JP2008258152A - Membrane-electrode assembly and fuel cell using this - Google Patents

Membrane-electrode assembly and fuel cell using this Download PDF

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Nobuyoshi Koshino
伸能 古志野
Hiroshi Shinoda
浩志 信田
Taiga Sakai
大雅 坂井
Shin Saito
伸 齋藤
Hideyuki Higashimura
秀之 東村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane-electrode assembly of high power generating characteristics using platinum-alternating catalyst and a fuel cell. <P>SOLUTION: The membrane-electrode assembly, provided with electrode catalyst made up with the use of a base metal complex, has an exchange current density of 5.0×10<SP>-14</SP>Acm<SP>-2</SP>or more as obtained from a Tafel plot concerning current density and voltage, and that, a Tafel gradient of 450 mV/decade or less. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、膜−電極接合体およびこれを用いた燃料電池に関し、さらに詳しく言えば、本発明は、卑金属錯体を用いてなる電極触媒を有する膜−電極接合体およびこれを用いた燃料電池に関する。   The present invention relates to a membrane-electrode assembly and a fuel cell using the same, and more specifically, the present invention relates to a membrane-electrode assembly having an electrode catalyst using a base metal complex and a fuel cell using the same. .

現在、燃料電池の触媒としては白金が一般的に用いられているが、コストが高いことや、埋蔵量が限られているため将来的に資源が枯渇してしまうおそれがあることなどの問題がある。
白金に代替する触媒を燃料電池の電極触媒に用いた例として、例えば非特許文献1には、コバルト/ポリピロール/カーボン複合体を電極触媒とした膜−電極接合体が記載されている。また、非特許文献2には、ヘモグロビン炭化物を電極触媒とした膜−電極接合体が記載されている。
しかしながら、非特許文献1及び2で開示されているような膜−電極接合体の発電特性は白金触媒を用いたものに比べてかなり低く、発電特性をより向上させることが切望されていた。
Rajesh Bashyam,Piotr Zelenay,“Nature”,Vol.443,p.63-66(2006) Jun Maruyama,Ikuo Abe,“Chemistry of Materials”,Vol.18,No.5,p.1303-1311(2006)
At present, platinum is generally used as a catalyst for fuel cells, but there are problems such as high costs and the possibility of depleting resources in the future due to limited reserves. is there.
For example, Non-Patent Document 1 describes a membrane-electrode assembly using a cobalt / polypyrrole / carbon composite as an electrode catalyst as an example of using a catalyst that replaces platinum as an electrode catalyst of a fuel cell. Non-Patent Document 2 describes a membrane-electrode assembly using hemoglobin carbide as an electrode catalyst.
However, the power generation characteristics of the membrane-electrode assembly as disclosed in Non-Patent Documents 1 and 2 are considerably lower than those using a platinum catalyst, and it has been eagerly desired to improve the power generation characteristics.
Rajesh Bashyam, Piotr Zelenay, “Nature”, Vol. 443, p.63-66 (2006) Jun Maruyama, Ikuo Abe, “Chemistry of Materials”, Vol.18, No.5, p.1303-1311 (2006)

本発明は、白金代替触媒を用いた発電特性の高い膜−電極接合体および燃料電池を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly and a fuel cell having high power generation characteristics using a platinum alternative catalyst.

本発明の課題は、下記の手段によって解決された。
[1]卑金属錯体を用いてなる電極触媒を有する膜−電極接合体であって、電流密度と電圧に関するターフェルプロットから得られる交換電流密度i0が5.0×10-4Acm
-2以上であり、かつ、ターフェル勾配が450mV/decade以下であることを特
徴とする膜−電極接合体。
[2]前記卑金属錯体が、2つ以上のフェノール環と2つ以上の芳香族複素環とを有する化合物を配位子として含有する卑金属錯体であることを特徴とする[1]項に記載の膜−電極接合体。
[3]前記卑金属錯体が、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、タンタル及びタングステンからなる群から選ばれる卑金属原子を含む卑金属錯体であることを特徴とする[1]又は[2]に記載の膜−電極接合体。
[4]前記卑金属錯体1分子に含まれる卑金属原子の数が、1以上10以下であることを特徴とする[1]〜[3]のいずれか1項に記載の膜−電極接合体。
[5]前記の卑金属錯体を用いてなる電極触媒が、300℃以上1200℃以下の温度で加熱処理されたものであることを特徴とする[1]〜[4]のいずれか1項に記載の膜−電極接合体。
[6][1]〜[5]のいずれか1項に記載の膜−電極接合体を備えることを特徴とする燃料電池。
The problems of the present invention have been solved by the following means.
[1] A membrane-electrode assembly having an electrode catalyst using a base metal complex, and an exchange current density i 0 obtained from a Tafel plot concerning current density and voltage is 5.0 × 10 −4 Acm
A membrane-electrode assembly characterized by being -2 or more and having a Tafel gradient of 450 mV / decade or less.
[2] The base metal complex is a base metal complex containing a compound having two or more phenol rings and two or more aromatic heterocycles as a ligand. Membrane-electrode assembly.
[3] The base metal complex is a base metal complex containing a base metal atom selected from the group consisting of vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zirconium, niobium, molybdenum, tantalum and tungsten. The membrane-electrode assembly according to [1] or [2].
[4] The membrane-electrode assembly according to any one of [1] to [3], wherein the number of base metal atoms contained in one molecule of the base metal complex is 1 or more and 10 or less.
[5] The electrode catalyst using the base metal complex is heat-treated at a temperature of 300 ° C. or more and 1200 ° C. or less, and any one of [1] to [4] Membrane-electrode assembly.
[6] A fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to any one of [1] to [5].

本発明の膜−電極接合体は、電極触媒に卑金属錯体触媒を用いており、従来の白金代替触媒を用いたものに比べて著しく高い発電特性を示す。また、白金触媒を用いたものに比べて低コストである。
また、このような膜−電極接合体を備えた本発明の燃料電池は、発電効率に優れる。
The membrane-electrode assembly of the present invention uses a base metal complex catalyst as an electrode catalyst, and exhibits significantly higher power generation characteristics than those using a conventional platinum substitute catalyst. In addition, the cost is lower than that using a platinum catalyst.
Moreover, the fuel cell of the present invention provided with such a membrane-electrode assembly is excellent in power generation efficiency.

以下、本発明について詳細に説明する。
[膜−電極接合体]
本発明の膜−電極接合体(Membrane Electrode Assembly;以下、「MEA」ともいう。)は電解質膜と電極触媒とからなり、電解質膜の両側に電極触媒を有している。
本発明の膜−電極接合体は、卑金属錯体を用いてなる電極触媒を有する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
[Membrane-electrode assembly]
A membrane-electrode assembly (hereinafter also referred to as “MEA”) of the present invention is composed of an electrolyte membrane and an electrode catalyst, and has an electrode catalyst on both sides of the electrolyte membrane.
The membrane-electrode assembly of the present invention has an electrode catalyst using a base metal complex.

(電極触媒)
本発明の膜−電極接合体において電極触媒として用いられる卑金属錯体は、卑金属原子を含んでなる金属錯体であり、該卑金属原子は、無電荷でも、荷電している金属イオンであってもよい。
(Electrode catalyst)
The base metal complex used as an electrode catalyst in the membrane-electrode assembly of the present invention is a metal complex comprising a base metal atom, and the base metal atom may be an uncharged or charged metal ion.

ここで、卑金属とは、「化学辞典」(第1版、1994年、東京化学同人)に記載されているように、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム及び白金のような貴金属を除く金属である。
卑金属の具体例としては、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、カリウム、カルシウム、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ルビジウム、ストロンチウム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、カドミウム、インジウム、スズ、アンチモン、テルル、セシウム、バリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、水銀、タリウム、鉛、ビスマス等を例示することができる。
Here, the base metal is a noble metal such as gold, silver, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium and platinum as described in “Chemical Dictionary” (1st edition, 1994, Tokyo Kagaku Dojin). Is a metal excluding
Specific examples of base metals include lithium, beryllium, sodium, magnesium, aluminum, potassium, calcium, scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, gallium, rubidium, strontium, yttrium, zirconium , Niobium, molybdenum, cadmium, indium, tin, antimony, tellurium, cesium, barium, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, lutetium, hafnium, tantalum , Tungsten, rhenium, mercury, thallium, lead, bismuth, and the like.

これらの中で、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、又はレニウムが本発明に好ましく適用することができる。   Among these, scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, gallium, yttrium, zirconium, niobium, molybdenum, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, europium, gadolinium, terbium Dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, lutetium, hafnium, tantalum, tungsten, or rhenium can be preferably applied to the present invention.

より好ましくは、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、又はレニウムであり、さらに好ましくは、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、タンタル、又はタングステンである。
これらの中でも、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル及び銅からなる群から選ばれる卑金属原子が特に好ましい。
More preferably, scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, gallium, yttrium, zirconium, niobium, molybdenum, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, europium, gadolinium, terbium Dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, lutetium, hafnium, tantalum, tungsten or rhenium, more preferably vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zirconium, niobium, molybdenum, tantalum, Or it is tungsten.
Among these, a base metal atom selected from the group consisting of vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, and copper is particularly preferable.

本発明に用いられる卑金属錯体は、前記卑金属原子を1個または複数個有するが、その好ましい個数としては30個以下であり、より好ましくは1〜10個であり、更に好ましくは1〜3個であり、特に好ましくは1又は2個である。   The base metal complex used in the present invention has one or a plurality of the base metal atoms, and the preferable number thereof is 30 or less, more preferably 1 to 10, more preferably 1 to 3. Yes, particularly preferably 1 or 2.

本発明に用いられる卑金属錯体としては、シッフ塩基金属錯体、芳香族炭化水素及び/又は複素環を含んでなる金属錯体、ポルフィリン金属錯体、ポルフィセン金属錯体、ポルフィラジン金属錯体、フタロシアニン金属錯体、及びナフタロシアニン金属錯体、並びにこれら金属錯体の誘導体が好ましい。   Base metal complexes used in the present invention include Schiff base metal complexes, metal complexes comprising aromatic hydrocarbons and / or heterocycles, porphyrin metal complexes, porphycene metal complexes, porphyrazine metal complexes, phthalocyanine metal complexes, and naphthalene complexes. Phthalocyanine metal complexes and derivatives of these metal complexes are preferred.

本発明に用いられる卑金属錯体として特に好ましくは、2つ以上のフェノール環(フェノール及び/又はその誘導体)と、2つ以上の芳香族複素環とを有する化合物を配位子として含有する卑金属錯体である。
このような配位子の好ましい例としては、下記一般式(I)又は(II)で表される化合物が挙げられる。
Particularly preferably, the base metal complex used in the present invention is a base metal complex containing a compound having two or more phenol rings (phenol and / or derivatives thereof) and two or more aromatic heterocycles as a ligand. is there.
Preferable examples of such a ligand include compounds represented by the following general formula (I) or (II).

Figure 2008258152
Figure 2008258152

一般式(I)及び(II)中、Q1およびQ2は2価の芳香族複素環基を表し、複数のQ1は互いに同一であっても異なっていてもよい。T1は1価の芳香族複素環基を表し、複数のT1は互いに同一であっても異なっていてもよい。R1及びR2は水素原子又は置換基を表し、複数のR1及びR2はそれぞれ互いに同一であっても異なっていてもよく、また、隣り合うR1又はR2は互いに連結して環を形成していてもよい。 In general formulas (I) and (II), Q 1 and Q 2 represent a divalent aromatic heterocyclic group, and a plurality of Q 1 may be the same as or different from each other. T 1 represents a monovalent aromatic heterocyclic group, and a plurality of T 1 may be the same as or different from each other. R 1 and R 2 represent a hydrogen atom or a substituent, and a plurality of R 1 and R 2 may be the same or different from each other, and adjacent R 1 or R 2 are connected to each other to form a ring May be formed.

前記一般式(I)又は(II)におけるヒドロキシ基(OH基)は、プロトンを放出したフェノラート基になり、金属原子に配位していてもよい。   The hydroxy group (OH group) in the general formula (I) or (II) becomes a phenolate group from which a proton has been released, and may be coordinated to a metal atom.

前記一般式(I)又は(II)におけるR1又はR2が表す置換基としては、例えば、水
酸基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基、カルボキシル基、ホルミル基、スルホニル基、ハロゲン原子、置換されていてもよい1価の炭化水素基、置換されていてもよいヒドロカルビルオキシ基(置換されていてもよい炭化水素オキシ基)、非置換又は置換の1価の炭化水素基2個で置換されたアミノ基(即ち、置換されていてもよい炭化水素二置換アミノ基)、置換されていてもよいヒドロカルビルメルカプト基(置換されていてもよい炭化水素メルカプト基)、置換されていてもよいヒドロカルビルカルボニル基(置換されていてもよい炭化水素カルボニル基)、置換されていてもよいヒドロカルビルオキシカルボニル基(置換されていてもよい炭化水素オキシカルボニル基)、非置換又は置換の1価の炭化水素基2個で置換されたアミノカルボニル基(即ち、置換されていてもよい炭化水素二置換アミノカルボニル基)、又は置換されていてもよいヒドロカルビルオキシスルホニル基(置換されていてもよい炭化水素スルホニル基)が挙げられる。
Examples of the substituent represented by R 1 or R 2 in the general formula (I) or (II) include a hydroxyl group, an amino group, a nitro group, a cyano group, a carboxyl group, a formyl group, a sulfonyl group, a halogen atom, and a substituted group. Substituted with 2 monovalent hydrocarbon groups which may be substituted, hydrocarbyloxy group which may be substituted (hydrocarbonoxy group which may be substituted), unsubstituted or substituted monovalent hydrocarbon group An amino group (that is, an optionally substituted hydrocarbon disubstituted amino group), an optionally substituted hydrocarbyl mercapto group (an optionally substituted hydrocarbon mercapto group), an optionally substituted hydrocarbylcarbonyl group (Optionally substituted hydrocarbon carbonyl group), optionally substituted hydrocarbyloxycarbonyl group (optionally substituted hydrocarbon) Xoxycarbonyl group), an aminocarbonyl group substituted with two unsubstituted or substituted monovalent hydrocarbon groups (that is, an optionally substituted hydrocarbon disubstituted aminocarbonyl group), or an optionally substituted group. Examples thereof include a hydrocarbyloxysulfonyl group (an optionally substituted hydrocarbon sulfonyl group).

これらの中で、置換されていてもよい1価の炭化水素基、置換されていてもよいヒドロカルビルオキシ基、非置換又は置換の1価の炭化水素基2個で置換されたアミノ基、置換されていてもよいヒドロカルビルメルカプト基、置換されていてもよいヒドロカルビルカルボニル基、置換されていてもよいヒドロカルビルオキシカルボニル基が好ましく、置換されていてもよい1価の炭化水素基、置換されていてもよいヒドロカルビルオキシ基、非置換又は置換の1価の炭化水素基2個で置換されたアミノ基がより好ましく、置換されていてもよい1価の炭化水素基、置換されていてもよいヒドロカルビルオキシ基がさらに好ましい。   Among these, an optionally substituted monovalent hydrocarbon group, an optionally substituted hydrocarbyloxy group, an amino group substituted with two unsubstituted or substituted monovalent hydrocarbon groups, a substituted An optionally substituted hydrocarbyl mercapto group, an optionally substituted hydrocarbylcarbonyl group, and an optionally substituted hydrocarbyloxycarbonyl group are preferred, an optionally substituted monovalent hydrocarbon group, and optionally substituted More preferred are a hydrocarbyloxy group, an amino group substituted with two unsubstituted or substituted monovalent hydrocarbon groups, an optionally substituted monovalent hydrocarbon group, and an optionally substituted hydrocarbyloxy group. Further preferred.

これらの基において、水素原子の結合した窒素原子は、1価の炭化水素基で置換されていることが好ましい。また、R1又はR2で表される基が複数の置換基を有する場合には、2個の置換基が連結して環を形成してもよい。 In these groups, the nitrogen atom to which a hydrogen atom is bonded is preferably substituted with a monovalent hydrocarbon group. Moreover, when the group represented by R 1 or R 2 has a plurality of substituents, two substituents may be linked to form a ring.

上記R1又はR2で表される1価の炭化水素基としては、例えば、メチル基、エチル基
、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ノニル基、ドデシル基、ペンタデシル基、オクタデシル基、ドコシル基等の炭素数1〜50のアルキル基(好ましくは炭素数1〜20のアルキル基);シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロへキシル基、シクロノニル基、シクロドデシル基、ノルボニル基、アダマンチル基等の炭素数3〜50の環状飽和炭化水素基(好ましくは炭素数3〜20の環状飽和炭化水素基);エテニル基、プロペニル基、3−ブテニル基、2−ブテニル基、2−ペンテニル基、2−ヘキセニル基、2−ノネニル基、2−ドデセニル基等の炭素数2〜50のアルケニル基(好ましくは2〜20のアルケニル基);フェニル基、1−ナフチル基、2−ナフチル基、2−メチルフェニル基、3−メチルフェニル基、4−メチルフェニル基、4−エチルフェニル基、4−プロピルフェニル基、4−イソプロピルフェニル基、4−ブチルフェニル基、4−tert−ブチルフェニル基、4−ヘキシルフェニル基、4−シクロヘキシルフェニル基、4−アダマンチルフェニル基、4−フェニルフェニル基等の炭素数6〜50のアリール基(好ましくは6〜20のアリール基);フェニルメチル基、1−フェニルエチル基、2−フェニルエチル基、1−フェニル−1−プロピル基、1−フェニル−2−プロピル基、2−フェニル−2−プロピル基、3−フェニル−1−プロピル基、4−フェニル−1−ブチル基、5−フェニル−1−ペンチル基、6−フェニル−1−ヘキシル基等の炭素数7〜50のアラルキル基(好ましくは7〜20のアラルキル基)が挙げられる。
Examples of the monovalent hydrocarbon group represented by R 1 or R 2 include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, a butyl group, an isobutyl group, a sec-butyl group, a tert-butyl group, and pentyl. Group, hexyl group, nonyl group, dodecyl group, pentadecyl group, octadecyl group, docosyl group, etc., an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms (preferably an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms); cyclopropyl group, cyclobutyl group, cyclopentyl Group, cyclohexyl group, cyclononyl group, cyclododecyl group, norbornyl group, adamantyl group, etc., C3-C50 cyclic saturated hydrocarbon group (preferably C3-C20 cyclic saturated hydrocarbon group); ethenyl group , Propenyl group, 3-butenyl group, 2-butenyl group, 2-pentenyl group, 2-hexenyl group, 2-nonenyl group, 2-dode An alkenyl group having 2 to 50 carbon atoms such as a senyl group (preferably an alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms); a phenyl group, a 1-naphthyl group, a 2-naphthyl group, a 2-methylphenyl group, a 3-methylphenyl group, 4- Methylphenyl group, 4-ethylphenyl group, 4-propylphenyl group, 4-isopropylphenyl group, 4-butylphenyl group, 4-tert-butylphenyl group, 4-hexylphenyl group, 4-cyclohexylphenyl group, 4- An aryl group having 6 to 50 carbon atoms (preferably an aryl group having 6 to 20 carbon atoms) such as adamantylphenyl group and 4-phenylphenyl group; phenylmethyl group, 1-phenylethyl group, 2-phenylethyl group, 1-phenyl- 1-propyl group, 1-phenyl-2-propyl group, 2-phenyl-2-propyl group, 3-phenyl-1-propyl group 4-phenyl-1-butyl group, 5-phenyl-1-pentyl group, 6-phenyl-1- (preferably an aralkyl group having 7 to 20) aralkyl group having 7 to 50 carbon atoms such as a hexyl group include.

1又はR2で表される1価の炭化水素基としては、炭素数1〜20のものが好ましく、炭素数1〜12のものがより好ましく、炭素数2〜12のものがより好ましい。また、炭素数1〜10のものがさらに好ましく、炭素数3〜10のものがより好ましい。また、炭素数1〜10のアルキル基が特に好ましく、炭素数3〜10のアルキル基が特に好ましい。 As a monovalent hydrocarbon group represented by R 1 or R 2 , those having 1 to 20 carbon atoms are preferable, those having 1 to 12 carbon atoms are more preferable, and those having 2 to 12 carbon atoms are more preferable. Further, those having 1 to 10 carbon atoms are more preferable, and those having 3 to 10 carbon atoms are more preferable. Moreover, a C1-C10 alkyl group is especially preferable, and a C3-C10 alkyl group is especially preferable.

1又はR2で表されるヒドロカルビルオキシ基、ヒドロカルビルメルカプト基、ヒド
ロカルビルカルボニル基、ヒドロカルビルオキシカルボニル基、ヒドロカルビルスルホニル基は、それぞれ、オキシ基、メルカプト基、カルボニル基、オキシカルボニル基、スルホニル基に、前記の1価の炭化水素基が1個結合してなる基である。
The hydrocarbyloxy group, hydrocarbyl mercapto group, hydrocarbylcarbonyl group, hydrocarbyloxycarbonyl group, and hydrocarbylsulfonyl group represented by R 1 or R 2 are respectively an oxy group, a mercapto group, a carbonyl group, an oxycarbonyl group, and a sulfonyl group. This is a group formed by bonding one monovalent hydrocarbon group.

1又はR2で表される「非置換又は置換の1価の炭化水素基2個で置換されたアミノ
基」、「非置換又は置換の1価の炭化水素基2個で置換されたアミノカルボニル基」は、それぞれ、アミノ基、アミノカルボニル基(即ち、−C(=O)−NH2基)中の2個の水素原子が前記の1価の炭化水素基に置換された基である。これらに含まれる1価の炭化水素基の具体例及び好ましい例は、前記のR1で表される1価の炭化水素基と同じである。
“Amino group substituted with two unsubstituted or substituted monovalent hydrocarbon groups” represented by R 1 or R 2 , “amino substituted with two unsubstituted or substituted monovalent hydrocarbon groups” The “carbonyl group” is a group in which two hydrogen atoms in an amino group and an aminocarbonyl group (that is, —C (═O) —NH 2 group) are substituted with the monovalent hydrocarbon group. . Specific examples and preferred examples of the monovalent hydrocarbon group contained in these are the same as the monovalent hydrocarbon group represented by R 1 described above.

1で表される1価の炭化水素基、ヒドロカルビルオキシ基、ヒドロカルビルメルカプト基、ヒドロカルビルカルボニル基、ヒドロカルビルオキシカルボニル基、ヒドロカルビルスルホニル基は、これらの基に含まれる水素原子の一部又は全部が、ハロゲン原子、水酸基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基、置換されていてもよい1価の炭化水素基、置換されていてもよいヒドロカルビルオキシ基、置換されていてもよいヒドロカルビルメルカプト基、置換されていてもよいヒドロカルビルカルボニル基、置換されていてもよいヒドロカルビルオキシカルボニル基、置換されていてもよいヒドロカルビルスルホニル基等で置換されていてもよい。 The monovalent hydrocarbon group represented by R 1 , hydrocarbyloxy group, hydrocarbyl mercapto group, hydrocarbylcarbonyl group, hydrocarbyloxycarbonyl group, and hydrocarbylsulfonyl group have a part or all of the hydrogen atoms contained in these groups, Halogen atom, hydroxyl group, amino group, nitro group, cyano group, monovalent hydrocarbon group which may be substituted, hydrocarbyloxy group which may be substituted, hydrocarbyl mercapto group which may be substituted, substituted It may be substituted with an optionally substituted hydrocarbylcarbonyl group, an optionally substituted hydrocarbyloxycarbonyl group, an optionally substituted hydrocarbylsulfonyl group, and the like.

1及びR2は、後述する加熱処理による触媒活性の向上の観点から、前記の中でも、水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、フェニル基、メチルフェニル基、ナフチル基、及びピリジル基から選ばれる基が特に好ましい。 R 1 and R 2 are each a hydrogen atom, a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, an isobutyl group, sec-butyl, from the viewpoint of improving catalytic activity by heat treatment described later. A group selected from a group, a tert-butyl group, a phenyl group, a methylphenyl group, a naphthyl group, and a pyridyl group is particularly preferable.

前記一般式(I)及び(II)中、Q1及びQ2は、置換されてもよい2価の芳香族複素環基であり、複数あるQ1は、それぞれ同一であっても異なっていてもよい。 In the general formulas (I) and (II), Q 1 and Q 2 are divalent aromatic heterocyclic groups that may be substituted, and a plurality of Q 1 may be the same or different. Also good.

前記置換されていてもよい2価の芳香族複素環基は、芳香族複素環が水素原子を2個失って生じる2価の基である。該芳香族複素環としては、例えば、下記構造式(III-1)〜(III-15)で表される2価の芳香族複素環基を例示することができる。特に好ましくは、(III-1)〜(III-8)である。該芳香族複素環は、前記R1又はR2の置換基で置換されてもよい。また、該芳香族複素環を構成するヘテロ原子がプロトンを放出して金属原子に配位してもよい。 The optionally substituted divalent aromatic heterocyclic group is a divalent group formed by the loss of two hydrogen atoms from the aromatic heterocyclic ring. Examples of the aromatic heterocyclic ring include divalent aromatic heterocyclic groups represented by the following structural formulas (III-1) to (III-15). Particularly preferred are (III-1) to (III-8). The aromatic heterocyclic ring may be substituted with the substituent of R 1 or R 2 . Moreover, the hetero atom which comprises this aromatic heterocyclic ring may discharge | release a proton, and may coordinate to a metal atom.

Figure 2008258152
Figure 2008258152

前記一般式(II)におけるT1は、置換されてもよい1価の芳香族複素環基であり、複数のT1は互いに同一であっても異なっていてもよい。 T 1 in the general formula (II) is a monovalent aromatic heterocyclic group which may be substituted, and a plurality of T 1 may be the same as or different from each other.

該置換されていてもよい1価の芳香族複素環基とは、芳香族複素環が水素原子を1個失って生じる1価の基である。   The monovalent aromatic heterocyclic group that may be substituted is a monovalent group that is generated when an aromatic heterocyclic ring loses one hydrogen atom.

該芳香族複素環としては、例えば、ピリジン、ピリミジン、ピラジン、ピリダジン、ピロール、フラン、チオフェン、チアゾール、イミダゾール、オキサゾール、トリアゾール、インドール、ベンゾイミダゾール、ベンゾフラン、ベンゾチオフェン、キノリン、イソキノリン、シンノリン、フタラジン、キナゾール、キノキサリン、ベンゾジアジン、1,10−フェナントロリン、ナフチリジン等を挙げることができ、好ましくは、ピリジン、ピリミジン、ピラジン、ピリダジン、ピロールである。これらは、前記R1又はR2の置換基で置換されてもよい。 Examples of the aromatic heterocycle include pyridine, pyrimidine, pyrazine, pyridazine, pyrrole, furan, thiophene, thiazole, imidazole, oxazole, triazole, indole, benzimidazole, benzofuran, benzothiophene, quinoline, isoquinoline, cinnoline, phthalazine, Quinazole, quinoxaline, benzodiazine, 1,10-phenanthroline, naphthyridine and the like can be mentioned, and pyridine, pyrimidine, pyrazine, pyridazine and pyrrole are preferable. These may be substituted with the substituent of R 1 or R 2 .

本発明に用いられる卑金属錯体の配位子としては、前記一般式(I)又は(II)で表される化合物が好ましく、その具体例を以下に列挙するが(例示化合物(IV-1)〜(IV-8))、本発明はこれらに限定されない。なお、各例示化合物中、tBuはtert−ブチルを示す。 The ligand of the base metal complex used in the present invention is preferably a compound represented by the general formula (I) or (II), and specific examples thereof are listed below (Exemplary Compound (IV-1) to (IV-8)), the present invention is not limited to these. In each exemplified compound, t Bu represents tert-butyl.

Figure 2008258152
Figure 2008258152

前記一般式(I)又は(II)で表される化合物は、例えば「Tetrahedron」,Vol.55,p.8377(1999)の記載を参考にして調製することができる。また、前記文献の記載を参考にして複素環を有する前駆体を合成したのち、相当するアルデヒドで閉環反応させることにより合成できる。   The compound represented by the general formula (I) or (II) is, for example, “Tetrahedron”, Vol. 55, p. It can be prepared with reference to the description of 8377 (1999). Moreover, it can synthesize | combine by making the precursor which has a heterocyclic ring with reference to description of the said literature, and making it ring-react with a corresponding aldehyde.

本発明に用いられる卑金属錯体は、前記配位子に加え、他の配位子を有していてもよい。このような他の配位子としてはイオン性でも電気的に中性の化合物でもよく、このような他の配位子を複数有する場合、これらの他の配位子は互いに同一でも異なっていてもよい。   The base metal complex used in the present invention may have another ligand in addition to the ligand. Such other ligands may be ionic or electrically neutral compounds, and when there are a plurality of such other ligands, these other ligands may be the same or different from each other. Also good.

前記他の配位子としては、電気的に中性の化合物として、アンモニア、ピリジン、ピロール、ピリダジン、ピリミジン、ピラジン、1,2,4−トリアジン、ピラゾール、イミダゾール、1,2,3−トリアゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、1,3,4−オキサジアゾール、チアゾール、イソチアゾール、インドール、インダゾール、キノリン、イソキノリン、フェナントリジン、シンノリン、フタラジン、キナゾリン、キノキサリン、1,8−ナフチリジン、アクリジン、2,2’−ビピリジン、4,4’−ビピリジン、1,10−フェナントロリン、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、フェニレンジアミン、シクロヘキサンジアミン、ピリジン−N−オキシド、2,2’−ビピリジン−N,N’−ジオキシド、オキサミド、ジメチルグリオキシム、o−アミノフェノールなどの窒素原子含有化合物;水、フェノール、シュウ酸、カテコール、サリチル酸、フタル酸、2,4−ペンタンジオン、1,1,1−トリフルオロ−2,4−ペンタンジオン、ヘキサフルオロペンタンジオン、1,3−ジフェニル−1,3−プロパンジオン、2,2’−ビナフトール等の酸素原子含有化合物;ジメチルスルホキシド、尿素等の硫黄原子含有化合物;1,2−ビス(ジメチルホスフィノ)エタン、1,2−フェニレンビス(ジメチルホスフィン)等のリン原子含有化合物等が例示される。   As the other ligand, as an electrically neutral compound, ammonia, pyridine, pyrrole, pyridazine, pyrimidine, pyrazine, 1,2,4-triazine, pyrazole, imidazole, 1,2,3-triazole, Oxazole, isoxazole, 1,3,4-oxadiazole, thiazole, isothiazole, indole, indazole, quinoline, isoquinoline, phenanthridine, cinnoline, phthalazine, quinazoline, quinoxaline, 1,8-naphthyridine, acridine, 2, 2'-bipyridine, 4,4'-bipyridine, 1,10-phenanthroline, ethylenediamine, propylenediamine, phenylenediamine, cyclohexanediamine, pyridine-N-oxide, 2,2'-bipyridine-N, N'-dioxide, oxami Nitrogen-containing compounds such as dimethylglyoxime and o-aminophenol; water, phenol, oxalic acid, catechol, salicylic acid, phthalic acid, 2,4-pentanedione, 1,1,1-trifluoro-2,4- Oxygen atom-containing compounds such as pentanedione, hexafluoropentanedione, 1,3-diphenyl-1,3-propanedione, 2,2′-binaphthol; sulfur atom-containing compounds such as dimethyl sulfoxide and urea; 1,2-bis Examples thereof include phosphorus atom-containing compounds such as (dimethylphosphino) ethane and 1,2-phenylenebis (dimethylphosphine).

これらの中で好ましくはアンモニア、ピリジン、ピロール、ピリダジン、ピリミジン、ピラジン、1,2,4−トリアジン、ピラゾール、イミダゾール、1,2,3−トリアゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、1,3,4−オキサジアゾール、インドール、インダゾール、キノリン、イソキノリン、フェナントリジン、シンノリン、フタラジン、キナゾリン、キノキサリン、1,8−ナフチリジン、アクリジン、2,2’−ビピリジン、4,4’−ビピリジン、1,10−フェナントロリン、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、フェニレンジアミン、シクロヘキサンジアミン、ピリジン−N−オキシド、2,2’−ビピリジン−N,N’−ジオキシド、オキサミド、ジメチルグリオキシム、o−アミノフェノール、水、フェノール、シュウ酸、カテコール、サリチル酸、フタル酸、2,4−ペンタンジオン、1,1,1−トリフルオロ−2,4−ペンタンジオン、ヘキサフルオロペンタンジオン、1,3−ジフェニル−1,3−プロパンジオン、2,2’−ビナフトールである。
より好ましくはアンモニア、ピリジン、ピロール、ピリダジン、ピリミジン、ピラジン、1,2,4−トリアジン、ピラゾール、イミダゾール、1,2,3−トリアゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、1,3,4−オキサジアゾール、インドール、インダゾール、キノリン、イソキノリン、フェナントリジン、シンノリン、フタラジン、キナゾリン、キノキサリン、1,8−ナフチリジン、アクリジン、2,2’−ビピリジン、4,4’−ビピリジン、1,10−フェナントロリン、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、フェニレンジアミン、シクロヘキサンジアミン、ピリジン−N−オキシド、2,2’−ビピリジン−N,N’−ジオキシド、o−アミノフェノール、フェノール、カテコール、サリチル酸、フタル酸、1,3−ジフェニル−1,3−プロパンジオン、2,2’−ビナフトールが挙げられる。
Among these, ammonia, pyridine, pyrrole, pyridazine, pyrimidine, pyrazine, 1,2,4-triazine, pyrazole, imidazole, 1,2,3-triazole, oxazole, isoxazole, 1,3,4-oxa Diazole, indole, indazole, quinoline, isoquinoline, phenanthridine, cinnoline, phthalazine, quinazoline, quinoxaline, 1,8-naphthyridine, acridine, 2,2'-bipyridine, 4,4'-bipyridine, 1,10-phenanthroline , Ethylenediamine, propylenediamine, phenylenediamine, cyclohexanediamine, pyridine-N-oxide, 2,2′-bipyridine-N, N′-dioxide, oxamide, dimethylglyoxime, o-aminophenol, water, phenol, Oxalic acid, catechol, salicylic acid, phthalic acid, 2,4-pentanedione, 1,1,1-trifluoro-2,4-pentanedione, hexafluoropentanedione, 1,3-diphenyl-1,3-propanedione 2,2′-binaphthol.
More preferably ammonia, pyridine, pyrrole, pyridazine, pyrimidine, pyrazine, 1,2,4-triazine, pyrazole, imidazole, 1,2,3-triazole, oxazole, isoxazole, 1,3,4-oxadiazole, Indole, indazole, quinoline, isoquinoline, phenanthridine, cinnoline, phthalazine, quinazoline, quinoxaline, 1,8-naphthyridine, acridine, 2,2'-bipyridine, 4,4'-bipyridine, 1,10-phenanthroline, ethylenediamine, Propylenediamine, phenylenediamine, cyclohexanediamine, pyridine-N-oxide, 2,2'-bipyridine-N, N'-dioxide, o-aminophenol, phenol, catechol, salicylic acid, phthalic acid, 1,3-diph Examples include phenyl-1,3-propanedione and 2,2′-binaphthol.

これらの中でも、ピリジン、ピロール、ピリダジン、ピリミジン、ピラジン、ピラゾール、イミダゾール、オキサゾール、インドール、キノリン、イソキノリン、アクリジン、2,2’−ビピリジン、4,4’−ビピリジン、1,10−フェナントロリン、フェニレンジアミン、ピリジン−N−オキシド、2,2’−ビピリジン−N,N’−ジオキシド、o−アミノフェノール、フェノールがさらに好ましい。   Among these, pyridine, pyrrole, pyridazine, pyrimidine, pyrazine, pyrazole, imidazole, oxazole, indole, quinoline, isoquinoline, acridine, 2,2'-bipyridine, 4,4'-bipyridine, 1,10-phenanthroline, phenylenediamine More preferred are pyridine-N-oxide, 2,2′-bipyridine-N, N′-dioxide, o-aminophenol and phenol.

また、アニオン性を有する配位子としては、水酸化物イオン、ペルオキシド、スーパーオキシド、シアン化物イオン、チオシアン酸イオン、フッ化物イオン、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオンなどのハロゲン化物イオン、硫酸イオン、硝酸イオン、炭酸イオン、過塩素酸イオン、テトラフルオロボレートイオン、テトラフェニルボレートイオンなどのテトラアリールボレートイオン、ヘキサフルオロホスフェイトイオン、メタンスルホン酸イオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、p−トルエンスルホン酸イオン、ベンゼンスルホン酸イオン、リン酸イオン、亜リン酸イオン、酢酸イオン、トリフルオロ酢酸イオン、プロピオン酸イオン、安息香酸イオン、水酸化物イオン、金属酸化物イオン、メトキサイドイオン、エトキサイドイオン等が挙げられる。   Examples of the anionic ligand include hydroxide ions, peroxides, superoxides, cyanide ions, thiocyanate ions, fluoride ions, chloride ions, bromide ions, iodide ions and the like, Sulfate ion, nitrate ion, carbonate ion, perchlorate ion, tetrafluoroborate ion, tetraarylborate ion such as tetraphenylborate ion, hexafluorophosphate ion, methanesulfonate ion, trifluoromethanesulfonate ion, p-toluene Sulfonate ion, benzenesulfonate ion, phosphate ion, phosphite ion, acetate ion, trifluoroacetate ion, propionate ion, benzoate ion, hydroxide ion, metal oxide ion, methoxide ion, etho Side ion, and the like.

好ましくは、水酸化物イオン、硫酸イオン、硝酸イオン、炭酸イオン、過塩素酸イオン、テトラフルオロボレートイオン、テトラフェニルボレートイオン、ヘキサフルオロホスフェイトイオン、メタンスルホン酸イオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、p−トルエンスルホン酸イオン、ベンゼンスルホン酸イオン、リン酸イオン、酢酸イオン、トリフルオロ酢酸イオンが例示され、これらの中でも、水酸化物イオン、硫酸イオン、硝酸イオン、炭酸イオン、テトラフェニルボレートイオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、p−トルエンスルホン酸イオン、酢酸イオン、トリフルオロ酢酸イオンがより好ましい。   Preferably, hydroxide ion, sulfate ion, nitrate ion, carbonate ion, perchlorate ion, tetrafluoroborate ion, tetraphenylborate ion, hexafluorophosphate ion, methanesulfonate ion, trifluoromethanesulfonate ion, p -Toluene sulfonate ion, benzene sulfonate ion, phosphate ion, acetate ion, trifluoroacetate ion are exemplified, among which hydroxide ion, sulfate ion, nitrate ion, carbonate ion, tetraphenylborate ion, trifluoro ion Lomethanesulfonic acid ions, p-toluenesulfonic acid ions, acetate ions, and trifluoroacetic acid ions are more preferable.

さらに、前記アニオン性を有する配位子として例示したイオンは、本発明に用いられる卑金属錯体自体を電気的に中和する対イオンとして有していてもよい。   Furthermore, the ions exemplified as the ligand having an anionic property may have as a counter ion for electrically neutralizing the base metal complex itself used in the present invention.

また、本発明に用いられる卑金属錯体は、電気的中性を保たせるようなカチオン性を有する対イオンを有していてもよい。
カチオン性を有する対イオンとしては、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、テトラ(n−ブチル)アンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン等のテトラアルキルアンモニウムイオン、テトラフェニルホスホニウムイオンなどのテトラアリールホスホニウムイオン等が例示される。
具体的には、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、ルビジウムイオン、セシウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、ストロンチウムイオン、バリウムイオン、テトラ(n−ブチル)アンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラフェニルホスホニウムイオンが挙げられ、より好ましくはテトラ(n−ブチル)アンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラフェニルホスホニウムイオンが挙げられる。
これらの中でも、カチオン性を有する対イオンとして、テトラ(n−ブチル)アンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオンが好ましい。
本発明に用いられる卑金属錯体の調製は、次のように行うことができる。
次に、本発明に用いられる卑金属錯体の合成法について説明する。該卑金属錯体は、配位子を、卑金属原子を付与する反応剤(以下、「金属付与剤」と呼ぶ)と混合することにより得ることができる。金属付与剤としては、前記に具体例として例示した卑金属の酢酸塩、塩化物、硫酸塩、炭酸塩などを用いることができる。
配位子の合成は、非特許文献Tetrahedron,1999,55,8377.に記載されているように、有機金属反応剤の複素環式化合物への付加反応及び酸化をおこない、ハロゲン化反応、次いで遷移金属触媒を用いたクロスカップリング反応によって合成することができる。また、複素環のハロゲン化物を用いて、段階的にクロスカップリング反応で合成することも可能である。
前記のとおり、本発明の卑金属錯体は、配位子及び金属付与剤を適当な反応溶媒の存在下で混合させることで得ることができる。具体的には、反応溶媒としては、水、酢酸、シュウ酸、アンモニア水、メタノール、エタノール、n−プロパノ−ル、イソプロピルアルコール、2−メトキシエタノール、1−ブタノール、1,1−ジメチルエタノール、エチレングリコール、ジエチルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、メチルエチルエーテル、1,4−ジオキサン、テトラヒドロフラン、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、デュレン、デカリン、ジクロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素、クロロベンゼン、1,2−ジクロロベンゼン、N,N’−ジメチルホルムアミド、N,N’−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、アセトン、アセトニトリル、ベンゾニトリル、トリエチルアミン、ピリジンが挙げられ、これらを2種以上混合してなる反応溶媒を用いてもよいが、配位子及び金属付与剤が溶解し得るものが好ましい。反応温度としては通常−10〜200℃、好ましくは0〜150℃、特に好ましくは0〜100℃、反応時間としては通常1分〜1週間、好ましくは5分〜24時間、特に好ましくは1時間〜12時間で実施することができる。なお、反応温度および反応時間についても、配位子及び金属付与剤の種類によって適宜設定できる。
反応後の反応溶液から、生成した卑金属錯体を単離精製する手段としては、公知の再結晶法、再沈殿法あるいはクロマトグラフィー法から適宜最適な手段を選択して用いることができ、これらの手段を組み合わせてもよい。なお、前記反応溶媒の種類によっては、生成した卑金属錯体が析出する場合があり、析出した卑金属錯体を濾別等で分離し、必要に応じて洗浄操作や乾燥操作を行うことでも、卑金属錯体を単離精製することもできる。
本発明に用いられる卑金属錯体として、下記式(V−1)〜(V−8)で表される卑金属錯体を例示する。式中のMおよびMは卑金属原子を表し、具体的には、前記卑金属原子が例示される。MおよびMは、それぞれ互いに同一であっても異なっていてもよい。また、Meはメチル、tBuはtert−ブチルを示す。なお、式中、卑金属錯体の電荷は省略してある。
In addition, the base metal complex used in the present invention may have a counter ion having a cationic property that maintains electrical neutrality.
Examples of the counter ion having a cationic property include alkali metal ions, alkaline earth metal ions, tetraalkylammonium ions such as tetra (n-butyl) ammonium ion and tetraethylammonium ion, and tetraarylphosphonium ions such as tetraphenylphosphonium ion. Illustrated.
Specifically, lithium ion, sodium ion, potassium ion, rubidium ion, cesium ion, magnesium ion, calcium ion, strontium ion, barium ion, tetra (n-butyl) ammonium ion, tetraethylammonium ion, tetraphenylphosphonium ion More preferred are tetra (n-butyl) ammonium ion, tetraethylammonium ion, and tetraphenylphosphonium ion.
Among these, tetra (n-butyl) ammonium ions and tetraethylammonium ions are preferable as the counter ion having a cationic property.
The base metal complex used in the present invention can be prepared as follows.
Next, a method for synthesizing the base metal complex used in the present invention will be described. The base metal complex can be obtained by mixing the ligand with a reactant that imparts a base metal atom (hereinafter referred to as “metal imparting agent”). As the metal-imparting agent, base metal acetates, chlorides, sulfates, carbonates and the like exemplified as specific examples can be used.
The synthesis of the ligand involves the addition reaction and oxidation of the organometallic reagent to the heterocyclic compound, as described in the non-patent document Tetrahedron, 1999, 55, 8377. It can be synthesized by a cross-coupling reaction using a metal catalyst. Moreover, it is also possible to synthesize | combine by a cross-coupling reaction in steps using the halide of a heterocyclic ring.
As described above, the base metal complex of the present invention can be obtained by mixing a ligand and a metal imparting agent in the presence of a suitable reaction solvent. Specifically, the reaction solvent includes water, acetic acid, oxalic acid, aqueous ammonia, methanol, ethanol, n-propanol, isopropyl alcohol, 2-methoxyethanol, 1-butanol, 1,1-dimethylethanol, ethylene. Glycol, diethyl ether, 1,2-dimethoxyethane, methyl ethyl ether, 1,4-dioxane, tetrahydrofuran, benzene, toluene, xylene, mesitylene, durene, decalin, dichloromethane, chloroform, carbon tetrachloride, chlorobenzene, 1,2- Examples include dichlorobenzene, N, N′-dimethylformamide, N, N′-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, acetone, acetonitrile, benzonitrile, triethylamine, and pyridine. It may be used by mixing two or more reaction solvent, but is preferably one ligand and the metal-providing agent is soluble. The reaction temperature is usually −10 to 200 ° C., preferably 0 to 150 ° C., particularly preferably 0 to 100 ° C., and the reaction time is usually 1 minute to 1 week, preferably 5 minutes to 24 hours, particularly preferably 1 hour. It can be carried out in ~ 12 hours. The reaction temperature and reaction time can also be appropriately set depending on the type of ligand and metal imparting agent.
As a means for isolating and purifying the generated base metal complex from the reaction solution after the reaction, an optimum means can be appropriately selected from known recrystallization methods, reprecipitation methods or chromatography methods, and these means can be used. May be combined. Depending on the type of the reaction solvent, the generated base metal complex may be precipitated. The precipitated base metal complex may be separated by filtration, etc., and the base metal complex may be removed by washing or drying as necessary. It can also be isolated and purified.
Examples of the base metal complex used in the present invention include base metal complexes represented by the following formulas (V-1) to (V-8). M 1 and M 2 in the formula represent a base metal atom, and specific examples thereof include the base metal atom. M 1 and M 2 may be the same as or different from each other. Me represents methyl, and t Bu represents tert-butyl. In the formula, the charge of the base metal complex is omitted.

Figure 2008258152
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本発明に用いられる卑金属錯体は、そのまま電極触媒として用いることができ、カーボンなどの導電性担体に分散させて電極触媒として用いることもできる。   The base metal complex used in the present invention can be used as an electrode catalyst as it is, or can be used as an electrode catalyst by being dispersed in a conductive carrier such as carbon.

また、本発明の膜−電極接合体は、卑金属錯体を担持させたポリマーを電極触媒として用いることもできる。該ポリマーの形態としては、卑金属錯体の残基を有するポリマーや、卑金属錯体の残基を繰り返し単位として有するポリマーなどを例示することができる。前記卑金属錯体の残基を有するポリマーとは、卑金属錯体における水素原子の一部又は全部(通常、1個)を取り除いてなる原子団からなる基を有するポリマーを意味しており、この場合に用いられるポリマーとして、特に制限はないが、導電性高分子、デンドリマー、天然高分子、固体高分子電解質、ポリエチレン、ポリエチレングリコール、ポリプロピレン等を例示することができる。その中でも、導電性高分子、固体高分子電解質が特に好ましい。導電性高分子とは金属的または半金属的な導電性を示す高分子物質の総称である(岩波理化学辞典第5版:1988年発行)。導電性高分子としては、「導電性ポリマー」(吉村進一著、共立出版)や「導電性高分子の最新応用技術」(小林征男監修、シーエムシー出版)に記載されているような、ポリアセチレン及びその誘導体、ポリパラフェニレン及びその誘導体、ポリパラフェニレンビニレン及びその誘導体、ポリアニリン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体、ポリピロール及びその誘導体、ポリフルオレン及びその誘導体、ポリフルオレン及びその誘導体、ポリカルバゾール及びその誘導体、ポリインドール及びその誘導体、ならびに前記導電性高分子の共重合体などを挙げることができる。
固体高分子電解質としては、パーフルオロスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリフェニレン、ポリアリーレン、ポリアリーレンエーテルスルホンをスルホン化した高分子などを挙げることができる。
The membrane-electrode assembly of the present invention can also use a polymer carrying a base metal complex as an electrode catalyst. Examples of the form of the polymer include a polymer having a residue of a base metal complex and a polymer having a residue of a base metal complex as a repeating unit. The polymer having a residue of the base metal complex means a polymer having a group consisting of an atomic group formed by removing part or all (usually one) of hydrogen atoms in the base metal complex. The polymer to be used is not particularly limited, and examples thereof include conductive polymers, dendrimers, natural polymers, solid polymer electrolytes, polyethylene, polyethylene glycol, and polypropylene. Among these, a conductive polymer and a solid polymer electrolyte are particularly preferable. The conductive polymer is a general term for polymer substances showing metallic or semi-metallic conductivity (Iwanami Riken Dictionary 5th edition: published in 1988). Examples of conductive polymers include polyacetylene and polyacetylene described in “Conductive Polymers” (Shinichi Yoshimura, Kyoritsu Publishing) and “Latest Applied Technologies for Conducting Polymers” (supervised by Masao Kobayashi, CMC Publishing). Derivatives thereof, polyparaphenylene and derivatives thereof, polyparaphenylene vinylene and derivatives thereof, polyaniline and derivatives thereof, polythiophene and derivatives thereof, polypyrrole and derivatives thereof, polyfluorene and derivatives thereof, polyfluorene and derivatives thereof, polycarbazole and derivatives thereof , Polyindole and derivatives thereof, and copolymers of the conductive polymers.
Examples of the solid polymer electrolyte include perfluorosulfonic acid, polyether ether ketone, polyimide, polyphenylene, polyarylene, and a polymer obtained by sulfonating polyarylene ether sulfone.

また、前記卑金属錯体の残基を繰り返し単位として有するポリマーとは、卑金属錯体における水素原子の一部又は全部(通常、2個)を取り除いてなる原子団からなる基を繰り返し単位として有するポリマーを意味する。   The polymer having a residue of the base metal complex as a repeating unit means a polymer having as a repeating unit a group consisting of an atomic group obtained by removing part or all (usually two) of hydrogen atoms in the base metal complex. To do.

また、本発明に用いられる卑金属錯体は、加熱処理を行ってから電極触媒として用いてもよい。触媒活性や安定性が向上する効果があるため、加熱処理を行うことが好ましい。   Moreover, you may use the base metal complex used for this invention as an electrode catalyst, after heat-processing. Heat treatment is preferably performed because of the effect of improving catalyst activity and stability.

加熱処理に用いる卑金属錯体は、1種の卑金属錯体のみを用いてもよく、2種以上の卑金属錯体を用いることもできる。
該卑金属錯体は、加熱処理を施す前処理として、15℃以上200℃以下の温度、10Torr(1333.22Pa)以下の減圧条件下において6時間以上乾燥させることが特に好ましい。該前処理としては、真空乾燥機等を用いることができる。
As the base metal complex used for the heat treatment, only one base metal complex may be used, or two or more base metal complexes may be used.
It is particularly preferable that the base metal complex is dried for 6 hours or more under a reduced pressure condition of 15 to 200 ° C. and 10 Torr (133.22 Pa) or less as a pretreatment for heat treatment. As the pretreatment, a vacuum dryer or the like can be used.

卑金属錯体の加熱処理を行う際に用いる雰囲気は、水素、一酸化炭素などの還元雰囲気、酸素、炭酸ガス、水蒸気などの酸化雰囲気、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの不活性ガス雰囲気、アンモニア、アセトニトリルなどの含窒素化合物のガス又は蒸気、並びにこれらの混合ガスの存在下であることが好ましい。
より好ましくは、還元雰囲気であれば、水素、もしくは水素と前記不活性ガスとの混合雰囲気、酸化雰囲気であれば、酸素、もしくは酸素と前記不活性ガスとの混合雰囲気、不活性ガス雰囲気であれば、窒素、ネオン、アルゴン、もしくはこれらの不活性ガスの混合雰囲気である。
また、加熱処理に係る圧力は、特に限定されるものではないが、0.5〜1.5気圧程度の常圧付近が好ましい。
The atmosphere used for the heat treatment of the base metal complex is a reducing atmosphere such as hydrogen or carbon monoxide, an oxidizing atmosphere such as oxygen, carbon dioxide or water vapor, or an inert gas such as nitrogen, helium, neon, argon, krypton, or xenon. It is preferable to be in the presence of an atmosphere, a gas or vapor of a nitrogen-containing compound such as ammonia or acetonitrile, and a mixed gas thereof.
More preferably, the reducing atmosphere is hydrogen or a mixed atmosphere of hydrogen and the inert gas, and the oxidizing atmosphere is oxygen, a mixed atmosphere of oxygen and the inert gas, or an inert gas atmosphere. For example, nitrogen, neon, argon, or a mixed atmosphere of these inert gases.
Moreover, the pressure which concerns on heat processing is although it does not specifically limit, The normal pressure vicinity of about 0.5-1.5 atmospheres is preferable.

該卑金属錯体を加熱処理する際の温度は、好ましくは250℃以上であり、より好ましくは300℃以上、さらに好ましくは400℃以上、特に好ましくは500℃以上である。また、加熱処理にかかる温度は、好ましくは1500℃以下であり、より好ましくは1200℃以下、特に好ましくは1000℃以下である。   The temperature at the time of heat-treating the base metal complex is preferably 250 ° C. or higher, more preferably 300 ° C. or higher, further preferably 400 ° C. or higher, and particularly preferably 500 ° C. or higher. Moreover, the temperature concerning heat processing becomes like this. Preferably it is 1500 degrees C or less, More preferably, it is 1200 degrees C or less, Most preferably, it is 1000 degrees C or less.

加熱処理にかかる処理時間は、前記の使用ガスや温度等により適宜設定できるが、上記ガスの密閉あるいは通気させた状態において、室温から徐々に温度を上昇させ目的温度到達後、すぐに降温してもよい。中でも、目的温度に到達後、温度を維持することで、徐々に卑金属錯体を加熱することが、耐久性をより向上させることができるため好ましい。目的とする温度到達後の保持時間は、好ましくは1〜100時間であり、より好ましくは1〜40時間であり、さらに好ましくは2時間〜10時間であり、特に好ましくは2〜3時間である。   The processing time required for the heat treatment can be appropriately set depending on the gas used, the temperature, etc. In the sealed or vented state of the gas, the temperature is gradually raised from room temperature and the temperature is lowered immediately after reaching the target temperature. Also good. Among them, it is preferable to gradually heat the base metal complex by maintaining the temperature after reaching the target temperature because durability can be further improved. The holding time after reaching the target temperature is preferably 1 to 100 hours, more preferably 1 to 40 hours, further preferably 2 hours to 10 hours, and particularly preferably 2 to 3 hours. .

加熱処理を行う装置は特に限定されるものではなく、管状炉、オーブン、ファーネス、IHホットプレート等が例示される。   The apparatus for performing the heat treatment is not particularly limited, and examples thereof include a tubular furnace, an oven, a furnace, and an IH hot plate.

本発明の膜−電極接合体の電極触媒としては、前述したような(a)卑金属錯体と(b)カーボン担体とを含む卑金属錯体混合物を、燃料電池用電極触媒として用いてもよい。   As an electrode catalyst of the membrane-electrode assembly of the present invention, a base metal complex mixture containing (a) a base metal complex and (b) a carbon carrier as described above may be used as an electrode catalyst for a fuel cell.

該卑金属錯体混合物における(a)と(b)との混合比率は、(a)及び(b)の合計質量に対し、(a)の含有量が1〜70質量%になるように設定することが好ましい。前記(a)卑金属錯体の含有量は2〜60質量%がより好ましく、3〜50質量%が特に好ましい。   The mixing ratio of (a) and (b) in the base metal complex mixture should be set so that the content of (a) is 1 to 70% by mass with respect to the total mass of (a) and (b). Is preferred. The content of the (a) base metal complex is more preferably 2 to 60% by mass, and particularly preferably 3 to 50% by mass.

前記カーボン担体の例としては、ノーリット(NORIT社製)、ケッチェンブラック(Lion社製)、バルカン(Cabot社製)、ブラックパール(Cabot社製)、アセチレンブラック(Chevron社製)等のカーボン粒子(いずれも商品名)、C60やC70等のフラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボン繊維等が挙げられる。 Examples of the carbon support include carbon particles such as Norit (NORIT), Ketjen Black (Lion), Vulcan (Cabot), Black Pearl (Cabot), Acetylene Black (Chevron). (trade name), fullerenes such as C 60 and C 70, carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon fibers and the like.

このような卑金属錯体混合物は、前記卑金属錯体と同様に、加熱処理を行ってから電極触媒として用いてもよい。卑金属錯体混合物を加熱処理する際の条件等は、前記の卑金属錯体を加熱処理する条件と同様である。   Such a base metal complex mixture may be used as an electrode catalyst after heat treatment, as in the case of the base metal complex. The conditions for heat-treating the base metal complex mixture are the same as the conditions for heat-treating the base metal complex.

(電解質膜)
本発明の膜−電極接合体の電解質膜として、パーフルオロ系高分子電解質膜、炭化水素系高分子電解質膜、プロトン伝導性無機膜などの、プロトン伝導性電解質膜を用いることが好ましい。より好ましくは、パーフルオロ系高分子電解質膜、炭化水素系高分子電解質膜であり、特に好ましくは、パーフルオロ系高分子電解質膜である。
電解質膜としては、例えば、Nafion112、Nafion115、Nafion117(いずれもデュポン社製)、フレミオン(旭硝子社製)、アシプレックス(旭化成社製)(いずれも商品名)等を本発明の膜−電極接合体に用いることができる。
(Electrolyte membrane)
As the electrolyte membrane of the membrane-electrode assembly of the present invention, a proton conductive electrolyte membrane such as a perfluoro polymer electrolyte membrane, a hydrocarbon polymer electrolyte membrane, or a proton conductive inorganic membrane is preferably used. More preferred are perfluoro polymer electrolyte membranes and hydrocarbon polymer electrolyte membranes, and particularly preferred are perfluoro polymer electrolyte membranes.
Examples of the electrolyte membrane include Nafion 112, Nafion 115, Nafion 117 (all manufactured by DuPont), Flemion (manufactured by Asahi Glass), Aciplex (manufactured by Asahi Kasei) (all are trade names), and the like. Can be used.

かかる電解質膜として、膜厚の薄い電解質膜を用いることにより燃料電池の抵抗を低減できることから好ましい。好ましい膜厚としては、200μm以下であり、より好ましくは、150μm以下であり、さらに好ましくは100μm以下であり、特に好ましくは50μm以下である。また、電解質膜の膜厚が薄過ぎると、ガスのクロスリークが起こりやすくなることから、膜厚は、1μm以上が好ましく、より好ましくは、3μm以上、特に好ましくは5μm以上である。   As such an electrolyte membrane, a thin electrolyte membrane is preferably used because the resistance of the fuel cell can be reduced. The preferred film thickness is 200 μm or less, more preferably 150 μm or less, still more preferably 100 μm or less, and particularly preferably 50 μm or less. If the electrolyte membrane is too thin, gas cross-leakage tends to occur. Therefore, the thickness is preferably 1 μm or more, more preferably 3 μm or more, and particularly preferably 5 μm or more.

(ターフェル(Tafel)の式)
本発明で適用されるターフェルプロットについて説明する。ターフェルプロットとは、例えば「原理からとらえる電気化学」(第1版、2006年、裳華房)に記載されているように、過電圧に対する電流密度の対数のプロットをいう。
(Tafel formula)
The Tafel plot applied in the present invention will be described. The Tafel plot refers to a logarithmic plot of current density against overvoltage, as described, for example, in “Electrochemistry Based on Principles” (1st edition, 2006, Yuhuabo).

過電圧をη、交換電流密度をi0、アノード反応の電流密度をia、カソード反応の電
流密度をicとすると、アノード反応およびカソード反応のターフェル式は、それぞれ以下の通り記述される。
<アノード反応>
数式1 η=−balog(i0/Acm-2)+balog(ia/Acm-2
<カソード反応>
数式2 η=bclog(i0/Acm-2)−bclog(|ic|/Acm-2
When the overvoltage is η, the exchange current density is i 0 , the anode reaction current density is i a , and the cathode reaction current density is ic , the Tafel equations for the anode reaction and the cathode reaction are described as follows.
<Anode reaction>
Formula 1 η = −b a log (i 0 / Acm −2 ) + b a log (i a / Acm −2 )
<Cathode reaction>
Formula 2 η = b c log (i 0 / Acm −2 ) −b c log (| i c | / Acm −2 )

前記数式1及び2中、baおよびbcは、アノード反応およびカソード反応のターフェル勾配であり、それぞれba=2.3RT/αazF、bc=2.3RT/αczFで表される。ここで、αa及びαcはそれぞれ、アノード反応およびカソード反応の移動係数であり、R、T、z及びFはそれぞれ、気体定数、温度(ケルビン)、移動電子数およびファラデー定数である。 In the above formulas 1 and 2, b a and b c are Tafel slopes of the anodic reaction and the cathodic reaction, and are represented by b a = 2.3 RT / α a zF and b c = 2.3 RT / α c zF, respectively. The Here, α a and α c are the transfer coefficients of the anode reaction and the cathode reaction, respectively, and R, T, z, and F are the gas constant, temperature (Kelvin), the number of mobile electrons, and the Faraday constant, respectively.

ターフェルプロットから得られる交換電流密度i0は、電極上の反応速度定数に比例しており、この値が大きい程、電極上での反応が速やかに進行することを示す。 The exchange current density i 0 obtained from the Tafel plot is proportional to the reaction rate constant on the electrode, and the larger the value, the faster the reaction on the electrode proceeds.

したがって、交換電流密度i0の値は、5.0×10-4Acm-2以上が好ましく、8.0×10-4Acm-2以上がより好ましく、1.0×10-3Acm-2以上が更に好ましく、1.1×10-3Acm-2以上が特に好ましい。
なお、従来の白金触媒において通常得られる交換電流密度i0の最大値は、1.0×10-2Acm-2である。
Therefore, the value of the exchange current density i 0 is preferably 5.0 × 10 −4 Acm −2 or more, more preferably 8.0 × 10 −4 Acm −2 or more, and 1.0 × 10 −3 Acm −2. The above is more preferable, and 1.1 × 10 −3 Acm −2 or more is particularly preferable.
In addition, the maximum value of the exchange current density i 0 usually obtained with the conventional platinum catalyst is 1.0 × 10 −2 Acm −2 .

また、ターフェル勾配は、反応の移動係数と移動電子数で決定される値であり、反応の可逆性や反応に関与する電子数により大きく変化する。カソード反応(酸素還元反応)の場合、その理論値は69mV/decadeであるが、電極上でのプロトンおよび生成水の移動や、過酸化水素の生成などにより、その値が大きくなり、発電特性を低下させる傾向にある。   The Tafel gradient is a value determined by the transfer coefficient of the reaction and the number of moving electrons, and varies greatly depending on the reversibility of the reaction and the number of electrons involved in the reaction. In the case of the cathode reaction (oxygen reduction reaction), the theoretical value is 69 mV / decade, but the value increases due to the movement of protons and generated water on the electrode, the generation of hydrogen peroxide, etc. It tends to decrease.

カソード反応のターフェル勾配として、好ましくは450mV/decade以下であり、より好ましくは400mV/decade以下で、特に好ましくは350mV/decade以下である。
なお、従来の白金触媒において通常得られるターフェル勾配の最小値は、69mV/decadeである。
The Tafel gradient of the cathode reaction is preferably 450 mV / decade or less, more preferably 400 mV / decade or less, and particularly preferably 350 mV / decade or less.
In addition, the minimum value of the Tafel gradient normally obtained in the conventional platinum catalyst is 69 mV / decade.

本発明のように、卑金属錯体を含んでなる電極触媒を有する膜−電極接合体において、交換電流密度i0が5.0×10-4Acm-2以上であり、かつ、ターフェル勾配が450mV/decade以下であると、燃料電池セルの発電特性が向上する。 As in the present invention, in a membrane-electrode assembly having an electrode catalyst comprising a base metal complex, the exchange current density i 0 is 5.0 × 10 −4 Acm −2 or more, and the Tafel slope is 450 mV / If it is less than decade, the power generation characteristics of the fuel cell are improved.

[燃料電池]
次に、上述した膜−電極接合体を備える燃料電池の好ましい一実施態様について、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明の好適な一実施態様の燃料電池のセルについての縦断面図である。図1に示すように、燃料電池10は、膜−電極接合体20を備えている。膜−電極接合体20は、高分子電解質膜(プロトン伝導膜)12と、これを挟む一対の触媒層14a,14bとから構成されている。燃料電池10は、ガス拡散層16a,16b及びセパレータ18a,18bを含有しており、膜−電極接合体20の両側に、これを挟むようにガス拡散層16a,16b及びセパレータ18a,18bが順に形成されている。
[Fuel cell]
Next, a preferred embodiment of a fuel cell including the above-described membrane-electrode assembly will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a cell of a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell 10 includes a membrane-electrode assembly 20. The membrane-electrode assembly 20 includes a polymer electrolyte membrane (proton conductive membrane) 12 and a pair of catalyst layers 14a and 14b sandwiching the polymer electrolyte membrane (proton conductive membrane) 12. The fuel cell 10 includes gas diffusion layers 16a and 16b and separators 18a and 18b, and the gas diffusion layers 16a and 16b and separators 18a and 18b are sequentially arranged on both sides of the membrane-electrode assembly 20 so as to sandwich them. Is formed.

膜−電極接合体20における高分子電解質膜12に隣接する触媒層14a,14bは、燃料電池における電極層として機能する層であり、これらのうちいずれか一方がアノード電極層であり、他方がカソード電極層である。かかる触媒層14a,14bとしては、ナフィオン(商品名、デュポン社製)などの高分子電解質と触媒とを含む触媒組成物から形成されたものが好適である。
かかる触媒層14a,14bのうち一方、好ましくはカソード電極層が、上述した卑金属錯体を用いてなる電極触媒であることが好適である。また、他方の触媒としては、水素又は酸素との酸化還元反応を活性化できるものであれば特に制限はなく、例えば、貴金属、貴金属合金、金属錯体、金属錯体を焼成してなる金属錯体焼成物等が挙げられる。中でも、触媒としては、白金の微粒子が好ましく、触媒層14a,14bは、活性炭や黒鉛等の粒子状または繊維状のカーボンに白金の微粒子が担持されてなるものであってもよい。
The catalyst layers 14a and 14b adjacent to the polymer electrolyte membrane 12 in the membrane-electrode assembly 20 are layers that function as electrode layers in the fuel cell, and one of these is the anode electrode layer and the other is the cathode. It is an electrode layer. The catalyst layers 14a and 14b are preferably formed from a catalyst composition containing a polymer electrolyte such as Nafion (trade name, manufactured by DuPont) and a catalyst.
One of the catalyst layers 14a and 14b, preferably the cathode electrode layer, is preferably an electrode catalyst using the above-described base metal complex. The other catalyst is not particularly limited as long as it can activate a redox reaction with hydrogen or oxygen. For example, a fired metal complex obtained by firing a noble metal, a noble metal alloy, a metal complex, or a metal complex. Etc. Of these, platinum fine particles are preferable as the catalyst, and the catalyst layers 14a and 14b may be formed by supporting fine particles of platinum on particulate or fibrous carbon such as activated carbon or graphite.

触媒層中の白金量が多い場合、燃料電池作製のコストが高くなってしまうことから、触媒層中の白金量は少ない方が好ましい。触媒層中の卑金属錯体の総質量と触媒層中の卑金属錯体および白金の総質量との関係Pを、下記式(1)のように定義した場合、
P=(触媒層中の白金の総質量)/(触媒層中の卑金属錯体及び白金の総質量)式(1)
Pの値として、好ましくは0.8以下、より好ましくは0.7以下、さらに好ましくは0.6以下、特に好ましくは0.5以下である。Pの下限は0である。
When the amount of platinum in the catalyst layer is large, the cost for producing the fuel cell becomes high. Therefore, it is preferable that the amount of platinum in the catalyst layer is small. When the relationship P between the total mass of the base metal complex in the catalyst layer and the total mass of the base metal complex and platinum in the catalyst layer is defined as in the following formula (1),
P = (total mass of platinum in catalyst layer) / (total mass of base metal complex and platinum in catalyst layer) Formula (1)
The value of P is preferably 0.8 or less, more preferably 0.7 or less, still more preferably 0.6 or less, and particularly preferably 0.5 or less. The lower limit of P is 0.

ガス拡散層16a,16bは、MEA20の両側を挟むように設けられており、触媒層14a,14bへの原料ガスの拡散を促進するものである。このガス拡散層16a,16bは、電子伝導性を有する多孔質材料により構成されるものが好ましい。例えば、多孔質性のカーボン不織布やカーボンペーパーが、原料ガスを触媒層14a,14bへ効率的に輸送することができるため、好ましい。   The gas diffusion layers 16a and 16b are provided so as to sandwich both sides of the MEA 20, and promote the diffusion of the raw material gas into the catalyst layers 14a and 14b. The gas diffusion layers 16a and 16b are preferably made of a porous material having electron conductivity. For example, a porous carbon non-woven fabric or carbon paper is preferable because the raw material gas can be efficiently transported to the catalyst layers 14a and 14b.

これらの高分子電解質膜12、触媒層14a,14b及びガス拡散層16a,16bから膜−電極−ガス拡散層接合体(MEGA)が構成されている。このようなMEGAは、例えば、以下に示す方法により製造することができる。
まず、高分子電解質を含む溶液と触媒とを混合して触媒組成物のスラリーを形成する。これを、ガス拡散層16a,16bを形成するためのカーボン不織布やカーボンペーパー等の上にスプレーやスクリーン印刷方法により塗布し、溶媒等を蒸発させることで、ガス拡散層上に触媒層が形成された積層体を得る。そして、得られた一対の積層体をそれぞれの触媒層が対向するように配置するとともに、その間に高分子電解質膜12を配置し、これらを圧着する。こうして、上述した構造のMEGAが得られる。なお、ガス拡散層上への触媒層の形成は、例えば、所定の基材(ポリイミド、ポリ(テトラフルオロエチレン)等)の上に触媒組成物を塗布・乾燥して触媒層を形成した後、これをガス拡散層に熱プレスで転写することにより行うこともできる。
These polymer electrolyte membrane 12, catalyst layers 14a and 14b, and gas diffusion layers 16a and 16b constitute a membrane-electrode-gas diffusion layer assembly (MEGA). Such MEGA can be manufactured by the method shown below, for example.
First, a solution containing a polymer electrolyte and a catalyst are mixed to form a slurry of a catalyst composition. The catalyst layer is formed on the gas diffusion layer by applying this onto a carbon nonwoven fabric or carbon paper for forming the gas diffusion layers 16a and 16b by spraying or screen printing, and evaporating the solvent. A laminated body is obtained. And while arrange | positioning a pair of obtained laminated body so that each catalyst layer may oppose, the polymer electrolyte membrane 12 is arrange | positioned among them and these are crimped | bonded. Thus, MEGA having the above-described structure is obtained. In addition, the formation of the catalyst layer on the gas diffusion layer is, for example, after forming the catalyst layer by applying and drying the catalyst composition on a predetermined substrate (polyimide, poly (tetrafluoroethylene), etc.) This can also be performed by transferring to a gas diffusion layer by hot pressing.

セパレータ18a,18bは、電子伝導性を有する材料で形成されており、かかる材料としては、例えば、カーボン、樹脂モールドカーボン、チタン、ステンレス等が挙げられる。かかるセパレータ18a,18bは、触媒層14a,14b側に、燃料ガス等の流路となる溝(図示せず)が形成されていると好ましい。   Separator 18a, 18b is formed with the material which has electronic conductivity, As this material, carbon, resin mold carbon, titanium, stainless steel etc. are mentioned, for example. The separators 18a and 18b are preferably provided with grooves (not shown) serving as a flow path for fuel gas or the like on the catalyst layers 14a and 14b side.

そして、燃料電池10は、上述したようなMEGAを、一対のセパレータ18a,18bで挟み込み、これらを接合することで得ることができる。   The fuel cell 10 can be obtained by sandwiching MEGA as described above between a pair of separators 18a and 18b and joining them together.

なお、本発明の燃料電池は、必ずしも上述した構成を有するものに限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜異なる構成を有していてもよい。
燃料電池10は、上述した構造を有するものを、ガスシール体等で封止したものであってもよい。
図1に示した燃料電池セル10は、固体高分子型燃料電池の最小単位である。1枚のセルの出力は限られているため、必要な出力が得られるように複数のセルを直列に接続して、燃料電池スタックとして実用に供することが好ましい。
The fuel cell of the present invention is not necessarily limited to the above-described configuration, and may have a different configuration as long as it does not depart from the spirit of the fuel cell.
The fuel cell 10 may be one having the above-described structure sealed with a gas seal body or the like.
The fuel battery cell 10 shown in FIG. 1 is the minimum unit of the polymer electrolyte fuel cell. Since the output of one cell is limited, it is preferable that a plurality of cells are connected in series so that a necessary output can be obtained and used as a fuel cell stack.

本発明の燃料電池は、燃料が水素である場合は固体高分子形燃料電池として、また燃料がメタノール水溶液である場合は直接メタノール型燃料電池として動作することができる。   The fuel cell of the present invention can operate as a polymer electrolyte fuel cell when the fuel is hydrogen, and as a direct methanol fuel cell when the fuel is an aqueous methanol solution.

本発明の膜−電極接合体を備えた燃料電池は、例えば、自動車用電源、家庭用電源、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源等として用いることができる。   The fuel cell provided with the membrane-electrode assembly of the present invention can be used as, for example, a small power source for mobile devices such as an automobile power source, a household power source, a mobile phone, and a portable personal computer.

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は実施例に制限されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not restrict | limited to an Example.

実施例1
[電極触媒(A)の調製]
卑金属錯体(A)を以下の反応式に従って合成した。なお、以下に示す卑金属錯体の原料となる配位子は、「Tetrahedron」,Vol.55,p.8377(1999)に記載の方法を参考にして合成した。なお、式中、Meはメチル基をEtはエチル基を、Acはアセチル基を表す。
Example 1
[Preparation of Electrocatalyst (A)]
Base metal complex (A) was synthesized according to the following reaction formula. In addition, the ligand used as the raw material of the base metal complex shown below is "Tetrahedron", Vol. 55, p. 8377 (1999). In the formulae, Me represents a methyl group, Et represents an ethyl group, and Ac represents an acetyl group.

Figure 2008258152
Figure 2008258152

まず、窒素雰囲気下において、1.388gの配位子と1.245gの酢酸コバルト4水和物を含んだ2−メトキシエタノール200ml溶液を500mlのナスフラスコに入れ、80℃に加熱しながら2時間攪拌し、褐色固体が生成した。この固体を濾取し、さらに2−メトキシエタノール(MeOEtOH)20mlで洗浄、乾燥することで卑金属錯体(A)を得た(収量1.532g:収率74%)。なお、上記反応式の右側における「(OAc)2」は、2当量の酢酸イオンが対イオンとして存在することを示し、「MeOEtOH」は、2−メトキシエタノール分子が配位子として存在することを示す。
元素分析値(%):C4950Co248として、
(計算値)C:62.56、H:5.36、N:5.96、Co:12.53.
(実測値)C:62.12、H:5.07、N:6.03、Co:12.74.
First, in a nitrogen atmosphere, a 200 ml solution of 2-methoxyethanol containing 1.388 g of a ligand and 1.245 g of cobalt acetate tetrahydrate was placed in a 500 ml eggplant flask and heated to 80 ° C. for 2 hours. Upon stirring, a brown solid was formed. This solid was collected by filtration, further washed with 20 ml of 2-methoxyethanol (MeOEtOH) and dried to obtain a base metal complex (A) (yield 1.532 g: yield 74%). “(OAc) 2 ” on the right side of the above reaction formula indicates that 2 equivalents of acetate ion is present as a counter ion, and “MeOEtOH” indicates that 2-methoxyethanol molecule is present as a ligand. Show.
Elemental analysis value (%): C 49 H 50 Co 2 N 4 O 8
(Calculated values) C: 62.56, H: 5.36, N: 5.96, Co: 12.53.
(Measured value) C: 62.12, H: 5.07, N: 6.03, Co: 12.74.

続いて、上記卑金属錯体(A)とカーボン担体(ケッチェンブラックEC300J、商品名、ライオン社製)とを質量比1:1で混合し、エタノール中、室温にて15分間攪拌後、室温にて1.5Torr(199.983Pa)の減圧下で12時間乾燥させた。前記混合物を、石英管を炉心管とする管状炉を用いて200ml/minの窒素気流下において、700℃で2時間熱処理することにより、電極触媒(A)を得た。   Subsequently, the base metal complex (A) and the carbon support (Ketjen Black EC300J, trade name, manufactured by Lion Corporation) were mixed at a mass ratio of 1: 1, stirred in ethanol at room temperature for 15 minutes, and then at room temperature. It was dried for 12 hours under a reduced pressure of 1.5 Torr (199.983 Pa). The mixture was heat-treated at 700 ° C. for 2 hours under a nitrogen stream of 200 ml / min using a tubular furnace having a quartz tube as a furnace core tube to obtain an electrode catalyst (A).

[カソード用触媒インクの作製]
市販の5質量%ナフィオン溶液(溶媒:水と低級アルコールの混合物)1.43mLに前記で得られた電極触媒(A)を0.20g投入し、さらにエタノールを11.2mL、水を2.1mL加えた。得られた混合物を1時間超音波処理した後、スターラーで5時間攪拌してカソード用触媒インクを得た。
[Preparation of catalyst ink for cathode]
0.20 g of the electrocatalyst (A) obtained above was added to 1.43 mL of a commercially available 5% by mass Nafion solution (solvent: mixture of water and lower alcohol), and further 11.2 mL of ethanol and 2.1 mL of water added. The obtained mixture was subjected to ultrasonic treatment for 1 hour, and then stirred for 5 hours with a stirrer to obtain a cathode catalyst ink.

[アノード用触媒インクの作製]
市販の5質量%ナフィオン溶液(溶媒:水と低級アルコールの混合物)6mLに50質量%白金が担持された白金担持カーボン(SA50BK、商品名、エヌ・イー・ケムキャット製)を0.83g投入し、さらにエタノールを13.2mL加えた。得られた混合物を1時間超音波処理した後、スターラーで5時間攪拌してアノード用触媒インクを得た。
[Preparation of anode catalyst ink]
0.83 g of platinum-supported carbon (SA50BK, trade name, manufactured by N.E. Chemcat) in which 50% by mass of platinum is supported in 6 mL of a commercially available 5% by mass Nafion solution (solvent: mixture of water and lower alcohol), Furthermore, 13.2 mL of ethanol was added. The obtained mixture was subjected to ultrasonic treatment for 1 hour and then stirred with a stirrer for 5 hours to obtain an anode catalyst ink.

[MEAの作製]
特開2004−089976号公報に記載の方法を参考にして、前記の触媒インクをそれぞれカーボンクロスにスプレー塗付し、アノード電極及びカソード電極を作製した。
まず、燃料電池のガス拡散層に相当する7cm角に切り出したカーボンクロス(片面撥水処理有り)の撥水処理をしている面の中央部における5.2cm角の領域に、スプレー法にて前記アノード用触媒インクを塗布した。この際、吐出口から膜までの距離は6cmに、ステージ温度は75℃に設定した。同様に重ね塗りをした後、ステージ上に15分間放置し、溶媒を除去して、0.6mg/cm2の白金が配置されたガス拡散層付きアノード電極(アノード用触媒層付きカーボンクロス)を得た。また、同様にして、前記カソード用触媒インクをカーボンクロスにスプレー塗布し、0.6mg/cm2の卑金属錯体(A)が配置されたガス拡散層付きカソード電極(カソード用触媒層付きカーボンクロス)を得た。
[Production of MEA]
With reference to the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-089976, the catalyst ink was spray-coated on carbon cloth to prepare an anode electrode and a cathode electrode.
First, a spray method is applied to a 5.2 cm square region in the center of the surface of a carbon cloth (single side water repellent treatment) cut into a 7 cm square corresponding to the gas diffusion layer of the fuel cell. The anode catalyst ink was applied. At this time, the distance from the discharge port to the film was set to 6 cm and the stage temperature was set to 75 ° C. Similarly, after overcoating, the film was left on the stage for 15 minutes, the solvent was removed, and an anode electrode with a gas diffusion layer (carbon cloth with a catalyst layer for the anode) in which 0.6 mg / cm 2 of platinum was placed was prepared. Obtained. Similarly, the cathode catalyst ink is spray-coated on a carbon cloth, and a cathode electrode with a gas diffusion layer in which a base metal complex (A) of 0.6 mg / cm 2 is disposed (carbon cloth with a cathode catalyst layer) Got.

得られた触媒層付きカーボンクロスからそれぞれ、触媒層が塗布された5.2cm角の領域を切り出し、アノード用触媒層付きカーボンクロス、電解質膜(Nafion115、登録商標、デュポン社製)、カソード用触媒層付きカーボンクロスを、それぞれ触媒層が電解質膜に接するように順次積層し、120℃、100kgf/cm2(9.80665MPa)の条件で15分間熱プレスを施し、膜−電極接合体(MEA)を得た。 From the obtained carbon cloth with a catalyst layer, a 5.2 cm square region to which the catalyst layer was applied was cut out, and a carbon cloth with an anode catalyst layer, an electrolyte membrane (Nafion 115, registered trademark, manufactured by DuPont), a cathode catalyst. The carbon cloth with a layer is laminated | stacked one by one so that a catalyst layer may each contact | connect an electrolyte membrane, and it heat-presses for 15 minutes on the conditions of 120 degreeC and 100 kgf / cm < 2 > (9.80665 MPa), and a membrane-electrode assembly (MEA) Got.

[燃料電池セルの作製]
市販のJARI標準セルを用いて燃料電池セルを製造した。すなわち、前記で得られた膜−電極接合体の両外側に、ガス通路用の溝を切削加工したカーボン製セパレータを配し、さらにその外側に集電体及びエンドプレートを順に配置し、これらをボルトで締め付けることによって、有効膜面積25cm2の燃料電池セルを組み立てて作製した。
[Fabrication of fuel cells]
A fuel cell was manufactured using a commercially available JARI standard cell. That is, a carbon separator having a gas passage groove cut on both outer sides of the membrane-electrode assembly obtained above, and a current collector and an end plate are sequentially arranged on the outer side. A fuel cell having an effective membrane area of 25 cm 2 was assembled by tightening with a bolt.

[燃料電池セルの発電性能評価]
得られた燃料電池セルを80℃に保ちながら、アノードに加湿水素、カソードに加湿空気をそれぞれ供給した。この際、セルのガス出口における背圧が0.1MPaGとなるようにした。各原料ガスの加湿は、バブラーにガスを通すことで行い、水素用バブラーの水温は80℃、空気用バブラーの水温は80℃とした。ここで、水素のガス流量は529mL/min、空気のガス流量は1665mL/minとした。そして、電流を掃引したときの電圧を記録し、燃料電池セルの発電性能を評価した。
[Evaluation of power generation performance of fuel cells]
While maintaining the obtained fuel cell at 80 ° C., humidified hydrogen was supplied to the anode and humidified air was supplied to the cathode. At this time, the back pressure at the gas outlet of the cell was set to 0.1 MPaG. Each source gas was humidified by passing the gas through a bubbler. The water temperature of the hydrogen bubbler was 80 ° C., and the water temperature of the air bubbler was 80 ° C. Here, the hydrogen gas flow rate was 529 mL / min, and the air gas flow rate was 1665 mL / min. The voltage when the current was swept was recorded, and the power generation performance of the fuel cell was evaluated.

図2は、上記作製した燃料電池セルの電流−電位曲線である。縦軸はセル電圧(V)を表し、横軸は電流密度(Acm-2)を表す。
図2の結果から明らかなように、卑金属錯体を電極触媒とした膜−電極接合体を用いた場合でも、燃料電池として高い発電特性を有していることがわかる。
FIG. 2 is a current-potential curve of the fuel cell produced as described above. The vertical axis represents the cell voltage (V), and the horizontal axis represents the current density (Acm −2 ).
As is apparent from the results of FIG. 2, even when a membrane-electrode assembly using a base metal complex as an electrode catalyst is used, the fuel cell has high power generation characteristics.

(ターフェルプロット)
また、前記評価から得られた値を用いて、ターフェルプロットを作成した。そのプロットを図3に示す。図3は、実施例1の膜−電極接合体を用いた燃料電池セルのターフェルプロットである。縦軸は過電圧(V)を表し、横軸は電流密度の対数(log|ic|/Acm-2)を表す。
図3の結果から明らかなように、本発明の膜−電極接合体を用いた燃料電池セルの交換電流密度i0は1.22×10-3Acm-2であり、ターフェル勾配は340mV/decadeであった。
(Tafel plot)
Moreover, the Tafel plot was created using the value obtained from the said evaluation. The plot is shown in FIG. FIG. 3 is a Tafel plot of a fuel cell using the membrane-electrode assembly of Example 1. The vertical axis represents overvoltage (V), and the horizontal axis represents the logarithm of current density (log | i c | / Acm −2 ).
As is clear from the results of FIG. 3, the exchange current density i 0 of the fuel cell using the membrane-electrode assembly of the present invention is 1.22 × 10 −3 Acm −2 , and the Tafel slope is 340 mV / decade. Met.

図1は、本発明の好適な一実施態様の燃料電池のセルについての縦断面図である。FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a cell of a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention. 図2は、実施例1の膜−電極接合体を用いた燃料電池セルの電流−電位曲線である。FIG. 2 is a current-potential curve of a fuel cell using the membrane-electrode assembly of Example 1. 図3は、実施例1の膜−電極接合体を用いた燃料電池セルのターフェルプロットである。FIG. 3 is a Tafel plot of a fuel cell using the membrane-electrode assembly of Example 1.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池(燃料電池セル)
12 高分子電解質膜(プロトン伝導膜)
14a,14b 触媒層
16a,16b ガス拡散層
18a,18b セパレータ
20 膜−電極接合体
10 Fuel cell (fuel cell)
12 Polymer electrolyte membrane (proton conducting membrane)
14a, 14b Catalyst layers 16a, 16b Gas diffusion layers 18a, 18b Separator 20 Membrane-electrode assembly

Claims (6)

卑金属錯体を用いてなる電極触媒を有する膜−電極接合体であって、電流密度と電圧に関するターフェルプロットから得られる交換電流密度i0が5.0×10-4Acm-2
以上であり、かつ、ターフェル勾配が450mV/decade以下であることを特徴とする膜−電極接合体。
A membrane-electrode assembly having an electrode catalyst using a base metal complex, and an exchange current density i 0 obtained from a Tafel plot concerning current density and voltage is 5.0 × 10 −4 Acm −2
A membrane-electrode assembly having a Tafel gradient of 450 mV / decade or less.
前記卑金属錯体が、2つ以上のフェノール環と2つ以上の芳香族複素環とを有する化合物を配位子として含有する卑金属錯体であることを特徴とする請求項1記載の膜−電極接合体。   2. The membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the base metal complex is a base metal complex containing a compound having two or more phenol rings and two or more aromatic heterocycles as a ligand. . 前記卑金属錯体が、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、タンタル及びタングステンからなる群から選ばれる卑金属原子を含む卑金属錯体であることを特徴とする請求項1又は2に記載の膜−電極接合体。   The base metal complex is a base metal complex containing a base metal atom selected from the group consisting of vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zirconium, niobium, molybdenum, tantalum and tungsten. Or the membrane-electrode assembly according to 2. 前記卑金属錯体1分子に含まれる卑金属原子の数が、1以上10以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の膜−電極接合体。   The membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein the number of base metal atoms contained in one molecule of the base metal complex is 1 or more and 10 or less. 前記の卑金属錯体を用いてなる電極触媒が、300℃以上1200℃以下の温度で加熱処理されたものであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の膜−電極接合体。   5. The membrane-electrode junction according to claim 1, wherein the electrode catalyst using the base metal complex is heat-treated at a temperature of 300 ° C. or more and 1200 ° C. or less. body. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の膜−電極接合体を備えることを特徴とする燃料電池。
A fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 5.
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