JP5092381B2 - Catalyst powder for fuel cell, method for producing catalyst powder for fuel cell, and fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池、特には固体高分子電解質を用いた固体高分子形燃料電池、に用いる触媒粉末、その製造方法、およびその触媒粉末を電極に備えた燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a catalyst powder used in a fuel cell, in particular, a polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer electrolyte, a production method thereof, and a fuel cell including the catalyst powder in an electrode.

固体高分子形燃料電池(PEFC)の単セルは、膜/電極接合体を一対のガスフロープレートで挟持した構造である。その膜/電極接合体は、高分子電解質膜の一方の面にアノ−ドを、もう一方の面にカソ−ドを接合したものである。そのガスフロープレートにはガス流路が加工されており、たとえば、アノ−ドに燃料として水素、カソ−ドに酸化剤として酸素を供給することによって、電力が得らえる。そのアノ−ドおよびカソ−ドでは、つぎの電気化学反応が進行する。   A single cell of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has a structure in which a membrane / electrode assembly is sandwiched between a pair of gas flow plates. The membrane / electrode assembly is obtained by joining an anode to one surface of a polymer electrolyte membrane and a cathode to the other surface. A gas flow path is processed in the gas flow plate. For example, electric power can be obtained by supplying hydrogen as fuel to the anode and oxygen as oxidant to the cathode. In the anode and the cathode, the following electrochemical reaction proceeds.

アノ−ド:2H2 → 4H++ 4e- (1)
カソ−ド:O2 + 4H++ 4e- → H2O (2)
上記の電気化学反応は、酸化剤あるいは燃料などの反応物質と、プロトン(H+)と電子(e-)とが存在する界面(以下、この界面を反応界面と呼ぶことにする)で進行する。さらに、プロトンは、数個の水和水をともなって高分子電解質膜をアノードからカソードに移動する。
Ano - de: 2H 2 → 4H + + 4e - (1)
Cathode - de: O 2 + 4H + + 4e - → H 2 O (2)
The above-described electrochemical reaction proceeds at an interface where a reactant such as an oxidant or fuel and protons (H + ) and electrons (e ) exist (hereinafter, this interface is referred to as a reaction interface). . In addition, protons move the polymer electrolyte membrane from the anode to the cathode with several hydrated waters.

アノードおよびカソードの触媒層は、固体高分子電解質である陽イオン交換樹脂とカーボンと触媒金属との混合体である。ここで、触媒金属の担体であるカーボンが電子伝導チャンネルを形成し、陽イオン交換樹脂がプロトン伝導チャンネルを形成し、細孔が反応ガスおよび生成物である水の供給排出チャンネルを形成するものである。陽イオン交換樹脂は、プロトンや反応ガスが通る親水性のクラスター部と呼ばれるプロトン伝導経路と疎水性の骨格部とで構成される。反応界面はそのプロトン伝導経路とカーボンとの接面に形成される。その界面に触媒金属を選択的に担持することによって、その金属の利用率が従来の燃料電池用電極よりも著しく高い超少量白金担持電極がある。この電極の生産のために、触媒金属が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボン表面との接面に主に担持された触媒粉末である超少量白金担持カーボンが開発された。この触媒粉末はカーボンと陽イオン交換樹脂との混合物に触媒金属の陽イオンを吸着させたのちに水素ガスを含む加温下の還元雰囲気中に曝露することによって製作されることと、その平均粒度が0.1μm〜200μmとくに0.1〜10μmの範囲にあるものが、その粉末を用いて作製した触媒層の表面が平滑となることにより電極面内の電流分布が均一になる結果、出力性能が向上するので良いこととが、特許文献1に開示されている。
特開2003-257439号公報
The catalyst layers of the anode and the cathode are a mixture of a cation exchange resin that is a solid polymer electrolyte, carbon, and a catalyst metal. Here, carbon as a catalyst metal carrier forms an electron conduction channel, a cation exchange resin forms a proton conduction channel, and pores form a supply and discharge channel of water as a reaction gas and a product. is there. The cation exchange resin is composed of a proton conduction path called a hydrophilic cluster part through which protons and reaction gases pass and a hydrophobic skeleton part. The reaction interface is formed at the contact surface between the proton conduction path and carbon. By selectively supporting a catalytic metal on the interface, there is an ultra-small amount of platinum-supporting electrode whose utilization of the metal is significantly higher than that of a conventional fuel cell electrode. In order to produce this electrode, an ultra-small amount of platinum-supported carbon, which is a catalyst powder in which the catalyst metal is mainly supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface, has been developed. This catalyst powder is produced by adsorbing the catalyst metal cation on a mixture of carbon and cation exchange resin and then exposing it to a heated reducing atmosphere containing hydrogen gas, and its average particle size. In the range of 0.1 μm to 200 μm, especially 0.1 to 10 μm, the surface of the catalyst layer produced using the powder becomes smooth, and the current distribution in the electrode surface becomes uniform, resulting in improved output performance. Therefore, it is disclosed in Patent Document 1 that this is good.
JP 2003-257439 A

しかしながら、上記0.1〜10μmの範囲の平均粒子径をもつ上記触媒粉末を適用したPEFCのセル電圧は、燃料および酸化剤にそれぞれ純水素および純酸素を用いた場合には高いにもかかわらず、酸化剤に空気、あるいは燃料にCOおよびCOを含む水素を用いた場合に低下するという問題があった。その性能の低下は、電極のガス拡散性が低いので、反応ガスである水素あるいは酸素の分圧が低い場合には、その拡散性の影響を受けやすくなることを示すものである。その低いガス拡散性は、電極を構成する触媒粉末の粒子径の粒度分布が広いこと、つまり、大きい粒子と小さい粒子とが共存していることによって細孔が閉塞し、ガスの拡散経路が著しく狭められていることに起因するものと考えられる。したがって、粒度分布の狭い粉末を適用した場合には、粒子の大きさが比較的均一となるので細孔の閉塞が抑制されることによって、電極中のガス拡散性が向上することが期待できる。 However, although the cell voltage of PEFC to which the above catalyst powder having an average particle size in the range of 0.1 to 10 μm is applied is high when pure hydrogen and pure oxygen are used for the fuel and the oxidizer, respectively, the oxidation voltage is high. There has been a problem of reduction when air containing the agent or hydrogen containing CO 2 and CO is used as the fuel. The decrease in performance indicates that the gas diffusivity of the electrode is low, and therefore, when the partial pressure of hydrogen or oxygen as a reaction gas is low, the electrode is easily affected by the diffusivity. The low gas diffusivity is that the catalyst powder composing the electrode has a wide particle size distribution, that is, the coexistence of large particles and small particles clogs the pores, making the gas diffusion path remarkably. This is thought to be due to the narrowing. Therefore, when a powder having a narrow particle size distribution is applied, the size of the particles becomes relatively uniform, so that it is expected that gas diffusibility in the electrode is improved by suppressing pore blockage.

そこで、本発明の目的は、触媒金属が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボン表面との接面におもに担持された触媒粉末において、その粒度分布が狭い粉末を適用することによって、酸化剤に空気、あるいは燃料にCOおよびCOを含む水素を用いた場合においても燃料電池のセル電圧を向上させることである。 Therefore, an object of the present invention is to apply a catalyst metal having a narrow particle size distribution to a catalyst powder in which a catalyst metal is mainly supported on a contact surface between a proton conduction path of a cation exchange resin and a carbon surface. Even when hydrogen containing CO 2 and CO is used as air or fuel, the cell voltage of the fuel cell is improved.

本発明は、触媒金属が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボン表面との接面におもに担持された触媒粉末の粒度分布の指標として、その分布の体積累積頻度がそれぞれ50%および90%に達するときの粒子径を用い、その径をそれぞれD50およびD90としたときに、(D90/D50)≦2.5の条件を満たす上記触媒粉末を燃料電池の電極に適用することによって、そのセル電圧が向上するという発見に基づくものである。特に、PEFCに適用することによって、そのセル電圧が著しく向上することを見いだした。   In the present invention, the volume cumulative frequency of the catalyst metal is 50% and 90%, respectively, as an index of the particle size distribution of the catalyst powder in which the catalyst metal is mainly supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface. The cell voltage is improved by applying the above catalyst powder satisfying the condition of (D90 / D50) ≦ 2.5 to the electrode of the fuel cell, when the particle diameter is reached and the diameter is D50 and D90, respectively. It is based on the discovery of doing. In particular, it has been found that the cell voltage is remarkably improved by applying to PEFC.

請求項1の発明は、触媒金属が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面に主に担持された平均粒子径0.1μm以上10μm以下の燃料電池用触媒粉末において、前記粉末の粒度分布の体積累積頻度がそれぞれ50%および90%に達するときの粒子径を、それぞれD50およびD90としたときに(D90/D50)≦2.5の条件を満たすことを特徴とする。   The invention of claim 1 is directed to a fuel cell catalyst powder having an average particle size of 0.1 μm or more and 10 μm or less mainly supported on the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface. It is characterized by satisfying the condition of (D90 / D50) ≦ 2.5 when the particle diameter when the volume accumulation frequency reaches 50% and 90%, respectively, is D50 and D90.

請求項2の発明は、請求項1記載の触媒粉末の製造方法において、陽イオン交換樹脂とカーボンとを、総量で3.0質量%以下含む混合液を噴霧乾燥して陽イオン交換樹脂とカーボンとを含む混合粉末を製作したのちに、その混合粉末に触媒金属元素の陽イオンを含ませ、その陽イオンを水素を含むガス中で還元することを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for producing a catalyst powder according to the first aspect, wherein a mixture containing 3.0% by mass or less of cation exchange resin and carbon is spray-dried to obtain a cation exchange resin and carbon. After the mixed powder containing is manufactured, the mixed powder contains a cation of a catalytic metal element, and the cation is reduced in a gas containing hydrogen.

請求項3の発明は、燃料電池において、上記の触媒粉末を電極に備えることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the fuel cell, the catalyst powder is provided in an electrode.

本発明の触媒粉末を燃料電池、特にPEFCの触媒層に適用することによって、酸化剤に空気、あるいは燃料にCOおよびCOを含む水素を用いた場合においても高いセル電圧が得られる。このことは、粉末の粒度分布が狭い、すなわち粒子の大きさが比較的均一である粉末を用いることによって、反応ガスが拡散するための細孔の閉塞が抑制され、連続した細孔が形成された結果、ガス拡散性が著しく向上したことによるものである。 By applying the catalyst powder of the present invention to a fuel cell, particularly a catalyst layer of PEFC, a high cell voltage can be obtained even when air containing oxidant or hydrogen containing CO and CO 2 is used. This is because by using a powder with a narrow particle size distribution, that is, with a relatively uniform particle size, blockage of pores due to diffusion of reaction gas is suppressed, and continuous pores are formed. As a result, the gas diffusibility was remarkably improved.

また、本発明の製造方法を用いると、粒度分布の体積累積頻度がそれぞれ50%および90%に達するときの粒子径を、それぞれD50およびD90としたときに、(D90/D50)≦2.5の条件を満たす粒度分布の狭い触媒粉末を得ることができる。また、本発明の触媒粉末を燃料電池、特にPEFCの電極に適用することによって、分圧の低い反応ガスを用いた場合であってもそのセル電圧が向上するので、このPEFCを適用したシステムのエネルギー変換効率を向上させることができる。   Further, when the production method of the present invention is used, the particle diameter when the volume cumulative frequency of the particle size distribution reaches 50% and 90%, respectively, where D50 and D90, respectively, (D90 / D50) ≦ 2.5 A catalyst powder with a narrow particle size distribution that satisfies the above can be obtained. In addition, by applying the catalyst powder of the present invention to a fuel cell, particularly a PEFC electrode, the cell voltage is improved even when a reaction gas with a low partial pressure is used. Energy conversion efficiency can be improved.

本発明は、触媒金属が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面に主に担持された平均粒子径が0.1μm以上10μm以下の触媒粉末において、その粒度分布の体積累積頻度が50%および90%に達するときの粒子径D50およびD90が、(D90/D50)≦2.5の条件を満たすことによって、その触媒粉末を用いた触媒層のガス拡散性が向上するものである。   The present invention relates to a catalyst powder having an average particle size of 0.1 μm or more and 10 μm or less in which the catalyst metal is mainly supported on the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface, and the volume cumulative frequency of the particle size distribution is 50%. When the particle diameters D50 and D90 when reaching 90% satisfy the condition of (D90 / D50) ≦ 2.5, the gas diffusibility of the catalyst layer using the catalyst powder is improved.

本発明の燃料電池用触媒粉末は、陽イオン交換樹脂とカーボンとの総量を3.0質量%以下含む混合液を調製する工程と、その混合液を噴霧乾燥してカーボンと陽イオン交換樹脂とを含む混合粉末を製作する工程と、その混合物に触媒金属元素の陽イオンを含ませ、その陽イオンを、水素を含むガス中で還元する工程とを経て製造される。   The fuel cell catalyst powder of the present invention comprises a step of preparing a mixed solution containing a total amount of cation exchange resin and carbon of 3.0% by mass or less, and spray-drying the mixed solution to contain carbon and cation exchange resin. The mixed powder is manufactured through a process of including a catalyst metal element cation in the mixture and reducing the cation in a gas containing hydrogen.

ここで粒度分布の体積累積頻度とは、それぞれの粒子径範囲に対する粉末の粒子数を示すものであり、その分布が50%および90%に達するときの粒子径をそれぞれD50およびD90とする。このとき、D90/D50の値が大きいことは粒度分布が広く、粒子の大きさにばらつきがあることを、小さいことはその分布が狭く粒子の大きさが比較的均一であることを示す。本発明の触媒粉末は、(D90/D50)≦2.5の条件を満たし、その粒度分布は狭い。この粉末を用いて製作した触媒層を適用した燃料電池を、酸化剤に空気、あるいは燃料にCOおよびCOを含む水素を用いて運転した場合のセル電圧は、(D90/D50)の値が2.5より大きい粉末を用いた場合よりも著しく高い。このことは、粒度分布の狭い、つまり粒子の大きさが比較的均一である粉末を用いて製作した触媒層のガス拡散性が著しく高いことに起因している。 Here, the volume cumulative frequency of the particle size distribution indicates the number of powder particles with respect to each particle size range, and the particle sizes when the distribution reaches 50% and 90% are D50 and D90, respectively. At this time, a large value of D90 / D50 indicates that the particle size distribution is wide and the particle size varies, and a small value indicates that the distribution is narrow and the particle size is relatively uniform. The catalyst powder of the present invention satisfies the condition of (D90 / D50) ≦ 2.5, and its particle size distribution is narrow. When a fuel cell to which a catalyst layer manufactured using this powder is applied is operated using air as an oxidant or hydrogen containing CO and CO 2 as a fuel, the cell voltage is (D90 / D50). Significantly higher than when using powders larger than 2.5. This is due to the fact that the gas diffusibility of the catalyst layer produced using a powder having a narrow particle size distribution, that is, a relatively uniform particle size, is extremely high.

本発明の触媒金属とは、酸素の還元反応または水素の酸化反応に対する触媒活性の高い白金、パラジウム、オスニウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウムなどの白金族金属およびそれを含む合金を示し、陽イオン交換樹脂とは、プロトン伝導性を有する樹脂、たとえばパーフルオロカーボンスルホン酸形スチレン−ジビニルベンゼンスルホン酸形陽イオン交換樹脂樹脂などを示す。これらの樹脂はH.L. Yeager等 (J.Electrochem.Soc.,128,1880 (1981)) および小久見等 (J.Electrochem.Soc.,132,2601 (1985)) の報告に記載されているように、主鎖が集合した疎水性領域と側鎖が集合したクラスターと呼ばれる親水性領域のプロトン伝導経路とにミクロ相分離した構造をもつ高分子である。その疎水性領域は、ポリテトラフルオロエチレンに類似の構造であるので、反応物および水の透過は著しく少ない。一方、そのプロトン伝導経路では、側鎖の先端に結合しているイオン交換基がクラスターを形成しており、そのクラスターに水が取り込まれることによって、対イオンが移動可能な状態になる。つまり、水、プロトンおよび反応物(水素または酸素)は、親水性領域を移動することができる。したがって、そのプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に担持された触媒金属は、電極反応に対して活性である。陽イオン交換樹脂のEW値は、800〜1150の範囲であることが好ましい。これより小さいと、その樹脂の強度が不十分であり、これより大きいとイオン交換基の量が少なくなることによってプロトン伝導性が低下する。また、本発明のカーボンとは、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラックなどのカーボンブラックや活性炭など、電子伝導性をもつ炭素材料を示す。   The catalyst metal of the present invention refers to a platinum group metal such as platinum, palladium, osnium, rhodium, ruthenium, iridium and an alloy containing the same having a high catalytic activity for oxygen reduction reaction or hydrogen oxidation reaction, and includes a cation exchange resin. Indicates a proton conductive resin such as a perfluorocarbon sulfonic acid type styrene-divinylbenzene sulfonic acid type cation exchange resin resin. These resins are described in reports by HL Yeager et al. (J. Electrochem. Soc., 128, 1880 (1981)) and Kokumi et al. (J. Electrochem. Soc., 132, 2601 (1985)). It is a polymer with a microphase-separated structure between the hydrophobic region where the main chain is assembled and the proton conduction path of the hydrophilic region called the cluster where the side chain is assembled. Since the hydrophobic region is a structure similar to polytetrafluoroethylene, there is significantly less permeation of reactants and water. On the other hand, in the proton conduction path, the ion exchange group bonded to the tip of the side chain forms a cluster, and when water is taken into the cluster, the counter ion becomes movable. That is, water, protons and reactants (hydrogen or oxygen) can move through the hydrophilic region. Therefore, the catalytic metal supported on the contact surface between the proton conduction path and the carbon surface is active against the electrode reaction. The EW value of the cation exchange resin is preferably in the range of 800 to 1150. If it is smaller than this, the strength of the resin is insufficient, and if it is larger than this, the amount of ion-exchange groups is reduced and proton conductivity is lowered. The carbon of the present invention refers to a carbon material having electron conductivity, such as carbon black such as acetylene black, furnace black, channel black, and activated carbon.

本発明の“主に”とは、この触媒金属が全触媒金属に占める割合が80%以上であることを意味する。その割合は、たとえば、評価対象となる触媒と陽イオン交換樹脂とを含む電極を、公知となっている方法(特開2003-257439号公報)を用いて製作し、その電極に担持された触媒への水素の吸脱着反応に基づく電気量を、アルゴンガス中および硫酸水溶液中での測定によりそれぞれ求める。アルゴンガス中におけるサイクリックボルタンメトリーによって求められる電気量は、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に担持された触媒上における水素の吸脱着反応に基づくものである。この方法によって得られた電気量から、この反応に関与した表面積を計算する。計算式は、つぎのとおりである。   In the present invention, “mainly” means that the proportion of the catalyst metal in the total catalyst metal is 80% or more. The ratio is, for example, that an electrode including a catalyst to be evaluated and a cation exchange resin is manufactured using a known method (Japanese Patent Laid-Open No. 2003-257439), and the catalyst supported on the electrode The quantity of electricity based on the adsorption and desorption reaction of hydrogen to and from is determined by measurement in argon gas and sulfuric acid aqueous solution, respectively. The amount of electricity determined by cyclic voltammetry in argon gas is based on the adsorption / desorption reaction of hydrogen on the catalyst supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface. From the quantity of electricity obtained by this method, the surface area involved in this reaction is calculated. The calculation formula is as follows.

S=Q×a
この式では、Sが反応に関与した表面積(単位はcm2)、Qが電荷量(単位はC)、aが触媒の表面1cm2上における水素の吸脱着反応にともなう電気量(単位はC/cm)である。この係数は、反応に関与する触媒が白金である場合、210×10-6である。水素の吸脱着反応は、電気化学的に活性な触媒の表面で生じるものであるので、この計算で求められた表面積は、カーボンの表面と陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路との接面に担持された触媒のみの表面積を意味するものである。この表面積をS1とする。
S = Q × a
In this formula, S is the surface area involved in the reaction (unit is cm 2 ), Q is the charge amount (unit is C), and a is the amount of electricity associated with the hydrogen adsorption / desorption reaction on 1 cm 2 of the catalyst surface (unit is C). / cm 2 ). This coefficient is 210 × 10 −6 when the catalyst involved in the reaction is platinum. Since the adsorption / desorption reaction of hydrogen occurs on the surface of the electrochemically active catalyst, the surface area determined by this calculation is supported on the contact surface between the carbon surface and the proton conduction path of the cation exchange resin. It means the surface area of the catalyst only. This surface area to S 1.

つぎに、同様の方法で、同じ電極を硫酸水溶液中に浸漬してサイクリックボルタンメトリーをおこなった場合の水素の吸脱着反応による電気量を算出する。この場合は、電極が硫酸水溶液中に浸漬されているので、カーボン表面に担持された触媒は、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路との接触の有無にかかわらずすべてプロトンの授受が可能となるので、電極中に含まれる全ての触媒の表面積が算出される。この表面積をS2とする。 Next, by the same method, the amount of electricity by hydrogen adsorption / desorption reaction when the same electrode is immersed in sulfuric acid aqueous solution and cyclic voltammetry is calculated. In this case, since the electrode is immersed in an aqueous sulfuric acid solution, the catalyst supported on the carbon surface can exchange protons regardless of the contact with the proton conduction path of the cation exchange resin. The surface areas of all the catalysts contained in the electrode are calculated. This surface area and S 2.

上記で算出したS1とS2の値を用いることによって、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に担持された触媒金属が、触媒粒子中に含まれる全ての触媒に占める割合(X)は、つぎのように算出できる。 By using the values of S 1 and S 2 calculated above, the catalyst metal supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface is added to all the catalysts contained in the catalyst particles. The occupying ratio (X) can be calculated as follows.

X=S1/S2 ×100
ここで、本発明の、触媒金属が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に主に担持されている燃料電池用触媒粉末のカーボン表面近傍の模式図を図1に示す。カーボン1の表面は、陽イオン交換樹脂2によって被覆されている。そのプロトン伝導経路3とカーボン1の表面との接面に触媒金属5が主に担持されている。その陽イオン交換樹脂2が多く混入することによって、電子伝導性が低下する。さらに、その陽イオン交換樹脂2は、親水性領域であるプロトン伝導経路3と疎水性領域4とから構成される。
X = S 1 / S 2 × 100
Here, FIG. 1 shows a schematic diagram of the vicinity of the carbon surface of the catalyst powder for fuel cells in which the catalytic metal of the present invention is mainly supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface. . The surface of the carbon 1 is covered with a cation exchange resin 2. A catalytic metal 5 is mainly supported on the contact surface between the proton conduction path 3 and the surface of the carbon 1. When a large amount of the cation exchange resin 2 is mixed, the electron conductivity is lowered. Further, the cation exchange resin 2 includes a proton conduction path 3 and a hydrophobic region 4 which are hydrophilic regions.

本発明の触媒粉末の製造方法について以下に詳細に述べる。   The method for producing the catalyst powder of the present invention will be described in detail below.

まず、陽イオン交換樹脂とカーボンとを含む混合液を調製する。その混合液の固形分濃度は、3.0質量%以下とする。ここで、固形分濃度とは、陽イオン交換樹脂およびカーボンなどを含む固形物の総量で、これらのほかに、触媒粉末の撥水性を向上させるためのフッ素樹脂などを含んでもよい。3.0質量%以下の固形分濃度の混合液を用いることによって、得られる陽イオン交換樹脂とカーボンとの混合物の粒子径を9.0μm以下に低減でき、かつその粒子径の粒度分布において(D90/D50)≦2.5の条件を満たす粉末を得ることができる。ここで、固形分濃度は0.5質量%より大きい混合液を用いることが、粉末の製作効率を高くできる点から好ましい。さらに、カーボンと陽イオン交換樹脂とを含む混合物中の陽イオン交換樹脂の含有率をカーボンに対して 35 質量% 以上 60 質量% 以下 にすることが好ましい。その含有率は、陽イオン交換樹脂とカーボンとを含む混合液とカーボンとの混合割合で調整することができる。陽イオン交換樹脂の含有率が 35 質量% 以下であれば、触媒粉末間のプロトン伝導性が低下するだけでなく、吸着する陽イオン量が低くなる結果触媒の含有率が低くなるので触媒層の厚さが増大することが問題である。一方で、含有率が60 質量% より大きい場合は、陽イオン交換樹脂の含有率が高いために、カーボン粒子間に絶縁物である陽イオン交換樹脂が混入することによって、電子伝導性が低下する結果、抵抗分極が増大し、PEFCのセル電圧が低下することが問題となる。   First, a mixed solution containing a cation exchange resin and carbon is prepared. The solid content concentration of the mixed solution is 3.0% by mass or less. Here, the solid content concentration is the total amount of solids including a cation exchange resin and carbon, and in addition to these, a fluorine resin for improving the water repellency of the catalyst powder may be included. By using a mixed solution having a solid content concentration of 3.0% by mass or less, the particle size of the resulting mixture of cation exchange resin and carbon can be reduced to 9.0 μm or less, and the particle size distribution of the particle size (D90 / D50 ) ≦ 2.5 can be obtained. Here, it is preferable to use a mixed solution having a solid content concentration of more than 0.5% by mass because the production efficiency of the powder can be increased. Furthermore, the content of the cation exchange resin in the mixture containing carbon and the cation exchange resin is preferably 35% by mass or more and 60% by mass or less with respect to the carbon. The content can be adjusted by the mixing ratio of the liquid mixture containing cation exchange resin and carbon and carbon. If the content of the cation exchange resin is 35% by mass or less, not only the proton conductivity between the catalyst powders is decreased, but also the amount of the cation adsorbed is lowered, resulting in a decrease in the content of the catalyst. The problem is that the thickness increases. On the other hand, when the content is larger than 60% by mass, the content of the cation exchange resin is high, so that the conductivity of the cation exchange resin, which is an insulator, is mixed between the carbon particles, thereby reducing the electronic conductivity. As a result, resistance polarization increases and the cell voltage of PEFC decreases.

つぎに、陽イオン交換樹脂とカーボンとの混合物に触媒金属の陽イオンを含ませる。この工程では、混合物中の陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路にその陽イオンを吸着させる。その方法として、たとえば、触媒金属の陽イオンを含む溶液を調製する。つぎに、この溶液に、カーボンと陽イオン交換樹脂とを含む混合物を浸漬することによって、混合物中の陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路にその陽イオンを吸着させる。これは、陽イオン交換樹脂の対イオンと、触媒金属の陽イオンとのイオン交換反応によるものである。この工程で、イオン交換させる陽イオンに二種類以上のイオンを用いることによって、陽イオン交換樹脂に、二種類以上のイオンを吸着させることができる。その前駆体となる陽イオンは、陽イオン交換樹脂が被覆されずにカーボンが露出している部分には吸着し難いが、陽イオン交換樹脂の対イオンとのイオン交換反応により陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路に優先的に吸着するものが好ましい。このような吸着特性を持つ陽イオンとしては、[Pt(NH3)4]2+、[Pt(NH3)5Cl]3+、[Ru(NH3)6]2+、[Ru(NH3)5Cl]2+、[Ru(NH3)6]3+ などを用いることができる。また、この工程で、触媒金属の陽イオンを含む溶液を調製し、この溶液に陽イオン交換樹脂とカーボンとの混合物を浸漬することによって、その陽イオン交換樹脂に、触媒金属の陽イオンを吸着させることができる。さらに、ここで使用するカーボンと陽イオン交換樹脂の混合物の平均粒子径は、0.05μm以上9.0μm以下であることが好ましい。この範囲の混合物を使用することによって、次の工程後に得られる触媒粉末の粒子径を0.1μm以上10μm以下の範囲に制御することが容易になる。 Next, a cation of a catalytic metal is included in the mixture of the cation exchange resin and carbon. In this step, the cation is adsorbed on the proton conduction path of the cation exchange resin in the mixture. For example, a solution containing a cation of a catalytic metal is prepared. Next, a cation exchange path of the cation exchange resin in the mixture is adsorbed by immersing a mixture containing carbon and the cation exchange resin in this solution. This is due to an ion exchange reaction between the counter ion of the cation exchange resin and the cation of the catalyst metal. In this step, two or more kinds of ions can be adsorbed to the cation exchange resin by using two or more kinds of ions as the cation to be ion-exchanged. The precursor cation is difficult to adsorb on the exposed carbon without being coated with the cation exchange resin, but the cation exchange resin is not adsorbed by the counter ion of the cation exchange resin. Those that preferentially adsorb to the proton conduction path are preferred. Cations having such adsorption characteristics include [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ , [Pt (NH 3 ) 5 Cl] 3+ , [Ru (NH 3 ) 6 ] 2+ , [Ru (NH 3 ) 5 Cl] 2+ , [Ru (NH 3 ) 6 ] 3+ and the like can be used. Also, in this process, a catalyst metal cation solution is prepared, and a cation exchange resin and carbon mixture is immersed in this solution to adsorb the catalyst metal cation to the cation exchange resin. Can be made. Furthermore, the average particle size of the mixture of carbon and cation exchange resin used here is preferably 0.05 μm or more and 9.0 μm or less. By using a mixture in this range, it becomes easy to control the particle diameter of the catalyst powder obtained after the next step to a range of 0.1 μm or more and 10 μm or less.

最後に、陽イオン交換樹脂とカーボンとの混合物に含まれる陽イオンを、水素を含むガス雰囲気下に曝すことによって還元する。その水素を含むガスは、水素と窒素やヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスとの混合ガスであることが好ましく、水素を 10 vol% 以上含むことが好ましい。ここで、混合物に陽イオンを含ませる工程と、水素を含むガス雰囲気下に曝す工程を数回繰り返すことによって、陽イオン交換樹脂とカーボンとの合計質量に対する触媒金属の含有率を制御することができる。また、その含有率は、混合物に含まれる陽イオン交換樹脂の含有量、その樹脂のEW値、および触媒金属の陽イオンの価数によっても、調整することができる。水素を含むガスの温度は、触媒金属の陽イオンが充分に還元され、かつ混合物に含まれる陽イオン混合樹脂の軟化が抑制される80〜150℃の範囲が好ましい。その温度が高いほどその軟化にともなって粒子が凝集するので、平均粒子径は増大する。   Finally, the cation contained in the mixture of cation exchange resin and carbon is reduced by exposure to a gas atmosphere containing hydrogen. The gas containing hydrogen is preferably a mixed gas of hydrogen and an inert gas such as nitrogen, helium, or argon, and preferably contains 10 vol% or more of hydrogen. Here, it is possible to control the content of the catalyst metal with respect to the total mass of the cation exchange resin and carbon by repeating the step of including a cation in the mixture and the step of exposing to a gas atmosphere containing hydrogen several times. it can. The content can also be adjusted by the content of the cation exchange resin contained in the mixture, the EW value of the resin, and the cation valence of the catalyst metal. The temperature of the gas containing hydrogen is preferably in the range of 80 to 150 ° C. in which the cation of the catalyst metal is sufficiently reduced and the softening of the cation mixed resin contained in the mixture is suppressed. The higher the temperature, the more the particles agglomerate with the softening, so the average particle diameter increases.

以下、本発明を好適な実施例を用いて説明する。   The present invention will be described below with reference to preferred embodiments.

[実験1]
D90/D50 の値の異なる種々の触媒粉末を用いた燃料電池用カソードをつぎのように製作した。まず、陽イオン交換樹脂溶液(アルドリッチ社製、ナフィオン5 質量%溶液)150 g、 2-プロパノール (Nacalai tesque) 100 g および脱イオン水 50 g を、攪拌装置(Rotary shaker,TAITEC)を用いて12時間充分に混合した。この混合溶液 300 g にカーボン粉末 (Cabot, Vulcan XC-72)11.25gを加えて、真空ミキサー (UH-600S, SMT) で30分間分散したのちに、2分間超音波を照射した。製作した分散液に、さらに2-プロパノールを加えて、所定の固形分濃度にそれぞれ希釈したのちに、スプレードライヤーを用いてそれぞれの希釈分散液を120 ℃で噴霧乾燥することによって、カーボンと陽イオン交換樹脂とを含む粉末を得た。
[Experiment 1]
Fuel cell cathodes using various catalyst powders with different D90 / D50 values were fabricated as follows. First, 150 g of a cation exchange resin solution (Aldrich, Nafion 5% by mass solution), 100 g of 2-propanol (Nacalai tesque) and 50 g of deionized water were mixed using a stirrer (Rotary shaker, TAITEC). Mix well for hours. After adding 11.25 g of carbon powder (Cabot, Vulcan XC-72) to 300 g of this mixed solution and dispersing with a vacuum mixer (UH-600S, SMT) for 30 minutes, the mixture was irradiated with ultrasonic waves for 2 minutes. After adding 2-propanol to the prepared dispersion and diluting each to the prescribed solid content concentration, each diluted dispersion is spray-dried at 120 ° C using a spray dryer, so that carbon and cation are obtained. A powder containing an exchange resin was obtained.

所定の濃度の希釈分散液を用いて製作したそれぞれの混合粉末10 g に[Pt(NH3)4] Cl2 の50 m mol l-1水溶液125 mlを加えて6時間60℃で攪拌することにより、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路部分に [Pt(NH3)4]2+ イオンを吸着させた。吸着後、カーボンと陽イオン交換樹脂の混合物に余剰に吸着した [Pt(NH3)4]2+ イオンを脱イオン水で洗浄および60℃で乾燥したのちに、所定の温度で6時間、水素雰囲気下で、その[Pt(NH3)4]2+ イオンを還元した。さらに、陽イオンの吸着工程とそのイオンの還元工程を2回繰り返すことによって、粒度分布の異なる触媒粉末A〜Gを得た。その触媒粉末の製作に使用した希釈分散液の濃度、その分散液を用いて得られた陽イオン交換樹脂とカーボンとの混合物の平均粒子径、還元温度を表1に示す。 Add [Pt (NH 3 ) 4 ] to 10 g of each mixed powder prepared using the diluted dispersion of the prescribed concentration. [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ ions were adsorbed on the proton conduction path of the cation exchange resin by adding 125 ml of 50 ml mol l- 1 aqueous solution of Cl 2 and stirring at 60 ° C for 6 hours . After adsorption, [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ ions adsorbed excessively on the mixture of carbon and cation exchange resin are washed with deionized water and dried at 60 ° C., and then hydrogenated at a predetermined temperature for 6 hours. Under the atmosphere, the [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ ion was reduced. Furthermore, catalyst powders A to G having different particle size distributions were obtained by repeating the cation adsorption step and the ion reduction step twice. Table 1 shows the concentration of the diluted dispersion used for the production of the catalyst powder, the average particle size of the mixture of the cation exchange resin and carbon obtained using the dispersion, and the reduction temperature.

この触媒粉末 2.0 g 、 N-メチル2-ピロリドン (NMP, Nacalai tesque) 8.2 gをハイブリットミキサー (HM500、KEYENCE)で30分間混合することによってペーストを調製し、そのペーストをTi箔上に塗布したのちに 80oCで 30 分間乾燥することによって、カソードとしての燃料電池用電極を製作した。この電極には、白金が0.15mg cm-2担持されていた。この電極を5cm×5cmの大きさに裁断したものを燃料電池に適用した。 A paste was prepared by mixing 2.0 g of this catalyst powder and 8.2 g of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP, Nacalai tesque) with a hybrid mixer (HM500, KEYENCE) for 30 minutes, and after applying the paste on Ti foil The electrode for a fuel cell as a cathode was manufactured by drying at 80 ° C. for 30 minutes. This electrode supported 0.15 mg cm −2 of platinum. The electrode cut into a size of 5 cm × 5 cm was applied to a fuel cell.

実験1で用いる燃料電池用アノードはつぎの方法によって製作した。まず、陽イオン交換樹脂溶液(アルドリッチ社製、ナフィオン5 質量%溶液)150 g、 2-プロパノール (Nacalai tesque) 100 g および脱イオン水 50 g を、攪拌装置(Rotary shaker,TAITEC)を用いて12時間充分に混合した。この混合溶液 300 g にカーボン粉末 (Cabot, Vulcan XC-72)11.25gを加えて、真空ミキサー (UH-600S, SMT) で30分間分散したのちに、2分間超音波を照射した。製作した分散液に、さらに2-プロパノールを加えて1.5質量%の固形分濃度に希釈したのちに、スプレードライヤーを用いてその希釈分散液を120℃で噴霧乾燥することによって、カーボンと陽イオン交換樹脂とを含む粉末を得た。その粉末10 g に、原子比Pt:Ru=20:80となるように調製した [Pt(NH3)4] Cl2 と[Ru(NH3)5Cl]Cl2 とを含む25 m mol l-1混合水溶液250 mlを加えて24時間攪拌することにより、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路部分に [Pt(NH3)4]2+ イオンおよび[Ru(NH3)5Cl]2+ イオンを吸着させた。吸着後、カーボンと陽イオン交換樹脂の混合物に余剰に吸着した [Pt(NH3)4]2+ イオンおよび[Ru(NH3)5Cl]2+ イオンを脱イオン水で洗浄および60℃で乾燥したのちに、120℃、24時間、水素雰囲気下で、その [Pt(NH3)4]2+ イオンおよび[Ru(NH3)5Cl]2+ イオンを還元した。さらに、陽イオンの吸着工程とそのイオンの還元工程を2回繰り返すことによって触媒粉末を得た。 The fuel cell anode used in Experiment 1 was manufactured by the following method. First, 150 g of a cation exchange resin solution (Aldrich, Nafion 5% by mass solution), 100 g of 2-propanol (Nacalai tesque) and 50 g of deionized water were mixed using a stirrer (Rotary shaker, TAITEC). Mix well for hours. After adding 11.25 g of carbon powder (Cabot, Vulcan XC-72) to 300 g of this mixed solution and dispersing with a vacuum mixer (UH-600S, SMT) for 30 minutes, the mixture was irradiated with ultrasonic waves for 2 minutes. Cation exchange with carbon is performed by adding 2-propanol to the prepared dispersion and diluting it to a solid concentration of 1.5% by mass, and then spray-drying the diluted dispersion at 120 ° C using a spray dryer. A powder containing resin was obtained. [Pt (NH 3 ) 4 ] was prepared so that the atomic ratio Pt: Ru = 20: 80 was applied to 10 g of the powder. By adding 250 ml of a 25 mMol -1 mixed aqueous solution containing Cl 2 and [Ru (NH 3 ) 5 Cl] Cl 2 and stirring for 24 hours, [Pt ( NH 3 ) 4 ] 2+ ions and [Ru (NH 3 ) 5 Cl] 2+ ions were adsorbed. After adsorption, the [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ and [Ru (NH 3 ) 5 Cl] 2+ ions adsorbed excessively on the mixture of carbon and cation exchange resin were washed with deionized water at 60 ° C. After drying, the [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ ion and [Ru (NH 3 ) 5 Cl] 2+ ion were reduced at 120 ° C. for 24 hours under a hydrogen atmosphere. Furthermore, a catalyst powder was obtained by repeating the cation adsorption step and the ion reduction step twice.

この触媒粉末 2.0 g 、 N-メチル2-ピロリドン (NMP、 Nacalai tesque) 8.2 gをハイブリットミキサー (HM500、KEYENCE) で30分間混合することによってペーストを調製し、そのペーストをTi箔上に塗布したのちに 80oCで 30 分間乾燥することによって、アノードを製作した。この電極には、触媒金属としての白金およびルテニウムが、それぞれ0.12 mg cm-2 および0.18 mg cm-2担持されていた。この電極を5cm×5cmの大きさに裁断したものを燃料電池に適用した。 A paste was prepared by mixing 2.0 g of this catalyst powder and 8.2 g of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP, Nacalai tesque) with a hybrid mixer (HM500, KEYENCE) for 30 minutes, and after applying the paste on Ti foil The anode was fabricated by drying at 80 ° C. for 30 minutes. On this electrode, platinum and ruthenium as catalytic metals were supported at 0.12 mg cm −2 and 0.18 mg cm −2 , respectively. The electrode cut into a size of 5 cm × 5 cm was applied to a fuel cell.

D90/D50 の異なる種々の燃料電池用触媒粉末を用いた電極および高分子電解質膜との接合体をつぎの手順で製作した。まず、高分子電解質膜(デュポン社製、ナフィオン112膜、膜厚約 50 mm )を 0.5 mol l-1の硫酸中に1時間80℃で保持させたのちに、1時間80℃の脱イオン水中に保持することにより、洗浄をおこなった。つづいて、その膜の両面にカソードおよびアノードをそれぞれ配したのちに加熱圧着(160℃、0.2 MPa)することによって、その膜と電極とを一体に接合した。このようにして、本発明の触媒粉末を用いた燃料電池用電極を備える膜/電極接合体を得た。最後に、その膜/電極接合体を、一対のガスフロープレートで挟持することによって、D90/D50 の値の異なる種々の触媒粉末をカソードに備える燃料電池を製作した。 Electrode and polymer electrolyte membrane assemblies using various fuel cell catalyst powders with different D90 / D50 were produced by the following procedure. First, a polymer electrolyte membrane (DuPont Nafion 112 membrane, film thickness of about 50 mm) was kept in 0.5 mol l- 1 sulfuric acid at 80 ° C for 1 hour, and then deionized water at 80 ° C for 1 hour. Washing was carried out by holding the plate. Subsequently, the cathode and the anode were arranged on both sides of the membrane, and then the membrane and the electrode were joined together by thermocompression bonding (160 ° C., 0.2 MPa). Thus, the membrane / electrode assembly provided with the electrode for fuel cells using the catalyst powder of the present invention was obtained. Finally, the membrane / electrode assembly was sandwiched between a pair of gas flow plates to produce fuel cells having various catalyst powders having different D90 / D50 values on the cathode.

実験1の触媒粉末を用いた燃料電池を、80℃で保温しながら、カソードおよびアノードにそれぞれ80℃で加湿した酸素あるいは空気および80℃で加湿した水素を供給して運転させた。カソードに適用した触媒粉末(A〜G)製作時の希釈分散液の固形分濃度、D90/D50の値、カソードに空気を供給して運転した場合の300mAcm-2におけるセル電圧を表2に示す。さらに、粒度分布の体積累積頻度が10%に達するときの粒子径をD10とし、参考までにD10/D50の値も示す。 The fuel cell using the catalyst powder of Experiment 1 was operated by supplying oxygen or air humidified at 80 ° C. and hydrogen humidified at 80 ° C. to the cathode and the anode, respectively, while keeping the temperature at 80 ° C. Table 2 shows the solid content concentration of the diluted dispersion when producing the catalyst powder (A to G) applied to the cathode, the value of D90 / D50, and the cell voltage at 300 mAcm -2 when operated by supplying air to the cathode. . Furthermore, the particle diameter when the volume cumulative frequency of the particle size distribution reaches 10% is D10, and the value of D10 / D50 is also shown for reference.

カソードに表2の触媒粉末Aを使用した燃料電池と触媒粉末Fを使用したそれぞれの燃料電池を純水素/酸素の条件下で運転した場合の電流−電圧曲線を図2に、カソードに空気を供給して運転した場合の電流−電圧曲線を図3にそれぞれ示す。図2から、カソードに酸素を供給した場合の出力特性は触媒粉末の違いによらず同程度であるが、図3から、カソードに空気を供給した場合のその特性は、D90/D50の値が1.55と小さい触媒粉末Aを用いたときにすぐれることがわかる。さらに、表2より、太枠内に示した触媒粉末A〜Dを用いた場合に高いセル電圧を示すことがわかる。触媒粉末A〜GのD90/D50の値と300mAcm-2におけるセル電圧との関係を図4に示す。図から、D90/D50の値が2.5以下、すなわち触媒粉末A〜Dを用いた場合のセル電圧が高いことがわかる。さらに、これらの触媒粉末はすべて、同時にD10/D50の値が0.4以上であることがわかった。すなわち、D90/D50≦2.5の条件を満たすことによってD10/D50≧0.4を同時に満たし、粒度分布の狭い粉末が得られることがわかった。以上の結果から、粒度分布の狭い触媒粉末を適用したセルでは、その触媒層中の粒子の大きさが比較的均一であることによって、反応ガスが拡散するための連続した細孔が形成されるので充分なガス拡散性が得られた結果、拡散分極が低減し、酸化剤に空気を用いた場合においても高いセル電圧が得られたものと考えられる。 Fig. 2 shows the current-voltage curve when the fuel cell using the catalyst powder A shown in Table 2 and the fuel cell using the catalyst powder F are operated under pure hydrogen / oxygen conditions. FIG. 3 shows current-voltage curves when supplied and operated. From FIG. 2, the output characteristics when oxygen is supplied to the cathode are similar regardless of the catalyst powder, but from FIG. 3, the characteristics when air is supplied to the cathode are the values of D90 / D50. It turns out that it is excellent when using catalyst powder A as small as 1.55. Furthermore, it can be seen from Table 2 that a high cell voltage is exhibited when the catalyst powders A to D shown in the thick frame are used. FIG. 4 shows the relationship between the D90 / D50 values of the catalyst powders A to G and the cell voltage at 300 mAcm −2 . From the figure, it can be seen that the value of D90 / D50 is 2.5 or less, that is, the cell voltage is high when catalyst powders A to D are used. Furthermore, all of these catalyst powders were found to have a D10 / D50 value of 0.4 or more at the same time. In other words, it was found that by satisfying the condition of D90 / D50 ≦ 2.5, D10 / D50 ≧ 0.4 was satisfied at the same time, and a powder having a narrow particle size distribution was obtained. From the above results, in the cell to which the catalyst powder having a narrow particle size distribution is applied, continuous pores for the reaction gas to diffuse are formed due to the relatively uniform size of the particles in the catalyst layer. Therefore, as a result of sufficient gas diffusivity being obtained, diffusion polarization is reduced, and it is considered that a high cell voltage was obtained even when air was used as the oxidant.

[実験2]
D90/D50 の値の異なる種々の触媒粉末を用いた燃料電池用アノードをつぎのように製作した。まず、陽イオン交換樹脂溶液(アルドリッチ社製、ナフィオン5 質量%溶液)150 g、 2-プロパノール (Nacalai tesque) 100 g および脱イオン水 50 g を、攪拌装置(Rotary shaker,TAITEC)を用いて12時間充分に混合した。この混合溶液 300 g にカーボン粉末 (Cabot, Vulcan XC-72)11.25gを加えて、真空ミキサー (UH-600S, SMT) で30分間分散したのちに、2分間超音波を照射した。製作した分散液に、さらに2-プロパノールを加えて、所定の固形分濃度にそれぞれ希釈したのちに、スプレードライヤーを用いてそれぞれの希釈分散液を120 oCで噴霧乾燥することによって、カーボンと陽イオン交換樹脂とを含む粉末を得た。
[Experiment 2]
Fuel cell anodes using various catalyst powders with different D90 / D50 values were fabricated as follows. First, 150 g of a cation exchange resin solution (Aldrich, Nafion 5% by mass solution), 100 g of 2-propanol (Nacalai tesque) and 50 g of deionized water were mixed using a stirrer (Rotary shaker, TAITEC). Mix well for hours. After adding 11.25 g of carbon powder (Cabot, Vulcan XC-72) to 300 g of this mixed solution and dispersing with a vacuum mixer (UH-600S, SMT) for 30 minutes, the mixture was irradiated with ultrasonic waves for 2 minutes. After further adding 2-propanol to the prepared dispersion and diluting each to a predetermined solid content concentration, each diluted dispersion is spray-dried at 120 ° C. using a spray dryer. A powder containing an ion exchange resin was obtained.

所定の濃度の希釈分散液を用いて製作したそれぞれの混合粉末10 g に原子比Pt:Ru=20:80となるように調製した [Pt(NH3)4] Cl2 と[Ru(NH3)5Cl]Cl2 とを含む25 m mol l-1混合水溶液250 mlを加えて24時間攪拌することにより、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路部分に [Pt(NH3)4]2+ イオンおよび[Ru(NH3)5Cl] 2+ イオンを吸着させた。吸着後、カーボンと陽イオン交換樹脂の混合物に余剰に吸着した [Pt(NH3)4]2+ イオンおよび[Ru(NH3)5Cl]2+ イオンを脱イオン水で洗浄および60℃で乾燥したのちに、所定の温度で24時間、水素雰囲気下で、その [Pt(NH3)4]2+ イオンおよび[Ru(NH3)5Cl]2+ イオンを還元した。さらに、陽イオンの吸着工程とそのイオンの還元工程を2回繰り返すことによって、粒度分布の異なる触媒粉末H〜Nを得た。その触媒粉末の製作に使用した希釈分散液の濃度、その分散液を用いて得られた陽イオン交換樹脂とカーボンとの混合物の平均粒子径および還元程温度を表3に示す。 [Pt (NH 3 ) 4 ] prepared to have an atomic ratio of Pt: Ru = 20: 80 to 10 g of each mixed powder produced using a dilute dispersion with a predetermined concentration By adding 250 ml of a 25 mMol -1 mixed aqueous solution containing Cl 2 and [Ru (NH 3 ) 5 Cl] Cl 2 and stirring for 24 hours, [Pt ( NH 3 ) 4 ] 2+ ions and [Ru (NH 3) 5 Cl] 2+ ions were adsorbed. After adsorption, the [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ and [Ru (NH 3 ) 5 Cl] 2+ ions adsorbed excessively on the mixture of carbon and cation exchange resin were washed with deionized water at 60 ° C. After drying, the [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ ion and [Ru (NH 3 ) 5 Cl] 2+ ion were reduced at a predetermined temperature for 24 hours under a hydrogen atmosphere. Furthermore, catalyst powders H to N having different particle size distributions were obtained by repeating the cation adsorption step and the ion reduction step twice. Table 3 shows the concentration of the diluted dispersion used for the production of the catalyst powder, the average particle diameter of the mixture of the cation exchange resin and carbon obtained using the dispersion, and the reduction temperature.

この触媒粉末 2.0 g 、 N-メチル2-ピロリドン (NMP, Nacalai tesque) 8.2 gをハイブリットミキサー (HM500、KEYENCE)で30分間混合することによってペーストを調製し、そのペーストをTi箔上に塗布したのちに 80oCで 30 分間乾燥することによって、アノードを製作した。この電極には、白金が0.18 mg cm-2とルテニウムが0.12 mg cm-2 担持されていた。この電極を5cm×5cmの大きさに裁断したものを燃料電池に適用した。 A paste was prepared by mixing 2.0 g of this catalyst powder and 8.2 g of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP, Nacalai tesque) with a hybrid mixer (HM500, KEYENCE) for 30 minutes, and after applying the paste on Ti foil The anode was fabricated by drying at 80 ° C. for 30 minutes. This electrode supported 0.18 mg cm -2 of platinum and 0.12 mg cm -2 of ruthenium. The electrode cut into a size of 5 cm × 5 cm was applied to a fuel cell.

触媒粉末の異なるこれらのアノードと、実験1で製作した触媒粉末Aを適用したカソードとを用いて、実験1と同様の方法で本発明の燃料電池用触媒粉末を備える燃料電池を製作した。   Using these anodes having different catalyst powders and the cathode to which the catalyst powder A manufactured in Experiment 1 was applied, a fuel cell including the fuel cell catalyst powder of the present invention was manufactured in the same manner as in Experiment 1.

実験2の触媒粉末を適用した燃料電池を、80℃で保温しながら、カソードおよびアノードにそれぞれ80℃で加湿した空気および80℃で加湿した10 ppm COを含むCO20%とH80%との混合ガスを供給して300 mAcm-2で運転させた。アノードに適用した触媒粉末(H〜L)製作時の希釈分散液の固形分濃度、D90/D50の値およびカソードに空気を供給して運転した場合の300mAcm-2におけるセル電圧を表4に示す。参考として、D10/D50の値も合わせて示す。 While maintaining the temperature of the fuel cell to which the catalyst powder of Experiment 2 was applied at 80 ° C., the cathode and the anode were respectively humidified with air humidified at 80 ° C. and CO 2 20% and H 2 80% containing 10 ppm CO. And a gas mixture of 300 mAcm -2 was supplied. Table 4 shows the solid content concentration of the diluted dispersion, the value of D90 / D50 when the catalyst powder (H to L) applied to the anode was manufactured, and the cell voltage at 300 mAcm -2 when operated by supplying air to the cathode. . For reference, the value of D10 / D50 is also shown.

表から、太枠内に示した触媒粉末H〜Kを用いた場合に高いセル電圧を示すことがわかる。つぎに、触媒粉末H〜NのD90/D50の値と300mAcm-2におけるセル電圧との関係を図5に示す。図から、D90/D50の値が2.5以下、すなわち触媒粉末H〜Kを用いた場合のセル電圧が高いことがわかる。さらに、これらの触媒粉末はすべて、同時にD10/D50の値が0.4以上であることがわかった。すなわち、D90/D50≦2.5の条件を満たすことによってD10/D50≧0.4を同時に満たし、粒度分布の狭い粉末が得られることがわかった。アノードにCOおよびCOを含むガスを用いた場合には、純水素を用いた場合と比較して、水素の分圧が低いのでアノードの反応物質である水素が反応界面にまで拡散し難い。したがって、触媒層におけるガス拡散性の影響を受けやすい。しかしながら、上記D90/D50の値を示す触媒粉末の粒度分布は狭く、粒子の大きさが比較的均一であることによって、粒子が密に充填されることなく連続した細孔が形成され、高いガス拡散性が確保された結果、CO2あるいはCOの系外への排出、および反応界面への充分な水素の供給によって、アノードの分極の低減にともなう、高いセル電圧が得られたものと考えられる。 It can be seen from the table that a high cell voltage is exhibited when the catalyst powders H to K shown in the thick frame are used. Next, FIG. 5 shows the relationship between the D90 / D50 values of the catalyst powders H to N and the cell voltage at 300 mAcm −2 . From the figure, it can be seen that the value of D90 / D50 is 2.5 or less, that is, the cell voltage is high when the catalyst powders H to K are used. Furthermore, all of these catalyst powders were found to have a D10 / D50 value of 0.4 or more at the same time. In other words, it was found that by satisfying the condition of D90 / D50 ≦ 2.5, D10 / D50 ≧ 0.4 was satisfied at the same time, and a powder having a narrow particle size distribution was obtained. When a gas containing CO and CO 2 is used for the anode, the hydrogen partial pressure is lower than when pure hydrogen is used, so that hydrogen, which is a reactant of the anode, hardly diffuses to the reaction interface. Therefore, it is easily affected by gas diffusibility in the catalyst layer. However, the particle size distribution of the catalyst powder showing the above D90 / D50 value is narrow and the particle size is relatively uniform, so that continuous pores are formed without dense packing of particles, and high gas As a result of ensuring diffusivity, it is considered that high cell voltage was obtained by reducing the polarization of the anode by discharging CO 2 or CO out of the system and supplying sufficient hydrogen to the reaction interface. .

以上の結果から、粒度分布においてD90/D50の値が2.5以下である触媒粉末を用いて製作したカソードおよびアノードを適用したPEFCは、高い電圧を示すことが明らかとなった。   From the above results, it was clarified that the PEFC using the cathode and the anode manufactured using the catalyst powder having a D90 / D50 value of 2.5 or less in the particle size distribution shows a high voltage.

なお、本発明の触媒粉末の製造方法は、陽イオン交換樹脂とカーボンとの総量が3.0質量%以下の混合液を用いるとされているように、陽イオン交換樹脂を含む噴霧溶液の濃度の規定がクリティカルに影響を与えるということを見いだしてなるものである。さらに,陽イオン交換樹脂に吸着させた陽イオンを水素中に曝して還元する際の温度条件は、110〜160℃の範囲であればよく、適宜設定することで製造することができる。   In addition, the method for producing the catalyst powder of the present invention defines the concentration of the spray solution containing the cation exchange resin so that a mixed solution having a total amount of the cation exchange resin and carbon of 3.0% by mass or less is used. Is found to have a critical impact. Furthermore, the temperature condition when the cation adsorbed on the cation exchange resin is reduced by exposure to hydrogen may be in the range of 110 to 160 ° C., and can be produced by appropriately setting.

触媒金属が選択的に陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボン表面との接面に主に担持された電極のカーボン表面を模式的に示した図。The figure which showed typically the carbon surface of the electrode by which the catalyst metal was selectively carry | supported mainly on the contact surface of the proton conduction path | route of a cation exchange resin, and a carbon surface. 触媒粉末Aをカソードに用いた燃料電池と触媒粉末Fをカソードに用いた燃料電池をカソードおよびアノードにそれぞれ水素および空気を供給して測定した場合の電流−電圧曲線。A current-voltage curve when a fuel cell using catalyst powder A as a cathode and a fuel cell using catalyst powder F as a cathode are measured by supplying hydrogen and air to the cathode and anode, respectively. 触媒粉末Aをカソードに用いた燃料電池と触媒粉末Fをカソードに用いた燃料電池をカソードおよびアノードにそれぞれ20%のCOと10ppmのCOとを含む水素および空気を供給して測定した場合の電流−電圧曲線。Measurements of a fuel cell using catalyst powder A as the cathode and a fuel cell using catalyst powder F as the cathode when hydrogen and air containing 20% CO 2 and 10 ppm CO are supplied to the cathode and anode, respectively. Current-voltage curve. 触媒粉末のD50/D90の値と、その粉末を用いたPEFCのカソードおよびアノードにそれぞれ空気および空気を供給した場合の、300 mA cm-2におけるセル電圧との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the value of D50 / D90 of catalyst powder, and the cell voltage in 300 mAcm <-2 > when air and air are each supplied to the cathode and anode of PEFC using the powder. 触媒粉末のD50/D90の値と、その粉末を用いたPEFCのカソードおよびアノードにそれぞれ20%のCOと10ppmのCOとを含む水素および空気を供給および空気を供給した場合の、300 mA cm-2におけるセル電圧との関係を示す図。300 mA cm when the value of D50 / D90 of the catalyst powder and hydrogen and air containing 20% CO 2 and 10 ppm CO, respectively, and air are supplied to the cathode and anode of PEFC using the powder. The figure which shows the relationship with the cell voltage in -2 .

符号の説明Explanation of symbols

1 カーボン粒子
2 陽イオン交換樹脂
3 プロトン伝導経路
4 疎水性領域
5 触媒金属
1 Carbon Particle 2 Cation Exchange Resin 3 Proton Conduction Path 4 Hydrophobic Region 5 Catalytic Metal

Claims (3)

触媒金属が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの界面に全触媒金属の80%以上担持された平均粒子径0.1μm以上10μm以下の酸化剤に空気あるいは燃料にCO 2 およびCOを含む水素を用いた燃料電池用触媒粉末において、前記粉末の粒度分布の体積累積頻度がそれぞれ50%および90%に達するときの粒子径を、それぞれD50およびD90としたときに、(D90/D50)≦2.5の条件を満たすことを特徴とする燃料電池用触媒粉末。 Hydrogen containing CO 2 and CO in air or fuel to the catalyst metal cation exchange resin of the proton conduction paths and 80% supported average particle diameter 0.1μm or 10μm or less of the oxidizing agent of the total catalyst metal at the interface of the carbon In the fuel cell catalyst powder used, when the particle size distribution when the volume cumulative frequency of the particle size distribution of the powder reaches 50% and 90%, respectively, is D50 and D90, respectively, (D90 / D50) ≦ 2.5 A fuel cell catalyst powder characterized by satisfying the conditions. 陽イオン交換樹脂とカーボンとの総量が3.0質量%以下の混合液を噴霧乾燥することによって、陽イオン交換樹脂とカーボンとを含む混合粉末を製作したのちに、その混合粉末に触媒金属元素の陽イオンを含ませ、その陽イオンを、水素を含むガス中で還元することを特徴とする請求項1記載の触媒粉末の製造方法。 By spray-drying a mixed solution having a total amount of the cation exchange resin and carbon of 3.0% by mass or less, a mixed powder containing the cation exchange resin and carbon is manufactured. The method for producing a catalyst powder according to claim 1, wherein ions are included and the cations are reduced in a gas containing hydrogen. 請求項1記載の燃料電池用触媒粉末を電極に備えることを特徴とする燃料電池。
A fuel cell comprising the fuel powder catalyst powder according to claim 1 on an electrode.
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