JP2006252938A - Electrode for solid polymer electrolyte fuel cell and its manufacturing method - Google Patents

Electrode for solid polymer electrolyte fuel cell and its manufacturing method Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for a solid polymer electrolyte fuel cell uniformly carrying a catalyst metal for markedly enhancing the activity of the catalyst metal in an extremely small amount metal carrying electrode, and providing superior characteristics, by forming a film of uniform cation exchange resin on the surface of a carbon material, and to provide its manufacturing method. <P>SOLUTION: In the electrode for the polymer electrolyte fuel cell, a catalyst metal is carried mainly on the contact surface between a carbon material and a proton-conducting channel of cation exchange resin, and the carbon material contains 0.1-10 mass% boron. A functional group containing oxygen atoms or nitrogen atoms is present in a range of 0.1-10.0 meq/g on the surface of the carbon material. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池用電極およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to an electrode for a polymer electrolyte fuel cell and a method for producing the same.

固体高分子形燃料電池(PEFC)は、エネルギー変換効率が高いことおよび環境負荷が低いことによって、電気自動車用または家庭用コージェネレーションシステム用電源として有力な候補の一つである。PEFCに用いられる膜/電極接合体は、アノード、カソードおよびそれらの電極を隔てる陽イオン交換膜で構成され、電極と陽イオン交換膜とを加熱圧着で接合することによって製造する。この膜/電極接合体を備える固体高分子形燃料電池は、たとえば、アノ−ドに燃料として水素、カソ−ドに酸化剤として酸素を供給することによって、電力を発生させることができる。   A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is one of the promising candidates as a power source for an electric vehicle or a home cogeneration system due to its high energy conversion efficiency and low environmental load. The membrane / electrode assembly used for PEFC is composed of an anode, a cathode, and a cation exchange membrane that separates the electrodes, and is manufactured by joining the electrode and the cation exchange membrane by thermocompression bonding. A polymer electrolyte fuel cell including this membrane / electrode assembly can generate electric power by supplying hydrogen as a fuel to an anode and oxygen as an oxidant to a cathode, for example.

固体高分子形燃料電池用電極には、例えば、特許文献1や特許文献2で開示されているように、炭素材料と陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路との接面に触媒金属が主に担持された電極が用いられている。この触媒を用いた電極は、超少量触媒金属担持電極といわれている。   For example, as disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2, a catalyst metal is mainly supported on the contact surface between the carbon material and the proton conduction path of the cation exchange resin. Electrode is used. An electrode using this catalyst is said to be an ultra-small catalyst metal-supported electrode.

この固体高分子形燃料電池用超少量触媒金属担持電極はつぎの手順で製造する。最初に、炭素材料と高分子電解質の溶液とを混合する。その混合物を電極基材に塗布したのちに、乾燥することによって、触媒金属未担持電極を形成する。つぎに、その触媒金属未担持電極を触媒金属の陽イオンを含んだ溶液に浸漬することによって、その電極に含まれる陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路に陽イオンを吸着させる。最後に、その陽イオンを化学的に還元することによって、触媒金属が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路と炭素材料の表面との接面に担持される。   This ultra-small catalyst metal-supported electrode for a polymer electrolyte fuel cell is produced by the following procedure. First, a carbon material and a polymer electrolyte solution are mixed. After the mixture is applied to the electrode substrate, it is dried to form a catalyst metal unsupported electrode. Next, the catalyst metal unsupported electrode is immersed in a solution containing a catalyst metal cation to adsorb the cation to the proton conduction path of the cation exchange resin contained in the electrode. Finally, the catalytic metal is supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the surface of the carbon material by chemically reducing the cation.

一方、固体高分子形燃料電池において、ホウ素含有量0.001〜5質量%の炭素粉に白金(Pt)触媒を担持した触媒を用いることにより、化学的腐食性や導電性が向上した、結晶性に優れた黒鉛化微細炭素粉をもちいる技術が特許文献3で開示されている。また、特許文献4には、ホウ素原子がドープされたカーボンアロイ微粒子を基材とする固体高分子形燃料電池用電極を用い、ホウ素原子のドープ量が0.5〜20原子%とし、カソード極でおこる酸素の還元反応を促進し得るカソード触媒を実現し、触媒担体の炭素材料自身に酸素還元触媒機能をもたせる技術が開示されている。   On the other hand, in a polymer electrolyte fuel cell, the use of a catalyst in which a platinum (Pt) catalyst is supported on carbon powder having a boron content of 0.001 to 5% by mass improves the chemical corrosivity and conductivity. Patent Document 3 discloses a technique that uses graphitized fine carbon powder having excellent properties. Patent Document 4 uses a polymer electrolyte fuel cell electrode based on carbon alloy fine particles doped with boron atoms, the boron atom doping amount is 0.5 to 20 atomic%, and the cathode electrode. Has been disclosed that realizes a cathode catalyst that can promote the oxygen reduction reaction that occurs in the process, and that the carbon material itself of the catalyst support has an oxygen reduction catalyst function.

特願平10−189807号公報Japanese Patent Application No. 10-189807 特開2000−12041号公報JP 2000-12041 A 特再WO01/092151号公報Japanese Patent Publication No. WO01 / 092151 特開2004−362802号公報JP 2004-362802 A

しかしながら、従来の超少量触媒金属担持電極の製造方法では、炭素材料と陽イオン交換樹脂との親和性が低いので、炭素材料の表面と陽イオン交換樹脂との付着状態が不均一であった。そのために、例えば白金(Pt)などの触媒金属の分布状態が不均一になるので、この触媒金属を用いた電極の触媒活性が低くなる。したがって、従来の超少量触媒金属担持電極を備えるPEFCの出力は低いものであった。   However, in the conventional method for producing an ultra-small catalyst metal-carrying electrode, since the affinity between the carbon material and the cation exchange resin is low, the adhesion state between the surface of the carbon material and the cation exchange resin is not uniform. Therefore, for example, the distribution state of the catalyst metal such as platinum (Pt) becomes non-uniform, so that the catalytic activity of the electrode using this catalyst metal is lowered. Therefore, the output of the PEFC provided with the conventional ultra-small catalyst metal-carrying electrode was low.

また、固体高分子形燃料電池用電極に用いる炭素にホウ素を含ませる技術があるが、ホウ素を添加した炭素を固体高分子形燃料電池用超少量触媒金属担持電極に応用した技術はなく、ホウ素の添加と炭素粒子表面に形成される陽イオン交換樹脂の被膜との関係に注目した文献はない。   In addition, there is a technology that contains boron in the carbon used for the electrode for the polymer electrolyte fuel cell, but there is no technology that applies the boron-added carbon to the ultra-small catalyst metal-supported electrode for the polymer electrolyte fuel cell. There is no literature focusing on the relationship between the addition of cation exchange resin coatings formed on the surface of carbon particles.

そこで本発明は、炭素材料にホウ素を含むことによって、炭素材料の表面に陽イオン交換樹脂の被膜を均一に形成させることができることを見出したことに基づくものである。本発明の目的は、炭素材料の表面により均一な陽イオン交換樹脂の被膜を形成することにより、触媒金属が均一に担持され、超少量触媒金属担持電極における触媒金属の活性を著しく高め、優れた特性を示す固体高分子形燃料電池用電極およびその製造方法を提供することにある。   Thus, the present invention is based on the finding that a cation exchange resin film can be uniformly formed on the surface of a carbon material by including boron in the carbon material. The object of the present invention is to form a uniform cation exchange resin film on the surface of the carbon material, so that the catalyst metal is uniformly supported, and the activity of the catalyst metal in the ultra-small amount of catalyst metal-supported electrode is remarkably enhanced. An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell electrode exhibiting characteristics and a method for producing the same.

請求項1の発明は、固体高分子形燃料電池用電極において、炭素材料と陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路との接面に触媒金属を主に担持し、前記炭素材料が0.1質量%以上10質量%以下のホウ素を含むことを特徴とする。   The first aspect of the present invention is the electrode for a polymer electrolyte fuel cell, wherein a catalytic metal is mainly supported on the contact surface between the carbon material and the proton conduction path of the cation exchange resin, and the carbon material is 0.1 mass% It contains 10% by mass or less of boron.

請求項2の発明は、請求項1の固体高分子形燃料電池用電極において、炭素材料の表面に、酸素原子または窒素原子を含む官能基を0.1meq/g以上10.0meq/g以下の範囲で備えたことを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the polymer electrolyte fuel cell electrode according to the first aspect, the functional group containing an oxygen atom or a nitrogen atom is present at 0.1 meq / g or more and 10.0 meq / g or less on the surface of the carbon material. It is provided with a range.

請求項3の発明は、請求項1記載の固体高分子形燃料電池用電極の製造方法に関するもので、炭素材料にホウ素を0.1質量%以上10質量%以下の範囲で含ませる第1の工程と、前記炭素材料を陽イオン交換樹脂の溶液に分散した分散物を形成し、前記分散物から溶媒を除去して炭素材料と陽イオン交換樹脂の混合物を得る第2の工程と、前記陽イオン交換樹脂の固定イオンに触媒金属の陽イオンを吸着させる第3の工程と、前記陽イオンを化学的に還元する第4の工程を経ることを特徴とする。   A third aspect of the present invention relates to a method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to the first aspect, wherein the carbon material contains boron in a range of 0.1 mass% to 10 mass%. Forming a dispersion in which the carbon material is dispersed in a cation exchange resin solution, removing a solvent from the dispersion to obtain a mixture of the carbon material and the cation exchange resin, and the cation exchange resin. A third step of adsorbing the cation of the catalytic metal to the fixed ions of the ion exchange resin and a fourth step of chemically reducing the cation are characterized.

請求項4の発明は、請求項2記載の固体高分子形燃料電池用電極の製造方法に関するもので、炭素材料にホウ素を0.1質量%以上10質量%以下の範囲で含ませる第1の工程と、前記炭素材料の表面に、酸素原子または窒素原子を含む官能基を0.1meq/g以上10.0meq/g以下の範囲で形成する第2の工程と、前記炭素材料を陽イオン交換樹脂の溶液に分散した分散物を形成し、前記分散物から溶媒を除去して炭素材料と陽イオン交換樹脂の混合物を得る第3の工程と、前記陽イオン交換樹脂の固定イオンに触媒金属の陽イオンを吸着させる第4の工程と、前記陽イオンを化学的に還元する第5の工程を経ることを特徴とする。   A fourth aspect of the present invention relates to a method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to the second aspect, wherein the carbon material contains boron in a range of 0.1 mass% to 10 mass%. A second step of forming a functional group containing an oxygen atom or a nitrogen atom in the range of 0.1 meq / g to 10.0 meq / g on the surface of the carbon material, and cation exchange of the carbon material Forming a dispersion dispersed in a resin solution, removing the solvent from the dispersion to obtain a mixture of a carbon material and a cation exchange resin, and a fixed ion of the cation exchange resin with a catalyst metal A fourth step of adsorbing cations and a fifth step of chemically reducing the cations are characterized.

本発明の固体高分子形燃料電池用電極に用いる炭素材料は、0.1質量%以上10質量%以下の範囲でホウ素を含んだものである。本発明のホウ素を含んだ炭素材料とは、炭素原子の一部がホウ素原子に置換したものである。   The carbon material used for the polymer electrolyte fuel cell electrode of the present invention contains boron in the range of 0.1% by mass or more and 10% by mass or less. The carbon material containing boron of the present invention is a material in which a part of carbon atoms is substituted with boron atoms.

ホウ素原子は炭素原子と比べて電子数が1個少ない。このホウ素が炭素材料に含まれることによって正孔が形成されるので、炭素材料は正に帯電する。一方、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路はスルホン酸基などが存在することによって負に帯電している。この負の帯電によって、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路はホウ素を含む炭素材料の表面に電気的に引き寄せられるので、炭素材料の表面と陽イオン交換樹脂との親和性が向上する。   Boron atoms have one fewer electron than carbon atoms. Since holes are formed when the boron is contained in the carbon material, the carbon material is positively charged. On the other hand, the proton conduction path of the cation exchange resin is negatively charged due to the presence of sulfonic acid groups and the like. By this negative charging, the proton conduction path of the cation exchange resin is electrically attracted to the surface of the carbon material containing boron, so that the affinity between the surface of the carbon material and the cation exchange resin is improved.

炭素材料の表面と陽イオン交換樹脂との親和性は、ホウ素が含んだ炭素材料に酸素原子あるいは窒素原子を含む官能基が形成することによって、さらに向上する。この親和性の向上によって、炭素材料の表面に、より均一な陽イオン交換樹脂の被膜が形成される。   The affinity between the surface of the carbon material and the cation exchange resin is further improved by the formation of functional groups containing oxygen atoms or nitrogen atoms in the carbon material containing boron. Due to this improvement in affinity, a more uniform cation exchange resin film is formed on the surface of the carbon material.

炭素材料の表面に触媒金属が均一に担持される結果、超少量触媒金属担持電極の触媒金属の活性が著しく高くなる。さらに、炭素材料の表面に被覆する陽イオン交換樹脂の厚みが減少することによって、陽イオン交換樹脂に含まれるプロトン伝導経路内での水素あるいは酸素の拡散距離が短縮するので、電極反応の速度が著しく向上する。以上のことから、この電極を用いたPEFCの出力は著しく向上する。   As a result of the catalyst metal being uniformly supported on the surface of the carbon material, the activity of the catalyst metal of the ultra-small amount of catalyst metal-supported electrode is remarkably increased. Furthermore, since the thickness of the cation exchange resin coated on the surface of the carbon material is reduced, the diffusion distance of hydrogen or oxygen in the proton conduction path contained in the cation exchange resin is shortened. Remarkably improved. From the above, the output of PEFC using this electrode is remarkably improved.

本発明の固体高分子形燃料電池用電極は、炭素材料と陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路との接面に触媒金属を主に担持し、前記炭素材料が0.1質量%以上10質量%以下のホウ素を含むことを特徴とする。   The electrode for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention mainly supports a catalytic metal on the contact surface between the carbon material and the proton conduction path of the cation exchange resin, and the carbon material is 0.1% by mass or more and 10% by mass. It contains the following boron.

本発明による超少量触媒金属担持電極の陽イオン交換樹脂と接触した炭素材料の表層の状態を示す模式図を図1に示す。比較のために、従来の超少量触媒金属担持電極の場合を図2に示す。図1および図2において、11および21は炭素材料、12および22は陽イオン交換樹脂、13および23は陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路、14および24は陽イオン交換樹脂の骨格部分、15および25は電極反応に関与する触媒金属である。   The schematic diagram which shows the state of the surface layer of the carbon material which contacted the cation exchange resin of the ultra-small amount catalyst metal carrying | support electrode by this invention is shown in FIG. For comparison, FIG. 2 shows a conventional ultra-small catalyst metal-supported electrode. 1 and 2, 11 and 21 are carbon materials, 12 and 22 are cation exchange resins, 13 and 23 are proton conduction paths of the cation exchange resins, 14 and 24 are skeleton portions of the cation exchange resins, 15 and 25 is a catalyst metal involved in the electrode reaction.

図1の炭素材料11には0.1質量%以上10質量%以下の範囲でホウ素が含む。炭素材料にホウ素が含むことによって、炭素材料の表面と陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路との親和性が向上するので、陽イオン交換樹脂12がその表面に均一に付着する。したがって、その表面とプロトン伝導経路13との接面が増大する。   The carbon material 11 of FIG. 1 contains boron in the range of 0.1% by mass to 10% by mass. By containing boron in the carbon material, the affinity between the surface of the carbon material and the proton conduction path of the cation exchange resin is improved, so that the cation exchange resin 12 is uniformly attached to the surface. Therefore, the contact surface between the surface and the proton conduction path 13 increases.

従来のように炭素材料に含んだホウ素が0.1質量%未満の場合では、その材料の表面と陽イオン交換樹脂との親和性が低いので、炭素材料表面に陽イオン交換樹脂を均一に付着させることができない。その結果、触媒金属を均一かつ高分散に担持することができない。一方、炭素材料に含むホウ素が10質量%より多い場合は、その材料の高次構造が損壊されるので、電子伝導経路が断絶する。その結果、電極内の電子伝導が低下するので、固体高分子形燃料電池の出力が低下する。   When boron contained in the carbon material is less than 0.1% by mass as in the past, the affinity between the surface of the material and the cation exchange resin is low, so the cation exchange resin is uniformly attached to the carbon material surface. I can't let you. As a result, the catalyst metal cannot be supported uniformly and highly dispersed. On the other hand, when the carbon material contains more than 10% by mass of boron, the higher-order structure of the material is damaged, and the electron conduction path is interrupted. As a result, the electron conduction in the electrode is lowered, so that the output of the polymer electrolyte fuel cell is lowered.

ホウ素が0.1質量%以上10質量%以下の範囲で含む炭素材料に0.1meq/g以上10.0meq/g以下の範囲で酸素原子あるいは窒素原子を含む官能基を形成させることによって、炭素材料の表面と陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路との親和性が著しく向上するので、炭素材料の表面と陽イオン交換樹脂の接面はさらに増大する。その結果、触媒金属15は広い範囲に分散された状態で担持される。   By forming a functional group containing an oxygen atom or a nitrogen atom in a range of 0.1 meq / g or more and 10.0 meq / g or less in a carbon material containing boron in a range of 0.1 to 10% by mass, carbon Since the affinity between the surface of the material and the proton conduction path of the cation exchange resin is significantly improved, the contact surface between the surface of the carbon material and the cation exchange resin is further increased. As a result, the catalyst metal 15 is supported in a dispersed state over a wide range.

酸素原子あるいは窒素原子を含む官能基の量が0.1meq/g未満の場合では、炭素材料と陽イオン交換樹脂との親和性の更なる向上が見られなかった。その官能基の量が10.0meq/gより大きい場合では、理由は明確でないが電極内の電子伝導性が低下するので、固体高分子形燃料電池の出力が低下する。   When the amount of the functional group containing an oxygen atom or a nitrogen atom was less than 0.1 meq / g, the affinity between the carbon material and the cation exchange resin was not further improved. When the amount of the functional group is larger than 10.0 meq / g, the reason is not clear, but the electron conductivity in the electrode is lowered, so that the output of the polymer electrolyte fuel cell is lowered.

炭素材料11としては、とくに限定されず、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ランプブラック、サーマルブラック、チャンネルブラックなどのカーボンブラックを用いることができる。炭素材料は、触媒金属の陽イオンを含んだ化合物の還元に対して高い活性を示すものが好ましく、たとえば、デンカブラック、バルカンXC−72、ケッチェンブラックEC、ブラックパール2000等のカーボンブラックが好ましい。   The carbon material 11 is not particularly limited, and carbon black such as furnace black, acetylene black, lamp black, thermal black, and channel black can be used. The carbon material is preferably one exhibiting high activity for reduction of a compound containing a cation of a catalytic metal. For example, carbon black such as Denka Black, Vulcan XC-72, Ketjen Black EC, Black Pearl 2000, etc. is preferable. .

炭素材料11には、0.1質量%以上10質量%以下の範囲でホウ素が含まれている。そのために、ホウ素を含む炭素材料の表面は正に帯電する。この正の帯電によって、炭素材料の表面と負に帯電している陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路が電気的に引き寄せられるので、炭素材料の表面と陽イオン交換樹脂との親和性が向上する。この向上によって、炭素材料の表面に広くかつ均一に陽イオン交換樹脂を被覆させることができる。つまり、その表面と陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路との接面が広い範囲に形成されるので、触媒金属が均一かつ高分散に担持される。   The carbon material 11 contains boron in the range of 0.1% by mass to 10% by mass. Therefore, the surface of the carbon material containing boron is positively charged. This positive charging electrically attracts the surface of the carbon material and the proton conduction path of the negatively charged cation exchange resin, thereby improving the affinity between the surface of the carbon material and the cation exchange resin. By this improvement, the surface of the carbon material can be widely and uniformly coated with the cation exchange resin. That is, since the contact surface between the surface and the proton conduction path of the cation exchange resin is formed in a wide range, the catalyst metal is uniformly and highly dispersed.

炭素材料に含まれるホウ素の量を測定する方法は、特に限定されないが、ICP発光分光分析(Inductively Coupled Plasma Emission SpectrosCopy)で定量する方法が好ましい。炭素材料に含むホウ素を定性する方法は、前述のICP発光分光分析あるいはX線電子分光分析(X−ray Photoelectron SpectrosCopy)から求めるのが好ましい。   A method of measuring the amount of boron contained in the carbon material is not particularly limited, but a method of quantifying by ICP emission spectroscopy analysis (Inductively Coupled Plasma Emission Spectroscopy) is preferable. The method for qualifying boron contained in the carbon material is preferably obtained from the aforementioned ICP emission spectroscopic analysis or X-ray photoelectron spectroscopic analysis.

さらに、本発明のホウ素を0.1質量%以上10質量%以下以下の範囲で含む炭素材料は、0.1meq/g以上10.0meq/g以下の範囲で酸素原子あるいは窒素原子を含む官能基が形成していることが好ましい。例えばカルボニル基、スルホン酸基あるいはヒドロキシル基などの酸素原子を含む官能基は、親水性を示すので、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路との親和性が高い。この親和性が向上することによって、炭素材料表面と陽イオン交換樹脂との親和性がさらに向上する。   Furthermore, the carbon material containing boron of the present invention in the range of 0.1 mass% or more and 10 mass% or less is a functional group containing oxygen atoms or nitrogen atoms in the range of 0.1 meq / g to 10.0 meq / g. Is preferably formed. For example, a functional group containing an oxygen atom such as a carbonyl group, a sulfonic acid group, or a hydroxyl group exhibits hydrophilicity and thus has high affinity with the proton conduction path of the cation exchange resin. By improving this affinity, the affinity between the carbon material surface and the cation exchange resin is further improved.

例えば、アミノ基あるいはアミド基などの窒素原子を含む官能基は、非共有電子対の存在によって正に帯電するので、炭素材料の表面と負に帯電している陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路が電気的に引き寄せあう。この帯電によって、炭素材料表面と陽イオン交換樹脂との親和性がさらに増大する。   For example, a functional group containing a nitrogen atom such as an amino group or an amide group is positively charged due to the presence of an unshared electron pair, so that the proton conduction pathway of the cation exchange resin that is negatively charged with the surface of the carbon material is Electrically attract each other. This charging further increases the affinity between the carbon material surface and the cation exchange resin.

このさらなる親和性の増大によって、0.1質量%以上10質量%以下の範囲でホウ素を含み、かつ0.1meq/g以上10.0meq/g以下の範囲で酸素原子あるいは窒素原子を含む官能基が形成された炭素材料の表面に、陽イオン交換樹脂をより広くかつ均一に被覆させることができる。その結果、触媒金属も、より均一かつ高分散に担持することができる。   By this further increase in affinity, a functional group containing boron in the range of 0.1% by mass or more and 10% by mass or less and containing an oxygen atom or a nitrogen atom in the range of 0.1 meq / g or more and 10.0 meq / g or less. The cation exchange resin can be more widely and uniformly coated on the surface of the carbon material on which is formed. As a result, the catalyst metal can also be supported more uniformly and highly dispersed.

酸素原子あるいは窒素原子を含む官能基を定量する方法は、とくに限定されないが、昇温脱離ガス分析装置を用いて定量する方法が好ましい。昇温脱離ガス分析装置を用いることよって官能基を定量する方法は、たとえばつぎのとおりである。最初に1×10−7Pa以下の真空内で炭素材料を赤外線ランプで加熱する。つぎに、脱離するガス成分の質量スペクトルから官能基を定量する。官能基を定性する方法は、前述の昇温脱離ガス分析装置あるいは赤外吸収スペクトルからもとめることが好ましい。 A method for quantifying the functional group containing an oxygen atom or a nitrogen atom is not particularly limited, but a method of quantifying using a temperature-programmed desorption gas analyzer is preferable. A method for quantifying a functional group by using a temperature-programmed desorption gas analyzer is, for example, as follows. First, the carbon material is heated with an infrared lamp in a vacuum of 1 × 10 −7 Pa or less. Next, the functional group is quantified from the mass spectrum of the desorbed gas component. The method for qualifying the functional group is preferably obtained from the above-mentioned temperature programmed desorption gas analyzer or infrared absorption spectrum.

陽イオン交換樹脂12にはプロトン導電性を示す樹脂を用いることができる。たとえば、パーフルオロスルホン酸樹脂あるいはスチレンージビニルベンゼンスルホン酸樹脂などが好ましい。陽イオン交換樹脂の側鎖の末端では、スルホン酸基などの陽イオン交換基が備わる。   As the cation exchange resin 12, a resin exhibiting proton conductivity can be used. For example, perfluorosulfonic acid resin or styrene-divinylbenzenesulfonic acid resin is preferable. A cation exchange group such as a sulfonic acid group is provided at the end of the side chain of the cation exchange resin.

プロトン伝導経路13は、複数の陽イオン交換基が水とともに集合することによって形成されており、プロトン、酸素あるいは水素はプロトン伝導経路を移動することができる。したがって、プロトン伝導経路と炭素材料との接する面に存在する触媒金属は電極反応に対して活性が高い。主鎖部分は分子間力により集合することによって、骨格部分14を形成する。この部分では、プロトン、酸素あるいは水素は移動することが困難であるので、電極反応に対する活性は低い。   The proton conduction path 13 is formed by aggregation of a plurality of cation exchange groups together with water, and protons, oxygen, or hydrogen can move through the proton conduction path. Therefore, the catalytic metal present on the surface where the proton conduction path and the carbon material are in contact has high activity for the electrode reaction. The main chain parts are assembled by intermolecular forces to form the skeleton part 14. In this part, since proton, oxygen or hydrogen is difficult to move, the activity for the electrode reaction is low.

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

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

本発明の触媒担持粉末では、触媒金属が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路と炭素材料との接面に主として備えられているが、このことは、文献(M.Kohmoto et.al.,GS Yuasa Technical Report,1,48(2004))に記載のように、固体高分子形燃料電池の高電流密度領域における質量活性と、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路および疎水性骨格の体積比とから判断することができる。   In the catalyst-supported powder of the present invention, the catalyst metal is mainly provided on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon material, which is described in the literature (M. Komomoto et.al., GS Yuasa). As described in Technical Report, 1, 48 (2004)), it is judged from the mass activity in the high current density region of the polymer electrolyte fuel cell, the proton conduction path of the cation exchange resin, and the volume ratio of the hydrophobic skeleton. can do.

白金の電気化学的活性表面積の経時変化については、従来の電極では、白金の溶解・析出反応による凝集によって、白金の電気化学的活性表面積は減少するが、本発明の触媒担持粉末を用いた電極では凝集がほとんど起こらない。   Regarding the time-dependent change in the electrochemically active surface area of platinum, in the conventional electrode, the electrochemically active surface area of platinum decreases due to aggregation due to the dissolution / precipitation reaction of platinum, but the electrode using the catalyst-supported powder of the present invention Then almost no aggregation occurs.

固体高分子形燃料電池を低電流密度で運転させる場合には、全ての白金が電気化学反応に使われるが、高電流密度で運転させる場合には、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路に存在する白金のみが電気化学反応に使われ、疎水性骨格部分に存在する白金は電気化学反応には関与しなくなる。   When the polymer electrolyte fuel cell is operated at a low current density, all platinum is used for the electrochemical reaction, but when it is operated at a high current density, it exists in the proton conduction path of the cation exchange resin. Only platinum is used for the electrochemical reaction, and platinum present in the hydrophobic skeleton part does not participate in the electrochemical reaction.

また、本発明の触媒担持粉末を用いた電極の従来の電極に対する質量活性比は、燃料電池の運転時においては、0.70Vよりも高電圧領域ではほぼ1であり、0.60Vでは2.7となる。一方、陽イオン交換樹脂においては、ポリマー部分に占めるプロトン伝導経路の体積比は約2.5である。このことから、従来の電極では、0.70Vよりも高電圧領域では、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路の白金も疎水性骨格部分の白金も活性であるが、0.60Vでは陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路の白金のみが活性であることが明らかになる。   In addition, the mass activity ratio of the electrode using the catalyst-supported powder of the present invention to the conventional electrode is approximately 1 in a high voltage region higher than 0.70 V during operation of the fuel cell, and 2. 7 On the other hand, in the cation exchange resin, the volume ratio of the proton conduction path in the polymer portion is about 2.5. Therefore, in the conventional electrode, in the high voltage region above 0.70 V, platinum in the proton conduction path of the cation exchange resin and platinum in the hydrophobic skeleton portion are active, but at 0.60 V, the cation exchange resin. It is clear that only platinum in the proton conduction pathway is active.

触媒金属15には、電気化学的な酸素の還元反応、水素の酸化反応に対する触媒活性が高いので、白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、オスニウムなどの白金族金属が好ましい。とくに白金とルテニウムとを含む合金は、高い耐CO被毒性が期待できるのでアノードの触媒として好ましい。さらに、マグネシウム、アルミニウム、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、銀またはタングステンとからなる群より選ばれた少なくとも一つの元素と白金族金属とを含む合金を触媒金属に用いることによって、白金族金属使用量の低減、耐CO被毒性の向上および酸素の還元反応に対する高い活性が期待できる。   The catalytic metal 15 is preferably a platinum group metal such as platinum, rhodium, ruthenium, iridium, palladium, and osnium because of its high catalytic activity for electrochemical oxygen reduction reaction and hydrogen oxidation reaction. In particular, an alloy containing platinum and ruthenium is preferable as an anode catalyst because high resistance to CO poisoning can be expected. Furthermore, an alloy containing at least one element selected from the group consisting of magnesium, aluminum, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, silver, or tungsten and a platinum group metal is used as the catalyst metal. Thus, a reduction in the amount of platinum group metal used, an improvement in CO poisoning resistance, and a high activity for oxygen reduction reaction can be expected.

本発明の電極に含まれる触媒金属は、粒子径が3.0nm以下の粒子状、とくに0.5nm以上2.0nm以下の粒子状であることおよびその量が0.1mg/cm以下、とくに白金族金属量が0.05mg/cm以下であることは単位重量あたりの触媒活性が高いことから好ましい。 The catalyst metal contained in the electrode of the present invention is in the form of particles having a particle size of 3.0 nm or less, particularly 0.5 nm to 2.0 nm, and the amount thereof is 0.1 mg / cm 2 or less. A platinum group metal amount of 0.05 mg / cm 2 or less is preferable because of high catalytic activity per unit weight.

炭素材料表面と陽イオン交換樹脂との界面の面積を評価する方法は、触媒金属未担持電極の0.4Vvs.RHEでの電気二重層容量で評価する方法が好ましい。0.4Vvs.RHEでは、炭素材料表面の官能基の反応が電流密度におよぼす影響が少ない。このことから、0.4Vvs.RHEでの電流密度は、ほぼ電気二重層の容量に比例する。その容量は炭素材料と陽イオン交換樹脂との界面の面積と比例関係にあると報告されているので、その面積を比較する指標となる(城間 純,五百蔵 勉,藤原 直子,西村 靖雄,安田 和明,笹倉 丈博,東 正志,J.Highfield,第7回固体高分子形燃料電池シンポジウム予稿集,p.93(2000),Z.Siroma,T.Sasakura,K.Yasuda,M.Azuma and Y.Miyazaki,J.Electroanal.Chem.,546,73(2003))。   A method for evaluating the area of the interface between the carbon material surface and the cation exchange resin is as follows: 0.4 Vvs. A method of evaluating by electric double layer capacity in RHE is preferable. 0.4Vvs. In RHE, the reaction of the functional group on the surface of the carbon material has little influence on the current density. From this, 0.4Vvs. The current density at RHE is approximately proportional to the capacity of the electric double layer. Since its capacity is reported to be proportional to the area of the interface between the carbon material and the cation exchange resin, it is an index for comparing the areas (Jun Shiroma, Tsutomu Gozo, Naoko Fujiwara, Ikuo Nishimura, Kazu Yasuda). Akira, Takehiro Sasakura, Masashi Higashi, J. Highfield, Proceedings of the 7th Solid Polymer Fuel Cell Symposium, p. 93 (2000), Z. Miyazaki, J. Electronal. Chem., 546, 73 (2003)).

その測定方法は、例えばつぎのとおりである。最初に、作用極として触媒金属未担持電極と、対極として白金担持電極を陽イオン交換膜に加熱圧接することによって膜/電極接合体を製作する。この膜/電極接合体を用いて単セルを製作したのちに、作用極の電位を0.05Vvs.RHEから1.00Vvs.RHEまでの範囲を100mV/sで走査する。このとき、作用極および対極にはそれぞれNガスおよびHガスを25℃で加湿したのちに供給する。 The measuring method is as follows, for example. First, a membrane / electrode assembly is manufactured by heat-pressing a catalytic metal unsupported electrode as a working electrode and a platinum supported electrode as a counter electrode to a cation exchange membrane. After producing a single cell using this membrane / electrode assembly, the potential of the working electrode was set to 0.05 Vvs. 1.00 V vs. RHE. The range up to RHE is scanned at 100 mV / s. At this time, N 2 gas and H 2 gas are humidified at 25 ° C. and supplied to the working electrode and the counter electrode, respectively.

この測定で得られたサイクリックボルタモグラムの0.4Vvs.RHEの電流密度を(1)式に代入することによって、電気二重層容量を算出する。この値は、触媒層(作用極)の重量で除することにより規格化する。(1)式の記号はそれぞれ、C:電気二重層容量(F/cm)、j0.4V:0.4Vvs.RHEにおける電流密度(A/cm)、v:掃引速度(V/s)である。 The cyclic voltammogram obtained by this measurement has 0.4 Vvs. The electric double layer capacity is calculated by substituting the RHE current density into the equation (1). This value is normalized by dividing by the weight of the catalyst layer (working electrode). The symbols in the formula (1) are respectively C: electric double layer capacity (F / cm 2 ), j 0.4 V : 0.4 V vs. Current density in RHE (A / cm 2 ), v: sweep rate (V / s).

C=j0.4V/v
本発明に用いられる超少量触媒金属担持電極は、炭素材料にホウ素を含んだ後に、ホウ素を含む炭素材料と陽イオン交換樹脂との混合物をシート状に形成した白金未担持電極に触媒金属を担持する方法、あるいは、炭素材料にホウ素を含ませた後に、ホウ素を含む炭素材料と陽イオン交換樹脂との混合物を粉末状にした白金未担持粉末に触媒金属を担持し、この粉末をシート状に形成する方法で製造することができる。触媒金属未担持電極および触媒金属未担持粉末のそれぞれの製造方法について説明する。
C = j 0.4V / v
The ultra-small catalyst metal-supported electrode used in the present invention supports a catalyst metal on a platinum-unsupported electrode in which a boron-containing carbon material and a mixture of a boron-containing carbon material and a cation exchange resin are formed in a sheet shape after the carbon material contains boron. Or after impregnating the carbon material with boron, the catalyst metal is supported on a platinum-unsupported powder obtained by pulverizing a mixture of a carbon material containing boron and a cation exchange resin, and the powder is formed into a sheet. It can be manufactured by the forming method. Each manufacturing method of the catalyst metal unsupported electrode and the catalyst metal unsupported powder will be described.

本発明の、炭素材料と陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路との接面に触媒金属を主に担持し、前記炭素材料が0.1質量%以上10質量%以下のホウ素を含む固体高分子形燃料電池用電極の製造方法(これを「第1の製造方法」とする)は、炭素材料にホウ素を0.1質量%以上10質量%以下の範囲で含ませる第1の工程と、前記炭素材料を陽イオン交換樹脂の溶液に分散した分散物を形成し、前記分散物から溶媒を除去して炭素材料と陽イオン交換樹脂の混合物を得る第2の工程と、前記陽イオン交換樹脂の固定イオンに触媒金属の陽イオンを吸着させる第3の工程と、前記陽イオンを化学的に還元する第4の工程を経ることを特徴とする。   In the present invention, a catalytic polymer is mainly supported on the contact surface between the carbon material and the proton conduction path of the cation exchange resin, and the carbon material contains 0.1% by mass to 10% by mass of boron. A method for producing an electrode for a fuel cell (this is referred to as “first production method”) includes a first step in which boron is contained in a carbon material in a range of 0.1 mass% to 10 mass%, and the carbon A second step of forming a dispersion in which the material is dispersed in a solution of the cation exchange resin, removing the solvent from the dispersion to obtain a mixture of the carbon material and the cation exchange resin, and fixing the cation exchange resin A third step of adsorbing the cation of the catalyst metal to the ions and a fourth step of chemically reducing the cation are characterized.

また、本発明の、0.1質量%以上10質量%以下のホウ素を含む炭素材料の表面に、酸素原子または窒素原子を含む官能基を0.1meq/g以上10.0meq/g以下の範囲で備えた固体高分子形燃料電池用電極の製造方法(これを「第2製造方法」とする)は、炭素材料にホウ素を0.1質量%以上10質量%以下の範囲で含ませる第1の工程と、前記炭素材料の表面に、酸素原子または窒素原子を含む官能基を0.1meq/g以上10.0meq/g以下の範囲で形成する第2の工程と、前記炭素材料を陽イオン交換樹脂の溶液に分散した分散物を形成し、前記分散物から溶媒を除去して炭素材料と陽イオン交換樹脂の混合物を得る第3の工程と、前記陽イオン交換樹脂の固定イオンに触媒金属の陽イオンを吸着させる第4の工程と、前記陽イオンを化学的に還元する第5の工程を経ることを特徴とする。   Moreover, the functional group containing an oxygen atom or a nitrogen atom is in the range of 0.1 meq / g or more and 10.0 meq / g or less on the surface of the carbon material containing 0.1% by mass or more and 10% by mass or less of boron. The solid polymer fuel cell electrode manufacturing method (hereinafter referred to as “second manufacturing method”) provided in 1 is a first method in which boron is included in the carbon material in the range of 0.1 mass% to 10 mass%. A second step of forming a functional group containing an oxygen atom or a nitrogen atom in the range of 0.1 meq / g to 10.0 meq / g on the surface of the carbon material, and the carbon material as a cation. Forming a dispersion dispersed in a solution of the exchange resin, removing a solvent from the dispersion to obtain a mixture of a carbon material and a cation exchange resin; and a catalyst metal as a fixed ion of the cation exchange resin. The fourth method of adsorbing cations When, characterized in that through the fifth step of reducing the cations chemically.

本発明の、第1の製造方法の第1の工程および第2の製造方法の第1の工程においては、炭素材料にホウ素を0.1質量%以上10質量%以下の範囲で含ませる。ホウ素を含む炭素材料は、炭素材料とホウ素化合物との混合物を製作した後に、この混合物を熱処理することによって製作する。ここで用いるホウ素化合物は、炭化ホウ素、酸化ホウ素あるいは窒化ホウ素など熱処理後に炭素材料に含みやすいものを用いることができる。これらの化合物は、単独あるいは2種類以上混合して用いても良い。   In the 1st process of the 1st manufacturing method of the present invention, and the 1st process of the 2nd manufacturing method, boron is included in carbon material in the range of 0.1 mass% or more and 10 mass% or less. The carbon material containing boron is manufactured by manufacturing a mixture of a carbon material and a boron compound and then heat-treating the mixture. As the boron compound used here, a boron compound, boron oxide, boron nitride, or the like that is easily contained in the carbon material after heat treatment can be used. These compounds may be used alone or in combination of two or more.

炭素材料とホウ素化合物との混合物を製作する方法は、特に限定されないが、プロペラ式撹拌機など均一に混合できるものが好ましい。炭素材料とホウ素化合物との混合物の熱処理は、非酸化性雰囲気および2500℃以上で10分以上保持することが好ましい。加熱温度が2500℃未満および保持時間が10分未満の場合では、炭素材料にホウ素が含まないことから好ましくない。熱処理に用いる炉は、特に限定されないが高周波誘導加熱炉あるいは黒鉛化炉など非酸化性雰囲気および2500℃以上に設定できるものが好ましい。   The method for producing the mixture of the carbon material and the boron compound is not particularly limited, but a propeller type stirrer or the like that can be uniformly mixed is preferable. The heat treatment of the mixture of the carbon material and the boron compound is preferably held for 10 minutes or more in a non-oxidizing atmosphere and 2500 ° C. or higher. When the heating temperature is less than 2500 ° C. and the holding time is less than 10 minutes, it is not preferable because the carbon material does not contain boron. The furnace used for the heat treatment is not particularly limited, but a non-oxidizing atmosphere such as a high-frequency induction heating furnace or a graphitization furnace and a furnace that can be set to 2500 ° C. or higher are preferable.

非酸化性雰囲気は、ヘリウムガス、窒素ガスあるいはアルゴンガス等の不活性ガスで置換することによって得ることができる。ここで用いられる不活性ガスは、単独あるいは2種類以上混合して用いても良い。   The non-oxidizing atmosphere can be obtained by replacing with an inert gas such as helium gas, nitrogen gas or argon gas. The inert gas used here may be used alone or in combination of two or more.

本発明の、第2の製造方法の第2の工程において、ホウ素を含む炭素材料の表面に、酸素原子または窒素原子を含む官能基を0.1meq/g以上10.0meq/g以下の範囲で形成させる方法は、例えばつぎのとおりである。   In the second step of the second production method of the present invention, a functional group containing an oxygen atom or a nitrogen atom is added to the surface of the carbon material containing boron in a range of 0.1 meq / g or more and 10.0 meq / g or less. The method of forming is as follows, for example.

カルボニル基、スルホン酸基およびヒドロキシル基などに代表される酸素原子を含む官能基は、ホウ素を含む炭素材料を酸化させることによって形成する。炭素材料を酸化させる方法は特に限定されないが、例えばオゾン水、硫酸水溶液、過酸化水素水、硝酸水溶液、シュウ酸水溶液、塩酸水溶液、酢酸水溶液あるいは過マンガン酸カリウム水溶液などの酸性溶液に浸漬することによって酸化させる方法、酸素ガス、オゾンガスなどの酸化性ガスに接触させることによって酸化させる方法、あるいはプラズマを照射することによって酸化させる方法を用いることができる。   A functional group containing an oxygen atom typified by a carbonyl group, a sulfonic acid group and a hydroxyl group is formed by oxidizing a carbon material containing boron. The method for oxidizing the carbon material is not particularly limited. For example, it is immersed in an acidic solution such as ozone water, sulfuric acid aqueous solution, hydrogen peroxide solution, nitric acid aqueous solution, oxalic acid aqueous solution, hydrochloric acid aqueous solution, acetic acid aqueous solution or potassium permanganate aqueous solution. A method of oxidizing by oxidizing, a method of oxidizing by contacting with an oxidizing gas such as oxygen gas or ozone gas, or a method of oxidizing by irradiating plasma can be used.

オゾン水、硫酸水溶液、過酸化水素水、硝酸水溶液、シュウ酸水溶液、塩酸水溶液、酢酸水溶液あるいは過マンガン酸カリウム水溶液などの酸性水溶液は単独あるいは2種類以上混合して用いても良い。   Acidic aqueous solutions such as ozone water, sulfuric acid aqueous solution, hydrogen peroxide aqueous solution, nitric acid aqueous solution, oxalic acid aqueous solution, hydrochloric acid aqueous solution, acetic acid aqueous solution or potassium permanganate aqueous solution may be used alone or in combination.

酸化剤の水溶液の濃度は0.01mol/l以上10mol/l以下であることが好ましい。水溶液の濃度が0.01mol/l未満の場合は、ホウ素を含む炭素材料表面の酸化反応が遅いことによって親水性の官能基が備わりにくいこと、逆に10mol/lより大きい場合は酸化反応が著しく速いことによって炭素材料の構造が破壊されることからそれぞれ好ましくない。   The concentration of the oxidizing agent aqueous solution is preferably 0.01 mol / l or more and 10 mol / l or less. When the concentration of the aqueous solution is less than 0.01 mol / l, the oxidation reaction on the surface of the carbon material containing boron is slow, so that it is difficult to provide hydrophilic functional groups. Conversely, when the concentration is higher than 10 mol / l, the oxidation reaction is remarkable. It is not preferable because the structure of the carbon material is destroyed by being fast.

水溶液とホウ素を含む炭素材料とを分離する方法は、特に限定されず、一般の遠心分離機、吸引式の濾過器あるいは加圧式の濾過器を用いることができる。酸化剤の水溶液を用いてその材料を酸化したのちは、脱イオン水で洗浄することが好ましい。洗浄しない場合は、ホウ素を含む炭素材料内に酸化剤が付着しているので、陽イオン交換樹脂あるいは固体高分子形燃料電池の部材を腐食させる恐れがあるので好ましくない。   A method for separating the aqueous solution and the carbon material containing boron is not particularly limited, and a general centrifugal separator, a suction filter, or a pressure filter can be used. After oxidizing the material with an aqueous solution of an oxidizing agent, it is preferable to wash with deionized water. If not washed, an oxidizing agent is adhered to the carbon material containing boron, which may cause corrosion of the cation exchange resin or the polymer electrolyte fuel cell member.

酸素ガス、オゾンガスなどの酸化性ガスは窒素、アルゴンあるいはヘリウム等の不活性ガスで希釈したものでも良い。混合比は、酸化性ガスと不活性ガスとの容積比1:1より酸化性ガスの割合が多い方が好ましい。酸化性ガスと不活性ガスとの容積比1:1より酸化性ガスの割合が少ない場合では、ホウ素を含む炭素材料表面の酸化が進行しにくい。プラズマを照射する方法は、特に限定されないが、常温常圧の空気中で放電するコロナ放電処理装置を用いることが簡便であることから好ましい。   The oxidizing gas such as oxygen gas or ozone gas may be diluted with an inert gas such as nitrogen, argon or helium. The mixing ratio is preferably higher than the oxidizing gas / inert gas volume ratio of 1: 1. When the volume ratio of the oxidizing gas to the inert gas is less than 1: 1, the oxidation of the surface of the carbon material containing boron hardly progresses. The method of irradiating plasma is not particularly limited, but it is preferable to use a corona discharge treatment apparatus that discharges in air at normal temperature and pressure.

アミド基あるいはアミノ基などの窒素原子を含む官能基は、ホウ素を含む炭素材料を以下の処理をおこなうことによって形成する。炭素材料を処理する方法は特に限定されないが、例えばアミド基あるいはアミノ基を形成させる方法はつぎのとおりである。   A functional group containing a nitrogen atom such as an amide group or an amino group is formed by subjecting a carbon material containing boron to the following treatment. A method for treating the carbon material is not particularly limited. For example, a method for forming an amide group or an amino group is as follows.

アミド基は、たとえばホウ素を含む炭素材料にカルボニル基を形成したのちにその官能基とアンモニアとを反応させることによって形成する方法を用いることができる。カルボニル基の形成は、前述と同様の酸化方法でおこなうことができる。   The amide group can be formed by, for example, forming a carbonyl group on a carbon material containing boron and then reacting the functional group with ammonia. The carbonyl group can be formed by the same oxidation method as described above.

カルボニル基をアミド基へ反応させる方法はつぎのとおりである。カルボニル基からアミド基へは、カルボニル基とアンモニアとの付加−脱離反応によって進行する。その反応は、カルボニル基を備えた炭素材料とアンモニア水溶液とを混合する方法、あるいはその材料にアンモニアガスを接触させる方法を用いることができる。   A method for reacting a carbonyl group with an amide group is as follows. From the carbonyl group to the amide group proceeds by an addition-elimination reaction between the carbonyl group and ammonia. For the reaction, a method of mixing a carbon material having a carbonyl group and an aqueous ammonia solution, or a method of bringing ammonia gas into contact with the material can be used.

アンモニア水溶液の濃度は、1.0×10−4mol/l以上であること、さらにこの水溶液にはホウ素を含む炭素材料に形成しているカルボニル基の量以上のアンモニアが含まれていることが好ましい。この濃度よりも低い場合は、付加−脱離反応が遅いことによってアミド基が形成しにくい。 The concentration of the aqueous ammonia solution should be 1.0 × 10 −4 mol / l or more, and the aqueous solution should contain more ammonia than the amount of carbonyl groups formed in the carbon material containing boron. preferable. When the concentration is lower than this concentration, an amide group is hardly formed due to a slow addition-elimination reaction.

アンモニアガスは、窒素、アルゴンあるいはヘリウム等の不活性ガスで希釈したものでも良い。そのときの混合比は、アンモニアガスと不活性ガスとの容積比1:1よりアンモニアガスの割合が多い方が好ましい。アンモニアガスと不活性ガスとの容積比1:1よりアンモニアガスの割合が少ない場合では、付加−脱離反応が遅いことによってアミド基が形成しにくい。   The ammonia gas may be diluted with an inert gas such as nitrogen, argon or helium. As for the mixing ratio at that time, it is preferable that the ratio of the ammonia gas is larger than the volume ratio 1: 1 of the ammonia gas and the inert gas. In the case where the ratio of ammonia gas is smaller than 1: 1 by volume ratio of ammonia gas to inert gas, an amide group is hardly formed due to slow addition-elimination reaction.

アミノ基は、ホウ素を含む炭素材料にニトロ基を付与したのちにその官能基を還元することによって形成する方法、あるいは、ハロゲン元素をその材料に導入したのちにアンモニアと反応させることによって形成する方法を用いることができる。   Amino group is formed by adding a nitro group to a carbon material containing boron and then reducing the functional group, or by introducing a halogen element into the material and then reacting with ammonia. Can be used.

ニトロ基からアミノ基を形成する方法はつぎのとおりである。ニトロ基の形成は、たとえば濃硝酸と濃硫酸との混合液あるいは濃硝酸でニトロ化する方法を用いることによってできる。   A method for forming an amino group from a nitro group is as follows. The nitro group can be formed, for example, by using a mixed solution of concentrated nitric acid and concentrated sulfuric acid or a method of nitration with concentrated nitric acid.

濃硝酸と濃硫酸との混合液あるいは濃硝酸のそれぞれの濃度は5.0mol/l以上であることが好ましい。その濃度が5.0mol/l未満の場合は、ホウ素を含む炭素材料表面のニトロ化反応が遅いことによってニトロ基が備わりにくいことから好ましくない。   The concentration of concentrated nitric acid and concentrated sulfuric acid or each concentration of concentrated nitric acid is preferably 5.0 mol / l or more. When the concentration is less than 5.0 mol / l, the nitration reaction on the surface of the carbon material containing boron is slow, so that it is difficult to provide a nitro group.

ニトロ基からアミノ基へ還元するには、例えば鉄と塩酸との混合物を用いることによってできる。鉄の代わりに亜鉛あるいは錫等、ニトロ基からアミノ基への還元反応に対して活性が高いものを用いることができる。これらの金属は単独あるいは混合しても用いることができる。   Reduction from a nitro group to an amino group can be achieved, for example, by using a mixture of iron and hydrochloric acid. Instead of iron, one having high activity for the reduction reaction from a nitro group to an amino group, such as zinc or tin, can be used. These metals can be used alone or in combination.

その混合溶液に含まれる金属および塩酸の濃度は、それぞれ1.0×10−4mol/lおよび1.0mol/l以上であること、さらにそれらの量は炭素材料に形成しているニトロ基の量より多い方が好ましい。これらの濃度よりも小さい場合は、還元反応が遅いことによってアミノ基が備わりにくい。この反応で用いた金属は、後述の触媒金属の吸着工程の前に触媒金属未担持電極を硫酸あるいは硝酸等の酸化剤水溶液で洗浄することによって取り除くことができる。 The concentrations of the metal and hydrochloric acid contained in the mixed solution are 1.0 × 10 −4 mol / l and 1.0 mol / l or more, respectively, and the amount thereof is that of the nitro group formed in the carbon material. A larger amount is preferred. When the concentration is lower than these concentrations, the amino group is hardly provided due to the slow reduction reaction. The metal used in this reaction can be removed by washing the catalyst metal unsupported electrode with an aqueous oxidizing agent such as sulfuric acid or nitric acid before the catalytic metal adsorption step described later.

ハロゲン元素を導入したのちにアンモニアと反応させることによってアミノ基を形成させる方法はつぎのとおりである。ハロゲン元素を炭素材料に導入する方法は、例えば臭素水,塩酸あるいはヨウ素水と炭素材料を混合する方法あるいは炭素材料に臭素ガス、塩素ガスあるいはヨウ素ガスを接触させる方法を用いることができる。   A method for forming an amino group by reacting with ammonia after introducing a halogen element is as follows. As a method of introducing the halogen element into the carbon material, for example, a method of mixing bromine water, hydrochloric acid or iodine water and a carbon material, or a method of bringing a carbon material into contact with bromine gas, chlorine gas or iodine gas can be used.

臭素水,塩酸あるいはヨウ素水を用いる場合は、それらの濃度が0.01mol/l以上であることが好ましい。その濃度が0.01mol/l未満の場合は、炭素材料表面のハロゲン化反応が遅いことによってハロゲン元素が導入しにくいことから好ましくない。   When bromine water, hydrochloric acid or iodine water is used, the concentration is preferably 0.01 mol / l or more. When the concentration is less than 0.01 mol / l, it is not preferable because the halogen element is difficult to be introduced due to the slow halogenation reaction on the surface of the carbon material.

臭素ガス、塩素ガスあるいはヨウ素ガスなどのハロゲンガスを用いる場合は、アルゴンあるいはヘリウム等の不活性ガスで希釈したものでも良い。そのときの混合比は、ハロゲンガスと不活性ガスとの容積比1:1よりハロゲンガスの割合が多い方が好ましい。ハロゲンガスと不活性ガスとの容積比1:1より酸化性ガスの割合が少ない場合では、炭素材料表面のハロゲン化が進行しにくい。ハロゲンガスと炭素材料を接触させる際には、反応を促進させるために加熱あるいは紫外線を照射しても良い。   When a halogen gas such as bromine gas, chlorine gas or iodine gas is used, it may be diluted with an inert gas such as argon or helium. The mixing ratio at that time is preferably higher in the proportion of the halogen gas than the volume ratio of 1: 1 of the halogen gas and the inert gas. When the ratio of the oxidizing gas is less than the volume ratio of 1: 1 of the halogen gas and the inert gas, the halogenation of the carbon material surface is difficult to proceed. When the halogen gas is brought into contact with the carbon material, heating or ultraviolet irradiation may be performed to promote the reaction.

ハロゲン元素からアミノ基に置換する方法は、たとえばハロゲン元素が導入した炭素材料とアンモニア水溶液とを混合する方法あるいはその材料にアンモニアガスを接触させる方法を用いることができる。アンモニア水溶液の濃度は1.0×10−4mol/l以上であること、さらに炭素材料に導入されているハロゲン元素の量より多い方が好ましい。この濃度よりも小さい場合は、アミノ基への置換反応が遅いことによってアミノ基が備わりにくい。アンモニアガスは、窒素、アルゴンあるいはヘリウム等の不活性ガスで希釈したものでも良い。 As a method of substituting an amino group with a halogen element, for example, a method of mixing a carbon material into which a halogen element is introduced and an aqueous ammonia solution or a method of bringing ammonia gas into contact with the material can be used. The concentration of the aqueous ammonia solution is preferably 1.0 × 10 −4 mol / l or more, and more preferably than the amount of halogen element introduced into the carbon material. If the concentration is lower than this concentration, the amino group is hardly provided due to the slow substitution reaction with the amino group. The ammonia gas may be diluted with an inert gas such as nitrogen, argon or helium.

そのときの混合比は、アンモニアガスと不活性ガスとの容積比1:1よりアンモニアガスの割合が多い方が好ましい。アンモニアガスと不活性ガスとの容積比が1:1よりアンモニアガスの割合が少ない場合では、炭素材料表面へのアミノ基の導入が進行しにくい。   As for the mixing ratio at that time, it is preferable that the ratio of the ammonia gas is larger than the volume ratio 1: 1 of the ammonia gas and the inert gas. When the volume ratio of ammonia gas to inert gas is less than 1: 1, the introduction of amino groups on the carbon material surface is difficult to proceed.

本発明の、第1の製造方法の第2の工程および第2の製造方法の第3の工程においては、炭素材料を陽イオン交換樹脂の溶液に分散した分散物を形成し、前記分散物から溶媒を除去して炭素材料と陽イオン交換樹脂の混合物を得る。この炭素材料と陽イオン交換樹脂の混合物はの触媒金属未担持であり、形状は電極または粉末である。   In the second step of the first production method and the third step of the second production method of the present invention, a dispersion in which a carbon material is dispersed in a solution of a cation exchange resin is formed, and from the dispersion The solvent is removed to obtain a mixture of the carbon material and the cation exchange resin. The mixture of the carbon material and the cation exchange resin is unsupported with a catalyst metal and has a shape of an electrode or powder.

触媒金属未担持電極の具体的な製造方法はつぎのとおりである。炭素材料と陽イオン交換樹脂の溶液とを混合し、その混合物を電極基材に塗布することによってシート状に形成し、最後に、このシート状の混合物を乾燥することによって、触媒金属未担持電極を形成する。   A specific method for producing the catalyst metal unsupported electrode is as follows. A carbon material and a cation exchange resin solution are mixed, and the mixture is applied to an electrode substrate to form a sheet, and finally, the sheet-like mixture is dried, whereby a catalyst metal unsupported electrode Form.

電極基材は特に限定されず、PTFE(Poly tetrafluoroethylene)あるいはPET(Polyetylene Terephtarate)等の高分子シート、あるいはチタンなどの金属のシートを用いることができる。   The electrode substrate is not particularly limited, and a polymer sheet such as PTFE (Polytetrafluoroethylene) or PET (Polyethylene Terephthalate), or a metal sheet such as titanium can be used.

触媒金属未担持粉末の具体的な製造方法はつぎのとおりである。炭素材料と陽イオン交換樹脂の溶液とを混合した後に、この混合物を粉末状に乾燥することによって、触媒金属未担持粉末を製作する。   A specific method for producing the catalyst metal unsupported powder is as follows. After mixing the carbon material and the solution of the cation exchange resin, the mixture is dried into a powder to produce a catalyst metal unsupported powder.

炭素材料と陽イオン交換樹脂の溶液との混合物を粉末状に乾燥する方法は、炭素材料と陽イオン交換樹脂の溶液との混合物をシート状に乾燥した後に粉砕する方法、あるいは混合物を噴霧乾燥する方法が好ましい。乾燥の温度は、特に限定されないが50℃以上であることは、溶媒を完全に気化させる時間が短いことから好ましい。一方、その温度が200℃以上であることは、陽イオン交換樹脂が劣化するので好ましくない。   The method of drying the mixture of the carbon material and the cation exchange resin solution into a powder form is a method of drying the mixture of the carbon material and the cation exchange resin solution into a sheet and then pulverizing the mixture, or spray drying the mixture. The method is preferred. The drying temperature is not particularly limited, but is preferably 50 ° C. or higher because the time for completely evaporating the solvent is short. On the other hand, it is not preferable that the temperature is 200 ° C. or higher because the cation exchange resin deteriorates.

本発明の、第1の製造方法の第3の工程および第2の製造方法の第4の工程において、触媒金属未担持電極あるいは触媒金属未担持粉末中の陽イオン交換樹脂の固定イオンに触媒金属の陽イオンを吸着させる工程はつぎのとおりである。   In the third step of the first production method and the fourth step of the second production method of the present invention, the catalyst metal is used as the fixed ion of the cation exchange resin in the catalyst metal unsupported electrode or the catalyst metal unsupported powder. The process of adsorbing the cation is as follows.

まず、その電極あるいは粉末に含まれる不純物を除去するために硫酸で洗浄する。つぎに、その電極あるいは粉末を触媒金属の陽イオンを含んだ溶液に浸漬することによって、その電極あるいは粉末に含まれる陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路に触媒金属の陽イオンを吸着させる。溶液の触媒金属の陽イオンの濃度は、陽イオン交換樹脂が被覆していない箇所への物理吸着を防ぐために100mmol/l以下であることが好ましく、この溶液が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路に吸着できる最大モル量以上の触媒金属イオンを含んでいることが好ましい。触媒金属の陽イオンを含んだ溶液に用いる溶媒としては、とくに限定されないが、水あるいは水とアルコールとの混合溶液を用いることができる。   First, it is washed with sulfuric acid in order to remove impurities contained in the electrode or powder. Next, by immersing the electrode or powder in a solution containing a cation of the catalytic metal, the cation of the catalytic metal is adsorbed on the proton conduction path of the cation exchange resin contained in the electrode or powder. The concentration of the cation of the catalyst metal in the solution is preferably 100 mmol / l or less in order to prevent physical adsorption to a portion that is not coated with the cation exchange resin, and this solution serves as a proton conduction path of the cation exchange resin. It is preferable that the catalyst metal ion is contained in the maximum molar amount or more that can be adsorbed. Although it does not specifically limit as a solvent used for the solution containing the cation of a catalyst metal, Water or the mixed solution of water and alcohol can be used.

本発明の、第1の製造方法の第4の工程および第2の製造方法の第5の工程において、触媒金属未担持電極あるいは触媒金属未担持粉末に吸着した触媒金属の陽イオンを化学的に還元する工程はつぎのとおりである。   In the fourth step of the first production method and the fifth step of the second production method of the present invention, the catalyst metal cation adsorbed on the catalyst metal unsupported electrode or the catalyst metal unsupported powder is chemically treated. The process of reducing is as follows.

陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路に吸着した陽イオンを還元するには、量産に適した還元剤を用いる化学的な還元方法を用いることが好ましい。とくに水素ガスあるいは水素混合ガスによって気相還元する方法、あるいはヒドラジンを含む不活性ガスによって気相還元する方法が好ましい。還元の温度は、100℃以上、250℃以下であることが好ましい。100℃未満の場合では、触媒金属イオンの還元反応の進行が著しく遅い。一方、250℃より高い場合では、陽イオン交換樹脂が著しく劣化するので好ましくない。   In order to reduce the cation adsorbed on the proton conduction path of the cation exchange resin, it is preferable to use a chemical reduction method using a reducing agent suitable for mass production. In particular, a method of vapor phase reduction with hydrogen gas or a hydrogen mixed gas, or a method of gas phase reduction with an inert gas containing hydrazine is preferable. The reduction temperature is preferably 100 ° C. or higher and 250 ° C. or lower. When the temperature is lower than 100 ° C., the progress of the catalytic metal ion reduction reaction is extremely slow. On the other hand, when the temperature is higher than 250 ° C., the cation exchange resin is significantly deteriorated, which is not preferable.

超少量触媒金属担持粉末を用いて超少量触媒金属担持電極を製作する方法は、例えばつぎのとおりである。まず、超少量触媒金属担持粉末と溶媒とを混合することによって、スラリー状の混合物を製造する。つぎに、この混合物を電極基材に塗布したのちに乾燥することによって溶媒を除去することでシート状に形成する。   For example, a method for producing an ultra-small catalyst metal-supported electrode using an ultra-small catalyst metal-supported powder is as follows. First, a slurry-like mixture is produced by mixing an ultra-small amount of catalyst metal-supported powder and a solvent. Next, after applying this mixture to an electrode substrate, it is dried to form a sheet by removing the solvent.

このスラリー状の混合物を製造する時に用いる溶媒は、水などの無機化合物、ヘキサン、ペンタン、シクロヘキサン、オクタン、ベンゼンなどの炭化水素系の液体、ジクロロメタン、1,1,2−トリクロロ−1,1,2−トリフルオロエタンなどのハロゲン化合物、メタノール、エタノール、エチレングリコール、グリセリンなどのアルコール、アニソールなどのエーテル、アセトンなどのケトン、N−メチル−2−ピロリドン、ピリジン、ジメチルスルホキシドなどの有機化合物を使用することができる。電極基材はとくに限定されず、PTFEあるいはPET等の高分子シート、あるいはチタンなどの金属のシートを用いることができる。   Solvents used when producing this slurry mixture are inorganic compounds such as water, hydrocarbon liquids such as hexane, pentane, cyclohexane, octane and benzene, dichloromethane, 1,1,2-trichloro-1,1, Use halogen compounds such as 2-trifluoroethane, alcohols such as methanol, ethanol, ethylene glycol and glycerol, ethers such as anisole, ketones such as acetone, and organic compounds such as N-methyl-2-pyrrolidone, pyridine and dimethyl sulfoxide. can do. The electrode substrate is not particularly limited, and a polymer sheet such as PTFE or PET, or a metal sheet such as titanium can be used.

超少量触媒金属担持電極を陽イオン交換膜に接合することによって、本発明の固体高分子形燃料電池用電極が形成される。陽イオン交換膜には、たとえば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、スチレン−ビニルベンゼンスルホン酸樹脂、パーフルオロカーボンカルボン酸樹脂、スチレン−ビニルベンゼンカルボン酸樹脂などのプロトン伝導性の陽イオン交換樹脂を用いることができるが、化学的な安定性とプロトン伝導性とが高いパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂からなるものを用いることが好ましい。例えば、その高分子電解質膜として、デュポン社製のナフィオン膜を用いることができる。   The electrode for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention is formed by bonding an ultra-small amount of catalytic metal-supporting electrode to a cation exchange membrane. For the cation exchange membrane, for example, a proton conductive cation exchange resin such as a perfluorocarbon sulfonic acid resin, a styrene-vinylbenzene sulfonic acid resin, a perfluorocarbon carboxylic acid resin, or a styrene-vinylbenzene carboxylic acid resin may be used. However, it is preferable to use a perfluorocarbon sulfonic acid resin having high chemical stability and high proton conductivity. For example, a DuPont Nafion membrane can be used as the polymer electrolyte membrane.

陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に触媒金属が主に担持された超少量触媒金属担持電極と陽イオン交換膜との接合は、加熱圧着することによりおこなうことができる。加熱温度は、陽イオン交換樹脂のガラス転移温度に近い90℃から160℃であることがこの好ましい。加熱圧着には、平プレス機あるいはロールプレス機を用いることができる。   Joining of the cation exchange membrane with the ultra-small amount of catalytic metal-carrying electrode in which the catalytic metal is mainly supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface can be performed by thermocompression bonding. . The heating temperature is preferably 90 ° C. to 160 ° C. close to the glass transition temperature of the cation exchange resin. A flat press or a roll press can be used for thermocompression bonding.

以下実施例を挙げて詳細に説明する。   Examples will be described in detail below.

[実施例1〜5]
[実施例1]
炭素材料(バルカンXC−72、キャボット社製)にホウ素を含んだのちに、触媒金属未担持電極を製作した。最初に、炭素材料(バルカンXC−72、キャボット社製)20gと炭化ホウ素0.1gとをプロペラ式撹拌機で1時間混合した。つぎに、この混合物を高周波誘電加熱炉で2700℃、1時間加熱した。このとき炉内は、アルゴンガスで満たした。最後に、放冷することによってホウ素を含む炭素材料を製作した。その炭素材料をICP発光分光分析で定量したところホウ素が0.10質量%含んでいた。
[Examples 1 to 5]
[Example 1]
After boron was included in the carbon material (Vulcan XC-72, manufactured by Cabot), a catalyst metal unsupported electrode was manufactured. First, 20 g of a carbon material (Vulcan XC-72, manufactured by Cabot) and 0.1 g of boron carbide were mixed with a propeller-type stirrer for 1 hour. Next, this mixture was heated at 2700 ° C. for 1 hour in a high frequency dielectric heating furnace. At this time, the inside of the furnace was filled with argon gas. Finally, a carbon material containing boron was manufactured by cooling. When the carbon material was quantified by ICP emission spectroscopic analysis, it contained 0.10% by mass of boron.

つぎに、この炭素材料を用いた触媒金属未担持電極を製作した。最初に、0.10質量%のホウ素を含む炭素材料8.0gにナフィオン溶液(5質量%溶液、アルドリッチ社製)を86.4g加え、撹拌して混合物を調製した。つぎに、この混合物をプロペラ式撹拌機で撹拌しながら60℃で加熱濃縮して、スラリー状の混合物を調製した。この混合物に対するナフィオンの固形分の質量比は6.5質量%であった。   Next, a catalyst metal unsupported electrode using this carbon material was manufactured. First, 86.4 g of a Nafion solution (5 mass% solution, manufactured by Aldrich) was added to 8.0 g of a carbon material containing 0.10 mass% of boron, and the mixture was stirred to prepare a mixture. Next, this mixture was heated and concentrated at 60 ° C. while stirring with a propeller-type stirrer to prepare a slurry-like mixture. The mass ratio of the solid content of Nafion to this mixture was 6.5% by mass.

このスラリー状の混合物を高分子シート(PTFE、厚み50μm)に塗布し、自然乾燥して、高分子シート上に実施例1の触媒金属未担持電極Aを製作した。この時の1cm当たりの触媒金属未担持電極の重量は、2.2mg/cmであった。塗布にはスリット幅が300μmのアプリケーターを用いた。最後に、この電極を50mm×50mmの大きさに裁断した。 This slurry-like mixture was applied to a polymer sheet (PTFE, thickness 50 μm) and air-dried to produce the catalyst metal unsupported electrode A of Example 1 on the polymer sheet. Weight of the catalyst metal unsupported electrodes of 1 cm 2 per at this time was 2.2 mg / cm 2. For application, an applicator having a slit width of 300 μm was used. Finally, this electrode was cut into a size of 50 mm × 50 mm.

触媒金属未担持電極Aから、本発明の超少量触媒金属担持電極Aを以下の方法で製作した。まず、触媒金属未担持電極Aを0.5mol/lの硫酸水溶液で洗浄することによって不純物を除去した。つぎに、50mmol/lの[Pt(NH]Clの水溶液(60℃)に24時間浸漬して、電極に含まれるナフィオンのプロトン伝導経路に[Pt(NH2+を吸着させた。つづいて、この電極を25℃の脱イオン水で3回洗浄したのちに、60℃の脱イオン水に1時間浸漬した。 From the catalyst metal non-supported electrode A, an ultra-small amount of catalyst metal-supported electrode A of the present invention was produced by the following method. First, impurities were removed by washing the catalyst metal unsupported electrode A with a 0.5 mol / l sulfuric acid aqueous solution. Next, it is immersed in an aqueous solution (60 ° C.) of 50 mmol / l [Pt (NH 3 ) 4 ] Cl 2 for 24 hours, and [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ is added to the proton conduction path of Nafion contained in the electrode. Adsorbed. Subsequently, this electrode was washed with deionized water at 25 ° C. three times and then immersed in deionized water at 60 ° C. for 1 hour.

さらに、この電極を乾燥機で、60℃、1時間乾燥した。最後に、プロトン伝導経路に吸着した[Pt(NH2+を0.15気圧、180℃の水素雰囲気下で6時間還元して、炭素材料とプロトン伝導経路との接面に触媒金属である白金を主に析出させ、超少量触媒金属担持電極A(白金担持量0.05mg/cm)を製作した。この白金担持量は、別途化学分析によって定量した。 Furthermore, this electrode was dried with a dryer at 60 ° C. for 1 hour. Finally, [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ adsorbed on the proton conduction path is reduced for 6 hours in a hydrogen atmosphere at 0.15 atm and 180 ° C., and a catalytic metal is formed on the contact surface between the carbon material and the proton conduction path. Was mainly deposited to produce an ultra-small amount of catalytic metal-supported electrode A (platinum supported amount 0.05 mg / cm 2 ). This platinum loading was quantified separately by chemical analysis.

[実施例2]
炭素材料(バルカンXC−72)20gと炭化ホウ素0.50gを混合し、0.52質量%のホウ素を含む炭素材料を製作し、この炭素材料を用いたこと以外は実施例1と同様にして、実施例2の触媒金属未担持電極Bを製作した。この触媒金属未担持電極の重量は2.2mg/cmであった。この触媒金属未担持電極Bを用いて、実施例1と同様にして、超少量触媒金属担持電極Bを作製した。この電極の白金担持量を化学分析で求めたところ、0.05mg/cmであった。
[Example 2]
20 g of carbon material (Vulcan XC-72) and 0.50 g of boron carbide were mixed to produce a carbon material containing 0.52% by mass of boron, and this carbon material was used in the same manner as in Example 1. The catalyst metal unsupported electrode B of Example 2 was manufactured. The weight of the catalyst metal unsupported electrode was 2.2 mg / cm 2 . Using this catalyst metal unsupported electrode B, an ultra-small amount of catalyst metal supported electrode B was produced in the same manner as in Example 1. The amount of platinum supported on this electrode was determined by chemical analysis and found to be 0.05 mg / cm 2 .

[実施例3]
炭素材料(バルカンXC−72)20gと炭化ホウ素1.0gを混合し、1.1質量%のホウ素を含む炭素材料を製作し、この炭素材料を用いたこと以外は実施例1と同様にして、実施例3の触媒金属未担持電極Cを製作した。この触媒金属未担持電極の重量は2.2mg/cmであった。この触媒金属未担持電極Cを用いて、実施例1と同様にして、超少量触媒金属担持電極Cを作製した。この電極の白金担持量を化学分析で求めたところ、0.05mg/cmであった。
[Example 3]
20 g of carbon material (Vulcan XC-72) and 1.0 g of boron carbide were mixed to produce a carbon material containing 1.1% by mass of boron, and this carbon material was used in the same manner as in Example 1. Then, the catalyst metal unsupported electrode C of Example 3 was manufactured. The weight of the catalyst metal unsupported electrode was 2.2 mg / cm 2 . Using this catalyst metal unsupported electrode C, an ultra-small amount of catalyst metal supported electrode C was produced in the same manner as in Example 1. The amount of platinum supported on this electrode was determined by chemical analysis and found to be 0.05 mg / cm 2 .

[実施例4]
炭素材料(バルカンXC−72)20gと炭化ホウ素5.0gを混合し、5.1質量%のホウ素を含む炭素材料を製作し、この炭素材料を用いたこと以外は実施例1と同様にして、実施例4の触媒金属未担持電極Dを製作した。この触媒金属未担持電極の重量は2.2mg/cmであった。この触媒金属未担持電極Dを用いて、実施例1と同様にして、超少量触媒金属担持電極Dを作製した。この電極の白金担持量を化学分析で求めたところ、0.05mg/cmであった。
[Example 4]
Carbon material (Vulcan XC-72) 20 g and boron carbide 5.0 g were mixed to produce a carbon material containing 5.1% by mass of boron, and this carbon material was used in the same manner as in Example 1. A catalyst metal unsupported electrode D of Example 4 was manufactured. The weight of the catalyst metal unsupported electrode was 2.2 mg / cm 2 . Using this catalyst metal unsupported electrode D, an ultra-small amount of catalyst metal supported electrode D was produced in the same manner as in Example 1. The amount of platinum supported on this electrode was determined by chemical analysis and found to be 0.05 mg / cm 2 .

[実施例5]
炭素材料(バルカンXC−72)20gと炭化ホウ素10.0gを混合し、10.0質量%のホウ素を含む炭素材料を製作し、この炭素材料を用いたこと以外は実施例1と同様にして、実施例5の触媒金属未担持電極Eを製作した。この触媒金属未担持電極の重量は2.2mg/cmであった。この触媒金属未担持電極Eを用いて、実施例1と同様にして、超少量触媒金属担持電極Eを作製した。この電極の白金担持量を化学分析で求めたところ、0.05mg/cmであった。
[Example 5]
20 g of carbon material (Vulcan XC-72) and 10.0 g of boron carbide were mixed to produce a carbon material containing 10.0% by mass of boron, and this carbon material was used in the same manner as in Example 1. A catalyst metal unsupported electrode E of Example 5 was manufactured. The weight of the catalyst metal unsupported electrode was 2.2 mg / cm 2 . Using this catalyst metal unsupported electrode E, an ultra-small amount of catalyst metal supported electrode E was produced in the same manner as in Example 1. The amount of platinum supported on this electrode was determined by chemical analysis and found to be 0.05 mg / cm 2 .

[実施例6〜10]
[実施例6]
実施例1と同様にして、炭素材料(バルカンXC−72)にホウ素を0.1質量%含ませた後、この炭素材料に、つぎの方法で酸素原子を含む官能基を形成した。
[Examples 6 to 10]
[Example 6]
In the same manner as in Example 1, after 0.1% by mass of boron was contained in the carbon material (Vulcan XC-72), functional groups containing oxygen atoms were formed on the carbon material by the following method.

最初に、ホウ素を0.1質量%含む炭素材料(バルカンXC−72)20gを5Lビーカーに採取し、これにエタノール10mlおよび酸化剤水溶液(硫酸、0.10mol/l)2lを加えた。この炭素材料、酸化剤水溶液およびエタノールの混合物を撹拌しながら真空に引いた後、プロペラ式撹拌機で1時間撹拌した。   First, 20 g of carbon material (Vulcan XC-72) containing 0.1% by mass of boron was collected in a 5 L beaker, and 10 ml of ethanol and 2 l of an oxidizing agent aqueous solution (sulfuric acid, 0.10 mol / l) were added thereto. The mixture of the carbon material, the aqueous oxidizing agent solution and ethanol was evacuated while stirring, and then stirred for 1 hour with a propeller-type stirrer.

つぎに、この混合物を吸引ろ過して、炭素材料と酸化剤水溶液とを分離した。その炭素材料に脱イオン水2lを加えて10分間撹拌したのちに吸引ろ過で、炭素材料と脱イオン水とを分離した。この洗浄を5回繰り返して炭素材料を洗浄した。最後に、この炭素材料を100℃、24時間真空乾燥した後、ブレンダーミルで粉砕した。   Next, this mixture was subjected to suction filtration to separate the carbon material and the oxidizing agent aqueous solution. After adding 2 l of deionized water to the carbon material and stirring for 10 minutes, the carbon material and deionized water were separated by suction filtration. This cleaning was repeated 5 times to clean the carbon material. Finally, the carbon material was vacuum-dried at 100 ° C. for 24 hours and then pulverized by a blender mill.

得られた炭素材料の表面に存在する酸素原子を含む官能基を昇温脱離ガス分析装置で定量したところカルボニル基、スルホン酸基およびヒドロキシル基などが合わせて0.10meq/g存在していた。   When functional groups containing oxygen atoms present on the surface of the obtained carbon material were quantified with a temperature programmed desorption gas analyzer, carbonyl groups, sulfonic acid groups, hydroxyl groups, and the like were present in total of 0.10 meq / g. .

この炭素材料を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例6の触媒金属未担持電極Fを製作した。この触媒金属未担持電極の重量は2.2mg/cmであった。この触媒金属未担持電極Fを用いて、実施例1と同様にして、超少量触媒金属担持電極Fを作製した。この電極の白金担持量を化学分析で求めたところ、0.05mg/cmであった。 A catalyst metal unsupported electrode F of Example 6 was manufactured in the same manner as Example 1 except that this carbon material was used. The weight of the catalyst metal unsupported electrode was 2.2 mg / cm 2 . Using this catalyst metal unsupported electrode F, an ultra-small amount of catalyst metal supported electrode F was produced in the same manner as in Example 1. The amount of platinum supported on this electrode was determined by chemical analysis and found to be 0.05 mg / cm 2 .

[実施例7]
酸化剤水溶液として0.50mol/lの硫酸を用いたこと以外は実施例6と同様にして、炭素材料酸素原子を含む官能基を形成した。得られた炭素材料の表面に存在する酸素原子を含む官能基は0.49meq/gであった。この炭素材料を用いたこと以外は実施例6と同様にして、実施例7の触媒金属未担持電極Gを製作した。この触媒金属未担持電極の重量は2.2mg/cmであった。この触媒金属未担持電極Gを用いて、実施例6と同様にして、超少量触媒金属担持電極Gを作製した。この電極の白金担持量を化学分析で求めたところ、0.05mg/cmであった。
[Example 7]
A functional group containing carbon material oxygen atoms was formed in the same manner as in Example 6 except that 0.50 mol / l sulfuric acid was used as the oxidizing agent aqueous solution. The functional group containing an oxygen atom present on the surface of the obtained carbon material was 0.49 meq / g. A catalyst metal unsupported electrode G of Example 7 was manufactured in the same manner as Example 6 except that this carbon material was used. The weight of the catalyst metal unsupported electrode was 2.2 mg / cm 2 . Using this catalyst metal unsupported electrode G, an ultra-small amount of catalyst metal supported electrode G was produced in the same manner as in Example 6. The amount of platinum supported on this electrode was determined by chemical analysis and found to be 0.05 mg / cm 2 .

[実施例8]
酸化剤水溶液として1.5mol/lの硫酸を用いたこと以外は実施例6と同様にして、炭素材料酸素原子を含む官能基を形成した。得られた炭素材料の表面に存在する酸素原子を含む官能基は1.2meq/gであった。この炭素材料を用いたこと以外は実施例6と同様にして、実施例8の触媒金属未担持電極Hを製作した。この触媒金属未担持電極の重量は2.2mg/cmであった。この触媒金属未担持電極Hを用いて、実施例6と同様にして、超少量触媒金属担持電極Hを作製した。この電極の白金担持量を化学分析で求めたところ、0.05mg/cmであった。
[Example 8]
A functional group containing a carbon material oxygen atom was formed in the same manner as in Example 6 except that 1.5 mol / l sulfuric acid was used as the oxidizing agent aqueous solution. The functional group containing an oxygen atom present on the surface of the obtained carbon material was 1.2 meq / g. A catalyst metal unsupported electrode H of Example 8 was manufactured in the same manner as Example 6 except that this carbon material was used. The weight of the catalyst metal unsupported electrode was 2.2 mg / cm 2 . Using this catalyst metal unsupported electrode H, an ultra-small amount of catalyst metal supported electrode H was produced in the same manner as in Example 6. The amount of platinum supported on this electrode was determined by chemical analysis and found to be 0.05 mg / cm 2 .

[実施例9]
酸化剤水溶液として5.0mol/lの硫酸を用いたこと以外は実施例6と同様にして、炭素材料酸素原子を含む官能基を形成した。得られた炭素材料の表面に存在する酸素原子を含む官能基は4.9meq/gであった。この炭素材料を用いたこと以外は実施例6と同様にして、実施例9の触媒金属未担持電極Iを製作した。この触媒金属未担持電極の重量は2.2mg/cmであった。この触媒金属未担持電極Iを用いて、実施例6と同様にして、超少量触媒金属担持電極Iを作製した。この電極の白金担持量を化学分析で求めたところ、0.05mg/cmであった。
[Example 9]
A functional group containing carbon material oxygen atoms was formed in the same manner as in Example 6 except that 5.0 mol / l sulfuric acid was used as the oxidizing agent aqueous solution. The functional group containing an oxygen atom present on the surface of the obtained carbon material was 4.9 meq / g. A catalyst metal unsupported electrode I of Example 9 was produced in the same manner as in Example 6 except that this carbon material was used. The weight of the catalyst metal unsupported electrode was 2.2 mg / cm 2 . Using this catalyst metal unsupported electrode I, an ultra-small amount of catalyst metal supported electrode I was produced in the same manner as in Example 6. The amount of platinum supported on this electrode was determined by chemical analysis and found to be 0.05 mg / cm 2 .

[実施例10]
酸化剤水溶液として10.0mol/lの硫酸を用いたこと以外は実施例6と同様にして、炭素材料酸素原子を含む官能基を形成した。得られた炭素材料の表面に存在する酸素原子を含む官能基は10.0meq/gであった。この炭素材料を用いたこと以外は実施例6と同様にして、実施例10の触媒金属未担持電極Jを製作した。この触媒金属未担持電極の重量は2.2mg/cmであった。この触媒金属未担持電極Jを用いて、実施例6と同様にして、超少量触媒金属担持電極Jを作製した。この電極の白金担持量を化学分析で求めたところ、0.05mg/cmであった。
[Example 10]
Functional groups containing carbon material oxygen atoms were formed in the same manner as in Example 6 except that 10.0 mol / l sulfuric acid was used as the oxidizing agent aqueous solution. The functional group containing oxygen atoms present on the surface of the obtained carbon material was 10.0 meq / g. A catalyst metal unsupported electrode J of Example 10 was produced in the same manner as in Example 6 except that this carbon material was used. The weight of the catalyst metal unsupported electrode was 2.2 mg / cm 2 . Using this catalyst metal unsupported electrode J, an ultra-small amount of catalyst metal supported electrode J was produced in the same manner as in Example 6. The amount of platinum supported on this electrode was determined by chemical analysis and found to be 0.05 mg / cm 2 .

[実施例11〜15]
[実施例11]
実施例1と同様にして、炭素材料(バルカンXC−72)にホウ素を0.1質量%含ませた後、この炭素材料に、つぎの方法で窒素原子を含む官能基を形成した。
[Examples 11 to 15]
[Example 11]
In the same manner as in Example 1, after 0.1% by mass of boron was contained in the carbon material (Vulcan XC-72), functional groups containing nitrogen atoms were formed on the carbon material by the following method.

最初に、ホウ素を0.1質量%含む炭素材料(バルカンXC−72)20gを5Lビーカーに採取し、これにエタノール10mlおよび酸化剤水溶液(過酸化水素水、0.10mol/l)2lを加えた。この炭素材料、酸化剤水溶液およびエタノールの混合物を撹拌しながら真空に引いた後、プロペラ式撹拌機で1時間撹拌した。   First, 20 g of carbon material containing 0.1% by mass of boron (Vulcan XC-72) was collected in a 5 L beaker, and 10 ml of ethanol and 2 l of an oxidizing agent aqueous solution (hydrogen peroxide solution, 0.10 mol / l) were added thereto. It was. The mixture of the carbon material, the aqueous oxidizing agent solution and ethanol was evacuated while stirring, and then stirred for 1 hour with a propeller-type stirrer.

つぎに、この混合物を吸引ろ過して、炭素材料と酸化剤水溶液とを分離した。この炭素材料に脱イオン水2lを加えて10分間撹拌したのちに吸引ろ過で、炭素材料と脱イオン水とを分離した。この洗浄を5回繰り返して炭素材料を洗浄した。最後に、この炭素材料を100℃、24時間真空乾燥した。   Next, this mixture was subjected to suction filtration to separate the carbon material and the oxidizing agent aqueous solution. After adding 2 l of deionized water to this carbon material and stirring for 10 minutes, the carbon material and deionized water were separated by suction filtration. This cleaning was repeated 5 times to clean the carbon material. Finally, this carbon material was vacuum-dried at 100 ° C. for 24 hours.

得られた炭素材料の表面に存在するカルボニル基を昇温脱離ガス分析装置で定量したところ0.14meq/g存在していた。   When the carbonyl group existing on the surface of the obtained carbon material was quantified by a temperature programmed desorption gas analyzer, it was found to be 0.14 meq / g.

カルボニル基からアミド基への付加−脱離反応は、つぎの方法でおこなった。まず、カルボニル基が形成された炭素材料20gを5Lビーカーに採取し、これにエタノール10ml及びアンモニア水溶液(1.0mol/l)2lを加えた。この炭素材料、酸化剤水溶液およびエタノールの混合物を撹拌しながら真空に引いた後、プロペラ式撹拌機で1時間撹拌した。   The addition-elimination reaction from the carbonyl group to the amide group was carried out by the following method. First, 20 g of a carbon material in which a carbonyl group was formed was collected in a 5 L beaker, and 10 ml of ethanol and 2 l of an aqueous ammonia solution (1.0 mol / l) were added thereto. The mixture of the carbon material, the aqueous oxidizing agent solution and ethanol was evacuated while stirring, and then stirred for 1 hour with a propeller-type stirrer.

つぎに、この混合物を吸引ろ過して、炭素材料とアンモニア水溶液とを分離した。この炭素材料に脱イオン水2lを加えて10分間撹拌したのちに吸引ろ過で、炭素材料と脱イオン水とを分離した。この洗浄を5回繰り返して炭素材料を洗浄し、この炭素材料を100℃、24時間真空乾燥した。   Next, this mixture was subjected to suction filtration to separate the carbon material and the aqueous ammonia solution. After adding 2 l of deionized water to this carbon material and stirring for 10 minutes, the carbon material and deionized water were separated by suction filtration. This cleaning was repeated 5 times to clean the carbon material, and this carbon material was vacuum dried at 100 ° C. for 24 hours.

得られた炭素材料の表面に存在する窒素原子を含む官能基を昇温脱離ガス分析装置で定量したところアミド基およびアミノ基が合計0.10meq/g存在していた。   When functional groups containing nitrogen atoms present on the surface of the obtained carbon material were quantified with a temperature programmed desorption gas analyzer, amide groups and amino groups were present in total of 0.10 meq / g.

この炭素材料を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例11の触媒金属未担持電極Kを製作した。この触媒金属未担持電極の重量は2.2mg/cmであった。この触媒金属未担持電極Kを用いて、実施例11と同様にして超少量触媒金属担持電極Kを作製した。この電極の白金担持量を化学分析で求めたところ、0.05mg/cmであった。 A catalyst metal unsupported electrode K of Example 11 was manufactured in the same manner as Example 1 except that this carbon material was used. The weight of the catalyst metal unsupported electrode was 2.2 mg / cm 2 . Using this catalyst metal unsupported electrode K, an ultra-small amount of catalyst metal supported electrode K was produced in the same manner as in Example 11. The amount of platinum supported on this electrode was determined by chemical analysis and found to be 0.05 mg / cm 2 .

[実施例12]
酸化剤水溶液として0.2mol/lの過酸化水素水を用いたこと以外は実施例11と同様にして、炭素材料酸素原子を含む官能基を形成した。得られた炭素材料の表面に存在する酸素原子を含む官能基は0.48meq/gであった。この炭素材料を用いたこと以外は実施例11と同様にして、実施例12の触媒金属未担持電極Lを製作した。この触媒金属未担持電極の重量は2.2mg/cmであった。この触媒金属未担持電極Lを用いて、実施例11と同様にして、超少量触媒金属担持電極Lを作製した。この電極の白金担持量を化学分析で求めたところ、0.05mg/cmであった。
[Example 12]
A functional group containing carbon material oxygen atoms was formed in the same manner as in Example 11 except that 0.2 mol / l hydrogen peroxide solution was used as the oxidizing agent aqueous solution. The functional group containing an oxygen atom present on the surface of the obtained carbon material was 0.48 meq / g. A catalyst metal unsupported electrode L of Example 12 was manufactured in the same manner as Example 11 except that this carbon material was used. The weight of the catalyst metal unsupported electrode was 2.2 mg / cm 2 . Using this catalyst metal unsupported electrode L, an ultra-small amount of catalyst metal supported electrode L was produced in the same manner as in Example 11. The amount of platinum supported on this electrode was determined by chemical analysis and found to be 0.05 mg / cm 2 .

[実施例13]
酸化剤水溶液として0.5mol/lの過酸化水素水を用いたこと以外は実施例11と同様にして、炭素材料酸素原子を含む官能基を形成した。得られた炭素材料の表面に存在する酸素原子を含む官能基は1.2meq/gであった。この炭素材料を用いたこと以外は実施例11と同様にして、実施例13の触媒金属未担持電極Mを製作した。この触媒金属未担持電極の重量は2.2mg/cmであった。この触媒金属未担持電極Mを用いて、実施例11と同様にして、超少量触媒金属担持電極Mを作製した。この電極の白金担持量を化学分析で求めたところ、0.05mg/cmであった。
[Example 13]
A functional group containing carbon material oxygen atoms was formed in the same manner as in Example 11 except that 0.5 mol / l hydrogen peroxide was used as the oxidizing agent aqueous solution. The functional group containing an oxygen atom present on the surface of the obtained carbon material was 1.2 meq / g. A catalyst metal unsupported electrode M of Example 13 was manufactured in the same manner as Example 11 except that this carbon material was used. The weight of the catalyst metal unsupported electrode was 2.2 mg / cm 2 . Using this catalyst metal unsupported electrode M, an ultra-small amount of catalyst metal supported electrode M was produced in the same manner as in Example 11. The amount of platinum supported on this electrode was determined by chemical analysis and found to be 0.05 mg / cm 2 .

[実施例14]
酸化剤水溶液として1.5mol/lの過酸化水素水を用いたこと以外は実施例11と同様にして、炭素材料酸素原子を含む官能基を形成した。得られた炭素材料の表面に存在する酸素原子を含む官能基は5.1meq/gであった。この炭素材料を用いたこと以外は実施例11と同様にして、実施例14の触媒金属未担持電極Nを製作した。この触媒金属未担持電極の重量は2.2mg/cmであった。この触媒金属未担持電極Nを用いて、実施例11と同様にして、超少量触媒金属担持電極Nを作製した。この電極の白金担持量を化学分析で求めたところ、0.05mg/cmであった。
[Example 14]
A functional group containing carbon material oxygen atoms was formed in the same manner as in Example 11 except that 1.5 mol / l hydrogen peroxide solution was used as the oxidizing agent aqueous solution. The functional group containing an oxygen atom present on the surface of the obtained carbon material was 5.1 meq / g. A catalyst metal unsupported electrode N of Example 14 was manufactured in the same manner as Example 11 except that this carbon material was used. The weight of the catalyst metal unsupported electrode was 2.2 mg / cm 2 . Using this catalyst metal unsupported electrode N, an ultra-small amount of catalyst metal supported electrode N was produced in the same manner as in Example 11. The amount of platinum supported on this electrode was determined by chemical analysis and found to be 0.05 mg / cm 2 .

[実施例15]
酸化剤水溶液として5.0mol/lの過酸化水素水を用いたこと以外は実施例11と同様にして、炭素材料酸素原子を含む官能基を形成した。得られた炭素材料の表面に存在する酸素原子を含む官能基は10.0meq/gであった。この炭素材料を用いたこと以外は実施例11と同様にして、実施例15の触媒金属未担持電極Oを製作した。この触媒金属未担持電極の重量は2.2mg/cmであった。この触媒金属未担持電極Oを用いて、実施例11と同様にして、超少量触媒金属担持電極Oを作製した。この電極の白金担持量を化学分析で求めたところ、0.05mg/cmであった。
[Example 15]
A functional group containing a carbon material oxygen atom was formed in the same manner as in Example 11 except that 5.0 mol / l of hydrogen peroxide was used as the oxidizing agent aqueous solution. The functional group containing oxygen atoms present on the surface of the obtained carbon material was 10.0 meq / g. A catalyst metal unsupported electrode O of Example 15 was manufactured in the same manner as Example 11 except that this carbon material was used. The weight of the catalyst metal unsupported electrode was 2.2 mg / cm 2 . Using this catalyst metal unsupported electrode O, an ultra-small amount of catalyst metal supported electrode O was produced in the same manner as in Example 11. The amount of platinum supported on this electrode was determined by chemical analysis and found to be 0.05 mg / cm 2 .

[実施例16〜18]
[実施例16]
実施例1と同様の製法で、0.1質量%のホウ素を含む炭素材料を製作した。この炭素材料を用いた触媒金属未担持粉末をつぎの手順で製作した。最初に、ホウ素を含む炭素材料45.0gにナフィオン溶液(5質量%、アルドリッチ社製)を486.0g加え、攪拌して混合物を得た。
[Examples 16 to 18]
[Example 16]
A carbon material containing 0.1% by mass of boron was manufactured by the same manufacturing method as in Example 1. A catalyst metal unsupported powder using this carbon material was produced by the following procedure. First, 486.0 g of Nafion solution (5% by mass, manufactured by Aldrich) was added to 45.0 g of a carbon material containing boron, and the mixture was stirred to obtain a mixture.

つぎに、この混合物をプロペラ式撹拌機で撹拌しながら60℃で加熱濃縮してスラリー状にした。濃縮後の混合物に対するナフィオンの固形分の質量比は6.5質量%であった。このスラリー状の混合物をガラス板の上に塗布し、自然乾燥した。乾燥した混合物をガラス板からはがし、遊星形ボールミルで粉砕して触媒金属未担持粉末を製作した。最後に、この粉末を0.5mol/l硫酸で洗浄して不純物を除去した。   Next, this mixture was heated and concentrated at 60 ° C. while stirring with a propeller stirrer to form a slurry. The mass ratio of Nafion solids to the mixture after concentration was 6.5% by mass. This slurry-like mixture was applied onto a glass plate and air dried. The dried mixture was peeled from the glass plate and pulverized with a planetary ball mill to produce a catalyst metal unsupported powder. Finally, the powder was washed with 0.5 mol / l sulfuric acid to remove impurities.

この触媒金属未担持粉末から超少量触媒金属担持粉末をつぎの手順で製作した。最初に、触媒金属未担持粉末25.0gと50mmol/lの[Pt(NH]Clの水溶液約380mlとを1Lビーカーに移し、減圧しながらプロペラ式撹拌機を用いて室温で撹拌した。つぎに圧力を大気圧に戻し、温度を80℃に保持しながら24時間撹拌した。 An ultra-small amount of catalyst metal-supported powder was produced from this catalyst metal-unsupported powder by the following procedure. First, 25.0 g of catalyst metal unsupported powder and about 380 ml of an aqueous solution of 50 mmol / l [Pt (NH 3 ) 4 ] Cl 2 were transferred to a 1 L beaker and stirred at room temperature using a propeller-type stirrer while reducing the pressure. did. Next, the pressure was returned to atmospheric pressure, and the mixture was stirred for 24 hours while maintaining the temperature at 80 ° C.

つづいて、[Pt(NH]Clの水溶液を吸引ろ過で取り除いたき、この粉末を脱イオン水で洗浄した。この洗浄を5回繰り返した。さらに、その粉末を60℃の乾燥機で1時間乾燥した。最後に、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路に吸着した[Pt(NH2+を0.15MPa、180℃の水素雰囲気下で6時間還元することによって、炭素材料とプロトン伝導経路との接面に触媒金属である白金を主に析出させ、実施例16の超少量触媒金属担持粉末Pを製作した。 Subsequently, the aqueous solution of [Pt (NH 3 ) 4 ] Cl 2 was removed by suction filtration, and this powder was washed with deionized water. This washing was repeated 5 times. Further, the powder was dried with a dryer at 60 ° C. for 1 hour. Finally, by reducing [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ adsorbed on the proton conduction path of the cation exchange resin in a hydrogen atmosphere at 0.15 MPa and 180 ° C. for 6 hours, the carbon material and the proton conduction path are reduced. Platinum as a catalyst metal was mainly deposited on the contact surface, and an ultra-small amount of catalyst metal-supported powder P of Example 16 was produced.

この粉末を用いた超少量触媒金属担持電極Pを、つぎの手順で製作した。最初に、超少量触媒金属担持粉末P4.0gとN−メチル−2−ピロリドン(NMP)19.0gとを混合し、遊星形ボールミルを用いて超少量触媒金属担持粉末Pをスラリー状にした。   An ultra-small amount of catalyst metal-supporting electrode P using this powder was manufactured by the following procedure. First, 4.0 g of ultra-small catalyst metal-supported powder P and 19.0 g of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) were mixed, and ultra-small catalyst metal-supported powder P was made into a slurry using a planetary ball mill.

つぎに、このスラリーを高分子シート(PRFE、厚み50μm)の上に塗布し、130℃で乾燥して、超少量触媒金属担持電極Pを製作した。塗布にはスリット幅が300μmのアプリケーターを用いた。最後に、この電極を50mm×50mmの大きさに裁断した。以上の工程を経て、実施例16の超少量触媒金属担持電極Pを製作した。この電極の白金担持量は化学分析で求めたところ0.05mg/cmであった。 Next, this slurry was applied onto a polymer sheet (PRFE, thickness 50 μm) and dried at 130 ° C. to produce an ultra-small amount of catalyst metal-supporting electrode P. For application, an applicator having a slit width of 300 μm was used. Finally, this electrode was cut into a size of 50 mm × 50 mm. Through the above steps, an ultra-small amount of catalytic metal-supported electrode P of Example 16 was manufactured. The amount of platinum supported on this electrode was 0.05 mg / cm 2 as determined by chemical analysis.

[実施例17]
実施例17の超少量触媒金属担持電極Qは、実施例16と同様の手順で製作した。ただし、この電極の炭素材料は、実施例1と同様の方法でホウ素を0.1質量%含ませた後、実施例6と同様の方法で酸素原子を含む官能基を0.10meq/g形成させた。この電極の白金担持量は、化学分析で求めたところ0.05mg/cmであった。
[Example 17]
The ultra-small catalyst metal-supported electrode Q of Example 17 was manufactured in the same procedure as in Example 16. However, the carbon material of this electrode was formed by adding 0.1% by mass of boron in the same manner as in Example 1 and then forming 0.10 meq / g of functional groups containing oxygen atoms in the same manner as in Example 6. I let you. The amount of platinum supported on this electrode was 0.05 mg / cm 2 as determined by chemical analysis.

[実施例18]
実施例18の超少量触媒金属担持電極Rは、実施例16と同様の手順で製作した。ただし、この電極の炭素材料は、実施例1と同様の方法でホウ素を0.1質量%含ませた後、実施例11と同様の方法で窒素原子を含む官能基を0.10meq/g形成させた。この電極の白金担持量は、化学分析で求めたところ0.05mg/cmであった。
[Example 18]
The ultra-small catalyst metal-supported electrode R of Example 18 was manufactured in the same procedure as in Example 16. However, the carbon material of this electrode was formed by adding 0.1% by mass of boron in the same manner as in Example 1 and then forming 0.10 meq / g of functional groups containing nitrogen atoms in the same manner as in Example 11. I let you. The amount of platinum supported on this electrode was 0.05 mg / cm 2 as determined by chemical analysis.

[比較例1〜5]
[比較例1]
比較例1の触媒金属未担持電極Sおよび超少量触媒金属担持電極Sは、実施例1と同様の手順で製作した。ただし、この電極の炭素材料は、ホウ素を含ませる処理はおこなわなかった。この炭素材料に含むホウ素をICP発光分光分析で定量したところ0.01質量%であった。さらに、この炭素材料には、酸素原子あるいは窒素原子を含む官能基を形成させる処理が施さなかった。この炭素材料の表面に存在する酸素原子あるいは窒素原子を含む官能基を昇温脱離ガス分析装置で定量したところ、それらの官能基の量はそれぞれ0.01meq/gであった。この電極の白金担持量は、化学分析で求めたところ0.05mg/cmであった。
[Comparative Examples 1-5]
[Comparative Example 1]
The catalyst metal unsupported electrode S and the ultra-small catalyst metal supported electrode S of Comparative Example 1 were manufactured in the same procedure as in Example 1. However, the carbon material of this electrode was not subjected to treatment to contain boron. Boron contained in this carbon material was quantified by ICP emission spectroscopic analysis and found to be 0.01% by mass. Further, this carbon material was not subjected to a treatment for forming a functional group containing an oxygen atom or a nitrogen atom. When functional groups containing oxygen atoms or nitrogen atoms present on the surface of the carbon material were quantified with a temperature programmed desorption gas analyzer, the amount of these functional groups was 0.01 meq / g. The amount of platinum supported on this electrode was 0.05 mg / cm 2 as determined by chemical analysis.

[比較例2]
比較例2の超少量触媒金属担持電極Tは、実施例16と同様の手順で製作した。ただし、この電極の炭素材料は、ホウ素を含ませる処理はおこなわなかった。この炭素材料に含むホウ素をICP発光分光分析で定量したところ0.01質量%であった。さらに、この炭素材料には、酸素原子あるいは窒素原子を含む官能基を形成させる処理が施さなかった。この炭素材料の表面に存在する酸素原子あるいは窒素原子を含む官能基を昇温脱離ガス分析装置で定量したところ、それらの官能基の量はそれぞれ0.01meq/gであった。この電極の白金担持量は、化学分析で求めたところ0.05mg/cmであった。
[Comparative Example 2]
The ultra-small catalyst metal-supported electrode T of Comparative Example 2 was manufactured in the same procedure as in Example 16. However, the carbon material of this electrode was not subjected to treatment to contain boron. Boron contained in this carbon material was quantified by ICP emission spectroscopic analysis and found to be 0.01% by mass. Further, this carbon material was not subjected to a treatment for forming a functional group containing an oxygen atom or a nitrogen atom. When functional groups containing oxygen atoms or nitrogen atoms present on the surface of the carbon material were quantified with a temperature programmed desorption gas analyzer, the amount of these functional groups was 0.01 meq / g. The amount of platinum supported on this electrode was 0.05 mg / cm 2 as determined by chemical analysis.

[比較例3]
比較例3の超少量触媒金属担持電極Uは、実施例1と同様の手順で製作した。その電極に用いた炭素材料は、20質量%のホウ素を含む。このホウ素を含む炭素材料は、炭化ホウ素20.0gと炭素材料20.0gとを混合し、加熱処理して得た。この電極の白金担持量は、化学分析で求めたところ0.05mg/cmであった。
[Comparative Example 3]
The ultra-small catalyst metal-supported electrode U of Comparative Example 3 was manufactured in the same procedure as in Example 1. The carbon material used for the electrode contains 20% by mass of boron. This carbon material containing boron was obtained by mixing 20.0 g of boron carbide and 20.0 g of a carbon material and heating them. The amount of platinum supported on this electrode was 0.05 mg / cm 2 as determined by chemical analysis.

[比較例4]
比較例4の超少量触媒金属担持電極Vは、実施例1と同様の手順で製作した。その電極の炭素材料は、0.1質量%ホウ素を含ませたのちに20.0meq/gの酸素原子を含む官能基を形成させた。この官能基は15.0mol/lの硫酸水溶液で処理することによって形成した。この電極の白金担持量は、化学分析で求めたところ0.05mg/cmであった。
[Comparative Example 4]
The ultra-small catalyst metal-supported electrode V of Comparative Example 4 was produced in the same procedure as in Example 1. After the carbon material of the electrode contained 0.1% by mass of boron, a functional group containing 20.0 meq / g oxygen atoms was formed. This functional group was formed by treatment with a 15.0 mol / l sulfuric acid aqueous solution. The amount of platinum supported on this electrode was 0.05 mg / cm 2 as determined by chemical analysis.

[比較例5]
比較例5の超少量触媒金属担持電極Wは、実施例1と同様の手順で製作した。その電極の炭素材料は、0.1質量%ホウ素を含ませたのちに20.0meq/gの窒素原子を含む官能基を形成させた。この官能基は15.0mol/lの過酸化水素水溶液でカルボニル基を形成させたのちに、1.0mol/lアンモニア水溶液で処理することによって形成させた。この電極の白金担持量は、化学分析で求めたところ0.05mg/cmであった。
[Comparative Example 5]
The ultra-small catalyst metal-supported electrode W of Comparative Example 5 was manufactured in the same procedure as in Example 1. After the carbon material of the electrode contained 0.1% by mass of boron, a functional group containing 20.0 meq / g of nitrogen atoms was formed. This functional group was formed by forming a carbonyl group with a 15.0 mol / l aqueous hydrogen peroxide solution and then treating with a 1.0 mol / l aqueous ammonia solution. The amount of platinum supported on this electrode was 0.05 mg / cm 2 as determined by chemical analysis.

[電気二重層容量の測定]
実施例1〜5、比較例1および比較例3で製作した触媒金属未担持電極A〜E、S、Uの電気二重層容量は、作用極にこれらの電極を備えた電気化学セルを製作することによって測定した。
[Measurement of electric double layer capacity]
The electric double layer capacities of the catalyst metal unsupported electrodes A to E, S and U produced in Examples 1 to 5, Comparative Example 1 and Comparative Example 3 produce an electrochemical cell having these electrodes on the working electrode. Was measured.

この電気化学セルに用いる膜/電極接合体は、作用極として触媒金属未担持電極A〜E、S、対極として白金担持カーボンで製作した電極を、陽イオン交換膜(ナフィオン115、厚み125μm、デュポン社製)の両側に加熱圧着することによって製作した。加熱条件は、プレス面の温度を130℃で5分間保持することである。   The membrane / electrode assembly used in this electrochemical cell is composed of an electrode made of catalyst metal unsupported electrodes A to E and S as working electrodes and platinum-supported carbon as a counter electrode, and a cation exchange membrane (Nafion 115, thickness 125 μm, Dupont Manufactured by heat pressure bonding on both sides. The heating condition is to keep the temperature of the press surface at 130 ° C. for 5 minutes.

対極用電極は白金担持カーボン(TEC10E70TPM、田中貴金属社製)を用いて以下のとおりに製作した。最初に、脱イオン水15mlおよび2−プロパノール1mlの溶液に、白金担持カーボン粉末10.0gを徐々に加えた。つぎに、白金担持カーボン粉末と脱イオン水との混合物にナフィオン溶液(5質量%溶液、アルドリッチ社製)44.2gおよびN,N−ジメチルスルホキシド15.0gを加え、プロペラ式撹拌機を用いて撹拌し、白金担持カーボン粉末とナフィオン溶液との混合物を製作した。   The counter electrode was manufactured as follows using platinum-supported carbon (TEC10E70TPM, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.). First, 10.0 g of platinum-supported carbon powder was gradually added to a solution of 15 ml of deionized water and 1 ml of 2-propanol. Next, 44.2 g of Nafion solution (5 mass% solution, manufactured by Aldrich) and 15.0 g of N, N-dimethyl sulfoxide are added to a mixture of platinum-supported carbon powder and deionized water, and a propeller type stirrer is used. The mixture was stirred to prepare a mixture of platinum-supported carbon powder and Nafion solution.

この混合物を高分子シート(PTFE、厚み50μm)に塗布し、130℃で乾燥して、白金担持カーボン粉末を用いた電極(担持量0.5mg/cm)を製作した。塗布にはスリット幅が60μmのアプリケーターを用いた。最後に、この電極を50mm×50mmの大きさに裁断した。 This mixture was applied to a polymer sheet (PTFE, thickness 50 μm) and dried at 130 ° C. to produce an electrode (supported amount 0.5 mg / cm 2 ) using platinum-supported carbon powder. An applicator with a slit width of 60 μm was used for coating. Finally, this electrode was cut into a size of 50 mm × 50 mm.

つぎに、測定で用いる電気化学セルは、この接合体のそれぞれの面に、撥水性を付与した導電性多孔質体のカーボンペーパーを配し、一対のガスフロープレートで挟持して製作した。このセルを用いて、作用極のサイクリックボルタモグラムを白金担持カーボン粉末を用いた電極を対極として測定し、電気二重層容量を算出した。   Next, the electrochemical cell used in the measurement was manufactured by placing conductive porous carbon paper imparted with water repellency on each surface of the joined body and sandwiching it between a pair of gas flow plates. Using this cell, the cyclic voltammogram of the working electrode was measured with the electrode using platinum-supported carbon powder as the counter electrode, and the electric double layer capacity was calculated.

測定条件は次のとおりである。掃引速度は100mV/sとし、作用極側にはNガス、対極側にはHガスをそれぞれ加湿温度25℃で供給した。この測定で得られた0.4Vvs.RHEでの電流密度を掃引速度および触媒金属未担持電極1cm当たりの重量で除して電気二重層容量を算出した。 The measurement conditions are as follows. The sweep rate was 100 mV / s, and N 2 gas was supplied to the working electrode side and H 2 gas was supplied to the counter electrode side at a humidification temperature of 25 ° C. The 0.4 V vs. obtained by this measurement. The electric double layer capacity was calculated by dividing the current density at RHE by the sweep rate and the weight per cm 2 of the catalyst metal unsupported electrode.

実施例1〜5、比較例1および比較例3で製作した触媒金属未担持電極A〜E、S、Uの電気二重層容量を図3に示す。図3から、実施例1〜5の触媒金属未担持電極A〜Eの電気二重層容量は、比較例1の触媒金属未担持電極Sの場合と比べて104%、113%、121%、117%および100%それぞれ向上したことがわかる。   FIG. 3 shows electric double layer capacities of the catalyst metal unsupported electrodes A to E, S, and U manufactured in Examples 1 to 5, Comparative Example 1 and Comparative Example 3. From FIG. 3, the electric double layer capacities of the catalyst metal unsupported electrodes A to E of Examples 1 to 5 are 104%, 113%, 121%, 117 compared with the case of the catalyst metal unsupported electrode S of Comparative Example 1. % And 100%, respectively.

電気二重層容量は、炭素材料と陽イオン交換樹脂と界面の面積と比例関係にある。したがって、実施例1〜5の触媒金属未担持電極A〜Eの炭素材料と陽イオン交換樹脂と界面の面積は、比較例1の触媒金属未担持電極Sの場合と比べて104%、113%、121%、117%および100%それぞれ向上したことを示す。この向上は、ホウ素を含む炭素材料表面と陽イオン交換樹脂との親和性が向上したことによって、その材料の表面に均一かつ広域に陽イオン交換樹脂が被覆したことに起因するものと考えられる。   The electric double layer capacity is proportional to the area of the carbon material, the cation exchange resin, and the interface. Therefore, the area of the interface between the carbon material and the cation exchange resin of the catalyst metal unsupported electrodes A to E of Examples 1 to 5 is 104% and 113% as compared with the case of the catalyst metal unsupported electrode S of Comparative Example 1. , 121%, 117% and 100%, respectively. This improvement can be attributed to the fact that the surface of the material is uniformly and widely coated with the cation exchange resin by improving the affinity between the surface of the carbon material containing boron and the cation exchange resin.

さらに図3から、比較例3の触媒金属未担持電極Uの電気二重層容量は、実施例1〜5の触媒金属未担持電極A〜Eと比べて低下したことがわかる。この低下は、20質量%のホウ素を炭素材料に含むことにより、炭素材料が損壊したことに起因するものと考えられる。この損壊によって電極内の電子伝導経路が断絶しで、電気二重層容量が低下したと考えられる。   Furthermore, FIG. 3 shows that the electric double layer capacity of the catalyst metal unsupported electrode U of Comparative Example 3 was lower than that of the catalyst metal unsupported electrodes A to E of Examples 1 to 5. This decrease is considered to be caused by the damage of the carbon material by containing 20% by mass of boron in the carbon material. It is considered that the electric conduction layer in the electrode was interrupted by this damage, and the electric double layer capacity was lowered.

実施例6〜10、比較例1および比較例4で製作した触媒金属未担持電極F〜J、S、Vの電気二重層容量を図4に示す。図4から、実施例6〜10の触媒金属未担持電極F〜Jの電気二重層容量は、比較例1の触媒金属未担持電極Sの場合と比べて142%、146%、158%、146%および129%それぞれ向上したことがわかる。   FIG. 4 shows the electric double layer capacities of the catalyst metal unsupported electrodes F to J, S, and V manufactured in Examples 6 to 10, Comparative Example 1 and Comparative Example 4. From FIG. 4, the electric double layer capacities of the catalyst metal unsupported electrodes F to J of Examples 6 to 10 are 142%, 146%, 158%, 146 as compared with the case of the catalyst metal unsupported electrode S of Comparative Example 1. % And 129%, respectively.

電気二重層容量は、炭素材料と陽イオン交換樹脂と界面の面積と比例関係にある。したがって、実施例6〜10の触媒金属未担持電極F〜Jの炭素材料と陽イオン交換樹脂と界面の面積は、比較例1の触媒金属未担持電極Sの場合と比べて142%、146%、158%、146%および129%それぞれ向上したことを示す。   The electric double layer capacity is proportional to the area of the carbon material, the cation exchange resin, and the interface. Therefore, the area of the interface between the carbon material and the cation exchange resin of the catalyst metal unsupported electrodes F to J of Examples 6 to 10 is 142% and 146% as compared with the case of the catalyst metal unsupported electrode S of Comparative Example 1. 158%, 146% and 129%, respectively.

この著しい向上は、ホウ素が炭素材料に含まれたことに加えて、酸素原子を含む官能基が炭素材料表面に形成したことによって、その材料の表面と陽イオン交換樹脂との親和性が著しく向上したことに起因するものと考えられる。つまり、この親和性の向上によって、炭素材料の表面に均一かつ広域に陽イオン交換樹脂が被覆したと考えられる。   This remarkable improvement is due to the fact that functional groups containing oxygen atoms are formed on the surface of the carbon material in addition to the inclusion of boron in the carbon material, thereby significantly improving the affinity between the surface of the material and the cation exchange resin. This is thought to be due to the fact that That is, it is considered that the cation exchange resin is uniformly and widely coated on the surface of the carbon material due to the improvement of the affinity.

さらに図4から、比較例4の触媒金属未担持電極Vの電気二重層容量は、実施例6〜10の触媒金属未担持電極F〜Jと比べて低下したことがわかる。この低下は、酸素原子を含む官能基を形成する工程で、炭素材料の高次構造が損壊したことに起因するものと考えられる。この損壊によって、電極内の電子伝導経路が断絶したので、電気二重層容量が低下したものと考えられる。   Furthermore, FIG. 4 shows that the electric double layer capacity of the catalyst metal unsupported electrode V of Comparative Example 4 was lower than that of the catalyst metal unsupported electrodes F to J of Examples 6 to 10. This decrease is considered to be caused by the destruction of the higher-order structure of the carbon material in the step of forming the functional group containing an oxygen atom. It is considered that the electric double layer capacity was lowered because the electron conduction path in the electrode was interrupted by this damage.

実施例11〜15、比較例1および比較例5で製作した触媒金属未担持電極K〜O、Sの電気二重層容量を図5に示す。図5から、実施例11〜15の触媒金属未担持電極K〜Oの電気二重層容量は、比較例1の触媒金属未担持電極Sの場合と比べて129%、150%、167%、146%および133%それぞれ向上したことがわかる。   FIG. 5 shows electric double layer capacities of the catalyst metal unsupported electrodes K to O and S manufactured in Examples 11 to 15, Comparative Example 1 and Comparative Example 5. From FIG. 5, the electric double layer capacities of the catalyst metal unsupported electrodes K to O of Examples 11 to 15 are 129%, 150%, 167%, and 146 as compared with the case of the catalyst metal unsupported electrode S of Comparative Example 1. % And 133%, respectively.

電気二重層容量容量は、炭素材料と陽イオン交換樹脂と界面の面積と比例関係にある。したがって、実施例11〜15の触媒金属未担持電極K〜Oの炭素材料と陽イオン交換樹脂と界面の面積は、比較例1の触媒金属未担持電極Sの場合と比べて129%、150%、167%、146%および133%それぞれ向上したことを示す。   The electric double layer capacity is proportional to the area of the carbon material, the cation exchange resin, and the interface. Therefore, the area of the interface between the carbon material and the cation exchange resin of the catalyst metal unsupported electrodes K to O of Examples 11 to 15 is 129% and 150% as compared with the case of the catalyst metal unsupported electrode S of Comparative Example 1. , 167%, 146% and 133%, respectively.

この著しい向上は、ホウ素が炭素材料に含まれたことに加えて、窒素原子を含む官能基が炭素材料表面に形成したことによって、炭素材料表面と陽イオン交換樹脂との親和性が著しく向上したことに起因するものと考えられる。つまり、この親和性の向上によって、その表面に均一かつ広域に陽イオン交換樹脂が被覆したと考えられる。   This remarkable improvement is that the affinity between the carbon material surface and the cation exchange resin has been significantly improved by the formation of functional groups containing nitrogen atoms on the carbon material surface in addition to the inclusion of boron in the carbon material. This is thought to be caused by this. In other words, it is considered that the cation exchange resin is uniformly and widely coated on the surface due to the improved affinity.

さらに図5から、比較例5の触媒金属未担持電極Wの電気二重層容量は、実施例11〜15の触媒金属未担持電極K〜Oと比べて低下したことがわかる。この低下は、窒素原子を含む官能基を形成する工程で、炭素材料の高次構造が損壊したことに起因するものと考えられる。この損壊によって、電極内の電子伝導経路が断絶したので、電気二重層容量が低下したものと考えられる。   Furthermore, FIG. 5 shows that the electric double layer capacity of the catalyst metal unsupported electrode W of Comparative Example 5 was lower than that of the catalyst metal unsupported electrodes K to O of Examples 11 to 15. This decrease is considered to be due to the destruction of the higher-order structure of the carbon material in the step of forming the functional group containing a nitrogen atom. It is considered that the electric double layer capacity was lowered because the electron conduction path in the electrode was interrupted by this damage.

[セル性能の測定]
実施例1〜10、実施例16、比較例1〜3で製作した超少量触媒金属担持電極A〜J、P、S〜Uを用いた膜/電極接合体を製作し、この接合体を備える固体高分子形燃料電池の性能を調べた。膜/電極接合体は、カソード側、アノード側ともに超少量触媒金属担持電極を、陽イオン交換膜(ナフィオン115、厚み125μm、デュポン社製)の両側に加熱圧着することによって製作した。加熱条件はプレス面の温度130℃で5分間保持である。
[Measurement of cell performance]
Membrane / electrode assemblies using the ultra-small catalyst metal-supported electrodes A to J, P, and S to U manufactured in Examples 1 to 10, Example 16, and Comparative Examples 1 to 3 were manufactured, and this assembly was provided. The performance of the polymer electrolyte fuel cell was investigated. The membrane / electrode assembly was manufactured by thermocompression bonding an ultra-small amount of catalytic metal-supporting electrode on both the cathode side and the anode side to both sides of a cation exchange membrane (Nafion 115, thickness 125 μm, manufactured by DuPont). The heating condition is a press surface temperature of 130 ° C. for 5 minutes.

測定で用いる固体高分子形燃料電池は、膜/電極接合体のそれぞれの面に、撥水性を付与した導電性多孔質体のカーボンペーパーを配し、一対のガスフロープレートで挟持して製作した。超少量触媒金属担持電極A〜J、S〜Uを備える固体高分子形燃料電池を、それぞれ固体高分子形燃料電池A〜J、S〜Uとした。   The polymer electrolyte fuel cell used in the measurement was manufactured by placing conductive porous carbon paper with water repellency on each surface of the membrane / electrode assembly and sandwiching it between a pair of gas flow plates. . The polymer electrolyte fuel cells provided with the ultra-small catalyst metal-supported electrodes A to J and S to U were designated as polymer electrolyte fuel cells A to J and S to U, respectively.

これらの固体高分子形燃料電池の性能評価を、電流−電圧特性の300mA/cmにおけるセル電圧を比較することによっておこなった。測定条件は、セル温度を70℃、アノードガスを純水素、アノード利用率を70%、アノード加湿温度を70℃、カソードガスを空気、カソード利用率40%、カソード加湿温度を70℃とした。 The performance of these polymer electrolyte fuel cells was evaluated by comparing cell voltages at a current-voltage characteristic of 300 mA / cm 2 . The measurement conditions were a cell temperature of 70 ° C., an anode gas of pure hydrogen, an anode utilization factor of 70%, an anode humidification temperature of 70 ° C., a cathode gas of air, a cathode utilization factor of 40%, and a cathode humidification temperature of 70 ° C.

実施例1〜5、比較例1および比較例3で製作した超少量触媒金属担持電極を用いた固体高分子形燃料電池の300mA/cmにおけるセル電圧を図6に示す。図6から、実施例1〜5で製作した超少量触媒金属担持電極を備える固体高分子形燃料電池A〜Eは、比較例1の電極を備えた固体高分子形燃料電池Sと比べて、それぞれ37mV、41mV、46mV、42mVおよび35mV向上した。 FIG. 6 shows the cell voltage at 300 mA / cm 2 of the polymer electrolyte fuel cells using the ultra-small catalyst metal-supported electrodes manufactured in Examples 1 to 5, Comparative Example 1 and Comparative Example 3. From FIG. 6, compared with the polymer electrolyte fuel cell S provided with the electrode of the comparative example 1, the polymer electrolyte fuel cell AE provided with the ultra-small catalyst metal carrying electrode manufactured in Examples 1-5 is compared with They improved by 37 mV, 41 mV, 46 mV, 42 mV and 35 mV, respectively.

一方、比較例3で製作した超少量触媒金属担持電極Uを備えた固体高分子形燃料電池Uのセル性能は589mVであり、実施例1〜5の場合と比べて低い値を示した。さらに、実施例16で製作した超少量触媒金属担持電極Pを備えた固体高分子形燃料電池Pのセル性能は631mVであり、比較例2の超少量触媒金属担持電極Tを備えた固体高分子形燃料電池Tの場合と比べて39mV向上した。   On the other hand, the cell performance of the polymer electrolyte fuel cell U provided with the ultra-small catalyst metal-supported electrode U manufactured in Comparative Example 3 was 589 mV, which was lower than those in Examples 1-5. Further, the cell performance of the polymer electrolyte fuel cell P provided with the ultra-small catalyst metal-supported electrode P manufactured in Example 16 is 631 mV, and the solid polymer provided with the ultra-small catalyst metal-supported electrode T of Comparative Example 2 is used. Compared to the case of the fuel cell T, it was improved by 39 mV.

実施例1〜5、比較例1および比較例3で製作した触媒金属未担持電極の二重層容量と、それを用いた固体高分子形燃料電池の300mA/cmにおけるセル電圧との関係を図7に示す。図7から、二重層容量の大きい触媒金属未担持電極から製作した超少量触媒金属担持電極を備えた実施例1〜5の固体高分子形燃料電池の性能は、二重層容量の小さい触媒金属未担持電極から製作した超少量触媒金属担持電極を備えた比較例1および比較例3の固体高分子形燃料電池と比べて向上することがわかった。 The relationship between the double layer capacity | capacitance of the catalyst metal unsupported electrode produced in Examples 1-5, the comparative example 1, and the comparative example 3, and the cell voltage in 300 mA / cm < 2 > of a polymer electrolyte fuel cell using the same is a figure. 7 shows. FIG. 7 shows that the performance of the polymer electrolyte fuel cells of Examples 1 to 5 having an ultra-small amount of catalyst metal-supported electrode manufactured from a catalyst metal-unsupported electrode having a large double-layer capacity is as follows. It was found that the performance was improved as compared with the polymer electrolyte fuel cells of Comparative Example 1 and Comparative Example 3 equipped with an ultra-small amount of catalytic metal-supported electrode manufactured from the supported electrode.

実施例1〜5で製作した超少量触媒金属担持電極を備える固体高分子形燃料電池のセル性能が向上したことは、炭素材料の表面に陽イオン交換樹脂が広くかつ均一に被覆されていることに起因するものと考えられる。つまり、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路に担持される触媒金属が小さくかつ高分散に存在によって触媒金属の活性が向上したこと、および炭素材料に被覆している陽イオン交換樹脂の厚みが減少することによってプロトン伝導経路内での水素あるいは酸素の拡散距離が短縮したことで電極反応の進行が促進したためと考えられる。   The improvement in the cell performance of the polymer electrolyte fuel cell comprising the ultra-small amount of catalytic metal-supported electrode produced in Examples 1 to 5 is that the surface of the carbon material is coated with a wide and uniform cation exchange resin. It is thought to be caused by That is, the catalytic metal supported on the proton conduction path of the cation exchange resin is small and highly dispersed, thereby improving the activity of the catalytic metal, and reducing the thickness of the cation exchange resin coated on the carbon material. This is thought to be because the progress of the electrode reaction was promoted by shortening the diffusion distance of hydrogen or oxygen in the proton conduction path.

比較例3で製作した超少量触媒金属担持電極を備える固体高分子形燃料電池のセル性能が実施例1〜5のものと比べて低い値を示したことは、炭素材料に多量のホウ素が含まれたことによって、その材料の構造が損壊したことに起因するものと考えられる。その損壊によって、電極内の電子伝導経路が断絶したので固体高分子形燃料電池の性能が低下したと考えられる。   The fact that the cell performance of the polymer electrolyte fuel cell provided with the ultra-small amount of catalytic metal-supported electrode produced in Comparative Example 3 showed a lower value than that of Examples 1 to 5 indicates that the carbon material contains a large amount of boron. This is considered to be caused by the damage of the structure of the material. It is thought that the performance of the polymer electrolyte fuel cell was lowered because the electron conduction path in the electrode was interrupted due to the damage.

実施例6〜10、実施例17、比較例1、比較例2および比較例4で製作した超少量触媒金属担持電極を用いた固体高分子形燃料電池の300mA/cmにおけるセル電圧を図8に示す。図8から、実施例6〜10で製作した超少量触媒金属担持電極を備える固体高分子形燃料電F〜Jは、比較例1の電極を備えた固体高分子形燃料電池Sと比べてそれぞれ53mV、57mV、71mV、60mVおよび50mV向上した。 FIG. 8 shows the cell voltage at 300 mA / cm 2 of the polymer electrolyte fuel cells using the ultra-small catalyst metal-supported electrodes produced in Examples 6 to 10, Example 17, Comparative Example 1, Comparative Example 2 and Comparative Example 4. Shown in From FIG. 8, the polymer electrolyte fuel cells F to J having the ultra-small catalyst metal-supported electrodes manufactured in Examples 6 to 10 are respectively compared with the polymer electrolyte fuel cell S having the electrode of Comparative Example 1. Improved 53 mV, 57 mV, 71 mV, 60 mV and 50 mV.

さらに、実施例17で製作した超少量触媒金属担持電極Qを備えた固体高分子形燃料電池Qのセル性能は645mVであり、比較例2の超少量触媒金属担持電極Tを備えた固体高分子形燃料電池Tの場合と比べて53mV向上した。一方、比較例4で製作した超少量触媒金属担持電Vを備えた固体高分子形燃料電池Vのセル性能は589mVであり、実施例6〜10の場合と比べて低い値を示した。   Further, the cell performance of the polymer electrolyte fuel cell Q provided with the ultra-small catalyst metal-supported electrode Q manufactured in Example 17 is 645 mV, and the solid polymer provided with the ultra-small catalyst metal-supported electrode T of Comparative Example 2 is used. Compared to the case of the fuel cell T, it was improved by 53 mV. On the other hand, the cell performance of the polymer electrolyte fuel cell V provided with the ultra-small amount of catalytic metal-carrying electricity V manufactured in Comparative Example 4 was 589 mV, which was lower than those in Examples 6 to 10.

実施例6〜10、比較例1および比較例4で製作した触媒金属未担持電極の二重層容量と、それを用いた固体高分子形燃料電池の300mA/cmにおけるセル電圧との関係を図9に示す。図9から、二重層容量の大きい触媒金属未担持電極から製作した超少量触媒金属担持電極を備えた実施例6〜10の固体高分子形燃料電池の性能は、二重層容量の小さい触媒金属未担持電極から製作した超少量触媒金属担持電極を備えた比較例1および比較例4の固体高分子形燃料電池と比べて向上することがわかった。 The relationship between the double layer capacity of the catalyst metal unsupported electrode manufactured in Examples 6 to 10 and Comparative Examples 1 and 4 and the cell voltage at 300 mA / cm 2 of the polymer electrolyte fuel cell using the same is shown. 9 shows. From FIG. 9, the performance of the polymer electrolyte fuel cells of Examples 6 to 10 having the ultra-small amount of catalyst metal-supported electrode manufactured from the catalyst metal unsupported electrode having a large double layer capacity is as follows. It was found that the performance was improved as compared with the polymer electrolyte fuel cells of Comparative Example 1 and Comparative Example 4 provided with an ultra-small amount of catalytic metal supported electrode manufactured from the supported electrode.

実施例6〜10で製作した超少量触媒金属担持電極を備える固体高分子形燃料電池のセル性能が向上したことは、ホウ素を含む炭素材料に酸素原子を含む官能基を形成したことによって、その材料の表面に陽イオン交換樹脂が広くかつ均一に被覆されていることに起因するものと考えられる。   The improvement in the cell performance of the polymer electrolyte fuel cell provided with the ultra-small catalyst metal-supported electrode produced in Examples 6 to 10 was obtained by forming a functional group containing an oxygen atom in a carbon material containing boron. This is considered to be due to the fact that the surface of the material is widely and uniformly coated with the cation exchange resin.

つまり、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路に担持される触媒金属が小さくかつ高分散に存在によって触媒金属の活性が向上したこと、および炭素材料に被覆している陽イオン交換樹脂の厚みが減少することによってプロトン伝導経路内での水素原子あるいは酸素原子の拡散距離が短縮したことで電極反応の進行が促進されたためと考えられる。   That is, the catalytic metal supported on the proton conduction path of the cation exchange resin is small and highly dispersed, thereby improving the activity of the catalytic metal, and reducing the thickness of the cation exchange resin coated on the carbon material. This is thought to be because the progress of the electrode reaction was promoted by shortening the diffusion distance of hydrogen atoms or oxygen atoms in the proton conduction path.

比較例4で製作した超少量触媒金属担持電極を備える固体高分子形燃料電池のセル性能が実施例6〜10のものと比べて低い値を示したことは、炭素材料に酸素原子を含む官能基を形成する際に、その材料の高次構造が損壊したことに起因するものと考えられる。この損壊によって、電極内の電子伝導経路が断絶したので、固体高分子形燃料電池の性能が低下したと考えられる。   The cell performance of the polymer electrolyte fuel cell provided with the ultra-small amount of catalytic metal-supported electrode produced in Comparative Example 4 showed a lower value than that of Examples 6 to 10 because the carbon material contained oxygen atoms. This is considered to be due to the destruction of the higher-order structure of the material when forming the group. It is considered that the performance of the polymer electrolyte fuel cell was lowered because the electron conduction path in the electrode was interrupted by this damage.

実施例11〜15、実施例18、比較例1、比較例2および比較例5で製作した超少量触媒金属担持電極を用いた固体高分子形燃料電池の300mA/cmにおけるセル電圧を図10に示す。図10から、実施例11〜15で製作した超少量触媒金属担持電極を備える固体高分子形燃料電池K〜Oは、比較例1の電極を備えた固体高分子形燃料電池Sと比べてそれぞれ57mV、60mV、72mV、59mVおよび55mV向上した。 FIG. 10 shows the cell voltage at 300 mA / cm 2 of the polymer electrolyte fuel cells using the ultra-small catalyst metal-supported electrodes produced in Examples 11 to 15, Example 18, Comparative Example 1, Comparative Example 2 and Comparative Example 5. Shown in From FIG. 10, the polymer electrolyte fuel cells K to O having the ultra-small catalyst metal-supported electrodes manufactured in Examples 11 to 15 were respectively compared with the polymer electrolyte fuel cell S having the electrode of Comparative Example 1. 57 mV, 60 mV, 72 mV, 59 mV and 55 mV were improved.

さらに、実施例18で製作した超少量触媒金属担持電極Rを備えた固体高分子形燃料電池Rのセル性能は649mVであり、比較例2の超少量触媒金属担持電極Tを備えた固体高分子形燃料電池Tの場合と比べて57mV向上した。一方、比較例5で製作した超少量触媒金属担持電Wを備えた固体高分子形燃料電池Wのセル性能は592mVであり、実施例11〜15の場合と比べて低い値を示した。   Further, the cell performance of the polymer electrolyte fuel cell R having the ultra-small catalyst metal-supporting electrode R manufactured in Example 18 is 649 mV, and the solid polymer having the ultra-small catalyst metal-supporting electrode T of Comparative Example 2 is used. Compared with the fuel cell T, the fuel cell was improved by 57 mV. On the other hand, the cell performance of the polymer electrolyte fuel cell W provided with the ultra-small amount of catalyst metal-carrying electricity W manufactured in Comparative Example 5 was 592 mV, which was lower than that in Examples 11-15.

実施例11〜15、比較例1および比較例5で製作した超少量触媒金属担持電極の二重層容量と、それを用いた固体高分子形燃料電池の300mA/cmにおけるセル電圧との関係を図11に示す。図11から、二重層容量の大きい触媒金属未担持電極から製作した超少量触媒金属担持電極を備えた実施例11〜15の固体高分子形燃料電池の性能は、二重層容量の小さい触媒金属未担持電極から製作した超少量触媒金属担持電極を備えた比較例1および比較例5の固体高分子形燃料電池と比べて向上することがわかった。 The relationship between the double layer capacity of the ultra-small catalyst metal-supported electrode produced in Examples 11 to 15 and Comparative Examples 1 and 5 and the cell voltage at 300 mA / cm 2 of the polymer electrolyte fuel cell using the same. As shown in FIG. From FIG. 11, the performance of the polymer electrolyte fuel cells of Examples 11 to 15 having the ultra-small amount of catalyst metal-supported electrode manufactured from the catalyst metal unsupported electrode having a large double layer capacity is as follows. It was found that the performance was improved as compared with the polymer electrolyte fuel cells of Comparative Example 1 and Comparative Example 5 provided with an ultra-small amount of catalytic metal supported electrode manufactured from the supported electrode.

実施例11〜15で製作した超少量触媒金属担持電極を備える固体高分子形燃料電池のセル性能が向上したことは、ホウ素を含む炭素材料に酸素原子を含む官能基を形成したことによって、その材料の表面に陽イオン交換樹脂が広くかつ均一に被覆したことに起因するものと考えられる。つまり、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路に担持される触媒金属が小さくかつ高分散に存在によって触媒金属の活性が向上したこと、および炭素材料に被覆している陽イオン交換樹脂の厚みが減少することによって、プロトン伝導経路内での水素原子あるいは酸素原子の拡散距離が短縮したことで電極反応の進行が促進したためと考えられる。   The improvement in the cell performance of the polymer electrolyte fuel cell provided with the ultra-small catalyst metal-supported electrode produced in Examples 11 to 15 was obtained by forming a functional group containing an oxygen atom in a carbon material containing boron. This is considered to be due to the fact that the surface of the material was widely and uniformly coated with the cation exchange resin. That is, the catalytic metal supported on the proton conduction path of the cation exchange resin is small and highly dispersed, thereby improving the activity of the catalytic metal, and reducing the thickness of the cation exchange resin coated on the carbon material. This is thought to be because the progress of the electrode reaction was promoted by shortening the diffusion distance of hydrogen atoms or oxygen atoms in the proton conduction path.

比較例5で製作した超少量触媒金属担持電極を備える固体高分子形燃料電池のセル性能が実施例11〜15のものと比べて低い値を示したことは、炭素材料に窒素原子を含む官能基を形成する際に、その材料の高次構造が損壊したことに起因するものと考えられる。その損壊によって、電極内の電子伝導経路が断絶したので、固体高分子形燃料電池の性能が低下したと考えられる。   The cell performance of the polymer electrolyte fuel cell having an ultra-small amount of catalytic metal-supported electrode produced in Comparative Example 5 showed a lower value than that of Examples 11 to 15 because the carbon material contained a nitrogen atom. This is considered to be due to the destruction of the higher-order structure of the material when forming the group. It is considered that the performance of the polymer electrolyte fuel cell was deteriorated because the electron conduction path in the electrode was interrupted by the damage.

以上の結果から、本発明の製造方法で製造された固体高分子形燃料電池用電極を用いることによって、固体高分子形燃料電池の性能が向上することがわかった。   From the above results, it was found that the performance of the polymer electrolyte fuel cell is improved by using the electrode for the polymer electrolyte fuel cell produced by the production method of the present invention.

本発明による超少量触媒金属担持電極に用いられる触媒の陽イオン交換樹脂と接触した炭素材料の表層の状態を示す模式図。The schematic diagram which shows the state of the surface layer of the carbon material which contacted the cation exchange resin of the catalyst used for the ultra-small amount catalyst metal carrying | support electrode by this invention. 従来の超少量触媒金属担持電極に用いられる触媒の陽イオン交換樹脂と接触した炭素材料の表層の状態を示す模式図。The schematic diagram which shows the state of the surface layer of the carbon material which contacted the cation exchange resin of the catalyst used for the conventional ultra-small catalyst metal carrying | support electrode. 実施例1〜5、比較例1および比較例3で製作した触媒金属未担持電極の電気二重層容量を比較した図。The figure which compared the electric double layer capacity | capacitance of the catalyst metal unsupported electrode manufactured in Examples 1-5, the comparative example 1, and the comparative example 3. FIG. 実施例6〜10、比較例1および比較例4で製作した触媒金属未担持電極の電気二重層容量を比較した図。The figure which compared the electric double layer capacity | capacitance of the catalyst metal unsupported electrode manufactured in Examples 6-10, the comparative example 1, and the comparative example 4. FIG. 実施例11〜15、比較例1および比較例5で製作した触媒金属未担持電極の電気二重層容量を比較した図。The figure which compared the electric double layer capacity | capacitance of the catalyst metal unsupported electrode manufactured in Examples 11-15, the comparative example 1, and the comparative example 5. FIG. 実施例1〜5、比較例1および比較例3で製作した超少量触媒金属担持電極を用いた固体高分子形燃料電池の300mA/cmにおけるセル電圧を比較した図。The figure which compared the cell voltage in 300 mA / cm < 2 > of the polymer electrolyte fuel cell using the ultra-small amount catalyst metal carrying | support electrode manufactured in Examples 1-5, the comparative example 1, and the comparative example 3. FIG. 実施例1〜5、比較例1および比較例3で製作した触媒金属未担持電極の二重層容量と、それを用いた固体高分子形燃料電池の300mA/cmにおけるセル電圧との関係を示した図。The relationship between the double layer capacity | capacitance of the catalyst metal unsupported electrode produced in Examples 1-5, the comparative example 1, and the comparative example 3 and the cell voltage in 300 mA / cm < 2 > of a polymer electrolyte fuel cell using the same is shown. Figure. 実施例6〜10、実施例17、比較例1、比較例2および比較例4で製作した超少量触媒金属担持電極を用いた固体高分子形燃料電池の300mA/cmにおけるセル電圧を比較した図。The cell voltages at 300 mA / cm 2 of the polymer electrolyte fuel cells using the ultra-small catalyst metal-supported electrodes produced in Examples 6 to 10, Example 17, Comparative Example 1, Comparative Example 2 and Comparative Example 4 were compared. Figure. 実施例6〜10、比較例1および比較例4で製作した触媒金属未担持電極の二重層容量と、それを用いた固体高分子形燃料電池の300mA/cmにおけるセル電圧との関係を示した図。The relationship between the double layer capacity | capacitance of the catalyst metal unsupported electrode produced in Examples 6-10, the comparative example 1, and the comparative example 4 and the cell voltage in 300 mA / cm < 2 > of a polymer electrolyte fuel cell using the same is shown. Figure. 実施例11〜15、実施例18、比較例1、比較例2および比較例5で製作した超少量触媒金属担持電極を用いた固体高分子形燃料電池の300mA/cmにおけるセル電圧を比較した図。The cell voltages at 300 mA / cm 2 of the polymer electrolyte fuel cells using the ultra-small catalyst metal-supported electrodes produced in Examples 11 to 15, Example 18, Comparative Example 1, Comparative Example 2 and Comparative Example 5 were compared. Figure. 実施例11〜15、比較例1および比較例5で製作した超少量触媒金属担持電極の二重層容量と、それを用いた固体高分子形燃料電池の300mA/cmにおけるセル電圧との関係を示した図。The relationship between the double layer capacity of the ultra-small catalyst metal-supported electrode produced in Examples 11 to 15 and Comparative Examples 1 and 5 and the cell voltage at 300 mA / cm 2 of the polymer electrolyte fuel cell using the same. The figure shown.

符号の説明Explanation of symbols

11、21 炭素材料
12、22 陽イオン交換樹脂
13、23 陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路
14、24 陽イオン交換樹脂の骨格部分
15、25 電気化学反応に関与する触媒金属
11, 21 Carbon material 12, 22 Cation exchange resin 13, 23 Proton conduction path of cation exchange resin 14, 24 Skeletal portion of cation exchange resin 15, 25 Catalytic metal involved in electrochemical reaction

Claims (4)

炭素材料と陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路との接面に触媒金属を主に担持し、前記炭素材料が0.1質量%以上10質量%以下のホウ素を含むことを特徴とする固体高分子形燃料電池用電極。 A solid polymer characterized in that a catalytic metal is mainly supported on a contact surface between a carbon material and a proton conduction path of a cation exchange resin, and the carbon material contains 0.1% by mass or more and 10% by mass or less of boron. Type fuel cell electrode. 炭素材料の表面に、酸素原子または窒素原子を含む官能基を0.1meq/g以上10.0meq/g以下の範囲で備えたことを特徴とする請求項1に記載の固体高分子形燃料電池用電極。 2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein a functional group containing an oxygen atom or a nitrogen atom is provided on the surface of the carbon material in a range of 0.1 meq / g to 10.0 meq / g. Electrode. 炭素材料にホウ素を0.1質量%以上10質量%以下の範囲で含ませる第1の工程と、前記炭素材料を陽イオン交換樹脂の溶液に分散した分散物を形成し、前記分散物から溶媒を除去して炭素材料と陽イオン交換樹脂の混合物を得る第2の工程と、前記陽イオン交換樹脂の固定イオンに触媒金属の陽イオンを吸着させる第3の工程と、前記陽イオンを化学的に還元する第4の工程を経ることを特徴とする請求項1記載の固体高分子形燃料電池用電極の製造方法。 A first step of containing boron in a range of 0.1% by mass to 10% by mass in the carbon material, and forming a dispersion in which the carbon material is dispersed in a cation exchange resin solution; A second step of obtaining a mixture of the carbon material and the cation exchange resin, a third step of adsorbing the cation of the catalytic metal to the fixed ion of the cation exchange resin, and the cation chemically The method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein a fourth step of reducing the polymer is performed. 炭素材料にホウ素を0.1質量%以上10質量%以下の範囲で含ませる第1の工程と、前記炭素材料の表面に、酸素原子または窒素原子を含む官能基を0.1meq/g以上10.0meq/g以下の範囲で形成する第2の工程と、前記炭素材料を陽イオン交換樹脂の溶液に分散した分散物を形成し、前記分散物から溶媒を除去して炭素材料と陽イオン交換樹脂の混合物を得る第3の工程と、前記陽イオン交換樹脂の固定イオンに触媒金属の陽イオンを吸着させる第4の工程と、前記陽イオンを化学的に還元する第5の工程を経ることを特徴とする請求項2記載の固体高分子形燃料電池用電極の製造方法。 A first step in which boron is contained in the carbon material in a range of 0.1% by mass or more and 10% by mass or less; and a functional group containing an oxygen atom or a nitrogen atom on the surface of the carbon material at 0.1 meq / g or more and 10 A second step of forming within a range of 0.0 meq / g or less, and forming a dispersion in which the carbon material is dispersed in a solution of a cation exchange resin, and removing the solvent from the dispersion to exchange the cation with the carbon material. A third step of obtaining a resin mixture, a fourth step of adsorbing the cation of the catalytic metal on the fixed ions of the cation exchange resin, and a fifth step of chemically reducing the cation. The method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 2.
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