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JP2000228204A - Electrode for fuel cell and method for producing the same - Google Patents

Electrode for fuel cell and method for producing the same

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JP2000228204A
JP2000228204A JP11028245A JP2824599A JP2000228204A JP 2000228204 A JP2000228204 A JP 2000228204A JP 11028245 A JP11028245 A JP 11028245A JP 2824599 A JP2824599 A JP 2824599A JP 2000228204 A JP2000228204 A JP 2000228204A
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catalyst
fuel cell
electrode
silane compound
polymer electrolyte
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JP11028245A
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Junji Morita
純司 森田
Makoto Uchida
誠 内田
Hisaaki Gyoten
久朗 行天
Eiichi Yasumoto
栄一 安本
Yasushi Sugawara
靖 菅原
Kazuhito Hado
一仁 羽藤
Hideo Obara
英夫 小原
Kazufumi Nishida
和史 西田
Osamu Sakai
修 酒井
Teruhisa Kanbara
輝壽 神原
Yukiyoshi Ono
之良 小野
Yasuo Takebe
安男 武部
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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  • Fuel Cell (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解
質膜を挟んだ触媒反応層を有する一対の電極とを具備し
た燃料電池において、固体高分子電解質と触媒を十分に
かつ均一に接触させることによって電極内部の反応面積
を増大させ、より高い性能を発揮する固体高分子型燃料
電池を提供する。 【解決手段】 触媒粒子もしくは前記触媒粒子の担体の
表面に、水素イオンの拡散層を有するものをもちいた電
極により燃料電池を構成する。特に、触媒層の触媒微粒
子もしくは触媒担体表面に水素イオン解離性官能基を含
むシラン化合物を化学吸着し、これで、電極の細孔内部
の触媒にも水素イオンチャネルを形成することによっ
て、反応面積が増大して、高い放電性能を発揮する固体
高分子型燃料電池を実現する。
(57) Abstract: In a fuel cell including a solid polymer electrolyte membrane and a pair of electrodes having a catalyst reaction layer sandwiching the solid polymer electrolyte membrane, the solid polymer electrolyte and the catalyst are sufficiently mixed. Further, the present invention provides a polymer electrolyte fuel cell capable of increasing the reaction area inside the electrode by making uniform contact and exhibiting higher performance. SOLUTION: A fuel cell is constituted by an electrode using a catalyst particle or a carrier of the catalyst particle having a diffusion layer of hydrogen ions on the surface thereof. In particular, a silane compound containing a hydrogen ion dissociable functional group is chemically adsorbed on the catalyst fine particles or the surface of the catalyst carrier of the catalyst layer, and thereby, a hydrogen ion channel is formed also in the catalyst inside the pores of the electrode. And a polymer electrolyte fuel cell exhibiting high discharge performance is realized.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】高分子電解質型燃料電池の構
成要素である電極及びその製造法に関する。
The present invention relates to an electrode which is a component of a polymer electrolyte fuel cell and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】高分子電解質型燃料電池の構成要素であ
る電極において、反応ガスの供給路となる細孔と、水素
イオン導電性の固体高分子電解質と、電子導電体である
電極材料とが形成する、いわゆる三相界面の面積の大小
は、電池の放電性能を左右する重要な因子の1つであ
る。
2. Description of the Related Art In an electrode which is a component of a polymer electrolyte fuel cell, a pore serving as a supply path of a reaction gas, a hydrogen ion conductive solid polymer electrolyte, and an electrode material which is an electronic conductor are used. The size of the area of the so-called three-phase interface to be formed is one of the important factors affecting the discharge performance of the battery.

【0003】従来、この三相界面を増大させるために、
電極材料と固体高分子電解質とを混合分散させた層を、
膜と多孔質電極の界面に付与する試みがなされてきた。
例えば、特公昭62−61118号公報、特公昭62−
61119号公報に記載の技術では、固体高分子電解質
を分散した溶液と、触媒化合物との混合物を固体高分子
膜上に塗着し、電極材料とホットプレスした後触媒化合
物を還元する方法、もしくは還元後塗着しホットプレス
を行う方法が提案されている。
Conventionally, in order to increase this three-phase interface,
A layer in which an electrode material and a solid polymer electrolyte are mixed and dispersed,
Attempts have been made to apply it to the interface between the membrane and the porous electrode.
For example, Japanese Patent Publication No. 62-61118, Japanese Patent Publication No. 62-61118
In the technique described in Japanese Patent Application Publication No. 61119, a method in which a mixture of a solution in which a solid polymer electrolyte is dispersed and a catalyst compound is applied onto a solid polymer membrane, and the catalyst compound is reduced after hot pressing with an electrode material, or There has been proposed a method of performing hot pressing after coating after reduction.

【0004】また、特公平2−48632号公報では、
多孔質電極を成型後、電極上にイオン交換膜樹脂を分散
した溶液を散布し、この電極とイオン交換膜とをホット
プレスする方法が提案されている。さらに、特開平3−
184266号公報では高分子樹脂表面に固体高分子電
解質を被覆した粉末、特開平3−295172号公報で
は固体高分子電解質の粉末を電極中に混合する方法が提
案されている。また、特開平5−36418号公報で
は、固体高分子電解質と触媒と炭素粉末とフッ素樹脂を
混合し、成膜して電極とする方法が提案されている。以
上の技術では、電極内で固体高分子電解質を形成するた
めの溶液として、アルコール類が用いられている。
In Japanese Patent Publication No. 2-48632,
There has been proposed a method in which after a porous electrode is molded, a solution in which an ion exchange membrane resin is dispersed is sprayed on the electrode, and the electrode and the ion exchange membrane are hot pressed. Further, Japanese Unexamined Patent Publication No.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 184266 proposes a method in which a polymer resin surface is coated with a solid polymer electrolyte powder, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-295172 discloses a method in which a solid polymer electrolyte powder is mixed in an electrode. Also, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-36418 proposes a method in which a solid polymer electrolyte, a catalyst, carbon powder, and a fluororesin are mixed, and a film is formed to form an electrode. In the above techniques, alcohols are used as a solution for forming a solid polymer electrolyte in an electrode.

【0005】また、米国特許第5211984号に記載
の技術では、グリセリンもしくはテトラブチルアンモニ
ウム塩を溶媒として、これに固体高分子電解質と触媒と
炭素粉末とをインク状に分散した溶液を作成し、これを
ポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEという)
製フィルム上に成型した後、固体高分子電解質膜表面に
転写する方法や、固体高分子電解質膜の交換基をNa型
に置換し、その膜の表面に前記のインク状分散液を塗布
して125℃以上で加熱乾燥し、交換基を再度H型に置
換する方法が報告されている。
In the technique described in US Pat. No. 5,221,1984, a solution is prepared by dispersing a solid polymer electrolyte, a catalyst and carbon powder in an ink form using glycerin or tetrabutylammonium salt as a solvent. Is polytetrafluoroethylene (hereinafter referred to as PTFE)
After molding on a film, a method of transferring to the surface of the solid polymer electrolyte membrane, or replacing the exchange group of the solid polymer electrolyte membrane with Na type, and applying the ink dispersion to the surface of the membrane. A method of heating and drying at 125 ° C. or higher and replacing the exchange group with H-form again has been reported.

【0006】一方、固体高分子型燃料電池の特徴である
高出力密度を実現するには、電極触媒層に反応ガスの供
給路(ガスチャネル)を形成し、ガスの透過・拡散能を
高めることが重要となる。そこでフッ素樹脂などの撥水
材を電極触媒層に添加し、ガスチャネルを形成する試み
がなされてきた。例えば特開平5−36418号公報に
記載の技術では、PTFE粉末と触媒を担持した炭素粉
末とを、固体高分子電解質溶液に分散・混練して触媒層
を作製する方法が提案されている。また、特開平4−2
64367号公報に記載の技術では、触媒を担持した炭
素粉末とPTFEのコロイド液との混合液を用いて電極
が提案されている。
On the other hand, in order to realize a high output density which is a feature of the polymer electrolyte fuel cell, a supply path (gas channel) of a reaction gas is formed in the electrode catalyst layer to enhance gas permeation / diffusion ability. Is important. Therefore, attempts have been made to form a gas channel by adding a water-repellent material such as a fluororesin to the electrode catalyst layer. For example, in the technique described in JP-A-5-36418, a method is proposed in which a PTFE powder and a carbon powder supporting a catalyst are dispersed and kneaded in a solid polymer electrolyte solution to form a catalyst layer. Also, Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-2
In the technology described in Japanese Patent No. 64367, an electrode is proposed using a mixed solution of a carbon powder carrying a catalyst and a colloidal solution of PTFE.

【0007】さらにJ.Electroanal.Ch
em.197号(1986年)の195頁では、PTF
Eにより撥水処理した炭素粉末と触媒を担持した炭素粉
末とを混合して、酸性電解液用のガス拡散電極が提案さ
れている。一方、米国特許第5211984号では、上
記のような撥水材を用いずに固体高分子電解質と触媒と
炭素粉末のみで電極の触媒層を作製することが提案され
ている。
Further, J. J. Electroanal. Ch
em. 197 (1986), p. 195
A gas diffusion electrode for an acidic electrolyte is proposed by mixing a carbon powder that has been subjected to a water-repellent treatment with E and a carbon powder that carries a catalyst. On the other hand, U.S. Pat. No. 5,211,1984 proposes that a catalyst layer of an electrode be formed using only a solid polymer electrolyte, a catalyst, and carbon powder without using a water-repellent material as described above.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、固体高
分子電解質を分散した溶液に、触媒を担持した炭素粉末
と、フッ素樹脂等の撥水剤、あるいは撥水処理された炭
素粉末とを同時に添加すると、撥水剤や撥水処理された
炭素粉末に、固体高分子電解質が多く吸着する。このと
き、その分だけ固体高分子電解質と触媒との接触度合い
が不均一な状態となり、結果的に、電極とイオン交換膜
との界面で、十分な反応面積が確保できないという欠点
を有していた。
However, when a carbon powder carrying a catalyst and a water repellent such as a fluororesin or a water repellent treated carbon powder are simultaneously added to a solution in which a solid polymer electrolyte is dispersed, A large amount of the solid polymer electrolyte is adsorbed on the water repellent or the carbon powder subjected to the water repellent treatment. At this time, the degree of contact between the solid polymer electrolyte and the catalyst becomes non-uniform by that much, resulting in a disadvantage that a sufficient reaction area cannot be secured at the interface between the electrode and the ion exchange membrane. Was.

【0009】また、アルコール類の溶媒を用いた分散液
を多孔質基板上に塗布した場合や、上記のインク状分散
液を多孔質基板上に塗布した場合は、基板内部に分散液
が侵入もしくは透過してしまうため、基板表面部分に直
接に成型することができず、転写などの複雑な加工技術
を必要とした。さらに上記に記載の膜表面にインク状分
散液を直接塗布する方法では、膜の交換基を何度も置換
する複雑な製造技術を必要とした。また、上記のフッ素
樹脂の添加方法では、フッ素樹脂によって触媒微粒子が
過多に被覆されて反応面積が減少し、分極特性が低下す
るという欠点を有していた。
In addition, when a dispersion using an alcoholic solvent is applied on a porous substrate, or when the above-mentioned ink-like dispersion is applied on a porous substrate, the dispersion may enter the substrate. Because of the transmission, it could not be molded directly on the substrate surface, and required complicated processing techniques such as transfer. Further, the above-described method of directly applying an ink-like dispersion to the film surface requires a complicated production technique for replacing the exchange groups of the film many times. Further, the above-described method of adding a fluororesin has a disadvantage that the catalyst fine particles are excessively coated with the fluororesin, the reaction area is reduced, and the polarization characteristics are reduced.

【0010】一方、上記のJ.Electroana
l.Chem.197号(1986年)195頁に記載
の技術のように、PTFEにより撥水処理した炭素粉末
を用いると、確かにPTFEにより触媒粒子が被覆され
てしまうという現象を抑制することはできた。しかし、
この提案には、固体高分子電解質を用いた場合の、撥水
処理した炭素粉末の添加の有無や、その添加率による効
果の検討が行われていなかった。さらに、触媒を担持し
た炭素粉末と固体高分子電解質のみとで電極を作製する
と、燃料電池内で発生する生成水により、いわゆるフラ
ッディング現象が起こり、これにより高電流密度で電池
を駆動すると、電池の電圧が低くなり、不安定になると
いう欠点を有していた。
On the other hand, in the above-described J. Electroana
l. Chem. When a carbon powder treated with water repellency with PTFE is used as in the technique described in 197 (1986), p. 195, the phenomenon that the catalyst particles are coated with PTFE can be surely suppressed. But,
In this proposal, the use of a solid polymer electrolyte, whether or not water-repellent carbon powder was added, and the effect of the addition ratio were not examined. Further, when an electrode is made of only a carbon powder carrying a catalyst and a solid polymer electrolyte, a so-called flooding phenomenon occurs due to water generated in the fuel cell, and when the battery is driven at a high current density, the There was a drawback that the voltage became low and became unstable.

【0011】本発明は上記の課題を解決するもので、固
体高分子電解質と触媒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
能を発揮する固体高分子型燃料電池の製造方法を提供す
ることを目的とする。
[0011] The present invention solves the above-mentioned problems, and the solid polymer electrolyte and the catalyst are brought into sufficient and uniform contact to increase the reaction area inside the electrode and exhibit higher performance. It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a fuel cell.

【0012】また、フッ素樹脂を添加して触媒を過多に
被覆することなく、水素イオンチャネルとガスチャネル
を形成し、電極のガス透過能を高め、高電流密度で電池
を駆動したときも、高い性能を発揮する固体高分子型燃
料電池の製造方法を提供することを目的とする。
Further, the hydrogen ion channel and the gas channel are formed without adding an excessive amount of the fluorine resin to cover the catalyst, the gas permeability of the electrode is increased, and even when the battery is driven at a high current density, a high current density is obtained. An object of the present invention is to provide a method for producing a polymer electrolyte fuel cell exhibiting performance.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに本発明の燃料電池用電極は、固体高分子電解質膜
と、前記固体高分子電解質膜を挟んだ触媒反応層を有す
る一対の電極とを具備した燃料電池において、前記電極
は、触媒粒子もしくは前記触媒粒子の担体の表面に、水
素イオンの拡散層を有することを特徴とする。
In order to solve the above problems, an electrode for a fuel cell according to the present invention comprises a pair of electrodes having a solid polymer electrolyte membrane and a catalytic reaction layer sandwiching the solid polymer electrolyte membrane. Wherein the electrode has a diffusion layer of hydrogen ions on the surface of the catalyst particles or the carrier of the catalyst particles.

【0014】このとき、触媒粒子もしくは前記触媒粒子
の担体の表面に、シラン化合物を化学的に接合すること
で、水素イオンの拡散層を形成したことが有効である。
At this time, it is effective to form a diffusion layer of hydrogen ions by chemically bonding a silane compound to the surface of the catalyst particles or the carrier of the catalyst particles.

【0015】また、触媒粒子もしくは前記触媒粒子の担
体の表面に、塩基性官能基を持つ有機化合物を修飾し、
前記有機化合物と水素イオン伝導性の固体電解質とで水
素イオンの拡散層を形成したことが有効である。
An organic compound having a basic functional group is modified on the surface of the catalyst particles or the carrier of the catalyst particles,
It is effective that a hydrogen ion diffusion layer is formed by the organic compound and a hydrogen ion conductive solid electrolyte.

【0016】このとき、塩基性官能基は、非共有電子対
を持つ窒素原子を有することが有効である。
At this time, it is effective that the basic functional group has a nitrogen atom having an unshared electron pair.

【0017】また、塩基性官能基を持つ有機化合物は、
シラン化合物であることが有効である。
The organic compound having a basic functional group is
It is effective that it is a silane compound.

【0018】このとき、シラン化合物は、水素イオンを
解離することのできる官能基を有することが望ましい。
At this time, the silane compound preferably has a functional group capable of dissociating hydrogen ions.

【0019】また、シラン化合物は、ハイドロカーボン
鎖またはフルオロカーボン鎖の少なくとも一種を有する
ことが望ましい。
It is desirable that the silane compound has at least one of a hydrocarbon chain and a fluorocarbon chain.

【0020】また、フェノール性水酸基、カルボキシル
基、ラクトン基、カルボニル基、キノン基または無水カ
ルボン酸より選ばれる少なくとも1つの官能基を介し
て、炭素粒子もしくは炭素繊維と、シラン化合物とを化
学結合したことが有効である。
The carbon particles or carbon fibers and the silane compound are chemically bonded via at least one functional group selected from phenolic hydroxyl groups, carboxyl groups, lactone groups, carbonyl groups, quinone groups and carboxylic anhydrides. It is effective.

【0021】また、本発明の燃料電池用電極の製造方法
は、触媒粒子、触媒担体、炭素粒子または炭素繊維より
選ばれる少なくとも1種の被接合材料を、シラン化合物
を含有した溶媒に浸漬することで、前記被接合材料の表
面にシラン化合物を化学吸着させた後、前記被接合材料
の表面と、前記シラン化合物の分子中のシリコン原子と
の化学結合を行うことで、水素イオンの拡散層を形成す
ることを特徴とする。
Further, in the method for producing an electrode for a fuel cell according to the present invention, at least one material to be joined selected from catalyst particles, catalyst carriers, carbon particles or carbon fibers is immersed in a solvent containing a silane compound. Then, after chemically adsorbing the silane compound on the surface of the material to be joined, the surface of the material to be joined is chemically bonded to silicon atoms in the molecules of the silane compound, thereby forming a hydrogen ion diffusion layer. It is characterized by forming.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】シラン化合物の加水分解性基を、
触媒金属表面や触媒の担持体である炭素材料の表面で、
溶液中あるいは空気中の水分、触媒表面の吸着水分によ
り加水分解する。このとき、前記の加水分解性基は、活
性なシラノール基(≡SiOH)に変化し、触媒金属表
面の酸化物や炭素材料表面の官能基と反応し、強固な結
合を形成することができる。このシラン化合物に、スル
ホン基やカルボキシル基などの水素イオン解離性官能基
を持たせることにより、触媒表面に水素イオン導電層を
単分子状に被覆させることができる。そして、これを触
媒金属および炭素担体に被覆することにより、単分子状
の水素イオンチャネルを形成することが可能となる。単
分子は、数nmから数十nmに制御することが可能であ
る。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A hydrolyzable group of a silane compound is
On the surface of the catalyst metal or the surface of the carbon material that is the support for the catalyst,
It is hydrolyzed by water in solution or air and water adsorbed on the catalyst surface. At this time, the hydrolyzable group is converted into an active silanol group (≡SiOH), and reacts with an oxide on the surface of the catalytic metal or a functional group on the surface of the carbon material to form a strong bond. By providing the silane compound with a hydrogen ion dissociating functional group such as a sulfone group or a carboxyl group, the hydrogen ion conductive layer can be monomolecularly coated on the catalyst surface. Then, by coating this with a catalyst metal and a carbon support, a monomolecular hydrogen ion channel can be formed. A single molecule can be controlled to several nm to several tens nm.

【0023】一般に、高分子電解質は深さが、約数百n
mまでは燃料電池の電極反応に十分なガス供給能を示
す。従って、本発明における高分子電解質層は、十分な
ガス溶解性を保つことができ、従来から使用されている
サブミクロンオーダーのPTFEディスパージョン粒子
を用いた場合のように、触媒表面を被覆して反応ガスの
供給を妨げる事がない。
Generally, a polymer electrolyte has a depth of about several hundred n.
Up to m, a sufficient gas supply capacity for the electrode reaction of the fuel cell is exhibited. Therefore, the polymer electrolyte layer in the present invention can maintain sufficient gas solubility, and can cover the catalyst surface as in the case of using conventionally used submicron-order PTFE dispersion particles. There is no hindrance to the supply of reaction gas.

【0024】図1に本発明の実施例である燃料電池用電
極の断面の様子を示した。図1において、上述のように
触媒粉末に高分子電解質層を均一に吸着させるので、電
極1の触媒層2の内部で、触媒の微粒子3と炭素微粉末
4と高分子電解質5とを、相互に均一に密着した状態に
することが可能となる。
FIG. 1 shows a cross section of an electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, since the polymer electrolyte layer is uniformly adsorbed on the catalyst powder as described above, inside the catalyst layer 2 of the electrode 1, the catalyst fine particles 3, the carbon fine powder 4, and the polymer electrolyte 5 are exchanged. It can be brought into a state of evenly contacting the surface.

【0025】このような触媒層2の構成によって、水素
などの燃料ガスもしくは酸素などの酸化剤ガスの供給路
となる炭素粉末4相互の空孔が形成するガスチャネル7
と、高分子電解質層5が形成する水素イオンチャネル8
と、炭素微粉末相互が接続して形成する電子チャネル6
の3つのチャネルが、同じ触媒層内部の極めて近傍に効
率よく形成できる。図中9はガス拡散層、10は固体高
分子電解質膜である。
With such a structure of the catalyst layer 2, a gas channel 7 in which pores are formed between the carbon powder 4 and the supply path of a fuel gas such as hydrogen or an oxidizing gas such as oxygen.
And a hydrogen ion channel 8 formed by the polymer electrolyte layer 5
And an electron channel 6 formed by connecting the carbon fine powders to each other
Can be efficiently formed very close inside the same catalyst layer. In the figure, 9 is a gas diffusion layer, and 10 is a solid polymer electrolyte membrane.

【0026】このとき、水素極及び酸素極ではそれぞ
れ、
At this time, at the hydrogen electrode and the oxygen electrode,

【0027】[0027]

【化1】 Embedded image

【0028】[0028]

【化2】 Embedded image

【0029】で示した反応がおこる。このとき、図1に
示した電極を用いると、水素及び酸素ガスの供給と、水
素イオン及び電子の伝達が、同時にかつスムーズに広範
囲で行われ、反応速度と反応面積が増大し、より高い放
電性能を発揮する固体高分子型燃料電池を実現すること
が可能となる。
The reaction shown in the above occurs. At this time, when the electrode shown in FIG. 1 is used, the supply of hydrogen and oxygen gas and the transfer of hydrogen ions and electrons are performed simultaneously and smoothly over a wide range, the reaction speed and the reaction area are increased, and higher discharge is achieved. A polymer electrolyte fuel cell exhibiting high performance can be realized.

【0030】さらに、単分子のサイズが十分小さいため
に、従来より使用されている数百nmオーダーの高分子
電解質分子が、吸着できなかった細孔内部の触媒を被覆
することができる。このため、細孔内部の触媒にも水素
イオンチャネルを形成し、反応に寄与させることができ
る。
Further, since the size of the single molecule is sufficiently small, the conventionally used polyelectrolyte molecules of the order of several hundred nm can coat the catalyst inside the pores that could not be adsorbed. For this reason, a hydrogen ion channel can also be formed in the catalyst inside the pores and contribute to the reaction.

【0031】このとき、シラン化合物にハイドロカーボ
ン鎖を持たせることにより、高分子層の撥水性を高める
事ができ、また、フルオロカーボン鎖を持たせることに
より、高分子層の撥水性を更に高めることができる。
At this time, the water repellency of the polymer layer can be increased by giving the silane compound a hydrocarbon chain, and the water repellency of the polymer layer can be further increased by giving the silane compound a fluorocarbon chain. Can be.

【0032】また、シラン化合物の末端を、−SO3H
や−COOH基などで置換し、親水性を高めた場合に
は、電極の保水力が向上し、例えば燃料電池を低電流密
度で作動し、生成水が少ない場合や低加湿の空気での作
動にも、電極が一定の保水力を保ち、高い性能が得られ
る。そして、撥水性を高めた場合には、例えば燃料電池
を高電流密度で作動し、生成水が多い場合や高加湿の空
気での作動にも、電極のガス拡散能力が向上し、高い性
能が得られる。
The terminal of the silane compound is -SO3H
When the electrode is replaced with -COOH group or the like to increase the hydrophilicity, the water retention of the electrode is improved. For example, the fuel cell is operated at a low current density, and when the generated water is small or the air is operated with low humidification air In addition, the electrode maintains a constant water holding power, and high performance is obtained. When the water repellency is increased, for example, the fuel cell is operated at a high current density, and the gas diffusion capacity of the electrode is improved even in the case of generating a large amount of water or operating in a highly humidified air. can get.

【0033】また、図2に示したように、水素イオン解
離性の官能基と、ハイドロカーボン鎖を持つ撥水性のシ
ラン化合物を用いて触媒表面に水素イオンチャネルを形
成し、フルオロカーボン鎖をもつ更に強い撥水性のシラ
ン化合物を用いて触媒表面にガスチャネルを形成するこ
ともできる。これをもちいると、高電流密度域でより高
い分極特性を示す固体高分子型燃料電池を実現すること
が可能となる。なお、フルオロカーボン鎖をもつ撥水性
のシラン化合物を、触媒を担持していない炭素粉末に被
覆することにより、撥水性の単分子層11を形成するこ
とができ、触媒表面積を低減することなくガスチャネル
7を形成することができる。
As shown in FIG. 2, a hydrogen ion channel is formed on the surface of the catalyst by using a water-repellent silane compound having a hydrogen ion dissociating functional group and a hydrocarbon chain, and further having a fluorocarbon chain. A gas channel can also be formed on the catalyst surface using a strongly water-repellent silane compound. By using this, it becomes possible to realize a polymer electrolyte fuel cell exhibiting higher polarization characteristics in a high current density region. By coating a water-repellent silane compound having a fluorocarbon chain on carbon powder not carrying a catalyst, a water-repellent monolayer 11 can be formed, and the gas channel can be formed without reducing the catalyst surface area. 7 can be formed.

【0034】さらに、以上の構成で用いた高分子電解質
層と、従来より使用されている米国アルドリッチ・ケミ
カル社製”Nafion溶液”のような高分子電解質を
混合することにより、細孔内部の触媒から電解質膜表面
まで、連続した水素イオンチャネルが形成でき、反応面
積が広く、内部抵抗の小さい高性能な電極を実現でき
る。
Further, by mixing the polymer electrolyte layer used in the above configuration and a polymer electrolyte such as "Nafion solution" conventionally used by Aldrich Chemical Co., USA, the catalyst inside the pores is mixed. , A continuous hydrogen ion channel can be formed from the surface to the surface of the electrolyte membrane, and a high-performance electrode having a large reaction area and small internal resistance can be realized.

【0035】また、シラン化合物の加水分解性基を、触
媒金属表面や触媒の担持体である炭素材料の表面で、溶
液中あるいは空気中の水分、触媒表面の吸着水分により
加水分解する。このとき、前記の加水分解性基は、活性
なシラノール基(≡SiOH)に変化し、触媒金属表面
の酸化物や炭素材料表面の官能基と反応し、強固な結合
を形成することができる。このシラン化合物にアミド基
やアミン基などの、非共有電子対を有する窒素原子を持
つ塩基性官能基を末端に持たせると、スルホン酸などの
酸基を有する高分子電解質と相互作用を生起することが
できる。このとき、単分子表面上すなわち触媒担体の表
面近傍に、高分子電解質を強く引きつけ高分子電解質層
を形成することができる。これにより触媒及び触媒担体
表面に緻密な水素イオン導電層である水素イオンチャネ
ルを形成することが可能となる。
In addition, the hydrolyzable groups of the silane compound are hydrolyzed on the surface of the catalyst metal or the surface of the carbon material as a support of the catalyst by the water in the solution or in the air, or the water adsorbed on the surface of the catalyst. At this time, the hydrolyzable group is converted into an active silanol group (≡SiOH), and reacts with an oxide on the surface of the catalytic metal or a functional group on the surface of the carbon material to form a strong bond. When the silane compound has a basic functional group having a nitrogen atom having an unshared electron pair, such as an amide group or an amine group, at the terminal, interaction with a polymer electrolyte having an acid group such as sulfonic acid occurs. be able to. At this time, the polymer electrolyte can be strongly attracted to the monomolecular surface, that is, in the vicinity of the surface of the catalyst carrier, to form a polymer electrolyte layer. This makes it possible to form a hydrogen ion channel, which is a dense hydrogen ion conductive layer, on the surfaces of the catalyst and the catalyst carrier.

【0036】この効果は、触媒担体を被覆した単分子層
の塩基性と、高分子電解質の酸性の相互作用が、触媒金
属のより近くに高分子電解質を存在させることを可能に
したことによる。
This effect is due to the interaction between the basicity of the monolayer coated with the catalyst support and the acidic nature of the polymer electrolyte, which allows the presence of the polymer electrolyte closer to the catalytic metal.

【0037】また、高分子電解質が触媒近傍に存在し、
触媒金属を被覆する割合が増加することは、触媒反応に
より生成した水素イオンの輸送を効果的に行う水素イオ
ンチャンネルが形成されると共に触媒効率の向上を可能
にした。
Further, a polymer electrolyte exists near the catalyst,
The increase in the rate of coating with the catalytic metal enables the formation of a hydrogen ion channel for effectively transporting the hydrogen ions generated by the catalytic reaction, and the improvement of the catalytic efficiency.

【0038】単分子層を形成するシラン化合物の主鎖骨
格が炭化水素鎖の場合、炭化水素鎖の撥水性は比較的弱
いので、触媒層全体が塗れた状態をとる。これは、電極
の保水力が向上したことを示す。すなわち、燃料電池を
低電流密度で作動させ生成水が少ない場合や低加湿の空
気での作動にも、電極が一定の保水力を保ち、高い性能
が得られることを示す。
When the main chain skeleton of the silane compound forming the monomolecular layer is a hydrocarbon chain, the water repellency of the hydrocarbon chain is relatively weak, so that the entire catalyst layer is in a painted state. This indicates that the water retention capacity of the electrode has been improved. In other words, it shows that the electrode maintains a constant water retention capacity and high performance can be obtained even when the fuel cell is operated at a low current density and the amount of generated water is small or when the fuel cell is operated with low humidified air.

【0039】一方、フッ化水素鎖は撥水性が高く、図7
に示したように、フッ化水素鎖をもつシラン化合物を用
いて単分子層71を形成し、高分子電解質としてフッ化
水素鎖を持つもの(例えば、旭硝子製フレミオン)を用
いた場合、両方の撥水効果により、単分子層71と高分
子電解質層72との間に撥水層73を形成することがで
きる。このとき、撥水層73に存在する水は、前述の両
層の撥水効果により、さらに反応生成水を系外へ取り出
しやすくなり、電極内を適当な状態で加湿する効果(フ
ラッディング抑制効果)を維持することができる。
On the other hand, the hydrogen fluoride chain has high water repellency,
As shown in the above, when the monomolecular layer 71 is formed using a silane compound having a hydrogen fluoride chain, and a polymer electrolyte having a hydrogen fluoride chain (for example, Flemion manufactured by Asahi Glass) is used for both, The water-repellent layer 73 can be formed between the monomolecular layer 71 and the polymer electrolyte layer 72 by the water-repellent effect. At this time, the water present in the water-repellent layer 73 makes it easier to take out the reaction product water out of the system due to the water-repellent effect of both layers described above, and the effect of humidifying the inside of the electrode in an appropriate state (flooding suppression effect). Can be maintained.

【0040】このように、高分子型燃料電池を高電流密
度で作動させ、生成水が多い場合や高加湿の空気を用い
たときも、この撥水効果により電極中では十分なガス拡
散能力が発揮することができ、充分高い電池性能が得ら
れる。
As described above, even when the polymer fuel cell is operated at a high current density and a large amount of water is generated, or when highly humidified air is used, a sufficient gas diffusion capacity is provided in the electrode due to the water repellent effect. It can be exerted and a sufficiently high battery performance can be obtained.

【0041】また、炭化水素鎖を持つシラン化合物を用
いた場合は、触媒表面に水素イオンチャネルを形成する
ことができ、また、フッ化水素鎖を持つシラン化合物を
用いた場合は、触媒表面にガスチャネルを形成すること
ができる。以上のように、シラン化合物の主鎖骨格を変
えることで、電極中の触媒層の特性を適当な作動環境に
合わせ設計することができ、高い放電特性を示す高分子
型燃料電池の実現を可能とする。
When a silane compound having a hydrocarbon chain is used, a hydrogen ion channel can be formed on the surface of the catalyst, and when a silane compound having a hydrogen fluoride chain is used, a hydrogen ion channel can be formed on the surface of the catalyst. Gas channels can be formed. As described above, by changing the main chain skeleton of the silane compound, the characteristics of the catalyst layer in the electrode can be designed according to an appropriate operating environment, and a polymer fuel cell exhibiting high discharge characteristics can be realized. And

【0042】以下、本発明の燃料電池について図面を参
照して述べる。
Hereinafter, the fuel cell of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0043】[0043]

【実施例】(実施例1)図3に示したように、粒径約1
nm〜10nm程度の粒子状の白金よりなる触媒粒子3
を、20重量%担持した炭素粒子4の表面に、窒素ガス
雰囲気中で直接に化学吸着によりシラン化合物を吸着反
応させて、シラン化合物よりなる単分子の保護膜を形成
した。シラン化合物としては、直鎖状のハイドロカーボ
ン鎖を持つCH3−(CH2)n−SiCl3(nは1
0以上で25以下の正数)を用い、1重量%の濃度で溶
解したn−ヘキサンを調整し、これに前述の白金粒子を
担持した炭素粉末を浸漬した。
EXAMPLES (Example 1) As shown in FIG.
catalyst particles 3 made of platinum in a particle size of about 10 nm to 10 nm
Was directly reacted with a silane compound by chemical adsorption in a nitrogen gas atmosphere on the surface of the carbon particles 4 carrying 20% by weight of the compound to form a monomolecular protective film made of the silane compound. As the silane compound, CH3- (CH2) n-SiCl3 having a linear hydrocarbon chain (n is 1
(0 to 25), n-hexane dissolved at a concentration of 1% by weight was prepared, and the above-mentioned carbon powder carrying platinum particles was immersed therein.

【0044】このとき触媒粒子3の表面には、自然酸化
膜が形成されており、ここには−OH基や酸化物が含ま
れている。また、炭素粉末4は、その表面に、フェノー
ル性水酸基、カルボキシル基、ラクトン基、カルボニル
基、キノン基、無水カルボン酸などの表面官能基が存在
するものを用いた。そこで、−SiCl3基、−OH基
や、その他の官能基や酸化物と脱HCl反応をすること
で、シラン化合物による単分子吸着膜12を、触媒金属
3の表面と、炭素担体4の表面とに、約2nm〜10n
m程度の厚みで形成した。また、単分子の分子量を変え
ることにより、1nm〜100nm程度の厚みで成形す
ることが可能であった。
At this time, a natural oxide film is formed on the surface of the catalyst particles 3, and contains a -OH group and an oxide. The carbon powder 4 used had a surface functional group such as a phenolic hydroxyl group, a carboxyl group, a lactone group, a carbonyl group, a quinone group, and carboxylic anhydride present on the surface. Therefore, by performing a dehydrochlorination reaction with -SiCl3 group, -OH group, and other functional groups and oxides, the monomolecular adsorption film 12 made of a silane compound is formed on the surface of the catalyst metal 3 and the surface of the carbon carrier 4. About 2 nm to 10 n
m. Further, by changing the molecular weight of a single molecule, it was possible to mold the film to a thickness of about 1 nm to 100 nm.

【0045】なお、化学吸着の材料としては、−OH基
や酸化物に対して結合性を有する基、例えば≡SiCl
基等を含んでいれば、上記で用いたシラン化合物に限定
されるものではない。
Examples of the material for chemical adsorption include a —OH group and a group having a binding property to an oxide, for example, ≡SiCl
It is not limited to the silane compound used above as long as it contains a group or the like.

【0046】また、図4に示したように、水素イオン解
離性官能基として、例えばスルホン基やカルボキシル基
などを含むシラン化合物である、SiCl3−(CH
2)n−SO2Cl(n:整数)や、SiCl3−(C
H2)n−COOCH3(n:整数)、SiCl3−
(CH2)n−(C6H4)−SO2Cl(n:整
数)、SiCl3−(CH2)n−(C6H4)−CO
OCH3(n:整数)等を用い、これを加水分解して用
いることができた。この方法により、水素イオン導電性
の単分子層13を触媒金属3および炭素担体4表面に形
成した。
As shown in FIG. 4, SiCl 3-(CH 2) is a silane compound containing, for example, a sulfone group or a carboxyl group as a hydrogen ion dissociating functional group.
2) n-SO2Cl (n: integer) or SiCl3- (C
H2) n-COOCH3 (n: integer), SiCl3-
(CH2) n- (C6H4) -SO2Cl (n: integer), SiCl3- (CH2) n- (C6H4) -CO
OCH3 (n: integer) or the like was used, and this was hydrolyzed and used. By this method, a hydrogen ion conductive monolayer 13 was formed on the surfaces of the catalyst metal 3 and the carbon support 4.

【0047】(実施例2)本実施例では、直鎖状のハイ
ドロカーボン鎖の一部にフッ素を含むシラン化合物、S
iCl3−(CH2)2−CF3を、還状シリコンオイ
ル(信越化学工業製KF994)に溶かして用い、前述
の実施例1で示した方法と同じ方法で、撥水性の単分子
層11を炭素担体の表面に形成した。このようなシラン
化合物を用いると、電極内の撥水性を向上でき、反応ガ
スを供給するガスチャネルを形成できた。
Example 2 In this example, a silane compound containing fluorine in a part of a linear hydrocarbon chain,
Using iCl3- (CH2) 2-CF3 dissolved in recirculated silicon oil (KF994 manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.), the water-repellent monomolecular layer 11 was converted to a carbon carrier by the same method as described in Example 1 above. Formed on the surface. By using such a silane compound, the water repellency in the electrode could be improved, and a gas channel for supplying a reaction gas could be formed.

【0048】なを、直鎖状のハイドロカーボン鎖の一部
にフッ素を含むシラン化合物として、SiCl3−(C
H2)2−(CF2)m−CF3(mは0以上9以下の
整数)を用いることもできた。
As a silane compound containing fluorine as a part of a linear hydrocarbon chain, SiCl3- (C
H2) 2- (CF2) m-CF3 (m is an integer of 0 or more and 9 or less) could also be used.

【0049】(実施例3)本実施例では、水素イオン解
離性官能基として、スルホン基を含み、直鎖状のハイド
ロカーボン鎖の一部にフッ素を含むシラン化合物であ
る、SiCl3−(CH2)n−(CF2)m−SO3
H(n,mは2から10の整数)を用いることにより、
水素イオン導電性の単分子層13を触媒金属3および炭
素担体4表面に形成した。
Example 3 In this example, SiCl3- (CH2) is a silane compound containing a sulfone group as a hydrogen ion dissociating functional group and containing fluorine in a part of a linear hydrocarbon chain. n- (CF2) m-SO3
By using H (n and m are integers from 2 to 10),
A hydrogen ion conductive monolayer 13 was formed on the surfaces of the catalyst metal 3 and the carbon carrier 4.

【0050】なを、水素イオン解離性官能基として、例
えばスルホン基やカルボキシル基などを含み、直鎖状の
ハイドロカーボン鎖の一部にフッ素を含むシラン化合物
とした、SiCl3−(CH2)2−(CF2)m−S
O2Cl(n、mは整数)、SiCl3−(CH2)2
−(CF2)m−COOCH3(n、mは整数)、Si
Cl3−(CH2)2−(CF2)m−(C6H4)−
SO2Cl(n、mは整数)、SiCl3−(CH2)
2−(CF2)m−(C6H4)−COOCH3(mは
整数)を用い、これを加水分解しても効果を得ることが
できた。
A silane compound containing, for example, a sulfone group or a carboxyl group as a hydrogen ion dissociating functional group and containing fluorine in a part of a linear hydrocarbon chain is used. (CF2) m-S
O2Cl (n and m are integers), SiCl3- (CH2) 2
-(CF2) m-COOCH3 (n and m are integers), Si
Cl3- (CH2) 2- (CF2) m- (C6H4)-
SO2Cl (n and m are integers), SiCl3- (CH2)
Even if 2- (CF2) m- (C6H4) -COOCH3 (m is an integer) was hydrolyzed, an effect could be obtained.

【0051】(比較例1)比較のために米国アルドリッ
チ・ケミカル社製の”5重量%−Nafion溶液”を
用い、これと粒径1nm〜10nm程度の白金触媒超微
粒子3とを、20重量%担持させた炭素微粉末4を作成
した。この炭素微粉末4とブタノールとを混合し、ボー
ルミルで分散した後、カーボンペーパー(東レ製、TGP-
H-120、膜厚360μm)上に、塗工し触媒層2を形成
した電極1を作成した。
(Comparative Example 1) For comparison, a "5% by weight-Nafion solution" manufactured by Aldrich Chemical Company, USA was used, and this was mixed with 20% by weight of ultrafine platinum catalyst particles 3 having a particle size of about 1 nm to 10 nm. A supported carbon fine powder 4 was prepared. After mixing this carbon fine powder 4 and butanol and dispersing them in a ball mill, carbon paper (manufactured by Toray, TGP-
The electrode 1 was formed by coating and forming a catalyst layer 2 on H-120 (thickness: 360 μm).

【0052】(評価1)以上の通り、実施例1,実施例
2、実施例3及び比較例に記載した電極触媒粉末を用
い、これをガス拡散層9であるカーボンペーパー(東レ
製、TGP-H-120、膜厚360μm)上に、塗工すること
で触媒層2を形成し、これを電極1とした。このように
して作製した電極をNafion膜(Dupon製、N
afion112)10の両側に配してホットプレスを
行い電極−電解質接合体を作製し、これらの単電池を図
5に示した燃料電池の測定セルを作成して試験を行っ
た。
(Evaluation 1) As described above, the electrode catalyst powders described in Example 1, Example 2, Example 3, and Comparative Example were used, and this was used as a carbon paper as a gas diffusion layer 9 (manufactured by Toray, TGP- H-120, thickness 360 μm) was applied to form a catalyst layer 2, which was used as an electrode 1. The electrode fabricated in this manner was connected to a Nafion film (manufactured by Dupont, N
afion112) 10 and hot-pressed to produce an electrode-electrolyte assembly. These cells were tested by preparing a fuel cell measurement cell shown in FIG.

【0053】図5において、10は固体高分子電解質膜
である。図5中、14および15はそれぞれ負極及び正
極である。固体高分子電解質の添加量は、両極とも見か
け電極面積当たり1.0mg/cm2としたが、0.1
〜3.0mg/cm2の範囲では同等の特性が得られ
た。また、白金の添加量は、同じく電極面積当たりの重
量で0.5mg/cm2とした。
In FIG. 5, reference numeral 10 denotes a solid polymer electrolyte membrane. In FIG. 5, 14 and 15 are a negative electrode and a positive electrode, respectively. The amount of the solid polymer electrolyte added was 1.0 mg / cm 2 per apparent electrode area for both electrodes, but 0.1 mg / cm 2.
In the range of mg3.0 mg / cm 2, equivalent characteristics were obtained. The amount of platinum added was 0.5 mg / cm 2 in weight per electrode area.

【0054】これらの単電池の負極14に水素ガスを正
極15に空気を流し、電池温度を75℃、燃料利用率を
80%、空気利用率を30%、ガス加湿は水素ガスを7
5℃、空気を65℃の露点になるように調整し、電池の
放電試験を行った。
The hydrogen gas was supplied to the negative electrode 14 of these cells, and the air was supplied to the positive electrode 15. The battery temperature was 75 ° C., the fuel utilization was 80%, the air utilization was 30%, and the gas humidification was 7 hydrogen.
The battery was subjected to a discharge test by adjusting the temperature to 5 ° C. and the air to a dew point of 65 ° C.

【0055】実施例1、3および比較例の方法を用いて
作成した単電池をそれぞれA、BおよびXとし、実施例
1の処理した触媒粉末と実施例2の処理をした炭素担体
を混合して、触媒層を作成した単電池をCとした。
The cells prepared using the methods of Examples 1, 3 and Comparative Example were designated A, B and X, respectively, and the catalyst powder treated in Example 1 and the carbon support treated in Example 2 were mixed. Thus, the unit cell on which the catalyst layer was formed was designated as C.

【0056】図6に本発明の実施例および比較例1の電
池A,B、CおよびXの電流−電圧特性を示した。ま
た、電池電圧を反応律速領域である850mVとしたと
きの電流密度特性と、電池の電流密度を1000mA/
cm2としたときの電池電圧を表1に示した。
FIG. 6 shows the current-voltage characteristics of the batteries A, B, C and X of the example of the present invention and the comparative example 1. The current density characteristics when the battery voltage was 850 mV, which is a reaction rate-determining region, and the current density of the battery was 1000 mA /
Table 1 shows the battery voltage in cm 2.

【0057】[0057]

【表1】 [Table 1]

【0058】表1において、電池電圧を850mVとし
たときの電流密度をみると、比較例1の電池Cは9mA
/cm2であるのに比べ、本実施例の電極を用いた電池
A,B,Cは、それぞれ48,50,50mA/cm2
の電流密を維持し、これを比較例と比べると約5倍以上
のすぐれた特性であった。この理由は、本発明の電極は
比較例の電極に比べて、5倍以上の反応面積を持つこと
によるものと考える。
In Table 1, looking at the current density when the battery voltage was 850 mV, the battery C of Comparative Example 1 was 9 mA.
/ Cm 2, the batteries A, B, and C using the electrodes of this example were 48, 50, and 50 mA / cm 2, respectively.
, And the characteristics were about 5 times or more superior to those of the comparative example. It is considered that the reason for this is that the electrode of the present invention has a reaction area five times or more that of the electrode of the comparative example.

【0059】また、本発明の電極では、1nm〜100
nm程度の膜厚保を有する高分子の単分子を形成するこ
とができた。単分子のサイズが十分小さいために、従来
の”Nafion溶液”などのような数百nmオーダー
の高分子電解質分子が吸着できなかった細孔内部の触媒
を被覆することができ、細孔内部の触媒にも水素イオン
チャネルを形成し、反応に寄与させることができ、高い
電流密度が得られたと考える。
In the electrode of the present invention, 1 nm to 100 nm
A polymer single molecule having a thickness of about nm could be formed. Since the size of the single molecule is sufficiently small, it is possible to coat the catalyst inside the pore where the polyelectrolyte molecules of the order of several hundred nm, such as the conventional “Nafion solution”, could not be adsorbed. It is considered that a hydrogen ion channel was also formed in the catalyst, which could contribute to the reaction, and that a high current density was obtained.

【0060】また、電流密度を1000mA/cm2と
したときの電池電圧は、比較例の電池Cが0.29Vで
あるのと比べて、電池A,B,Cは、それぞれ0.5
5,0.64,0.66Vと、高い値を維持することが
できた。これは、上記のように本発明の電極は、反応面
積が大きいため、高い電流密度で駆動したときも比較例
と比較して高い特性が得られたものと考える。さらに、
電池Bでは、水素イオン導電性の単分子層自身がハイド
ロカーボン鎖の一部にフッ素を含むために、ガス溶解性
を向上することが可能となり、触媒へのガス供給能が向
上し、高電流密度領域での特性が向上したと考える。ま
た、電池Cでは、実施例1の処理した水素イオン導電性
の単分子層を吸着させた触媒粉末と、実施例2の直鎖状
のハイドロカーボン鎖の一部にフッ素を含む単分子層を
吸着させた炭素担体とを混合して、触媒層を形成したた
めに、さらに触媒層におけるガス供給能が増大し、高電
流密度領域における特性が向上したと考える。
When the current density was 1000 mA / cm 2, the battery voltage of each of the batteries A, B, and C was 0.59 V, compared to that of the battery C of the comparative example of 0.29 V.
A high value of 5, 0.64, 0.66 V was maintained. This is considered to be because the electrode of the present invention has a large reaction area as described above, so that even when driven at a high current density, higher characteristics were obtained as compared with the comparative example. further,
In the battery B, since the hydrogen ion conductive monolayer itself contains fluorine in a part of the hydrocarbon chain, the gas solubility can be improved, the gas supply capability to the catalyst is improved, and the high current It is considered that the characteristics in the density region have been improved. Further, in the battery C, the catalyst powder in which the treated hydrogen ion conductive monolayer of Example 1 was adsorbed and the monolayer containing fluorine in a part of the linear hydrocarbon chain of Example 2 were used. It is considered that, since the catalyst layer was formed by mixing with the adsorbed carbon carrier, the gas supply capability in the catalyst layer was further increased, and the characteristics in the high current density region were improved.

【0061】(実施例4)図8に示したように、粒径約
1nm〜10nm程度の粒子状の白金よりなる触媒粒子
81を、20重量%担持した炭素粒子82の表面に、窒
素ガス雰囲気中で直接に化学吸着によりシラン化合物を
吸着反応させて、シラン化合物よりなる単分子の保護膜
を形成した。シラン化合物としては、直鎖状のハイドロ
カーボン鎖を持つCH3−(CH2)n−Si(OCH3)3
(nは2以上で10以下の正数)を用い、1重量%の濃
度で溶解したエタノール溶液を調整し、これに前述の白
金粒子を担持した炭素粉末を浸漬し、60℃で1時間加
熱した。
Example 4 As shown in FIG. 8, a nitrogen gas atmosphere was applied to the surface of carbon particles 82 carrying 20% by weight of catalyst particles 81 made of particulate platinum having a particle size of about 1 nm to 10 nm. The silane compound was directly adsorbed and reacted by chemical adsorption in the inside to form a monomolecular protective film made of the silane compound. As the silane compound, CH 3 — (CH 2 ) n—Si (OCH 3 ) 3 having a linear hydrocarbon chain
(N is a positive number of 2 or more and 10 or less), an ethanol solution dissolved at a concentration of 1% by weight was prepared, and the above-mentioned carbon powder carrying platinum particles was immersed in the solution and heated at 60 ° C for 1 hour. did.

【0062】このとき触媒粒子81の表面には、自然酸
化膜が形成されており、ここには−OH基や酸化物が含
まれている。また、炭素粉末82は、その表面に、フェ
ノール性水酸基、カルボキシル基、ラクトン基、カルボ
ニル基、キノン基、無水カルボン酸などの表面官能基が
存在するものを用いた。そこで、−Si(OCH3)3基、
−OH基や、その他の官能基や酸化物と脱アルコール反
応をすることで、シラン化合物による単分子吸着膜83
を、触媒金属81の表面と、炭素担体82の表面とに、
約2nm〜10nm程度の厚みで形成した。また、単分
子の分子量を変えることにより、1nm〜100nm程
度の厚みで成形することが可能であった。
At this time, a natural oxide film is formed on the surface of the catalyst particles 81, and contains a —OH group and an oxide. The carbon powder 82 used had surface functional groups such as a phenolic hydroxyl group, a carboxyl group, a lactone group, a carbonyl group, a quinone group, and carboxylic anhydride present on the surface. So, -Si (OCH 3) 3 group,
By performing a dealcoholation reaction with —OH groups and other functional groups and oxides, the monomolecular adsorption film 83 made of a silane compound is formed.
On the surface of the catalyst metal 81 and the surface of the carbon support 82,
It was formed with a thickness of about 2 nm to 10 nm. Further, by changing the molecular weight of a single molecule, it was possible to mold the film to a thickness of about 1 nm to 100 nm.

【0063】なお、化学吸着の材料としては、−OH基
や酸化物に対して結合性を有する基、例えば≡Si(O
CH3)、≡Si(OC25)基等を含んでいれば、上記で
用いたシラン化合物に限定されるものではない。
As a material for the chemical adsorption, an —OH group or a group having a binding property to an oxide, for example, ≡Si (O
It is not limited to the silane compounds used above as long as they contain CH 3 ) and ≡Si (OC 2 H 5 ) groups.

【0064】また、図7に示したように、非共有電子対
を有する窒素原子を持つ塩基性官能基として、アミン基
を含むシラン化合物である、Si(OCH3)3−(C
2)n−NH2(nは、2以上で10以下の整数)を用
いた。この方法により、単分子層83を炭素粉末82表
面に形成した。さらに末端塩基性基の作用により、単分
子層83を被覆するように高分子電解質層84を、触媒
金属および炭素担体表面近傍に緻密に形成し、水素イオ
ン輸送を効果的に行う、水素イオンチャンネルを形成し
た。
As shown in FIG. 7, as a basic functional group having a nitrogen atom having an unshared electron pair, a silane compound containing an amine group, Si (OCH 3 ) 3- (C
H 2) n-NH 2 ( n used the integer of 10 or less) at 2 or more. By this method, a monomolecular layer 83 was formed on the surface of the carbon powder 82. Further, by the action of the terminal basic group, a polymer electrolyte layer 84 is formed densely near the surface of the catalyst metal and the carbon support so as to cover the monomolecular layer 83, and hydrogen ion transport is effectively performed. Was formed.

【0065】本実施例では、非共有電子対を有する窒素
原子を持つ塩基性官能基として、例えばアミド基やアミ
ン基を含むシラン化合物である、Si(OCH3)3−(C
2)n−NH2(nは、2以上で10以下の整数)、S
i(OCH3)3−(CH2)m−NH−(CH2)n−NH
2(m、nは、2以上で10以下の整数)、Si(OCH
3)3−(CH2)n−(C64)−NH2(nは、2以上
で10以下の整数)、Si(OCH3)3−(CH2)m−N
(CH32(mは、2以上で10以下の整数)、Si
(OCH3)3−(CH2)n−(C64)−N(CH3
2(nは、2以上で10以下の整数)、Si(OC25)3
−(CH2)n−N(CH2CH2OH)2(CH2)n(n
は、2以上で10以下の整数)を用いることもできた。
In this embodiment, as a basic functional group having a nitrogen atom having an unshared electron pair, for example, a silane compound containing an amide group or an amine group, Si (OCH 3 ) 3- (C
H 2 ) n-NH 2 (n is an integer of 2 or more and 10 or less), S
i (OCH 3) 3 - ( CH 2) m-NH- (CH 2) n-NH
2 (m and n are integers of 2 or more and 10 or less), Si (OCH
3) 3 - (CH 2) n- (C 6 H 4) -NH 2 (n is integer of 10 or less in 2 above), Si (OCH 3) 3 - (CH 2) m-N
(CH 3 ) 2 (m is an integer of 2 or more and 10 or less), Si
(OCH 3) 3 - (CH 2) n- (C 6 H 4) -N (CH 3)
2 (n is an integer of 2 or more and 10 or less), Si (OC 2 H 5 ) 3
- (CH 2) n-N (CH 2 CH 2 OH) 2 (CH 2) n (n
Is an integer of 2 or more and 10 or less).

【0066】(実施例5)本実施例では、塩基性官能基
として、アミン基を含むシラン化合物の直鎖の炭化水素
鎖の一部に、フッ素を含むものとして、Si(OCH3)3
−(CH2)n−(CF2)m−NH2(n,mは2から
10の整数)を用いることで、直鎖が炭化水素のものと
同様に単分子層12を触媒金属3および炭素担体4表面
に形成した。
Example 5 In this example, Si (OCH 3 ) 3 was used as a basic functional group in which a part of a linear hydrocarbon chain of a silane compound containing an amine group contained fluorine.
- (CH 2) n- (CF 2) m-NH 2 (n, m is an integer of 2 to 10) By using a straight-chain monolayer 12 catalyst metal 3 and similar to that of hydrocarbon It was formed on the surface of the carbon support 4.

【0067】なを、使用するシラン化合物として、アミ
ン基やアミド基を含むに、直鎖の炭化水素鎖の一部にフ
ッ素を含むものとして、Si(OCH3)3−(CH2)n
−(CF2)m−NH2(n,mは2から10の整数)、
Si(OCH3)3−(CH2)m−NH−(CH2)n−
(CF2)l−NH2(n,m,lは2から7の整数)、
Si(OCH3)3−(CH2)n−(CF2)m−N(C
32(n,mは2から8の整数)、Si(OCH3)3
(CH2)n−(CF2)m−(C64)−NH2(n,
mは2から7の整数)、Si(OCH3)3−(CH2)n
−(CF2)m−(C64)−N(CH32(n,mは2
から7の整数)、Si(OC25)3−(CH 2)n(CF
2)m−N(CH2CH2OH)2(n,mは2から7の整
数)を用いることもできた。
The silane compound to be used is
A part of a linear hydrocarbon chain to contain
Si (OCHThree)Three− (CHTwo) N
− (CFTwo) M-NHTwo(N and m are integers from 2 to 10),
Si (OCHThree)Three− (CHTwo) M-NH- (CHTwo) N-
(CFTwo) L-NHTwo(N, m, l are integers from 2 to 7),
Si (OCHThree)Three− (CHTwo) N- (CFTwo) M-N (C
HThree)Two(N and m are integers from 2 to 8), Si (OCHThree)Three
(CHTwo) N- (CFTwo) M- (C6HFour) -NHTwo(N,
m is an integer of 2 to 7), Si (OCHThree)Three− (CHTwo) N
− (CFTwo) M- (C6HFour) -N (CHThree)Two(N and m are 2
To an integer of 7), Si (OCTwoHFive)Three− (CH Two) N (CF
Two) M-N (CHTwoCHTwoOH)Two(N and m are integers from 2 to 7)
Number) could also be used.

【0068】(比較例2)比較のために米国アルドリッ
チ・ケミカル社製の”5重量%−Nafion溶液”を
用い、これと粒径1nm〜10nm程度の白金触媒超微
粒子3とを、20重量%担持させた炭素微粉末4を作成
した。この炭素微粉末4とブタノールとを混合し、ボー
ルミルで分散した後、カーボンペーパー(東レ製、TGP-
H-120、膜厚360μm)上に、塗工し触媒層2を形成
した電極1を作成した。
Comparative Example 2 For comparison, a "5% by weight-Nafion solution" manufactured by Aldrich Chemical Company, USA was used, and this was mixed with 20% by weight of platinum catalyst ultrafine particles 3 having a particle size of about 1 nm to 10 nm. A supported carbon fine powder 4 was prepared. After mixing this carbon fine powder 4 and butanol and dispersing them in a ball mill, carbon paper (manufactured by Toray, TGP-
The electrode 1 was formed by coating and forming a catalyst layer 2 on H-120 (thickness: 360 μm).

【0069】(評価2)以上の通り、実施例4、実施例
5及び比較例2に記載した電極触媒粉末を用い、これを
ガス拡散層であるカーボンペーパー(東レ製、TGP-H-12
0、膜厚360μm)上に、塗工することで触媒層を形
成し、これを電極とした。このようにして作製した電極
をNafion膜(Dupon製、Nafion11
2)10の両側に配してホットプレスを行い電極−電解
質接合体を作製し、これらの単電池を図4に示した燃料
電池の測定セルを作成して試験を行った。
(Evaluation 2) As described above, the electrode catalyst powders described in Examples 4, 5 and Comparative Example 2 were used, and this was used as a carbon paper (TGP-H-12, manufactured by Toray Co., Ltd.) as a gas diffusion layer.
0, a film thickness of 360 μm) to form a catalyst layer by coating, and this was used as an electrode. The electrode thus produced was used as a Nafion film (manufactured by Dupont, Nafion 11).
2) Disposed on both sides of 10 and hot-pressed to produce an electrode-electrolyte assembly. These cells were tested by preparing a fuel cell measurement cell shown in FIG.

【0070】これらの単電池の負極14に水素ガスを正
極15に空気を流し、電池温度を75℃、燃料利用率を
80%、空気利用率を30%、ガス加湿は水素ガスを7
5℃、空気を65℃の露点になるように調整し、電池の
放電試験を行った。
A hydrogen gas was supplied to the negative electrode 14 of these cells, and air was supplied to the positive electrode 15. The cell temperature was 75 ° C., the fuel utilization was 80%, the air utilization was 30%, and the gas humidification was 7 hydrogen.
The battery was subjected to a discharge test by adjusting the temperature to 5 ° C. and the air to a dew point of 65 ° C.

【0071】実施例4、5および比較例2で作成した電
極を用い作成した電池をそれぞれD(炭化水素鎖型)、
E(フッ化水素鎖型)およびY(非表面処理型)とし
た。
Batteries prepared using the electrodes prepared in Examples 4 and 5 and Comparative Example 2 were designated D (hydrocarbon chain type),
E (hydrogen fluoride chain type) and Y (non-surface treatment type).

【0072】図9に本発明の実施例および比較例の電池
D、EおよびYの電流−電圧特性を示した。また、電池
の駆動電流密度を、低電流密度である300mA/cm
2と、高電流密度である700mA/cm2としたとき
の電池電圧を表2に示した。
FIG. 9 shows the current-voltage characteristics of the batteries D, E and Y of the examples and comparative examples of the present invention. Further, the driving current density of the battery was set to 300 mA / cm, which is a low current density.
Table 2 shows the battery voltage at a high current density of 700 mA / cm2, which is a high current density of 700 mA / cm2.

【0073】[0073]

【表2】 [Table 2]

【0074】表2において、本発明の電極を用いた電池
D、Eは、比較例Yと比較し、電池特性が高くなること
が確認できた。
In Table 2, it was confirmed that the batteries D and E using the electrode of the present invention had higher battery characteristics than the comparative example Y.

【0075】本発明の電極と、比較例である従来より提
案された電極とを比べると、電極に含まれる高分子電解
質量、白金触媒量が、同程度であるにも関わらず、電池
D、Eが電池Yより特性が向上したのは、塩基性基を持
つシラン化合物が触媒担体表面を被覆し、単分子層を形
成し、この単分子層が、さらに触媒担体近傍に緻密な高
分子電解質層を形成することで、より高効率な水素イオ
ン交換を可能にしたことによるものと考える。
When the electrode of the present invention is compared with the conventionally proposed electrode as a comparative example, the batteries D and D have the same amount of polymer electrolyte and the same amount of platinum catalyst contained in the electrode. E has improved characteristics over battery Y because the silane compound having a basic group coats the surface of the catalyst carrier to form a monolayer, and this monolayer further forms a dense polymer electrolyte near the catalyst carrier. It is believed that the formation of the layer enabled more efficient hydrogen ion exchange.

【0076】また、表2において、シラン化合物の主鎖
骨格の違いが、電池特性に影響することを確認した。即
ち、比較的疎水性が弱い炭化水素鎖を有するシラン化合
物を用いた電極による電池は、電池の駆動電流が低いと
き、特にその効果が大きく、また、疎水性の強いフッ化
水素鎖を有するシラン化合物を用いた電極による電池
は、電池の駆動電流が高いとき、特にその効果が大きい
ものであった。
Further, in Table 2, it was confirmed that the difference in the main chain skeleton of the silane compound affected the battery characteristics. That is, a battery using an electrode using a silane compound having a relatively weakly hydrophobic hydrocarbon chain has a particularly large effect when the driving current of the battery is low, and a silane having a strongly hydrophobic hydrogen fluoride chain. The battery using the electrode using the compound was particularly effective when the driving current of the battery was high.

【0077】以上の実施例では、触媒担体である炭素粉
末に表面処理を行ったが、表面に−OH基や酸化物を有
する触媒金属であれば、本発明の構成は、触媒金属自体
にも利用できる。
In the above embodiments, the surface treatment was performed on the carbon powder as the catalyst carrier. However, if the catalyst metal has an —OH group or an oxide on the surface, the structure of the present invention can be applied to the catalyst metal itself. Available.

【0078】[0078]

【発明の効果】以上のように、本発明の電極は、触媒粒
子もしくは触媒担体の表面に水素イオンの表面拡散機能
を持ち、機能性高分子を吸着したことを特徴とする。こ
れにより、触媒金属表面や触媒の担持されている炭素表
面に単分子状の高分子電解質層を均一に吸着させ、細孔
内部の触媒にも水素イオンチャネルを形成することによ
って、反応面積が増大して、より高い放電性能を発揮す
る固体高分子型燃料電池を実現することが可能となる。
As described above, the electrode of the present invention is characterized in that it has a surface diffusion function of hydrogen ions on the surface of the catalyst particles or the catalyst carrier, and adsorbs a functional polymer. This increases the reaction area by uniformly adsorbing the monomolecular polymer electrolyte layer on the surface of the catalyst metal or the surface of the carbon carrying the catalyst, and forming a hydrogen ion channel also in the catalyst inside the pores. As a result, a polymer electrolyte fuel cell exhibiting higher discharge performance can be realized.

【0079】また、シラン化合物にハイドロカーボン鎖
を持たせることによってこの高分子層の親水性を高める
事ができ、例えば燃料電池を低電流密度で作動し、生成
水が少ない場合や低加湿の空気での作動にも、電極が一
定の保水力を保ち、高い性能が得られる。
The hydrophilicity of the polymer layer can be enhanced by giving the silane compound a hydrocarbon chain. For example, when the fuel cell is operated at a low current density and the amount of generated water is small, or when the humidified air is used. The electrode maintains a constant water retention capacity even when operated, and high performance is obtained.

【0080】さらに、フルオロカーボン鎖を持たせるこ
とによってこの高分子層の撥水性を高めることが可能と
なり、例えば燃料電池を高電流密度で作動し、生成水が
多い場合や高加湿の空気での作動にも、電極のガス拡散
能力が向上し、高い性能が得られる。
Further, by having a fluorocarbon chain, it is possible to increase the water repellency of this polymer layer. In addition, the gas diffusion capacity of the electrode is improved, and high performance is obtained.

【0081】さらに、反応面積が増大するために電極触
媒層に用いる貴金属触媒の使用量を従来よりも減らすこ
とができ、コスト低減効果が期待できるという利点もあ
る。
Further, since the reaction area is increased, the amount of the noble metal catalyst used for the electrode catalyst layer can be reduced as compared with the conventional case, and there is an advantage that a cost reduction effect can be expected.

【0082】また、本発明の電極は、触媒粒子もしくは
触媒担体の表面に水素イオンの表面拡散機能を持つ、機
能性高分子を吸着したことを特徴とする。この機能性高
分子は、高分子電解質層として機能する。この形成に
は、塩基性官能基を持つシラン化合物を用い、機能性高
分子としての単分子層を形成した。このように、水素イ
オンの表面拡散機能を持つ機能性高分子で、触媒担体の
表面を修飾することで触媒近傍に緻密な高分子電解質層
を形成し、効率的な水素イオンチャネルとガスチャンネ
ルを形成する。これにより、高い放電性能を発揮する高
分子型燃料電池を実現することができた。
Further, the electrode of the present invention is characterized in that a functional polymer having a surface diffusion function of hydrogen ions is adsorbed on the surface of the catalyst particles or the catalyst carrier. This functional polymer functions as a polymer electrolyte layer. For this formation, a monomolecular layer as a functional polymer was formed using a silane compound having a basic functional group. In this way, by modifying the surface of the catalyst carrier with a functional polymer that has a hydrogen ion surface diffusion function, a dense polymer electrolyte layer is formed near the catalyst, and efficient hydrogen ion channels and gas channels are created. Form. As a result, a polymer fuel cell exhibiting high discharge performance was realized.

【0083】また、高効率の水素イオン交換能を利用す
ることで、放電特性の低下を起こさず、電極触媒層に用
いられる貴金属触媒量の低減を可能とし、コストの低減
を図ることができた。
Further, by utilizing the high-efficiency hydrogen ion exchange capacity, the discharge characteristics did not deteriorate, the amount of the noble metal catalyst used in the electrode catalyst layer could be reduced, and the cost could be reduced. .

【0084】さらに、表面修飾するシラン化合物の骨格
構造を選択することで、電極の濡れ性を制御することが
できた。これにより、燃料電池の駆動条件に最適な、電
極触媒を作成することができた。
Further, by selecting the skeleton structure of the silane compound to be surface-modified, the wettability of the electrode could be controlled. As a result, an electrode catalyst optimal for driving conditions of the fuel cell could be produced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例における電極の断面を示
した概略図
FIG. 1 is a schematic view showing a cross section of an electrode according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2の実施例における電極の断面を示
した概略図
FIG. 2 is a schematic diagram showing a cross section of an electrode according to a second embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第1と第2の実施例における単分子膜
を吸着した触媒微粒子もしくは触媒担体の断面を示した
概念図
FIG. 3 is a conceptual diagram showing a cross section of a catalyst fine particle or a catalyst carrier adsorbing a monomolecular film in the first and second embodiments of the present invention.

【図4】本発明の第1と第2の実施例における吸着単分
子膜の概念を示した図
FIG. 4 is a view showing the concept of an adsorbed monolayer in the first and second embodiments of the present invention.

【図5】本発明の第1、第2及び第3の実施例の電極を
用いて構成した燃料電池の模式断面を示した図
FIG. 5 is a diagram showing a schematic cross section of a fuel cell constituted by using the electrodes of the first, second and third embodiments of the present invention.

【図6】本発明の第1、第2及び第3の実施例の電極を
用いて構成した燃料電池の特性を示した図
FIG. 6 is a diagram showing characteristics of a fuel cell constituted by using the electrodes of the first, second and third embodiments of the present invention.

【図7】本発明の第1と第2の実施例における触媒担体
表面を拡大した概念図
FIG. 7 is a conceptual diagram in which the surface of the catalyst carrier is enlarged in the first and second embodiments of the present invention.

【図8】本発明の第1と第2の実施例における単分子膜
を吸着した触媒微粒子もしくは触媒担体の断面を示した
概念図
FIG. 8 is a conceptual diagram showing a cross section of catalyst fine particles or a catalyst carrier adsorbing a monomolecular film in the first and second embodiments of the present invention.

【図9】本発明の第1、第2の実施例の電極を用いて構
成した燃料電池の特性を示した図
FIG. 9 is a diagram showing characteristics of a fuel cell configured using the electrodes of the first and second embodiments of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 電極 2 触媒層 3 触媒粒子 4 炭素粉末 5 高分子電解質 6 電子チャネル 7 ガスチャネル 8 水素イオンチャネル 9 ガス拡散層 10 固体高分子電解質膜 11 撥水性の単分子層 12 単分子吸着膜 13 水素イオン導電性の単分子層 14 負極 15 正極 Reference Signs List 1 electrode 2 catalyst layer 3 catalyst particles 4 carbon powder 5 polymer electrolyte 6 electron channel 7 gas channel 8 hydrogen ion channel 9 gas diffusion layer 10 solid polymer electrolyte membrane 11 water-repellent monolayer 12 monomolecular adsorption film 13 hydrogen ion Conductive monolayer 14 Negative electrode 15 Positive electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 行天 久朗 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 安本 栄一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 菅原 靖 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 羽藤 一仁 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 小原 英夫 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 西田 和史 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 酒井 修 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 神原 輝壽 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 小野 之良 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 武部 安男 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 4G069 AA03 AA08 BA08A BB08A BB08B BC75B BE05A BE32A BE34A CC32 EB18Y FA03 FB13 5H018 AA06 AS02 BB05 BB12 BB16 DD05 DD08 EE01 EE05 EE11 EE16 EE17 EE18  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Hisao Gyoten 1006 Kadoma Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Inside Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Inventor Yasushi Sugawara 1006 Kadoma, Kadoma, Osaka Prefecture Inside Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Inventor Kazuhito Hajito 1006 Odaka, Kazuma, Kadoma City, Osaka Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Hideo 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture, Japan Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Kazufumi Nishida 1006 Kadoma Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Inside the Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 1006 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Inventor Teruhisa Kamihara 1006 Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Inventor Nora Ono 1006 Kadoma Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Inventor Yasuo Takebe 1006 Odakadoma Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 4G069 AA03 AA08 BA08A BB08A BB08B BC75B BE05A BE32A BE34A CC32 EB18Y FA03 FB13 5H018 AA06 AS02 BB05 BB12 BB16 DD05 DD08 EE01 EE05 EE11 EE16 EE17 EE18

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固体高分子電解質膜と、前記固体高分子
電解質膜を挟んだ触媒反応層を有する一対の電極とを具
備した燃料電池において、前記電極は、触媒粒子もしく
は前記触媒粒子の担体の表面に、水素イオンの拡散層を
有することを特徴とする燃料電池用電極。
1. A fuel cell comprising a solid polymer electrolyte membrane and a pair of electrodes having a catalyst reaction layer sandwiching the solid polymer electrolyte membrane, wherein the electrode is formed of catalyst particles or a carrier of the catalyst particles. An electrode for a fuel cell, comprising a hydrogen ion diffusion layer on the surface.
【請求項2】 触媒粒子もしくは前記触媒粒子の担体の
表面に、シラン化合物を化学的に接合することで、水素
イオンの拡散層を形成したことを特徴とする請求項1記
載の燃料電池用電極。
2. The fuel cell electrode according to claim 1, wherein a diffusion layer of hydrogen ions is formed by chemically bonding a silane compound to the surface of the catalyst particles or the carrier of the catalyst particles. .
【請求項3】 触媒粒子もしくは前記触媒粒子の担体の
表面に、塩基性官能基を持つ有機化合物を修飾し、前記
有機化合物と水素イオン伝導性の固体電解質とで水素イ
オンの拡散層を形成したことを特徴とする請求項1記載
の燃料電池用電極。
3. An organic compound having a basic functional group is modified on the surface of the catalyst particle or the carrier of the catalyst particle, and a hydrogen ion diffusion layer is formed by the organic compound and a hydrogen ion conductive solid electrolyte. The fuel cell electrode according to claim 1, wherein:
【請求項4】 塩基性官能基は、非共有電子対を持つ窒
素原子を有することを特徴とする請求項3記載の燃料電
池用電極。
4. The fuel cell electrode according to claim 3, wherein the basic functional group has a nitrogen atom having a lone pair.
【請求項5】 塩基性官能基を持つ有機化合物は、シラ
ン化合物であることを特徴とする請求項2または3記載
の燃料電池用電極。
5. The fuel cell electrode according to claim 2, wherein the organic compound having a basic functional group is a silane compound.
【請求項6】 シラン化合物は、水素イオンを解離する
ことのできる官能基を有することを特徴とする請求項2
または5記載の燃料電池用電極。
6. The silane compound has a functional group capable of dissociating a hydrogen ion.
Or the fuel cell electrode according to 5.
【請求項7】 シラン化合物は、ハイドロカーボン鎖ま
たはフルオロカーボン鎖の少なくとも一種を有すること
を特徴とする請求項2、5または6記載の燃料電池用電
極。
7. The fuel cell electrode according to claim 2, wherein the silane compound has at least one of a hydrocarbon chain and a fluorocarbon chain.
【請求項8】 フェノール性水酸基、カルボキシル基、
ラクトン基、カルボニル基、キノン基または無水カルボ
ン酸より選ばれる少なくとも1つの官能基を介して、炭
素粒子もしくは炭素繊維と、シラン化合物とを化学結合
したことを特徴とする請求項2、5、6または7記載の
燃料電池用電極。
8. A phenolic hydroxyl group, a carboxyl group,
The carbon particles or carbon fibers and the silane compound are chemically bonded via at least one functional group selected from a lactone group, a carbonyl group, a quinone group and a carboxylic anhydride. Or the fuel cell electrode according to 7.
【請求項9】 触媒粒子、触媒担体、炭素粒子または炭
素繊維より選ばれる少なくとも1種の被接合材料を、シ
ラン化合物を含有した溶媒に浸漬することで、前記被接
合材料の表面にシラン化合物を化学吸着させた後、前記
被接合材料の表面と、前記シラン化合物の分子中のシリ
コン原子との化学結合を行うことで、水素イオンの拡散
層を形成することを特徴とする請求項1、2、3、4ま
たは5記載の燃料電池用電極の製造方法。
9. A silane compound is immersed in a solvent containing a silane compound by immersing at least one type of material to be bonded selected from catalyst particles, a catalyst carrier, carbon particles, and carbon fibers. 3. A hydrogen ion diffusion layer is formed by chemically bonding the surface of the material to be joined and silicon atoms in the molecules of the silane compound after the chemical adsorption. 6. The method for producing an electrode for a fuel cell according to 3, 4, or 5.
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