JP2008153200A - Electrode for solid polymer fuel cell, manufacturing method of solid polymer fuel cell, and solid polymer fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、導電性及び通気性を有するガス拡散層と、触媒担持体に担持された金属触媒とイオン交換樹脂を含む触媒層とからなる固体高分子型燃料電池用電極、固体高分子型燃料電池用電極の製造方法、及び、固体高分子型燃料電池に関する。 The present invention relates to an electrode for a solid polymer fuel cell comprising a gas diffusion layer having conductivity and air permeability, and a catalyst layer containing a metal catalyst supported on a catalyst support and an ion exchange resin, and a solid polymer fuel The present invention relates to a battery electrode manufacturing method and a polymer electrolyte fuel cell.
固体高分子型燃料電池は、固体電解質膜の両側をアノード触媒電極及びカソード触媒電極で挟持した膜−電極接合体で構成される。 A polymer electrolyte fuel cell is composed of a membrane-electrode assembly in which both sides of a solid electrolyte membrane are sandwiched between an anode catalyst electrode and a cathode catalyst electrode.
アノード触媒電極及びカソード触媒電極は、導電性及び通気性を有するガス拡散層と触媒担持体に担持された金属触媒とイオン交換樹脂を含む触媒層を備え、触媒層が固体電解質膜と当接した構造となっている。 The anode catalyst electrode and the cathode catalyst electrode each include a gas diffusion layer having conductivity and air permeability, a catalyst layer containing a metal catalyst supported on a catalyst support and an ion exchange resin, and the catalyst layer is in contact with the solid electrolyte membrane It has a structure.
触媒層はアノード触媒電極及びカソード触媒電極共に白金または白金合金等の金属触媒をカーボンブラック等の表面積の大きい触媒担持体に担持して構成され、これをイオン交換樹脂と共に前記ガス拡散層上に塗布することによって得られる。 The catalyst layer is constructed by supporting a metal catalyst such as platinum or a platinum alloy on a catalyst carrier having a large surface area such as carbon black, and applying this together with an ion exchange resin onto the gas diffusion layer. It is obtained by doing.
そして、白金または白金合金等の金属触媒をカーボンブラック等の触媒担持体に担持するために、一般的には湿式法と呼ばれる方法が採用されている。 In order to support a metal catalyst such as platinum or platinum alloy on a catalyst support such as carbon black, a method generally called a wet method is employed.
そのような湿式法の一例として、塩化白金酸のエタノールによる還元反応が例示でき、これによれば、カーボンブラック上に白金が担持されるが、担持作業に数日の日数を費やす必要があることと同時に、その製造工程から出る廃液の処理に困難を要する。廃液としては塩素、塩化エチル、塩化水素等の副生成物並びにpH調整等伴うアルカリ溶液が生じるため、その生産効率の問題に加え、廃液の処理費用が生じ、製造コストの上昇につながるという問題があった。 As an example of such a wet method, a reduction reaction of chloroplatinic acid with ethanol can be exemplified, and according to this, platinum is supported on carbon black, but it is necessary to spend several days for the supporting work. At the same time, it is difficult to process the waste liquid from the manufacturing process. As waste liquid, by-products such as chlorine, ethyl chloride, hydrogen chloride, etc. and alkaline solution with pH adjustment etc. are generated, in addition to the problem of its production efficiency, there is a problem that waste liquid treatment costs arise, leading to an increase in manufacturing cost. there were.
また、触媒担持体上における金属触媒の担持部位が任意であるため、例えば触媒担持体表面にある細孔内に金属触媒が担持された場合には、その金属触媒は燃料ガスとの接触が断たれ触媒反応を起こさないため、燃料電池全体の出力向上に寄与しないという問題もあった。実際、湿式法においては、カーボンブラック表面にある細孔内にまで溶液が浸透し、白金等の金属触媒が担持されるため、プロトン伝導をつかさどるイオン交換樹脂との接触が不十分で、触媒としての機能を果たさない金属触媒が多数存在するといわれている。さらに、担持された金属触媒は、その反応過程で二次粒子として成長するものもあり、粒子内で触媒反応に寄与しない金属粒子ができてしまう。 In addition, since the metal catalyst loading site on the catalyst carrier is arbitrary, for example, when the metal catalyst is supported in the pores on the surface of the catalyst carrier, the metal catalyst is disconnected from the fuel gas. There is also a problem that since the catalytic reaction does not occur, it does not contribute to the improvement of the output of the entire fuel cell. In fact, in the wet method, the solution penetrates into the pores on the surface of the carbon black, and a metal catalyst such as platinum is supported, so that contact with the ion exchange resin that controls proton conduction is insufficient, and as a catalyst It is said that there are many metal catalysts that do not fulfill this function. Furthermore, some supported metal catalysts grow as secondary particles in the course of the reaction, and metal particles that do not contribute to the catalytic reaction are formed in the particles.
加えて、湿式法では、触媒担持体上における金属触媒の粒子径を制御するのは非常に難しく、金属触媒の比表面積を十分に小さく、かつ均一に制御できない。そのため、固体高分子型燃料電池の発電特性を上げるには、多量の金属触媒を担持する必要があり、経済的にも効率が悪い。 In addition, in the wet method, it is very difficult to control the particle diameter of the metal catalyst on the catalyst carrier, and the specific surface area of the metal catalyst is sufficiently small and cannot be uniformly controlled. Therefore, in order to improve the power generation characteristics of the polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to carry a large amount of metal catalyst, which is economically inefficient.
さらに、担持された金属触媒がその触媒活性を十分に発揮して、固体高分子型燃料電池の出力を向上させるためには、金属触媒と燃料とイオン交換樹脂が同時に接触するよう、いわゆる三相界面を形成する必要があるが、従来の方法では、イオン交換樹脂と金属触媒を担持した導電性の触媒担持体とを混合して塗布するため、燃料が透過する経路が失われたり、金属触媒自体がイオン交換樹脂に覆われて、燃料との接触機会が失われる等の問題や、固体高分子電解質膜と反対側に担持された金属触媒は、3次元的に電解質膜とのプロトンの受け渡しを十分に行えず、燃料電池全体の発電量の向上に寄与しないという問題もあった。 Furthermore, in order for the supported metal catalyst to fully exhibit its catalytic activity and improve the output of the polymer electrolyte fuel cell, so-called three-phase is used so that the metal catalyst, the fuel and the ion exchange resin are in contact at the same time. It is necessary to form an interface, but in the conventional method, since the ion exchange resin and the conductive catalyst carrier supporting the metal catalyst are mixed and applied, the path through which the fuel permeates is lost, or the metal catalyst Problems such as loss of contact with fuel due to being covered with ion exchange resin itself, and metal catalysts supported on the opposite side of the solid polymer electrolyte membrane are three-dimensionally delivering protons to the electrolyte membrane. There is also a problem that it is not possible to sufficiently perform the operation, and does not contribute to the improvement of the power generation amount of the entire fuel cell.
このような多くの理由から、一般的な燃料電池の触媒層においては、実際に発電反応に寄与している白金または白金合金等の金属触媒量は、触媒層内に担持されている全金属触媒量の10〜30重量%に過ぎないといわれている。 For these many reasons, in the catalyst layer of a general fuel cell, the amount of metal catalyst such as platinum or platinum alloy that actually contributes to the power generation reaction is the total metal catalyst supported in the catalyst layer. It is said that it is only 10 to 30% by weight of the amount.
本発明の目的は、上述の問題点に鑑み、処理の困難な副生成物を発生させずに、良好な燃料透過性を確保しながら高い触媒活性が得られる固体高分子型燃料電池用電極、固体高分子型燃料電池用電極の製造方法、及び、固体高分子型燃料電池を提供する点にある。 In view of the above-mentioned problems, an object of the present invention is to provide an electrode for a polymer electrolyte fuel cell capable of obtaining high catalytic activity while ensuring good fuel permeability without generating by-products that are difficult to process, It exists in the point which provides the manufacturing method of the electrode for polymer electrolyte fuel cells, and a polymer electrolyte fuel cell.
上述の目的を達成するため、本発明による固体高分子型燃料電池用電極の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項1に記載した通り、導電性及び通気性を有するガス拡散層と、触媒担持体に担持された金属触媒とイオン交換樹脂を含む触媒層とからなる固体高分子型燃料電池用電極であって、前記触媒担持体がカーボン層で構成され、前記金属触媒が前記触媒担持体上にスパッタリングにより担持されている点にある。 In order to achieve the above-described object, the characteristic configuration of the electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes a gas diffusion layer having conductivity and air permeability, as described in claim 1 of the claims. A polymer electrolyte fuel cell electrode comprising a metal catalyst supported on a catalyst support and a catalyst layer containing an ion exchange resin, wherein the catalyst support is composed of a carbon layer, and the metal catalyst is the catalyst. This is in that it is supported on the support by sputtering.
上述の構成によれば、スパッタリングの諸条件を適正に調整することにより、カーボン層でなる触媒担持体上に担持される金属触媒の粒径分布、担持量を好適に制御することができ、湿式法のような生産効率及び廃液処理の問題が生じることなく、高い触媒活性を有する固体高分子型燃料電池用電極を提供することができるようになる。 According to the above-described configuration, by appropriately adjusting various sputtering conditions, the particle size distribution and loading amount of the metal catalyst supported on the catalyst support made of the carbon layer can be suitably controlled. It is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell electrode having high catalytic activity without causing problems of production efficiency and waste liquid treatment as in the method.
また、前記カーボン層が、一次粒子径が1〜100nmのカーボン粒子で構成される場合には、高導電性により抵抗分極が低減し、濃度分極が低減する点で好ましく、直径が50〜200nmで長さが100μm以下のカーボン繊維で構成される場合には、スパッタリングにより活性化分極が低減して触媒活性が向上するとともに、高導電性により抵抗分極が低下し、濃度分極の低下が実現できる点で好ましい。 Further, when the carbon layer is composed of carbon particles having a primary particle diameter of 1 to 100 nm, it is preferable in that resistance polarization is reduced due to high conductivity and concentration polarization is reduced, and the diameter is 50 to 200 nm. When composed of carbon fibers having a length of 100 μm or less, the activation polarization is reduced by sputtering and the catalytic activity is improved, and the resistance polarization is lowered by high conductivity, and the concentration polarization can be lowered. Is preferable.
さらに、カーボン繊維がカーボンナノチューブであれば、金属触媒を必要量担持させるための十分な表面積を確保することができるようになり好適である。カーボンナノチューブとして内部に中空構造を有するカップスタック型のカーボンナノチューブを採用する場合には、各炭素網層間が弱いファンデルワールス力によって炭素網層が結合しているに過ぎないので、ボールミリング等によって長さ調整が容易に行なえ、また、そのカップ状に炭素網層が積層した構造の内外表面の端面は外部に露出した構造となり非常に活性が高く、金属触媒が結合しやすいため、全体として金属触媒を好適に分散させて担持させることができるようになる。 Furthermore, if the carbon fiber is a carbon nanotube, a sufficient surface area for supporting a required amount of the metal catalyst can be secured, which is preferable. When adopting a cup stack type carbon nanotube having a hollow structure inside as a carbon nanotube, the carbon network layers are only bonded by weak van der Waals forces between the carbon network layers. The length can be easily adjusted, and the end faces of the inner and outer surfaces of the structure in which the carbon network layer is laminated in a cup shape are exposed to the outside. The catalyst can be suitably dispersed and supported.
さらに、触媒層が通気性を有するようにカーボン層上に金属触媒が担持されている、つまり、金属触媒が膜を構成することなくカーボン層上に分散して担持させることが好ましく、これにより燃料ガスの通気性を確保して効率よく発電させることができるようになる。 Further, it is preferable that the metal catalyst is supported on the carbon layer so that the catalyst layer has air permeability, that is, the metal catalyst is preferably dispersed and supported on the carbon layer without forming a membrane. The gas permeability can be ensured and power can be generated efficiently.
前記金属触媒の粒子径が1〜10nmの範囲であれば、燃料ガスの通気性を確保して、触媒層で金属触媒が燃料ガスと十分に接触することができるため、高い触媒反応を得ることができる点で好ましく、前記金属触媒の担持量が0.5mg/cm2以下であることがさらに好ましい。 If the particle diameter of the metal catalyst is in the range of 1 to 10 nm, the gas permeability of the fuel gas can be ensured and the metal catalyst can be sufficiently in contact with the fuel gas in the catalyst layer, so that a high catalytic reaction can be obtained. The amount of the metal catalyst supported is more preferably 0.5 mg / cm 2 or less.
上述した固体高分子型燃料電池用電極の製造方法の特徴構成は、導電性及び通気性を有するガス拡散層の上面に、有機溶媒に分散させたカーボン粒子またはカーボン繊維を塗布する塗布工程と、塗布後に高温で焼結処理してガス拡散層−カーボン層の複合膜を形成する膜形成工程と、形成された複合膜に金属触媒をスパッタリングする金属触媒担持工程からなる点にある。 The characteristic configuration of the above-described method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell includes an application step of applying carbon particles or carbon fibers dispersed in an organic solvent on the upper surface of a gas diffusion layer having conductivity and air permeability, It consists of a film forming step of forming a gas diffusion layer-carbon layer composite film by sintering at a high temperature after coating, and a metal catalyst supporting step of sputtering a metal catalyst on the formed composite film.
つまり、カーボン粒子またはカーボン繊維をガス拡散層上に塗布することにより生成されたガス拡散層−カーボン層の複合膜により層間に生じる内部抵抗を低減させることができるようになり、発電効率の低下を効果的に防止でき、スパッタリング法を採用することにより金属触媒の粒径分布、担持量を好適に制御することができるようになる。 In other words, the internal resistance generated between the layers can be reduced by the gas diffusion layer-carbon layer composite film produced by applying carbon particles or carbon fibers on the gas diffusion layer, thereby reducing the power generation efficiency. This can be effectively prevented, and by adopting the sputtering method, the particle size distribution and supported amount of the metal catalyst can be suitably controlled.
また、スパッタリングの処理時間は、15秒以上90秒未満であることが好ましく、これにより燃料ガスの通気性を確保しながら金属触媒を適正な粒径で均等に分散させることができるようになる。 The sputtering treatment time is preferably 15 seconds or more and less than 90 seconds, so that the metal catalyst can be evenly dispersed with an appropriate particle size while ensuring air permeability of the fuel gas.
そして、上述した固体高分子型燃料電池用電極をアノード触媒電極及びカソード触媒電極として、固体高分子電解質膜の一方の面に前記アノード触媒電極の触媒層を接合し、他方の面に前記カソード触媒電極の触媒層を接合することにより、高効率の燃料電池を得ることができるようになる。 Then, using the above-described solid polymer type fuel cell electrode as an anode catalyst electrode and a cathode catalyst electrode, the catalyst layer of the anode catalyst electrode is bonded to one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the cathode catalyst is bonded to the other surface. By joining the electrode catalyst layers, a highly efficient fuel cell can be obtained.
以上説明した通り、本発明によれば、処理の困難な副生成物を発生させずに、良好な燃料透過性を確保しながら高い触媒活性が得られる固体高分子型燃料電池用電極、固体高分子型燃料電池用電極の製造方法、及び、固体高分子型燃料電池を提供することができるようになった。 As described above, according to the present invention, an electrode for a polymer electrolyte fuel cell capable of obtaining high catalytic activity while ensuring good fuel permeability without generating a by-product that is difficult to process, A method for producing an electrode for a molecular fuel cell and a polymer electrolyte fuel cell can be provided.
以下、本発明における固体高分子型燃料電池用電極を採用した固体高分子型燃料電池の好適な実施形態について説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of a polymer electrolyte fuel cell employing the polymer electrolyte fuel cell electrode according to the present invention will be described.
図1に本発明による固体高分子型燃料電池の実施形態の一例を示す。固体高分子型燃料電池1は、固体高分子電解質膜8の両面にアノード触媒電極4a(4)及びカソード触媒電極4b(4)が夫々接合されて構成されている。 FIG. 1 shows an example of an embodiment of a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention. The solid polymer fuel cell 1 is configured by joining an anode catalyst electrode 4a (4) and a cathode catalyst electrode 4b (4) to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane 8, respectively.
アノード触媒電極4a(4)及びカソード触媒電極4b(4)は、導電性及び通気性を有するガス拡散層2(2a,2b)と、触媒担持体5(5a,5b)に担持された金属触媒6(6a,6b)とイオン交換樹脂7を含む触媒層3(3a,3b)とで構成され、夫々の触媒層3(3a,3b)が固体高分子電解質膜8に対向するように配置されている。 The anode catalyst electrode 4a (4) and the cathode catalyst electrode 4b (4) are a metal catalyst supported on the gas diffusion layer 2 (2a, 2b) having conductivity and air permeability and the catalyst support 5 (5a, 5b). 6 (6a, 6b) and a catalyst layer 3 (3a, 3b) including an ion exchange resin 7, and each catalyst layer 3 (3a, 3b) is disposed so as to face the solid polymer electrolyte membrane 8. ing.
ガス拡散層2は、導電性及び通気性を有するカーボンペーパーまたはカーボンクロスで構成されている。一般に炭素繊維を織布、不織布、ペーパー、クロス状に加工したものがガス透過性と導電性とを兼ね備えたものとして好適に使用できる。 The gas diffusion layer 2 is composed of carbon paper or carbon cloth having conductivity and air permeability. In general, carbon fibers processed into a woven fabric, nonwoven fabric, paper, or cloth can be suitably used as those having both gas permeability and conductivity.
また、触媒担持体5は、金属触媒6を必要量担持するに足りる表面積を有するとともに電子伝導性を併せ持つ素材で構成され、具体的には、ファーネスブラック、チャンネルブラック等のカーボン、グラフトカーボン等のカーボン粒子、カーボンナノチューブを含むカーボン繊維等が用いられている。 Further, the catalyst carrier 5 is composed of a material having a surface area sufficient to carry a required amount of the metal catalyst 6 and also having electron conductivity. Specifically, carbon such as furnace black and channel black, graft carbon, etc. Carbon particles, carbon fibers containing carbon nanotubes, and the like are used.
ガス拡散層2上に予め触媒担持体5としてのカーボン粒子またはカーボン繊維を塗布した後、金属触媒6をスパッタリングによってカーボン粒子またはカーボン繊維上に担持している。スパッタリングの処理時間は90秒未満で行われることが好ましく、特に15秒から60秒で行なわれることが好ましい。 After applying carbon particles or carbon fibers as the catalyst support 5 in advance on the gas diffusion layer 2, the metal catalyst 6 is supported on the carbon particles or carbon fibers by sputtering. The sputtering treatment time is preferably less than 90 seconds, particularly preferably 15 to 60 seconds.
触媒担持体5としてカーボンを用いる場合には、粒子径に伴ってカーボンの比表面積が低下し、金属触媒の担持量や均一分散性に影響を与えるため、一次粒子径が1〜100nmの範囲のカーボン粒子を用いることが好ましく、特に1〜50nmの範囲のカーボン粒子を用いることが好ましい。 When carbon is used as the catalyst support 5, the specific surface area of the carbon decreases with the particle size and affects the supported amount and uniform dispersibility of the metal catalyst, so the primary particle size is in the range of 1 to 100 nm. It is preferable to use carbon particles, and it is particularly preferable to use carbon particles in the range of 1 to 50 nm.
触媒担持体5としてカーボン繊維を用いる場合には、同様の理由により、カーボン繊維の直径が50〜200nmの範囲で、繊維の長さが100μm以下で1μm以上のカーボン繊維を用いることが好ましい。 When carbon fibers are used as the catalyst support 5, it is preferable to use carbon fibers having a diameter of 50 to 200 nm and a fiber length of 100 μm or less and 1 μm or more for the same reason.
カーボン繊維として上述の数値範囲のカーボンナノチューブを用いることも可能であり、特に一枚のグラフェンシートを筒状に巻いた構造を持ち、直径0.7〜70nm、長さが数十μm程度の大きさの炭素の結晶からなるカーボンナノチューブを用いる場合には、その比表面積の大きさと導電性から本発明における触媒担持体として極めて好適である。 It is also possible to use carbon nanotubes in the above numerical range as the carbon fiber, and in particular, it has a structure in which one graphene sheet is wound in a cylindrical shape, a diameter of 0.7 to 70 nm, and a length of about several tens of μm. When carbon nanotubes made of carbon crystals are used, they are extremely suitable as a catalyst support in the present invention because of their specific surface area and conductivity.
カーボンナノチューブには、単層タイプ、複層タイプ、カーボンホーンタイプ等の種類があり、強度、導電性、熱伝導率など非常に優れた特性を持つ材料として知られている。特に、カップスタック型カーボンナノチューブは、一般的な同心円状のカーボンナノチューブと異なり、底の空いたカップを積み重ねた形状で、内部に大きな中空構造を有しており、カップの積み重ね数によって長さの調整が可能であることから、カップスタック型カーボンナノチューブの長さを適切に選択することによって、金属触媒の担持量を制御することができる点で極めて有用である。直径80〜120nmのカップスタック型カーボンナノチューブを、例えばボールミリング等によって100μm以下の長さに容易に行なうことができる。 There are various types of carbon nanotubes such as a single-wall type, a multi-wall type, and a carbon horn type, which are known as materials having very excellent characteristics such as strength, conductivity, and thermal conductivity. In particular, cup-stacked carbon nanotubes are different from ordinary concentric carbon nanotubes in that the cups with open bottoms are stacked and have a large hollow structure inside, and the length depends on the number of cups stacked. Since adjustment is possible, it is extremely useful in that the amount of the metal catalyst supported can be controlled by appropriately selecting the length of the cup-stacked carbon nanotube. A cup-stacked carbon nanotube having a diameter of 80 to 120 nm can be easily formed to a length of 100 μm or less by, for example, ball milling.
一般的に燃料電池の良好な発電特性を得るには、活性化分極、抵抗分極、濃度分極の三つの最適化が必要とされるが、上述のカップスタック型カーボンナノチューブを用いると、スパッタリングによる金属触媒の担持により、活性化分極の低減(触媒活性の向上)、既存のカーボンブラックまたはカーボンナノチューブと同等以上の高導電性による抵抗分極の低減、長さ制御による濃度分極の低減という3つの最適化が可能となる。特に濃度分極低減においては、5μm以上〜50μm、より好ましくは5μm〜15μmの長さを用いることで、既存材料より性能が向上する。 In general, in order to obtain good power generation characteristics of a fuel cell, it is necessary to optimize the three types of activation polarization, resistance polarization, and concentration polarization. Three types of optimization: reduction of activation polarization by catalyst loading (improvement of catalyst activity), reduction of resistance polarization by high conductivity equal to or higher than that of existing carbon black or carbon nanotube, and reduction of concentration polarization by length control Is possible. Particularly in reducing concentration polarization, the use of a length of 5 μm to 50 μm, more preferably 5 μm to 15 μm, improves the performance over existing materials.
ガス拡散層2へのカーボン粒子またはカーボン繊維を塗布する工程について説明すると、先ず、ペイントシェーカーやボールミル等を用いてカーボン粒子またはカーボン繊維を有機溶媒に分散させ、得られたカーボン分散溶液をスプレー法、ディッピング法、ドクターブレード法、スクリーン印刷法等によってガス拡散層2に塗布し、塗布後、使用した溶媒の気化温度よりも高温で焼結処理することによって溶媒を蒸発させて、ガス拡散層−カーボン層の複合膜を形成するのである。有機溶媒の種類はカーボンの種類によって選択され、特に制限は無いが、カップスタック型のカーボンナノチューブを用いる場合には、極性有機溶媒を例示することができ、特にN−メチルピロリドンが好ましい。 The step of applying carbon particles or carbon fibers to the gas diffusion layer 2 will be described. First, carbon particles or carbon fibers are dispersed in an organic solvent using a paint shaker, a ball mill, or the like, and the obtained carbon dispersion solution is sprayed. The coating is applied to the gas diffusion layer 2 by a dipping method, a doctor blade method, a screen printing method, etc., and after the application, the solvent is evaporated by sintering at a temperature higher than the vaporization temperature of the solvent used, and the gas diffusion layer − A composite film of carbon layers is formed. The type of the organic solvent is selected according to the type of carbon, and is not particularly limited. However, when a cup stack type carbon nanotube is used, a polar organic solvent can be exemplified, and N-methylpyrrolidone is particularly preferable.
このようにして形成されたガス拡散層−カーボン層複合体の触媒担持体5に対して、スパッタリング法を用いて金属触媒6を担持する工程が実施される。触媒6は電極反応を促進する機能を有し、白金Ptまたは白金合金が好適に用いられるが、その他に、金Au、銀Ag、イリジウムIr、パラジウムPd、ルテニウムRu、オスミウムOs、ニッケルNi、タングステンW、モリブデンMo、マンガンMn、イットリウムY、バナジウムV、ニオブNb、チタンTi、希土類金属、から選択される少なくとも一種を含む金属を用いることができ、さらにはモリブデンカーバイドMo2C等の炭化物を用いることも可能である。これらの触媒は一種類を単独で用いてもよいし、複数を併用してもよく、これらの一部または全部を合金形態で使用してもよい。 A step of supporting the metal catalyst 6 using the sputtering method is performed on the catalyst support 5 of the gas diffusion layer-carbon layer composite formed as described above. The catalyst 6 has a function of promoting the electrode reaction, and platinum Pt or a platinum alloy is preferably used. In addition, gold Au, silver Ag, iridium Ir, palladium Pd, ruthenium Ru, osmium Os, nickel Ni, tungsten Metals containing at least one selected from W, molybdenum Mo, manganese Mn, yttrium Y, vanadium V, niobium Nb, titanium Ti, and rare earth metals can be used, and carbides such as molybdenum carbide Mo 2 C can be used. It is also possible. These catalysts may be used alone or in combination, or some or all of them may be used in the form of an alloy.
金属触媒6の平均粒子径は、小さい方が有効電極面積が増加して触媒活性が向上するため、1〜10nmの範囲にあることが好ましく、さらに好ましくは、2〜5nmの範囲である。ここで、スパッタリングによって金属触媒6を担持する場合、金属触媒6の薄膜が形成されないように諸条件を調節する必要がある。金属触媒6の薄膜が形成されると、触媒層3の表面全体を金属触媒6が覆うこととなり、原料や原料の加湿に要した水の移動を阻害するためである。 The average particle diameter of the metal catalyst 6 is preferably in the range of 1 to 10 nm, more preferably in the range of 2 to 5 nm, because the smaller the average particle diameter, the larger the effective electrode area and the better the catalytic activity. Here, when the metal catalyst 6 is supported by sputtering, it is necessary to adjust various conditions so that a thin film of the metal catalyst 6 is not formed. This is because when the thin film of the metal catalyst 6 is formed, the metal catalyst 6 covers the entire surface of the catalyst layer 3 and inhibits the movement of the raw material and the water required for humidifying the raw material.
スパッタリングの処理時間は90秒未満が好ましく、さらに15秒から60秒以下とすることがより好ましい。また、スパッタリングの際のRF出力値は特に制限されないが、100W以上とすることが好ましい。 The sputtering treatment time is preferably less than 90 seconds, and more preferably 15 seconds to 60 seconds or less. The RF output value during sputtering is not particularly limited, but is preferably 100 W or more.
触媒層3は、固体高分子電解質膜8と接合して、燃料電池用MEA(Membrane Electrode Assembly)として利用することができる。両者を接合する際には、金属触媒6と固体高分子電解質膜8との間にプロトンが通過する経路を得るため、イオン交換樹脂7を塗布することが好ましい。 The catalyst layer 3 can be joined to the solid polymer electrolyte membrane 8 and used as a fuel cell MEA (Membrane Electrode Assembly). When joining both, it is preferable to apply the ion exchange resin 7 in order to obtain a path through which protons pass between the metal catalyst 6 and the solid polymer electrolyte membrane 8.
イオン交換樹脂7としては、少なくとも高いプロトン導電性を有する材料が好ましく、デュポン社製の各種ナフィオン(デュポン社登録商標:Nafion)やダウケミカル社製のイオン交換樹脂等が好ましく例示される。 As the ion exchange resin 7, a material having at least high proton conductivity is preferable, and various Nafion (DuPont registered trademark: Nafion) manufactured by DuPont, ion exchange resin manufactured by Dow Chemical Co., etc. are preferably exemplified.
触媒層3に塗布するイオン交換樹脂7の含有量は特に制限されないが、担持された金属触媒6の全量に対して50〜2000重量%とするのが良い。また、電極触媒層へのイオン交換樹脂の塗布は、スプレー法、ディッピング法、ドクターブレード法、スクリーン印刷法等を用いることができる。 The content of the ion exchange resin 7 applied to the catalyst layer 3 is not particularly limited, but is preferably 50 to 2000% by weight with respect to the total amount of the supported metal catalyst 6. The ion exchange resin can be applied to the electrode catalyst layer by using a spray method, a dipping method, a doctor blade method, a screen printing method, or the like.
また、触媒層3と固体高分子電解質膜8との接合には、熱プレス装置等を用いて実施することができる。 Further, the joining of the catalyst layer 3 and the solid polymer electrolyte membrane 8 can be performed using a hot press apparatus or the like.
カップスタック型カーボンナノチューブ(株式会社GSIクレオス提供、形式:24PS)1gを5mmφの大きさのジルコニアビーズ70gと共に、ペイントシェーカーにて5分間処理した。その後、2mLのN−メチルピロリドン(以下NMP)を追加し、同様にしてペイントシェーカーで10分間処理した。 1 g of cup-stacked carbon nanotubes (provided by GSI Creos Co., Ltd., type: 24PS) and 70 g of 5 mmφ zirconia beads were treated in a paint shaker for 5 minutes. Thereafter, 2 mL of N-methylpyrrolidone (hereinafter referred to as NMP) was added, and the mixture was similarly treated with a paint shaker for 10 minutes.
この操作を4回繰り返し、最後に60分のペイントシェーカー処理を施すことによって、およそ10mLのカップスタック型カーボンナノチューブ分散NMP溶液を得た。 This operation was repeated four times, and finally a 60-minute paint shaker treatment was performed to obtain approximately 10 mL of a cup-stacked carbon nanotube-dispersed NMP solution.
この溶液を、予め5cm2となるように裁断した、カーボンペーパー及びカーボンクロス(いずれも東レ製:TGP−H)の片面に、ドクターブレードを用いて塗布した。尚、カーボンクロスは、発電時における水の堆積を防ぐため、あらかじめテフロン(デュポン社登録商標)で処理して撥水性を持たせた。 This solution was applied to one side of carbon paper and carbon cloth (both manufactured by Toray Industries, Inc .: TGP-H), which had been cut to 5 cm 2 in advance, using a doctor blade. The carbon cloth was treated with Teflon (registered trademark of DuPont) in advance to have water repellency in order to prevent water accumulation during power generation.
このようにして得られた、カップスタック型カーボンナノチューブ積層カーボンペーパー及び同クロスを、熱風オーブン内で230℃、2時間乾燥し、NMPを完全に蒸発させた。カーボンペーパー及びカーボンクロス上に積層された、カップスタック型カーボンナノチューブの重量は、それぞれ0.124gと0.186gであった。 The cup-stacked carbon nanotube laminated carbon paper and the cloth thus obtained were dried in a hot air oven at 230 ° C. for 2 hours to completely evaporate NMP. The weights of the cup-stacked carbon nanotubes laminated on the carbon paper and the carbon cloth were 0.124 g and 0.186 g, respectively.
次に、カップスタック型カーボンナノチューブ積層カーボンペーパー及び同クロスに対し、アルバック社製スパッタリング装置を用いてスパッタリングによる金属触媒の担持を行った。スパッタリングは、ターゲットには白金、不活性ガスとしてアルゴンを用い、直流電源を使用しながら、真空度3.6x103Torr、RF出力300W、スパッタ温度24℃の設定で実施した。スパッタリングの処理は、15秒、30秒、60秒でそれぞれ行なった。 Next, the metal catalyst was supported by sputtering on the cup-stacked carbon nanotube laminated carbon paper and the cloth using a sputtering apparatus manufactured by ULVAC. Sputtering was performed using platinum as a target, argon as an inert gas, and using a DC power supply, with a vacuum of 3.6 × 10 3 Torr, an RF output of 300 W, and a sputtering temperature of 24 ° C. Sputtering was performed for 15 seconds, 30 seconds, and 60 seconds, respectively.
カップスタック型カーボンナノチューブ積層カーボンペーパー及び同クロスをスパッタリング装置内の支持体表面に、カップスタック型カーボンナノチューブの積層された面がスパッタされるように、両面テープを使って固定した。 The cup-stacked carbon nanotube-laminated carbon paper and the cloth were fixed to the surface of the support in the sputtering apparatus using a double-sided tape so that the surface on which the cup-stacked carbon nanotubes were laminated was sputtered.
スパッタリング処理を15秒間行なったときに担持された白金の量は、0.017mg/cm2、30秒間行なったときには0.029mg/cm2、60秒間行なったときには0.057mg/cm2であった。カップスタック型カーボンナノチューブ5上に担持された白金粒子6の透過型電子顕微鏡写真を図2に示した。最後に、白金粒子を担持したカップスタック型カーボンナノチューブ積層カーボンペーパー及び同クロスに対し、担持した白金と同量になるように調整した、Aldrich社製Nafion溶液(5重量パーセント溶液)を、ドクターブレードで塗布し、80度で真空乾燥して白金担持電極触媒膜を得た。 The amount of platinum supported when subjected to sputtering for 15 seconds, when conducted 0.029 mg / cm 2, 60 seconds when conducted 0.017 mg / cm 2, 30 seconds was 0.057 mg / cm 2 . A transmission electron micrograph of the platinum particles 6 supported on the cup-stacked carbon nanotube 5 is shown in FIG. Finally, the Alfrich Nafion solution (5 weight percent solution) adjusted to the same amount as the supported platinum was added to the cup-stacked carbon nanotube laminated carbon paper supporting the platinum particles and the cloth with a doctor blade. And dried in vacuo at 80 degrees to obtain a platinum-supported electrode catalyst film.
MEAは次の手順で作成した。予め洗浄処理を施した、Dupont社製Nafion212膜を5cm角の大きさに切り取った。このNafion212膜の中央部分に、白金を担持した前記電極触媒膜を、担持した白金がNafion112膜側を向くようにして両側から挟みこみ、ホットプレス装置によって接合処理した。接合時の温度は120℃、圧力は3MPa、時間10分であった。このようにして、カーボンペーパーを用いた電極触媒膜が接合された側をアノード、カーボンクロスを用いた電極触媒膜が接合された側をカソードとするMEAを作成した。 The MEA was created by the following procedure. A Dupont Nafion212 membrane, which had been subjected to a cleaning treatment in advance, was cut into a size of 5 cm square. The electrode catalyst film supporting platinum was sandwiched from both sides of the Nafion 212 film so that the supported platinum was directed to the Nafion 112 film side, and bonded by a hot press apparatus. The bonding temperature was 120 ° C., the pressure was 3 MPa, and the time was 10 minutes. In this way, an MEA was produced in which the side to which the electrode catalyst film using carbon paper was bonded was the anode, and the side to which the electrode catalyst film using carbon cloth was bonded was the cathode.
得られたMEAを東洋テクニカ製シングルセル(EFC05−01SP)に組み込んで、燃料電池としての評価を実施した。評価に際しては、燃料としてアノード側に水素ガスを、カソード側には酸素ガスを供給した。両ガス共に供給量を500cc/minとし、ガス温度120℃に設定した。また、セル本体の温度は80℃とした。IV特性の評価を実施し、図3に示すような発電特性を得た。 The obtained MEA was incorporated into a single cell (EFC05-01SP) manufactured by Toyo Technica and evaluated as a fuel cell. In the evaluation, hydrogen gas was supplied to the anode side and oxygen gas was supplied to the cathode side as fuel. Both gases were supplied at a rate of 500 cc / min and a gas temperature of 120 ° C. The temperature of the cell body was 80 ° C. The IV characteristics were evaluated and the power generation characteristics as shown in FIG. 3 were obtained.
図4に、スパッタリング時間を15秒とし、RF出力を300Wと100Wとするときの発電特性を示す。 FIG. 4 shows the power generation characteristics when the sputtering time is 15 seconds and the RF output is 300 W and 100 W.
[比較例]
上記実施例において、スパッタリングの処理時間を90秒とした以外は、同様の方法を用いて、MEAを作製した。尚、担持された白金の量は、0.084mg/cm2であった。
[Comparative example]
In the above example, an MEA was fabricated using the same method except that the sputtering treatment time was 90 seconds. The amount of platinum carried was 0.084 mg / cm 2 .
得られたMEAの発電特性を、実施例1に示す方法と同様のやり方で測定した際のIV特性を、図3に併せて示した。白金の担持量が増えているにもかかわらず、IV特性は向上していない。 FIG. 3 shows the IV characteristics when the power generation characteristics of the obtained MEA were measured in the same manner as the method shown in Example 1. Despite the increased amount of platinum supported, the IV characteristics are not improved.
このような条件の下で、カップスタック型カーボンナノチューブ上に担持された、白金粒子の透過型電子顕微鏡写真を、図5に示した。白金粒子が凝集し、カップスタック型カーボンナノチューブを被覆するように担持されていることがわかる。 FIG. 5 shows a transmission electron micrograph of platinum particles supported on cup-stacked carbon nanotubes under such conditions. It can be seen that the platinum particles are aggregated and supported so as to cover the cup-stacked carbon nanotubes.
上述した実施例では、カップスタック型のカーボンナノチューブを用いて触媒担持体であるカーボン層を構成した場合を説明したが、本発明による触媒担持体は、課題を解決するための手段の欄に記載したカーボン粒子やカーボン繊維を用いて構成することができ、何れの場合もスパッタリングにより金属触媒を担持させることにより良好な特性の固体高分子型燃料電池用電極を得ることができる。 In the above-described embodiments, the case where the carbon layer which is a catalyst carrier is configured using cup-stacked carbon nanotubes has been described. However, the catalyst carrier according to the present invention is described in the column of means for solving the problems. In any case, a solid polymer fuel cell electrode having good characteristics can be obtained by supporting a metal catalyst by sputtering.
1:固体高分子型燃料電池
2,2a,2b:ガス拡散層
3,3a,3b:触媒層
4:触媒電極
4a:アノード触媒電極
4b:カソード触媒電極
5,5a,5b:触媒担持体
6,6a,6b:金属触媒
7:イオン交換樹脂
8:固体高分子電解質膜
1: solid polymer fuel cells 2, 2a, 2b: gas diffusion layers 3, 3a, 3b: catalyst layer 4: catalyst electrode 4a: anode catalyst electrode 4b: cathode catalyst electrodes 5, 5a, 5b: catalyst carrier 6, 6a, 6b: Metal catalyst 7: Ion exchange resin 8: Solid polymer electrolyte membrane
Claims (10)
前記触媒担持体がカーボン層で構成され、前記金属触媒が前記触媒担持体上にスパッタリングにより担持されている固体高分子型燃料電池用電極。 An electrode for a polymer electrolyte fuel cell comprising a gas diffusion layer having electrical conductivity and air permeability, and a catalyst layer containing a metal catalyst supported on a catalyst support and an ion exchange resin,
An electrode for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the catalyst support is composed of a carbon layer, and the metal catalyst is supported on the catalyst support by sputtering.
導電性及び通気性を有するガス拡散層の上面に、有機溶媒に分散させたカーボン粒子またはカーボン繊維を塗布する塗布工程と、塗布後に高温で焼結処理してガス拡散層−カーボン層の複合膜を形成する膜形成工程と、形成された複合膜に金属触媒をスパッタリングする金属触媒担持工程からなる固体高分子型燃料電池用電極の製造方法。 A method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 7,
An application step of applying carbon particles or carbon fibers dispersed in an organic solvent on the upper surface of the gas diffusion layer having conductivity and air permeability, and a composite film of the gas diffusion layer and the carbon layer by sintering at a high temperature after application A method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell comprising a film forming step of forming a metal catalyst and a metal catalyst supporting step of sputtering a metal catalyst on the formed composite membrane.
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