JP2006114469A - Fuel-cell and membrane electrode assembly - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new Pt catalyst having a grain size that is less than 5nm. <P>SOLUTION: A heterogeneous catalyst comprises particles containing at least Pt and P and a maximum average grain size of smaller than 5 nm. The grain size of the particles is 1-3 nm and the particles contain 2-50 atom% of P. The particles also contain Ru and the ratio of Pt and Ru in particles is Pt<SB>40</SB>Ru<SB>60</SB>-Pt<SB>90</SB>Ru<SB>10</SB>. The particles further contain a carbon base material, and a carbon base material is carbon black or carbon nanotubes (preferably multilayer carbon nanotubes). The heterogeneous catalyst can be used for a fuel electrode or for an oxygen electrode of the fuel cell or the membrane electrode assembly. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は新規な触媒を燃料極或いは酸素極に有する燃料電池及び膜電極接合体に関する。更に詳細には、本発明は少なくともPtとPを含む触媒を燃料極或いは酸素極に有する燃料電池及び膜電極接合体に関する。   The present invention relates to a fuel cell and a membrane electrode assembly having a novel catalyst at a fuel electrode or an oxygen electrode. More specifically, the present invention relates to a fuel cell and a membrane electrode assembly having a catalyst containing at least Pt and P at a fuel electrode or an oxygen electrode.

従来、電気エネルギーの大部分は、火力発電、水力発電又は原子力発電などにより供給されてきた。しかし、火力発電は石油や石炭などの化石燃料を燃焼させるため大規模な環境汚染をもたらすばかりか、石油などの資源枯渇が問題視されるようになってきた。また、水力発電は大規模なダム建設を必要とし、それによる自然破壊が懸念されるばかりか、建設適地も限られている。原子力発電は事故の際の放射能汚染が致命的であるばかりか、寿命を迎えた原子炉の廃炉問題などもあり、世界的には建設が抑制される方向に動いている。   Conventionally, most of electric energy has been supplied by thermal power generation, hydroelectric power generation or nuclear power generation. However, thermal power generation not only causes large-scale environmental pollution because it burns fossil fuels such as oil and coal, but depletion of resources such as oil has become a problem. In addition, hydropower generation requires large-scale dam construction, and not only is there concern about the destruction of nature, but there are also limited areas for construction. Nuclear power generation is not only fatal in the radioactive contamination at the time of the accident, but also has a problem of decommissioning nuclear reactors that have reached the end of their life, and is moving in a direction that suppresses construction worldwide.

大規模な施設を必要とせず、環境汚染も起こさない発電方法として風力発電や太陽光発電が世界各国で利用されるようになり、我が国でも一部の地域で実際に風力発電や太陽光発電が実用化されている。しかし、風力発電は風が吹かなければ発電できず、また太陽光発電は日光照射がなければ発電できないなど、自然現象に左右され、安定的な電力供給ができないという欠点がある。また、風力発電では、風の強さにより、発電した電力の周波数が変動し、電気機器の故障原因となっていた。   Wind power generation and solar power generation have been used around the world as power generation methods that do not require large-scale facilities and do not cause environmental pollution. In Japan, wind power generation and solar power generation are actually used in some areas. It has been put into practical use. However, wind power generation has a drawback in that it cannot generate power without wind, and solar power generation cannot generate power without sunlight, and is affected by natural phenomena and cannot provide stable power supply. Further, in wind power generation, the frequency of the generated power fluctuates due to the strength of the wind, causing a failure of electrical equipment.

そこで、最近は、水素エネルギーから電気エネルギーを取り出すことができる発電装置例えば、水素燃料電池などの開発研究が活発になってきた。水素は水を分解することにより得られ、地球上に無尽蔵に存在するばかりか、物質量当たりに含まれる化学エネルギー量が大きく、しかも、エネルギー源として利用するときに有害物質や地球温暖化ガスを発生しないという利点を有する。   Therefore, recently, research and development on a power generation device that can extract electric energy from hydrogen energy, such as a hydrogen fuel cell, has become active. Hydrogen is obtained by decomposing water and not only exists infinitely on the earth, but also contains a large amount of chemical energy per amount of substance. Moreover, when it is used as an energy source, harmful substances and global warming gases are used. It has the advantage that it does not occur.

水素ガスの代わりに、メタノールを使用する燃料電池の研究も活発に行われている。液体燃料であるメタノールを直接使用するメタノール燃料電池は、燃料の取り扱い易さに加え、安価な燃料ということで家庭用や産業用の比較的小出力規模の電源として期待されている。メタノールー酸素燃料電池の理論出力電圧は、水素燃料のものとほぼ同じ1.2V(25℃)であり、原理的には同様の特性が期待できる。   Research on fuel cells using methanol instead of hydrogen gas is also actively conducted. A methanol fuel cell that directly uses methanol, which is a liquid fuel, is expected to be a relatively small output power source for household and industrial use because it is an inexpensive fuel in addition to easy handling of the fuel. The theoretical output voltage of the methanol-oxygen fuel cell is 1.2 V (25 ° C.) which is almost the same as that of hydrogen fuel, and in principle the same characteristics can be expected.

固体高分子型燃料電池や直接メタノール型燃料電池ではアノードで水素やメタノールを酸化させると同時に、カソードでは酸素を還元して電気エネルギーを取り出している。これらの酸化還元反応は常温では進み難いため、燃料電池には触媒が使用されている。初期の燃料電池では白金(Pt)を炭素基材上に析出担持させ触媒として使用してきた。Ptは水素酸化やメタノール酸化に対して触媒活性を有しており、これまで炭素基材上へのPt触媒の析出雰囲気、つまり、析出時の外部因子を制御することにより、Pt触媒粒子の粒径を出来るだけ小さくし、Pt触媒の反応表面積を高めて使用することが試みられてきた。例えば、特許文献1では、アルコールでPtイオンを還元してPtを炭素基材上に担持させる際、反応溶液中に保護コロイドとしてポリビニルアルコールを添加し、Pt触媒粒子表面に保護コロイドを弱く吸着させ、Pt触媒の微粒子化を図っている。この方法で合成されたPt触媒表面には保護コロイドが吸着している。従って、触媒活性を十分に発現させるためには触媒合成後、保護コロイドを触媒表面から取り除く必要がある。このため、Pt微粒子合成後に水素気流中400℃で熱処理を行う方法が提案されている。しかし、この処理方法では保護コロイドを完全にPt触媒表面から取り去ることは出来ないばかりか、400℃の熱処理によりPt触媒微粒子同士が焼結してPt触媒粒子径が増大し、触媒活性が低下するという問題があった。   In solid polymer fuel cells and direct methanol fuel cells, hydrogen and methanol are oxidized at the anode, and at the same time, oxygen is reduced at the cathode to extract electric energy. Since these oxidation-reduction reactions are difficult to proceed at room temperature, a catalyst is used in the fuel cell. In early fuel cells, platinum (Pt) has been deposited on a carbon substrate and used as a catalyst. Pt has catalytic activity for hydrogen oxidation and methanol oxidation, and so far, by controlling the precipitation atmosphere of the Pt catalyst on the carbon substrate, that is, by controlling the external factors at the time of precipitation, the particle size of the Pt catalyst particles Attempts have been made to reduce the diameter as much as possible and increase the reaction surface area of the Pt catalyst. For example, in Patent Document 1, when Pt ions are reduced with alcohol and Pt is supported on a carbon substrate, polyvinyl alcohol is added as a protective colloid to the reaction solution, and the protective colloid is weakly adsorbed on the surface of the Pt catalyst particles. , Pt catalyst is made fine. The protective colloid is adsorbed on the surface of the Pt catalyst synthesized by this method. Therefore, it is necessary to remove the protective colloid from the catalyst surface after the synthesis of the catalyst in order to fully exhibit the catalytic activity. For this reason, a method of performing heat treatment at 400 ° C. in a hydrogen stream after synthesis of Pt fine particles has been proposed. However, this treatment method cannot completely remove the protective colloid from the surface of the Pt catalyst, but the Pt catalyst fine particles are sintered with each other by the heat treatment at 400 ° C. to increase the Pt catalyst particle diameter and lower the catalytic activity. There was a problem.

また、Pt触媒には、メタノール酸化過程で発生する一酸化炭素(CO)、或いは水素ガス中に含まれるCOがPt触媒上に化学吸着し、最終的には触媒活性が失活する問題があった。この現象はCOによる触媒被毒と呼ばれている。COによるPt触媒の被毒を抑えるため、Ptへの添加元素の探索が行われた。その結果、PtにRuを添加することにより、COによる触媒被毒が大きく軽減されることが発見された(例えば、特許文献2参照)。   In addition, the Pt catalyst has a problem that carbon monoxide (CO) generated in the methanol oxidation process or CO contained in hydrogen gas is chemically adsorbed on the Pt catalyst, and eventually the catalytic activity is deactivated. It was. This phenomenon is called catalyst poisoning by CO. In order to suppress the poisoning of the Pt catalyst by CO, an element added to Pt was searched. As a result, it has been discovered that catalyst poisoning by CO is greatly reduced by adding Ru to Pt (see, for example, Patent Document 2).

このRuはそれ自身に水素やメタノールの酸化活性は無いが、Pt上に被着したCOを素早くCOに酸化して逃がす働きを持った助触媒である。直接メタノール型燃料電池を例に挙げると、下記反応式(1)に示されるように、Pt触媒粒子上で脱プロトン反応が起こり、Pt触媒粒子上にCOが化学吸着する。これがCOにより触媒被毒である。しかし、Ruを含んだPtRu触媒では、下記反応式(2)で示されるように、Ruが水と反応してRu−OHを生成し、次いで、下記反応式(3)で示されるように、Pt触媒粒子表面に化学吸着したCOをCOに酸化して除去する。
Pt+CHOH → Pt-CO +4H+4e式(1)
Ru+HO → Ru-OH+H+e 式(2)
Pt-CO+Ru-OH → Pt+Ru+H+e+CO↑ 式(3)
Although this Ru itself has no oxidation activity of hydrogen or methanol, it is a co-catalyst having a function of quickly oxidizing CO deposited on Pt to CO 2 and letting it escape. Taking a direct methanol fuel cell as an example, as shown in the following reaction formula (1), a deprotonation reaction occurs on the Pt catalyst particles, and CO is chemically adsorbed on the Pt catalyst particles. This is catalyst poisoning by CO. However, in the PtRu catalyst containing Ru, as shown in the following reaction formula (2), Ru reacts with water to produce Ru-OH, and then, as shown in the following reaction formula (3), CO chemisorbed on the surface of the Pt catalyst particles is oxidized to CO 2 and removed.
Pt + CH 3 OH → Pt-CO + 4H + + 4e - formula (1)
Ru + H 2 O → Ru—OH + H + + e Formula (2)
Pt—CO + Ru—OH → Pt + Ru + H + + e + CO 2 ↑ Equation (3)

含浸法や無電解メッキ法或いはアルコール還元法でPtRu触媒を合成すると、その粒径は5〜10nmの範囲内に集中する。PtRuの粒径が大きいままだと触媒の有効表面積が増大せず、触媒活性も向上しない。従って、PtRuの触媒活性を高めるためには、PtRuの粒径を5nm未満とし、触媒の有効表面積を高めることが有効である。この場合、保護コロイドを添加してPtRu触媒の粒径を小さくする方法は、前記の理由により使用できない。5nm未満のPtRu触媒を製造する有効な方法の開発が強く求められているが、未だ成功していない。   When a PtRu catalyst is synthesized by an impregnation method, an electroless plating method, or an alcohol reduction method, the particle size is concentrated within a range of 5 to 10 nm. If the PtRu particle size remains large, the effective surface area of the catalyst will not increase and the catalytic activity will not be improved. Therefore, in order to increase the catalytic activity of PtRu, it is effective to increase the effective surface area of the catalyst by setting the PtRu particle size to less than 5 nm. In this case, the method of reducing the particle size of the PtRu catalyst by adding a protective colloid cannot be used for the above reason. There is a strong demand for the development of an effective method for producing PtRu catalysts of less than 5 nm, but has not been successful.

特開昭56−155645号公報JP-A-56-155645 特開昭57−5266号公報JP-A-57-5266

従って、本発明の目的は、5nm未満の粒径を有する新規なPt系触媒を燃料極或いは酸素極に有する燃料電池及び膜電極接合体を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell and a membrane electrode assembly having a novel Pt-based catalyst having a particle size of less than 5 nm at the fuel electrode or oxygen electrode.

前記課題を解決するための手段として請求項1に係る発明は、少なくともPtとPを含有し、最大平均粒径が5nm未満である粒子からなることを特徴とする不均一系触媒である。   As a means for solving the above-mentioned problems, the invention according to claim 1 is a heterogeneous catalyst characterized by comprising particles containing at least Pt and P and having a maximum average particle diameter of less than 5 nm.

前記課題を解決するための手段として請求項2に係る発明は、前記粒子の粒径は1nm〜3nmであることを特徴とする請求項1記載の不均一系触媒である。   As a means for solving the above-mentioned problems, the invention according to claim 2 is the heterogeneous catalyst according to claim 1, wherein the particle diameter of the particles is 1 nm to 3 nm.

前記課題を解決するための手段として請求項3に係る発明は、前記粒子はPを少なくとも2原子%含有することを特徴とする請求項1記載の不均一系触媒である。   As a means for solving the above-mentioned problems, the invention according to claim 3 is the heterogeneous catalyst according to claim 1, wherein the particles contain at least 2 atomic% of P.

前記課題を解決するための手段として請求項4に係る発明は、前記Pの含量は2原子%〜50原子%であることを特徴とする請求項1記載の不均一系触媒である。   As a means for solving the above-mentioned problems, the invention according to claim 4 is the heterogeneous catalyst according to claim 1, wherein the content of P is 2 atom% to 50 atom%.

前記課題を解決するための手段として請求項5に係る発明は、炭素基材を更に含有することを特徴とする請求項1記載の不均一系触媒である。   As a means for solving the above-mentioned problems, the invention according to claim 5 is the heterogeneous catalyst according to claim 1, further comprising a carbon substrate.

前記課題を解決するための手段として請求項6に係る発明は、前記炭素基材はカーボンブラック及びカーボンナノチューブから成る群から選択される少なくとも1種類であることを特徴とする請求項5記載の不均一系触媒である。   The invention according to claim 6 as means for solving the above-mentioned problems is that the carbon substrate is at least one selected from the group consisting of carbon black and carbon nanotubes. It is a homogeneous catalyst.

前記課題を解決するための手段として請求項7に係る発明は、前記炭素基材は多層カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項6記載の不均一系触媒である。   The invention according to claim 7 as means for solving the problem is the heterogeneous catalyst according to claim 6, wherein the carbon substrate is a multi-walled carbon nanotube.

前記課題を解決するための手段として請求項8に係る発明は、前記粒子はRuを更に含有することを特徴とする請求項1記載の不均一系触媒である。   As a means for solving the above-mentioned problems, the invention according to claim 8 is the heterogeneous catalyst according to claim 1, wherein the particles further contain Ru.

前記課題を解決するための手段として請求項9に係る発明は、前記粒子内のPtとRuの比率はPt40Ru60〜Pt90Ru10であることを特徴とする請求項8記載の不均一系触媒である。 The invention according to claim 9 as means for solving the above-mentioned problem is that the ratio of Pt and Ru in the particles is Pt 40 Ru 60 to Pt 90 Ru 10. System catalyst.

前記課題を解決するための手段として請求項10に係る発明は、前記炭素基材が20m/g〜300m/gの範囲内の比表面積を有することを特徴とする請求項8記載の不均一系触媒である。 Invention of claim 8, wherein said carbon substrate is characterized by having a specific surface area within the range of from 20m 2 / g~300m 2 / g non according to claim 10 as a means for solving the problem It is a homogeneous catalyst.

前記課題を解決するための手段として請求項11に係る発明は、リン含有還元剤の存在下でPtイオンを還元するステップを含むことを特徴とする請求項1の不均一系触媒の製造方法である。   The invention according to claim 11 as means for solving the above-mentioned problem includes the step of reducing Pt ions in the presence of a phosphorus-containing reducing agent. is there.

前記課題を解決するための手段として請求項12に係る発明は、前記リン含有還元剤は、亜燐酸、亜燐酸塩、次亜燐酸又は次亜燐酸塩の何れかに由来する化合物であることを特徴とする請求項11記載の製造方法である。   According to a twelfth aspect of the present invention, the phosphorus-containing reducing agent is a compound derived from any one of phosphorous acid, phosphite, hypophosphorous acid or hypophosphite. The manufacturing method according to claim 11, wherein the manufacturing method is characterized.

前記課題を解決するための手段として請求項13に係る発明は、前記還元ステップは、アルコール還元又は無電解メッキステップであることを特徴とする請求項11記載の製造方法である。   The invention according to claim 13 as means for solving the problem is the manufacturing method according to claim 11, wherein the reduction step is an alcohol reduction or an electroless plating step.

前記課題を解決するための手段として請求項14に係る発明は、カソードと、アノードと、該カソードとアノードとの間に配置された高分子電解質膜からなり、前記カソード及び/又はアノードは請求項1の前記触媒からなることを特徴とする燃料電池である。   As a means for solving the above-mentioned problem, the invention according to claim 14 comprises a cathode, an anode, and a polymer electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode, and the cathode and / or the anode is claimed. A fuel cell comprising one catalyst.

前記課題を解決するための手段として請求項15に係る発明は、アノードにメタノートと水、又は水素を供給し、カソードに酸素を供給することを特徴とする請求項1の燃料電池による電圧発生方法である。   The invention according to claim 15 as means for solving the above-mentioned problems is characterized in that metanote and water or hydrogen are supplied to the anode, and oxygen is supplied to the cathode. It is.

前記課題を解決するための手段として請求項16に係る発明は、アノード触媒層と、カソード触媒層と、該アノード触媒層とカソード触媒層との間に配置された高分子電解質とからなり、前記アノード触媒層及び/又はカソード触媒層は請求項1の前記触媒からなることを特徴とする膜電極接合体である。   The invention according to claim 16 as means for solving the problem comprises an anode catalyst layer, a cathode catalyst layer, and a polymer electrolyte disposed between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer, An anode catalyst layer and / or a cathode catalyst layer is a membrane electrode assembly comprising the catalyst according to claim 1.

本発明によれば、無電解メッキ法、アルコール還元法により炭素基材上にPt系触媒を析出させる際にPを添加すると、Pt系触媒粒子が炭素基材上に析出する際、PがPt系触媒粒子の内部及び外部から作用し、析出するPt系触媒粒子を微細化して触媒粒子の表面積を増大させ、その結果、触媒活性が向上する事が発見された。特に、アルコール還元法及び無電解メッキ法により炭素基材上にPtRu触媒微粒子を析出させる際、PtRu二元系触媒に対してPを添加して三元系触媒とすると、前述したRuの添加効果は維持しつつ、Pが粒子の外部と内部から作用し、析出するPtRu触媒粒子を微細化し、触媒の表面積を増大させ、その結果、触媒活性が向上されることが発見された。   According to the present invention, when P is added when depositing a Pt-based catalyst on a carbon substrate by an electroless plating method or an alcohol reduction method, when Pt-based catalyst particles are deposited on the carbon substrate, P is converted to Pt. It has been discovered that the Pt-based catalyst particles acting from inside and outside the catalyst particles are refined to increase the surface area of the catalyst particles, and as a result, the catalytic activity is improved. In particular, when the PtRu catalyst fine particles are deposited on the carbon substrate by the alcohol reduction method and the electroless plating method, if the P is added to the PtRu binary catalyst to form a ternary catalyst, the above-mentioned effect of adding Ru It was discovered that P acts from the outside and inside of the particles while maintaining the particle size, and the precipitated PtRu catalyst particles are refined to increase the surface area of the catalyst, resulting in improved catalytic activity.

本発明による燃料電池用の触媒は、炭素基材上に担持された下記の一般式、
PtRuP
で示される三元系微粒子からなる。前記式中、Pの含有率はPtRuの総モル数に対して、2原子%〜50原子%の範囲内であることが好ましい。Pの含有率が2原子%未満では触媒の粒径を十分に減少させる事ができない。一方、Pの含有率が50原子%超の場合、PtRuの含有率が低くなり過ぎ、電池出力が低下する。
The fuel cell catalyst according to the present invention has the following general formula supported on a carbon substrate:
PtRuP
It consists of ternary fine particles represented by In said formula, it is preferable that the content rate of P exists in the range of 2 atomic%-50 atomic% with respect to the total mole number of PtRu. If the P content is less than 2 atomic%, the particle size of the catalyst cannot be reduced sufficiently. On the other hand, when the P content is more than 50 atomic%, the PtRu content is too low, and the battery output decreases.

また、前記三元系触媒におけるPtとRuの原子比率(at%)は、40:60〜90:10の範囲内であることが好ましい。Ruが10at%未満の場合、十分に耐CO被毒性を高める事ができないため好ましくない。また、Ptが40at%未満の場合、メタノール酸化に対する触媒活性が不十分となるので好ましくない。   The atomic ratio (at%) of Pt and Ru in the ternary catalyst is preferably in the range of 40:60 to 90:10. When Ru is less than 10 at%, it is not preferable because the resistance to CO poisoning cannot be sufficiently increased. Moreover, when Pt is less than 40 at%, the catalytic activity for methanol oxidation becomes insufficient, which is not preferable.

PtRuの原子組成をPt40Ru60〜Pt90Ru10にすることにより触媒の最表面組成が最適化されて触媒活性が高まると考えられる。また、P組成をPtRuの総モル数に対して2原子%〜50原子%とした場合、PtRu触媒の粒子成長を抑え、比表面積の大きい触媒を得ることが出来る。その結果、前記反応式(2)及び(3)の反応がより速く進行し、メタノール酸化活性が向上するものと考えられる。 By setting the atomic composition of PtRu to Pt 40 Ru 60 to Pt 90 Ru 10 , it is considered that the outermost surface composition of the catalyst is optimized and the catalytic activity is increased. Further, when the P composition is 2 atomic% to 50 atomic% with respect to the total number of moles of PtRu, it is possible to suppress the particle growth of the PtRu catalyst and obtain a catalyst having a large specific surface area. As a result, it is considered that the reactions of the reaction formulas (2) and (3) proceed faster and the methanol oxidation activity is improved.

PtRuP触媒の粒径は1〜3nmが適する。粒径が1nm未満では合成された触媒表面の活性が極めて高いため、周囲に存在する物質と触媒表面層に化合物を形成し、触媒自ら活性を低下させる。また、粒径が3nmより大きい場合、単位重量当たりの触媒の表面積を十分に増大させる事が出来ず、触媒活性を高める事が出来ない。   The particle size of the PtRuP catalyst is suitably 1 to 3 nm. When the particle size is less than 1 nm, the activity of the synthesized catalyst surface is extremely high, so that a compound is formed in the surrounding material and the catalyst surface layer, and the activity of the catalyst itself is lowered. On the other hand, if the particle size is larger than 3 nm, the surface area of the catalyst per unit weight cannot be increased sufficiently, and the catalytic activity cannot be increased.

図1及び図2は本発明より得られたPtRuP触媒微粒子1の模式的断面図である。X線光電子分光分析(XPS分析)から、アルコール還元法で合成されたPtRuP触媒粒子では図1に示すように、炭素基材3に担持されたPtRu粒子5の外表面にP7が酸化物として存在しており、無電解メッキ法により合成されたPtRuP触媒では、図2に示したようにPtRu粒子5の外表面にP7が酸化物として存在すると共に、PtRu粒子5の内部にP8が金属リン化物或いはリン単体として存在していることが示されている。従って、P7及びP8がPt粒子5の外部あるいは内部から作用し、その粒子成長が抑制され、PtRuP触媒微粒子1全体が微細化されるものと考えられる。
更に、燃料電池のアノードとカソードとの間には一般的に、固体高分子導電膜としてデュポン社製のナフィオン膜が使用されるが、ナフィオン膜ではスルホン酸基の水素原子がHとなってプロトン導電性を発揮する。従って、ナフィオン膜と電極触媒との界面は強酸性になる。従来のPtRu触媒に添加されていた第三金属元素(例えば、Mo、Mn、Fe,Co等)は耐酸性が無いため溶出して固体高分子導電膜のHとイオン変換し、その結果、固体高分子導電膜のプロトン導電性が低下するのに対して、Pは従来の第三金属元素とは異なり、耐酸性があるため酸に溶出せず、燃料電池用の触媒添加元素として好適である。
1 and 2 are schematic cross-sectional views of PtRuP catalyst fine particles 1 obtained from the present invention. From the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS analysis), in the PtRuP catalyst particles synthesized by the alcohol reduction method, as shown in FIG. 1, P7 exists as an oxide on the outer surface of the PtRu particles 5 supported on the carbon substrate 3. In the PtRuP catalyst synthesized by the electroless plating method, as shown in FIG. 2, P7 is present as an oxide on the outer surface of the PtRu particle 5, and P8 is a metal phosphide inside the PtRu particle 5. Or it is shown that it exists as phosphorus simple substance. Therefore, it is considered that P7 and P8 act from the outside or the inside of the Pt particles 5, the particle growth is suppressed, and the entire PtRuP catalyst fine particles 1 are miniaturized.
Furthermore, a Nafion membrane manufactured by DuPont is generally used as the solid polymer conductive film between the anode and the cathode of the fuel cell. In the Nafion membrane, the hydrogen atom of the sulfonic acid group becomes H +. Proton conductivity is exhibited. Therefore, the interface between the Nafion membrane and the electrode catalyst becomes strongly acidic. The third metal element (for example, Mo, Mn, Fe, Co, etc.) added to the conventional PtRu catalyst has no acid resistance and is eluted and ion-converted with H + of the solid polymer conductive film. The proton conductivity of the solid polymer conductive film is lowered, whereas P is different from the conventional third metal element, and is acid-resistant, so it does not elute into acid and is suitable as a catalyst additive element for fuel cells. is there.

触媒の担体となる炭素基材の比表面積は20〜300m/gが適する。比表面積が20m/g未満では十分に触媒を担持させる事が出来ない。また、比表面積が300m/g超では、炭素基材中に存在する微細孔の数が増大し、微細孔中に埋没する触媒が増加して電池反応の際に十分な三相界面を形成する事が困難となり、触媒として機能しなくなる。また、一般的に炭素基材の比表面積が大きくなるに従い、嵩が減少する。嵩の異なる炭素基材を使用し、同じ担持率の触媒(例えば50wt%)を作製すると、嵩の減少により同じ塗布量(例えば5mg/cm)の電極を作製した場合、電極の厚さが減少する。このため、電極塗膜中の物理的空隙が減少し、燃料の浸透性や酸素極での水の拡散性が低下して電池特性が劣化する。従って、燃料電池用の炭素基材には出来るだけ嵩の高い担体(比表面積の小さい炭素基材)を使用する事が好ましい。本発明で使用できる炭素基材は例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック及びカーボンナノチユーブなどである。これらの炭素基材は単独で使用するか、あるいは2種類以上を併用することができる。炭素基材がカーボンナノチューブの場合、カーボンナノチューブは多層カーボンナノチューブである事が好ましい。単層カーボンナノチューブではその直径が〜1nm程度であるため、粒径が1〜3nmの触媒粒子を十分に担持させる事が出来ない。 The specific surface area of the carbon substrate used as the catalyst carrier is suitably 20 to 300 m 2 / g. When the specific surface area is less than 20 m 2 / g, the catalyst cannot be supported sufficiently. When the specific surface area exceeds 300 m 2 / g, the number of micropores present in the carbon substrate increases, and the catalyst buried in the micropores increases to form a sufficient three-phase interface during the cell reaction. It becomes difficult to function as a catalyst. In general, the bulk decreases as the specific surface area of the carbon substrate increases. When carbon substrates having different bulks are used and a catalyst having the same loading rate (for example, 50 wt%) is produced, when an electrode having the same coating amount (for example, 5 mg / cm 2 ) is produced due to the reduction in bulk, the electrode thickness is Decrease. For this reason, the physical space | gap in an electrode coating film reduces, the permeability of a fuel and the diffusibility of the water in an oxygen electrode fall, and a battery characteristic deteriorates. Therefore, it is preferable to use a bulky carrier (a carbon substrate having a small specific surface area) as much as possible for the carbon substrate for a fuel cell. Examples of the carbon substrate that can be used in the present invention include carbon black, acetylene black, and carbon nanotube. These carbon substrates can be used alone or in combination of two or more. When the carbon substrate is a carbon nanotube, the carbon nanotube is preferably a multi-walled carbon nanotube. Since the diameter of the single-walled carbon nanotube is about 1 nm, catalyst particles having a particle diameter of 1 to 3 nm cannot be sufficiently supported.

本発明のPtRuP触媒は、直接メタノール型燃料電池(DMFC)のメタノール極、又は、固体高分子型燃料電池(PEFC)の水素極などの燃料極用触媒として特に有用である。   The PtRuP catalyst of the present invention is particularly useful as a catalyst for a fuel electrode such as a methanol electrode of a direct methanol fuel cell (DMFC) or a hydrogen electrode of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC).

本発明のPtRuP触媒微粒子は、無電解メッキ法又はアルコール還元法により製造することができる。   The PtRuP catalyst fine particles of the present invention can be produced by an electroless plating method or an alcohol reduction method.

本発明のPtRuP触媒微粒子のアルコール還元法による製造方法は基本的に、
(1)一種類以上のアルコールからなる有機溶剤中に炭素基材を分散させるステップと、
(2)前記炭素基材が分散されたアルコール系有機溶剤中に、Ptの塩又は錯体と、Ruの塩又は錯体と、P原子含有化合物を溶解させるステップと、
(3)炭素粉末及びPtの塩又は錯体と、Ruの塩又は錯体と、P原子含有化合物を含むアルコール溶液のpH値を調整するステップと、
(4)不活性雰囲気中で、アルコールによる加熱還流を行うステップを含み、
前記炭素基材上に、下記の一般式、
PtRuP
で示される三元系微粒子を担持した燃料電池用触媒を生成することからなる。
The production method of the PtRuP catalyst fine particles of the present invention by the alcohol reduction method is basically:
(1) dispersing a carbon base material in an organic solvent composed of one or more alcohols;
(2) dissolving a Pt salt or complex, a Ru salt or complex, and a P atom-containing compound in an alcohol-based organic solvent in which the carbon substrate is dispersed;
(3) adjusting the pH value of an alcohol solution containing carbon powder and a salt or complex of Pt, a Ru salt or complex, and a P atom-containing compound;
(4) including a step of heating and refluxing with alcohol in an inert atmosphere,
On the carbon substrate, the following general formula:
PtRuP
The catalyst for fuel cells which carry | supported the ternary system fine particle shown by these is produced | generated.

本発明のPtRuP触媒微粒子の無電解メッキ法による製造方法は基本的に、
(1)水溶液中に炭素基材を分散させるステップと、
(2)前記炭素基材が分散された水溶液中に、Ptの塩又は錯体と、Ruの塩又は錯体と、P原子含有化合物を溶解させるステップと、
(3)炭素粉末及びPtの塩又は錯体と、Ruの塩又は錯体と、P原子含有化合物を含む水溶液のpH値を調整するステップと、
(4)大気中又は不活性雰囲気中で、無電解メッキを行うステップを含み、
前記炭素基材上に、下記の一般式、
PtRuP
で示される三元系微粒子を担持した燃料電池用触媒を生成することからなる。
The production method of the PtRuP catalyst fine particles of the present invention by the electroless plating method is basically:
(1) dispersing a carbon substrate in an aqueous solution;
(2) dissolving a Pt salt or complex, a Ru salt or complex, and a P atom-containing compound in an aqueous solution in which the carbon substrate is dispersed;
(3) adjusting the pH value of an aqueous solution containing a carbon powder and a salt or complex of Pt, a Ru salt or complex, and a P atom-containing compound;
(4) including a step of performing electroless plating in the air or in an inert atmosphere,
On the carbon substrate, the following general formula:
PtRuP
The catalyst for fuel cells which carry | supported the ternary system fine particle shown by these is produced | generated.

本発明の製造方法により生成されたPtRuP触媒微粒子の粒径は、Pの存在により従来のPtRu触媒微粒子の粒径よりも小さくなる。一般的に、従来の製造方法により生成されたPtRu触媒の粒径は5nm〜10nm程度であったが、本発明によりPが添加されたPtRu触媒の粒径は1〜3nmに大きく減少する。この粒径減少によりPtRu触媒の表面積が増加し、水素酸化能或いはメタノール酸化能が大きく向上すると考えられる。本発明のPtRuP触媒微粒子の別の特徴は、粒径の分布範囲が従来のPtRu触媒微粒子の粒径分布範囲に比べて狭いことである。従来の方法で製造されたPtRu触媒微粒子の粒径は2〜10nmに分布するが、本発明では、PtRu二元触媒にPを加え、PtRuP三元触媒とすることにより粒径分布を1〜3nmに抑える事に成功した。   The particle size of the PtRuP catalyst fine particles produced by the production method of the present invention is smaller than the particle size of the conventional PtRu catalyst fine particles due to the presence of P. Generally, the particle size of the PtRu catalyst produced by the conventional manufacturing method is about 5 nm to 10 nm, but the particle size of the PtRu catalyst to which P is added according to the present invention is greatly reduced to 1 to 3 nm. This decrease in particle size increases the surface area of the PtRu catalyst, which is considered to greatly improve the hydrogen oxidizing ability or methanol oxidizing ability. Another feature of the PtRuP catalyst fine particles of the present invention is that the particle size distribution range is narrower than the particle size distribution range of conventional PtRu catalyst fine particles. The particle diameter of the PtRu catalyst fine particles produced by the conventional method is distributed in the range of 2 to 10 nm. In the present invention, P is added to the PtRu two-way catalyst to form a PtRuP three-way catalyst. Succeeded to suppress.

アルコール還元法及び無電解メッキ法によりPtRuP触媒を合成する際、反応溶液のpHを酸性側に調整するために使用する酸としては硫酸であることが好ましい。その理由は、アルコールの加熱還流が200℃程度の高温で行われる場合、塩酸及び硝酸では沸点が低いため、加熱還流中に蒸発してpH値を所定の範囲内に維持することが困難になるためである。従って、本発明では使用する酸としては沸点が290℃の硫酸である事が好ましい。また、反応溶液のpHをアルカリ側に調整するために使用するアルカリは、同様の理由から水酸化ナトリウム或いは水酸化カリウムが適する。   When the PtRuP catalyst is synthesized by the alcohol reduction method and the electroless plating method, the acid used for adjusting the pH of the reaction solution to the acidic side is preferably sulfuric acid. The reason is that when the alcohol is heated and refluxed at a high temperature of about 200 ° C., the boiling point of hydrochloric acid and nitric acid is low, so that it is difficult to evaporate during the heating and reflux to maintain the pH value within a predetermined range. Because. Therefore, in the present invention, the acid used is preferably sulfuric acid having a boiling point of 290 ° C. In addition, sodium hydroxide or potassium hydroxide is suitable as the alkali used for adjusting the pH of the reaction solution to the alkali side for the same reason.

本発明のPtRuP触媒微粒子の製造方法において使用できるP原子含有化合物は、亜燐酸、亜燐酸塩、次亜燐酸及び次亜燐酸塩などである。+5価の原子価を有するP原子は、Neと同じ電子配置であるため、オクテット則により化学的に安定となるので本発明の目的には適さない。従って、+5価のP原子を有する燐酸(HPO)は本発明では使用できない。塩としてはアルカリ金属塩(例えば、亜燐酸ナトリウム、亜燐酸水素ナトリウム、次亜燐酸ナトリウム等)又はアンモニウム塩(亜燐酸アンモニウム、亜燐酸水素アンモニウム、次亜燐酸アンモニウム等)が好ましい。P原子含有化合物の添加量は、PtとRuの総モル数に対して2原子%〜50原子%の範囲内であることが好ましい。添加量が2原子%未満ではPtRu触媒を微粒子化する効果が十分ではなく、一方、50%を超えると触媒の特性が劣化する。これらのP原子含有化合物は単独で使用することもできるし又は2種類以上を併用することもできる。 P atom-containing compounds that can be used in the method for producing PtRuP catalyst fine particles of the present invention include phosphorous acid, phosphite, hypophosphorous acid, hypophosphite, and the like. A P atom having a valence of +5 is not suitable for the purpose of the present invention because it has the same electronic configuration as Ne and is chemically stable by the octet rule. Therefore, phosphoric acid (H 3 PO 4 ) having +5 valent P atoms cannot be used in the present invention. The salt is preferably an alkali metal salt (for example, sodium phosphite, sodium hydrogen phosphite, sodium hypophosphite, etc.) or an ammonium salt (ammonium phosphite, ammonium hydrogen phosphite, ammonium hypophosphite, etc.). The addition amount of the P atom-containing compound is preferably in the range of 2 atom% to 50 atom% with respect to the total number of moles of Pt and Ru. If the addition amount is less than 2 atomic%, the effect of making the PtRu catalyst fine is not sufficient, while if it exceeds 50%, the characteristics of the catalyst deteriorate. These P atom-containing compounds can be used alone or in combination of two or more.

本発明で使用されるPtの塩又は錯体は、例えば、酢酸白金、硝酸白金、ジニトロジアミン白金錯体、白金エチレンジアミン錯体、白金トリフェニルホスフィン錯体、白金アンミン錯体、ビス(アセチルアセトナト)白金(II)及び六塩化白金酸などである。これらの白金化合物は単独で使用することもできるし又は2種類以上を併用することもできる。   Examples of the salt or complex of Pt used in the present invention include platinum acetate, platinum nitrate, dinitrodiamine platinum complex, platinum ethylenediamine complex, platinum triphenylphosphine complex, platinum ammine complex, and bis (acetylacetonato) platinum (II). And hexachloroplatinic acid. These platinum compounds can be used alone or in combination of two or more.

本発明で使用されるRuの塩又は錯体は、例えば、塩化ルテニウム水和物、酢酸ルテニウム、硝酸ルテニウム、ルテニウムトリフェニルホスフィン錯体、ルテニウムアンミン錯体、ルテニウムエチレンジアミン錯体、及びトリス(アセチルアセトナト)ルテニウム(III)等である。これらのルテニウム化合物は単独で使用することもできるし又は2種類以上を併用することもできる。   Examples of the Ru salt or complex used in the present invention include ruthenium chloride hydrate, ruthenium acetate, ruthenium nitrate, ruthenium triphenylphosphine complex, ruthenium ammine complex, ruthenium ethylenediamine complex, and tris (acetylacetonato) ruthenium ( III) etc. These ruthenium compounds can be used alone or in combination of two or more.

アルコール還元法ではアルコール系溶媒の沸点近傍の温度で還流すると、アルコール(R-OH)が加熱還流中に金属イオンを還元し、自らは酸化されてアルデヒド(R’-CHO)に変化する。無電解メッキ法では、還元剤が亜燐酸または亜燐酸塩の場合、亜燐酸または亜燐酸塩が燐酸或いは燐酸塩に酸化される際、電子を放出し、この電子をPtイオンとRuイオンが受け取って金属Ptと金属Ruに還元される。また、還元剤が次亜燐酸または次亜燐酸塩の場合、次亜燐酸または次亜燐酸塩が亜燐酸或いは亜燐酸塩に酸化される際、電子を放出し、この電子をPtイオンとRuイオンが受け取って金属Ptと金属Ruに還元される。   In the alcohol reduction method, when refluxing is performed at a temperature near the boiling point of the alcohol solvent, the alcohol (R—OH) reduces the metal ion during the heating and refluxing, and is oxidized to aldehyde (R′—CHO). In the electroless plating method, when the reducing agent is phosphorous acid or phosphite, when phosphorous acid or phosphite is oxidized to phosphoric acid or phosphate, electrons are emitted, and these electrons are received by Pt ions and Ru ions. To metal Pt and metal Ru. Further, when the reducing agent is hypophosphorous acid or hypophosphite, when hypophosphorous acid or hypophosphite is oxidized to phosphorous acid or phosphite, electrons are emitted, and these electrons are converted into Pt ions and Ru ions. Is received and reduced to metal Pt and metal Ru.

本発明の加熱還流処理で使用されるアルコールとしては、メチルアルコール、エチルアルコール、エチレングリコール、グリセリン、プロピレングリコール、イソアミルアルコール、n-アミルアルコール、sec-ブチルアルコール、n-ブチルアルコール、イソブチルアルコール、アリルアルコール、n-プロピルアルコール、2-エトキシアルコール及び1,2-ヘキサデカンジオール等が挙げられる。これらアルコールは1種類又は2種類以上を適宜選択して使用することができる。還流の際、微粒子の酸化を防止するため、反応系内を窒素或いはアルゴン等の不活性ガスで置換しながら還流を行うことが好ましい。   Examples of the alcohol used in the heat reflux treatment of the present invention include methyl alcohol, ethyl alcohol, ethylene glycol, glycerin, propylene glycol, isoamyl alcohol, n-amyl alcohol, sec-butyl alcohol, n-butyl alcohol, isobutyl alcohol, allyl. Examples include alcohol, n-propyl alcohol, 2-ethoxy alcohol, and 1,2-hexadecanediol. These alcohols can be used by appropriately selecting one kind or two or more kinds. In refluxing, in order to prevent oxidation of the fine particles, it is preferable to perform reflux while replacing the inside of the reaction system with an inert gas such as nitrogen or argon.

アルコール加熱還流処理における加熱温度及び還流時間は使用するアルコールの種類に応じて変化する。しかし、一般的に、加熱温度は60〜300℃程度であり、還流時間は30分間〜6時間の範囲内である。無電解メッキの場合、一般的浴温は50〜90℃であり、還元時間は30分〜4時間である。   The heating temperature and reflux time in the alcohol heating reflux treatment vary depending on the type of alcohol used. However, in general, the heating temperature is about 60 to 300 ° C., and the reflux time is in the range of 30 minutes to 6 hours. In the case of electroless plating, the general bath temperature is 50 to 90 ° C., and the reduction time is 30 minutes to 4 hours.

本発明において、Pt及びRuの塩又は錯体とP原子含有化合物は、少なくとも一種類以上のアルコールからなる有機溶剤に溶解される。このアルコールは、アルコールのみからなる場合の他、水を含有するものであることもできる。   In the present invention, the salt or complex of Pt and Ru and the P atom-containing compound are dissolved in an organic solvent composed of at least one kind of alcohol. This alcohol can also contain water other than the case of consisting only of alcohol.

本発明において使用される触媒の担持率は、50wt%〜70wt%の範囲内であることが好ましい。担持率が50wt%未満の場合、一定量の触媒を塗布する際、触媒塗膜の厚みが増加し、燃料の拡散性が低下して電池の特性が劣化する。一方、担持率が70wt%超の場合、触媒全体を担持した状態で炭素基材上に析出させることが出来なくなる。   The loading of the catalyst used in the present invention is preferably in the range of 50 wt% to 70 wt%. When the loading ratio is less than 50 wt%, when a certain amount of catalyst is applied, the thickness of the catalyst coating increases, the diffusibility of the fuel decreases, and the battery characteristics deteriorate. On the other hand, when the loading ratio exceeds 70 wt%, it becomes impossible to deposit on the carbon base material in a state where the entire catalyst is loaded.

ビス(アセチルアセトナト)白金(II)1.69ミリモルとトリス(アセチルアセトナト)ルテニウム(III)1.69ミリモルと次亜燐酸ナトリウム0.338ミリモルをそれぞれ100mlのエチレングリコールに溶解させ、炭素基材(バルカンXC−72R,比表面積254m/g)0.5gを分散させた100mlのエチレングリコール溶液を加えた。硫酸水溶液を滴下し、pH試験紙を用いて溶液をpH3に調整した。窒素ガス雰囲気下、200℃でこの溶液を攪拌しながら4時間還流し、PtRuP触媒微粒子を炭素基材上に析出担持させた。反応終了後、濾過、洗浄して乾燥させ触媒を得た。 Dissolve 1.69 mmol of bis (acetylacetonato) platinum (II), 1.69 mmol of tris (acetylacetonato) ruthenium (III) and 0.338 mmol of sodium hypophosphite in 100 ml of ethylene glycol, respectively. 100 ml of an ethylene glycol solution in which 0.5 g of a material (Vulcan XC-72R, specific surface area of 254 m 2 / g) was dispersed was added. A sulfuric acid aqueous solution was dropped, and the solution was adjusted to pH 3 using pH test paper. This solution was refluxed for 4 hours with stirring at 200 ° C. in a nitrogen gas atmosphere, and PtRuP catalyst fine particles were deposited and supported on the carbon substrate. After completion of the reaction, the mixture was filtered, washed and dried to obtain a catalyst.

ビス(アセチルアセトナト)白金(II)1.69ミリモルとトリス(アセチルアセトナト)ルテニウム(III)1.69ミリモルと亜燐酸二水素ナトリウム0.338ミリモルをそれぞれ100mlのエチレングリコールに溶解させ、炭素基材(バルカンXC−72R,比表面積254m/g)0.5gを分散させた100mlのエチレングリコール溶液を加えた。硫酸水溶液を滴下し、pH試験紙を用いて溶液をpH3に調整した。窒素ガス雰囲気下、200℃でこの溶液を攪拌しながら4時間還流し、PtRuP触媒微粒子を炭素基材上に析出担持させた。反応終了後、濾過、洗浄して乾燥させ触媒を得た。 Dissolve 1.69 mmol of bis (acetylacetonato) platinum (II), 1.69 mmol of tris (acetylacetonato) ruthenium (III) and 0.338 mmol of sodium dihydrogen phosphite in 100 ml of ethylene glycol, respectively. 100 ml of ethylene glycol solution in which 0.5 g of a base material (Vulcan XC-72R, specific surface area 254 m 2 / g) was dispersed was added. A sulfuric acid aqueous solution was dropped, and the solution was adjusted to pH 3 using pH test paper. This solution was refluxed for 4 hours with stirring at 200 ° C. in a nitrogen gas atmosphere, and PtRuP catalyst fine particles were deposited and supported on the carbon substrate. After completion of the reaction, the mixture was filtered, washed and dried to obtain a catalyst.

比較例1Comparative Example 1

ビス(アセチルアセトナト)白金(II)1.69ミリモルとトリス(アセチルアセトナト)ルテニウム(III)1.69ミリモルをそれぞれ100mlのエチレングリコールに溶解させ、炭素基材(バルカンXC−72R,比表面積254m/g)0.5gを分散させた100mlのエチレングリコール溶液を加えた。硫酸水溶液を滴下し、pH試験紙を用いて溶液をpH3に調整した。窒素ガス雰囲気下、200℃でこの溶液を攪拌しながら4時間還流し、PtRu触媒微粒子を炭素基材上に析出担持させた。反応終了後、濾過、洗浄して乾燥させ触媒を得た。 1.69 mmol of bis (acetylacetonato) platinum (II) and 1.69 mmol of tris (acetylacetonato) ruthenium (III) were dissolved in 100 ml of ethylene glycol, respectively, and a carbon substrate (Vulcan XC-72R, specific surface area). (254 m 2 / g) 100 ml of ethylene glycol solution in which 0.5 g was dispersed was added. A sulfuric acid aqueous solution was dropped, and the solution was adjusted to pH 3 using pH test paper. This solution was refluxed for 4 hours at 200 ° C. with stirring in a nitrogen gas atmosphere, and PtRu catalyst fine particles were deposited and supported on the carbon substrate. After completion of the reaction, the mixture was filtered, washed and dried to obtain a catalyst.

比較例2Comparative Example 2

ビス(アセチルアセトナト)白金(II)1.69ミリモルとトリス(アセチルアセトナト)ルテニウム(III)1.69ミリモル及びモリブデン酸アンモニウム0.338ミリモルをそれぞれ100mlのエチレングリコールに溶解させ、炭素基材(バルカンXC−72R,比表面積254m/g)0.5gを分散させた100mlのエチレングリコール溶液を加えた。硫酸水溶液を滴下し、pH試験紙を用いて溶液をpH3に調整した。窒素ガス雰囲気下、200℃でこの溶液を攪拌しながら4時間還流し、PtRuMo触媒微粒子を炭素基材上に析出担持させた。反応終了後、濾過、洗浄して乾燥させ触媒を得た。 1.69 mmol of bis (acetylacetonato) platinum (II), 1.69 mmol of tris (acetylacetonato) ruthenium (III) and 0.338 mmol of ammonium molybdate were dissolved in 100 ml of ethylene glycol, respectively, (Vulcan XC-72R, specific surface area 254 m 2 / g) 100 ml of ethylene glycol solution in which 0.5 g was dispersed was added. A sulfuric acid aqueous solution was dropped, and the solution was adjusted to pH 3 using pH test paper. This solution was refluxed for 4 hours with stirring at 200 ° C. in a nitrogen gas atmosphere, and PtRuMo catalyst fine particles were deposited and supported on the carbon substrate. After completion of the reaction, the mixture was filtered, washed and dried to obtain a catalyst.

比較例3Comparative Example 3

ビス(アセチルアセトナト)白金(II)1.69ミリモルとトリス(アセチルアセトナト)ルテニウム(III)1.69ミリモルとタングステン酸ナトリウム0.338ミリモルをそれぞれ100mlのエチレングリコールに溶解させ、炭素基材(バルカンXC−72R,比表面積254m/g)0.5gを分散させた100mlのエチレングリコール溶液を加えた。硫酸水溶液を滴下し、pH試験紙を用いて溶液をpH3に調整した。窒素ガス雰囲気下、200℃でこの溶液を攪拌しながら4時間還流し、PtRuW触媒微粒子を炭素基材上に析出担持させた。反応終了後、濾過、洗浄して乾燥させ触媒を得た。 1.69 mmol of bis (acetylacetonato) platinum (II), 1.69 mmol of tris (acetylacetonato) ruthenium (III) and 0.338 mmol of sodium tungstate were dissolved in 100 ml of ethylene glycol, respectively, (Vulcan XC-72R, specific surface area 254 m 2 / g) 100 ml of ethylene glycol solution in which 0.5 g was dispersed was added. A sulfuric acid aqueous solution was dropped, and the solution was adjusted to pH 3 using pH test paper. This solution was refluxed for 4 hours with stirring at 200 ° C. in a nitrogen gas atmosphere, and PtRuW catalyst fine particles were deposited and supported on the carbon substrate. After completion of the reaction, the mixture was filtered, washed and dried to obtain a catalyst.

比較例4Comparative Example 4

ビス(アセチルアセトナト)白金(II)1.69ミリモルとトリス(アセチルアセトナト)ルテニウム(III)1.69ミリモルとトリス(アセチルアセトナト)鉄(III)0.338ミリモルをそれぞれ100mlのエチレングリコールに溶解させ、炭素基材(バルカンXC−72R,比表面積254m/g)0.5gを分散させた100mlのエチレングリコール溶液を加えた。硫酸水溶液を滴下し、pH試験紙を用いて溶液をpH3に調整した。窒素ガス雰囲気下、200℃でこの溶液を攪拌しながら還流し、PtRuFe触媒微粒子を炭素基材上に析出担持させた。反応終了後、濾過、洗浄して乾燥させ触媒を得た。 100 ml of ethylene glycol each with 1.69 mmol of bis (acetylacetonato) platinum (II), 1.69 mmol of tris (acetylacetonato) ruthenium (III) and 0.338 mmol of tris (acetylacetonato) iron (III) And 100 ml of an ethylene glycol solution in which 0.5 g of a carbon base material (Vulcan XC-72R, specific surface area of 254 m 2 / g) was dispersed was added. A sulfuric acid aqueous solution was dropped, and the solution was adjusted to pH 3 using pH test paper. This solution was refluxed with stirring at 200 ° C. in a nitrogen gas atmosphere, and PtRuFe catalyst fine particles were deposited and supported on the carbon substrate. After completion of the reaction, the mixture was filtered, washed and dried to obtain a catalyst.

比較例5Comparative Example 5

ビス(アセチルアセトナト)白金(II)1.69ミリモルとトリス(アセチルアセトナト)ルテニウム(III)1.69ミリモルとビス(アセチルアセトナト)コバルト(II)0.338ミリモルをそれぞれ100mlのエチレングリコールに溶解させ、炭素基材(バルカンXC−72R,比表面積254m/g)0.5gを分散させた100mlのエチレングリコール溶液を加えた。硫酸水溶液を滴下し、pH試験紙を用いて溶液をpH3に調整した。窒素ガス雰囲気下、200℃でこの溶液を攪拌しながら4時間還流し、PtRuCo触媒微粒子を炭素基材上に担持させた。反応終了後、濾過、洗浄して乾燥させ触媒を得た。 100 ml of ethylene glycol each with 1.69 mmol of bis (acetylacetonato) platinum (II), 1.69 mmol of tris (acetylacetonato) ruthenium (III) and 0.338 mmol of bis (acetylacetonato) cobalt (II) And 100 ml of an ethylene glycol solution in which 0.5 g of a carbon base material (Vulcan XC-72R, specific surface area of 254 m 2 / g) was dispersed was added. A sulfuric acid aqueous solution was dropped, and the solution was adjusted to pH 3 using pH test paper. This solution was refluxed for 4 hours with stirring at 200 ° C. in a nitrogen gas atmosphere, and PtRuCo catalyst fine particles were supported on the carbon substrate. After completion of the reaction, the mixture was filtered, washed and dried to obtain a catalyst.

実施例1、2及び比較例1〜5で得られた各触媒の粒径を電子顕微鏡で調べた。その結果を下記の表1に示す。比較例1〜5で得られた触媒の粒径は〜10nmとなっているのに対し、実施例1及び2で得られたPtRuP触媒の粒径は1〜3nmの範囲内に収まっていた。   The particle diameters of the catalysts obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 5 were examined with an electron microscope. The results are shown in Table 1 below. The particle diameters of the catalysts obtained in Comparative Examples 1 to 5 were 10 nm, whereas the particle diameters of the PtRuP catalysts obtained in Examples 1 and 2 were within the range of 1 to 3 nm.

実施例1で得られた炭素担持PtRuP微粒子触媒と比較例1で得られた炭素担持PtRu微粒子触媒の表面を透過型電子顕微鏡で観察した。結果を図3に示す。(A)は実施例1の炭素担持PtRuP微粒子触媒の電顕写真であり、(B)は比較例1の炭素担持PtRu微粒子触媒の電顕写真である。電顕写真における黒色〜灰黒色部分は触媒粒子であり、薄灰色又は灰白色部分は炭素担体である。(A)の電顕写真から明らかなように、本発明のPtRuP触媒微粒子の場合、粒径は殆どが1〜3nm程度であり、しかも粒子が分散し、凝集塊は殆ど存在していない。これに対して、(B)の電顕写真から明らかなように、比較例1のPtRu触媒微粒子の場合、粒径が〜10nmのものや凝集塊も存在する。これにより、P原子の添加による触媒の微粒子化が確認できた。   The surfaces of the carbon-supported PtRuP fine particle catalyst obtained in Example 1 and the carbon-supported PtRu fine particle catalyst obtained in Comparative Example 1 were observed with a transmission electron microscope. The results are shown in FIG. (A) is an electron micrograph of the carbon-supported PtRuP fine particle catalyst of Example 1, and (B) is an electron micrograph of the carbon-supported PtRu fine particle catalyst of Comparative Example 1. The black to grayish black portions in the electron micrographs are catalyst particles, and the light gray or grayish white portions are carbon supports. As apparent from the electron micrograph of (A), in the case of the PtRuP catalyst fine particles of the present invention, the particle diameter is almost 1 to 3 nm, the particles are dispersed, and there are almost no aggregates. On the other hand, as is clear from the electron micrograph of (B), in the case of the PtRu catalyst fine particles of Comparative Example 1, those having a particle diameter of 10 nm and aggregates are also present. Thereby, the formation of fine particles of the catalyst due to the addition of P atoms was confirmed.

実施例1〜2及び比較例1〜5で得られた触媒30mgをメタノール濃度25vol%、電解質1.5モル/リットルのHSO中に分散させ、25℃で作用極と対極にAu線を使用して電位0.2〜0.6(Vvs.NHE)の間を0.01V/秒の速度で掃引し、メタノール酸化活性を測定した。電位0.6(Vvs.NHE)におけるメタノール酸化電流を下記の表2に示す。表2に示された結果から、実施例1〜2で得られたPtRuP触媒では、比較例1〜5で得られた触媒に比べて大きなメタノール酸化電流が得られ、メタノール酸化活性が向上したことが分かる。 30 mg of the catalyst obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 5 was dispersed in H 2 SO 4 having a methanol concentration of 25 vol% and an electrolyte of 1.5 mol / liter, and Au wire was applied to the working electrode and the counter electrode at 25 ° C. Was used to sweep the potential between 0.2 and 0.6 (Vvs.NHE) at a rate of 0.01 V / second, and the methanol oxidation activity was measured. The methanol oxidation current at a potential of 0.6 (V vs. NHE) is shown in Table 2 below. From the results shown in Table 2, the PtRuP catalysts obtained in Examples 1 and 2 had a larger methanol oxidation current than the catalysts obtained in Comparative Examples 1 to 5, and improved methanol oxidation activity. I understand.

実施例1及び2で得られたPtRuPの組成を蛍光X線によって調べた。その結果、実施例1では、Pt57Ru37、実施例2ではPt57Ru38であった。 The composition of PtRuP obtained in Examples 1 and 2 was examined by fluorescent X-ray. As a result, in Example 1, it was Pt 57 Ru 37 P 6 , and in Example 2, it was Pt 57 Ru 38 P 5 .

実施例1で得られたバルカンXC−72Rに担持したPtRuP触媒に純水とナフィオン(デュポン社製)のアルコール溶液を加えて撹拌した後、その粘度を調整して触媒用インクとした。これをテフロンシート上に、PtRuP触媒の塗布量が5mg/cmになるように塗布した。乾燥後、テフロンシートを剥がし、メタノール極触媒とした。また、ケッチェンECに担持したPt触媒に純水とナフィオン(デュポン社製)のアルコール溶液を加えて撹拌した後、その粘度を調整して触媒用インクとした。これをテフロンシート上に、Pt触媒の塗布量が5mg/cmになるように塗布した。乾燥後、テフロンシートを剥がし、酸素極触媒とした。その後、PtRuP電極触媒と、Pt電極触媒を固体高分子電解質膜(デュポン社製ナフィオン膜)の両側にホットプレスして膜電極接合体を作製した。これらのメタノール極、固体高分子電解質膜及び酸素極と、液体燃料として15wt%のメタノール水溶液を用い、図4に示す直接メタノール型燃料電池を作製した。
図4において、符号10は直接メタノール型燃料電池を示す。また、符号12は酸素極側集電体、14は酸素極側拡散層、16は固体高分子電解質膜、18はメタノール極側拡散層、20はメタノール極側集電体、22はメタノール燃料タンク、24は空気導入孔、26は酸素極(Pt)触媒層、28はメタノール極(PtRuP)触媒層、30はメタノール燃料導入孔をそれぞれ示す。
酸素極側集電体12は、空気導入孔24を介して空気(酸素)を取り込む構造体としての機能を有すると共に、集電機能も有している。固体高分子電解質膜(デュポン社製ナフィオン膜)16は、メタノール極で発生したプロトンを酸素極側に輸送する機能と、更に、メタノール極と酸素極の短絡を防止するセパレータとしての機能を備えてなるものである。このように構成される直接メタノール型燃料電池10において、メタノール極側集電体20から供給される液体燃料はメタノール極側拡散層18を介してメタノール極触媒層28に導かれて酸化され、COと電子とプロトンに変換され、このプロトンは固体高分子電解質膜16を介して酸素極側に移動する。酸素極では酸素極側集電体12から取り込まれた酸素がメタノール極で生成した電子により還元され、これと上記のプロトンとが反応して水を生成する。図4に示される直接メタノール型燃料電池10では、このようなメタノールの酸化反応及び酸素の還元反応により発電が起こる。
Pure water and an alcohol solution of Nafion (manufactured by DuPont) were added to the PtRuP catalyst supported on Vulcan XC-72R obtained in Example 1 and stirred, and then the viscosity was adjusted to obtain a catalyst ink. This was applied on a Teflon sheet so that the application amount of the PtRuP catalyst was 5 mg / cm 2 . After drying, the Teflon sheet was peeled off to obtain a methanol electrode catalyst. Further, after adding pure water and an alcohol solution of Nafion (manufactured by DuPont) to the Pt catalyst supported on the ketjen EC and stirring, the viscosity was adjusted to obtain a catalyst ink. This was applied onto a Teflon sheet so that the amount of Pt catalyst applied was 5 mg / cm 2 . After drying, the Teflon sheet was peeled off to obtain an oxygen electrode catalyst. Thereafter, a PtRuP electrode catalyst and a Pt electrode catalyst were hot pressed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane (Nafion membrane manufactured by DuPont) to prepare a membrane electrode assembly. Using these methanol electrode, solid polymer electrolyte membrane and oxygen electrode, and a 15 wt% aqueous methanol solution as the liquid fuel, a direct methanol fuel cell shown in FIG. 4 was produced.
In FIG. 4, reference numeral 10 denotes a direct methanol fuel cell. Reference numeral 12 denotes an oxygen electrode side current collector, 14 denotes an oxygen electrode side diffusion layer, 16 denotes a solid polymer electrolyte membrane, 18 denotes a methanol electrode side diffusion layer, 20 denotes a methanol electrode side current collector, and 22 denotes a methanol fuel tank. , 24 is an air introduction hole, 26 is an oxygen electrode (Pt) catalyst layer, 28 is a methanol electrode (PtRuP) catalyst layer, and 30 is a methanol fuel introduction hole.
The oxygen electrode side current collector 12 has a function as a structure that takes in air (oxygen) through the air introduction hole 24 and also has a current collecting function. The solid polymer electrolyte membrane (Nafion membrane manufactured by DuPont) 16 has a function of transporting protons generated at the methanol electrode to the oxygen electrode side and a function as a separator for preventing a short circuit between the methanol electrode and the oxygen electrode. It will be. In the direct methanol fuel cell 10 configured as described above, the liquid fuel supplied from the methanol electrode-side current collector 20 is led to the methanol electrode catalyst layer 28 via the methanol electrode-side diffusion layer 18 and oxidized, and CO 2 2 is converted into an electron and a proton, and the proton moves to the oxygen electrode side through the solid polymer electrolyte membrane 16. At the oxygen electrode, oxygen taken in from the oxygen electrode side current collector 12 is reduced by electrons generated at the methanol electrode, and this reacts with the protons to generate water. In the direct methanol fuel cell 10 shown in FIG. 4, power generation occurs due to such methanol oxidation reaction and oxygen reduction reaction.

比較例6Comparative Example 6

実施例3におけるPtRuP触媒の代わりに、比較例1のPtRu触媒をメタノール極触媒として使用したこと以外は、実施例3と同様にして直接メタノール型燃料電池を作製した。   A direct methanol fuel cell was produced in the same manner as in Example 3 except that the PtRu catalyst of Comparative Example 1 was used as the methanol electrode catalyst instead of the PtRuP catalyst in Example 3.

比較例7Comparative Example 7

実施例3におけるPtRuP触媒の代わりに、比較例2のPtRuMo触媒をメタノール極触媒として使用したこと以外は、実施例3と同様にして直接メタノール型燃料電池を作製した。   A direct methanol fuel cell was produced in the same manner as in Example 3 except that the PtRuMo catalyst of Comparative Example 2 was used as the methanol electrode catalyst instead of the PtRuP catalyst in Example 3.

比較例8Comparative Example 8

実施例3におけるPtRuP触媒の代わりに、比較例3のPtRuW触媒をメタノール極触媒として使用したこと以外は、実施例3と同様にして直接メタノール型燃料電池を作製した。   A direct methanol fuel cell was produced in the same manner as in Example 3 except that the PtRuW catalyst of Comparative Example 3 was used as the methanol electrode catalyst instead of the PtRuP catalyst in Example 3.

比較例9Comparative Example 9

実施例3におけるPtRuP触媒の代わりに、比較例4のPtRuFe触媒をメタノール極触媒として使用したこと以外は、実施例3と同様にして直接メタノール型燃料電池を作製した。   A direct methanol fuel cell was produced in the same manner as in Example 3 except that the PtRuFe catalyst of Comparative Example 4 was used as the methanol electrode catalyst instead of the PtRuP catalyst in Example 3.

比較例10Comparative Example 10

実施例3におけるPtRuP触媒の代わりに、比較例5のPtRuCo触媒をメタノール極触媒として使用したこと以外は、実施例3と同様にして直接メタノール型燃料電池を作製した。   A direct methanol fuel cell was produced in the same manner as in Example 3 except that the PtRuCo catalyst of Comparative Example 5 was used as the methanol electrode catalyst instead of the PtRuP catalyst in Example 3.

実施例3及び比較例6〜10でそれぞれ得られた各直接メタノール型燃料電池において、出力密度を測定し、測定結果を表3に示す。表3に示された結果から明らかなように、実施例3の、PtRuP触媒をメタノール極触媒として使用した直接メタノール型燃料電池の出力密度が50mW/cmであるのに対し、比較例6〜10の、PtRuP触媒以外の触媒をメタノール極触媒として使用した直接メタノール型燃料電池では出力密度が40mW/cm以下となっており、メタノール極触媒として粒径が1〜3nmのPtRuP触媒を用いることにより、電池特性が向上したことが理解できる。 In each direct methanol fuel cell obtained in Example 3 and Comparative Examples 6 to 10, the power density was measured, and the measurement results are shown in Table 3. As is apparent from the results shown in Table 3, the output density of the direct methanol fuel cell using the PtRuP catalyst of Example 3 as the methanol electrode catalyst is 50 mW / cm 2 , whereas Comparative Examples 6 to In a direct methanol fuel cell using a catalyst other than PtRuP catalyst 10 as the methanol electrode catalyst, the output density is 40 mW / cm 2 or less, and a PtRuP catalyst having a particle diameter of 1 to 3 nm is used as the methanol electrode catalyst. Thus, it can be understood that the battery characteristics are improved.

ビス(アセチルアセトナト)白金(II)1.69ミリモルとトリス(アセチルアセトナト)ルテニウム(III)1.69ミリモル及び次亜燐酸ナトリウム(NaPH)をPtとRuの総モル数に対して5〜100モル%の割合で、それぞれ100mlのエチレングリコールに溶解させ、炭素基材(バルカンXC−72R、比表面積254m/g)0.5gを分散させた100mlのエチレングリコール溶液を加えた。この溶液に硫酸水溶液を滴下し、pH試験紙を用いて溶液のpHを3に調整した。窒素雰囲気下、200℃のオイルバス中でこの溶液を攪拌しながら還流し、PtRuP微粒子を炭素基材上に担持させた。反応終了後、濾過、洗浄して乾燥させ触媒を得た。 1.69 mmol of bis (acetylacetonato) platinum (II), 1.69 mmol of tris (acetylacetonato) ruthenium (III) and sodium hypophosphite (NaPH 2 O 2 ) with respect to the total number of moles of Pt and Ru Then, 100 ml of ethylene glycol solution in which 0.5 g of carbon base material (Vulcan XC-72R, specific surface area 254 m 2 / g) was dispersed was added at a ratio of 5 to 100 mol% in 100 ml of ethylene glycol. . A sulfuric acid aqueous solution was dropped into this solution, and the pH of the solution was adjusted to 3 using pH test paper. The solution was refluxed with stirring in an oil bath at 200 ° C. in a nitrogen atmosphere, and PtRuP fine particles were supported on the carbon substrate. After completion of the reaction, the mixture was filtered, washed and dried to obtain a catalyst.

実施例4で得られたPtRuP触媒についてX線回折実験を行い、シェラーの式を適用してPtRuP触媒の粒径を見積もった。また。蛍光X線(XRF)及びX線光電子分光分析法(XPS)により触媒の組成を調べた。各種の分析からPはPtRu触媒の表面上に存在している可能性が高いため、P濃度については、より触媒表面に近い組成を測定できるXPSを使用した。更に、これらのPtRuP触媒についてメタノール酸化特性を測定した。測定法を以下に示す。触媒30mgをメタノール濃度25vol%、電解質1.5モル/リットルのHSO中に分散させ、25℃で作用極と対極にAu線を使用して電位0.2〜0.6(Vvs.NHE)の間を0.01V/秒の速度で掃引し、メタノール酸化活性を測定した。測定結果を下記の表4に示す。表4に示された結果から分かるように、次亜燐酸ナトリウムをPtRuの総モル数に対して5〜50モル%添加した場合、高いメタノール酸化電流を得る事が出来る。特に次亜燐酸を50モル%添加した場合、粒径が減少し、高いメタノール酸化活性が得られる。次亜燐酸ナトリウムをPtRuの総モル数に対して70モル%以上添加した場合は、過剰の次亜燐酸ナトリウムがPtRu微粒子形成を阻害し、原料であるビス(アセチルアセトナト)白金(II)の析出が見られ、メタノール酸化活性は急激に低下した。 An X-ray diffraction experiment was performed on the PtRuP catalyst obtained in Example 4, and the particle size of the PtRuP catalyst was estimated by applying Scherrer's equation. Also. The composition of the catalyst was examined by X-ray fluorescence (XRF) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). From various analyzes, there is a high possibility that P is present on the surface of the PtRu catalyst. Therefore, XPS that can measure a composition closer to the catalyst surface was used for the P concentration. Furthermore, methanol oxidation characteristics of these PtRuP catalysts were measured. The measurement method is shown below. 30 mg of the catalyst was dispersed in H 2 SO 4 having a methanol concentration of 25 vol% and an electrolyte of 1.5 mol / liter, and an electric wire of 0.2 to 0.6 (Vvs. NHE) was swept at a rate of 0.01 V / sec, and methanol oxidation activity was measured. The measurement results are shown in Table 4 below. As can be seen from the results shown in Table 4, when 5 to 50 mol% of sodium hypophosphite is added to the total number of moles of PtRu, a high methanol oxidation current can be obtained. In particular, when 50 mol% of hypophosphorous acid is added, the particle size is reduced, and high methanol oxidation activity is obtained. When sodium hypophosphite is added in an amount of 70 mol% or more based on the total number of moles of PtRu, excess sodium hypophosphite inhibits the formation of PtRu fine particles, and the raw material bis (acetylacetonato) platinum (II) Precipitation was observed, and the methanol oxidation activity decreased rapidly.

ビス(アセチルアセトナト)白金(II)とトリス(アセチルアセトナト)ルテニウム(III)の仕込み割合を1:2〜2:1に変化させ、次亜燐酸ナトリウムをPtとRuの総モル数に対して50モル%それぞれ100mlのエチレングリコールに溶解させ、炭素基材(バルカンXC−72R、比表面積254m/g)0.5gを分散させた100mlのエチレングリコール溶液を加えた。この溶液に硫酸水溶液を滴下し、pH試験紙を用いて溶液のpHを3に調整した。窒素雰囲気下、200℃のオイルバス中でこの溶液を攪拌しながら還流し、PtRuP微粒子を炭素基材上に担持させた。反応終了後、濾過、洗浄して乾燥させ触媒を得た。 The charge ratio of bis (acetylacetonato) platinum (II) and tris (acetylacetonato) ruthenium (III) was changed to 1: 2 to 2: 1, and sodium hypophosphite was added to the total number of moles of Pt and Ru. 50 mol% of each was dissolved in 100 ml of ethylene glycol, and 100 ml of ethylene glycol solution in which 0.5 g of a carbon base material (Vulcan XC-72R, specific surface area of 254 m 2 / g) was dispersed was added. A sulfuric acid aqueous solution was dropped into this solution, and the pH of the solution was adjusted to 3 using pH test paper. The solution was refluxed with stirring in an oil bath at 200 ° C. in a nitrogen atmosphere, and PtRuP fine particles were supported on the carbon substrate. After completion of the reaction, the mixture was filtered, washed and dried to obtain a catalyst.

実施例5で得られたPtRuP触媒についてX線回折実験を行い、シェラーの式を適用してPtRuP触媒の粒径を見積もった。また。蛍光X線により触媒の組成を調べた。さらにこれらのPtRuP触媒についてメタノール酸化特性を測定した。測定法を以下に示す。触媒30mgをメタノール濃度25vol%、電解質1.5モル/リットルのHSO中に分散させ、25℃で作用極と対極にAu線を使用して電位0.2〜0.6(Vvs.NHE)の間を0.01V/秒の速度で掃引し、メタノール酸化活性を測定した。測定結果を下記の表6に示す。 An X-ray diffraction experiment was conducted on the PtRuP catalyst obtained in Example 5, and the particle size of the PtRuP catalyst was estimated by applying Scherrer's equation. Also. The composition of the catalyst was examined by fluorescent X-ray. Furthermore, methanol oxidation characteristics of these PtRuP catalysts were measured. The measurement method is shown below. 30 mg of the catalyst was dispersed in H 2 SO 4 having a methanol concentration of 25 vol% and an electrolyte of 1.5 mol / liter, and an electric wire of 0.2 to 0.6 (Vvs. NHE) was swept at a rate of 0.01 V / sec, and methanol oxidation activity was measured. The measurement results are shown in Table 6 below.

表5に示された結果から、PtとRuの仕込み割合を1:2〜2:1にする事によりPt組成が40〜90at.%、Pが5at.%以上のPtRuP触媒となり、高いメタノール酸化電流が得られることが理解できる。   From the results shown in Table 5, by setting the charging ratio of Pt and Ru to 1: 2 to 2: 1, a PtRuP catalyst having a Pt composition of 40 to 90 at.% And P of 5 at. It can be seen that current is obtained.

ビス(アセチルアセトナト)白金(II)1.69ミリモルとトリス(アセチルアセトナト)ルテニウム(III)1.69ミリモルと次亜燐酸ナトリウム0.338ミリモルをそれぞれ100mlのエチレングリコールに溶解させ、炭素基材(バルカンP、比表面積140m/g)0.5gを分散させた100mlのエチレングリコール溶液を加えた。この溶液に硫酸水溶液を滴下し、pH試験紙を用いて溶液のpHを3に調整した。窒素ガス雰囲気下、200℃のオイルバス中でこの溶液を攪拌しながら4時間還流し、PtRuP微粒子を炭素基材上に析出担持させた。反応終了後、濾過、洗浄して乾燥させ触媒を得た。 Dissolve 1.69 mmol of bis (acetylacetonato) platinum (II), 1.69 mmol of tris (acetylacetonato) ruthenium (III) and 0.338 mmol of sodium hypophosphite in 100 ml of ethylene glycol, respectively. 100 ml of ethylene glycol solution in which 0.5 g of material (Vulcan P, specific surface area 140 m 2 / g) was dispersed was added. A sulfuric acid aqueous solution was dropped into this solution, and the pH of the solution was adjusted to 3 using pH test paper. This solution was refluxed for 4 hours with stirring in an oil bath at 200 ° C. in a nitrogen gas atmosphere, and PtRuP fine particles were deposited and supported on the carbon substrate. After completion of the reaction, the mixture was filtered, washed and dried to obtain a catalyst.

実施例6で得られた触媒の粒径を電子顕微鏡で調べた。その結果を下記の表6に示す。実施例6では、PtRuP触媒の粒径が1〜3nmであった。   The particle size of the catalyst obtained in Example 6 was examined with an electron microscope. The results are shown in Table 6 below. In Example 6, the particle size of the PtRuP catalyst was 1 to 3 nm.

実施例6で得られた触媒のメタノール酸化活性を調べた。測定方法を以下に記す。触媒30mgをメタノール濃度25vol.%、電解質1.5モル/リットルのHSO中に分散させ、25℃で作用極と対極にAu線を使用して電位0.2〜0.6(Vvs.NHE)の間を0.01V/秒の速度で掃引し、メタノール酸化活性を測定した。電位0.6(Vvs.NHE)における電流密度を下記の表7に示す。表7には実施例1の結果も併記した。表7に示された結果から、担体の比表面積が140m/g及び254m/gである実施例6及び実施例1では高いメタノール酸化電流が得られる。また、担体に比表面積が140m/gのバルカンPを使用した場合、比表面積が254m/gのバルカンXC−72Rに比べてメタノール酸化電流が増大している。これは、比表面積の小さいバルカンPでは細孔が少なく、また細孔径が大きいため、三相界面を形成するPtRuP触媒の粒子数が増加したためと考えられる。 The methanol oxidation activity of the catalyst obtained in Example 6 was examined. The measurement method is described below. 30 mg of the catalyst was dispersed in H 2 SO 4 having a methanol concentration of 25 vol.% And an electrolyte of 1.5 mol / liter, and an electric potential of 0.2 to 0.6 (V vs. .NHE) was swept at a rate of 0.01 V / sec, and the methanol oxidation activity was measured. The current density at a potential of 0.6 (Vvs.NHE) is shown in Table 7 below. Table 7 also shows the results of Example 1. From the results shown in Table 7, a high methanol oxidation current is obtained in Examples 6 and 1 in which the specific surface areas of the supports are 140 m 2 / g and 254 m 2 / g. Further, when Vulcan P having a specific surface area of 140 m 2 / g is used as the carrier, the methanol oxidation current is increased as compared with Vulcan XC-72R having a specific surface area of 254 m 2 / g. This is thought to be because the number of particles of the PtRuP catalyst forming the three-phase interface increased because Vulcan P, which has a small specific surface area, has few pores and a large pore diameter.

ビス(アセチルアセトナト)白金(II)1.69ミリモルとトリス(アセチルアセトナト)ルテニウム(III)1.69ミリモルと次亜燐酸ナトリウム1.69ミリモルをそれぞれ100mlのエチレングリコールに溶解させ、炭素基材(バルカンXC72R、比表面積254m/g)0.5gを分散させた100mlのエチレングリコール溶液を加えた。この溶液に硫酸水溶液を滴下し、pH試験紙を用いて溶液のpHを3に調整した。窒素ガス雰囲気下、200℃のオイルバス中でこの溶液を攪拌しながら4時間還流し、PtRuP微粒子を炭素基材上に析出担持させた。反応終了後、濾過、洗浄、乾燥させ触媒を得た。得られたPtRuP触媒の粒径を電子顕微鏡で観察した結果、1〜3nmであった。また、蛍光X線により組成を分析した結果、Pt65Ru29であった。 1.69 mmol of bis (acetylacetonato) platinum (II), 1.69 mmol of tris (acetylacetonato) ruthenium (III) and 1.69 mmol of sodium hypophosphite are dissolved in 100 ml of ethylene glycol, 100 ml of an ethylene glycol solution in which 0.5 g of a material (Vulcan XC72R, specific surface area of 254 m 2 / g) was dispersed was added. A sulfuric acid aqueous solution was dropped into this solution, and the pH of the solution was adjusted to 3 using pH test paper. This solution was refluxed for 4 hours with stirring in an oil bath at 200 ° C. in a nitrogen gas atmosphere, and PtRuP fine particles were deposited and supported on the carbon substrate. After completion of the reaction, the catalyst was obtained by filtration, washing and drying. As a result of observing the particle diameter of the obtained PtRuP catalyst with an electron microscope, it was 1 to 3 nm. As a result of analyzing the composition by fluorescent X-ray, it was Pt 65 Ru 29 P 6.

ビス(アセチルアセトナト)白金(II)1.69ミリモルとトリス(アセチルアセトナト)ルテニウム(III)1.69ミリモルと次亜燐酸ナトリウム1.69ミリモルをそれぞれ100mlのエチレングリコールに溶解させ、炭素基材(バルカンP、比表面積140m/g)0.5gを分散させた100mlのエチレングリコール溶液を加えた。この溶液に硫酸水溶液を滴下し、pH試験紙を用いて溶液のpHを3に調整した。窒素ガス雰囲気下、200℃のオイルバス中でこの溶液を攪拌しながら4時間還流し、PtRuP微粒子を炭素基材上に析出担持させた。反応終了後、濾過、洗浄、乾燥させ触媒を得た。得られたPtRuP触媒の粒径を電子顕微鏡で観察した結果、1〜3nmであった。また、蛍光X線により組成を分析した結果、Pt65Ru29であった。 1.69 mmol of bis (acetylacetonato) platinum (II), 1.69 mmol of tris (acetylacetonato) ruthenium (III) and 1.69 mmol of sodium hypophosphite are dissolved in 100 ml of ethylene glycol, 100 ml of ethylene glycol solution in which 0.5 g of material (Vulcan P, specific surface area 140 m 2 / g) was dispersed was added. A sulfuric acid aqueous solution was dropped into this solution, and the pH of the solution was adjusted to 3 using pH test paper. This solution was refluxed for 4 hours with stirring in an oil bath at 200 ° C. in a nitrogen gas atmosphere, and PtRuP fine particles were deposited and supported on the carbon substrate. After completion of the reaction, the catalyst was obtained by filtration, washing and drying. As a result of observing the particle diameter of the obtained PtRuP catalyst with an electron microscope, it was 1 to 3 nm. As a result of analyzing the composition by fluorescent X-ray, it was Pt 65 Ru 29 P 6.

実施例9は比較例11と一緒に説明する。   Example 9 will be described together with Comparative Example 11.

実施例10も比較例11と一緒に説明する。   Example 10 will also be described together with Comparative Example 11.

比較例11Comparative Example 11

実施例7及び8で得られたそれぞれのPtRuP触媒に純水とナフィオン(デュポン社製)のアルコール溶液を加えて撹拌した後、その粘度を調整して触媒用インクとした。これをテフロン(登録商標)シート上に、PtRuP触媒の塗布量が5mg/cmになるように塗布した。乾燥後、テフロン(登録商標)シートを剥がし、メタノール極触媒とした。また、ケッチェンECに担持したPt触媒に純水とナフィオン(デュポン社製)のアルコール溶液を加えて撹拌した後、その粘度を調整して触媒用インクとした。これをテフロン(登録商標)シート上に、Pt触媒の塗布量が5mg/cmになるように塗布した。乾燥後、テフロン(登録商標)シートを剥がし、酸素極触媒とした。その後、PtRuP電極触媒と、Pt電極触媒を固体高分子電解質膜(デュポン社製ナフィオン膜)の両側にホットプレスして膜電極接合体を作製した。これらのメタノール極、固体高分子電解質膜及び酸素極と、液体燃料として15wt%のメタノール水溶液を用い、図4に示す直接メタノール型燃料電池を作製し、出力密度特性を調べた。その結果を表8に示す。表8には比較例1のPtRu触媒をメタノール極触媒として用いた場合の出力密度を比較例11として併記した。担体に比表面積が140m/gのバルカンPを用いた場合、出力密度として65mW/cmが得られた。一方、担体の比表面積が254m/gのバルカンXC−72Rでは出力密度は59mW/cmであった。これは、先にも述べたように、担体が比表面積の小さいバルカンPではバルカンXC−72Rに比べて細孔が少なく、また細孔径が大きいためPtRuP触媒が微細孔中に埋没して触媒として作用しなくなる事がより抑制され、三相界面を形成するPtRuP触媒の粒子数が増加したためと考えられる。 After adding pure water and an alcohol solution of Nafion (manufactured by DuPont) to each of the PtRuP catalysts obtained in Examples 7 and 8, the viscosity was adjusted to obtain a catalyst ink. This was coated on a Teflon (registered trademark) sheet so that the coating amount of the PtRuP catalyst was 5 mg / cm 2 . After drying, the Teflon (registered trademark) sheet was peeled off to obtain a methanol electrode catalyst. Further, after adding pure water and an alcohol solution of Nafion (manufactured by DuPont) to the Pt catalyst supported on the ketjen EC and stirring, the viscosity was adjusted to obtain a catalyst ink. This was applied onto a Teflon (registered trademark) sheet so that the amount of Pt catalyst applied was 5 mg / cm 2 . After drying, the Teflon (registered trademark) sheet was peeled off to obtain an oxygen electrode catalyst. Thereafter, a PtRuP electrode catalyst and a Pt electrode catalyst were hot pressed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane (Nafion membrane manufactured by DuPont) to prepare a membrane electrode assembly. Using these methanol electrode, solid polymer electrolyte membrane and oxygen electrode, and a 15 wt% aqueous methanol solution as the liquid fuel, a direct methanol fuel cell shown in FIG. 4 was fabricated and the output density characteristics were examined. The results are shown in Table 8. In Table 8, the output density when the PtRu catalyst of Comparative Example 1 was used as a methanol electrode catalyst is also shown as Comparative Example 11. When Vulcan P having a specific surface area of 140 m 2 / g was used as the carrier, an output density of 65 mW / cm 2 was obtained. On the other hand, Vulcan XC-72R with a specific surface area of the support of 254 m 2 / g had a power density of 59 mW / cm 2 . As described above, this is because Vulcan P, which has a small specific surface area, has fewer pores than Vulcan XC-72R and has a larger pore diameter, so the PtRuP catalyst is buried in the fine pores as a catalyst. This is considered to be because the number of particles of the PtRuP catalyst that forms the three-phase interface is increased because the non-operation is further suppressed.

実施例11は実施例12と一緒に説明する。   Example 11 will be described together with Example 12.

実施例7及び8で得られたそれぞれのPtRuP触媒に純水とナフィオン(デュポン社製)のアルコール溶液を加えて撹拌した後、その粘度を調整して触媒用インクとした。これをテフロン(登録商標)シート上に、PtRuP触媒の塗布量が5mg/cmになるように塗布した。乾燥後、テフロン(登録商標)シートを剥がし、水素極触媒とした。また、ケッチェンECに担持したPt触媒に純水とナフィオン(デュポン社製)のアルコール溶液を加えて撹拌した後、その粘度を調整して触媒用インクとした。これをテフロン(登録商標)シート上に、Pt触媒の塗布量が5mg/cmになるように塗布した。乾燥後、テフロン(登録商標)シートを剥がし、酸素極触媒とした。その後、PtRuP電極触媒と、Pt電極触媒を固体高分子電解質膜(デュポン社製ナフィオン膜)の両側にホットプレスして膜電極接合体を作製した。これらの水素極、固体高分子電解質膜及び酸素極と、燃料として水素ガスを用い、図5に示す固体高分子型燃料電池を作製した。
図5において、符号40は固体高分子型燃料電池を示す。また、符号44は酸素極側集電体、43は酸素極側拡散層、41は固体高分子電解質膜、48は水素極側拡散層、47は水素極側集電体、42は空気導入孔、45は酸素極(Pt)触媒層、46は水素極(PtRuP)触媒層、49は水素燃料導入孔をそれぞれ示す。
酸素極側集電体44は、空気導入孔42を介して空気(酸素)を取り込む構造体としての機能を有すると共に、集電機能も有している。固体高分子電解質膜(デュポン社製ナフィオン膜)41は、水素極で発生したプロトンを酸素極側に輸送する機能と、更に水素極と酸素極の短絡を防止するセパレータとしての機能を備えてなるものである。このように構成される固体高分子型燃料電池40において、水素極側集電体47から供給される水素ガスは水素極側拡散層48を介して水素極触媒層46に導かれて酸化され電子とプロトンに変換され、このプロトンは固体高分子電解質膜41を介して酸素極側に移動する。酸素極では酸素極側集電体44から取り込まれた酸素が水素極で生成した電子により還元され、これと上記のプロトンとが反応して水を生成する。図5に示される固体高分子型燃料電池40では、このような水素の酸化反応及び酸素の還元反応により発電が起こる。
After adding pure water and an alcohol solution of Nafion (manufactured by DuPont) to each of the PtRuP catalysts obtained in Examples 7 and 8, the viscosity was adjusted to obtain a catalyst ink. This was coated on a Teflon (registered trademark) sheet so that the coating amount of the PtRuP catalyst was 5 mg / cm 2 . After drying, the Teflon (registered trademark) sheet was peeled off to obtain a hydrogen electrode catalyst. Further, after adding pure water and an alcohol solution of Nafion (manufactured by DuPont) to the Pt catalyst supported on the ketjen EC and stirring, the viscosity was adjusted to obtain a catalyst ink. This was applied onto a Teflon (registered trademark) sheet so that the amount of Pt catalyst applied was 5 mg / cm 2 . After drying, the Teflon (registered trademark) sheet was peeled off to obtain an oxygen electrode catalyst. Thereafter, a PtRuP electrode catalyst and a Pt electrode catalyst were hot pressed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane (Nafion membrane manufactured by DuPont) to prepare a membrane electrode assembly. Using these hydrogen electrode, solid polymer electrolyte membrane and oxygen electrode, and hydrogen gas as fuel, a solid polymer fuel cell shown in FIG. 5 was produced.
In FIG. 5, the code | symbol 40 shows a polymer electrolyte fuel cell. Reference numeral 44 denotes an oxygen electrode side current collector, 43 denotes an oxygen electrode side diffusion layer, 41 denotes a solid polymer electrolyte membrane, 48 denotes a hydrogen electrode side diffusion layer, 47 denotes a hydrogen electrode side current collector, and 42 denotes an air introduction hole. , 45 represents an oxygen electrode (Pt) catalyst layer, 46 represents a hydrogen electrode (PtRuP) catalyst layer, and 49 represents a hydrogen fuel introduction hole.
The oxygen electrode side current collector 44 has a function as a structure that takes in air (oxygen) through the air introduction hole 42 and also has a current collecting function. The solid polymer electrolyte membrane (Nafion membrane manufactured by DuPont) 41 has a function of transporting protons generated at the hydrogen electrode to the oxygen electrode side and a function as a separator for preventing a short circuit between the hydrogen electrode and the oxygen electrode. Is. In the polymer electrolyte fuel cell 40 configured as described above, the hydrogen gas supplied from the hydrogen electrode side current collector 47 is led to the hydrogen electrode catalyst layer 46 through the hydrogen electrode side diffusion layer 48 and is oxidized and electrons. These protons move to the oxygen electrode side through the solid polymer electrolyte membrane 41. At the oxygen electrode, oxygen taken in from the oxygen electrode side current collector 44 is reduced by electrons generated at the hydrogen electrode, and this reacts with the protons to generate water. In the polymer electrolyte fuel cell 40 shown in FIG. 5, power generation occurs by such an oxidation reaction of hydrogen and a reduction reaction of oxygen.

比較例12Comparative Example 12

比較例1で合成したPtRu触媒を水素極触媒として用いた事以外は実施例11,12と同様に固体高分子型燃料電池を作製した。   A polymer electrolyte fuel cell was produced in the same manner as in Examples 11 and 12, except that the PtRu catalyst synthesized in Comparative Example 1 was used as the hydrogen electrode catalyst.

実施例11,12及び比較例12で作製した固体高分子型燃料電池において、出力密度を測定し、その結果を表9に示す。実施例11,12においては粒径1〜3nmのPtRuP触媒を使用しているため、高い出力密度を示す。固体高分子型燃料電池においても、担体の表面積の小さいバルカンPの場合の方が高い出力密度を示す。これは、先にも述べたように、担体が比表面積の小さいバルカンPの場合、PtRuP触媒微粒子が三相界面をより形成し易く、実効的に働く触媒の数が増加してより高い出力密度を示したと考えられる。一方、比較例15では、粒径〜10nmのPtRu触媒を使用しているため、出力密度は120mW/cmと低い値となっている。 In the polymer electrolyte fuel cells produced in Examples 11 and 12 and Comparative Example 12, the power density was measured, and the results are shown in Table 9. In Examples 11 and 12, since a PtRuP catalyst having a particle diameter of 1 to 3 nm is used, a high output density is exhibited. Also in the polymer electrolyte fuel cell, the power density is higher in the case of Vulcan P having a smaller surface area of the carrier. As described above, when the support is Vulcan P having a small specific surface area, the PtRuP catalyst fine particles are more likely to form a three-phase interface, and the number of effective catalysts increases, resulting in higher power density. It is thought that it showed. On the other hand, in Comparative Example 15, since the PtRu catalyst having a particle diameter of 10 nm is used, the output density is a low value of 120 mW / cm 2 .

ビス(アセチルアセトナト)白金(II)とトリス(アセチルアセトナト)ルテニウム(III)の仕込み割合を1.5:1とし、次亜燐酸ナトリウムをPtとRuの総モル数に対して50モル%添加し、それぞれ100mlのエチレングリコールに溶解させ、炭素基材(バルカンP、比表面積140m/g)0.5gを分散させた100mlのエチレングリコール溶液を加えた。この時、PtRuP触媒の担持率が50wt%になるようにビス(アセチルアセトナト)白金(II)とトリス(アセチルアセトナト)ルテニウム(III)の使用量を調整した。この溶液に硫酸水溶液を滴下し、pH試験紙を用いて溶液のpHを3に調整した。窒素雰囲気下、200℃のオイルバス中でこの溶液を攪拌しながら1.5時間還流し、PtRuP微粒子を炭素基材上に担持させた。反応終了後、濾過、洗浄して乾燥させ担持率が50wt%のPtRuP触媒を得た。 The charging ratio of bis (acetylacetonato) platinum (II) and tris (acetylacetonato) ruthenium (III) was 1.5: 1, and sodium hypophosphite was 50 mol% with respect to the total number of moles of Pt and Ru. Each was added and dissolved in 100 ml of ethylene glycol, and 100 ml of ethylene glycol solution in which 0.5 g of carbon base material (Vulcan P, specific surface area 140 m 2 / g) was dispersed was added. At this time, the amounts of bis (acetylacetonato) platinum (II) and tris (acetylacetonato) ruthenium (III) used were adjusted so that the loading ratio of the PtRuP catalyst was 50 wt%. A sulfuric acid aqueous solution was dropped into this solution, and the pH of the solution was adjusted to 3 using pH test paper. The solution was refluxed for 1.5 hours with stirring in an oil bath at 200 ° C. in a nitrogen atmosphere, and PtRuP fine particles were supported on the carbon substrate. After completion of the reaction, filtration, washing and drying were performed to obtain a PtRuP catalyst having a loading rate of 50 wt%.

ビス(アセチルアセトナト)白金(II)とトリス(アセチルアセトナト)ルテニウム(III)の仕込み割合を1.5:1とし、次亜燐酸ナトリウムをPtとRuの総モル数に対して50モル%添加し、それぞれ100mlのエチレングリコールに溶解させ、炭素基材(バルカンP、比表面積140m/g)0.5gを分散させた100mlのエチレングリコール溶液を加えた。この時、PtRuP触媒の担持率が60wt%になるようにビス(アセチルアセトナト)白金(II)とトリス(アセチルアセトナト)ルテニウム(III)の使用量を調整した。この溶液に硫酸水溶液を滴下し、pH試験紙を用いて溶液のpHを3に調整した。窒素雰囲気下、200℃のオイルバス中でこの溶液を攪拌しながら1.5時間還流し、PtRuP微粒子を炭素基材上に担持させた。反応終了後、濾過、洗浄して乾燥させ担持率が60wt%のPtRuP触媒を得た。 The charging ratio of bis (acetylacetonato) platinum (II) and tris (acetylacetonato) ruthenium (III) was 1.5: 1, and sodium hypophosphite was 50 mol% with respect to the total number of moles of Pt and Ru. Each was added and dissolved in 100 ml of ethylene glycol, and 100 ml of ethylene glycol solution in which 0.5 g of carbon base material (Vulcan P, specific surface area 140 m 2 / g) was dispersed was added. At this time, the amounts of bis (acetylacetonato) platinum (II) and tris (acetylacetonato) ruthenium (III) used were adjusted so that the loading ratio of the PtRuP catalyst was 60 wt%. A sulfuric acid aqueous solution was dropped into this solution, and the pH of the solution was adjusted to 3 using pH test paper. The solution was refluxed for 1.5 hours with stirring in an oil bath at 200 ° C. in a nitrogen atmosphere, and PtRuP fine particles were supported on the carbon substrate. After completion of the reaction, filtration, washing and drying were performed to obtain a PtRuP catalyst having a loading rate of 60 wt%.

実施例13及び14で得られた触媒のメタノール酸化活性を測定した。測定方法を以下に示す。触媒30mgをメタノール濃度25vol.%、電解質1.5モル/リットルのHSO中に分散させ、25℃で作用極と対極にAu線を使用して電位0.2〜0.6(Vvs.NHE)の間を0.01V/秒の速度で掃引し、メタノール酸化活性を測定した。電位0.6(Vvs.NHE)におけるメタノール酸化電流を下記の表10に示す。 The methanol oxidation activity of the catalysts obtained in Examples 13 and 14 was measured. The measuring method is shown below. 30 mg of the catalyst was dispersed in H 2 SO 4 having a methanol concentration of 25 vol.% And an electrolyte of 1.5 mol / liter, and an electric potential of 0.2 to 0.6 (V vs. .NHE) was swept at a rate of 0.01 V / sec, and the methanol oxidation activity was measured. The methanol oxidation current at a potential of 0.6 (V vs. NHE) is shown in Table 10 below.

実施例15は実施例16と一緒に説明する。   Example 15 will be described together with Example 16.

実施例13及び14で得られたPtRuP触媒を用いて図4に示す直接メタノール型燃料電池を作製した。この場合、実施例13と14では触媒の担持率が異なるため、電極での触媒塗布量が5mg/cmで同じになるようにした。出力密度を測定した結果を表11に示す。PtRuP触媒の担持率50wt%で70mW/cm、60wt%で80mW/cmの高い出力密度が得られた。触媒の担持率が60wt%と高い場合、大きな出力密度が得られた。これは電極での触媒塗布量が5mg/cmで同じであるが、触媒の担持率が60wt%と高い場合、電極の厚みを薄くする事が出来るため、メタノール燃料の浸透性が高まったためと考えられる。 A direct methanol fuel cell shown in FIG. 4 was produced using the PtRuP catalyst obtained in Examples 13 and 14. In this case, since the catalyst loading was different between Examples 13 and 14, the amount of catalyst applied on the electrode was the same at 5 mg / cm 2 . Table 11 shows the result of measuring the output density. A high power density of 70 mW / cm 2 was obtained when the loading ratio of the PtRuP catalyst was 50 wt%, and 80 mW / cm 2 when 60 wt%. When the catalyst loading was as high as 60 wt%, a large output density was obtained. This is because the amount of catalyst applied on the electrode is the same at 5 mg / cm 2 , but when the catalyst loading is as high as 60 wt%, the thickness of the electrode can be reduced, and the methanol fuel permeability has increased. Conceivable.

実施例17は実施例18と一緒に説明する。   Example 17 will be described together with Example 18.

実施例13及び14で得られたPtRuP触媒を用いて図5に示す固体高分子型燃料電池を作製した。この場合、実施例13と14では触媒の担持率が異なるため、電極での触媒塗布量が5mg/cmで同じになるようにした。出力密度を測定した結果を表12に示す。PtRuP触媒の担持率50wt%で220mW/cm、60wt%で240mW/cmの高い出力密度が得られた。触媒の担持率が60wt%と高い場合、大きな出力密度が得られた。これは電極での触媒塗布量が5mg/cmで同じであるが、触媒の担持率が60wt%と高い場合、電極の厚みを薄くする事が出来るため、水素ガス燃料の浸透性が高まったためと考えられる。 A polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 5 was produced using the PtRuP catalyst obtained in Examples 13 and 14. In this case, since the catalyst loading was different between Examples 13 and 14, the amount of catalyst applied on the electrode was the same at 5 mg / cm 2 . Table 12 shows the result of measuring the output density. High power density of 240 mW / cm 2 was obtained at 220mW / cm 2, 60wt% in loading of 50 wt% of PtRuP catalyst. When the catalyst loading was as high as 60 wt%, a large output density was obtained. This is the same when the amount of catalyst applied to the electrode is 5 mg / cm 2 , but when the catalyst loading is as high as 60 wt%, the thickness of the electrode can be reduced, so that the permeability of hydrogen gas fuel has increased. it is conceivable that.

炭素基材(バルカンXC−72R、比表面積254m/g)0.25gを60mlの純水に分散させ、六塩化白金酸六水和物0.844ミリモルと塩化ルテニウム(III)n水和物0.844ミリモルをそれぞれ60mlの純水に溶解させ加えた後、次亜リン酸ナトリウム一水和物5.908ミリモルを70mlの純水に溶解させ加えた。その後、3規定の水酸化ナトリウム水溶液を滴下し、溶液をpH11に調整した。室温にて30分間攪拌後、水溶液の温度を80℃まで上げ、攪拌しながら2時間無電解メッキを行い、PtRuP触媒微粒子を炭素基材上に担持させた。反応終了後、濾過、洗浄、乾燥させ触媒を得た。 0.25 g of carbon base material (Vulcan XC-72R, specific surface area 254 m 2 / g) is dispersed in 60 ml of pure water, 0.844 mmol of hexachloroplatinic acid hexahydrate and ruthenium (III) chloride n hydrate After each 0.844 mmol was dissolved in 60 ml of pure water and added, 5.908 mmol of sodium hypophosphite monohydrate was dissolved in 70 ml of pure water and added. Thereafter, a 3N aqueous sodium hydroxide solution was added dropwise to adjust the solution to pH 11. After stirring for 30 minutes at room temperature, the temperature of the aqueous solution was raised to 80 ° C., and electroless plating was performed for 2 hours with stirring to support the PtRuP catalyst fine particles on the carbon substrate. After completion of the reaction, the catalyst was obtained by filtration, washing and drying.

実施例19で得られた触媒の粒径を電子顕微鏡で調べた結果、1〜3nmであった。また、触媒の組成を蛍光X線で分析した結果、Pt59Ru34であった。 As a result of examining the particle diameter of the catalyst obtained in Example 19 with an electron microscope, it was 1 to 3 nm. Moreover, as a result of analyzing the composition of the catalyst by fluorescent X-ray, it was Pt 59 Ru 34 P 7 .

実施例19で得られたPtRuP触媒のメタノール酸化活性を測定した。測定方法を以下に示す。触媒30mgをメタノール濃度25vol.%、電解質1.5モル/リットルのHSO中に分散させ、25℃で作用極と対極にAu線を使用して電位0.2〜0.6(Vvs.NHE)の間を0.01V/秒の速度で掃引し、メタノール酸化活性を測定した。電位0.6(Vvs.NHE)におけるメタノール酸化電流を下記の表13に示す。表13には比較例1のPtRuのメタノール酸化電流も併せて示す。本実施例のPtRuP触媒ではP添加により粒径が1〜3nmに減少し、活性な表面積が増大して比較例1に比べ、大きなメタノール酸化電流が観測された。また、この実施例はアルコール還元法のみならず、無電解メッキ法によっても粒径が1〜3nmのPtRuP触媒が合成できる事を示すものである。この無電解メッキ法はアルコール等の有機溶媒を使用せず、またPtとRuの供給源に安価な六塩化白金酸と塩化ルテニウムを使用できるため、触媒のコストを大幅に削減する事が出来るメリットを有する。 The methanol oxidation activity of the PtRuP catalyst obtained in Example 19 was measured. The measuring method is shown below. 30 mg of the catalyst was dispersed in H 2 SO 4 having a methanol concentration of 25 vol.% And an electrolyte of 1.5 mol / liter, and an electric potential of 0.2 to 0.6 (V vs. .NHE) was swept at a rate of 0.01 V / sec, and the methanol oxidation activity was measured. The methanol oxidation current at a potential of 0.6 (V vs. NHE) is shown in Table 13 below. Table 13 also shows the methanol oxidation current of PtRu of Comparative Example 1. In the PtRuP catalyst of this example, the particle size was reduced to 1 to 3 nm by addition of P, the active surface area was increased, and a large methanol oxidation current was observed as compared with Comparative Example 1. This example shows that a PtRuP catalyst having a particle size of 1 to 3 nm can be synthesized not only by the alcohol reduction method but also by the electroless plating method. This electroless plating method does not use an organic solvent such as alcohol, and because it can use inexpensive hexachloroplatinic acid and ruthenium chloride as the source of Pt and Ru, it can greatly reduce the cost of the catalyst. Have

ビス(アセチルアセトナト)白金(II)1.69ミリモルとトリス(アセチルアセトナト)ルテニウム(III)1.69ミリモルと次亜燐酸ナトリウム1.69ミリモルをそれぞれ100mlのエチレングリコールに溶解させ、多層カーボンナノチューブ(直径75nm,比表面積30m/g)0.5gを分散させた100mlのエチレングリコール溶液を加えた。硫酸水溶液を滴下し、pH試験紙を用いて溶液をpH3に調整した。窒素ガス雰囲気下、200℃でこの溶液を攪拌しながら4時間還流し、PtRuP触媒微粒子を多層カーボンナノチューブ上に析出担持させた。反応終了後、濾過、洗浄、乾燥させ触媒を得た。 Bis (acetylacetonato) platinum (II) 1.69 mmol, tris (acetylacetonato) ruthenium (III) 1.69 mmol and sodium hypophosphite 1.69 mmol were dissolved in 100 ml of ethylene glycol, respectively. 100 ml of ethylene glycol solution in which 0.5 g of nanotubes (diameter 75 nm, specific surface area 30 m 2 / g) was dispersed was added. A sulfuric acid aqueous solution was dropped, and the solution was adjusted to pH 3 using pH test paper. The solution was refluxed for 4 hours at 200 ° C. with stirring in a nitrogen gas atmosphere to deposit and carry PtRuP catalyst fine particles on the multi-walled carbon nanotubes. After completion of the reaction, the catalyst was obtained by filtration, washing and drying.

実施例20で得られたPtRuP触媒の粒径を電子顕微鏡で調べた結果、1〜3nmであった。またその組成を蛍光X線で調べた結果、Pt65Ru29であった。 As a result of examining the particle diameter of the PtRuP catalyst obtained in Example 20 with an electron microscope, it was 1 to 3 nm. The results of examining the composition with a fluorescent X-ray, was Pt 65 Ru 29 P 6.

実施例20で得られた多層カーボンナノチューブ担持PtRuP触媒をメタノール極として図4に示す直接メタノール型燃料電池を作製した。出力密度を測定した結果、75mW/cmの出力密度が得られた。多層カーボンナノチューブを担体したPtRuP触媒の場合、カーボンブラックを担体とした実施例9や実施例10に比較して高い出力密度が得られている。これは多層カーボンナノチューブには細孔が全く存在しないため、PtRuP触媒が全て担体表面に析出し、触媒の利用率が高まったためである。また、多層カーボンナノチューブはカーボンブラックに比較して嵩高いため触媒電極膜中に物理的空隙が多く存在し、充填密度の高いカーボンブラックに比べてメタノール水溶液の拡散性が向上し、PtRuP触媒とメタノール燃料の接触が十分に確保されたためである。更に、多層カーボンナノチューブはその比抵抗がカーボンブラックに比較して低く、このためIR損出を抑える事ができたと考えられる。 A direct methanol fuel cell shown in FIG. 4 was produced using the multi-walled carbon nanotube-supported PtRuP catalyst obtained in Example 20 as a methanol electrode. As a result of measuring the power density, a power density of 75 mW / cm 2 was obtained. In the case of the PtRuP catalyst supporting multi-walled carbon nanotubes, a higher output density is obtained compared to Examples 9 and 10 using carbon black as a support. This is because multi-walled carbon nanotubes do not have any pores, so that all of the PtRuP catalyst is deposited on the surface of the carrier and the utilization rate of the catalyst is increased. In addition, since the multi-walled carbon nanotube is bulky compared to carbon black, there are many physical voids in the catalyst electrode film, and the diffusibility of the methanol aqueous solution is improved compared to carbon black having a high packing density, and the PtRuP catalyst and methanol. This is because the fuel contact is sufficiently secured. Furthermore, it is considered that the multi-walled carbon nanotube has a lower specific resistance than that of carbon black, so that IR loss can be suppressed.

本発明の炭素基材に担持された少なくともPt及びPからなる触媒微粒子は、直接メタノール型燃料電池(DMFC)として特に有用であるが、固体高分子型燃料電池(PEFC)の触媒としても使用できる。   The catalyst fine particles comprising at least Pt and P supported on the carbon base material of the present invention are particularly useful as a direct methanol fuel cell (DMFC), but can also be used as a catalyst for a solid polymer fuel cell (PEFC). .

本発明のアルコール還元法により合成したPtRuP触媒微粒子の模式的断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of PtRuP catalyst fine particles synthesized by the alcohol reduction method of the present invention. 本発明の無電解メッキ法により合成したPtRuP触媒微粒子の模式的断面図である。It is a typical sectional view of PtRuP catalyst fine particles synthesized by the electroless plating method of the present invention. (A)は実施例1で得られたPtRuP触媒微粒子表面の電子顕微鏡写真であり、(B)は比較例1で得られたPtRu触媒微粒子表面の電子顕微鏡写真である。(A) is an electron micrograph of the surface of PtRuP catalyst fine particles obtained in Example 1, and (B) is an electron micrograph of the surface of PtRu catalyst fine particles obtained in Comparative Example 1. 直接メタノール型燃料電池の一例の部分概要構成図である。It is a partial schematic block diagram of an example of a direct methanol fuel cell. 固体高分子型燃料電池の一例の部分概要構成図である。It is a partial schematic block diagram of an example of a polymer electrolyte fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

1 本発明のPtRuP触媒微粒子
3 炭素基材
5 PtRu粒子
7 P
8 P
10 直接メタノール型燃料電池
12 酸素極側集電体
14 酸素極側拡散層
16 固体高分子電解質膜
18 メタノール極側拡散層
20 メタノール極側集電体
22 メタノール燃料タンク
24 空気導入孔
26 酸素極(Pt)触媒層
28 メタノール極(PtRuP)触媒層
30 メタノール燃料導入孔
40 固体高分子型燃料電池
41 固体高分子電解質膜
42 空気導入孔
43 酸素極側拡散層
44 酸素極側集電体
45 酸素極(Pt)触媒層
46 水素極(PtRuP)触媒層
47 水素極側集電体
48 水素極側拡散層
49 水素燃料導入孔
1 PtRuP catalyst fine particles of the present invention 3 Carbon base material 5 PtRu particles 7 P
8P
10 Direct methanol fuel cell 12 Oxygen electrode side current collector 14 Oxygen electrode side diffusion layer 16 Solid polymer electrolyte membrane 18 Methanol electrode side diffusion layer 20 Methanol electrode side current collector 22 Methanol fuel tank 24 Air introduction hole 26 Oxygen electrode ( Pt) catalyst layer 28 methanol electrode (PtRuP) catalyst layer 30 methanol fuel introduction hole 40 polymer electrolyte fuel cell 41 polymer electrolyte membrane 42 air introduction hole 43 oxygen electrode side diffusion layer 44 oxygen electrode side current collector 45 oxygen electrode (Pt) Catalyst layer 46 Hydrogen electrode (PtRuP) catalyst layer 47 Hydrogen electrode side current collector 48 Hydrogen electrode side diffusion layer 49 Hydrogen fuel introduction hole

Claims (16)

少なくともPtとPを含有し、最大平均粒径が5nm未満である粒子からなることを特徴とする不均一系触媒。 A heterogeneous catalyst comprising at least Pt and P and having a maximum average particle diameter of less than 5 nm. 前記粒子の粒径は1nm〜3nmであることを特徴とする請求項1記載の不均一系触媒。 The heterogeneous catalyst according to claim 1, wherein the particle diameter is 1 nm to 3 nm. 前記粒子はPを少なくとも2原子%含有することを特徴とする請求項1記載の不均一系触媒。 2. The heterogeneous catalyst according to claim 1, wherein the particles contain at least 2 atomic% of P. 前記Pの含量は2原子%〜50原子%であることを特徴とする請求項1記載の不均一系触媒。 2. The heterogeneous catalyst according to claim 1, wherein the P content is 2 to 50 atomic%. 炭素基材を更に含有することを特徴とする請求項1記載の不均一系触媒。 The heterogeneous catalyst according to claim 1, further comprising a carbon substrate. 前記炭素基材はカーボンブラック及びカーボンナノチューブから成る群から選択される少なくとも1種類であることを特徴とする請求項5記載の不均一系触媒。 6. The heterogeneous catalyst according to claim 5, wherein the carbon substrate is at least one selected from the group consisting of carbon black and carbon nanotubes. 前記炭素基材は多層カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項6記載の不均一系触媒。 The heterogeneous catalyst according to claim 6, wherein the carbon substrate is a multi-walled carbon nanotube. 前記粒子はRuを更に含有することを特徴とする請求項1記載の不均一系触媒。 The heterogeneous catalyst according to claim 1, wherein the particles further contain Ru. 前記粒子内のPtとRuの比率はPt40Ru60〜Pt90Ru10であることを特徴とする請求項8記載の不均一系触媒。 The heterogeneous catalyst according to claim 8, wherein the ratio of Pt and Ru in the particles is Pt 40 Ru 60 to Pt 90 Ru 10 . 前記炭素基材が20m/g〜300m/gの範囲内の比表面積を有することを特徴とする請求項8記載の不均一系触媒。 Heterogeneous catalyst according to claim 8, wherein said carbon substrate is characterized by having a specific surface area within the range of from 20m 2 / g~300m 2 / g. リン含有還元剤の存在下でPtイオンを還元するステップを含むことを特徴とする請求項1の不均一系触媒の製造方法。 The method for producing a heterogeneous catalyst according to claim 1, further comprising the step of reducing Pt ions in the presence of a phosphorus-containing reducing agent. 前記リン含有還元剤は、亜燐酸、亜燐酸塩、次亜燐酸又は次亜燐酸塩の何れかに由来する化合物であることを特徴とする請求項11記載の製造方法。 12. The production method according to claim 11, wherein the phosphorus-containing reducing agent is a compound derived from any of phosphorous acid, phosphite, hypophosphorous acid or hypophosphite. 前記還元ステップは、アルコール還元又は無電解メッキステップであることを特徴とする請求項11記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 11, wherein the reduction step is an alcohol reduction or an electroless plating step. カソードと、アノードと、該カソードとアノードとの間に配置された高分子電解質膜からなり、
前記カソード及び/又はアノードは請求項1の前記触媒からなることを特徴とする燃料電池。
Consisting of a cathode, an anode, and a polymer electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode,
The fuel cell according to claim 1, wherein the cathode and / or the anode comprises the catalyst according to claim 1.
アノードにメタノートと水、又は水素を供給し、カソードに酸素を供給することを特徴とする請求項1の燃料電池による電圧発生方法。 2. The method of generating a voltage by a fuel cell according to claim 1, wherein metanote and water or hydrogen are supplied to the anode and oxygen is supplied to the cathode. アノード触媒層と、カソード触媒層と、該アノード触媒層とカソード触媒層との間に配置された高分子電解質とからなり、前記アノード触媒層及び/又はカソード触媒層は請求項1の前記触媒からなることを特徴とする膜電極接合体。 An anode catalyst layer, a cathode catalyst layer, and a polymer electrolyte disposed between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer, wherein the anode catalyst layer and / or the cathode catalyst layer is formed from the catalyst according to claim 1. A membrane electrode assembly comprising:
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