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JP2006344424A - Manufacturing method of catalyst mixture for solid polymer fuel cell - Google Patents

Manufacturing method of catalyst mixture for solid polymer fuel cell Download PDF

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JP2006344424A JP2005167194A JP2005167194A JP2006344424A JP 2006344424 A JP2006344424 A JP 2006344424A JP 2005167194 A JP2005167194 A JP 2005167194A JP 2005167194 A JP2005167194 A JP 2005167194A JP 2006344424 A JP2006344424 A JP 2006344424A
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mixture
catalyst
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carbon
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of catalyst mixture for a solid polymer fuel cell excellent in productivity by heating it in cheap and safe gas atmosphere without using inflammable gas like hydrogen or hydrazine, at a third process of manufacturing catalyst carrying very small amount of catalytic metal, and by setting most optimum range of heating temperature, and to provide a solid polymer fuel cell including the above catalyst. <P>SOLUTION: The manufacturing method of the catalyst mixture for the solid polymer fuel cell comprises a first process preparing a mixture containing cation exchange resin and carbon, a second process making fixed ion of the cation exchange resin in the mixture store catalytic metal cation, and a third process decomposing the catalytic metal cation in an atmosphere of nitrogen, carbon dioxide, helium, neon, or argon at a temperature of not lower than 150°C and not higher than 200°C. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池用触媒混合体の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a catalyst mixture for a polymer electrolyte fuel cell.

固体高分子形燃料電池の単セルは、膜/電極接合体を一対のガスフロープレートで挟持した構造である。その膜/電極接合体は、高分子電解質膜の一方の面にアノ−ドを、もう一方の面にカソ−ドを接合したものである。ガスフロープレートにはガス流路が加工されており、たとえば、アノ−ドに燃料として水素、カソ−ドに酸化剤として酸素を供給することによって、電力が得らえる。アノ−ドおよびカソ−ドでは、つぎのような電気化学反応が進行する。   A single cell of a polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a membrane / electrode assembly is sandwiched between a pair of gas flow plates. The membrane / electrode assembly is obtained by joining an anode to one surface of a polymer electrolyte membrane and a cathode to the other surface. A gas flow path is processed in the gas flow plate. For example, electric power can be obtained by supplying hydrogen as fuel to the anode and oxygen as oxidant to the cathode. In the anode and the cathode, the following electrochemical reaction proceeds.

アノ−ド:2H→4H+4e
カソ−ド:O+4H+4e→H
上記の電気化学反応には触媒が必要である。その触媒では、プロトン(H)および電子(e)の授受がおこる。つまり、その電気化学反応は電子伝導体、電解質および反応物質のが接する反応界面で進行する。したがって、燃料電池の出力密度は、反応界面を増大することによって向上する。その反応界面を多く形成するには、反応物質の移動チャンネル、プロトンの伝導チャンネルおよび電子の伝導チャンネルが三次元的に形成された電極を製作する必要である。
Anod: 2H 2 → 4H + + 4e
Cathode: O 2 + 4H + + 4e → H 2 O
The above electrochemical reaction requires a catalyst. In the catalyst, protons (H + ) and electrons (e ) are transferred. That is, the electrochemical reaction proceeds at the reaction interface where the electron conductor, electrolyte, and reactant are in contact. Therefore, the power density of the fuel cell is improved by increasing the reaction interface. In order to form a large number of reaction interfaces, it is necessary to fabricate an electrode in which a reactant transfer channel, a proton conduction channel, and an electron conduction channel are three-dimensionally formed.

このような構造を持つ電極は、特許文献1で開示されているように、カーボン粒子担体に白金などの触媒金属粒子を高分散に担持させた触媒担持カーボン粒子と、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)粒子分散溶液との混合物を、高分子フィルムまたはカーボン電極基材の上に塗布して加熱乾燥したのちに、さらにその上に陽イオン交換樹脂溶液を塗布、含浸したのちに乾燥する方法によって製造されていた。   As disclosed in Patent Document 1, the electrode having such a structure includes a catalyst-supporting carbon particle in which catalyst metal particles such as platinum are supported in a highly dispersed manner on a carbon particle support, and PTFE (polytetrafluoroethylene). The mixture with the particle dispersion solution is applied to a polymer film or a carbon electrode substrate, heated and dried, then coated with a cation exchange resin solution, impregnated and then dried. It was.

しかし、この従来の製造方法を用いて製作された電極では、カーボンに担持された触媒金属の利用率が低く、例えばわずかに15〜20%程度であるという問題が、非特許文献1に報告されている。   However, in the electrode manufactured using this conventional manufacturing method, a problem that the utilization rate of the catalytic metal supported on carbon is low, for example, about 15 to 20%, is reported in Non-Patent Document 1. ing.

その問題を解決するために、カーボンの表面と陽イオン交換樹脂のイオンクラスターと呼ばれるプロトン伝導経路との接面に触媒金属を主として担持させることによって、触媒金属の利用率を著しく向上させた触媒担持粉末の製法が、特許文献2で報告されている。この超少量触媒金属担持触媒を、以下では「ULPLC」(Ultra−low Platinum Loading Carbon)とする。   In order to solve the problem, the catalyst support that significantly improves the utilization rate of the catalyst metal by supporting the catalyst metal mainly on the contact surface between the surface of the carbon and the proton conduction path called the ion cluster of the cation exchange resin. A method for producing a powder is reported in Patent Document 2. This ultra-small catalyst metal-supported catalyst is hereinafter referred to as “ULLPLC” (Ultra-low Platinum Loading Carbon).

ULPLCは、陽イオン交換樹脂とカーボン粒子とを含む混合物を調製したのちに、陽イオン交換樹脂の対イオンと触媒金属イオンとをイオン交換し、さらに、触媒金属イオンを水素やヒドラジンなどの還元剤を含む雰囲気で化学的に還元することによって製造される。ULPLCでは、粒子径が3nm〜4nmの触媒金属が、陽イオン交換樹脂のイオンクラスターとカーボンとの接面に主として担持されるので、その触媒金属の利用率が高いとともに、触媒金属の凝集による触媒性能の劣化が著しく抑制される。   ULPLC prepares a mixture containing a cation exchange resin and carbon particles, then ion-exchanges the counter ion of the cation exchange resin and the catalytic metal ion, and further converts the catalytic metal ion into a reducing agent such as hydrogen or hydrazine. Produced by chemical reduction in an atmosphere containing In ULPLC, a catalytic metal having a particle size of 3 nm to 4 nm is mainly supported on the contact surface between the ion cluster of the cation exchange resin and the carbon, so that the utilization rate of the catalytic metal is high and the catalyst is formed by the aggregation of the catalytic metal. Degradation of performance is remarkably suppressed.

したがって、このULPLCを含む電極を用いた固体高分子形燃料電池は、超少量の白金担持量で高出力および長寿命を示す。   Therefore, the polymer electrolyte fuel cell using the electrode including ULPLC exhibits high output and long life with a very small amount of platinum supported.

ULPLCの製造方法の還元工程は、量産に適した還元剤を用いる化学的な還元方法を用いることが好ましく、特許文献2には、水素ガスまたは水素含有ガスによって気相還元する方法またはヒドラジンを含む不活性ガスによって気相還元する方法が好ましいことが記載され、実施例では、無水ヒドラジンを含む窒素ガス(ヒドラジン中に窒素ガスをバブリングすることにより得た)で約30分間還元している。   The reduction step of the ULPLC production method preferably uses a chemical reduction method using a reducing agent suitable for mass production. Patent Document 2 includes a method of gas phase reduction with hydrogen gas or a hydrogen-containing gas or hydrazine. It is described that a gas phase reduction method using an inert gas is preferable, and in the examples, reduction is performed for about 30 minutes with nitrogen gas containing anhydrous hydrazine (obtained by bubbling nitrogen gas into hydrazine).

特許文献3には、ULPLCの製造方法の還元工程は、水素ガスまたは水素を含むガスによって気相還元する方法またはヒドラジンを含む不活性ガスによって気相還元する方法が好ましいこと、水素ガスを含むガスとは、水素ガスと窒素やヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスとの混合ガスであることが好ましく、水素ガスを10vol%以上含むことが好ましいとされ、不活性ガスとしては、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガスおよび窒素ガスなどを用いることができることが記載されている。また、還元温度は、十分に還元反応が進行することから、100℃以上、200℃以下が好ましいことも記載されている。   In Patent Document 3, it is preferable that the reduction step of the ULPLC production method is a gas phase reduction method using hydrogen gas or a gas containing hydrogen or a gas phase reduction method using an inert gas containing hydrazine, or a gas containing hydrogen gas. Is preferably a mixed gas of hydrogen gas and an inert gas such as nitrogen, helium, or argon, and preferably contains 10 vol% or more of hydrogen gas. Examples of the inert gas include helium gas, neon gas, It is described that argon gas and nitrogen gas can be used. It is also described that the reduction temperature is preferably 100 ° C. or higher and 200 ° C. or lower because the reduction reaction proceeds sufficiently.

還元工程の具体的な条件としては、特許文献4には「1気圧、180℃の水素雰囲気中で約4時間」と記載され、特許文献5では「200℃の水素雰囲気中で7時間放置する」と記載されている。   Specific conditions for the reduction step are described in Patent Document 4 as “about 4 hours in a hydrogen atmosphere at 1 atm and 180 ° C.”, and in Patent Document 5 “leave in a hydrogen atmosphere at 200 ° C. for 7 hours. Is described.

特開平11−086882号公報JP-A-11-086882 特開2000−012041号公報JP 2000-012041 A 特開2002−134119号公報JP 2002-134119 A 特開2001−319661号公報JP 2001-319661 A 特開2002−358971号公報JP 2002-358971 A Edson A.Ticianelli,J.Electroanal.Chem.,251,275(1988)Edson A. Ticianelli, J .; Electroanal. Chem. 251, 275 (1988)

上述の、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に触媒金属が担持された固体高分子形燃料電池用超少量触媒金属担持触媒(ULPLC)の製造方法では、水素またはヒドラジンなどの引火性の高いガス雰囲気で加熱するので、そのガスの漏洩を防ぐための設備が必要であった。したがって、安全性を高めるための設備にコストがかかるので、量産に不向きであるという問題があった。また、水素を用いた場合の還元温度の最適値は100〜200℃とされていたが、雰囲気ガスとして窒素などを用いた場合の最適温度範囲については開示されていない。   In the above-described method for producing an ultra-small catalyst metal-supported catalyst (ULPLC) for a polymer electrolyte fuel cell in which a catalytic metal is supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface, hydrogen or hydrazine is used. Since heating is performed in a highly flammable gas atmosphere such as the above, equipment for preventing leakage of the gas is necessary. Therefore, there is a problem that it is not suitable for mass production because the cost for the equipment for improving safety is high. Moreover, although the optimal value of the reduction temperature when using hydrogen was 100-200 degreeC, the optimal temperature range at the time of using nitrogen etc. as atmosphere gas is not disclosed.

本発明の目的は、従来のULPLCを製造する還元工程において、水素およびヒドラジンなどの引火性の高いガスを用いることなく、安全なガス雰囲気中で加熱し、加熱温度の最適範囲を定めることで、生産性に優れた固体高分子形燃料電池用触媒混合体の製造方法を提供し、さらに、固体高分子形燃料電池用電極として、本発明の製造方法で得られた触媒混合体を含む電極を用いた固体高分子形燃料電池を提供することにある。   An object of the present invention is to heat in a safe gas atmosphere without using a highly flammable gas such as hydrogen and hydrazine in a reduction process for producing a conventional ULPLC, and to determine the optimum range of the heating temperature. Provided is a method for producing a catalyst mixture for a polymer electrolyte fuel cell excellent in productivity, and further includes an electrode containing the catalyst mixture obtained by the production method of the present invention as an electrode for a polymer electrolyte fuel cell. The object is to provide a polymer electrolyte fuel cell used.

請求項1の発明は、固体高分子形燃料電池用触媒混合体の製造方法において、陽イオン交換樹脂とカーボンとを含む混合物を作製する第1の工程と、前記混合物中の陽イオン交換樹脂の固定イオンに触媒金属の陽イオンを吸着させる第2の工程と、前記触媒金属の陽イオンを、窒素、二酸化炭素、ヘリウム、ネオンまたはアルゴン雰囲気中、150℃以上200℃以下の温度で熱分解する第3の工程を経ることを特徴とする。   The invention of claim 1 is a method for producing a catalyst mixture for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the first step of producing a mixture containing a cation exchange resin and carbon, and the cation exchange resin in the mixture A second step of adsorbing the catalytic metal cation on the fixed ions; and the catalytic metal cation is pyrolyzed at a temperature of 150 ° C. or higher and 200 ° C. or lower in a nitrogen, carbon dioxide, helium, neon or argon atmosphere. The third step is performed.

本発明によるULPLCの製造方法では、多量の水素ガスを用いなくてもよいため、製造工程の安全性、量産性が優れているとともに、熱分解工程の装置も簡単なため、生産性が優れ、製造工程が低コストとなる。   In the ULLPLC production method according to the present invention, since a large amount of hydrogen gas does not have to be used, the safety of the production process and mass productivity are excellent, and the apparatus for the thermal decomposition process is simple, so that the productivity is excellent. The manufacturing process becomes low cost.

また、本発明の製造方法で得られた固体高分子形燃料電池用触媒混合体では、カーボンの表面と陽イオン交換樹脂のイオンクラスターと呼ばれるプロトン伝導経路との接面に触媒金属を主として担持されているため、触媒金属の利用率が著しく向上し、超少量の触媒金属を用いた、優れた特性を示す固体高分子形燃料電池を得ることができる。   In addition, in the catalyst mixture for a polymer electrolyte fuel cell obtained by the production method of the present invention, a catalytic metal is mainly supported on the contact surface between the carbon surface and a proton conduction path called an ion cluster of the cation exchange resin. Therefore, the utilization factor of the catalyst metal is remarkably improved, and a polymer electrolyte fuel cell having excellent characteristics using an extremely small amount of the catalyst metal can be obtained.

本発明は、カーボンの表面と陽イオン交換樹脂のイオンクラスターと呼ばれるプロトン伝導経路との接面に触媒金属を主として担持させた固体高分子形燃料電池用触媒混合体の製造方法において、陽イオン交換樹脂とカーボンとを含む混合物を作製する第1の工程と、前記混合物中の陽イオン交換樹脂の固定イオンに触媒金属の陽イオンを吸着させる第2の工程と、前記触媒金属の陽イオンを、窒素、二酸化炭素、ヘリウム、ネオンまたはアルゴン雰囲気中、150℃以上200℃以下の温度で熱分解する第3の工程を経ることを特徴とする。   The present invention relates to a method for producing a catalyst mixture for a polymer electrolyte fuel cell in which a catalytic metal is mainly supported on a contact surface between a carbon surface and a proton conduction path called an ion cluster of a cation exchange resin. A first step of preparing a mixture containing a resin and carbon, a second step of adsorbing a cation of a catalytic metal to a fixed ion of a cation exchange resin in the mixture, and a cation of the catalytic metal, A third step of thermal decomposition is performed at a temperature of 150 ° C. or higher and 200 ° C. or lower in a nitrogen, carbon dioxide, helium, neon, or argon atmosphere.

すなわち、従来のULPLCの製造方法では、水素やヒドラジンなどを用いて触媒金属の陽イオンを還元して、触媒金属に変換していたのに対し、本発明では、還元反応ではなく、触媒金属の陽イオンをカーボン表面で熱分解することによって触媒金属に変換するところに特徴がある。   That is, in the conventional ULPLC production method, the cation of the catalytic metal is reduced to a catalytic metal by using hydrogen, hydrazine, or the like, whereas in the present invention, the catalytic metal is not a reduction reaction. It is characterized in that cations are converted to catalytic metals by thermal decomposition on the carbon surface.

本発明の触媒混合体に含まれる触媒金属は、カーボンの表面と陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路との接面に主に担持されていることが必須である。カーボンの表面と陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路との接面は、電子とプロトンとの授受を同時におこなうことのできる場所であるので、この接面に担持された触媒金属は、電極反応に効率的に関与する。したがって、その接面に担持された触媒金属の割合を高めることによって、触媒金属の使用量を低減できる。   It is essential that the catalytic metal contained in the catalyst mixture of the present invention is mainly supported on the contact surface between the carbon surface and the proton conduction path of the cation exchange resin. The contact surface between the carbon surface and the proton conduction path of the cation exchange resin is a place where electrons and protons can be exchanged at the same time, so the catalytic metal supported on this contact surface is efficient for electrode reactions. Involved. Therefore, the usage amount of the catalyst metal can be reduced by increasing the ratio of the catalyst metal supported on the contact surface.

本発明の固体高分子形燃料電池用電極の触媒層において、「触媒金属が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路と炭素材料の表面との接面に主として備えられている」とは、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路に接するカーボン粒子表面に担持された触媒金属量が全触媒金属担持量の50質量%以上であることを意味する。すなわち、全触媒金属担持量の50質量%以上が、電極反応に対して活性な触媒金属であるため、触媒金属の利用率が著しく高くなる。   In the catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell electrode of the present invention, “the catalytic metal is mainly provided at the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the surface of the carbon material” It means that the amount of catalyst metal supported on the surface of carbon particles in contact with the proton conduction path of the resin is 50% by mass or more of the total amount of catalyst metal supported. That is, 50% by mass or more of the total catalytic metal loading is a catalytic metal active for the electrode reaction, so that the utilization rate of the catalytic metal is remarkably increased.

なお、本発明においては、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路に接するカーボン粒子表面に担持された触媒金属量の全触媒金属担持量に対する割合は高いほど好ましく、特に80質量%を超えていることが好ましい。このようにして、プロトン伝導経路とカーボン粒子との接触面に触媒金属を高率で担持させることによって、電極の高活性化がはかられる。   In the present invention, the ratio of the amount of the catalyst metal supported on the surface of the carbon particles in contact with the proton conduction path of the cation exchange resin to the total amount of the catalyst metal supported is preferably as high as possible, particularly exceeding 80% by mass. preferable. In this way, the electrode is highly activated by supporting the catalytic metal at a high rate on the contact surface between the proton conduction path and the carbon particles.

本発明の触媒混合体では、触媒金属が炭素質材料と陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路との接面に主に担持されている。このことは、この触媒混合体を備えた燃料電池の高電流密度領域における質量活性と、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路と疎水性骨格との体積比とからわかる(M.Kohmoto et.al.,GS Yuasa Technical Report,1,48(2004))。この質量活性とは、ある電圧における電流密度を、単位面積あたりの触媒金属担持量で除したものである。   In the catalyst mixture of the present invention, the catalyst metal is mainly supported on the contact surface between the carbonaceous material and the proton conduction path of the cation exchange resin. This can be seen from the mass activity in the high current density region of the fuel cell equipped with this catalyst mixture and the volume ratio between the proton conduction path of the cation exchange resin and the hydrophobic skeleton (M. Kohmoto et al. , GS Yuasa Technical Report, 1, 48 (2004)). This mass activity is obtained by dividing the current density at a certain voltage by the amount of catalyst metal supported per unit area.

本発明の固体高分子形燃料電池用触媒混合体の製造方法の第1の工程において、陽イオン交換樹脂とカーボンとを含む混合物は、シート状であってもよいし、粉末状であってもよい。陽イオン交換樹脂とカーボンとを含む混合物がシート状である場合は、カーボンと陽イオン交換樹脂溶液および必要に応じてPTFEなどのフッ素樹脂の分散溶液とを含むペーストを、高分子フィルム上に塗布(好ましくは厚さ3〜50μm)したのちに乾燥する方法、カーボンとフッ素樹脂の分散溶液とを含むペーストを高分子フィルム上に塗布(好ましくは厚さ3〜50μm)して乾燥した後、陽イオン交換樹脂溶液を塗布・含浸し、乾燥する方法、あるいは、カーボンと陽イオン交換樹脂溶液および必要に応じてPTFE粒子分散溶液を含むペーストを導電性多孔質体のカーボン電極基材上に塗布した後に乾燥する方法、さらに、カーボンとPTFE粒子分散溶液を含むペーストを導電性多孔質体のカーボン電極基材上に塗布して加熱乾燥した後に、陽イオン交換樹脂溶液を塗布、含浸および乾燥させる方法によって製作することができる。塗布手段には、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクタ−ブレ−ド法などを用いることができる。   In the first step of the method for producing a catalyst mixture for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the mixture containing a cation exchange resin and carbon may be in the form of a sheet or powder. Good. When the mixture containing a cation exchange resin and carbon is in the form of a sheet, a paste containing carbon and a cation exchange resin solution and, if necessary, a dispersion solution of a fluororesin such as PTFE, is applied onto the polymer film. (Preferably a thickness of 3 to 50 μm) followed by drying, a paste containing carbon and a fluororesin dispersion solution is applied onto a polymer film (preferably a thickness of 3 to 50 μm), dried, A method of applying, impregnating and drying an ion exchange resin solution, or applying a paste containing carbon and a cation exchange resin solution and, if necessary, a PTFE particle dispersion solution on a carbon electrode substrate of a conductive porous body. After drying, a paste containing carbon and a PTFE particle dispersion solution is applied onto a carbon electrode base material of a conductive porous body and dried by heating. After drying, it can be produced by a method of applying, impregnating and drying a cation exchange resin solution. As the coating means, a spray method, a screen printing method, a doctor blade method, or the like can be used.

一方、陽イオン交換樹脂とカーボンとを含む混合物が粉末状である場合は、たとえば、陽イオン交換樹脂溶液とカーボンとアルコール溶媒とを含む混合溶液を、噴霧乾燥器を用いて120℃以上200℃以下の温度で造粒することによって混合物を製造することができる。このとき、噴霧乾燥器を用いて造粒する前に、その混合溶液に超音波分散器を用いて超音波を照射することによって、カーボンの分散を高めてもよい。さらに、その混合溶液にPTFEあるいはFEPなどのフッ素樹脂の分散液を添加することもできる。   On the other hand, when the mixture containing a cation exchange resin and carbon is in a powder form, for example, a mixed solution containing a cation exchange resin solution, carbon, and an alcohol solvent is used at 120 ° C. or higher and 200 ° C. using a spray dryer. A mixture can be manufactured by granulating at the following temperature. At this time, before granulating using a spray drier, the dispersion of carbon may be enhanced by irradiating the mixed solution with ultrasonic waves using an ultrasonic disperser. Further, a dispersion of a fluororesin such as PTFE or FEP can be added to the mixed solution.

第2の工程では、混合物中の陽イオン交換樹脂の対イオンと触媒金属イオンとをイオン交換して、陽イオン交換樹脂の固定イオンに触媒金属の陽イオンを吸着させる。このイオン交換反応は、触媒金属イオンを含む溶液に、陽イオン交換樹脂とカーボンとを含む混合物を浸漬することによっておこなわれる。触媒金属イオンを含む溶液は、水溶液中またはアルコールを含む溶液中で陽イオンを生成する化合物を、水またはアルコールを含む溶液に溶解することによって調製できる。   In the second step, the counter ion of the cation exchange resin and the catalyst metal ion in the mixture are ion-exchanged to adsorb the catalyst metal cation to the fixed ion of the cation exchange resin. This ion exchange reaction is performed by immersing a mixture containing a cation exchange resin and carbon in a solution containing catalytic metal ions. A solution containing catalytic metal ions can be prepared by dissolving a compound that generates a cation in an aqueous solution or in a solution containing an alcohol in a solution containing water or an alcohol.

第3の工程では、混合物中の触媒金属の陽イオンを、窒素、二酸化炭素、ヘリウム、ネオンまたはアルゴン雰囲気中、150℃以上200℃以下の温度で熱分解することによって、カーボンの表面と陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路との接面に触媒金属を担持させた触媒混合体を製作する。   In the third step, the catalytic metal cations in the mixture are thermally decomposed at a temperature of 150 ° C. or higher and 200 ° C. or lower in a nitrogen, carbon dioxide, helium, neon, or argon atmosphere to form carbon surfaces and cations. A catalyst mixture in which a catalytic metal is supported on the contact surface of the exchange resin with the proton conduction path is manufactured.

本発明の固体高分子形燃料電池用触媒混合体の製造方法の第3の工程では、陽イオン交換樹脂とカーボンとを含む混合物中の触媒金属イオンを、窒素、二酸化炭素、ヘリウム、ネオンまたはアルゴン雰囲気中で熱分解する。ここで「窒素、二酸化炭素、ヘリウム、ネオンまたはアルゴン雰囲気中」とは、窒素、ヘリウム、ネオンまたはアルゴン単独の雰囲気中またはこれらの混合ガス雰囲気中を意味する。また、これらのガスに含まれるその他のガスは、できるだけ少ないことが好ましいが、体積比で数%程度含まれていてもかまわない。   In the third step of the method for producing the catalyst mixture for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the catalyst metal ion in the mixture containing the cation exchange resin and carbon is converted into nitrogen, carbon dioxide, helium, neon or argon. Thermally decomposes in atmosphere. Here, “in a nitrogen, carbon dioxide, helium, neon or argon atmosphere” means a nitrogen, helium, neon or argon atmosphere alone or a mixed gas atmosphere thereof. Further, it is preferable that other gases contained in these gases be as small as possible, but they may be contained in a volume ratio of several percent.

しかし、酸素ガスなどの酸化剤の含有量が多くなると、カーボンや陽イオン交換樹脂が酸化され、また、水素ガスの含有量が多くなると、取り扱いを慎重にしなければならなくなる。   However, when the content of an oxidizing agent such as oxygen gas increases, carbon and cation exchange resin are oxidized, and when the content of hydrogen gas increases, handling must be handled carefully.

第3の工程における熱分解の温度は、触媒金属イオンの分解が開始する150℃以上とする必要があり、さらに、陽イオン交換樹脂の劣化を防ぐために200℃以下としなければならない。触媒金属イオンの熱分解によって、カーボン表面近傍の触媒金属イオンが優先的に触媒金属まで還元されて、カーボンの表面と陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路との接面に触媒金属が生成する。   The thermal decomposition temperature in the third step needs to be 150 ° C. or higher at which the decomposition of the catalytic metal ions starts, and further must be 200 ° C. or lower in order to prevent deterioration of the cation exchange resin. The catalytic metal ions in the vicinity of the carbon surface are preferentially reduced to the catalytic metal by the thermal decomposition of the catalytic metal ions, and a catalytic metal is generated on the contact surface between the carbon surface and the proton conduction path of the cation exchange resin.

この第3の工程では、熱分解時の圧力、時間を適時調整することによって、カーボンの表面に生成する触媒金属の粒径や表面性状を制御することができる。   In this third step, the particle size and surface properties of the catalytic metal produced on the surface of the carbon can be controlled by adjusting the pressure and time during thermal decomposition as appropriate.

熱分解時の圧力は特に限定されないが、圧力が0.1MPaより低い場合には、陽イオン交換樹脂とカーボンとを含む混合物への熱伝導が悪くなって、熱分解時間が長くなり、また、圧力が1MPaより高い場合には、装置が大型になって、製造コストが高くなる。   The pressure at the time of thermal decomposition is not particularly limited. However, when the pressure is lower than 0.1 MPa, the heat conduction to the mixture containing the cation exchange resin and the carbon is deteriorated, and the thermal decomposition time becomes long. When the pressure is higher than 1 MPa, the apparatus becomes large and the manufacturing cost increases.

熱分解時間も特に限定されないが、5時間以上が好ましい。熱分解時間が5時間より短い場合には、熱分解が不十分で、生成する触媒金属が少なくなり、また、熱分解時間が72時間を越えても、特性はほとんど変わらないため、これより長くする必要はない。   The thermal decomposition time is not particularly limited, but is preferably 5 hours or longer. When the thermal decomposition time is shorter than 5 hours, the thermal decomposition is insufficient, and the generated catalytic metal is reduced. Even when the thermal decomposition time exceeds 72 hours, the characteristics hardly change. do not have to.

本発明の固体高分子形燃料電池用触媒混合体に用いる触媒金属は、電気化学的な酸素の還元反応および水素の酸化反応に対する触媒活性が高い、白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、オスミウムなどの白金族金属およびその合金を含むことができる。なお、第2の工程では、イオン交換させる触媒金属イオンを2種類以上用いることによって、混合物中の陽イオン交換樹脂の固定イオンに2種類以上の触媒金属イオンを吸着させることができる。   The catalytic metal used in the catalyst mixture for the polymer electrolyte fuel cell of the present invention has high catalytic activity for electrochemical oxygen reduction reaction and hydrogen oxidation reaction, such as platinum, rhodium, ruthenium, iridium, palladium, osmium, etc. Platinum group metals and alloys thereof. In the second step, by using two or more types of catalytic metal ions to be ion-exchanged, two or more types of catalytic metal ions can be adsorbed on the fixed ions of the cation exchange resin in the mixture.

本発明の固体高分子形燃料電池用触媒混合体の製造に用いる触媒金属イオンは、露出しているカーボン表面には吸着しにくく、陽イオン交換樹脂の対イオンとのイオン交換反応により陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路に存在する陽イオン交換樹脂の固定イオンに優先的に吸着するものが好ましい。   Catalytic metal ions used in the production of the solid polymer fuel cell catalyst mixture of the present invention are not easily adsorbed on the exposed carbon surface, and cation exchange is performed by an ion exchange reaction with a counter ion of a cation exchange resin. Those that preferentially adsorb to the fixed ions of the cation exchange resin present in the proton conduction path of the resin are preferred.

そのような吸着特性を持つ白金族金属を含む陽イオンとして、白金族金属の錯イオン、とくに[Pt(NH2+や[Pt(NH4+などとあらわすことができる白金のアンミン錯イオン、または[Ru(NH2+や[Ru(NH3+が好ましい。さらに、アンミン錯体の他にも、硝酸基あるいはニトロソ基を配位した白金族金属の錯イオンを用いることができる。 As a cation containing a platinum group metal having such an adsorption characteristic, platinum that can be expressed as a complex ion of a platinum group metal, particularly [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ or [Pt (NH 3 ) 6 ] 4+ Or [Ru (NH 3 ) 6 ] 2+ or [Ru (NH 3 ) 6 ] 3+ is preferable. In addition to the ammine complex, a platinum group metal complex ion coordinated with a nitrate group or a nitroso group can be used.

本発明の触媒混合体を用いた固体高分子形燃料電池用電極の形状は、薄膜状であることが好ましく、その厚さはガスの拡散が充分促進されるので、50μm以下であることが好ましく、さらに好ましくは30μm以下のものである。したがって、触媒混合体とPTFEあるいはFEPなどのフッ素樹脂を主成分とする結着剤とを混合したのちに、それをスプレー法、スクリーン印刷法、ドクタ−ブレ−ド法などを用いて50μm以下の薄膜に成形することが望ましい。   The shape of the electrode for the polymer electrolyte fuel cell using the catalyst mixture of the present invention is preferably a thin film, and the thickness thereof is preferably 50 μm or less because gas diffusion is sufficiently promoted. More preferably, it is 30 μm or less. Therefore, after mixing the catalyst mixture and a binder mainly composed of a fluororesin such as PTFE or FEP, the mixture is sprayed, screen-printed, doctor-blade, etc. It is desirable to form into a thin film.

本発明の固体高分子形燃料電池用触媒混合体に含まれる陽イオン交換樹脂には、プロトンを伝導するイオン交換樹脂を用いることができるが、好ましくは、固体高分子形燃料電池の作動条件下で比較的安定であるとともに長寿命であることからパーフルオロカーボンスルフォン酸型またはスチレン−ジビニルベンゼン系のスルフォン酸型陽イオン交換樹脂が好ましい。さらに、陽イオン交換樹脂のイオン交換容量は、高いプロトン伝導性が得られることから0.9meq/g以上であることが好ましい。   As the cation exchange resin contained in the catalyst mixture for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, an ion exchange resin that conducts protons can be used. Preferably, the operating conditions of the polymer electrolyte fuel cell are used. Perfluorocarbon sulfonic acid type or styrene-divinylbenzene type sulfonic acid type cation exchange resin is preferable because it is relatively stable and has a long life. Furthermore, the ion exchange capacity of the cation exchange resin is preferably 0.9 meq / g or more because high proton conductivity is obtained.

本発明の固体高分子形燃料電池用触媒混合体の製造に用いる陽イオン交換樹脂溶液には、イオン交換樹脂をアルコールまたはアルコールと水または水に溶解させた溶液を用いることが好ましい。   As the cation exchange resin solution used in the production of the catalyst mixture for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, it is preferable to use a solution obtained by dissolving an ion exchange resin in alcohol or alcohol and water or water.

本発明の固体高分子形燃料電池用触媒混合体の製造に用いるカーボンには、カーボンブラック、アセチレンブラック、ファーネスブラック、活性炭などが使用でき、とくにカーボンブラックは担持された触媒金属が高分散となることから好ましい。   Carbon black, acetylene black, furnace black, activated carbon, etc. can be used as the carbon used in the production of the catalyst mixture for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, and in particular, the supported catalytic metal is highly dispersed in carbon black. This is preferable.

本発明の固体高分子形燃料電池用触媒混合体において、カーボンに対する陽イオン交換樹脂の質量の割合は、0.25以上1.2以下であることが望ましい。その割合が1.2を越える場合は、カーボン表面に過剰の陽イオン交換樹脂が付着することによって触媒を担持するカーボン粒子同士の接触が妨げられるので、電子を授受できない触媒金属が増加し、その結果、触媒金属の利用率が低くなる。一方、その比が0.25より小さい場合は、カーボン表面に付着するイオン交換樹脂の量が不足するので、電極のプロトン伝導経路の形成が不充分となり、その結果、プロトンの移動抵抗が大きくなる。   In the catalyst mixture for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the ratio of the mass of the cation exchange resin to carbon is desirably 0.25 or more and 1.2 or less. When the ratio exceeds 1.2, the contact between the carbon particles carrying the catalyst is hindered by the excessive cation exchange resin adhering to the carbon surface, so that the number of catalyst metals that cannot accept and receive electrons increases. As a result, the utilization rate of the catalyst metal is lowered. On the other hand, when the ratio is smaller than 0.25, the amount of ion exchange resin adhering to the carbon surface is insufficient, so that the formation of the proton conduction path of the electrode becomes insufficient, and as a result, the proton transfer resistance increases. .

以下、本発明を好適な実施例を用いて説明する。   The present invention will be described below with reference to preferred embodiments.

[実施例1〜6および比較例1]
[実施例1]
本発明の固体高分子形燃料電池用触媒混合体、この触媒混合体を含む固体高分子形燃料電池陽電極およびこの電極を用いた固体高分子形燃料電池を以下の方法で製作した。
[Examples 1 to 6 and Comparative Example 1]
[Example 1]
A catalyst mixture for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, a polymer electrolyte fuel cell positive electrode containing this catalyst mixture, and a polymer electrolyte fuel cell using this electrode were produced by the following method.

本発明の燃料電池用触媒混合体の製造方法はつぎのとおりである。まず、第1の工程では、カーボン(Cabot社製、Vulcan XC−72)37.5g、5質量%陽イオン交換樹脂溶液(Aldrich社製、Nafion Soution SE−5142)500gおよびイソプロパノール250gを真空ミキサー(SMT、HV−1Stype)で30分間攪拌することによって、カーボンと陽イオン交換樹脂とを含む混合溶液を製作した。   The manufacturing method of the fuel cell catalyst mixture of the present invention is as follows. First, in the first step, 37.5 g of carbon (manufactured by Cabot, Vulcan XC-72), 500 g of a 5% by mass cation exchange resin solution (manufactured by Aldrich, Nafion Soution SE-5142) and 250 g of isopropanol were mixed with a vacuum mixer ( A mixed solution containing carbon and a cation exchange resin was produced by stirring for 30 minutes with SMT (HV-1 Type).

つぎに、その混合溶液に超音波分散機(SMT社製、UH−600SR)を用いて、超音波を照射することによって、カーボンの分散を高くした混合溶液を製作した。その照射条件は、混合物150gに対して1分間とした。   Next, a mixed solution with high carbon dispersion was produced by irradiating the mixed solution with ultrasonic waves using an ultrasonic disperser (manufactured by SMT, UH-600SR). The irradiation conditions were 1 minute for 150 g of the mixture.

さらに、その混合溶液にイソプロピルアルコールを添加した混合溶液を噴霧乾燥機(Fujisaki electric社製、スプレードライヤーMDL−050)を用いて造粒することによって、陽イオン交換樹脂とカーボンとの粉末状混合物を製作した。イソプロパノールの添加量は、混合物1gに対して1.86gとし、噴霧乾燥器による造粒の条件は、温度150℃および供給速度6g/min.とした。   Furthermore, the mixed solution obtained by adding isopropyl alcohol to the mixed solution is granulated using a spray dryer (manufactured by Fujiki Electric, spray dryer MDL-050), thereby forming a powdery mixture of the cation exchange resin and carbon. Produced. The amount of isopropanol added was 1.86 g per 1 g of the mixture, and granulation conditions using a spray dryer were a temperature of 150 ° C. and a feed rate of 6 g / min. It was.

つぎに、第2の工程では、あらかじめ調製した0.05mol/l濃度の[Pt(NH]Cl水溶液に粉末状混合物を6時間浸漬することによって、粉末状混合物中の陽イオン交換樹脂の固定イオン(−SO )に[Pt(NH2+を吸着させた。そのあと、その粉末状混合物を脱イオン水で充分洗浄したのちに、十分に乾燥させることによって、[Pt(NH2+を吸着した混合物を製造した。これを混合物Aとする。 Next, in the second step, the cation exchange in the powdery mixture is performed by immersing the powdery mixture in a 0.05 mol / l concentration [Pt (NH 3 ) 4 ] Cl 2 aqueous solution prepared in advance for 6 hours. [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ was adsorbed on a fixed ion (—SO 3 ) of the resin. Thereafter, the powdery mixture was thoroughly washed with deionized water and then sufficiently dried to produce a mixture in which [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ was adsorbed. This is referred to as mixture A.

つづいて、第3の工程では、混合物Aを反応容器に設置し、1.5気圧の窒素を充填した。そして、反応容器を180℃に加熱した状態で24時間保持した。   Subsequently, in the third step, the mixture A was placed in a reaction vessel and filled with 1.5 atm of nitrogen. And the reaction container was hold | maintained for 24 hours in the state heated to 180 degreeC.

そのあと、反応容器から取り出した混合物を0.5mol/lの硫酸に1時間浸漬することによって加熱処理で分解されなかった[Pt(NH2+を溶出したのちに、その混合物を脱イオン水で十分に洗浄することによって、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に触媒金属が担持された本発明の固体高分子形燃料電池用触媒混合体を得た。これを固体高分子形燃料電池用触媒混合体Aとする。 After that, the mixture taken out from the reaction vessel was immersed in 0.5 mol / l sulfuric acid for 1 hour to elute the [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ that was not decomposed by the heat treatment, and then the mixture was removed. By thoroughly washing with ionized water, a catalyst mixture for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention in which a catalytic metal was supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface was obtained. This is designated as catalyst mixture A for polymer electrolyte fuel cells.

さらに、3.0gの固体高分子形燃料電池用混合体Aと21gのN−メチル−2−ピロリドン(NMP)とを、ハイブリッドミキサーを用いて混合することによってペーストを調製した。このペーストを、Tiシート(桂田グレチング社製、厚さ50μm)に250μmのアプリケーターを用いて薄膜状に形成した後、これを80℃で乾燥することによって本発明の触媒混合体Aを適用した固体高分子形燃料電池用電極を製作した。これを固体高分子形燃料電池用電極Aとする。   Further, a paste was prepared by mixing 3.0 g of the solid polymer fuel cell mixture A and 21 g of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) using a hybrid mixer. The paste is formed into a thin film using a 250 μm applicator on a Ti sheet (manufactured by Katsuta Greching Co., Ltd., thickness 50 μm), and then dried at 80 ° C. to apply the catalyst mixture A of the present invention. A polymer fuel cell electrode was fabricated. This is designated as a polymer electrolyte fuel cell electrode A.

固体高分子形燃料電池用電極Aを適用した固体高分子形燃料電池の製造方法はつぎのとおりである。まず、上述の方法で製作した固体高分子形燃料電池用電極Aを5cm×5cmの大きさに裁断した。この電極には、触媒金属としての白金が、0.045mg/cm担持されていた。一方で、高分子電解質膜(DuPont社製、Nafion112、厚さ約50μm)を0.5mol/lの硫酸で1時間煮沸したのちに、脱イオン水で5回の洗浄および1時間煮沸を施した。 The manufacturing method of the polymer electrolyte fuel cell to which the electrode A for the polymer electrolyte fuel cell is applied is as follows. First, the polymer electrolyte fuel cell electrode A produced by the above-described method was cut into a size of 5 cm × 5 cm. This electrode supported 0.045 mg / cm 2 of platinum as a catalyst metal. On the other hand, a polymer electrolyte membrane (DuPont, Nafion 112, thickness of about 50 μm) was boiled with 0.5 mol / l sulfuric acid for 1 hour, then washed with deionized water 5 times and boiled for 1 hour. .

つぎに、その高分子電解質膜の両面に、アノードおよびカソードとして用いる2枚の固体高分子形燃料電池用電極Aをそれぞれ配した後、加熱圧着(135℃、50kg/cm)することによって、高分子電解質膜と固体高分子形燃料電池用電極Aとを一体に接合した。そのあと、接合体からTi箔を取り除いた。 Next, two polymer electrolyte fuel cell electrodes A used as an anode and a cathode are arranged on both sides of the polymer electrolyte membrane, respectively, and then subjected to thermocompression bonding (135 ° C., 50 kg / cm 2 ), The polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte fuel cell electrode A were joined together. Thereafter, the Ti foil was removed from the joined body.

最後に、その接合体の両面に、撥水性を付与した導電性多孔質体のカーボンペーパーを配した後、一対のガスフロープレートで挟持することによって、本発明の燃料電池用触媒を備える固体高分子形燃料電池を製作した。これを単セルAとする。   Finally, a conductive porous carbon paper imparted with water repellency is disposed on both surfaces of the joined body, and then sandwiched between a pair of gas flow plates, so that the solid high-temperature fuel catalyst of the present invention is provided. A molecular fuel cell was fabricated. This is referred to as a single cell A.

[実施例2]
第3の工程において、混合物Aを入れた反応容器に1.5気圧の二酸化炭素を充填したこと以外は実施例1と同様にして、実施例2の固体高分子形燃料電池用触媒混合体B、固体高分子形燃料電池用電極Bおよび単セルBを作製した。
[Example 2]
In the third step, the catalyst mixture B for the polymer electrolyte fuel cell of Example 2 was used in the same manner as in Example 1 except that the reaction vessel containing the mixture A was filled with carbon dioxide at 1.5 atm. Then, a polymer electrolyte fuel cell electrode B and a single cell B were produced.

[実施例3]
第3の工程において、混合物Aを入れた反応容器に1.5気圧のアルゴンを充填したこと以外は実施例1と同様にして、実施例3の固体高分子形燃料電池用触媒混合体C、固体高分子形燃料電池用電極Cおよび単セルCを作製した。
[Example 3]
In the third step, the catalyst mixture C for polymer electrolyte fuel cell of Example 3 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the reaction vessel containing the mixture A was filled with 1.5 atm of argon. A polymer electrolyte fuel cell electrode C and a single cell C were produced.

[実施例4]
第3の工程において、混合物Aを入れた反応容器に1.5気圧のヘリウムを充填したこと以外は実施例1と同様にして、実施例4の固体高分子形燃料電池用触媒混合体D、固体高分子形燃料電池用電極Dおよび単セルDを作製した。
[Example 4]
In the third step, in the same manner as in Example 1 except that the reaction vessel containing the mixture A was filled with 1.5 atm of helium, the catalyst mixture D for the polymer electrolyte fuel cell of Example 4, A polymer electrolyte fuel cell electrode D and a single cell D were produced.

[実施例5]
第3の工程において、混合物Aを入れた反応容器に1.5気圧のネオンを充填したこと以外は実施例1と同様にして、実施例5の固体高分子形燃料電池用触媒混合体E、固体高分子形燃料電池用電極Eおよび単セルEを作製した。
[Example 5]
In the third step, the catalyst mixture E for the polymer electrolyte fuel cell of Example 5 was used in the same manner as in Example 1 except that the reaction vessel containing the mixture A was filled with 1.5 atm of neon. A polymer electrolyte fuel cell electrode E and a single cell E were produced.

[実施例6]
第3の工程において、混合物Aを入れた反応容器に1.5気圧の窒素と水素の混合ガス(水素含有量2vol%)を充填したこと以外は実施例1と同様にして、実施例6の固体高分子形燃料電池用触媒混合体F、固体高分子形燃料電池用電極Fおよび単セルFを作製した。
[Example 6]
In the third step, in the same manner as in Example 1 except that the reaction vessel containing the mixture A was filled with a 1.5 atm nitrogen / hydrogen mixed gas (hydrogen content 2 vol%). A catalyst mixture F for a polymer electrolyte fuel cell, an electrode F for a polymer electrolyte fuel cell, and a single cell F were produced.

[実施例7]
第3の工程において、混合物Aを入れた反応容器に1.5気圧の窒素と酸素の混合ガス(酸素含有量2vol%)を充填したこと以外は実施例1と同様にして、実施例7の固体高分子形燃料電池用触媒混合体G、固体高分子形燃料電池用電極Gおよび単セルGを作製した。
[Example 7]
In the third step, in the same manner as in Example 1 except that the reaction vessel containing the mixture A was filled with a mixed gas of nitrogen and oxygen of 1.5 atm (oxygen content 2 vol%). A catalyst mixture G for a polymer electrolyte fuel cell, an electrode G for a polymer electrolyte fuel cell, and a single cell G were produced.

[比較例1]
第3の工程において、混合物Aを入れた反応容器に1.5気圧の水素を充填したこと以外は実施例1と同様にして、比較例1の固体高分子形燃料電池用触媒混合体H、固体高分子形燃料電池用電極Hおよび単セルHを作製した。なお、固体高分子形燃料電池用電極Gには、触媒金属としての白金が、0.040mg/cm担持されていた。
[Comparative Example 1]
In the third step, the catalyst mixture H for the polymer electrolyte fuel cell of Comparative Example 1 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the reaction vessel containing the mixture A was filled with 1.5 atm of hydrogen. A polymer electrolyte fuel cell electrode H and a single cell H were produced. The solid polymer fuel cell electrode G supported 0.040 mg / cm 2 of platinum as a catalyst metal.

実施例1〜7および比較例1の固体高分子形燃料電池A〜Hの出力性能を評価した。測定条件は、電池温度を70℃として、70℃のバブラー式加湿器でそれぞれ加湿した空気および水素をカソードおよびカソードに化学量論比2.5および1.25の流量で供給した。   The output performances of the polymer electrolyte fuel cells A to H of Examples 1 to 7 and Comparative Example 1 were evaluated. Measurement conditions were such that the battery temperature was 70 ° C., and air and hydrogen humidified by a bubbler humidifier at 70 ° C. were supplied to the cathode and the cathode at flow rates of a stoichiometric ratio of 2.5 and 1.25, respectively.

図1は、実施例1の単セルAおよび比較例1の単セルHの分極曲線を示したもので、図1において、記号○は単セルAの分極曲線、記号△は単セルHの分極曲線を示す。図1から、第3の工程において、窒素雰囲気で熱処理をして製作した固体高分子形燃料電池用触媒混合体Aを用いた単セルAの出力性能は、水素雰囲気で熱処理をして製作した固体高分子形燃料電池用触媒混合体Hを用いた単セルHの出力性能と比較してほぼ同等の優れたものであることがわかった。   FIG. 1 shows the polarization curves of the single cell A of Example 1 and the single cell H of Comparative Example 1. In FIG. 1, the symbol ◯ indicates the polarization curve of the single cell A, and the symbol Δ indicates the polarization of the single cell H. The curve is shown. From FIG. 1, in the third step, the output performance of the single cell A using the catalyst mixture A for polymer electrolyte fuel cells manufactured by heat treatment in a nitrogen atmosphere was manufactured by heat treatment in a hydrogen atmosphere. It turned out that it is the substantially same thing as the output performance of the single cell H using the catalyst mixture H for polymer electrolyte fuel cells.

また、第3の工程において、加熱雰囲気として、アルゴン、二酸化炭素、ヘリウム、ネオン、窒素と水素の混合ガス(水素含有量2vol%)あるいは窒素と酸素の混合ガス(酸素含有量2vol%)を用いて固体高分子形燃料電池用触媒混合体B〜Gを製作し、これらの触媒混合体を用いた固体高分子形燃料電池B〜Gの出力性能も、比較例1と同等以上の性能であることがわかった。   In the third step, argon, carbon dioxide, helium, neon, a mixed gas of nitrogen and hydrogen (hydrogen content 2 vol%) or a mixed gas of nitrogen and oxygen (oxygen content 2 vol%) is used as the heating atmosphere. The polymer polymer fuel cell catalyst mixtures B to G were manufactured, and the output performance of the polymer electrolyte fuel cells B to G using these catalyst mixtures was equal to or better than that of Comparative Example 1. I understood it.

このことから、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に触媒金属が担持された固体高分子形燃料電池用触媒混合体の製造方法において、第3の工程の熱分解の雰囲気として、窒素、二酸化炭素、ヘリウム、ネオン、アルゴンまたはこれらに少量の水素や酸素を含むガスを用いることによって、高い性能を示す固体高分子形燃料電池が得られることがわかった。   Therefore, in the method for producing a catalyst mixture for a polymer electrolyte fuel cell in which a catalytic metal is supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface, the thermal decomposition of the third step is performed. It was found that by using nitrogen, carbon dioxide, helium, neon, argon, or a gas containing a small amount of hydrogen or oxygen as the atmosphere, a polymer electrolyte fuel cell exhibiting high performance can be obtained.

[実施例8〜10および比較例2〜4]
[実施例8]
第3の工程において、反応容器を150℃に加熱したこと以外は実施例1と同様にして、実施例8の固体高分子形燃料電池用触媒混合体I、固体高分子形燃料電池用電極Iおよび単セルIを作製した。
[Examples 8 to 10 and Comparative Examples 2 to 4]
[Example 8]
In the third step, in the same manner as in Example 1 except that the reaction vessel was heated to 150 ° C., the solid polymer fuel cell catalyst mixture I and the solid polymer fuel cell electrode I of Example 8 were used. And the single cell I was produced.

[実施例9]
第3の工程において、反応容器を160℃に加熱したこと以外は実施例1と同様にして、実施例9の固体高分子形燃料電池用触媒混合体J、固体高分子形燃料電池用電極Jおよび単セルJを作製した。
[Example 9]
In the third step, in the same manner as in Example 1 except that the reaction vessel was heated to 160 ° C., the polymer mixture J for the polymer electrolyte fuel cell of Example 9, the electrode J for the polymer electrolyte fuel cell of Example 9 And the single cell J was produced.

[実施例10]
第3の工程において、反応容器を200℃に加熱したこと以外は実施例1と同様にして、実施例10の固体高分子形燃料電池用触媒混合体K、固体高分子形燃料電池用電極Kおよび単セルKを作製した。
[Example 10]
In the third step, the solid polymer fuel cell catalyst mixture K and the solid polymer fuel cell electrode K of Example 10 were the same as in Example 1 except that the reaction vessel was heated to 200 ° C. And the single cell K was produced.

[比較例2]
第3の工程において、反応容器を100℃に加熱したこと以外は実施例1と同様にして、比較例2の固体高分子形燃料電池用触媒混合体L、固体高分子形燃料電池用電極Lおよび単セルLを作製した。
[Comparative Example 2]
In the third step, the solid polymer fuel cell catalyst mixture L and the solid polymer fuel cell electrode L of Comparative Example 2 were the same as in Example 1 except that the reaction vessel was heated to 100 ° C. And the single cell L was produced.

[比較例3]
第3の工程において、反応容器を130℃に加熱したこと以外は実施例1と同様にして、比較例3の固体高分子形燃料電池用触媒混合体M、固体高分子形燃料電池用電極Mおよび単セルMを作製した。
[Comparative Example 3]
In the third step, the solid polymer fuel cell catalyst mixture M and the solid polymer fuel cell electrode M of Comparative Example 3 were the same as in Example 1 except that the reaction vessel was heated to 130 ° C. And the single cell M was produced.

[比較例4]
第3の工程において、反応容器を220℃に加熱したこと以外は実施例1と同様にして、比較例4の固体高分子形燃料電池用触媒混合体N、固体高分子形燃料電池用電極Nおよび単セルNを作製した。
[Comparative Example 4]
In the third step, in the same manner as in Example 1 except that the reaction vessel was heated to 220 ° C., the solid polymer fuel cell catalyst mixture N and the polymer electrolyte fuel cell electrode N of Comparative Example 4 And the single cell N was produced.

実施例8〜10および比較例2〜4の単セルI〜Nの出力性能を評価した。測定条件は、実施例1の場合と同じとした。   The output performance of the single cells I to N of Examples 8 to 10 and Comparative Examples 2 to 4 was evaluated. The measurement conditions were the same as in Example 1.

図2は、単セルI〜Nを300mA/cmの電流密度で運転した時の、第3の工程の熱処理温度とセル電圧との関係を示したものである。なお、図2には、実施例1の結果も同時に示した。図2から、熱処理温度が150℃以上200℃以下の場合に、高いセル電圧が得られることがわかった。 FIG. 2 shows the relationship between the heat treatment temperature and the cell voltage in the third step when the single cells I to N are operated at a current density of 300 mA / cm 2 . In FIG. 2, the results of Example 1 are also shown. From FIG. 2, it was found that a high cell voltage was obtained when the heat treatment temperature was 150 ° C. or higher and 200 ° C. or lower.

なお、熱処理温度が150℃より低い場合には、触媒金属イオンの[Pt(NH2+が充分に分解されず、また、熱分解温度が200℃を超える場合には、固体高分子形燃料電池用触媒混合体に含まれる陽イオン交換樹脂が熱分解することに起因するものと考えられる。 When the heat treatment temperature is lower than 150 ° C., [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ of the catalytic metal ion is not sufficiently decomposed, and when the thermal decomposition temperature exceeds 200 ° C., the solid polymer This is thought to be due to the thermal decomposition of the cation exchange resin contained in the catalyst mixture for a fuel cell.

[実施例11〜13]
[実施例11]
第2の工程で、陽イオン交換樹脂とカーボンとの粉末状混合物を浸漬する溶液として、0.05mol/l濃度の[Pt(NH]Cl水溶液を用いたこと以外は実施例1と同様にして、実施例11の固体高分子形燃料電池用触媒混合体O、固体高分子形燃料電池用電極Oおよび単セルOを作製した。
[Examples 11 to 13]
[Example 11]
Example 1 except that in the second step, a 0.05 mol / l concentration [Pt (NH 3 ) 6 ] Cl 4 aqueous solution was used as the solution for immersing the powdery mixture of the cation exchange resin and carbon. In the same manner as in Example 11, a polymer electrolyte fuel cell catalyst mixture O, a polymer electrolyte fuel cell electrode O and a single cell O of Example 11 were produced.

[実施例12]
第2の工程で、陽イオン交換樹脂とカーボンとの粉末状混合物を浸漬する溶液として、0.05mol/l濃度の[Ru(NH]Cl水溶液を用いたこと以外は実施例1と同様にして、実施例12の固体高分子形燃料電池用触媒混合体P、固体高分子形燃料電池用電極Pおよび単セルPを作製した。
[Example 12]
Example 1 except that an aqueous solution of [Ru (NH 3 ) 6 ] Cl 2 having a concentration of 0.05 mol / l was used as a solution for immersing the powdery mixture of the cation exchange resin and carbon in the second step. In the same manner as described above, the polymer mixture fuel cell catalyst mixture P, the polymer electrolyte fuel cell electrode P and the single cell P of Example 12 were produced.

[実施例13]
第2の工程で、陽イオン交換樹脂とカーボンとの粉末状混合物を浸漬する溶液として、0.02mol/l濃度の[Ru(NH36]Cl2と0.04mol/l濃度の[Pt(NH]Clとを含む水溶液を用いたこと以外は実施例1と同様にして、実施例13の固体高分子形燃料電池用触媒混合体Q、固体高分子形燃料電池用電極Qおよび単セルQを作製した。
[Example 13]
In the second step, 0.02 mol / l concentration of [Ru (NH 3 ) 6 ] Cl 2 and 0.04 mol / l concentration of [Pt] are used as a solution for immersing the powdery mixture of cation exchange resin and carbon. Except that an aqueous solution containing (NH 3 ) 4 ] Cl 2 was used, in the same manner as in Example 1, the solid polymer fuel cell catalyst mixture Q of Example 13 and the polymer electrolyte fuel cell electrode Q and single cell Q were produced.

実施例11〜13の単セルO〜Qの出力性能を評価した。測定条件は、実施例1の場合と同じとした。単セルO〜Qを300mA/cmの電流密度で運転した時の、触媒の種類とセル電圧との関係を表1にまとめた。なお、表1には、比較のため実施例1の結果も示した。 The output performance of the single cells O to Q of Examples 11 to 13 was evaluated. The measurement conditions were the same as in Example 1. Table 1 summarizes the relationship between the type of the catalyst and the cell voltage when the single cells O to Q were operated at a current density of 300 mA / cm 2 . Table 1 also shows the results of Example 1 for comparison.

Figure 2006344424
Figure 2006344424

表1の結果から、セル電圧は触媒金属の種類によっては、ほとんど変化しないことがわかった。   From the results in Table 1, it was found that the cell voltage hardly changed depending on the type of the catalyst metal.

[実施例14〜17]
[実施例14]
第3工程において、熱分解時の窒素ガスの圧力を0.05MPaとしたこと以外は実施例1と同様にして、実施例14の固体高分子形燃料電池用触媒混合体R、固体高分子形燃料電池用電極Rおよび単セルRを作製した。
[Examples 14 to 17]
[Example 14]
In the third step, in the same manner as in Example 1 except that the pressure of nitrogen gas during pyrolysis was set to 0.05 MPa, the solid polymer fuel cell catalyst mixture R of Example 14, solid polymer type A fuel cell electrode R and a single cell R were produced.

[実施例15]
第3工程において、熱分解時の窒素ガスの圧力を0.1MPaとしたこと以外は実施例1と同様にして、実施例15の固体高分子形燃料電池用触媒混合体S、固体高分子形燃料電池用電極Sおよび単セルSを作製した。
[Example 15]
In the third step, in the same manner as in Example 1 except that the pressure of the nitrogen gas at the time of thermal decomposition was set to 0.1 MPa, the solid polymer fuel cell catalyst mixture S of Example 15 and the solid polymer type A fuel cell electrode S and a single cell S were produced.

[実施例16]
第3工程において、熱分解時の窒素ガスの圧力を0.5MPaとしたこと以外は実施例1と同様にして、実施例16の固体高分子形燃料電池用触媒混合体T、固体高分子形燃料電池用電極Tおよび単セルTを作製した。
[Example 16]
In the third step, in the same manner as in Example 1 except that the pressure of nitrogen gas at the time of thermal decomposition was set to 0.5 MPa, the solid polymer fuel cell catalyst mixture T of Example 16, solid polymer type A fuel cell electrode T and a single cell T were produced.

[実施例17]
第3工程において、熱分解時の窒素ガスの圧力を1.05MPaとしたこと以外は実施例1と同様にして、実施例17の固体高分子形燃料電池用触媒混合体U、固体高分子形燃料電池用電極Uおよび単セルUを作製した。
[Example 17]
In the third step, in the same manner as in Example 1 except that the pressure of the nitrogen gas at the time of thermal decomposition was 1.05 MPa, the solid polymer fuel cell catalyst mixture U of Example 17 and the solid polymer type Fuel cell electrodes U and single cells U were produced.

実施例14〜17の単セルR〜Uの出力性能を評価した。測定条件は、実施例1の場合と同じとした。単セルR〜Uを300mA/cmの電流密度で運転した時の、第3工程の熱分解時の窒素ガスの圧力とセル電圧との関係を表2にまとめた。なお、表2には、比較のため実施例1の結果も示した。 The output performance of the single cells R to U of Examples 14 to 17 was evaluated. The measurement conditions were the same as in Example 1. Table 2 summarizes the relationship between the pressure of the nitrogen gas and the cell voltage during the pyrolysis in the third step when the single cells R to U were operated at a current density of 300 mA / cm 2 . Table 2 also shows the results of Example 1 for comparison.

Figure 2006344424
Figure 2006344424

表2の結果から、セル電圧は窒素ガスの圧力によっては、ほとんど変化しないことがわかった。   From the results in Table 2, it was found that the cell voltage hardly changed depending on the pressure of nitrogen gas.

[実施例18〜21]
[実施例18]
第3工程において、熱分解時間を2時間としたこと以外は実施例1と同様にして、実施例18の固体高分子形燃料電池用触媒混合体V、固体高分子形燃料電池用電極Vおよび単セルVを作製した。
[Examples 18 to 21]
[Example 18]
In the third step, in the same manner as in Example 1 except that the thermal decomposition time was 2 hours, the polymer polymer fuel cell catalyst mixture V, the polymer electrolyte fuel cell electrode V of Example 18 and A single cell V was produced.

[実施例19]
第3工程において、熱分解時間を5時間としたこと以外は実施例1と同様にして、実施例19の固体高分子形燃料電池用触媒混合体W、固体高分子形燃料電池用電極Wおよび単セルWを作製した。
[Example 19]
In the third step, in the same manner as in Example 1 except that the thermal decomposition time was 5 hours, the polymer mixture fuel cell catalyst mixture W, polymer electrolyte fuel cell electrode W of Example 19 and A single cell W was produced.

[実施例20]
第3工程において、熱分解時間を10時間としたこと以外は実施例1と同様にして、実施例20の固体高分子形燃料電池用触媒混合体X、固体高分子形燃料電池用電極Xおよび単セルXを作製した。
[Example 20]
In the third step, in the same manner as in Example 1 except that the thermal decomposition time was set to 10 hours, the solid polymer fuel cell catalyst mixture X, the solid polymer fuel cell electrode X of Example 20 and A single cell X was produced.

[実施例21]
第3工程において、熱分解時間を48時間としたこと以外は実施例1と同様にして、実施例21の固体高分子形燃料電池用触媒混合体Y、固体高分子形燃料電池用電極Yおよび単セルYを作製した。
[Example 21]
In the third step, the solid polymer fuel cell catalyst mixture Y, the solid polymer fuel cell electrode Y of Example 21 and A single cell Y was produced.

実施例18〜21の単セルV〜Yの出力性能を評価した。測定条件は、実施例1の場合と同じとした。単セルV〜Yを300mA/cmの電流密度で運転した時の、第3工程の熱分解時間とセル電圧との関係を表3にまとめた。なお、表3には、比較のため実施例1の結果も示した。 The output performance of the single cells V to Y of Examples 18 to 21 was evaluated. The measurement conditions were the same as in Example 1. Table 3 summarizes the relationship between the thermal decomposition time in the third step and the cell voltage when the single cells V to Y were operated at a current density of 300 mA / cm 2 . Table 3 also shows the results of Example 1 for comparison.

Figure 2006344424
Figure 2006344424

表3の結果から、熱分解時間が2時間である実施例18のセル電圧はやや低かったが、熱分解時間が5時間以上である実施例19〜21および実施例1のセル電圧はほぼ同じであり、熱分解時間によるセル電圧の変化は小さいことがわかった。   From the results in Table 3, the cell voltage of Example 18 with a pyrolysis time of 2 hours was slightly low, but the cell voltages of Examples 19 to 21 and Example 1 with a pyrolysis time of 5 hours or more were almost the same. It was found that the change in the cell voltage due to the thermal decomposition time was small.

実施例1の単セルAおよび比較例1の単セルHの分極曲線を示す図。The figure which shows the polarization curve of the single cell A of Example 1, and the single cell H of the comparative example 1. FIG. 300mA/cmの電流密度で運転した時の、第3の工程の熱処理温度とセル電圧との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the heat processing temperature of a 3rd process, and a cell voltage when it drive | operates with the current density of 300 mA / cm < 2 >.

Claims (1)

陽イオン交換樹脂とカーボンとを含む混合物を作製する第1の工程と、前記混合物中の陽イオン交換樹脂の固定イオンに触媒金属の陽イオンを吸着させる第2の工程と、前記触媒金属の陽イオンを、窒素、二酸化炭素、ヘリウム、ネオンまたはアルゴン雰囲気中、150℃以上200℃以下の温度で熱分解する第3の工程を経ることを特徴とする固体高分子形燃料電池用触媒混合体の製造方法。 A first step of preparing a mixture containing a cation exchange resin and carbon; a second step of adsorbing a cation of a catalyst metal on a fixed ion of the cation exchange resin in the mixture; and a cation of the catalyst metal. A catalyst mixture for a polymer electrolyte fuel cell comprising a third step of thermally decomposing ions at a temperature of 150 ° C. or higher and 200 ° C. or lower in a nitrogen, carbon dioxide, helium, neon or argon atmosphere Production method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010161034A (en) * 2009-01-09 2010-07-22 Toyota Motor Corp Method of manufacturing metal catalyst-supporting carbon powder

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