JP2005228690A - Catalyst carrying method for fuel cell - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a catalyst carrying method for a fuel cell which is high in catalyst activity and cell voltage. <P>SOLUTION: An anode is composed of an anode gas diffusion layer 10 and an anode catalyst layer 12, and a cathode is composed of a cathode gas diffusion layer 20 and a cathode catalyst layer 22. A lamination body is obtained by laminating the anode gas diffusion layer 10, the anode catalyst layer 12, an ion exchange film, the cathode catalyst layer 22, and the cathode gas diffusion layer 20 in this sequence. The anode catalyst layer 12 of the anode and the cathode catalyst layer 22 of the cathode are electrically connected by a conduction path 50. At a catalyst carrying process, an oxidation reaction is generated at an anode 1 side or a cathode 2 side, and a reduction reaction is generated at the other side depending on the electron generated by the oxidation reaction, and a catalyst metal is formed by reducing a catalyst metal precursor contained in that other side. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は触媒金属前駆体を電気化学的に還元させる燃料電池の触媒担持方法に関する。   The present invention relates to a catalyst supporting method for a fuel cell in which a catalytic metal precursor is electrochemically reduced.

燃料電池は電池内で水素やメタノール、ハイドロカーボン等の燃料を電気化学的に酸化することによって、また酸素、空気等を還元することによって酸化還元反応に伴う化学工ネルギーを直接電気エネルギーに変換して取り出すものであり、クリーンな電気エネルギー供給源として注目されている。   A fuel cell converts the chemical energy associated with the oxidation-reduction reaction directly into electrical energy by electrochemically oxidizing fuel such as hydrogen, methanol, or hydrocarbon in the cell, and by reducing oxygen, air, etc. It is attracting attention as a clean electrical energy source.

燃料電池は、アノードガス拡散層／アノード触媒層／プロトン伝導性高分子膜／カソード触媒層／カソード拡散層といった層構造を有する。この燃料電池のアノード触媒層、カソード触媒層において、導電性カーボン担体の表面に白金あるいは白金合金をナノレベルで担持させた所謂白金（白金合金）担持カーボンと呼ばれる触媒が用いられている。   The fuel cell has a layer structure of anode gas diffusion layer / anode catalyst layer / proton conductive polymer membrane / cathode catalyst layer / cathode diffusion layer. In the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer of this fuel cell, a so-called platinum (platinum alloy) -supported carbon catalyst in which platinum or a platinum alloy is supported on the surface of a conductive carbon carrier at a nano level is used.

上記した技術によれば、通常、カーボンブラックのような電子伝導性物質を触媒担体として使用している。そして、その触媒担体の上に触媒活性物質を高分散状態で担持した触媒担持カーボンと、イオン導電性固体電解質ソリューションとを混合して混合物を形成する。（この他に水、アルコール等の溶媒やテフロンなどの撥水剤を必要に応じて添加する揚合もある。）
そして、この混合物をガス拡散層あるいはプロトン伝導性高分子膜の上にロールコート法、スプレー法、ドクターブレード法などで塗工し、その後、乾燥し、触媒層を形成する。更に、アノードガス拡散層／アノード触媒層／プロトン伝導性高分子膜／カソード触媒層／カソードガス拡散層という順番をもつ層構造になるように、ホットプレスするのが一般的である。 According to the technique described above, an electron conductive material such as carbon black is usually used as a catalyst carrier. Then, the catalyst-carrying carbon carrying the catalytically active substance in a highly dispersed state on the catalyst carrier and the ion conductive solid electrolyte solution are mixed to form a mixture. (In addition to this, there is a combination in which a solvent such as water or alcohol or a water repellent such as Teflon is added as necessary.)
Then, this mixture is applied onto the gas diffusion layer or the proton conductive polymer membrane by a roll coating method, a spray method, a doctor blade method or the like, and then dried to form a catalyst layer. Further, hot pressing is generally performed so that the layer structure has the order of anode gas diffusion layer / anode catalyst layer / proton conductive polymer membrane / cathode catalyst layer / cathode gas diffusion layer.

ところで、このような一般的な電極の製造方法とは別に、カーボン粒子及び陽イオン交換樹脂を含む燃料電池電極材料を用い、陽イオン交換樹脂の対イオンと、触媒金属を含む陽イオンとのイオン交換反応によって、触媒金属の陽イオンをイオン交換樹脂に吸着させ、その後、触媒金属の陽イオンを水素で還元し、触媒金属をカーボン粒子上に析出させる触媒担持技術が開示されている（特許文献１，２,３）。   By the way, separately from such a general electrode manufacturing method, a fuel cell electrode material containing carbon particles and a cation exchange resin is used, and ions of a counter ion of the cation exchange resin and a cation containing a catalyst metal are used. A catalyst supporting technique is disclosed in which a cation of a catalyst metal is adsorbed on an ion exchange resin by an exchange reaction, and then the cation of the catalyst metal is reduced with hydrogen to deposit the catalyst metal on carbon particles (Patent Document). 1, 2, 3).

また、アノード及びカソードの双方に窒素等の不活性ガスを流して、電源を用いて両極間に強制的に大きな電流を流したり、数ボルトの電圧をかけたりして電解還元を行ない、触媒金属をカーボン粒子上に析出させる触媒担持技術が開示されている（特許文献４）。
特開平6−260170号公報 特開2003−157856号公報 特開2002−373665号公報 特開2001−118583号公報 In addition, an inert gas such as nitrogen is allowed to flow through both the anode and the cathode, and a large current is forced to flow between the two electrodes using a power source, or a voltage of several volts is applied to perform electrolytic reduction. Has been disclosed a catalyst supporting technique for precipitating particles on carbon particles (Patent Document 4).
JP-A-6-260170 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-157856 JP 2002-373665 A Japanese Patent Laid-Open No. 2001-118583

上記特許文献１,２,３のいずれの場合においても、触媒活性の高い燃料電池電極を製造できる。しかし触媒金属の担持量（電極1cm2当たりの触媒金属の重量）が、イオン交換樹脂の持つイオン交換容量によって制限を受けるため、触媒活性及びセル電圧の向上には限界があり、触媒活性及びセル電圧を更に高くすることが要請されている。   In any of the above Patent Documents 1, 2, and 3, a fuel cell electrode with high catalytic activity can be produced. However, since the amount of catalyst metal supported (the weight of catalyst metal per 1 cm2 of electrode) is limited by the ion exchange capacity of the ion exchange resin, there are limits to the improvement in catalyst activity and cell voltage. Is required to be higher.

また還元方法においても、特許文献４では、アノード及びカソードの双方に窒素などの不活性ガスを流して、電源を用いて両極間に強制的に大きな電流を流したり、数ボルトの電圧をかけたりして電解還元を行っているが、このような還元方法では、設備的にも大きな電気分解設備が必要となり、製造コストも高くなる。更に、電解還元中に触媒金属陽イオンは還元されるが、アノード、カソードに酸化されるものが存在する場合には、電極構成材料が酸化によるタメージを受けるおそれがある。これによって触媒活性及びセル電圧の向上には限界がある。   Also in the reduction method, in Patent Document 4, an inert gas such as nitrogen is allowed to flow through both the anode and the cathode, and a large current is forcibly passed between both electrodes using a power source, or a voltage of several volts is applied. However, such a reduction method requires a large electrolysis facility in terms of equipment and increases the manufacturing cost. Furthermore, although the catalytic metal cation is reduced during electrolytic reduction, if there is something that is oxidized on the anode and cathode, the electrode constituent material may be subject to oxidation. As a result, there is a limit in improving the catalyst activity and the cell voltage.

本発明は上記した実情に鑑みなされたものであり、触媒活性及びセル電圧が高い燃料電池を得るのに有利な燃料電池の触媒担持方法を提供することができる。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and can provide a catalyst loading method for a fuel cell that is advantageous for obtaining a fuel cell having high catalyst activity and high cell voltage.

様相１に係る燃料電池の触媒担持方法は、アノードガス拡散層、アノード触媒層、イオン交換膜、カソード触媒層、カソードガス拡散層の順となるように配置して積層体を得る積層工程と、積層体を構成するアノードのアノード触媒層とカソードのカソード触媒層とを導電路で電気的に接続する接続工程と、
アノード及びカソードのうちの一方において酸化反応を生じさせると共に、酸化反応で生じた電子に基づいてアノード及びカソードのうちの他方において還元反応を行い、当該他方に含まれている触媒金属前駆体を還元させて触媒金属を生成させる触媒担持工程とを実施することを特徴とするものである。 The fuel cell catalyst carrying method according to aspect 1 includes an anode gas diffusion layer, an anode catalyst layer, an ion exchange membrane, a cathode catalyst layer, and a cathode gas diffusion layer arranged in this order to obtain a laminate, A connection step of electrically connecting the anode catalyst layer of the anode and the cathode catalyst layer of the cathode constituting the laminate by a conductive path;
An oxidation reaction is generated in one of the anode and the cathode, and a reduction reaction is performed in the other of the anode and the cathode based on electrons generated in the oxidation reaction, and the catalytic metal precursor contained in the other is reduced. And carrying out a catalyst supporting step of generating a catalytic metal.

様相１に係る燃料電池の触媒担持方法によれば、触媒担持工程において、アノード及びカソードのうちの一方において酸化反応を生じさせると共に、酸化反応で生じた電子に基づいて当該他方において還元反応を行い、当該他方に含まれている触媒金属前駆体を還元させて触媒金属を生成させる。触媒担持工程を実施する前のアノード触媒層及びカソード触媒層は、触媒金属となる前の触媒金属前駆体を有するものも含む意味である。触媒金属前駆体としては、触媒金属を含む金属塩を例示できる。このようなものとしては、触媒金属を含むアンミン錯体塩、塩化物、硝酸塩等が挙げられる。触媒金属前駆体としては、白金属元素として白金を採用するのであれば、［Pt(NH₃)₄］²⁺、［Pt(NH₃)₆］⁴⁺、［PtCl(NH₃)₅］³⁺等のアンミン錯体イオンの形態とすることができる。触媒金属としては、白金属元素、即ち、白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム等が挙げられる。 According to the fuel cell catalyst supporting method according to aspect 1, in the catalyst supporting step, an oxidation reaction is caused in one of the anode and the cathode, and a reduction reaction is performed in the other based on electrons generated in the oxidation reaction. The catalyst metal precursor contained in the other is reduced to produce a catalyst metal. The anode catalyst layer and the cathode catalyst layer before the catalyst supporting step are meant to include those having a catalyst metal precursor before becoming a catalyst metal. As a catalyst metal precursor, the metal salt containing a catalyst metal can be illustrated. Examples of such compounds include ammine complex salts containing a catalytic metal, chlorides, and nitrates. If platinum is adopted as the white metal element as the catalyst metal precursor, [Pt (NH ₃ ) ₄ ] ²⁺ , [Pt (NH ₃ ) ₆ ] ⁴⁺ , [PtCl (NH ₃ ) ₅ ] ³ It can be in the form of an ammine complex ion such as ⁺ . Examples of the catalyst metal include white metal elements, that is, platinum, ruthenium, rhodium, iridium and the like.

なお本発明によれば、一方向から他方向にかけて、アノードガス拡散層、アノード触媒層、イオン交換膜、カソード触媒層、カソードガス拡散層の順となるように配置して積層体を形成することにしても良い。あるいは、他方向から一方向にかけて、アノードガス拡散層、アノード触媒層、イオン交換膜、カソード触媒層、カソードガス拡散層の順となるように配置して積層体を形成することにしても良い。   According to the present invention, the laminate is formed by arranging the anode gas diffusion layer, the anode catalyst layer, the ion exchange membrane, the cathode catalyst layer, and the cathode gas diffusion layer in this order from one direction to the other direction. Anyway. Alternatively, the laminate may be formed by arranging the anode gas diffusion layer, the anode catalyst layer, the ion exchange membrane, the cathode catalyst layer, and the cathode gas diffusion layer in this order from the other direction.

様相２に係る燃料電池の触媒担持方法によれば、上記した特徴の他に、触媒担持工程において、当該一方に水素ガスまたは水素含有ガスを供給することを特徴とする。触媒担持工程において当該一方に供給された水素ガスまたは水素含有ガスは、当該一方に担持されている触媒金属によって促進される酸化反応により、プロトン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）とに分解される。酸化反応で生じた電子は当該一方から導電路を介して当該他方に移行し、当該他方において還元反応を行う。この結果、当該他方に含まれている触媒金属前駆体が還元され、触媒金属が生成される。 According to the fuel cell catalyst supporting method according to aspect 2, in addition to the above-described features, in the catalyst supporting step, hydrogen gas or hydrogen-containing gas is supplied to the one. The hydrogen gas or hydrogen-containing gas supplied to the one in the catalyst supporting step is decomposed into protons (H ⁺ ) and electrons (e ⁻ ) by an oxidation reaction promoted by the catalyst metal supported on the one. The Electrons generated by the oxidation reaction are transferred from the one side to the other side through a conductive path, and the other side performs a reduction reaction. As a result, the catalyst metal precursor contained in the other is reduced, and a catalyst metal is generated.

様相３に係る燃料電池の触媒担持方法によれば、上記した特徴の他に、導電路には電流及び／または電圧を制御する制御部が配設されており、触媒担持工程において、導電路を流れる電流値及び／または電圧値を制御部により制御することを特徴とする。導電路を流れる電流値または電圧値を制御部により制御すれば、触媒金属のサイズを調整することを期待することができる。又、電圧を制御することによって触媒粒子などの生成を調整できる。   According to the fuel cell catalyst supporting method according to aspect 3, in addition to the above-described features, the conductive path is provided with a control unit for controlling current and / or voltage. The flowing current value and / or voltage value is controlled by the control unit. If the current value or voltage value flowing through the conductive path is controlled by the control unit, it can be expected to adjust the size of the catalyst metal. Further, the generation of catalyst particles and the like can be adjusted by controlling the voltage.

様相４に係る燃料電池の触媒担持方法によれば、上記した特徴の他に、触媒担持工程において、当該他方には不活性ガスまたは空気を供給することを特徴とする。当該他方に電子（ｅ^-）が供給されたとしても、不活性ガスは還元されないため、当該他方において触媒金属前駆体を効率よく還元させることができる。不活性ガスとしては窒素ガス、アルゴンガス等を例示できる。不活性ガスに代えて空気を用いた場合にも、本発明者が行った後述する実施例２に係る試験によれば、当該他方において触媒金属前駆体を還元させて触媒金属を生成させることができた。 According to the fuel cell catalyst supporting method according to aspect 4, in addition to the above-described features, in the catalyst supporting step, an inert gas or air is supplied to the other. Even if electrons (e ⁻ ) are supplied to the other side, the inert gas is not reduced, so that the catalytic metal precursor can be efficiently reduced on the other side. Examples of the inert gas include nitrogen gas and argon gas. Even when air is used in place of the inert gas, according to the test according to Example 2 described later conducted by the present inventor, the catalyst metal precursor can be reduced on the other side to generate the catalyst metal. did it.

様相５に係る燃料電池の触媒担持方法によれば、上記した特徴の他に、積層工程では、複数の積層体をガス配流部材と共に組み付けたスタックを形成し、触媒担持工程はスタック全体で行なわれることを特徴とする。この場合、スタック全体で触媒担持工程を実施できるため、生産性を高めることができる。   According to the fuel cell catalyst supporting method according to aspect 5, in addition to the above-described features, in the stacking process, a stack is formed by assembling a plurality of stacks together with the gas distribution member, and the catalyst supporting process is performed on the entire stack. It is characterized by that. In this case, since the catalyst supporting step can be performed on the entire stack, productivity can be increased.

様相６に係る燃料電池の触媒担持方法によれば、上記した特徴の他に、触媒担持工程が行われる当該他方の触媒層は、触媒金属と陽イオン交換樹脂を含む組成物を有しており、当該他方の触媒層の単位面積当たり、触媒金属の陽イオン換算で、陽イオン交換樹脂のイオン交換容量に対して0.1〜2.0ミリグラム／cm²過剰に触媒金属を担持するように、触媒担持工程の前において前記触媒金属前駆体が含まれていることを特徴とする。この組成物をアノード触媒層及び／またはカソード触媒層として塗布することができる。 According to the fuel cell catalyst supporting method according to aspect 6, in addition to the above-described features, the other catalyst layer in which the catalyst supporting step is performed has a composition containing a catalyst metal and a cation exchange resin. The catalyst supporting step so that the catalyst metal is supported in excess of 0.1 to 2.0 mg / cm ^{2 with} respect to the ion exchange capacity of the cation exchange resin per unit area of the other catalyst layer in terms of the cation of the catalyst metal. The catalyst metal precursor is contained before the step. This composition can be applied as an anode catalyst layer and / or a cathode catalyst layer.

ここで、触媒金属を含む陽イオンの一部が、陽イオン交換樹脂の対イオンと、触媒金属を含む陽イオンとのイオン交換反応によって、触媒金属を含む陽イオンを陽イオン交換樹脂に吸着させる。残りの触媒金属を含む陽イオンは、電子伝導性を有するカーボンブラック（電子伝導体）に吸着する。その後、触媒担持工程を実施し、触媒金属前駆体を還元させ、触媒金属の粒子を陽イオン交換樹脂とカーボンブラックとに担持させる。即ち、触媒金属前駆体は還元されると、微細な触媒金属の粒子として陽イオン交換樹脂とカーボンブラックとに生成する。   Here, a part of the cation containing the catalyst metal adsorbs the cation containing the catalyst metal to the cation exchange resin by an ion exchange reaction between the counter ion of the cation exchange resin and the cation containing the catalyst metal. . The cation containing the remaining catalytic metal is adsorbed on carbon black (electron conductor) having electron conductivity. Thereafter, a catalyst supporting step is performed to reduce the catalyst metal precursor, and the catalyst metal particles are supported on the cation exchange resin and carbon black. That is, when the catalytic metal precursor is reduced, it is formed into fine cation exchange resin and carbon black as fine catalytic metal particles.

上記した組成物の濃度を調整したり、上記した組成物における触媒金属前駆体の量を制御すれば、陽イオン交換樹脂及びカーボンブラックに生成する触媒金属の量を制御することができる。陽イオン交換樹脂のイオン交換容量に対して0.1〜2.0ミリグラム／cm²過剰に触媒金属を担持するようにすれば、触媒担持量が増加し、触媒活性を高めることができる。陽イオン交換樹脂はスルホン酸基またはカルボン酸基を有するものを例示できるが、スルホン酸基を有するものが好ましい。触媒金属を含む陽イオンと置換し易いため、または抵抗値が低いためである。 By adjusting the concentration of the composition described above or controlling the amount of the catalyst metal precursor in the composition described above, the amount of catalyst metal produced in the cation exchange resin and carbon black can be controlled. If the catalyst metal is supported in an excess of 0.1 to 2.0 mg / cm ^{2 with} respect to the ion exchange capacity of the cation exchange resin, the amount of catalyst supported increases and the catalyst activity can be enhanced. Examples of the cation exchange resin include those having a sulfonic acid group or a carboxylic acid group, but those having a sulfonic acid group are preferred. This is because it can be easily replaced with a cation containing a catalyst metal or the resistance value is low.

本発明によれば、触媒活性及びセル電圧が高い燃料電池の触媒担持方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the catalyst carrying | support method of a fuel cell with high catalyst activity and cell voltage can be provided.

実施例と共に比較例を説明する。   A comparative example will be described together with examples.

（実施例１）
図１は実施例１に係る燃料電池セルの概念図を示す。図１に示すように、厚み方向の順番がアノードガス拡散層１０／アノード触媒層１２／イオン交換膜４／カソード触媒層２２／カソードガス拡散層２０になるように積層されている膜電極接合体３が形成されている。そして膜電極接合体３と、ガス流路１４をもつ燃料ガス用のガス配流部材１６と、ガス流路２４をもつ酸化剤ガス用のガス配流部材２６とを用い、燃料電池が組み立てられている。 (Example 1)
FIG. 1 is a conceptual diagram of a fuel cell according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the membrane electrode assembly is laminated so that the order in the thickness direction is anode gas diffusion layer 10 / anode catalyst layer 12 / ion exchange membrane 4 / cathode catalyst layer 22 / cathode gas diffusion layer 20. 3 is formed. The fuel cell is assembled using the membrane electrode assembly 3, the gas distribution member 16 for the fuel gas having the gas passage 14, and the gas distribution member 26 for the oxidant gas having the gas passage 24. .

まず、実施例１に係るアノード触媒層１２の作製について説明する。即ち、導電性カーボンブラック（ケッチェンブラック）に白金ルテニウムを57重量％担持した白金ルテニウム担持カーボン触媒（田中貴金属工業製 TEC62E58）を用いた。この白金ルテニウム担持カーボン触媒（白金ルテニウムを担体であるカーボンに担持したもの）、純水、高分子電解質ポリマーのアルコール分散液（旭化成製 Aciplex SS−1100）、およびイソプロピルアルコールを、重量比で、1：4：15：2の比率となるように配合した。そして、白金ルテニウム触媒担持カーボンの二次粒径が0.5μｍ〜1.0μｍとなるように分散を行い、アノード用の触媒ペーストを作製した。この触媒ペーストをETFEシート（旭硝子製 アフレックス）上にアプリケータにより均一な薄膜状に成形し、80℃で乾燥した。これを電極サイズに切り取り、アノード触媒層中間体を作製した。   First, preparation of the anode catalyst layer 12 according to Example 1 will be described. That is, a platinum ruthenium-supported carbon catalyst (TEC62E58 manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) in which 57% by weight of platinum ruthenium was supported on conductive carbon black (Ketjen Black) was used. This platinum-ruthenium-supported carbon catalyst (supporting platinum-ruthenium on carbon as a carrier), pure water, polymer electrolyte polymer alcohol dispersion (Aciplex SS-1100 manufactured by Asahi Kasei), and isopropyl alcohol in a weight ratio of 1 : 4: 15: 2 ratio. Then, dispersion was performed so that the secondary particle diameter of the platinum ruthenium catalyst-supporting carbon was 0.5 μm to 1.0 μm, thereby preparing a catalyst paste for the anode. This catalyst paste was formed on an ETFE sheet (Asahi Glass Aflex) with an applicator and dried at 80 ° C. This was cut into an electrode size to produce an anode catalyst layer intermediate.

実施例１に係るカソード触媒層２２の作製について説明する。即ち、ケッチェンブラック（ケッチェン・ブラック・インターナショナル製）を25g、触媒金属前駆体としてジニトロジアンミン白金硝酸溶液（田中貴金属工業製）を36g、陽イオン交換樹脂としての高分子電解質ポリマーのアルコール分散液63g（旭化成製 Aciplex SS−1100）、イソプロピルアルコール5g、純水3gをよく混合し、カソード用のペーストにした。上記した陽イオン交換樹脂はスルホン酸基を有する。   The production of the cathode catalyst layer 22 according to Example 1 will be described. That is, 25 g of Ketjen Black (manufactured by Ketjen Black International), 36 g of dinitrodiammine platinum nitrate solution (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo) as the catalyst metal precursor, 63 g of alcohol dispersion of polyelectrolyte polymer as cation exchange resin (Aciplex SS-1100 manufactured by Asahi Kasei), 5 g of isopropyl alcohol and 3 g of pure water were mixed well to obtain a paste for the cathode. The cation exchange resin described above has a sulfonic acid group.

このようにして形成したカソード用のペーストをETFEシート（旭硝子製 アフレックス）上にアプリケータにより均一な薄膜状に成形し、80℃で乾燥した。これを電極サイズに切り取り、カソード触媒層中間体を作製した。そしてカソード触媒層中間体をイオン交換膜（ジャパンゴアテックス製 GORE−SELECT30）の一方の片面に貼り付けるとともに、前記したアノード触媒層中間体をイオン交換膜４の他方の片面に貼り付けた。このとき温度150℃、面圧力10MPa、保持時間１分間の条件で熱接合を行った。その後、当該中間体のETFEシートを剥離させた。これによりカソード触媒層２２をイオン交換膜４の一方の片面に貼りつけると共に、アノード触媒層１２をイオン交換膜４の他方の片面に貼りつけた。   The cathode paste thus formed was formed into a uniform thin film with an applicator on an ETFE sheet (Aflex manufactured by Asahi Glass) and dried at 80 ° C. This was cut to an electrode size to produce a cathode catalyst layer intermediate. The cathode catalyst layer intermediate was affixed to one side of an ion exchange membrane (GORE-SELECT30 manufactured by Japan Gore-Tex) and the anode catalyst layer intermediate was affixed to the other side of the ion exchange membrane 4. At this time, thermal bonding was performed under conditions of a temperature of 150 ° C., a surface pressure of 10 MPa, and a holding time of 1 minute. Thereafter, the intermediate ETFE sheet was peeled off. As a result, the cathode catalyst layer 22 was attached to one side of the ion exchange membrane 4 and the anode catalyst layer 12 was attached to the other side of the ion exchange membrane 4.

また、撥水処理されたガス拡散基材（東レ製,カーボンペーパー）を電極サイズに切り取り、アノードガス拡散層１０、カソードガス拡散層２０をそれぞれ1枚ずつ作製した。アノードガス拡散層１０及びカソードガス拡散層２０は、導電性及びガス透過性を有する。   In addition, the water-repellent treated gas diffusion base material (Toray, carbon paper) was cut to an electrode size to produce one anode gas diffusion layer 10 and one cathode gas diffusion layer 20 each. The anode gas diffusion layer 10 and the cathode gas diffusion layer 20 have conductivity and gas permeability.

そして積層工程では、厚み方向の順番がアノードガス拡散層１０／アノード触媒層１２／イオン交換膜４／カソード触媒層２２／カソードガス拡散層２０になるように積層体を形成した。この場合、温度140℃、面圧力8MPa、保持時間3分の条件で、積層体をホットプレス（熱接合）し、実施例１に係る膜電極接合体３（MEAともいう,membrane electrode assembly,図１参照）を形成した。   In the stacking step, the stack was formed such that the order in the thickness direction was anode gas diffusion layer 10 / anode catalyst layer 12 / ion exchange membrane 4 / cathode catalyst layer 22 / cathode gas diffusion layer 20. In this case, the laminate was hot-pressed (thermal bonding) under the conditions of a temperature of 140 ° C., a surface pressure of 8 MPa, and a holding time of 3 minutes, and the membrane electrode assembly 3 (also referred to as MEA, membrane electrode assembly, FIG. 1).

このように作製した膜電極接合体３と、ガス流路１４をもつ燃料ガス用のガス配流部材１６と、ガス流路２４をもつ酸化剤用ガス用のガス配流部材２６とを用いる。そして、アノードガス拡散層１０に燃料ガス用のガス配流部材１６を対面させると共に、カソードガス拡散層２０に酸化剤ガス用のガス配流部材２６を対面させた状態で組み付け、実施例１に係る電池セルＡ（図２参照）を組み立てた。なお、３３はガスシールするためのシール材を示す。   The membrane electrode assembly 3 produced in this way, the gas distribution member 16 for fuel gas having the gas flow path 14, and the gas distribution member 26 for oxidant gas having the gas flow path 24 are used. The battery according to the first embodiment is assembled with the anode gas diffusion layer 10 facing the gas distribution member 16 for fuel gas and the cathode gas diffusion layer 20 with the gas distribution member 26 for oxidizing gas facing each other. Cell A (see FIG. 2) was assembled. Reference numeral 33 denotes a sealing material for gas sealing.

触媒担持工程の前において、この電池セルＡに係るアノード触媒層１２では、触媒金属（白金ルテニウム）が存在していると共に、カソード触媒層２２では、触媒金属前駆体（ジニトロジアンミン白金）が存在している。ここで、アノードガス拡散層１０及びアノード触媒層１２はアノード１を構成する。カソードガス拡散層２０及びカソード触媒層２２はカソード２を構成する。   Before the catalyst supporting step, the catalyst catalyst (platinum ruthenium) is present in the anode catalyst layer 12 of the battery cell A, and the catalyst metal precursor (dinitrodiammine platinum) is present in the cathode catalyst layer 22. ing. Here, the anode gas diffusion layer 10 and the anode catalyst layer 12 constitute the anode 1. The cathode gas diffusion layer 20 and the cathode catalyst layer 22 constitute the cathode 2.

この電池セルＡのアノード１とカソード２との両極問に電子負荷装置５（富士通アクセス製,EUL−300JZ）及び導電路５０を介して直列に接続されている。電子負荷装置５は、導電路５０を流れる電流・電圧値を調整する機能を有する制御部をもつ。   Both ends of the anode 1 and the cathode 2 of the battery cell A are connected in series via an electronic load device 5 (Fujitsu Access, EUL-300JZ) and a conductive path 50. The electronic load device 5 has a control unit having a function of adjusting a current / voltage value flowing through the conductive path 50.

次に触媒担持工程について説明する。この加湿された水素を電池セルＡの燃料ガス用のガス配流部材１６のガス流路１４を経てアノード１に供給すると共に、加湿された窒素を電池セルＡの燃料ガス用のガス配流部材１６のガス流路１４を経てカソード２に供給した。水素を加湿している理由は、アノード分極を抑えるためである。窒素を加湿している理由は、イオン交換膜及びイオン交換樹脂を乾燥させないためである。   Next, the catalyst supporting step will be described. The humidified hydrogen is supplied to the anode 1 through the gas flow path 14 of the gas distribution member 16 for the fuel gas of the battery cell A, and the humidified nitrogen is supplied to the gas distribution member 16 for the fuel gas of the battery cell A. The gas was supplied to the cathode 2 via the gas flow path 14. The reason for humidifying the hydrogen is to suppress anodic polarization. The reason why the nitrogen is humidified is that the ion exchange membrane and the ion exchange resin are not dried.

この場合、水素ガスは、燃料ガス用のガス配流部材１６のガス流路１４及びアノードガス拡散層１０を経てアノード触媒層１２に到達し、アノード触媒層１２における触媒金属（白金ルテニウム）を介して酸化反応によりプロトン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）とに分解される。酸化反応により生成された電子（ｅ^-）は、導電路５０を介してカソード２側に移行し、カソード触媒層２２において還元反応を行い、カソード触媒層２２に含まれている触媒金属前駆体（ジニトロジアンミン白金）を還元させて析出させ、触媒金属をカソード触媒層２２に担持させる。 In this case, the hydrogen gas reaches the anode catalyst layer 12 through the gas flow path 14 and the anode gas diffusion layer 10 of the gas distribution member 16 for fuel gas, and passes through the catalyst metal (platinum ruthenium) in the anode catalyst layer 12. It is decomposed into protons (H ⁺ ) and electrons (e ⁻ ) by the oxidation reaction. Electrons (e ⁻ ) generated by the oxidation reaction move to the cathode 2 side through the conductive path 50, undergo a reduction reaction in the cathode catalyst layer 22, and a catalytic metal precursor ( Dinitrodiammine platinum) is reduced and deposited, and the catalyst metal is supported on the cathode catalyst layer 22.

即ち、本実施例に係る触媒担持工程においては、導電路５０においては定電流モードで0．1〜0．3アンペア程度の電流を5〜15分間放電し続けた。本実施例ではアノード１とカソード２との間において強制的には通電していない。   That is, in the catalyst supporting step according to this example, the current of about 0.1 to 0.3 amperes was continuously discharged in the constant current mode in the conductive path 50 for 5 to 15 minutes. In this embodiment, no current is forcibly supplied between the anode 1 and the cathode 2.

その後、発電運転を行うべく、上記した電池セルＡのアノード１に水素（利用率85％）を供給すると共に、カソード２（利用率40％）に空気をそれぞれ大気圧で供給した。この場合、それぞれのガスを水素加湿57℃露点、空気加湿60℃露点で加湿した。このときのセル温度は77℃である。発電運転時における放電電流とセル電圧との関係を測定した。なお、電子負荷装置５の制御部により、導電路５０を流れる電流値及び／または電圧値を制御することによって、触媒金属のサイズを制御することを期待することができる。   Thereafter, in order to perform power generation operation, hydrogen (utilization rate of 85%) was supplied to the anode 1 of the battery cell A, and air was supplied to the cathode 2 (utilization rate of 40%) at atmospheric pressure. In this case, each gas was humidified with a hydrogen humidified 57 ° C. dew point and an air humidified 60 ° C. dew point. The cell temperature at this time is 77 ° C. The relationship between the discharge current and the cell voltage during power generation operation was measured. In addition, it can be expected that the size of the catalyst metal is controlled by controlling the current value and / or the voltage value flowing through the conductive path 50 by the control unit of the electronic load device 5.

（比較例１）
比較例１は、水素還元された白金担持カーボン（Pt／C）を用いたMEAを用いる。比較例１に係るアノード触媒層の作製について説明する。即ち、導電性カーボンブラック（ケッチェンブラック EC）に白金ルテニウムを57重量％担持した白金ルテニウム担持カーボン触媒（田中貴金属工業製 TEC62E58）、純水、高分子電解質ポリマーのアルコール分散液（旭化成製 Aciplex SS−1100）、およびイソプロピルアルコールを、重量比で、1：4．15：2の比率で配合した。そして、白金ルテニウム担持カーボン触媒の二次粒径が0.5μｍ〜1.0μｍとなるように分散を行い、アノード用の触媒ペーストを作製した。 (Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, MEA using platinum-supported carbon (Pt / C) reduced by hydrogen is used. The production of the anode catalyst layer according to Comparative Example 1 will be described. That is, platinum ruthenium-supported carbon catalyst (TEC62E58 manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.), 57% by weight of platinum ruthenium supported on conductive carbon black (Ketjenblack EC), pure water, alcohol dispersion of polymer electrolyte polymer (Aciplex SS manufactured by Asahi Kasei) −1100), and isopropyl alcohol were blended at a weight ratio of 1: 4.15: 2. Then, dispersion was performed so that the secondary particle size of the platinum ruthenium-supported carbon catalyst was 0.5 μm to 1.0 μm, thereby preparing a catalyst paste for the anode.

この触媒ペーストをETFEシート（旭硝子製 アフレックス）上にアプリケータを用い、ペーストを均一な薄膜状に成形し、80℃で乾燥した。これを電極サイズに切り取り、アノード触媒層中間体を作製した。   This catalyst paste was formed into a uniform thin film using an applicator on an ETFE sheet (Aflex manufactured by Asahi Glass) and dried at 80 ° C. This was cut into an electrode size to produce an anode catalyst layer intermediate.

次に比較例１に係るカソード触媒層の作製について説明する。即ち、ケッチェンブラックEC（ケッチェン・ブラック・インターナショナル製）7gと、イソプロピルアルコール200gと、触媒金属前駆体としてジニトロジアンミン白金硝酸溶液（田中貴金属工業製）とをよく混合して充分乾燥させた。この場合、重量比で、ケッチェンブラックEC（担体）：Pt（触媒金属）＝45：55になるようにそれぞれ計量した。その後、その触媒金属前駆体を還元温度160℃の水素気流中において2時間還元処理を行い、ケッチェンブラックECの担体上に白金粒子（触媒金属）として析出させ、白金担持カーボンを形成した。このように比較例１では、カソード触媒層を構成する白金は、160℃において水素還元されて形成されている。   Next, preparation of the cathode catalyst layer according to Comparative Example 1 will be described. That is, 7 g of Ketjen Black EC (manufactured by Ketjen Black International), 200 g of isopropyl alcohol, and dinitrodiammine platinum nitric acid solution (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) as a catalyst metal precursor were thoroughly mixed and sufficiently dried. In this case, the ketjen black EC (support): Pt (catalyst metal) = 45: 55 was weighed in a weight ratio. Thereafter, the catalytic metal precursor was subjected to a reduction treatment in a hydrogen stream at a reduction temperature of 160 ° C. for 2 hours, and was precipitated as platinum particles (catalytic metal) on a carrier of Ketjen Black EC to form platinum-supported carbon. Thus, in Comparative Example 1, platinum constituting the cathode catalyst layer is formed by hydrogen reduction at 160 ° C.

上記した白金担持カーボン5g、高分子電解質ポリマーのアルコール分散液57g（旭化成製 Aciplex SS−1100）、純水30g、イソプロピルアルコール11gをそれぞれ計量した。そして、分散機でよく混合し、カソード用の触媒ペーストを作製した。この触媒ペーストをETFEシート（旭硝子製 アフレックス）上にアプリケータを用い、ペーストを均一な薄膜状に成形し、80℃で乾燥した。これを電極サイズに切り取り、カソード触媒層中間体を作製した。そしてカソード触媒層中間体をイオン交換膜（ジャパンゴアテックス製 GORE−SELECT30）の一方の片面に貼り付けるとともに、前記したアノード触媒層中間体をイオン交換膜の他方の片面に貼り付けた。この場合、温度150℃、面圧力10MPa、保持時間１分間の条件で熱接合を行った。その後、ETFEシートを剥離させた。これによりカソード触媒層をイオン交換膜の一方の片面に貼りつけると共に、アノード触媒層をイオン交換膜の他方の片面に貼りつけた。   5 g of the above platinum-supported carbon, 57 g of an alcohol dispersion of a polymer electrolyte polymer (Aciplex SS-1100 manufactured by Asahi Kasei), 30 g of pure water, and 11 g of isopropyl alcohol were weighed. And it mixed well with the disperser and produced the catalyst paste for cathodes. This catalyst paste was formed into a uniform thin film using an applicator on an ETFE sheet (Aflex manufactured by Asahi Glass) and dried at 80 ° C. This was cut to an electrode size to produce a cathode catalyst layer intermediate. The cathode catalyst layer intermediate was affixed to one side of an ion exchange membrane (GORE-SELECT30 manufactured by Japan Gore-Tex), and the aforementioned anode catalyst layer intermediate was affixed to the other side of the ion exchange membrane. In this case, thermal bonding was performed under the conditions of a temperature of 150 ° C., a surface pressure of 10 MPa, and a holding time of 1 minute. Thereafter, the ETFE sheet was peeled off. Thus, the cathode catalyst layer was attached to one side of the ion exchange membrane, and the anode catalyst layer was attached to the other side of the ion exchange membrane.

また、撥水処理されたガス拡散基材（東レ製 カーボンペーパー）を電極サイズに切り取り、アノードガス拡散層、カソードガス拡散層をそれぞれ1枚ずつ作製した。   In addition, a water-repellent treated gas diffusion base material (carbon paper manufactured by Toray Industries, Inc.) was cut into an electrode size to produce one anode gas diffusion layer and one cathode gas diffusion layer.

そして実施例１と同様に、厚み方向の順番がアノードガス拡散層／アノード触媒層／イオン交換膜／カソード触媒層／カソードガス拡散層になるように積層し、積層体を形成した。その積層体を温度140℃、面圧力8MPa、保持時間3分の条件でホットプレス（熱接合）し、膜電極接合体を形成した。   In the same manner as in Example 1, the laminate was formed such that the order in the thickness direction was anode gas diffusion layer / anode catalyst layer / ion exchange membrane / cathode catalyst layer / cathode gas diffusion layer. The laminated body was hot pressed (thermal bonding) under the conditions of a temperature of 140 ° C., a surface pressure of 8 MPa, and a holding time of 3 minutes to form a membrane electrode assembly.

こうして作製した膜電極接合体と、燃料ガス用のガス配流部材及び酸化剤ガス用のガス配流部材を用い、電池セルＢを組立てた。ここで、アノードガス拡散層及びアノード触媒層でアノードが形成される。カソードガス拡散層及びカソード触媒層でカソードが形成される。   A battery cell B was assembled using the membrane electrode assembly thus manufactured, a gas distribution member for fuel gas, and a gas distribution member for oxidant gas. Here, an anode is formed by the anode gas diffusion layer and the anode catalyst layer. A cathode is formed by the cathode gas diffusion layer and the cathode catalyst layer.

そして実施例１と同様に、上記した電池セルＢのアノードに水素（利用率85％）を供給すると共に、電池セルＢのカソードに空気（利用率40％）をそれぞれ大気圧で供給し、発電運転を行った。この場合、それぞれのガスを水素加湿57℃露点、空気加湿60℃露点で加湿した。このときのセル温度は77℃である。この時、放電電流とセル電圧との関係を調べた。   Similarly to Example 1, hydrogen (utilization rate 85%) is supplied to the anode of the battery cell B and air (utilization rate 40%) is supplied to the cathode of the battery cell B at atmospheric pressure to generate power. Drove. In this case, each gas was humidified with a hydrogen humidified 57 ° C. dew point and an air humidified 60 ° C. dew point. The cell temperature at this time is 77 ° C. At this time, the relationship between the discharge current and the cell voltage was examined.

（比較例２）
比較例２は市販の白金ルテニウム担持カーボン触媒を用いたMEAを用いる。比較例２に係るアノード触媒層について説明する。即ち、導電性カーボンブラック（ケッチェンブラック EC）に白金ルテニウムを57重量％担持した白金ルテニウム担持カーボン触媒（田中貴金属工業製 TEC62E58）を用いた。そして、上記した白金ルテニウム担持カーボン触媒 、純水、高分子電解質ポリマーのアルコール分散液（旭化成製 Aciplex SS−1100）、およびイソプロピルアルコールを、重量比で、1：4：15：2の比率となるように配合した。そして、白金ルテニウム担持カーボン触媒の二次粒径が0.5μｍ〜1.0μｍとなるように分散を行い、アノード用の触媒ペーストを作製した。この触媒ペーストをETFEシート（旭硝子製 アフレックス）上にアプリケータにより均一な薄膜状に成形し、80℃で乾燥した。これを電極サイズに切り取り、アノード触媒層中間体を作製した。 (Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, MEA using a commercially available platinum ruthenium-supported carbon catalyst is used. The anode catalyst layer according to Comparative Example 2 will be described. That is, a platinum ruthenium-supported carbon catalyst (TEC62E58 manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) in which 57% by weight of platinum ruthenium was supported on conductive carbon black (Ketjen Black EC) was used. The platinum ruthenium-supported carbon catalyst, pure water, polymer electrolyte polymer alcohol dispersion (Aciplex SS-1100 manufactured by Asahi Kasei), and isopropyl alcohol are in a weight ratio of 1: 4: 15: 2. It was blended as follows. Then, dispersion was performed so that the secondary particle size of the platinum ruthenium-supported carbon catalyst was 0.5 μm to 1.0 μm, thereby preparing a catalyst paste for the anode. This catalyst paste was formed into a uniform thin film on an ETFE sheet (Aflex manufactured by Asahi Glass) with an applicator and dried at 80 ° C. This was cut into an electrode size to produce an anode catalyst layer intermediate.

次に比較例２に係るカソード触媒層について説明する。即ち、導電性カーボンブラック（ケッチェンブラック）に白金を55重量％担持した白金担持カーボン触媒（田中貴金属工業製 TEClOE60E）、純水、高分子電解質ポリマーのアルコール分散液（旭化成製Aciplex SS−1100）、およびイソプロピルアルコールを、重量比で、1：4：11：2の比率で配合した。そして、白金担持カーボン触媒の二次粒径が0.5μｍ〜1.0μｍとなるように分散を行い、カソード用の触媒ペーストを作製した。   Next, the cathode catalyst layer according to Comparative Example 2 will be described. That is, a platinum-supported carbon catalyst (TEClOE60E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) with 55% by weight of platinum supported on conductive carbon black (Ketjen Black), pure water, and an alcohol dispersion of a polymer electrolyte polymer (Aciplex SS-1100 manufactured by Asahi Kasei) , And isopropyl alcohol were blended at a weight ratio of 1: 4: 11: 2. Then, dispersion was performed so that the secondary particle size of the platinum-supported carbon catalyst was 0.5 μm to 1.0 μm, and a catalyst paste for a cathode was prepared.

この触媒ペーストをETFEシート（旭硝子製 アフレックス）上にアプリケータにより均一な薄膜状に成形し、80℃で乾燥した。これを電極サイズに切り取り、カソード触媒層中間体を作製した。そしてカソード触媒層中間体をイオン交換膜（ジャパンゴアテックス製 GORE−SELECT30）の一方の片面に貼り付けるとともに、前記したアノード触媒層中間体をイオン交換膜の他方の片面に貼り付けた。この場合、温度１５０℃、面圧力１０ＭＰａ、保持時間１分間で熱接合した。その後、ETFEシートを剥離させた。これによりカソード触媒層をイオン交換膜の一方の片面に貼りつけると共に、アノード触媒層をイオン交換膜の他方の片面に貼りつけた。   This catalyst paste was formed on an ETFE sheet (Asahi Glass Aflex) with an applicator and dried at 80 ° C. This was cut to an electrode size to produce a cathode catalyst layer intermediate. The cathode catalyst layer intermediate was affixed to one side of an ion exchange membrane (GORE-SELECT30 manufactured by Japan Gore-Tex), and the aforementioned anode catalyst layer intermediate was affixed to the other side of the ion exchange membrane. In this case, thermal bonding was performed at a temperature of 150 ° C., a surface pressure of 10 MPa, and a holding time of 1 minute. Thereafter, the ETFE sheet was peeled off. Thus, the cathode catalyst layer was attached to one side of the ion exchange membrane, and the anode catalyst layer was attached to the other side of the ion exchange membrane.

また、撥水処理されたガス拡散基材（東レ製,カーボンペーパー）を電極サイズに切り取り、アノードガス拡散層、カソードガス拡散層をそれぞれ1校ずつ作製した。   In addition, a water-repellent treated gas diffusion base material (manufactured by Toray, carbon paper) was cut into an electrode size, and one anode gas diffusion layer and one cathode gas diffusion layer were produced.

そして、実施例１と同様に、厚み方向の順番がアノードガス拡散層／アノード触媒層／イオン交換膜／カソード触媒層／カソードガス拡散層になるように積層し、積層体とした。温度140℃、面圧力8MPa、保持時間3分の条件でその積層体をホットプレス（熱接合）し、膜電極接合体を形成した。こうして作製した膜電極接合体と、燃料ガス用のガス配流部材及び酸化剤ガス用のガス配流部材を用い、電池セルＣを組立てた。実施例１と同様に、電池セルＣのアノードに水素（利用率85％）を供給すると共に、電池セルＣのカソードに空気（利用率40％）をそれぞれ大気圧で供給し、発電運転を行った。この場合、それぞれのガスを水素加湿57℃露点、空気加湿60℃露点で加湿した。この時のセル濃度は77℃である。この時、放電電流とセル電圧との関係を調べた。   Then, in the same manner as in Example 1, the layers were laminated so that the order in the thickness direction was anode gas diffusion layer / anode catalyst layer / ion exchange membrane / cathode catalyst layer / cathode gas diffusion layer. The laminated body was hot-pressed (thermal bonding) under the conditions of a temperature of 140 ° C., a surface pressure of 8 MPa, and a holding time of 3 minutes to form a membrane electrode assembly. A battery cell C was assembled using the membrane electrode assembly thus manufactured, a gas distribution member for fuel gas, and a gas distribution member for oxidant gas. Similarly to Example 1, hydrogen (utilization rate of 85%) is supplied to the anode of the battery cell C, and air (utilization rate of 40%) is supplied to the cathode of the battery cell C at atmospheric pressure to perform power generation operation. It was. In this case, each gas was humidified with a hydrogen humidified 57 ° C. dew point and an air humidified 60 ° C. dew point. The cell concentration at this time is 77 ° C. At this time, the relationship between the discharge current and the cell voltage was examined.

（評価）
図３及び図４は、上記した実施例１、比較例１，２に係る測定結果を示す。図３は、セル電圧が９００ミリボルトのときにおける白金単位重量当たりの電流値、つまり、触媒比活性を示す。実施例１、比較例１，２に基づいて燃料電池を2個づつ作製し（n=2）、測定結果をそれぞれ示した。図４は電流密度が０．２６アンペア／ｃｍ²（実用電流密度域）における白金担持量とセル電圧との関係を示す。 (Evaluation)
3 and 4 show the measurement results according to Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 described above. FIG. 3 shows the current value per platinum unit weight when the cell voltage is 900 millivolts, that is, the catalyst specific activity. Two fuel cells were prepared based on Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 (n = 2), and the measurement results are shown. FIG. 4 shows the relationship between the amount of platinum carried and the cell voltage when the current density is 0.26 ampere / cm ² (practical current density region).

図３に示すように、実施例１の燃料電池では、比較例１，２よりも触媒比活性が高かった。図４に示すように、実施例の燃料電池では、比較例１，２よりも単位面積当たりの白金担持量が少ないにもかかわらず（単位面積当たりの白金担持量は比較例１の半分程度）、比較例１よりもセル電圧が高く、且つ、比較例２に匹敵するセル電圧が得られた。図３及び図４に示す結果から明らかなように、実施例１の燃料電池と比較例１，２の燃料電池とを比較すると、実施例１の燃料電池においては、燃料電池セルの触媒活性および実用の電流密度域における電圧出力の向上が確認された。なお、実施例１によれば、陽イオン交換樹脂のイオン交換容量に相当する触媒金属の量としては、０．０１〜０．０５ミリグラム／cm²付近である。 As shown in FIG. 3, the fuel cell of Example 1 had higher catalyst specific activity than Comparative Examples 1 and 2. As shown in FIG. 4, in the fuel cell of the example, although the amount of platinum supported per unit area is smaller than that of Comparative Examples 1 and 2 (the amount of platinum supported per unit area is about half that of Comparative Example 1). The cell voltage was higher than that of Comparative Example 1, and a cell voltage comparable to that of Comparative Example 2 was obtained. As is apparent from the results shown in FIGS. 3 and 4, when the fuel cell of Example 1 is compared with the fuel cells of Comparative Examples 1 and 2, in the fuel cell of Example 1, the catalytic activity of the fuel cell and The improvement of the voltage output in the practical current density region was confirmed. In addition, according to Example 1, the amount of the catalytic metal corresponding to the ion exchange capacity of the cation exchange resin is around 0.01 to 0.05 mg / cm ² .

（実施例２）
実施例２は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。従って、図１及び図２を準用する。以下、異なる部分を中心として説明する。共通する部位に共通の符号を付する。触媒担持工程前において、実施例２に係る電池セルDのアノード触媒層１２では触媒金属（白金ルテニウム）が存在していると共に、カソード触媒層２２では触媒金属前駆体（ジニトロジアンミン白金）が存在している。 (Example 2)
The second embodiment basically has the same configuration and the same function and effect as the first embodiment. Therefore, FIGS. 1 and 2 apply mutatis mutandis. In the following, different parts will be mainly described. A common code | symbol is attached | subjected to a common site | part. Before the catalyst supporting step, the catalyst metal (platinum ruthenium) is present in the anode catalyst layer 12 of the battery cell D according to Example 2, and the catalyst metal precursor (dinitrodiammine platinum) is present in the cathode catalyst layer 22. ing.

実施例２では、触媒担持工程において、加湿された水素を電池セルDのアノード１に供給すると共に、窒素に代えて、加湿された空気（大気圧）を電池セルDのカソード２に供給しながら、定電流モードで0．1〜0．3アンペア程度の電流を5〜15分間放電し続けた。実験によれば、実施例２においても、電池セルDのカソード触媒層２２は還元され、担体としてのカーボンブラック上に触媒金属の粒子（白金粒子）が生成された。   In Example 2, in the catalyst supporting step, humidified hydrogen is supplied to the anode 1 of the battery cell D, and humidified air (atmospheric pressure) is supplied to the cathode 2 of the battery cell D instead of nitrogen. In constant current mode, a current of about 0.1 to 0.3 amperes was continuously discharged for 5 to 15 minutes. According to the experiment, also in Example 2, the cathode catalyst layer 22 of the battery cell D was reduced, and catalyst metal particles (platinum particles) were generated on the carbon black as the support.

その後、発電運転を行うべく、実施例１と同様に、電池セルDのアノード１に水素（利用率85％）を供給すると共に、カソード２に空気（利用率40％）をそれぞれ大気圧で供給した。この場合、それぞれのガスを水素加湿57℃露点、空気加湿60℃露点で加湿した。このときのセル温度は77℃である。実施例２は実施例１と同様に、触媒比活性が高く、セル電圧が高かった。   Thereafter, in order to perform the power generation operation, hydrogen (utilization rate of 85%) is supplied to the anode 1 of the battery cell D and air (utilization rate of 40%) is supplied to the cathode 2 at atmospheric pressure in the same manner as in Example 1. did. In this case, each gas was humidified with a hydrogen humidified 57 ° C. dew point and an air humidified 60 ° C. dew point. The cell temperature at this time is 77 ° C. As in Example 1, Example 2 had a high catalyst specific activity and a high cell voltage.

（実施例３）
図５は実施例３を示す。実施例３は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。触媒担持工程前において、実施例３に係る電池セルのアノード触媒層１２では、触媒金属（白金ルテニウム）が存在していると共に、カソード触媒層２２では、触媒金属前駆体（ジニトロジアンミン白金）が存在している。 (Example 3)
FIG. 5 shows a third embodiment. The third embodiment has basically the same configuration and the same function and effect as the first embodiment. In the following, different parts will be mainly described. Before the catalyst supporting step, the catalyst metal (platinum ruthenium) is present in the anode catalyst layer 12 of the battery cell according to Example 3, and the catalyst metal precursor (dinitrodiammine platinum) is present in the cathode catalyst layer 22. doing.

積層工程において、積層体のアノードガス拡散層１０に燃料ガス用のガス配流部材１６を対面させると共に、積層体のカソードガス拡散層２０に酸化剤ガス用のガス配流部材２６を対面させた状態で組み付ける。このように多数のMEAを備えたスタック６を形成する。図５はスタック６の一部のみを図示する。燃料ガス用のガス配流部材１６の背面、酸化剤ガス用のガス配流部材２６の背面には、冷却水流路６０をもつ冷却板６１が配設されている。アノード１のアノード触媒層１２とカソード２のカソード触媒層２２とは導電路５０で電気的に接続されている。   In the stacking step, the fuel gas distribution member 16 faces the anode gas diffusion layer 10 of the stack, and the gas distribution member 26 for oxidant gas faces the cathode gas diffusion layer 20 of the stack. Assemble. In this way, a stack 6 having a large number of MEAs is formed. FIG. 5 illustrates only a part of the stack 6. A cooling plate 61 having a cooling water channel 60 is disposed on the back surface of the gas distribution member 16 for fuel gas and on the back surface of the gas distribution member 26 for oxidant gas. The anode catalyst layer 12 of the anode 1 and the cathode catalyst layer 22 of the cathode 2 are electrically connected by a conductive path 50.

触媒担持工程においては、燃料ガス用のガス配流部材１６のガス流路１４に水素ガスを供給すると共に、酸化剤ガス用のガス配流部材２６のガス流路２４に窒素ガスを供給する。水素ガスは、燃料ガス用のガス配流部材１６のガス流路１４及びアノードガス拡散層１０を経てアノード触媒層１２に到達する。   In the catalyst supporting step, hydrogen gas is supplied to the gas flow path 14 of the gas distribution member 16 for fuel gas, and nitrogen gas is supplied to the gas flow path 24 of the gas distribution member 26 for oxidant gas. The hydrogen gas reaches the anode catalyst layer 12 through the gas flow path 14 of the gas distribution member 16 for fuel gas and the anode gas diffusion layer 10.

アノード触媒層１２に到達した水素ガスは、アノード触媒層１２における触媒金属（白金ルテニウム）を介して酸化反応によりプロトン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）とに分解される。電子（ｅ^-）は導電路５０を介してカソード２側に移行し、カソード触媒層２２において還元反応を行い、カソード触媒層２２に含まれている触媒金属前駆体（ジニトロジアンミン白金）を還元させ、触媒金属をカソード触媒層２２に担持させる。 The hydrogen gas that has reached the anode catalyst layer 12 is decomposed into protons (H ⁺ ) and electrons (e ⁻ ) by an oxidation reaction via the catalyst metal (platinum ruthenium) in the anode catalyst layer 12. Electrons (e ⁻ ) migrate to the cathode 2 side through the conductive path 50 and undergo a reduction reaction at the cathode catalyst layer 22 to reduce the catalyst metal precursor (dinitrodiammine platinum) contained in the cathode catalyst layer 22. The catalyst metal is supported on the cathode catalyst layer 22.

このような触媒金属前駆体の還元は、スタック６全体で一体的に行なわれる。このため１つの膜電極接合体３についてその都度、触媒担持工程を行わずとも良く、触媒担持工程の生産性が向上する。他の実施例においても触媒担持工程をスタック６全体で一体的に行なうことができる。   Such reduction of the catalytic metal precursor is performed integrally in the entire stack 6. For this reason, it is not necessary to perform the catalyst supporting step for each membrane electrode assembly 3, and the productivity of the catalyst supporting step is improved. In other embodiments, the catalyst supporting step can be performed integrally in the entire stack 6.

（実施例４）
図６は実施例４を示す。実施例４は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。共通する機能を奏する部位には共通の符号を付する。触媒担持工程の前においては、実施例４に係る電池セルＥのアノード触媒層１２Ｅでは、触媒金属前駆体（ジニトロジアンミン白金）が存在していると共に、カソード触媒層２２Ｅでは、触媒金属前駆体（ジニトロジアンミン白金）が存在している。 Example 4
FIG. 6 shows a fourth embodiment. The fourth embodiment has basically the same configuration and the same function and effect as the first embodiment. In the following, different parts will be mainly described. Parts having common functions are denoted by common reference numerals. Before the catalyst supporting step, a catalyst metal precursor (dinitrodiammine platinum) is present in the anode catalyst layer 12E of the battery cell E according to Example 4, and a catalyst metal precursor ( Dinitrodiammine platinum) is present.

実施例４に係る触媒担持工程は第１工程及び第２工程とからなる。触媒担持工程の第１工程について説明する。この第１工程では、水素ガス（１００〜１５０℃）を電池セルＥの燃料ガス用のガス配流部材１６Ｅのガス流路１４Ｅを経てアノード１Ｅに供給する。供給された水素ガスは、アノードガス拡散層１０Ｅを経てアノード触媒層１２Ｅに到達する。これにより電池セルＥのアノード触媒層１２Ｅに含有されている触媒金属前駆体を水素還元する。この結果、電池セルＥのアノード触媒層１２Ｅに触媒金属（白金）が生成して担持される。   The catalyst supporting step according to Example 4 includes a first step and a second step. The first step of the catalyst supporting step will be described. In this first step, hydrogen gas (100 to 150 ° C.) is supplied to the anode 1E through the gas flow path 14E of the gas distribution member 16E for the fuel gas of the battery cell E. The supplied hydrogen gas reaches the anode catalyst layer 12E through the anode gas diffusion layer 10E. Thereby, the catalytic metal precursor contained in the anode catalyst layer 12E of the battery cell E is reduced by hydrogen. As a result, the catalyst metal (platinum) is generated and supported on the anode catalyst layer 12E of the battery cell E.

次に触媒担持工程の第２工程について説明する。この電池セルＥのアノード１Ｅとカソード２Ｅとの両極問は、電子負荷装置５Ｅ及び導電路５０Ｅを介して直列に接続されている。この第２工程では、水素ガスをガス配流部材１６Ｅのガス流路１４Ｅを経てアノード１Ｅに供給すると共に、窒素ガスをガス配流部材２６Ｅのガス流路２４Ｅを介してカソード２Ｅに供給する。   Next, the second step of the catalyst supporting step will be described. Both poles of the anode 1E and the cathode 2E of the battery cell E are connected in series via an electronic load device 5E and a conductive path 50E. In this second step, hydrogen gas is supplied to the anode 1E via the gas flow path 14E of the gas distribution member 16E, and nitrogen gas is supplied to the cathode 2E via the gas flow path 24E of the gas distribution member 26E.

供給された水素ガスは、アノードガス拡散層１０Ｅを経てアノード触媒層１２Ｅに到達し、アノード触媒層１２Ｅにおける触媒金属（白金）を介して酸化反応によりプロトン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）とに分解される。酸化反応により生成された電子（ｅ^-）は、導電路５０Ｅを介してカソード２Ｅ側に移行し、カソード触媒層２２Ｅにおいて還元反応を行う。従って、カソード触媒層２２Ｅに含まれている触媒金属前駆体（ジニトロジアンミン白金）を還元させ、触媒金属（白金）を析出させてカソード触媒層２２Ｅに担持させる。この場合においてもスタック６全体で一体的に行なうことができる。 The supplied hydrogen gas reaches the anode catalyst layer 12E through the anode gas diffusion layer 10E, and protons (H ⁺ ) and electrons (e ⁻ ) are generated by an oxidation reaction via the catalyst metal (platinum) in the anode catalyst layer 12E. Is broken down into Electrons (e ⁻ ) generated by the oxidation reaction move to the cathode 2E side through the conductive path 50E and undergo a reduction reaction in the cathode catalyst layer 22E. Therefore, the catalyst metal precursor (dinitrodiammine platinum) contained in the cathode catalyst layer 22E is reduced, and the catalyst metal (platinum) is deposited and supported on the cathode catalyst layer 22E. Even in this case, the entire stack 6 can be integrated.

（他の例）
上記した実施例１によれば、触媒担持工程において、アノード１に水素ガスを供給すると共にカソード２に窒素ガスを供給することにより、アノード１において酸化反応を生じさせると共に、酸化反応で生じた電子（ｅ^-）に基づいてカソード２において還元反応を行い、当該カソード２に含まれている触媒金属前駆体を還元させて触媒金属を生成させている。これと逆に、触媒担持工程において、アノード１に窒素ガスを供給すると共にカソード２に水素ガスを供給することにより、カソード２において酸化反応を生じさせると共に、酸化反応で生じた電子（ｅ^-）に基づいてアノード１において還元反応を行い、当該アノード１に含まれている触媒金属前駆体を還元させて触媒金属を生成させることにしても良い。その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。 (Other examples)
According to Example 1 described above, in the catalyst loading step, hydrogen gas is supplied to the anode 1 and nitrogen gas is supplied to the cathode 2 to cause an oxidation reaction in the anode 1 and to generate electrons generated by the oxidation reaction. A reduction reaction is performed at the cathode 2 based on (e ⁻ ), and a catalytic metal precursor contained in the cathode 2 is reduced to generate a catalytic metal. On the contrary, in the catalyst supporting step, nitrogen gas is supplied to the anode 1 and hydrogen gas is supplied to the cathode 2 to cause an oxidation reaction at the cathode 2 and to generate electrons (e ⁻ ) generated by the oxidation reaction. On the basis of the above, a reduction reaction may be performed in the anode 1 to reduce the catalyst metal precursor contained in the anode 1 to generate a catalyst metal. In addition, the present invention is not limited to the embodiments described above and shown in the drawings, and can be implemented with appropriate modifications within a range not departing from the gist.

本発明は車両用、定置用、携帯用等に使用される燃料電池に利用することができる。   The present invention can be used in fuel cells used for vehicles, stationary, portable and the like.

実施例１に係る燃料電池セルの概念図である。1 is a conceptual diagram of a fuel battery cell according to Example 1. FIG. 実施例１に示す燃料電池セルにおける触媒担持工程を示す概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram showing a catalyst supporting step in the fuel battery cell shown in Example 1. セル電圧９００ミリボルトにおける白金単位重量当たりの電流値を示すグラフである。It is a graph which shows the electric current value per platinum unit weight in cell voltage 900 millivolt. 電流密度が０．２６Ａ／ｃｍ２に設定されているときにおける白金担持量とセル電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the amount of platinum carrying | support and cell voltage when a current density is set to 0.26 A / cm2. 複数の燃料電池セルを組み込んだスタックを用いて触媒担持工程を実施する概念図である。It is a conceptual diagram which implements a catalyst carrying | support process using the stack incorporating a some fuel cell. 実施例４に係る燃料電池セルにおける触媒担持工程を示す概念図である。6 is a conceptual diagram showing a catalyst supporting step in a fuel cell according to Example 4. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

図中、１０はアノードガス拡散層、１２はアノード触媒層、４はイオン交換膜、２０はカソードガス拡散層、２２はカソード触媒層を示す。   In the figure, 10 is an anode gas diffusion layer, 12 is an anode catalyst layer, 4 is an ion exchange membrane, 20 is a cathode gas diffusion layer, and 22 is a cathode catalyst layer.

Claims (6)

アノードガス拡散層、アノード触媒層、イオン交換膜、カソード触媒層、カソードガス拡散層の順となるように配置して積層体を得る積層工程と、
前記積層体を構成する前記アノードの前記アノード触媒層と前記カソードの前記カソード触媒層とを導電路で電気的に接続する接続工程と、
前記アノード及び前記カソードのうちの一方において酸化反応を生じさせると共に、前記酸化反応で生じた電子に基づいて前記アノード及び前記カソードのうちの他方において還元反応を行い、当該他方に含まれている触媒金属前駆体を還元させて触媒金属を生成させる触媒担持工程とを実施することを特徴とする燃料電池の触媒担持方法。 A lamination step of arranging the anode gas diffusion layer, the anode catalyst layer, the ion exchange membrane, the cathode catalyst layer, and the cathode gas diffusion layer in this order to obtain a laminate;
A connecting step of electrically connecting the anode catalyst layer of the anode and the cathode catalyst layer of the cathode constituting the laminate by a conductive path;
A catalyst that causes an oxidation reaction in one of the anode and the cathode and a reduction reaction in the other of the anode and the cathode based on electrons generated in the oxidation reaction, and is included in the other A catalyst supporting method for a fuel cell, comprising performing a catalyst supporting step of reducing a metal precursor to produce a catalytic metal. 請求項１において、前記触媒担持工程において、当該一方に水素ガスまたは水素含有ガスを供給することを特徴とする燃料電池の触媒担持方法。   2. The fuel cell catalyst loading method according to claim 1, wherein, in the catalyst loading step, hydrogen gas or hydrogen-containing gas is supplied to the one. 請求項１または請求項２において、前記導電路には電流及び／または電圧を制御する制御部が配設されており、前記触媒担持工程において、前記導電路を流れる電流値及び／又は電圧値を前記制御部により制御することを特徴とする燃料電池の触媒担持方法。   In Claim 1 or Claim 2, the control part which controls an electric current and / or a voltage is arranged in the electric conduction path, and the electric current value and / or voltage value which flow through the electric conduction path in the catalyst carrying process are set. A method for supporting a catalyst of a fuel cell, wherein the catalyst is controlled by the control unit. 請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項において、前記触媒担持工程において、当該他方に不活性ガスまたは空気を供給することを特徴とする燃料電池の触媒担持方法。   4. The fuel cell catalyst carrying method according to claim 1, wherein in the catalyst carrying step, an inert gas or air is supplied to the other. 請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項において、前記積層工程では、複数の前記積層体をガス配流部材と共に組み付けたスタックを形成し、前記触媒担持工程は前記スタック全体で行なわれることを特徴とする燃料電池の触媒担持方法。   5. The stack according to claim 1, wherein in the stacking step, a stack is formed by assembling a plurality of the stacked bodies together with a gas distribution member, and the catalyst supporting step is performed on the entire stack. A method for supporting a catalyst in a fuel cell. 請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項において、前記触媒担持工程が行われる当該他方の触媒層は、触媒金属と陽イオン交換樹脂を含む組成物を有しており、
当該他方の触媒層の単位面積当たり、前記触媒金属の陽イオン換算で、陽イオン交換樹脂のイオン交換容量に対して0.1〜2.0ミリグラム／cm²過剰に触媒金属を担持するように、前記触媒担持工程の前において前記触媒金属前駆体が含まれていることを特徴とする燃料電池の触媒担持方法。 In any one of Claims 1-5, the said other catalyst layer in which the said catalyst carrying | support process is performed has a composition containing a catalyst metal and a cation exchange resin,
The catalyst support is supported so that the catalyst metal is supported in excess of 0.1 to 2.0 mg / cm ^{2 with} respect to the ion exchange capacity of the cation exchange resin per unit area of the other catalyst layer in terms of cation of the catalyst metal. A catalyst supporting method for a fuel cell, characterized in that the catalyst metal precursor is contained before the step.

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