JP2006252797A - Manufacturing method of oxygen electrode catalyst for fuel cell, and of direct methanol fuel cell and catalyst - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池の触媒に関する。更に詳細には、本発明は直接メタノール型燃料電池用酸素極触媒に好適なRuS触媒及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell catalyst. More specifically, the present invention relates to a RuS catalyst suitable for an oxygen electrode catalyst for a direct methanol fuel cell and a method for producing the RuS catalyst.
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.
直接メタノール型燃料電池ではアノードでメタノールを酸化させると同時にカソードで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為、直接メタノール型燃料電池には触媒が使用されている。本発明者らは、メタノール極触媒として粒径2〜3nmのPtRuP触媒を使用し、メタノール酸化活性を大幅に向上させる事を提案している(特願2003−433758,特願2004−206232,特願2004−271034及び特願2004−373450)。 In a direct methanol fuel cell, methanol is oxidized at the anode and 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 direct methanol fuel cells. The present inventors have proposed that a PtRuP catalyst having a particle diameter of 2 to 3 nm is used as the methanol electrode catalyst to significantly improve the methanol oxidation activity (Japanese Patent Application Nos. 2003-433758 and 2004-2062322, and Japanese Patent Application No. 2004-206232). Application No. 2004-27134 and Japanese Patent Application No. 2004-373450).
一方、酸素極触媒としては一般的にPtが使用されている。一般的なPt触媒の粒径は5〜8nm程度であり、酸素還元活性を高めるためには更なる粒径の微細化が必要である。直接メタノール型燃料電池では、メタノール極触媒と酸素極触媒の間に固体高分子電解質膜(例えばデュポン社のナフィオン膜)が存在している。この固体高分子電解質膜は本来メタノール極で発生したプロトンをメタノール極から酸素極に運ぶ役割を持っているが、同時にメタノールも酸素極側に透過してしまう性質を持っている。この現象は「メタノールクロスオーバー」と呼ばれている。メタノールクロスオーバーにより酸素極に到達したメタノールは酸素極Pt触媒上で直接酸化されるため、酸素極Pt触媒上ではメタノール酸化反応が生じ、酸素還元用の反応サイトが減少する。このため、カソード過電圧が上昇し、電池電圧を低下させる大きな原因となっている。このメタノールクロスオーバーを低減させる為、固体高分子電解質膜を従来のナフィオン(全フッ素化アルキルスルフォン酸)から、炭化水素系スルフォン酸に置き換える検討がなされている。しかし、固体高分子電解質膜を炭化水素系スルフォン酸に置き換えるとメタノールクロスオーバーは抑制されるが、プロトン導電性が低下するというトレイドオフの関係が有り、これまでにメタノールクロスオーバーを抑止し、プロトン導電性をナフィオン膜並みに保った固体高分子電解質膜は未だ開発されていない。 On the other hand, Pt is generally used as the oxygen electrode catalyst. The particle size of a general Pt catalyst is about 5 to 8 nm, and further refinement of the particle size is necessary to enhance the oxygen reduction activity. In a direct methanol fuel cell, a solid polymer electrolyte membrane (for example, Nafion membrane manufactured by DuPont) exists between a methanol electrode catalyst and an oxygen electrode catalyst. This solid polymer electrolyte membrane has a function of transporting protons originally generated at the methanol electrode from the methanol electrode to the oxygen electrode, but also has a property of permeating methanol to the oxygen electrode side at the same time. This phenomenon is called “methanol crossover”. Since the methanol that has reached the oxygen electrode by the methanol crossover is directly oxidized on the oxygen electrode Pt catalyst, a methanol oxidation reaction occurs on the oxygen electrode Pt catalyst, and the reaction sites for oxygen reduction are reduced. For this reason, the cathode overvoltage rises, which is a major cause of lowering the battery voltage. In order to reduce this methanol crossover, studies have been made to replace the solid polymer electrolyte membrane with a hydrocarbon-based sulfonic acid from the conventional Nafion (perfluorinated alkyl sulfonic acid). However, replacing the solid polymer electrolyte membrane with a hydrocarbon-based sulfonic acid suppresses methanol crossover, but there is a trade-off relationship that proton conductivity decreases. A solid polymer electrolyte membrane that maintains the same properties as Nafion membrane has not been developed yet.
このため、特許文献1では酸素極触媒として酸素の還元反応には活性であり、メタノールの酸化には不活性なAuあるいはAgを使用することが提案されている。メタノールの酸化に対して不活性であれば、メタノールクロスオーバーで酸素極に到達したメタノールの酸化反応は起こらず、触媒上でのメタノール直接酸化反応が起こらないため、酸素還元過電圧を抑える事が出来、電池電圧の低下を防ぐ事が出来る。触媒はその粒径が減少するに従って表面積が増加し、触媒活性が向上するが、特許文献1ではAu及びAg触媒の粒径及びその合成方法に関して全く開示されていない。 For this reason, Patent Document 1 proposes the use of Au or Ag which is active as an oxygen electrode catalyst for oxygen reduction reaction and inactive for methanol oxidation. If inert to methanol oxidation, the methanol oxidation reaction that reaches the oxygen electrode by methanol crossover does not occur, and methanol direct oxidation reaction does not occur on the catalyst, so oxygen reduction overvoltage can be suppressed. It can prevent the battery voltage from dropping. As the particle size of the catalyst decreases, the surface area increases and the catalytic activity improves. However, Patent Document 1 does not disclose the particle size of Au and Ag catalysts and the synthesis method thereof.
また、特許文献2では粒径1〜200nmのAu微粒子を酸素還元用触媒として用いる事が提案されている。しかし、この手法はAu微粒子をAu導電性基体上に電気メッキにより生成させる方法であり、直接メタノール燃料電池用触媒の担体として使用されるカーボン担体上への担持に関しては全く開示されていない。また、酸素還元反応に対して有効に作用した電析Auの粒径は5〜200nmであり、酸素還元活性を高めるためにはその粒径を5nm以下にする必要がある。 Patent Document 2 proposes to use Au fine particles having a particle diameter of 1 to 200 nm as an oxygen reduction catalyst. However, this method is a method in which Au fine particles are generated on an Au conductive substrate by electroplating, and there is no disclosure regarding loading on a carbon carrier used directly as a carrier for a catalyst for a methanol fuel cell. In addition, the particle diameter of electrodeposited Au that effectively acts on the oxygen reduction reaction is 5 to 200 nm. In order to increase the oxygen reduction activity, the particle diameter needs to be 5 nm or less.
本発明の目的は、粒径が5nm以下で、酸素還元反応に対して活性であり、同時にメタノール酸化反応に対しては不活性である新規な酸素極触媒を提供することである。 An object of the present invention is to provide a novel oxygen electrode catalyst having a particle size of 5 nm or less and active for an oxygen reduction reaction, and at the same time inactive for a methanol oxidation reaction.
本発明の別の目的は、粒径が5nm以下で、酸素還元反応に対して活性であり、同時にメタノール酸化反応に対しては不活性である新規な酸素極触媒を有する直接メタノール型燃料電池を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a direct methanol fuel cell having a novel oxygen electrode catalyst having a particle size of 5 nm or less and active for oxygen reduction reaction and at the same time inactive for methanol oxidation reaction. Is to provide.
本発明の他の目的は、粒径が5nm以下で、酸素還元反応に対して活性であり、同時にメタノール酸化反応に対しては不活性である新規な酸素極触媒の製造方法を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a method for producing a novel oxygen electrode catalyst having a particle size of 5 nm or less and active for oxygen reduction reaction and at the same time inactive for methanol oxidation reaction. is there.
本発明者は鋭意検討を行った結果、Ru粒子をカーボン担体上に還元析出させる際、反応溶液中にSの供給源を存在させる事により、粒径が5nm以下のRuS触媒を合成できる事を発見した。更に、RuS触媒は酸素還元に対しては高活性であるが、メタノール酸化に対しては不活性である事も発見した。Sの無い状態でRuをカーボン担体上に還元析出させるとその粒径は〜10nmとなる。しかし、Sが存在する雰囲気でRuを還元析出させるとその粒径は5nm以下に抑えられる。このため、触媒の比表面積が増加して酸素還元活性が向上すると考えられる。Sによる触媒粒径減少のメカニズムは現時点で明らかではないが、SがRuの粒子成長を抑制する効果を有していると推測される。また、電気陰性度の大きいSがRu表面に存在するとRu表面に部分的に電子密度が低い場所が形成される。このためメタノール水酸基の水素との結合が静電的な反発力により抑制される。このため、RuS触媒上ではメタノール分子が水素結合し難くなり、その結果、メタノールの直接酸化が起こらなくなると考えられる。 As a result of intensive studies, the present inventors have found that when Ru particles are reduced and deposited on a carbon support, a RuS catalyst having a particle size of 5 nm or less can be synthesized by the presence of an S supply source in the reaction solution. discovered. It was further discovered that RuS catalyst is highly active for oxygen reduction but inactive for methanol oxidation. When Ru is reduced and deposited on the carbon support in the absence of S, the particle size becomes 10 nm. However, when Ru is reduced and precipitated in an atmosphere where S is present, the particle size is suppressed to 5 nm or less. For this reason, it is thought that the specific surface area of a catalyst increases and oxygen reduction activity improves. Although the mechanism of the catalyst particle size reduction by S is not clear at present, it is presumed that S has an effect of suppressing Ru particle growth. Further, when S having a high electronegativity is present on the Ru surface, a place having a low electron density is partially formed on the Ru surface. For this reason, the bond between the hydrogen of the methanol hydroxyl group is suppressed by the electrostatic repulsive force. For this reason, it is considered that methanol molecules are difficult to hydrogen bond on the RuS catalyst, and as a result, direct oxidation of methanol does not occur.
従って、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、下記の一般式
RuS
(前記式中、Sの含有率は3at%〜50at%の範囲内である)で示される二元系微粒子からなることを特徴とする燃料電池用酸素極触媒である。
Therefore, the invention according to claim 1 as means for solving the above-described problems is represented by the following general formula.
RuS
The oxygen electrode catalyst for fuel cells is characterized by comprising binary fine particles represented by the formula (wherein the S content is in the range of 3 at% to 50 at%).
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RuS二元系微粒子がカーボン担体上に担持されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池用酸素極触媒である。 The invention according to claim 2 as means for solving the problem is the oxygen electrode catalyst for a fuel cell according to claim 1, wherein the RuS binary fine particles are supported on a carbon support. .
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、前記カーボン担体上に担持されたRuS二元系微粒子の粒径が1nm〜5nmの範囲内であることを特徴とする請求項2記載の燃料電池用酸素極触媒である。 As a means for solving the above-mentioned problems, the invention according to claim 3 is characterized in that the particle size of the RuS binary fine particles supported on the carbon support is in the range of 1 nm to 5 nm. It is an oxygen electrode catalyst for fuel cells as described.
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、前記カーボン担体の比表面積が300m2/g以下であり、かつ、カーボンブラック、アセチレンブラック及びマルチウォールカーボンナノチューブからなる群から選択される少なくとも1種類の担体であることを特徴とする請求項2又は3記載の燃料電池用酸素極触媒である。 As a means for solving the above problem, the invention according to claim 4 is selected from the group consisting of carbon black, acetylene black and multi-wall carbon nanotubes, wherein the carbon support has a specific surface area of 300 m 2 / g or less. The oxygen electrode catalyst for a fuel cell according to claim 2 or 3, wherein the catalyst is at least one kind of support.
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、酸素極触媒層、メタノール極触媒層及びこれらの触媒層間に間挿された固体電解質膜を有する直接メタノール型燃料電池において、
前記酸素極触媒層が請求項1〜4の何れかに記載の酸素極触媒からなることを特徴とする直接メタノール型燃料電池である。
As a means for solving the above problems, the invention according to claim 5 is directed to a direct methanol fuel cell having an oxygen electrode catalyst layer, a methanol electrode catalyst layer, and a solid electrolyte membrane interposed between the catalyst layers.
A direct methanol fuel cell, wherein the oxygen electrode catalyst layer comprises the oxygen electrode catalyst according to any one of claims 1 to 4.
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、前記メタノール極触媒層がPtRuP触媒からなる請求項5記載の直接メタノール型燃料電池である。 The invention according to claim 6 as means for solving the problem is the direct methanol fuel cell according to claim 5, wherein the methanol electrode catalyst layer comprises a PtRuP 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、酸素極触媒層、メタノール極触媒層及びこれらの触媒層間に間挿された固体電解質膜を有する膜電極接合体において、
前記酸素極触媒層が請求項1〜4の何れかに記載の酸素極触媒からなることを特徴とする膜電極接合体である。
As a means for solving the above problems, the invention according to claim 7 includes an oxygen electrode catalyst layer, a methanol electrode catalyst layer, and a membrane electrode assembly having a solid electrolyte membrane interposed between these catalyst layers,
A membrane electrode assembly, wherein the oxygen electrode catalyst layer comprises the oxygen electrode catalyst according to any one of claims 1 to 4.
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、前記メタノール極触媒層がPtRuP触媒からなる請求項7記載の膜電極接合体である。 As a means for solving the above-mentioned problems, the invention according to claim 8 is the membrane electrode assembly according to claim 7, wherein the methanol electrode catalyst layer comprises a PtRuP catalyst.
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、(1)少なくとも1種類のアルコールにRuの塩または錯体とSの供給源及びカーボン担体を供給するステップと、
(2)前記ステップ(1)で得られた混合液を不活性ガス雰囲気中、アルコールの沸点近傍で還流してカーボン担体上にRuS触媒(Sの含有率は3at%〜50at%の範囲内であり、粒径が5nm未満である)を析出させるステップと、
(3)カーボン担体上に析出したRuS触媒を濾別、洗浄、及び乾燥するステップを有することを特徴とするRuS触媒の製造方法である。
As a means for solving the above-mentioned problems, the invention according to claim 9 includes: (1) supplying a Ru salt or complex, a source of S and a carbon support to at least one alcohol;
(2) The mixed liquid obtained in the step (1) is refluxed in the vicinity of the boiling point of alcohol in an inert gas atmosphere, and RuS catalyst (S content is in the range of 3 at% to 50 at%) on the carbon support. And having a particle size of less than 5 nm),
(3) A RuS catalyst production method comprising the steps of filtering, washing, and drying a RuS catalyst deposited on a carbon support.
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Sの供給源が原子価が+6未満の硫黄化合物であることを特徴とする請求項9記載のRuS触媒の製造方法である。 The invention according to claim 10 as means for solving the above-mentioned problem is the RuS catalyst production method according to claim 9, wherein the supply source of S is a sulfur compound having a valence of less than +6. .
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、前記Sの供給源がチオ硫酸アンモニウム、チオ硫酸ナトリウム等のチオ硫酸塩、亜硫酸アンモニウム、亜硫酸ナトリウム等の亜硫酸塩、硫化ナトリウム、三硫化ナトリウム、四硫化ナトリウム等の硫化物、テトラチオン酸ナトリウム、ハイドロサルファイトナトリウムからなる群から選択される少なくとも1種類の硫黄化合物であることを特徴とする請求項9又は10記載のRuS触媒の製造方法である。
As a means for solving the above-mentioned problems, the invention according to claim 11 is characterized in that the supply source of S is thiosulfate such as ammonium thiosulfate and sodium thiosulfate, sulfites such as ammonium sulfite and sodium sulfite, sodium sulfide, and trisulfide. The method for producing a RuS catalyst according to
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、前記アルコールが、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、テトラ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、1,2−ヘキサデカンジオール、クエン酸ナトリウム及びタンニン酸から選択される少なくとも一種以上のアルコールであることを特徴とする請求項9記載のRuS触媒の製造方法である。
As a means for solving the above-mentioned problems, the invention according to
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、(1)水中にRuの塩または錯体、Sを含有する還元剤及びカーボン担体を供給するスッテプと、
(2)前記ステップ(1)で得られた混合液を50℃以上に加熱して無電解メッキによりカーボン担体上にRuS触媒(Sの含有率は3at%〜50at%の範囲内であり、粒径が5nm未満である)を析出させるステップと、
(3)カーボン担体上に析出したRuS触媒を濾別、洗浄、及び乾燥するステップを有することを特徴とするRuS触媒の製造方法である。
As a means for solving the above-mentioned problems, the invention according to claim 13 includes: (1) a step of supplying a Ru salt or complex, a reducing agent containing S and a carbon support into water;
(2) The mixed solution obtained in the step (1) is heated to 50 ° C. or more and subjected to electroless plating on a carbon support to form a RuS catalyst (the content of S is in the range of 3 at% to 50 at%, Depositing a diameter of less than 5 nm),
(3) A RuS catalyst production method comprising the steps of filtering, washing, and drying a RuS catalyst deposited on a carbon support.
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、前記Sを含有する還元剤が原子価が+6未満の硫黄化合物であることを特徴とする請求項13記載のRuS触媒の製造方法である。 The invention according to claim 14 as means for solving the above-mentioned problems is that the reducing agent containing S is a sulfur compound having a valence of less than +6. It is.
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、前記Sを含有する還元剤がチオ硫酸アンモニウム、チオ硫酸ナトリウム等のチオ硫酸塩、亜硫酸アンモニウム、亜硫酸ナトリウム等の亜硫酸塩、硫化ナトリウム、三硫化ナトリウム、四硫化ナトリウム等の硫化物、テトラチオン酸ナトリウム、ハイドロサルファイトナトリウムからなる群から選択される少なくとも1種類の硫黄化合物であることを特徴とする請求項13又は14記載のRuS触媒の製造方法である。 As a means for solving the above problems, the invention according to claim 15 is characterized in that the reducing agent containing S is a thiosulfate such as ammonium thiosulfate or sodium thiosulfate, a sulfite such as ammonium sulfite or sodium sulfite, sodium sulfide, The RuS catalyst according to claim 13 or 14, which is at least one sulfur compound selected from the group consisting of sulfides such as sodium trisulfide and sodium tetrasulfide, sodium tetrathionate, and sodium hydrosulfite. It is a manufacturing method.
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、(1)水中にRuの塩または錯体、Sを含有する化合物及びカーボン担体を供給するスッテプと、
(2)前記ステップ(1)で得られた混合液を超音波処理してカーボン担体上にRuS触媒(Sの含有率は3at%〜50at%の範囲内であり、粒径が5nm未満である)を析出させるステップと、
(3) カーボン担体上に析出したRuS触媒を濾別、洗浄、及び乾燥するステップを有することを特徴とするRuS触媒の製造方法である。
As a means for solving the above-mentioned problems, the invention according to
(2) The mixed solution obtained in the step (1) is subjected to ultrasonic treatment, and a RuS catalyst on the carbon support (the content of S is in the range of 3 at% to 50 at%, and the particle size is less than 5 nm. )
(3) A RuS catalyst production method comprising the steps of filtering, washing, and drying a RuS catalyst deposited on a carbon support.
前記課題を解決するための手段として請求項17に係る発明は、前記Sを含有する化合物が原子価が+6未満の硫黄化合物であることを特徴とする請求項13記載のRuS触媒の製造方法である。 The invention according to claim 17 as means for solving the above-mentioned problem is the method for producing a RuS catalyst according to claim 13, wherein the compound containing S is a sulfur compound having a valence of less than +6. is there.
前記課題を解決するための手段として請求項18に係る発明は、前記Sを含有する化合物がチオ硫酸アンモニウム、チオ硫酸ナトリウム等のチオ硫酸塩、亜硫酸アンモニウム、亜硫酸ナトリウム等の亜硫酸塩、硫化ナトリウム、三硫化ナトリウム、四硫化ナトリウム等の硫化物、テトラチオン酸ナトリウム、ハイドロサルファイトナトリウムからなる群から選択される少なくとも1種類の硫黄化合物であることを特徴とする請求項16又は17記載のRuS触媒の製造方法である。
As a means for solving the above-mentioned problems, the invention according to
本発明によれば、直接メタノール型燃料電池のRu酸素極触媒にSを含ませることにより、Ru触媒の粒径が5nm以下に減少して触媒表面積が増加し、その結果、酸素還元活性を高める事ができる。またRuS触媒はメタノール酸化に対して不活性であるため、メタノールクロスオーバーによる酸素還元過電圧を抑制し電圧低下を防ぐ事が出来る。 According to the present invention, by including S in the Ru oxygen electrode catalyst of a direct methanol fuel cell, the particle size of the Ru catalyst is reduced to 5 nm or less, the catalyst surface area is increased, and as a result, the oxygen reduction activity is increased. I can do things. Further, since the RuS catalyst is inactive with respect to methanol oxidation, it is possible to suppress an oxygen reduction overvoltage due to methanol crossover and prevent a voltage drop.
本発明による燃料電池用の酸素極触媒は、炭素基材上に担持された下記の一般式、
RuS
で示される二元系微粒子からなる。前記式中、Sの含有率は3at%〜50at%の範囲内であることが好ましい。Sの含有率が3at%未満の場合、酸素極触媒の粒径を十分に減少させる事ができない。一方、Sの含有率が50at%超の場合、酸素極触媒の酸素還元活性が低下するため好ましくない。
An oxygen electrode catalyst for a fuel cell according to the present invention has the following general formula supported on a carbon substrate,
RuS
It consists of the binary system fine particle shown by these. In the above formula, the S content is preferably in the range of 3 at% to 50 at%. When the S content is less than 3 at%, the particle size of the oxygen electrode catalyst cannot be reduced sufficiently. On the other hand, when the S content is more than 50 at%, the oxygen reduction activity of the oxygen electrode catalyst decreases, which is not preferable.
RuS触媒の粒径は1nm〜5nmの範囲内である事が好ましい。粒径が5nmより大きくなると、触媒単位重量当たりの表面積が減少し、その結果、酸素還元活性が低下する。一方、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。 The particle size of the RuS catalyst is preferably in the range of 1 nm to 5 nm. When the particle diameter is larger than 5 nm, the surface area per unit weight of the catalyst is decreased, and as a result, the oxygen reduction activity is decreased. On the other hand, when the particle size is less than 1 nm, the activity of the synthesized catalyst surface is extremely high, so a compound is formed in the surrounding material and the catalyst surface layer, and the activity of the catalyst itself is lowered.
RuS触媒の担体としては、比表面積が300m2/g未満のカーボンブラック、アセチレンブラック及びマルチウォールカーボンナノチューブが適する。比表面積が300m2/g超より大きいカーボン担体中には多くの微細孔が存在する。このため、比表面積が300m2/g超より大きいカーボン担体を使用すると、微細孔中に埋没する触媒粒子の割合が増加する。カーボン担体の微細孔に埋没したRuS触媒は酸素還元反応に寄与することができず、このため、比表面積が300m2/gより大きいカーボン担体を使用すると触媒の利用効率が低下して酸素還元活性が低下する。一方、比表面積が300m2/g未満のカーボン担体では、上述した微細孔が少ないため、RuS触媒の利用効率が向上し、酸素還元活性が高まる。特に、カーボン担体がアセチレンブラックやマルチウォールカーボンナノチューブでは、微細孔が存在しないため、全てのRuS触媒粒子が担体表面に析出し、そのため触媒の利用効率が高まり、酸素還元活性が向上する。カーボン担体の比表面積の下限値は一般的に、20m2/g程度であることが好ましい。比表面積が20m2/g未満では触媒を十分に担持させる事が困難となる。 As the RuS catalyst support, carbon black, acetylene black and multi-wall carbon nanotubes having a specific surface area of less than 300 m 2 / g are suitable. Many micropores exist in the carbon support having a specific surface area of more than 300 m 2 / g. For this reason, when a carbon support having a specific surface area larger than 300 m 2 / g is used, the ratio of the catalyst particles buried in the micropores increases. The RuS catalyst embedded in the micropores of the carbon support cannot contribute to the oxygen reduction reaction. For this reason, if a carbon support having a specific surface area greater than 300 m 2 / g is used, the utilization efficiency of the catalyst is reduced and the oxygen reduction activity is reduced. Decreases. On the other hand, in the carbon support having a specific surface area of less than 300 m 2 / g, the utilization efficiency of the RuS catalyst is improved and the oxygen reduction activity is increased because the above-mentioned fine pores are few. In particular, when the carbon support is acetylene black or multi-wall carbon nanotubes, since there are no micropores, all RuS catalyst particles are deposited on the support surface, so that the utilization efficiency of the catalyst is increased and the oxygen reduction activity is improved. In general, the lower limit of the specific surface area of the carbon support is preferably about 20 m 2 / g. When the specific surface area is less than 20 m 2 / g, it becomes difficult to support the catalyst sufficiently.
本発明のRuS触媒微粒子は、無電解メッキ法、アルコール還元法又は超音波還元法により製造することができる。 The RuS catalyst fine particles of the present invention can be produced by an electroless plating method, an alcohol reduction method, or an ultrasonic reduction method.
本発明のRuS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)少なくとも1種類のアルコールにRuの塩または錯体とSの供給源及びカーボン担体を供給するステップと、
(2)前記ステップ(1)で得られた混合液を不活性ガス雰囲気中、アルコールの沸点近傍で還流してカーボン担体上にRuS触媒を析出させるステップと、
(3)カーボン担体上に析出したRuS触媒を濾別、洗浄、及び乾燥するステップとからなる。
The production method of the RuS catalyst fine particles of the present invention by the alcohol reduction method is basically:
(1) supplying a Ru salt or complex, a source of S and a carbon support to at least one alcohol;
(2) refluxing the mixed liquid obtained in step (1) in the vicinity of the boiling point of the alcohol in an inert gas atmosphere to deposit a RuS catalyst on the carbon support;
(3) The step comprises filtering, washing, and drying the RuS catalyst deposited on the carbon support.
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.
このアルコール還元法で使用されるSの供給源としては、チオ硫酸アンモニウム、チオ硫酸ナトリウム等のチオ硫酸塩、亜硫酸アンモニウム、亜硫酸ナトリウム等の亜硫酸塩、硫化ナトリウム、三硫化ナトリウム、四硫化ナトリウム等の硫化物、テトラチオン酸ナトリウム、ハイドロサルファイトナトリウム等を使用する事が出来る。基本的には、原子価が+6未満の硫黄化合物を使用する事が出来る。Sの供給源として硫酸塩は本発明に使用する事は出来ない。硫酸イオンはその原子価は+6価であり最高原子価に達している。+6価のSはその電子配置が希ガスであるNeと同じ状態となっている。このため、+6価のSはオクテット則により極めて安定化し、Ruとの化合物を形成する事が出来ない。 The source of S used in this alcohol reduction method includes thiosulfates such as ammonium thiosulfate and sodium thiosulfate, sulfites such as ammonium sulfite and sodium sulfite, and sulfides such as sodium sulfide, sodium trisulfide and sodium tetrasulfide. Products, sodium tetrathionate, sodium hydrosulfite, and the like can be used. Basically, sulfur compounds having a valence of less than +6 can be used. Sulfate cannot be used in the present invention as a source of S. Sulfate ion has a valence of +6 and reaches the highest valence. +6 valent S is in the same state as Ne, which is a rare gas, in the electron configuration. For this reason, +6 valent S is extremely stabilized by the octet rule and cannot form a compound with Ru.
本アルコール還元法に使用されるアルコールは、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、テトラ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、1,2−ヘキサデカンジオール、クエン酸ナトリウム及びタンニン酸から選択される少なくとも一種以上のアルコールを使用する事が出来る。また、これらのアルコールは単独で使用することもできるし、或いは水を添加したアルコールを使用することもできる。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。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。 Alcohols used in this alcohol reduction method are methyl alcohol, ethyl alcohol, ethylene glycol, tetraethylene glycol, glycerin, propylene glycol, isoamyl alcohol, n-amyl alcohol, sec-butyl alcohol, n-butyl alcohol, isobutyl alcohol, At least one alcohol selected from allyl alcohol, n-propyl alcohol, 2-ethoxy alcohol, 1,2-hexadecanediol, sodium citrate and tannic acid can be used. In addition, these alcohols can be used alone, or an alcohol to which water has been added can be used. 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. 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.
本発明のRuS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)水中にRuの塩または錯体、Sを含有する還元剤及びカーボン担体を供給するスッテプと、
(2)前記ステップ(1)で得られた混合液を50℃以上に加熱して無電解メッキによりカーボン担体上にRuS触媒を析出させるステップと、
(3)カーボン担体上に析出したRuS触媒を濾別、洗浄、及び乾燥するステップとかからなる。
The production method of the RuS catalyst fine particles of the present invention by the electroless plating method is basically:
(1) a step for supplying a Ru salt or complex in water, a reducing agent containing S and a carbon support;
(2) heating the mixed solution obtained in the step (1) to 50 ° C. or higher to deposit a RuS catalyst on the carbon support by electroless plating;
(3) It comprises the steps of filtering, washing, and drying the RuS catalyst deposited on the carbon support.
本無電解メッキ法におけるSを含有する還元剤としては、チオ硫酸アンモニウム、チオ硫酸ナトリウム等のチオ硫酸塩、亜硫酸アンモニウム、亜硫酸ナトリウム等の亜硫酸塩、硫化ナトリウム、三硫化ナトリウム、四硫化ナトリウム等の硫化物、テトラチオン酸ナトリウム、ハイドロサルファイトナトリウム等を使用する事が出来る。基本的には、原子価が+6未満の硫黄化合物を使用する事が出来る。Sの供給源として硫酸塩は本発明に使用する事は出来ない。硫酸イオンはその原子価は+6価であり最高原子価に達している。+6価のSはその電子配置が希ガスであるNeと同じ状態となっている。このため、+6価のSはオクテット則により極めて安定化し、Ruとの化合物を形成する事が出来ない。 The reducing agent containing S in the electroless plating method includes thiosulfates such as ammonium thiosulfate and sodium thiosulfate, sulfites such as ammonium sulfite and sodium sulfite, and sulfides such as sodium sulfide, sodium trisulfide and sodium tetrasulfide. Products, sodium tetrathionate, sodium hydrosulfite, and the like can be used. Basically, sulfur compounds having a valence of less than +6 can be used. Sulfate cannot be used in the present invention as a source of S. Sulfate ion has a valence of +6 and reaches the highest valence. +6 valent S is in the same state as Ne, which is a rare gas, in the electron configuration. For this reason, +6 valent S is extremely stabilized by the octet rule and cannot form a compound with Ru.
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。 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.
本発明のRuS触媒微粒子の超音波還元法による製造方法は基本的に、
(1) 水中にRuの塩または錯体、Sを含有する化合物及びカーボン担体を供給するスッテプと、
(2)前記ステップ(1)で得られた混合液を超音波処理してカーボン担体上にRuS触媒を析出させるステップと
(3) カーボン担体上に析出したRuS触媒を濾別、洗浄、及び乾燥するステップとかからなる。
The production method of the RuS catalyst fine particles of the present invention by the ultrasonic reduction method is basically:
(1) a step for supplying a salt or complex of Ru, a compound containing S and a carbon support in water;
(2) a step of sonicating the mixed solution obtained in the step (1) to deposit a RuS catalyst on the carbon support; and (3) filtering, washing, and drying the RuS catalyst deposited on the carbon support. It consists of steps to do.
この超音波還元法において使用されるSを含有する化合物としては、チオ硫酸アンモニウム、チオ硫酸ナトリウム等のチオ硫酸塩、亜硫酸アンモニウム、亜硫酸ナトリウム等の亜硫酸塩、硫化ナトリウム、三硫化ナトリウム、四硫化ナトリウム等の硫化物、テトラチオン酸ナトリウム、ハイドロサルファイトナトリウム等を使用する事が出来る。基本的には、原子価が+6未満の硫黄化合物を使用する事が出来る。Sの供給源として硫酸塩は本発明に使用する事は出来ない。硫酸イオンはその原子価は+6価であり最高原子価に達している。+6価のSはその電子配置が希ガスであるNeと同じ状態となっている。このため、+6価のSはオクテット則により極めて安定化し、Ruとの化合物を形成する事が出来ない。 The compounds containing S used in this ultrasonic reduction method include thiosulfates such as ammonium thiosulfate and sodium thiosulfate, sulfites such as ammonium sulfite and sodium sulfite, sodium sulfide, sodium trisulfide, sodium tetrasulfide and the like. Sulfides, sodium tetrathionate, sodium hydrosulfite, and the like can be used. Basically, sulfur compounds having a valence of less than +6 can be used. Sulfate cannot be used in the present invention as a source of S. Sulfate ion has a valence of +6 and reaches the highest valence. +6 valent S is in the same state as Ne, which is a rare gas, in the electron configuration. For this reason, +6 valent S is extremely stabilized by the octet rule and cannot form a compound with Ru.
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.
本発明のRuS酸素極触媒と対で使用されるメタノール極触媒としては、直接メタノール型燃料電池において従来から使用されているメタノール極触媒(例えば、PtRuなど)を使用することもできるが、本願出願人の先願に係る特願2003−433758,特願2004−206232,特願2004−271034及び特願2004−373450の各明細書に記載されているPtRuP触媒粒子を使用することが好ましい。 As the methanol electrode catalyst used in combination with the RuS oxygen electrode catalyst of the present invention, a methanol electrode catalyst conventionally used in direct methanol fuel cells (for example, PtRu) can be used. PtRuP catalyst particles described in the specifications of Japanese Patent Application No. 2003-433758, Japanese Patent Application No. 2004-206232, Japanese Patent Application No. 2004-271434, and Japanese Patent Application No. 2004-373450 relating to human prior applications are preferably used.
塩化ルテニウム(III)・n水和物1.69ミリモルとチオ硫酸ナトリウム0.169ミリモルをエタノール/水溶液200ml(50vol%/50vol%)に溶解させ、カーボン担体(バルカンXC−72R,比表面積254m2/g)0.17gを超音波分散させた。その後、窒素ガス雰囲気下、95℃でこの溶液を攪拌しながら2時間還流し、RuS微粒子をカーボン担体上に析出担持させた。反応終了後、濾過洗浄して乾燥させRuS触媒を得た。 1.69 mmol of ruthenium (III) chloride n-hydrate and 0.169 mmol of sodium thiosulfate were dissolved in 200 ml of ethanol / water solution (50 vol% / 50 vol%), and a carbon support (Vulcan XC-72R, specific surface area 254 m 2). / G) 0.17 g was ultrasonically dispersed. Thereafter, this solution was refluxed for 2 hours at 95 ° C. under a nitrogen gas atmosphere, and RuS fine particles were deposited and supported on the carbon support. After completion of the reaction, the reaction product was filtered, washed and dried to obtain a RuS catalyst.
塩化ルテニウム(III)・n水和物と亜硫酸ナトリウム0.338ミリモルをエタノール/水溶液200ml(50vol%/50vol%)に溶解させ、カーボン担体(バルカンXC−72R,比表面積254m2/g)0.17gを超音波分散させた。その後、窒素ガス雰囲気下、95℃でこの溶液を攪拌しながら2時間還流し、RuS微粒子をカーボン担体上に析出担持させた。反応終了後、濾過洗浄して乾燥させRuS触媒を得た。 Ruthenium (III) chloride n hydrate and 0.338 mmol of sodium sulfite were dissolved in 200 ml of ethanol / water solution (50 vol% / 50 vol%) to obtain a carbon support (Vulcan XC-72R, specific surface area 254 m 2 / g). 17 g was ultrasonically dispersed. Thereafter, this solution was refluxed for 2 hours at 95 ° C. under a nitrogen gas atmosphere, and RuS fine particles were deposited and supported on the carbon support. After completion of the reaction, the reaction product was filtered, washed and dried to obtain a RuS catalyst.
塩化ルテニウム(III)・n水和物1.69ミリモルをエタノール/水溶液200ml(50vol%/50vol%)に溶解させ、カーボン担体(バルカンXC−72R,比表面積254m2/g)0.17gを超音波分散させた。その後、窒素ガス雰囲気下、95℃でこの溶液を攪拌しながら2時間還流し、Ru微粒子をカーボン担体上に析出担持させた。反応終了後、濾過洗浄して乾燥させRu触媒を得た。 1.69 mmol of ruthenium (III) chloride n-hydrate is dissolved in 200 ml of ethanol / water solution (50 vol% / 50 vol%), and the carbon support (Vulcan XC-72R, specific surface area 254 m 2 / g) exceeds 0.17 g. Sonic dispersion was performed. Thereafter, this solution was refluxed for 2 hours with stirring at 95 ° C. in a nitrogen gas atmosphere, and Ru fine particles were deposited and supported on the carbon support. After completion of the reaction, the catalyst was washed by filtration and dried to obtain a Ru catalyst.
実施例1、2及び比較例1で得られた触媒の粒径を電子顕微鏡で調べた。またその組成を蛍光X線で分析した。結果を表1に示す。実施例1及び2では触媒の粒径は〜4nmとなっているのに対し、比較例1では〜8nmと大きい。この結果からS添加によるRu触媒の微粒子化が確認できた。 The particle diameters of the catalysts obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 were examined with an electron microscope. The composition was analyzed by fluorescent X-ray. The results are shown in Table 1. In Examples 1 and 2, the particle size of the catalyst is ˜4 nm, while in Comparative Example 1, it is as large as ˜8 nm. From this result, it was confirmed that the Ru catalyst was finely divided by the addition of S.
実施例1で得られたRuS触媒に純水とナフィオン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酸素極触媒用インクとした。これをテフロンシート上にRuS触媒の塗布量が5mg/cm2になるように塗布した。塗膜を乾燥させた後テフロンシートを剥がした。また、バルカンXC−72Rに担持されたPtRuP触媒に純水とナフィオン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メタノール極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/cm2になるように塗布した。塗膜を乾燥させた後、テフロンシートを剥がした。その後RuS酸素極触媒とPtRuPメタノール極触媒をホットプレスにより、固体高分子電解質膜(デュポン社製ナフィオン)の両側にホットプレスにより接合させた。燃料として15wt%メタノール水溶液を用い、図1に示す直接メタノール型燃料電池10を作製した。
図1において、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(デュポン社製ナフィオン)、18はメタノール極側拡散層、20はメタノール極側集電体、30はメタノール導入孔、24は酸素極側集電体12に設けられた空気導入孔、26は酸素極触媒層(RuS)、28はメタノール極触媒層(PtRuP)である。酸素極側集電体12は、空気導入孔24を介して外気(酸素)を取り込む通気構造体としての機能を有するとともに、集電機能をも有している。固体高分子電解質膜(デュポン社製ナフィオン)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、さらにメタノール極と酸素極との短絡を防止するセパレータとしての機能を備えている。このように構成される直接メタノール型燃料電池において、メタノール極側集電体20から供給されるメタノール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、電子、プロトン及び二酸化炭素に変換され、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。直接メタノール型燃料電池では、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。
After adding pure water and an alcohol solution of Nafion to the RuS catalyst obtained in Example 1 and stirring, the viscosity was adjusted to obtain an ink for an oxygen electrode catalyst. This was applied on a Teflon sheet so that the amount of RuS catalyst applied was 5 mg / cm 2 . After drying the coating film, the Teflon sheet was peeled off. Further, after adding pure water and an alcohol solution of Nafion to the PtRuP catalyst supported on Vulcan XC-72R and stirring, the viscosity was adjusted to obtain a methanol electrode catalyst ink. This was coated on a Teflon sheet so that the coating amount of the PtRuP catalyst was 5 mg / cm 2 . After drying the coating film, the Teflon sheet was peeled off. Thereafter, the RuS oxygen electrode catalyst and the PtRuP methanol electrode catalyst were bonded to both sides of the solid polymer electrolyte membrane (Nafion manufactured by DuPont) by hot pressing. A direct
In FIG. 1, 12 is an oxygen electrode side current collector, 14 is an oxygen electrode side diffusion layer, 16 is a solid polymer electrolyte membrane (Nafion manufactured by DuPont), 18 is a methanol electrode side diffusion layer, and 20 is a methanol electrode side current collector. 30 is a methanol introduction hole, 24 is an air introduction hole provided in the oxygen electrode side
実施例3における酸素極触媒として実施例2で合成したRuS触媒を用いた事以外は実施例3と同様に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 RuS catalyst synthesized in Example 2 was used as the oxygen electrode catalyst in Example 3.
実施例3における酸素極触媒として比較例1のRu触媒を使用したこと以外は実施例3と同様に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 Ru catalyst of Comparative Example 1 was used as the oxygen electrode catalyst in Example 3.
実施例3、4及び比較例2で得られた直接メタノール型燃料電池の出力密度を下記の表2に示す。実施例3及び4では酸素極触媒として粒径が〜4nmで酸素還元活性が高く、メタノール酸化に対して不活性のRuS触媒を使用しているため、70mW/cm2以上の高出力密度が得られている。一方、比較例2では酸素極触媒として粒径〜8nmの純Ru触媒を使用しているため、酸素還元活性が低い事とメタノールクロスオーバーによる酸素極Ru触媒上でのメタノール直接酸化により、出力密度は50mW/cm2と低い値となっている。 The power density of the direct methanol fuel cells obtained in Examples 3 and 4 and Comparative Example 2 is shown in Table 2 below. In Examples 3 and 4, since a RuS catalyst having a particle diameter of ˜4 nm and high oxygen reduction activity and inert to methanol oxidation is used as an oxygen electrode catalyst, a high output density of 70 mW / cm 2 or more is obtained. It has been. On the other hand, in Comparative Example 2, since a pure Ru catalyst having a particle diameter of 8 nm is used as the oxygen electrode catalyst, the output density is reduced due to low oxygen reduction activity and direct oxidation of methanol on the oxygen electrode Ru catalyst by methanol crossover. Is as low as 50 mW / cm 2 .
塩化ルテニウム(III)・n水和物1.69ミリモルとチオ硫酸ナトリウム(0.0845〜0.845ミリモルまで変化させてエタノール/水溶液200ml(50vol%/50vol%)に溶解させ、カーボン担体(バルカンXC−72R,比表面積254m2/g)0.17gを超音波分散させた。その後、窒素ガス雰囲気下、95℃でこの溶液を攪拌しながら2時間還流し、RuS微粒子をカーボン担体上に析出担持させた。反応終了後、濾過洗浄して乾燥させRuS触媒を得た。 Ruthenium (III) chloride n hydrate 1.69 mmol and sodium thiosulfate (0.0845 to 0.845 mmol, dissolved in 200 ml ethanol / water solution (50 vol% / 50 vol%) (XC-72R, specific surface area 254 m 2 / g) 0.17 g was ultrasonically dispersed, and then this solution was refluxed for 2 hours with stirring at 95 ° C. in a nitrogen gas atmosphere to precipitate RuS fine particles on the carbon support. After completion of the reaction, the reaction product was filtered, washed and dried to obtain a RuS catalyst.
実施例5で得られたS濃度の異なるRuS触媒を酸素極触媒とし、実施例3と同様な直接メタノール型燃料電池を作製し、出力密度を測定した。下記の表3に触媒組成、粒径及び出力密度を示す。RuS触媒のS組成が4〜30at%までは69〜78mW/cm2の高出力密度が得られている。しかし、S組成が50at%を越えるとRu濃度の減少により酸素還元活性が低下して出力密度が減少している事が分かる。 Using the RuS catalyst having a different S concentration obtained in Example 5 as an oxygen electrode catalyst, a direct methanol fuel cell similar to that in Example 3 was produced, and the output density was measured. Table 3 below shows the catalyst composition, particle size and power density. When the S composition of the RuS catalyst is 4 to 30 at%, a high output density of 69 to 78 mW / cm 2 is obtained. However, it can be seen that when the S composition exceeds 50 at%, the oxygen reduction activity decreases due to the decrease in the Ru concentration and the output density decreases.
塩化ルテニウム(III)・n水和物1.69ミリモルとチオ硫酸ナトリウム0.4225ミリモルをエタノール/水溶液200ml(50vol%/50vol%)に溶解させ、カーボン担体(アセチレンブラック,比表面積68m2/g)0.17gを超音波分散させた。その後、窒素ガス雰囲気下、95℃でこの溶液を攪拌しながら2時間還流し、RuS微粒子をカーボン担体上に析出担持させた。反応終了後、濾過洗浄して乾燥させRuS触媒を得た。触媒の粒径を電子顕微鏡で調べた結果、3nmであり、組成を蛍光Xで分析した結果、Ru70S30であった。 1.69 mmol of ruthenium (III) chloride n-hydrate and 0.4225 mmol of sodium thiosulfate were dissolved in 200 ml of ethanol / water solution (50 vol% / 50 vol%), and a carbon support (acetylene black, specific surface area 68 m 2 / g). ) 0.17 g was ultrasonically dispersed. Thereafter, this solution was refluxed for 2 hours at 95 ° C. under a nitrogen gas atmosphere, and RuS fine particles were deposited and supported on the carbon support. After completion of the reaction, the reaction product was filtered, washed and dried to obtain a RuS catalyst. As a result of examining the particle size of the catalyst with an electron microscope, it was 3 nm, and as a result of analyzing the composition with fluorescence X, it was Ru 70 S 30 .
実施例6で得られたRu70S30触媒を酸素極触媒とし、実施例3と同様な直接メタノール型燃料電池を作製し、出力密度を測定した。その結果、85mW/cm2の高出力密度が得られた。カーボン担体が比表面積68m2/gのアセチレンブラックの場合、担体に微細孔は存在しない。従って、RuS触媒は微細孔に埋没する事無く、全てアセチレンブラック担体表面上に析出している。このため、比表面積が254m2/gのカーボンブラックであるバルカン−XC72Rに比較して酸素還元反応に寄与する触媒粒子数が増加し、トータルの酸素還元活性が高まったものと考えられる。 Using the Ru 70 S 30 catalyst obtained in Example 6 as an oxygen electrode catalyst, a direct methanol fuel cell similar to that in Example 3 was produced, and the output density was measured. As a result, a high power density of 85 mW / cm 2 was obtained. When the carbon support is acetylene black having a specific surface area of 68 m 2 / g, there are no micropores in the support. Therefore, the RuS catalyst is all deposited on the surface of the acetylene black support without being buried in the fine pores. For this reason, it is considered that the number of catalyst particles contributing to the oxygen reduction reaction is increased as compared with Vulcan-XC72R, which is carbon black having a specific surface area of 254 m 2 / g, and the total oxygen reduction activity is increased.
塩化ルテニウム(III)・n水和物1.69ミリモルとチオ硫酸ナトリウム0.4225ミリモルをエタノール/水溶液200ml(50vol%/50vol%)に溶解させ、カーボン担体(マルチウォールカーボンナノチューブ,比表面積30m2/g)0.17gを超音波分散させた。その後、窒素ガス雰囲気下、95℃でこの溶液を攪拌しながら2時間還流し、RuS微粒子をカーボン担体上に析出担持させた。反応終了後、濾過洗浄して乾燥させRuS触媒を得た。触媒の粒径を電子顕微鏡で調べた結果、3nmであり、組成を蛍光Xで分析した結果、Ru70S30であった。 1.69 mmol of ruthenium (III) chloride n-hydrate and 0.4225 mmol of sodium thiosulfate were dissolved in 200 ml of ethanol / water solution (50 vol% / 50 vol%), and a carbon support (multi-wall carbon nanotube, specific surface area 30 m 2). / G) 0.17 g was ultrasonically dispersed. Thereafter, this solution was refluxed for 2 hours at 95 ° C. under a nitrogen gas atmosphere, and RuS fine particles were deposited and supported on the carbon support. After completion of the reaction, the reaction product was filtered, washed and dried to obtain a RuS catalyst. As a result of examining the particle size of the catalyst with an electron microscope, it was 3 nm, and as a result of analyzing the composition with fluorescence X, it was Ru 70 S 30 .
実施例8で得られたRu70S30触媒を酸素極触媒とし、実施例3と同様な直接メタノール型燃料電池を作製し、出力密度を測定した。その結果、90mW/cm2の高出力密度が得られた。カーボン担体が比表面積30m2/gのマルチウォールカーボンナノチューブの場合、担体に微細孔は存在しない。従って、RuS触媒は微細孔に埋没する事無く、全てマルチウォールカーボンナノチューブ担体表面上に析出している。このため、比表面積が254m2/gのカーボンブラックであるバルカン−XC72Rに比較して酸素還元反応に寄与する触媒粒子数が増加し、トータルの酸素還元活性が高まったものと考えられる。また、マルチウォールカーボンナノチューブは嵩高く、RuS触媒粒子を担持した酸素極触媒層中に多くの物理的空隙が存在している事が走査型電子顕微鏡観察で明らかになった。この物理的空隙が空気中の酸素ガスの拡散及び酸素極で発生する水の拡散蒸発を促進し、電池特性が高まったものと考えられる。 Using the Ru 70 S 30 catalyst obtained in Example 8 as an oxygen electrode catalyst, a direct methanol fuel cell similar to that in Example 3 was produced, and the output density was measured. As a result, a high power density of 90 mW / cm 2 was obtained. When the carbon support is a multi-wall carbon nanotube having a specific surface area of 30 m 2 / g, there are no micropores in the support. Therefore, the RuS catalyst is all deposited on the surface of the multi-wall carbon nanotube support without being buried in the micropores. For this reason, it is considered that the number of catalyst particles contributing to the oxygen reduction reaction is increased as compared with Vulcan-XC72R, which is carbon black having a specific surface area of 254 m 2 / g, and the total oxygen reduction activity is increased. Further, the multi-wall carbon nanotubes are bulky, and it was revealed by scanning electron microscope observation that many physical voids exist in the oxygen electrode catalyst layer supporting RuS catalyst particles. This physical void is considered to promote the diffusion of oxygen gas in the air and the diffusion and evaporation of water generated at the oxygen electrode, thereby improving the battery characteristics.
塩化ルテニウム(III)・n水和物1.69ミリモルとチオ硫酸ナトリウム0.4225ミリモルを純水に溶解させ、カーボン担体(バルカンP,比表面積140m2/g)0.17gを添加し、攪拌した。その後、この溶液を6時間超音波処理し、RuS微粒子をカーボン担体上に析出担持させた。反応終了後、濾過洗浄して乾燥させRuS触媒を得た。触媒の粒径を電子顕微鏡で調べた結果、3nmであり、組成を蛍光Xで分析した結果、Ru70S30であった。 1.69 mmol of ruthenium (III) chloride.n hydrate and 0.4225 mmol of sodium thiosulfate are dissolved in pure water, 0.17 g of carbon support (Vulcan P, specific surface area 140 m 2 / g) is added and stirred. did. Thereafter, this solution was subjected to ultrasonic treatment for 6 hours, and RuS fine particles were deposited and supported on the carbon support. After completion of the reaction, the reaction product was filtered, washed and dried to obtain a RuS catalyst. As a result of examining the particle size of the catalyst with an electron microscope, it was 3 nm, and as a result of analyzing the composition with fluorescence X, it was Ru 70 S 30 .
実施例10で得られたRu70S30触媒を酸素極触媒とし、実施例3と同様な直接メタノール型燃料電池を作製し、出力密度を測定した。その結果、80mW/cm2の高出力密度が得られた。カーボン担体が比表面積140m2/gのバルカンPの場合、バルカン−XC72R担体に比較して比表面積が小さく、このため担体に存在する微細孔が少ない。このため、微細孔に埋没するRuS触媒が減少して酸素還元反応に寄与する触媒粒子数が増加して酸素還元活性が高まったものと考えられる。 Using the Ru 70 S 30 catalyst obtained in Example 10 as an oxygen electrode catalyst, a direct methanol fuel cell similar to that in Example 3 was produced, and the output density was measured. As a result, a high power density of 80 mW / cm 2 was obtained. When the carbon support is Vulcan P having a specific surface area of 140 m 2 / g, the specific surface area is smaller than that of the Vulcan-XC72R support, and therefore there are few micropores present in the support. For this reason, it is considered that the RuS catalyst buried in the micropores decreased, the number of catalyst particles contributing to the oxygen reduction reaction increased, and the oxygen reduction activity increased.
塩化ルテニウム(III)・n水和物1.69ミリモルとチオ硫酸ナトリウム0.169ミリモルを純水400mlに溶解させた。この水溶液にカーボン担体(バルカンXC−72R,比表面積254m2/g)0.17gを超音波分散させた。水酸化ナトリウム水溶液を滴下し、pHメーターを用いて溶液をpH12に調整した。大気中で撹拌しながらホットプレートを用いて液温を80℃に昇温して2時間この温度で無電解メッキを行い、RuS微粒子をカーボン担体上に析出担持させた。反応終了後、濾過、洗浄、乾燥させRuS触媒を得た。
1.69 mmol of ruthenium (III) chloride.n hydrate and 0.169 mmol of sodium thiosulfate were dissolved in 400 ml of pure water. Carbon solution (Vulcan XC-72R, specific surface area 254 m 2 / g) 0.17 g was ultrasonically dispersed in this aqueous solution. An aqueous sodium hydroxide solution was added dropwise, and the solution was adjusted to
塩化ルテニウム(III)・n水和物1.69ミリモルと亜硫酸ナトリウム0.338ミリモルを純水400mlに溶解させた。この水溶液にカーボン担体(バルカンXC−72R,比表面積254m2/g)0.17gを超音波分散させた。水酸化ナトリウム水溶液を滴下し、pHメーターを用いて溶液をpH12に調整した。大気中で撹拌しながらホットプレートを用いて液温を80℃に昇温して2時間この温度で無電解メッキを行い、RuS微粒子をカーボン担体上に析出担持させた。反応終了後、濾過、洗浄、乾燥させRuS触媒を得た。
1.69 mmol of ruthenium (III) chloride.n hydrate and 0.338 mmol of sodium sulfite were dissolved in 400 ml of pure water. Carbon solution (Vulcan XC-72R, specific surface area 254 m 2 / g) 0.17 g was ultrasonically dispersed in this aqueous solution. An aqueous sodium hydroxide solution was added dropwise, and the solution was adjusted to
塩化ルテニウム(III)・n水和物1.69ミリモルとチオ硫酸ナトリウム0.169ミリモルを純水400mlに溶解させた。この水溶液にカーボン担体(バルカンXC−72R,比表面積254m2/g)0.17gを超音波分散させた。大気中、この溶液を市販の超音波洗浄器を使用して2時間超音波照射処理し、RuS微粒子をカーボン担体上に析出担持させた。反応終了後、濾過、洗浄、乾燥させRuS触媒を得た。 1.69 mmol of ruthenium (III) chloride.n hydrate and 0.169 mmol of sodium thiosulfate were dissolved in 400 ml of pure water. Carbon solution (Vulcan XC-72R, specific surface area 254 m 2 / g) 0.17 g was ultrasonically dispersed in this aqueous solution. In the air, this solution was subjected to ultrasonic irradiation treatment for 2 hours using a commercially available ultrasonic cleaner, and RuS fine particles were deposited and supported on the carbon support. After completion of the reaction, the RuS catalyst was obtained by filtration, washing and drying.
塩化ルテニウム(III)・n水和物1.69ミリモルと亜硫酸ナトリウム0.338ミリモルを純水400mlに溶解させた。この水溶液にカーボン担体(バルカンXC−72R,比表面積254m2/g)0.17gを超音波分散させた。大気中、この溶液を市販の超音波洗浄器を使用して2時間超音波照射処理し、RuS微粒子をカーボン担体上に析出担持させた。反応終了後、濾過、洗浄、乾燥させRuS触媒を得た。 1.69 mmol of ruthenium (III) chloride.n hydrate and 0.338 mmol of sodium sulfite were dissolved in 400 ml of pure water. Carbon solution (Vulcan XC-72R, specific surface area 254 m 2 / g) 0.17 g was ultrasonically dispersed in this aqueous solution. In the air, this solution was subjected to ultrasonic irradiation treatment for 2 hours using a commercially available ultrasonic cleaner, and RuS fine particles were deposited and supported on the carbon support. After completion of the reaction, the RuS catalyst was obtained by filtration, washing and drying.
実施例12〜15で得られたRuS触媒について、その粒径を電子顕微鏡で調べた。また、組成を蛍光X線で分析した。更に、実施例3と同様に直接メタノール型燃料電池を作製して、出力密度を測定した。結果を下記に表4に示す。無電解メッキ法及び超音波還元法においてもRu中にSを含有させることが可能であり、S含有によりRuS触媒の粒径は4nm以下に減少する。この粒径減少による活性表面積の増加及びRuS触媒の低メタノール酸化活性のため、出力密度として70mW/cm2以上の高い値が得られた。 About the RuS catalyst obtained in Examples 12-15, the particle size was investigated with the electron microscope. The composition was analyzed by fluorescent X-ray. Further, a direct methanol fuel cell was produced in the same manner as in Example 3, and the output density was measured. The results are shown in Table 4 below. In the electroless plating method and the ultrasonic reduction method, S can be contained in Ru, and the particle size of the RuS catalyst is reduced to 4 nm or less by the inclusion of S. Due to the increase in the active surface area due to the particle size reduction and the low methanol oxidation activity of the RuS catalyst, a high power density of 70 mW / cm 2 or more was obtained.
本発明のRuS触媒は、直接メタノール型燃料電池(DMFC)における酸素極触媒として特に有用であるが、固体高分子型燃料電池(PEFC)における酸素極触媒としても使用することができる。 The RuS catalyst of the present invention is particularly useful as an oxygen electrode catalyst in a direct methanol fuel cell (DMFC), but can also be used as an oxygen electrode catalyst in a polymer electrolyte fuel cell (PEFC).
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RuS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
10 Direct
Claims (18)
RuS
(前記式中、Sの含有率は3at%〜50at%の範囲内である)で示される二元系微粒子からなることを特徴とする燃料電池用酸素極触媒。 The following general formula
RuS
(Wherein the S content is in the range of 3 at 50 to 50 at%).
前記酸素極触媒層は請求項1〜4の何れかに記載の酸素極触媒からなることを特徴とする直接メタノール型燃料電池。 In a direct methanol fuel cell having an oxygen electrode catalyst layer, a methanol electrode catalyst layer, and a solid electrolyte membrane interposed between these catalyst layers,
The direct methanol fuel cell, wherein the oxygen electrode catalyst layer comprises the oxygen electrode catalyst according to any one of claims 1 to 4.
前記酸素極触媒層は請求項1〜4の何れかに記載の酸素極触媒からなることを特徴とする膜電極接合体。 In a membrane electrode assembly having an oxygen electrode catalyst layer, a methanol electrode catalyst layer, and a solid electrolyte membrane interposed between these catalyst layers,
The membrane electrode assembly, wherein the oxygen electrode catalyst layer comprises the oxygen electrode catalyst according to any one of claims 1 to 4.
(2)前記ステップ(1)で得られた混合液を不活性ガス雰囲気中、アルコールの沸点近傍で還流してカーボン担体上にRuS触媒(Sの含有率は3at%〜50at%の範囲内であり、粒径が5nm未満である)を析出させるステップと、
(3)カーボン担体上に析出したRuS触媒を濾別、洗浄、及び乾燥するステップを有することを特徴とするRuS触媒の製造方法。 (1) supplying a Ru salt or complex, a source of S and a carbon support to at least one alcohol;
(2) The mixed liquid obtained in the step (1) is refluxed in the vicinity of the boiling point of alcohol in an inert gas atmosphere, and RuS catalyst (S content is in the range of 3 at% to 50 at%) on the carbon support. And having a particle size of less than 5 nm),
(3) A method for producing a RuS catalyst, comprising the steps of filtering, washing, and drying a RuS catalyst deposited on a carbon support.
(2)前記ステップ(1)で得られた混合液を50℃以上に加熱して無電解メッキによりカーボン担体上にRuS触媒(Sの含有率は3at%〜50at%の範囲内であり、粒径が5nm未満である)を析出させるステップと、
(3)カーボン担体上に析出したRuS触媒を濾別、洗浄、及び乾燥するステップを有することを特徴とするRuS触媒の製造方法。 (1) a step for supplying a Ru salt or complex in water, a reducing agent containing S and a carbon support;
(2) The mixed solution obtained in the step (1) is heated to 50 ° C. or more and subjected to electroless plating on a carbon support to form a RuS catalyst (the content of S is in the range of 3 at% to 50 at%, Depositing a diameter of less than 5 nm),
(3) A method for producing a RuS catalyst, comprising the steps of filtering, washing, and drying a RuS catalyst deposited on a carbon support.
(2)前記ステップ(1)で得られた混合液を超音波処理してカーボン担体上にRuS触媒(Sの含有率は3at%〜50at%の範囲内であり、粒径が5nm未満である)を析出させるステップと、
(3) カーボン担体上に析出したRuS触媒を濾別、洗浄、及び乾燥するステップを有することを特徴とするRuS触媒の製造方法。 (1) a step of supplying a Ru salt or complex, a compound containing S, and a carbon support in water;
(2) The mixed solution obtained in the step (1) is subjected to ultrasonic treatment, and a RuS catalyst on the carbon support (the content of S is in the range of 3 at% to 50 at%, and the particle size is less than 5 nm. )
(3) A method for producing a RuS catalyst, comprising the steps of filtering, washing, and drying a RuS catalyst deposited on a carbon support.
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