JP5376217B2 - Method for producing particles for electrode material of fuel cell, electrode material for fuel cell and method for producing the same, and method for producing electrode for fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池の電極材料用の粒子の製造方法、燃料電池用電極材料およびその製造方法、ならびに、燃料電池用電極の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing particles for an electrode material for a fuel cell, an electrode material for a fuel cell and a method for producing the same, and a method for producing an electrode for a fuel cell.

燃料電池は、環境への悪影響がほとんどない発電システムとして注目されている。とくに、イオン交換膜を電解質として使用する固体高分子形燃料電池は、作動温度が低いこと、および小形化が可能であることから、車載用の電源などとして有望視されている。   Fuel cells are attracting attention as power generation systems that have little negative impact on the environment. In particular, a polymer electrolyte fuel cell using an ion exchange membrane as an electrolyte is considered promising as an in-vehicle power source because it has a low operating temperature and can be miniaturized.

このような、燃料電池に用いる電極は、導電性材料と、イオン交換樹脂と、触媒金属とを含む。この電極を高分子電解質膜の両方の面に備えた燃料電池のアノードおよびカソードに、水素を含むガスおよび酸素を含むガスをそれぞれ供給すると、アノードおよびカソードでは、以下の反応が進行して電力が得られる。
アノード:2H→4H+4e
カソード:O+4H+4e→2H
全体:2H+O→2H
Such an electrode used for a fuel cell includes a conductive material, an ion exchange resin, and a catalyst metal. When a gas containing hydrogen and a gas containing oxygen are respectively supplied to the anode and cathode of a fuel cell equipped with this electrode on both sides of the polymer electrolyte membrane, the following reaction proceeds at the anode and cathode to generate power. can get.
Anode: 2H 2 → 4H + + 4e
Cathode: O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O
Overall: 2H 2 + O 2 → 2H 2 O

この電極の反応は、イオン交換樹脂のクラスター部と呼ばれるプロトン伝導経路と導電性材料との接面に形成された反応サイトでおこる。その反応の効率を高めることによってセル電圧を向上するためには、そのサイトに触媒金属を効率よく担持すること、およびそのサイトに反応ガスを充分に供給することが必要である。このような燃料電池を製造する方法としては、例えば、特許文献1に記載の方法などが知られている。   This electrode reaction takes place at a reaction site formed on the contact surface between the proton conduction path called the cluster part of the ion exchange resin and the conductive material. In order to improve the cell voltage by increasing the efficiency of the reaction, it is necessary to efficiently support the catalytic metal at the site and to sufficiently supply the reaction gas to the site. As a method for manufacturing such a fuel cell, for example, a method described in Patent Document 1 is known.

特開2005−276443号公報JP 2005-276443 A

上記特許文献1に記載の燃料電池用電極の製造方法はつぎの通りである。まず、炭素材料と陽イオン交換樹脂と触媒金属とを含む混合物Xを作製してから、この混合物Xと造孔剤とを混合して混合物Xと造孔剤とを含むスラリーを作製する。つづいて、そのスラリーをシート上に塗布・乾燥した後に、触媒層とシートとの積層体を作製する。次に、積層体の触媒層を陽イオン交換膜に接合して、シートを除去し、陽イオン交換膜と触媒層との接合体を作製する。さらに、陽イオン交換膜と触媒層との接合体を酸に接触させて造孔剤を溶出させる溶出工程を経ることにより、燃料電池用電極が得られる。   The manufacturing method of the fuel cell electrode described in Patent Document 1 is as follows. First, after preparing the mixture X containing a carbon material, a cation exchange resin, and a catalyst metal, this mixture X and a pore making agent are mixed, and the slurry containing the mixture X and a pore making agent is produced. Subsequently, after applying and drying the slurry on the sheet, a laminate of the catalyst layer and the sheet is produced. Next, the catalyst layer of the laminate is joined to the cation exchange membrane, the sheet is removed, and a joined body of the cation exchange membrane and the catalyst layer is produced. Furthermore, the electrode for fuel cells is obtained by passing through the elution process which makes the conjugate | bonded_body of a cation exchange membrane and a catalyst layer contact an acid, and elutes a pore making material.

特許文献1の発明によれば、積層体を作製する際に混合物Xと混合した造孔剤が、溶出工程において溶出されることによって、触媒層に空孔を形成することができる。その結果、触媒層中のガスの拡散性、およびカソード電極反応などにより生成する水の排出性が向上するので、電流密度の高い条件でも燃料電池の分極の増大を抑制できる結果、高い出力密度の燃料電池を提供することができる。   According to the invention of Patent Document 1, pores can be formed in the catalyst layer by elution of the pore-forming agent mixed with the mixture X when the laminate is produced in the elution step. As a result, the gas diffusivity in the catalyst layer and the discharge of water generated by the cathode electrode reaction and the like are improved, so that an increase in the polarization of the fuel cell can be suppressed even under high current density conditions. A fuel cell can be provided.

しかしながら、特許文献1の発明では、造孔剤が炭素質材料とイオン交換樹脂と触媒金属とを含む混合物Xの粒子の内部には存在し得ず、混合物Xの粒子間にのみ存在していたので、混合物Xの内部の領域に充分な空孔を形成することができなかった。その結果、混合物Xの内部の領域の反応サイトに位置する触媒金属へのガス拡散性が不足して反応ガスが充分に供給されず、低い出力しか得られなかった。したがって、車載用の電源などに用いる燃料電池においては、さらに高出力にするための検討を必要としていた。   However, in the invention of Patent Document 1, the pore-forming agent cannot exist inside the particles of the mixture X containing the carbonaceous material, the ion exchange resin, and the catalyst metal, and exists only between the particles of the mixture X. Therefore, sufficient pores could not be formed in the region inside the mixture X. As a result, the gas diffusion to the catalytic metal located at the reaction site in the region inside the mixture X was insufficient, and the reaction gas was not sufficiently supplied, so that only a low output was obtained. Therefore, a fuel cell used for an in-vehicle power source or the like needs to be studied for higher output.

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、セル電圧が高く高出力の燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been completed based on the above situation, and an object of the present invention is to provide a fuel cell having a high cell voltage and a high output.

上記課題を解決するために鋭意検討した結果、以下の知見を得た。
(1)導電性材料、イオン交換樹脂および造孔剤を含む粒子から造孔剤を除去すると、当該粒子の内部の領域に充分な量の空孔が形成される。
(2)(1)に記載の粒子を用いて作製した燃料電池用電極材料を備える燃料電池では、粒子の内部へのガスの拡散性が向上するので、粒子の内部の領域にある反応サイトの触媒金属に反応ガスが充分に供給可能となり、その結果、特許文献1に記載の方法で作製した燃料電池と同程度の空孔率であっても、セル電圧が高く高出力な燃料電池が得られる。
本発明は、かかる知見にもとづくものである。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the following knowledge was obtained.
(1) When the pore forming agent is removed from the particles containing the conductive material, the ion exchange resin and the pore forming agent, a sufficient amount of pores are formed in the region inside the particles.
(2) In a fuel cell comprising a fuel cell electrode material produced using the particles according to (1), the gas diffusibility into the particles is improved, so that the reaction sites in the regions inside the particles The reaction gas can be sufficiently supplied to the catalyst metal. As a result, a fuel cell with a high cell voltage and a high output can be obtained even if the porosity is about the same as that of the fuel cell produced by the method described in Patent Document 1. It is done.
The present invention is based on such knowledge.

すなわち、本発明は、導電性材料、イオン交換樹脂、および造孔剤を含む燃料電池の電極材料用の粒子(造孔剤を含む粒子)、または前記造孔剤を含む粒子から造孔剤を除去して得られた燃料電池の電極材料用の粒子(粒子A)であって、前記イオン交換樹脂が陽イオン交換樹脂であるとともに、前記導電性材料がカーボンであり、触媒金属を、主として前記陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路と前記カーボンの表面との接面に備えるものを含み、前記造孔剤を含む粒子の体積に対して、前記造孔剤の含有量が12体積%以上54体積%以下であることを特徴とする燃料電池用電極材料である。
That is, the present invention provides a pore-forming agent from particles for a fuel cell electrode material (particles containing a pore-forming agent) containing a conductive material, an ion exchange resin, and a pore-forming agent, or particles containing the pore-forming agent. Particles for electrode material of a fuel cell obtained by removing (particle A), wherein the ion exchange resin is a cation exchange resin, the conductive material is carbon, and a catalyst metal is mainly used as the catalyst material. look including those comprising the contact surface of the proton conducting path and the carbon surface of the cation exchange resin, the volume of the particles containing the pore forming agent, the content of the pore-forming agent is 12 vol% or more 54 The electrode material for a fuel cell is characterized by having a volume% or less .

また、本発明は、導電性材料、イオン交換樹脂、造孔剤および溶媒を含む混合物から、前記溶媒を除去することを特徴とする燃料電池の電極材料用の粒子の製造方法である。   The present invention also provides a method for producing particles for electrode material of a fuel cell, wherein the solvent is removed from a mixture containing a conductive material, an ion exchange resin, a pore forming agent and a solvent.

また、本発明は、上記燃料電池の電極材料用の粒子を用いることを特徴とする燃料電池用電極材料の製造方法である。   The present invention also provides a method for producing an electrode material for a fuel cell, wherein the particles for the electrode material for a fuel cell are used.

さらに、本発明は、上記燃料電池用電極材料を用いることを特徴とする燃料電池用電極の製造方法である。   Furthermore, the present invention is a method for producing a fuel cell electrode, characterized by using the above fuel cell electrode material.

本発明において、燃料電池の電極材料用の粒子(造孔剤を含む粒子)は造孔剤を含んでいるので、この粒子に含まれる造孔剤を除去することにより、あるいは粒子中で造孔剤が作用することにより、粒子の内部に空孔を形成することができる。このような、内部に空孔を形成可能な粒子を含む電極材料と、触媒金属とを用いて作製した電極を備える電池では、イオン交換樹脂のプロトン伝導経路と導電性材料との接面に形成された反応サイトに位置する触媒金属に充分な反応ガスが供給されるので、セル電圧を向上させることができる。
その結果、本発明によれば、セル電圧が高く高出力の燃料電池を提供することができるのである。
In the present invention , since the particles for the fuel cell electrode material (particles containing a pore-forming agent) contain a pore-forming agent, the pore-forming agent contained in the particles is removed or the pores are formed in the particles. By the action of the agent, pores can be formed inside the particles. In such a battery comprising an electrode material containing particles capable of forming pores therein and a catalyst metal, it is formed on the contact surface between the proton conduction path of the ion exchange resin and the conductive material. Since sufficient reaction gas is supplied to the catalytic metal located at the reaction site, the cell voltage can be improved.
As a result, according to the present invention, a fuel cell having a high cell voltage and a high output can be provided.

本発明において、粒子は、イオン交換樹脂が陽イオン交換樹脂であるとともに、導電性材料がカーボンであり、触媒金属を、主とし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備えるものであるから、反応サイトに触媒金属が効率よく担持されるので、少量の触媒金属でも十分な反応性を有することとなる。従って、上記構成によれば、反応サイトに反応ガスを充分に供給するという本発明の本来の作用と協働して、セル電圧が高い燃料電池を安価に提供することができる In the present invention, the particles are provided such that the ion exchange resin is a cation exchange resin, the conductive material is carbon, and the catalytic metal is provided mainly on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface. Therefore, the catalytic metal is efficiently supported at the reaction site, so that even a small amount of the catalytic metal has sufficient reactivity. Therefore, according to the above configuration, a fuel cell having a high cell voltage can be provided at a low cost in cooperation with the original operation of the present invention in which the reaction gas is sufficiently supplied to the reaction site .

本発明の燃料電池の電極材料用の粒子の製造方法は、触媒金属のイオンを含む溶液に、導電性材料、イオン交換樹脂、および造孔剤を含む粒子、または当該粒子から造孔剤を除去して得られた粒子を浸漬した後に、浸漬後の粒子を、前記触媒金属のイオンが還元される雰囲気下にさらす構成であってもよい。 The method for producing particles for an electrode material of a fuel cell according to the present invention includes removing a pore-forming agent from a particle containing a conductive material, an ion-exchange resin, and a pore-forming agent in a solution containing catalyst metal ions. After soaking the particles obtained in this manner, the soaked particles may be exposed to an atmosphere in which the ions of the catalyst metal are reduced .

このような構成とすれば、反応サイトに触媒金属が効率よく担持された粒子あるいは電極材料を容易に作製することができるので、好ましい。   Such a configuration is preferable because particles or an electrode material in which the catalytic metal is efficiently supported at the reaction site can be easily produced.

本発明によれば、セル電圧が高く高出力の燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, a fuel cell having a high cell voltage and a high output can be provided.

実施例1で作製した燃料電池と比較例1で作製した燃料電池の分極特性を示す図The figure which shows the polarization characteristic of the fuel cell produced in Example 1, and the fuel cell produced in Comparative Example 1 空孔率とセル電圧との関係を示す図Diagram showing the relationship between porosity and cell voltage

本発明において、燃料電池の電極材料用の粒子は、導電性材料、イオン交換樹脂および造孔剤を含む粒子(「造孔剤を含む粒子」ともいう)、および、この造孔剤を含む粒子から造孔剤を除去して得られた粒子(「粒子A」ともいう)である。
まず、造孔剤を含む粒子および粒子Aについて説明する。
In the present invention , the particles for the electrode material of the fuel cell are particles containing a conductive material, an ion exchange resin and a pore-forming agent (also referred to as “particles containing a pore-forming agent”), and particles containing the pore-forming agent. Particles obtained by removing the pore-forming agent from (also referred to as “particle A”).
First, the particles containing the pore-forming agent and the particles A will be described.

造孔剤を含む粒子および粒子A
以下の記載においては、造孔剤を含む粒子および粒子Aを一括して「本発明における粒子」と記載する。
本発明における粒子に含まれる導電性材料としては、電子伝導性が高いことから、金属または炭素を含む材料を用いることが好ましく、耐食性が高いことから、炭素を含む材料が、特に好ましい。
炭素を含む材料としては、たとえば、アセチレンブラックやファーネスブラックなどのカーボンブラックおよび活性炭などが使用できる。好ましくは、Denka Black[電気化学工業(株)製]、Vulcan XC−72(Cabot Corp.製)、Black Peal 2000(Cabot Corp.製)あるいはKetjenblack EC[ケッチェンブラック・インターナショナル(株)製]等のカーボンブラックを使用する。このほかにも、黒鉛化度の高いカーボンを使用することができる。黒鉛化度の高いカーボンとしては、Tokablack#3855[東海カーボン(株)製]、Denkablack FX−35 [電気化学工業(株)]あるいはカーボンブラックを高温で焼成することなどにより黒鉛化度を高めたものなどを使用することができる。
( Particles containing pore-forming agent and particles A )
In the following description, the particles containing the pore-forming agent and the particles A are collectively referred to as “particles in the present invention ”.
As the conductive material contained in the particles in the present invention , a material containing metal or carbon is preferably used because of high electron conductivity, and a material containing carbon is particularly preferable because of high corrosion resistance.
As the material containing carbon, for example, carbon black such as acetylene black and furnace black, activated carbon, and the like can be used. Preferably, Denka Black [manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.], Vulcan XC-72 (manufactured by Cabot Corp.), Black Peal 2000 (manufactured by Cabot Corp.) or Ketjenblack EC [manufactured by Ketjenblack International Co., Ltd.] Use carbon black. In addition to this, carbon having a high graphitization degree can be used. As carbon having a high degree of graphitization, Tokablack # 3855 [manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd.], Denkaback FX-35 [Electrochemical Industry Co., Ltd.] or carbon black was baked at a high temperature to increase the degree of graphitization. Things can be used.

本発明における粒子に含まれるイオン交換樹脂としては、陽イオン交換樹脂、および陰イオン交換樹脂を用いることができる。
本発明における粒子を、イオン交換膜として陽イオン交換樹脂膜を用いた一般的な固体高分子形燃料電池の材料として用いる場合、イオン交換樹脂として陽イオン交換樹脂を用いることが好ましい。陽イオン交換樹脂としては、プロトン伝導性を有する陽イオン交換樹脂、たとえばパーフルオロカーボンスルホン酸形あるいはスチレン−ジビニルベンゼンスルホン酸形陽イオン交換樹脂、あるいはそれらの樹脂のカルボン酸形であるものを用いることが好ましい。
As the ion exchange resin contained in the particles in the present invention , a cation exchange resin and an anion exchange resin can be used.
When the particles in the present invention are used as a material for a general solid polymer fuel cell using a cation exchange resin membrane as an ion exchange membrane, it is preferable to use a cation exchange resin as the ion exchange resin. As a cation exchange resin, a cation exchange resin having proton conductivity, for example, a perfluorocarbon sulfonic acid type or a styrene-divinylbenzene sulfonic acid type cation exchange resin, or a carboxylic acid form of those resins should be used. Is preferred.

造孔剤を含む粒子に含まれる造孔剤としては、以下のタイプのものを用いることができる。
(1)導電性材料およびイオン交換樹脂とともに粒子中に含ませることによって、粒子中で作用し、孔の体積を増大させるタイプの造孔剤
(2)導電性樹脂およびイオン交換樹脂とともに粒子中に含ませておき、後に除去することによって前記粒子中の孔の体積を増大させるタイプの造孔剤
As the pore-forming agent contained in the particles containing the pore-forming agent , the following types can be used.
(1) A type of pore-forming agent that acts in the particles and increases the volume of the pores by being included in the particles together with the conductive material and the ion exchange resin. (2) In the particles together with the conductive resin and the ion exchange resin. A type of pore-forming agent that increases the volume of pores in the particles by including them and removing them later

(1)のタイプの造孔剤としては、具体的には、多孔質の物質や繊維状の物質を用いることができ、電極の電子伝導性を高めることができるという観点から、導電性のある物質が特に好ましく、耐食性が高いという観点から、炭素を含む材料がさらに好ましい。炭素を含む材料としては、たとえばカーボンファイバー、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、およびカーボンナノホーンなどの繊維状カーボンを用いることができる。   Specifically, as the pore-forming agent of type (1), a porous substance or a fibrous substance can be used, and it is conductive from the viewpoint that the electronic conductivity of the electrode can be increased. A substance is particularly preferable, and a material containing carbon is more preferable from the viewpoint of high corrosion resistance. As a material containing carbon, for example, fibrous carbon such as carbon fiber, carbon nanofiber, carbon nanotube, and carbon nanohorn can be used.

(2)のタイプの造孔剤としては、具体的には、金属、無機化合物、または有機化合物の粒子または繊維など、溶出、蒸発、または昇華することによって除去できるものを用いることができる。金属としては、たとえばニッケル、亜鉛、鉄、アルミニウム、マグネシウム、銅、チタンまたはクロムを用いることができる。無機化合物としては、金属塩を用いることができる。金属塩としては、たとえばカリウム、ナトリウム、カルシウム、ニッケル、亜鉛、鉄、アルミニウム、マグネシウム、銅、またはクロムを含む金属塩を用いることができる。有機化合物としては、蒸発、昇華、または有機溶媒により溶出可能な物質を用いることができる。   As the pore-forming agent of the type (2), specifically, a metal, an inorganic compound, or particles or fibers of an organic compound that can be removed by elution, evaporation, or sublimation can be used. As the metal, for example, nickel, zinc, iron, aluminum, magnesium, copper, titanium, or chromium can be used. A metal salt can be used as the inorganic compound. As the metal salt, for example, a metal salt containing potassium, sodium, calcium, nickel, zinc, iron, aluminum, magnesium, copper, or chromium can be used. As the organic compound, a substance that can be evaporated, sublimated, or eluted with an organic solvent can be used.

これらの造孔剤のうち、造孔剤を除去する作業を行う前に水を用いた処理を行うことができるという点で、水には実質的に溶解せず、酸に溶解するものが好ましい。水に実質的に溶解せず酸に溶解する性質を有するものとしては、金属、炭酸カルシウムなどが挙げられる。金属および炭酸カルシウムのうち、平均粒度の制御のしやすさの観点からはニッケルが好ましく、低コストであるという観点からは炭酸カルシウムが好ましい。   Among these pore-forming agents, those that do not substantially dissolve in water but dissolve in acid are preferable in that treatment with water can be performed before the pore-removing agent is removed. . Metals, calcium carbonate, etc. are mentioned as those having the property of not dissolving in water but dissolving in acid. Of the metals and calcium carbonate, nickel is preferable from the viewpoint of easy control of the average particle size, and calcium carbonate is preferable from the viewpoint of low cost.

造孔剤としては、粒子状のものであって、平均粒子径が0.1μm以上5μm以下のものを用いるのが好ましく、平均粒子径が0.5μm以上2μm以下のものがとくに好ましい。上記範囲が好ましいとする理由等の詳細は後述する。   As the pore-forming agent, those having a particulate shape and having an average particle size of 0.1 μm or more and 5 μm or less are preferable, and those having an average particle size of 0.5 μm or more and 2 μm or less are particularly preferable. Details of the reason why the above range is preferable will be described later.

粒子Aは、上述した導電性材料、イオン交換樹脂、および造孔剤を含む粒子から造孔剤を除去することにより得られる。造孔剤を除去する方法としては、造孔剤を溶出、蒸発、または昇華させる方法を用いることができる。その溶出に用いる溶媒としては、たとえば水、アルコール、酸、有機溶媒を含む液体を用いることができる。 The particles A are obtained by removing the pore-forming agent from the particles containing the conductive material, the ion exchange resin, and the pore-forming agent described above. As a method for removing the pore-forming agent, a method for eluting, evaporating, or sublimating the pore-forming agent can be used. As the solvent used for the elution, for example, a liquid containing water, alcohol, acid, or organic solvent can be used.

本発明における粒子の平均粒子径は、厚さが均一な触媒層(詳細は後述する)を製造する点から、0.3μm〜10μmの範囲にあることが好ましい。本発明における粒子としては、0.3μm〜2.5μmの範囲と、2.5μm〜10μmの範囲との両方に粒度分布のピークがあるものを用いると、ガス拡散性および電子伝導性をより好適にできるので特に好ましい。 The average particle diameter of the particles in the present invention is preferably in the range of 0.3 μm to 10 μm from the viewpoint of producing a catalyst layer having a uniform thickness (details will be described later). When particles having a particle size distribution peak in both the range of 0.3 μm to 2.5 μm and the range of 2.5 μm to 10 μm are used as the particles in the present invention , gas diffusibility and electronic conductivity are more suitable. This is particularly preferable.

粒子Aの細孔体積は、高いガス拡散性を得る点から、0.01μm〜2.5μmの径の細孔体積が、1cm−1以上4cm−1以下であることが好ましい。 The pore volume of the particle A is preferably such that the pore volume having a diameter of 0.01 μm to 2.5 μm is 1 cm 3 g −1 or more and 4 cm 3 g −1 or less from the viewpoint of obtaining high gas diffusibility.

本発明における粒子は触媒金属を主として、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路と導電性材料の表面との接面に備える。本発明における粒子が触媒金属を主として陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路と導電性材料の表面との接面に備える構成であると、反応サイトに触媒金属が効率よく担持されるとともに、そのサイトに反応ガスを充分に供給することが可能なので、燃料電池のセル電圧を大きく高めることが可能になるからである。 The particles in the present invention are mainly provided with a catalytic metal on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the surface of the conductive material. When the particles in the present invention have a structure in which the catalyst metal is mainly provided on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the surface of the conductive material, the catalyst metal is efficiently supported at the reaction site, and at that site. This is because the reaction gas can be sufficiently supplied, so that the cell voltage of the fuel cell can be greatly increased.

次に、粒子の製造方法について説明する。
造孔剤を含む粒子は、導電性材料、イオン交換樹脂、造孔剤および溶媒を含む混合物から、その溶媒を除去することにより製造することができる。
粒子の製造方法では、イオン交換樹脂として、溶媒中にイオン交換樹脂が溶解しているイオン交換樹脂溶液を用いることができる。粒子の製造方法では、溶媒として水とアルコールとを任意の割合で含む液体を用いることが好ましいが、前記イオン交換樹脂溶液に含まれる溶媒のみを用いてもよい。
Next, a method for producing particles will be described.
Particles containing a pore-forming agent can be produced by removing the solvent from a mixture containing a conductive material, an ion exchange resin, a pore-forming agent and a solvent.
In the method for producing particles , an ion exchange resin solution in which an ion exchange resin is dissolved in a solvent can be used as the ion exchange resin. In the method for producing particles, it is preferable to use a liquid containing water and alcohol in an arbitrary ratio as a solvent, but only a solvent contained in the ion exchange resin solution may be used.

導電性材料、イオン交換樹脂、造孔剤および溶媒を含む混合物は、導電性材料と、イオン交換樹脂と、溶媒と、造孔剤とを公知の方法で混合することにより製造することができる。前記混合物に含まれる各成分としては、上述した化合物を用いる。   The mixture containing a conductive material, an ion exchange resin, a pore forming agent and a solvent can be produced by mixing a conductive material, an ion exchange resin, a solvent and a pore forming agent by a known method. As each component contained in the said mixture, the compound mentioned above is used.

前記混合物から溶媒を除去する方法としては、たとえば溶媒を乾燥する方法がある。溶媒を乾燥する方法には、たとえば放置乾燥、送風乾燥、温風乾燥、赤外線加熱乾燥、遠赤外線加熱乾燥、減圧乾燥、噴霧乾燥などを用いることができる。これらの方法のうち、混合物の状態から直ちに粒子が得られるとともに、粒子径の調節が容易で、かつ大量に処理できるという観点から、噴霧乾燥を行うのが好ましい。   As a method for removing the solvent from the mixture, for example, there is a method of drying the solvent. As a method for drying the solvent, for example, standing drying, blow drying, warm air drying, infrared heating drying, far infrared heating drying, reduced pressure drying, spray drying, and the like can be used. Among these methods, it is preferable to perform spray drying from the viewpoint that particles can be obtained immediately from the state of the mixture, the particle diameter can be easily adjusted, and the treatment can be performed in a large amount.

粒子Aは、上述の方法で作製した造孔剤を含む粒子から、造孔剤を除去することにより製造することができる。つまり、粒子Aは、造孔剤として溶出、蒸発または昇華などにより除去可能なもの[上記の(2)のタイプの造孔剤]を用いて作製した造孔剤を含む粒子から、造孔剤を除去することにより得られる。造孔剤を除去する方法の詳細は後述する。 The particles A can be produced by removing the pore-forming agent from the particles containing the pore-forming agent produced by the method described above. That is, the particle A is produced from a particle containing a pore-forming agent produced by using a pore-forming agent that can be removed by elution, evaporation, sublimation or the like [the pore-forming agent of the above type (2)]. Is obtained. Details of the method for removing the pore-forming agent will be described later.

このようにして作製した本発明における粒子を、触媒金属のイオンを含む溶液に浸漬した後に、浸漬後の粒子を前記イオンが還元される雰囲気下にさらすと、触媒金属を、主として陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路と導電性材料の表面との接面に備える粒子を得ることができるAfter the particles in the present invention thus produced are immersed in a solution containing catalyst metal ions, the particles after immersion are exposed to an atmosphere in which the ions are reduced. The particles provided on the contact surface between the proton conduction path and the surface of the conductive material can be obtained .

粒子に触媒金属を含ませる方法について具体的に説明する。ここでは、造孔剤を含む粒子に触媒金属を含ませる例を説明するが、粒子Aや、触媒金属を含まない電極材料にも、これと同様の方法により触媒金属を含ませることができる。 A method for incorporating the catalytic metal into the particles will be specifically described. Here, an example in which a catalyst metal is included in particles containing a pore-forming agent will be described, but the catalyst metal can also be included in the particle A or an electrode material not including the catalyst metal by the same method.

まず、触媒金属になる金属が含まれる化合物を、水を含む液体に溶解して触媒金属を含む溶液を調製する。つづいて、前記粒子を、前記溶液に浸漬することによって、粒子に含まれる陽イオン交換樹脂に、触媒金属の陽イオンを吸着させる。触媒金属の陽イオンの吸着は、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。なお、イオン交換させる陽イオンを二種類以上用いると、粒子に二種類以上の触媒金属の陽イオンを吸着させることができる。   First, a compound containing a metal that becomes a catalyst metal is dissolved in a liquid containing water to prepare a solution containing the catalyst metal. Subsequently, the cation of the catalytic metal is adsorbed on the cation exchange resin contained in the particle by immersing the particle in the solution. The adsorption of the cation of the catalytic metal is due to an ion exchange reaction between the counter ion of the cation exchange resin and the cation of the catalytic metal. When two or more types of cations for ion exchange are used, two or more types of catalytic metal cations can be adsorbed on the particles.

触媒金属の陽イオンは、陽イオン交換樹脂が被覆されずに露出している導電性材料の表面には吸着し難く、陽イオン交換樹脂の陽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触媒金属の陽イオンとしては、白金族金属を含む陽イオン、あるいは白金族金属の錯イオンを用いることができる。具体的には、白金族金属の錯イオンとして、[Pt(NH2+や[Pt(NH4+などとあらわすことができる白金のアンミン錯イオン、または、[Ru(NH2+や[Ru(NH4+を好適に用いることができる。本発明では、前記アンミン錯イオンのほかにも、硝酸基あるいはニトロソ基が配位した白金族金属の錯イオンを用いることもできる。 The cation of the catalyst metal is difficult to adsorb on the surface of the conductive material exposed without being coated with the cation exchange resin, and the proton of the cation exchange resin is obtained by an ion exchange reaction with the cation of the cation exchange resin. Those that preferentially adsorb to the conduction path are preferred. As the cation of the catalyst metal having such adsorption characteristics, a cation containing a platinum group metal or a complex ion of a platinum group metal can be used. Specifically, platinum complex metal ions such as [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ , [Pt (NH 3 ) 6 ] 4+ , or [Ru (NH 3 ) 4 ] 2+ and [Ru (NH 3 ) 6 ] 4+ can be suitably used. In the present invention, in addition to the ammine complex ion, a platinum group metal complex ion coordinated with a nitrate group or a nitroso group can also be used.

つぎに、触媒金属の陽イオンを吸着させた粒子を、化学的に還元することによって、本発明における粒子に吸着された触媒金属の陽イオンが導電性材料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選択的に担持された粒子が得られる。 Next, the catalyst metal cation adsorbed on the particles in the present invention is reduced by chemically reducing the particles adsorbed with the catalyst metal cation so that the surface of the conductive material and the proton conduction of the cation exchange resin Particles selectively supported on the contact surface with the path are obtained.

この還元工程では、量産に適した還元剤を用いる化学的な還元方法を使用することが好ましく、水素または水素を含むガスによって気相還元する方法、またはヒドラジンを含む不活性ガスによって気相還元する方法がとくに好ましい。水素を含むガスとしては、窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスと水素との混合ガスであることが好ましく、水素の含有量が10vol%以上の混合ガスがとくに好ましい。この方法を用いる場合、触媒金属の陽イオンの還元反応に触媒活性のある炭素質材料を導電性材料として用いることが好ましい。   In this reduction step, it is preferable to use a chemical reduction method using a reducing agent suitable for mass production, and a gas phase reduction method using hydrogen or a gas containing hydrogen, or a gas phase reduction using an inert gas containing hydrazine. The method is particularly preferred. The gas containing hydrogen is preferably a mixed gas of an inert gas such as nitrogen, helium or argon and hydrogen, and a mixed gas having a hydrogen content of 10 vol% or more is particularly preferable. When this method is used, it is preferable to use a carbonaceous material having catalytic activity for the reduction reaction of the cation of the catalytic metal as the conductive material.

導電性材料として炭素質材料を用いると、白金族金属の陽イオンの還元反応に対して、触媒としての活性を有するので、200℃以下の温度でも、陽イオン交換樹脂に含まれる触媒金属の陽イオンを還元することができる。たとえば、パーフルオロカーボンスルホン酸形陽イオン交換樹脂中に吸着した白金アンミン錯イオン[Pt(NH2+の水素による還元温度は約300℃(境哲男、大阪工業技術試験所季報、36、10(1985))であるが、交換基を修飾した炭素粒子(Denka Black、Vulcan XC−72、Black Peal 2000等)の表面に吸着した[Pt(NH2+のそれは180℃であることが報告されている(K.Amine,M.Mizuhata,K.Ogura,H.Takenaka,J.Chem.Soc.FaradayTrans.,91,4451(1995))。 When a carbonaceous material is used as the conductive material, it has an activity as a catalyst for the cation reduction reaction of the platinum group metal. Ions can be reduced. For example, the reduction temperature of platinum ammine complex ion [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ adsorbed in a perfluorocarbon sulfonic acid type cation exchange resin with hydrogen is about 300 ° C. (Tetsuo Sakai, Osaka Industrial Technology Laboratory quarterly report, 36, 10 (1985)), but that of [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ adsorbed on the surface of carbon particles modified with exchange groups (Denka Black, Vulcan XC-72, Black Peal 2000, etc.) is 180 ° C. (K. Amine, M. Mizuhata, K. Ogura, H. Takenaka, J. Chem. Soc. Faraday Trans., 91, 4451 (1995)).

炭素質材料の触媒としての活性により、炭素質材料の表面近傍にある陽イオンが優先的に触媒金属まで還元されるので、その炭素質材料の表面に触媒金属が生成する。還元工程では、還元剤の種類、還元剤濃度、還元圧力、還元時間を調整することによって、炭素質材料の表面に生成する触媒金属の粒子径や表面性状を制御することができる。   Due to the activity of the carbonaceous material as a catalyst, cations near the surface of the carbonaceous material are preferentially reduced to the catalytic metal, and thus a catalytic metal is generated on the surface of the carbonaceous material. In the reduction step, the particle size and surface properties of the catalytic metal produced on the surface of the carbonaceous material can be controlled by adjusting the type of reducing agent, reducing agent concentration, reducing pressure, and reducing time.

このようにして作製した本発明における粒子は、導電性材料が酸素によって酸化するのを抑制するために、低酸素濃度の雰囲気下で保管することが好ましく、保管方法としては、窒素ガスやアルゴンガスを満たした容器内で当該粉末を保管する方法がある。
次に、本発明の燃料電池用電極材料について説明する。
The particles in the present invention thus produced are preferably stored in an atmosphere having a low oxygen concentration in order to prevent the conductive material from being oxidized by oxygen, and the storage method may be nitrogen gas or argon gas. There is a method of storing the powder in a container filled with
Next, the fuel cell electrode material of the present invention will be described.

(本発明の燃料電池用電極材料)
本発明の燃料電池用電極材料(以下、本発明の電極材料という)は、造孔剤を含む粒子または粒子Aを含むことを特徴とする。
本発明の電極材料とは、燃料電池用電極を製造するために用いる材料のことを指し、造孔剤を含む粒子または粒子Aを所定の形状に成形したものをいう。所定の形状とは、燃料電池用電極を製造するのに適した形状のことを意味し、飛散性を抑えるために塊状やフレーク状としても良いし、シート状としてもよい。なお、シート状としたものは、他の形状の場合と比べて少ない工程で触媒層に加工することができるので好ましい。
(Electrode material for fuel cell of the present invention)
The fuel cell electrode material of the present invention (hereinafter referred to as the electrode material of the present invention) is characterized by containing particles or particles A containing a pore-forming agent .
The electrode material of the present invention refers to a material used for producing a fuel cell electrode, and refers to a particle containing a pore forming agent or a particle A formed into a predetermined shape. The predetermined shape means a shape suitable for manufacturing an electrode for a fuel cell, and may be a lump shape, a flake shape, or a sheet shape in order to suppress scattering. In addition, what was made into a sheet form is preferable since it can be processed into a catalyst layer with fewer steps than in the case of other shapes.

本発明の電極材料は、造孔剤を含んでいてもよいし、造孔剤を含まなくてもよい。本発明の電極材料には、燃料電池用電極として用いるためにプレス加工等を施す場合があるが、造孔剤を含まない電極材料では材料中に空孔が形成されているので、燃料電池用電極として用いるために施される加工によって空孔が変形したり空孔数が減少することが懸念される。従って、本発明では、電極材料は造孔剤を含んでいるほうが、後の加工による空孔の変形や減少を防止できるので好ましい。   The electrode material of the present invention may contain a pore-forming agent or may not contain a pore-forming agent. The electrode material of the present invention may be subjected to press processing or the like for use as a fuel cell electrode. However, in the electrode material that does not contain a pore-forming agent, voids are formed in the material. There is a concern that holes may be deformed or the number of holes may be reduced due to processing performed for use as an electrode. Therefore, in the present invention, it is preferable that the electrode material contains a pore-forming agent because deformation and reduction of holes due to subsequent processing can be prevented.

次に、本発明の電極材料の製造方法について説明する
触媒金属を含む粒子と、溶媒とを含むスラリーを、基材の上に塗布した後に乾燥すると、本発明における粒子を含む触媒層(本発明の電極材料)が形成される。
Next, the manufacturing method of the electrode material of this invention is demonstrated .
And particles containing catalytic metal, the slurry containing a solvent, and dried after coating on a substrate, a catalyst layer containing the particles in the present invention (electrode material of the present invention) is formed.

ここで、基材として転写用のフィルムを用いた場合、イオン交換膜に前記触媒層を転写することによって、膜/触媒層接合体を形成することができる。基材としてガス拡散層を用いた場合、イオン交換膜と触媒層とを接合することにより、膜/電極接合体を形成することができる。基材としてイオン交換膜を用いた場合、前述の転写または接合をおこなわずに、膜/触媒層接合体として用いることもできる。   Here, when a transfer film is used as the substrate, the membrane / catalyst layer assembly can be formed by transferring the catalyst layer to the ion exchange membrane. When a gas diffusion layer is used as a substrate, a membrane / electrode assembly can be formed by bonding an ion exchange membrane and a catalyst layer. When an ion exchange membrane is used as a substrate, it can also be used as a membrane / catalyst layer assembly without performing the above-described transfer or bonding.

転写用フィルムには、樹脂フィルムまたは金属フィルムを用いることができる。イオン交換膜には、陽イオン交換膜または陰イオン交換膜を用いることができるが、粒子に含まれるイオン交換樹脂と同種のものであることが好ましい。陽イオン交換膜としては、プロトン伝導性を有する陽イオン交換膜、たとえばパーフルオロカーボンスルホン酸形あるいはスチレン−ジビニルベンゼンスルホン酸形陽イオン交換膜、あるいはそれらの樹脂のカルボン酸形であるものを用いることが好ましい。これらのうち、化学的な安定性およびプロトン伝導性が高いパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂からなる陽イオン交換膜がとくに好ましい。   As the transfer film, a resin film or a metal film can be used. As the ion exchange membrane, a cation exchange membrane or an anion exchange membrane can be used, but the same type as the ion exchange resin contained in the particles is preferable. As a cation exchange membrane, a cation exchange membrane having proton conductivity, for example, a perfluorocarbon sulfonic acid type or a styrene-divinylbenzene sulfonic acid type cation exchange membrane, or a carboxylic acid type of those resins should be used. Is preferred. Among these, a cation exchange membrane made of a perfluorocarbon sulfonic acid resin having high chemical stability and high proton conductivity is particularly preferable.

本発明の電極材料の製造方法に用いる溶媒(スラリーを作製するための溶媒)としては、水、アルコール、有機溶媒を含む液体を用いることができるが、粒子の好適な分散が得られることから、たとえばテトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドンなどの有機溶媒を用いることが好ましい。なお、電極材料としての触媒層を形成したのちに、触媒層に含まれる造孔剤を除去する場合、前記溶媒は造孔剤を除去しない性質のものであることが好ましい。   As a solvent (solvent for producing a slurry) used in the method for producing an electrode material of the present invention, a liquid containing water, alcohol, or an organic solvent can be used, but since a suitable dispersion of particles can be obtained, For example, an organic solvent such as tetrahydrofuran, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone is preferably used. In addition, when the pore forming agent contained in the catalyst layer is removed after forming the catalyst layer as the electrode material, the solvent is preferably of a nature that does not remove the pore forming agent.

本発明の電極材料の製造方法において、スラリーを塗布する方法には、たとえば、ドクターブレード法、ディップコート法、スプレー法、リバースロール法、コンマバー法、グラビヤ法、およびエアーナイフ法などを用いることができる。本発明の製造方法において、スラリーを乾燥する方法には、たとえば放置乾燥、送風乾燥、温風乾燥、赤外線加熱乾燥、遠赤外線加熱乾燥、減圧乾燥などを用いることができる。   In the method for producing an electrode material of the present invention, for example, a doctor blade method, a dip coating method, a spray method, a reverse roll method, a comma bar method, a gravure method, and an air knife method may be used as a method for applying a slurry. it can. In the production method of the present invention, as the method for drying the slurry, for example, standing drying, air drying, warm air drying, infrared heat drying, far infrared heat drying, reduced pressure drying and the like can be used.

次に、粒子として触媒金属を含まないものを用いて電極材料を作製する参考例について説明する。粒子と、溶媒とを含むスラリーを、基材の上に塗布した後に乾燥すると、粒子を含む層状の電極材料(電極材料シートという)が形成される。なお、この電極材料シートは触媒金属を含まないので、燃料電池用電極として用いる前に例えば上述の方法(電極材料シートを触媒金属のイオンを含む溶液に浸漬した後に、浸漬後の電極材料シートを前記イオンが還元される雰囲気下にさらす方法)などにより、触媒金属を含ませて触媒層とする必要がある。 Next, a reference example in which an electrode material is produced using particles that do not contain a catalyst metal will be described. When a slurry containing particles and a solvent is applied onto a substrate and then dried, a layered electrode material containing particles (referred to as an electrode material sheet) is formed. In addition, since this electrode material sheet does not contain a catalyst metal, before using it as an electrode for a fuel cell, for example, after the electrode material sheet is immersed in a solution containing catalyst metal ions, the electrode material sheet after immersion is used. The catalyst layer needs to be made to contain a catalyst metal by a method of exposing to an atmosphere in which the ions are reduced.

この電極材料シートをイオン交換膜に転写、または接合する方法には、たとえば平プレス機あるいはロールプレス機を用いて、電極材料シートを陽イオン交換膜に圧着または加熱圧着する方法を用いることができるが、電極材料シートをイオン交換膜と接触させることによっても接合することができる。   As a method of transferring or joining the electrode material sheet to the ion exchange membrane, for example, a method of pressing or thermocompression bonding the electrode material sheet to the cation exchange membrane using a flat press machine or a roll press machine can be used. However, it can also join by making an electrode material sheet contact an ion exchange membrane.

加熱する場合、その温度は、イオン交換樹脂のガラス転移温度の近傍であることが好ましい。ガス拡散層に電極材料シートを形成した場合、電極材料シートをイオン交換膜に接合することにより、膜/電極接合体を得ることができる。接合は加熱圧着することによりおこなうことができる。その加熱圧着の条件は、成形用基板として高分子フィルムや金属箔を用いた場合におこなう加熱圧着と比べて低い圧力条件とすることができる。上述の接合を行わずに触媒層が形成されたガス拡散層と膜とをセルに組み込むことにより膜/電極接合体を製作することもできる。   When heating, the temperature is preferably near the glass transition temperature of the ion exchange resin. When an electrode material sheet is formed in the gas diffusion layer, a membrane / electrode assembly can be obtained by bonding the electrode material sheet to the ion exchange membrane. Joining can be performed by thermocompression bonding. The conditions for the thermocompression bonding can be a low pressure condition as compared with the thermocompression bonding performed when a polymer film or a metal foil is used as the molding substrate. A membrane / electrode assembly can also be manufactured by incorporating a gas diffusion layer and a membrane in which a catalyst layer is formed in the cell without performing the above-described joining.

本発明の電極材料である電極材料シートおよび触媒層の厚さは、それぞれ1μm〜50μmであることが好ましい。触媒層として用いる際にプレスをすることによりその厚さを制御することができる。このプレス工程は、接合体を作製する前でも接合体を作製した後でもよい。   The thicknesses of the electrode material sheet and the catalyst layer, which are the electrode materials of the present invention, are preferably 1 μm to 50 μm, respectively. When used as a catalyst layer, the thickness can be controlled by pressing. This pressing step may be performed before the bonded body is manufactured or after the bonded body is manufactured.

さて、本発明においては、電極材料に含まれる粒子中に空孔が形成されることが重要であるが、この空孔は造孔剤を除去することにより、あるいは造孔剤を作用させることにより形成される。ここでは造孔剤として上記(2)のタイプの造孔剤を用いて作製した本発明の電極材料から造孔剤を除去する方法について説明する。 In the present invention, it is important that pores are formed in the particles contained in the electrode material. These pores can be removed by removing the pore-forming agent or by causing the pore-forming agent to act. It is formed. Here, a method for removing the pore forming agent from the electrode material of the present invention produced using the type (2) of the pore forming agent as a pore forming agent will be described.

本発明の製造方法においては、造孔剤を含む粒子を用いて触媒層を形成した後に造孔剤を除去する方法と、造孔剤を除去した粒子Aを用いて触媒層を形成する方法とがある。粒子Aを用いて電極材料シートまたは触媒層を形成すると、粒子Aの内部にはすでに空孔が形成されているため、電極材料シートなどの形成の際に空孔の変形や空孔の減少が生じ得る。従って、空孔の変形などを防ぐために、造孔剤を含んだ粒子を用いて電極材料シート、または触媒層を形成した後に造孔剤を除去する方法が好ましい。 In the production method of the present invention, a method of removing the pore-forming agent after forming the catalyst layer using particles containing the pore-forming agent, and a method of forming the catalyst layer using the particles A from which the pore-forming agent has been removed, There is. When the electrode material sheet or the catalyst layer is formed using the particles A, since the pores are already formed in the particles A, the deformation of the pores and the reduction of the pores are caused when the electrode material sheet is formed. Can occur. Therefore, a method of removing the pore-forming agent after forming an electrode material sheet or a catalyst layer using particles containing the pore-forming agent is preferable in order to prevent pore deformation and the like.

造孔剤を除去する具体的な方法としては、造孔剤を含む粒子または本発明の電極材料(触媒層)と、溶媒とを接触させて造孔剤を溶出させる方法、加熱したり減圧することにより造孔剤を蒸発させる方法、昇華による方法などが挙げられる。 Specific methods for removing the pore-forming agent include a method in which particles containing the pore-forming agent or the electrode material ( catalyst layer ) of the present invention are brought into contact with a solvent to elute the pore-forming agent , and heating or depressurization is performed. Examples thereof include a method of evaporating the pore-forming agent and a method by sublimation.

溶媒との接触により造孔剤を除去する場合、たとえば造孔剤を溶出する溶媒中に、造孔剤を含む粒子または本発明の電極材料を浸漬する方法、造孔剤を溶出する溶媒を造孔剤を含む粒子または本発明の電極材料に噴霧するなどの方法を用いることができる。 When removing the pore-forming agent by contact with a solvent, for example in a solvent to elute the pore-forming agent, a method of immersing the electrode material particles or the present invention containing a pore-forming agent, forming the solvent to elute the pore-forming agent A method such as spraying onto particles containing a pore agent or the electrode material of the present invention can be used.

本発明において、電極材料シートの空孔率、および触媒層の空孔率は、ガスの拡散性と電子伝導性とを高くできることから40%以上95%以下の範囲とすることが好ましく、ガス拡散性をとくに高められることから60%以上とすることが好ましく、電子伝導性を維持する観点から93%以下の範囲であることが好ましい。   In the present invention, the porosity of the electrode material sheet and the porosity of the catalyst layer are preferably in the range of 40% to 95% because gas diffusibility and electronic conductivity can be increased. From the viewpoint of maintaining the electron conductivity, it is preferable to be in the range of 93% or less.

電極材料シートの空孔率、および触媒層の空孔率は、粒子に混合する造孔剤の量によって調整することができる。本発明では、造孔剤の混合量に関わらず、従来方法の場合には不充分であった粒子の内部の領域の空孔が形成されるという作用が得られるが、(2)のタイプの造孔剤を用いる場合の造孔剤の混合量は、セル電圧が顕著に向上することから、粒子の体積に対して、12体積%以上76体積%以下であることが好ましく、電子伝導性およびプロトン伝導性を高められることから70体積%以下とすることが好ましい。 The porosity of the electrode material sheet and the porosity of the catalyst layer can be adjusted by the amount of the pore-forming agent mixed with the particles . In the present invention, regardless of the mixing amount of the pore-forming agent, the effect of forming pores in the inner region of the particles, which was insufficient with the conventional method, can be obtained. When the pore former is used, the mixing amount of the pore former is preferably 12% by volume or more and 76% by volume or less with respect to the volume of the particles because the cell voltage is remarkably improved. It is preferable to be 70% by volume or less because proton conductivity can be improved.

さらに、本発明者が検討を重ねた結果、造孔剤として、平均粒子径が0.1μm以上5μm以下のニッケル粒子、亜鉛粒子、鉄粒子、アルミニウム粒子、マグネシウム粒子、銅粒子、クロム粒子、および炭酸カルシウム粒子を用いた場合、造孔剤の混合量を、粒子の体積に対して、12体積%以上54体積%以下とすることによって、確実に優れた効果が得られるという知見が得られた。なお、造孔剤の混合量の単位として用いた体積%は、次式により算出した値である。
体積%=100×[造孔剤の体積/粒子の体積]
上記式において、造孔剤の体積は、質量と比重とから求めた。上記式において、粒子の体積は、粒子構成材料それぞれの質量と比重とから求めたそれぞれの体積の和である。
Furthermore, as a result of repeated studies by the present inventors, as a pore-forming agent, nickel particles, zinc particles, iron particles, aluminum particles, magnesium particles, copper particles, chromium particles having an average particle diameter of 0.1 μm or more and 5 μm or less, and When calcium carbonate particles were used, the knowledge that an excellent effect was surely obtained by setting the mixing amount of the pore-forming agent to 12 vol% or more and 54 vol% or less with respect to the volume of the particles was obtained. . In addition, the volume% used as a unit of the mixing amount of the pore forming agent is a value calculated by the following formula.
Volume% = 100 × [volume of pore former / volume of particles]
In the above formula, the volume of the pore former was determined from the mass and specific gravity. In the above formula, the volume of the particle is the sum of the respective volumes determined from the mass and specific gravity of each particle constituent material.

なお、上記(1)のタイプの造孔剤を用いる場合には、例えば以下の(i)、(ii)に記載の方法により本発明の粒子中に孔を形成することができる。
(i)孔を備える造孔剤を用いて作製した造孔剤を含む粒子を用いる方法。この方法によれば、造孔剤中の孔が、前記粒子中に残存するので、造孔剤を除去しなくても、粒子中に孔を形成することができる。
(ii)繊維状の造孔剤を本発明の造孔剤を含む粒子中に含ませる方法。この方法によれば、造孔剤がフィラーの役割を果たし粒子の凝集を抑制するので、その結果、粒子中に孔を形成することができる。
次に、本発明の電極材料を用いた燃料電池用電極について説明する。
In addition, when using the pore-forming agent of the above type (1), for example, pores can be formed in the particles of the present invention by the method described in the following (i) and (ii).
(I) A method using particles containing a pore- forming agent prepared using a pore- forming agent having pores . According to this method, since the pores in the pore former remain in the particles, the pores can be formed in the particles without removing the pore former.
(Ii) A method in which a fibrous pore-forming agent is included in particles containing the pore-forming agent of the present invention. According to this method, the pore-forming agent serves as a filler and suppresses aggregation of particles, and as a result, pores can be formed in the particles.
Next, the fuel cell electrode using the electrode material of the present invention will be described.

(本発明の燃料電池用電極)
上述のようにして得られた本発明における粒子を用いて作製した電極材料(触媒層または電極材料シート)と陽イオン交換膜との接合体を用いて燃料電池用電極を作製する。ここで本発明の電極材料シートと陽イオン交換膜との接合体(膜/電極接合体)を用いて燃料電池用電極を作製する場合には、上述した「粒子に触媒金属を含ませる方法」と同様にして、接合体の電極材料シートに触媒金属を含ませて触媒層に加工する。
(Electrode for fuel cell of the present invention)
A fuel cell electrode is produced using a joined body of an electrode material (catalyst layer or electrode material sheet) produced using the particles according to the present invention obtained as described above and a cation exchange membrane. Here, when the electrode for a fuel cell is produced using the assembly (membrane / electrode assembly) of the electrode material sheet of the present invention and the cation exchange membrane, the above-described “method of incorporating catalytic metal into particles ”. In the same manner as described above, the catalyst material is included in the electrode material sheet of the joined body to be processed into a catalyst layer.

燃料電池用電極(固体高分子形)は、陽イオン交換膜と触媒層との接合体の外側にカーボンペーパーやカーボンクロスのような導電性多孔質基材を配しその外側に、ガスの流路となる溝が形成されたセパレータを配置することにより得られる。
この燃料電池用電極を、高分子電解質膜の両方の面に備えた燃料電池のアノードおよびカソードに用いて、水素を含むガスおよび酸素を含むガスをそれぞれ供給することにより、電力が得られる。
次に、本発明の効果について説明する。
A fuel cell electrode (solid polymer type) has a conductive porous substrate such as carbon paper or carbon cloth outside the assembly of the cation exchange membrane and catalyst layer, and a gas flow outside. It is obtained by arranging a separator in which a groove serving as a path is formed.
Electric power can be obtained by using the fuel cell electrode for an anode and a cathode of a fuel cell provided on both surfaces of the polymer electrolyte membrane, and supplying a gas containing hydrogen and a gas containing oxygen, respectively.
Next, the effect of the present invention will be described.

(本発明の効果)
本発明における粒子は、粒子の内部の領域に造孔剤が含まれているので、従来の方法では不充分であった燃料電池用電極材料の粒子の内部の領域にまで空孔を充分に存在させることができる。したがって、この粒子を用いて製造した燃料電池用電極材料を備えた燃料電池は、粒子の内部へのガスの拡散性が向上するので、粒子の内部の領域にある反応サイトの触媒金属に反応ガスが供給されやすくなることに起因して、セル電圧を高くすることができる結果、高出力の燃料電池を提供することができる。
(Effect of the present invention)
Since the particles in the present invention contain a pore-forming agent in the inner region of the particles, there are sufficient pores in the inner region of the particles of the electrode material for fuel cells, which was insufficient with the conventional method. Can be made. Therefore, the fuel cell including the electrode material for a fuel cell manufactured using the particles has improved gas diffusibility into the interior of the particles, so that the reaction gas is applied to the catalyst metal at the reaction site in the region inside the particles. As a result of the fact that the cell voltage can be increased due to the fact that the fuel cell is easily supplied, a high-power fuel cell can be provided.

<実施例および比較例>
つぎに、本発明を具体化した実施例について説明する。
[実施例1]
本実施例では、カーボン(導電性材料)と、陽イオン交換樹脂(イオン交換樹脂)とニッケル粒子(造孔剤)とを含む粒子(ア)を作製した後に、粒子(ア)に白金(触媒金属)を含ませる方法で、導電性材料、イオン交換樹脂、造孔剤および白金を含む粒子(イ)を作製した。
<Examples and Comparative Examples>
Next, examples embodying the present invention will be described.
[Example 1]
In this example, after producing particles (a) containing carbon (conductive material), cation exchange resin (ion exchange resin) and nickel particles (pore-forming agent), platinum (catalyst) is added to the particles (a). The particles (A) containing the conductive material, the ion exchange resin, the pore-forming agent, and platinum were prepared by the method including the (metal).

(1)導電性材料、イオン交換樹脂および造孔剤を含む粒子(ア)の作製
まず、カーボン(Cabot社製、Vulcan XC−72)と、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)とを真空ミキサー(SMT社製、UH−600S)に入れて30分間撹拌したのちに、2分間超音波を照射することによりカーボンと陽イオン交換樹脂との分散液を作製した。その陽イオン交換樹脂溶液には、溶媒が含まれている。陽イオン交換樹脂の含有量は、カーボン100質量%に対して75質量%とした。
(1) Production of Particle (A) Containing Conductive Material, Ion Exchange Resin, and Pore Forming Agent First, carbon (Cabot, Vulcan XC-72) and cation exchange resin solution (Aldrich, Nafion 5 mass) % Solution) was placed in a vacuum mixer (UH-600S, manufactured by SMT) and stirred for 30 minutes, and then an ultrasonic wave was irradiated for 2 minutes to prepare a dispersion of carbon and a cation exchange resin. The cation exchange resin solution contains a solvent. The content of the cation exchange resin was 75% by mass with respect to 100% by mass of carbon.

カーボンと陽イオン交換樹脂との分散液に、ニッケル粒子(日興リカ社製、平均粒径0.65μm、比重8.9)を追加して混合して混合物を作製した後に、その混合物を噴霧乾燥機(MDLシリーズマイクロミストドライヤー、藤崎電気(株)社製)で処理することによって、カーボンと陽イオン交換樹脂とニッケル粒子とを含む粒子(ア)を作製した。噴霧乾燥は、分散液の固形分濃度5%、温度120℃の条件で行った。固形分濃度の調整はイソプロパノールおよび脱イオン水で希釈することによりおこなった。   Nickel particles (manufactured by Nikko Rica, average particle size 0.65 μm, specific gravity 8.9) are added to the dispersion of carbon and cation exchange resin and mixed to prepare a mixture, and then the mixture is spray dried. By processing with a machine (MDL series micro mist dryer, manufactured by Fujisaki Electric Co., Ltd.), particles (A) containing carbon, a cation exchange resin and nickel particles were produced. Spray drying was performed under the conditions of a solid content concentration of the dispersion of 5% and a temperature of 120 ° C. The solid content concentration was adjusted by diluting with isopropanol and deionized water.

(2)導電性材料、イオン交換樹脂、造孔剤および白金を含む粒子(イ)の作製
(1)で作製したカーボンと陽イオン交換樹脂とニッケル粒子とを含む粒子(ア)を、[Pt(NH]Cl水溶液に浸漬することによって、陽イオン交換樹脂のイオン交換基に白金のイオン([Pt(NH2+イオン)を吸着させた。
(2) Production of Conductive Material, Ion Exchange Resin, Pore Forming Agent and Platinum-Containing Particles (A) Particles (A) containing carbon, cation exchange resin and nickel particles produced in (1) By immersing in (NH 3 ) 4 ] Cl 2 aqueous solution, platinum ions ([Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ ions) were adsorbed on the ion exchange groups of the cation exchange resin.

白金のイオンを吸着した粒子(ア)を水洗して60℃で乾燥したのちに、150℃の水素雰囲気下で6時間放置することにより、[Pt(NH2+イオンを還元して、白金をカーボン表面に析出させ、カーボン、陽イオン交換樹脂、ニッケル粒子および白金を含む粒子(イ)を作製した。 The particles (a) having adsorbed platinum ions were washed with water, dried at 60 ° C., and then left in a hydrogen atmosphere at 150 ° C. for 6 hours to reduce [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ ions. Then, platinum was deposited on the carbon surface to produce particles (ii) containing carbon, a cation exchange resin, nickel particles and platinum.

本実施例では、粒子(イ)中のニッケル粒子の含有量は、30質量%とした。この含有量は体積%に換算すると25体積%である。この換算では、白金の比重を21.5、カーボンの比重を2、陽イオン交換樹脂の比重を2、ニッケル粒子を8.9として計算した。なお、白金の含有量は、白金とカーボンとの合計に対して38質量%であった。   In this example, the content of nickel particles in the particles (A) was 30% by mass. This content is 25% by volume in terms of volume%. In this conversion, the specific gravity of platinum was 21.5, the specific gravity of carbon was 2, the specific gravity of the cation exchange resin was 2, and the nickel particles were calculated as 8.9. In addition, content of platinum was 38 mass% with respect to the sum total of platinum and carbon.

(3)粒子(イ)を含む触媒層の作製
(2)で得られた、白金、カーボン、陽イオン交換樹脂、およびニッケル粒子を含む粒子(イ)をN−メチル−2−ピロリドンに分散させたスラリーを基材(転写用のフィルム)に塗布し、80℃で乾燥してシート状の触媒層を得た。触媒層は、2枚作製した。スラリーの塗布は、基板との隙間が220μmのドクターブレードを用いたドクターブレード法で行い、触媒層中の白金含有量が0.5mg/cmになるようにした。基材にはチタン箔を用いた。
(3) Production of catalyst layer containing particles (a) Disperse particles (a) containing platinum, carbon, cation exchange resin, and nickel particles obtained in (2) in N-methyl-2-pyrrolidone. The slurry was applied to a substrate (transfer film) and dried at 80 ° C. to obtain a sheet-like catalyst layer. Two catalyst layers were produced. The slurry was applied by a doctor blade method using a doctor blade having a gap with the substrate of 220 μm so that the platinum content in the catalyst layer was 0.5 mg / cm 2 . A titanium foil was used as the substrate.

2枚の触媒層を、陽イオン交換膜(デュポン社製、Nafion115)の両面に転写して、基材のチタン箔を取り除くことにより、両面に触媒層を備える陽イオン交換膜(膜/触媒層接合体)を得た。転写には平プレス機を用いて加熱圧着する方法を用いた。   The two catalyst layers are transferred to both surfaces of a cation exchange membrane (manufactured by DuPont, Nafion 115), and the titanium foil of the base material is removed to thereby provide a cation exchange membrane (membrane / catalyst layer) having a catalyst layer on both surfaces. A joined body) was obtained. For the transfer, a method of thermocompression bonding using a flat press machine was used.

(4)造孔剤の除去
膜/触媒層接合体を0.5mol/lの硫酸水溶液に入れて1時間煮沸することにより触媒層中のニッケル粒子を溶出させて取り除いた。このようにして形成された触媒層中の空孔の体積を水銀圧入法により測定した後に、以下の式に基づき空孔率を算出した。本実施例における造孔剤除去後の触媒層の空孔率は63%であった。
空孔率(%)=100×(触媒層に含まれる空孔の体積/触媒層の全体積)
(4) Removal of pore-forming agent The membrane / catalyst layer assembly was placed in a 0.5 mol / l sulfuric acid aqueous solution and boiled for 1 hour to elute and remove nickel particles in the catalyst layer. After measuring the volume of vacancies in the catalyst layer thus formed by mercury porosimetry, the porosity was calculated based on the following equation. In this example, the porosity of the catalyst layer after removal of the pore-forming agent was 63%.
Porosity (%) = 100 × (volume of pores contained in catalyst layer / total volume of catalyst layer)

(5)燃料電池用電極および、固体高分子形燃料電池の作製
造孔剤除去後の、両面に触媒層を備える陽イオン交換膜の両面(一方をアノード、他方をカソードとした)にカーボンペーパー(ガス拡散層)を重ねて加熱圧着することによって、燃料電池用電極を得た。
(5) Fabrication of fuel cell electrode and polymer electrolyte fuel cell Carbon paper on both surfaces (one as an anode and the other as a cathode) of a cation exchange membrane with catalyst layers on both sides after removing the pore-forming agent A fuel cell electrode was obtained by stacking (gas diffusion layer) and thermocompression bonding.

燃料電池用電極の外側に、セパレータをそれぞれ配置したあと、一対のエンドプレートで挟んで固定することによって固体高分子形燃料電池を製作した。セパレータはグラファイト製の板を加工したものであり、電極に接する面にはガス流路になる溝が設けられている。エンドプレートは金属製の板を加工したものであり、電池の外部の配管のガスをセパレータのガス流路に導くための貫通孔、固定用ボルトを通すための貫通孔が設けられている。一方のエンドプレートをアノード端子、他方をカソード端子とした。   A polymer electrolyte fuel cell was manufactured by placing separators on the outside of the fuel cell electrode and then fixing the separator by sandwiching it between a pair of end plates. The separator is obtained by processing a graphite plate, and a groove serving as a gas flow path is provided on the surface in contact with the electrode. The end plate is obtained by processing a metal plate, and is provided with a through hole for guiding a gas in a pipe outside the battery to a gas flow path of the separator and a through hole for passing a fixing bolt. One end plate was an anode terminal and the other was a cathode terminal.

(6)分極特性の測定
アノードに70℃で加湿した水素、カソードに70℃で加湿した空気を供給して、セル温度を70℃にして、各電流密度における端子間の電圧(以下、セル電圧)を測定した結果を、表1と図1に示した。なお、この結果を分極特性として評価した。
(6) Measurement of polarization characteristics Hydrogen humidified at 70 ° C. is supplied to the anode, and air humidified at 70 ° C. is supplied to the cathode, the cell temperature is set to 70 ° C., and the voltage between terminals at each current density (hereinafter referred to as cell voltage). The results of the measurement are shown in Table 1 and FIG. This result was evaluated as polarization characteristics.

[比較例1]
カーボン(Cabot社製、Vulcan XC−72)と陽イオン交換樹脂(アルドリッチ社製、ナフィオン5 質量%溶液)とを、真空ミキサー(SMT社製、UH−600S)に入れて30分間撹拌したのちに、2分間超音波を照射することによりカーボンと陽イオン交換樹脂との分散液を作製した。陽イオン交換樹脂の含有量は、カーボン100質量%に対して75質量%とした。
カーボンと陽イオン交換樹脂との分散液を実施例1の(1)に記載の噴霧乾燥と同様の条件で噴霧乾燥をおこなって、カーボンと陽イオン交換樹脂と含む粒子(ウ)を製作した。
[Comparative Example 1]
After carbon (Cabot, Vulcan XC-72) and a cation exchange resin (Aldrich, Nafion 5 mass% solution) are placed in a vacuum mixer (SMT, UH-600S) and stirred for 30 minutes. A dispersion of carbon and cation exchange resin was prepared by irradiating with ultrasonic waves for 2 minutes. The content of the cation exchange resin was 75% by mass with respect to 100% by mass of carbon.
A dispersion of carbon and a cation exchange resin was spray dried under the same conditions as the spray drying described in (1) of Example 1 to produce particles (c) containing carbon and a cation exchange resin.

つぎに、カーボンと陽イオン交換樹脂とを含む粒子(ウ)を、実施例1の(2)に記載の方法と同様にして、[Pt(NH]Cl水溶液に浸漬した後、還元して、白金、カーボン、および陽イオン交換樹脂を含む粒子(エ)を作製した。 Next, after immersing particles (c) containing carbon and a cation exchange resin in an aqueous solution [Pt (NH 3 ) 4 ] Cl 2 in the same manner as in the method described in (2) of Example 1, By reduction, particles (d) containing platinum, carbon, and a cation exchange resin were produced.

このようにして得られた粒子(エ)と、ニッケル粒子とをN−メチル−2−ピロリドンに分散させたものを用いて成形したこと以外は実施例1(3)〜(5)に記載の方法と同様にして、比較例1の燃料電池用電極を作製した。なお、ニッケル粒子を、粒子(エ)とニッケル粒子の合計質量に対して30質量%になるように混合した。ニッケル粒子の溶出後の触媒層の空孔率は65%であった。   As described in Examples 1 (3) to (5) except that the particles (d) thus obtained and nickel particles were molded using N-methyl-2-pyrrolidone dispersed. A fuel cell electrode of Comparative Example 1 was produced in the same manner as the method. The nickel particles were mixed so as to be 30% by mass with respect to the total mass of the particles (d) and the nickel particles. The porosity of the catalyst layer after elution of the nickel particles was 65%.

上記のようにして作製した電極を用いて実施例1と同様の方法により固体高分子形燃料電池を作製した後に、実施例1の(6)と同様の方法により電流密度を変化させた場合のセル電圧を測定した結果を、表1と図1に示した。
図1の縦軸はセル電圧(V)を示し。横軸は電流密度(mAcm−2)を示す。
図1中、○は実施例1のデータを示す。△は比較例1のデータを示す。
When a polymer electrolyte fuel cell was produced by the same method as in Example 1 using the electrode produced as described above, and then the current density was changed by the same method as in (6) of Example 1. The results of measuring the cell voltage are shown in Table 1 and FIG.
The vertical axis in FIG. 1 indicates the cell voltage (V). The horizontal axis represents current density (mAcm −2 ).
In FIG. 1, ◯ indicates data of Example 1. Δ indicates data of Comparative Example 1.

Figure 0005376217
Figure 0005376217

表1および図1から明らかなように、粒子を用いて本発明の製造方法で作製した燃料電池用電極を備える燃料電池(実施例1)では、比較例1の燃料電池と空孔率において同程度の空孔率であっても、セル電圧が顕著に高いというが得られた。また、本発明によれば、電流密度の高い条件でも分極の増大を抑制できるので、高出力の燃料電池を提供することができるということがわかった。 As apparent from Table 1 and FIG. 1, the fuel cell (Example 1) provided with the electrode for a fuel cell produced by the production method of the present invention using particles has the same porosity as that of the fuel cell of Comparative Example 1. It was obtained that the cell voltage was remarkably high even with a porosity of a certain degree. Further, according to the present invention, it was found that an increase in polarization can be suppressed even under a high current density condition, so that a high output fuel cell can be provided.

なお、比較例1では実施例1と同程度の空孔率の触媒層を有する燃料電池を作製したが、実施例1で作製した燃料電池よりも、セル電圧が低かったのは以下の理由によると考えられる。比較例1の方法では、導電性材料およびイオン交換樹脂を含む粒子(エ)と、造孔剤とを混合したものを用いて触媒層を作製するので、造孔剤を、粒子(エ)内部の領域に存在させることができない。その結果、造孔剤を除去した後であっても、比較例1で作製した燃料電池は、触媒層に含まれる粒子の内部の領域には、充分な孔が存在しないので、反応サイトに位置する触媒金属に充分な反応ガスが供給されなかったことに起因して、実施例1で作製した燃料電池と比較してセル電圧が低かったものと考えられる。   In Comparative Example 1, a fuel cell having a catalyst layer with the same porosity as that of Example 1 was produced. However, the cell voltage was lower than that of the fuel cell produced in Example 1 for the following reason. it is conceivable that. In the method of Comparative Example 1, since the catalyst layer is prepared using a mixture of particles (D) containing a conductive material and an ion exchange resin and a pore-forming agent, the pore-forming agent is used inside the particles (D). Cannot exist in any area. As a result, even after removal of the pore-forming agent, the fuel cell produced in Comparative Example 1 does not have sufficient pores in the internal region of the particles contained in the catalyst layer, so that it is located at the reaction site. It is considered that the cell voltage was lower than that of the fuel cell produced in Example 1 because sufficient reaction gas was not supplied to the catalytic metal.

[実施例2〜4、参考例1〜2
ニッケル粒子(造孔剤)含有量を変えたこと、および触媒層中の白金含有量が0.5mg/cm2になるようにドクターブレードとの隙間を調整したこと以外は実施例1と同様にして、固体高分子形燃料電池を得た。実施例2、実施例3、実施例4、参考例1および参考例2では、造孔剤(ニッケル粒子)含有量を、粒子(イ)に対してそれぞれ15質量%、45質量%、60質量%、75質量%および80質量%とした。これらの含有量を体積%で表すと、それぞれ、12体積%、39体積%、54体積%、70体積%、76体積%である。実施例2〜4、参考例1〜2において、ニッケル粒子溶出処理後の触媒層の空孔率は、それぞれ、59%、72%、80%、89%、91%であった。
[Examples 2-4 , Reference Examples 1-2 ]
Except that the nickel particle (pore forming agent) content was changed and that the gap with the doctor blade was adjusted so that the platinum content in the catalyst layer was 0.5 mg / cm 2, the same as in Example 1. Thus, a polymer electrolyte fuel cell was obtained. In Example 2, Example 3, Example 4, Reference Example 1 and Reference Example 2 , the pore-forming agent (nickel particle) content was 15% by mass, 45% by mass and 60% by mass, respectively, with respect to the particle (A). %, 75% by mass and 80% by mass. When these contents are expressed by volume%, they are 12 volume%, 39 volume%, 54 volume%, 70 volume%, and 76 volume%, respectively. In Examples 2 to 4 and Reference Examples 1 to 2 , the porosity of the catalyst layer after the nickel particle elution treatment was 59%, 72%, 80%, 89%, and 91%, respectively.

[比較例2〜7]
ニッケル粒子(造孔剤)含有量を変えたこと、および触媒層中の白金含有量が0.5mg/cmになるようにドクターブレードとの隙間を調整したこと以外は比較例1と同様にして、固体高分子形燃料電池を得た。
比較例2、比較例3、比較例4、比較例5、比較例6および比較例7では、造孔剤含有量を粒子(エ)に対してそれぞれ0質量%、15質量%、45質量%、60質量%、75質量%および80質量%とした。これらの含有量を体積%で表すと、それぞれ、0体積%、12体積%、39体積%、54体積%、70体積%、76体積%である。比較例2〜7において、ニッケル粒子溶出処理後の触媒層の空孔率はそれぞれ、55%、61%、74%、82%、90%、92%であった。
[Comparative Examples 2 to 7]
The same as Comparative Example 1 except that the nickel particle (pore forming agent) content was changed and the gap with the doctor blade was adjusted so that the platinum content in the catalyst layer was 0.5 mg / cm 2. Thus, a polymer electrolyte fuel cell was obtained.
In Comparative Example 2, Comparative Example 3, Comparative Example 4, Comparative Example 5, Comparative Example 6, and Comparative Example 7, the pore-forming agent content was 0% by mass, 15% by mass, and 45% by mass with respect to the particles (d), respectively. 60 mass%, 75 mass% and 80 mass%. When these contents are expressed by volume%, they are 0 volume%, 12 volume%, 39 volume%, 54 volume%, 70 volume%, and 76 volume%, respectively. In Comparative Examples 2 to 7, the porosity of the catalyst layer after the nickel particle elution treatment was 55%, 61%, 74%, 82%, 90%, and 92%, respectively.

実施例2〜4、参考例1〜2および比較例2〜7で作製した燃料電池について、アノードに70℃で加湿した水素、カソードに70℃で加湿した空気を供給して、セル温度を70℃にして、電流を電流密度を300mA/cmとしたときのセル電圧を測定し図2および表2に示した。
For the fuel cells prepared in Examples 2 to 4, Reference Examples 1 to 2 and Comparative Examples 2 to 7, hydrogen humidified at 70 ° C. was supplied to the anode, and air humidified at 70 ° C. was supplied to the cathode, and the cell temperature was adjusted to 70. The cell voltage was measured when the current density was 300 mA / cm 2 at a temperature of 300 ° C., and the results are shown in FIG.

表2中、300mAにおけるセル電圧とは電流密度を300mA/cmとしたときのセル電圧(V)を意味する。表2には実施例1および比較例2のデータも併せて示した。図2の縦軸は電流密度を300mA/cmとしたときのセル電圧(V)を示す。横軸は空孔率(%)を示す。図中○は実施例品(実施例1〜6)のデータ、△は比較例品(比較例1〜7)のデータを示す。 In Table 2, the cell voltage at 300 mA means the cell voltage (V) when the current density is 300 mA / cm 2 . Table 2 also shows data of Example 1 and Comparative Example 2. The vertical axis in FIG. 2 indicates the cell voltage (V) when the current density is 300 mA / cm 2 . The horizontal axis indicates the porosity (%). In the figure, ○ indicates data of the example product (Examples 1 to 6), and Δ indicates data of the comparative example product (Comparative Examples 1 to 7).

Figure 0005376217
Figure 0005376217

表2および図2から明らかなように、実施例2と比較例3のように多孔度が同程度であるセル同士の電圧を比較すると、実施例の燃料電池のセル電圧が高いということがわかった。とくに造孔剤含有量が15質量%以上60質量%以下(12体積%以上54体積%以下)の燃料電池(実施例1〜4)では、セル電圧が0.7V以上という好ましい結果が得られた。   As is clear from Table 2 and FIG. 2, when the voltages of cells having the same porosity as in Example 2 and Comparative Example 3 are compared, it is found that the cell voltage of the fuel cell of the example is high. It was. Particularly in a fuel cell (Examples 1 to 4) having a pore former content of 15% by mass or more and 60% by mass or less (12% by volume or more and 54% by volume or less), a preferable result that the cell voltage is 0.7V or more is obtained. It was.

<他の実施形態>
本発明は上記記述および図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えばつぎのような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
(1)上記実施形態および実施例では、造孔剤を含む粒子に触媒金属を含ませた後にその粒子を用いて触媒層を作製し、その触媒層に含まれる前記粒子中の造孔剤を除去する方法を示したが、粒子Aを用い、この粒子Aに触媒金属を含ませて得られる粒子を用いて触媒層を作製してもよい。さらに、造孔剤を含む粒子として、除去しないタイプの(1)のタイプの造孔剤を含む粒子を用いて触媒層を作製してもよい。
<Other embodiments>
The present invention is not limited to the embodiment described with reference to the above description and drawings. For example, the following embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
(1) In the above embodiment and examples, after a catalyst metal is included in particles containing a pore-forming agent, a catalyst layer is produced using the particles , and the pore-forming agent in the particles contained in the catalyst layer is added. Although the removal method has been shown, the catalyst layer may be formed by using particles A and using particles obtained by adding catalyst metal to the particles A. Furthermore, you may produce a catalyst layer using the particle | grains containing the type | mold pore forming agent of the type of (1) which is not removed as particle | grains containing a pore forming agent .

(2)上記実施例では、造孔剤としてニッケル粒子を用いたものを示したが、造孔剤として亜鉛粒子、鉄粒子、アルミニウム粒子、マグネシウム粒子、銅粒子、クロム粒子、および炭酸カルシウム粒子などを用いてもよい。   (2) In the above examples, nickel particles were used as the pore-forming agent. However, as the pore-forming agent, zinc particles, iron particles, aluminum particles, magnesium particles, copper particles, chromium particles, calcium carbonate particles, etc. May be used.

Claims (5)

導電性材料、イオン交換樹脂、および造孔剤を含む燃料電池の電極材料用の粒子(造孔剤を含む粒子)、または前記造孔剤を含む粒子から造孔剤を除去して得られた燃料電池の電極材料用の粒子(粒子A)であって、
前記イオン交換樹脂が陽イオン交換樹脂であるとともに、前記導電性材料がカーボンであり、触媒金属を、主として前記陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路と前記カーボンの表面との接面に備えるものを含み、
前記造孔剤を含む粒子の体積に対して、前記造孔剤の含有量が12体積%以上54体積%以下であることを特徴とする燃料電池用電極材料。
Obtained by removing pore-forming agent from particles for fuel cell electrode material (particle containing pore-forming agent) containing conductive material, ion-exchange resin, and pore-forming agent, or particles containing said pore-forming agent Particles for fuel cell electrode material (Particle A),
The ion exchange resin is a cation exchange resin, the conductive material is carbon, and a catalyst metal is mainly provided on a contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the surface of the carbon. See
The fuel cell electrode material , wherein a content of the pore-forming agent is 12% by volume or more and 54% by volume or less with respect to a volume of the particles containing the pore-forming agent .
請求項1に記載の燃料電池用電極材料に含まれる電極材料用の粒子の製造方法であって、A method for producing particles for an electrode material contained in an electrode material for a fuel cell according to claim 1,
導電性材料、イオン交換樹脂、造孔剤および溶媒を含む混合物から、前記溶媒を除去することを特徴とする燃料電池の電極材料用の粒子の製造方法。  A method for producing particles for an electrode material for a fuel cell, wherein the solvent is removed from a mixture containing a conductive material, an ion exchange resin, a pore-forming agent and a solvent.
請求項1に記載の燃料電池用電極材料に含まれる電極材料用の粒子の製造方法であって、A method for producing particles for an electrode material contained in an electrode material for a fuel cell according to claim 1,
触媒金属のイオンを含む溶液に、導電性材料、イオン交換樹脂、および造孔剤を含む粒子、または当該粒子から造孔剤を除去して得られた粒子を浸漬した後に、浸漬後の粒子を、前記触媒金属のイオンが還元される雰囲気下にさらすことを特徴とする燃料電池用電極材料用の粒子の製造方法。  After immersing particles containing a conductive material, an ion exchange resin, and a pore-forming agent, or particles obtained by removing the pore-forming agent from the particles in a solution containing catalyst metal ions, The method for producing particles for an electrode material for a fuel cell, which is exposed to an atmosphere in which ions of the catalyst metal are reduced.
請求項1に記載の燃料電池用電極材料に含まれる粒子を用いることを特徴とする燃料電池用電極材料の製造方法。A method for producing an electrode material for a fuel cell, comprising using particles contained in the electrode material for a fuel cell according to claim 1. 請求項1に記載の燃料電池用電極材料を用いることを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。A method for producing a fuel cell electrode, comprising using the fuel cell electrode material according to claim 1.
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