JP2009226311A - Catalyst, its manufacturing method and its application - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a catalyst which does not corrode in an acidic electrolyte or at high electric potentials and has excellent durability and a high oxygen-reducing ability. <P>SOLUTION: The catalyst is an oxygen occlusion compound containing one or a mixture of transition metals of the groups 4, 5 and 6 and preferably has a composition of MCxNyOz (wherein, M is a transition metal (described as metal M as well) of the group 4, 5 or 6; C is carbon; N is nitrogen; O is oxygen; x, y and z are atomic ratios of C, N and O, respectively, with the atomic ratio of the metal M taken as 1; 0.3≤x≤0.7; 0.3≤y≤0.7; and 0.4≤z≤3.0). <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は触媒およびその製造方法ならびにその用途に関する。   The present invention relates to a catalyst, a method for producing the same, and uses thereof.

燃料電池には、電解質の種類や電極の種類により種々のタイプに分類され、代表的なものとしては、アルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型がある。この中でも低温(−40℃程度)から120℃程度で作動可能な固体高分子型燃料電池が注目を集め、近年、自動車用低公害動力源としての開発・実用化が進んでいる。固体高分子型燃料電池の用途としては、車両用駆動源や定置型電源が検討されているが、これらの用途に適用されるためには、長期間に渡る耐久性が求められている。   Fuel cells are classified into various types depending on the type of electrolyte and the type of electrode, and representative types include alkali type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid electrolyte type, and solid polymer type. Among them, a polymer electrolyte fuel cell that can operate at a low temperature (about −40 ° C.) to about 120 ° C. attracts attention, and in recent years, development and practical application as a low-pollution power source for automobiles is progressing. As a use of the polymer electrolyte fuel cell, a vehicle driving source and a stationary power source are being studied. However, in order to be applied to these uses, durability over a long period of time is required.

この高分子固体形燃料電池は、高分子固体電解質をアノードとカソードとで挟み、アノードに燃料を供給し、カソードに酸素または空気を供給して、カソードで酸素が還元されて電気を取り出す形式である。燃料には水素またはメタノールなどが主として用いられる。   In this polymer solid fuel cell, a polymer solid electrolyte is sandwiched between an anode and a cathode, fuel is supplied to the anode, oxygen or air is supplied to the cathode, and oxygen is reduced at the cathode to extract electricity. is there. Hydrogen or methanol is mainly used as the fuel.

従来、燃料電池の反応速度を高め、燃料電池のエネルギー変換効率を高めるために、燃料電池のカソード(空気極)表面やアノード(燃料極)表面には、触媒を含む層(以下「燃料電池用触媒層」とも記す。)が設けられていた。   Conventionally, in order to increase the reaction speed of the fuel cell and increase the energy conversion efficiency of the fuel cell, a layer containing a catalyst (hereinafter referred to as “for fuel cell”) is provided on the cathode (air electrode) surface or anode (fuel electrode) surface of the fuel cell. Also referred to as “catalyst layer”).

この触媒として、一般的に貴金属が用いられており、貴金属の中でも高い電位で安定であり、活性が高い白金が、主として用いられてきた。しかし、白金は価格が高く、また資源量が限られていることから、代替可能な触媒の開発が求められていた。   As this catalyst, a noble metal is generally used, and platinum which is stable at a high potential and has a high activity among noble metals has been mainly used. However, since platinum is expensive and has limited resources, the development of an alternative catalyst has been sought.

また、カソード表面に用いる貴金属は酸性雰囲気下では、溶解する場合があり、長期間に渡る耐久性が必要な用途には適さないという問題があった。このため酸性雰囲気下で腐食せず、耐久性の優れ、高い酸素還元能を有する触媒の開発が強く求められていた。   In addition, the noble metal used on the cathode surface may be dissolved in an acidic atmosphere, and there is a problem that the noble metal is not suitable for applications that require long-term durability. Therefore, there has been a strong demand for the development of a catalyst that does not corrode in an acidic atmosphere, has excellent durability, and has high oxygen reducing ability.

白金に代わる触媒として、炭素、窒素、ホウ素等の非金属を含む材料が触媒として近年着目されている。これらの非金属を含む材料は、白金などの貴金属と比較して価格が安く、また資源量が豊富である。   In recent years, materials containing non-metals such as carbon, nitrogen, and boron have attracted attention as catalysts instead of platinum. These non-metal-containing materials are cheaper and have abundant resources than precious metals such as platinum.

非特許文献1では、ジルコニウムをベースとしたZrOxN化合物に、酸素還元能を示すことが報告されている。特許文献1では、白金代替材料として長周期表4族,5族及び14族の元素群から選ばれる1種以上の窒化物をふくむ酸素還元電極材料が開示されている。また、特許文献2では、チタン、ランタン、タンタル、ニオブまたはジルコニウムのいずれかと窒素、ホウ素、炭素または硫黄とのいずれかとの化合物を部分酸化させたものを燃料電池用電極触媒に用いることが開示されている。さらに、特許文献3には、炭窒化チタン粉末を固体高分子型燃料電池用酸素極触媒として用いることが開示されている。   Non-Patent Document 1 reports that a ZrOxN compound based on zirconium exhibits oxygen reducing ability. Patent Document 1 discloses an oxygen reduction electrode material containing one or more nitrides selected from the group of elements of Group 4, Group 5 and Group 14 of the long periodic table as a platinum substitute material. Patent Document 2 discloses that a partially oxidized compound of any one of titanium, lanthanum, tantalum, niobium, and zirconium and any of nitrogen, boron, carbon, or sulfur is used as an electrode catalyst for a fuel cell. ing. Furthermore, Patent Document 3 discloses that titanium carbonitride powder is used as an oxygen electrode catalyst for a polymer electrolyte fuel cell.

しかしながら、これらの非金属を含む材料は、酸性溶液中で不安定であったり、触媒として実用的に充分な酸素還元能が得られておらず、実際に燃料電池として用いるには活性が不十分である。   However, these non-metal-containing materials are unstable in an acidic solution or do not have sufficient oxygen reducing ability for practical use as a catalyst, and are not sufficiently active for actual use as a fuel cell. It is.

また、非特許文献2では、部分酸化したTaCNが記載されている。しかし、この文献ではTaCNを徐々に酸化させていき、適度の量のTaを作ることが記載されており、その最適Ta量をDOO(酸化度)から0.3から0.97の範囲が良いとある。即ちここではあくまでも適度な副生物のTaが相当量必要であることが示されている。 Non-Patent Document 2 describes partially oxidized TaCN. However, this document describes that TaCN is gradually oxidized to produce an appropriate amount of Ta 2 O 5. The optimum amount of Ta 2 O 5 is determined from 0.3 to 0 based on DOO (degree of oxidation). The range of .97 is good. That is, it is shown here that a considerable amount of an appropriate by-product Ta 2 O 5 is required.

しかし、われわれの発明はこの文献で示す構造とは明らかに異なるものが触媒活性を示すことであることを突き止め、本発明に至った。即ち、活性がある構造はもとの金属化合物の立方晶を維持しており、その構造内に酸素を多く吸蔵しているものである。逆に非特許文献2にあるようなTaは活性がなく、この物質が多く含まれると却って触媒活性を低下させてしまう。あくまでもTaは副生物であり、高度な触媒活性を維持するには、その量は5質量%以下であることが重要である。 However, the present inventors have found out that what is clearly different from the structure shown in this document is that it exhibits catalytic activity, and has reached the present invention. That is, the active structure maintains the cubic crystal of the original metal compound, and has a large amount of oxygen stored in the structure. Conversely, Ta 2 O 5 as described in Non-Patent Document 2 has no activity, and if this substance is contained in a large amount, the catalytic activity is lowered. To the last, Ta 2 O 5 is a by-product, and in order to maintain a high degree of catalytic activity, it is important that the amount is 5% by mass or less.

ここで、不活性な酸化遷移金属の量は、X線回折パターンでの岩塩構造をとる最高ピーク値に対して、酸化物ピーク値の高さが1/20以下の場合を指す。総合的にはXRDと元素分析の値から判断することができる。   Here, the amount of the inactive oxide transition metal indicates a case where the height of the oxide peak value is 1/20 or less with respect to the maximum peak value having a rock salt structure in the X-ray diffraction pattern. Overall, it can be judged from the values of XRD and elemental analysis.

活性は立方晶の金属化合物、例えばTa化合物がTaCNを酸化させたものである場合は、触媒は酸素を吸蔵したTaCNOにあるのである。   In the case where the activity is a cubic metal compound, for example, a Ta compound obtained by oxidizing TaCN, the catalyst is in TaCNO that stores oxygen.

そして、副生物である不活性な金属酸化物を多く作らないで酸素吸蔵金属化合物を製造するひとつの優れた方法としては、炭窒化金属を、酸素と還元性ガスを含む不活性ガス中で熱処理することにより得ることができるのである。   As an excellent method for producing an oxygen storage metal compound without producing a large amount of inert metal oxides as by-products, a metal carbonitride is heat-treated in an inert gas containing oxygen and a reducing gas. It can be obtained by doing.

なお、白金は、上記燃料電池用の触媒としてだけでなく、排ガス処理用触媒または有機合成用触媒としても有用であるが、白金は価格が高く、また資源量が限られているため、これらの用途においても代替可能な触媒の開発が求められていた。

S. Doi,A. Ishihara,S. Mitsushima,N.kamiya,and K. Ota, Journal of The Electrochemical Society, 154 (3) B362-B369(2007) 石原顕光,太田健一郎, 電気化学および工業物理化学, 76,N0.1,59-64 特開2007−31781号公報 特開2006−198570号公報 特開2007−257888号公報 特開2003−342058号公報
Although platinum is useful not only as a catalyst for the fuel cell, but also as an exhaust gas treatment catalyst or an organic synthesis catalyst, platinum is expensive and has limited resources. There has been a demand for the development of a catalyst that can be used in various applications.

S. Doi, A. Ishihara, S. Mitsushima, N. kamiya, and K. Ota, Journal of The Electrochemical Society, 154 (3) B362-B369 (2007) Akimitsu Ishihara, Kenichiro Ota, Electrochemistry and Industrial Physical Chemistry, 76, N0.1, 59-64 JP 2007-31781 A JP 2006-198570 A JP 2007-257888 A Japanese Patent Laid-Open No. 2003-342058

本発明はこのような従来技術における問題点の解決を課題としており、本発明の目的は、酸性電解質中や高電位で腐食せず、耐久性に優れ、高い酸素還元能を有する触媒を提供することにある。   An object of the present invention is to solve such problems in the prior art, and an object of the present invention is to provide a catalyst that does not corrode in an acidic electrolyte or at a high potential, has excellent durability, and has a high oxygen reduction ability. There is.

本発明者らは、上記従来技術の問題点を解決すべく鋭意検討した結果、特定の酸素吸蔵化合物からなる触媒が、酸性電解質中や高電位で腐食せず、耐久性に優れ、高い酸素還元能を有することを見出した。   As a result of intensive studies to solve the problems of the prior art, the present inventors have found that a catalyst comprising a specific oxygen storage compound does not corrode in an acidic electrolyte or at a high potential, has excellent durability, and high oxygen reduction. It was found to have the ability.

さらに本発明者らは、触媒を構成する酸素吸蔵化合物における各原子数の比を制御することにより、さらに高性能の触媒が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。   Furthermore, the present inventors have found that a higher performance catalyst can be obtained by controlling the ratio of the number of atoms in the oxygen storage compound constituting the catalyst, and have completed the present invention.

本発明は、例えば以下の(1)〜(18)に関する。   The present invention relates to the following (1) to (18), for example.

(1)
4族、5族または6族の遷移金属を含む酸素吸蔵化合物からなる触媒。
(1)
A catalyst comprising an oxygen storage compound containing a Group 4, 5 or 6 transition metal.

(2)
酸素吸蔵化合物が組成式MCxNyOz(Mは4族、5族または6族の遷移金属(以下、「金属M」とも記す。)、Cは炭素、Nは窒素、Oは酸素を示す。x、y、zは金属Mの原子比を1とした場合に、CとNとOのそれぞれの原子比を示し、0.3≦x≦0.7、0.3≦y≦0.7、且つ0.4≦z≦3.0である。)で表される(1)記載の触媒。
(2)
The oxygen storage compound has a composition formula MCxNyOz (M is a transition metal of Group 4, 5 or 6 (hereinafter also referred to as “metal M”), C is carbon, N is nitrogen, and O is oxygen. X, y , Z represents the atomic ratio of each of C, N, and O when the atomic ratio of the metal M is 1, and 0.3 ≦ x ≦ 0.7, 0.3 ≦ y ≦ 0.7, and 0 4 ≦ z ≦ 3.0.) The catalyst according to (1).

(3)
金属Mが4族元素の場合は金属Mの原子比を1とした場合にはx、y、zの組成が3≦4x+3y+2z≦4であり、金属Mが5族元素の場合は金属Mの原子比を1とした場合にx、y、zの組成が4≦4x+3y+2z≦5であり、金属Mが6族元素の場合は金属Mの原子比を1とした場合にx、y、zの組成が4≦4x+3y+2z≦6であることを特徴とする(1)または(2)記載の触媒。
(3)
When the metal M is a group 4 element, the composition of x, y, z is 3 ≦ 4x + 3y + 2z ≦ 4 when the atomic ratio of the metal M is 1, and when the metal M is a group 5 element, the atoms of the metal M When the ratio is 1, the composition of x, y, z is 4 ≦ 4x + 3y + 2z ≦ 5, and when the metal M is a group 6 element, the composition of x, y, z when the atomic ratio of the metal M is 1 Is 4 ≦ 4x + 3y + 2z ≦ 6, The catalyst according to (1) or (2),

(4)
金属Mが合金または遷移金属の混合体(合金類)の場合に、その合金または遷移金属の混合体(合金類)の組成比率に相当する割合でx、y、zの組成比が割り振られることを特徴とする(1)または(2)記載の触媒。
(4)
When the metal M is an alloy or a mixture of transition metals (alloys), the composition ratio of x, y, and z is allocated at a ratio corresponding to the composition ratio of the alloy or transition metal mixture (alloys). (1) or (2) the catalyst characterized by these.

(5)
酸素吸蔵化合物が岩塩構造(NaCl型構造)であることを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の触媒。
(5)
The catalyst according to any one of (1) to (4), wherein the oxygen storage compound has a rock salt structure (NaCl type structure).

(6)
不活性な酸化遷移金属が5質量%以下であることを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載の触媒。
(6)
The catalyst according to any one of (1) to (5), wherein the inactive transition metal oxide is 5% by mass or less.

(7)
さらに白金を1.0質量%以下含有することを特徴とする(1)〜(6)のいずれかに記載の触媒。
(7)
Furthermore, platinum is 1.0 mass% or less, The catalyst in any one of (1)-(6) characterized by the above-mentioned.

(8)
(1)〜(7)のいずれかに記載の燃料電池用触媒。
(8)
(1) The catalyst for fuel cells in any one of (7).

(9)
(1)〜(8)のいずれかに記載の触媒において、4族、5族または6族の遷移金属の炭化物または窒素化物または炭窒化物を、酸素およびと還元性ガスを含む不活性ガス中で熱処理する工程を含むことを特徴とする触媒の製造方法。
(9)
In the catalyst according to any one of (1) to (8), a carbide, a nitride, or a carbonitride of a group 4, 5 or 6 transition metal in an inert gas containing oxygen and a reducing gas The manufacturing method of the catalyst characterized by including the process heat-processed by.

(10)
4族、5族または6族の遷移金属の炭化物または窒素化物または炭窒化物が岩塩構造(NaCl型構造)であることを特徴とする(9)記載の触媒の製造方法。
(10)
The method for producing a catalyst according to (9), wherein the carbide, nitride or carbonitride of the transition metal of Group 4, 5 or 6 has a rock salt structure (NaCl type structure).

(11)
還元性ガスが水素であることを特徴とする(9)または(10)記載の触媒の製造方法。
(11)
The method for producing a catalyst according to (9) or (10), wherein the reducing gas is hydrogen.

(12)
不活性ガスが窒素またはアルゴンであることを特徴とする(9)〜(11)のいずれかに記載の触媒の製造方法。
(12)
The method for producing a catalyst according to any one of (9) to (11), wherein the inert gas is nitrogen or argon.

(13)
(1)〜(8)のいずれかに記載の触媒を含むことを特徴とする燃料電池用触媒層。
(13)
A catalyst layer for a fuel cell comprising the catalyst according to any one of (1) to (8).

(14)
さらに電子伝導性粒子を含むことを特徴とする(13)に記載の燃料電池用触媒層。
(14)
The catalyst layer for a fuel cell according to (13), further comprising electron conductive particles.

(15)
燃料電池用触媒層と多孔質支持層とを有する電極であって、前記燃料電池用触媒層が(14)または(15)に記載の燃料電池用触媒層であることを特徴とする電極。
(15)
An electrode having a fuel cell catalyst layer and a porous support layer, wherein the fuel cell catalyst layer is the fuel cell catalyst layer according to (14) or (15).

(16)
カソードとアノードと前記カソードおよび前記アノードの間に配置された電解質膜とを有する膜電極接合体であって、前記カソードおよび/または前記アノードが(15)に記載の電極であることを特徴とする膜電極接合体。
(16)
A membrane electrode assembly having a cathode, an anode, and an electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode, wherein the cathode and / or the anode is an electrode according to (15) Membrane electrode assembly.

(17)
(16)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。
(17)
A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to (16).

(18)
(16)に記載の膜電極接合体を備えることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
(18)
A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to (16).

本発明の触媒は、酸性電解質中や高電位で腐食せず、安定であり、高い酸素還元能を有し、かつ白金と比べ安価である。したがって、前記触媒を備えた燃料電池は、比較的安価で性能が優れている。   The catalyst of the present invention does not corrode in an acidic electrolyte or at a high potential, is stable, has a high oxygen reducing ability, and is inexpensive compared with platinum. Therefore, the fuel cell including the catalyst is relatively inexpensive and has excellent performance.

<触媒>
本発明の触媒は、4族、5族または6族の遷移金属を含む酸素吸蔵化合物であり、好ましくはその組成式MCxNyOz(Mは4族、5族または6族の遷移金属(以下「金属M」とも記す。)、Cは炭素、Nは窒素、Oは酸素を示す。x、y、zは金属Mの原子比を1とした場合に、CとNとOのそれぞれの原子比を示し、0.3≦x≦0.7、0.3≦y≦0.7、且つ0.4≦z≦3.0である。)で表される。
<Catalyst>
The catalyst of the present invention is an oxygen storage compound containing a group 4, 5 or 6 transition metal, and preferably has a composition formula MCxNyOz (M is a group 4, 5 or 6 transition metal (hereinafter referred to as "metal M"). And C represents carbon, N represents nitrogen, and O represents oxygen. X, y, and z represent the atomic ratios of C, N, and O, respectively, when the atomic ratio of metal M is 1. 0.3 ≦ x ≦ 0.7, 0.3 ≦ y ≦ 0.7, and 0.4 ≦ z ≦ 3.0.

上記組成式において、金属Mが4族元素の場合は金属Mの原子比を1とした場合にはx、y、zの組成が3≦4x+3y+2z≦4であり、金属Mが5族元素の場合は金属Mの原子比を1とした場合にx、y、zの組成が4≦4x+3y+2z≦5であり、金属Mが6族元素の場合は金属Mの原子比を1とした場合にx、y、zの組成が4≦4x+3y+2z≦6である。   In the above composition formula, when the metal M is a group 4 element, the composition of x, y, z is 3 ≦ 4x + 3y + 2z ≦ 4 when the atomic ratio of the metal M is 1, and the metal M is a group 5 element When the atomic ratio of the metal M is 1, the composition of x, y, z is 4 ≦ 4x + 3y + 2z ≦ 5, and when the metal M is a group 6 element, the atomic ratio of the metal M is 1; The composition of y and z is 4 ≦ 4x + 3y + 2z ≦ 6.

また、金属Mが合金または遷移金属の混合体(合金類)の場合に、その合金または遷移金属の混合体(合金類)の組成比率に相当する割合でx、y、zの組成比が割り振られることが好ましい。   Further, when the metal M is an alloy or a transition metal mixture (alloys), the composition ratio of x, y, and z is allocated at a ratio corresponding to the composition ratio of the alloy or the transition metal mixture (alloys). It is preferable that

ここで言う「組成比率に相当する割合でx、y、zの組成比が割り振られる」とは、例えば4族と5族の合金類の場合、原子比で4族元素がA割、5族元素が(1−A)割の場合、3×A/10+4×(1−A)≦4x+3y+2Z≦4×A/10+5×(1−A)のように割り振られることを意味する。   Here, “the composition ratio of x, y, z is allocated at a ratio corresponding to the composition ratio” means that, for example, in the case of alloys of Group 4 and Group 5, Group 4 elements are divided into A group and Group 5 by atomic ratio. When the element is (1-A) percent, it means that 3 × A / 10 + 4 × (1-A) ≦ 4x + 3y + 2Z ≦ 4 × A / 10 + 5 × (1-A).

また、酸素吸蔵化合物およびその原料となる遷移金属の炭化物または窒素化物または炭窒化物は岩塩構造(NaCl型構造)であることが好ましい。   The oxygen storage compound and the transition metal carbide, nitride, or carbonitride used as a raw material thereof preferably have a rock salt structure (NaCl-type structure).

ここで言う岩塩構造とは面心立方格子構造のことを指す。   The rock salt structure here refers to a face-centered cubic lattice structure.

したがって、本発明に用いられる酸素吸蔵化合物は、歪んだ形の立方晶であると推定され、さらに酸素が非常に多く内蔵されている。   Therefore, the oxygen storage compound used in the present invention is presumed to be a cubic crystal having a distorted shape, and further contains a very large amount of oxygen.

本来遷移金属化合物を酸化させると、その金属の酸化物構造が多く存在し、結晶構造も変化する。例えば、Taの場合は岩塩構造が変化して斜方晶のTaができる。 Originally, when a transition metal compound is oxidized, there are many oxide structures of the metal and the crystal structure also changes. For example, in the case of Ta, the rock salt structure changes to form orthorhombic Ta 2 O 5 .

Nbの場合はやはり斜方晶のNbができる。Zrの場合は単斜晶のZrOができる。Moの場合は斜方晶のMoOができやすい。しかし、遷移金属化合物をゆっくり酸化させると上記酸化物は生成しにくく、岩塩構造を保持したまま内部に酸素を吸蔵した構造物を得ることができる。さらに酸化条件を制御して効率よく酸素を吸蔵した無機化合物を製造するには、還元性ガスを導入しながら酸化させるのがよい。還元性ガスとしてはアンモニアや水素を推奨できる。これらは入手しやすく取り扱いも容易であり濃度制御も簡単であるからである。特に水素を用いると酸化がマイルドに行うことができ、無機化合物全体を岩塩構造を保持したまま内部に酸素を吸蔵させることができる。
この場合の酸素吸蔵量は遷移金属の種類によっても異なる。前駆体の遷移金属の炭化物または窒素化物または炭窒化物は岩塩構造をとるが、炭化物の場合は遷移金属は4価、窒化物の場合は3価で炭窒化物はその中間の3.5価に近いと推定される。そこに酸素が入りながら遷移金属が酸化されていくので、遷移金属の安定に取りえる原子価に応じて酸素が吸蔵されていく。
In the case of Nb, orthorhombic Nb 2 O 5 is also formed. In the case of Zr, monoclinic ZrO 2 is formed. In the case of Mo, orthorhombic MoO 3 is easily formed. However, when the transition metal compound is slowly oxidized, the oxide is not easily generated, and a structure in which oxygen is occluded can be obtained while maintaining the rock salt structure. Furthermore, in order to produce an inorganic compound that occludes oxygen efficiently by controlling oxidation conditions, it is preferable to oxidize while introducing a reducing gas. As the reducing gas, ammonia or hydrogen can be recommended. This is because these are easy to obtain, easy to handle and easy to control the concentration. In particular, when hydrogen is used, oxidation can be performed mildly, and oxygen can be occluded inside the entire inorganic compound while maintaining the rock salt structure.
The oxygen storage amount in this case also varies depending on the type of transition metal. The transition metal carbide or nitride or carbonitride of the precursor has a rock salt structure, but in the case of carbide, the transition metal is tetravalent, the nitride is trivalent, and the carbonitride is intermediate 3.5 It is estimated that Since the transition metal is oxidized while oxygen enters, oxygen is occluded according to the valence that the transition metal can stably take.

例えば4族の遷移元素の場合は遷移元素が4価になるまで酸素が吸蔵されうる。5族の遷移元素の場合は5価になるまで酸素が入り込む余地がある。6族元素の場合は6価になるまで酸素が入りえる。ただし、構造上の空孔と酸素原子の大きさおよび結晶格子間の結合エネルギーで酸素原子の入り込める量が決まるので、必ずしも6族の遷移金元素を用いるのがよいとは限らない。安定性から言えば、4族、5族の遷移元素化合物のほうが6族よりも安定である。   For example, in the case of a Group 4 transition element, oxygen can be occluded until the transition element becomes tetravalent. In the case of Group 5 transition elements, there is room for oxygen to enter until pentavalent. In the case of a group 6 element, oxygen can enter until it becomes hexavalent. However, since the amount of oxygen atoms that can enter is determined by the size of the structural vacancies and oxygen atoms and the bond energy between the crystal lattices, it is not always necessary to use a transition gold element of group 6. In terms of stability, transition element compounds of Group 4, Group 5 are more stable than Group 6.

従って安定に吸蔵される酸素の量も一概に遷移金属の原子価だけでは決まらない。本発者らが検討した結果、金属Mが4族元素の場合はMCxNyOzの金属Mを1とした場合にx、y、zの組成比が3≦4x+3y+2z≦4で、金属Mが5族元素の場合は金属Mの組成比を1とした場合にx、y、zの組成比が4≦4x+3y+2z≦5で、金属Mが6族元素の場合は金属Mの組成比を1とした場合にx、y、zの組成比が4≦4x+3y+2z≦6であり、また金属Mが合金または遷移金属の混合体の場合は、その金属の組成比率の範囲でx、y、zの組成比が割り振られることが望ましいことが分かった。   Therefore, the amount of oxygen stored stably is not determined solely by the valence of the transition metal. As a result of examination by the present inventors, when the metal M is a group 4 element, the composition ratio of x, y, z is 3 ≦ 4x + 3y + 2z ≦ 4 when the metal M of MC × NyOz is 1, and the metal M is a group 5 element In the case where the composition ratio of the metal M is 1, the composition ratio of x, y, z is 4 ≦ 4x + 3y + 2z ≦ 5, and when the metal M is a group 6 element, the composition ratio of the metal M is 1. When the composition ratio of x, y, z is 4 ≦ 4x + 3y + 2z ≦ 6, and the metal M is an alloy or a mixture of transition metals, the composition ratio of x, y, z is allocated within the range of the composition ratio of the metal. It turned out to be desirable.

またこのように酸素が多く吸蔵された本発明の無機化合物は非常に歪んだ形の立方晶となっており、しいては遷移金属周辺の不対電子密度が上がることも合わせて、電気伝導性が向上し、酸素吸蔵量も多く、酸素還元能が高くなると考えられる。   In addition, the inorganic compound of the present invention in which a large amount of oxygen is occluded has a cubic shape with a very distorted shape. It is considered that the oxygen storage capacity is increased and the oxygen reducing ability is increased.


本発明に用いる触媒の、下記測定法(A)に従って測定される酸素還元開始電位は、可逆水素電極を基準として好ましくは0.7V(vs.NHE)以上である。
〔測定法(A):
電子伝導性粒子であるカーボンに分散させた触媒が1質量%となるように、該触媒およびカーボンを溶剤中に入れ、超音波で攪拌し懸濁液を得る。なお、カーボンとしては、カーボンブラック(比表面積:100〜300m2/g)(例えばキャボット社製 XC−72)を用い、触媒とカーボンとが質量比で95:5になるように分散させる。また、溶剤としては、イソプロピルアルコール:水(質量比)=2:1を用いる。

The oxygen reduction initiation potential of the catalyst used in the present invention, which is measured according to the following measurement method (A), is preferably 0.7 V (vs. NHE) or more based on the reversible hydrogen electrode.
[Measurement method (A):
The catalyst and carbon are placed in a solvent so that the amount of the catalyst dispersed in the carbon that is the electron conductive particles is 1% by mass, and the mixture is stirred with ultrasonic waves to obtain a suspension. As the carbon, carbon black (specific surface area: 100 to 300 m 2 / g) (for example, XC-72 manufactured by Cabot Corporation) is used, and the catalyst and carbon are dispersed so that the mass ratio is 95: 5. As the solvent, isopropyl alcohol: water (mass ratio) = 2: 1 is used.

前記懸濁液を、超音波をかけながら30μlを採取し、すばやくグラッシーカーボン電極(直径:5.2mm)上に滴下し、120℃で1時間乾燥させる。乾燥することにより触媒を含む燃料電池用触媒層が、グラッシーカーボン電極上に形成される。   30 μl of the suspension is collected while applying ultrasonic waves, and is quickly dropped on a glassy carbon electrode (diameter: 5.2 mm) and dried at 120 ° C. for 1 hour. By drying, a catalyst layer for a fuel cell containing the catalyst is formed on the glassy carbon electrode.

次いでナフィオン(デュポン社 5%ナフィオン溶液(DE521))を純水で10倍に希釈したものを、さらに前記燃料電池用触媒層上に10μl滴下する。これを、120℃で1時間乾燥する。   Next, 10 μl of Nafion (DuPont 5% Nafion solution (DE521)) diluted 10-fold with pure water is further dropped onto the fuel cell catalyst layer. This is dried at 120 ° C. for 1 hour.

このようにして、得られた電極を用いて、酸素雰囲気および窒素雰囲気で、0.5mol/dm3の硫酸溶液中、30℃の温度で、同濃度の硫酸溶液中での可逆水素電極を参照電極とし、5mV/秒の電位走査速度で分極することにより電流−電位曲線を測定した際の、酸素雰囲気での還元電流と窒素雰囲気での還元電流とに0.2μA/cm2以上の差が現れ始める電位を酸素還元開始電位とする。〕
上記酸素還元開始電位が0.7V(vs.NHE)未満であると、前記触媒を燃料電池のカソード用の触媒として用いた際に過酸化水素が発生することがある。また酸素還元開始電位は0.85V(vs.NHE)以上であることが、好適に酸素を還元するために好ましい。また、酸素還元開始電位は高い程好ましく、特に上限は無いが、理論値の1.23V(vs.NHE)である。
Thus, using the obtained electrode, refer to a reversible hydrogen electrode in a sulfuric acid solution of the same concentration at a temperature of 30 ° C. in a 0.5 mol / dm 3 sulfuric acid solution in an oxygen atmosphere and a nitrogen atmosphere. When a current-potential curve was measured by polarizing the electrode at a potential scanning speed of 5 mV / sec, there was a difference of 0.2 μA / cm 2 or more between the reduction current in the oxygen atmosphere and the reduction current in the nitrogen atmosphere. The potential that starts to appear is defined as the oxygen reduction start potential. ]
When the oxygen reduction starting potential is less than 0.7 V (vs. NHE), hydrogen peroxide may be generated when the catalyst is used as a catalyst for a cathode of a fuel cell. Further, the oxygen reduction starting potential is preferably 0.85 V (vs. NHE) or more in order to suitably reduce oxygen. Further, the oxygen reduction starting potential is preferably as high as possible. Although there is no particular upper limit, the theoretical value is 1.23 V (vs. NHE).

上記触媒を用いて形成された本発明の燃料電池用触媒層は酸性電解質中において0.4V(vs.NHE)以上の電位で使用されることが好ましく、電位の上限は、電極の安定性により決まり、酸素が発生する電位のおよそ1.53(vs.NHE)まで使用可能である。   The fuel cell catalyst layer of the present invention formed using the above catalyst is preferably used at a potential of 0.4 V (vs. NHE) or more in the acidic electrolyte, and the upper limit of the potential depends on the stability of the electrode. It can be used up to approximately 1.53 (vs. NHE) of the potential at which oxygen is generated.

この電位が0.4V(vs.NHE)未満の場合、酸素吸蔵化合物の安定性という観点では全く問題はないが、酸素を好適に還元することができず、燃料電池に含まれる膜電極接合体の燃料電池用触媒層としての有用性は乏しい。   When this potential is less than 0.4 V (vs. NHE), there is no problem at all from the viewpoint of the stability of the oxygen storage compound, but oxygen cannot be reduced suitably, and the membrane electrode assembly contained in the fuel cell Is not useful as a catalyst layer for fuel cells.

また、本発明の触媒を用いた際の電流の流れ方については、上記測定法(A)に従って測定される電位が0.7Vの時の酸素還元電流密度(mA/cm2)により評価することができる。当該酸素還元電流密度は、0.1(mA/cm2)以上であることが好ましく、0.5(mA/cm2)以上であればさらに好ましい。当該酸素還元電流密度が、0.1(mA/cm2)未満であると、電流があまり流れず燃料電池用触媒層としての有用性は乏しい。 The current flow when using the catalyst of the present invention is evaluated by the oxygen reduction current density (mA / cm 2 ) when the potential measured according to the measurement method (A) is 0.7 V. Can do. The oxygen reduction current density is preferably 0.1 (mA / cm 2 ) or more, and more preferably 0.5 (mA / cm 2 ) or more. When the oxygen reduction current density is less than 0.1 (mA / cm 2 ), the current does not flow so much and its usefulness as a fuel cell catalyst layer is poor.

<触媒の製造方法>
上記触媒の製造方法は特に限定されないが、例えば、遷移金属炭窒化物を、水素及び酸素を含む不活性ガス中で熱処理することにより、酸素吸蔵化合物を得る工程を含む製造方法が挙げられる。
<Method for producing catalyst>
Although the manufacturing method of the said catalyst is not specifically limited, For example, the manufacturing method including the process of obtaining an oxygen storage compound by heat-processing a transition metal carbonitride in the inert gas containing hydrogen and oxygen is mentioned.

上記工程に用いる遷移金属炭窒化物を得る方法としては、遷移金属の酸化物と炭素との混合物を、窒素雰囲気中で熱処理することにより遷移金属の炭窒化物を製造する方法(I)や、遷移金属の炭化物、酸化物および窒化物の混合物を、窒素雰囲気中などで熱処理することにより遷移金属炭窒化物を製造する方法(II)が挙げられる。   As a method of obtaining the transition metal carbonitride used in the above step, a method (I) for producing a transition metal carbonitride by heat-treating a mixture of a transition metal oxide and carbon in a nitrogen atmosphere, A method (II) for producing a transition metal carbonitride by heat-treating a mixture of a transition metal carbide, oxide and nitride in a nitrogen atmosphere or the like.

その他、Journal of Solid State Chemistry ,142,
100−107(1999)(Hak Soo Kim, Guy Bugli, and Gerald Djega-Mariadassou)に記載されている方法で製造しても構わない。
Other, Journal of Solid State Chemistry, 142,
100-107 (1999) (Hak Soo Kim, Guy Bugli, and Gerald Djega-Mariadassou).

[製造方法(I)]
製造方法(I)は、遷移金属の酸化物と炭素との混合物を、窒素雰囲気中で熱処理することにより前駆体の遷移金属の炭窒化物を製造する方法である。
[Production Method (I)]
The production method (I) is a method for producing a precursor transition metal carbonitride by heat-treating a mixture of transition metal oxide and carbon in a nitrogen atmosphere.

炭窒化物を製造する際の熱処理の温度は遷移金属の種類によって異なるが、好ましいのは600℃〜2000℃の範囲であり、より好ましくは900〜1800℃の範囲である。前記熱処理温度が前記範囲内であると、結晶性および均一性が良好な点で好ましい。前記熱処理温度が600℃未満であると結晶性が悪く、均一性が悪くなる傾向があり、2000℃以上であると焼結しやすくなったり、ものによっては昇華や蒸発が起こる場合がある。   The temperature of the heat treatment for producing the carbonitride varies depending on the type of transition metal, but is preferably in the range of 600 ° C to 2000 ° C, more preferably in the range of 900 to 1800 ° C. When the heat treatment temperature is within the above range, it is preferable in terms of good crystallinity and uniformity. If the heat treatment temperature is less than 600 ° C., the crystallinity tends to be poor and the uniformity tends to be poor, and if it is 2000 ° C. or more, sintering tends to occur or sublimation or evaporation may occur depending on the case.

原料の酸化物としては特に限定されない。該酸化物から得られる前駆体の炭窒化物を、水素及び酸素を含む不活性ガス中で熱処理することにより得られる遷移金属の炭窒酸化物からなる触媒は、酸素還元開始電位が高く、活性がある。   The raw material oxide is not particularly limited. A catalyst made of a transition metal carbonitride obtained by heat-treating a precursor carbonitride obtained from the oxide in an inert gas containing hydrogen and oxygen has a high oxygen reduction starting potential and is active. There is.

原料の炭素としては、カーボン、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、フラーレンが挙げられる。カーボンの粉末の粒径がより小さいと、比表面積が大きくなり、酸化物との反応がしやすくなるため好ましい。例えば、カーボンブラック(比表面積:100〜300m2/g、例えばキャボット社製 XC−72)などが好適に用いられる。 Examples of the raw material carbon include carbon, carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, and fullerene. It is preferable that the particle size of the carbon powder is smaller because the specific surface area is increased and the reaction with the oxide is facilitated. For example, carbon black (specific surface area: 100 to 300 m 2 / g, for example, XC-72 manufactured by Cabot Corporation) is preferably used.

3価、4価、5価または6価といった遷移金属の価数に応じて、化学量論的に原料の遷移金属の酸化物と炭素とのモル比を制御すると、適切な炭窒化物が得られる。例えば、ニオブを遷移金属として用いた場合、例えば、2価のニオブの酸化物では、ニオブの酸化物1モルに対して、炭素は1〜3モルが好ましい。4価のニオブの酸化物では、ニオブの酸化物1モルに対して、炭素は2〜4モルが好ましい。5価のニオブの酸化物では、ニオブの酸化物1モルに対して、炭素は3〜9モルが好ましい。これらの範囲の上限値を超えると炭化ニオブ、下限値を下回ると窒化ニオブが生成する傾向がある。またチタンを遷移金属として用いた場合は、窒化チタンを1モルに対して、炭化チタンが10〜300モル、酸化チタンが0.1〜10モルである。前記範囲を満たす配合比で得られた炭窒化チタンを用いると、原子数の比(x、y、z)およびx+y+zが適切なチタンの炭窒酸化物(TiC)を得ることが容易となる。また遷移金属として合金の化合物を合成したいときは、その合金の取りえる最大原子価数に応じた配合が求められる。例えばニオブとモリブデンの複合化合物を目的の酸素吸蔵化合物としたい場合は、酸化ニオブ1モルに対して、酸化モリブデンが0.1〜4モル、炭素が2〜6モルがよい。またジルコニウムとニオブの複合酸化物を目的の酸素吸蔵化合物とした場合は、酸化ジルコニウム1モルに対して、酸化ニオブが0.2〜5モル、炭素が2〜5モルがよい。 A suitable carbonitride can be obtained by controlling the molar ratio of the oxide of transition metal and carbon of the starting material stoichiometrically according to the valence of the transition metal such as trivalent, tetravalent, pentavalent or hexavalent. It is done. For example, when niobium is used as a transition metal, for example, in a divalent niobium oxide, 1 to 3 mol of carbon is preferable with respect to 1 mol of niobium oxide. In the case of tetravalent niobium oxide, 2 to 4 mol of carbon is preferable with respect to 1 mol of niobium oxide. In the pentavalent niobium oxide, 3 to 9 mol of carbon is preferable with respect to 1 mol of niobium oxide. Niobium carbide tends to be formed when the upper limit value of these ranges is exceeded, and niobium nitride is generated when the lower limit value is exceeded. When titanium is used as a transition metal, titanium carbide is 10 to 300 mol and titanium oxide is 0.1 to 10 mol with respect to 1 mol of titanium nitride. When titanium carbonitride obtained at a blending ratio that satisfies the above range is used, titanium carbonitride oxide (TiC x N y O z ) with appropriate atomic ratios (x, y, z) and x + y + z is obtained. Becomes easy. Moreover, when it is desired to synthesize a compound of an alloy as a transition metal, a composition corresponding to the maximum valence number that the alloy can take is required. For example, when it is desired to use a composite compound of niobium and molybdenum as the target oxygen storage compound, 0.1 to 4 mol of molybdenum oxide and 2 to 6 mol of carbon are preferable with respect to 1 mol of niobium oxide. Further, when the target oxygen storage compound is a complex oxide of zirconium and niobium, 0.2 to 5 mol of niobium oxide and 2 to 5 mol of carbon are preferable with respect to 1 mol of zirconium oxide.

[製造方法(II)]
製造方法(II)は、遷移金属の炭化物、酸化物および窒化物の混合物を、窒素雰囲気中などで熱処理することにより前駆体の遷移金属炭窒化物を製造する方法である。
[Production Method (II)]
The production method (II) is a method of producing a precursor transition metal carbonitride by heat-treating a mixture of a transition metal carbide, oxide and nitride in a nitrogen atmosphere or the like.

繊維金属炭窒化物を製造する際の熱処理の温度は600℃〜2000℃の範囲であり、好ましくは800〜1600℃の範囲である。前記熱処理温度が前記範囲内であると、結晶性および均一性が良好な点で好ましい。前記熱処理温度が600℃未満であると結晶性が悪く、均一性が悪くなる傾向があり、1800℃以上であると焼結しやすくなる傾向がある。   The temperature of the heat treatment for producing the fiber metal carbonitride is in the range of 600 ° C to 2000 ° C, preferably in the range of 800 to 1600 ° C. When the heat treatment temperature is within the above range, it is preferable in terms of good crystallinity and uniformity. If the heat treatment temperature is less than 600 ° C., the crystallinity tends to be poor and the uniformity tends to deteriorate, and if it is 1800 ° C. or more, it tends to be easy to sinter.

こうして前駆体の炭窒化物を、還元性ガスと酸素を含む不活性ガス中で熱処理することにより得られる炭窒酸化物は酸素吸蔵量が多く、酸素還元活性が高い触媒となる。   Thus, the carbonitride obtained by heat-treating the precursor carbonitride in an inert gas containing a reducing gas and oxygen has a large oxygen storage capacity and becomes a catalyst having a high oxygen reduction activity.

(酸素吸蔵炭窒酸化物の製造工程)
次に、遷移金属炭窒化物を、還元性ガス及び酸素を含む不活性ガス中で熱処理することにより、酸素吸蔵量の多い遷移金属の炭窒酸化物を得る工程について説明する。
(Production process of oxygen storage carbonitride)
Next, a process for obtaining a transition metal carbonitride having a large oxygen storage amount by heat-treating the transition metal carbonitride in an inert gas containing a reducing gas and oxygen will be described.

上記不活性ガスとしては、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、クリプトンガス、キセノンガス、ラドンガスまたは窒素ガスが挙げられる。アルゴンガス、ヘリウムガスまたは窒素ガスが、比較的入手しやすい点で特に好ましい。   Examples of the inert gas include helium gas, neon gas, argon gas, krypton gas, xenon gas, radon gas, and nitrogen gas. Argon gas, helium gas or nitrogen gas is particularly preferable because it is relatively easy to obtain.

当該工程における酸素濃度は、熱処理時間と熱処理温度に依存するが、0.1〜5容量%が好ましく、0.5〜3容量%が特に好ましい。また還元性ガスとしては水素が最も好ましく、水素濃度は0.5〜5容量%が好ましく、1.0%〜4容量%が特に好ましい。ただし酸素と水素の容量比は同等または若干水素を多くしたほうが、酸化反応を穏やかに進行させて、副反応生成物である遷移金属酸化物の生成を抑制することができる。この濃度の酸素と水素を含む不活性ガス雰囲気下で数時間酸化処理を行うが、その時の温度は遷移金属に応じて変更するが、あまり高すぎるとこれまた酸化が進みすぎたり、あるいは分解が起こったりして好ましくない。推奨温度は400℃〜1000℃である。細かい温度設定は遷移金属の酸化物の融点と照らし合わせて、融点より300℃から800℃低い温度の範囲で酸化させるのがよい。あまり高すぎると副生成物の酸化物が多くできたり、粒成長が進みすぎて比表面積の小さい触媒になってしまう。またあまり温度が低すぎると酸化及び酸素吸蔵が進行しない。   The oxygen concentration in the step depends on the heat treatment time and the heat treatment temperature, but is preferably 0.1 to 5% by volume, particularly preferably 0.5 to 3% by volume. The reducing gas is most preferably hydrogen, and the hydrogen concentration is preferably 0.5 to 5% by volume, particularly preferably 1.0% to 4% by volume. However, when the volume ratio of oxygen and hydrogen is the same or slightly more hydrogen, the oxidation reaction can proceed more gently, and the production of transition metal oxides as side reaction products can be suppressed. Oxidation treatment is performed for several hours in an inert gas atmosphere containing oxygen and hydrogen at this concentration, but the temperature at that time changes depending on the transition metal, but if it is too high, the oxidation may proceed excessively or decomposition may occur. It is not desirable to happen. The recommended temperature is 400 ° C to 1000 ° C. The fine temperature setting is preferably performed in the temperature range of 300 ° C. to 800 ° C. lower than the melting point in light of the melting point of the transition metal oxide. If it is too high, the amount of by-product oxides can be increased, or the grain growth can proceed so much that the catalyst has a small specific surface area. If the temperature is too low, oxidation and oxygen storage will not proceed.

こうして作製した酸素吸蔵化合物触媒は、上述の製造方法等により得られる遷移金属の炭窒酸化物を、そのまま用いてもよいが、得られる遷移金属の炭窒酸化物をさらに解砕し、より微細な粉末にしたものを用いてもよい。   The oxygen storage compound catalyst prepared in this way may use the transition metal oxynitride obtained by the above-described production method as it is, but further pulverize the obtained transition metal oxynitride to obtain a finer You may use what was made into the powder.

遷移金属の炭窒酸化物を解砕する方法としては、例えば、ロール転動ミル、ボールミル、媒体撹拌ミル、気流粉砕機、乳鉢、槽解機による方法等が挙げられ、遷移金属の炭窒酸化物をより微粒とすることができる点では、気流粉砕機による方法が好ましく、少量処理が容易となる点では、乳鉢による方法が好ましい。   Examples of the method of pulverizing transition metal carbonitride oxide include a roll rolling mill, a ball mill, a medium stirring mill, an airflow crusher, a mortar, a method using a tank disintegrator, etc. A method using an airflow pulverizer is preferable in that the product can be made finer, and a method using a mortar is preferable in that a small amount of processing is easy.

さらに、上記のようにして製造した触媒に白金を1.0質量%以下添加すると、触媒活性をさらに引き立てることができる。白金を添加することで酸素還元能をさらに高めることができる。ただし添加白金をあまり多くしてもその効果は変わらず、1.0質量%以上添加しても意味がない。また白金は効果なため、用途と効果を鑑みて、適宜添加するかしないかを判断することが重要である。いずれにしても本発明の触媒は白金を添加しなくても充分に酸素還元能を有し、触媒活性に優れたものである。

<用途>
本発明の触媒は、白金触媒の代替触媒として使用することができる。
Furthermore, when platinum is added in an amount of 1.0% by mass or less to the catalyst produced as described above, the catalytic activity can be further enhanced. Oxygen reduction ability can be further enhanced by adding platinum. However, adding too much platinum does not change the effect, and adding 1.0% by mass or more is meaningless. In addition, since platinum is effective, it is important to determine whether or not to add it appropriately in view of applications and effects. In any case, the catalyst of the present invention has sufficient oxygen reducing ability without adding platinum and is excellent in catalytic activity.

<Application>
The catalyst of the present invention can be used as an alternative catalyst for a platinum catalyst.

例えば、燃料電池用触媒、排ガス処理用触媒または有機合成用触媒として使用できる。   For example, it can be used as a catalyst for fuel cells, a catalyst for exhaust gas treatment, or a catalyst for organic synthesis.

本発明の燃料電池用触媒層は、前記触媒を含むことを特徴としている。   The fuel cell catalyst layer of the present invention is characterized by containing the catalyst.

燃料電池用触媒層には、アノード触媒層、カソード触媒層があるが、前記触媒はいずれにも用いることができる。前記触媒は、耐久性に優れ、酸素還元能が大きいので、カソード触媒層に用いることが好ましい。   The fuel cell catalyst layer includes an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer, and the catalyst can be used for both. Since the catalyst is excellent in durability and has a large oxygen reducing ability, it is preferably used in the cathode catalyst layer.

本発明の燃料電池用触媒層には、さらに電子伝導性粒子を含むことが好ましい。前記触媒を含む燃料電池用触媒層がさらに電子伝導性粒子を含む場合には、還元電流をより高めることができる。電子伝導性粒子は、前記触媒に、電気化学的反応を誘起させるための電気的接点を生じさせるため、還元電流を高めると考えられる。   The catalyst layer for a fuel cell of the present invention preferably further contains electron conductive particles. When the fuel cell catalyst layer containing the catalyst further contains electron conductive particles, the reduction current can be further increased. The electron conductive particles are considered to increase the reduction current because they generate an electrical contact for inducing an electrochemical reaction in the catalyst.

前記電子伝導性粒子は通常、触媒の担体として用いられる。   The electron conductive particles are usually used as a catalyst carrier.

電子伝導性粒子としては、炭素、導電性高分子、導電性セラミクス、金属または酸化タングステンもしくは酸化イリジウムなどの導電性無機酸化物が挙げられ、それらを単独または組み合わせて用いることができる。特に、炭素は比表面積が大きいため、炭素単独または炭素とその他の電子伝導性粒子との混合物が好ましい。すなわち燃料電池用触媒層としては、前記触媒と、炭素とを含むことが好ましい。   Examples of the electron conductive particles include carbon, conductive polymers, conductive ceramics, metals, and conductive inorganic oxides such as tungsten oxide or iridium oxide, and these can be used alone or in combination. In particular, since carbon has a large specific surface area, carbon alone or a mixture of carbon and other electron conductive particles is preferable. That is, the fuel cell catalyst layer preferably contains the catalyst and carbon.

炭素としては、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、フラーレンなどが使用できる。カーボンの粒径は、小さすぎると電子伝導パスが形成されにくくなり、また大きすぎると燃料電池用触媒層のガス拡散性が低下したり、触媒の利用率が低下する傾向があるため、10〜1000nmの範囲であることが好ましく、10〜100nmの範囲であることがよりに好ましい。   As carbon, carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, fullerene and the like can be used. If the particle size of the carbon is too small, it becomes difficult to form an electron conduction path, and if it is too large, the gas diffusibility of the catalyst layer for fuel cells tends to decrease or the utilization factor of the catalyst tends to decrease. A range of 1000 nm is preferable, and a range of 10 to 100 nm is more preferable.

電子伝導性粒子が、炭素の場合、前記触媒と炭素との質量比(触媒:電子伝導性粒子)は、好ましくは4:1〜1000:1である。   When the electron conductive particles are carbon, the mass ratio of the catalyst to carbon (catalyst: electron conductive particles) is preferably 4: 1 to 1000: 1.

導電性高分子としては特に限定は無いが、例えばポリアセチレン、ポリ−p−フェニレン、ポリアニリン、ポリアルキルアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリインドール、ポリ−1,5−ジアミノアントラキノン、ポリアミノジフェニル、ポリ(o−フェニレンジアミン)、ポリ(キノリニウム)塩、ポリピリジン、ポリキノキサリン、ポリフェニルキノキサリン等が挙げられる。これらの中でも、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェンが好ましく、ポリピロールがより好ましい。   The conductive polymer is not particularly limited. For example, polyacetylene, poly-p-phenylene, polyaniline, polyalkylaniline, polypyrrole, polythiophene, polyindole, poly-1,5-diaminoanthraquinone, polyaminodiphenyl, poly (o- Phenylenediamine), poly (quinolinium) salts, polypyridine, polyquinoxaline, polyphenylquinoxaline and the like. Among these, polypyrrole, polyaniline, and polythiophene are preferable, and polypyrrole is more preferable.

高分子電解質としては、燃料電池用触媒層において一般的に用いられているものであれば特に限定されない。具体的には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体(例えば、ナフィオン(デュポン社 5%ナフィオン溶液(DE521)など)、スルホン酸基を有する炭化水素系高分子化合物、リン酸などの無機酸をドープさせた高分子化合物、一部がプロトン伝導性の官能基で置換された有機/無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたプロトン伝導体などが挙げられる。これらの中でもナフィオン(デュポン社 5%ナフィオン溶液(DE521))が好ましくよく用いられる。   The polymer electrolyte is not particularly limited as long as it is generally used in a fuel cell catalyst layer. Specifically, a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group (for example, Nafion (DuPont 5% Nafion solution (DE521), etc.), a hydrocarbon polymer compound having a sulfonic acid group, and an inorganic acid such as phosphoric acid are used. Examples thereof include doped polymer compounds, organic / inorganic hybrid polymers partially substituted with proton-conductive functional groups, and proton conductors in which a polymer matrix is impregnated with a phosphoric acid solution or a sulfuric acid solution. Of these, Nafion (DuPont 5% Nafion solution (DE521)) is preferably used.

本発明の燃料電池用触媒層は、高い酸素還元能を有し、酸性電解質中において高電位であっても腐蝕しがたい触媒を含むため、燃料電池のカソードに設けられる触媒層(カソード用触媒層)として有用である。特に固体高分子型燃料電池が備える膜電極接合体のカソードに設けられる触媒層に好適に用いられる。   The catalyst layer for a fuel cell of the present invention includes a catalyst layer (catalyst catalyst for cathode) provided on the cathode of a fuel cell because it contains a catalyst having high oxygen reducing ability and hardly corroded even in a high potential in an acidic electrolyte. Layer). In particular, it is suitably used for a catalyst layer provided on the cathode of a membrane electrode assembly provided in a polymer electrolyte fuel cell.

前記触媒を、担体である前記電子伝導性粒子上に分散させる方法としては、気流分散、液中分散等の方法が挙げられる。液中分散は、溶媒中に触媒および電子伝導性粒子を分散したものを、燃料電池用触媒層形成工程に使用できるため好ましい。液中分散としては、オリフィス収縮流による方法、回転せん断流による方法または超音波による方法等があげられる。液中分散の際、使用される溶媒は、触媒や電子伝導性粒子を浸食することがなく、分散できるものであれば特に制限はないが、揮発性の液体有機溶媒または水等が一般に使用される。   Examples of the method for dispersing the catalyst on the electron conductive particles as a support include air flow dispersion and dispersion in liquid. Dispersion in liquid is preferable because a catalyst and electron conductive particles dispersed in a solvent can be used in the fuel cell catalyst layer forming step. Examples of the dispersion in the liquid include a method using an orifice contraction flow, a method using a rotating shear flow, and a method using an ultrasonic wave. The solvent used for dispersion in the liquid is not particularly limited as long as it does not erode the catalyst or electron conductive particles and can be dispersed, but a volatile liquid organic solvent or water is generally used. The

また、触媒を、前記電子伝導性粒子上に分散させる際、さらに上記電解質と分散剤とを同時に分散させてもよい。   Further, when the catalyst is dispersed on the electron conductive particles, the electrolyte and the dispersing agent may be further dispersed at the same time.

燃料電池用触媒層の形成方法としては、特に制限はないが、たとえば、前記触媒と電子伝導性粒子と電解質とを含む懸濁液を、後述する電解質膜またはガス拡散層に塗布する方法が挙げられる。前記塗布する方法としては、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法、スプレー法などが挙げられる。また、前記触媒と電子伝導性粒子と電解質とを含む懸濁液を、塗布法またはろ過法により基材に燃料電池用触媒層を形成した後、転写法で電解質膜に燃料電池用触媒層を形成する方法が挙げられる。   The method for forming the catalyst layer for the fuel cell is not particularly limited. For example, a method of applying a suspension containing the catalyst, the electron conductive particles, and the electrolyte to the electrolyte membrane or the gas diffusion layer to be described later. It is done. Examples of the application method include a dipping method, a screen printing method, a roll coating method, and a spray method. In addition, after forming a catalyst layer for a fuel cell on a base material by a coating method or a filtration method using a suspension containing the catalyst, electron conductive particles, and an electrolyte, the catalyst layer for a fuel cell is formed on the electrolyte membrane by a transfer method. The method of forming is mentioned.

本発明の電極はカソードまたはアノードのいずれの電極にも用いることができる。本発明の電極は、耐久性に優れ、触媒能が大きいので、カソードに用いるとより効果を発揮する。   The electrode of the present invention can be used as either a cathode or an anode. Since the electrode of the present invention is excellent in durability and has a large catalytic ability, it is more effective when used for a cathode.

燃料電池を構成するには、一般には、アノード用及びカソード用電極を固体電解質にはさんだもの(膜電極接合体)の外側の集電体と電極触媒との間にガス拡散層を設けて燃料及び酸化ガスの拡散性を高めて燃料電池の効率を高める工夫がなされる。ガス拡散層には、一般的にはカーボンペーパー、カーボンクロスなどの炭素系多孔質材料や、軽量化のためにステンレス、耐食材を被服したアルミニウム箔が用いられる。   In general, a fuel cell is formed by providing a gas diffusion layer between a current collector outside an anode and a cathode electrode sandwiched between solid electrolytes (membrane electrode assembly) and an electrode catalyst. In addition, a device for improving the efficiency of the fuel cell by increasing the diffusibility of the oxidizing gas is devised. For the gas diffusion layer, a carbon-based porous material such as carbon paper or carbon cloth, or an aluminum foil coated with stainless steel or corrosion-resistant material for weight reduction is generally used.

本発明の膜電極接合体は、カソードとアノードと前記カソードおよび前記アノードの間に配置された電解質膜とを有する膜電極接合体であって、前記カソードが、前記電極であることを特徴としている。   The membrane electrode assembly of the present invention is a membrane electrode assembly including a cathode, an anode, and an electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode, wherein the cathode is the electrode. .

電解質膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系を用いた電解質膜または炭化水素系電解質膜などが一般的に用いられるが、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜または多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。   As the electrolyte membrane, for example, an electrolyte membrane using a perfluorosulfonic acid system or a hydrocarbon electrolyte membrane is generally used. However, a membrane or porous body in which a polymer microporous membrane is impregnated with a liquid electrolyte is used. A membrane filled with a polymer electrolyte may be used.

また本発明の燃料電池は、前記膜電極接合体を備えることを特徴としている。   The fuel cell according to the present invention includes the membrane electrode assembly.

燃料電池の電極反応はいわゆる3相界面(電解質‐電極触媒‐反応ガス)で起こる。燃料電池は、使用される電解質などの違いにより数種類に分類され、溶融炭酸塩型(MCFC)、リン酸型(PAFC)、固体酸化物型(SOFC)、固体高分子型(PEFC)等がある。本発明の触媒は白金の代替として用いることができるので、燃料電池の種類は問わず用いることができるが、中でも、固体高分子型燃料電池に使用すると効果よりいっそう大きい。   Fuel cell electrode reactions occur at the so-called three-phase interface (electrolyte-electrode catalyst-reaction gas). Fuel cells are classified into several types depending on the electrolyte used, etc., and include molten carbonate type (MCFC), phosphoric acid type (PAFC), solid oxide type (SOFC), and solid polymer type (PEFC). . Since the catalyst of the present invention can be used as an alternative to platinum, it can be used regardless of the type of fuel cell, but among these, the effect is even greater when used in a polymer electrolyte fuel cell.

以下に、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。   EXAMPLES The present invention will be described below in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

また、実施例および比較例における各種測定は、下記の方法により行なった。   In addition, various measurements in Examples and Comparative Examples were performed by the following methods.

[元素分析]
炭素:試料約0.1gを量り取り、堀場製作所 EMIA−110で測定を行った。
[Elemental analysis]
Carbon: About 0.1 g of a sample was weighed and measured with Horiba EMIA-110.

窒素・酸素:試料約0.1gを量り取り、Ni−Cupに封入後、ON分析装置で測定を行った。   Nitrogen / oxygen: About 0.1 g of a sample was weighed and sealed in Ni-Cup, and then measured with an ON analyzer.

チタン:試料約0.1gを白金皿に量り取り、硝酸−フッ酸を加えて加熱分解した。この加熱分解物を定容後、希釈し、ICP−MSで定量を行った。   Titanium: About 0.1 g of a sample was weighed on a platinum dish, and nitric acid-hydrofluoric acid was added for thermal decomposition. This heat-decomposed product was diluted, diluted, and quantified by ICP-MS.


[実施例1]
1.触媒の調製
炭化タンタル(TaC)1.93g(10mmol)、酸化タンタル(Ta)0.66g(1.5mmol)、窒化タンタル(TaN)0.16g(0.8mmol)をよく混合して、1800℃で3時間、窒素雰囲気中で加熱することにより、炭窒化タンタル2.75gが得られた。焼結体になるため、自動乳鉢で粉砕した。

[Example 1]
1. Catalyst preparation 1.93 g (10 mmol) of tantalum carbide (TaC), 0.66 g (1.5 mmol) of tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), 0.16 g (0.8 mmol) of tantalum nitride (TaN) were mixed well. By heating in a nitrogen atmosphere at 1800 ° C. for 3 hours, 2.75 g of tantalum carbonitride was obtained. Since it became a sintered body, it was pulverized in an automatic mortar.

得られた炭窒化タンタルの粉末X線回折スペクトルを図1に示す。また、得られた炭窒化タンタルの元素分析結果を表1に示す。   The powder X-ray diffraction spectrum of the obtained tantalum carbonitride is shown in FIG. Table 1 shows the elemental analysis results of the obtained tantalum carbonitride.

得られた炭窒化チタン300mgを、1容量%の酸素ガスと2容量%の水素を含む窒素ガスを流しながら、管状炉で、900℃で10時間加熱することにより、タンタルの炭窒酸化物(以下「触媒(1)」とも記す。)291mgが得られた。   300 mg of the obtained titanium carbonitride was heated at 900 ° C. for 10 hours in a tubular furnace while flowing nitrogen gas containing 1% by volume of oxygen gas and 2% by volume of hydrogen. Hereinafter also referred to as “catalyst (1)”.) 291 mg was obtained.

得られた触媒(1)の粉末X線回折スペクトルを図2に示す。また元素分析値を表2に示す。   The powder X-ray diffraction spectrum of the obtained catalyst (1) is shown in FIG. The elemental analysis values are shown in Table 2.

2.燃料電池用電極の製造
酸素還元能の測定は、次のように行った。触媒(1)95mgとカーボン(キャボット社製 XC−72)5mgをイソプロピルアルコール:純水=2:1の質量比で混合した溶液10gに入れ、超音波で撹拌、縣濁して混合した。この混合物30μlをグラッシーカーボン電極(東海カーボン社製、径:5.2mm)に塗布し、120℃で1時間乾燥した。さらに、ナフィオン(デュポン社 5%ナフィオン溶液(DE521))を10倍に純水で希釈したもの10μlを塗布し、120℃で1時間乾燥し、燃料電池用電極(1)を得た。
2. Production of Fuel Cell Electrode The oxygen reducing ability was measured as follows. 95 mg of catalyst (1) and 5 mg of carbon (XC-72 manufactured by Cabot Corporation) were mixed in 10 g of a mixture having a mass ratio of isopropyl alcohol: pure water = 2: 1, and stirred and suspended in an ultrasonic wave. 30 μl of this mixture was applied to a glassy carbon electrode (manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd., diameter: 5.2 mm) and dried at 120 ° C. for 1 hour. Further, 10 μl of Nafion (DuPont 5% Nafion solution (DE521)) diluted 10 times with pure water was applied and dried at 120 ° C. for 1 hour to obtain a fuel cell electrode (1).

3.酸素還元能の評価
このようにして作製した燃料電池用電極(1)の触媒能(酸素還元能)を以下の方法で評価した。
3. Evaluation of oxygen reducing ability The catalytic ability (oxygen reducing ability) of the thus produced fuel cell electrode (1) was evaluated by the following method.

まず、作製した燃料電池用電極(1)を、酸素雰囲気および窒素雰囲気で、0.5mol/dm3の硫酸溶液中、30℃、5mV/秒の電位走査速度で分極し、電流−電位曲線を測定した。その際、同濃度の硫酸溶液中での可逆水素電極を参照電極とした。 First, the prepared fuel cell electrode (1) was polarized in an oxygen atmosphere and a nitrogen atmosphere in a 0.5 mol / dm 3 sulfuric acid solution at 30 ° C. and a potential scanning rate of 5 mV / sec, and a current-potential curve was obtained. It was measured. At that time, a reversible hydrogen electrode in a sulfuric acid solution having the same concentration was used as a reference electrode.

上記測定結果から、酸素雰囲気での還元電流と窒素雰囲気での還元電流とに0.2μA/cm以上差が現れ始める電位を酸素還元開始電位とし、両者の差を酸素還元電流とした。 From the above measurement results, the potential at which a difference of 0.2 μA / cm 2 or more appears between the reduction current in the oxygen atmosphere and the reduction current in the nitrogen atmosphere was defined as the oxygen reduction start potential, and the difference between the two was defined as the oxygen reduction current.

この酸素還元開始電位および酸素還元電流により作製した燃料電池用電極(1)の触媒能(酸素還元能)を評価した。   The catalytic ability (oxygen reducing ability) of the fuel cell electrode (1) produced by this oxygen reduction starting potential and oxygen reducing current was evaluated.

すなわち、酸素還元開始電位が高いほど、また、酸素還元電流が大きいほど、燃料電池用電極の触媒能(酸素還元能)が高いことを示す。   That is, the higher the oxygen reduction start potential and the larger the oxygen reduction current, the higher the catalytic ability (oxygen reducing ability) of the fuel cell electrode.

触媒(1)を用いた電極の酸素還元能を調べた結果を図3に示す。 この電極の酸素還元開始電位は0.91V(vs.NHE)であり、高い酸素還元能を有することがわかった。   The result of examining the oxygen reducing ability of the electrode using the catalyst (1) is shown in FIG. This electrode had an oxygen reduction starting potential of 0.91 V (vs. NHE), and was found to have a high oxygen reduction ability.

[実施例2]
1.触媒の調製
炭化ジルコニウム(ZrC)1.55g(15mmol)、酸化ジルコニウム(ZrO)0.31g(2.5mmol)、窒化ジルコニウム(ZrN)0.105g(1.0mmol)をよく混合して、1800℃で3時間、窒素雰囲気中で加熱することにより、炭窒化ジルコニウム2.02gが得られた。焼結体になるため、自動乳鉢で粉砕した。
[Example 2]
1. Catalyst Preparation 1.55 g (15 mmol) of zirconium carbide (ZrC), 0.31 g (2.5 mmol) of zirconium oxide (ZrO 2 ), 0.105 g (1.0 mmol) of zirconium nitride (ZrN) were mixed well, and 1800 By heating in a nitrogen atmosphere at 3 ° C. for 3 hours, 2.02 g of zirconium carbonitride was obtained. Since it became a sintered body, it was pulverized in an automatic mortar.

得られた炭窒化ジルコニウムの粉末X線回折スペクトルを図4に示す。また、得られた炭窒化ジルコニウムの元素分析結果を表1に示す。   The powder X-ray diffraction spectrum of the obtained zirconium carbonitride is shown in FIG. Table 1 shows the elemental analysis results of the obtained zirconium carbonitride.

得られた炭窒化ジルコニウム300mgを、1容量%の酸素ガスと2容量%の水素を含む窒素ガスを流しながら、管状炉で、1000℃で10時間加熱することにより、ジルコニウムの炭窒酸化物(以下「触媒(2)」とも記す。)280mgが得られた。   By heating 300 mg of the obtained zirconium carbonitride in a tubular furnace at 1000 ° C. for 10 hours while flowing nitrogen gas containing 1% by volume oxygen gas and 2% by volume hydrogen, zirconium carbonitride oxide ( Hereinafter also referred to as “catalyst (2)”.) 280 mg was obtained.

得られた触媒(2)の粉末X線回折スペクトルを図5に示す。また元素分析値を表2に示す。   The powder X-ray diffraction spectrum of the resulting catalyst (2) is shown in FIG. The elemental analysis values are shown in Table 2.

2.燃料電池用電極の製造
酸素還元能の測定は、実施例1と同様にして行った。
2. Production of Fuel Cell Electrode The oxygen reduction ability was measured in the same manner as in Example 1.

3.酸素還元能の評価
このようにして作製した燃料電池用電極の触媒能(酸素還元能)も実施例1と同様にして行った。
3. Evaluation of oxygen reduction ability The catalyst ability (oxygen reduction ability) of the thus produced fuel cell electrode was also carried out in the same manner as in Example 1.

この触媒を用いた電極の酸素還元能を調べた結果を図6に示す。この電極の酸素還元開始電位は0.94V(vs.NHE)であり、非常に高い酸素還元能を有することがわかった。   The results of examining the oxygen reducing ability of the electrode using this catalyst are shown in FIG. This electrode had an oxygen reduction starting potential of 0.94 V (vs. NHE), and was found to have a very high oxygen reducing ability.

[実施例3]
酸化ニオブ(IV)(NbO2)2.50g(20mmol)にカーボン(キャボット社製、Vulcan72)600mg(50mmol)を十分に粉砕して混合した。この混合粉末を管状炉において、1600℃で1.5時間、窒素雰囲気中で加熱することにより、炭窒化ニオブ2.35gが得られた。得られた炭窒化ニオブの粉末X線回折スペクトルを図7に示す。また、得られた炭窒化ニオブの元素分析結果を表1に示す。
[Example 3]
To 2.50 g (20 mmol) of niobium oxide (IV) (NbO 2 ), 600 mg (50 mmol) of carbon (manufactured by Cabot, Vulcan 72) was sufficiently pulverized and mixed. This mixed powder was heated in a tube furnace at 1600 ° C. for 1.5 hours in a nitrogen atmosphere to obtain 2.35 g of niobium carbonitride. The powder X-ray diffraction spectrum of the obtained niobium carbonitride is shown in FIG. In addition, Table 1 shows the elemental analysis results of the obtained niobium carbonitride.

得られた炭窒化ニオブ1.00gを、1容量%の酸素ガス及び1容量%の水素ガスを含む窒素ガスを流しながら、管状炉で、500℃で1時間加熱することにより、ニオブの炭窒酸化物0.98gが得られた。さらに、これをアルゴン雰囲気中で900℃で3時間加熱して得たもの(以下「触媒(3)」と記す。)の粉末X線回折スペクトルを図8に示す。またこの触媒(3)の元素分析結果を表2に示す。得られたニオブの炭窒酸化物(NbC)において、x、y、zは、順に0.51、0.50、0.72であり、4x+3y+2zは4.98であった。 The obtained niobium carbonitride was heated at 500 ° C. for 1 hour in a tubular furnace while flowing nitrogen gas containing 1% by volume of oxygen gas and 1% by volume of hydrogen gas. 0.98 g of oxide was obtained. Further, FIG. 8 shows a powder X-ray diffraction spectrum of a powder obtained by heating this at 900 ° C. for 3 hours in an argon atmosphere (hereinafter referred to as “catalyst (3)”). Table 2 shows the results of elemental analysis of the catalyst (3). In the obtained niobium carbonitride (NbC x N y O z ), x, y, and z were 0.51, 0.50, and 0.72, respectively, and 4x + 3y + 2z was 4.98.

2.燃料電池用電極の製造
酸素還元能の測定は、実施例1と同様にして行った。
2. Production of Fuel Cell Electrode The oxygen reduction ability was measured in the same manner as in Example 1.

3.酸素還元能の評価
このようにして作製した燃料電池用電極の触媒能(酸素還元能)も実施例1と同様にして行った。
3. Evaluation of oxygen reduction ability The catalyst ability (oxygen reduction ability) of the thus produced fuel cell electrode was also carried out in the same manner as in Example 1.

この触媒を用いた電極の酸素還元能を調べた結果を図9に示す。この電極の酸素還元開始電位は0.96V(vs.NHE)であり、非常に高い酸素還元能を有することがわかった。   The results of examining the oxygen reducing ability of the electrode using this catalyst are shown in FIG. The oxygen reduction starting potential of this electrode was 0.96 V (vs. NHE), and it was found that the electrode had a very high oxygen reducing ability.

[実施例4]
炭化ニオブ1.150g(11mmol)、5価の酸化ニオブ0.175g(1mmol)、6価の酸化モリブデン0.864g(6mmol)窒化ニオブ0.11g(1mmol)をよく混合して、1000℃で3時間、窒素雰囲気中で加熱することにより、炭窒化ニオブ2.02gが得られた。得られた炭窒化ニオブモリブデンの粉末X線回折スペクトルを図10に示す。また、得られた炭窒化ニオブモリブデンの元素分析結果を表1に示す。
[Example 4]
Niobium carbide 1.150 g (11 mmol), pentavalent niobium oxide 0.175 g (1 mmol), hexavalent molybdenum oxide 0.864 g (6 mmol), niobium nitride 0.11 g (1 mmol) were mixed well, and the mixture was mixed at 1000 ° C. 3 By heating in a nitrogen atmosphere for a period of time, 2.02 g of niobium carbonitride was obtained. FIG. 10 shows a powder X-ray diffraction spectrum of the obtained niobium molybdenum carbonitride. In addition, Table 1 shows the elemental analysis results of the obtained niobium molybdenum carbonitride.

得られた炭窒化ニオブモリブデン1.10gを、1容量%の酸素ガス及び1容量%の水素ガスを含む窒素ガスを流しながら、管状炉で、800℃で1時間加熱することにより、ニオブの炭窒酸化物(以下「触媒(4)」とも記す。)1.18gが得られた。この触媒(4)の粉末X線回折スペクトルを図11に示す。また触媒(4)の元素分析結果を表2に示す。   The obtained niobium carbonitride molybdenum (1.10 g) was heated at 800 ° C. for 1 hour in a tubular furnace while flowing nitrogen gas containing 1% by volume of oxygen gas and 1% by volume of hydrogen gas. 1.18 g of nitrided oxide (hereinafter also referred to as “catalyst (4)”) was obtained. The powder X-ray diffraction spectrum of this catalyst (4) is shown in FIG. In addition, Table 2 shows the results of elemental analysis of the catalyst (4).

得られたニオブモリブデンの炭窒酸化物(NbMoC)において、x、y、zは、順に0.50、0.48、0.85であり、4x+3y+2zは5.14であった。 In the obtained niobium molybdenum carbonitride (NbMoC x N y O z ), x, y, and z were 0.50, 0.48, and 0.85 in this order, and 4x + 3y + 2z was 5.14. .

2.燃料電池用電極の製造
前記触媒(4)を用いた以外は実施例1と同様にして燃料電池用電極(4)を得た。
2. Production of Fuel Cell Electrode A fuel cell electrode (4) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the catalyst (4) was used.

3.酸素還元能の評価
前記燃料電池用電極(4)を用いた以外は実施例1と同様にして触媒能(酸素還元能)を評価した。
3. Evaluation of oxygen reduction ability Catalytic ability (oxygen reduction ability) was evaluated in the same manner as in Example 1 except that the fuel cell electrode (4) was used.

図12に、当該測定により得られた電流−電位曲線を示す。   FIG. 12 shows a current-potential curve obtained by the measurement.

この電極の酸素還元開始電位は0.96V(vs.NHE)であり、電位が0.7Vの時の酸素還元電流密度が(1.2)(mA/cm2)であり、高い酸素還元能を有することがわかった。 The oxygen reduction starting potential of this electrode is 0.96 V (vs. NHE), the oxygen reduction current density when the potential is 0.7 V is (1.2) (mA / cm 2 ), and has a high oxygen reducing ability. It was found to have

[実施例5]
窒化ジルコニウム0.24g(2.3mmol)、5価の酸化ニオブ1.03g(3.9mmol)、炭化ニオブ1.57g(15.0mmol)をよく混合して、1100℃で3時間、窒素雰囲気中で加熱することにより、炭窒化ニオブ・ジルコニウム2.64gが得られた。得られた炭窒化ニオブ・ジルコニウムの粉末X線回折スペクトルを図13に示す。また、得られた炭窒化ニオブ・ジルコニウムの元素分析結果を表1に示す。
[Example 5]
Zirconium nitride (0.24 g, 2.3 mmol), pentavalent niobium oxide (1.03 g, 3.9 mmol), and niobium carbide (1.57 g, 15.0 mmol) were mixed well and mixed at 1100 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere. To obtain 2.64 g of niobium carbonitride / zirconium. The powder X-ray diffraction spectrum of the obtained niobium zirconium carbonitride is shown in FIG. Table 1 shows the elemental analysis results of the obtained niobium carbonitride and zirconium carbonitride.

得られた炭窒化ニオブ・ジルコニウム1.00gを、1容量%の酸素ガス及び1容量%の水素ガスを含む窒素ガスを流しながら、管状炉で、800℃で1時間加熱することにより、ニオブ・ジルコニウムの炭窒酸化物(以下「触媒(5)」とも記す。)1.15gが得られた。この触媒(5)の粉末X線回折スペクトルを図14に示す。また触媒(4)の元素分析結果を表2に示す。   Niobium carbonitride 1.00 g obtained was heated at 800 ° C. for 1 hour in a tubular furnace while flowing nitrogen gas containing 1 vol% oxygen gas and 1 vol% hydrogen gas. 1.15 g of zirconium oxynitride (hereinafter also referred to as “catalyst (5)”) was obtained. The powder X-ray diffraction spectrum of this catalyst (5) is shown in FIG. In addition, Table 2 shows the results of elemental analysis of the catalyst (4).

得られたニオブ・ジルコニウムの炭窒酸化物(NbMoC)において、x、y、zは、順に0.50、0.33、0.81であり、4x+3y+2zは4.61であった。 In the obtained niobium-zirconium oxycarbonitride (NbMoC x N y O z ), x, y, and z were 0.50, 0.33, and 0.81, respectively, and 4x + 3y + 2z was 4.61. It was.

2.燃料電池用電極の製造
前記触媒(5)を用いた以外は実施例1と同様にして燃料電池用電極(5)を得た。
2. Production of Fuel Cell Electrode A fuel cell electrode (5) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the catalyst (5) was used.

3.酸素還元能の評価
前記燃料電池用電極(5)を用いた以外は実施例1と同様にして触媒能(酸素還元能)を評価した。
3. Evaluation of oxygen reduction ability Catalytic ability (oxygen reduction ability) was evaluated in the same manner as in Example 1 except that the fuel cell electrode (5) was used.

図15に、当該測定により得られた電流−電位曲線を示す。   FIG. 15 shows a current-potential curve obtained by the measurement.

この電極の酸素還元開始電位は0.96V(vs.NHE)であり、電位が0.7Vの時の酸素還元電流密度が(1.2)(mA/cm2)であり、高い酸素還元能を有することがわかった。 The oxygen reduction starting potential of this electrode is 0.96 V (vs. NHE), the oxygen reduction current density when the potential is 0.7 V is (1.2) (mA / cm 2 ), and has a high oxygen reducing ability. It was found to have

[実施例6]
実施例3の触媒(3)(粉砕した物を使用:粒径 100nm)900mgを蒸留水100mlに加え、30分間超音波洗浄器で振とうさせた。この懸濁液をホットプレートの上に置き、攪拌しながら液温を80℃に維持した。この懸濁液の中に、炭酸ナトリウム(0.172g)を加えた。
[Example 6]
900 mg of catalyst (3) of Example 3 (use pulverized product: particle size 100 nm) was added to 100 ml of distilled water, and the mixture was shaken with an ultrasonic cleaner for 30 minutes. This suspension was placed on a hot plate, and the liquid temperature was maintained at 80 ° C. while stirring. To this suspension was added sodium carbonate (0.172 g).

予め蒸留水5mlに塩化白金酸(H2PtCl6・6H2O)3.0mg(0.0058mmol:白金量として1.1mg)を溶解させた溶液を作製した。この溶液を、前記懸濁液に30分掛けてゆっくり加えた(液温は80℃に維持した)。滴下終了後、2時間そのまま80℃で攪拌した。 A solution in which 3.0 mg (0.0058 mmol: 1.1 mg of platinum amount) of chloroplatinic acid (H 2 PtCl6 · 6H 2 O) was previously dissolved in 5 ml of distilled water was prepared. This solution was slowly added to the suspension over 30 minutes (the liquid temperature was maintained at 80 ° C.). After completion of dropping, the mixture was stirred at 80 ° C. for 2 hours.

次にホルムアルデヒド水溶液(市販品:37%)1mlを上記懸濁液にゆっくり加えた。加え終えた後、そのまま80℃で1時間攪拌した。   Next, 1 ml of an aqueous formaldehyde solution (commercial product: 37%) was slowly added to the above suspension. After completing the addition, the mixture was stirred at 80 ° C. for 1 hour.

反応終了後、この懸濁液を冷却して、ろ過した。ろ取した結晶を400℃で、窒素気流下2時間加熱することにより、0.12%白金を担持した(以下「触媒(6)」と記す。)が820mg得られた。   After completion of the reaction, the suspension was cooled and filtered. The crystals collected by filtration were heated at 400 ° C. for 2 hours under a nitrogen stream to obtain 820 mg of 0.12% platinum supported (hereinafter referred to as “catalyst (6)”).

また、触媒(6)の元素分析結果からPtは0.12wt%であった。触媒(6)の元素分析結果を表2に示す。   Moreover, Pt was 0.12 wt% from the elemental analysis result of the catalyst (6). Table 2 shows the results of elemental analysis of the catalyst (6).

3.燃料電池用電極の製造
酸素還元能の測定は、次のように行った。触媒(1)0.095gとカーボン(キャボット社製 XC−72)0.005gをイソプロピルアルコール:純水=2:1の質量比で混合した溶液10gに入れ、超音波で撹拌、縣濁して混合した。この混合物30μlをグラッシーカーボン電極(東海カーボン社製、径:5.2mm)に塗布し、120℃で1時間乾燥した。さらに、ナフィオン(デゥポン社 5%ナフィオン溶液(DE521))を10倍に純水で希釈したもの10μlを塗布し、120℃で1時間乾燥し、燃料電池用電極(6)を得た。
3. Production of Fuel Cell Electrode The oxygen reducing ability was measured as follows. Catalyst (1) 0.095 g and carbon (Cabot XC-72) 0.005 g were mixed in 10 g of a mixed solution of isopropyl alcohol: pure water = 2: 1, and stirred and suspended with ultrasonic waves. did. 30 μl of this mixture was applied to a glassy carbon electrode (manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd., diameter: 5.2 mm) and dried at 120 ° C. for 1 hour. Further, 10 μl of Nafion (DuPont 5% Nafion solution (DE521)) diluted 10-fold with pure water was applied and dried at 120 ° C. for 1 hour to obtain a fuel cell electrode (6).

4.酸素還元能の評価
このようにして作製した燃料電池用電極(6)の触媒能(酸素還元能)を実施例3と同様にして評価した。その電流―電位曲線を図16に示す。
4). Evaluation of oxygen reducing ability The catalytic ability (oxygen reducing ability) of the thus produced fuel cell electrode (6) was evaluated in the same manner as in Example 3. The current-potential curve is shown in FIG.

その結果、酸素還元開始電位が1.01V(vs.NHE)であり、高い酸素還元能を有することがわかった。   As a result, it was found that the oxygen reduction starting potential was 1.01 V (vs. NHE) and had high oxygen reducing ability.


比較例1
実施例1で得られた炭窒化タンタル1.00gを、1容量%の酸素を含有した窒素ガスを流しながら、管状炉で、800℃で2時間加熱することにより、タンタルの炭窒酸化物(以下「触媒(7)」とも記す。)1022mgが得られた。

Comparative Example 1
By heating 1.00 g of tantalum carbonitride obtained in Example 1 at 800 ° C. for 2 hours in a tubular furnace while flowing nitrogen gas containing 1% by volume of oxygen, tantalum carbonitride oxide ( (Hereinafter also referred to as “catalyst (7)”.) 1022 mg was obtained.

得られた触媒(7)の粉末X線回折スペクトルを図17に示す。   The powder X-ray diffraction spectrum of the resulting catalyst (7) is shown in FIG.

また、触媒(7)の元素分析結果を表2に示す。 顕著なTa2O5のピークが現れ、元素分析と照らし合わせるとTaCNOとTaの混合体であると推定され、Taが7質量%程度含有されていることが分かった。
また、実施例1と同様に電極評価を行って得られた電流―電位曲線を図18に示した。図18を見ると、比較例1で作製した燃料電池用電極の酸素還元開始電位は、0.56V(vs.NHE)と低く、酸素還元能が低いことが分かった。
In addition, Table 2 shows the elemental analysis results of the catalyst (7). Peak significant Ta2O5 appears, is estimated to be a mixture of TaCNO and Ta 2 O 5 In the light and elemental analysis, it was found that Ta 2 O 5 is contained about 7% by weight.
Further, FIG. 18 shows a current-potential curve obtained by performing electrode evaluation in the same manner as in Example 1. 18 that the oxygen reduction starting potential of the fuel cell electrode produced in Comparative Example 1 was as low as 0.56 V (vs. NHE), indicating that the oxygen reducing ability was low.

比較例2
実施例2で製造した炭窒化ジルコニウム300mgを、1容量%の酸素ガス中でアルゴンガスを流しながら、管状炉で、1000℃で5時間加熱することにより、ジルコニウムの炭窒酸化物(以下「触媒(8)」とも記す。)342mgが得られた。
Comparative Example 2
By heating 300 mg of zirconium carbonitride prepared in Example 2 in a tubular furnace at 1000 ° C. for 5 hours while flowing argon gas in 1% by volume of oxygen gas, zirconium carbonitride (hereinafter referred to as “catalyst”). (Also described as (8).) 342 mg was obtained.

得られた触媒(8)の粉末X線回折スペクトルを図19に示す。   FIG. 19 shows a powder X-ray diffraction spectrum of the resulting catalyst (8).

また、触媒(8)の元素分析結果を表2に示す。 顕著なZrOのピークが現れ、元素分析と照らし合わせるとZrCNOとZrOの混合体であり、ZrOが11質量%程度含有されていることが分かった。 In addition, Table 2 shows the elemental analysis results of the catalyst (8). A prominent ZrO 2 peak appeared, and it was found that it was a mixture of ZrCNO and ZrO 2 when compared with elemental analysis and contained about 11% by mass of ZrO 2 .

また、実施例2と同様に電極評価を行って得られた電流―電位曲線を図20に示した。図20を見ると、比較例1で作製した燃料電池用電極の酸素還元開始電位は、0.55V(vs.NHE)と低く、酸素還元能が低いことが分かった。

表1 各活物質の元素分析結果(質量%(括弧内は金属に対する元素比))
Further, FIG. 20 shows a current-potential curve obtained by performing electrode evaluation in the same manner as in Example 2. When FIG. 20 was seen, the oxygen reduction start potential of the electrode for fuel cells produced in Comparative Example 1 was as low as 0.55 V (vs. NHE), and it was found that the oxygen reduction ability was low.

Table 1 Elemental analysis results of each active material (mass% (element ratio relative to metal in parentheses))

Figure 2009226311



表2 各活物質の元素分析結果(質量%(括弧内は金属に対する元素比))
Figure 2009226311



Table 2 Elemental analysis results of each active material (mass% (element ratio relative to metal in parentheses))

Figure 2009226311
Figure 2009226311

本発明の触媒は、酸性電解質中や高電位で腐食せず、耐久性に優れ、高い酸素還元能を有するので、燃料電池用触媒層、電極、電極接合体または燃料電池に用いることができる。   The catalyst of the present invention does not corrode in an acidic electrolyte or at a high potential, is excellent in durability, and has a high oxygen reducing ability. Therefore, it can be used in a fuel cell catalyst layer, an electrode, an electrode assembly, or a fuel cell.

実施例1の炭窒化タンタルの粉末X線回折スペクトルである。2 is a powder X-ray diffraction spectrum of tantalum carbonitride of Example 1. FIG. 実施例1で得られた触媒(1)の粉末X線回折スペクトルである。2 is a powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (1) obtained in Example 1. 触媒(1)を用いた電極の酸素還元能を評価したグラフである。It is the graph which evaluated the oxygen reduction ability of the electrode using a catalyst (1). 実施例2の炭窒化ジルコニウムの粉末X線回折スペクトルである。2 is a powder X-ray diffraction spectrum of zirconium carbonitride of Example 2. 実施例2で得られた触媒(2)の粉末X線回折スペクトルである。2 is a powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (2) obtained in Example 2. 触媒(2)を用いた電極の酸素還元能を評価したグラフである。It is the graph which evaluated the oxygen reduction ability of the electrode using a catalyst (2). 実施例3の炭窒化ニオブの粉末X線回折スペクトルである。3 is a powder X-ray diffraction spectrum of niobium carbonitride of Example 3. 実施例3で得られた触媒(3)の粉末X線回折スペクトルである。3 is a powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (3) obtained in Example 3. 触媒(3)を用いた電極の酸素還元能を評価したグラフである。It is the graph which evaluated the oxygen reduction ability of the electrode using a catalyst (3). 実施例4の炭窒化ニオブモリブデンの粉末X線回折スペクトルである。2 is a powder X-ray diffraction spectrum of niobium molybdenum carbonitride of Example 4. FIG. 実施例4で得られた触媒(4)の粉末X線回折スペクトルである。4 is a powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (4) obtained in Example 4. 触媒(4)を用いた電極の電流−電位曲線グラフである。It is an electric current-potential curve graph of the electrode using a catalyst (4). 実施例5の炭窒化ニオブジルコニウムの粉末X線回折スペクトルである。3 is a powder X-ray diffraction spectrum of niobium zirconium carbonitride of Example 5. FIG. 実施例5で得られた触媒(5)の粉末X線回折スペクトルである。2 is a powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (5) obtained in Example 5. 触媒(5)を用いた電極の電流−電位曲線グラフである。It is an electric current-potential curve graph of the electrode using a catalyst (5). 触媒(6)を用いた電極の電流−電位曲線グラフである。It is an electric current-potential curve graph of the electrode using a catalyst (6). 比較例1で得られた触媒(7)の粉末X線回折スペクトルである。3 is a powder X-ray diffraction spectrum of a catalyst (7) obtained in Comparative Example 1. 触媒(7)を用いた電極の電流−電位曲線グラフである。It is an electric current-potential curve graph of the electrode using a catalyst (7). 比較例2で得られた触媒(8)の粉末X線回折スペクトルである。3 is a powder X-ray diffraction spectrum of a catalyst (8) obtained in Comparative Example 2. 触媒(8)を用いた電極の電流−電位曲線グラフである。It is an electric current-potential curve graph of an electrode using a catalyst (8).

Claims (18)

4族、5族または6族の遷移金属を含む酸素吸蔵化合物からなる触媒。 A catalyst comprising an oxygen storage compound containing a Group 4, 5 or 6 transition metal. 酸素吸蔵化合物が組成式MCxNyOz(Mは4族、5族または6族の遷移金属(以下、「金属M」とも記す。)、Cは炭素、Nは窒素、Oは酸素を示す。x、y、zは金属Mの原子比を1とした場合に、CとNとOのそれぞれの原子比を示し、0.3≦x≦0.7、0.3≦y≦0.7、且つ0.4≦z≦3.0である。)で表される請求項1記載の触媒。   The oxygen storage compound has a composition formula MCxNyOz (M is a transition metal of Group 4, 5 or 6 (hereinafter also referred to as “metal M”), C is carbon, N is nitrogen, and O is oxygen. X, y , Z represents the atomic ratio of each of C, N, and O when the atomic ratio of the metal M is 1, and 0.3 ≦ x ≦ 0.7, 0.3 ≦ y ≦ 0.7, and 0 4 ≦ z ≦ 3.0)). 金属Mが4族元素の場合は金属Mの原子比を1とした場合にはx、y、zの組成が3≦4x+3y+2z≦4であり、金属Mが5族元素の場合は金属Mの原子比を1とした場合にx、y、zの組成が4≦4x+3y+2z≦5であり、金属Mが6族元素の場合は金属Mの原子比を1とした場合にx、y、zの組成が4≦4x+3y+2z≦6であることを特徴とする請求項1または2記載の触媒。   When the metal M is a group 4 element, the composition of x, y, z is 3 ≦ 4x + 3y + 2z ≦ 4 when the atomic ratio of the metal M is 1, and when the metal M is a group 5 element, the atoms of the metal M When the ratio is 1, the composition of x, y, z is 4 ≦ 4x + 3y + 2z ≦ 5, and when the metal M is a group 6 element, the composition of x, y, z when the atomic ratio of the metal M is 1 The catalyst according to claim 1, wherein 4 ≦ 4x + 3y + 2z ≦ 6. 金属Mが合金または遷移金属の混合体(合金類)の場合に、その合金または遷移金属の混合体(合金類)の組成比率に相当する割合でx、y、zの組成比が割り振られることを特徴とする請求項1または2記載の触媒。   When the metal M is an alloy or a mixture of transition metals (alloys), the composition ratio of x, y, and z is allocated at a ratio corresponding to the composition ratio of the alloy or transition metal mixture (alloys). The catalyst according to claim 1 or 2, wherein: 酸素吸蔵化合物が岩塩構造(NaCl型構造)であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の触媒。   The catalyst according to any one of claims 1 to 4, wherein the oxygen storage compound has a rock salt structure (NaCl type structure). 不活性な酸化遷移金属が5質量%以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の触媒。   The catalyst according to any one of claims 1 to 5, wherein an inert oxide transition metal is 5 mass% or less. さらに白金を1.0質量%以下含有することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の触媒。   Furthermore, platinum is contained 1.0 mass% or less, The catalyst in any one of Claims 1-6 characterized by the above-mentioned. 請求項1〜7のいずれかに記載の燃料電池用触媒。   The fuel cell catalyst according to any one of claims 1 to 7. 請求項1〜8のいずれかに記載の触媒において、4族、5族または6族の遷移金属の炭化物または窒素化物または炭窒化物を、酸素およびと還元性ガスを含む不活性ガス中で熱処理する工程を含むことを特徴とする触媒の製造方法。   The catalyst according to any one of claims 1 to 8, wherein the carbide, nitride or carbonitride of the transition metal of Group 4, 5 or 6 is heat-treated in an inert gas containing oxygen and a reducing gas. The manufacturing method of the catalyst characterized by including the process to do. 4族、5族または6族の遷移金属の炭化物または窒素化物または炭窒化物が岩塩構造(NaCl型構造)であることを特徴とする請求項9記載の触媒の製造方法。   The method for producing a catalyst according to claim 9, wherein the carbide, nitride or carbonitride of the transition metal of Group 4, 5 or 6 has a rock salt structure (NaCl type structure). 還元性ガスが水素であることを特徴とする請求項9または10記載の触媒の製造方法。   The method for producing a catalyst according to claim 9 or 10, wherein the reducing gas is hydrogen. 不活性ガスが窒素またはアルゴンであることを特徴とする請求項9〜11のいずれかに記載の触媒の製造方法。   The method for producing a catalyst according to any one of claims 9 to 11, wherein the inert gas is nitrogen or argon. 請求項1〜8のいずれかに記載の触媒を含むことを特徴とする燃料電池用触媒層。   A catalyst layer for a fuel cell comprising the catalyst according to claim 1. さらに電子伝導性粒子を含むことを特徴とする請求項13に記載の燃料電池用触媒層。 The catalyst layer for a fuel cell according to claim 13, further comprising electron conductive particles. 燃料電池用触媒層と多孔質支持層とを有する電極であって、前記燃料電池用触媒層が請求項14または15に記載の燃料電池用触媒層であることを特徴とする電極。   An electrode having a fuel cell catalyst layer and a porous support layer, wherein the fuel cell catalyst layer is the fuel cell catalyst layer according to claim 14 or 15. カソードとアノードと前記カソードおよび前記アノードの間に配置された電解質膜とを有する膜電極接合体であって、前記カソードおよび/または前記アノードが請求項15に記載の電極であることを特徴とする膜電極接合体。   16. A membrane electrode assembly comprising a cathode, an anode, and an electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode, wherein the cathode and / or the anode is an electrode according to claim 15. Membrane electrode assembly. 請求項16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 claim 16. 請求項16に記載の膜電極接合体を備えることを特徴とする固体高分子形燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 16.
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