JP2007042519A - Catalyst for fuel cell, its manufacturing method, and electrode for fuel cell and fuel cell using it - Google Patents

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弘昭 板垣
Yoshinori Hara
善則 原
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a catalyst for fuel cell inexpensive, safely synthesized, and substitutable for a noble metal catalyst such as platinum, and capable of exerting excellent catalyst action; and to provide an electrode for fuel cell and a fuel cell using the catalyst for fuel cell. <P>SOLUTION: The catalyst for fuel cell wherein a compound including sulfur (S) and ruthenium (Ru) element is adhered on a substrate as an active ingredient is characterized in that hydrogen sulfide is not used in a synthesis process of the compound, and a precursor of the compound is carried on the substrate which is not processed by hydrogen sulfide and then fired. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、硫化水素を用いないで製造した、硫黄(S)とルテニウム(Ru)元素を活性成分とした化合物を基体に被着させた燃料電池用触媒及びその製造方法と、この燃料電池用触媒を用いた燃料電池用電極及び燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell catalyst produced without using hydrogen sulfide and having a compound containing sulfur (S) and ruthenium (Ru) elements as active components deposited on a substrate, a method for producing the same, and a method for producing this fuel cell. The present invention relates to a fuel cell electrode and a fuel cell using a catalyst.

近年、エネルギーのより一層の効率化と環境問題の解決のために、燃料電池を自動車の動力源とすることにより、排気ガスをクリーンにすることが試みられており、その普及に大きな関心が寄せられている。特に、燃料自動車(FCHV)用燃料電池として固体高分子型燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)の実用化に向けた開発が急速に進んでいる。   In recent years, in order to further improve energy efficiency and solve environmental problems, attempts have been made to clean exhaust gas by using a fuel cell as a power source for automobiles. It has been. In particular, development of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) as a fuel cell for a fuel vehicle (FCHV) has been rapidly progressing.

燃料電池は、アノードに燃料、カソードに酸化剤をそれぞれ供給し、アノードとカソード間の電位差を電圧として取り出し、負荷に供給する発電装置であり、アノード燃料としては水素が、酸化剤としては一般的には空気中の酸素が用いられる。燃料電池は、アノード極とカソード極とその間に挟まれた電解質で構成されており、固体高分子型燃料電池においては、電解質としてイオン交換膜が用いられている。具体的には、電解質としてのイオン交換膜の両面に触媒層が形成され、該触媒層の外側にそれぞれアノードガス拡散層及びカソードガス・燃料拡散層が一体に形成されてなる電解質膜/電極接合体が、隔壁板、電解質膜/電極接合体及び隔壁板の積層体よりなる単位セルとして、用途に応じた所望の電圧が得られるように数十セルから数百セル積層されて燃料電池が構成されている。   A fuel cell is a power generator that supplies fuel to the anode and oxidant to the cathode, takes out the potential difference between the anode and cathode as voltage, and supplies it to the load. Hydrogen is commonly used as the anode fuel, and oxidant is generally used as the oxidant. For this, oxygen in the air is used. A fuel cell is composed of an anode and a cathode and an electrolyte sandwiched between them. In a polymer electrolyte fuel cell, an ion exchange membrane is used as an electrolyte. Specifically, a catalyst layer is formed on both surfaces of an ion exchange membrane as an electrolyte, and an anode gas diffusion layer and a cathode gas / fuel diffusion layer are integrally formed outside the catalyst layer, respectively. A fuel cell is constructed by stacking several tens to several hundreds of cells as unit cells composed of a laminate of a partition plate, an electrolyte membrane / electrode assembly, and a partition plate so as to obtain a desired voltage according to the application. Has been.

このような燃料電池では、アノード触媒層に水素が到達すると電気化学的反応過程によりプロトンと電子が生ずる。ここで生成したプロトンは順次電解質中を移動してカソードに達する。一方、電子は、外部負荷を経由してカソードに送られる。カソード触媒層では、外部負荷を経由して送られてきた電子と、酸化剤としての空気中の酸素と、電解質中を移動してきたプロトンとが電気化学的反応過程により結合して水を生成する。   In such a fuel cell, when hydrogen reaches the anode catalyst layer, protons and electrons are generated by an electrochemical reaction process. Protons generated here move sequentially in the electrolyte and reach the cathode. On the other hand, electrons are sent to the cathode via an external load. In the cathode catalyst layer, electrons sent via an external load, oxygen in the air as an oxidant, and protons that have moved through the electrolyte combine to form water through an electrochemical reaction process. .

従来、このような燃料電池の触媒としては、カソード、アノードとも、高価で資供給化合物的にも問題がある白金等の貴金属を主体にした触媒が使用されており、その使用量は、同じ動力を発生するガソリン車の排気ガス浄化用触媒に使用される白金の量よりも相当に多量となっている。   Conventionally, as a catalyst for such a fuel cell, a catalyst mainly composed of a noble metal such as platinum, which is expensive and has a problem in terms of a supply compound, has been used for both the cathode and the anode. It is considerably larger than the amount of platinum used for the exhaust gas purification catalyst of gasoline cars that generate NO.

従って、燃料電池を商業的に実用化するためには、価格的にも資供給化合物的にも問題のある白金等の貴金属を主体とした触媒に代わる、安価で実用に供しうる燃料電池用触媒の開発が必須の課題の一つとなる。   Therefore, in order to commercialize a fuel cell, a fuel cell catalyst that can be used practically at low cost instead of a catalyst mainly composed of noble metals such as platinum, which is problematic in terms of cost and supply compounds. Development is one of the essential issues.

非特許文献1には、Ru、RuMoの前駆体化合物であるRu(CO)12、W(CO)及びMo(CO)と硫黄及びカーボンブラック(Vulcan XC-72R)をキシレン中で窒素雰囲気下還流20時間を行い、その後にろ過し、350℃で2時間加熱処理を行い、DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)のカソード触媒として用いている。しかし当該文献ではカーボンブラック(Vulcan XC-72R)を毒性の高い硫化水素ガスを用いて機能化(functionalize)しており、触媒合成上危険性が高く、好ましくない。 Non-Patent Document 1, Ru 5 W 2 S 5 , Ru 5 Mo 2 Ru 3 which is a precursor compound of the S 5 (CO) 12, W (CO) 6 and Mo (CO) 6 and sulfur and carbon black ( Vulcan XC-72R) is refluxed in xylene under nitrogen atmosphere for 20 hours, then filtered, heat-treated at 350 ° C. for 2 hours, and used as a cathode catalyst for DMFC (Direct Methanol Fuel Cell). However, in this document, carbon black (Vulcan XC-72R) is functionalized using highly toxic hydrogen sulfide gas, which is not preferable because of high risk in catalyst synthesis.

一方、特許文献1には、RuS(M=Ni,Re,Cr,Mo,Ir)の塩、例えば塩化物を炭素系基体と混合させた後、溶媒を溜去したのち硫化水素ガス下で保存し、その後硫化水素ガス雰囲気で100℃以上、好ましくは300℃〜500℃の温度で焼成して、炭素系基体に担持されたルテニウムスルフィド化合物を得ている。しかしこの方法でも毒性の高い硫化水素ガスが必須であるため、触媒合成上危険性が高く、好ましくない。 On the other hand, Patent Document 1, Ru x M y S ( M = Ni, Re, Cr, Mo, Ir) salts, for example, after the chloride was mixed with the carbon-based substrate, hydrogen sulfide after the solvent was distilled off The ruthenium sulfide compound supported on the carbon-based substrate is obtained by storing in a gas and then calcining at 100 ° C. or higher, preferably 300 ° C. to 500 ° C. in a hydrogen sulfide gas atmosphere. However, even in this method, since highly toxic hydrogen sulfide gas is essential, there is a high risk in catalyst synthesis, which is not preferable.

このように、従来において、活性成分化合物を燃料電池用触媒として用い得ることは知られているが、いずれの場合にも毒性の高い硫化水素を用いる工程を含んでおり、活性成分化合物を基体上に被着させた燃料電池用触媒を如何に安全に合成し、更に、燃料電池用触媒として十分な活性を発現させることにより、白金等の貴金属触媒に代替しうる燃料電池用触媒にする技術は確立されていないのが現状である。
J.Electrochem.Soc.,145, 3463, (1998) WO2004/106591
As described above, it is conventionally known that an active component compound can be used as a catalyst for a fuel cell. However, in any case, a process using highly toxic hydrogen sulfide is included. The technology for making a fuel cell catalyst that can be substituted for a noble metal catalyst such as platinum by safely synthesizing the fuel cell catalyst deposited on the catalyst and further exhibiting sufficient activity as a fuel cell catalyst. The current situation is not established.
J. Electrochem. Soc., 145, 3463, (1998) WO2004 / 106591

本発明は、安価で、安全に合成ができて、更に白金等の貴金属触媒に代替しうる、優れた触媒作用を発揮する燃料電池用触媒と、この燃料電池用触媒を用いた燃料電池用電極及び燃料電池を提供することを課題とする。   The present invention is inexpensive, can be safely synthesized, can be replaced with a noble metal catalyst such as platinum, and exhibits a superior catalytic action, and a fuel cell electrode using the fuel cell catalyst It is another object of the present invention to provide a fuel cell.

本発明者等は、上記状況に鑑み鋭意検討した結果、ルテニウム零価の前駆体化合物を基体に混合させた後に、硫化水素ガスを用いずに、アルゴン等の不活性ガス雰囲気で焼成することにより、安価で、安全に、さらに触媒活性が高く、白金等の貴金属触媒に代替しうる実用性を有する燃料電池用触媒が得られることを見出した。本発明は、このような知見をもとに完成されたものである。   As a result of intensive studies in view of the above circumstances, the present inventors have mixed a ruthenium zero-valent precursor compound with a substrate, and then calcined it in an inert gas atmosphere such as argon without using hydrogen sulfide gas. It has been found that a fuel cell catalyst can be obtained that is inexpensive, safe, has high catalytic activity, and has practical utility that can be substituted for a noble metal catalyst such as platinum. The present invention has been completed based on such knowledge.

すなわち、本発明は、活性成分として、硫黄(S)とルテニウム(Ru)元素を含む化合物を基体上に被着させてなることを特徴とする燃料電池用触媒において、該化合物の合成過程において硫化水素を用いず、かつ、硫化水素での処理を行わない基体に該化合物の前駆体を担持した後に焼成することを特徴とする、該化合物を含有する燃料電池用触媒を提供するものである。   That is, the present invention relates to a fuel cell catalyst characterized in that a compound containing sulfur (S) and ruthenium (Ru) elements as active components is deposited on a substrate. The present invention provides a catalyst for a fuel cell containing the compound, characterized in that the precursor of the compound is supported on a substrate that does not use hydrogen and is not treated with hydrogen sulfide and then calcined.

また、本発明は、上記の燃料電池用触媒を含有することを特徴とする燃料電池用電極を提供するものである。   The present invention also provides a fuel cell electrode comprising the fuel cell catalyst described above.

また、本発明は、上記の燃料電池用電極を用いたことを特徴とする燃料電池を提供するものである。   The present invention also provides a fuel cell using the fuel cell electrode described above.

また、本発明は、活性成分として、硫黄(S)とルテニウム(Ru)元素を含む化合物を基体上に被着させてなることを特徴とする燃料電池用触媒を製造する方法であって、該化合物の合成過程において硫化水素を用いず、かつ、硫化水素での処理を行わない炭素系基体に該化合物の前駆体を担持した後に焼成することを特徴とする活性成分化合物を含有する燃料電池用触媒の製造方法を提供するものである。   The present invention also relates to a method for producing a fuel cell catalyst, characterized in that a compound containing sulfur (S) and ruthenium (Ru) elements as active components is deposited on a substrate. For a fuel cell containing an active ingredient compound, characterized in that hydrogen sulfide is not used in the compound synthesis process and the precursor of the compound is supported on a carbon-based substrate that is not treated with hydrogen sulfide and then fired. A method for producing a catalyst is provided.

本発明によれば、高価で資供給化合物的にも問題のある白金等の貴金属触媒に代替し得る、良好な触媒作用を示し、安価で安全に合成できる実用的な燃料電池用触媒と、この燃料電池用触媒を用いた燃料電池用電極及び燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, a practical catalyst for a fuel cell that can be replaced with a noble metal catalyst such as platinum, which is expensive and has a problem in terms of a supply compound, shows a good catalytic action and can be synthesized safely at low cost. A fuel cell electrode and a fuel cell using the fuel cell catalyst can be provided.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention.

[燃料電池用触媒]
本発明における燃料電池用触媒は、活性成分として硫黄(S)と、ルテニウム(Ru)の元素を含む化合物を基体に被着させた燃料電池用触媒であり、硫化水素を用いることなく製造することを特徴とする。
[Fuel cell catalyst]
The fuel cell catalyst in the present invention is a fuel cell catalyst in which a compound containing sulfur (S) and ruthenium (Ru) elements as active components is deposited on a substrate, and is manufactured without using hydrogen sulfide. It is characterized by.

<活性成分>
活性成分においては、硫黄とRuのほかに更に、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、レニウム(Re)の何れか1種以上の元素を含有しても良い。活性成分における、硫黄は、活性成分全体に対して、重量として通常0.3%以上、好ましくは1%以上、より好ましくは5%以上、通常76%以下、好ましくは72%以下、より好ましくは65%以下である。この下限を下回ると活性が低くなりやすく、上限を超えても活性が出にくくなる。
<Active ingredient>
In addition to sulfur and Ru, the active component may further contain one or more elements of tungsten (W), molybdenum (Mo), and rhenium (Re). Sulfur in the active ingredient is usually 0.3% or more by weight, preferably 1% or more, more preferably 5% or more, usually 76% or less, preferably 72% or less, more preferably, based on the whole active ingredient. 65% or less. If the lower limit is not reached, the activity tends to be low, and even if the upper limit is exceeded, the activity is difficult to occur.

活性成分における、タングステン、モリブデン、レニウムの合計量は、活性成分全体に対して、通常24%以上、好ましくは28%以上、より好ましくは35%以上、通常99.7%以下、好ましくは99%以下、より好ましくは95%以下である。この下限を下回ると活性が低くなりやすく、上限を超えても活性が出にくくなる。   The total amount of tungsten, molybdenum and rhenium in the active ingredient is usually 24% or more, preferably 28% or more, more preferably 35% or more, usually 99.7% or less, preferably 99% with respect to the whole active ingredient. Below, more preferably 95% or less. If the lower limit is not reached, the activity tends to be low, and even if the upper limit is exceeded, the activity is difficult to occur.

本発明の活性成分において、硫黄は、S元素のほか、S 2−等の酸化物、HS 、H等のチオ硫酸イオンやチオ硫酸等の無機化合物、及びチオフェン等の有機化合物の形態をとっていても良い。他方、Ru、W、Mo及びReについても、金属元素、硫化物、酸化物等の無機化合物、有機化合物の形態をとることができ、例えばルテニウムの場合、Ru元素のほか、RuS、RuS等の硫化物、RuO、RuO等の酸化物等の無機化合物、及びRu(CO)12等の有機化合物の形態をとっていても良い。なお、本発明に係る活性成分中には、硫黄元素とRu、W、Mo及びRe以外の成分を、本発明の効果を損なわない範囲で含むことも可能である。 In the active ingredient of the present invention, sulfur, in addition to S elements, S 2 O 3 oxide 2-like, HS 2 O 3 -, H 2 S 2 O 3 and the like inorganic compounds such as thiosulfate ions and thiosulfate , And organic compounds such as thiophene. On the other hand, Ru, W, Mo and Re can also take the form of inorganic compounds and organic compounds such as metal elements, sulfides and oxides. For example, in the case of ruthenium, in addition to Ru elements, RuS, RuS 2 etc. Or an inorganic compound such as an oxide such as RuO or RuO 2 , and an organic compound such as Ru 3 (CO) 12 . In addition, in the active ingredient which concerns on this invention, it is also possible to contain components other than a sulfur element and Ru, W, Mo, and Re in the range which does not impair the effect of this invention.

活性成分を構成するこれら硫黄成分及びRu、W、Mo及びReの金属成分は、それぞれ結合を有さずに存在しても良いし、結合を有して存在しても良い。金属元素同士が直接結合している場合は、活性成分としてはいわゆる合金の形態を有するものが挙げられる。   The sulfur component and the metal components of Ru, W, Mo, and Re constituting the active component may be present without a bond or may be present with a bond. When the metal elements are directly bonded to each other, the active component includes a so-called alloy form.

活性成分が、合金の形態を有するものとしては、具体的には、Ru、RuMo等が挙げられる。 Specific examples of the active component having an alloy form include Ru 5 W 2 S 5 and Ru 5 Mo 2 S 5 .

本発明の燃料電池用触媒中の活性成分の存在形態は、X線回折(XRD)で確認することができる。即ち、例えば、後述の基体に被着された活性成分に対してX線(Cu−Kα線)を照射し、その回折スペクトルを観察することによって確認することができる。   The presence form of the active component in the fuel cell catalyst of the present invention can be confirmed by X-ray diffraction (XRD). That is, for example, it can be confirmed by irradiating an active ingredient deposited on a substrate described later with X-rays (Cu-Kα rays) and observing the diffraction spectrum thereof.

その測定装置及び測定条件としては、例えば以下のものが挙げられるが、本発明の燃料電池用触媒のXRD分析手法は、何ら以下の測定装置及び測定条件に限定されるものではない。   Examples of the measurement apparatus and measurement conditions include the following, but the XRD analysis method for the fuel cell catalyst of the present invention is not limited to the following measurement apparatus and measurement conditions.

(粉末XRD分析)
測定装置
粉末X線解析装置/PANalytical PW1700
測定条件
X線出力(Cu−Kα):40kV,30mA
走査軸:θ/2θ
測定範囲(2θ):3.0°〜70.0°
測定モード:Continuous
読込幅:0.05°
走査速度:3.0°/min
DS,SS,RS:1°,1°,0.20mm
(Powder XRD analysis)
Measuring device X-ray powder analysis device / PANallytical PW1700
Measurement conditions X-ray output (Cu-Kα): 40 kV, 30 mA
Scanning axis: θ / 2θ
Measurement range (2θ): 3.0 ° to 70.0 °
Measurement mode: Continuous
Reading width: 0.05 °
Scanning speed: 3.0 ° / min
DS, SS, RS: 1 °, 1 °, 0.20mm

具体的には、RuSは、X線回折の2θ(±0.3゜)のピークとして、
27.513゜、31.874゜、35.756゜、39.302゜、45.699゜、54.174゜、56.795゜、59.340゜、61.820゜、73.516゜、75.756゜、84.533゜等の特徴的ピークを与えるものである。
Specifically, RuS 2 is a 2θ (± 0.3 °) peak of X-ray diffraction,
27.513 °, 31.874 °, 35.756 °, 39.302 °, 45.699 °, 54.174 °, 56.795 °, 59.340 °, 61.820 °, 73.516 °, Characteristic peaks such as 75.756 ° and 84.533 ° are given.

<基体>
本発明で用いる基体としては、硫化水素処理を行わないことを除いては、特に制限はなく、炭素系基体を用いることが、高い触媒活性が得られる点で好適である。
<Substrate>
The substrate used in the present invention is not particularly limited except that the hydrogen sulfide treatment is not performed, and the use of a carbon-based substrate is preferable in that high catalytic activity is obtained.

炭素系基体としては種々のものが使用でき、特に制限はないが、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノクラスター、フラーレン、熱分解炭素、活性炭素等である。   Various carbon-based substrates can be used and are not particularly limited. Examples thereof include carbon black, carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanocluster, fullerene, pyrolytic carbon, and activated carbon.

これらの中でも、導電性、入手容易性、価格等の点で総合的に、カーボンブラックが工業的に有利であり、具体的にはカーボンブラックとしては、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック、オイルファーネスブラック、ガスファーネスブラック等が挙げられる。   Among these, carbon black is industrially advantageous in terms of conductivity, availability, price, etc. Specifically, as carbon black, channel black, furnace black, thermal black, acetylene black Oil furnace black, gas furnace black and the like.

また、ナノチューブ、又は気相法による気相成長炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber:以下、「VGCF」と略すこともある。)も好ましく、特に、熱処理して電気伝導性を高めたVGCFが適度な弾性を持ち好適である。これらは単独で或いは2種以上を組み合わせて使用することができる。   Also preferred are nanotubes or vapor grown carbon fiber (hereinafter, sometimes abbreviated as “VGCF”) by vapor phase method, and especially VGCF which has been heat-treated to increase electrical conductivity is suitable. It has elasticity and is suitable. These can be used alone or in combination of two or more.

基体の比表面積については特に制限が無いが、5m/g以上2000m/g以下であることが好ましい。また基体の形態についても特に制限はないが、最も一般的に用いられるのは、粉体状のものである。 Although there is no particular limitation on the specific surface area of the substrate, it is preferable 5 m 2 / g or more 2000m 2 / g or less. The form of the substrate is not particularly limited, but the most commonly used is a powder form.

<基体への活性成分の被着>
本発明において、基体上に活性成分が被着されている状態とは、活性成分と基体との間の導電性がとれるように両者が接触している状態を指す。従って、活性成分と基体とを単に混合するのみでも活性成分を基体に被着させることができるが、活性成分の前駆体を基体に担持した後、これらの混合物を焼成するのが好ましい。なお、以下において、基体に担持後、必要に応じて乾燥させた後、焼成し被着させる調製方法を「担持焼成」と称す。
<Adhesion of active ingredient to substrate>
In the present invention, the state in which the active ingredient is deposited on the substrate refers to a state in which both are in contact with each other so as to obtain electrical conductivity between the active component and the substrate. Accordingly, the active ingredient can be deposited on the substrate by simply mixing the active component and the substrate, but it is preferable to calcine the mixture after the active component precursor is supported on the substrate. In the following, the preparation method in which the substrate is supported on a substrate, dried as necessary, and then fired and deposited is referred to as “supported firing”.

基体に被着された活性成分の形状としては特に制限はないが、最も一般的なのは粒子状である。粒子状の被着活性成分は、その平均粒径の上限が通常100μm以下、好ましくは1000nm以下、より好ましくは500nm以下、中でも300nm以下で、下限が通常0.5nm以上、好ましくは1nm以上、より好ましくは2nm以上であることが望ましい。活性成分の粒径がこの下限を下回ると不安定となり、失活しやすくなり、上限を超えると高い活性を得にくくなる。   The shape of the active ingredient applied to the substrate is not particularly limited, but the most common is a particulate form. The upper limit of the average particle diameter of the particulate deposited active ingredient is usually 100 μm or less, preferably 1000 nm or less, more preferably 500 nm or less, especially 300 nm or less, and the lower limit is usually 0.5 nm or more, preferably 1 nm or more. Preferably it is 2 nm or more. When the particle size of the active ingredient is less than this lower limit, it becomes unstable and easily deactivated, and when it exceeds the upper limit, it becomes difficult to obtain high activity.

なお、基体に被着された活性成分の平均粒径は、走査型電子顕微鏡(SEM)或いは透過型電子顕微鏡(TEM)により、粒子の長さを測定する方向を統一して、その方向での粒子長さを測定し、これを平均した値で示される。   The average particle size of the active ingredient deposited on the substrate is determined by unifying the direction in which the particle length is measured with a scanning electron microscope (SEM) or transmission electron microscope (TEM). The particle length is measured and indicated as an average value.

このような小さめの平均粒径、或いは前述の特定の結晶系の活性成分を基体に被着させるには、後述の如く、その製造方法を工夫すれば良く、中でも、基体と活性成分とを混合した後の焼成温度を低めとし、焼成時間を短めにすることによって、結晶成長の状態を制御することが好ましい方法として挙げられる。   In order to deposit such a smaller average particle size or the above-mentioned specific crystal active component on the substrate, the manufacturing method may be devised as described later. In particular, the substrate and the active component are mixed. A preferable method is to control the crystal growth state by lowering the firing temperature after the annealing and shortening the firing time.

活性成分の基体への被着比率としては、限定されるものではないが、活性成分/(活性成分+基体)の重量比で、下限として通常0.001以上、好ましくは0.01以上、中でも0.05以上で、上限として通常0.95以下、好ましくは0.4以下、中でも0.3以下であることが望ましい。活性成分の被着比率がこの下限を下回ると所望の活性が得られず、上限を超えると被着による活性の向上効果が出にくくなる。   The ratio of the active ingredient to the substrate is not limited, but the weight ratio of active ingredient / (active ingredient + substrate) is usually 0.001 or more, preferably 0.01 or more, especially as the lower limit. It is 0.05 or more, and the upper limit is usually 0.95 or less, preferably 0.4 or less, and particularly preferably 0.3 or less. If the deposition ratio of the active ingredient is below this lower limit, the desired activity cannot be obtained, and if it exceeds the upper limit, the activity improvement effect due to deposition is less likely to occur.

<その他の触媒成分>
本発明においては、本発明の効果を損なわない限り、さらに遷移金属を併用することができる(以下、「他の触媒成分」と略記する)。
<Other catalyst components>
In the present invention, a transition metal can be used in combination as long as the effects of the present invention are not impaired (hereinafter abbreviated as “other catalyst component”).

他の触媒成分としては、周期律表の3A〜7A族、8族、及び1B族の第4周期から第6周期に属する元素であり、例えば、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、ランタン(La)、ユウロピウム(Eu)、白金(Pt)、金(Au)、セリウム(Ce)、タンタル(Ta)、プラセオジウム(Pr)、イリジウム(Ir)、ネオジム(Nd)等が例示される。   Other catalyst components include elements belonging to the 4th to 6th groups of groups 3A to 7A, 8 and 1B of the periodic table. For example, titanium (Ti), vanadium (V), chromium ( Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), rhodium (Rh), palladium ( Pd), silver (Ag), lanthanum (La), europium (Eu), platinum (Pt), gold (Au), cerium (Ce), tantalum (Ta), praseodymium (Pr), iridium (Ir), neodymium ( Nd) and the like are exemplified.

好ましくは、下記電気化学平衡式
酸化体 + ne= 還元体
で示される、水溶液中での標準電極電位E゜(25℃)の値がプラスであるものが望ましい。これは、金属本来の性質として酸化による溶出が起こり難く、それに起因する触媒の劣化が少ないからである。このようなものとしては、具体的には、金、イリジウム、パラジウム、銀、ロジウム等が挙げられる。
Preferably, the following electrochemical equilibrium formula
Oxidizer + ne = Reductant
It is desirable that the standard electrode potential E ° (25 ° C.) in the aqueous solution is positive. This is because elution due to oxidation is unlikely to occur as a natural property of metals, and there is little deterioration of the catalyst due to it. Specific examples of such materials include gold, iridium, palladium, silver, rhodium, and the like.

ただし、より工業的に有利な触媒とするには、上記の中で高価な触媒成分をなるべく少なくする方が良い。また、遷移金属として白金(Pt)を併用することも当然可能であるが、白金は高価であるため、添加量は所望の触媒活性を考慮しつつ、少量であることが、安価で実用的な燃料電池用触媒を提供する上で望ましい。   However, in order to make the catalyst more industrially advantageous, it is better to reduce the number of expensive catalyst components as much as possible. Of course, platinum (Pt) can be used in combination as a transition metal. However, since platinum is expensive, it is inexpensive and practical to add a small amount while considering the desired catalytic activity. It is desirable to provide a fuel cell catalyst.

なお、以下に主な遷移金属の電気化学平衡式と標準電極電位E°(25℃)を示す。   In addition, the following shows the electrochemical equilibrium formula of main transition metals and the standard electrode potential E ° (25 ° C.).

Figure 2007042519
Figure 2007042519

これらの他の触媒成分は1種を単独で用いても良く、2種以上を併用しても良い。   These other catalyst components may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.

他の触媒成分を共触媒として併用する場合に、他の触媒成分の併用形態としては、次のようなものが挙げられる。
(1)活性成分と共に他の触媒成分を基体に混合する。
(2)活性成分と共に他の触媒成分を基体に担持焼成する。
(3)基体に担持焼成した活性成分を、他の触媒成分と混合する。
(4)基体に担持焼成した活性成分に、他の触媒成分を更に担持焼成する。
(5)他の基体に担持焼成した他の触媒成分を、活性成分と混合する。
(6)他の基体に担持焼成した他の触媒成分を、基体に担持焼成した活性成分と混合する。
When other catalyst components are used in combination as a cocatalyst, examples of the combined form of the other catalyst components include the following.
(1) Other catalyst components are mixed with the active component together with the substrate.
(2) The active component and other catalyst components are supported and fired on the substrate.
(3) The active component supported and fired on the substrate is mixed with other catalyst components.
(4) The active component supported and fired on the substrate is further supported and fired with other catalyst components.
(5) The other catalyst component supported and calcined on another substrate is mixed with the active component.
(6) The other catalyst component supported and fired on another substrate is mixed with the active component supported and fired on the substrate.

他の触媒成分を用いる場合、他の触媒成分は、活性成分に対して、他の触媒成分の合計/活性成分の重量比で、下限として通常0.001以上、好ましくは0.01以上、中でも0.05以上で、上限として通常0.5以下、好ましくは0.4以下、中でも0.3以下となるように使用することが好ましい。この下限を下回ると所望の活性が得られず、上限を超えると活性の向上効果が出にくくなる。   When other catalyst components are used, the other catalyst components are generally 0.001 or more, preferably 0.01 or more as a lower limit in terms of the total weight of the other catalyst components / weight ratio of the active components with respect to the active components. It is preferably 0.05 or more and used so that the upper limit is usually 0.5 or less, preferably 0.4 or less, especially 0.3 or less. If the lower limit is not reached, the desired activity cannot be obtained, and if the upper limit is exceeded, the activity improving effect is hardly obtained.

この他の触媒成分は粉体状であることが好ましく、この場合の平均粒径は、上限として通常1000nm以下、好ましくは500nm以下、中でも300nm以下で、下限として通常0.5nm以上であることが好ましい。この下限を下回ると不安定となって失活しやすくなり、上限を超えると高い活性を得にくくなる。   The other catalyst component is preferably in the form of powder, and the average particle size in this case is usually 1000 nm or less as an upper limit, preferably 500 nm or less, especially 300 nm or less, and the lower limit is usually 0.5 nm or more. preferable. Below this lower limit, it becomes unstable and easily deactivated, and when it exceeds the upper limit, it becomes difficult to obtain high activity.

このような他の触媒成分を併用することにより、とりわけ、他の触媒成分を活性成分と共に基体に担持焼成して用いることにより、触媒活性を高めることができるため好ましい。他の触媒成分の併用、特に、他の触媒成分を活性成分と共に基体に担持焼成させることによる触媒活性の向上効果の作用機構の詳細は必ずしも明らかではないが、他の触媒成分の遷移金属が活性成分の助触媒として機能するために活性が向上するものと推定される。   Use of such other catalyst components in combination is particularly preferable because the catalyst activity can be enhanced by using the other catalyst components supported and fired on the substrate together with the active components. Although the details of the action mechanism of the effect of improving the catalytic activity by using other catalyst components in combination, in particular, by supporting and firing the other catalyst components on the substrate together with the active component are not necessarily clear, the transition metals of other catalyst components are active. It is estimated that the activity is improved because it functions as a co-catalyst for the component.

なお、本発明の燃料電池用触媒においては、遷移金属元素以外の金属成分すなわち他の触媒成分以外の物質が、活性成分の重量を基準に、その数質量%以下の量で含まれていても、本発明の目的と効果において許容できる。   In the fuel cell catalyst of the present invention, a metal component other than the transition metal element, that is, a substance other than the other catalyst component may be contained in an amount of several mass% or less based on the weight of the active component. In the object and effect of the present invention, it is acceptable.

<被着触媒の製造>
本発明の燃料電池用触媒は、活性成分を基体に被着することにより製造されるが、本発明においては活性成分化合物の合成過程及び基体に硫化水素ガスの処理を行わないことを特徴とする。ここで、基体への活性成分の被着は、例えば、活性成分或いは活性成分の前駆体を基体に担持した後焼成する方法のほか、活性成分と基体とを単に混合する混合法、その他含浸法、沈殿法、吸着法等の公知の手法によって行うことができる。以下、活性成分の焼成前のものすなわち「前駆体」を、活性成分の元素に着目していうときには、何々元素供給化合物、或いは単に元素供給化合物という。
<Manufacture of a deposited catalyst>
The fuel cell catalyst of the present invention is produced by adhering an active component to a substrate. In the present invention, the active component compound is synthesized and the substrate is not treated with hydrogen sulfide gas. . Here, the active component may be applied to the substrate by, for example, a method in which the active component or a precursor of the active component is supported on the substrate and then firing, a mixing method in which the active component and the substrate are simply mixed, and other impregnation methods. Further, it can be carried out by a known method such as a precipitation method or an adsorption method. Hereinafter, when the active component before firing, that is, the “precursor” is referred to when focusing on the element of the active component, it is referred to as an element supply compound or simply an element supply compound.

例えば、基体に活性成分を担持焼成した触媒は、活性成分の元素供給化合物を所望のモル比で、有機溶媒等に溶解或いは分散させ、炭素質担体に含浸或いは浸積させた後、ろ過或いは溶媒を留去することにより基体上に担持した化合物を得た後、窒素等の不活性ガス雰囲気で所定の温度で過熱することにより調製される。   For example, in a catalyst in which an active component is supported and calcined on a substrate, an element supply compound of the active component is dissolved or dispersed in an organic solvent or the like at a desired molar ratio, impregnated or immersed in a carbonaceous support, and then filtered or solvent. The compound supported on the substrate is obtained by distilling off and then heated by heating at a predetermined temperature in an inert gas atmosphere such as nitrogen.

上記のように本発明で用いる活性成分の合成方法については、硫化水素を用いないことが特徴であるが、その点以外は特に制限は無く、公知の任意の方法によって行うことができる。   As described above, the method for synthesizing the active ingredient used in the present invention is characterized in that hydrogen sulfide is not used, but there is no particular limitation except that point, and it can be carried out by any known method.

各元素の供給化合物としては、加熱分解可能なものであれば特に制限はなく、硫黄供給化合物であれば、硫黄パウダー(S)の他、テトラチアフルバレン(tetrathiafulvalene, C6H4S4)等が挙げられる。 The feed compounds of the respective elements is not particularly limited as long as it can be thermally decomposed, if sulfur-donating compound, other sulfur powder (S), tetrathiafulvalene (tetrathiafulvalene, C 6 H 4 S 4) and the like Is mentioned.

活性成分のルテニウム元素供給化合物としては、硫化水素を用いずに所望の活性成分化合物を与えるものであれば制限がないが、Ru零価のものが好適なものとして挙げられる。具体的にはカルボニル配位子やシクロペンタジエニル配位子、オレフィン系配位子等の炭素原子配位ルテニウム錯体、ピリジン配位子、アセトニトリル配位子等の窒素原子配位ルテニウム錯体、ホスフィン配位子、ホスファイト配位子等の配位したリン原子配位ルテニウム錯体、が挙げられる。また、これらの配位子を複数個有する錯体であっても良いし、また複数の種類の配位子を有する錯体であっても良い。最終生成物に窒素原子、りん原子が残る可能性の無い、炭化水素系配位子、カルボニル配位子が好ましい。具体的には、Ru(CO)12、(COD)Ru(CO)(「COD」は、「1,5−シクロオクタジエン」を示す。以下同様。)、Ru(CO)等が挙げられる。 The active component ruthenium element supply compound is not particularly limited as long as it provides a desired active component compound without using hydrogen sulfide, but a Ru zero-valent compound is preferable. Specifically, carbon atom coordinated ruthenium complexes such as carbonyl ligands, cyclopentadienyl ligands, olefinic ligands, nitrogen atom coordinated ruthenium complexes such as pyridine ligands, acetonitrile ligands, phosphines And a phosphorus atom-coordinated ruthenium complex such as a ligand or a phosphite ligand. Further, it may be a complex having a plurality of these ligands or a complex having a plurality of types of ligands. Hydrocarbon ligands and carbonyl ligands that do not leave a nitrogen atom or phosphorus atom in the final product are preferred. Specifically, Ru 3 (CO) 12 , (COD) Ru (CO) 3 (“COD” represents “1,5-cyclooctadiene”, the same shall apply hereinafter), Ru 2 (CO) 9 and the like. Is mentioned.

活性成分にMo原子、W原子又はRe原子を導入する際も、硫化水素を用いない点に本発明の特徴がある。Mo、W及びRe元素供給化合物としてはMo、W及びRe元素を、硫化水素を用いずに所望の活性成分を与えるものであれば制限がないが、それぞれの前駆体について零価のものが好適なものとして挙げられる。具体的にはカルボニル配位子やシクロペンタジエニル配位子、オレフィン系配位子等の炭素原子配位ルテニウム錯体、ピリジン配位子、アセトニトリル配位子等の窒素原子配位ルテニウム錯体、ホスフィン配位子、ホスファイト配位子等の配位したリン原子配位ルテニウム錯体、が挙げられる。また、これらの配位子を複数個有する錯体であっても良いし、また複数の種類の配位子を有する錯体であっても良い。最終生成物に窒素原子、りん原子が残る可能性の無い、炭化水素系配位子、カルボニル配位子が好ましい。具体的には、(COD)Mo(CO)、Mo(CO)、W(CO)、(COD)W(CO)、(CO)10Re等が挙げられる。これらの供給化合物は1種を単独で用いても良く、2種以上を混合して用いても良い。 The present invention is also characterized in that hydrogen sulfide is not used when introducing Mo, W, or Re atoms into the active component. The Mo, W, and Re element supply compounds are not limited as long as they provide the desired active component without using hydrogen sulfide, but those with zero valence are preferable for each precursor. It is mentioned as a thing. Specifically, carbon atom coordinated ruthenium complexes such as carbonyl ligands, cyclopentadienyl ligands, olefinic ligands, nitrogen atom coordinated ruthenium complexes such as pyridine ligands, acetonitrile ligands, phosphines And a phosphorus atom-coordinated ruthenium complex such as a ligand or a phosphite ligand. Further, it may be a complex having a plurality of these ligands or a complex having a plurality of types of ligands. Hydrocarbon ligands and carbonyl ligands that do not leave a nitrogen atom or phosphorus atom in the final product are preferred. Specific examples include (COD) Mo (CO) 4 , Mo (CO) 6 , W (CO) 6 , (COD) W (CO) 4 , (CO) 10 Re 2, and the like. These feed compounds may be used alone or in a combination of two or more.

基体に活性成分を担持焼成する合成方法として具体的には、例えば、Ru(CO)12等とW(CO)および硫黄を所望のモル比に応じた配合比で、有機媒体(例えば、キシレン、トルエン等の炭化水素類、エタノール等のアルコール類、アセトン等のカルボニル類、テトラヒドロフラン等のエーテル類)に溶解させ、これにカーボンブラック等の基体を所定量混合し、所定の時間(通常10分以上、好ましくは30分以上、通常50時間以下、好ましくは30時間以下)放置する。なお、この放置の際、超音波処理を行っても良い。 Specifically, as a synthesis method for carrying and firing an active ingredient on a substrate, for example, Ru 3 (CO) 12 and the like, W (CO) 6 and sulfur are mixed in an organic medium (eg, In a hydrocarbon such as xylene and toluene, alcohols such as ethanol, carbonyls such as acetone, ethers such as tetrahydrofuran, and the like, a predetermined amount of a substrate such as carbon black is mixed, and a predetermined time (usually 10). Minutes or more, preferably 30 minutes or more, usually 50 hours or less, preferably 30 hours or less). In this case, ultrasonic treatment may be performed.

次に窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下、所定の温度(通常60℃以上、好ましくは100℃以上、通常300℃以下、好ましくは200℃以下)で所定の時間(通常10分以上、好ましくは30分以上、通常50時間以下、好ましくは30時間以下)加熱或いは還流し、その後、ろ過或いはエバポレーターにより溶媒を留去し沈殿物を取得する。乾燥後、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下で所定の時間(通常10分以上、好ましくは30分以上、通常50時間以下、好ましくは30時間以下)、所定の温度(通常100℃以上、好ましくは200℃以上、1000℃以下、好ましくは800℃以下)で加熱することにより、活性成分を生成させると共に基体に担持焼成させることができる。   Next, in an inert gas atmosphere such as nitrogen, argon, etc., at a predetermined temperature (usually 60 ° C. or higher, preferably 100 ° C. or higher, usually 300 ° C. or lower, preferably 200 ° C. or lower) for a predetermined time (normally 10 minutes or longer, Is 30 minutes or more, usually 50 hours or less, preferably 30 hours or less). Heating or refluxing, and then removing the solvent by filtration or evaporator to obtain a precipitate. After drying, in an inert gas atmosphere such as nitrogen, argon, etc., for a predetermined time (usually 10 minutes or more, preferably 30 minutes or more, usually 50 hours or less, preferably 30 hours or less), a predetermined temperature (usually 100 ° C. or more, Preferably, the active component can be generated and supported and fired on the substrate by heating at 200 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, preferably 800 ° C. or lower.

その後、更に、低酸素濃度(例えば、5質量%以下、中でも2質量%以下程度の酸素濃度)の不活性ガス雰囲気中で、所定時間(通常数10分以上、好ましくは30分以上、通常10時間以下、中でも5時間以下)で、所定の温度(通常は、室温付近)で処理することにより不動態膜を形成させる不動態化処理を行うこともできる。   Thereafter, in an inert gas atmosphere having a low oxygen concentration (for example, an oxygen concentration of about 5% by mass or less, especially about 2% by mass or less) for a predetermined time (usually several tens of minutes, preferably 30 minutes or more, usually 10%). It is also possible to perform a passivation treatment for forming a passive film by treatment at a predetermined temperature (usually around room temperature) for a time or less, particularly 5 hours or less.

また、活性成分を、予め調製し、これを基体と混合し、乳鉢等で混練することにより活性成分を被着させることもできる。この混合は、乾式でも湿式でも良いが、好ましくはアルコール、エーテル等の媒体を用いて湿式混合し、その後100〜200℃程度で乾燥することが好ましい。   Moreover, an active ingredient can also be made to adhere by preparing an active ingredient beforehand, mixing this with a base | substrate and kneading | mixing with a mortar etc. This mixing may be dry or wet, but preferably it is wet-mixed using a medium such as alcohol or ether and then dried at about 100 to 200 ° C.

活性成分を予め調製する方法としては、本発明においては活性成分化合物の合成過程に硫化水素ガスの処理を行わないことを特徴とする。例えば活性成分の元素供給化合物を所望のモル比で、有機溶媒等に溶解或いは分散させ、ろ過或いは溶媒を留去した後、窒素等の不活性ガス雰囲気で所定の温度で過熱することにより調製される。   As a method of preparing the active ingredient in advance, the present invention is characterized in that hydrogen sulfide gas is not treated in the process of synthesizing the active ingredient compound. For example, it is prepared by dissolving or dispersing the element supply compound of the active ingredient in an organic solvent or the like at a desired molar ratio, filtering or distilling off the solvent, and then heating at a predetermined temperature in an inert gas atmosphere such as nitrogen. The

具体的には、例えば、Ru(CO)12等とW(CO)および硫黄を所望のモル比に応じた配合比で、有機媒体(例えば、キシレン、トルエン等の炭化水素類、エタノール等のアルコール類、アセトン等のカルボニル類、テトラヒドロフラン等のエーテル類)に溶解させ、所定の時間(通常10分以上、好ましくは30分以上、通常50時間以下、好ましくは30時間以下)放置する。必要であれば次に窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下、所定の温度(通常60℃以上、好ましくは100℃以上、通常300℃以下、好ましくは200℃以下)で所定の時間(通常10分以上、好ましくは30分以上、通常50時間以下、好ましくは30時間以下)加熱或いは還流し、その後、ろ過或いはエバポレーターにより溶媒を留去し沈殿物を取得する。 Specifically, for example, Ru 3 (CO) 12 and the like, W (CO) 6 and sulfur are blended in accordance with a desired molar ratio in an organic medium (for example, hydrocarbons such as xylene and toluene, ethanol, etc. Alcohol, carbonyls such as acetone, ethers such as tetrahydrofuran) and left for a predetermined time (usually 10 minutes or more, preferably 30 minutes or more, usually 50 hours or less, preferably 30 hours or less). If necessary, next, under an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon, at a predetermined temperature (usually 60 ° C or higher, preferably 100 ° C or higher, usually 300 ° C or lower, preferably 200 ° C or lower) for a predetermined time (usually 10 ° C). Min. Or more, preferably 30 min. Or more, usually 50 hours or less, preferably 30 hours or less) Heating or refluxing, and then removing the solvent by filtration or evaporator to obtain a precipitate.

乾燥後、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下で所定の時間(通常10分以上、好ましくは30分以上、通常50時間以下、好ましくは30時間以下)、所定の温度(通常100℃以上、好ましくは200℃以上、1000℃以下、好ましくは800℃以下)で加熱することにより、活性成分を生成させると共に基体に担持焼成させることができる。   After drying, in an inert gas atmosphere such as nitrogen, argon, etc., for a predetermined time (usually 10 minutes or more, preferably 30 minutes or more, usually 50 hours or less, preferably 30 hours or less), a predetermined temperature (usually 100 ° C. or more, Preferably, the active component can be generated and supported and fired on the substrate by heating at 200 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, preferably 800 ° C. or lower.

その後、更に、低酸素濃度(例えば、5質量%以下、中でも2質量%以下程度の酸素濃度)の不活性ガス雰囲気中で、所定時間(通常数10分以上、好ましくは30分以上、通常10時間以下、中でも5時間以下)で、所定の温度(通常は、室温付近)で処理することにより不動態膜を形成させる不動態化処理を行うこともできる。   Thereafter, in an inert gas atmosphere having a low oxygen concentration (for example, an oxygen concentration of about 5% by mass or less, especially about 2% by mass or less) for a predetermined time (usually several tens of minutes, preferably 30 minutes or more, usually 10%). It is also possible to perform a passivation treatment for forming a passive film by treatment at a predetermined temperature (usually around room temperature) for a time or less, particularly 5 hours or less.

本発明においては、上記した触媒の製造方法の中でも、炭素系基体に対し、活性成分又は活性成分の元素供給化合物((化合物)前駆体)を担持した後に焼成する方法が好ましく、この方法により活性を向上させることができる。このように担持焼成を行うことにより活性を向上させることができる理由については必ずしも明らかではないが、炭素系基体に活性成分が被着しているので、焼成時に活性成分のシンタリングが押さえられるために、活性が向上することによるものと推定される。特に好ましくは、炭素系基体に対し、活性成分の元素供給化合物((化合物)前駆体)を担持した後に焼成する方法である。   In the present invention, among the above-described catalyst production methods, a method in which an active component or an element supply compound of an active component ((compound) precursor) is supported on a carbon-based substrate and then calcined is preferable. Can be improved. The reason why the activity can be improved by carrying the support firing in this way is not necessarily clear, but since the active ingredient is deposited on the carbon-based substrate, the sintering of the active ingredient is suppressed during firing. Furthermore, it is estimated that the activity is improved. Particularly preferred is a method in which an active ingredient element supply compound ((compound) precursor) is supported on a carbon-based substrate and then fired.

活性成分と共に前述の他の触媒成分を基体に被着させる場合、活性成分の被着工程において同時に他の触媒成分を被着させても良く、活性成分の被着工程の前、又は後に他の触媒成分を被着させても良い。なお、ここで、「活性成分の被着工程」とは、活性成分を被着させるための処理過程、即ち、活性成分供給化合物添加から活性成分を与える迄の過程全体を包含する。   When the above-mentioned other catalyst component is applied to the substrate together with the active component, the other catalyst component may be applied at the same time in the active component application step, and the other component may be applied before or after the active component application step. A catalyst component may be deposited. Here, the “active component deposition step” includes the treatment process for depositing the active component, that is, the entire process from the addition of the active component supply compound to the provision of the active component.

基体に他の触媒成分を被着するための遷移金属供給化合物としては、酸化物の他、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩等の無機酸塩、酢酸塩等の有機酸塩、ハロゲン化物、水素化物、カルボニル化合物、アミン化合物、オレフィン配位化合物、ホスフィン配位化合物又はホスファイト配位化合物等が挙げられるが、好ましくはハロゲン元素を含まない酸化物、炭酸塩、有機酸塩、カルボニル化合物、オレフィン配位化合物である。これらは1種を単独で用いても良く、2種以上を併用しても良い。   Transition metal supply compounds for depositing other catalyst components on the substrate include oxides, inorganic acid salts such as nitrates, sulfates and carbonates, organic acid salts such as acetates, halides and hydrides. , Carbonyl compounds, amine compounds, olefin coordination compounds, phosphine coordination compounds, or phosphite coordination compounds, etc., preferably halogen-free oxides, carbonates, organic acid salts, carbonyl compounds, olefin coordinations. Is a coordination compound. These may be used alone or in combination of two or more.

具体的に活性成分と共に他の触媒成分を基体に被着させるには、例えば、先に記載した方法で合成した活性成分を基体に担持焼成させた触媒に、カルボニル化合物等の遷移金属化合物を溶解した溶液を加えて所定の時間(通常10分以上、好ましくは30分以上、通常50時間以下、好ましくは30時間以下)放置した後、溶媒をエバポレーター等により留去する。なお、この放置の際超音波処理を行っても良い。次に、乾燥後、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下で所定の時間(通常10分以上、好ましくは30分以上、通常50時間以下、好ましくは30時間以下)、所定の温度(通常100℃以上、好ましくは200℃以上、1000℃以下、好ましくは800℃以下)で加熱することにより、活性成分化合物と他の触媒成分が共に基体に担持焼成された燃料電池用触媒が得られる。   Specifically, in order to deposit another catalyst component together with the active component on the substrate, for example, a transition metal compound such as a carbonyl compound is dissolved in the catalyst obtained by supporting and firing the active component synthesized by the method described above. The solution is added and allowed to stand for a predetermined time (usually 10 minutes or more, preferably 30 minutes or more, usually 50 hours or less, preferably 30 hours or less), and then the solvent is distilled off with an evaporator or the like. In this case, ultrasonic treatment may be performed. Next, after drying, a predetermined time (usually 10 minutes or more, preferably 30 minutes or more, usually 50 hours or less, preferably 30 hours or less) and a predetermined temperature (usually 100 hours or less) in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon. The fuel cell catalyst in which the active component compound and the other catalyst component are both supported and calcined on the substrate is obtained by heating at a temperature of not lower than ° C., preferably not lower than 200 ° C., not higher than 1000 ° C., preferably not higher than 800 ° C.

その後、更に、低酸素濃度(例えば、5質量%以下、中でも2質量%以下程度の酸素濃度)の不活性ガス雰囲気中で、所定時間(通常数10分以上、好ましくは30分以上、通常10時間以下、中でも5時間以下)で、所定の温度(通常は、室温付近)で処理することにより不動態膜を形成させる不動態化処理を行うこともできる。   Thereafter, in an inert gas atmosphere having a low oxygen concentration (for example, an oxygen concentration of about 5% by mass or less, especially about 2% by mass or less) for a predetermined time (usually several tens of minutes, preferably 30 minutes or more, usually 10%). It is also possible to perform a passivation treatment for forming a passive film by treatment at a predetermined temperature (usually around room temperature) for a time or less, particularly 5 hours or less.

なお、前述の如く、他の触媒成分は、そのまま活性成分を担持焼成した基体と混合して用いても良く、また、他の触媒成分を担持焼成した基体に、活性成分を混合して用いても良い。   As described above, the other catalyst component may be used as it is mixed with the substrate on which the active component is supported and calcined, or the active component is mixed with the substrate on which other catalyst component is supported and calcined. Also good.

[燃料電池用電極及び燃料電池]
本発明の燃料電池用電極は、上記した本発明の燃料電池用触媒を含有することを特徴とする。また、本発明の燃料電池は、このような本発明の燃料電池用電極を用いたことを特徴とする。
[Fuel cell electrode and fuel cell]
The fuel cell electrode of the present invention is characterized by containing the above-described fuel cell catalyst of the present invention. The fuel cell of the present invention is characterized by using such a fuel cell electrode of the present invention.

本発明に係る燃料電池とは、前述の如くアノードに燃料、カソードに酸化剤を供給しアノードとカソード間の電位差を電圧として取り出し、負荷に供給する発電装置であり、アノード極とカソード極とその間に挟まれた電解質で構成され、固体高分子型燃料電池においては、電解質としてイオン交換膜が用いられている。即ち、電解質としてのイオン交換膜の両面に触媒層が形成され、該触媒層の外側にそれぞれアノードガス拡散層及びカソードガス・燃料拡散層が一体に形成されてなる電解質膜/電極接合体とされている。電解質膜/電極接合体はその拡散層側に隔壁板が配置され、この隔壁板、電解質膜/電極接合体及び隔壁板の単位セルが、用途に応じた所望の電圧になるまで、数十セルから数百セル積層されて燃料電池が構成されている。   The fuel cell according to the present invention is a power generator that supplies fuel to the anode and oxidant to the cathode, takes out the potential difference between the anode and cathode as a voltage, and supplies it to the load as described above. In a polymer electrolyte fuel cell, an ion exchange membrane is used as an electrolyte. That is, an electrolyte membrane / electrode assembly in which a catalyst layer is formed on both surfaces of an ion exchange membrane as an electrolyte, and an anode gas diffusion layer and a cathode gas / fuel diffusion layer are integrally formed on the outside of the catalyst layer, respectively. ing. The electrolyte membrane / electrode assembly has a partition plate disposed on the diffusion layer side, and several tens of cells until the unit cell of the partition plate, electrolyte membrane / electrode assembly, and partition plate has a desired voltage according to the application. Several hundred cells are stacked to form a fuel cell.

本発明においては、この電解質膜/電極接合体の触媒層を形成する触媒として、前述の本発明の燃料電池用触媒を用いる。   In the present invention, the aforementioned fuel cell catalyst of the present invention is used as a catalyst for forming the catalyst layer of the electrolyte membrane / electrode assembly.

電解質としてのイオン交換膜は、カチオン交換能があれば良いが、実用上、燃料電池の使用温度である80〜100℃程度での酸化還元雰囲気に長期に耐えることが望まれることから、パーフルオロアルキルスルホン酸樹脂がもっぱら用いられている。具体的には、ナフィオン(デュポン社製、登録商標)、フレミオン(旭硝子社製、登録商標)、Aciplex(旭化成社製、登録商標)等のパーフルオロアルキルスルホン酸樹脂膜が挙げられる。   An ion exchange membrane as an electrolyte is only required to have a cation exchange capacity, but it is practically desired to withstand an oxidation-reduction atmosphere at a temperature of about 80 to 100 ° C., which is a use temperature of a fuel cell. Alkyl sulfonic acid resins are exclusively used. Specific examples include perfluoroalkylsulfonic acid resin membranes such as Nafion (manufactured by DuPont, registered trademark), Flemion (manufactured by Asahi Glass, registered trademark), and Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei).

イオン交換膜の厚みとしては、10μm程度以上、数100μm程度以下のものが用いられるが、電気抵抗を下げるためにはより薄くすることが望ましい。ナフィオンを例に取ると、厚み120μm程度のナフィオン115がよく使用されるが、補強材を入れて、30μm〜50μmの電解質が開発され始めており、これらのものも同様に用いることができる。   As the thickness of the ion exchange membrane, a thickness of about 10 μm or more and about several 100 μm or less is used, but it is desirable to make the thickness thinner in order to lower the electric resistance. Taking Nafion as an example, Nafion 115 having a thickness of about 120 μm is often used, but an electrolyte of 30 μm to 50 μm has begun to be developed with a reinforcing material, and these can be used in the same manner.

拡散層の構成材料としては、アノードでは水素、カソードでは、空気を供給すると共に、発生した電圧を取り出すための集電体としての機能も併せ持つものであるため、優れた電子伝導体でかつ水素、空気の両ガスが通流し、かつ使用雰囲気に耐える材料が選択される。アノード燃料拡散層及びカソードガス・燃料拡散層を構成する材料としては、厚みが、通常100〜500μm、好ましくは100〜200μm程度の、カーボンペーパー、カーボンクロス等のカーボン多孔体が用いられる。   As the constituent material of the diffusion layer, hydrogen is supplied to the anode and air is supplied to the cathode, and also has a function as a current collector for taking out the generated voltage. A material that allows both gases of air to flow and withstands the use atmosphere is selected. As a material constituting the anode fuel diffusion layer and the cathode gas / fuel diffusion layer, a carbon porous body such as carbon paper or carbon cloth having a thickness of usually about 100 to 500 μm, preferably about 100 to 200 μm is used.

電解質膜/電極接合体を燃料電池に用いる際には、その背後に水素と空気が混合しないように、通常、カーボン、場合によってはステンレス、チタン等の材料でできた隔壁板が配置されるが、この隔壁板には、水素と空気の均一かつ安定供給を目的とした溝を形成したものを用いることが一般的である。   When an electrolyte membrane / electrode assembly is used in a fuel cell, a partition plate made of a material such as carbon, and in some cases, stainless steel, titanium, etc. is usually disposed behind the membrane to prevent hydrogen and air from mixing. In general, the partition plate is formed with grooves for the purpose of uniform and stable supply of hydrogen and air.

本発明の燃料電池用触媒を用いて触媒層を形成することにより燃料電池の電解質膜/電極接合体を作製する方法としては特に制限はないが、例えば、次のような方法が挙げられる。   Although there is no restriction | limiting in particular as a method of producing the electrolyte membrane / electrode assembly of a fuel cell by forming a catalyst layer using the catalyst for fuel cells of this invention, For example, the following methods are mentioned.

カソード側触媒層及びアノード側触媒層を作製する方法については、特に制限はないが、例えば、下記のようにして作製できる。まず、活性成分を基体に被着させてなる本発明の燃料電池用触媒を、適当な容器に入れ、DuPont社のNafion(登録商標)を溶解したNafionの溶液(濃度5質量%,アルドリッチ製)及びアルコール、水等の媒体に分散させ触媒スラリーを調製する。この際に分散を良好に進行させるために、超音波振動をかける方がより好ましい。この触媒スラリー中の本発明の燃料電池用触媒濃度は、所望の分散性を得るために、1〜50g/L程度であるのが好ましい。また、撥水性を持たせたい、触媒層の剥がれを防ぎたい、等の目的でポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のバインダーをスラリー中に3〜30質量%程度の範囲で加えることは勿論可能である。また、内容物を凝集させて、ペースト化したい場合、エタノール、イソプロピルアルコールといった炭素数2〜5、好ましくは炭素数2〜4程度の低級アルコール、或いはエチレングリコール等の炭素数2〜5、好ましくは炭素数2〜4程度の多価アルコールを水に対して0.25〜1.0の比になるように加えて凝集させることもできる。   Although there is no restriction | limiting in particular about the method of producing a cathode side catalyst layer and an anode side catalyst layer, For example, it can produce as follows. First, the fuel cell catalyst of the present invention obtained by adhering an active ingredient to a substrate is placed in a suitable container, and a Nafion solution (concentration 5 mass%, manufactured by Aldrich) in which NaPotion (registered trademark) of DuPont is dissolved. Then, a catalyst slurry is prepared by dispersing in a medium such as alcohol or water. At this time, it is more preferable to apply ultrasonic vibration in order to promote the dispersion well. In order to obtain a desired dispersibility, the catalyst concentration for a fuel cell of the present invention in the catalyst slurry is preferably about 1 to 50 g / L. Of course, a binder such as polytetrafluoroethylene (PTFE) can be added to the slurry in the range of about 3 to 30% by mass for the purpose of providing water repellency or preventing the catalyst layer from peeling off. is there. In addition, when the contents are to be agglomerated and made into a paste, the alcohol has 2 to 5 carbon atoms such as ethanol or isopropyl alcohol, preferably a lower alcohol having about 2 to 4 carbon atoms, or 2 to 5 carbon atoms such as ethylene glycol, preferably A polyhydric alcohol having about 2 to 4 carbon atoms can be added and aggregated in a ratio of 0.25 to 1.0 with respect to water.

このようにして得られる触媒スラリーを乾燥して電解質膜/電極接合体のカソード側触媒層及びアノード側触媒層を形成すれば良いが、その方法としては、例えば、触媒層をイオン交換膜上に形成してからガス・燃料拡散層材と積層する方法と、触媒層をガス・燃料拡散層材上に形成してからイオン交換膜と積層する方法が挙げられる。   The catalyst slurry thus obtained may be dried to form the cathode side catalyst layer and the anode side catalyst layer of the electrolyte membrane / electrode assembly. For example, the catalyst layer may be placed on the ion exchange membrane. A method of laminating the gas / fuel diffusion layer material after the formation and a method of laminating the ion exchange membrane after forming the catalyst layer on the gas / fuel diffusion layer material are exemplified.

カソード側触媒層及びアノード側触媒層は具体的には、それぞれ次のような方法でイオン交換膜上、又は、ガス拡散電極材上に形成される。
(1) 用いるイオン交換膜に吹き付けて乾燥する。
(2) カーボンペーパー等のガス拡散電極材に触媒スラリーを吹き付けて乾燥する。
(3) テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)フィル ム等の転写用フィルム材上に触媒スラリーを吹き付けて(展開処理)乾燥し、転写用フィルム面と反対側の面をナフィオン等の所望のイオン交換膜上に適宜圧接して触媒層を転写する。
(4) (3)におけるのと同様に、FEPフィルム上に触媒スラリーを展開処理した後、スラリー上にカーボンペーパー等のガス拡散電極材を被せて乾燥する。
Specifically, the cathode side catalyst layer and the anode side catalyst layer are respectively formed on the ion exchange membrane or the gas diffusion electrode material by the following methods.
(1) Spray on the ion exchange membrane to be used and dry.
(2) Spray the catalyst slurry on a gas diffusion electrode material such as carbon paper and dry.
(3) The catalyst slurry is sprayed onto the transfer film material such as tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP) film (development treatment) and dried, and the surface opposite to the transfer film surface is Nafion, etc. The catalyst layer is transferred onto the desired ion exchange membrane by appropriately pressing.
(4) As in (3), after the catalyst slurry is spread on the FEP film, the slurry is covered with a gas diffusion electrode material such as carbon paper and dried.

カソード側触媒層及びアノード側触媒層は共に、活性成分付着量(目付量)として、通常0.01mg/cm以上、好ましくは0.5mg/cm以上、数g/cm以下、好ましくは1g/cm以下程度の量となるように形成するのが好ましい。この活性成分付着量が上記下限よりも少ないと充分な触媒活性を得ることができず、上記上限よりも多いと電解質膜/電極接合体が形成し難くなる。 Both the cathode side catalyst layer and the anode side catalyst layer are generally 0.01 mg / cm 2 or more, preferably 0.5 mg / cm 2 or more, preferably several g / cm 2 or less, preferably as an active ingredient adhesion amount (weight per unit area). It is preferably formed so as to have an amount of about 1 g / cm 2 or less. If the amount of the active component attached is less than the lower limit, sufficient catalytic activity cannot be obtained, and if it exceeds the upper limit, it is difficult to form an electrolyte membrane / electrode assembly.

上記カソード側触媒層及びアノード側触媒層の各形成工程後、予備的な加圧成型を適宜行った後、最終的な電解質膜/電極接合体、即ち、イオン交換膜の片側の面に上記したカソード側触媒層が形成され、該イオン交換膜の反対側の面に、アノード側触媒層を、更に、両触媒層の外側に、それぞれアノード及びカソードを構成するガス・燃料拡散層が積層されるように、プレス機を用いて加圧加熱成形して、電解質膜/電極接合体が作製される。   After each forming step of the cathode side catalyst layer and the anode side catalyst layer, preliminary pressure molding is appropriately performed, and then the final electrolyte membrane / electrode assembly, that is, the surface on one side of the ion exchange membrane is described above. A cathode-side catalyst layer is formed, and an anode-side catalyst layer is laminated on the opposite surface of the ion-exchange membrane, and a gas / fuel diffusion layer constituting the anode and the cathode is laminated outside both catalyst layers. As described above, pressure membrane is formed by press using a press machine to produce an electrolyte membrane / electrode assembly.

なお、予備的な加圧成形の条件としては、触媒層の崩壊を防げる範囲で後に行う本成形の条件より温度、圧力は低く、時間は短く設定するのが好ましい。それは、触媒粒子、ガス・燃料拡散層用多孔体の圧縮破壊を起こさないためである。   In addition, as conditions for preliminary pressure molding, it is preferable to set the temperature and pressure lower and the time shorter than the conditions of the main molding performed later within a range in which the catalyst layer can be prevented from collapsing. This is because the catalyst particles and gas / fuel diffusion layer porous body do not cause compressive fracture.

次に実施例及び比較例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例によって限定されるものではない。   EXAMPLES Next, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not limited by a following example, unless the summary is exceeded.

以下の実施例及び比較例において、作製したカソード電極の性能(触媒活性)は、下記のサイクリックボルタンメトリー(CV)測定により行った。   In the following examples and comparative examples, the performance (catalytic activity) of the produced cathode electrode was measured by the following cyclic voltammetry (CV) measurement.

[CV測定]
サイクリックボルタンメトリー(CV)測定は、電解槽に密封性を保ち得る栓を用い、電解液中に窒素又は空気をバブリングしつつ、酸素は供給律速になっていない条件で行った。測定条件は以下の通りである。
電解液:1.0M HSO水溶液
走査速度:5mV/秒
走査範囲:100〜700mV
カウンター電極:Pt
比較電極:標準水素電極(SHE)
[CV measurement]
Cyclic voltammetry (CV) measurement was performed under the condition that oxygen was not rate-controlled while bubbling nitrogen or air into the electrolytic solution using a stopper capable of keeping hermeticity in the electrolytic cell. The measurement conditions are as follows.
Electrolyte: 1.0 MH 2 SO 4 aqueous solution
Scanning speed: 5mV / sec
Scanning range: 100-700mV
Counter electrode: Pt
Reference electrode: Standard hydrogen electrode (SHE)

電極の電位を標準水素電極に対して700mV程度から100mVの方向に走査にすると作用電極とPt対極の間に、
4H + O + 4e → 2H
による酸素の還元電流が流れるのが認められる。卑の方向に走査した時に400mV(SHE基準)の時に流れる電流値を測定し、測定された電流値を触媒に含まれる活性成分の単位重量(1g)当たりの電流値に換算したもので触媒活性を評価した。
When the potential of the electrode is scanned in the direction of about 700 mV to 100 mV with respect to the standard hydrogen electrode, between the working electrode and the Pt counter electrode,
4H + + O 2 + 4e → 2H 2 O
It can be seen that the oxygen reduction current due to. Measures the current value flowing at 400 mV (SHE standard) when scanned in the base direction, and converts the measured current value into a current value per unit weight (1 g) of the active component contained in the catalyst. Evaluated.

[実施例1]
<VGCFに担持された活性成分(1a)の合成>
本実施例で使用するVGCF(カーボンナノファイバー)は、特開2003−166130号公報の実施例4の方法で得られたものを使用した。20gのVGCFを50質量%硝酸水溶液100mL中で、3時間還流処理したものを炭素材担体として用いた。ドデカカルボニル三ルテニウム(Ru(CO)12)0.25g、タングステンカルボニル
0.16g、硫黄末 0.038g、VGCF 0.8g及び20mLのキシレンを加えて20時間 還流を行った。反応後濾過、風乾した後、アルゴン雰囲気下、350℃で2時間焼成を行い、VGCFに、ルテニウムとタングステン金属で20質量%担持したRu、W及びS元素を含む活性成分(活性成分(1a)とする)を取得した。
[Example 1]
<Synthesis of Active Component (1a) Supported on VGCF>
As the VGCF (carbon nanofiber) used in this example, the one obtained by the method of Example 4 of JP-A-2003-166130 was used. 20 g of VGCF was refluxed for 3 hours in 100 mL of 50 mass% nitric acid aqueous solution, and used as a carbon material carrier. 0.25 g of dodecacarbonyltriruthenium (Ru 3 (CO) 12 ), 0.16 g of tungsten carbonyl, 0.038 g of sulfur powder, 0.8 g of VGCF and 20 mL of xylene were added and refluxed for 20 hours. After the reaction, it was filtered and air-dried, and then fired at 350 ° C. for 2 hours in an argon atmosphere. The active component containing Ru, W, and S elements supported by 20% by mass of ruthenium and tungsten metal on VGCF (active component (1a)) And).

<カソード電極の作成>
得られたVGCFに担持焼成した活性成分(1a)とカーボンブラック(VULCAN XC−72R(Cabot社製、比表面積(BET)254m/g))を乳鉢で混合し、活性成分(1a)の重量が0.1質量%となるよう希釈した。その28.27mgをエタノール5mLに混合し、超音波洗浄器で充分撹拌した後、マイクロシリンジで、活性成分(1a)が0.4μg/cmとなるように、作用電極であるグラッシーカーボン電極に滴下し、放置により乾燥した。次に、デュポン社のナフィオン膜を溶媒に溶解した市販のナフィオン液を滴下し、放置により乾燥し、その後、更に真空下で乾燥することによりカソード電極とした。このカソード電極についてCV測定を行い、触媒活性の評価結果を表2に示した。
<Creation of cathode electrode>
The active ingredient (1a) supported and fired on the obtained VGCF and carbon black (VULCAN XC-72R (manufactured by Cabot, specific surface area (BET) 254 m 2 / g)) are mixed in a mortar, and the weight of the active ingredient (1a) Was diluted to 0.1 mass%. 28.27 mg of the mixture was mixed with 5 mL of ethanol and sufficiently stirred with an ultrasonic cleaner. Then, the active ingredient (1a) was added to a glassy carbon electrode as a working electrode so that the active ingredient (1a) would be 0.4 μg / cm 2 with a microsyringe. It was dripped and dried by standing. Next, a commercially available Nafion solution in which a Nafion membrane manufactured by DuPont was dissolved in a solvent was dropped, dried by standing, and then further dried under vacuum to obtain a cathode electrode. CV measurement was performed on this cathode electrode, and the evaluation results of catalyst activity are shown in Table 2.

[実施例2]
<VGCFに担持された活性成分(2a)の合成>
実施例1で得られたVGCFに担持焼成した活性成分(1a)を更に、アルゴン雰囲気下500℃で3時間焼成を行い、VGCFに、ルテニウムとタングステン金属で20質量%担持したRu、W及びS元素を含む活性成分(活性成分(2a)とする)を取得した。
[Example 2]
<Synthesis of Active Component (2a) Supported on VGCF>
The active ingredient (1a) supported and fired on the VGCF obtained in Example 1 was further fired at 500 ° C. for 3 hours in an argon atmosphere, and Ru, W, and S loaded with 20% by mass of ruthenium and tungsten metal on the VGCF. An active component containing element (referred to as active component (2a)) was obtained.

<カソード電極の作成>
得られたVGCFに担持焼成した活性成分(2a)を用いたほかは、実施例1と同様の方法により活性成分(2a)が0.4μg/cmとなるようにカソード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表2に示した。
<Creation of cathode electrode>
A cathode electrode was prepared by the same method as in Example 1 so that the active component (2a) was 0.4 μg / cm 2 except that the active component (2a) supported and fired on the obtained VGCF was used. The results are shown in Table 2.

[実施例3]
<VGCFに担持された活性成分(3a)の合成>
実施例1で得られたVGCFに担持焼成した活性成分(1a)を更に、アルゴン雰囲気下650℃で3時間焼成を行い、VGCFにルテニウムとタングステン金属で20質量%担持したRu、W及びS元素を含む活性成分(活性成分(3a)とする)を取得した。
[Example 3]
<Synthesis of active ingredient (3a) supported on VGCF>
The active ingredient (1a) supported and fired on VGCF obtained in Example 1 was further fired at 650 ° C. for 3 hours in an argon atmosphere, and Ru, W, and S elements supported on ruthenium and tungsten metal at 20% by mass on VGCF An active ingredient (referred to as active ingredient (3a)) was obtained.

<カソード電極の作成>
得られたVGCFに担持焼成した活性成分(3a)を用いたほかは、実施例1と同様の方法により活性成分(3a)が0.4μg/cmとなるようにカソード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表2に示した。
<Creation of cathode electrode>
A cathode electrode was prepared by the same method as in Example 1 so that the active component (3a) was 0.4 μg / cm 2 except that the active component (3a) supported and fired on the obtained VGCF was used. The results are shown in Table 2.

[実施例4]
<CBに担持された活性成分(1a)の合成>
実施例1で用いたVGCFの代わりに、炭素材担体としてVulcan XC-72-R カーボンブラック(CB)を用いた以外、全く同様に実施例1に従って、Vulcan XC-72Rに、ルテニウムとタングステン金属で20質量%担持した活性成分(1a)を取得した。
[Example 4]
<Synthesis of active ingredient (1a) supported on CB>
Except for using Vulcan XC-72-R carbon black (CB) as a carbon material support in place of VGCF used in Example 1, Vulcan XC-72R was made of ruthenium and tungsten metal in exactly the same manner as in Example 1. The active ingredient (1a) supported by 20% by mass was obtained.

<カソード電極の作成>
得られたカーボンブラック(CB)に担持焼成した活性成分(1a)を用いたほかは、実施例1と同様の方法により、活性成分(1a)が0.4μg/cmとなるようにカソード電極を作成した。このカソード電極についてCV測定を行い、触媒活性の評価結果を表2に示した。
<Creation of cathode electrode>
A cathode electrode was prepared by the same method as in Example 1 except that the active component (1a) supported and fired on the obtained carbon black (CB) was used so that the active component (1a) was 0.4 μg / cm 2. It was created. CV measurement was performed on this cathode electrode, and the evaluation results of catalyst activity are shown in Table 2.

[比較例1]
<活性成分(1b)の合成>
ドデカカルボニル三ルテニウム(Ru(CO)12)1.36g、タングステンカルボニル0.89g、硫黄末0.20g及び20mLのキシレンを100mLのコルベにいれて20時間、還流を行った。反応後、黒色の沈殿物を濾過、室温風乾後、アルゴン雰囲気下、350℃で2時間焼成を行い、Ru、W及びS元素を含む活性成分(活性成分(1b)とする)を取得した。
[Comparative Example 1]
<Synthesis of active ingredient (1b)>
Dodecacarbonyl triruthenium (Ru 3 (CO) 12 ) 1.36 g, tungsten carbonyl 0.89 g, sulfur powder 0.20 g and 20 mL of xylene were placed in a 100 mL Kolbe and refluxed for 20 hours. After the reaction, the black precipitate was filtered, air-dried at room temperature, and then fired at 350 ° C. for 2 hours in an argon atmosphere to obtain an active component (referred to as active component (1b)) containing Ru, W, and S elements.

活性成分(1b)を合成後、それにカーボンブラック(VULCAN XC−72R(Cabot社製、比表面積(BET)254m/g))を加え、乳鉢で混合し、活性成分(1b)が0.1質量%となるよう希釈した。 After combining the active ingredient (1b), it carbon black (VULCAN XC-72R (Cabot Corporation, specific surface area (BET) 254m 2 / g) ) was added, and mixed in a mortar, the active ingredient (1b) 0.1 It diluted so that it might become mass%.

<カソード電極の作成>
得られたカーボンブラック(CB)に担持した活性成分(1b)を用いたほかは、実施例1と同様の方法により、活性成分(1b)の重量が0.1%となるよう希釈した後、活性成分(1b)が1.0μg/cmとなるようにカソード電極を作成し、実施例1と同様に評価を行って結果を表2に示した。
<Creation of cathode electrode>
Except for using the active ingredient (1b) supported on the carbon black (CB) obtained, after diluting the active ingredient (1b) to 0.1% by the same method as in Example 1, A cathode electrode was prepared so that the active ingredient (1b) was 1.0 μg / cm 2 , evaluation was performed in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 2.

Figure 2007042519
Figure 2007042519

表2に示す比較例と実施例との比較から、担持焼成することにより活性が10倍以上向上していることが明らかとなった。また、同一VGCFに担持焼成した場合、焼成温度350℃(実施例1)よりも、500℃(実施例2)の方が、更に650℃(実施例3)の方が、活性が高いことが分かった。また実施例1と実施例4との比較から、同一焼成温度でも、CBよりVGCFに担持焼成した方が、活性が高かった。   From the comparison between the comparative example and the example shown in Table 2, it was revealed that the activity was improved by 10 times or more by carrying and firing. Also, when supported and fired on the same VGCF, the activity is higher at 500 ° C. (Example 2) and at 650 ° C. (Example 3) than at the firing temperature of 350 ° C. (Example 1). I understood. In addition, from comparison between Example 1 and Example 4, the activity was higher when supported and fired on VGCF than CB even at the same firing temperature.

本発明によれば、安価な燃料電池用触媒を用いた燃料電池が提供されるため、燃料自動車等の燃料電池の用途の拡大と実用化が促進される。

According to the present invention, since a fuel cell using an inexpensive fuel cell catalyst is provided, the expansion and practical use of fuel cells such as fuel vehicles are promoted.

Claims (8)

活性成分として、硫黄(S)とルテニウム(Ru)元素を含む化合物を基体上に被着させてなることを特徴とする燃料電池用触媒において、該化合物の合成過程において硫化水素を用いず、かつ、硫化水素での処理を行わない基体に該化合物の前駆体を担持した後に焼成することを特徴とする、該化合物を含有する燃料電池用触媒。   A fuel cell catalyst characterized in that a compound containing sulfur (S) and ruthenium (Ru) elements as an active component is deposited on a substrate, wherein hydrogen sulfide is not used in the synthesis process of the compound, and A catalyst for a fuel cell containing the compound, wherein the compound precursor is supported on a substrate not subjected to treatment with hydrogen sulfide and then calcined. 請求項1に記載の該化合物が、更に、W、Mo、Reから選ばれる1種以上の元素を含むことを特徴とする燃料電池用触媒。   The fuel cell catalyst according to claim 1, further comprising one or more elements selected from W, Mo, and Re. 請求項1ないし請求項2の何れか1項に記載の燃料電池用触媒において、焼成温度が350℃を上回り1000℃以下であることを特徴とする燃料電池用触媒。   3. The fuel cell catalyst according to claim 1, wherein the firing temperature is higher than 350 ° C. and 1000 ° C. or lower. 4. 請求項1ないし請求項3の何れか1項に記載の燃料電池用触媒において、基体が炭素系基体であることを特徴とする燃料電池用触媒。   The fuel cell catalyst according to any one of claims 1 to 3, wherein the substrate is a carbon-based substrate. 請求項1ないし請求項4の何れか1項において、基体が、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノクラスター、フラーレン、熱分解炭素及び活性炭素からなる群から、単独で或いは2種以上を組み合わせたものであることを特徴とする燃料電池用触媒。   5. The substrate according to claim 1, wherein the substrate is selected from the group consisting of carbon black, carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanocluster, fullerene, pyrolytic carbon, and activated carbon. A fuel cell catalyst characterized by being combined. 請求項1ないし請求項5の何れか1項に記載の燃料電池用触媒を含有することを特徴とする燃料電池用電極。   A fuel cell electrode comprising the fuel cell catalyst according to any one of claims 1 to 5. 請求項6に記載の燃料電池用電極を用いたことを特徴とする燃料電池。   A fuel cell using the fuel cell electrode according to claim 6. 活性成分として、硫黄(S)とルテニウム(Ru)元素を含む化合物を基体上に被着させてなることを特徴とする燃料電池用触媒を製造する方法であって、該化合物の合成過程において硫化水素を用いず、かつ、硫化水素での処理を行わない炭素系基体に該化合物の前駆体を担持した後に焼成することを特徴とする活性成分化合物を含有する燃料電池用触媒の製造方法。

A method for producing a catalyst for a fuel cell, comprising a compound containing sulfur (S) and ruthenium (Ru) elements as active components, which is deposited on a substrate. A method for producing a catalyst for a fuel cell containing an active component compound, characterized in that a precursor of the compound is supported on a carbon-based substrate that does not use hydrogen and is not treated with hydrogen sulfide and then calcined.

JP2005227307A 2005-08-04 2005-08-04 Catalyst for fuel cell, its manufacturing method, and electrode for fuel cell and fuel cell using it Pending JP2007042519A (en)

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