JP2007012284A - Electrode catalyst, manufacturing method thereof, fuel electrode, and fuel cell apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode catalyst for a direct liquid fuel supply type fuel cell which can offer the fuel cell with high output and long lifetime by increasing the acid resistance of the electrode catalyst using a perovskite compound as a carrier. <P>SOLUTION: This methanol oxidation catalyst is an electrode catalyst for a direct liquid fuel supply fuel cell, including metallic particles having the liquid fuel oxidation catalyst capability and the oxygen deficient form perovskite oxide represented as ABO<SB>3-δ</SB>, where δ indicates deficient amount of oxygen in the range of 0.01≤δ≤1.0. Each of A and B site elements is at least one kind of element which is selected from the elements forming the acidic oxide or amphoteric oxide through bonding with oxygen. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、直接液体燃料供給型燃料電池の燃料極用の電極触媒、それを用いた燃料極用電極、それを用いた燃料電池、及び電極触媒製造方法に関するものである。   The present invention relates to an electrode catalyst for a fuel electrode of a direct liquid fuel supply type fuel cell, an electrode for a fuel electrode using the same, a fuel cell using the same, and a method for producing an electrode catalyst.

液体燃料を直接電池本体に供給する直接液体燃料供給型燃料電池として一般的なDMFC(ダイレクトメタノール型燃料電池)は、高分子電解質膜の両面に、触媒層とカーボンペーパーからなる拡散層で構成された燃料極と、酸化剤極を一体化した膜・電極接合体(MEA)を具備する。   DMFC (direct methanol fuel cell), which is a general direct liquid fuel supply type fuel cell that supplies liquid fuel directly to the cell body, is composed of a diffusion layer consisting of a catalyst layer and carbon paper on both sides of a polymer electrolyte membrane. The membrane electrode assembly (MEA) in which the fuel electrode and the oxidizer electrode are integrated.

アノード極(燃料極)側に供給されたメタノール水溶液は、アノード電極触媒上で酸化され、二酸化炭素とプロトン(水素イオン)及び電子を生成する。一方、カソード極(酸化剤極)には空気(酸素)を供給することで、外部回路を移動してきた電子と電解質膜を介して移動してきたプロトンとを反応させ水を生成する。DMFCは、これらの一連の反応により発電が行われているものである。   The aqueous methanol solution supplied to the anode (fuel electrode) side is oxidized on the anode electrode catalyst to generate carbon dioxide, protons (hydrogen ions), and electrons. On the other hand, by supplying air (oxygen) to the cathode electrode (oxidant electrode), the electrons that have moved through the external circuit react with the protons that have moved through the electrolyte membrane to generate water. The DMFC generates power by a series of these reactions.

近年、このようなDMFCは、小型の電子機器の電源として組み込むのに好適とされ、二次電池に比べて、充電が不要で長時間駆動する点を利点としている。このため、小型電子機器の搭載を可能にするには、燃料電池の小型化及び高出力化が急務の課題となっている。   In recent years, such a DMFC is suitable for incorporation as a power source for a small electronic device, and has an advantage that it is not charged and driven for a long time compared to a secondary battery. For this reason, in order to enable mounting of small electronic devices, miniaturization and high output of fuel cells are urgent issues.

従来、DMFCにおける電極触媒としては炭素系材料を担体として用い、金属微粒子をこの担体に担持させた触媒が用いられている。特にアノード(メタノール)側は炭素系材料に担持された白金−ルテニウム複合微粒子触媒が多く用いられ、またカソード(空気)側には、炭素系材料に担持された白金微粒子触媒が用いられている。   Conventionally, as an electrode catalyst in DMFC, a catalyst in which a carbon-based material is used as a carrier and metal fine particles are supported on the carrier has been used. In particular, a platinum-ruthenium composite particulate catalyst supported on a carbon-based material is often used on the anode (methanol) side, and a platinum particulate catalyst supported on a carbon-based material is used on the cathode (air) side.

しかしながら、燃料電池においては、アノード側で生成した中間副生成物(主に一酸化炭素)が触媒表面に吸着(被毒)することで活性が低下してしまうことが知られている。この問題を解決するために、金属粒子の改良や、担体の改良等様々な試みがなされている。   However, in the fuel cell, it is known that the activity is reduced by the adsorption (poisoning) of the intermediate by-product (mainly carbon monoxide) generated on the anode side on the catalyst surface. In order to solve this problem, various attempts have been made such as improvement of metal particles and improvement of the carrier.

このような中、特許文献1及び特許文献2には、担体として酸素欠損型ペロブスカイト化合物を用いこの化合物と貴金属粒子を複合させることにより被毒の影響を少なくし、結果として高い活性を得ることができると記されている。   Under such circumstances, Patent Document 1 and Patent Document 2 disclose that an oxygen-deficient perovskite compound is used as a carrier and this compound and noble metal particles are combined to reduce the influence of poisoning, resulting in high activity. It is written that it can be done.

しなしながら、当該文献の実施例で示されているペロブスカイト化合物は、アルカリ性酸化物を形成する元素が主として使用されており、例えばSrをペロブスカイト構造ABOのA元素として使用した場合、そのアルカリ性酸化物を形成する性質から、酸性溶液中でA元素を含むカチオン構成元素の溶出が起こる。すなわち電極触媒の溶解が起きる問題がある。 However, in the perovskite compound shown in the examples of the document, an element that forms an alkaline oxide is mainly used. For example, when Sr is used as the A element of the perovskite structure ABO 3 , the alkaline oxidation is performed. Due to the property of forming a substance, elution of a cation constituent element including element A occurs in an acidic solution. That is, there is a problem that the electrode catalyst is dissolved.

DMFCの多くは高い酸性を有する電解質膜を使用するため、電極触媒の耐酸性が必須となる。電極触媒が溶解すると、その溶出したカチオンが電解質膜中に残留し、結果として電解質の抵抗を高くして燃料電池出力を低下してしまうことが知られており、あまり実用的な触媒とは成り難い。   Since most DMFCs use an electrolyte membrane having high acidity, acid resistance of the electrode catalyst is essential. It is known that when the electrode catalyst is dissolved, the eluted cations remain in the electrolyte membrane, and as a result, the resistance of the electrolyte is increased and the output of the fuel cell is reduced. hard.

特開2005−50760号JP-A-2005-50760 特表2004−507341号Special table 2004-507341

本発明は、ペロブスカイト化合物を担体に用いた電極触媒の耐酸性を強くすることにより、高出力でかつ長寿命な燃料電池を提供することが可能な直接液体燃料供給型燃料電池用の電極触媒、電極触媒、燃料極用電極、燃料電池及び電極触媒の合成方法を提供することを目的とする。   The present invention relates to an electrode catalyst for a direct liquid fuel supply type fuel cell capable of providing a fuel cell having a high output and a long life by strengthening acid resistance of an electrode catalyst using a perovskite compound as a support, An object is to provide an electrode catalyst, an electrode for a fuel electrode, a fuel cell, and a method for synthesizing an electrode catalyst.

本発明は、直接液体燃料供給型燃料電池の燃料極用の電極触媒であって、前記液体燃料酸化触媒能を有する金属粒子と、ABO3−δ(但し、式中δは酸素欠損量を示し、0.01≦δ≦1.0、Aサイト元素及びBサイト元素は、酸素と結合して酸性酸化物または両性酸化物を形成する元素から選択される少なくとも一種の元素)で表される酸素欠損型ペロブスカイト酸化物を含むことを特徴とする電極触媒である。 The present invention is an electrode catalyst for a fuel electrode of a direct liquid fuel supply type fuel cell, the metal particles having the liquid fuel oxidation catalytic ability, and ABO 3-δ (where δ represents an oxygen deficiency amount). 0.01 ≦ δ ≦ 1.0, and the A site element and the B site element are oxygen represented by at least one element selected from elements that combine with oxygen to form an acidic oxide or an amphoteric oxide) An electrode catalyst comprising a deficient perovskite oxide.

前記電極触媒において、前記金属粒子は、白金族元素、鉄族元素及び周期表第Ib族元素から選択される少なくとも一種の金属粒子であることが望ましい。
また、前記電極触媒において、前記Aサイト元素は、酸素と結合して酸性酸化物または両性酸化物を形成し、かつイオン半径が0.09nm以上0.18nm以下の元素から選択される少なくとも一種の元素であり、前記Bサイト元素は、酸素と結合して酸性酸化物または両性酸化物を形成し、かつイオン半径が0.05nm以上0.10nm以下の元素から選択される少なくとも一種の元素であることが望ましい。
In the electrode catalyst, the metal particles are preferably at least one metal particle selected from a platinum group element, an iron group element, and a group Ib element of the periodic table.
In the electrode catalyst, the A-site element is combined with oxygen to form an acidic oxide or an amphoteric oxide, and at least one element selected from elements having an ionic radius of 0.09 nm to 0.18 nm. The B-site element is at least one element selected from elements having an ionic radius of 0.05 nm or more and 0.10 nm or less, which are combined with oxygen to form an acidic oxide or an amphoteric oxide. It is desirable.

また前記電極触媒においては、前記金属粒子が、前記酸素欠損型ペロブスカイト酸化物の粒子に担持されていることが望ましい。   In the electrode catalyst, the metal particles are preferably supported on the oxygen-deficient perovskite oxide particles.

また、前記電極触媒においては、さらに導電助剤を含むことが望ましい。   The electrode catalyst preferably further contains a conductive additive.

また、本発明は、直接液体燃料供給型燃料電池の燃料極用電極であって、電極支持体と、その電極支持体に担持された触媒とを具備し、前記触媒は前記電極触媒を具備することを特徴とする燃料極用電極である。   The present invention also relates to an electrode for a fuel electrode of a direct liquid fuel supply type fuel cell, comprising an electrode support and a catalyst supported on the electrode support, and the catalyst includes the electrode catalyst. This is an electrode for a fuel electrode.

また、本発明は、前記燃料極用電極を具備する燃料極と、
酸化剤極と、
前記燃料極及び前記酸化剤極とで挟持された電解質膜と、
を具備し、液体燃料が前記燃料極に、酸化剤が前記酸化剤極に供給されることにより電力を発生する起電部を具備することを特徴とする燃料電池である。
The present invention also provides a fuel electrode comprising the fuel electrode.
An oxidizer electrode;
An electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxidant electrode;
And a fuel cell comprising an electromotive unit that generates electric power when liquid fuel is supplied to the fuel electrode and an oxidant is supplied to the oxidant electrode.

また、本発明は、前記電極触媒の製造方法であって、前記酸素欠損型ペロブスカイト酸化物と前記金属粒子とを混合又は前記酸素欠損型ペロブスカイト酸化物と前記金属粒子とを混合する工程と、水素雰囲気下で加熱還元する工程とを具備することを特徴とする電極触媒製造方法である。   Further, the present invention is a method for producing the electrode catalyst, comprising mixing the oxygen-deficient perovskite oxide and the metal particles or mixing the oxygen-deficient perovskite oxide and the metal particles; And a step of heating and reducing in an atmosphere.

前記酸素欠損型ペロブスカイト酸化物と前記金属粒子とを混合する前記工程は、前記酸素欠損型ペロブスカイト酸化物の粒子に前記金属粒子を担持させる工程を行うことが望ましい。   The step of mixing the oxygen-deficient perovskite oxide and the metal particles is preferably performed by supporting the metal particles on the oxygen-deficient perovskite oxide particles.

上記のように、本発明においては直接液体燃料供給型燃料電池における燃料極用電極触媒として、液体燃料酸化触媒能を有する金属粒子と、特定の元素をA,Bサイト元素とする酸素欠損型ペロブスカイト酸化物との混合物を用いる。   As described above, in the present invention, as an electrode catalyst for a fuel electrode in a direct liquid fuel supply type fuel cell, metal particles having liquid fuel oxidation catalytic ability and oxygen-deficient perovskite having specific elements as A and B site elements Mixtures with oxides are used.

この酸素欠陥型ペロブスカイト酸化物を使用することにより、金属粒子の触媒効果に加えて、酸化物自体も助触媒として作用し、メタノールなどの液体燃料を酸化する際に発生する中間副生成物(一酸化炭素など)の被毒制御を可能にできる。   By using this oxygen-deficient perovskite oxide, in addition to the catalytic effect of the metal particles, the oxide itself also acts as a co-catalyst, and intermediate by-products (one by one generated when oxidizing liquid fuel such as methanol) It is possible to control poisoning of carbon oxides).

酸素欠陥型ペロブスカイト酸化物が助触媒として作用する理由の1つとして、表面における酸化物イオンOが一酸化炭素やアルコール、アルデヒドなどに対して高い反応性を有していることが挙げられる。 One of the reasons why the oxygen-deficient perovskite oxide acts as a promoter is that the oxide ion O − on the surface has high reactivity with carbon monoxide, alcohol, aldehyde, and the like.

またこの酸素欠損型ペロブスカイト酸化物は、従来技術で金属粒子の担体として多用されている炭素系材料に比べ親水性が高い。DMFCの場合、効率良く発電することが可能なアルコール低濃度水溶液(例えばメタノールが10%未満の水溶液)において、メタノール分子が多くの水分子に包括されるようなクラスター構造を取る。そのため、親水性が高い担体を用いた場合、触媒中の活性点と反応種(メタノール)が容易に接触できる状況を作られ、反応種が触媒活性種に到達する際に生じる拡散過電圧を低減することができ、ひいてはエネルギーへの変換効率を高くすることができる。   Further, this oxygen-deficient perovskite oxide has a higher hydrophilicity than a carbon-based material frequently used as a carrier for metal particles in the prior art. In the case of DMFC, in a low-concentration alcohol aqueous solution (for example, an aqueous solution containing less than 10% methanol) that can efficiently generate power, a cluster structure is adopted in which methanol molecules are included in many water molecules. Therefore, when a highly hydrophilic carrier is used, a situation where the active site in the catalyst and the reactive species (methanol) can be easily contacted is created, and the diffusion overvoltage generated when the reactive species reaches the catalytically active species is reduced. As a result, the conversion efficiency into energy can be increased.

さらに、酸素欠損型ペロブスカイト酸化物のA,Bサイト元素として、酸素と結合した際に酸性酸化物または両性酸化物を形成する元素を用いているため、耐酸性を向上させ、酸性溶液中で構成元素の溶出が生じにくくなる。したがって電極触媒として燃料電池に組み込まれた際、高出力で安定かつ長寿命な燃料電池を実現することができる。   Furthermore, as the A and B site elements of the oxygen-deficient perovskite oxide, an element that forms an acidic oxide or an amphoteric oxide when combined with oxygen is used. Element elution is less likely to occur. Therefore, when it is incorporated in a fuel cell as an electrode catalyst, it is possible to realize a fuel cell with high output, stability and long life.

本発明によれば、液体燃料を用いた燃料電池において、触媒表面の疎水性を抑えると共に、耐酸性が強くなり、それにより高出力でかつ長寿命な燃料電池を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the fuel cell using a liquid fuel, while suppressing the hydrophobicity of the catalyst surface, acid resistance becomes strong, and can thereby provide a fuel cell with high output and long life.

<電極触媒>
本発明の実施形態にかかる電極触媒は、直接液体燃料供給型燃料電池の燃料極用の電極触媒であって、例えばメタノールやメタノール水溶液等の液体燃料酸化触媒能を有する金属粒子と、ABO3−δ(但し、式中δは酸素欠損量を示し、0.01≦δ≦1.0、Aサイト元素及びBサイト元素は、酸素と結合して酸性酸化物または両性酸化物を形成する元素から選択される少なくとも一種の元素)で表される酸素欠損型ペロブスカイト酸化物とを含む。以下に、各成分についてさらに説明する。
<Electrocatalyst>
An electrode catalyst according to an embodiment of the present invention is an electrode catalyst for a fuel electrode of a direct liquid fuel supply type fuel cell, for example, metal particles having liquid fuel oxidation catalytic ability such as methanol and aqueous methanol solution, and ABO 3− δ (where δ represents the amount of oxygen vacancies, 0.01 ≦ δ ≦ 1.0, A-site element and B-site element are formed from an element that combines with oxygen to form an acidic oxide or an amphoteric oxide. An oxygen-deficient perovskite oxide represented by at least one selected element. Below, each component is further demonstrated.

(金属粒子)
液体燃料酸化触媒能を有する金属粒子としては、貴金族元素(Pt,Pd,Rh,Ru,Ir,Os,Au,Ag等)や卑金属元素(Y,La,Ce,Pr,Nd,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Ca,Mg,Al,K,Ti,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Ga,Rb,Sr,Zr,Nb,Mo,In,Sn,Cs,Ba,Ta,W等)が挙げられる。これらの金属は一種のみからなるものでもよいし、複数種を組み合わせたものであっても良い。
(Metal particles)
As metal particles having liquid fuel oxidation catalytic ability, noble metal elements (Pt, Pd, Rh, Ru, Ir, Os, Au, Ag, etc.) and base metal elements (Y, La, Ce, Pr, Nd, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ca, Mg, Al, K, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, Rb, Sr, Zr, Nb, Mo, In, Sn, Cs, Ba, Ta, W, etc.). These metals may be composed of only one kind, or may be a combination of plural kinds.

中でも白金族元素(Ru、Rh,Pd、Os、Ir、Pt)及び鉄族元素(Fe、Co、Ni)、周期表第Ib族元素(Cu、Ag、Auなど)が望ましく、さらにPt及びRuは、触媒活性が高いため望ましく、特にPtとRuの粒子が共存している状態が最も好ましい。   Among them, platinum group elements (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt), iron group elements (Fe, Co, Ni), periodic table group Ib elements (Cu, Ag, Au, etc.) are desirable, and Pt and Ru Is desirable because of its high catalytic activity, and the state where Pt and Ru particles coexist is particularly preferable.

(酸素欠損型ペロブスカイト酸化物)
前記一般式で表される酸素欠陥型ペロブスカイト酸化物において、Aサイト元素としては、酸素と結合した際に酸性酸化物又は両性酸化物を形成する元素から選択される少なくとも一種の元素を用いる。中でも酸素と結合した際、酸性酸化物を形成する元素を用いた化合物は耐酸性が高く安定なペロブスカイト結晶構造を形成しやすく、触媒活性も高い傾向にあるため好ましい。
(Oxygen deficient perovskite oxide)
In the oxygen-deficient perovskite oxide represented by the above general formula, as the A site element, at least one element selected from elements that form an acidic oxide or an amphoteric oxide when combined with oxygen is used. Among them, a compound using an element that forms an acidic oxide when combined with oxygen is preferable because it has a high acid resistance and tends to form a stable perovskite crystal structure and has a high catalytic activity.

またAサイト元素としては、イオン半径が0.09nm以上0.18nm以下の範囲にある元素が安定したペロブスカイト結晶構造を形成する上で望ましい。具体的には、酸素と結合した際に、酸性酸化物を構成するLa,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Bi等や、両性酸化物を形成するAg,Pb,Auなどが望ましい元素として挙げられる。   As the A site element, an element having an ionic radius in the range of 0.09 nm or more and 0.18 nm or less is desirable for forming a stable perovskite crystal structure. Specifically, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Bi, etc., which form acidic oxides, and Ag, Pb, Au, etc., which form amphoteric oxides, are desirable elements when combined with oxygen. Can be mentioned.

また、この酸化物においてAサイト元素には一種類の元素のみならず複数種の元素を用いた化合物であっても良い。組み合わせによっては複数種の元素が混在する固溶状態を形成することで、より高い触媒能を発揮することができる。例えば、AgとLaの組み合わせや、LaとAuなどの組み合わせが高い活性を示すことができる。   In this oxide, the A site element may be a compound using not only one kind of element but also a plurality of kinds of elements. Depending on the combination, a higher catalytic ability can be exhibited by forming a solid solution state in which plural kinds of elements are mixed. For example, a combination of Ag and La or a combination of La and Au can exhibit high activity.

一方、Bサイト元素も、酸素と結合した際に酸性酸化物又は両性酸化物を構成する元素から選択される少なくとも一種の元素を用いる。中でも酸素と結合した際、酸性酸化物を形成する元素を用いた化合物は耐酸性が高く安定なペロブスカイト結晶構造を形成しやすく、触媒活性も高い傾向にあるため好ましい。   On the other hand, the B site element also uses at least one element selected from elements constituting an acidic oxide or an amphoteric oxide when combined with oxygen. Among them, a compound using an element that forms an acidic oxide when combined with oxygen is preferable because it has a high acid resistance and tends to form a stable perovskite crystal structure and has a high catalytic activity.

Bサイト元素としては、イオン半径が0.05nm以上0.10nm以下の範囲にある元素が安定したペロブスカイト結晶構造を形成する上で望ましい。具体的には、酸素と結合した際に、酸性酸化物を形成するMn,Ta,W等や、両性酸化物を形成するCr,Sn,Co,Zn,Ga,Tiなどが挙げられる。中でもMn,Cr,Sn,Ta,Wなどの元素は安定したペロブスカイト結晶構造を形成しやすく、活性も高い傾向にあるため好ましい。   As the B site element, an element having an ionic radius in the range of 0.05 nm or more and 0.10 nm or less is desirable for forming a stable perovskite crystal structure. Specifically, Mn, Ta, W, etc. that form an acidic oxide when combined with oxygen, Cr, Sn, Co, Zn, Ga, Ti, etc., that form an amphoteric oxide can be mentioned. Among them, elements such as Mn, Cr, Sn, Ta, and W are preferable because they tend to form a stable perovskite crystal structure and have a high activity.

また、この酸化物においてBサイトにおいても一種類の元素のみならず複数種の元素を用いた化合物であっても良い。この場合、BサイトはMn,Ta,W,などの酸性酸化物を形成する元素のみで構成することにより、高い耐酸性能を付与されるため望ましい。   Further, in this oxide, a compound using not only one kind of element but also a plurality of kinds of elements may be used at the B site. In this case, the B site is desirable because it is composed of only an element that forms an acidic oxide such as Mn, Ta, W, etc., thereby imparting high acid resistance.

一般的に、複合酸化物の耐酸性能は構成する元素の酸性度により左右される。すなわち、酸性酸化物を形成する元素のみを組み合わせた複合酸化物は、より耐酸性が向上する傾向にあり、一方で、アルカリ性酸化物を形成する元素を含有する複合酸化物の耐酸性は低い。従って、発電中に酸性状態に晒される電極触媒に必要な耐酸性能を得るためには、構成する元素を、酸性酸化物又は両性酸化物を形成する元素、より好ましくは酸性酸化物を形成する元素のみを用いた化合物であることが望ましい。   In general, the acid resistance performance of the composite oxide depends on the acidity of the constituent elements. That is, a complex oxide combining only elements that form an acidic oxide tends to improve acid resistance, while a complex oxide containing an element that forms an alkaline oxide has low acid resistance. Therefore, in order to obtain the acid resistance required for the electrode catalyst exposed to an acidic state during power generation, the constituent element is an element that forms an acidic oxide or an amphoteric oxide, more preferably an element that forms an acidic oxide. It is desirable that it is a compound using only

酸素欠損量δは0.01≦δ≦1.0の範囲である。0.01を下回ると酸化物イオン欠損量が少なく、触媒活性が低い傾向にあり、1.0を上回ると、ペロブスカイト構造の歪みが大きくなり構造が安定しにくくなる。より好ましくは、歪みが少ない単相のペロブスカイト構造を持ち、高い触媒活性を得るためには、0.05≦δ≦0.5の範囲であることが望ましい。   The oxygen deficiency δ is in the range of 0.01 ≦ δ ≦ 1.0. If it is less than 0.01, the amount of oxide ion deficiency is small and the catalytic activity tends to be low, and if it exceeds 1.0, the distortion of the perovskite structure increases and the structure becomes difficult to stabilize. More preferably, in order to have a single-phase perovskite structure with little distortion and to obtain high catalytic activity, it is desirable that the range is 0.05 ≦ δ ≦ 0.5.

(各成分の形態)
上述の如く、本発明の実施形態にかかる電極触媒は、前記金属粒子と、前記酸素欠損型ペロブスカイト酸化物とを含むものであるが、金属粒子が微粒子でありまた、酸素欠陥型ペロブスカイト酸化物が微粒子結晶の形態であると、触媒活性がより高くなる傾向にあるため好ましい。
(Form of each component)
As described above, the electrode catalyst according to the embodiment of the present invention includes the metal particles and the oxygen-deficient perovskite oxide. The metal particles are fine particles, and the oxygen-deficient perovskite oxide is a fine crystal. Since it exists in the tendency for a catalyst activity to become higher that it is a form of this, it is preferable.

本実施形態にかかる金属粒子の好ましい平均粒径は、好ましくは100μm以下、より好ましくは10μm〜数nm、特に好ましくは、数10nm〜数nmの平均粒径を有する粒子である。平均粒径が100μmを超えると粒子の表面積が低下し、十分な触媒活性が得られない恐れがある。その金属粒子の平均粒子径はより小さいものが好ましい。触媒活性を向上させる上で重要な要素の一つとして、金属表面積を大きくとることが挙げられるためである。なお金属粒子の中には、その金属の酸化物等の金属化合物を含んでいても良いが、金属単体として存在することがより好ましい。   The average particle diameter of the metal particles according to this embodiment is preferably 100 μm or less, more preferably 10 μm to several nm, and particularly preferably particles having an average particle diameter of several tens of nm to several nm. If the average particle diameter exceeds 100 μm, the surface area of the particles decreases, and there is a risk that sufficient catalytic activity may not be obtained. The metal particles preferably have a smaller average particle size. This is because one of the important factors in improving the catalytic activity is to increase the metal surface area. The metal particles may contain a metal compound such as an oxide of the metal, but are more preferably present as a single metal.

本実施形態にかかる酸素欠損型ペロブスカイト酸化物の好ましい平均粒径は、1000μm以下、より好ましくは100μm〜1μm、特に好ましくは2〜10μmである。また、好ましい比表面積はBET吸着測定値で、50〜1000m/g程度である。 The preferable average particle diameter of the oxygen-deficient perovskite oxide according to this embodiment is 1000 μm or less, more preferably 100 μm to 1 μm, and particularly preferably 2 to 10 μm. Moreover, a preferable specific surface area is a BET adsorption measured value and is about 50-1000 m < 2 > / g.

また、両者の存在形態としては、前記酸素欠陥型ペロブスカイト酸化物を担体とし、これに前記金属粒子を担持せしめたものでも、前記酸素欠陥型ペロブスカイト酸化物と前記金属粒子とが混合したもの等でも良い。特に、前記酸素欠陥型ペロブスカイト酸化物を担体とし、これに前記金属粒子を担持せしめたものは、電極触媒としての触媒活性がより高くなる傾向にあるため好ましい。特に金属粒子は、担体に埋め込まれるように担持されることで金属粒子がアンカリング状態となり粒成長が抑えられ触媒活性向上の点で望ましい。酸素欠損型ペロブスカイト酸化物担体上に金属粒子を担持することで、金属粒子表面に被毒されやすい一酸化炭素などの被毒種を効率よく酸化させることが可能となり、触媒活性を向上させることが可能である。つまり担体表面に存在する活性金属種の近傍に、担体が有する反応性の高い酸化物イオンが存在することにより、アルコール類の酸化が促進されると共に、酸素欠損を有するペロブスカイト酸化物は、アルコールやアルデヒド、一酸化炭素などから電子を引き抜くことで構造中の金属カチオンが還元されると同時に、酸化物イオンの移動も伴う。この酸化物イオンと電子の移動により、金属表面に形成される被毒種などが酸化することで相乗的な活性が得られると考えられる。   In addition, as for the existence form of both, the oxygen defect type perovskite oxide is used as a carrier and the metal particles are supported on the carrier, or the oxygen defect type perovskite oxide and the metal particles are mixed. good. In particular, it is preferable to use the oxygen-deficient perovskite oxide as a carrier and support the metal particles on the carrier because the catalytic activity as an electrode catalyst tends to be higher. In particular, the metal particles are desirable in that they are supported so as to be embedded in the carrier, whereby the metal particles are in an anchoring state and grain growth is suppressed, and the catalytic activity is improved. By supporting metal particles on an oxygen-deficient perovskite oxide carrier, it becomes possible to efficiently oxidize poisonous species such as carbon monoxide that are easily poisoned on the surface of the metal particles, thereby improving the catalytic activity. Is possible. In other words, the presence of highly reactive oxide ions of the carrier in the vicinity of the active metal species present on the surface of the carrier promotes the oxidation of alcohols, and the perovskite oxide having oxygen deficiency By extracting electrons from aldehyde, carbon monoxide and the like, the metal cation in the structure is reduced, and at the same time, movement of oxide ions is accompanied. It is considered that a synergistic activity can be obtained by oxidizing the poisoned species formed on the metal surface by the movement of the oxide ions and electrons.

(その他の成分)
上記の2成分の他に、本実施形態にかかる電極触媒は、導電助剤を含むことが望ましい。従来、無機固体酸化物を担持体とする触媒はその電子導電性が低いため、電極触媒として利用することが困難であった。触媒層の電子導電性が低いと電極の内部抵抗が増大し、結果として燃料電池出力の低下を招くためである。そこで、本発明にかかる電極触媒は担体と電子導電助剤を混合することが望ましい。それにより、触媒層の電子導電性を向上させる特徴を持つ。
(Other ingredients)
In addition to the above two components, the electrode catalyst according to the present embodiment preferably contains a conductive additive. Conventionally, a catalyst using an inorganic solid oxide as a support has a low electronic conductivity, and thus it has been difficult to use as a catalyst. This is because if the electroconductivity of the catalyst layer is low, the internal resistance of the electrode increases, resulting in a decrease in the fuel cell output. Therefore, it is desirable that the electrode catalyst according to the present invention is mixed with a carrier and an electronic conduction assistant. Thereby, it has the characteristic which improves the electronic conductivity of a catalyst layer.

具体的には、カーボンなどの炭素系導電助剤、又は粒子状のポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェンなどの高分子導電助剤などの導電助剤のうちの少なくとも一種を含むことが望ましい。さらに望ましくは、さらにこれらの導電助剤のうち粒子状の導電助剤と、カーボンウィスカー、カーボンナノファイバー及びカーボンナノチューブなどのアスペクト比が高い(例えばL/Dが5以上20以下)細長い繊維状の導電助剤を組み合わせて含むことがさらに望ましい。アスペクト比が高い細長い形状をした導電助剤と粒子状の導電助剤を組み合わせることにより、電極触媒中に電子導電経路のネットワークが形成され、より効率的な導電状態を形成できる。これにより、電極触媒反応機構に重要とされる三相界面の形成を促進し、電極触媒としての能力を向上させることができる。アスペクト比の高い導電性物質は上記カーボン材料に制限されず、無機固体、有機ポリマーなど電子導電性を有する物質で、かつアスペクト比が大きな細長い材料であれば同様の効果が得られる。   Specifically, it is desirable to include at least one of conductive assistants such as carbon-based conductive assistants such as carbon or polymer conductive assistants such as particulate polyacetylene, polypyrrole, and polythiophene. More preferably, among these conductive assistants, a particulate conductive additive and a long fiber-like shape having a high aspect ratio (for example, L / D of 5 or more and 20 or less) such as carbon whisker, carbon nanofiber, and carbon nanotube. It is further desirable to include a combination of conductive assistants. By combining a conductive additive having an elongated shape with a high aspect ratio and a particulate conductive additive, a network of electronic conductive paths is formed in the electrode catalyst, and a more efficient conductive state can be formed. Thereby, formation of the three-phase interface important for an electrode catalyst reaction mechanism can be accelerated | stimulated, and the capability as an electrode catalyst can be improved. The conductive material having a high aspect ratio is not limited to the above carbon material, and the same effect can be obtained if the material has electronic conductivity such as an inorganic solid or an organic polymer and is an elongated material having a large aspect ratio.

(各成分の組成比)
本実施形態にかかる電極触媒中の前記金属の含有率としては、触媒の全重量に対する重量比(mass%)として、0.05mass%以上60mass%以下であることが好ましく、その中でも5mass%以上50mass%以下であることがより好ましい。金属の含有率が、0.05mass%未満では触媒作用が得られず、60mass%以上では、ペロブスカイト表面における金属種が過剰となり、粗大粒子等が生成されるために触媒金属の利用効率が低下するため、電極触媒としては十分な触媒性能を得ることができない。
(Composition ratio of each component)
The metal content in the electrode catalyst according to the present embodiment is preferably 0.05 mass% or more and 60 mass% or less as a weight ratio (mass%) to the total weight of the catalyst, and among them, 5 mass% or more and 50 mass%. % Or less is more preferable. When the metal content is less than 0.05 mass%, catalytic action cannot be obtained. When the metal content is 60 mass% or more, the metal species on the perovskite surface becomes excessive and coarse particles are generated, so that the utilization efficiency of the catalyst metal is reduced. Therefore, sufficient catalyst performance cannot be obtained as an electrode catalyst.

本実施形態にかかる電極触媒中の酸素欠損型ペロブスカイト酸化物の含有率としては、触媒の全重量に対する重量比(mass%)として、40mass%以上90mass%以下であることが好ましく、その中でも50mass%以上70mass%以下であることが望ましい。   The content of the oxygen-deficient perovskite oxide in the electrode catalyst according to the present embodiment is preferably 40 mass% or more and 90 mass% or less as a weight ratio (mass%) to the total weight of the catalyst, and among them, 50 mass%. It is desirable that it is 70 mass% or less.

またその他の成分である導電助剤を添加する際は、触媒の全重量に対する重量比(mass%)として、10mass%以上50mass%以下の範囲であることが望ましい。   Moreover, when adding the conductive auxiliary agent which is another component, it is desirable that it is the range of 10 mass% or more and 50 mass% or less as a weight ratio (mass%) with respect to the total weight of a catalyst.

(製法)
本実施形態にかかるメタノール電極触媒は、例えば次のように調製することができる。すなわち既知の方法にて原料組成を調製することにより得た本発明にかかる組成の酸素欠損型ペロブスカイト酸化物、金属粒子、さらに必要に応じて導電助剤の成分を溶媒に加えて混合し、均一な懸濁液を得る。懸濁液から溶媒を乾燥することにより除去して電極触媒を得る。
(Manufacturing method)
The methanol electrode catalyst according to this embodiment can be prepared, for example, as follows. That is, the oxygen-deficient perovskite oxide of the composition according to the present invention obtained by preparing a raw material composition by a known method, metal particles, and if necessary, the components of the conductive auxiliary agent are added to a solvent and mixed to obtain a uniform A good suspension. The solvent is removed from the suspension by drying to obtain an electrode catalyst.

酸素欠損型ぺロブスカイト酸化物の担体に、上記金属粒子を担持させる場合は、その方法は特に制限されず、例えば、金属や金属前駆体(塩化金属酸などの金属ハロゲン化物、炭酸塩、硝酸塩、アルコキシド、テトラアンミン塩、アセチルアセトナトなど)を用いていわゆる含浸法、イオン交換法、沈澱法、混練法等の手段により、酸素欠損型ペロブスカイト酸化物の担体に金属を担持させることが可能である。   When the above metal particles are supported on an oxygen-deficient perovskite oxide support, the method is not particularly limited, and examples thereof include metals and metal precursors (metal halides such as metal chlorides, carbonates, nitrates, It is possible to support a metal on an oxygen-deficient perovskite oxide support by means of a so-called impregnation method, ion exchange method, precipitation method, kneading method or the like using alkoxide, tetraammine salt, acetylacetonate, or the like.

上記のようにして金属粒子と酸素欠損型ペロブスカイト酸化物と混合するか、若しくは酸素欠損型ペロブスカイト酸化物担体に金属粒子担持させた後、水素もしくは一酸化炭素もしくは炭化水素(メタン、アセトアルデヒド等)含有雰囲気中での還元処理をするか、或いは窒素もしくは空気中での焼成処理などを行うか、またその両方を行うことが好ましい。還元雰囲気下で還元を行うことにより、金属が還元されるばかりでなく、酸素欠損型ペロブスカイト酸化物も還元環境下にさらされるため、ペロブスカイト酸化物における酸化物イオン欠損を生じさせやすくなる。また、焼成することで金属の一部を酸素欠損型ペロブスカイト酸化物中に固溶させたり、固定させることができるため微粒子の粗大化や流出を防止することも可能である。   Mixing with metal particles and oxygen-deficient perovskite oxide as described above, or after supporting metal particles on oxygen-deficient perovskite oxide support, containing hydrogen, carbon monoxide or hydrocarbon (methane, acetaldehyde, etc.) It is preferable to perform a reduction treatment in an atmosphere, or a firing treatment in nitrogen or air, or both. By performing the reduction in a reducing atmosphere, not only the metal is reduced, but also the oxygen-deficient perovskite oxide is exposed to the reducing environment, and thus oxide ion deficiency in the perovskite oxide is likely to occur. Further, by firing, a part of the metal can be dissolved or fixed in the oxygen-deficient perovskite oxide, so that coarsening and outflow of the fine particles can be prevented.

還元処理する場合の条件は特に制限されないが、例えば水素雰囲気中で、200〜800℃の温度で1〜10時間程度加熱するといった条件が良い。   The conditions for the reduction treatment are not particularly limited. For example, the conditions of heating at a temperature of 200 to 800 ° C. for about 1 to 10 hours in a hydrogen atmosphere are preferable.

焼成処理する場合の条件は特に制限されないが、担持金属粒子の粒成長が起き難い温度範囲(金属種により異なる)で、比較的に短時間行うといった条件が良い。   The conditions for the firing treatment are not particularly limited, but it is preferable to perform the firing process for a relatively short time in a temperature range where the growth of the supported metal particles hardly occurs (depending on the metal type).

なお無機固体の表面の導電化手法であるイオン注入技術等を電極触媒に施すことで触媒に導電性の元素を導入させ電子導電性を付与しても良い。またこの他にも、触媒面を導電薄膜層でコーティングするなどしても良い。   An electroconductive element may be introduced into the catalyst by applying an ion implantation technique or the like, which is a method for conducting the surface of the inorganic solid, to impart electroconductivity to the catalyst. In addition, the catalyst surface may be coated with a conductive thin film layer.

<燃料極用電極>
直接液体燃料供給型燃料電池の燃料極用電極は、前記触媒をそのまま使用しても良いが、電極支持体に担持させて使用することが実用的である。
<Fuel electrode>
As the electrode for the fuel electrode of the direct liquid fuel supply type fuel cell, the catalyst may be used as it is, but it is practical to use the catalyst supported on an electrode support.

例えば多孔質カーボンペーパーなどの所望の電極支持体上に得られた懸濁液を塗布し、その後乾燥することにより得ることができる。電極にはこの触媒組成物に加えてイオン伝導材料そして必要に応じて使用される添加剤を添加しても良い。   For example, it can be obtained by applying a suspension obtained on a desired electrode support such as porous carbon paper and then drying. In addition to the catalyst composition, an ion conductive material and additives used as necessary may be added to the electrode.

前記イオン伝導材料は、イオン伝導性を有するものなら何を使用してもよいが、電解質膜と同じ材料であると好ましい結果が得られる。必要に応じて使用される添加剤としては、カーボンに代表される導電性材料、テトラフルオロエチレンに代表される撥水性材料が挙げられる。   Any ion conductive material may be used as long as it has ion conductivity, but a preferable result is obtained when the material is the same as the electrolyte membrane. Additives used as necessary include conductive materials typified by carbon and water-repellent materials typified by tetrafluoroethylene.

前記電極支持体としては、この電極支持体は液体燃料を拡散する拡散層として機能するものであることが望ましい。多孔質カーボンペーパー以外にも、例えば金、白金、ステンレス、ニッケル等の薄膜やメッシュあるいはスポンジ、あるいは、酸化チタン、シリカ、酸化スズに代表される公知の導電性粒子が挙げられる。   The electrode support preferably functions as a diffusion layer for diffusing liquid fuel. In addition to porous carbon paper, for example, known conductive particles represented by thin films, meshes or sponges such as gold, platinum, stainless steel and nickel, or titanium oxide, silica and tin oxide.

担持方法には、スパッタやケミカルベーパーデポジションに代表される真空薄膜作製法、メッキ、無電解メッキや含浸法等の化学的ないし電気化学的方法でも行うことができる。さらには、アーク溶解やメカニカルミリング等の方法も使用できる。   The supporting method can be performed by a chemical or electrochemical method such as a vacuum thin film manufacturing method represented by sputtering or chemical vapor deposition, plating, electroless plating or impregnation. Furthermore, methods such as arc melting and mechanical milling can also be used.

<燃料電池>
以下に前記電極を用いた直接液体燃料供給型燃料電池の構造の一実施形態について述べる。上記触媒を適用する燃料電池は、パッシブ型燃料電池であってもよく、アクティブ型燃料電池であっても良い。
<Fuel cell>
An embodiment of a structure of a direct liquid fuel supply type fuel cell using the electrode will be described below. The fuel cell to which the catalyst is applied may be a passive fuel cell or an active fuel cell.

図1は、燃料電池の単セルを示す概念図である。
図1中、筐体1a、1b内に電解質膜2と、それを挟持する酸化剤極(カソード)3と燃料極(アノード)4を有し、それらの外側に酸化剤流路5と液体燃料流路6を具備してなる。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a single cell of a fuel cell.
In FIG. 1, there are an electrolyte membrane 2, an oxidant electrode (cathode) 3 and a fuel electrode (anode) 4 sandwiching the electrolyte membrane 2 in housings 1 a and 1 b, and an oxidant channel 5 and liquid fuel outside them. A flow path 6 is provided.

電解質膜2はイオン交換膜が使用される。イオン交換膜は、アニオンまたはカチオンのいずれのイオン伝導タイプでも使用できるが、プロトン伝導タイプのものが好適に使用される。例えばパーフルオロアルキルスルホン酸ポリマーを代表とする高分子膜などアニオン又はカチオン伝導性を有する材料が使用できる。   The electrolyte membrane 2 is an ion exchange membrane. The ion exchange membrane can be of any anion or cation conductivity type, but a proton conductivity type is preferably used. For example, a material having anion or cation conductivity such as a polymer membrane represented by perfluoroalkylsulfonic acid polymer can be used.

酸化剤極3と燃料極4との間に電解質膜2を介在配置させて挟持するか、あるいはホットプレスまたはキャスト製膜等によって三者を接合して、膜―電極構造体(Membrane Electrode Assembly)が構成される。多孔質カーボンペーパーには、必要であればポリテトラフルオロエチレンに代表される撥水剤を添加または積層することもできる。   The electrolyte membrane 2 is interposed between the oxidant electrode 3 and the fuel electrode 4, or the three members are joined together by hot press or cast film formation to form a membrane-electrode assembly (Membrane Electrode Assembly). Is configured. If necessary, a water repellent represented by polytetrafluoroethylene can be added to or laminated on the porous carbon paper.

燃料極4は、前述の電極触媒を有効成分としてなる電極である。燃料極4は、電解質膜2に当接させる。燃料極4を電解質膜2に当接させる方法としては、ホットプレス、キャスト製膜をはじめとする公知の方法が使用できる。   The fuel electrode 4 is an electrode having the above-described electrode catalyst as an active ingredient. The fuel electrode 4 is brought into contact with the electrolyte membrane 2. As a method for bringing the fuel electrode 4 into contact with the electrolyte membrane 2, known methods such as hot pressing and cast film formation can be used.

酸化剤極3も、多くの場合、白金を担持したカーボン等の酸化剤極用電極触媒をイオン伝導材料とともによく混合した上で電解質膜2に当接させることで構成されている。イオン伝導材料は、電解質膜2と同じ材料であると好ましい結果が得られる。酸化剤極3をイオン交換膜2に当接させる方法としては、ホットプレス、キャスト製膜をはじめとする公知の方法を使用することができる。白金を担持したカーボン以外にも、酸化剤極3として、貴金属又はそれらを担持した電極触媒や、有機金属錯体又はそれを焼成した電極触媒など公知のものを使用できる。   In many cases, the oxidant electrode 3 is also configured by bringing an electrode catalyst for an oxidant electrode such as carbon carrying platinum into contact with the electrolyte membrane 2 after thoroughly mixing with an ion conductive material. A preferable result is obtained when the ion conductive material is the same material as the electrolyte membrane 2. As a method for bringing the oxidant electrode 3 into contact with the ion exchange membrane 2, known methods such as hot pressing and cast film formation can be used. In addition to carbon carrying platinum, known materials such as noble metals or electrode catalysts carrying them, organometallic complexes or electrode catalysts obtained by firing them can be used as the oxidant electrode 3.

酸化剤極3側には、上方に酸化剤(多くの場合空気)を導入するための酸化剤導入孔(図示せず)が設けられる一方、下方に未反応空気と生成物(多くの場合水)を排出するための酸化剤排出孔(図示せず)が設けられる。筐体1aに空気の自然対流孔を設けてもよい。酸化剤極3側には、強制的に酸化剤を導入するための強制通気手段を付設してもよい。強制通気手段としては、送気ポンプなどが挙げられる。   On the oxidant electrode 3 side, an oxidant introduction hole (not shown) for introducing an oxidant (in many cases air) is provided on the upper side, while unreacted air and products (in many cases water in many cases) are provided on the lower side. ) Is provided with an oxidant discharge hole (not shown). You may provide the natural convection hole of air in the housing | casing 1a. A forced ventilation means for forcibly introducing an oxidant may be provided on the oxidant electrode 3 side. Examples of the forced ventilation means include an air supply pump.

燃料極4の外側には、液体燃料流路6が設けられる。液体燃料流路6は、外部燃料収納部(図示せず)との流通路であってもよいが、液体燃料を収納するための部位であってもよい。下方に未反応メタノール燃料と生成物(多くの場合CO)を排出するための排出孔(図示せず)が設けられる。この場合、強制排出及び/または強制排出手段を付設してもよい。燃料極4側には強制的に液体的に燃料を供給する強制燃料供給手段を付設して良い。強制燃料供給手段としては、液体ポンプなどが挙げられる。 A liquid fuel flow path 6 is provided outside the fuel electrode 4. The liquid fuel flow path 6 may be a flow path with an external fuel storage portion (not shown), but may be a portion for storing liquid fuel. A discharge hole (not shown) for discharging unreacted methanol fuel and a product (in many cases, CO 2 ) is provided below. In this case, forced discharge and / or forced discharge means may be provided. Forcible fuel supply means for forcibly supplying the fuel in a liquid manner may be provided on the fuel electrode 4 side. Examples of the forced fuel supply means include a liquid pump.

燃料極4に直接供給される燃料は、メタノール単独ないしはメタノールと水の混合物が適当であるが、メタノールとの混合物であると、クロスオーバーが効果的に防止されて更に良好なセル起電力と出力が得られる。   The fuel supplied directly to the fuel electrode 4 is preferably methanol alone or a mixture of methanol and water. However, when the fuel is a mixture of methanol, crossover is effectively prevented and a more favorable cell electromotive force and output are obtained. Is obtained.

図1に示す直接液体燃料供給型燃料電池の概念図は、単セルだけを表しているが、本発明においては、この単セルをそのまま使用してもよいし、複数のセルを直列及び/または並列接続して実装燃料電池とすることもできる。セル同士の接続方法は、バイポーラ板を使用する従来の接続方式を採用してもよいし、平面接続方式を採用してもよい。無論その他公知の接続方式の採用も有用である。   The conceptual diagram of the direct liquid fuel supply type fuel cell shown in FIG. 1 represents only a single cell. However, in the present invention, this single cell may be used as it is, or a plurality of cells may be connected in series and / or A mounted fuel cell can also be connected in parallel. As a connection method between the cells, a conventional connection method using a bipolar plate may be employed, or a planar connection method may be employed. Of course, the use of other known connection methods is also useful.

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.

(実施例1)
図2に示す合成スキームに従って触媒の合成を行い、酸素欠損型ペロブスカイト酸化物ABO3−δ(AはLaで占有率は0.8、BはCo、δは0.3)を合成した。
Example 1
The catalyst was synthesized according to the synthesis scheme shown in FIG. 2 to synthesize oxygen-deficient perovskite oxide ABO 3-δ (A is La, occupation ratio is 0.8, B is Co, and δ is 0.3).

合成は簡便のために一般的な固相反応法を用いて行った。原料酸化物及び各種塩を所定のモル比になるように混合し、電気炉にて仮焼きを行った後、本焼成して粉砕した。合成した化合物は、粉末X線解析により目的のペロブスカイト構造であることを確認した。   The synthesis was performed using a general solid phase reaction method for convenience. The raw material oxide and various salts were mixed so as to have a predetermined molar ratio, calcined in an electric furnace, then fired and pulverized. The synthesized compound was confirmed to have the desired perovskite structure by powder X-ray analysis.

この化合物をボールミルにて粉砕し、出来る限り細かい粒径になるように整えた。この粉末を水溶液中で分散し、ルテニウム及び白金の担持を行った。担持を終えた粉末を水路流通下で還元処理を行い、最終的に粉末X線解析、XPS分析などを行って、担持金属の状態を調べた。   This compound was pulverized with a ball mill and adjusted to have the smallest possible particle size. This powder was dispersed in an aqueous solution to carry ruthenium and platinum. The powder after loading was subjected to a reduction treatment under water flow, and finally the powder X-ray analysis and XPS analysis were performed to examine the state of the supported metal.

担体に対してPt−Ruを30mass%担持したときのCV測定を行った。測定溶液は、硫酸とメタノールを混合した酸性液体で、硫酸水溶液のみで測定することで担体の電気化学的溶出の有無を調べた。更に、測定溶液中に担体を構成する元素の溶出の有無についてもICP分析によって調べ、以下の実施例に示したすべての組成に同様の条件で測定を行った。   CV measurement was performed when 30 mass% of Pt-Ru was supported on the carrier. The measurement solution was an acidic liquid in which sulfuric acid and methanol were mixed, and the presence or absence of electrochemical elution of the support was examined by measuring only with an aqueous sulfuric acid solution. Furthermore, the presence or absence of elution of the elements constituting the carrier in the measurement solution was also examined by ICP analysis, and all the compositions shown in the following examples were measured under the same conditions.

(実施例2)
同様に合成した酸素欠損型ペロブスカイト酸化物ABO3−δ(AはLaで占有率は0.9、BはMn、δはおよそ0.15)を担体として、Pt−Ruを30mass%担持したときのCV測定を行った。
(Example 2)
Similarly, when oxygen-deficient perovskite oxide ABO 3-δ (A is La, occupancy is 0.9, B is Mn, and δ is approximately 0.15) synthesized as a carrier and Pt-Ru is supported by 30 mass% CV measurement was performed.

(比較例1)
比較用として通常のカーボン粉末担体を用いて、Pt−Ruを30mass%担持したときのCV測定を行った。
(Comparative Example 1)
For comparison, an ordinary carbon powder carrier was used, and CV measurement was carried out when 30 mass% of Pt-Ru was supported.

(比較例2)
Srのようなアルカリ性酸化物を形成するカチオンが含有していた場合の耐酸性について比較するため、アルカリ性元素を含有する酸素欠損型ペロブスカイト酸化物ABO3−δ(AはLaとSrで、占有率がLaは0.8、Srは0.2、BはMn、δはおよそ0.1)を担体として、Pt−Ruを30mass%担持したときのCV測定を行った。
(Comparative Example 2)
In order to compare the acid resistance when a cation forming an alkaline oxide such as Sr is contained, an oxygen-deficient perovskite oxide ABO 3-δ containing an alkaline element (A is La and Sr, the occupation ratio CV measurement was carried out when 30 mass% of Pt-Ru was supported using La as 0.8, Sr as 0.2, B as Mn, and δ as approximately 0.1).

図3に上記実施例1、2の結果と、従来用いられてきたPt−Ru/Cの比較例1及びアルカリ性元素を含む比較例2のCV測定結果を示す。実施例1では、従来型触媒の比較例1に対してピーク時の電流値が低いものの、ピーク電流に到達するまでの電流値が優れていることが分かる。これは、従来担体よりも親水性が高い担体を用いたことで、拡散過電圧が低下することで、より低い電圧で多くの酸化電流が流れていると考えることが出来る。一方で、実施例2においてはピーク電流共に従来型触媒を大きく上回る結果となった。担体の欠陥構造や電子構造がPt−Ruの電子状態に影響を及ぼし、結果として活性も向上したためと考えることが出来る。更に、実施例1,2で用いた担体は、硫酸のみのブランクCV測定及びICPによる元素分析により、構成元素が溶出しないことが明らかとなった。   FIG. 3 shows the results of Examples 1 and 2 above, and the CV measurement results of Comparative Example 1 of Pt—Ru / C and Comparative Example 2 containing an alkaline element that have been conventionally used. In Example 1, although the current value at the peak is lower than that of Comparative Example 1 of the conventional catalyst, it can be seen that the current value until reaching the peak current is excellent. This can be considered that a large amount of oxidation current flows at a lower voltage because the diffusion overvoltage is lowered by using a carrier having higher hydrophilicity than the conventional carrier. On the other hand, in Example 2, both peak currents exceeded the conventional catalyst. It can be considered that the defect structure and electronic structure of the carrier affect the electronic state of Pt-Ru, and as a result, the activity is also improved. Furthermore, the carrier used in Examples 1 and 2 was found not to elute constituent elements by blank CV measurement using only sulfuric acid and elemental analysis by ICP.

その一方で、アルカリ元素を含む比較例2は、同様に従来触媒より活性は高いものの、測定後の溶液のICP分析にから、Srイオンが多量に検出された。従って、触媒担体であるペロブスカイト酸化物が酸性溶液中で溶出していることが確認できた。   On the other hand, Comparative Example 2 containing an alkali element was similarly more active than the conventional catalyst, but a large amount of Sr ions was detected from the ICP analysis of the solution after the measurement. Therefore, it was confirmed that the perovskite oxide as the catalyst carrier was eluted in the acidic solution.

このことから、従来技術にも示されているようなアルカリ元素を含む触媒を実際に触媒膜接合電極(MEA)として発電した場合、電解質膜の持つ強い酸性により触媒担体も溶解することを意味する。上述したような本発明で用いた触媒担体を用いることで、耐酸性が向上し結果として燃料電池の高出力化のみならず出力安定化、超寿命化に貢献することができる。   This means that when a catalyst containing an alkali element as shown in the prior art is actually generated as a catalyst membrane joined electrode (MEA), the catalyst carrier is also dissolved by the strong acidity of the electrolyte membrane. . By using the catalyst carrier used in the present invention as described above, the acid resistance is improved, and as a result, not only high output of the fuel cell but also output stabilization and long life can be contributed.

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the components without departing from the scope of the invention in the implementation stage.

実施形態にかかる燃料電池の概略図。1 is a schematic view of a fuel cell according to an embodiment. 実施例に係る触媒合成のスキーム図Scheme of catalyst synthesis according to examples 実施例に係る触媒と従来技術による触媒のサイクリックボルタンメトリー法による電気化学測定チャートElectrochemical measurement chart by cyclic voltammetry of the catalyst according to the example and the catalyst according to the prior art

符号の説明Explanation of symbols

1a.・・・筐体
1b.・・・筐体
2・・・電解質膜
3・・・酸化剤極
4・・・燃料極
5・・・酸化剤流路
6・・・液体燃料流路
1a. ... Case 1b. ... Case 2 ... Electrolyte membrane 3 ... Oxidant electrode 4 ... Fuel electrode 5 ... Oxidant channel 6 ... Liquid fuel channel

Claims (9)

直接液体燃料供給型燃料電池の燃料極用の電極触媒であって、前記液体燃料酸化触媒能を有する金属粒子と、ABO3−δ(但し、式中δは酸素欠損量を示し、0.01≦δ≦1.0、Aサイト元素及びBサイト元素は、酸素と結合して酸性酸化物または両性酸化物を形成する元素から選択される少なくとも一種の元素)で表される酸素欠損型ペロブスカイト酸化物を含むことを特徴とする電極触媒。 An electrode catalyst for a fuel electrode of a direct liquid fuel supply type fuel cell, the metal particles having the liquid fuel oxidation catalytic ability, and ABO 3-δ (where δ represents an oxygen deficiency, 0.01 ≦ δ ≦ 1.0, A site element and B site element are oxygen deficient perovskite oxidation represented by at least one element selected from an element that combines with oxygen to form an acidic oxide or an amphoteric oxide) An electrode catalyst comprising a product. 前記金属粒子は、白金族元素鉄族元素、及び周期表第Ib族元素のうちから選択される少なくとも一種の金属粒子であることを特徴とする請求項1記載の電極触媒。   2. The electrode catalyst according to claim 1, wherein the metal particles are at least one metal particle selected from a platinum group element iron group element and a periodic table group Ib element. Aサイト元素は、酸素と結合して酸性酸化物または両性酸化物を形成し、かつイオン半径が0.09nm以上0.18nm以下の元素から選択される少なくとも一種の元素であり、Bサイト元素は、酸素と結合して酸性酸化物または両性酸化物を形成し、かつイオン半径が0.05nm以上0.10nm以下の元素から選択される少なくとも一種の元素であることを特徴とする請求項1記載の電極触媒。   The A-site element is at least one element selected from elements having an ionic radius of 0.09 nm or more and 0.18 nm or less, which combines with oxygen to form an acidic oxide or an amphoteric oxide, 2. It is at least one element selected from elements having an ionic radius of 0.05 nm or more and 0.10 nm or less, which are combined with oxygen to form an acidic oxide or an amphoteric oxide. Electrode catalyst. 前記金属粒子が、前記酸素欠損型ペロブスカイト酸化物の粒子に担持されていることを特徴とする請求項1記載の電極触媒。   The electrode catalyst according to claim 1, wherein the metal particles are supported on the oxygen-deficient perovskite oxide particles. さらに導電助剤を含むことを特徴とする請求項1記載の電極触媒。   The electrode catalyst according to claim 1, further comprising a conductive auxiliary. 直接液体燃料供給型燃料電池の燃料極用電極であって、電極支持体と、その電極支持体に担持された触媒とを具備し、前記触媒は請求項1記載の電極触媒を具備することを特徴とする燃料極用電極。   An electrode for a fuel electrode of a direct liquid fuel supply type fuel cell, comprising an electrode support and a catalyst supported on the electrode support, wherein the catalyst comprises the electrode catalyst according to claim 1. An electrode for a fuel electrode. 請求項6記載の燃料極用電極を具備する燃料極と、
酸化剤極と、
前記燃料極及び前記酸化剤極とで挟持された電解質膜と、
を具備し、液体燃料が前記燃料極に、酸化剤が前記酸化剤極に供給されることにより電力を発生する起電部を具備することを特徴とする燃料電池。
A fuel electrode comprising the fuel electrode according to claim 6;
An oxidizer electrode;
An electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxidant electrode;
And a fuel cell comprising an electromotive unit that generates electric power when liquid fuel is supplied to the fuel electrode and an oxidant is supplied to the oxidant electrode.
請求項1記載の電極触媒の製造方法であって、前記酸素欠損型ペロブスカイト酸化物と前記金属粒子とを混合又は前記酸素欠損型ペロブスカイト酸化物と前記金属粒子とを混合する工程と、水素雰囲気下で加熱還元する工程とを具備することを特徴とする電極触媒製造方法。   2. The method for producing an electrode catalyst according to claim 1, wherein the oxygen-deficient perovskite oxide and the metal particles are mixed or the oxygen-deficient perovskite oxide and the metal particles are mixed; and in a hydrogen atmosphere. And a step of heating and reducing with an electrode catalyst manufacturing method. 前記酸素欠損型ペロブスカイト酸化物と前記金属粒子とを混合する前記工程は、前記酸素欠損型ペロブスカイト酸化物の粒子に前記金属粒子を担持させる工程を行うことを特徴とする請求項8記載の電極触媒製造方法。   9. The electrode catalyst according to claim 8, wherein the step of mixing the oxygen-deficient perovskite oxide and the metal particles comprises a step of supporting the metal particles on the oxygen-deficient perovskite oxide particles. Production method.
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