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JP2006134613A - Electrocatalyst for polymer electrolyte fuel cell and fuel cell using the same - Google Patents

Electrocatalyst for polymer electrolyte fuel cell and fuel cell using the same Download PDF

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JP2006134613A
JP2006134613A JP2004319736A JP2004319736A JP2006134613A JP 2006134613 A JP2006134613 A JP 2006134613A JP 2004319736 A JP2004319736 A JP 2004319736A JP 2004319736 A JP2004319736 A JP 2004319736A JP 2006134613 A JP2006134613 A JP 2006134613A
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JP
Japan
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electrode
platinum
fuel cell
noble metal
catalyst
Prior art date
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Pending
Application number
JP2004319736A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshinobu Okumura
善信 奥村
Kazuya Miyazaki
和也 宮崎
Masaaki Shibata
雅章 柴田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】高い触媒活性を有し、燃料電池の使用条件下で触媒活性の劣化を抑制可能な電極触媒、該電極触媒を有する燃料電池空気極、燃料電池を提供する。
【解決手段】プロトンを透過する固体高分子電解質膜と、電極触媒を含む触媒層を有する燃料極および空気極とからなる膜電極接合体をセパレーターを介して積層してなる固体高分子型燃料電池の前記空気極に用いる電極触媒であって、白金または白金を含む貴金属合金と、貴金属以外の金属酸化物からなる複合粒子からなる固体高分子型燃料電池用電極触媒、該電極触媒を有する燃料電池空気極、および燃料電池。
【選択図】図1
An electrode catalyst having high catalytic activity and capable of suppressing deterioration of catalytic activity under the use conditions of the fuel cell, a fuel cell air electrode having the electrode catalyst, and a fuel cell are provided.
A polymer electrolyte fuel cell comprising a membrane electrode assembly comprising a solid polymer electrolyte membrane that permeates protons, a fuel electrode having a catalyst layer containing an electrode catalyst, and an air electrode, with a separator interposed therebetween. An electrode catalyst for use in the air electrode, comprising platinum or a noble metal alloy containing platinum and a composite particle comprising a metal oxide other than a noble metal, an electrode catalyst for a polymer electrolyte fuel cell, and a fuel cell having the electrode catalyst Air electrode and fuel cell.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池用電極触媒、固体高分子型燃料電池用電極および固体高分子型燃料電池に関するものである。   The present invention relates to an electrode catalyst for a polymer electrolyte fuel cell, an electrode for a polymer electrolyte fuel cell, and a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池は、騒音、振動が少なく、有害な排出物がほとんどなく、燃料が持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換できるため、効率よく発電することができる等、高い省エネ性と優れた環境特性で、新しい時代のエネルギーシステムとして期待されている。中でも、固体高分子電解質型燃料電池は、低温で作動し、小型化、軽量化さらに扱いやすさなどの特長から、自動車用、家庭用コージェネ用さらに携帯用などの幅広い分野で実用化に向けた開発が進んでいる。   Fuel cells have high energy savings and excellent environmental characteristics such as low noise and vibration, almost no harmful emissions, and the ability to directly convert the chemical energy of the fuel into electrical energy, thus enabling efficient power generation. It is expected as an energy system in a new era. Above all, solid polymer electrolyte fuel cells operate at a low temperature, and have been commercialized in a wide range of fields such as automobiles, household cogeneration, and portables due to their features such as miniaturization, weight reduction, and ease of handling. Development is progressing.

固体高分子電解質型燃料電池は、プロトン(H+ )のみを透過するイオン交換性固体高分子膜(PEM)を電解質に用い、このPEMの両面に、触媒層を形成した燃料極と空気極の各電極を挟み付けた膜電極接合体(MEA)をセパレーターで積層して構成されている。燃料極に供給された水素が、触媒上で水素イオン(プロトン)と電子に分れ、空気極では供給された酸素がPEMを移動してきたプロトンと外部回路を移動してきた電子と反応して水になる。このように、電子が外部回路を移動し、電子とは逆の方向に電流が流れ、電気エネルギーを得ることができる。 The solid polymer electrolyte fuel cell uses an ion-exchange solid polymer membrane (PEM) that transmits only protons (H + ) as an electrolyte, and a fuel electrode having a catalyst layer formed on both sides of the PEM and an air electrode. A membrane electrode assembly (MEA) sandwiching each electrode is laminated with a separator. Hydrogen supplied to the fuel electrode is divided into hydrogen ions (protons) and electrons on the catalyst, and oxygen supplied to the air electrode reacts with protons moving through the PEM and electrons moving through the external circuit to form water. become. In this way, electrons move in the external circuit, current flows in the direction opposite to the electrons, and electric energy can be obtained.

各電極触媒上で起こる起電反応を下記に示す。   The electromotive reaction that occurs on each electrode catalyst is shown below.

Figure 2006134613
Figure 2006134613

酸素含有ガスが供給される空気極では、酸素含有ガスとして空気を供給することが行われているが、上記燃料極での水素の酸化反応に比べ空気極での酸素の還元反応は100倍以上遅く、空気極での酸素還元反応は、電池反応において律速となっており、高活性空気極触媒の開発は電池発電効率の向上において重要である。   In an air electrode to which an oxygen-containing gas is supplied, air is supplied as an oxygen-containing gas. However, the oxygen reduction reaction at the air electrode is more than 100 times the hydrogen oxidation reaction at the fuel electrode. Slowly, the oxygen reduction reaction at the air electrode is rate-limiting in the battery reaction, and the development of a highly active air electrode catalyst is important in improving battery power generation efficiency.

従来、空気極触媒の高活性化に関しては、カーボンブラックに代表されるカーボン担体に平均粒径が数nm程度の白金微粒子を担持した、いわゆる担持白金触媒が実用化されている(例えば、特許文献1および2参照)。さらに、高活性触媒として、白金合金触媒が発見され、これまで多くの研究がなされており、Pt−Ni,Pt−Co,Pt−Fe,Pt−Cr,Pt−Cu系で純白金と比べて大きな活性増大が得られている(例えば、非特許文献1および特許文献3参照)。   Conventionally, for high activation of an air electrode catalyst, a so-called supported platinum catalyst in which platinum fine particles having an average particle diameter of several nanometers are supported on a carbon support typified by carbon black has been put into practical use (for example, Patent Documents). 1 and 2). Furthermore, as a highly active catalyst, a platinum alloy catalyst has been discovered, and many studies have been made so far. Pt—Ni, Pt—Co, Pt—Fe, Pt—Cr, and Pt—Cu are compared with pure platinum. A large increase in activity has been obtained (see, for example, Non-Patent Document 1 and Patent Document 3).

上記白金合金微粒子触媒は、純白金微粒子に比べ高活性を示すが、燃料電池の使用条件下では、合金化元素が選択的に電解質に溶解するとともに、残存する微粒子最表面の白金も徐々に溶解し(例えば、非特許文献2および特許文献4参照)、また電解質に溶解した合金化元素イオンは、電解質と触媒層界面に析出し、電池性能の劣化を招くことになる(例えば、非特許文献3および4参照)。このため、燃料電池のさらなる性能向上と性能劣化を抑制するためには、合金化により白金の高活性化を実現するとともに、合金化元素の電解質中への溶出を抑制することが求められている。
米国特許第4,044,193号明細書 米国特許第4,136,059号明細書 特開2003−331855号公報 特開2003−142112号公報 “Journal of the Electrochemical Society”,145,4185(1998年) “触媒”,Vol.37,No.5,334(1995年) “NEDO”平成13年度成果報告書「固体高分子形燃料電池の研究開発、固体高分子形燃料電池の劣化要因に関する研究、劣化要因の基礎的研究(2)作動条件による劣化要因」 “第43回電池討論会要旨集”1D16,p.516(2002年)
The platinum alloy fine particle catalyst is more active than pure platinum fine particles, but under the conditions of use of the fuel cell, the alloying element selectively dissolves in the electrolyte, and the remaining platinum on the outermost surface of the fine particles gradually dissolves. (For example, see Non-Patent Document 2 and Patent Document 4) Further, alloying element ions dissolved in the electrolyte are deposited at the interface between the electrolyte and the catalyst layer, leading to deterioration of battery performance (for example, non-patent documents). 3 and 4). For this reason, in order to suppress further performance improvement and performance deterioration of the fuel cell, it is required to realize high activation of platinum by alloying and to suppress elution of alloying elements into the electrolyte. .
U.S. Pat. No. 4,044,193 US Pat. No. 4,136,059 JP 2003-331855 A JP 2003-142112 A “Journal of the Electrochemical Society”, 145, 4185 (1998) “Catalyst”, Vol. 37, no. 5,334 (1995) "NEDO" 2001 report "Research and development of polymer electrolyte fuel cells, research on degradation factors of polymer electrolyte fuel cells, basic research on degradation factors (2) Degradation factors due to operating conditions" “Abstracts of the 43rd Battery Discussion” 1D16, p. 516 (2002)

本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、高い触媒活性を有し、燃料電池の使用条件下で触媒活性の劣化を抑制可能な電極触媒、該電極触媒を有する燃料電池空気極、並びに前記燃料電池用電極を用いた燃料電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of such a background art. An electrode catalyst having high catalytic activity and capable of suppressing deterioration of catalytic activity under the use conditions of the fuel cell, and a fuel cell having the electrode catalyst An object of the present invention is to provide an air electrode and a fuel cell using the fuel cell electrode.

即ち、本発明は、プロトンを透過する固体高分子電解質膜と、電極触媒を含む触媒層を有する燃料極および空気極とからなる膜電極接合体を有する固体高分子型燃料電池の前記空気極に用いる電極触媒であって、白金または白金を含む貴金属合金と、貴金属以外の金属酸化物からなる複合粒子からなることを特徴とする固体高分子型燃料電池用電極触媒である。   That is, the present invention relates to the air electrode of a solid polymer fuel cell having a membrane electrode assembly comprising a solid polymer electrolyte membrane that transmits protons, a fuel electrode having a catalyst layer containing an electrode catalyst, and an air electrode. An electrode catalyst for use in a polymer electrolyte fuel cell, characterized by comprising platinum or a composite particle comprising a noble metal alloy containing platinum and a metal oxide other than the noble metal.

また、本発明は、プロトンを透過する固体高分子電解質膜と、電極触媒を含む触媒層を有する燃料極および空気極とからなる膜電極接合体をセパレーターを介して積層してなる固体高分子型燃料電池の前記空気極に用いる電極触媒であって、白金または白金を含む貴金属合金と、貴金属以外の金属酸化物からなる複合粒子からなることを特徴とする固体高分子型燃料電池用電極触媒である。   The present invention also relates to a solid polymer type obtained by laminating a membrane electrode assembly comprising a solid polymer electrolyte membrane that permeates protons, a fuel electrode having a catalyst layer containing an electrode catalyst, and an air electrode via a separator. An electrode catalyst for use in the air electrode of a fuel cell, comprising a composite particle comprising platinum or a noble metal alloy containing platinum and a metal oxide other than a noble metal. is there.

また、本発明は、上記の電極触媒を触媒成分として含むことを特徴とする固体高分子型燃料電池用電極である。
さらに、本発明は、上記の電極を空気極として用いた固体高分子型燃料電池である。
The present invention also provides a polymer electrolyte fuel cell electrode comprising the above electrode catalyst as a catalyst component.
Furthermore, the present invention is a polymer electrolyte fuel cell using the above electrode as an air electrode.

本発明の燃料電池用電極触媒においては、白金または白金を含む貴金属合金相が、貴金属以外の金属酸化物相と均一に混合しているかあるいは貴金属以外の金属酸化物相表面に分散しており、さらに白金または白金を含む貴金属合金相が、貴金属以外の金属酸化物相と大きな親和性を有する複合粒子を用いる。このような状態の複合微粒子を触媒とすることにより、純白金微粒子と比較して、白金または白金を含む貴金属合金と貴金属以外の金属酸化物との複合粒子表面の白金または白金を含む貴金属合金相が触媒高活性を有し、さらに白金または白金を含む貴金属合金相は、貴金属以外の金属酸化物相と大きな親和性を有するため、電解質中への溶出を抑制でき、さらに複合微粒子中の貴金属以外の金属元素は酸化物の状態であるため、貴金属以外の金属元素の電解質中への溶出を抑制することができる。   In the fuel cell electrode catalyst of the present invention, platinum or a noble metal alloy phase containing platinum is uniformly mixed with a metal oxide phase other than the noble metal or dispersed on the surface of the metal oxide phase other than the noble metal, Further, composite particles in which platinum or a noble metal alloy phase containing platinum has a large affinity with a metal oxide phase other than the noble metal are used. By using the composite fine particles in such a state as a catalyst, platinum or a noble metal alloy phase containing platinum on the surface of the composite particles of platinum or a noble metal alloy containing platinum and a metal oxide other than noble metal, compared with pure platinum fine particles Has a high catalytic activity, and platinum or a noble metal alloy phase containing platinum has a high affinity with a metal oxide phase other than noble metal, so that elution into the electrolyte can be suppressed. Since this metal element is in an oxide state, elution of metal elements other than noble metals into the electrolyte can be suppressed.

本発明において、合金相とは2種類以上の異なる成分金属元素が互いに原子スケールで混ざり合っている相を表す。
本発明の燃料電池用電極触媒において、前記白金または白金を含む貴金属合金は、白金または白金とPd,AgおよびAuから選択される一または二以上の元素を含む合金が挙げられる。
In the present invention, the alloy phase represents a phase in which two or more different component metal elements are mixed with each other on an atomic scale.
In the fuel cell electrode catalyst of the present invention, examples of the platinum or platinum-containing noble metal alloy include platinum or an alloy containing platinum and one or more elements selected from Pd, Ag, and Au.

本発明の燃料電池用電極触媒において、前記貴金属以外の金属酸化物は、Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zr,Nb,Mo,Ru,Rh,Sn,In,Hf,Ta,W,Re,Irおよび希土類元素から選択される一または二以上の金属元素(X)(以下、「金属元素(X)」と略す)を含む構成とすることができる。こうすることによって、前記白金または白金を含む貴金属合金相が金属元素(X)の酸化物相と均一に混合あるいは貴金属以外の金属酸化物相表面に分散し、さらに金属元素(X)の金属酸化物相と大きな親和性を有することができる。   In the fuel cell electrode catalyst of the present invention, the metal oxides other than the noble metals include Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Sn, In, and Hf. , Ta, W, Re, Ir and one or more metal elements (X) selected from rare earth elements (hereinafter abbreviated as “metal element (X)”). By doing so, the platinum or the noble metal alloy phase containing platinum is uniformly mixed with the oxide phase of the metal element (X) or dispersed on the surface of the metal oxide phase other than the noble metal, and further the metal oxidation of the metal element (X). It can have a great affinity with the physical phase.

本発明の燃料電池用電極触媒において、前記金属元素(X)の金属酸化物相は、酸素について不定比性を示し、MO2-a (M:Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zr,Nb,Mo,Ru,Rh,Sn,In,Hf,Ta,W,Re,Irおよび希土類元素から選択される一または二以上の元素、aは酸素に対する不定比性を示す量で、不定比量を示す。)で表される非化学量論的組成を有することができる。 In the fuel cell electrode catalyst of the present invention, the metal oxide phase of the metal element (X) exhibits non-stoichiometry with respect to oxygen, and MO 2-a (M: Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, One or more elements selected from Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Sn, In, Hf, Ta, W, Re, Ir, and rare earth elements, a represents non-stoichiometry to oxygen The non-stoichiometric composition can be expressed as:

本発明の燃料電池用電極触媒は、前記白金または白金を含む貴金属合金と、金属元素(X)の金属酸化物とが均一に分散または凝集した複合微粒子からなり、平均粒径が数10nm程度の2次粒子を形成している。   The electrode catalyst for a fuel cell of the present invention is composed of composite fine particles in which platinum or a noble metal alloy containing platinum and a metal oxide of the metal element (X) are uniformly dispersed or aggregated, and the average particle size is about several tens of nm. Secondary particles are formed.

本発明の燃料電池用電極触媒において、前記白金または白金を含む貴金属合金と、金属元素(X)の金属酸化物との複合微粒子が、炭素材料上に均一に分散担持されているのが好ましい。炭素材料は、カーボンブラック、活性炭、アセチレンブラック等とメソポーラスカーボン粒子との混合物を採用できる。また、酸化チタンまたは酸化錫も採用できる。   In the fuel cell electrode catalyst of the present invention, it is preferable that the fine particles of platinum or the noble metal alloy containing platinum and the metal oxide of the metal element (X) are uniformly dispersed and supported on the carbon material. As the carbon material, a mixture of carbon black, activated carbon, acetylene black and the like and mesoporous carbon particles can be adopted. Titanium oxide or tin oxide can also be used.

本発明によれば、前記白金または白金を含む貴金属合金と、金属元素(X)の金属酸化物との複合微粒子が燃料電池用電極触媒層の主要構成材料として使用される。
本発明における燃料電池用電極触媒層は、前記白金または白金を含む貴金属合金と、金属元素(X)の金属酸化物との複合微粒子を含むため、燃料電池の触媒電極、特に空気極触媒に好適に用いることができる。
According to the present invention, composite fine particles of platinum or a noble metal alloy containing platinum and a metal oxide of metal element (X) are used as the main constituent material of the electrode catalyst layer for fuel cells.
The electrode catalyst layer for a fuel cell in the present invention contains composite fine particles of platinum or a noble metal alloy containing platinum and a metal oxide of the metal element (X), and is therefore suitable for a catalyst electrode of a fuel cell, particularly an air electrode catalyst. Can be used.

本発明によれば、固体高分子電解質の両面に触媒層を備え、前記白金または白金を含む貴金属合金と、金属元素(X)の金属酸化物との複合微粒子は、上記の燃料電池用触媒微粒子であることを特徴とする燃料電池用電極触媒が提供される。   According to the present invention, the catalyst particles are provided on both sides of the solid polymer electrolyte, and the composite fine particles of the platinum or the noble metal alloy containing platinum and the metal oxide of the metal element (X) are the catalyst fine particles for a fuel cell described above. A fuel cell electrode catalyst is provided.

本発明は、燃料極、空気極、および前記燃料極と前記空気極とで挟まれた固体電解質膜を含む燃料電池であって、空気極は、前記白金または白金を含む貴金属合金と、金属元素(X)の金属酸化物との複合微粒子、または前記白金または白金を含む貴金属合金と、金属元素(X)の金属酸化物との複合微粒子を担持した炭素材料粉末、または前記白金または白金を含む貴金属合金と、金属元素(X)の金属酸化物との複合微粒子を担持した酸化チタンまたは酸化錫粉末を用いて薄膜に成型した触媒層と、この触媒層を支持する多孔質のカーボンペーパーあるいはカーボン布から構成される燃料電池が提供される。   The present invention is a fuel cell including a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode, wherein the air electrode includes the platinum or a noble metal alloy containing platinum and a metal element. (X) a composite fine particle with a metal oxide, or a carbon material powder carrying a composite fine particle with a platinum or platinum-containing noble metal alloy and a metal element (X) metal oxide, or the platinum or platinum. A catalyst layer formed into a thin film using titanium oxide or tin oxide powder supporting composite fine particles of a noble metal alloy and a metal oxide of metal element (X), and porous carbon paper or carbon supporting the catalyst layer A fuel cell comprised of a fabric is provided.

本発明によれば、白金または白金を含む貴金属合金と、金属元素(X)との複合酸化物微粒子を製造する工程、あるいは白金酸化物または白金酸化物を含む貴金属合金酸化物と金属元素(X)の金属酸化物との複合微粒子を還元処理することにより、白金または白金を含む貴金属合金と、金属元素(X)の金属酸化物の複合微粒子を製造する工程とを含むことを特徴とする燃料電池用電極触媒粒子の製造方法が提供される。   According to the present invention, platinum or a noble metal alloy containing noble metal alloy containing platinum and a metal element (X) is manufactured, or platinum oxide or noble metal alloy oxide containing platinum oxide and metal element (X And a noble metal alloy containing platinum and a step of producing composite fine particles of the metal oxide of the metal element (X) by reducing the composite fine particles of the metal oxide of A method for producing battery electrode catalyst particles is provided.

本発明の燃料電池用電極触媒粒子の製造方法において、前記白金または白金を含む貴金属あるいは白金酸化物または白金酸化物を含む貴金属合金酸化物と、金属元素(X)との複合酸化物微粒子を炭素材料表面に担持させる工程と、前記炭素材料表面に担持させた白金または白金を含む貴金属と、金属元素(X)の複合酸化物微粒子を還元処理することにより、前記炭素材料に担持された白金または白金を含む貴金属合金と、金属元素(X)の金属酸化物の複合微粒子を製造する工程とを含むことができる。   In the method for producing electrode catalyst particles for a fuel cell of the present invention, composite oxide fine particles of platinum or platinum-containing noble metal or platinum oxide or noble metal alloy oxide containing platinum oxide and metal element (X) are converted into carbon. The step of supporting on the surface of the material, platinum or a noble metal containing platinum supported on the surface of the carbon material, and the composite oxide fine particles of the metal element (X) are reduced, so that the platinum supported on the carbon material or A step of producing a composite fine particle of a noble metal alloy containing platinum and a metal oxide of the metal element (X) can be included.

本発明は、固体高分子型燃料電池の電極触媒、特に空気極触媒に対し、白金または白金を含む貴金属合金と、貴金属以外の金属酸化物との複合微粒子を用いることにより、高い触媒活性を発揮し、さらに白金触媒を用いた場合に白金合金化元素の電解質中への溶出による性能劣化を抑制することができる。   The present invention exhibits high catalytic activity by using composite fine particles of platinum or a noble metal alloy containing platinum and a metal oxide other than a noble metal for an electrode catalyst of a solid polymer fuel cell, particularly an air electrode catalyst. In addition, when a platinum catalyst is used, performance degradation due to elution of the platinum alloying element into the electrolyte can be suppressed.

以下に、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図1は、本発明の固体高分子型燃料電池の一実施形態を示す概略図である。図1において、1は空気極集電体、2は空気極ガス拡散層、3は空気極触媒層、4は固体高分子電解質膜、5は燃料極触媒層、6は燃料極ガス拡散層、7は燃料極集電体である。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view showing one embodiment of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention. In FIG. 1, 1 is an air electrode current collector, 2 is an air electrode gas diffusion layer, 3 is an air electrode catalyst layer, 4 is a solid polymer electrolyte membrane, 5 is a fuel electrode catalyst layer, 6 is a fuel electrode gas diffusion layer, Reference numeral 7 denotes a fuel electrode current collector.

本発明の固体高分子型燃料電池は、水素(H2 )が持っている化学エネルギーを、燃焼過程を経ずに直接電気エネルギーを発生するものであり、カルノーサイクルの制約を受けない。 The polymer electrolyte fuel cell of the present invention directly generates electrical energy from the chemical energy possessed by hydrogen (H 2 ) without going through a combustion process, and is not subject to the Carnot cycle.

この固体高分子型燃料電池は、平板状のMEAと2つセパレーターで構成された単位セルが積層されたスタック構造をしている。更に、各単位セルは、燃料極と、固体高分子電解質膜と、空気極から構成されている。この固体高分子型燃料電池は、燃料極においては白金を含む電極触媒を、また空気極においては先に述べた電極触媒を使用することにより、燃料極においては、(1)式に、空気極においては(2)式にそれぞれ示す電極反応が進行して起電力が発生する。   This polymer electrolyte fuel cell has a stack structure in which unit cells composed of a flat MEA and two separators are stacked. Further, each unit cell includes a fuel electrode, a solid polymer electrolyte membrane, and an air electrode. This polymer electrolyte fuel cell uses an electrode catalyst containing platinum at the fuel electrode and the above-described electrode catalyst at the air electrode. , The electrode reaction shown in the formula (2) proceeds to generate an electromotive force.

電極は、燃料極および空気極ともに、触媒微粒子を含む薄膜に成形した触媒層と、この触媒層を支持する多孔質のガス拡散層からなる。
ガス拡散層は、電極反応を効率良く行わせるために、燃料ガスまたは空気を燃料極または空気極の触媒層中の電極反応領域へ、電池面内で均一に充分に供給するとともに、(1)および(2)式に示す電極反応によって生じる電荷を単セル外部に放出させること、さらに反応生成水や未反応ガスを単セル外部に効率よく排出する役割を担うものである。ガス拡散層の構成材料としては、電子伝導性を有する多孔質体、例えばカーボンクロスやカーボンペーパーが使用される。
The electrode includes both a fuel electrode and an air electrode, a catalyst layer formed into a thin film containing catalyst fine particles, and a porous gas diffusion layer that supports the catalyst layer.
The gas diffusion layer supplies the fuel gas or air uniformly and sufficiently within the battery surface to the electrode reaction region in the fuel electrode or the catalyst layer of the air electrode in order to efficiently perform the electrode reaction, and (1) The charge generated by the electrode reaction shown in the formula (2) is discharged to the outside of the single cell, and the reaction product water and unreacted gas are efficiently discharged to the outside of the single cell. As a constituent material of the gas diffusion layer, a porous body having electron conductivity such as carbon cloth or carbon paper is used.

固体高分子型燃料電池の空気極の触媒層は、好ましくは薄膜状の電解質で覆われた触媒粉末と、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)を主体として構成されている。
本発明の固体高分子型燃料電池の空気極において使用される触媒粒子は、白金または白金を含む貴金属合金と、金属酸化物との複合粒子あるいはカーボンに担持された白金または白金を含む貴金属合金と金属酸化物との複合粒子で構成される。
The catalyst layer of the air electrode of the polymer electrolyte fuel cell is preferably composed mainly of catalyst powder covered with a thin film electrolyte and PTFE (polytetrafluoroethylene).
The catalyst particles used in the air electrode of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention are platinum or a noble metal alloy containing platinum and a composite particle of metal oxide or platinum supported on carbon or a noble metal alloy containing platinum. It is composed of composite particles with metal oxide.

触媒複合粒子の平均粒径は、複合粒子を形成するためと高活性を得るために30nm以下、特に5nm〜25nmであることが好ましい。粒子径が30nmを越えると、触媒相の比表面積が相対的に小さくなり、触媒の高活性を引き出すことができない。また、粒子径が5nmより小さいと、白金または白金を含む貴金属合金相と貴金属以外の金属酸化物相が均一に分散された複合粒子得ることが難しくなる。   The average particle diameter of the catalyst composite particles is preferably 30 nm or less, particularly 5 nm to 25 nm in order to form composite particles and to obtain high activity. When the particle diameter exceeds 30 nm, the specific surface area of the catalyst phase becomes relatively small, and the high activity of the catalyst cannot be brought out. If the particle diameter is smaller than 5 nm, it is difficult to obtain composite particles in which platinum or a noble metal alloy phase containing platinum and a metal oxide phase other than the noble metal are uniformly dispersed.

触媒複合粒子中の白金または白金を含む貴金属合金相の大きさは、触媒高活性を得るために1nm〜15nm、特に2nm〜10nmであることが好ましい。白金または白金を含む貴金属合金相の大きさが1nm未満であると、触媒の高活性を発現しない。また、粒子径が15nmをこえると、白金または白金を含む貴金属合金相の比表面積が相対的に小さくなり、触媒の高活性を引き出すことができない。   The size of platinum or a noble metal alloy phase containing platinum in the catalyst composite particles is preferably 1 nm to 15 nm, particularly 2 nm to 10 nm in order to obtain high catalyst activity. If the size of platinum or a noble metal alloy phase containing platinum is less than 1 nm, high activity of the catalyst is not exhibited. On the other hand, when the particle diameter exceeds 15 nm, the specific surface area of platinum or a noble metal alloy phase containing platinum becomes relatively small, and the high activity of the catalyst cannot be brought out.

白金または白金を含む貴金属合金と、貴金属以外の金属酸化物との複合粒子は、前述の観点から、平均粒径が5nm〜25nmであることが好ましく、またその複合粒子の主構成相である白金または白金を含む貴金属合金相は、前述の観点から、平均サイズが2nm〜10nmであることが好ましい。   From the above viewpoint, the composite particle of platinum or a noble metal alloy containing platinum and a metal oxide other than the noble metal preferably has an average particle size of 5 nm to 25 nm, and platinum which is the main constituent phase of the composite particle Alternatively, the noble metal alloy phase containing platinum preferably has an average size of 2 nm to 10 nm from the above viewpoint.

複合粒子中の白金または白金を含む貴金属合金相を構成する貴金属元素(Y)(以下、「貴金属元素(Y)」と略す)と、貴金属以外の金属酸化物相を構成する金属元素(X)の原子濃度比は、30≦100Y/(X+Y)≦95であることが好ましい。100Y/(X+Y)の値が30未満であると、白金または白金を含む貴金属合金相の割合が小さくなり、触媒の高活性を引き出すことができない。また、100Y/(X+Y)の値が95をこえると、純白金に対する触媒活性の優位差がなくなる。   Platinum in the composite particles or a noble metal element (Y) constituting a noble metal alloy phase containing platinum (hereinafter abbreviated as “noble metal element (Y)”) and a metal element (X) constituting a metal oxide phase other than the noble metal Is preferably 30 ≦ 100Y / (X + Y) ≦ 95. When the value of 100Y / (X + Y) is less than 30, the ratio of platinum or a noble metal alloy phase containing platinum becomes small, and the high activity of the catalyst cannot be brought out. On the other hand, when the value of 100Y / (X + Y) exceeds 95, there is no significant difference in catalytic activity over pure platinum.

触媒複合粒子を構成する貴金属以外の金属酸化物相は、Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zr,Nb,Mo,Ru,Rh,Sn,In,Hf,Ta,W,Re,Irおよび希土類元素からなる群から選ばれたの少なくとも1種の金属酸化物であることが好ましい。   The metal oxide phases other than the noble metals constituting the catalyst composite particles are Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Sn, In, Hf, Ta, and W. , Re, Ir and at least one metal oxide selected from the group consisting of rare earth elements is preferable.

一方、固体高分子型燃料電池の燃料極の触媒層は、好ましくは薄膜状の電解質で覆われた触媒粉末とPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)を主体として構成されている。
本発明の固体高分子型燃料電池の燃料極において使用される触媒粒子は、白金微粒子またはカーボン担体に担持された白金微粒子が使用される。燃料極に使用される触媒粒子は、空気極での酸素の還元反応に比べ燃料極での水素の酸化反応は100倍以上早く、空気極と同様の触媒複合微粒子を使用する必要はなく、その構造は特に限定されない。
On the other hand, the catalyst layer of the fuel electrode of the polymer electrolyte fuel cell is preferably composed mainly of catalyst powder covered with a thin film electrolyte and PTFE (polytetrafluoroethylene).
The catalyst particles used in the fuel electrode of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention are platinum fine particles or platinum fine particles supported on a carbon support. The catalyst particles used in the fuel electrode have a hydrogen oxidation reaction at the fuel electrode that is 100 times faster than the oxygen reduction reaction at the air electrode, and there is no need to use the same catalyst composite fine particles as in the air electrode. The structure is not particularly limited.

また、燃料極および空気極の触媒層において触媒微粒子表面を覆う薄膜状の電解質および燃料極および空気極の触媒層を両面で挟まれた電解質であるイオン交換性固体高分子膜(PEM)は、スルホン酸基を有するパーフルオロアルキルスルホン酸系イオン交換膜が好ましい。   In addition, an ion-exchange solid polymer membrane (PEM), which is a thin film electrolyte that covers the surface of catalyst fine particles in the catalyst layer of the fuel electrode and the air electrode, and an electrolyte sandwiched between the catalyst layer of the fuel electrode and the air electrode on both sides, A perfluoroalkylsulfonic acid ion exchange membrane having a sulfonic acid group is preferred.

燃料極および空気極の触媒層は、触媒粒子、電解質およびPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)で構成されている。
燃料極および空気極の触媒層の厚みは、ともに100μm以下であることが好ましい。触媒層の厚みが100μmをこえると、燃料極での燃料ガスまたは空気極での空気の触媒層中の電極反応領域への拡散性が著しく低下するとともに、反応生成水や未反応ガスを単セル外部への排出効率が著しく低下する。さらに、空気極の触媒層中のプロトン伝導抵抗が大きくなり、酸素還元反応過電圧が大きくなり、電池性能が低下する。
The catalyst layer of the fuel electrode and the air electrode is composed of catalyst particles, an electrolyte, and PTFE (polytetrafluoroethylene).
The thicknesses of the catalyst layers of the fuel electrode and the air electrode are preferably 100 μm or less. When the thickness of the catalyst layer exceeds 100 μm, the diffusibility of the fuel gas at the fuel electrode or the air at the air electrode to the electrode reaction region in the catalyst layer is significantly reduced, and the reaction product water and unreacted gas are supplied to a single cell. Emission efficiency to the outside is significantly reduced. Furthermore, the proton conduction resistance in the catalyst layer of the air electrode increases, the oxygen reduction reaction overvoltage increases, and the battery performance decreases.

このようなガス拡散層と触媒層からなる燃料極および空気極の形成方法は特に限定されるものではなく、例えば、以下のような形成方法に従って製造される。
先ず、触媒複合粒子を調整する。微粒子の製法としては、液相法と気相法に分けられる。液相法の例を以下に示すが、液相法としては共沈法、沈殿法、金属アルコキシド法、逆相ミセル法、ゾル−ゲル法等のいずれでも良い。例えば、白金または白金とPd,AgおよびAuから選択される一または二以上の元素を含む貴金属(Y)の金属塩の水溶液と、Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zr,Nb,Mo,Ru,Rh,Sn,In,Hf,Ta,W,Re,Irおよび希土類元素から選択される一または二以上の金属元素(X)の金属塩の水溶液を混合すると共に適正なpHに調整し、このpHが調整された混合液を適正な温度に維持した状態で、沈殿剤または還元剤を添加し、その後必要に応じて加熱処理することにより、白金または白金を含む貴金属合金と、貴金属以外の金属酸化物との複合粒子あるいは白金酸化物または白金を含む貴金属合金酸化物と貴金属以外の金属酸化物との複合粒子が得られる。
The formation method of the fuel electrode and air electrode which consist of such a gas diffusion layer and a catalyst layer is not specifically limited, For example, it manufactures according to the following formation methods.
First, catalyst composite particles are prepared. Fine particles can be produced by a liquid phase method or a gas phase method. Examples of the liquid phase method are shown below, and the liquid phase method may be any of a coprecipitation method, a precipitation method, a metal alkoxide method, a reverse phase micelle method, a sol-gel method, and the like. For example, an aqueous solution of a metal salt of noble metal (Y) containing platinum or platinum and one or more elements selected from Pd, Ag, and Au, and Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, An aqueous solution of a metal salt of one or more metal elements (X) selected from Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Sn, In, Hf, Ta, W, Re, Ir and rare earth elements is mixed and appropriate. Platinum or a noble metal containing platinum by adding a precipitating agent or a reducing agent, and then heat-treating as necessary, with the pH adjusted and maintained at an appropriate temperature. Composite particles of an alloy and a metal oxide other than a noble metal, or a composite particle of platinum oxide or a noble metal alloy oxide containing platinum and a metal oxide other than a noble metal can be obtained.

次に気相法、例えばRF熱プラズマ法による作製法を下記に示す。白金または白金とPd,AgおよびAuから選択される一または二以上の元素を含む貴金属と、Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zr,Nb,Mo,Ru,Rh,Sn,In,Hf,Ta,W,Re,Irおよび希土類元素から選択される一または二以上の金属元素(X)の合金を均一溶解後ガスアトマイズ法により平均粒径10〜50μmの合金粉末を作製し、さらに必要に応じて粉砕することで平均粒径0.1〜3μmの合金粉末を作製し、その合金粉末をRF熱プラズマ装置内のプラズマトーチから装置内に供給することにより、アルゴン−酸素プラズマ内で合金粉末を気化させ、その後プラズマを通過後急速に冷却することにより、白金酸化物または白金を含む貴金属合金酸化物と、貴金属以外の金属元素(X)の酸化物との複合酸化物微粒子が得られる。さらに、この複合酸化物微粒子を水素含有雰囲気中で還元処理を行うことで、白金または白金を含む貴金属合金と金属元素(X)の酸化物との複合粒子が得られる。   Next, a manufacturing method by a vapor phase method, for example, an RF thermal plasma method is described below. Platinum or platinum and a noble metal containing one or more elements selected from Pd, Ag and Au, and Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, After uniformly dissolving an alloy of one or more metal elements (X) selected from Sn, In, Hf, Ta, W, Re, Ir and rare earth elements, an alloy powder having an average particle size of 10 to 50 μm is produced by gas atomization. Further, an alloy powder having an average particle diameter of 0.1 to 3 μm is produced by pulverization as necessary, and the alloy powder is supplied into the apparatus from the plasma torch in the RF thermal plasma apparatus, thereby producing argon-oxygen. By vaporizing the alloy powder in the plasma and then rapidly cooling after passing through the plasma, platinum oxide or a noble metal alloy oxide containing platinum and an acid of a metal element (X) other than the noble metal Compound oxide fine particles with the compound are obtained. Furthermore, composite particles of platinum or a noble metal alloy containing platinum and an oxide of metal element (X) can be obtained by reducing the composite oxide fine particles in a hydrogen-containing atmosphere.

前記合金を均一溶解後、ガスアトマイズ法により合金粉末作製が困難な場合には、白金または白金とPd,AgおよびAuから選択される一または二以上の元素を含む貴金属(Y)の金属塩の水溶液と、Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zr,Nb,Mo,Ru,Rh,Sn,In,Hf,Ta,W,Re,Irおよび希土類元素から選択される一または二以上の金属元素(X)の金属塩の水溶液を混合し、この混合液を数μmから数10μmの範囲の液滴にして、RF熱プラズマ装置内のプラズマトーチから装置内に供給することにより、アルゴン−酸素プラズマ内で合金粉末を気化させ、その後プラズマを通過後急速に冷却することにより、白金酸化物または白金を含む貴金属合金酸化物と、貴金属以外の金属元素(X)の酸化物との複合酸化物微粒子が得られる。さらに、この複合酸化物微粒子を水素含有雰囲気中で還元処理を行うことで、白金または白金を含む貴金属合金と金属元素(X)の酸化物との複合粒子が得られる。   In the case where it is difficult to produce an alloy powder by gas atomization after uniformly dissolving the alloy, an aqueous solution of a metal salt of a noble metal (Y) containing platinum or one or two or more elements selected from platinum and Pd, Ag and Au. And selected from Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Sn, In, Hf, Ta, W, Re, Ir, and rare earth elements By mixing an aqueous solution of a metal salt of two or more metal elements (X), forming the mixed liquid into droplets in the range of several μm to several tens of μm, and supplying the mixture into the apparatus from a plasma torch in the RF thermal plasma apparatus The alloy powder is vaporized in an argon-oxygen plasma, and then rapidly cooled after passing through the plasma, whereby platinum oxide or a noble metal alloy oxide containing platinum and a metal element other than the noble metal (X) Composite oxide fine particles with these oxides are obtained. Furthermore, composite particles of platinum or a noble metal alloy containing platinum and an oxide of metal element (X) can be obtained by reducing the composite oxide fine particles in a hydrogen-containing atmosphere.

次に、前述の触媒複合微粒子、ポリテトフルオロエチレン(PTFE)懸濁液(結着剤兼撥水剤)、電解質を溶液化した膜溶液および有機溶剤を混合して、ペースト状あるいはスラリー状(以下、触媒層形成インクという)に調整する。   Next, the catalyst composite fine particles, the polytetofluoroethylene (PTFE) suspension (binder and water repellent), the membrane solution in which the electrolyte is dissolved, and the organic solvent are mixed to form a paste or slurry ( Hereinafter, it is adjusted to a catalyst layer forming ink).

次に、この触媒層形成インクを、高分子電解質膜、あるいは予めPTFE懸濁液で撥水処理したカーボンペーパーの上に、スクリーン印刷法、沈積法あるいはスプレー法などで数10μmの厚さに膜全面で膜厚が均一になるように触媒層を形成し、熱処理を行って触媒層を作製する。   Next, the catalyst layer forming ink is formed into a film thickness of several tens of μm by a screen printing method, a deposition method, a spray method or the like on a polymer electrolyte membrane or carbon paper that has been subjected to a water repellent treatment in advance with a PTFE suspension. A catalyst layer is formed so that the film thickness is uniform over the entire surface, and heat treatment is performed to prepare the catalyst layer.

次に、燃料極と空気極で、電極の触媒層側が電解質膜と接するようにして電解質膜をサンドイッチし、プレス機に挟んでホットプレスすることで電極と膜を接合し、膜電極接合体(MEA)を作製する。   Next, the electrolyte membrane is sandwiched between the fuel electrode and the air electrode so that the catalyst layer side of the electrode is in contact with the electrolyte membrane, and the electrode and the membrane are joined by hot pressing with a press machine, and the membrane electrode assembly ( MEA).

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
すなわち、上記の実施形態においては、単セルのみの構成を有する固体高分子型燃料電池について説明したが、本発明の固体高分子型燃料電池はこれに限定されるものではなく、単セルを複数積層したいわゆるスタック構造を有するものであってもよい。
The preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, but the present invention is not limited to the above embodiment.
That is, in the above embodiment, the polymer electrolyte fuel cell having a configuration of only a single cell has been described. However, the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is not limited to this, and a plurality of single cells are provided. It may have a so-called stack structure that is laminated.

以下に、本発明の燃料電池用電極触媒、それらの製造方法およびそれらを用いた燃料電池について、実施例および比較例を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Hereinafter, examples and comparative examples of the electrode catalyst for a fuel cell of the present invention, a production method thereof, and a fuel cell using them will be described, but the present invention is not limited thereto.

実施例1
1mmol(ミルモル)のCoCl2 ・6H2 Oと、3mmolのH2 PtCl6 ・6H2 Oとを200mlのトリメチレングリコール中に溶解し、NaOH水溶液を添加して溶液のpHを13にし、さらにNaNO3 を15g添加し、180℃に昇温し、この温度で攪拌しながら、1時間保持する。保持後、懸濁液を室温まで冷却し、固液分離することにより、平均粒径5nmの白金とコバルト酸化物との複合微粒子を作製する。
Example 1
1 mmol (mil mole) of CoCl 2 .6H 2 O and 3 mmol of H 2 PtCl 6 .6H 2 O are dissolved in 200 ml of trimethylene glycol, an aqueous NaOH solution is added to bring the pH of the solution to 13, and NaNO is added. 15g of 3 is added, and it heats up to 180 degreeC, and hold | maintains for 1 hour, stirring at this temperature. After holding, the suspension is cooled to room temperature, and solid-liquid separation is performed to produce composite fine particles of platinum and cobalt oxide having an average particle diameter of 5 nm.

前記白金とコバルト酸化物との複合微粒子1g、純水0.4ml、5%のナフィオン溶液1.5ml、イソプロピルアルコール0.2mlを混合し、空気極用のスラリー状の触媒を調整する。   1 g of the composite fine particles of platinum and cobalt oxide, 0.4 ml of pure water, 1.5 ml of 5% Nafion solution, and 0.2 ml of isopropyl alcohol are mixed to prepare a slurry catalyst for the air electrode.

また、白金黒1g、純水0.4ml、5%のナフィオン溶液1.5ml、イソプロピルアルコール0.2mlを混合し、燃料極用のスラリー状の触媒を調整する。空気極および燃料極用のスラリー状の触媒をそれぞれドクターブレード法によりシート状にし、空気中で乾燥することで空気極用および燃料極用触媒シートを作製する。   Further, 1 g of platinum black, 0.4 ml of pure water, 1.5 ml of 5% Nafion solution, and 0.2 ml of isopropyl alcohol are mixed to prepare a slurry-like catalyst for the fuel electrode. Slurry catalysts for the air electrode and the fuel electrode are formed into sheets by a doctor blade method, respectively, and dried in the air to produce a catalyst sheet for the air electrode and the fuel electrode.

前記空気極用触媒シートおよび燃料極用触媒シートの間にプロトン伝導性の固体高分子膜としてナフィオン112を挟み、ホットプレス法により熱圧着し、この三層一体膜を撥水処理したカーボンペーパーで挟持し、膜電極接合体(MEA)を作製する。
前記膜電極接合体(MEA)を燃料ガス流路となる燃料極側セパレーターと、空気の流路となる空気極側セパレーターで挟んだ積層構造の燃料電池セルを作製する。
A carbon paper obtained by sandwiching Nafion 112 as a proton conductive solid polymer membrane between the air electrode catalyst sheet and the fuel electrode catalyst sheet and thermocompression bonding by a hot press method. The membrane electrode assembly (MEA) is produced by sandwiching.
A fuel cell having a laminated structure in which the membrane electrode assembly (MEA) is sandwiched between a fuel electrode side separator serving as a fuel gas channel and an air electrode side separator serving as an air channel is manufactured.

実施例2
以下に説明する方法で作製する空気極用触媒複合微粒子を用いる以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にして膜電極接合体(MEA)を作製し、この膜電極接合体を燃料ガスの流路となる燃料極側セパレーターと、空気の流路となる空気側セパレーターで挟んだ積層構造の燃料電池セルを作製する。
Example 2
A membrane electrode assembly (MEA) was produced in the same manner as described in Example 1 except that the air electrode catalyst composite fine particles produced by the method described below were used, and this membrane electrode assembly was used as a fuel. A fuel cell having a laminated structure sandwiched between a fuel electrode side separator serving as a gas flow path and an air side separator serving as an air flow path is manufactured.

以下に説明する方法により、白金と銅酸化物との複合微粒子を作製する。
先ず、PtとCuを原子濃度比で50:50になるように秤量し、溶解ルツボに投入し、ガスアトマイズ装置により、Arガス雰囲気、1700℃で溶解し、Arガス圧を6MPaで噴霧することで、平均粒径25μmのPt50Cu50合金粉末を作製する。この合金粉末を遊星型ボールミルを用いて、Ar雰囲気中で粉砕することにより、平均粒径0.5μmのPt50Cu50合金粉末を作製する。この合金粉末を、RF熱プラズマ装置内のプラズマトーチから装置内のアルゴンー酸素プラズマに供給し、急冷凝固した微粒子を回収することで、平均粒径7nmの白金と銅酸化物との複合微粒子を作製する。
Composite fine particles of platinum and copper oxide are produced by the method described below.
First, Pt and Cu are weighed so as to have an atomic concentration ratio of 50:50, put into a melting crucible, dissolved in an Ar gas atmosphere at 1700 ° C. by a gas atomizer, and sprayed with an Ar gas pressure of 6 MPa. A Pt 50 Cu 50 alloy powder having an average particle diameter of 25 μm is prepared. This alloy powder is pulverized in an Ar atmosphere using a planetary ball mill to produce a Pt 50 Cu 50 alloy powder having an average particle size of 0.5 μm. This alloy powder is supplied from the plasma torch in the RF thermal plasma device to the argon-oxygen plasma in the device, and rapidly solidified particles are collected to produce composite particles of platinum and copper oxide with an average particle size of 7 nm. To do.

比較例1
白金黒1g、純水0.4ml、5%のナフィオン溶液1.5ml、イソプロピルアルコール0.2mlを混合し、燃料極用および空気極用のスラリー状の触媒を調整する。空気極および燃料極用のスラリー状の触媒をそれぞれドクターブレード法によりシート状にし、空気中で乾燥することで空気極用および燃料極用触媒シートを作製する。
Comparative Example 1
1 g of platinum black, 0.4 ml of pure water, 1.5 ml of 5% Nafion solution, and 0.2 ml of isopropyl alcohol are mixed to prepare slurry catalysts for the fuel electrode and the air electrode. Slurry catalysts for the air electrode and the fuel electrode are formed into sheets by a doctor blade method, respectively, and dried in the air to produce a catalyst sheet for the air electrode and the fuel electrode.

前記空気極用触媒シートおよび燃料極用触媒シートの間にプロトン伝導性の固体高分子膜としてナフィオン112を挟み、ホットプレス法により熱圧着し、この三層一体膜を撥水処理したカーボンペーパーで挟持し、膜電極接合体(MEA)を作製する。この膜電極接合体を燃料ガスの流路となる燃料極側セパレーターと、空気の流路となる空気側セパレーターで挟んだ積層構造の燃料電池セルを作製する。   A carbon paper obtained by sandwiching Nafion 112 as a proton conductive solid polymer membrane between the air electrode catalyst sheet and the fuel electrode catalyst sheet and thermocompression bonding by a hot press method. The membrane electrode assembly (MEA) is produced by sandwiching. A fuel cell having a laminated structure in which the membrane electrode assembly is sandwiched between a fuel electrode side separator serving as a fuel gas flow path and an air side separator serving as an air flow path is manufactured.

実施例1および2で示した白金および白金とコバルト酸化物との複合微粒子、および白金と銅酸化物との複合微粒子を空気極の触媒として用いると、比較例の白金黒を用いる場合と比較して、燃料電池(単セル)の開回路電圧、電流密度−電圧特性およびセル電圧の経時変化による寿命評価で優れている。   When the composite fine particles of platinum and platinum and cobalt oxide shown in Examples 1 and 2 and the composite fine particles of platinum and copper oxide are used as the catalyst of the air electrode, compared with the case of using platinum black of the comparative example. Thus, the fuel cell (single cell) is excellent in open circuit voltage, current density-voltage characteristics, and life evaluation based on changes in cell voltage over time.

本発明のは、燃料電池空気極は、高い触媒活性を有し、燃料電池の使用条件下で触媒活性の劣化を抑制可能なので、モバイル機器向け小型燃料電池に利用することができる。   Since the fuel cell air electrode of the present invention has high catalytic activity and can suppress deterioration of catalytic activity under the use conditions of the fuel cell, it can be used for a small fuel cell for mobile devices.

本発明の固体高分子型燃料電池の一実施形態を示す概略図である。It is the schematic which shows one Embodiment of the polymer electrolyte fuel cell of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 空気極集電体
2 空気極ガス拡散層
3 空気極触媒層
4 固体高分子電解質膜
5 燃料極触媒層
6 燃料極ガス拡散層
7 燃料極集電体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Air electrode current collector 2 Air electrode gas diffusion layer 3 Air electrode catalyst layer 4 Solid polymer electrolyte membrane 5 Fuel electrode catalyst layer 6 Fuel electrode gas diffusion layer 7 Fuel electrode current collector

Claims (11)

プロトンを透過する固体高分子電解質膜と、電極触媒を含む触媒層を有する燃料極および空気極とからなる膜電極接合体を有する固体高分子型燃料電池の前記空気極に用いる電極触媒であって、白金または白金を含む貴金属合金と、貴金属以外の金属酸化物からなる複合粒子からなることを特徴とする固体高分子型燃料電池用電極触媒。   An electrode catalyst for use in the air electrode of a polymer electrolyte fuel cell having a membrane electrode assembly comprising a solid polymer electrolyte membrane that permeates protons, a fuel electrode having a catalyst layer containing an electrode catalyst, and an air electrode. An electrode catalyst for a polymer electrolyte fuel cell, comprising platinum, a noble metal alloy containing platinum, and composite particles comprising a metal oxide other than the noble metal. プロトンを透過する固体高分子電解質膜と、電極触媒を含む触媒層を有する燃料極および空気極とからなる膜電極接合体をセパレーターを介して積層してなる固体高分子型燃料電池の前記空気極に用いる電極触媒であって、白金または白金を含む貴金属合金と、貴金属以外の金属酸化物からなる複合粒子からなることを特徴とする固体高分子型燃料電池用電極触媒。   The air electrode of a solid polymer fuel cell comprising a membrane electrode assembly comprising a solid polymer electrolyte membrane that permeates protons, a fuel electrode having a catalyst layer containing an electrode catalyst, and an air electrode, with a separator interposed therebetween. An electrode catalyst for a solid polymer fuel cell, comprising: composite particles comprising platinum or a noble metal alloy containing platinum and a metal oxide other than the noble metal. 前記複合粒子の最大粒径が30nm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の電極触媒。   The electrode catalyst according to claim 1 or 2, wherein the composite particles have a maximum particle size of 30 nm or less. 前記白金を含む貴金属合金が、Pd、AgおよびAuからなる群の少なくとも1種と、Ptとの合金であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかの項に記載の電極触媒。   4. The electrode catalyst according to claim 1, wherein the platinum-containing noble metal alloy is an alloy of at least one member selected from the group consisting of Pd, Ag, and Au and Pt. 5. 前記複合粒子中の白金または白金を含む貴金属合金相の平均サイズが、20nm以下であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかの項に記載の電極触媒。   The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 4, wherein an average size of platinum or a noble metal alloy phase containing platinum in the composite particles is 20 nm or less. 前記複合粒子中の白金または白金を含む貴金属合金相が、複合粒子の内部よりも表面に多く存在することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかの項に記載の電極触媒。   The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 5, wherein platinum in the composite particles or a noble metal alloy phase containing platinum is present on the surface more than inside the composite particles. 前記貴金属以外の金属酸化物が、Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zr,Nb,Mo,Ru,Rh,Sn,In,Hf,Ta,W,Re,Irおよび希土類元素からなる群の少なくとも1種からなることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかの項に記載の電極触媒。   Metal oxides other than the noble metals include Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Sn, In, Hf, Ta, W, Re, Ir, and rare earths. The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 6, wherein the electrode catalyst comprises at least one member selected from the group consisting of elements. 前記複合粒子がカーボン担体または酸化物担体に担持されていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかの項に記載の電極触媒。   The electrode catalyst according to claim 1, wherein the composite particles are supported on a carbon support or an oxide support. 前記複合粒子が、白金酸化物または白金を含む貴金属合金酸化物と、貴金属以外の金属酸化物からなる酸化物粒子を不活性ガスと水素の混合ガス雰囲気中で還元して生成したものである請求項1乃至8のいずれかの項に記載の電極触媒。   The composite particles are generated by reducing platinum particles or oxide particles comprising a noble metal alloy oxide containing platinum and a metal oxide other than the noble metal in a mixed gas atmosphere of an inert gas and hydrogen. Item 10. The electrode catalyst according to any one of Items 1 to 8. 請求項1乃至9のいずれかに記載の電極触媒を触媒成分として含むことを特徴とする固体高分子型燃料電池用電極。   An electrode for a polymer electrolyte fuel cell comprising the electrode catalyst according to any one of claims 1 to 9 as a catalyst component. 請求項10に記載の電極を空気極として用いた固体高分子型燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell using the electrode according to claim 10 as an air electrode.
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