JP2009252412A - CATALYST FOR DMFC TYPE FUEL CELL FOR PORTABLE ELECTRIC APPLIANCE CONTAINING RuTe2, ELECTRODE MATERIAL FOR FUEL CELL USING THE CATALYST FOR FUEL CELL, AND FUEL CELL - Google Patents

CATALYST FOR DMFC TYPE FUEL CELL FOR PORTABLE ELECTRIC APPLIANCE CONTAINING RuTe2, ELECTRODE MATERIAL FOR FUEL CELL USING THE CATALYST FOR FUEL CELL, AND FUEL CELL Download PDF

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善則 原
Hiroaki Itagaki
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a catalyst for a DMFC type fuel cell for a portable electric appliance suppressing CO poisoning originated in methanol, the catalyst efficiently generating electric power at low temperatures, practically using at low price, and low in toxicity in the DMFC type fuel cell using a methanol aqueous solution as fuel. <P>SOLUTION: The catalyst for the DMFC type fuel cell for the portable electric appliance contains RuTe<SB>2</SB>as an active component. Since the catalyst containing RuTe<SB>2</SB>does not cause drop in catalytic activity by methanol, the catalyst for the DMFC type fuel cell for the portable electric appliance capable of replacing a platinum catalyst decreasing catalytic performance by methanol, low in price, high in practical use, and low in toxicity is provided. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池の一種である直接型メタノール燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)のうち、特にポータブル電気製品に用いられるDMFC型燃料電池用触媒と、この燃料電池用触媒を用いたポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用電極及びポータブル電気製品用DMFC型燃料電池に関する。
本発明はまた、このポータブル電気製品用DMFC型燃料電池を用いたポータブル電気製品用DMFC型燃料電池スタック及びポータブル電気製品用DMFC型燃料電池システムに関する。
The present invention relates to a direct methanol fuel cell (DMFC) which is a kind of a solid polymer fuel cell, particularly a DMFC fuel cell catalyst used in portable electrical products, and the fuel cell catalyst. The present invention relates to an electrode for a DMFC type fuel cell for portable electrical products and a DMFC type fuel cell for portable electrical products.
The present invention also relates to a DMFC fuel cell stack for portable electrical products and a DMFC fuel cell system for portable electrical products using the DMFC fuel cell for portable electrical products.

燃料電池には電解質の種類によって多種類が有り、例えばアルカリ水溶液型、酸水溶液型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型及び固体高分子型がある。それらのうち、パーフルオロカーボンスルフォン酸系の電解質を用いて、アノード極で水素ガスを還元し、カソード極で酸素を還元して発電する固体高分子型燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)は出力密度が高く、排気ガスがクリーンなため、エネルギーのより一層の効率化と環境問題の解決のために、家庭用コジェネ型燃料電池及び自動車用燃料電池として開発が進められている。   There are many types of fuel cells depending on the type of electrolyte, for example, alkaline aqueous solution type, acid aqueous solution type, molten carbonate type, solid oxide type and solid polymer type. Among them, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) that generates power by reducing hydrogen gas at the anode electrode and reducing oxygen at the cathode electrode using a perfluorocarbon sulfonic acid electrolyte is output. Since the density is high and the exhaust gas is clean, development is being promoted as a household cogeneration type fuel cell and an automobile fuel cell in order to further improve energy efficiency and solve environmental problems.

一方、固体高分子型燃料電池を携帯機器用電源に用いようとすると、燃料としての水素ガスは容積エネルギー密度が低く燃料タンクの体積が大きくなることや、燃料ガス及び酸化ガスを発電装置に供給するための装置、及び電池性能を安定化するための加湿装置等の補器が必要となることから、発電装置が大型になり携帯機器用電源としては適さない。   On the other hand, when a polymer electrolyte fuel cell is used as a power source for portable equipment, hydrogen gas as fuel has a low volumetric energy density and a large fuel tank volume, and fuel gas and oxidant gas are supplied to the power generator. Therefore, an auxiliary device such as a humidifier or the like for stabilizing the battery performance is required, so that the power generator becomes large and is not suitable as a power source for portable equipment.

そこで、燃料としてメタノールを直接供給し、メタノール燃料を電池内部で直接改質する形のPEFCの一種であるDMFC型燃料電池の開発も進められている。この燃料電池は小型化が容易であるため、将来のモバイル電子機器用電源、及び自動車用の軽量な動力源として有力視されている。   Therefore, development of a DMFC type fuel cell, which is a type of PEFC in which methanol is directly supplied as fuel and methanol fuel is directly reformed inside the cell, is also under development. Since this fuel cell can be easily miniaturized, it is regarded as a promising power source for future mobile electronic devices and a light power source for automobiles.

DMFC型燃料電池のアノードではメタノールと水が反応し、二酸化炭素とプロトンと電子が発生する(反応(1))。カソードでは酸素とプロトンと電子が反応して水が生成する(反応(2))。
アノード:CHOH+HO→CO+6H+6e (1)
カソード:3/2O+6H+6e→3HO (2)
At the anode of the DMFC fuel cell, methanol and water react to generate carbon dioxide, protons, and electrons (reaction (1)). At the cathode, oxygen, protons and electrons react to produce water (reaction (2)).
Anode: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e (1)
Cathode: 3 / 2O 2 + 6H + + 6e → 3H 2 O (2)

これらの反応は電極に担持された触媒の助けを借りて進行する。この反応の理論電圧は1.18Vであるが、実際の電池においては様々な理由からこの値より低い電圧となる。   These reactions proceed with the help of a catalyst supported on the electrode. The theoretical voltage of this reaction is 1.18 V, but in an actual battery, the voltage is lower than this value for various reasons.

従来、このようなDMFC型燃料電池の触媒としては、カソード、アノードとも白金等の貴金属を主体にした触媒が使用されている。しかし、アノードにおける白金はメタノールと水との反応を触媒するものの、白金表面がメタノール由来のCOにより被毒され、反応面積が減少するため電池の性能が低下するという問題が生じる。カソードにおける白金もアノード側からクロスオーバーしたメタノール由来のCOにより被毒され、同様な問題が生じる。   Conventionally, as a catalyst for such a DMFC type fuel cell, a catalyst mainly composed of a noble metal such as platinum is used for both the cathode and the anode. However, although platinum at the anode catalyzes the reaction between methanol and water, the platinum surface is poisoned by CO derived from methanol, resulting in a problem that the performance of the battery is lowered because the reaction area is reduced. Platinum at the cathode is also poisoned by CO derived from methanol crossed over from the anode side, and the same problem occurs.

メタノールと水と白金の一般的な反応機構は次のような化学反応式によって示される(反応(3),(4))。
CHOH+Pt→Pt−CO+4H+4e (3)
Pt−CO+HO→Pt+CO+2H+2e (4)
The general reaction mechanism of methanol, water and platinum is represented by the following chemical reaction formula (reactions (3) and (4)).
CH 3 OH + Pt → Pt- CO + 4H + + 4e - (3)
Pt—CO + H 2 O → Pt + CO 2 + 2H + + 2e (4)

従来、白金触媒がCOで被毒されるのを防ぐために、白金の表面構造を改良したり、異なる金属(Ru、Ni、Fe、Co、Sn、Ti、Moなど)を加える方法が提案されている。しかし、Ni、Fe、Co、Sn、Ti、Moは溶解しやすいため、モバイル電子機器用電源の量産化、或いは自動車用等の大容量動力源として実用化するには不適当である。   Conventionally, in order to prevent the platinum catalyst from being poisoned by CO, methods for improving the surface structure of platinum or adding different metals (Ru, Ni, Fe, Co, Sn, Ti, Mo, etc.) have been proposed. Yes. However, since Ni, Fe, Co, Sn, Ti, and Mo are easily dissolved, they are not suitable for mass production of power sources for mobile electronic devices or for practical use as large-capacity power sources for automobiles.

また、白金は高価な上に資源的に少ないため、実用化には大きな壁となっている。   In addition, platinum is expensive and has few resources, so it is a big wall for practical use.

そこで、DMFC型燃料電池を商業的に実用化するために、COの被毒を受けず、かつ、白金を含有しない安価な元素からなる電極触媒の開発が望まれている。   Therefore, in order to commercialize a DMFC type fuel cell, it is desired to develop an electrode catalyst made of an inexpensive element that is not poisoned by CO and does not contain platinum.

特許文献1には、燃料電池用触媒として、炭素系基体などに被着されたテルル含有触媒と被着されていないテルル含有純触媒が開示されており、製造された触媒のTe/Ruの比が所定の値を超えると、反応(2)の触媒活性が著しく向上するということが発明として開示されている。   Patent Document 1 discloses a tellurium-containing catalyst deposited on a carbon-based substrate and a non-deposited tellurium-containing pure catalyst as fuel cell catalysts, and the ratio of Te / Ru of the produced catalyst is disclosed. It is disclosed as an invention that when the value exceeds a predetermined value, the catalytic activity of the reaction (2) is remarkably improved.

しかし、当該発明においては、DMFC型燃料電池におけるMeOHによる反応(2)への活性阻害作用等の記載は一切無く、またこれを示唆する記載も全くない。
本発明では、DMFC型燃料電池において、MeOHが反応場に存在しても、反応(2)に対するRuTe触媒の活性が低下しないことを発明として開示する。従って、特許文献1に係る発明と本発明によって奏される効果は異質のものであり、両者は異なる発明となる。
また、特許文献1には、活性成分が炭素系基体などに被着された被着触媒と、活性成分が被着されていない純触媒を製造する方法として、RuとTeそれぞれの前駆体を水素還元する際の処理温度(水素還元処理温度)が開示されているが、これはRuTeを製造するために必要な一般的な温度領域を例示したものにすぎず、特許文献1には、RuTeのX線回折ピークにおける特徴とDMFC型燃料電池におけるMeOHによるRuTe触媒活性との関係を示唆する記載もない。
However, in this invention, there is no description of activity inhibiting action on the reaction (2) by MeOH in the DMFC type fuel cell, and there is no description suggesting this.
In the present invention, in the DMFC type fuel cell, it is disclosed as an invention that the activity of the RuTe 2 catalyst for the reaction (2) does not decrease even if MeOH is present in the reaction field. Therefore, the effects of the invention according to Patent Document 1 and the present invention are different, and both are different inventions.
In Patent Document 1, as a method for producing a deposited catalyst in which an active component is deposited on a carbon-based substrate and a pure catalyst in which no active component is deposited, a precursor for each of Ru and Te is hydrogenated. Although the treatment temperature (hydrogen reduction treatment temperature) at the time of reduction is disclosed, this is merely an example of a general temperature range necessary for producing RuTe 2 , and Patent Document 1 discloses RuTe. no description suggesting the relationship between Rute 2 catalytic activity by MeOH in characteristics and DMFC fuel cell in the second X-ray diffraction peaks.

また、非特許文献1には、RuSe/C触媒の反応(2)に対する触媒活性が、HSO水溶液(0.5M)にMeOH(1M)を加えても変わらないことから、RuSe/C触媒であれば、MeOHによる触媒被毒が全くみられないことが報告されている。この非特許文献1には当該RuSe/Cにおけるxの値は具体的には開示さておらず、当該RuSe/Cは、実際は非特許文献2において開示されたRuSe/Cと同一のものであると記載されている。 In Non-Patent Document 1, since the catalytic activity for the reaction (2) of the RuSe x / C catalyst does not change even when MeOH (1 M) is added to the H 2 SO 4 aqueous solution (0.5 M), RuSe x It has been reported that no catalyst poisoning by MeOH is observed in the case of the / C catalyst. The value of the non-patent x in the RuSe x / C in the literature 1 does not disclose specifically, the RuSe x / C is in fact the same as RuSe x / C disclosed in Non-Patent Document 2 that It is described that it is.

非特許文献2にはRuSe/CとしてRuSe0.31/C(carbon supported Ru(25wt%)Se(6wt%))がDMFC型燃料電池用MEA(Membrane Electrode Assembly)として最高活性を与えたと開示している。また、添加されたSe元素の一部はRuSeを形成するものの、それよりもSeO及びSeO種の生成量が多く、Se元素はRu元素粒子を修飾することでRu元素の酸化を防ぎ触媒活性に寄与すると結論付けている。 Non-Patent Document 2 discloses that RuSe 0.31 / C (carbon supported Ru (25 wt%) Se (6 wt%)) as RuSe x / C gave the highest activity as a DMFC fuel cell MEA (Membrane Electrode Assembly). is doing. Although some of the added Se element forms RuSe 2 , SeO 2 and SeO 4 are produced in a larger amount than that, and the Se element modifies the Ru element particles to prevent oxidation of the Ru element. It is concluded that it contributes to catalytic activity.

非特許文献3にはDMFC型燃料電池用触媒として、RuSe0.15/C、RuSe0.3/C、RuSe0.6/C、RuSe/Cが開示されている。これらSe修飾Ru/C触媒は、詳細検討から、(i)Seの無いRuサイト上で酸素の還元反応が進行する、(ii)Seによる表面修飾はRuサイト上にOHが生成しないようにして隣接するRu原子を安定化させる、(iii)OからHO生成のためのOの解離的吸着には、少なくとも隣接する2つのRuが必要であり、Seによる表面被覆が非常に多くなるとこの隣接する2つのRuサイトが少なくなり、Hの生成が上昇する、と開示されている。 Non-Patent Document 3 discloses RuSe 0.15 / C, RuSe 0.3 / C, RuSe 0.6 / C, and RuSe / C as DMFC type fuel cell catalysts. From these detailed studies, these Se-modified Ru / C catalysts are (i) the oxygen reduction reaction proceeds on the Ru site without Se. (Ii) The surface modification with Se prevents OH from being generated on the Ru site. (Iii) The dissociative adsorption of O 2 for the formation of H 2 O from O 2 that stabilizes adjacent Ru atoms requires at least two adjacent Rus, and the surface coverage by Se is very high Then, it is disclosed that the two adjacent Ru sites are reduced and the generation of H 2 O 2 is increased.

非特許文献4にはRuSe触媒が開示され、触媒は中心にRuコアがあり、このコアがRu酸化物、セレン化物、亜セレン酸塩、有機金属残渣(metal organic residues)で覆われた卵の殻構造をしていると開示している。 Non-Patent Document 4 discloses a Ru x Se y catalyst, which has a Ru core at the center, and this core is covered with Ru oxide, selenide, selenite, and metal organic residues. It is disclosed that it has an egg shell structure.

非特許文献1〜4の開示情報をまとめると、Se修飾Ru/C触媒は、中心部分のRuが活性種であり、Seは表面を修飾しており、何らかの効果を与えていると解釈される。従って、中心部分までがRuSeである触媒については何ら開示されておらず、ましてやカルコゲナイド元素(酸素、硫黄、セレン、テルル)としてテルルを有するRuTeについては何ら開示されておらず、また示唆もされていない。 Summarizing the disclosure information of Non-Patent Documents 1 to 4, it is interpreted that in the Se-modified Ru / C catalyst, Ru in the central portion is an active species, and Se has modified the surface, giving some effect. . Therefore, there is no disclosure about a catalyst having RuSe 2 up to the central portion, and there is no disclosure or suggestion about RuTe 2 having tellurium as a chalcogenide element (oxygen, sulfur, selenium, tellurium). It has not been.

ところで、DMFC型燃料電池を携帯電話やパーソナルコンピュータ、PDA(Personal Digital Assistants)などの人体に触れて使用されるポータブル電気製品に使用する場合、触媒の毒性が低いことは、工業化するに当たり極めて重要な要因となるが、セレン及びその化合物は、特定化学物質の環境への排出量の把握等及び管理の改善の促進に関する法律施行令(平成12年政令第138号)において「第一種指定化学物質」に指定されており、毒性が高いという問題がある。
これに対して、テルル及びその化合物は「第二種指定化学物質」であり、セレンより安全性の高い元素である。従って、携帯電話やパーソナルコンピュータ、PDAなどの人体に触れて使用されるポータブル電気製品用途のDMFC型燃料電池用触媒材料として、テルル元素はセレン元素より大いに有利な元素となる。
WO2006/137302 Electrochimica Acta 53(2007) 1037-1041 ECS Trans. 3 (1) (2006) 1261-1270 J. Phys. Chem. C, 111(3) (2007) 1273-1283 J. Phys. Chem. C, 111(1) (2007) 477-487
By the way, when the DMFC type fuel cell is used for portable electric products such as mobile phones, personal computers, and PDAs (Personal Digital Assistants) that are used in contact with the human body, the low toxicity of the catalyst is extremely important for industrialization. As a factor, selenium and its compounds are classified as “Class I Designated Chemical Substances” in the Law Enforcement Ordinance (regulation No. 138 of 2000) concerning the grasp of the release of specified chemical substances into the environment and the promotion of management improvements. ”And is highly toxic.
In contrast, tellurium and its compounds are “second-class designated chemical substances” and are safer elements than selenium. Therefore, tellurium element is a much more advantageous element than selenium element as a catalyst material for DMFC type fuel cells for portable electrical products used by touching human bodies such as mobile phones, personal computers and PDAs.
WO2006 / 137302 Electrochimica Acta 53 (2007) 1037-1041 ECS Trans. 3 (1) (2006) 1261-1270 J. Phys. Chem. C, 111 (3) (2007) 1273-1283 J. Phys. Chem. C, 111 (1) (2007) 477-487

本発明は、メタノール水溶液を燃料とするDMFC型燃料電池において、メタノール由来のCO被毒を抑制し、低温で効率良く発電させることができ、しかも安価に実用化することが可能な毒性の低い、ポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒、DMFC型燃料電池用電極材料、DMFC型燃料電池、DMFC型燃料電池スタック及びDMFC型燃料電池用システムを提供することを目的とする。   The present invention, in a DMFC type fuel cell using methanol aqueous solution as fuel, suppresses methanol-derived CO poisoning, can generate power efficiently at low temperature, and has low toxicity that can be practically used at low cost. It is an object of the present invention to provide a DMFC fuel cell catalyst for a portable electrical product, an electrode material for a DMFC fuel cell, a DMFC fuel cell, a DMFC fuel cell stack, and a DMFC fuel cell system.

本発明者等は、上記状況に鑑み鋭意検討した結果、RuTe、好ましくは、X線回折法(Cu−Kα線)による回折角2θ(±0.3゜)が27゜以上29゜以下の領域における最大回折ピークの半値幅が、特定の値を示すRuTeをポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒、特にカソード電極触媒として用いた場合、メタノールが存在しても前記反応(2)に対する活性が低下しないことを見出した。従って、本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒は、メタノールにより触媒性能が低下する白金触媒に代替しうる、安価で、実用性の高い、毒性の低い燃料電池用触媒となり得る。 As a result of intensive studies in view of the above circumstances, the present inventors have found that RuTe 2 , preferably the diffraction angle 2θ (± 0.3 °) by X-ray diffraction (Cu-K α- ray) is 27 ° or more and 29 ° or less. When RuTe 2 having a specific half-value width of the maximum diffraction peak in the region of DMFC is used as a DMFC fuel cell catalyst for portable electronic products, particularly as a cathode electrode catalyst, the reaction (2) It was found that the activity against sucrose did not decrease. Therefore, the DMFC type fuel cell catalyst for portable electrical products of the present invention can be an inexpensive, practical and low-toxicity fuel cell catalyst that can be replaced with a platinum catalyst whose catalytic performance is lowered by methanol.

本発明は、このような知見をもとに完成されたものであり、以下を要旨とする。   The present invention has been completed based on such knowledge, and the gist thereof is as follows.

[1] 活性成分としてRuTeを含有することを特徴とするポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒。 [1] A catalyst for a DMFC type fuel cell for portable electrical products, which contains RuTe 2 as an active component.

[2] [1]において、該RuTeは、X線回折法(Cu−Kα線)による回折角2θ(±0.3゜)が27゜以上29゜以下の領域における最大回折ピークの半値幅が、3.0゜以下であることを特徴とするポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒。 [2] In [1], the RuTe 2 is a half of the maximum diffraction peak in the region where the diffraction angle 2θ (± 0.3 °) by X-ray diffraction method (Cu-K α- ray) is 27 ° to 29 °. A DMFC type fuel cell catalyst for portable electrical products characterized by a value range of 3.0 ° or less.

[3] [1]又は[2]において、該活性成分が炭素系基体に被着されていることを特徴とするポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒。 [3] A DMFC-type fuel cell catalyst for portable electrical products, wherein the active component in [1] or [2] is attached to a carbon-based substrate.

[4] [1]ないし[3]のいずれかにおいて、ポータブル電気製品用DMFC型燃料電池のカソード電極触媒であることを特徴とするポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒。 [4] A DMFC fuel cell catalyst for portable electrical products according to any one of [1] to [3], wherein the catalyst is a cathode electrode catalyst for a DMFC fuel cell for portable electrical products.

[5] イオン交換膜と、該イオン交換膜上に形成された[1]ないし[4]のいずれかに記載のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒の層とを有するポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用電極材料。 [5] A DMFC for a portable electrical product having an ion exchange membrane and a layer of a DMFC type fuel cell catalyst for a portable electrical product according to any one of [1] to [4] formed on the ion exchange membrane. Type fuel cell electrode material.

[6] 電極ガス拡散層及び/又はメタノール水溶液集電体と、該電極ガス拡散層及び/又は該メタノール水溶液集電体上に形成された[1]ないし[4]のいずれかに記載のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒の層とを有するポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用電極材料。 [6] The electrode gas diffusion layer and / or the methanol aqueous solution current collector, and the portable device according to any one of [1] to [4] formed on the electrode gas diffusion layer and / or the methanol aqueous solution current collector An electrode material for a DMFC fuel cell for a portable electrical product, comprising a layer of a DMFC fuel cell catalyst for the electrical product.

[7] 転写用フィルムと、該転写用フィルム上に形成された[1]ないし[4]のいずれかに記載のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒の層とを有するポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用電極材料。 [7] A DMFC for a portable electrical product comprising a transfer film and a layer of a DMFC type fuel cell catalyst for a portable electrical product according to any one of [1] to [4] formed on the transfer film. Type fuel cell electrode material.

[8] [1]ないし[4]のいずれかに記載のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒を用いたポータブル電気製品用DMFC型燃料電池。 [8] A DMFC fuel cell for portable electrical products using the DMFC fuel cell catalyst for portable electrical products according to any one of [1] to [4].

[9] [8]に記載のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池を用いたポータブル電気製品用DMFC型燃料電池スタック。 [9] A DMFC type fuel cell stack for portable electrical products using the DMFC type fuel cell for portable electrical products according to [8].

[10] [9]に記載のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池スタックを用いたポータブル電気製品用DMFC型燃料電池システム。 [10] A DMFC fuel cell system for portable electrical products using the DMFC fuel cell stack for portable electrical products according to [9].

本発明によれば、高価で資源的にも問題のある白金等の貴金属触媒に代替し得る、メタノール存在下でも良好なカソード触媒活性を示す、安価で実用的なポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒と、この燃料電池用触媒を用いたポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用電極材料、ポータブル電気製品用DMFC型燃料電池、ポータブル電気製品用DMFC型燃料電池スタック、及びポータブル電気製品用DMFC型燃料電池システムが提供される。   According to the present invention, an inexpensive and practical DMFC type fuel cell for portable electrical products that exhibits good cathode catalytic activity even in the presence of methanol, which can be substituted for a noble metal catalyst such as platinum, which is expensive and has a resource problem. Catalyst, DMFC type fuel cell electrode material for portable electrical products using this fuel cell catalyst, DMFC type fuel cell for portable electrical products, DMFC type fuel cell stack for portable electrical products, and DMFC type for portable electrical products A fuel cell system is provided.

本発明の触媒は毒性が低いため、本発明によれば、モバイル電子機器用電源等の人体に触れて使用されるポータブル電気製品へのDMFC型燃料電池の用途の拡大と実用化が促進される。   Since the catalyst of the present invention has low toxicity, the present invention promotes the expansion and practical application of DMFC-type fuel cells to portable electrical products used by touching the human body such as power sources for mobile electronic devices. .

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

[ポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒]
本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒は、活性成分として、RuTeを含む。
本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒は活性成分としてRuTeのみを含むものであっても良く、更に他の遷移金属よりなるその他の活性成分を含むものであっても良い。
また、本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒は、活性成分のみからなるものであっても良く、活性成分を基体に被着させたものであっても良い。
本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒は、特にカソード電極触媒として好適に用いられる。
[DMFC fuel cell catalyst for portable electrical products]
The DMFC fuel cell catalyst for portable electrical products of the present invention contains RuTe 2 as an active component.
The DMFC type fuel cell catalyst for portable electrical products of the present invention may contain only RuTe 2 as an active component, or may contain other active components made of other transition metals.
Further, the DMFC fuel cell catalyst for portable electrical products of the present invention may be composed only of an active component, or may be obtained by adhering an active component to a substrate.
The DMFC fuel cell catalyst for portable electrical products of the present invention is particularly suitably used as a cathode electrode catalyst.

なお、以下において、活性成分が基体に被着されておらず、実質的に活性成分のみから構成されるDMFC型燃料電池用触媒を「純触媒(essential catalyst)」と称し、活性成分を基体に被着させたDMFC型燃料電池用触媒を「被着触媒(adhered catalyst)」と称す場合がある。   In the following, a DMFC type fuel cell catalyst that is not coated with an active component and is substantially composed only of the active component is referred to as an “essential catalyst”. The deposited catalyst for a DMFC type fuel cell may be referred to as an “adhered catalyst”.

<活性成分>
本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒は、活性成分としてRuTeを含有するが、このRuTeの他に、他の成分を、本発明の効果を損なわない範囲で含んでいても良く、この場合、その他の成分としては、ルテニウム(Ru)及び/又はテルル(Te)が挙げられる。
<Active ingredient>
Although the DMFC fuel cell catalyst for portable electrical products of the present invention contains RuTe 2 as an active component, it may contain other components in addition to this RuTe 2 as long as the effects of the present invention are not impaired. In this case, other components include ruthenium (Ru) and / or tellurium (Te).

本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒が活性成分としてRuを更に含む場合、その含有量は、Ru元素換算で、触媒に含まれるRuTe中のRu元素に対して好ましくは5倍モル以下、更に好ましくは3倍以下、最も好ましくは1倍以下である。
また、本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒が活性成分としてTeを更に含む場合、その含有量は、Te元素換算で、触媒に含まれるRuTeのRu元素に対して、好ましくは10倍モル以下、更に好ましくは5倍モル以下、最も好ましくは2倍モル以下である。
これらの存在比がこの範囲を上回ると活性が低くなりやすくなる。
When the DMFC fuel cell catalyst for portable electrical products of the present invention further contains Ru as an active component, the content is preferably 5 times the Ru element in RuTe 2 contained in the catalyst in terms of Ru element. It is less than 1 mol, more preferably less than 3 times, most preferably less than 1 time.
Further, when the DMFC fuel cell catalyst for portable electrical products of the present invention further contains Te as an active component, the content thereof is preferably in terms of Te element with respect to the Ru element of RuTe 2 contained in the catalyst. It is 10 times mol or less, More preferably, it is 5 times mol or less, Most preferably, it is 2 times mol or less.
If these abundance ratios exceed this range, the activity tends to be low.

なお、本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒が活性成分として、RuTeの他にRuとTeとを含む場合、これらの含有量は合計の元素換算で触媒に含まれるRuTe中のRu元素に対して5倍モル以下、更に好ましくは3倍モル以下、最も好ましくは1倍モル以下である。 In addition, when the DMFC fuel cell catalyst for portable electrical products of the present invention contains Ru and Te in addition to RuTe 2 as active components, these contents are contained in the RuTe 2 contained in the catalyst in terms of total elements. The amount is 5 times or less, more preferably 3 times or less, and most preferably 1 time or less of the Ru element.

触媒中の各元素の存在比は、常法に従い、触媒を秤量後、アルカリ溶融して分解し、酸を添加後定容して誘導結合プラズマ発光分光分析法により定量することができる。   The abundance ratio of each element in the catalyst can be quantified by inductively coupled plasma emission spectrometry after the catalyst is weighed and then decomposed by melting with an alkali, added with an acid, and constant volume.

なお、活性成分を構成するテルルは、RuTeを構成するTe元素であってもよく、TeO,TeO等の酸化物、HTeO,HTeO等のオキソ酸、TeCl,TeBr等の塩化物などの無機化合物、及びテルロフェン等の有機化合物の形態をとっていても良い。また、ルテニウムも、金属元素、酸化物、塩化物等の無機化合物の他、有機化合物と結合する形態をとることができる。例えば、ルテニウムは、RuTeを構成するRu元素であってもよく、RuO,RuO等の酸化物、RuCl・xHO等の塩化物やRu(NO)(NO等の無機化合物、ルテニウムアセチルアセトネートRu(acac)及びRu(CO)12等の有機化合物と結合する形態をとっていても良い。 Incidentally, tellurium constituting the active ingredient may be a Te elements constituting the RuTe 2, TeO 2, TeO oxides such as 3, H 2 TeO 3, H 6 TeO 6 such oxo acids, TeCl 2, TeBr inorganic compounds such as chlorides, such as 2, and may be in the form of organic compounds such as tellurophenes. In addition, ruthenium can take a form of bonding with an organic compound in addition to an inorganic compound such as a metal element, an oxide, or a chloride. For example, ruthenium may be a Ru element constituting RuTe 2 , an oxide such as RuO and RuO 2 , a chloride such as RuCl 3 .xH 2 O, and an inorganic such as Ru (NO) (NO 3 ) 3. It may be in the form of binding to a compound, an organic compound such as ruthenium acetylacetonate Ru (acac) 3 and Ru 3 (CO) 12 .

また、活性成分を構成するこれらテルル成分及びルテニウム成分は、それぞれ結合を有さずに存在しても良いし、結合を有して存在しても良い。これらが結合を有して存在している場合で、元素同士が直接結合している場合は、活性成分としてはいわゆる合金の形態を有するものが挙げられる。   Further, the tellurium component and ruthenium component constituting the active component may be present without having a bond, or may be present with a bond. In the case where these elements have a bond and the elements are directly bonded to each other, the active component may be a so-called alloy.

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

その測定装置及び測定条件としては、例えば以下のものが挙げられるが、本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒のX線回折による分析手法は、何ら以下の測定装置及び測定条件に限定されるものではない。   Examples of the measurement apparatus and measurement conditions include the following, but the analysis method by X-ray diffraction of the DMFC fuel cell catalyst for portable electrical products of the present invention is limited to the following measurement apparatus and measurement conditions. Is not to be done.

(粉末XRD分析)
測定装置
粉末X線解析装置/PANalytical PW1700
測定条件
X線出力(Cu−Kα):40kV,30mA
走査軸:θ/2θ
測定範囲(2θ):3.0°〜90.0°
測定モード:Continuous
読込幅:0.05°
走査速度:3.0°/min
DS,SS,RS:1°,1°,0.20mm
(Powder XRD analysis)
Measuring device X-ray powder analysis device / PANallytical PW1700
Measurement conditions X-ray output (Cu-Kα): 40 kV, 30 mA
Scanning axis: θ / 2θ
Measurement range (2θ): 3.0 ° to 90.0 °
Measurement mode: Continuous
Reading width: 0.05 °
Scanning speed: 3.0 ° / min
DS, SS, RS: 1 °, 1 °, 0.20mm

具体的には、RuTeは、X線回折の2θ(±0.3°)のピークとして、21.808°、27.920°、31.287°、32.716°、43.369°、45.203°、48.322°、51.509°、53.981°、56.910°、68.565°等の特徴的ピークを与えるものや、21.767°、26.189°、27.877°、31.249°、32.658°、33.847°、36.719°、39.822°、43.308°、44.377°、45.177°、45.801°、48.244°、50.117°、50.661°、51.426°等の特徴的ピークを与えるものや、27.857°、31.271°、34.344°、39.873°、47.123°、49.353°、51.532°、53.614°、57.636°、65.236°、67.032°、68.881°、72.414°、77.547°、80.922°、82.608°、85.948°等の特徴的ピークを与えるものが挙げられる。 Specifically, RuTe 2 has 21.808 °, 27.920 °, 31.287 °, 32.716 °, 43.369 ° as 2θ (± 0.3 °) peaks of X-ray diffraction. Those giving characteristic peaks such as 45.203 °, 48.322 °, 51.509 °, 53.981 °, 56.910 °, 68.565 °, 21.767 °, 26.189 °, 27 877 °, 31.249 °, 32.658 °, 33.847 °, 36.719 °, 39.822 °, 43.308 °, 44.377 °, 45.177 °, 45.801 °, 48 Those giving characteristic peaks such as 244 °, 50.117 °, 50.661 °, 51.426 °, 27.857 °, 31.271 °, 34.344 °, 39.873 °, 47. 123 °, 49.353 °, 51.532 °, 53.614 °, Characteristic peaks such as 7.636 °, 65.236 °, 67.032 °, 68.881 °, 72.414 °, 77.547 °, 80.922 °, 82.608 °, 85.948 °, etc. What you give.

<RuTeのX線回折法による最大回折ピークの半値幅>
本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒の活性成分を構成するRuTeは、前述のX線回折法(Cu−Kα線)による回折角2θ(±0.3゜)が27゜以上29゜以下の領域における最大回折ピークの半値幅(以下、単に「最大回折ピークの半値幅」と称す場合がある。)が、通常3.0°以下、好ましくは2.0゜以下、より好ましくは1.8°以下である。このような特定の物性を示すRuTeは優れた印加電圧耐久性を示し、この最大回折ピークの半値幅が上記上限より大きいものは、印加電圧耐久性が低くなる。
なお、RuTeの最大回折ピークの半値幅の下限については、通常0.15°である。
<Half width of maximum diffraction peak by RuTe 2 X-ray diffraction method>
The RuTe 2 constituting the active component of the DMFC type fuel cell catalyst for portable electrical products of the present invention has a diffraction angle 2θ (± 0.3 °) of 27 ° by the above-mentioned X-ray diffraction method (Cu-K α- ray). The half-width of the maximum diffraction peak in the region of 29 ° or less (hereinafter sometimes referred to simply as “half-width of the maximum diffraction peak”) is usually 3.0 ° or less, preferably 2.0 ° or less. Preferably it is 1.8 degrees or less. RuTe 2 exhibiting such specific physical properties exhibits excellent applied voltage durability. When the half-value width of the maximum diffraction peak is larger than the above upper limit, the applied voltage durability is low.
Note that the lower limit of the half-width of the maximum diffraction peak of RuTe 2 is usually 0.15 °.

このような最大回折ピークの半値幅を示すRuTeを得る方法としては特に制限はないが、後述のRuTe純触媒又はRuTe被着触媒の製造方法において、Ru元素含有化合物とTe元素含有化合物を、還元ガス流通下、350℃以上で加熱処理する方法が挙げられる。 There is no particular limitation on the method for obtaining RuTe 2 exhibiting such a half-width of the maximum diffraction peak. However, in the process for producing a RuTe 2 pure catalyst or RuTe 2 adhering catalyst described later, a Ru element-containing compound and a Te element-containing compound are used. Is heated at 350 ° C. or higher under a reducing gas flow.

なお、本発明において、RuTeは後述の基体に被着されているか否かにかかわらず、上記最大回折ピークの半値幅の値を満たすものである。 In the present invention, RuTe 2 satisfies the half-width value of the maximum diffraction peak regardless of whether or not it is attached to a substrate described later.

<純触媒の形状>
基体に被着されていない活性成分よりなる純触媒の形状は特に制限はないが、最も一般的には粒子状である。粒子状の純触媒の平均粒径は、通常100μm以下、好ましくは1000nm以下、より好ましくは500nm以下、中でも300nm以下で、通常0.5nm以上、好ましくは1.0nm以上、より好ましくは2.0nm以上である。純触媒の粒径がこの範囲を下回ると不安定となって、失活しやすくなり、この範囲を超えると高い活性を得にくくなる。
<Pure catalyst shape>
There is no particular limitation on the shape of the pure catalyst made of the active component not deposited on the substrate, but it is most generally particulate. The average particle size of the particulate pure catalyst is usually 100 μm or less, preferably 1000 nm or less, more preferably 500 nm or less, especially 300 nm or less, usually 0.5 nm or more, preferably 1.0 nm or more, more preferably 2.0 nm. That's it. If the particle size of the pure catalyst is less than this range, it becomes unstable and easily deactivates, and if it exceeds this range, it becomes difficult to obtain high activity.

なお、純触媒の平均粒径は、走査型電子顕微鏡(SEM)或いは透過型電子顕微鏡(TEM)により、粒径の長さを測定する方向を統一して、その方向での粒子長さを測定し、これを平均した値で示される。   In addition, the average particle diameter of the pure catalyst is measured by unifying the direction of measuring the length of the particle diameter with a scanning electron microscope (SEM) or transmission electron microscope (TEM) and measuring the particle length in that direction. This is shown as an average value.

<基体>
本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒は、上述の活性成分のみで構成される純触媒であっても良いが、活性成分を保持し電気的に導通させるための基体に活性成分を被着して用いることも可能である。高い導電性が得られる点で、上述の活性成分を基体に被着して用いることが好ましい。
<Substrate>
The DMFC type fuel cell catalyst for portable electrical products of the present invention may be a pure catalyst composed of only the above-mentioned active component, but the active component is contained in a substrate for holding and electrically conducting the active component. It is also possible to attach and use. In view of obtaining high conductivity, it is preferable to use the above-mentioned active component by applying it to a substrate.

本発明で用いる基体としては、特に制限はないが、炭素系基体を用いることが、高い導電性が得られる点で好適である。   Although there is no restriction | limiting in particular as a base | substrate used by this invention, Use of a carbon-type base | substrate is suitable at the point from which high electroconductivity is acquired.

炭素系基体としては種々のものが使用でき、特に制限はないが、例えば、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノクラスター、フラーレン、熱分解炭素、活性炭素等が挙げられる。炭素系基体は、気相法による気相成長炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber:以下「VGCF」と略すこともある。)であってもよく、特に、熱処理して電気伝導性を高めたVGCFは適度な弾性を持ち、好適である。   Various carbon-based substrates can be used and are not particularly limited. Examples thereof include carbon black, ketjen black, carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanocluster, fullerene, pyrolytic carbon, and activated carbon. The carbon-based substrate may be a vapor-grown carbon fiber (Vapor Growth Carbon Fiber: hereinafter sometimes abbreviated as “VGCF”) by a vapor-phase method. It has moderate elasticity and is suitable.

これらの炭素系基体の中でも、導電性、入手容易性、価格、の点で総合的に、カーボンブラックが工業的に有利である。カーボンブラックとしては、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック、オイルファーネスブラック、ガスファーネスブラック等が挙げられる。
これらの炭素系基体は1種を単独であるいは2種以上を組み合わせて使用することができる。
Among these carbon-based substrates, carbon black is industrially advantageous in terms of conductivity, availability, and cost. Examples of carbon black include channel black, furnace black, thermal black, acetylene black, oil furnace black, and gas furnace black.
These carbon-based substrates can be used singly or in combination of two or more.

基体の比表面積は、特に制限が無いが、通常5m/g以上、好ましくは100m/g以上、更に好ましくは150m/g以上で、通常5000m/g以下、好ましくは2000m/g以下であることが好ましい。この比表面積が小さ過ぎると活性成分の被着有効面積が少なくなることにより、反応場が少なくなって触媒活性が十分に得られなくなる。また、比表面積が過度に大きいものは、基体の細孔径が小さい場合があり、その小さな細孔内に活性成分が被着しても触媒活性が十分に得られなくなる。なお、基体の比表面積はBET法で測定される。 The specific surface area of the substrate is not particularly limited, but is usually 5 m 2 / g or more, preferably 100 m 2 / g or more, more preferably 150 m 2 / g or more, and usually 5000 m 2 / g or less, preferably 2000 m 2 / g. The following is preferable. If the specific surface area is too small, the effective area for depositing the active ingredient is reduced, and the reaction field is reduced, so that sufficient catalytic activity cannot be obtained. When the specific surface area is excessively large, the pore diameter of the substrate may be small, and even if the active component is deposited in the small pores, sufficient catalytic activity cannot be obtained. The specific surface area of the substrate is measured by the BET method.

また基体の形態についても特に制限はないが、最も一般的に用いられるのは、粉体状のものである。   The form of the substrate is not particularly limited, but the most commonly used is a powder form.

<基体への活性成分の被着>
本発明において、基体に活性成分が被着されている状態とは、活性成分と基体との間の導電性がとれるように両者が接触している状態を指す。従って、活性成分と基体とを単に混合するのみでも活性成分を基体に被着させることができるが、後述のように、活性成分の供給化合物と基体を混合した後、この混合物を焼成して被着させることが好ましい。また、基体と活性成分とを混合した後焼成しても良い。なお、以下において、基体に活性成分の供給化合物又は活性成分を混合後焼成して活性成分を被着させた状態を「担持」と称す。
<Adhesion of active ingredient to substrate>
In the present invention, the state in which the active component is applied to the substrate refers to a state in which the active component and the substrate are in contact with each other so as to obtain electrical conductivity. Therefore, the active ingredient can be applied to the substrate by simply mixing the active component and the substrate. However, as described later, after mixing the active compound supply compound and the substrate, the mixture is calcined and coated. It is preferable to wear. Alternatively, the substrate and the active component may be mixed and then fired. In the following, the state in which the active component is mixed with the active ingredient supply compound or the active ingredient and then fired to deposit the active ingredient is referred to as “supporting”.

基体に被着された活性成分の形状としては特に制限はないが、最も一般的なのは粒子状である。粒子状の活性成分は、その平均粒径が通常100μm以下、好ましくは1000nm以下、より好ましくは500nm以下、中でも300nm以下であり、通常0.5nm以上、好ましくは1.0nm以上、より好ましくは2.0nm以上であることが望ましい。活性成分の粒径がこの範囲を下回ると不安定となって、失活しやすくなり、この範囲を超えると高い活性を得にくくなる。   The shape of the active ingredient applied to the substrate is not particularly limited, but the most common is a particulate form. The average active particle size of the particulate active ingredient is usually 100 μm or less, preferably 1000 nm or less, more preferably 500 nm or less, especially 300 nm or less, usually 0.5 nm or more, preferably 1.0 nm or more, more preferably 2 It is desirable that it is 0.0 nm or more. If the particle size of the active ingredient is below this range, it becomes unstable and easily deactivated, and if it exceeds this range, it becomes difficult to obtain high activity.

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

このような小さめの平均粒径の活性成分を基体に被着させるには、後述の如く、その製造方法を工夫すれば良い。中でも、基体と活性成分とを混合した後の焼成温度を低めとし、焼成時間を短めにすることによって、結晶成長の状態を制御することが好ましい。   In order to deposit such a small average particle size active ingredient on a substrate, the production method may be devised as described later. Among these, it is preferable to control the state of crystal growth by lowering the firing temperature after mixing the substrate and the active component and shortening the firing time.

活性成分の基体への被着比率としては、特に限定されるものではないが、Ru/(Ru+基体)の重量比で、通常10−5以上、好ましくは0.001以上、より好ましくは0
.01以上、中でも0.05以上で、通常0.95以下、好ましくは0.4以下、中でも0.3以下であることが望ましい。活性成分の被着比率がこの下限を下回ると所望の活性が得られず、上限を超えると被着による活性の向上効果が出にくくなる。
The deposition ratio of the active ingredient to the substrate is not particularly limited, but the weight ratio of Ru / (Ru + substrate) is usually 10 −5 or more, preferably 0.001 or more, more preferably 0.
. It is preferably 01 or more, particularly 0.05 or more, and usually 0.95 or less, preferably 0.4 or less, and especially 0.3 or less. If the deposition ratio of the active ingredient is below this lower limit, the desired activity cannot be obtained, and if it exceeds the upper limit, the activity improvement effect due to deposition is less likely to occur.

<その他の触媒成分>
本発明においては、本発明の効果を損なわない限り、基体にさらに遷移金属が被着されていてもよい。
<Other catalyst components>
In the present invention, a transition metal may be further deposited on the substrate as long as the effects of the present invention are not impaired.

この遷移金属(以下「他の触媒成分」と称す場合がある)は、周期律表のIIIA〜VIIA族、VIII族、及びIB族の第4周期から第6周期に属する元素であり、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ランタン(La)、ユウロピウム(Eu)、金(Au)、セリウム(Ce)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、プラセオジウム(Pr)、ネオジム(Nd)が例示され、好ましくは下記電気化学平衡式
酸化体+ne=還元体
で示される、水溶液中での標準電極電位E°(25℃)の値がプラスであるものが望ましい。これは、金属本来の性質として酸化による溶出が起こり難く、それに起因する触媒の劣化が少ないからである。このようなものとしては、具体的には、金、銀等が挙げられる。
This transition metal (hereinafter sometimes referred to as “other catalyst component”) is an element belonging to the fourth to sixth periods of groups IIIA to VIIA, VIII, and IB of the periodic table, and titanium ( Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium ( Nb), molybdenum (Mo), lanthanum (La), europium (Eu), gold (Au), cerium (Ce), tantalum (Ta), tungsten (W), rhenium (Re), praseodymium (Pr), neodymium ( Nd) is exemplified, and it is preferable that the value of the standard electrode potential E ° (25 ° C.) in an aqueous solution, which is represented by the following electrochemical equilibrium formula: oxidant + ne = reduced, is positive. This is because elution due to oxidation is unlikely to occur as a natural property of metals, and there is little deterioration of the catalyst due to it. Specific examples of such materials include gold and silver.

ただし、より工業的に有利な触媒とするには、上記の中で高価な触媒成分をなるべく少なくする方が良い。   However, in order to make the catalyst more industrially advantageous, it is better to reduce the number of expensive catalyst components as much as possible.

また、遷移金属として白金(Pt)を併用することも当然可能であるが、白金は高価であるため、添加量は所望の触媒活性を考慮しつつ、少量であることが、安価で実用的なDMFC型燃料電池用触媒を提供する上で望ましい。白金を添加する場合、具体的には、白金成分の合計/活性成分の重量比は、通常0.001以上、好ましくは0.01以上、中でも0.05以上で、通常0.4以下、好ましくは0.3以下、中でも0.2以下が好ましい。   Of course, platinum (Pt) can be used in combination as a transition metal. However, since platinum is expensive, it is inexpensive and practical to add a small amount while considering the desired catalytic activity. It is desirable to provide a DMFC fuel cell catalyst. When platinum is added, specifically, the weight ratio of the total platinum component / active ingredient is usually 0.001 or more, preferably 0.01 or more, more preferably 0.05 or more, and usually 0.4 or less, preferably Is preferably 0.3 or less, and more preferably 0.2 or less.

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

Figure 2009252412
Figure 2009252412

これらの他の触媒成分としての遷移金属は1種を単独で用いても良く、2種以上を併用しても良い。   These transition metals as other catalyst components may be used alone or in combination of two or more.

RuTeを含む活性成分と他の触媒成分を併用する場合、他の触媒成分の併用形態としては、次のようなものが挙げられる。
i) RuTeを他の活性成分、触媒成分と共に基体に混合する。
ii) RuTeを他の活性成分、触媒成分と共に基体に担持する。
iii) RuTeに他の活性成分、触媒成分を混合した後に基体に混合する。
iv) RuTeに他の活性成分、触媒成分を担持した後に基体に混合する。
v) 基体にRuTeを担持した後に他の活性成分、触媒成分を基体に担持する。
vi) 基体に他の活性成分、触媒成分を担持した後にRuTeを基体に担持する。
When the active component containing RuTe 2 and another catalyst component are used in combination, examples of the combined form of the other catalyst component include the following.
i) RuTe 2 is mixed with the substrate along with other active and catalytic components.
ii) RuTe 2 is supported on the substrate together with other active components and catalyst components.
iii) Other active components and catalyst components are mixed with RuTe 2 and then mixed with the substrate.
iv) Other active components and catalyst components are supported on RuTe 2 and then mixed with the substrate.
v) After supporting RuTe 2 on the substrate, other active components and catalyst components are supported on the substrate.
vi) RuTe 2 is supported on the substrate after supporting other active components and catalyst components on the substrate.

本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒が他の触媒成分として遷移金属を含む場合、本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒中の遷移金属の合計/RuTeの重量比は、通常0.001以上、好ましくは0.01以上、中でも0.05以上であり、通常0.5以下、好ましくは0.4以下、中でも0.3以下が好ましい。この重量比がこの範囲を下回ると所望の活性が得られにくく、この範囲を超えると活性の向上効果が出にくくなる。 When the DMFC fuel cell catalyst for portable electrical products of the present invention contains a transition metal as another catalyst component, the total ratio of transition metals in the DMFC fuel cell catalyst for portable electrical products of the present invention / RuTe 2 weight ratio. Is usually 0.001 or more, preferably 0.01 or more, especially 0.05 or more, and usually 0.5 or less, preferably 0.4 or less, and particularly preferably 0.3 or less. If this weight ratio is less than this range, it is difficult to obtain the desired activity, and if it exceeds this range, it is difficult to improve the activity.

本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒に含まれる遷移金属は粉体状であることが好ましい。この粉体の平均粒径は、通常1000nm以下、好ましくは500nm以下、中でも300nm以下であり、通常0.5nm以上であることが好ましい。平均粒径がこの範囲を下回ると触媒が不安定となって失活しやすくなり、この範囲を超えると高い活性を得にくくなる。   The transition metal contained in the DMFC type fuel cell catalyst for portable electrical products of the present invention is preferably in the form of powder. The average particle size of the powder is usually 1000 nm or less, preferably 500 nm or less, and more preferably 300 nm or less, and usually 0.5 nm or more. When the average particle size is less than this range, the catalyst becomes unstable and easily deactivates, and when it exceeds this range, it is difficult to obtain high activity.

なお、触媒中の遷移金属粉体の平均粒径は、走査型電子顕微鏡(SEM)或いは透過型電子顕微鏡(TEM)により、粒子の長さを測定する方向を統一して、その方向での粒子長さを測定し、これを平均した値で示される。   The average particle diameter of the transition metal powder in the catalyst is determined by unifying the direction of measuring the length of the particles with a scanning electron microscope (SEM) or transmission electron microscope (TEM). The length is measured and shown as an average value.

なお、本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒においては、上記遷移金属元素以外の金属成分が、活性成分の重量を基準に数重量%以下の量で含まれていてもよい。   In the DMFC fuel cell catalyst for portable electrical products of the present invention, a metal component other than the transition metal element may be contained in an amount of several weight percent or less based on the weight of the active component.

活性成分としてのRuTeと遷移金属とを含んだ触媒、とりわけ、RuTe及び遷移金属が基体に担持された触媒は、触媒活性が高い。これは、遷移金属がRuTeの助触媒として機能し、活性が向上するためであると推定される。 A catalyst containing RuTe 2 as an active component and a transition metal, particularly a catalyst in which RuTe 2 and a transition metal are supported on a substrate has high catalytic activity. This is presumably because the transition metal functions as a promoter for RuTe 2 and the activity is improved.

<純触媒の製造>
基体に被着されていない活性成分のみで構成される第1態様の純触媒の合成方法については特に制限はなく、公知の任意の方法によって行うことができる。
<Manufacture of pure catalyst>
There is no particular limitation on the method for synthesizing the pure catalyst of the first aspect composed only of the active component not deposited on the substrate, and any known method can be used.

例えば、活性成分となる元素の供給化合物、即ち活性成分の前駆体を所定のモル比で、水等の溶媒に溶解或いは分散させ、濾過或いは溶媒を留去した後、必要に応じて前駆体を活性化する工程(例えば還元処理)を施して調製される。   For example, an element supply compound as an active ingredient, that is, a precursor of the active ingredient is dissolved or dispersed in a solvent such as water in a predetermined molar ratio, and after filtration or evaporation of the solvent, the precursor is added as necessary. It is prepared by applying an activation step (for example, reduction treatment).

各元素の前駆体としては加熱分解可能なものであれば特に制限はない。   The precursor of each element is not particularly limited as long as it can be thermally decomposed.

テルル前駆体としては、テルルパウダー(Te)の他、TeCl,TeBr,TeCl等のハロゲン化物、TeO,TeO等の酸化物、HTeO,HTeO等のオキソ酸等の無機塩が挙げられる。これらのTe前駆体は1種を単独で用いても良く、2種以上を混合して用いても良い。 Tellurium precursors include tellurium powder (Te), halides such as TeCl 2 , TeBr 2 and TeCl 4 , oxides such as TeO 2 and TeO 3 , and oxo acids such as H 2 TeO 3 and H 6 TeO 6. Inorganic salts such as These Te precursors may be used alone or in combination of two or more.

一方、ルテニウムの前駆体としては、ルテニウムのハロゲン化物、酸化物、無機塩、有機酸塩等の他、有機化合物と結合する化合物等が挙げられる。これらのルテニウム化合物としては、具体的にはRuCl・xHO、RuBr等のハロゲン化物、Ru(SO、Ru(NO)(NO、KRuO・HO等の無機塩、Ru(OCHCO)等の有機酸塩、ルテニウムアセチルアセトネート(Ru(acac))等の有機化合物が挙げられる。これらのRu前駆体は1種を単独で用いても良く、2種以上を混合して用いても良い。 On the other hand, examples of the ruthenium precursor include ruthenium halides, oxides, inorganic salts, organic acid salts, and the like, as well as compounds that bind to organic compounds. Specific examples of these ruthenium compounds include halides such as RuCl 3 .xH 2 O, RuBr 3 , Ru (SO 4 ) 2 , Ru (NO) (NO 3 ) 3 , K 2 RuO 4 .H 2 O. Inorganic salts such as Ru 2 (OCH 3 CO) 4 and organic compounds such as ruthenium acetylacetonate (Ru (acac) 3 ). These Ru precursors may be used alone or in combination of two or more.

本発明のRuTe純触媒を製造するには、例えば、RuCl又はRu(acac)等のRu前駆体とHTeO等のTe前駆体を所望のモル比(RuCl、Ru(acac)等に対するHTeOのモル比は、通常0.2以上、好ましくは1以上、通常10以下、好ましくは4以下)に応じた配合比で水に溶解させ、所定の時間(通常10分以上、好ましくは30分以上、通常50時間以下、好ましくは30時間以下)放置した後、必要であれば所定の温度(通常60℃以上、好ましくは100℃以上、通常300℃以下、好ましくは200℃以下)で所定の時間(通常10分以上、好ましくは30分以上、通常50時間以下、好ましくは30時間以下)加熱或いは還流し、その後、エバポレーターにより沈殿物を取得する。これを室温で風乾後、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下所定の時間(通常10分以上、好ましくは30分以上、通常50時間以下、好ましくは30時間以下)、所定の温度(通常100℃以上、好ましくは200℃以上、通常1000℃以下、好ましくは800℃以下)で乾燥処理する。次いで、所定の時間(通常10分以上、好ましくは30分以上、通常50時間以下、好ましくは30時間以下)、所定の温度(通常100℃以上、好ましくは200℃以上、更に好ましくは300℃以上、通常1000℃以下、好ましくは800℃以下)で、還元ガス流通下、好ましくは水素を含む気流下(窒素或いはAr等の不活性ガスを混合しても良く、不活性ガス中の水素濃度としては特に制限はないが、1%以上、好ましくは10%以上、100%以下、或いは80%以下)で加熱する。これにより、本発明に係るRuTeを含有する活性成分よりなる純触媒を得ることができる。 In order to produce the RuTe 2 pure catalyst of the present invention, for example, a Ru precursor such as RuCl 3 or Ru (acac) 3 and a Te precursor such as H 6 TeO 6 are mixed in a desired molar ratio (RuCl 3 , Ru (acac). ) The molar ratio of H 6 TeO 6 to 3 etc. is usually 0.2 or more, preferably 1 or more, usually 10 or less, preferably 4 or less) and dissolved in water for a predetermined time (usually 10). Minutes or more, preferably 30 minutes or more, usually 50 hours or less, preferably 30 hours or less), and then, if necessary, a predetermined temperature (usually 60 ° C or more, preferably 100 ° C or more, usually 300 ° C or less, preferably 200 ° C. or less) for a predetermined time (usually 10 minutes or more, preferably 30 minutes or more, usually 50 hours or less, preferably 30 hours or less), heated or refluxed, and then the precipitate was removed by an evaporator. To. This is air-dried at room temperature, and then in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon for a predetermined time (usually 10 minutes or more, preferably 30 minutes or more, usually 50 hours or less, preferably 30 hours or less), a predetermined temperature (usually 100 The drying treatment is carried out at a temperature of not less than 200 ° C, preferably not less than 200 ° C, usually not more than 1000 ° C, preferably not more than 800 ° C. Next, a predetermined time (usually 10 minutes or more, preferably 30 minutes or more, usually 50 hours or less, preferably 30 hours or less), a predetermined temperature (usually 100 ° C. or more, preferably 200 ° C. or more, more preferably 300 ° C. or more) In general, it may be 1000 ° C. or lower, preferably 800 ° C. or lower, under a reducing gas flow, preferably in an air stream containing hydrogen (inert gas such as nitrogen or Ar may be mixed, and the hydrogen concentration in the inert gas is Is not particularly limited, but is heated at 1% or more, preferably 10% or more, 100% or less, or 80% or less. This makes it possible to obtain pure catalyst consisting of active component containing Rute 2 according to the present invention.

この後、更に、この純触媒に対して、低酸素濃度(例えば、5重量%以下、中でも2重量%以下程度の酸素濃度)の不活性ガス雰囲気中で、所定時間(通常数10分以上、好ましくは30分以上、通常10時間以下、中でも5時間以下)、所定の温度(通常は、室温付近)で処理することにより不動態膜を形成させる不動態化処理を行っても良い。   Thereafter, the pure catalyst is further subjected to a predetermined time (usually several tens of minutes or more) in an inert gas atmosphere having a low oxygen concentration (for example, an oxygen concentration of 5 wt% or less, especially 2 wt% or less). Passivation treatment may be performed to form a passive film by treatment at a predetermined temperature (usually around room temperature), preferably 30 minutes or more, usually 10 hours or less, particularly 5 hours or less.

<被着触媒の製造>
第2態様の被着触媒は、活性成分を基体に被着することにより製造される。ここで、基体への活性成分の被着は、例えば、活性成分或いは活性成分の前駆体を基体と混合して焼成する担持法のほか、活性成分と基体とを単に混合する混合法、その他含浸法、沈殿法、吸着法等の公知の手法によって行うことができる。
<Manufacture of a deposited catalyst>
The deposition catalyst of the second embodiment is produced by depositing an active component on a substrate. Here, the active component may be applied to the substrate by, for example, a loading method in which the active component or a precursor of the active component is mixed and baked with the substrate, a mixing method in which the active component and the substrate are simply mixed, and other impregnations. It can carry out by well-known methods, such as a method, a precipitation method, an adsorption method.

例えば、被着触媒は、各元素の前駆体を所望のモル比で、水溶液等の溶媒に溶解或いは分散させ、この液を基体に含浸させるか、この液中に基体を浸漬させた後、濾過或いは溶媒を留去することにより基体上に前駆体を被着させ、必要に応じて活性成分の前駆体を活性化する工程(例えば還元処理)を施して調製される。   For example, the deposited catalyst is prepared by dissolving or dispersing a precursor of each element in a solvent such as an aqueous solution in a desired molar ratio, and impregnating the substrate with the solution or immersing the substrate in the solution, followed by filtration. Alternatively, it is prepared by depositing the precursor on the substrate by distilling off the solvent and, if necessary, activating the precursor of the active ingredient (for example, reduction treatment).

なお、活性成分の前駆体は、純触媒の製造に用いられる化合物と同様の化合物を用いることができる。中でもルテニウム前駆体としてはRuCl・xHO、Ru(acac)、Ru(NO)(NOが好ましく、Ru(NO)(NOが特に好ましい。テルル前駆体としてはHTeOが好ましい。 In addition, the compound similar to the compound used for manufacture of a pure catalyst can be used for the precursor of an active ingredient. Among these, as the ruthenium precursor, RuCl 3 .xH 2 O, Ru (acac) 3 , Ru (NO) (NO 3 ) 3 are preferable, and Ru (NO) (NO 3 ) 3 is particularly preferable. As the tellurium precursor, H 6 TeO 6 is preferable.

本発明のRuTeを含む被着触媒の製造法の一例を次に説明する。
RuCl又はRu(acac)とHTeOを所望とするモル比に応じた配合比(RuCl、Ru(acac)等に対するHTeOのモル比は、通常0.2以上、好ましくは1以上、通常10以下、好ましくは4以下)で水に溶解させ、これにカーボンブラック等の基体を所定量混合し、所定の時間(通常10分以上、好ましくは30分以上、通常50時間以下、好ましくは30時間以下)放置する。なお、この放置の際、超音波処理を行っても良い。次に必要であれば所定の温度(通常60℃以上、好ましくは100℃以上、通常300℃以下、好ましくは200℃以下)で所定の時間(通常10分以上、好ましくは30分以上、通常50時間以下、好ましくは30時間以下)加熱或いは還流する。その後、濾過或いはエバポレーターにより沈殿物を取得する。これを室温で風乾する。次いで、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下、所定の時間(通常10分以上、好ましくは30分以上、通常50時間以下、好ましくは30時間以下)、所定の温度(通常100℃以上、好ましくは200℃以上、通常1000℃以下、好ましくは800℃以下)で乾燥処理後、所定の時間(通常10分以上、好ましくは30分以上、通常50時間以下、好ましくは30時間以下)、所定の温度(通常100℃以上、好ましくは200℃以上、更に好ましくは350℃以上、通常1000℃以下、好ましくは950℃以下)で、還元ガス流通下、好ましくは水素を含む気流下(窒素或いはAr等の不活性ガスを混合しても良く、不活性ガス中の水素濃度としては特に制限はないが、1%以上、好ましくは10%以上、100%以下、或いは80%以下)で加熱する。これにより、RuTeを含有する活性成分が基体に担持された被着触媒が得られる。
特に、この水素含有ガス気流下での焼成温度を350℃以上とすることにより、最大回折ピークの半値幅が3.0゜以下、好ましくは2.0゜以下であるRuTe被着触媒を得ることができる。
Next, an example of a method for producing a deposited catalyst containing RuTe 2 of the present invention will be described.
RuCl 3 or Ru (acac) 3 and H 6 TeO 6 blending ratio corresponding to the molar ratio of the desired (RuCl 3, Ru (acac) molar ratio of H 6 TeO 6 for like 3 is generally 0.2 or more, Preferably, it is dissolved in water at 1 or more, usually 10 or less, preferably 4 or less, and a predetermined amount of a substrate such as carbon black is mixed therewith, and a predetermined time (usually 10 minutes or more, preferably 30 minutes or more, usually 50). Or less, preferably 30 hours or less). In this case, ultrasonic treatment may be performed. Next, if necessary, a predetermined temperature (usually 60 ° C or higher, preferably 100 ° C or higher, usually 300 ° C or lower, preferably 200 ° C or lower) for a predetermined time (usually 10 minutes or longer, preferably 30 minutes or longer, usually 50 ° C). Heating or refluxing for a period of time or less, preferably 30 hours or less). Thereafter, a precipitate is obtained by filtration or an evaporator. This is air dried at room temperature. Then, under an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon, the predetermined time (usually 10 minutes or more, preferably 30 minutes or more, usually 50 hours or less, preferably 30 hours or less), the predetermined temperature (usually 100 ° C. or more, preferably Is 200 ° C. or higher, usually 1000 ° C. or lower, preferably 800 ° C. or lower) and then dried for a predetermined time (usually 10 minutes or longer, preferably 30 minutes or longer, usually 50 hours or shorter, preferably 30 hours or shorter). At a temperature (usually 100 ° C. or higher, preferably 200 ° C. or higher, more preferably 350 ° C. or higher, usually 1000 ° C. or lower, preferably 950 ° C. or lower) under a reducing gas flow, preferably under an air stream containing hydrogen (such as nitrogen or Ar) The inert gas may be mixed, and the hydrogen concentration in the inert gas is not particularly limited, but is 1% or more, preferably 10% or more, 100% or less, or It is heated at 0% or less). As a result, an adherent catalyst in which an active component containing RuTe 2 is supported on a substrate is obtained.
In particular, by setting the calcination temperature in the hydrogen-containing gas stream to 350 ° C. or higher, a RuTe 2- deposited catalyst having a half-value width of the maximum diffraction peak of 3.0 ° or less, preferably 2.0 ° or less is obtained. be able to.

その後、更に、この被着触媒に対して低酸素濃度(例えば、5重量%以下、中でも2重量%以下程度の酸素濃度)の不活性ガス雰囲気中で、所定時間(通常数10分以上、好ましくは30分以上、通常10時間以下、中でも5時間以下)で、所定の温度(通常は、室温付近)で処理することにより不動態膜を形成させる不動態化処理を行うこともできる。   Thereafter, in an inert gas atmosphere having a low oxygen concentration (for example, an oxygen concentration of about 5% by weight or less, especially about 2% by weight or less) with respect to the deposited catalyst, a predetermined time (usually several tens of minutes or more, preferably Can be carried out at a predetermined temperature (usually around room temperature) for 30 minutes or more, usually 10 hours or less, especially 5 hours or less), and a passivation treatment for forming a passive film can be performed.

また、これら活性成分を、前記した公知の方法により予め調製し、これを基体と混合し、乳鉢等で混練することにより、活性成分を基体に被着させることもできる。この混合は、乾式でも湿式でも良いが、好ましくは水等の媒体を用いて湿式混合し、その後100〜200℃程度で乾燥することが好ましい。   Further, these active ingredients can be prepared in advance by the above-mentioned known methods, mixed with a base, and kneaded in a mortar or the like to adhere the active ingredient to the base. This mixing may be dry or wet, but is preferably wet mixed using a medium such as water and then dried at about 100 to 200 ° C.

上記した触媒の製造方法の中でも、炭素系基体と、活性成分及び活性成分の前駆体から選ばれるものとを混合した後に、焼成する担持法が好ましい。この焼成により、得られる触媒の活性を向上させることができる。このように焼成を行うことにより活性を向上させることができる理由については必ずしも明らかではないが、炭素系基体に活性成分が被着しているので、焼成時に活性成分のシンタリングが押さえられ、活性が向上することによるものと推定される。   Among the above-described catalyst production methods, a support method in which a carbon base and a component selected from an active component and a precursor of the active component are mixed and then calcined is preferable. By this calcination, the activity of the obtained catalyst can be improved. The reason why the activity can be improved by firing in this way is not necessarily clear, but since the active component is deposited on the carbon-based substrate, the sintering of the active component is suppressed during firing, and the activity is reduced. Is estimated to be due to the improvement.

活性成分と共に前述の遷移金属を基体に被着させる場合、活性成分の被着工程において同時に遷移金属を被着させても良く、活性成分の被着工程の前、又は後に遷移金属を被着させても良い。なお、ここで、「活性成分の被着工程」とは、活性成分を被着させるための処理過程、即ち、活性成分前駆体の添加から活性成分を与える迄の過程全体を包含する。   When the above-mentioned transition metal is applied to the substrate together with the active component, the transition metal may be applied simultaneously in the active component application step, and the transition metal is applied before or after the active component application step. May be. Here, the “active component deposition step” includes the treatment process for depositing the active component, that is, the entire process from the addition of the active component precursor to the provision of the active component.

基体に遷移金属を被着するための遷移金属の前駆体としては、酸化物の他、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩等の無機酸塩、酢酸塩等の有機酸塩、ハロゲン化物、水素化物、カルボニル化合物、アミン化合物、オレフィン配位化合物、ホスフィン配位化合物又はホスファイト配位化合物等が挙げられる。これらは1種を単独で用いても良く、2種以上を併用しても良い。   As transition metal precursors for depositing transition metals on the substrate, oxides, inorganic acid salts such as nitrates, sulfates and carbonates, organic acid salts such as acetates, halides, hydrides, Examples include carbonyl compounds, amine compounds, olefin coordination compounds, phosphine coordination compounds, and phosphite coordination compounds. These may be used alone or in combination of two or more.

活性成分と共に遷移金属を基体に被着させるには、例えば、先に記載した方法で合成したRuTeを含有する活性成分を基体に担持させた触媒に、塩化物等の遷移金属化合物を溶解した溶液を加えて所定の時間(通常10分以上、好ましくは30分以上、通常50時間以下、好ましくは30時間以下)放置した後、溶媒をエバポレーターにより留去する。なお、この放置の際、超音波処理を行っても良い。次に、水素を含む気流下(窒素或いはAr等の不活性ガスを混合しても良く、不活性ガス中の水素濃度としては特に制限はないが、1%以上、好ましくは10%以上、100%以下、或いは80%以下)、所定の温度(通常100℃以上、好ましくは150℃以上、通常800℃以下、好ましくは500℃以下)で所定の時間(通常10分以上、好ましくは30分以上、通常50時間以下、好ましくは30時間以下)加熱する。これにより、RuTeを含有する活性成分と遷移金属が共に基体に担持された被着触媒が得られる。 In order to deposit the transition metal together with the active component on the substrate, for example, a transition metal compound such as chloride is dissolved in the catalyst in which the active component containing RuTe 2 synthesized by the method described above is supported on the substrate. The solution is added and allowed to stand for a predetermined time (usually 10 minutes or more, preferably 30 minutes or more, usually 50 hours or less, preferably 30 hours or less), and then the solvent is distilled off with an evaporator. In this case, ultrasonic treatment may be performed. Next, under an air stream containing hydrogen (inert gas such as nitrogen or Ar may be mixed, the hydrogen concentration in the inert gas is not particularly limited, but is 1% or more, preferably 10% or more, 100 % Or less, or 80% or less) at a predetermined temperature (usually 100 ° C. or higher, preferably 150 ° C. or higher, usually 800 ° C. or lower, preferably 500 ° C. or lower) for a predetermined time (usually 10 minutes or longer, preferably 30 minutes or longer). Usually 50 hours or less, preferably 30 hours or less). As a result, an adherent catalyst in which both the active component containing RuTe 2 and the transition metal are supported on the substrate is obtained.

その後、更に、この被着触媒を低酸素濃度(例えば、5重量%以下、中でも2重量%以下程度の酸素濃度)の不活性ガス雰囲気中で、所定時間(通常数10分以上、好ましくは30分以上、通常10時間以下、中でも5時間以下)で、所定の温度(通常は、室温付近)で処理することにより不動態膜を形成させる不動態化処理を行うこともできる。   Thereafter, the adsorbed catalyst is further subjected to a predetermined time (usually several tens of minutes or more, preferably 30) in an inert gas atmosphere having a low oxygen concentration (for example, an oxygen concentration of about 5 wt% or less, especially about 2 wt% or less). It is also possible to carry out a passivation treatment for forming a passive film by treating at a predetermined temperature (usually around room temperature) at a time of not less than minutes and usually not more than 10 hours, especially not more than 5 hours.

なお、前述の如く、遷移金属は、そのまま活性成分を被着した基体と混合して用いても良く、また、遷移金属を被着した基体に、活性成分を混合して用いても良い。   As described above, the transition metal may be used as it is by mixing it with the substrate to which the active component is applied, or may be used by mixing the active component with the substrate to which the transition metal is applied.

[ポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用電極材料、DMFC型燃料電池、DMFC型燃料電池スタック、DMFC型燃料電池システム]
本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用電極材料、及びポータブル電気製品用DMFC型燃料電池は、上記した本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒を好ましくはカソード電極触媒として含有することを特徴とする。なお、本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用電極材料及びポータブル電気製品用DMFC型燃料電池は、本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒の1種のみを含有するものであっても良く、2種以上を含むものであっても良い。また、本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒以外の触媒と併用しても良く、その場合の触媒としては、従来知られている白金等の貴金属を主体とした触媒等を用いることができる。
また、本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池スタックは、このような本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池を用いたことを特徴とする。
また、本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池システムは、このような本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池スタックを用いたことを特徴とする。
[Electrode materials for DMFC fuel cells for portable electrical products, DMFC fuel cells, DMFC fuel cell stacks, DMFC fuel cell systems]
The DMFC fuel cell electrode material for portable electrical products and the DMFC fuel cell for portable electrical products of the present invention preferably contain the above-described DMFC fuel cell catalyst for portable electrical products of the present invention as a cathode electrode catalyst. It is characterized by that. The DMFC fuel cell electrode material for portable electrical products and the DMFC fuel cell for portable electrical products of the present invention contain only one type of DMFC fuel cell catalyst for portable electrical products of the present invention. It may be sufficient and two or more types may be included. Further, the catalyst may be used in combination with a catalyst other than the DMFC type fuel cell catalyst for portable electrical products of the present invention. In such a case, a conventionally known catalyst mainly composed of a noble metal such as platinum is used. Can do.
The DMFC fuel cell stack for portable electrical products of the present invention is characterized by using such a DMFC fuel cell for portable electrical products of the present invention.
The DMFC type fuel cell system for portable electrical products according to the present invention uses the DMFC type fuel cell stack for portable electrical products according to the present invention.

本発明に係るDMFC型燃料電池とは、アノードに燃料であるメタノール水溶液、カソードに酸化剤としての空気を供給し、前述の反応(1),(2)により発生するアノードとカソード間の電位差を電圧として取り出し、負荷に供給する発電装置であり、アノード極とカソード極とその間に挟まれた電解質で構成される。   The DMFC type fuel cell according to the present invention supplies a methanol aqueous solution as a fuel to the anode and air as an oxidant to the cathode, and the potential difference between the anode and the cathode generated by the above reactions (1) and (2). It is a power generation device that takes out voltage and supplies it to a load, and is composed of an anode electrode, a cathode electrode, and an electrolyte sandwiched therebetween.

DMFC型燃料電池の場合、電解質としてのイオン交換膜の両面に触媒層が形成され、一方の触媒層の外側にメタノール水溶液集電体(アノード)が、他方の触媒層の外側にカソードガス拡散層が形成され、このように、メタノール水溶液集電体及びカソードガス拡散層が、両面に触媒層が形成された電解質膜を介して一体に形成されてなる電解質膜/電極接合体が用いられる。電解質膜/電極接合体はそのメタノール水溶液集電体及びカソードガス拡散層側に隔壁板が配置され、この隔壁板、電解質膜/電極接合体及び隔壁板からなる単位セルが、用途に応じた所望の電圧になるまで複数積層されてDMFC型燃料電池スタックが形成される。通常、単位セルが数セルから数十セル積層されて、DMFC型燃料電池スタックが形成される。   In the case of a DMFC type fuel cell, a catalyst layer is formed on both surfaces of an ion exchange membrane as an electrolyte, a methanol aqueous solution current collector (anode) is outside one catalyst layer, and a cathode gas diffusion layer is outside the other catalyst layer. Thus, an electrolyte membrane / electrode assembly is used in which a methanol aqueous solution current collector and a cathode gas diffusion layer are integrally formed via an electrolyte membrane having catalyst layers formed on both sides. In the electrolyte membrane / electrode assembly, a partition plate is arranged on the methanol aqueous solution current collector and cathode gas diffusion layer side, and a unit cell composed of the partition plate, the electrolyte membrane / electrode assembly, and the partition plate is desired depending on the application. A DMFC type fuel cell stack is formed by stacking a plurality of layers until the voltage reaches Usually, a unit cell is stacked from several cells to several tens of cells to form a DMFC type fuel cell stack.

この電解質膜/電極接合体の触媒層を形成する触媒として、好ましくはカソード電極触媒として前述の本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒が用いられる。   As the catalyst for forming the catalyst layer of the electrolyte membrane / electrode assembly, the above-described catalyst for a DMFC fuel cell for portable electrical products according to the present invention is preferably used as a cathode electrode catalyst.

電解質としてのイオン交換膜は、カチオン交換能があれば良いが、実用上、−20℃〜70℃程度での酸化還元雰囲気に長期に耐えることが望まれることから、パーフルオロアルキルスルホン酸樹脂がもっぱら用いられている。具体的には、ナフィオン(デュポン社製登録商標)、フレミオン(旭硝子社製登録商標)、Aciplex(旭化成社製登録商標)等のパーフルオロアルキルスルホン酸樹脂膜が挙げられる。   An ion exchange membrane as an electrolyte may have a cation exchange ability, but since it is practically desired to withstand an oxidation-reduction atmosphere at about −20 ° C. to 70 ° C., a perfluoroalkylsulfonic acid resin is used. Used exclusively. Specific examples include perfluoroalkylsulfonic acid resin membranes such as Nafion (registered trademark manufactured by DuPont), Flemion (registered trademark manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and Aciplex (registered trademark manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.).

イオン交換膜は、好ましくは、10μm程度以上、数100μm程度以下の厚さを有するが、電気抵抗を下げるためにはより薄くすることが望ましい。薄くするとカソードへのメタノールのクロスオーバーが増加するが、特定の前駆体よりなるRuTe触媒、或いはRuTeとタングステン酸化物を含有する触媒よりなる本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒に用いた場合には、このようにクロスオーバーしたメタノールによる触媒活性の低下は殆ど無く、良好な電池特性が得られる。
イオン交換膜としては、ナフィオンを例に取ると、厚み120μm程度のナフィオン115がよく使用されるが、補強材を入れた30〜50μmの厚さの電解質膜が開発され始めており、これらのものも同様に用いることができる。
The ion exchange membrane preferably has a thickness of about 10 μm or more and several hundreds of μm or less, but it is desirable to make the thickness thinner in order to reduce the electric resistance. When the thickness is reduced, methanol crossover to the cathode increases, but the RuTe 2 catalyst made of a specific precursor, or the catalyst for DMFC type fuel cell for portable electrical products of the present invention made of a catalyst containing RuTe 2 and tungsten oxide. When used in the above, there is almost no decrease in catalytic activity due to the methanol crossed over in this way, and good battery characteristics can be obtained.
Taking Nafion as an example of an ion exchange membrane, Nafion 115 having a thickness of about 120 μm is often used. However, an electrolyte membrane having a thickness of 30 to 50 μm including a reinforcing material has begun to be developed. It can be used similarly.

カソードガス拡散層は、空気を供給すると共に、発生した電圧を取り出すための集電体としての機能も併せ持つ。従って、カソードガス拡散層は好ましくは優れた電子伝導体でかつ空気が通流し、かつ使用雰囲気に耐える材料で構成される。カソードガス拡散層を構成する材料としては、厚みが、通常100〜500μm、好ましくは100〜200μm程度の、カーボンペーパー、カーボンクロス等のカーボン多孔体が用いられる。メタノール水溶液集電体の材料についても同様に、メタノール水溶液が流通し、かつ使用雰囲気に耐える材料が選択され、厚みが、通常100〜500μm、好ましくは100〜200μm程度の、カーボンペーパー、カーボンクロス等のカーボン多孔体が用いられる。   The cathode gas diffusion layer supplies air and also has a function as a current collector for taking out the generated voltage. Accordingly, the cathode gas diffusion layer is preferably made of a material that is an excellent electronic conductor and allows air to flow and withstand the working atmosphere. As a material constituting the cathode gas diffusion layer, a carbon porous material such as carbon paper or carbon cloth having a thickness of usually about 100 to 500 μm, preferably about 100 to 200 μm is used. Similarly, the material of the methanol aqueous solution current collector is selected from materials through which the methanol aqueous solution circulates and can withstand the use atmosphere. The carbon porous body is used.

本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池の電解質膜/電極接合体を作製する方法としては特に制限はないが、例えば次のような方法が挙げられる。   Although there is no restriction | limiting in particular as a method of producing the electrolyte membrane / electrode assembly of the DMFC type fuel cell for portable electrical products of this invention, For example, the following methods are mentioned.

カソード側触媒層及びアノード側触媒層をイオン交換膜上に形成する方法の一例について次に説明する。まず、前述の本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒を、適当な容器に入れ、DuPont社のNafion(登録商標)を溶解したNafionの溶液(濃度5重量%,アルドリッチ製)及びアルコール、水等の媒体に分散させ触媒スラリーを調製する。この際に分散を良好に進行させるために、超音波振動をかける方がより好ましい。この触媒スラリー中の本発明のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒の濃度は、所望の分散性を得るために、1〜50g/L程度であるのが好ましい。また、撥水性を持たせたり、触媒層の剥がれを防ぐ等の目的でポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のバインダーをスラリー中に3〜30重量%程度の範囲で加えることは勿論可能である。また、内容物を凝集させて、ペースト化したい場合、エタノール、イソプロピルアルコールといった炭素数2〜5、好ましくは炭素数2〜4程度の低級アルコール、或いはエチレングリコール等の炭素数2〜5、好ましくは炭素数2〜4程度の多価アルコールを、水に対して0.25〜1.0の比になるように加えて凝集させることもできる。   Next, an example of a method for forming the cathode side catalyst layer and the anode side catalyst layer on the ion exchange membrane will be described. First, the DMFC type fuel cell catalyst for portable electrical products of the present invention described above is placed in a suitable container, and a Nafion solution (concentration 5 wt%, manufactured by Aldrich) in which DuPont's Nafion (registered trademark) is dissolved, and alcohol The catalyst slurry is prepared by dispersing in a medium such as water. At this time, it is more preferable to apply ultrasonic vibration in order to promote the dispersion well. The concentration of the DMFC fuel cell catalyst for portable electrical products of the present invention in this catalyst slurry is preferably about 1 to 50 g / L in order to obtain the desired dispersibility. Of course, a binder such as polytetrafluoroethylene (PTFE) may be added to the slurry in the range of about 3 to 30% by weight for the purpose of imparting water repellency or preventing the catalyst layer from peeling off. In addition, when the contents are to be agglomerated and made into a paste, the alcohol has 2 to 5 carbon atoms such as ethanol or isopropyl alcohol, preferably a lower alcohol having about 2 to 4 carbon atoms, or 2 to 5 carbon atoms such as ethylene glycol, preferably A polyhydric alcohol having about 2 to 4 carbon atoms can be added and aggregated in a ratio of 0.25 to 1.0 with respect to water.

このようにして得られる触媒スラリーをイオン交換膜、カソードガス拡散電極材又はメタノール水溶液集電材、或いは転写用フィルムの上に付着させた後、乾燥してカソード側触媒層及びアノード側触媒層を形成する。   The catalyst slurry thus obtained is deposited on an ion exchange membrane, a cathode gas diffusion electrode material or a methanol aqueous solution current collector, or a transfer film, and then dried to form a cathode side catalyst layer and an anode side catalyst layer. To do.

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

カソード側触媒層及びアノード側触媒層のいずれにおいても、触媒付着量は、Ru付着量(目付量)として、通常0.01mg/cm以上、好ましくは0.1mg/cm以上、通常50mg/cm以下、好ましくは20mg/cm以下、最も好ましくは10mg/cm以下程度である。この活性成分付着量がこの範囲よりも少ないと充分な触媒活性を得ることができず、この範囲よりも多いと電解質膜/電極接合体が形成し難くなる。 In any of the cathode side catalyst layer and the anode side catalyst layer, the catalyst adhesion amount is usually 0.01 mg / cm 2 or more, preferably 0.1 mg / cm 2 or more, usually 50 mg / cm as the Ru adhesion amount (weight per unit area). It is cm 2 or less, preferably 20 mg / cm 2 or less, and most preferably about 10 mg / cm 2 or less. If the amount of the active component attached is less than this range, sufficient catalytic activity cannot be obtained, and if it is more than this range, it is difficult to form an electrolyte membrane / electrode assembly.

触媒層をイオン交換膜上に形成してからメタノール水溶液集電体材又はカソードガス拡散層材と積層してもよく、触媒層をメタノール水溶液集電体材上又はカソードガス拡散層材上に形成してからイオン交換膜と積層してもよい。この積層体を予備的に加圧成形した後、プレス機によって加圧加熱成形することにより電解質膜/電極接合体が得られる。この接合体においては、イオン交換膜の片側の面に上記したカソード側触媒層が形成され、該イオン交換膜の反対側の面に、アノード側触媒層が形成され、更に、両触媒層の外側にそれぞれアノードを構成するメタノール水溶液集電体とカソードを構成するカソードガス拡散層が積層されている。   The catalyst layer may be formed on the ion exchange membrane and then laminated with the methanol aqueous solution current collector material or the cathode gas diffusion layer material. The catalyst layer is formed on the methanol aqueous solution current collector material or the cathode gas diffusion layer material. Then, it may be laminated with an ion exchange membrane. The laminated body is preliminarily pressure-molded and then pressure-heat-molded with a press to obtain an electrolyte membrane / electrode assembly. In this joined body, the above-mentioned cathode-side catalyst layer is formed on one surface of the ion exchange membrane, the anode-side catalyst layer is formed on the opposite surface of the ion-exchange membrane, and the outer sides of both catalyst layers. In addition, a methanol aqueous solution current collector constituting an anode and a cathode gas diffusion layer constituting a cathode are laminated.

なお、積層体を予備的に加圧成形する場合は、触媒層の崩壊が防止される範囲で、本成形の条件より温度、圧力は低く、時間は短く設定するのが好ましい。それは、触媒粒子、カソードガス拡散層又はメタノール水溶液集電体用多孔体の圧縮破壊を起こさないためである。   In addition, when press-molding a laminated body preliminarily, it is preferable to set temperature and pressure lower than the conditions of the main molding and to set the time short as long as the collapse of the catalyst layer is prevented. This is because the catalyst particles, the cathode gas diffusion layer, or the porous body for the methanol aqueous solution current collector does not cause compression failure.

本発明のポータブル電気製品用DMFC用燃料電池システムは、電気化学反応により起電力を得るポータブル電気製品用DMFC型燃料電池スタックと、酸素含有ガスとして圧縮空気を供給するコンプレッサの他、燃料であるメタノール水溶液容器を備える。メタノール水溶液は送液ポンプによりDMFC型燃料電池スタックのアノード極に送られる。また、メタノール水溶液は予め蒸発器により昇温・気化させてからアノード極に供給しても良い。他にポータブル電気製品用DMFC型燃料電池スタックにおいて発電に利用されなかったメタノール水溶液は回収し、メタノール水溶液容器に戻しても良い。メタノール水溶液の回収は必要時には気液分離器を用いて行っても良い。   The DMFC fuel cell system for portable electrical products of the present invention includes a DMFC type fuel cell stack for portable electrical products that obtains an electromotive force through an electrochemical reaction, a compressor that supplies compressed air as an oxygen-containing gas, and methanol as a fuel. An aqueous solution container is provided. The aqueous methanol solution is sent to the anode electrode of the DMFC type fuel cell stack by a feed pump. The aqueous methanol solution may be supplied to the anode electrode after being heated and vaporized by an evaporator in advance. In addition, a methanol aqueous solution that has not been used for power generation in the DMFC fuel cell stack for portable electrical products may be collected and returned to the methanol aqueous solution container. The methanol aqueous solution may be collected using a gas-liquid separator when necessary.

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

以下の実施例及び比較例において、作製した触媒のXRD分析は、下記の条件で行った。   In the following examples and comparative examples, XRD analysis of the prepared catalysts was performed under the following conditions.

[粉末XRD分析]
測定装置
粉末X線解析装置/PANalytical PW1700
測定条件
X線出力(Cu−Kα):40kV,30mA
走査軸:θ/2θ
測定範囲(2θ):3.0°〜90.0°
測定モード:Continuous
読込幅:0.05°
走査速度:3.0°/min
DS,SS,RS:1°,1°,0.20mm
[Powder XRD analysis]
Measuring device X-ray powder analysis device / PANallytical PW1700
Measurement conditions X-ray output (Cu-Kα): 40 kV, 30 mA
Scanning axis: θ / 2θ
Measurement range (2θ): 3.0 ° to 90.0 °
Measurement mode: Continuous
Reading width: 0.05 °
Scanning speed: 3.0 ° / min
DS, SS, RS: 1 °, 1 °, 0.20mm

また、以下の実施例及び比較例において、作製した触媒の活性評価は、下記の方法により行った。   In the following Examples and Comparative Examples, the activity evaluation of the prepared catalysts was performed by the following method.

[触媒活性の評価]
電極の電位を標準水素電極に対して800mV(RuTe)又は1050mV(Pt)程度から低電位(50mV)の方向に走査にすると作用電極とPt対極の間に
4H+O+4e→2H
による酸素の還元電流が流れるのが認められる。電極の電位が50mVに達した後折り返し、高電位(800mV)の方向に走査した時に流れる電流値で触媒活性を評価した。
なお、測定条件は以下の通りである。
電解液:下記3種類の水溶液を用いた。
0.5M HSO水溶液
1M MeOH+0.5M HSO水溶液
10M MeOH+0.5M HSO水溶液
雰囲気:1気圧酸素雰囲気
走査速度:5mV/秒
走査範囲:RuTe=50〜800mV
Pt=50〜1050mV
作用電極:回転ディスク、グラッシーカーボンディスク 4φ
カウンター電極:Ptメッシュ電極
比較電極:標準水素電極(SHE)
回転数:1600rpm
[Evaluation of catalytic activity]
When the potential of the electrode is scanned in the direction from about 800 mV (RuTe 2 ) or 1050 mV (Pt) to a low potential (50 mV) with respect to the standard hydrogen electrode, 4H + + O 2 + 4e → 2H 2 between the working electrode and the Pt counter electrode. O
It can be seen that the oxygen reduction current due to. After the electrode potential reached 50 mV, it was turned back, and the catalytic activity was evaluated by the value of current flowing when scanning in the direction of high potential (800 mV).
Measurement conditions are as follows.
Electrolytic solution: The following three types of aqueous solutions were used.
0.5MH 2 SO 4 aqueous solution
1M MeOH + 0.5M H 2 SO 4 aqueous solution
10 M MeOH + 0.5 MH 2 SO 4 aqueous solution Atmosphere: 1 atmosphere oxygen atmosphere Scan speed: 5 mV / sec Scan range: RuTe 2 = 50 to 800 mV
Pt = 50 to 1050 mV
Working electrode: rotating disk, glassy carbon disk 4φ
Counter electrode: Pt mesh electrode Comparative electrode: Standard hydrogen electrode (SHE)
Rotation speed: 1600rpm

[実施例1]
RuとTeの仕込みモル比が1:2となるように、塩化ルテニウム(含水品ルテニウム含量42重量%、NEケムキャット製)0.476gとテルル酸(三ツ和化学製)0.909gを用いて、それらを50mlの水に溶解させた。その中にRu/(Ru+カーボンブラック)=20重量%となるように、カーボンブラック(VULCAN XC−72)0.8gを入れ、室温で一時間超音波処理をした。その後、エバポレーターで溶媒を留去し、得られた残留物をアルゴン気流下、300℃で、3時間乾燥した。その後、室温まで冷却し、水素3L/hrの流通下で室温から300℃まで20分、300℃から350℃まで3時間かけて昇温した。その後、350℃で2時間保持した後、室温まで冷却した。最後に1%酸素を含む窒素雰囲気下に2時間放置して不動態化し、RuTe被着触媒を得た。
[Example 1]
Using ruthenium chloride (water-containing ruthenium content 42 wt%, manufactured by NE Chemcat) 0.476 g and telluric acid (manufactured by Mitsuwa Chemical Co., Ltd.) 0.909 g so that the charged molar ratio of Ru and Te is 1: 2. Was dissolved in 50 ml of water. The carbon black (VULCAN XC-72) 0.8g was put so that it might become Ru / (Ru + carbon black) = 20 weight% in it, and it ultrasonicated at room temperature for 1 hour. Then, the solvent was distilled off with an evaporator, and the obtained residue was dried at 300 ° C. for 3 hours under an argon stream. Thereafter, the mixture was cooled to room temperature and heated from room temperature to 300 ° C. for 20 minutes and from 300 ° C. to 350 ° C. over 3 hours under a flow of hydrogen of 3 L / hr. Then, after hold | maintaining at 350 degreeC for 2 hours, it cooled to room temperature. Finally, it was left to passivate in a nitrogen atmosphere containing 1% oxygen for 2 hours to obtain a RuTe 2 coated catalyst.

得られたRuTe被着触媒はXRD分析により、RuTeを含有していることを確認した。2θの値は27.850°,28.155°,31.447°,32.449°,39.763°,43.700°,48.254°,57.108°にピークを与えた。なお、27.850°のピークの半値幅は1.98°であった。 The obtained RuTe 2 deposited catalyst was confirmed to contain RuTe 2 by XRD analysis. The values of 2θ gave peaks at 27.850 °, 28.155 °, 31.447 °, 32.449 °, 39.763 °, 43.700 °, 48.254 ° and 57.108 °. The full width at half maximum of the 27.850 ° peak was 1.98 °.

<カソード電極の作成>
得られたRuTe被着触媒20mgを、水20mLに懸濁し、超音波洗浄器で充分撹拌した後、マイクロシリンジでRuの付着量(RuとTe元素が揮発していないとして計算。以下の実施例においても同様)が15μg/cmとなるように作用電極であるグラッシーカーボン電極に滴下し、次に、5%ナフィオン(登録商標)溶液(アルコール溶液、アルドリッチ・ケミカル社製)を重量で100倍に水で希釈した液体を10μL滴下し、放置により乾燥し、カソード電極とした。
<Creation of cathode electrode>
20 mg of the resulting RuTe 2- coated catalyst was suspended in 20 mL of water, sufficiently stirred with an ultrasonic washer, and then the amount of Ru deposited with a microsyringe (calculated assuming that Ru and Te elements were not volatilized. The same is applied to the glassy carbon electrode, which is the working electrode, so as to be 15 μg / cm 2, and then a 5% Nafion (registered trademark) solution (alcohol solution, manufactured by Aldrich Chemical Co.) is added at a weight of 100. 10 μL of a liquid diluted twice with water was dropped and dried by standing to obtain a cathode electrode.

このカソード電極について、0.5M HSO水溶液、又は1M MeOH+0.5M HSO水溶液、又は10M MeOH+0.5M HSO水溶液における酸素還元活性を、それぞれ標準水素電極(SHE)に対して50〜800mVの範囲で測定した。0.7V、0.6V、及び0.5Vでの酸素還元活性を表2に示す。 With respect to this cathode electrode, the oxygen reduction activity in a 0.5 M H 2 SO 4 aqueous solution, or a 1 M MeOH + 0.5 MH 2 SO 4 aqueous solution, or a 10 M MeOH + 0.5 MH 2 SO 4 aqueous solution was compared with the standard hydrogen electrode (SHE), respectively. And measured in the range of 50 to 800 mV. Table 2 shows the oxygen reduction activity at 0.7V, 0.6V, and 0.5V.

[比較例1]
<カソード電極の作成>
市販白金触媒E−TEK(EC−20−PTC(Electro Chem, Inc.)Pt20重量%担持カーボンブラック(Vulcan XC−72R))を用いて実施例1と同様の方法によりカソード電極を作成した。
このカソード電極について、上記3種の水溶液における酸素還元活性を、標準水素電極(SHE)に対して50〜1050mVの範囲で測定した。0.7V、0.6V、及び0.5Vでの酸素還元活性を表2に示す。
[Comparative Example 1]
<Creation of cathode electrode>
A cathode electrode was prepared in the same manner as in Example 1 using a commercially available platinum catalyst E-TEK (EC-20-PTC (Electro Chem, Inc.) Pt 20 wt% supported carbon black (Vulcan XC-72R)).
About this cathode electrode, the oxygen reduction activity in said 3 types of aqueous solution was measured in the range of 50-1050 mV with respect to a standard hydrogen electrode (SHE). Table 2 shows the oxygen reduction activity at 0.7V, 0.6V, and 0.5V.

Figure 2009252412
Figure 2009252412

表2から明らかなように、実施例1のRuTe触媒では、MeOHが10Mまでの範囲で、カソード触媒活性が0.7V,0.6V,及び0.5Vにおいていずれもほぼ同等であった。
他方、比較例1のPt(E−TEK)触媒ではMeOHの存在により活性が低下し、0.7Vでは1M MeOHで無添加時の13%まで低下した。なお、10M MeOHで逆方向に電流値が19%流れたのは、MeOHの酸化反応によるものと考察される。さらに0.6Vでは1M MeOHで無添加時の71%となり、10M MeOHで49%と大幅に活性が低下した。0.5Vではいずれの場合もRuTe触媒より活性が低かった。
As is clear from Table 2, the RuTe 2 catalyst of Example 1 had almost the same cathode catalyst activity at 0.7V, 0.6V, and 0.5V within the range of MeOH up to 10M.
On the other hand, the activity of the Pt (E-TEK) catalyst of Comparative Example 1 was reduced due to the presence of MeOH, and at 0.7 V, the activity was reduced to 13% with no addition of 1M MeOH. In addition, it is thought that it was due to the oxidation reaction of MeOH that the current value flowed 19% in the reverse direction with 10M MeOH. Furthermore, at 0.6 V, 1M MeOH was 71% without addition, and 10M MeOH was 49%. At 0.5 V, the activity was lower than that of the RuTe 2 catalyst in all cases.

本発明によれば、クロスオーバーによりカソード電極にMeOHが浸入しても、CO被毒による出力低下の問題が殆どない小型で安価なDMFC型燃料電池用触媒が提供されるため、特にポータブル電気製品用DMFC型燃料電池の実用化が促進される。   According to the present invention, a small and inexpensive DMFC-type fuel cell catalyst is provided that has almost no problem of reduction in output due to CO poisoning even when MeOH enters the cathode electrode due to crossover. Of commercial DMFC fuel cells will be promoted.

Claims (10)

活性成分としてRuTeを含有することを特徴とするポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒。 A catalyst for DMFC type fuel cell for portable electrical products, characterized by containing RuTe 2 as an active ingredient. 請求項1において、該RuTeは、X線回折法(Cu−Kα線)による回折角2θ(±0.3゜)が27゜以上29゜以下の領域における最大回折ピークの半値幅が、3.0゜以下であることを特徴とするポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒。 In claim 1, the RuTe 2 has a half-value width of a maximum diffraction peak in a region where a diffraction angle 2θ (± 0.3 °) by an X-ray diffraction method (Cu-K α- ray) is 27 ° to 29 °, A DMFC type fuel cell catalyst for portable electrical products, characterized in that it is 3.0 ° or less. 請求項1又は2において、該活性成分が炭素系基体に被着されていることを特徴とするポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒。   3. The DMFC type fuel cell catalyst for portable electrical products according to claim 1, wherein the active component is coated on a carbon-based substrate. 請求項1ないし3のいずれか1項において、ポータブル電気製品用DMFC型燃料電池のカソード電極触媒であることを特徴とするポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒。   4. The DMFC fuel cell catalyst for portable electrical products according to claim 1, wherein the catalyst is a cathode electrode catalyst for a DMFC fuel cell for portable electrical products. イオン交換膜と、該イオン交換膜上に形成された請求項1ないし4のいずれか1項に記載のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒の層とを有するポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用電極材料。   A DMFC type fuel cell for portable electrical products, comprising: an ion exchange membrane; and a layer of a DMFC type fuel cell catalyst for portable electrical products according to any one of claims 1 to 4 formed on the ion exchange membrane. Electrode material. 電極ガス拡散層及び/又はメタノール水溶液集電体と、該電極ガス拡散層及び/又は該メタノール水溶液集電体上に形成された請求項1ないし4のいずれか1項に記載のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒の層とを有するポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用電極材料。   5. The portable gas appliance according to claim 1, wherein the electrode gas diffusion layer and / or the methanol aqueous solution current collector are formed on the electrode gas diffusion layer and / or the methanol aqueous solution current collector. An electrode material for a DMFC fuel cell for a portable electrical product, comprising a catalyst layer for the DMFC fuel cell. 転写用フィルムと、該転写用フィルム上に形成された請求項1ないし4のいずれか1項に記載のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒の層とを有するポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用電極材料。   A DMFC type fuel cell for portable electrical products, comprising: a transfer film; and a layer of a DMFC type fuel cell catalyst for portable electrical products according to any one of claims 1 to 4 formed on the transfer film. Electrode material. 請求項1ないし4のいずれか1項に記載のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池用触媒を用いたポータブル電気製品用DMFC型燃料電池。   A DMFC type fuel cell for portable electrical products using the DMFC type fuel cell catalyst for portable electrical products according to any one of claims 1 to 4. 請求項8に記載のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池を用いたポータブル電気製品用DMFC型燃料電池スタック。   A DMFC type fuel cell stack for a portable electrical product using the DMFC type fuel cell for a portable electrical product according to claim 8. 請求項9に記載のポータブル電気製品用DMFC型燃料電池スタックを用いたポータブル電気製品用DMFC型燃料電池システム。   A DMFC type fuel cell system for portable electrical products using the DMFC type fuel cell stack for portable electrical products according to claim 9.
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