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JP2011090987A - Manufacturing method of electrode for fuel cell - Google Patents

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JP2011090987A
JP2011090987A JP2009245272A JP2009245272A JP2011090987A JP 2011090987 A JP2011090987 A JP 2011090987A JP 2009245272 A JP2009245272 A JP 2009245272A JP 2009245272 A JP2009245272 A JP 2009245272A JP 2011090987 A JP2011090987 A JP 2011090987A
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JP
Japan
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catalyst
fuel cell
binder
electrode
polymer electrolyte
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Application number
JP2009245272A
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Japanese (ja)
Inventor
Kohei Hase
康平 長谷
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
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Abstract

【課題】超薄膜の高分子電解質を触媒担持担体に均一に被覆した燃料電池用電極を製造することを課題とする。
【解決手段】触媒担持担体及び高分子電解質を、前記触媒担持担体と反応可能な官能基と前記高分子電解質と反応可能な官能基とを有する結合剤と混合することを含む燃料電池用電極の製造方法。
【選択図】なし
An object of the present invention is to produce an electrode for a fuel cell in which an ultrathin polymer electrolyte is uniformly coated on a catalyst support.
A fuel cell electrode comprising: mixing a catalyst-supporting carrier and a polymer electrolyte with a binder having a functional group capable of reacting with the catalyst-supporting carrier and a functional group capable of reacting with the polymer electrolyte. Production method.
[Selection figure] None

Description

本発明は燃料電池用電極の製造方法、前記方法により得られる電極を備える燃料電池、及び前記方法に使用する結合剤に関する。   The present invention relates to a method for producing an electrode for a fuel cell, a fuel cell comprising an electrode obtained by the method, and a binder used in the method.

現代生活は莫大なエネルギーを消費することにより成り立っている。しかしながら、このエネルギーの大部分は石油などの化石燃料に依存しており、化石燃料を燃焼したときに排出されるCH、CO、NOxなどが問題となっている。このような状況から効率的かつクリーンなエネルギー源が求められており、その1つとして燃料電池が注目されている。   Modern life consists of consuming enormous energy. However, most of this energy depends on fossil fuels such as petroleum, and CH, CO, NOx, etc. emitted when fossil fuels are burned are problematic. Under such circumstances, an efficient and clean energy source is demanded, and fuel cells are attracting attention as one of them.

現在知られている燃料電池としては、固体高分子型燃料電池(PEFC)、アルカリ電解質型燃料電池(AFC)、及びりん酸型燃料電池(PAFC)などが知られているが、その中でも固体高分子型燃料電池は、小型軽量化が可能であることや環境特性に優れていることなどから特に有望視されている。   Currently known fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (PEFC), alkaline electrolyte fuel cells (AFC), and phosphoric acid fuel cells (PAFC). Molecular fuel cells are particularly promising because they can be reduced in size and weight and have excellent environmental characteristics.

高分子型燃料電池は高分子電解質膜の両側に電極を接合した電極/電解質膜接合体をガス拡散層及びセパレータで挟んだ単セルからなり、単セルを積層して希望の電圧が得られるように構成されている。燃料電池用電極には触媒、担体、及び電解質が含まれ、三相界面が形成されている。三相界面は触媒反応、電子伝導、及びプロトン伝導に関与するため、燃料電池の特性を向上させるためには如何に多くの三相界面を形成するかが重要となる。   A polymer fuel cell is composed of a single cell in which an electrode / electrolyte membrane assembly, in which electrodes are bonded to both sides of a polymer electrolyte membrane, is sandwiched between a gas diffusion layer and a separator. It is configured. The fuel cell electrode includes a catalyst, a carrier, and an electrolyte, and forms a three-phase interface. Since the three-phase interface is involved in the catalytic reaction, electron conduction, and proton conduction, it is important how many three-phase interfaces are formed in order to improve the characteristics of the fuel cell.

特許文献1では、触媒と電解質とを十分かつ均一に接触させることにより電極内部の反応面積を増大させ、より高い性能を発揮させることを目的とした、触媒と、電子−プロトン両伝導性を有する混合導電性材料とを具備する燃料電池用電極を開示している。   Patent Document 1 has both a catalyst and an electron-proton conductivity for the purpose of increasing the reaction area inside the electrode by bringing the catalyst and the electrolyte into sufficient and uniform contact and thereby exhibiting higher performance. A fuel cell electrode comprising a mixed conductive material is disclosed.

特許文献2では、触媒担持カーボンが形成する一次凝集体の一次孔の内壁に高分子電解質薄膜を均一に被覆したガス拡散組成物を製造することを目的として、触媒担持カーボンを非電解質の高分子化合物で被覆し、その後にイオン化剤を用いて当該高分子化合物をイオン化する方法を開示している。   In Patent Document 2, for the purpose of producing a gas diffusion composition in which the inner wall of the primary pores of the primary aggregate formed by the catalyst-supporting carbon is uniformly coated with the polymer electrolyte thin film, the catalyst-supported carbon is used as a non-electrolyte polymer. A method of coating with a compound and then ionizing the polymer compound using an ionizing agent is disclosed.

特許文献3では、触媒粒子を電解質で十分にコーティングすることを目的として、触媒粒子を酸化剤で前処理し、電解質による触媒の被覆率を向上させる方法が開示されている。   Patent Document 3 discloses a method in which catalyst particles are pretreated with an oxidant for the purpose of sufficiently coating the catalyst particles with an electrolyte to improve the catalyst coverage with the electrolyte.

特開2001−110428号公報JP 2001-110428 A 特開2008−53089号公報JP 2008-53089 A 特開平10−189003号公報JP-A-10-189003

通常、燃料電池の電極(触媒層)は触媒担持担体及び高分子電解質(アイオノマ)から作成される。触媒担持担体は電解質で被覆された構造をとり、被覆構造は触媒担持担体と電解質との間の分子間力によって形成されている。   Usually, an electrode (catalyst layer) of a fuel cell is made of a catalyst-supporting carrier and a polymer electrolyte (ionomer). The catalyst support has a structure coated with an electrolyte, and the coating structure is formed by an intermolecular force between the catalyst support and the electrolyte.

触媒層中において電解質はプロトン、酸素、及び水の輸送を担っているが、これらの輸送は電解質の物性だけではなく、触媒層の構造、特に電解質の被覆構造に大きく影響される。しかし、従来の触媒層の製造方法では、被覆の厚みにバラツキが生じていたり、担体上に被覆されていない箇所が存在するなど不均一な被覆構造が形成されていた。その結果、電解質が厚く被覆されている箇所では酸素拡散抵抗が大きく、触媒への酸素供給が不足することにより、高出力時に電圧が低下していた(濃度過電圧)。また、電解質が被覆されていない箇所では触媒としての機能を発揮することができない。   The electrolyte is responsible for transport of protons, oxygen, and water in the catalyst layer, and these transports are greatly influenced not only by the physical properties of the electrolyte but also by the structure of the catalyst layer, particularly the coating structure of the electrolyte. However, in the conventional method for producing a catalyst layer, a non-uniform coating structure is formed such that the coating thickness varies, or there are portions that are not coated on the carrier. As a result, the oxygen diffusion resistance was large at the location where the electrolyte was thickly coated, and the voltage was lowered at high output (concentration overvoltage) due to insufficient oxygen supply to the catalyst. Moreover, the function as a catalyst cannot be exhibited in the location which is not coat | covered with electrolyte.

従って、本発明は、超薄膜の高分子電解質を触媒担持担体に均一に被覆した燃料電池用電極を製造することを課題とする。   Accordingly, an object of the present invention is to produce a fuel cell electrode in which an ultrathin polymer electrolyte is uniformly coated on a catalyst support.

上記課題を解決するために本発明者は鋭意検討した結果、触媒担持担体及び高分子電解質を結合剤と混合して燃料電池用電極を製造することにより当該課題を解決できることを見出した。   As a result of diligent studies, the present inventor has found that the problem can be solved by mixing a catalyst-supporting carrier and a polymer electrolyte with a binder to produce a fuel cell electrode.

即ち、本発明の要旨は以下の通りである。
(1)触媒担持担体及び高分子電解質を、前記触媒担持担体と反応可能な官能基と前記高分子電解質と反応可能な官能基とを有する結合剤と混合することを含む燃料電池用電極の製造方法。
(2)結合剤が塩基性官能基を有する、(1)に記載の方法。
(3)(1)又は(2)に記載の方法により得られる電極を備える燃料電池。
(4)触媒担持担体と反応可能な官能基と高分子電解質と反応可能な官能基とを有する、燃料電池用電極を製造するための結合剤。
That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) Production of an electrode for a fuel cell comprising mixing a catalyst-supporting carrier and a polymer electrolyte with a binder having a functional group capable of reacting with the catalyst-supporting carrier and a functional group capable of reacting with the polymer electrolyte. Method.
(2) The method according to (1), wherein the binder has a basic functional group.
(3) A fuel cell comprising an electrode obtained by the method according to (1) or (2).
(4) A binder for producing an electrode for a fuel cell having a functional group capable of reacting with a catalyst-supporting carrier and a functional group capable of reacting with a polymer electrolyte.

本発明によれば、触媒担持担体の一次粒子内及び二次粒子内においても超薄膜の高分子電解質を均一に被覆することができ、触媒の利用効率を向上させることができる。従って、本発明により製造された燃料電池用電極を備えることにより燃料電池特性の向上を図ることができる。   According to the present invention, the ultrathin polymer electrolyte can be uniformly coated in the primary particles and the secondary particles of the catalyst-supporting carrier, and the utilization efficiency of the catalyst can be improved. Therefore, the fuel cell characteristics can be improved by providing the fuel cell electrode manufactured according to the present invention.

1.触媒
本発明において触媒とは、燃料電池の電極に使用することのできる全ての触媒を意味する。例えば、これらに限定されるものではないが、触媒及び触媒成分として白金、ルテニウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、ロジウム、金、銀、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、タングステンなどの金属を挙げることができる。これらの触媒は単独で、又は2種以上を組み合わせて使用することができる。2種以上の触媒を使用する場合には、混合物として、又は合金として使用することができる。
1. Catalyst In the present invention, the catalyst means all catalysts that can be used for electrodes of fuel cells. For example, but not limited to, platinum, ruthenium, palladium, osmium, iridium, rhodium, gold, silver, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc as catalysts and catalyst components And metals such as zirconium, niobium, molybdenum, and tungsten. These catalysts can be used alone or in combination of two or more. When two or more kinds of catalysts are used, they can be used as a mixture or as an alloy.

アノード及びカソードにおいて同一の触媒、又は異なる触媒を使用することができる。
触媒は微粒子として使用することが好ましく、特に粒径が2〜10nmの触媒粒子を使用することが好ましい。
The same catalyst or different catalysts can be used at the anode and cathode.
The catalyst is preferably used as fine particles, and in particular, catalyst particles having a particle size of 2 to 10 nm are preferably used.

2.担体
本発明において担体とは、触媒を担持することができ、電子伝導性を有する全ての担体を意味する。例えば、これらに限定されるものではないが、カーボン、チタニア、シリカ、セリア、アルミナ、マグネシア、ジルコニア、イットリアなどを挙げることができる。これらの担体は単独で、又は2種以上を組み合わせて使用することができる。本発明において好ましくはカーボンを使用することができる。
2. Carrier In the present invention, the carrier means any carrier that can carry a catalyst and has electronic conductivity. Examples thereof include, but are not limited to, carbon, titania, silica, ceria, alumina, magnesia, zirconia, and yttria. These carriers can be used alone or in combination of two or more. In the present invention, carbon can be preferably used.

担体は微粒子として使用することが好ましく、特に粒径が10〜50nmの担体粒子を使用することが好ましい。   The carrier is preferably used as fine particles, and in particular, carrier particles having a particle size of 10 to 50 nm are preferably used.

担体と触媒との重量比に特に制限はないが、90:10〜40:60であることが好ましく、
80:20〜70:30であることが特に好ましい。
The weight ratio of the support to the catalyst is not particularly limited, but is preferably 90:10 to 40:60,
It is particularly preferable that the ratio is 80:20 to 70:30.

触媒担持担体の調製方法は、例えば特開2008−080322号公報、特開2008−068228号公報などに記載されているように様々な方法論が知られている。従って、当業者であれば本発明に使用する触媒担持担体を適宜調製することが可能である。   Various methodologies for preparing a catalyst-supporting carrier are known as described in, for example, JP-A-2008-080322 and JP-A-2008-068228. Accordingly, those skilled in the art can appropriately prepare the catalyst-supporting carrier used in the present invention.

触媒担持担体を調製する場合、その調製法に起因した官能基が担体表面上に形成されることは当業者にとって自明である。例えば、下記の実施例において使用するPt/Cはカーボンブラックに白金を還元担持した後、硝酸により親水処理することにより調製され、カーボン表面上にカルボキシル基を有する。また、特表2006−508501号公報はカーボン担体の表面特性について開示しており、カーボン表面を酸化することにより、ヒドロキシル基、カルボキシル基、アルデヒド基などの官能基を形成することができること、及び様々な薬剤を用いた反応によって酸化した炭素表面の誘導体化が可能であることを記載している。従って、当業者であれば、触媒担持担体の表面に任意の官能基を形成することができる。本発明において、触媒担持担体の表面上に酸性官能基が形成されていることが好ましく、特にカルボキシル基が形成されていることが好ましい。   When preparing a catalyst-supported support, it is obvious to those skilled in the art that functional groups resulting from the preparation method are formed on the support surface. For example, Pt / C used in the following examples is prepared by reducing and supporting platinum on carbon black and then hydrophilizing with nitric acid, and has a carboxyl group on the carbon surface. JP-T-2006-508501 discloses the surface characteristics of the carbon support, and it is possible to form functional groups such as hydroxyl groups, carboxyl groups, and aldehyde groups by oxidizing the carbon surface, and various It is described that the oxidization of the oxidized carbon surface is possible by the reaction using various agents. Accordingly, those skilled in the art can form an arbitrary functional group on the surface of the catalyst-supporting support. In the present invention, it is preferable that an acidic functional group is formed on the surface of the catalyst-supporting carrier, and it is particularly preferable that a carboxyl group is formed.

3.高分子電解質
本発明において高分子電解質とは、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基などの酸性官能基を有するポリマー(アイオノマ)を意味する。例えば、これらに限定されるものではないが、パーフルオロスルホン酸ポリマー、パーフルオロカルボン酸ポリマー、パーフルオロリン酸ポリマーなどを挙げることができる。本発明においてスルホン酸基を有するアイオノマを使用することが好ましく、特にNafion(登録商標)を使用することが好ましい。
3. Polymer electrolyte In the present invention, the polymer electrolyte means a polymer (ionomer) having an acidic functional group such as a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, or a phosphoric acid group. Examples thereof include, but are not limited to, perfluorosulfonic acid polymer, perfluorocarboxylic acid polymer, perfluorophosphoric acid polymer, and the like. In the present invention, it is preferable to use an ionomer having a sulfonic acid group, and it is particularly preferable to use Nafion (registered trademark).

高分子電解質と触媒担持担体との重量比に特に制限はないが、1:10〜3:2であることが好ましく、1:2〜1:1であることが特に好ましい。   The weight ratio between the polymer electrolyte and the catalyst-supporting carrier is not particularly limited, but is preferably 1:10 to 3: 2, and particularly preferably 1: 2 to 1: 1.

4.結合剤
本発明において結合剤とは、触媒担持担体の表面上に存在する官能基と反応することができる官能基と、高分子電解質の官能基と反応することができる官能基とを有する化合物を意味する。従って、結合剤は少なくとも2つ以上の官能基を有し、好ましくは2つの官能基を有する。
4). Binder In the present invention, the binder means a compound having a functional group capable of reacting with a functional group present on the surface of the catalyst-supporting carrier and a functional group capable of reacting with a functional group of the polymer electrolyte. means. Accordingly, the binder has at least two or more functional groups, preferably two functional groups.

結合剤は2つ以上の同一の官能基、又は異なる官能基を有することができる。例えば、これらに限定されるものではないが、アミノ基、ヒドロキシル基、チオール基、エポキシ基、カルボキシル基、酸ハロゲン化物、酸無水物、ハロゲンなどを挙げることができる。本発明において、結合剤は好ましくは2つ以上の塩基性官能基、特に好ましくは2つの塩基性官能基、更に好ましくは2つのアミノ基を有する。本発明において好ましい結合剤はp-フェニレンジアミンである。   The binder can have two or more identical functional groups or different functional groups. Examples include, but are not limited to, amino groups, hydroxyl groups, thiol groups, epoxy groups, carboxyl groups, acid halides, acid anhydrides, halogens, and the like. In the present invention, the binder preferably has two or more basic functional groups, particularly preferably two basic functional groups, and more preferably two amino groups. A preferred binder in the present invention is p-phenylenediamine.

結合剤は触媒担持担体及び高分子電解質と反応することによりイオン結合、共有結合(例えば、アミド結合、エステル結合、エーテル結合など)などを形成することができる。結合剤と触媒担持担体との間の結合形式と、結合剤と高分子電解質との間の結合形式は同一であっても、異なっていてもよい。即ち、結合剤と触媒担持担体との間の結合形式が共有結合であり、結合剤と高分子電解質との間の結合形式がイオン結合であってもよい。しかしながら、本発明において好ましくは、結合剤と触媒担持担体との間の結合形式、及び結合剤と高分子電解質との間の結合形式は共にイオン結合である。   The binder can form an ionic bond, a covalent bond (for example, an amide bond, an ester bond, an ether bond, etc.) by reacting with the catalyst-supporting carrier and the polymer electrolyte. The bonding mode between the binder and the catalyst support and the bonding mode between the binder and the polymer electrolyte may be the same or different. That is, the bond type between the binder and the catalyst-supporting carrier may be a covalent bond, and the bond type between the binder and the polymer electrolyte may be an ionic bond. However, in the present invention, preferably, the bonding mode between the binder and the catalyst-supporting carrier and the bonding mode between the binder and the polyelectrolyte are both ionic bonds.

触媒担持担体の表面上に存在する官能基は上記の通り、当業者が任意に形成することができる。また、本発明における高分子電解質は酸性官能基を有する。従って、当業者であれば触媒担持担体の表面上に存在する官能基、及び高分子電解質の官能基の種類に応じて適当な結合剤を選択することが可能である。   The functional group present on the surface of the catalyst-supporting support can be arbitrarily formed by those skilled in the art as described above. Further, the polymer electrolyte in the present invention has an acidic functional group. Accordingly, those skilled in the art can select an appropriate binder depending on the type of functional group present on the surface of the catalyst-supporting support and the functional group of the polymer electrolyte.

結合剤と高分子電解質の酸性官能基とのモル比は1:100〜10:100、好ましくは5:100である。   The molar ratio of the binder to the acidic functional group of the polyelectrolyte is 1: 100 to 10: 100, preferably 5: 100.

本発明の一実施形態では、触媒担持担体と反応可能な官能基と高分子電解質と反応可能な官能基とを有する、燃料電池用電極を製造するための結合剤を提供する。当該結合剤は任意の成分を含んでいてもよく、例えば、これらに限定されるものではないが、触媒、溶媒、安定化剤などを含んでいてもよい。   In one embodiment of the present invention, a binder for producing a fuel cell electrode having a functional group capable of reacting with a catalyst-supporting carrier and a functional group capable of reacting with a polymer electrolyte is provided. The binder may contain an optional component. For example, the binder may contain a catalyst, a solvent, a stabilizer, and the like, but is not limited thereto.

5.燃料電池用電極の製造
本発明の燃料電池用電極は、触媒担持担体及び高分子電解質を結合剤と混合することにより製造することができる。結合剤は触媒担持担体と高分子電解質との混合物に添加することが可能である。或いは、結合剤を触媒担持担体及び高分子電解質の一方と混合し、その後にもう一方の成分を添加することも可能である。本発明において、初めに触媒担持担体と結合剤とを混合し、触媒担持担体と結合剤との間の結合を形成してから高分子電解質を混合し、結合剤と高分子電解質との間の結合を形成することが好ましい。
5. Production of Fuel Cell Electrode The fuel cell electrode of the present invention can be produced by mixing a catalyst carrier and a polymer electrolyte with a binder. The binder can be added to the mixture of the catalyst support and the polymer electrolyte. Alternatively, the binder can be mixed with one of the catalyst support and the polymer electrolyte, and then the other component can be added. In the present invention, the catalyst-supported carrier and the binder are first mixed, a bond is formed between the catalyst-supported carrier and the binder, and then the polymer electrolyte is mixed. It is preferred to form a bond.

結合形成反応は有機溶媒中で行うことが好ましい。本反応に使用することができる有機溶媒は、これらに限定されるものではないが、エタノール、プロパノールなどを挙げることができる。   The bond formation reaction is preferably performed in an organic solvent. Examples of the organic solvent that can be used in this reaction include, but are not limited to, ethanol and propanol.

結合形成反応の反応時間及び反応温度は、使用する触媒担持担体、高分子電解質、及び結合剤の官能基の種類によって変化する。当業者であれば官能基の種類に応じて適宜、反応時間及び反応温度を調節することができる。   The reaction time and reaction temperature of the bond forming reaction vary depending on the type of the functional group of the catalyst-supporting carrier, the polymer electrolyte, and the binder used. A person skilled in the art can appropriately adjust the reaction time and reaction temperature according to the type of functional group.

結合形成反応を促進させるために触媒を利用することができる。例えば、これらに限定されるものではないが、酸触媒(塩酸、硫酸など)や塩基触媒(水酸化ナトリウムなど)を使用することができる。   A catalyst can be utilized to promote the bond formation reaction. For example, although not limited to these, an acid catalyst (hydrochloric acid, sulfuric acid, etc.) or a base catalyst (sodium hydroxide, etc.) can be used.

本発明の一実施形態では、酸性官能基を有する触媒担持担体と、酸性官能基を有する高分子電解質とを、2つの塩基性官能基を有する結合剤と反応させることを含む燃料電池用電極の製造方法を提供する。   In one embodiment of the present invention, a fuel cell electrode comprising reacting a catalyst-supporting carrier having an acidic functional group and a polymer electrolyte having an acidic functional group with a binder having two basic functional groups. A manufacturing method is provided.

本発明の一実施形態では、カルボキシル基を有する触媒担持担体と、スルホン酸基を有する高分子電解質とを、2つのアミノ基を有する結合剤と反応させることを含む燃料電池用電極の製造方法を提供する。   In one embodiment of the present invention, there is provided a method for producing an electrode for a fuel cell, which comprises reacting a catalyst-supporting carrier having a carboxyl group and a polymer electrolyte having a sulfonic acid group with a binder having two amino groups. provide.

本発明の一実施形態では、カルボキシル基を有する触媒担持担体と2つのアミノ基を有する結合剤とを反応させて触媒担持担体と結合剤との間の結合を形成した後に、スルホン酸基を有する高分子電解質を反応させて、結合剤と高分子電解質との間の結合を形成することを含む燃料電池用電極の製造方法を提供する。   In one embodiment of the present invention, a catalyst-supporting carrier having a carboxyl group and a binder having two amino groups are reacted to form a bond between the catalyst-supporting carrier and the binder, and then a sulfonic acid group is contained. There is provided a method for producing an electrode for a fuel cell, comprising reacting a polymer electrolyte to form a bond between a binder and a polymer electrolyte.

6.燃料電池
本発明は更に、上記燃料電池用電極を備える燃料電池を提供する。燃料電池の単セルは、高分子電解質膜と本発明の電極(アノード及びカソード)とから成る膜電極接合体(MEA)の両側にガス拡散層を設け、更にその両側にセパレータを設けることにより形成することができる。当該単セルを積層することにより燃料電池を形成することができる。
6). Fuel Cell The present invention further provides a fuel cell comprising the above fuel cell electrode. A single cell of a fuel cell is formed by providing gas diffusion layers on both sides of a membrane electrode assembly (MEA) composed of a polymer electrolyte membrane and the electrodes (anode and cathode) of the present invention, and further providing separators on both sides thereof. can do. A fuel cell can be formed by stacking the single cells.

本発明による燃料電池用電極を備える燃料電池は様々な用途に利用することができる。例えば、これらに限定されるものではないが、自動車、バイク、モバイル機器(ノートパソコン、携帯電話、ビデオカメラなど)、家庭・業務用コージェネレーションシステムなどに利用することができる。   The fuel cell comprising the fuel cell electrode according to the present invention can be used in various applications. For example, the present invention can be used for, but not limited to, automobiles, motorcycles, mobile devices (notebook computers, mobile phones, video cameras, etc.), home / business cogeneration systems, and the like.

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明はこれにより限定されるものではない。
実施例1:触媒担持担体(Pt/C)の調製
カーボンブラック「ケッチェンEC(ケッチェンブラックインターナショナル社製)」2.0〜4.5 gを蒸留水で懸濁撹拌し、塩化白金酸15%を3〜20 g滴下した。次に還元剤としてエタノールを5〜30 g滴下し、白金をカーボン上に析出させた。得られた混合物をろ過し、固形物を乾燥することで白金担持カーボンを得た。本方法で10〜60wt%のPt/C調製が可能である。得られたPt担持カーボン粉末を硝酸水溶液中で低温制御しながら撹拌し、親水化処理を行った。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, this invention is not limited by this.
Example 1 : Preparation of catalyst-supported support (Pt / C) Carbon black “Ketjen EC (Ketjen Black International Co., Ltd.)” (2.0 to 4.5 g) was suspended and stirred in distilled water, and 15% chloroplatinic acid was added to 3 to 20%. g was added dropwise. Next, 5 to 30 g of ethanol was dropped as a reducing agent to deposit platinum on the carbon. The obtained mixture was filtered, and the solid was dried to obtain platinum-supporting carbon. 10 to 60 wt% Pt / C can be prepared by this method. The obtained Pt-supported carbon powder was stirred in an aqueous nitric acid solution at a low temperature to perform a hydrophilic treatment.

実施例2:燃料電池用電極の製造
窒素雰囲気下において、実施例1で調製した40wt% Pt/C(8.3 g)をエタノール(50 g)に添加して分散させた後、p-フェニレンジアミン (24.5 mg)/エタノール(10 g)溶液を添加し、室温にて24時間撹拌した。その後、Nafion(登録商標)DE2020(5.0 g)を添加し、室温にて24時間撹拌し、次に純水(40 g)を添加して撹拌した。
得られた混合物を用いて、ブレードコート法により転写基材(テフロンシート)上に電極を作成した。転写法により電極を電解質膜に転写し、膜電極接合体を作成した。
Example 2 Production of Fuel Cell Electrode In a nitrogen atmosphere, 40 wt% Pt / C (8.3 g) prepared in Example 1 was added and dispersed in ethanol (50 g), and then p-phenylenediamine ( 24.5 mg) / ethanol (10 g) solution was added, and the mixture was stirred at room temperature for 24 hours. Then, Nafion (registered trademark) DE2020 (5.0 g) was added and stirred at room temperature for 24 hours, and then pure water (40 g) was added and stirred.
Using the obtained mixture, an electrode was formed on a transfer substrate (Teflon sheet) by a blade coating method. The electrode was transferred to the electrolyte membrane by a transfer method to prepare a membrane electrode assembly.

実施例3:BET比表面積の測定
日本ベル(株)製BELSORP-mini装置を使用して、実施例2で作成した電極を120℃で8時間真空脱気し、定容法を用いた窒素による吸着等温線を測定し、BET多点法により比表面積を算出した。結果を表1に示す。
Example 3 : Measurement of BET specific surface area Using a BELSORP-mini apparatus manufactured by Nippon Bell Co., Ltd., the electrode prepared in Example 2 was vacuum degassed at 120 ° C for 8 hours, and nitrogen was applied using a constant volume method. The adsorption isotherm was measured, and the specific surface area was calculated by the BET multipoint method. The results are shown in Table 1.

実施例4:酸素拡散抵抗の測定
実施例2で作成した膜電極接合体を使用して、フル加湿におけるAir-IV(カソードにAirを流した場合のIV)とO2-IV(カソードにO2を流した場合のIV)からO2ゲイン法により酸素拡散抵抗を測定した。結果を表1に示す。
Example 4 Measurement of Oxygen Diffusion Resistance Using the membrane electrode assembly prepared in Example 2, Air-IV (IV when air flows through the cathode) and O 2 -IV (O in the cathode) in full humidification The oxygen diffusion resistance was measured by the O 2 gain method from IV) when 2 was applied. The results are shown in Table 1.

実施例5:発電性能の測定
実施例2で作成した膜電極接合体を使用して、以下の条件によりIV測定を実施した。
カソード:80℃フル加湿、Air
アノード:80℃フル加湿、O2
ESCAはCV測定から算出した。結果を表1に示す。
Example 5 : Measurement of power generation performance Using the membrane electrode assembly prepared in Example 2, IV measurement was performed under the following conditions.
Cathode: 80 ° C full humidification, Air
Anode: 80 ° C full humidification, O 2
ESCA was calculated from CV measurements. The results are shown in Table 1.

比較例1:燃料電池用電極の製造
窒素雰囲気下において、実施例1で調製した40wt% Pt/C(8.3 g)をエタノール(50 g)に添加して分散させた後、Nafion(登録商標)DE2020(5.0 g)を添加し、室温にて24時間撹拌した。その後、純水(40 g)を添加して撹拌した。
得られた混合物を用いて、ブレードコート法により転写基材(テフロンシート)上に電極を作成した。転写法により電極を電解質膜に転写し、膜電極接合体を作成した。
Comparative Example 1 Production of Fuel Cell Electrode Under a nitrogen atmosphere, 40 wt% Pt / C (8.3 g) prepared in Example 1 was added to ethanol (50 g) and dispersed therein, and then Nafion (registered trademark). DE2020 (5.0 g) was added and stirred at room temperature for 24 hours. Then, pure water (40 g) was added and stirred.
Using the obtained mixture, an electrode was formed on a transfer substrate (Teflon sheet) by a blade coating method. The electrode was transferred to the electrolyte membrane by a transfer method to prepare a membrane electrode assembly.

比較例2:BET比表面積、酸素拡散抵抗、及び発電性能の測定
比較例1において作成した電極及び膜電極接合体を使用して、実施例3〜5と同様にBET比表面積、酸素拡散抵抗、及び発電性能を測定した。結果を表1に示す。
Comparative Example 2 : Measurement of BET specific surface area, oxygen diffusion resistance, and power generation performance Using the electrode and membrane electrode assembly prepared in Comparative Example 1, BET specific surface area, oxygen diffusion resistance, And the power generation performance was measured. The results are shown in Table 1.

Figure 2011090987
結果
結合剤を使用して製造した燃料電池用電極は、結合剤を使用しないものと比較して、良好なBET比表面積、酸素拡散抵抗、及び発電性能を示した。従って、本発明により製造した燃料電池用電極を備えることにより燃料電池の特性を向上させることが可能である。
Figure 2011090987
Result :
The fuel cell electrode produced using the binder showed better BET specific surface area, oxygen diffusion resistance, and power generation performance than those without the binder. Accordingly, it is possible to improve the characteristics of the fuel cell by providing the fuel cell electrode manufactured according to the present invention.

Claims (4)

触媒担持担体及び高分子電解質を、前記触媒担持担体と反応可能な官能基と前記高分子電解質と反応可能な官能基とを有する結合剤と混合することを含む燃料電池用電極の製造方法。   A method for producing an electrode for a fuel cell, comprising mixing a catalyst-supporting carrier and a polymer electrolyte with a binder having a functional group capable of reacting with the catalyst-supporting carrier and a functional group capable of reacting with the polymer electrolyte. 結合剤が塩基性官能基を有する、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the binder has a basic functional group. 請求項1又は2に記載の方法により得られる電極を備える燃料電池。   A fuel cell comprising an electrode obtained by the method according to claim 1. 触媒担持担体と反応可能な官能基と高分子電解質と反応可能な官能基とを有する、燃料電池用電極を製造するための結合剤。   A binder for producing an electrode for a fuel cell, having a functional group capable of reacting with a catalyst-supporting carrier and a functional group capable of reacting with a polymer electrolyte.
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