JP2002042825A - Electrode catalyst for fuel cell, method for producing the same, and fuel cell - Google Patents
Electrode catalyst for fuel cell, method for producing the same, and fuel cellInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 少量の担持量で優れた特性を発揮する燃料電
池用電極触媒を提供する。
【解決手段】 白金粒子からなり、その5重量%以上が
立方体形状または正四面体形状の白金粒子である燃料電
池用電極触媒。電極触媒の製造方法は、塩化白金(II)
酸カリウムとポリアクリル酸ナトリウムとを溶解した水
溶液に、水素をバブリングさせて白金コロイド溶液を生
成させる工程、白金コロイド溶液に導電性炭素材料を加
えた後、液のpHを3以下または12以上に調製する工
程、コロイド粒子を炭素材料とともに液から分離する工
程、および分離されたコロイド粒子付き炭素材料を18
0〜350℃の温度で熱処理する工程からなる。(57) [Problem] To provide an electrode catalyst for a fuel cell, which exhibits excellent characteristics with a small amount of support. SOLUTION: An electrode catalyst for a fuel cell comprising platinum particles, of which 5% by weight or more are cubic or tetrahedral platinum particles. The production method of the electrode catalyst is platinum (II) chloride
A step of bubbling hydrogen into an aqueous solution in which potassium acid and sodium polyacrylate are dissolved to form a platinum colloid solution, and adding a conductive carbon material to the platinum colloid solution, and then adjusting the pH of the solution to 3 or less or 12 or more The step of preparing, the step of separating the colloid particles from the liquid together with the carbon material, and the step of
A step of heat-treating at a temperature of 0 to 350 ° C.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、高分子電解質型燃
料電池、リン酸型燃料電池、ダイレクトメタノールタイ
プの燃料電池などに用いられる高活性な電極触媒、その
製造方法および同触媒を用いた燃料電池に関するもので
ある。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a highly active electrode catalyst for use in polymer electrolyte fuel cells, phosphoric acid fuel cells, direct methanol fuel cells, etc., a method for producing the same, and a fuel using the catalyst. It relates to batteries.
【0002】[0002]
【従来の技術】高分子電解質型燃料電池、リン酸型燃料
電池、ダイレクトメタノールタイプの燃料電池の電極触
媒は、白金黒ないしは白金を含む貴金属をカーボンブラ
ックに担持した触媒が用いられてきた。白金黒は、加熱
した塩化白金酸水溶液を炭酸ナトリウムで中和し、煮沸
したぎ酸ナトリウム中に注ぐ方法や、塩化白金酸水溶液
にホルマリンを加え、水酸化ナトリウムを加える方法に
より調製される。白金担持カーボンブラックは、塩化白
金酸水溶液に、亜硫酸水素ナトリウムを加えた後、過酸
化水素水を加え、生じた白金コロイドをカーボンブラッ
クに担持させ、洗浄後、必要に応じて熱処理することに
より調製されるのが一般的である。ダイレクトメタノー
ルタイプの燃料電池では、白金黒が主に用いられる。高
分子電解質型燃料電池では、白金担持カーボンブラック
を高分子電解質溶液に分散させてインクとし、そのイン
クをカーボンペーパーなどのガス拡散電極に塗布し、乾
燥後、2枚のガス拡散電極で高分子電解質膜を挟み、ホ
ットプレスすることにより電解質膜・電極接合体が製造
される。2. Description of the Related Art As an electrode catalyst of a polymer electrolyte fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, and a direct methanol fuel cell, a catalyst in which platinum black or a noble metal containing platinum is supported on carbon black has been used. Platinum black is prepared by a method of neutralizing a heated aqueous solution of chloroplatinic acid with sodium carbonate and pouring it into boiled sodium formate, or a method of adding formalin to an aqueous solution of chloroplatinic acid and adding sodium hydroxide. Platinum-supported carbon black is prepared by adding sodium hydrogen sulfite to an aqueous solution of chloroplatinic acid, then adding aqueous hydrogen peroxide, supporting the resulting platinum colloid on the carbon black, washing, and heat-treating as necessary. It is generally done. In direct methanol type fuel cells, platinum black is mainly used. In a polymer electrolyte fuel cell, platinum-supported carbon black is dispersed in a polymer electrolyte solution to form an ink. The ink is applied to a gas diffusion electrode such as carbon paper, dried, and then dried with two gas diffusion electrodes. The electrolyte membrane and the electrode assembly are manufactured by hot pressing the electrolyte membrane.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】白金は高価であるか
ら、少量の担持量で十分な性能を発揮させることが望ま
れている。しかし、従来の手法で用いられる白金粒子
は、正八面体の頂点を切り落とした形状の十四面体(cu
booctahedra)、正二十面体(icosahedra)、および無
定形の粒子が混在しているものがほとんどであり、立方
体や正四面体の形状を有するものは全体の粒子のうちの
1%以下であった。白金触媒の活性は、白金の結晶面に
より異なり、(111)面または(100)面が最も高
活性であるとされている(P. N. Ross;Ultramicroscop
y, Vol.20, p.21(1986)およびK. Kinoshita;J. Electr
ochem. Soc., Vol.137,No.3, p.845(1990))。しかし、
従来の方法では様々な面が存在し、活性面はそのうちの
ごくわずかであった。Since platinum is expensive, it is desired that a small amount of platinum be used to exhibit sufficient performance. However, the platinum particles used in the conventional method have a tetrahedral shape (cu
booctahedra), icosahedra, and amorphous particles were mostly mixed, and less than 1% of all particles had a cubic or tetrahedral shape. . The activity of the platinum catalyst varies depending on the crystal plane of platinum, and the (111) plane or the (100) plane is considered to have the highest activity (PN Ross; Ultramicroscop).
y, Vol. 20, p. 21 (1986) and K. Kinoshita; J. Electr
ochem. Soc., Vol. 137, No. 3, p. 845 (1990)). But,
In the conventional method, there are various surfaces, of which only a few are active surfaces.
【0004】[0004]
【課題を解決するための手段】本発明は、高活性な面を
選択的にもつ白金粒子からなる燃料電池用電極触媒を提
供するものである。すなわち、本発明の燃料電池用電極
触媒は、白金粒子からなり、その5重量%以上が立方体
形状および/または正四面体形状の白金粒子であること
を特徴とする。別の観点によれば、本発明の燃料電池用
電極触媒は、白金粒子からなり、その5重量%以上が
(100)面または(111)面の結晶面を有する白金
粒子である。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a fuel cell electrode catalyst comprising platinum particles selectively having a highly active surface. That is, the fuel cell electrode catalyst of the present invention comprises platinum particles, of which at least 5% by weight are cubic and / or tetrahedral platinum particles. According to another aspect, the electrode catalyst for a fuel cell of the present invention is composed of platinum particles, of which 5% by weight or more are platinum particles having a (100) plane or a (111) plane.
【0005】本発明は、白金塩と、カルボン酸およびカ
ルボン酸塩の少なくとも一方とを溶解した水溶液に、水
素を導入して白金コロイド溶液を生成させる工程、前記
白金コロイド溶液に導電性炭素材料を加えた後、コロイ
ド溶液のpHを3以下または12以上に調製する工程、
コロイド粒子を前記炭素材料とともに前記コロイド溶液
から分離する工程、および分離されたコロイド粒子付き
前記炭素材料から含まれているカルボン酸および/また
はカルボン酸塩を除去する工程を有する燃料電池用電極
触媒の製造方法を提供する。本発明は、白金塩と、カル
ボン酸およびカルボン酸塩の少なくとも一方とを溶解し
た水溶液に、水素を導入して白金コロイド溶液を生成さ
せる工程、前記白金コロイド溶液に導電性炭素材料を加
えた後、2価以上の価数を有する陽イオンを添加する工
程、コロイド粒子を前記炭素材料とともに前記コロイド
溶液から分離する工程、および分離されたコロイド粒子
付き前記炭素材料から含まれているカルボン酸および/
またはカルボン酸塩を除去する工程を有する燃料電池用
電極触媒の製造方法に関する。According to the present invention, there is provided a step of introducing a hydrogen into an aqueous solution in which a platinum salt and at least one of a carboxylic acid and a carboxylic acid salt are dissolved to form a platinum colloid solution, and adding a conductive carbon material to the platinum colloid solution. Adjusting the pH of the colloid solution to 3 or less or 12 or more after the addition,
An electrode catalyst for a fuel cell, comprising: a step of separating colloid particles from the colloid solution together with the carbon material; and a step of removing carboxylic acid and / or carboxylate contained from the separated carbon material with colloid particles. A manufacturing method is provided. The present invention provides a step of introducing a hydrogen into an aqueous solution in which a platinum salt and at least one of a carboxylic acid and a carboxylate is dissolved to form a platinum colloid solution, and adding a conductive carbon material to the platinum colloid solution. A step of adding a cation having a valence of 2 or more, a step of separating colloid particles from the colloid solution together with the carbon material, and a step of separating carboxylic acid and / or carboxylic acid contained in the separated carbon material with colloid particles.
Alternatively, the present invention relates to a method for producing a fuel cell electrode catalyst having a step of removing a carboxylate.
【0006】さらに、本発明は、白金塩と、カルボン酸
およびカルボン酸塩の少なくとも一方とを溶解した水溶
液に、水素を導入して白金コロイド溶液を生成させる工
程、前記白金コロイド溶液からコロイド粒子を導電性炭
素材料に電着させる工程、コロイド粒子を電着した前記
炭素材料から含まれているカルボン酸および/またはカ
ルボン酸塩を除去する工程を有する燃料電池用電極触媒
の製造方法に関する。Further, the present invention provides a step of introducing hydrogen into an aqueous solution in which a platinum salt and at least one of a carboxylic acid and a carboxylate are dissolved to form a colloidal platinum solution, and forming colloidal particles from the colloidal platinum solution. The present invention relates to a method for producing an electrode catalyst for a fuel cell, comprising a step of electrodepositing a conductive carbon material and a step of removing a carboxylic acid and / or carboxylate contained in the carbon material on which colloid particles are electrodeposited.
【0007】本発明は、白金塩と、カルボン酸およびカ
ルボン酸塩の少なくとも一方とを溶解した水溶液に、水
素を導入して白金コロイド溶液を生成させる工程、前記
白金コロイド溶液に導電性炭素材料を加えた後、コロイ
ド溶液のpHが等電点以上でかつ12より低いpHにお
いて前記コロイド粒子を前記炭素材料に吸着させる工
程、コロイド粒子を吸着した前記炭素材料を前記コロイ
ド溶液から分離する工程、および分離されたコロイド粒
子付き前記炭素材料から含まれているカルボン酸および
/またはカルボン酸塩を除去する工程を有する燃料電池
用電極触媒の製造方法を提供する。According to the present invention, there is provided a step of introducing a hydrogen into an aqueous solution in which a platinum salt and at least one of a carboxylic acid and a carboxylate are dissolved to form a platinum colloid solution, and adding a conductive carbon material to the platinum colloid solution. After the addition, the step of adsorbing the colloid particles to the carbon material at a pH of the colloid solution equal to or higher than the isoelectric point and lower than 12, separating the carbon material having adsorbed the colloid particles from the colloid solution, and Provided is a method for producing an electrode catalyst for a fuel cell, comprising a step of removing a carboxylic acid and / or a carboxylate contained in the separated carbon material with colloidal particles.
【0008】本発明は、高分子電解質膜および前記高分
子電解質膜を挟むアノードおよびカソードを具備し、ア
ノード側触媒層が前記高分子電解質膜に接する白金触媒
を含む層、並びにルテニウムおよび白金を含み前記の層
に接する層からなる燃料電池であって、前記白金触媒を
含む層の白金粒子のうち全体の5%以上が立方体形状ま
たは正四面体形状である燃料電池に関する。また、本発
明は、高分子電解質膜および前記高分子電解質膜を挟む
アノードおよびカソードを具備し、アノード側触媒層
が、ルテニウムおよび白金を含み燃料ガス導入部近傍に
位置する層、並びに前記の層の下流部に位置する白金触
媒層からなり、前記白金触媒層の白金粒子のうち全体の
5%以上が立方体形状または正四面体形状である燃料電
池に関する。The present invention comprises a polymer electrolyte membrane, an anode and a cathode sandwiching the polymer electrolyte membrane, wherein the anode-side catalyst layer comprises a layer containing a platinum catalyst in contact with the polymer electrolyte membrane, and ruthenium and platinum. The present invention relates to a fuel cell comprising a layer in contact with the above-mentioned layer, wherein at least 5% of all the platinum particles in the layer containing the platinum catalyst have a cubic or tetrahedral shape. The present invention also provides a polymer electrolyte membrane and an anode and a cathode sandwiching the polymer electrolyte membrane, wherein the anode-side catalyst layer contains ruthenium and platinum and is located in the vicinity of the fuel gas inlet, and The present invention relates to a fuel cell comprising a platinum catalyst layer located at a downstream portion of the fuel cell, wherein 5% or more of the platinum particles in the platinum catalyst layer have a cubic or tetrahedral shape.
【0009】[0009]
【発明の実施の形態】塩化白金(II)酸カリウム水溶液
とポリアクリル酸ナトリウム水溶液を混合し、その混合
液にアルゴンガスをバブリングさせた後、水素ガスをバ
ブリングさせ、半日程度密閉状態に保持すると、白金コ
ロイドが生成する。この白金コロイドは、正四面体→正
八面体の頂点を切り落とした形状の十四面体→立方体→
不定形へと成長していく。その結晶成長過程は、ポリア
クリル酸ナトリウムの添加量、水素による還元時間、お
よび液のpHにより変化する。従って、これらのファク
ターを変えることにより、ある形状の白金粒子を生成粒
子の主生成物とすることができる(M. A. El-Sayedら;
Science, Vol.272, No.28, p.1924(1996))。具体的に
は、ポリアクリル酸ナトリウムの添加量が少ない場合
は、立方体の白金粒子が生成しやすく、ポリアクリル酸
ナトリウムの添加量が多い場合は、正四面体の多い粒子
を得ることができる。これらの特異な形状を持つ白金粒
子は、正四面体粒子が、(111)面に富み、正八面体
の頂点を切り落とした形状の十四面体が(111)面と
(100)面に富み、立方体粒子が(100)面に富
む。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An aqueous solution of potassium chloroplatinate (II) and an aqueous solution of sodium polyacrylate are mixed, and an argon gas is bubbled through the mixed solution, and then a hydrogen gas is bubbled and kept in a sealed state for about half a day. , A platinum colloid is formed. This platinum colloid is a regular tetrahedron → a tetrahedron → a cube →
It grows into an irregular shape. The crystal growth process varies depending on the amount of sodium polyacrylate added, the reduction time with hydrogen, and the pH of the solution. Therefore, by changing these factors, platinum particles of a certain shape can be the main product of the product particles (MA El-Sayed et al .;
Science, Vol.272, No.28, p.1924 (1996)). Specifically, when the addition amount of sodium polyacrylate is small, cubic platinum particles are easily generated, and when the addition amount of sodium polyacrylate is large, particles having many tetrahedrons can be obtained. In the platinum particles having these unique shapes, tetrahedral particles are rich in the (111) plane, and tetradecahedrons in which the vertices of the octahedron are cut off are rich in the (111) plane and the (100) plane, Cubic particles are rich in (100) plane.
【0010】本発明の白金粒子は、白金黒の代わりに使
用することができる。これは、特にダイレクトメタノー
ルタイプの燃料電池において有効である。この白金粒子
は、それ自体の量を低減するため、導電性炭素材料、殊
にカーボンブラックなどに担持させるのが好ましい。白
金粒子を導電性炭素材料に担持させる電極触媒の製造方
法を次に説明する。本発明の燃料電池用電極触媒の第1
の製造方法は、次の工程からなる。 (1)白金塩と、カルボン酸およびカルボン酸塩の少な
くとも一方とを溶解した水溶液に、水素を導入して白金
コロイド溶液を生成させる工程、(2)前記白金コロイ
ド溶液に導電性炭素材料を加えた後、コロイド溶液のp
Hを3以下または12以上に調製する工程、(3)コロ
イド粒子を前記炭素材料とともに前記コロイド溶液から
分離する工程、および(4)分離されたコロイド粒子付
き前記炭素材料から含まれているカルボン酸および/ま
たはカルボン酸塩を除去する工程。前記の工程(2)
は、コロイド溶液からコロイド粒子を分離しやすくする
工程であり、工程(3)は、液を遠心分離器にかけるな
どにより、コロイド粒子および炭素材料を液から分離す
る。工程(2)および(3)により、液中のコロイド粒
子の大部分は炭素材料に吸着ないし沈着する。上記のコ
ロイドの等電点は、pH2ないし3である。従って、コ
ロイド溶液のpHを3以下にすることにより、解離した
カルボン酸のカルボン酸イオンにプロトンがつき、不安
定化する。また、コロイドを保護しているカルボン酸ま
たはその塩は、pH12以上のアルカリ性でカルボン酸
イオンが陽イオンに囲まれるため、不安定化する。本発
明では、これを利用してコロイド粒子を分離しやすくす
る。[0010] The platinum particles of the present invention can be used in place of platinum black. This is particularly effective in a direct methanol type fuel cell. The platinum particles are preferably supported on a conductive carbon material, particularly carbon black, in order to reduce the amount of the platinum particles themselves. Next, a method for producing an electrode catalyst in which platinum particles are supported on a conductive carbon material will be described. First Electrode Catalyst for Fuel Cell of the Present Invention
Comprises the following steps. (1) a step of introducing hydrogen into an aqueous solution in which a platinum salt and at least one of a carboxylic acid and a carboxylate are dissolved to form a platinum colloid solution; and (2) adding a conductive carbon material to the platinum colloid solution. After the p
Adjusting H to 3 or less or 12 or more, (3) separating colloidal particles from the colloid solution together with the carbon material, and (4) carboxylic acid contained in the carbon material with separated colloidal particles And / or removing the carboxylate. The above step (2)
Is a step of easily separating colloid particles from the colloid solution. Step (3) separates the colloid particles and the carbon material from the liquid by, for example, applying the liquid to a centrifuge. By the steps (2) and (3), most of the colloid particles in the liquid are adsorbed or deposited on the carbon material. The isoelectric point of the above colloid is pH 2-3. Therefore, by setting the pH of the colloid solution to 3 or less, protons are attached to the dissociated carboxylic acid ions of the carboxylic acid, and the carboxylic acid ions are destabilized. Further, the carboxylic acid or a salt thereof protecting the colloid is destabilized because the carboxylate ion is surrounded by cations at an alkaline pH of 12 or more. In the present invention, this is used to facilitate separation of colloid particles.
【0011】第2の製造方法では、前記工程(2)にお
いて、コロイド溶液のpHを調整する代わりに、コロイ
ド溶液に2価以上の価数を有する陽イオンを添加する。
これによりコロイド溶液からコロイド粒子を分離しやす
くする。コロイドを保護するカルボン酸またはその塩
は、カルボン酸イオンに解離し安定化されているが、硫
酸アルミニウムなどの多価カチオンが存在すると、不安
定化する。本発明では、これを利用してコロイド粒子を
分離しやすくする。第3の製造方法では、前記の工程
(2)および(3)の代わりに、コロイド溶液からコロ
イド粒子を炭素材料に電着させる。すなわち、電気泳動
電着によりコロイド粒子を炭素材料に被着させる。コロ
イドを保護するカルボン酸またはその塩は、カルボン酸
イオンに解離しているため、マイナスの電荷を有してい
る。従って、溶液に浸漬した一対の電極に直流電圧を印
加し、コロイド粒子を正極側の炭素材料に固定化するこ
とができる。例えば、炭素材料をポリテトラフルオロエ
チレンなどのバインダーを用いてあらかじめ電極にコー
ティングしておき、電気泳動電着により白金コロイド粒
子を炭素材料に担持させることができる。In the second production method, in the step (2), a cation having a valence of two or more is added to the colloid solution instead of adjusting the pH of the colloid solution.
This facilitates separation of the colloid particles from the colloid solution. The carboxylic acid or salt thereof that protects the colloid is stabilized by dissociating into carboxylic acid ions, but is destabilized by the presence of a polyvalent cation such as aluminum sulfate. In the present invention, this is used to facilitate separation of colloid particles. In the third production method, colloid particles are electrodeposited on a carbon material from a colloid solution instead of the steps (2) and (3). That is, the colloid particles are applied to the carbon material by electrophoretic electrodeposition. A carboxylic acid or a salt thereof that protects the colloid has a negative charge because it is dissociated into carboxylic acid ions. Therefore, a DC voltage can be applied to the pair of electrodes immersed in the solution to immobilize the colloid particles on the carbon material on the positive electrode side. For example, a carbon material may be coated on an electrode in advance using a binder such as polytetrafluoroethylene, and the colloidal platinum particles may be supported on the carbon material by electrophoretic electrodeposition.
【0012】第4の製造方法では、白金コロイド溶液に
導電性炭素材料を加えた後、コロイド溶液のpHが等電
点(pH2ないし3)以上でかつ12より低いpHにお
いて前記コロイド粒子を前記炭素材料に吸着させる。こ
のようにしてコロイド粒子を炭素材料に担持させると、
コロイド粒子の凝集が抑制されるため、上記の第1の製
造方法に比べてより高分散に白金粒子を担持させること
ができる。この場合、pHは3〜5.5が望ましく、炭
素材料に担持される白金を多くするため一度pHを5近
くまで下げ、しばらく撹拌しながら放置し、その後pH
をさらに下げることがより望ましい。In a fourth manufacturing method, after the conductive carbon material is added to the platinum colloid solution, the colloid particles are mixed with the carbon particles at a pH equal to or higher than the isoelectric point (pH 2 to 3) and lower than 12. Adsorb to the material. When the colloid particles are supported on the carbon material in this manner,
Since the aggregation of the colloid particles is suppressed, the platinum particles can be more highly dispersed than in the first production method. In this case, the pH is desirably 3 to 5.5. In order to increase the amount of platinum supported on the carbon material, the pH is lowered once to about 5, and the mixture is left with stirring for a while.
It is more desirable to further reduce
【0013】第1ないし第4の方法における最後の工程
は、不純物を除去する工程である。最も簡便な方法は、
熱処理である。カルボン酸またはその塩として好ましい
ポリアクリル酸またはその塩は、180〜260℃で分
解し、除去される。加熱温度が350℃を越えると、白
金粒子の形状が変化し、徐々に球形に近づいていく。そ
のため、熱処理温度は350℃を越えないことが望まし
い。熱処理の雰囲気は、炭素材料の酸化を抑制するた
め、酸素を含まないことが望ましい。カルボン酸または
その塩がポリアクリル酸のようなポリマーである場合の
好ましい熱処理温度は、180〜350℃である。この
熱処理の後、残留するナトリウムなどを除去するために
水洗をするのが好ましい。The last step in the first to fourth methods is a step of removing impurities. The easiest way is
Heat treatment. Polyacrylic acid or a salt thereof, which is preferable as a carboxylic acid or a salt thereof, decomposes at 180 to 260 ° C. and is removed. When the heating temperature exceeds 350 ° C., the shape of the platinum particles changes and gradually approaches a spherical shape. Therefore, it is desirable that the heat treatment temperature does not exceed 350 ° C. The atmosphere of the heat treatment desirably does not contain oxygen in order to suppress oxidation of the carbon material. When the carboxylic acid or a salt thereof is a polymer such as polyacrylic acid, a preferable heat treatment temperature is 180 to 350 ° C. After this heat treatment, it is preferable to wash with water in order to remove residual sodium and the like.
【0014】このようにして調製した白金担持炭素材料
を高分子電解質型燃料電池に適用するには、この白金担
持炭素材料を高分子固体電解質を含むアルコール溶液お
よび有機溶媒と混合してインクとし、カーボンペーパー
などのガス拡散層に塗布する。これを乾燥後、2枚のガ
ス拡散層によりそれらの触媒層を内側にして高分子電解
質膜を挟み、ホットプレスする。これにより、燃料電池
の電解質膜・電極接合体を製造する。To apply the platinum-supported carbon material thus prepared to a polymer electrolyte fuel cell, the platinum-supported carbon material is mixed with an alcohol solution containing a polymer solid electrolyte and an organic solvent to form an ink. Apply to a gas diffusion layer such as carbon paper. After drying, the polymer electrolyte membrane is sandwiched between the two gas diffusion layers with their catalyst layers inside, and hot pressed. Thereby, an electrolyte membrane / electrode assembly for a fuel cell is manufactured.
【0015】高分子電解質膜および前記高分子電解質膜
を挟むアノードおよびカソードを具備し、アノード側触
媒層が、前記高分子電解質膜に接する白金触媒を含む
層、並びにルテニウムおよび白金を含み前記の層に接す
る層からなる燃料電池においては、一酸化炭素による被
毒を白金−ルテニウム触媒により抑制するとともに、白
金のマイグレーションを抑制する。本発明では、高分子
電解質膜に接する白金層の白金粒子のうち全体の5%以
上が立方体形状または正四面体形状とした構成により、
そのような効果をより向上することができる。すなわ
ち、白金のマイグレーションは、水素原子もしくはプロ
トンが白金粒子上をスピルオーバーする際に、水素原子
とともに白金が移動することが一因と考えられる。立方
体または正四面体の白金粒子は、それぞれ(100)面
および(111)面を多く有する結果、スピルオーバー
が抑制され、粒子の凝集が抑えられると考えられる。A polymer electrolyte membrane, an anode and a cathode sandwiching the polymer electrolyte membrane, wherein the anode-side catalyst layer contains a platinum catalyst in contact with the polymer electrolyte membrane, and the above-mentioned layer contains ruthenium and platinum In a fuel cell composed of a layer in contact with, the poisoning by carbon monoxide is suppressed by a platinum-ruthenium catalyst and the migration of platinum is suppressed. In the present invention, 5% or more of the platinum particles in the platinum layer in contact with the polymer electrolyte membrane have a cubic or tetrahedral shape.
Such an effect can be further improved. That is, it is considered that the migration of platinum is partly due to the movement of platinum together with the hydrogen atoms when the hydrogen atoms or protons spill over the platinum particles. It is considered that cubic or tetrahedral platinum particles have many (100) planes and (111) planes, respectively, so that spillover is suppressed and aggregation of particles is suppressed.
【0016】アノード側触媒層が、ルテニウムおよび白
金を含み燃料ガス導入部近傍に位置する層、並びに燃料
ガス排出部近傍に位置する白金層からなる燃料電池にお
いては、前記白金層の白金粒子のうち全体の5%以上が
立方体形状もしくは正四面体形状とした構成により、一
酸化炭素による特性低下を白金−ルテニウム触媒により
抑制するとともに、白金のマイグレーションを抑制す
る。また、一酸化炭素の酸化は通常、燃料極側の上流部
で起こる。従って、アノード側触媒層の燃料ガス導入部
近傍に位置する層を、ルテニウムおよび白金を含む層で
構成することにより一酸化炭素による特性低下を抑制す
ることができる。In a fuel cell in which the anode-side catalyst layer is composed of a layer containing ruthenium and platinum and located near the fuel gas introduction section, and a platinum layer located near the fuel gas discharge section, of the platinum particles of the platinum layer With a configuration in which 5% or more of the entire structure is cubic or tetrahedral, the platinum-ruthenium catalyst suppresses the deterioration of the characteristics due to carbon monoxide and also suppresses the migration of platinum. The oxidation of carbon monoxide usually occurs in the upstream part on the fuel electrode side. Therefore, by configuring the layer of the anode-side catalyst layer located in the vicinity of the fuel gas introduction portion with a layer containing ruthenium and platinum, it is possible to suppress the deterioration of characteristics due to carbon monoxide.
【0017】本発明に用いられる水溶性白金塩として
は、塩化白金酸、ジニトロジアミン白金、テトラクロロ
ヘキサアンミン白金、ジクロロテトラアンミン白金など
がある。なかでも塩化白金(II)酸カリウムが好ましい。
カルボン酸またはその塩としては、酢酸、プロピオン
酸、プロピオン酸ナトリウム、ポリアクリル酸、ポリア
クリル酸ナトリウム、ポリアクリル酸アンモニウム、ア
クリル酸/マレイン酸共重合体またはその塩、アクリル
酸/スルホン酸共重合体の塩などがある。本発明の立方
体形状および正四面体形状の白金粒子は、それぞれ高分
解能透過型電子顕微鏡で観察したとき、角および辺がわ
ずかに削れているように見える立方体形状および正四面
体形状の粒子をも含む。The water-soluble platinum salt used in the present invention includes chloroplatinic acid, dinitrodiamineplatinum, tetrachlorohexammineplatinum, dichlorotetraammineplatinum and the like. Of these, potassium chloroplatinate (II) is preferred.
Examples of carboxylic acids or salts thereof include acetic acid, propionic acid, sodium propionate, polyacrylic acid, sodium polyacrylate, ammonium polyacrylate, acrylic acid / maleic acid copolymer or salt thereof, and acrylic acid / sulfonic acid copolymer. And coalesced salts. The cubic and tetrahedral platinum particles of the present invention also include cubic and tetrahedral particles that appear to have slightly sharpened corners and sides when observed with a high-resolution transmission electron microscope. Including.
【0018】[0018]
【実施例】以下に、本発明の具体的な実施例を説明す
る。 《実施例1》1×10-4mol/lの塩化白金(II)酸
カリウム水溶液を調製した後、1日間放置した。この水
溶液に、0.1mol/lのポリアクリル酸ナトリウム
水溶液(分子量2300)を塩化白金(II)酸カリウム
とポリアクリル酸ナトリウムとのモル比が1:5になる
ように加えた。この溶液にアルゴンガスを20分間バブ
リングさせ、その後水素ガスを5分間バブリングさせ
た。その後、溶液を密封して12時間放置し、金色透明
の白金コロイド溶液を得た。このコロイド溶液にカーボ
ンブラック(電気化学工業(株)製アセチレンブラッ
ク)を加え、十分に分散させた後、塩酸を加えて溶液の
pHを2にした。この溶液を遠心分離器にかけたとこ
ろ、上澄みは無色透明であった。分離した固形分を窒素
気流中300℃で熱処理し、水洗後、250℃で水素還
元した。こうして、アセチレンブラックに白金を重量比
75:25の割合で担持させた電極触媒を調製した。な
お、白金の担持量は、触媒を酸で溶解し、ICP分析を
することにより決定した。このように調製した白金担持
触媒を高分解能透過型電子顕微鏡(TEM)により倍率
200万で観察したところ、白金粒子のうちの約60重
量%が立方体形状をしており、粒子径は10〜20nm
であったが、数十個の粒子が固まっている凝集体が多数
見受けられた。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described. Example 1 A 1 × 10 −4 mol / l aqueous solution of potassium chloroplatinate (II) was prepared and then left for 1 day. To this aqueous solution, a 0.1 mol / l aqueous solution of sodium polyacrylate (molecular weight: 2300) was added so that the molar ratio of potassium chloroplatinate (II) to sodium polyacrylate became 1: 5. This solution was bubbled with argon gas for 20 minutes, and then hydrogen gas for 5 minutes. Thereafter, the solution was sealed and left for 12 hours to obtain a golden transparent platinum colloid solution. Carbon black (acetylene black, manufactured by Denki Kagaku Kogyo KK) was added to the colloid solution, and after sufficiently dispersing the mixture, hydrochloric acid was added to adjust the pH of the solution to 2. When this solution was centrifuged, the supernatant was colorless and transparent. The separated solid was heat-treated at 300 ° C in a nitrogen stream, washed with water, and reduced with hydrogen at 250 ° C. Thus, an electrode catalyst in which platinum was supported on acetylene black at a weight ratio of 75:25 was prepared. The amount of platinum carried was determined by dissolving the catalyst with an acid and performing ICP analysis. When the platinum-supported catalyst thus prepared was observed with a high-resolution transmission electron microscope (TEM) at a magnification of 2,000,000, about 60% by weight of the platinum particles had a cubic shape, and the particle diameter was 10 to 20 nm.
However, a large number of aggregates in which several tens of particles were solidified were observed.
【0019】次に、パーフルオロスルホン酸イオノマー
の9重量%エタノール溶液(旭硝子製のフレミオン)4
2gにエタノール75gと水を加え、さらに上記で調製
した白金担持触媒6.5gを加えてインクを調製した。
このインクを、カーボンペーパーに白金量が0.3mg
/cm2となるように、ドクターブレード法で塗布し、
60℃で乾燥させた。こうして作製した2枚のガス拡散
電極で高分子電解質膜(デュポン社製ナフィオン11
2)を挟み、130℃でホットプレスして電解質膜・電
極接合体(以下MEAで表す)を作製した。このMEA
を用いて燃料電池を組み立てた。この燃料電池の一方の
ガス拡散電極に65℃の露点となるように加湿・加温し
た酸素、他方のガス拡散電極に70℃の露点となるよう
に加湿・加温した水素をそれぞれ供給し、酸素利用率4
0%、水素利用率70%、セル温度75℃で電池特性を
測定した。その結果、出力電流密度61mA/cm2で
850mVの電圧を示した。Next, a 9% by weight ethanol solution of perfluorosulfonic acid ionomer (Flemion manufactured by Asahi Glass) 4
75 g of ethanol and water were added to 2 g, and 6.5 g of the platinum-supported catalyst prepared above was further added to prepare an ink.
0.3mg of platinum on carbon paper
/ Cm 2 by the doctor blade method,
Dried at 60 ° C. A polymer electrolyte membrane (Nafion 11 manufactured by DuPont) is used with the two gas diffusion electrodes thus manufactured.
2) was sandwiched and hot pressed at 130 ° C. to produce an electrolyte membrane / electrode assembly (hereinafter, referred to as MEA). This MEA
Was used to assemble the fuel cell. Oxygen humidified and heated to a dew point of 65 ° C is supplied to one gas diffusion electrode of this fuel cell, and hydrogen humidified and heated to a dew point of 70 ° C is supplied to the other gas diffusion electrode, respectively. Oxygen utilization rate 4
The battery characteristics were measured at 0%, a hydrogen utilization rate of 70%, and a cell temperature of 75 ° C. As a result, a voltage of 850 mV was shown at an output current density of 61 mA / cm 2 .
【0020】次に、白金粒子のうち立方体形状の粒子の
割合が電池特性に及ぼす影響を調べるため、以下の実験
を行った。まず、上記の白金担持アセチレンブラックを
調製する際、コロイド溶液に加えるアセチレンブラック
の量を多くすることにより、白金担持量の少ないPt/
アセチレンブラックを調製した。一方、塩化白金酸水溶
液に亜硫酸水素ナトリウムを加えた後、水酸化ナトリウ
ム水溶液を加えて溶液のpHを5に調整し、過酸化水素
水を加えた。こうして得られた白金コロイド溶液に、水
酸化ナトリウム水溶液を加えて溶液のpHを5に調整し
ながら、先のPt/アセチレンブラックを加え、十分に
分散させた後、濾過し、水洗、乾燥させた。このように
一般的な手法で、先のPt/アセチレンブラックに白金
を追加担持させ、アセチレンブラックと全白金担持量と
の重量比が75:25の電極触媒を調製した。このよう
にして、立方体形状の白金粒子の割合が異なる電極触媒
を調製した。これらの電極触媒について、TEMによ
り、立方体形状の白金粒子の割合を確認した。これらの
触媒を用いて電極を作製し、上記と同条件で特性を評価
した。その結果を表1に示す。Next, the following experiment was conducted in order to examine the effect of the proportion of cubic particles among the platinum particles on the battery characteristics. First, when preparing the above-mentioned platinum-supported acetylene black, by increasing the amount of acetylene black added to the colloid solution, Pt /
Acetylene black was prepared. On the other hand, after adding sodium hydrogen sulfite to the aqueous chloroplatinic acid solution, the pH of the solution was adjusted to 5 by adding an aqueous sodium hydroxide solution, and an aqueous hydrogen peroxide solution was added. To the platinum colloid solution thus obtained, an aqueous solution of sodium hydroxide was added to adjust the pH of the solution to 5, while the above-mentioned Pt / acetylene black was added, sufficiently dispersed, filtered, washed with water and dried. . As described above, platinum was additionally supported on the above-mentioned Pt / acetylene black by a general method, and an electrode catalyst having a weight ratio of acetylene black to the total supported amount of platinum of 75:25 was prepared. Thus, electrode catalysts having different cubic platinum particle ratios were prepared. For these electrode catalysts, the proportion of cubic platinum particles was confirmed by TEM. Electrodes were produced using these catalysts, and the characteristics were evaluated under the same conditions as above. Table 1 shows the results.
【0021】[0021]
【表1】 [Table 1]
【0022】表1に示すように、全白金粒子中の立方体
形状の粒子の割合が5重量%以上で、顕著な高活性が得
られることがわかる。比較のために、白金量を0.3m
g/cm2とした市販のガス拡散電極(E−TEK社
製)を用いて作製した燃料電池の特性を測定したとこ
ろ、出力電流密度40mA/cm2における電圧は85
0mVであった。この触媒を一部削りとり、TEMによ
り倍率200万で観察したところ、立方体形状の白金の
割合は1重量%未満であった。また、正四面体形状の白
金の割合も1重量%未満であった。次に、白金コロイド
溶液の安定性のpH依存性を調べるため、以下の実験を
行った。上記と同様にして調製した金色透明の白金コロ
イド溶液にアセチレンブラックを添加した。この時点で
溶液のpHは7〜8であった。このコロイド溶液に塩酸
を加えてpHを1ずつ酸性側に変化させていき、その都
度遠心分離器にかけてから、上澄みをチェックした。p
H4までは上澄みの色は金色透明のままで変化せず、p
H3において上澄みが無色に少し近くなり、pH2でほ
ぼ無色となることが確認された。As shown in Table 1, when the proportion of cubic particles in all the platinum particles is 5% by weight or more, a remarkably high activity can be obtained. For comparison, the amount of platinum was 0.3 m
When the characteristics of a fuel cell manufactured using a commercially available gas diffusion electrode (manufactured by E-TEK) having a g / cm 2 were measured, the voltage at an output current density of 40 mA / cm 2 was 85.
It was 0 mV. When this catalyst was partially scraped and observed with a TEM at a magnification of 2,000,000, the proportion of cubic platinum was less than 1% by weight. The proportion of tetrahedral platinum was also less than 1% by weight. Next, the following experiment was performed in order to examine the pH dependence of the stability of the platinum colloid solution. Acetylene black was added to the golden transparent platinum colloid solution prepared in the same manner as above. At this point, the pH of the solution was 7-8. Hydrochloric acid was added to the colloid solution to change the pH one by one to the acidic side, and each time the mixture was centrifuged, and the supernatant was checked. p
Until H4, the color of the supernatant remains golden transparent and does not change.
It was confirmed that the supernatant was slightly colorless in H3 and almost colorless at pH2.
【0023】《実施例2》実施例1と同じ塩化白金(I
I)酸カリウム水溶液に、0.1mol/lポリアクリ
ル酸ナトリウム水溶液を塩化白金(II)酸カリウムとポ
リアクリル酸ナトリウムとのモル比が1:1になるよう
に加えた。この溶液にアルゴンガスを20分間バブリン
グさせた後、水素ガスを5分間バブリングさせ、次いで
密封して12時間放置して白金コロイドを調製した。こ
のコロイド溶液を用いて実施例1と同様の方法でアセチ
レンブラックに重量比75:25の割合で白金を担持さ
せた電極触媒を調製した。このように調製した白金担持
触媒をTEMで観察したところ、白金粒子のうちの約5
0重量%が正四面体形状をしており、粒子径は5〜10
nmであった。上記の電極触媒を用いて、実施例1と同
様にして高分子電解質型燃料電池を組み立て、その特性
を測定したところ、出力電流密度53mA/cm2にお
ける電圧は850mVであった。Example 2 The same platinum chloride (I
I) A 0.1 mol / l aqueous solution of sodium polyacrylate was added to the aqueous solution of potassium acid so that the molar ratio of potassium chloroplatinate (II) to sodium polyacrylate was 1: 1. This solution was bubbled with argon gas for 20 minutes, hydrogen gas was bubbled for 5 minutes, then sealed and left for 12 hours to prepare a platinum colloid. Using this colloid solution, an electrode catalyst in which platinum was supported on acetylene black at a weight ratio of 75:25 was prepared in the same manner as in Example 1. Observation of the platinum-supported catalyst thus prepared by TEM revealed that about 5% of the platinum particles were present.
0% by weight has a regular tetrahedral shape, and the particle size is 5 to 10%.
nm. Using the above electrode catalyst, a polymer electrolyte fuel cell was assembled in the same manner as in Example 1, and its characteristics were measured. As a result, the voltage at an output current density of 53 mA / cm 2 was 850 mV.
【0024】次に、正四面体形状の白金粒子の割合が電
池特性に及ぼす影響を調べるため、以下の実験を行っ
た。まず、上記の白金担持アセチレンブラックを調製す
る際、コロイド溶液に加えるアセチレンブラックの量を
多くすることにより、白金担持量の少ないPt/アセチ
レンブラックを調製した。このPt/アセチレンブラッ
クに、実施例1に記載した一般的な手法で、白金を追加
担持させ、アセチレンブラックと全白金担持量との重量
比が75:25の電極触媒を調製した。こうして正四面
体形状の白金粒子の割合が異なる電極触媒を調製した。
これらの電極触媒について、TEMにより、正四面体形
状の白金粒子の割合を確認した。これらの触媒を用いて
電極を作製し、特性を評価した。その結果を表2に示
す。Next, the following experiment was conducted in order to examine the effect of the ratio of the tetrahedral-shaped platinum particles on the battery characteristics. First, when preparing the above-mentioned platinum-supported acetylene black, the amount of acetylene black added to the colloid solution was increased to prepare Pt / acetylene black having a small platinum-supported amount. Pt was additionally supported on the Pt / acetylene black by the general method described in Example 1 to prepare an electrode catalyst having a weight ratio of acetylene black to the total amount of supported platinum of 75:25. Thus, electrode catalysts having different percentages of tetrahedral platinum particles were prepared.
With respect to these electrode catalysts, the proportion of platinum particles having a tetrahedral shape was confirmed by TEM. Electrodes were produced using these catalysts, and the characteristics were evaluated. Table 2 shows the results.
【0025】[0025]
【表2】 [Table 2]
【0026】表2に示すように、全白金粒子中の正四面
体形状の粒子の割合が5重量%以上で、顕著な高活性が
得られた。As shown in Table 2, when the proportion of tetrahedral particles in all the platinum particles was 5% by weight or more, remarkably high activity was obtained.
【0027】《実施例3》白金コロイド溶液の安定性の
pH依存性を調べるため、以下の実験を行った。実施例
1で調製した金色透明の白金コロイド溶液にアセチレン
ブラックを添加した。この時点で溶液のpHは7〜8で
あった。このコロイド溶液に、水酸化ナトリウム水溶液
を加えてpHを1ずつアルカリ性側に変化させていき、
その都度遠心分離器にかけてから、上澄みをチェックし
た。その結果、pH11までは上澄みの色は金色透明の
ままで変化せず、pH12において上澄みが少し無色に
近くなり、pH13でほぼ無色となることが確認され
た。pH13で沈殿した沈殿物を窒素気流中300℃で
熱処理し、水洗後、250℃で水素還元した。こうし
て、アセチレンブラックに白金を重量比75:25の割
合で担持させた電極触媒を調製した。この電極触媒を用
いて燃料電池を作製し、実施例1と同条件で電池の特性
を測定した。その結果、出力電流密度57mA/cm2
における電圧は850mVを示した。Example 3 In order to examine the pH dependence of the stability of a platinum colloid solution, the following experiment was performed. Acetylene black was added to the golden transparent platinum colloid solution prepared in Example 1. At this point, the pH of the solution was 7-8. To this colloid solution, an aqueous solution of sodium hydroxide is added to change the pH one by one to the alkaline side,
The supernatant was checked after each centrifugation. As a result, it was confirmed that up to pH 11, the color of the supernatant remained golden and transparent and did not change. At pH 12, the supernatant was slightly colorless, and at pH 13, it was almost colorless. The precipitate precipitated at pH 13 was heat-treated at 300 ° C in a nitrogen stream, washed with water, and then reduced at 250 ° C with hydrogen. Thus, an electrode catalyst in which platinum was supported on acetylene black at a weight ratio of 75:25 was prepared. A fuel cell was produced using this electrode catalyst, and the characteristics of the cell were measured under the same conditions as in Example 1. As a result, the output current density was 57 mA / cm 2
At 850 mV.
【0028】《実施例4》実施例2で調製した白金コロ
イド溶液に、カーボンブラック(電気化学工業社製アセ
チレンブラック)を加えた後、硫酸アルミニウム水和物
を、そのアルミニウムのモル数が白金に対して5倍にな
るように加え、24時間マグネティックスターラーで撹
拌させた。次いで、遠心分離器にかけたところ、上澄み
が無色透明となり、白金コロイドの沈殿が確認された。
この沈殿物を、窒素気流中300℃で熱処理し、水洗
後、250℃で水素還元し、アセチレンブラックに白金
を重量比75:25の割合で担持させた電極触媒を得
た。この電極触媒を用いて、実施例1と同様にして燃料
電池を作製し、その特性を測定したところ、出力電流密
度50mA/cm2における電圧は850mVであっ
た。Example 4 Carbon black (acetylene black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) was added to the platinum colloid solution prepared in Example 2, and then aluminum sulfate hydrate was converted to platinum. The mixture was added so as to be 5 times the volume, and stirred with a magnetic stirrer for 24 hours. Then, when the mixture was centrifuged, the supernatant became colorless and transparent, and precipitation of platinum colloid was confirmed.
The precipitate was heat-treated at 300 ° C. in a nitrogen stream, washed with water, and then reduced with hydrogen at 250 ° C. to obtain an electrode catalyst in which platinum was supported on acetylene black at a weight ratio of 75:25. Using this electrode catalyst, a fuel cell was fabricated in the same manner as in Example 1, and its characteristics were measured. As a result, the voltage at an output current density of 50 mA / cm 2 was 850 mV.
【0029】次に、上記の硫酸アルミニウム水和物の代
わりに、硝酸カルシウム四水和物および硫酸カリウムを
それぞれカルシウムイオンおよびカリウムイオンのモル
数が白金に対して15倍になるように加え、白金コロイ
ドの沈殿具合を観察した。この結果、遠心分離器にかけ
た後の上澄み液は、硝酸カルシウム四水和物を加えた場
合は無色透明であったが、硫酸カリウムを加えた場合は
金色透明のままであった。以上の結果より、コロイド粒
子を分離しやすくするには、二価以上の金属イオンが有
効であることがわかった。Next, instead of the above aluminum sulfate hydrate, calcium nitrate tetrahydrate and potassium sulfate were added so that the mole numbers of calcium ions and potassium ions became 15 times those of platinum. The precipitation of the colloid was observed. As a result, the supernatant liquid after centrifugation was colorless and transparent when calcium nitrate tetrahydrate was added, but remained golden and transparent when potassium sulfate was added. From the above results, it was found that divalent or higher metal ions are effective for easily separating colloid particles.
【0030】《実施例5》パーフルオロスルホン酸イオ
ノマーの9重量%エタノール溶液(旭硝子製のフレミオ
ン)14gに、エタノール75gと水を加え、さらにア
セチレンブラック6.5gを加えてインクとした。この
インクを、金メッキした黄銅板の片側にバーコーターで
塗布し、130℃で乾燥させた。実施例1と同様の手法
で調製した白金コロイド溶液をビーカーにとり、上記の
金メッキ板を正極として、140V、0.18Aで電解
した。電解開始後速やかに、コロイド粒子は正極のアセ
チレンブラック上に電着され、コロイド溶液は無色透明
となった。その後、コロイド粒子を電着した金メッキ板
を窒素気流中180℃で熱処理し、水洗後、さらに18
0℃で水素還元した。次に、このアセチレンブラック皮
膜に、パーフルオロスルホン酸イオノマーの9重量%エ
タノール溶液を、重量比(パーフルオロスルホン酸イオ
ノマー)/(アセチレンブラック)が0.78となるよ
うに均一に滴下し、乾燥した。このようにして作製した
2枚の触媒層付き金メッキ板で触媒層を内側にして高分
子電解質膜(デュポン社製ナフィオン112)を挟み、
130℃でホットプレスして、触媒層を高分子電解質膜
上に転写した。ここで作製した触媒層の白金担持量をI
CP分析した結果、アセチレンブラックと白金の重量比
が77:23であった。Example 5 To 14 g of a 9 wt% ethanol solution of perfluorosulfonic acid ionomer (Flemion manufactured by Asahi Glass), 75 g of ethanol and water were added, and 6.5 g of acetylene black was further added to obtain an ink. This ink was applied to one side of a gold-plated brass plate with a bar coater and dried at 130 ° C. A platinum colloid solution prepared in the same manner as in Example 1 was placed in a beaker, and electrolysis was performed at 140 V and 0.18 A using the above gold-plated plate as a positive electrode. Immediately after the start of the electrolysis, the colloid particles were electrodeposited on acetylene black of the positive electrode, and the colloid solution became colorless and transparent. Thereafter, the gold-plated plate on which the colloidal particles are electrodeposited is heat-treated at 180 ° C. in a nitrogen stream, washed with water, and further cooled to 18
Hydrogen reduction at 0 ° C. Next, a 9% by weight ethanol solution of a perfluorosulfonic acid ionomer was uniformly dropped onto the acetylene black film so that the weight ratio (perfluorosulfonic acid ionomer) / (acetylene black) became 0.78, followed by drying. did. A polymer electrolyte membrane (Napion 112 manufactured by DuPont) is sandwiched between the two gold-plated plates with a catalyst layer thus prepared, with the catalyst layer inside.
By hot pressing at 130 ° C., the catalyst layer was transferred onto the polymer electrolyte membrane. The amount of platinum carried on the catalyst layer prepared here was I
As a result of CP analysis, the weight ratio of acetylene black to platinum was 77:23.
【0031】一方、ポリテトラフルオロエチレンとアセ
チレンブラックからなる撥水層を、カーボンペーパーの
片側に設けた撥水処理カーボンペーパーを作製した。そ
して、このカーボンペーパーを、その撥水層を先に作製
した触媒層つきの高分子電解質膜に向けて重ね合わせ、
130℃でホットプレスして、MEAを作製した。これ
を用いて燃料電池を作製し、実施例1と同条件で電池特
性を測定した。その結果、出力電流密度55mA/cm
2における電圧は850mVであった。On the other hand, a water-repellent carbon paper having a water-repellent layer made of polytetrafluoroethylene and acetylene black provided on one side of the carbon paper was produced. Then, the carbon paper is overlaid with the water repellent layer facing the polymer electrolyte membrane with the catalyst layer prepared earlier,
The MEA was manufactured by hot pressing at 130 ° C. Using this, a fuel cell was manufactured, and the cell characteristics were measured under the same conditions as in Example 1. As a result, the output current density was 55 mA / cm
The voltage at 2 was 850 mV.
【0032】《実施例6》調製後1日間放置した塩化白
金(II)酸カリウムの2×10-4mol/l水溶液に、
ポリアクリル酸ナトリウム(分子量2300)の0.1
mol/l水溶液を塩化白金(II)酸カリウムとポリア
クリル酸ナトリウムとのモル比が1:5になるように混
合した。この溶液にアルゴンガスを20分間バブリング
させた後、水素ガスを5分間バブリングさせた。その
後、前記溶液を密封して12時間放置した。こうして金
色透明の白金コロイド溶液を得た。このコロイド溶液を
一部採取し、ゼータ電位をpHを変化させて測定したと
ころ、等電点はpH2.5付近にあることがわかった。Example 6 A 2 × 10 −4 mol / l aqueous solution of potassium chloroplatinate (II) was left standing for one day after preparation.
0.1 of sodium polyacrylate (molecular weight 2300)
The mol / l aqueous solution was mixed such that the molar ratio of potassium chloroplatinate (II) to sodium polyacrylate was 1: 5. After argon gas was bubbled through the solution for 20 minutes, hydrogen gas was bubbled for 5 minutes. Thereafter, the solution was sealed and left for 12 hours. Thus, a golden transparent platinum colloid solution was obtained. When a part of this colloid solution was collected and the zeta potential was measured by changing the pH, it was found that the isoelectric point was around pH 2.5.
【0033】一方、300mlの水にカーボンブラック
(ケッチェンブラック・インターナショナル社製ケッチ
ェンEC)を分散させた。この分散液を上記コロイド溶
液に加え、塩酸を加えてpH5に調整し、半日間マグネ
ティックスターラーで撹拌した後、さらにpH3.5に
して半日間撹拌した。こうしてコロイド粒子ををカーボ
ンブラックに吸着させた。これをろ過し、白金コロイド
を吸着したカーボンブラックを回収した。これを窒素気
流中300℃で熱処理し、水洗後、250℃で水素還元
し、カーボンブラックに白金を重量比3:1の割合で担
持させた電極触媒Aを調製した。このように調製した白
金担持触媒をTEMにより倍率200万で観察したとこ
ろ、白金粒子のうちの約60%が立方体形状をしてお
り、粒子径は10〜20nmであった。また、白金粒子
は、数個の粒子が凝集体をつくっているものはあった
が、おおむね均一に分散されていた。続いて、電極触媒
Aの6.5gに、水および旭硝子製のパーフルオロスル
ホン酸イオノマーエタノール溶液(旭硝子(株)のフレ
ミオン、パーフルオロスルホン酸イオノマー濃度9wt
%)42gを加えてインクとした。このインクをカーボ
ンペーパーにPt量が0.3mg/cm2となるよう
に、ドクターブレード法で塗布し、60℃で乾燥させ
た。このように作製した2枚のガス拡散電極層で高分子
電解質膜(デュポン社製ナフィオン112膜)を挟み、
130℃でホットプレスしてMEA−aを作製した。On the other hand, carbon black (Ketjen EC manufactured by Ketjen Black International) was dispersed in 300 ml of water. This dispersion was added to the above colloid solution, adjusted to pH 5 by adding hydrochloric acid, stirred with a magnetic stirrer for half a day, and then further adjusted to pH 3.5 and stirred for half a day. Thus, the colloid particles were adsorbed on the carbon black. This was filtered to collect carbon black adsorbing platinum colloid. This was heat-treated at 300 ° C. in a nitrogen stream, washed with water, and then reduced with hydrogen at 250 ° C. to prepare an electrode catalyst A in which platinum was supported on carbon black at a weight ratio of 3: 1. Observation of the platinum-supported catalyst thus prepared by TEM at a magnification of 2,000,000 revealed that about 60% of the platinum particles had a cubic shape and a particle diameter of 10 to 20 nm. Although some of the platinum particles formed an aggregate of several particles, they were generally uniformly dispersed. Subsequently, water and a perfluorosulfonic acid ionomer ethanol solution (Asahi Glass Co., Ltd., Flemion, perfluorosulfonic acid ionomer concentration 9 wt.%) Were added to 6.5 g of the electrode catalyst A.
%) Was added to obtain an ink. This ink was applied to carbon paper by a doctor blade method so that the Pt amount was 0.3 mg / cm 2, and dried at 60 ° C. A polymer electrolyte membrane (Nafion 112 membrane manufactured by DuPont) is sandwiched between the two gas diffusion electrode layers thus produced,
MEA-a was produced by hot pressing at 130 ° C.
【0034】このMEA−aを用いたセルを75℃に保
持し、カソードには露点が65℃となるように加湿した
空気を、アノードには露点が70℃となるように加湿し
た水素をそれぞれ供給し、酸素利用率40%、水素利用
率70%で電池特性を測定した。その結果、75mA/
cm2の電流密度で850mVを示した。次に、等電点
以下のpHでの白金粒子のカーボンブラックへの担持状
態を調べるため、以下の実験を行った。まず、上記の実
験において、カーボンブラック分散水をコロイド溶液に
加えた後、塩酸を加えてpHを2に調整した。この溶液
をろ過した後、前記と同様に熱処理および水素還元をし
て電極触媒Bを得た。このように調製した白金担持触媒
をTEMにより観察したところ、白金の形状分布はおお
むね触媒Aと同等であった。しかし、凝集が進んでお
り、数十個の粒子が固まっている凝集体が多数見受けら
れた。触媒Aと同様の手法でこの電極触媒Bを用いてM
EA−bを作製し燃料電池特性を調べた。その結果、6
1mA/cm2の電流密度で850mVを示した。The cell using the MEA-a was maintained at 75 ° C., and the cathode was supplied with humidified air at a dew point of 65 ° C., and the anode was supplied with hydrogen humidified at a dew point of 70 ° C. Then, the battery characteristics were measured at an oxygen utilization of 40% and a hydrogen utilization of 70%. As a result, 75 mA /
It showed 850 mV at a current density of cm 2 . Next, the following experiment was conducted in order to investigate the state of platinum particles supported on carbon black at a pH below the isoelectric point. First, in the above experiment, the pH was adjusted to 2 by adding carbon black dispersion water to the colloid solution, and then adding hydrochloric acid. After the solution was filtered, heat treatment and hydrogen reduction were performed in the same manner as above to obtain an electrode catalyst B. When the platinum-supported catalyst thus prepared was observed by TEM, the shape distribution of platinum was almost the same as that of catalyst A. However, agglomeration was progressing, and many agglomerates in which several tens of particles were solidified were found. Using this electrode catalyst B in the same manner as the catalyst A,
EA-b was fabricated and fuel cell characteristics were examined. As a result, 6
It showed 850 mV at a current density of 1 mA / cm 2 .
【0035】さらに、白金コロイド溶液の安定性のpH
依存性を調べるため、以下の実験を行った。まず、前記
の手法で調製した白金コロイド溶液にカーボンブラック
を添加した。この時点で液のpHは7〜8となった。次
に、水酸化ナトリウム水溶液を加えて液のpHを1ずつ
アルカリ性側に変化させていき、その都度遠心分離を行
い、上澄みをチェックする実験を行った。その結果、p
H11までは上澄みの色は金色透明のままで変化せず、
pH12において上澄みが少し無色に近くなり、pH1
3でほぼ無色となることが確認された。そこで、電極触
媒Aと同様の手法で白金コロイド溶液を調製し、これに
カーボンブラックを添加後、水酸化ナトリウム水溶液で
pHを13とし、この溶液をろ過した。白金粒子を担持
させたカーボンブラックを前記と同様にして熱処理と水
素還元をして電極触媒Cを得た。このように調製した白
金担持触媒をTEMにより観察したところ、白金の形状
分布はおおむね触媒Aと同等であった。しかし、凝集が
進んでおり、数十個の粒子が固まっている凝集体が多数
見受けられた。この電極触媒Cを用いて作製した電池特
性を触媒Aと同様の手法で調べたところ、57mA/c
m2の電流密度で850mVを示した。Further, the pH of the stability of the colloidal platinum solution
The following experiment was performed to examine the dependency. First, carbon black was added to the platinum colloid solution prepared by the above method. At this point, the pH of the solution became 7 to 8. Next, an aqueous sodium hydroxide solution was added to change the pH of the solution to the alkaline side one by one, and each time, an experiment was performed in which centrifugation was performed and the supernatant was checked. As a result, p
Until H11, the color of the supernatant remains golden transparent and does not change,
At pH 12, the supernatant becomes slightly more colorless and at pH 1
It was confirmed that the sample was almost colorless at 3. Therefore, a colloidal platinum solution was prepared in the same manner as for the electrode catalyst A, carbon black was added thereto, the pH was adjusted to 13 with an aqueous sodium hydroxide solution, and the solution was filtered. Electrode catalyst C was obtained by heat-treating and hydrogen-reducing carbon black carrying platinum particles in the same manner as described above. When the platinum-supported catalyst thus prepared was observed by TEM, the shape distribution of platinum was almost the same as that of catalyst A. However, agglomeration was progressing, and many agglomerates in which several tens of particles were solidified were found. When the characteristics of the battery prepared using this electrode catalyst C were examined by the same method as that for the catalyst A, it was 57 mA / c.
It showed 850 mV at a current density of m 2 .
【0036】《実施例7》実施例6で調製した、電極触
媒A、水およびパーフルオロスルホン酸イオノマーエタ
ノール溶液からなるインクを、ポリプロピレンシートに
Pt量が0.1mg/cm2となるように、バーコータ
ーで塗布し乾燥させてアノード側触媒層を形成した。同
様にしてポリプロピレンシートにPt量が0.3mg/
cm2のカソード側触媒層を形成した。これらの触媒層
を、高分子電解質膜(デュポン社製ナフィオン112
膜)の両側に転写した。一方、ポリテトラフルオロエチ
レン(PTFE)粉末の水分散液にアセチレンブラック
を混合し、これをカーボンペーパーにスプレー法で塗布
し、熱処理して撥水層を形成した。これをカソード側ガ
ス拡散層とした。前記の撥水層を形成したカーボンペー
パーに、また、白金およびルテニウムを担持したカーボ
ンブラックにパーフルオロスルホン酸イオノマーのエタ
ノール溶液を加えてインクを調製した。ここで、カーボ
ンブラックとPtとRuの重量比は56:30:24で
ある。このインクを、前記の撥水化処理したカーボンペ
ーパーの撥水層の上にドクターブレード法でPt量が
0.15mg/cm2となるように塗布し、乾燥してア
ノード側ガス拡散層とした。このように作製した2枚の
ガス拡散層で触媒層付き高分子電解質膜を挟み、130
℃でホットプレスしてMEA−dを作製した。Example 7 The ink prepared in Example 6, comprising the electrode catalyst A, water and the ethanol solution of perfluorosulfonic acid ionomer, was applied to a polypropylene sheet so that the Pt amount was 0.1 mg / cm 2 . The resultant was coated with a bar coater and dried to form an anode-side catalyst layer. Similarly, a Pt content of 0.3 mg /
A cathode-side catalyst layer of cm 2 was formed. These catalyst layers are formed on a polymer electrolyte membrane (Nafion 112 manufactured by DuPont).
Membrane). On the other hand, acetylene black was mixed with an aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene (PTFE) powder, and this was applied to carbon paper by a spray method, and heat-treated to form a water-repellent layer. This was used as a cathode-side gas diffusion layer. An ink solution was prepared by adding an ethanol solution of a perfluorosulfonic acid ionomer to the carbon paper on which the water-repellent layer was formed, and to carbon black carrying platinum and ruthenium. Here, the weight ratio of carbon black to Pt and Ru is 56:30:24. This ink was applied on the water-repellent layer of the water-repellent treated carbon paper so as to have a Pt amount of 0.15 mg / cm 2 by a doctor blade method, and dried to form an anode-side gas diffusion layer. . The polymer electrolyte membrane with the catalyst layer is sandwiched between the two gas diffusion layers thus produced,
MEA-d was produced by hot pressing at ℃.
【0037】次に、正四面体形状の粒子に富む電極触媒
を調製するため、触媒のコロイド調製段階において、塩
化白金(II)酸カリウムの水溶液に、ポリアクリル酸ナ
トリウムの0.1mol/l水溶液を塩化白金(II)酸
カリウムとポリアクリル酸ナトリウムとのモル比が1:
1になるように加えた。それ以外は触媒Aと同様にし
て、カーボンブラックに白金を重量比75:25の割合
で担持させた電極触媒Eを調製した。このように調製し
た白金担持触媒をTEMで観察したところ、白金粒子の
うちの約50%が正四面体形状をしており、粒子径は5
〜10nmであった。MEA−dと同様の方法で触媒E
を用いてMEA−eを作製した。一方、球状の白金粒子
がほとんどである市販の白金担持アセチレンブラック触
媒(アセチレンブラックと白金の重量比75:25)を
高分子電解質膜側のアノード側触媒、触媒Aをカソード
側触媒としてMEA−dと同様の方法でMEA−fを作
製した。Next, in order to prepare an electrode catalyst rich in tetrahedral particles, a 0.1 mol / l aqueous solution of sodium polyacrylate was added to an aqueous solution of potassium chloroplatinate (II) in the step of preparing a colloid of the catalyst. Has a molar ratio of potassium chloroplatinate (II) to sodium polyacrylate of 1:
1 was added. Otherwise in the same manner as the catalyst A, an electrode catalyst E in which platinum was supported on carbon black at a weight ratio of 75:25 was prepared. Observation of the platinum-supported catalyst thus prepared by TEM showed that about 50% of the platinum particles had a tetrahedral shape, and the particle diameter was 5%.
〜1010 nm. Catalyst E in the same manner as MEA-d
Was used to produce MEA-e. On the other hand, a commercially available platinum-carrying acetylene black catalyst (weight ratio of acetylene black and platinum of 75:25) containing mostly spherical platinum particles was used as an anode catalyst on the polymer electrolyte membrane side, and MEA-d was used as catalyst A as a cathode catalyst. MEA-f was produced in the same manner as in the above.
【0038】次に、アノード側触媒をPt−Ru触媒と
したものを作製するため、市販のカーボンブラックにP
tおよびRuを重量比46:30:24の割合で担持し
た触媒、水およびパーフルオロスルホン酸イオノマーの
エタノール溶液(旭硝子(株)製)を加えインクとし
た。このインクを、ポリプロピレンシートにPt量が
0.25mg/cm2となるように、バーコーターで塗
布し乾燥させた。カソード用触媒としては電極触媒Aを
用い、Pt量0.3mg/cm2となるようにして、そ
れぞれの触媒層を高分子電解質膜(デュポン社製ナフィ
オン112膜)に転写した。一方、カーボンペーパーに
PTFEとアセチレンブラックからなる撥水層をスプレ
ー法で塗布し、熱処理してガス拡散電極とした。このよ
うに作製した2枚のガス拡散電極層で先の触媒層付き高
分子電解質膜(デュポン社製ナフィオン112膜)を挟
み、130℃でホットプレスしMEA−gを作製した。
MEA−d、e、fおよびgを用いた燃料電池について
実施例6と同様の条件で稼働させ、電流密度200mA
/cm2で電圧を測定した後、75%H2−25%CO2
−50ppmCOの改質模擬ガスに切り替えて電圧低下
を測定した。続いて、この改質ガス条件下で、500時
間運転した。500時間後の水素流通下において電流密
度200mA/cm2での電圧、および改質ガス流通下
において同電流密度での電圧低下を再び測定した。結果
を表3に示す。Next, Pt-Ru catalyst was used as the anode side catalyst.
A catalyst supporting t and Ru at a weight ratio of 46:30:24, water and an ethanol solution of perfluorosulfonic acid ionomer (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) were added to obtain an ink. This ink was applied to a polypropylene sheet with a bar coater such that the Pt amount was 0.25 mg / cm 2 and dried. Electrode catalyst A was used as a cathode catalyst, and each catalyst layer was transferred to a polymer electrolyte membrane (Napion 112 membrane manufactured by DuPont) so that the Pt amount was 0.3 mg / cm 2 . On the other hand, a water-repellent layer composed of PTFE and acetylene black was applied to carbon paper by a spray method and heat-treated to form a gas diffusion electrode. The above-mentioned polymer electrolyte membrane with a catalyst layer (Nafion 112 membrane manufactured by DuPont) was sandwiched between the two gas diffusion electrode layers thus produced, and hot pressed at 130 ° C. to produce MEA-g.
The fuel cell using MEA-d, e, f, and g was operated under the same conditions as in Example 6, and the current density was 200 mA.
/ Cm 2 and then 75% H 2 -25% CO 2
The voltage was switched to -50 ppm CO reforming simulation gas and the voltage drop was measured. Subsequently, operation was performed for 500 hours under the reformed gas conditions. The voltage at a current density of 200 mA / cm 2 under the flow of hydrogen after 500 hours, and the voltage drop at the same current density under the flow of reformed gas were measured again. Table 3 shows the results.
【0039】[0039]
【表3】 [Table 3]
【0040】以上の結果より、アノード側触媒層が高分
子電解質膜に接する白金触媒層、およびこの白金層に接
するルテニウムおよび白金を含む層からなる高分子電解
質型燃料電池において、前記白金層の白金が立方体形状
または正四面体形状である構成により、一酸化炭素によ
る特性低下が少なく、良好な耐久性を有することがわか
る。500時間の耐久試験後のアノード側触媒をTEM
で観察した結果、Pt−RuはいずれのMEAでも約2
nmから約4nmに粒子成長が起こっていた。また、M
EA−fでは白金粒子が約2.5nmから約4nmに成
長していることが確認された。一方、MEA−dおよび
MEA−eのアノード側Pt触媒では、粒子径の変化は
認められなかった。以上より、立方体および正四面体の
白金粒子では、それぞれ(100)面および(111)
面を多く有するため、粒子の凝集が抑えられると考えら
れる。From the above results, in the polymer electrolyte fuel cell including the platinum catalyst layer in which the anode-side catalyst layer is in contact with the polymer electrolyte membrane and the layer containing ruthenium and platinum in contact with the platinum layer, the platinum layer in the platinum layer It can be seen that, due to the configuration having a cubic shape or a tetrahedral shape, there is little deterioration in characteristics due to carbon monoxide and good durability. After 500 hours of durability test, the anode side catalyst was
As a result, Pt-Ru was found to be about 2 in each MEA.
Particle growth occurred from nm to about 4 nm. Also, M
In EA-f, it was confirmed that the platinum particles grew from about 2.5 nm to about 4 nm. On the other hand, in the case of the anode-side Pt catalysts of MEA-d and MEA-e, no change in the particle diameter was observed. As described above, in the cubic and tetrahedral platinum particles, the (100) plane and the (111) plane
It is considered that aggregation of particles is suppressed because of having many surfaces.
【0041】次に、立方体粒子の割合が特性に及ぼす影
響を調べるため、以下の実験を行った。電極触媒Aと同
様の調製法で、白金のコロイド粒子を担持させる際に、
カーボンブラックを増量してPt担持量の低いPt/カ
ーボンブラックを調製した。このPt/カーボンブラッ
クに、白金を追加担持させ、カーボンブラックと全白金
量との重量比を75:25とした電極触媒を調製した。
追加の白金は、塩化白金酸に亜硫酸水素ナトリウムを加
えた後、過酸化水素水と反応させ、生じた白金コロイド
をカーボンブラックに担持させる一般的な手法によっ
た。この手法により、電極触媒中の立方体形状の白金粒
子の割合を変化させ、その割合をTEMで確認した。こ
れらの触媒を用いて、MEA−dと同様の手法でMEA
−hを作製し、MEA−dと同様の方法で耐CO被毒特
性の耐久性を評価した。結果を表4に示す。Next, the following experiment was conducted to examine the effect of the ratio of the cubic particles on the characteristics. When supporting colloidal platinum particles by the same preparation method as the electrode catalyst A,
Pt / carbon black having a low Pt carrying amount was prepared by increasing the amount of carbon black. Pt / carbon black was additionally loaded with platinum to prepare an electrode catalyst having a weight ratio of carbon black to total platinum of 75:25.
The additional platinum was prepared by adding sodium hydrogen sulfite to chloroplatinic acid and then reacting with aqueous hydrogen peroxide to carry the resulting platinum colloid on carbon black. By this method, the ratio of the cubic platinum particles in the electrode catalyst was changed, and the ratio was confirmed by TEM. Using these catalysts, MEA-MEA was performed in the same manner as MEA-d.
-H was prepared, and the durability of CO poisoning resistance was evaluated in the same manner as in MEA-d. Table 4 shows the results.
【0042】[0042]
【表4】 [Table 4]
【0043】表4に示すように、全白金粒子中の立方体
形状の粒子の割合が5%以上で、顕著な耐CO被毒特性
の耐久性が認められた。As shown in Table 4, when the proportion of cubic particles in all the platinum particles was 5% or more, remarkable durability of CO poisoning resistance was recognized.
【0044】次に、正四面体粒子の割合が電池特性に及
ぼす影響を調べるため、以下の実験を行った。電極触媒
Eと同様の調製法で、白金のコロイド粒子を担持させる
際に、カーボンブラックを増量してPt担持量の低いP
t/カーボンブラックを調製した。このPt/カーボンブ
ラックに前記と同様にして白金を追加担持させ、カーボ
ンブラックと全白金量との重量比を75:25した電極
触媒を調製した。こうして電極触媒中の正四面体形状の
白金粒子の割合を変化させ、その割合をTEMで確認し
た。これらの触媒を用いて、MEA−dと同様の手法で
MEA−iを作製し、同様の方法で耐CO被毒特性の耐
久性を評価した。その結果を表5に示す。Next, the following experiment was conducted in order to examine the effect of the ratio of tetrahedral particles on battery characteristics. In the same preparation method as that for the electrode catalyst E, when supporting colloidal particles of platinum, the amount of carbon black was increased to increase the amount of Pt supported.
t / carbon black was prepared. Pt / carbon black was additionally loaded with platinum in the same manner as described above to prepare an electrode catalyst having a weight ratio of carbon black to the total amount of platinum of 75:25. Thus, the ratio of the tetrahedral-shaped platinum particles in the electrode catalyst was changed, and the ratio was confirmed by TEM. Using these catalysts, MEA-i was prepared in the same manner as MEA-d, and the durability of CO poisoning resistance was evaluated in the same manner. Table 5 shows the results.
【0045】[0045]
【表5】 [Table 5]
【0046】表5に示すように、全白金粒子中の立方体
形状の粒子の割合が5%以上で、顕著な耐CO被毒特性
の耐久性が認められた。As shown in Table 5, when the proportion of cubic particles in all the platinum particles was 5% or more, remarkable durability of CO poisoning resistance was recognized.
【0047】《実施例8》実施例6で調製した、電極触
媒A、水およびパーフルオロスルホン酸イオノマーのエ
タノール溶液からなるインクを、ポリプロピレンシート
にPt量が0.3mg/cm2となるように、バーコー
ターで塗布し乾燥させて触媒層を形成した。このシート
を4cm×6cmの長方形に切り取りアノード用触媒層
とした。同様にしてポリプロピレンシートにPt量が
0.3mg/cm2の触媒層を形成した。これを6cm
×6cmに切り取り、カソード側触媒層とした。これら
の触媒層を、高分子電解質膜(デュポン社製ナフィオン
112膜)の両側に転写した。Example 8 The ink prepared in Example 6 and comprising the electrode catalyst A, water and an ethanol solution of perfluorosulfonic acid ionomer was applied to a polypropylene sheet so that the Pt amount was 0.3 mg / cm 2. The mixture was applied with a bar coater and dried to form a catalyst layer. This sheet was cut into a rectangle of 4 cm × 6 cm to form an anode catalyst layer. Similarly, a catalyst layer having a Pt amount of 0.3 mg / cm 2 was formed on a polypropylene sheet. This is 6cm
It was cut into a size of × 6 cm to form a cathode-side catalyst layer. These catalyst layers were transferred to both sides of a polymer electrolyte membrane (Nafion 112 membrane manufactured by DuPont).
【0048】この両触媒層を高分子電解質膜(デュポン
社製ナフィオン112膜)にそれらの一方の端部が合う
ように転写した。小さい触媒層をアノード側、大きい触
媒層をカソード側とした。これを図1および図2に示
す。高分子電解質膜1の一方の面にはカソード側触媒層
2が接合され、アノード側には触媒層3aがカソード側
触媒層の下側2/3の部分に対応するように接合されて
いる。一方、カーボンペーパーにPTFEとアセチレン
ブラックからなる撥水層をスプレー法で塗布し、これを
熱処理した。さらにカーボンブラックにPtおよびRu
を重量比46:30:24の割合で担持した触媒、およ
びパーフルオロスルホン酸イオノマーのエタノール溶液
を混合してインクを作製した。このインクを前記の撥水
化処理したカーボンペーパーの撥水層の上にドクターブ
レード法でPt量が0.3mg/cm2となるようにP
t−Ru層を設け、これをアノード用ガス拡散電極とし
た。このPt−Ru触媒層3bは、アノード流路の上半
分の領域に形成した。電極面積は、6cm×6cmと
し、反応ガスはサーペンタイン形状の溝を切削したカー
ボン製セパレータ板を用いて、燃料ガスと空気を流し
た。セパレータ板4は、図3に示すように、燃料の入り
口側および出口側マニホルド穴5aおよび5b、空気の
入り口側および出口側マニホルド穴6aおよび6bを有
する。セパレータ板4のアノードと対向する面には、入
り口側マニホルド穴5aから出口側マニホルド穴5bに
つながる燃料ガスの流路7を有し、この流路は直線部7
aとターン部7bからなる。セパレータ板4のカソード
と対向する面には、同様に入り口側マニホルド6aから
出口側マニホルド穴6bにつながる空気の流路8を有す
る。The two catalyst layers were transferred to a polymer electrolyte membrane (Nafion 112 membrane manufactured by DuPont) such that one end thereof was fitted. The smaller catalyst layer was on the anode side, and the larger catalyst layer was on the cathode side. This is shown in FIG. 1 and FIG. A cathode-side catalyst layer 2 is joined to one surface of the polymer electrolyte membrane 1, and a catalyst layer 3a is joined to the anode side so as to correspond to a lower 2/3 portion of the cathode-side catalyst layer. On the other hand, a water-repellent layer composed of PTFE and acetylene black was applied to carbon paper by a spray method, and this was heat-treated. In addition, Pt and Ru are added to carbon black.
Was mixed at a weight ratio of 46:30:24 with an ethanol solution of a perfluorosulfonic acid ionomer to prepare an ink. The ink was applied onto the water-repellent layer of the carbon paper treated with the water-repellent treatment by a doctor blade method so that the Pt amount was 0.3 mg / cm 2.
A t-Ru layer was provided and used as a gas diffusion electrode for an anode. This Pt-Ru catalyst layer 3b was formed in the upper half region of the anode channel. The electrode area was 6 cm × 6 cm, and the reaction gas was a fuel gas and an air flow using a carbon separator plate having serpentine-shaped grooves cut. As shown in FIG. 3, the separator plate 4 has inlet and outlet manifold holes 5a and 5b for fuel and inlet and outlet manifold holes 6a and 6b for air. On the surface of the separator plate 4 facing the anode, there is provided a fuel gas flow path 7 extending from the inlet-side manifold hole 5a to the outlet-side manifold hole 5b.
a and a turn portion 7b. On the surface of the separator plate 4 facing the cathode, similarly, there is an air flow path 8 that leads from the inlet-side manifold 6a to the outlet-side manifold hole 6b.
【0049】アノード側触媒は、図2に示すように、燃
料入口部はPt−Ru触媒、中央部はPt−Ru触媒+
Pt触媒、下流部はPt触媒が配置された構成である。
カソード用ガス拡散電極は、撥水層のみを設けたものを
用いた。このように作製した2枚のガス拡散電極層で触
媒層付き高分子電解質膜(デュポン社製)を挟み、13
0℃でホットプレスしてMEA−jを作製した。また、
実施例7で作製した電極触媒Eをアノード側Pt触媒に
用いて、MEA−jと同様の方法で、MEA−kを作製
した。さらに、球状の白金粒子がほとんどである市販の
Pt/アセチレンブラック触媒(アセチレンブラックと
Ptの重量比は75:25)を高分子電解質膜のアノー
ド側Pt触媒に用いてMEA−jと同様の方法でMEA
−lを作製した。MEA−j、kおよびlを用いた燃料
電池について、実施例7と同様の方法で耐久試験を行
い、その前後で、CO被毒特性を測定した。結果を表6
に示す。As shown in FIG. 2, the anode side catalyst has a Pt-Ru catalyst at the fuel inlet and a Pt-Ru catalyst + at the center.
The Pt catalyst and the downstream portion have a configuration in which the Pt catalyst is disposed.
As the cathode gas diffusion electrode, one provided with only a water-repellent layer was used. A polymer electrolyte membrane with a catalyst layer (manufactured by DuPont) is sandwiched between the two gas diffusion electrode layers thus prepared, and 13
MEA-j was prepared by hot pressing at 0 ° C. Also,
Using the electrode catalyst E prepared in Example 7 as the anode-side Pt catalyst, MEA-k was prepared in the same manner as MEA-j. Further, a method similar to MEA-j using a commercially available Pt / acetylene black catalyst (weight ratio of acetylene black to Pt: 75:25) having mostly spherical platinum particles as a Pt catalyst on the anode side of the polymer electrolyte membrane. MEA
-L was prepared. For fuel cells using MEA-j, k and l, a durability test was performed in the same manner as in Example 7, and before and after that, the CO poisoning characteristics were measured. Table 6 shows the results
Shown in
【0050】[0050]
【表6】 [Table 6]
【0051】以上の結果から明らかなように、アノード
側触媒層が、燃料ガス導入部近傍に位置するルテニウム
および白金を含む触媒層、並びに燃料ガス排出部近傍に
位置する白金触媒層からなる高分子電解質型燃料電池に
おいて、前記白金触媒層の白金粒子が立方体形状または
正四面体形状とした構成により、耐CO被毒性能の低下
を抑えることができる。500時間耐久試験後のアノー
ド側触媒をTEMで観察した結果、Pt−Ruはいずれ
のMEAでも粒子成長が起こっていることが確認され
た。また、MEA−lでもPt粒子径が約2.5nmか
ら約4nmに成長していることが確認された。一方、M
EA−jおよびMEA−kのアノード側Pt触媒では、
粒子径の変化は認められなかった。このことから、立方
体および正四面体の白金粒子は、それぞれ(100)面
および(111)面を多く有するたため、粒子の凝集が
抑えられたと考えられる。As is clear from the above results, the anode-side catalyst layer is composed of a catalyst layer containing ruthenium and platinum located near the fuel gas inlet and a platinum catalyst layer located near the fuel gas outlet. In the electrolyte fuel cell, the platinum particles of the platinum catalyst layer have a cubic or tetrahedral shape, so that a decrease in the CO poisoning resistance can be suppressed. As a result of observing the anode-side catalyst by a TEM after the 500-hour durability test, it was confirmed that Pt-Ru had particle growth in any MEA. In addition, it was confirmed that the Pt particle diameter of MEA-1 grew from about 2.5 nm to about 4 nm. On the other hand, M
In the anode side Pt catalyst of EA-j and MEA-k,
No change in particle size was observed. From this, it is considered that the cubic and tetrahedral platinum particles have many (100) planes and (111) planes, respectively, so that aggregation of the particles was suppressed.
【0052】[0052]
【発明の効果】以上のように本発明の電極触媒を用いる
ことにより、低担持量で優れた初期特性および耐久性能
を発揮させることができできる。As described above, by using the electrode catalyst of the present invention, excellent initial characteristics and excellent durability can be exhibited with a low loading amount.
【図1】本発明の実施例において電解質膜に接合したカ
ソード側触媒層の配置を示す正面図である。FIG. 1 is a front view showing an arrangement of a cathode-side catalyst layer bonded to an electrolyte membrane in an example of the present invention.
【図2】同電解質膜に接合したアノード側触媒層の配置
を示す正面図である。FIG. 2 is a front view showing an arrangement of an anode-side catalyst layer bonded to the electrolyte membrane.
【図3】導電性セパレータ板のアノード側の正面図であ
る。FIG. 3 is a front view of the anode side of the conductive separator plate.
1 電解質膜 2 カソード側触媒層 3a、3b アノード側触媒層 4 セパレータ板 5a、5b 燃料ガスのマニホルド穴 6a、6b 空気のマニホルド穴 7、7a、7b 燃料ガスの流路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte membrane 2 Cathode side catalyst layer 3a, 3b Anode side catalyst layer 4 Separator plate 5a, 5b Fuel gas manifold hole 6a, 6b Air manifold hole 7, 7a, 7b Fuel gas flow path
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 8/02 H01M 8/02 E 8/10 8/10 (72)発明者 堀 喜博 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 内田 誠 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 安本 栄一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 神原 輝壽 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 4G069 AA03 AA08 AA09 BA08A BA08B BC75A BC75B BC75C CC32 DA06 EA02X FA02 FB08 FB44 5H018 AA04 AA06 AA07 AS01 BB01 BB03 BB05 BB06 BB07 BB08 BB12 BB13 BB16 BB17 DD08 EE03 EE05 EE08 EE18 EE19 HH05 5H026 AA04 AA06 AA08 BB00 BB10 CX05 EE02 EE05 EE18 HH05──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01M 8/02 H01M 8/02 E 8/10 8/10 (72) Inventor Yoshihiro Hori Kadoma, Osaka 1006, Kadoma Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. In-house (72) Inventor Teruhisa Kamihara 1006 Kadoma, Kazuma, Osaka Pref. BB03 BB05 BB06 BB07 BB08 BB12 BB13 BB16 BB17 DD08 EE03 EE05 EE08 EE18 EE19 HH05 5H026 AA04 AA06 AA08 BB00 BB10 CX05 EE02 EE05 EE18 HH05
Claims (8)
立方体形状または正四面体形状の白金粒子である燃料電
池用電極触媒。1. An electrode catalyst for a fuel cell comprising platinum particles, of which 5% by weight or more are cubic or tetrahedral platinum particles.
(100)面または(111)面の結晶面を有する白金
粒子である燃料電池用電極触媒。2. An electrode catalyst for a fuel cell comprising platinum particles, of which 5% by weight or more are platinum particles having a (100) plane or a (111) plane.
塩の少なくとも一方とを溶解した水溶液に、水素を導入
して白金コロイド溶液を生成させる工程、前記白金コロ
イド溶液に導電性炭素材料を加えた後、コロイド溶液の
pHを3以下または12以上に調製する工程、コロイド
粒子を前記炭素材料とともに前記コロイド溶液から分離
する工程、および分離されたコロイド粒子付き前記炭素
材料から含まれているカルボン酸および/またはカルボ
ン酸塩を除去する工程を有する燃料電池用電極触媒の製
造方法。3. A step of introducing a hydrogen into an aqueous solution in which a platinum salt and at least one of a carboxylic acid and a carboxylic acid salt are dissolved to form a platinum colloid solution, wherein a conductive carbon material is added to the platinum colloid solution. Thereafter, a step of adjusting the pH of the colloid solution to 3 or less or 12 or more, a step of separating colloid particles from the colloid solution together with the carbon material, and a carboxylic acid contained in the separated colloid particle-containing carbon material and A method for producing an electrode catalyst for a fuel cell, comprising a step of removing a carboxylate.
塩の少なくとも一方とを溶解した水溶液に、水素を導入
して白金コロイド溶液を生成させる工程、前記白金コロ
イド溶液に導電性炭素材料を加えた後、2価以上の価数
を有する陽イオンを添加する工程、コロイド粒子を前記
炭素材料とともに前記コロイド溶液から分離する工程、
および分離されたコロイド粒子付き前記炭素材料から含
まれているカルボン酸および/またはカルボン酸塩を除
去する工程を有する燃料電池用電極触媒の製造方法。4. A step of introducing a hydrogen into an aqueous solution in which a platinum salt and at least one of a carboxylic acid and a carboxylate is dissolved to form a platinum colloid solution, wherein a conductive carbon material is added to the platinum colloid solution. Thereafter, a step of adding a cation having a valence of 2 or more, a step of separating colloid particles from the colloid solution together with the carbon material,
And a method for producing an electrode catalyst for a fuel cell, comprising a step of removing a carboxylic acid and / or a carboxylate salt contained in the separated carbon material with colloidal particles.
塩の少なくとも一方とを溶解した水溶液に、水素を導入
して白金コロイド溶液を生成させる工程、前記白金コロ
イド溶液からコロイド粒子を導電性炭素材料に電着させ
る工程、コロイド粒子を電着した前記炭素材料から含ま
れているカルボン酸および/またはカルボン酸塩を除去
する工程を有する燃料電池用電極触媒の製造方法。5. A step of introducing a hydrogen into an aqueous solution in which a platinum salt and at least one of a carboxylic acid and a carboxylate are dissolved to form a platinum colloid solution, and converting colloid particles from the platinum colloid solution to a conductive carbon material. A method for producing an electrode catalyst for a fuel cell, comprising: a step of electrodepositing the carbon material;
塩の少なくとも一方とを溶解した水溶液に、水素を導入
して白金コロイド溶液を生成させる工程、前記白金コロ
イド溶液に導電性炭素材料を加えた後、コロイド溶液の
pHが等電点以上でかつ12より低いpHにおいて前記
コロイド粒子を前記炭素材料に吸着させる工程、コロイ
ド粒子を吸着した前記炭素材料を前記コロイド溶液から
分離する工程、および分離されたコロイド粒子付き前記
炭素材料から含まれているカルボン酸および/またはカ
ルボン酸塩を除去する工程を有する燃料電池用電極触媒
の製造方法。6. A step of introducing a hydrogen into an aqueous solution in which a platinum salt and at least one of a carboxylic acid and a carboxylate is dissolved to form a platinum colloid solution, wherein a conductive carbon material is added to the platinum colloid solution. Thereafter, a step of adsorbing the colloid particles to the carbon material at a pH of the colloid solution equal to or higher than the isoelectric point and lower than 12; a step of separating the carbon material having adsorbed the colloid particles from the colloid solution; and A method for producing an electrode catalyst for a fuel cell, comprising a step of removing a carboxylic acid and / or a carboxylate contained from the carbon material provided with the colloid particles.
膜を挟むアノードおよびカソードを具備し、アノード側
触媒層が、前記高分子電解質膜に接する白金触媒を含む
層、並びにルテニウムおよび白金を含み前記の層に接す
る層からなる燃料電池であって、前記白金触媒を含む層
の白金粒子のうち全体の5%以上が立方体形状または正
四面体形状である燃料電池。7. A polymer electrolyte membrane, comprising an anode and a cathode sandwiching the polymer electrolyte membrane, wherein the anode-side catalyst layer contains a layer containing a platinum catalyst in contact with the polymer electrolyte membrane, and contains ruthenium and platinum. And wherein at least 5% of all platinum particles in the layer containing the platinum catalyst have a cubic or tetrahedral shape.
膜を挟むアノードおよびカソードを具備し、アノード側
触媒層が、ルテニウムおよび白金を含み燃料ガス導入部
近傍に位置する層、並びに前記の層の下流部に位置する
白金触媒層からなり、前記白金触媒層の白金粒子のうち
全体の5%以上が立方体形状または正四面体形状である
燃料電池。8. A polymer electrolyte membrane, comprising an anode and a cathode sandwiching the polymer electrolyte membrane, wherein the anode-side catalyst layer contains ruthenium and platinum and is located in the vicinity of the fuel gas inlet, and A fuel cell comprising a platinum catalyst layer located downstream, wherein at least 5% of all platinum particles in the platinum catalyst layer have a cubic or tetrahedral shape.
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