JP5417771B2 - Method for producing catalyst paste - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池の触媒電極材料に用いられる触媒ペーストの製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a catalyst paste used for a catalyst electrode material of a fuel cell.

従来炭素材料は、触媒担体、吸着剤、分離剤、インク、トナーなどとして利用されており、近年ではカーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等のナノサイズの大きさを有するナノ炭素材の出現で、その構造体としての特徴が注目されている。特に、カーボンナノホーンの特異な構造は、工業用の触媒担持体として注目され、最近では燃料電池や水素製造における水蒸気改質触媒の触媒担体として利用され、最適な触媒担体の一つとして報告されている。   Conventional carbon materials have been used as catalyst carriers, adsorbents, separating agents, inks, toners, etc. Recently, with the advent of nano-sized carbon materials such as carbon nanotubes and carbon nanohorns, their structures The feature as is attracting attention. In particular, the unique structure of carbon nanohorns has attracted attention as an industrial catalyst carrier, and has recently been used as a catalyst carrier for steam reforming catalysts in fuel cells and hydrogen production, and has been reported as one of the optimum catalyst carriers. Yes.

燃料電池は、水素やメタノール等の燃料を電気化学的に酸化することにより、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出すものであり、新たな電気エネルギー供給源として注目されている。   A fuel cell is one that converts chemical energy of a fuel into electric energy by electrochemically oxidizing a fuel such as hydrogen or methanol, and has attracted attention as a new electric energy supply source.

従来燃料電池のアノードやカソードの電極触媒ペーストには、上記のようなカーボンなどの触媒担体表面に白金あるいは白金合金などの金属粒子を担持させた触媒と、例えばスルホン酸基を有するフッ素樹脂などに代表されるプロトン伝導性物質とからなる組成物が用いられている。この触媒とプロトン伝導性物質とを均一に分散させるために、通常プロトン伝導性物質を有機溶媒中に分散した状態でカーボン微粒子と混合する(特許文献1)。しかし、白金およびその合金などの金属粒子をカーボン表面に担持させた触媒は、酸素を有する雰囲気中で有機溶媒(特にアルコール)と接触すると発火する場合がある。そのため、従来触媒ペースト作製時には、まず、水中に触媒を分散させることで、空気(酸素)の存在下で有機溶媒が触媒表面に直接接触させないようにした上で、プロトン伝導性物質を分散した有機溶媒と混合して触媒ペーストを作製していた。   Conventional electrode catalyst pastes for anodes and cathodes of fuel cells are composed of a catalyst in which metal particles such as platinum or a platinum alloy are supported on the surface of a catalyst carrier such as carbon, and a fluorine resin having a sulfonic acid group, for example. A composition comprising a representative proton conductive material is used. In order to uniformly disperse the catalyst and the proton conductive material, the proton conductive material is usually mixed with carbon fine particles in a state of being dispersed in an organic solvent (Patent Document 1). However, a catalyst in which metal particles such as platinum and its alloy are supported on the carbon surface may ignite when it comes into contact with an organic solvent (especially alcohol) in an oxygen-containing atmosphere. Therefore, when preparing a conventional catalyst paste, first, the catalyst is dispersed in water so that the organic solvent is not brought into direct contact with the catalyst surface in the presence of air (oxygen), and the proton conductive material is dispersed. A catalyst paste was prepared by mixing with a solvent.

しかしながら、従来の方法でカーボンナノホーン集合体に白金あるいはその合金などの金属粒子を担持したカーボンナノホーン触媒の触媒ペーストを作製すると、カーボンナノホーンは撥水性の高いカーボンの中でも特に撥水性が高いため、水中で凝集し、プロトン伝導性物質と均一に分散せず、この触媒ペーストを用いて作製した燃料電池は効率よく発電できない問題がある。
特開2004−152489号公報
However, when a catalyst paste of a carbon nanohorn catalyst in which metal particles such as platinum or an alloy thereof are supported on a carbon nanohorn aggregate by a conventional method, carbon nanohorn has a particularly high water repellency among carbons with high water repellency. The fuel cell produced by using this catalyst paste is not able to generate power efficiently.
JP 2004-152489 A

燃料電池の触媒電極はカーボンなどの導電性担体に白金あるいは白金合金などの金属粒子を担持させた触媒粒子とプロトン伝導性物質との混合物で構成されている。金属の触媒特性、担体の導電特性およびプロトン伝導特性の3つの特性を効率よく発揮させるために、金属粒子、導電性担体およびプロトン伝導性物質が均一に分散して混在する必要がある。   The catalyst electrode of a fuel cell is composed of a mixture of catalyst particles in which metal particles such as platinum or a platinum alloy are supported on a conductive carrier such as carbon and a proton conductive material. In order to efficiently exhibit the three characteristics of metal catalytic properties, carrier conductivity properties, and proton conductivity properties, it is necessary to uniformly disperse and mix metal particles, conductive carriers, and proton conductive materials.

前述したように、従来の触媒ペーストの製造方法では、その製造工程において、カーボンナノホーンのように撥水性の高いカーボンは水と共に撹拌しても均一に分散せずに凝集体となるため、有機溶媒中に分散したプロトン伝導性物質が凝集体中に進入できない。そのため、得られる電極中における触媒粒子(白金あるいは白金合金などの金属粒子)とプロトン伝導性物質との接触率が低くなり、触媒粒子で生成されるプロトンをプロトン伝導性膜へ移動させることができない。   As described above, in the conventional catalyst paste manufacturing method, in the manufacturing process, carbon having high water repellency such as carbon nanohorn does not uniformly disperse even when stirred with water and becomes an agglomerate. The proton conductive material dispersed therein cannot enter the aggregate. Therefore, the contact rate between the catalyst particles (metal particles such as platinum or platinum alloy) in the obtained electrode and the proton conductive material is lowered, and protons generated in the catalyst particles cannot be transferred to the proton conductive membrane. .

そこで、本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、カーボンナノホーン触媒において分散性の高い触媒ペーストの製造方法を提供することを目的とする。また、効率の高い発電が可能な燃料電池を提供することを目的とする。   Then, this invention is made | formed in view of the above situation, and it aims at providing the manufacturing method of a catalyst paste with high dispersibility in a carbon nanohorn catalyst. It is another object of the present invention to provide a fuel cell capable of highly efficient power generation.

本発明は、上記の課題を解決するものとして、以下のことを特徴としている。   The present invention is characterized by the following in order to solve the above problems.

すなわち、本発明に係る触媒ペーストの製造方法は、カーボンナノホーン集合体に白金又はその合金からなる金属粒子を担持したカーボンナノホーン触媒を酸素除去雰囲気下で有機溶媒に分散させ、触媒粒子分散液を調製する触媒粒子分散工程と、プロトン伝導性物質を有機溶媒に溶解した溶液と、前記触媒粒子分散液と、を混合する混合工程と、を有することを特徴とする。 That is, the method for producing a catalyst paste according to the present invention prepares a catalyst particle dispersion by dispersing a carbon nanohorn catalyst in which metal particles made of platinum or an alloy thereof are supported on a carbon nanohorn aggregate in an organic solvent under an oxygen removal atmosphere And a mixing step of mixing the catalyst particle dispersion with a solution obtained by dissolving a proton conductive material in an organic solvent.

また、前記触媒粒子分散工程において、カーボンナノホーン触媒を酸素除去雰囲気下で有機溶媒に分散させる際、超音波分散処理を行うことを特徴とする。   Further, in the catalyst particle dispersion step, ultrasonic dispersion treatment is performed when the carbon nanohorn catalyst is dispersed in an organic solvent in an oxygen removing atmosphere.

また、前記超音波分散処理における超音波の周波数が、10KHz〜100KHzであることを特徴とする。   The ultrasonic frequency in the ultrasonic dispersion treatment is 10 KHz to 100 KHz.

また、前記触媒粒子分散工程において、カーボンナノホーン触媒を分散させる有機溶媒の比誘電率が、25℃で40以下であることを特徴とする。   In the catalyst particle dispersion step, the relative permittivity of the organic solvent in which the carbon nanohorn catalyst is dispersed is 40 or less at 25 ° C.

また、前記触媒粒子分散工程において、カーボンナノホーン触媒を分散させる有機溶媒が、イソプロパノールであることを特徴とする。   In the catalyst particle dispersion step, the organic solvent in which the carbon nanohorn catalyst is dispersed is isopropanol.

本発明に係る触媒ペーストは、前記製造方法により製造されることを特徴とする。   The catalyst paste according to the present invention is manufactured by the above manufacturing method.

本発明に係る燃料電池用触媒電極は、前記触媒ペーストを用いて製造されることを特徴とする。   The catalyst electrode for a fuel cell according to the present invention is manufactured using the catalyst paste.

本発明に係る燃料電池は、燃料極、酸化剤極、及び該燃料極と該酸化剤極とで挟持された固体電解質膜を有する燃料電池において、前記燃料極及び前記酸化剤極の少なくとも一方が、前記燃料電池用触媒電極であることを特徴とする。   The fuel cell according to the present invention includes a fuel electrode, an oxidant electrode, and a solid electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxidant electrode, wherein at least one of the fuel electrode and the oxidant electrode is The catalyst electrode for a fuel cell.

本発明に係る製造方法によれば、カーボンナノホーン触媒が凝集せず、プロトン伝導物質が均一に分散した触媒ペーストを製造することができる。また、その触媒ペーストを用いて作製した電極を使用した燃料電池は、触媒特性、導電特性およびプロトン伝導特性に優れ、効率良く発電できる。   According to the production method of the present invention, a catalyst paste in which the carbon nanohorn catalyst is not aggregated and the proton conductive material is uniformly dispersed can be produced. In addition, a fuel cell using an electrode produced using the catalyst paste is excellent in catalytic characteristics, conductive characteristics and proton conductive characteristics, and can generate power efficiently.

以下に、本発明の実施の形態について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

本発明に係る触媒ペーストの製造方法は、カーボンナノホーン集合体に白金又はその合金からなる金属粒子を担持したカーボンナノホーン触媒を酸素除去雰囲気下で有機溶媒に分散させ、触媒粒子分散液を調製する触媒粒子分散工程と、プロトン伝導性物質を有機溶媒に分散した溶液と、前記触媒粒子分散液と、を混合する混合工程と、を有する。   The method for producing a catalyst paste according to the present invention comprises a catalyst for preparing a catalyst particle dispersion by dispersing a carbon nanohorn catalyst in which metal particles comprising platinum or an alloy thereof are supported on a carbon nanohorn aggregate in an organic solvent in an oxygen-removing atmosphere. A particle dispersion step, and a mixing step of mixing the solution in which the proton conductive material is dispersed in an organic solvent and the catalyst particle dispersion.

(触媒粒子分散工程)
前記触媒粒子分散工程では、カーボンナノホーン集合体に白金又はその合金からなる金属粒子を担持したカーボンナノホーン触媒を酸素除去雰囲気下で有機溶媒に分散させ、触媒粒子分散液を調製する。
(Catalyst particle dispersion process)
In the catalyst particle dispersion step, a carbon nanohorn catalyst in which metal particles made of platinum or an alloy thereof are supported on a carbon nanohorn aggregate is dispersed in an organic solvent in an oxygen removal atmosphere to prepare a catalyst particle dispersion.

前記カーボンナノホーン集合体は、カーボンナノチューブの一端が円錐形状を有する管状体であって、各々の円錐部間に働くファンデルワールス力によって複数のものがチューブを中心にし、円錐部が角(ホーン)のように表面に突き出るような構成で集合したものである。図1に本発明に係るカーボンナノホーン集合体1と、金属粒子2と、プロトン伝導性物質3とを含む触媒ペーストの構成の一例を示す。このカーボンナノホーン集合体1の直径は120nm以下であり、一般的には30nm以上、200nm以下である。また、カーボンナノホーン集合体1を構成する各カーボンナノホーンは、チューブの直径が約2nmであり、一般的な長さは30nm以上、50nm以下であり、円錐部は軸断面の傾角が平均約20°である。このような特異な構造をとるため、カーボンナノホーン集合体1は非常に比表面積の大きいパッキング構造となっている。カーボンナノホーン集合体1は、通常、室温、不活性ガス雰囲気中で、グラファイト等の固体状炭素単体物質をターゲットとするレーザーアブレーション法によって製造することができる。また、カーボンナノホーン集合体1の球状粒子間の細孔の大きさは、レーザーアブレーション法による製造条件や製造後の酸化処理等によって制御することが可能である。カーボンナノホーン集合体1の中心部ではカーボンナノホーン同士が化学的に結合している、またはカーボンナノチューブが蹴鞠のように丸まっているような形状も考えられるが、これら中心部の構造によって制限されるものではない。また、中心部が中空となっているものも考えられる。   The carbon nanohorn aggregate is a tubular body in which one end of a carbon nanotube has a conical shape, and a plurality of ones are centered on the tube by van der Waals force acting between the conical portions, and the conical portion is a horn. As shown in the figure, they are assembled in a configuration that protrudes from the surface. FIG. 1 shows an example of a configuration of a catalyst paste including a carbon nanohorn aggregate 1 according to the present invention, metal particles 2 and a proton conductive material 3. The diameter of the carbon nanohorn aggregate 1 is 120 nm or less, and generally 30 nm or more and 200 nm or less. Each carbon nanohorn constituting the carbon nanohorn aggregate 1 has a tube diameter of about 2 nm, a general length of 30 nm or more and 50 nm or less, and the cone portion has an average inclination angle of the axial section of about 20 °. It is. In order to take such a unique structure, the carbon nanohorn aggregate 1 has a packing structure with a very large specific surface area. The carbon nanohorn aggregate 1 can be usually produced by a laser ablation method using a solid carbon simple substance such as graphite as a target at room temperature and in an inert gas atmosphere. Moreover, the size of the pores between the spherical particles of the carbon nanohorn aggregate 1 can be controlled by the production conditions by the laser ablation method, the oxidation treatment after the production, or the like. In the central part of the carbon nanohorn aggregate 1, there may be a shape in which carbon nanohorns are chemically bonded to each other, or the carbon nanotube is rounded like a kick, but this is limited by the structure of the central part. is not. Moreover, what has a hollow center part is also considered.

また、カーボンナノホーン集合体1を構成するカーボンナノホーンは、先端となる一端が閉じているものでもよいし、閉じていないものでもよい。また、その一端の円錐形状の頂点が丸まった形状で終端していてもよい。カーボンナノホーン集合体1を構成するカーボンナノホーンが、その一端の円錐形状の頂点が丸まった形状で終端している場合、頂点が丸まった部分を外側に向けて放射状に集合している。また、カーボンナノホーンの構造の一部が不完全であり、微細孔を有するものでもよい。さらに、カーボンナノホーン集合体1は、カーボンナノチューブを含むことができる。   The carbon nanohorn constituting the carbon nanohorn aggregate 1 may be closed at one end or may not be closed. Moreover, you may terminate in the shape where the vertex of the cone shape of the one end was round. When the carbon nanohorns constituting the carbon nanohorn aggregate 1 are terminated with a rounded conical apex at one end, the carbon nanohorns are gathered radially with the rounded apex outward. Further, a part of the structure of the carbon nanohorn may be incomplete and may have fine pores. Furthermore, the carbon nanohorn aggregate 1 can include carbon nanotubes.

カーボンナノホーン集合体1は、単層カーボンナノホーンとすることができる。こうすることにより、カーボンナノホーン集合体1中の水素イオン伝導性を向上させることができる。また、カーボンナノホーン集合体1を単層グラファイトナノホーンからなる単層カーボンナノホーン集合体とすることができる。こうすることにより、カーボンナノホーン集合体1の電気伝導性が向上するため、燃料電池用触媒電極に用いた際にその性能を向上させることができる。   The carbon nanohorn aggregate 1 can be a single-layer carbon nanohorn. By carrying out like this, the hydrogen ion conductivity in the carbon nanohorn aggregate | assembly 1 can be improved. The carbon nanohorn aggregate 1 can be a single-layer carbon nanohorn aggregate composed of single-layer graphite nanohorns. By doing so, the electrical conductivity of the carbon nanohorn aggregate 1 is improved, so that the performance can be improved when it is used as a catalyst electrode for a fuel cell.

前記カーボンナノホーン触媒は、前記カーボンナノホーン集合体に白金又はその合金からなる金属粒子2を担持して得られる。   The carbon nanohorn catalyst is obtained by supporting metal particles 2 made of platinum or an alloy thereof on the carbon nanohorn aggregate.

前記金属粒子2としては、白金、白金とロジウム、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、金、銀、ニッケル、コバルト、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウム等との合金である白金合金が挙げられる。これらの金属粒子は、1種又は2種以上を併用することができる。   Examples of the metal particles 2 include platinum, platinum alloys that are alloys of platinum, rhodium, palladium, iridium, osmium, ruthenium, rhenium, gold, silver, nickel, cobalt, lithium, lanthanum, strontium, yttrium, and the like. These metal particles can be used alone or in combination of two or more.

前記金属粒子2をカーボンナノホーン集合体1に担持する方法としては、一般的に用いられている含浸法によって行うことができる。これは、金属粒子2の金属塩を溶媒に溶解または分散させることによりコロイド状にした触媒物質を、カーボンナノホーン集合体1に担持させた後、還元処理をする方法である。室温を含む100℃以下の低い温度、例えば10℃以上、100℃以下にて還元処理を行うことにより、カーボンナノホーン集合体1の表面に、平均粒子径5nm以下の極めて小さい球状粒子状の金属粒子2を担持することができる。また、一般的なコロイド法によっても行うことができる。これらの方法では、金属粒子2をカーボンナノホーン集合体1上に均一に分散させることができる。   The metal particles 2 can be supported on the carbon nanohorn aggregate 1 by a generally used impregnation method. This is a method of carrying out a reduction treatment after a colloidal catalyst substance obtained by dissolving or dispersing a metal salt of the metal particles 2 in a solvent is supported on the carbon nanohorn aggregate 1. By performing the reduction treatment at a low temperature of 100 ° C. or lower including room temperature, for example, 10 ° C. or higher and 100 ° C. or lower, extremely small spherical metal particles having an average particle diameter of 5 nm or less are formed on the surface of the carbon nanohorn aggregate 1. 2 can be carried. Moreover, it can also carry out by a general colloid method. In these methods, the metal particles 2 can be uniformly dispersed on the carbon nanohorn aggregate 1.

得られたカーボンナノホーン触媒を、酸素除去雰囲気下で有機溶媒に分散させ、触媒粒子分散液を調製する。   The obtained carbon nanohorn catalyst is dispersed in an organic solvent under an oxygen removing atmosphere to prepare a catalyst particle dispersion.

本発明ではカーボンナノホーン触媒を、発火を防ぐための水を加えずに、発火を防止するために酸素を除去した雰囲気下で有機溶媒に分散させる。   In the present invention, the carbon nanohorn catalyst is dispersed in an organic solvent in an atmosphere from which oxygen is removed in order to prevent ignition without adding water for preventing ignition.

前記有機溶媒としては、カーボンナノホーン触媒が分散しやすい、比誘電率が40以下(25℃)の有機溶媒が好ましい。比誘電率が40以下(25℃)の有機溶媒としては、メタノール、エタノール、イソプロパノール、シクロヘキサン、トルエン等が挙げられる。この中でも、カーボンナノホーン触媒の分散性の観点から、イソプロパノールが好ましい。これらの有機溶媒は、1種のみを用いてもよいし、相分離しなければ2種以上を併用してもよい。   The organic solvent is preferably an organic solvent in which the carbon nanohorn catalyst is easily dispersed and has a relative dielectric constant of 40 or less (25 ° C.). Examples of the organic solvent having a relative dielectric constant of 40 or less (25 ° C.) include methanol, ethanol, isopropanol, cyclohexane, toluene and the like. Among these, isopropanol is preferable from the viewpoint of dispersibility of the carbon nanohorn catalyst. These organic solvents may use only 1 type, and may use 2 or more types together, if it does not phase-separate.

また、カーボンナノホーン触媒を酸素除去雰囲気下で有機溶媒に分散させる際に、超音波分散処理を行うことが、カーボンナノホーン触媒の更なる分散性の向上の観点から好ましい。   In addition, when dispersing the carbon nanohorn catalyst in an organic solvent in an oxygen removing atmosphere, it is preferable to perform an ultrasonic dispersion treatment from the viewpoint of further improving the dispersibility of the carbon nanohorn catalyst.

前記超音波分散処理における超音波の周波数としては、10KHz〜100KHzであることが、カーボンナノホーン触媒の分散性の観点から好ましい。   The ultrasonic frequency in the ultrasonic dispersion treatment is preferably 10 KHz to 100 KHz from the viewpoint of dispersibility of the carbon nanohorn catalyst.

なお、後述するように、触媒粒子分散液と、有機溶媒に分散したプロトン伝導性物質とを混合することによりカーボンナノホーン触媒とプロトン伝導性物質が均一に分散した触媒ペーストを製造することができるが、プロトン伝導性物質は熱により凝集する場合があるため、プロトン伝導性物質を加えた触媒ペーストは超音波分散させて発熱させてはならない。このため、触媒粒子分散液と、有機溶媒に分散したプロトン伝導性物質とを混合する前に、カーボンナノホーン触媒を超音波分散処理により有機溶媒中に分散させ、分散性を向上させることが効果的である。   As will be described later, a catalyst paste in which the carbon nanohorn catalyst and the proton conductive material are uniformly dispersed can be produced by mixing the catalyst particle dispersion and the proton conductive material dispersed in the organic solvent. Since the proton conductive material may be aggregated by heat, the catalyst paste to which the proton conductive material is added must not be ultrasonically dispersed to generate heat. For this reason, it is effective to disperse the carbon nanohorn catalyst in the organic solvent by ultrasonic dispersion treatment before mixing the catalyst particle dispersion and the proton conductive material dispersed in the organic solvent. It is.

(混合工程)
前記混合工程では、プロトン伝導性物質を有機溶媒に分散した溶液と前記触媒粒子分散液を混合する。これにより、カーボンナノホーン触媒とプロトン伝導性物質が均一に分散した触媒ペーストを調製することができる。
(Mixing process)
In the mixing step, a solution in which a proton conductive material is dispersed in an organic solvent and the catalyst particle dispersion are mixed. Thereby, a catalyst paste in which the carbon nanohorn catalyst and the proton conductive material are uniformly dispersed can be prepared.

プロトン伝導性物質を有機溶媒に分散した溶液としては、特に限定されないが、市販品ではナフィオン溶液(デュポン社)等が挙げられる。   Although it does not specifically limit as a solution which disperse | distributed the proton-conductive substance in the organic solvent, Nafion solution (DuPont) etc. are mentioned in a commercial item.

(燃料電池用触媒電極及び燃料電池)
図2は本発明に係る燃料電池の構造の一例を模式的に表した断面図である。触媒電極−固体電解質膜接合体101(以下、MEAと示す場合有り)は、燃料極102、酸化剤極108、固体電解質膜114から構成される。燃料極102と酸化剤極108とをあわせて触媒電極と呼び、本発明に係る燃料電池用触媒電極が燃料極102及び酸化剤極108の少なくとも一方に用いられる。燃料極102は基体104および触媒層106から構成される。酸化剤極108は基体110および触媒層112から構成される。単数または複数の触媒電極−固体電解質膜接合体101が、燃料極側セパレータ120および酸化剤極側セパレータ122を介して電気的に接続される。
(Catalyst electrode for fuel cell and fuel cell)
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an example of the structure of the fuel cell according to the present invention. The catalyst electrode-solid electrolyte membrane assembly 101 (hereinafter sometimes referred to as MEA) includes a fuel electrode 102, an oxidant electrode 108, and a solid electrolyte membrane 114. The fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 are collectively referred to as a catalyst electrode, and the fuel cell catalyst electrode according to the present invention is used as at least one of the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108. The fuel electrode 102 includes a substrate 104 and a catalyst layer 106. The oxidant electrode 108 includes a base 110 and a catalyst layer 112. One or a plurality of catalyst electrode-solid electrolyte membrane assemblies 101 are electrically connected via a fuel electrode side separator 120 and an oxidant electrode side separator 122.

以上のように構成された燃料電池100において、各触媒電極−固体電解質膜接合体101の燃料極102には、燃料極側セパレータ120を介して燃料124が供給される。また、各触媒電極−固体電解質膜接合体101の酸化剤極108には、酸化剤極側セパレータ122を介して空気あるいは酸素などの酸化剤126が供給される。   In the fuel cell 100 configured as described above, the fuel 124 is supplied to the fuel electrode 102 of each catalyst electrode-solid electrolyte membrane assembly 101 via the fuel electrode-side separator 120. Further, an oxidant 126 such as air or oxygen is supplied to the oxidant electrode 108 of each catalyst electrode-solid electrolyte membrane assembly 101 via the oxidant electrode side separator 122.

燃料極102および酸化剤極108は、前記カーボンナノホーン触媒及びプロトン伝導性物質を含み、触媒層106、触媒層112を基体104、基体110上に形成した構成となっている。基体表面は撥水処理してもよい。   The fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 include the carbon nanohorn catalyst and the proton conductive material, and have a configuration in which the catalyst layer 106 and the catalyst layer 112 are formed on the base 104 and the base 110. The substrate surface may be subjected to a water repellent treatment.

基体104および基体110としては、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属などの多孔性基体を用いることができる。また、基体の撥水処理にはポリテトラフルオロエチレンなどの撥水剤を用いることができる。   As the substrate 104 and the substrate 110, porous substrates such as carbon paper, a carbon molded body, a carbon sintered body, a sintered metal, and a foam metal can be used. A water repellent such as polytetrafluoroethylene can be used for the water repellent treatment of the substrate.

燃料極102および酸化剤極108は、例えば、本発明の触媒ペーストを基体104および基体110上にスクリーン印刷法等により塗布し、加熱乾燥することにより作製することができる。   The fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 can be produced, for example, by applying the catalyst paste of the present invention on the substrate 104 and the substrate 110 by a screen printing method or the like, and drying by heating.

以下に実施例を示し、さらに詳しく本発明について例示、説明する。ただし、以下の例によって本発明が限定されることはない。   The following examples illustrate and describe the invention in more detail. However, the present invention is not limited to the following examples.

(実施例1)
(カーボンナノホーンの作製)
カーボンナノホーン集合体はCO2レーザーアブレーション法により作製した。すなわち、固体状炭素物質としての焼結丸棒炭素を真空容器内に設置し、Ar雰囲気下でレーザーパワー密度30kW/cm2、ターゲット回転数2rpmの条件でCO2レーザー光を前記固体状炭素物質に室温中、30分照射した。これにより得られたすす状物質を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察したところ、カーボンナノホーン集合体構造であることが確認された。
Example 1
(Production of carbon nanohorn)
The carbon nanohorn aggregate was produced by a CO 2 laser ablation method. That is, sintered round carbon as a solid carbon material is placed in a vacuum vessel, and the solid carbon material is irradiated with CO 2 laser light under conditions of laser power density 30 kW / cm 2 and target rotation speed 2 rpm under Ar atmosphere. For 30 minutes at room temperature. When the soot-like substance thus obtained was observed with a transmission electron microscope (TEM), it was confirmed to have a carbon nanohorn aggregate structure.

(触媒の担持)
上記において得られたカーボンナノホーン集合体をカーボン粉体とした。カーボンナノホーン触媒のカーボンとPt(白金)の質量比が2:3になる量の塩化白金酸水溶液の液温を50℃に保持したまま、亜硫酸水素ナトリウムを加え還元した後、1規定水酸化ナトリウム溶液でpHを5に調整した。得られた溶液を水で希釈し、前記質量比を満たす量のカーボン粉体を加え、ホモジナイザーを用いて30分撹拌した。30%の過酸化水素水を少量ずつ加え、液中の白金化合物を酸化白金コロイドへ変化させ、同時にカーボン粉体へ吸着させた。液温を75℃に保持しつつ、溶液のpHを5に調整し、12時間撹拌を行った。溶液を10分間沸騰させ、自然冷却後、遠心分離と水洗いで不要塩類を除去し、70℃で12時間保持、乾燥させ、酸化白金の吸着したカーボン粉体を得た。その後、水素中で還元を2日間行った。得られたカーボンナノホーン触媒について走査型透過電子顕微鏡像(STEM)観察を行い、STEM像中の黒い点を、エネルギー分散型X線分光(EDS)で分析した結果、Ptであることが確認された。STEM像から、試料の平均Pt粒子径は4.5nmであることが見積もられた。カーボンナノホーン触媒のPtの担持率については、酸素雰囲気中での熱重量分析の結果、Ptはカーボンナノホーンに対して質量比60%と確認することができた。
(Catalyst loading)
The carbon nanohorn aggregate obtained above was used as carbon powder. 1N sodium hydroxide was added after sodium hydrogensulfite was added and reduced while maintaining the liquid temperature of the aqueous solution of chloroplatinic acid in an amount of 2: 3 so that the mass ratio of carbon and Pt (platinum) in the carbon nanohorn catalyst was 50 ° C. The pH was adjusted to 5 with the solution. The obtained solution was diluted with water, an amount of carbon powder satisfying the mass ratio was added, and the mixture was stirred for 30 minutes using a homogenizer. A 30% hydrogen peroxide solution was added little by little to change the platinum compound in the solution into a platinum oxide colloid and simultaneously adsorbed onto the carbon powder. While maintaining the liquid temperature at 75 ° C., the pH of the solution was adjusted to 5 and stirred for 12 hours. The solution was boiled for 10 minutes, and after natural cooling, unnecessary salts were removed by centrifugation and washing with water, and kept at 70 ° C. for 12 hours and dried to obtain a carbon powder adsorbed with platinum oxide. Thereafter, reduction was carried out in hydrogen for 2 days. The obtained carbon nanohorn catalyst was observed with a scanning transmission electron microscope image (STEM), and the black spot in the STEM image was analyzed by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). As a result, it was confirmed to be Pt. . From the STEM image, it was estimated that the average Pt particle diameter of the sample was 4.5 nm. As a result of thermogravimetric analysis in an oxygen atmosphere, the Pt loading on the carbon nanohorn catalyst was confirmed to be 60% by mass with respect to the carbon nanohorn.

(カーボンナノホーン触媒の分散性評価)
上記で作製したカーボンナノホーンの60%Pt担持触媒について、有機溶媒中の分散性を調べたところ、イソプロパノールへの分散性が特に高かった。
(Dispersibility evaluation of carbon nanohorn catalyst)
The carbon nanohorn 60% Pt-supported catalyst prepared above was examined for dispersibility in an organic solvent, and the dispersibility in isopropanol was particularly high.

(カーボンナノホーン触媒ペースト作製)
上記で作製したカーボンナノホーンの60%Pt担持触媒6.25gに酸素を除去した窒素雰囲気下でイソプロパノール18mlを加え、カーボンナノホーン触媒を分散させた。また、更にカーボンナノホーン触媒の分散性を上げるために周波数20kHzの超音波分散処理を行った。有機溶媒に分散させたカーボンナノホーン触媒に5%ナフィオン溶液(デュポン社製)30mlを加え混練し、触媒ペーストを作製した。
(Production of carbon nanohorn catalyst paste)
18 ml of isopropanol was added to 6.25 g of the 60% Pt-supported catalyst of carbon nanohorn produced above in a nitrogen atmosphere from which oxygen was removed to disperse the carbon nanohorn catalyst. Further, in order to further improve the dispersibility of the carbon nanohorn catalyst, ultrasonic dispersion treatment at a frequency of 20 kHz was performed. 30 ml of 5% Nafion solution (manufactured by DuPont) was added to the carbon nanohorn catalyst dispersed in an organic solvent and kneaded to prepare a catalyst paste.

(触媒のMEA評価)
上記で作製した触媒ペーストを塗布し、140℃で乾燥し、燃料電池用触媒電極を作製した。この電極を固体電解質膜の両面に圧着してMEAを作製した。該MEAを用いて直接メタノール型燃料電池のセルを作製し、40℃の温度下で電池特性を測定した。結果を図3に示す。
(MEA evaluation of catalyst)
The catalyst paste prepared above was applied and dried at 140 ° C. to prepare a fuel cell catalyst electrode. This electrode was pressed on both sides of the solid electrolyte membrane to produce an MEA. A direct methanol fuel cell was prepared using the MEA, and the battery characteristics were measured at a temperature of 40 ° C. The results are shown in FIG.

(実施例2)
触媒ペーストの作製の際、超音波分散処理を行わなかったこと以外は、実施例1と同様にして触媒ペースト、MEAを作製し、電池特性を評価した。結果を図3に示す。
(Example 2)
A catalyst paste and MEA were prepared in the same manner as in Example 1 except that the ultrasonic dispersion treatment was not performed during the preparation of the catalyst paste, and the battery characteristics were evaluated. The results are shown in FIG.

(比較例1)
実施例1で作製したカーボンナノホーンの60%Pt担持触媒6.25gに、水12mlを加え、カーボンナノホーン触媒を分散させた。これに、5%ナフィオン溶液(デュポン社製)30mlを加え混練し、触媒ペーストを作製した。それ以外は、実施例1と同様にしてMEAを作製し、電池特性を評価した。結果を図3に示す。
(Comparative Example 1)
12 ml of water was added to 6.25 g of the 60% Pt-supported carbon nanohorn catalyst prepared in Example 1 to disperse the carbon nanohorn catalyst. To this, 30 ml of 5% Nafion solution (manufactured by DuPont) was added and kneaded to prepare a catalyst paste. Otherwise, an MEA was produced in the same manner as in Example 1, and the battery characteristics were evaluated. The results are shown in FIG.

図3に示すように、従来の製造方法で作製したMEA(比較例1)は電池出力が28mW/cm2であったのに対して、イソプロパノールで分散させたもの(実施例2)は52mW/cm2で電池出力が向上することが確認された。また、イソプロパノールに分散させた際に超音波分散を加えたもの(実施例1)は更に出力が向上し、60mW/cm2であった。 As shown in FIG. 3, the MEA (Comparative Example 1) produced by the conventional manufacturing method had a battery output of 28 mW / cm 2 , whereas that dispersed with isopropanol (Example 2) was 52 mW / cm 2. It was confirmed that the battery output was improved at cm 2 . In addition, when ultrasonic dispersion was applied to isopropanol (Example 1), the output was further improved to 60 mW / cm 2 .

本発明に係るカーボンナノホーン集合体と、金属粒子と、プロトン伝導性物質とを含む触媒ペーストの構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the catalyst paste containing the carbon nanohorn aggregate | assembly which concerns on this invention, a metal particle, and a proton-conductive substance. 本発明に係る燃料電池の構成の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of a structure of the fuel cell concerning this invention. 実施例1及び2、比較例1で作製したMEAを用いたセルの電流値に対する出力を示した図である。It is the figure which showed the output with respect to the electric current value of the cell using MEA produced in Example 1 and 2 and the comparative example 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 カーボンナノホーン集合体
2 金属粒子
3 プロトン伝導性物質
100 燃料電池
101 触媒電極−固体電解質膜接合体(MEA)
102 燃料極
104 基体
106 触媒層
108 酸化剤極
110 基体
112 触媒層
114 固体電解質膜
120 燃料極側セパレータ
122 酸化剤極側セパレータ
124 燃料
126 酸化剤
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Carbon nanohorn aggregate | assembly 2 Metal particle 3 Proton conductive substance 100 Fuel cell 101 Catalyst electrode-solid electrolyte membrane assembly (MEA)
102 Fuel electrode 104 Base 106 Catalyst layer 108 Oxidant electrode 110 Base 112 Catalyst layer 114 Solid electrolyte membrane 120 Fuel electrode side separator 122 Oxidant electrode side separator 124 Fuel 126 Oxidant

Claims (8)

カーボンナノホーン集合体に白金又はその合金からなる金属粒子を担持したカーボンナノホーン触媒を酸素除去雰囲気下で有機溶媒に分散させ、触媒粒子分散液を調製する触媒粒子分散工程と、
プロトン伝導性物質を有機溶媒に溶解した溶液と、前記触媒粒子分散液と、を混合する混合工程と、
を有することを特徴とする触媒ペーストの製造方法。
A catalyst particle dispersion step of preparing a catalyst particle dispersion by dispersing a carbon nanohorn catalyst carrying metal particles made of platinum or an alloy thereof on a carbon nanohorn aggregate in an organic solvent under an oxygen removal atmosphere;
A mixing step of mixing a solution obtained by dissolving a proton conductive material in an organic solvent and the catalyst particle dispersion;
A method for producing a catalyst paste, comprising:
前記触媒粒子分散工程において、カーボンナノホーン触媒を酸素除去雰囲気下で有機溶媒に分散させる際、超音波分散処理を行う請求項1に記載の触媒ペーストの製造方法。   The method for producing a catalyst paste according to claim 1, wherein in the catalyst particle dispersion step, ultrasonic dispersion treatment is performed when the carbon nanohorn catalyst is dispersed in an organic solvent under an oxygen removal atmosphere. 前記超音波分散処理における超音波の周波数が、10KHz〜100KHzである請求項2に記載の触媒ペーストの製造方法。   The method for producing a catalyst paste according to claim 2, wherein an ultrasonic frequency in the ultrasonic dispersion treatment is 10 KHz to 100 KHz. 前記触媒粒子分散工程において、カーボンナノホーン触媒を分散させる有機溶媒の比誘電率が、25℃で40以下である請求項1から3のいずれか1項に記載の触媒ペーストの製造方法。   The method for producing a catalyst paste according to any one of claims 1 to 3, wherein in the catalyst particle dispersion step, a relative dielectric constant of an organic solvent in which the carbon nanohorn catalyst is dispersed is 40 or less at 25 ° C. 前記触媒粒子分散工程において、カーボンナノホーン触媒を分散させる有機溶媒が、イソプロパノールである請求項1から4のいずれか1項に記載の触媒ペーストの製造方法。   The method for producing a catalyst paste according to any one of claims 1 to 4, wherein in the catalyst particle dispersion step, an organic solvent in which the carbon nanohorn catalyst is dispersed is isopropanol. 請求項1から5のいずれか1項に記載の製造方法により製造された触媒ペースト。   The catalyst paste manufactured by the manufacturing method of any one of Claim 1 to 5. 請求項6に記載の触媒ペーストを用いて製造された燃料電池用触媒電極。   A catalyst electrode for a fuel cell produced using the catalyst paste according to claim 6. 燃料極、酸化剤極、及び該燃料極と該酸化剤極とで挟持された固体電解質膜を有する燃料電池において、
前記燃料極及び前記酸化剤極の少なくとも一方が、請求項7に記載の燃料電池用触媒電極である燃料電池。
In a fuel cell having a fuel electrode, an oxidant electrode, and a solid electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxidant electrode,
The fuel cell in which at least one of the fuel electrode and the oxidant electrode is the catalyst electrode for a fuel cell according to claim 7.
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