、78.2%であった。実施例1の電極のCV結果を図5に示す。
Hydrogen was applied to one electrode of the obtained single cell as a counter electrode, and nitrogen was supplied to the other as a working electrode. A voltage was applied from the outside so that the working electrode voltage was 1.5 V with respect to the counter electrode, and 10 minutes. By holding, CO adhering to the Pt surface in the working electrode was removed. Next, the counter electrode and the working electrode were exchanged, and the same operation was performed to remove CO adhering to the Pt surface in the other electrode, and a single cell including the fuel cell electrode of Example 1 was obtained.
With respect to the electrode of Example 1, the Pt effective surface area ratio was calculated by the above-described CO adsorption method and CV, and was 78.2%. The CV result of the electrode of Example 1 is shown in FIG.
(比較例1)
上記実施例1において、市販のPt/CのPt表面へのCO付着及びCO除去を行なわなかった以外は、実施例1と同様にして、比較例1の燃料電池用電極を含む単セルを得た。
比較例1の電極について、Pt有効表面積率を既述のCO吸着法及びCVにより算出したところ、68.9%であった。比較例1の電極のCV結果を図6に示す。
(Comparative Example 1)
In Example 1 above, a unit cell containing the fuel cell electrode of Comparative Example 1 was obtained in the same manner as in Example 1 except that CO deposition and CO removal on the Pt surface of commercially available Pt / C were not performed. It was.
With respect to the electrode of Comparative Example 1, the Pt effective surface area ratio was calculated by the above-described CO adsorption method and CV. As a result, it was 68.9%. The CV result of the electrode of Comparative Example 1 is shown in FIG.
(発電評価)
実施例1及び比較例1で得られたセルについて、以下の条件下、発電評価を行い、限界電流を測定した。Pt有効表面積率と合わせて、結果を表1に示す。
<発電評価条件>
・燃料(水素ガス)及び酸化剤(空気)流量:ストイキ比4.0(1.0A/cm2時)
・水素ガス加湿条件:RH100%
・空気加湿条件:RH100%
ここで、ストイキ比とは、酸素と水素が過不足なく反応するときの空燃比(いわゆる理論空燃比、空気/水素ガス)である。
(Power generation evaluation)
The cells obtained in Example 1 and Comparative Example 1 were evaluated for power generation under the following conditions, and the limiting current was measured. The results are shown in Table 1 together with the Pt effective surface area ratio.
<Power generation evaluation conditions>
・ Fuel (hydrogen gas) and oxidizer (air) flow rate: stoichiometric ratio 4.0 (1.0 A / cm 2 hour)
・ Hydrogen gas humidification condition: RH100%
・ Air humidification condition: RH100%
Here, the stoichiometric ratio is an air-fuel ratio (so-called theoretical air-fuel ratio, air / hydrogen gas) when oxygen and hydrogen react without excess or deficiency.
高分子電解質がPt表面を被覆しないように、COの付着・除去工程を設けた実施例1のセルは、比較例1のセルに比べてPt有効表面積率が高く、また、限界電流が大きい発電性能に優れるものだった。具体的には、比較例1のPt有効表面積率及び限界電流に対して、実施例1のPt有効表面積率は約113%、実施例1の限界電流は約110%であった。 The cell of Example 1 provided with a CO adhesion / removal process so that the polymer electrolyte does not cover the Pt surface has a higher Pt effective surface area ratio and a larger limit current than the cell of Comparative Example 1. It was excellent in performance. Specifically, with respect to the Pt effective surface area ratio and limit current of Comparative Example 1, the Pt effective surface area ratio of Example 1 was about 113%, and the limit current of Example 1 was about 110%.
(実施例2)
<触媒インクの調製>
実施例1と同様にしてCOを付着させたPt/C触媒1gと、フッ素系高分子電解質(物質名:パーフルオロカーボンスルホン酸)(商品名Nafion、Dupont社製)0.45gと、溶媒(エタノール)30gを超音波ホモジナイザーにより攪拌混合し、触媒インクを調製した。
フッ素系高分子電解質膜(商品名Nafion、Dupont社製)の両面に上記触媒インクをスプレー塗布した。このとき、触媒層の単位面積当たりの白金量が、0.5mg/cm2となるように触媒インクを塗布した。該インクを乾燥(80℃、0.1気圧以下)させ、触媒層を形成した。
(Example 2)
<Preparation of catalyst ink>
In the same manner as in Example 1, 1 g of Pt / C catalyst with CO attached thereto, 0.45 g of fluorine-based polymer electrolyte (substance name: perfluorocarbon sulfonic acid) (trade name: Nafion, manufactured by Dupont), and solvent (ethanol) 30 g) was stirred and mixed with an ultrasonic homogenizer to prepare a catalyst ink.
The catalyst ink was spray-coated on both sides of a fluorine-based polymer electrolyte membrane (trade name Nafion, manufactured by Dupont). At this time, the catalyst ink was applied so that the amount of platinum per unit area of the catalyst layer was 0.5 mg / cm 2 . The ink was dried (80 ° C., 0.1 atm or less) to form a catalyst layer.
得られた触媒層付き電解質膜を、ガス拡散層用カーボンクロスで挟持し、熱圧着(プレス圧:1.0MPa、プレス温度:120℃)して、膜・電極接合体を得た。
得られた膜電極接合体を、酸素雰囲気下[0.1MPa(1atm)、100vol%のO2雰囲気]、150℃で1時間加熱し、Pt/C触媒のPt表面に付着させたCOを除去した。その後、得られた膜電極接合体を、2枚のセパレータ(カーボン製)で挟持し、単セルを作製した。
実施例2の電極について、Pt有効表面積率を既述のCO吸着法及びCVにより算出したところ、35.1%であった。実施例2の電極のCV結果を図7に示す。
The obtained electrolyte membrane with a catalyst layer was sandwiched between carbon diffusion layer gas diffusion layers and thermocompression bonded (press pressure: 1.0 MPa, press temperature: 120 ° C.) to obtain a membrane / electrode assembly.
The obtained membrane / electrode assembly was heated in an oxygen atmosphere [0.1 MPa (1 atm), 100 vol% O 2 atmosphere] at 150 ° C. for 1 hour to remove CO adhering to the Pt surface of the Pt / C catalyst. did. Thereafter, the obtained membrane electrode assembly was sandwiched between two separators (made of carbon) to produce a single cell.
With respect to the electrode of Example 2, the Pt effective surface area ratio was calculated by the above-described CO adsorption method and CV. As a result, it was 35.1%. The CV result of the electrode of Example 2 is shown in FIG.
(比較例2)
上記実施例2において、市販のPt/CのPt表面へのCO付着及びCO除去を行なわなかった以外は、実施例2と同様にして、比較例2の燃料電池用電極を含む単セルを得た。
比較例2の電極について、Pt有効表面積率を既述のCO吸着法及びCVにより算出したところ、28.8%であった。比較例2の電極のCV結果を図8に示す。
(Comparative Example 2)
In Example 2 above, a unit cell containing the fuel cell electrode of Comparative Example 2 was obtained in the same manner as Example 2 except that CO deposition and CO removal on the Pt surface of commercially available Pt / C were not performed. It was.
With respect to the electrode of Comparative Example 2, the Pt effective surface area ratio was calculated by the above-described CO adsorption method and CV. As a result, it was 28.8%. The CV result of the electrode of Comparative Example 2 is shown in FIG.
(発電評価)
実施例2及び比較例2で得られたセルについて、実施例1及び比較例1同様、発電評価を行い、限界電流を測定した。Pt有効表面積率と合わせて、結果を表2に示す。
(Power generation evaluation)
For the cells obtained in Example 2 and Comparative Example 2, as in Example 1 and Comparative Example 1, power generation evaluation was performed and the limit current was measured. The results are shown in Table 2 together with the Pt effective surface area ratio.
高分子電解質がPt表面を被覆しないように、COの付着・除去工程を設けた実施例2のセルは、比較例2のセルに比べてPt有効表面積率が高く、また、限界電流が大きいセル電圧の高い発電性能に優れるものだった。具体的には、比較例2のPt有効表面積率及び限界電流に対して、実施例2のPt有効表面積率は約122%、実施例1の限界電流は約105%であった。 The cell of Example 2 provided with a CO adhesion / removal process so that the polymer electrolyte does not cover the Pt surface has a higher Pt effective surface area ratio and a larger limit current than the cell of Comparative Example 2. It was excellent in high voltage power generation performance. Specifically, with respect to the Pt effective surface area ratio and limit current of Comparative Example 2, the Pt effective surface area ratio of Example 2 was about 122%, and the limit current of Example 1 was about 105%.
また、実施例1と比較例1との比較、並びに、実施例2と比較例2との比較から、フッ素系高分子電解質を用いた実施例2と比較例2では、実施例2の限界電流が比較例2の限界電流の105%であったのに対して、炭化水素系高分子電解質を用いた実施例1及び比較例1では、実施例1の限界電流が比較例1の限界電流の110%であった。 Further, from the comparison between Example 1 and Comparative Example 1 and the comparison between Example 2 and Comparative Example 2, in Example 2 and Comparative Example 2 using a fluorine-based polymer electrolyte, the limiting current of Example 2 was obtained. Was 105% of the limit current of Comparative Example 2, whereas in Example 1 and Comparative Example 1 using the hydrocarbon-based polymer electrolyte, the limit current of Example 1 was the limit current of Comparative Example 1. 110%.
1…電解質膜
2…触媒層(2a:燃料極側触媒層、2b:酸化剤極側触媒層)
3…ガス拡散層(3a:燃料極側ガス拡散層、3b:酸化剤極側ガス拡散層)
4…電極(4a:燃料極、4b:酸化剤極)
5…膜・電極接合体
6…セパレータ(6a:燃料極側セパレータ、6b:酸化剤極側セパレータ)
7…反応ガス流路(7a:燃料ガス流路、7b:酸化剤ガス流路)
100…単セル
DESCRIPTION OF
3. Gas diffusion layer (3a: fuel electrode side gas diffusion layer, 3b: oxidant electrode side gas diffusion layer)
4 ... Electrode (4a: fuel electrode, 4b: oxidant electrode)
5 ... Membrane / electrode assembly 6 ... Separator (6a: fuel electrode side separator, 6b: oxidant electrode side separator)
7 ... Reaction gas channel (7a: Fuel gas channel, 7b: Oxidant gas channel)
100 ... Single cell
Claims (5)
前記触媒インク調製工程又はそれよりも前に行われる工程において、前記触媒金属の表面に、高分子電解質の付着を阻止するCO、SO 2 、NO、NO 2 、H 2 S、及びアルコール類から選ばれる少なくとも1種の付着性物質を付着させ、
前記触媒インク塗工・乾燥工程の後に、形成された触媒層を作用極とし、対極との間に電位差を生じさせることで、前記触媒金属の表面に付着させた前記付着性物質を電気化学的に除去することを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。 A catalyst ink preparation step for preparing a catalyst ink by stirring and mixing conductive particles carrying a catalyst metal, a polymer electrolyte, and a solvent; and a catalyst ink coating method in which the catalyst ink is applied on a support and dried. A method for producing a fuel cell electrode comprising a drying step,
In the catalyst ink preparation step or a step performed prior thereto, the catalyst metal surface is selected from CO, SO 2 , NO, NO 2 , H 2 S, and alcohols that prevent the polymer electrolyte from adhering to the surface of the catalyst metal. Attaching at least one adhesive substance,
After the catalyst ink coating / drying step, the formed catalyst layer is used as a working electrode, and a potential difference is generated between the electrode and the counter electrode, so that the adhesive substance attached to the surface of the catalyst metal is electrochemically applied. A method for producing an electrode for a fuel cell, characterized in that it is removed.
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