JP2012221929A - Method for manufacturing membrane electrode assembly, and method for manufacturing solid polymer fuel cell - Google Patents

Method for manufacturing membrane electrode assembly, and method for manufacturing solid polymer fuel cell Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for inexpensively manufacturing a membrane electrode assembly in which a catalyst non-formed region is accurately and simply formed in a catalyst layer and dispersibility of water can be improved, by producing an electrode catalyst for a fuel cell using titanium or the like and having high catalyst activity through heat treatment at relatively low temperature.SOLUTION: The method for manufacturing the membrane electrode assembly includes the steps of: preparing a catalyst precursor solution containing titanium or the like, removing a solvent, heat treating a solid residue and producing a catalyst (a); applying an anode catalyst paste and a cathode catalyst paste containing the catalyst (a) on first and second transfer films respectively; forming a laminate by overlapping the first and the second transfer films so as to sandwich a solid polymer electrolyte membrane so that each of the catalyst paste is directed to the solid polymer electrolyte membrane side; and hot-pressing the laminate by using a die having a hot-press surface in which a flat catalyst paste transfer section and a catalyst paste non-transfer section that has a predetermined depth with respect to the catalyst paste transfer section are formed.

Description

本発明は、電気化学的な反応を利用して発電する固体高分子型燃料電池およびそれに適用される膜・電極接合体の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell that generates electricity using an electrochemical reaction and a method for producing a membrane / electrode assembly applied thereto.

固体高分子型燃料電池は、固体高分子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の燃料電池である。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。   A polymer electrolyte fuel cell is a type of fuel in which a solid polymer 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. It is a battery. 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「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 “catalyst layer”) is provided on the cathode (air electrode) surface or anode (fuel electrode) surface of the fuel cell. It was also written).

図71は従来の固体高分子型燃料電池の構造を説明する断面図である。
図71において、膜・電極接合体1は、アノード触媒層3およびカソード触媒層4が固体高分子電解質膜2を挟んで配置され、アノード側ガス拡散層5およびカソード側ガス拡散層6が固体高分子電解質膜2を挟んでアノード触媒層3およびカソード触媒層4上に配置され、互いに密接するように接合一体化されて構成されている。そして、ガス流路7a、8aを有する一対のセパレータ板7、8がガス流路7a、8aをそれぞれアノード側ガス拡散層5およびカソード側ガス拡散層6に面するように膜・電極接合体1を挟んで配設されている。なお、アノード側ガス拡散層5は燃料ガスをアノード触媒層3に均一に供給するとともに集電する機能を有し、アノード触媒層3とともにアノード電極を構成し、カソード側ガス拡散層6は酸化剤ガスをカソード触媒層4に均一に供給するとともに集電する機能を有し、カソード触媒層4とともにカソード電極を構成している。
FIG. 71 is a cross-sectional view illustrating the structure of a conventional polymer electrolyte fuel cell.
In FIG. 71, the membrane / electrode assembly 1 includes an anode catalyst layer 3 and a cathode catalyst layer 4 that are disposed with a solid polymer electrolyte membrane 2 interposed therebetween, and an anode side gas diffusion layer 5 and a cathode side gas diffusion layer 6 that are solid high. They are arranged on the anode catalyst layer 3 and the cathode catalyst layer 4 with the molecular electrolyte membrane 2 interposed therebetween, and are joined and integrated so as to be in close contact with each other. The membrane / electrode assembly 1 has a pair of separator plates 7 and 8 having gas flow paths 7a and 8a so that the gas flow paths 7a and 8a face the anode-side gas diffusion layer 5 and the cathode-side gas diffusion layer 6, respectively. It is arrange | positioned on both sides. The anode side gas diffusion layer 5 has a function of uniformly supplying fuel gas to the anode catalyst layer 3 and collecting current. The anode side gas diffusion layer 6 constitutes an anode electrode together with the anode catalyst layer 3, and the cathode side gas diffusion layer 6 is an oxidizing agent. A gas is supplied uniformly to the cathode catalyst layer 4 and has a function of collecting current. The cathode catalyst layer 4 and the cathode electrode constitute a cathode electrode.

ここでは、説明の便宜上、固体高分子型燃料電池は、膜・電極接合体1をセパレータ板7、8で挟んで構成された単セルとして示されているが、一般的には、膜・電極接合体1とセパレータ板7、8とを交互に複数積層して構成される。   Here, for convenience of explanation, the polymer electrolyte fuel cell is shown as a single cell configured by sandwiching the membrane-electrode assembly 1 between separator plates 7, 8. A plurality of joined bodies 1 and separator plates 7 and 8 are alternately stacked.

従来の固体高分子型燃料電池は、以上述べたように、アノード触媒層3およびカソード触媒層4がそれぞれ連続する単一の触媒層に構成されている。そこで、水がプロトンの移動にともなってカソード側に移動するので、水のアノード側への拡散が起こりにくくなる。また、カソード触媒層4内での水の移動も起こりにくくなる。その結果、局所的な水過剰状態がカソード触媒層4内に発生して、固体高分子電解質膜2内の湿潤状態が不均一となり、電池特性を低下させてしまうという問題があった。   As described above, the conventional polymer electrolyte fuel cell is composed of a single catalyst layer in which the anode catalyst layer 3 and the cathode catalyst layer 4 are continuous. Therefore, since water moves to the cathode side as protons move, diffusion of water to the anode side hardly occurs. Moreover, the movement of water in the cathode catalyst layer 4 is less likely to occur. As a result, there is a problem that a local water excess state occurs in the cathode catalyst layer 4, the wet state in the solid polymer electrolyte membrane 2 becomes non-uniform, and the battery characteristics are deteriorated.

この問題を解決するために、アノード触媒層3およびカソード触媒層4に微細な溝を設け、水の拡散の効率を上げることも考えられるが、従来の製造方法では、微細な溝を有する触媒層を形成できなかった。   In order to solve this problem, it is conceivable to provide fine grooves in the anode catalyst layer 3 and the cathode catalyst layer 4 to increase the efficiency of water diffusion. However, in the conventional manufacturing method, the catalyst layer having fine grooves is used. Could not be formed.

また、アノード触媒層3およびカソード触媒層4がそれぞれ連続する単一の触媒層に構成されているので、燃料電池の運転条件が変化すると、十分な電池特性が得られなくなるという問題があった。   In addition, since the anode catalyst layer 3 and the cathode catalyst layer 4 are each configured as a single continuous catalyst layer, there is a problem that sufficient cell characteristics cannot be obtained when the operating conditions of the fuel cell are changed.

そこで、幅広い運転条件で高い電池性能を実現するために、異なる運転条件に適した複数の触媒層をアノード触媒層3およびカソード触媒層4内に作り込むことが有効と考えられるが、従来の製造方法では、複数の異なる組成の触媒層を同一平面上に精度よく作り込むことはできなかった。   Therefore, in order to realize high battery performance under a wide range of operating conditions, it is considered effective to form a plurality of catalyst layers suitable for different operating conditions in the anode catalyst layer 3 and the cathode catalyst layer 4. In the method, a plurality of catalyst layers having different compositions cannot be accurately formed on the same plane.

特許文献1には、これらの問題を解決するため、第1および第2転写フィルムを、アノード触媒ペーストおよびカソード触媒ペーストを固体高分子電解質膜側に向けて該固体高分子電解質膜を挟持するように重ね合わせて積層体を形成し、そして、平坦な触媒ペースト転写部および該触媒ペースト転写部に対して所定深さを有する触媒ペースト非転写部が形成されたホットプレス面を有する金型を用いてこの積層体をホットプレスする膜・電極接合体の製造方法が開示されており、この製造方法によれば、触媒非形成領域を触媒層内に精度よく、かつ、簡易に形成でき、水の拡散性を向上できる、と記載されている。   In Patent Document 1, in order to solve these problems, the first and second transfer films are sandwiched with the anode polymer paste and cathode catalyst paste facing the polymer electrolyte membrane side. And a laminate having a hot press surface on which a flat catalyst paste transfer portion and a catalyst paste non-transfer portion having a predetermined depth with respect to the catalyst paste transfer portion are formed. A manufacturing method of a membrane / electrode assembly in which the laminated body is hot-pressed is disclosed. According to this manufacturing method, a catalyst non-formation region can be accurately and easily formed in a catalyst layer, It is described that diffusibility can be improved.

この触媒ペーストに用いられる触媒金属としては、カーボンブラック粒子表面に白金等の微粒子を担持させたものが用いられている。しかし、白金等の価格が高いことから膜・電極接合体の製造コストが高いという問題があった。また白金等の資源量が限られていることから、代替可能な触媒およびこれを用いた膜・電極接合体の開発が求められる。   As the catalyst metal used in this catalyst paste, a metal having fine particles such as platinum supported on the surface of carbon black particles is used. However, since the price of platinum or the like is high, there is a problem that the manufacturing cost of the membrane / electrode assembly is high. Further, since the amount of resources such as platinum is limited, development of an alternative catalyst and a membrane / electrode assembly using the catalyst is required.

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、耐久性に優れ、高い酸素還元能を有する触媒およびこれを用いた膜・電極接合体の開発が強く求められる。   In addition, the noble metal used for the cathode surface may be dissolved in an acidic atmosphere, and there is a problem that it is not suitable for applications that require long-term durability. Therefore, development of a catalyst that does not corrode in an acidic atmosphere, has excellent durability, and has a high oxygen reducing ability and a membrane / electrode assembly using the catalyst is strongly demanded.

貴金属代替触媒として、貴金属を一切使わない卑金属炭化物、卑金属酸化物、卑金属炭窒酸化物、カルコゲン化合物及び炭素触媒などが報告されている(例えば、特許文献2〜特許文献5を参照)。これらの材料は、白金などの貴金属材料に比べて、安価であり、資源量が豊富である。   Base metal carbides, base metal oxides, base metal carbonitrides, chalcogen compounds, and carbon catalysts that do not use any precious metal have been reported as noble metal substitute catalysts (see, for example, Patent Documents 2 to 5). These materials are cheaper and have abundant resources than noble metal materials such as platinum.

しかしながら、特許文献2及び特許文献3に記載された卑金属材料を含むこれらの触媒は、実用的に充分な酸素還元能が得られていないという問題点がある。
また、特許文献4及び特許文献5に記載された触媒は、高い酸素還元触媒活性を示すが、燃料電池運転条件下での安定性が非常に低いことが問題点である。
However, these catalysts including the base metal materials described in Patent Document 2 and Patent Document 3 have a problem that a practically sufficient oxygen reducing ability is not obtained.
Moreover, although the catalyst described in patent document 4 and patent document 5 shows high oxygen reduction catalytic activity, it is a problem that stability under fuel cell operation conditions is very low.

このような貴金属代替触媒として、特許文献6及び特許文献7でのNb及びTi炭窒酸化物は上記性能を有効に発現できることから、特に注目されている。
特許文献6及び特許文献7に記載された触媒は、従来の貴金属代替触媒に比べてきわめて高性能であるが、その製造工程の一部において1600℃〜1800℃という高温下での加熱処理が必要であった(例えば特許文献6 実施例1または特許文献7 実施例1)。
As such a precious metal substitute catalyst, Nb and Ti oxycarbonitrides in Patent Document 6 and Patent Document 7 are attracting particular attention because they can effectively exhibit the above performance.
The catalysts described in Patent Document 6 and Patent Document 7 have extremely high performance compared to conventional noble metal alternative catalysts, but heat treatment at a high temperature of 1600 ° C. to 1800 ° C. is required in part of the production process. (For example, Patent Document 6 Example 1 or Patent Document 7 Example 1).

このような高温加熱処理は工業的には不可能ではないが困難をともない、設備費の高騰や運転管理の困難を招き、ひいては製造コストが高くなることからより安価に製造出来る方法の開発が望まれていた。   Although such high-temperature heat treatment is not impossible industrially, it is difficult, and it leads to a rise in equipment costs and operation management difficulties. It was rare.

特許文献8には炭素、窒素及び酸素を含有するカーボン含有チタンオキシナイトライドの製造に関する技術が報告されている。
しかしながら、特許文献8に記載されている製造方法では、カーボン含有チタンオキシナイトライドを製造するために、窒素含有有機化合物とチタン前駆体との反応によるチタンオキシナイトライドの製造とフェノール樹脂とチタンオキシナイトライド前駆体との反応によるカーボン含有チタンオキシナイトライド製造の二段階合成が必要であり、工程が複雑である。特に、チタンオキシナイトライド前駆体の製造は80℃での攪拌、過熱、および還流、ならびに冷却および減圧濃縮などの複雑な工程が必要であるため、製造コストが高い。
Patent Document 8 reports a technique relating to the production of carbon-containing titanium oxynitride containing carbon, nitrogen and oxygen.
However, in the production method described in Patent Document 8, in order to produce a carbon-containing titanium oxynitride, production of titanium oxynitride by reaction of a nitrogen-containing organic compound and a titanium precursor, and phenol resin and titanium oxynitride. A two-step synthesis of producing carbon-containing titanium oxynitride by reaction with a nitride precursor is required and the process is complicated. In particular, the production of the titanium oxynitride precursor requires a complicated process such as stirring at 80 ° C., heating, refluxing, cooling, and concentration under reduced pressure, and thus the production cost is high.

また、フェノール樹脂は3次元網目構造を持つ熱硬化性樹脂であるため、金属酸化物と均一に混合して反応させることが難しい。特に、フェノール樹脂の熱分解温度は400℃〜900℃であるため、1000℃以下の温度で、フェノール樹脂の完全分解による炭化反応が起こりにくい問題点もある。   Moreover, since the phenol resin is a thermosetting resin having a three-dimensional network structure, it is difficult to uniformly mix and react with the metal oxide. In particular, since the thermal decomposition temperature of the phenol resin is 400 ° C. to 900 ° C., there is a problem that a carbonization reaction due to complete decomposition of the phenol resin hardly occurs at a temperature of 1000 ° C. or less.

さらに、特許文献8および非特許文献1には、その用途として太陽光集熱器用の薄膜および光触媒としての応用が記されているだけで、電極触媒として有用性の高い粒状または繊維状などの形状を持つ金属炭窒酸化物の製造方法及びその用途は開示も検討もなされていない。   Furthermore, Patent Document 8 and Non-Patent Document 1 merely describe the application as a thin film for a solar heat collector and a photocatalyst as its application, and the shape such as granular or fibrous shape that is highly useful as an electrode catalyst. The method for producing a metal oxycarbonitride and its use has not been disclosed or studied.

特許文献9には、酸化物と炭素材料前駆体との混合材料を焼成することを特徴とする電極触媒の製造方法が開示されているが、充分な触媒性能を持つ電極触媒は得られていない。   Patent Document 9 discloses a method for producing an electrode catalyst characterized by firing a mixed material of an oxide and a carbon material precursor, but an electrode catalyst having sufficient catalytic performance has not been obtained. .

また、特許文献10には、コバルトなどの多核錯体を用いてなる燃料電池用電極触媒が開示されているが、原料の毒性が高く、高コストであり、充分な触媒活性を持たないという問題があった。   Further, Patent Document 10 discloses a fuel cell electrode catalyst using a polynuclear complex such as cobalt. However, there is a problem in that the raw material has high toxicity, high cost, and insufficient catalytic activity. there were.

非特許文献2には、チタンアルコキシドと炭素材料前駆体との混合材料を焼成することを特徴とする電極触媒の製造方法が開示されているが、製造工程においては、窒素を含有する有機物は使用されておらず、充分な触媒性能を持つ電極触媒は得られていない。   Non-Patent Document 2 discloses a method for producing an electrode catalyst characterized by firing a mixed material of titanium alkoxide and a carbon material precursor, but in the production process, an organic substance containing nitrogen is used. No electrode catalyst having sufficient catalytic performance has been obtained.

特開2004−39474号公報JP 2004-39474 A 特開2004−303664号公報JP 2004-303664 A 国際公開第07/072665号パンフレットInternational Publication No. 07/072665 Pamphlet 米国特許出願公開第2004/0096728号明細書US Patent Application Publication No. 2004/0096728 特開2005−19332号公報JP 2005-19332 A 国際公開第2009/031383パンフレットInternational Publication No. 2009/031383 Pamphlet 国際公開第2009/107518パンフレットInternational Publication No. 2009/107518 Pamphlet 特開2009−23887号公報JP 2009-23887 A 特開2009−255053号公報JP 2009-255053 A 特開2008−258150号公報JP 2008-258150 A

Journal of Inorganic Materials (Chinese) 20, 4, P785Journal of Inorganic Materials (Chinese) 20, 4, P785 Electrochemistry Communications Volume 12, Issue 9, September 2010, Pages 1177-1179Electrochemistry Communications Volume 12, Issue 9, September 2010, Pages 1177-1179

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する。
すなわち本発明の目的は、比較的低い温度での熱処理を経て(すなわち、高温での熱処理(焼成)工程を設けることなく)、遷移金属(チタン等)を用いた高い触媒活性を有する、白金等の代替触媒となる燃料電池用電極触媒を製造し、触媒非形成領域を触媒層内に精度よく、かつ、簡易に形成でき、水の拡散性を向上できる、膜・電極接合体を低コストで製造する方法を提供することである。
An object of the present invention is to solve such problems in the prior art.
That is, an object of the present invention is platinum or the like having a high catalytic activity using a transition metal (such as titanium) through heat treatment at a relatively low temperature (that is, without providing a heat treatment (firing) step at high temperature). Produced a fuel cell electrode catalyst that can be used as an alternative catalyst, and a non-catalyst-forming region can be accurately and easily formed in the catalyst layer, improving the diffusibility of water at low cost. It is to provide a method of manufacturing.

本発明は、たとえば以下の(1)〜(6)に関する。
(1)
(A)少なくとも遷移金属含有化合物、窒素含有有機化合物および溶媒を混合して触媒前駆体溶液を得る工程a1、
前記触媒前駆体溶液から溶媒を除去する工程a2、および
工程a2で得られた固形分残渣を500〜1100℃の温度で熱処理して燃料電池用電極触媒(a)を得る工程a3を含み、
前記遷移金属含有化合物の一部または全部が、遷移金属元素として周期表第4族および第5族の元素から選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素M1を含有する化合物である
触媒製造工程と、
(B)アノード触媒ペーストを第1転写フィルム上に塗布する工程と、
(C)前記燃料電池用電極触媒(a)を含むカソード触媒ペーストを調製し、第2転写フィルム上に塗布する工程と、
(D)上記第1および第2転写フィルムを上記アノード触媒ペーストおよび上記カソード触媒ペーストを固体高分子電解質膜側に向けて該固体高分子電解質膜を挟持するように重ね合わせて積層体を形成する工程と、
(E)平坦な触媒ペースト転写部および該触媒ペースト転写部に対して所定深さを有する触媒ペースト非転写部が形成されたホットプレス面を有する金型を用いて上記積層体をホットプレスし、上記アノード触媒ペーストおよび上記カソード触媒ペーストを該触媒ペースト転写部と略同一形状に上記固体高分子電解質膜に転写するホットプレス工程と
を有することを特徴とする膜・電極接合体の製造方法。
The present invention relates to the following (1) to (6), for example.
(1)
(A) Step a1 in which at least a transition metal-containing compound, a nitrogen-containing organic compound, and a solvent are mixed to obtain a catalyst precursor solution,
A step a2 of removing the solvent from the catalyst precursor solution, and a step a3 of obtaining a fuel cell electrode catalyst (a) by heat-treating the solid residue obtained in the step a2 at a temperature of 500 to 1100 ° C.,
A catalyst production process in which a part or all of the transition metal-containing compound is a compound containing at least one transition metal element M1 selected from Group 4 and Group 5 elements of the periodic table as a transition metal element;
(B) applying an anode catalyst paste onto the first transfer film;
(C) preparing a cathode catalyst paste containing the fuel cell electrode catalyst (a) and applying it on the second transfer film;
(D) The first and second transfer films are stacked so that the anode catalyst paste and the cathode catalyst paste are directed toward the solid polymer electrolyte membrane so as to sandwich the solid polymer electrolyte membrane, thereby forming a laminate. Process,
(E) Hot pressing the laminate using a mold having a hot press surface on which a flat catalyst paste transfer portion and a catalyst paste non-transfer portion having a predetermined depth with respect to the catalyst paste transfer portion are formed, A method for producing a membrane / electrode assembly, comprising: a hot pressing step of transferring the anode catalyst paste and the cathode catalyst paste onto the solid polymer electrolyte membrane in substantially the same shape as the catalyst paste transfer portion.

(2)
上記第1および第2転写フィルムが10μm以上、50μm以下の厚みに形成されていることを特徴とする上記(1)記載の膜・電極接合体の製造方法。
(2)
The method for producing a membrane / electrode assembly according to (1), wherein the first and second transfer films are formed to a thickness of 10 μm or more and 50 μm or less.

(3)
上記ホットプレス工程(E)において、上記触媒ペースト転写部が互いに重ならないように形成された複数の金型を1つずつ用いてホットプレスして、上記アノード触媒ペーストおよび上記カソード触媒ペーストを該複数の金型の個数回に分けて上記固体高分子電解質膜に転写するようにしたことを特徴とする上記(1)記載の膜・電極接合体の製造方法。
(3)
In the hot pressing step (E), the plurality of molds formed so that the catalyst paste transfer portions do not overlap with each other are hot pressed one by one, and the anode catalyst paste and the cathode catalyst paste are The method for producing a membrane / electrode assembly according to the above (1), wherein the mold is transferred to the solid polymer electrolyte membrane in several times.

(4)
上記(1)記載の製造方法により、触媒非形成領域が上記固体高分子電解質膜を挟んで相対して上記アノード触媒層および上記カソード触媒層内に形成されるように膜・電極接合体を製造し、
アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層を、上記アノード触媒層および上記カソード触媒層上にそれぞれ配設してガス拡散層付き膜・電極接合体を製造し、
ガス拡散層付き膜・電極接合体を、ガス流路が形成されたセパレータを介して複数積層する
ことを特徴とする固体高分子型燃料電池の製造方法。
(4)
A membrane / electrode assembly is produced by the production method described in (1) above so that a non-catalyst forming region is formed in the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer with the solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween. And
An anode side gas diffusion layer and a cathode side gas diffusion layer are respectively disposed on the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer to produce a membrane / electrode assembly with a gas diffusion layer,
A method for producing a polymer electrolyte fuel cell, comprising: laminating a plurality of membrane-electrode assemblies with a gas diffusion layer through a separator having a gas flow path formed therein.

(5)
上記アノード触媒層および上記カソード触媒層を、上記触媒非形成領域により分離された複数の触媒形成領域から構成することを特徴とする上記(4)記載の固体高分子型燃料電池の製造方法。
(5)
The method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to the above (4), wherein the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer are composed of a plurality of catalyst forming regions separated by the catalyst non-forming region.

(6)
上記アノード触媒層および上記カソード触媒層の少なくとも一方の触媒層を、それぞれ異なる組成の触媒ペーストで形成し、少なくとも2種類の上記触媒形成領域が混在するように構成することを特徴とする上記(5)記載の固体高分子型燃料電池の製造方法。
(6)
The above (5), wherein at least one of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer is formed of catalyst pastes having different compositions, and at least two types of the catalyst formation regions are mixed. ) A method for producing a polymer electrolyte fuel cell.

本発明の膜・電極接合体の製造方法によれば、比較的低い温度での熱処理を経て(すなわち、高温での熱処理(焼成)工程を設けることなく)、遷移金属(チタン等)を用いた高い触媒活性を有する、白金等の代替触媒となる燃料電池用電極触媒を製造し、この触媒を用いて、触媒非形成領域を触媒層内に精度よく、かつ、簡易に形成でき、水の拡散性を向上できる、膜・電極接合体を低コストで製造することができる。   According to the method for producing a membrane / electrode assembly of the present invention, a transition metal (such as titanium) is used after a heat treatment at a relatively low temperature (that is, without providing a heat treatment (firing) step at a high temperature). Produces an electrode catalyst for fuel cells that has a high catalytic activity and can be used as an alternative catalyst such as platinum. Using this catalyst, a non-catalyst formation area can be accurately and easily formed in the catalyst layer. Membrane / electrode assembly can be manufactured at low cost.

また、上記(2)の製造方法によれば、微細な触媒非形成領域のパターンを精度よく転写することができる。
また、上記(3)の製造方法によれば、異なる組成の触媒層を混在させることができる。
Moreover, according to the manufacturing method of said (2), the pattern of a fine catalyst non-formation area | region can be transcribe | transferred accurately.
Moreover, according to the manufacturing method of said (3), the catalyst layer of a different composition can be mixed.

図1は、触媒製造例1−1の触媒(1)の粉末X線回折スペクトルである。FIG. 1 is a powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (1) of Catalyst Production Example 1-1. 図2は、触媒製造例1−2の触媒(2)の粉末X線回折スペクトルである。FIG. 2 is a powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (2) of Catalyst Production Example 1-2. 図3は、触媒製造例1−3の触媒(3)の粉末X線回折スペクトルである。FIG. 3 is a powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (3) of Catalyst Production Example 1-3. 図4は、触媒製造例1−4の触媒(4)の粉末X線回折スペクトルである。FIG. 4 is a powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (4) of Catalyst Production Example 1-4. 図5は、触媒製造例1−5の触媒(5)の粉末X線回折スペクトルである。FIG. 5 is a powder X-ray diffraction spectrum of catalyst (5) of Catalyst Production Example 1-5. 図6は、触媒製造例1−6の触媒(6)の粉末X線回折スペクトルである。FIG. 6 is a powder X-ray diffraction spectrum of catalyst (6) of Catalyst Production Example 1-6. 図7は、触媒製造例1−7の触媒(7)の粉末X線回折スペクトルである。FIG. 7 is a powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (7) of Catalyst Production Example 1-7. 図8は、触媒製造例8の触媒(8)の粉末X線回折スペクトルである。FIG. 8 is a powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (8) of Catalyst Production Example 8. 図9は、触媒製造例2−1の触媒を用いた燃料電池用電極(1)の酸素還元能を評価した電流−電位曲線を示す。FIG. 9 shows a current-potential curve obtained by evaluating the oxygen reducing ability of the fuel cell electrode (1) using the catalyst of Catalyst Production Example 2-1. 図10は、触媒製造例2−2の触媒を用いた燃料電池用電極(2)の酸素還元能を評価した電流−電位曲線を示す。FIG. 10 shows a current-potential curve in which the oxygen reducing ability of the fuel cell electrode (2) using the catalyst of Catalyst Production Example 2-2 was evaluated. 図11は、触媒製造例2−3の触媒を用いた燃料電池用電極(3)の酸素還元能を評価した電流−電位曲線を示す。FIG. 11 shows a current-potential curve in which the oxygen reducing ability of the fuel cell electrode (3) using the catalyst of Catalyst Production Example 2-3 was evaluated. 図12は、触媒製造例2−4の触媒を用いた燃料電池用電極(4)の酸素還元能を評価した電流−電位曲線を示す。FIG. 12 shows a current-potential curve in which the oxygen reducing ability of the fuel cell electrode (4) using the catalyst of Catalyst Production Example 2-4 was evaluated. 図13は、触媒製造例2−5の触媒を用いた燃料電池用電極(5)の酸素還元能を評価した電流−電位曲線を示す。FIG. 13: shows the electric current-potential curve which evaluated the oxygen reduction ability of the electrode (5) for fuel cells using the catalyst of catalyst manufacture example 2-5. 図14は、触媒製造例3−1の触媒の粉末X線回折スペクトルである。FIG. 14 is a powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst of Catalyst Production Example 3-1. 図15は、触媒製造例3−1の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 15 shows an oxygen reduction current density-potential curve obtained by evaluating the oxygen reducing ability of a fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-1. 図16は、触媒製造例3−2の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 16 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of a fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-2 was evaluated. 図17は、触媒製造例3−3の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 17 shows an oxygen reduction current density-potential curve obtained by evaluating the oxygen reducing ability of the fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-3. 図18は、触媒製造例3−4の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 18 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of the fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-4 was evaluated. 図19は、触媒製造例3−5の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 19 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of a fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-5 was evaluated. 図20は、触媒製造例3−6の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 20 shows an oxygen reduction current density-potential curve obtained by evaluating the oxygen reducing ability of the fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-6. 図21は、触媒製造例3−7の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 21 shows an oxygen reduction current density-potential curve obtained by evaluating the oxygen reducing ability of the fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-7. 図22は、触媒製造例3−8の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 22 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of the fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-8 was evaluated. 図23は、触媒製造例3−9の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 23 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of the fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-9 was evaluated. 図24は、触媒製造例3−11の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 24 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of the fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-11 was evaluated. 図25は、触媒製造例3−12の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 25 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of the fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-12 was evaluated. 図26は、触媒製造例3−13の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 26 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of a fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-13 was evaluated. 図27は、触媒製造例3−14の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 27 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of a fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-14 was evaluated. 図28は、触媒製造例3−15の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 28 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of a fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-15 was evaluated. 図29は、触媒製造例3−16の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 29 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of the fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-16 was evaluated. 図30は、触媒製造例3−17の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 30 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of the fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-17 was evaluated. 図31は、触媒製造例3−18の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 31 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of a fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-18 was evaluated. 図32は、触媒製造例3−19の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 32 shows an oxygen reduction current density-potential curve obtained by evaluating the oxygen reduction ability of the fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-19. 図33は、触媒製造例3−20の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 33 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of a fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-20 was evaluated. 図34は、触媒製造例3−21の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 34 shows an oxygen reduction current density-potential curve obtained by evaluating the oxygen reduction ability of the fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-21. 図35は、触媒製造例3−22の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 35 shows an oxygen reduction current density-potential curve obtained by evaluating the oxygen reduction ability of the fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-22. 図36は、触媒製造例3−23の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 36 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of a fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-23 was evaluated. 図37は、触媒製造例3−24の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 37 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of the fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-24 was evaluated. 図38は、触媒製造例3−25の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 38 shows an oxygen reduction current density-potential curve obtained by evaluating the oxygen reducing ability of the fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-25. 図39は、触媒製造例3−26の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 39 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of a fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-26 was evaluated. 図40は、触媒製造例3−27の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 40 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of a fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-27 was evaluated. 図41は、触媒製造例3−28の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 41 shows an oxygen reduction current density-potential curve obtained by evaluating the oxygen reducing ability of a fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-28. 図42は、触媒製造例3−29の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 42 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of the fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-29 was evaluated. 図43は、触媒製造例3−30の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 43 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of a fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-30 was evaluated. 図44は、触媒製造例3−31の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 44 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of the fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-31 was evaluated. 図45は、触媒製造例3−32の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 45 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of the fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-32 was evaluated. 図46は、触媒製造例3−33の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 46 shows an oxygen reduction current density-potential curve obtained by evaluating the oxygen reduction ability of the fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-33. 図47は、触媒製造例3−34の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 47 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of the fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-34 was evaluated. 図48は、触媒製造例3−36の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 48 shows an oxygen reduction current density-potential curve obtained by evaluating the oxygen reduction ability of the fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-36. 図49は、触媒製造例3−37の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 49 shows an oxygen reduction current density-potential curve obtained by evaluating the oxygen reduction ability of the fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-37. 図50は、触媒製造例3−38の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 50 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of the fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-38 was evaluated. 図51は、触媒製造例3−39の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 51 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of a fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-39 was evaluated. 図52は、触媒製造例3−40の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 52 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of a fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-40 was evaluated. 図53は、触媒製造例3−41の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 53 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of a fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-41 was evaluated. 図54は、触媒製造例3−42の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 54 shows an oxygen reduction current density-potential curve obtained by evaluating the oxygen reduction ability of a fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-42. 図55は、触媒製造例3−43の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 55 shows an oxygen reduction current density-potential curve obtained by evaluating the oxygen reducing ability of a fuel cell electrode using the catalyst of Catalyst Production Example 3-43. 図56は、比較触媒製造例3−1の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 56 shows an oxygen reduction current density-potential curve obtained by evaluating the oxygen reducing ability of the fuel cell electrode using the catalyst of Comparative Catalyst Production Example 3-1. 図57は、比較触媒製造例3−2の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 57 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of a fuel cell electrode using the catalyst of Comparative Catalyst Production Example 3-2 was evaluated. 図58は、比較触媒製造例3−3の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 58 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of a fuel cell electrode using the catalyst of Comparative Catalyst Production Example 3-3 was evaluated. 図59は、比較触媒製造例3−4の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 59 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reduction ability of a fuel cell electrode using the catalyst of Comparative Catalyst Production Example 3-4 was evaluated. 図60は、比較触媒製造例3−5の触媒を用いた燃料電池用電極の酸素還元能を評価した酸素還元電流密度−電位曲線を示す。FIG. 60 shows an oxygen reduction current density-potential curve in which the oxygen reducing ability of a fuel cell electrode using the catalyst of Comparative Catalyst Production Example 3-5 was evaluated. この発明の実施の形態1に係る固体高分子型燃料電池の構造を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the structure of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1に係る固体高分子型燃料電池におけるアノード触媒層の形成状態を説明する要部平面部である。It is a principal part plane part explaining the formation state of the anode catalyst layer in the polymer electrolyte fuel cell which concerns on Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1に係る固体高分子型燃料電池の膜・電極接合体の製造方法に適用される金型のホットプレス面を示す平面図である。It is a top view which shows the hot press surface of the metal mold | die applied to the manufacturing method of the membrane electrode assembly of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1に係る固体高分子型燃料電池の膜・電極接合体の製造方法を説明する側面図である。It is a side view explaining the manufacturing method of the membrane electrode assembly of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態2に係る固体高分子型燃料電池におけるカソード触媒層の形成状態を説明する要部平面部である。It is a principal part plane part explaining the formation state of the cathode catalyst layer in the polymer electrolyte fuel cell which concerns on Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態2に係る固体高分子型燃料電池の膜・電極接合体の製造方法に適用される第1金型のホットプレス面を示す平面図である。It is a top view which shows the hot press surface of the 1st metal mold | die applied to the manufacturing method of the membrane electrode assembly of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態2に係る固体高分子型燃料電池の膜・電極接合体の製造方法に適用される第2金型のホットプレス面を示す平面図である。It is a top view which shows the hot press surface of the 2nd metal mold | die applied to the manufacturing method of the membrane electrode assembly of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態2に係る固体高分子型燃料電池の膜・電極接合体の製造方法における第1ホットプレス工程を説明する側面図である。It is a side view explaining the 1st hot press process in the manufacturing method of the membrane electrode assembly of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態2に係る固体高分子型燃料電池の膜・電極接合体の製造方法における第1ホットプレス工程によるカソード触媒層の形成状態を説明する要部平面部である。It is a principal part plane part explaining the formation state of the cathode catalyst layer by the 1st hot press process in the manufacturing method of the membrane electrode assembly of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態2に係る固体高分子型燃料電池の膜・電極接合体の製造方法における第2ホットプレス工程を説明する側面図である。It is a side view explaining the 2nd hot press process in the manufacturing method of the membrane electrode assembly of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on Embodiment 2 of this invention. 従来の固体高分子型燃料電池の構造を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the structure of the conventional polymer electrolyte fuel cell.

以下、本発明をさらに詳細に説明する。
[燃料電池用電極触媒(a)]
まず、本発明で用いられる燃料電池用電極触媒(a)の製造方法について説明する。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
[Electrocatalyst for fuel cell (a)]
First, the manufacturing method of the electrode catalyst (a) for fuel cells used by this invention is demonstrated.

前記触媒製造工程(A)は、
少なくとも遷移金属含有化合物、窒素含有有機化合物および溶媒を混合して溶液(本明細書において「触媒前駆体溶液」とも記す。)を得る工程a1、
前記触媒前駆体溶液から溶媒を除去する工程a2、および
工程a2で得られた固形分残渣を500〜1100℃の温度で熱処理して燃料電池用電極触媒(a)を得る工程a3を含み、
前記遷移金属含有化合物の一部または全部は、遷移金属元素として周期表第4族および第5族の元素から選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素M1を含有する化合物である。なお本明細書において、特段の事情がない限り、原子およびイオンを、厳密に区別することなく「原子」と記載する。
The catalyst production step (A)
Step a1, wherein at least a transition metal-containing compound, a nitrogen-containing organic compound and a solvent are mixed to obtain a solution (also referred to herein as “catalyst precursor solution”),
A step a2 of removing the solvent from the catalyst precursor solution, and a step a3 of obtaining a fuel cell electrode catalyst (a) by heat-treating the solid residue obtained in the step a2 at a temperature of 500 to 1100 ° C.,
Part or all of the transition metal-containing compound is a compound containing at least one transition metal element M1 selected from Group 4 and Group 5 elements of the periodic table as a transition metal element. In the present specification, unless otherwise specified, atoms and ions are described as “atoms” without strictly distinguishing them.

(工程a1)
工程a1では、少なくとも遷移金属含有化合物、窒素含有有機化合物および溶媒を混合して触媒前駆体溶液を得る。
(Step a1)
In step a1, at least a transition metal-containing compound, a nitrogen-containing organic compound, and a solvent are mixed to obtain a catalyst precursor solution.

前記混合の手順としては、たとえば、
手順(i):1つの容器に溶媒を準備し、そこへ前記遷移金属含有化合物および前記窒素含有有機化合物を添加し、溶解させて、これらを混合する、
手順(ii):前記遷移金属含有化合物の溶液、および前記窒素含有有機化合物の溶液を準備し、これらを混合するが挙げられる。
As the mixing procedure, for example,
Step (i): Prepare a solvent in one container, add the transition metal-containing compound and the nitrogen-containing organic compound thereto, dissolve them, and mix them.
Step (ii): preparing a solution of the transition metal-containing compound and a solution of the nitrogen-containing organic compound and mixing them.

各成分に対して溶解性の高い溶媒が異なる場合には、手順(ii)が好ましい。また、前記遷移金属含有化合物が、たとえば、後述する金属ハロゲン化物の場合には、手順(i)が好ましく、前記遷移金属含有化合物が、たとえば、後述する金属アルコキシドまたは金属錯体の場合には、手順(ii)が好ましい。   When the solvent having high solubility for each component is different, the procedure (ii) is preferable. Further, when the transition metal-containing compound is, for example, a metal halide described later, the procedure (i) is preferable, and when the transition metal-containing compound is, for example, a metal alkoxide or a metal complex described later, a procedure is performed. (Ii) is preferred.

前記遷移金属含有化合物として後述する第1の遷移金属含有化合物および第2の遷移金属含有化合物を用いる場合の、前記手順(ii)における好ましい手順としては、
手順(ii'):前記第1の遷移金属含有化合物の溶液、ならびに前記第2の遷移金属含有化合物および前記窒素含有有機化合物の溶液を準備し、これらを混合するが挙げられる。
As a preferable procedure in the procedure (ii) in the case of using the first transition metal-containing compound and the second transition metal-containing compound described later as the transition metal-containing compound,
Step (ii ′): preparing a solution of the first transition metal-containing compound and a solution of the second transition metal-containing compound and the nitrogen-containing organic compound and mixing them.

混合操作は、溶媒への各成分の溶解速度を高めるために、撹拌しながら行うことが好ましい。
遷移金属含有化合物の溶液と窒素含有有機化合物の溶液とを混合する場合には、一方の溶液に対して他方の溶液を、ポンプ等を用いて一定の速度で供給することが好ましい。
The mixing operation is preferably performed with stirring in order to increase the dissolution rate of each component in the solvent.
When mixing the solution of the transition metal-containing compound and the solution of the nitrogen-containing organic compound, it is preferable to supply the other solution to one solution at a constant rate using a pump or the like.

また、窒素含有有機化合物の溶液へ遷移金属含有化合物の溶液を少量ずつ添加する(すなわち、全量を一度に添加しない。)ことも好ましい。
前記触媒前駆体溶液には遷移金属含有化合物と窒素含有有機化合物との反応生成物が含まれると考えられる。溶媒へのこの反応生成物の溶解度は、遷移金属含有化合物、窒素含有有機化合物および溶媒等の組み合わせによっても異なる。
It is also preferable to add the transition metal-containing compound solution to the nitrogen-containing organic compound solution little by little (that is, not to add the whole amount at once).
The catalyst precursor solution is considered to contain a reaction product of a transition metal-containing compound and a nitrogen-containing organic compound. The solubility of the reaction product in the solvent varies depending on the combination of the transition metal-containing compound, the nitrogen-containing organic compound, the solvent, and the like.

このため、たとえば遷移金属含有化合物が金属アルコキシドまたは金属錯体の場合には、前記触媒前駆体溶液は、溶媒の種類、窒素含有有機化合物の種類にもよるが、好ましくは沈殿物や分散質を含まず、含むとしてもこれらは少量(たとえば溶液全量の10重量%以下、好ましくは5重量%以下、より好ましくは1重量%以下。)である。また、前記触媒前駆体溶液は、好ましくは澄明であり、たとえばJIS K0102に記載された液体の透視度の測定法において測定された値が、好ましくは1cm以上、より好ましくは2cm以上、さらに好ましくは5cm以上である。   Therefore, for example, when the transition metal-containing compound is a metal alkoxide or a metal complex, the catalyst precursor solution preferably contains a precipitate or a dispersoid, although it depends on the type of solvent and the type of nitrogen-containing organic compound. Even if included, these are a small amount (for example, 10% by weight or less, preferably 5% by weight or less, more preferably 1% by weight or less of the total amount of the solution). Further, the catalyst precursor solution is preferably clear, and for example, a value measured by a liquid transparency measurement method described in JIS K0102 is preferably 1 cm or more, more preferably 2 cm or more, and still more preferably 5 cm or more.

一方、たとえば遷移金属含有化合物が金属ハロゲン化物の場合には、前記触媒前駆体溶液中には、溶媒の種類、窒素含有有機化合物の種類にもよるが、遷移金属含有化合物と窒素含有有機化合物との反応生成物と考えられる沈殿物が生じやすい。   On the other hand, for example, when the transition metal-containing compound is a metal halide, the catalyst precursor solution contains a transition metal-containing compound and a nitrogen-containing organic compound, depending on the type of solvent and the type of nitrogen-containing organic compound. The precipitate considered to be the reaction product of

工程a1では、オートクレーブ等の加圧可能な容器に遷移金属含有化合物、窒素含有有機化合物、溶媒を入れ、常圧以上の圧力をかけながら、混合を行ってもよい。
遷移金属含有化合物と窒素含有有機化合物と溶媒とを混合する際の温度は、たとえば、0〜60℃である。遷移金属含有化合物と窒素含有有機化合物とから錯体が形成されると推測されるところ、この温度が過度に高いと、溶媒が水を含む場合に錯体が加水分解され水酸化物の沈殿を生じ、優れた触媒が得られないと考えられ、この温度が過度に低いと、錯体が形成される前に遷移金属含有化合物が析出してしまい、優れた触媒が得られないと考えられる。
In step a1, a transition metal-containing compound, a nitrogen-containing organic compound, and a solvent are placed in a pressurizable container such as an autoclave, and mixing may be performed while applying a pressure equal to or higher than normal pressure.
The temperature at the time of mixing a transition metal containing compound, a nitrogen containing organic compound, and a solvent is 0-60 degreeC, for example. Assuming that a complex is formed from the transition metal-containing compound and the nitrogen-containing organic compound, when this temperature is excessively high, the complex is hydrolyzed when the solvent contains water, resulting in the precipitation of hydroxide. It is considered that an excellent catalyst cannot be obtained. If this temperature is excessively low, the transition metal-containing compound is precipitated before the complex is formed, and it is considered that an excellent catalyst cannot be obtained.

<遷移金属含有化合物>
前記遷移金属含有化合物の一部または全部は、遷移金属元素として周期表第4族および第5族の元素から選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素M1を含有する化合物である。前記遷移金属元素M1としては、具体的にはチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブおよびタンタルが挙げられる。これらは、1種単独で用いてもよく2種以上を併用してもよい。
<Transition metal-containing compound>
Part or all of the transition metal-containing compound is a compound containing at least one transition metal element M1 selected from Group 4 and Group 5 elements of the periodic table as a transition metal element. Specific examples of the transition metal element M1 include titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, and tantalum. These may be used alone or in combination of two or more.

遷移金属元素M1の中でも、コストおよび得られる触媒の性能の観点から、チタン、ジルコニウム、ニオブおよびタンタルが好ましく、チタンおよびジルコニウムがさらに好ましい。   Among the transition metal elements M1, titanium, zirconium, niobium and tantalum are preferable, and titanium and zirconium are more preferable from the viewpoint of cost and performance of the obtained catalyst.

前記遷移金属含有化合物は、好ましくは、酸素原子およびハロゲン原子から選ばれる少なくとも1種を有しており、その具体例としては、金属リン酸塩、金属硫酸塩、金属硝酸塩、金属有機酸塩、金属酸ハロゲン化物(金属ハロゲン化物の中途加水分解物)、金属アルコキシド、金属ハロゲン化物、金属ハロゲン酸塩および金属次亜ハロゲン酸塩、金属錯体が挙げられる。これらは、1種単独で用いてもよく2種以上を併用してもよい。   The transition metal-containing compound preferably has at least one selected from an oxygen atom and a halogen atom, and specific examples thereof include a metal phosphate, a metal sulfate, a metal nitrate, a metal organic acid salt, Examples thereof include metal acid halides (intermediate hydrolysates of metal halides), metal alkoxides, metal halides, metal halides and metal hypohalites, and metal complexes. These may be used alone or in combination of two or more.

前記金属アルコキシドとしては、前記遷移金属のメトキシド、プロポキシド、イソプロポキシド、エトキシド、ブトキシド、およびイソブトキシドが好ましく、前記遷移金属のイソプロポキシド、エトキシドおよびブトキシドがさらに好ましい。前記金属アルコキシドは、1種のアルコキシ基を有していてもよく、2種以上のアルコキシ基を有していてもよい。   As the metal alkoxide, methoxide, propoxide, isopropoxide, ethoxide, butoxide and isobutoxide of the transition metal are preferable, and isopropoxide, ethoxide and butoxide of the transition metal are more preferable. The metal alkoxide may have one type of alkoxy group or may have two or more types of alkoxy groups.

酸素原子を有する遷移金属含有化合物としては、アルコキシド、アセチルアセトン錯体、酸塩化物および硫酸塩が好ましく、コストの面から、アルコキシド、アセチルアセトン錯体がより好ましく、前記液相中の溶媒への溶解性の観点から、アルコキシド、アセチルアセトン錯体がさらに好ましい。   As the transition metal-containing compound having an oxygen atom, an alkoxide, an acetylacetone complex, an acid chloride, and a sulfate are preferable, and from the viewpoint of cost, an alkoxide and an acetylacetone complex are more preferable, and a viewpoint of solubility in a solvent in the liquid phase Therefore, an alkoxide and an acetylacetone complex are more preferable.

前記金属ハロゲン化物としては、前記遷移金属の塩化物、臭化物およびヨウ化物が好ましく、前記金属酸ハロゲン化物としては、前記遷移金属の酸塩化物、酸臭化物、酸ヨウ化物が好ましい。   The metal halide is preferably a chloride, bromide or iodide of the transition metal, and the metal acid halide is preferably an acid chloride, acid bromide or acid iodide of the transition metal.

金属過ハロゲン酸塩としては金属過塩素酸塩が好ましく、金属次亜ハロゲン酸塩としては金属次亜塩素酸塩が好ましい。
前記遷移金属含有化合物の具体例としては、
チタンテトラメトキシド、チタンテトラエトキシド、チタンテトラプロポキシド、チタンテトライソプロポキシド、チタンテトラブトキシド、チタンテトライソブトキシド、チタンテトラペントキシド、チタンテトラアセチルアセトナート、チタンオキシジアセチルアセトナート、トリス(アセチルアセトナト)第二チタン塩化物([Ti(acac)3]2[TiCl6])、四塩化チタン、三塩化チタン、オキシ塩化チタン、四臭化チタン、三臭化チタン、オキシ臭化チタン、四ヨウ化チタン、三ヨウ化チタン、オキシヨウ化チタン等のチタン化合物;
ニオブペンタメトキシド、ニオブペンタエトキシド、ニオブペンタイソプロポキシド、ニオブペンタブトキシド、ニオブペンタペントキシド、五塩化ニオブ、オキシ塩化ニオブ、五臭化ニオブ、オキシ臭化ニオブ、五ヨウ化ニオブ、オキシヨウ化ニオブ等のニオブ化合物;
ジルコニウムテトラメトキシド、ジルコニウムテトラエトキシド、ジルコニウムテトラプロポキシド、ジルコニウムテトライソプロポキシド、ジルコニウムテトラブトキシド、ジルコニウムテトライソブトキシド、ジルコニウムテトラペントキシド、ジルコニウムテトラアセチルアセトナート、四塩化ジルコニウム、オキシ塩化ジルコニウム、四臭化ジルコニウム、オキシ臭化ジルコニウム、四ヨウ化ジルコニウム、オキシヨウ化ジルコニウム等のジルコニウム化合物;
タンタルペンタメトキシド、タンタルペンタエトキシド、タンタルペンタイソプロポキシド、タンタルペンタブトキシド、タンタルペンタペントキシド、タンタルテトラエトキシアセチルアセトナート、五塩化タンタル、オキシ塩化タンタル、五臭化タンタル、オキシ臭化タンタル、五ヨウ化タンタル、オキシヨウ化タンタル等のタンタル化合物;
ハフニウムテトラメトキシド、ハフニウムテトラエトキシド、ハフニウムテトラプロポキシド、ハフニウムテトライソプロポキシド、ハフニウムテトラブトキシド、ハフニウムテトライソブトキシド、ハフニウムテトラペントキシド、ハフニウムテトラアセチルアセトナート、四塩化ハフニウム、オキシ塩化ハフニウム、臭化ハフニウム、オキシ臭化ハフニウム、ヨウ化ハフニウム、オキシヨウ化ハフニウム等のハフニウム化合物;
バナジウムオキシトリメトキシド、バナジウムオキシトリエトキシド、バナジウムオキシトリイソプロポキシド、バナジウムオキシトリブトキシド、バナジウム(III)アセチルアセトナート、バナジウム(IV)アセチルアセトナート、五塩化バナジウム、オキシ塩化バナジウム、五臭化バナジウム、オキシ臭化バナジウム、五ヨウ化バナジウム、オキシヨウ化バナジウム等のバナジウム化合物が挙げられる。これらは、1種単独で用いてもよく2種以上を併用してもよい。
The metal perhalogenate is preferably a metal perchlorate, and the metal hypohalite is preferably a metal hypochlorite.
Specific examples of the transition metal-containing compound include
Titanium tetramethoxide, titanium tetraethoxide, titanium tetrapropoxide, titanium tetraisopropoxide, titanium tetrabutoxide, titanium tetraisobutoxide, titanium tetrapentoxide, titanium tetraacetylacetonate, titaniumoxydiacetylacetonate, tris (acetyl Acetonato) titanium chloride ([Ti (acac) 3 ] 2 [TiCl 6 ]), titanium tetrachloride, titanium trichloride, titanium oxychloride, titanium tetrabromide, titanium tribromide, titanium oxybromide, Titanium compounds such as titanium tetraiodide, titanium triiodide, and titanium oxyiodide;
Niobium pentamethoxide, niobium pentaethoxide, niobium pentaisopropoxide, niobium pentaboxide, niobium pentapentoxide, niobium pentachloride, niobium oxychloride, niobium pentabromide, niobium oxybromide, niobium pentaiodide, niobium pentaiodide, oxyiodination Niobium compounds such as niobium;
Zirconium tetramethoxide, zirconium tetraethoxide, zirconium tetrapropoxide, zirconium tetraisopropoxide, zirconium tetrabutoxide, zirconium tetraisobutoxide, zirconium tetrapentoxide, zirconium tetraacetylacetonate, zirconium tetrachloride, zirconium oxychloride, four Zirconium compounds such as zirconium bromide, zirconium oxybromide, zirconium tetraiodide, zirconium oxyiodide;
Tantalum pentamethoxide, tantalum pentaethoxide, tantalum pentaisopropoxide, tantalum pentabutoxide, tantalum pentapentoxide, tantalum tetraethoxyacetylacetonate, tantalum pentachloride, tantalum oxychloride, tantalum pentabromide, tantalum oxybromide, Tantalum compounds such as tantalum pentaiodide and tantalum oxyiodide;
Hafnium tetramethoxide, hafnium tetraethoxide, hafnium tetrapropoxide, hafnium tetraisopropoxide, hafnium tetrabutoxide, hafnium tetraisobutoxide, hafnium tetrapentoxide, hafnium tetraacetylacetonate, hafnium tetrachloride, hafnium oxychloride, odor Hafnium compounds such as hafnium iodide, hafnium oxybromide, hafnium iodide, hafnium oxyiodide;
Vanadium oxytrimethoxide, vanadium oxytriethoxide, vanadium oxytriisopropoxide, vanadium oxytributoxide, vanadium (III) acetylacetonate, vanadium (IV) acetylacetonate, vanadium pentachloride, vanadium oxychloride, five odors And vanadium compounds such as vanadium iodide, vanadium oxybromide, vanadium pentaiodide, and vanadium oxyiodide. These may be used alone or in combination of two or more.

これらの化合物の中でも、得られる触媒が均一な粒径の微粒子となり、その活性が高いことから、
チタンテトラエトキシド、四塩化チタン、オキシ塩化チタン、チタンテトライソプロポキシド、チタンテトラアセチルアセトナート、
ニオブペンタエトキシド、五塩化ニオブ、オキシ塩化ニオブ、ニオブペンタイソプロポキシド、
ジルコニウムテトラエトキシド、四塩化ジルコニウム、オキシ塩化ジルコニウム、ジルコニウムテトライソプロポキシド、ジルコニウムテトラアセチルアセトナート、
タンタルペンタメトキシド、タンタルペンタエトキシド、五塩化タンタル、オキシ塩化タンタル、タンタルペンタイソプロポキシド、およびタンタルテトラエトキシアセチルアセトナートが好ましく、チタンテトライソプロポキシド、チタンテトラアセチルアセトナート、ニオブエトキシド、ニオブイソプロポキシド、オキシ塩化ジルコニウム、ジルコニウムテトライソプロポキシド、およびタンタルペンタイソプロポキシドがさらに好ましい。
Among these compounds, the resulting catalyst becomes fine particles with a uniform particle size, and its activity is high,
Titanium tetraethoxide, titanium tetrachloride, titanium oxychloride, titanium tetraisopropoxide, titanium tetraacetylacetonate,
Niobium pentaethoxide, niobium pentachloride, niobium oxychloride, niobium pentaisopropoxide,
Zirconium tetraethoxide, zirconium tetrachloride, zirconium oxychloride, zirconium tetraisopropoxide, zirconium tetraacetylacetonate,
Tantalum pentamethoxide, tantalum pentaethoxide, tantalum pentachloride, tantalum oxychloride, tantalum pentaisopropoxide, and tantalum tetraethoxyacetylacetonate are preferred, titanium tetraisopropoxide, titanium tetraacetylacetonate, niobium ethoxide, More preferred are niobium isopropoxide, zirconium oxychloride, zirconium tetraisopropoxide, and tantalum pentaisopropoxide.

また、前記遷移金属含有化合物として、遷移金属元素として周期表第4族または第5族の遷移金属元素M1を含む遷移金属含有化合物(以下「第1の遷移金属含有化合物」ともいう。)と共に、遷移金属元素として、遷移金属元素M1とは異なる元素であって、鉄、ニッケル、クロム、コバルト、バナジウムおよびマンガンから選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素M2を含む遷移金属含有化合物(以下「第2の遷移金属含有化合物」ともいう。)が併用されてもよい。第2の遷移金属含有化合物を用いると、得られる触媒の性能が向上する。   In addition, as the transition metal-containing compound, together with a transition metal-containing compound containing a transition metal element M1 of Group 4 or Group 5 of the periodic table as a transition metal element (hereinafter also referred to as “first transition metal-containing compound”), As the transition metal element, a transition metal-containing compound (hereinafter referred to as “second metal”) which is an element different from the transition metal element M1 and includes at least one transition metal element M2 selected from iron, nickel, chromium, cobalt, vanadium and manganese. May also be used in combination. Use of the second transition metal-containing compound improves the performance of the resulting catalyst.

触媒のXPSスペクトルの観察から、第2の遷移金属含有化合物を用いると、遷移金属元素M1(たとえばチタン)と窒素原子との結合形成が促進され、その結果、触媒の性能が向上するのではないかと推測される。   From the observation of the XPS spectrum of the catalyst, when the second transition metal-containing compound is used, bond formation between the transition metal element M1 (for example, titanium) and a nitrogen atom is promoted, and as a result, the performance of the catalyst is not improved. I guess that.

第2の遷移金属含有化合物中の遷移金属元素M2としては、コストと得られる触媒の性能とのバランスの観点から、鉄およびクロムが好ましく、鉄がさらに好ましい。
第2の遷移金属含有化合物の具体例としては、
塩化鉄(II)、塩化鉄(III)、硫酸鉄(III)、硫化鉄(II)、硫化鉄(III)、フェロシアン化カリウム、フェリシアン化カリウム、フェロシアン化アンモニウム、フェリシアン化アンモニウム、フェロシアン化鉄、硝酸鉄(II)、硝酸鉄(III)、シュウ酸鉄(II)、シュウ酸鉄(III)、リン酸鉄(II)、リン酸鉄(III)フェロセン、水酸化鉄(II)、水酸化鉄(III)、酸化鉄(II)、酸化鉄(III)、四酸化三鉄、酢酸鉄(II)、乳酸鉄(II)、クエン酸鉄(III)等の鉄化合物;
塩化ニッケル(II)、硫酸ニッケル(II)、硫化ニッケル(II)、硝酸ニッケル(II)、シュウ酸ニッケル(II)、リン酸ニッケル(II)、ニッケルセン、水酸化ニッケル(II)、酸化ニッケル(II)、酢酸ニッケル(II)、乳酸ニッケル(II)等のニッケル化合物;
塩化クロム(II)、塩化クロム(III)、硫酸クロム(III)、硫化クロム(III)、硝酸クロム(III)、シュウ酸クロム(III)、リン酸クロム(III)、水酸化クロム(III)、酸化クロム(II)、酸化クロム(III)、酸化クロム(IV)、酸化クロム(VI)、酢酸クロム(II)、酢酸クロム(III)、乳酸クロム(III)等のクロム化合物;
塩化コバルト(II)、塩化コバルト(III)、硫酸コバルト(II)、硫化コバルト(II)、硝酸コバルト(II)、硝酸コバルト(III)、シュウ酸コバルト(II)、リン酸コバルト(II)、コバルトセン、水酸化コバルト(II)、酸化コバルト(II)、酸化コバルト(III)、四酸化三コバルト、酢酸コバルト(II)、乳酸コバルト(II)等のコバルト化合物;
塩化バナジウム(II)、塩化バナジウム(III)、塩化バナジウム(IV)、オキシ硫酸バナジウム(IV)、硫化バナジウム(III)、オキシシュウ酸バナジウム(IV)、バナジウムメタロセン、酸化バナジウム(V)、酢酸バナジウム、クエン酸バナジウム等のバナジウム化合物;
塩化マンガン(II)、硫酸マンガン(II)、硫化マンガン(II)、硝酸マンガン(II)、シュウ酸マンガン(II)、水酸化マンガン(II)、酸化マンガン(II)、酸化マンガン(III)、酢酸マンガン(II)、乳酸マンガン(II)、クエン酸マンガン等のマンガン化合物が挙げられる。これらは、1種単独で用いてもよく2種以上を併用してもよい。
As the transition metal element M2 in the second transition metal-containing compound, iron and chromium are preferable and iron is more preferable from the viewpoint of a balance between cost and performance of the obtained catalyst.
As a specific example of the second transition metal-containing compound,
Iron (II) chloride, iron (III) chloride, iron (III) sulfate, iron (II) sulfide, iron (III) sulfide, potassium ferrocyanide, potassium ferricyanide, ammonium ferrocyanide, ammonium ferricyanide, iron ferrocyanide , Iron (II) nitrate, iron (III) nitrate, iron (II) oxalate, iron (III) oxalate, iron (II) phosphate, iron (III) phosphate ferrocene, iron (II) hydroxide, water Iron compounds such as iron (III) oxide, iron (II) oxide, iron (III) oxide, triiron tetroxide, iron (II) acetate, iron (II) lactate, iron (III) citrate;
Nickel chloride (II), nickel sulfate (II), nickel sulfide (II), nickel nitrate (II), nickel oxalate (II), nickel phosphate (II), nickel cene, nickel hydroxide (II), nickel oxide Nickel compounds such as (II), nickel acetate (II), nickel lactate (II);
Chromium (II) chloride, chromium (III) chloride, chromium (III) sulfate, chromium (III) sulfide, chromium (III) nitrate, chromium (III) oxalate, chromium (III) phosphate, chromium (III) hydroxide Chromium compounds such as, chromium (II) oxide, chromium (III) oxide, chromium (IV) oxide, chromium (VI) oxide, chromium (II) acetate, chromium (III) acetate, chromium (III) lactate;
Cobalt (II) chloride, cobalt (III) chloride, cobalt (II) sulfate, cobalt (II) sulfide, cobalt (II) nitrate, cobalt (III) nitrate, cobalt (II) oxalate, cobalt (II) phosphate, Cobalt compounds such as cobaltocene, cobalt (II) hydroxide, cobalt (II) oxide, cobalt (III) oxide, tricobalt tetroxide, cobalt (II) acetate, and cobalt (II) lactate;
Vanadium chloride (II), vanadium chloride (III), vanadium chloride (IV), vanadium oxysulfate (IV), vanadium sulfide (III), vanadium oxyoxalate (IV), vanadium metallocene, vanadium oxide (V), vanadium acetate Vanadium compounds such as vanadium citrate;
Manganese chloride (II), manganese sulfate (II), manganese sulfide (II), manganese nitrate (II), manganese oxalate (II), manganese hydroxide (II), manganese oxide (II), manganese oxide (III), Examples thereof include manganese compounds such as manganese acetate (II), manganese lactate (II), and manganese citrate. These may be used alone or in combination of two or more.

これらの化合物の中でも、
塩化鉄(II)、塩化鉄(III)、フェロシアン化カリウム、フェリシアン化カリウム、フェロシアン化アンモニウム、フェリシアン化アンモニウム、酢酸鉄(II)、乳酸鉄(II)、
塩化ニッケル(II)、酢酸ニッケル(II)、乳酸ニッケル(II)、
塩化クロム(II)、塩化クロム(III)、酢酸クロム(II)、酢酸クロム(III)、乳酸クロム(III)、
塩化コバルト(II)、塩化コバルト(III)、酢酸コバルト(II)、乳酸コバルト(II)、
塩化バナジウム(II)、塩化バナジウム(III)、塩化バナジウム(IV)、オキシ硫酸バナジウム(IV)、酢酸バナジウム、クエン酸バナジウム、
塩化マンガン(II)、酢酸マンガン(II)、乳酸マンガン(II)が好ましく、
塩化鉄(II)、塩化鉄(III)、フェロシアン化カリウム、フェリシアン化カリウム、フェロシアン化アンモニウム、フェリシアン化アンモニウム、酢酸鉄(II)、乳酸鉄(II)、塩化クロム(II)、塩化クロム(III)、酢酸クロム(II)、酢酸クロム(III)、乳酸クロム(III)がさらに好ましい。
Among these compounds,
Iron (II) chloride, iron (III) chloride, potassium ferrocyanide, potassium ferricyanide, ammonium ferrocyanide, ammonium ferricyanide, iron (II) acetate, iron (II) lactate,
Nickel (II) chloride, nickel (II) acetate, nickel (II) lactate,
Chromium (II) chloride, chromium (III) chloride, chromium (II) acetate, chromium (III) acetate, chromium (III) lactate,
Cobalt (II) chloride, cobalt (III) chloride, cobalt (II) acetate, cobalt (II) lactate,
Vanadium chloride (II), vanadium chloride (III), vanadium chloride (IV), vanadium oxysulfate (IV), vanadium acetate, vanadium citrate,
Manganese chloride (II), manganese acetate (II) and manganese lactate (II) are preferred,
Iron (II) chloride, iron (III) chloride, potassium ferrocyanide, potassium ferricyanide, ammonium ferrocyanide, ammonium ferricyanide, iron (II) acetate, iron (II) lactate, chromium (II) chloride, chromium chloride (III ), Chromium (II) acetate, chromium (III) acetate, and chromium (III) lactate.

<窒素含有有機化合物>
前記窒素含有有機化合物としては、前記遷移金属含有化合物中の金属原子に配位可能な配位子となり得る化合物(好ましくは、単核の錯体を形成し得る化合物)が好ましく、多座配位子(好ましくは、2座配位子または3座配位子)となり得る(キレートを形成し得る)化合物がさらに好ましい。
<Nitrogen-containing organic compound>
The nitrogen-containing organic compound is preferably a compound (preferably a compound capable of forming a mononuclear complex) that can be a ligand capable of coordinating to a metal atom in the transition metal-containing compound. More preferred are compounds that can be (preferably bidentate or tridentate) (can form chelates).

前記窒素含有有機化合物は、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
前記窒素含有有機化合物は、好ましくは、アミノ基、ニトリル基、イミド基、イミン基、ニトロ基、アミド基、アジド基、アジリジン基、アゾ基、イソシアネート基、イソチオシアネート基、オキシム基、ジアゾ基、ニトロソ基などの官能基、またはピロール環、ポルフィリン環、イミダゾール環、ピリジン環、ピリミジン環、ピラジン環などの環(これらの官能基および環をまとめて「含窒素分子団」ともいう。)を有する。
The said nitrogen containing organic compound may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.
The nitrogen-containing organic compound is preferably an amino group, a nitrile group, an imide group, an imine group, a nitro group, an amide group, an azido group, an aziridine group, an azo group, an isocyanate group, an isothiocyanate group, an oxime group, a diazo group, It has a functional group such as a nitroso group, or a ring such as a pyrrole ring, a porphyrin ring, an imidazole ring, a pyridine ring, a pyrimidine ring, or a pyrazine ring (these functional groups and rings are also collectively referred to as “nitrogen-containing molecular groups”). .

前記窒素含有有機化合物は、含窒素分子団を分子内に有すると、工程a1での混合を経て、前記遷移金属含有化合物に由来する遷移金属原子により強く配位することができると考えられる。   When the nitrogen-containing organic compound has a nitrogen-containing molecular group in the molecule, it is considered that the nitrogen-containing organic compound can be coordinated more strongly with the transition metal atom derived from the transition metal-containing compound through mixing in step a1.

前記含窒素分子団の中では、アミノ基、イミン基、アミド基、ピロール環、ピリジン環およびピラジン環がより好ましく、アミノ基、イミン基、ピロール環およびピラジン環がさらに好ましく、アミノ基およびピラジン環が、得られる触媒の活性が特に高くなることから、特に好ましい。   Among the nitrogen-containing molecular groups, an amino group, an imine group, an amide group, a pyrrole ring, a pyridine ring and a pyrazine ring are more preferable, an amino group, an imine group, a pyrrole ring and a pyrazine ring are more preferable, and an amino group and a pyrazine ring are preferable. Is particularly preferred because the activity of the resulting catalyst is particularly high.

前記窒素含有有機化合物(ただし、酸素原子を含まない。)の具体例としては、メラミン、エチレンジアミン、エチレンジアミン・二塩酸塩、トリアゾール、アセトニトリル、アクリロニトリル、エチレンイミン、アニリン、ピロール、ポリエチレンイミンなどが挙げられ、これらの中でも、得られる触媒の活性が高いことからエチレンジアミンおよびエチレンジアミン・二塩酸塩が好ましい。   Specific examples of the nitrogen-containing organic compound (which does not include an oxygen atom) include melamine, ethylenediamine, ethylenediamine dihydrochloride, triazole, acetonitrile, acrylonitrile, ethyleneimine, aniline, pyrrole, polyethyleneimine, and the like. Of these, ethylenediamine and ethylenediamine dihydrochloride are preferred because of the high activity of the resulting catalyst.

前記窒素含有有機化合物は、好ましくは、水酸基、カルボキシル基、アルデヒド基、酸ハライド基、スルホ基、リン酸基、ケトン基、エーテル基またはエステル基(これらをまとめて「含酸素分子団」ともいう。)を有する。前記窒素含有有機化合物は、含酸素分子団を分子内に有すると、工程a1での混合を経て、前記遷移金属含有化合物に由来する遷移金属原子により強く配位できると考えられる。   The nitrogen-containing organic compound is preferably a hydroxyl group, a carboxyl group, an aldehyde group, an acid halide group, a sulfo group, a phosphoric acid group, a ketone group, an ether group or an ester group (these are collectively referred to as “oxygen-containing molecular group”). .) If the nitrogen-containing organic compound has an oxygen-containing molecular group in the molecule, it is considered that the nitrogen-containing organic compound can be coordinated more strongly with the transition metal atom derived from the transition metal-containing compound through the mixing in step a1.

前記含酸素分子団の中では、カルボキシル基およびアルデヒド基が、得られる触媒の活性が特に高くなることから、特に好ましい。
分子中に酸素原子を含む前記窒素含有有機化合物としては、前記含窒素分子団および前記含酸素分子団を有する化合物が好ましい。このような化合物は、工程a1を経て、前記遷移金属含有化合物に由来する遷移金属原子に特に強く配位できると考えられる。
Among the oxygen-containing molecular groups, a carboxyl group and an aldehyde group are particularly preferable because the activity of the resulting catalyst is particularly high.
As the nitrogen-containing organic compound containing an oxygen atom in the molecule, the nitrogen-containing molecular group and the compound having the oxygen-containing molecular group are preferable. Such a compound is considered to be capable of particularly strongly coordinating to the transition metal atom derived from the transition metal-containing compound via the step a1.

前記含窒素分子団および前記含酸素分子団を有する化合物としては、アミノ基およびカルボキシル基を有するアミノ酸、ならびにその誘導体が好ましい。
前記アミノ酸としては、アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システイン、グルタミン、グルタミン酸、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リシン、メチオニン、フェニルアラニン、セリン、トレオニン、トリプトファン、チロシン、バリン、ノルバリン、グリシルグリシン、トリグリシンおよびテトラグリシンが好ましく、得られる触媒の活性が高いことから、アラニン、グリシン、リシン、メチオニン、チロシンがより好ましく、得られる触媒が極めて高い活性を示すことから、アラニン、グリシンおよびリシンが特に好ましい。
As the compound having the nitrogen-containing molecular group and the oxygen-containing molecular group, amino acids having an amino group and a carboxyl group, and derivatives thereof are preferable.
Examples of the amino acids include alanine, arginine, asparagine, aspartic acid, cysteine, glutamine, glutamic acid, glycine, histidine, isoleucine, leucine, lysine, methionine, phenylalanine, serine, threonine, tryptophan, tyrosine, valine, norvaline, glycylglycine, Triglycine and tetraglycine are preferred, and the activity of the resulting catalyst is high. Alanine, glycine, lysine, methionine, and tyrosine are more preferred, and the resulting catalyst exhibits extremely high activity, so that alanine, glycine, and lysine are particularly preferred. preferable.

分子中に酸素原子を含む前記窒素含有有機化合物の具体例としては、上記アミノ酸等に加えて、アセチルピロールなどのアシルピロール類、ピロールカルボン酸、アセチルイミダゾールなどのアシルイミダゾール類、カルボニルジイミダゾール、イミダゾールカルボン酸、ピラゾール、アセトアニリド、ピラジンカルボン酸、ピペリジンカルボン酸、ピペラジンカルボン酸、モルホリン、ピリミジンカルボン酸、ニコチン酸、2−ピリジンカルボン酸、2,4−ピリジンジカルボン酸、8−キノリノール、およびポリビニルピロリドンが挙げられ、得られる触媒の活性が高いことから、2座配位子となり得る化合物、具体的にはピロール−2−カルボン酸、イミダゾール−4−カルボン酸、2−ピラジンカルボン酸、2−ピペリジンカルボン酸、2−ピペラジンカルボン酸、ニコチン酸、2−ピリジンカルボン酸、2,4−ピリジンジカルボン酸、および8−キノリノールが好ましく、2−ピラジンカルボン酸、および2−ピリジンカルボン酸がより好ましい。   Specific examples of the nitrogen-containing organic compound containing an oxygen atom in the molecule include acylpyrroles such as acetylpyrrole, acylimidazoles such as pyrrolecarboxylic acid and acetylimidazole, carbonyldiimidazole and imidazole Carboxylic acid, pyrazole, acetanilide, pyrazinecarboxylic acid, piperidinecarboxylic acid, piperazinecarboxylic acid, morpholine, pyrimidinecarboxylic acid, nicotinic acid, 2-pyridinecarboxylic acid, 2,4-pyridinedicarboxylic acid, 8-quinolinol, and polyvinylpyrrolidone Compounds that can be bidentate ligands, specifically pyrrole-2-carboxylic acid, imidazole-4-carboxylic acid, 2-pyrazinecarboxylic acid, 2-piperidinecarboxylic acid , 2-piperazine carboxylic acid, nicotinic acid, 2-pyridinecarboxylic acid, 2,4-pyridinedicarboxylic acid, and 8-quinolinol are preferable, and 2- pyrazine carboxylic acid, and 2-pyridine carboxylic acid is more preferable.

工程a1で用いられる前記遷移金属含有化合物の遷移金属元素の総原子数Aに対する、工程a1で用いられる前記窒素含有有機化合物の炭素の総原子数Bの比(B/A)は、工程a3での熱処理時に二酸化炭素、一酸化炭素等の炭素化合物として脱離する成分を少なくすることが可能であり、すなわち触媒製造時に排気ガスを少量とすることができることから、好ましくは200以下、より好ましくは150以下、さらに好ましくは80以下、特に好ましくは30以下であり、良好な活性の触媒を得るという観点から、好ましくは1以上、より好ましくは2以上、さらに好ましくは3以上、特に好ましくは5以上である。   The ratio (B / A) of the total number of carbon atoms B of the nitrogen-containing organic compound used in step a1 to the total number A of transition metal elements of the transition metal-containing compound used in step a1 is determined in step a3. It is possible to reduce components desorbed as carbon compounds such as carbon dioxide and carbon monoxide during the heat treatment, that is, since it is possible to reduce the amount of exhaust gas during catalyst production, it is preferably 200 or less, more preferably 150 or less, more preferably 80 or less, particularly preferably 30 or less. From the viewpoint of obtaining a catalyst having a good activity, it is preferably 1 or more, more preferably 2 or more, further preferably 3 or more, particularly preferably 5 or more. It is.

工程a1で用いられる前記遷移金属含有化合物の遷移金属元素の総原子数Aに対する、工程a1で用いられる前記窒素含有有機化合物の窒素の総原子数Cの比(C/A)は、良好な活性の触媒を得るという観点から、好ましくは28以下、より好ましくは17以下、さらに好ましくは12以下、特に好ましくは8.5以下であり、良好な活性の触媒を得るという観点から、好ましくは1以上、より好ましくは2.5以上、さらに好ましくは3以上、特に好ましくは3.5以上である。   The ratio (C / A) of the total atom number C of nitrogen of the nitrogen-containing organic compound used in step a1 to the total atom number A of the transition metal element of the transition metal-containing compound used in step a1 is good activity. From the standpoint of obtaining a catalyst having a good activity, it is preferably 28 or less, more preferably 17 or less, still more preferably 12 or less, particularly preferably 8.5 or less. , More preferably 2.5 or more, further preferably 3 or more, particularly preferably 3.5 or more.

工程a1で用いられる前記第1の遷移金属含有化合物と前記第2の遷移金属含有化合物との割合を、遷移金属元素M1の原子と遷移金属元素M2の原子とのモル比(M1:M2)に換算して、M1:M2=(1−a):aと表わすと、aの範囲は、好ましくは0.01≦a≦0.5、さらに好ましくは0.02≦a≦0.4、特に好ましくは0.05≦a≦0.3である。   The ratio of the first transition metal-containing compound and the second transition metal-containing compound used in step a1 is set to a molar ratio (M1: M2) between the atoms of the transition metal element M1 and the atoms of the transition metal element M2. In terms of M1: M2 = (1-a): a, the range of a is preferably 0.01 ≦ a ≦ 0.5, more preferably 0.02 ≦ a ≦ 0.4, especially Preferably it is 0.05 <= a <= 0.3.

<溶媒>
前記溶媒としては、たとえば水、アルコール類および酸類が挙げられる。アルコール類としては、エタノール、メタノール、ブタノール、プロパノールおよびエトキシエタノールが好ましく、エタノールおよびメタノールさらに好ましい。酸類としては、酢酸、硝酸(水溶液)、塩酸、リン酸水溶液およびクエン酸水溶液が好ましく、酢酸および硝酸がさらに好ましい。これらは、1種単独で用いてもよく2種以上を併用してもよい。
<Solvent>
Examples of the solvent include water, alcohols and acids. As alcohols, ethanol, methanol, butanol, propanol and ethoxyethanol are preferable, and ethanol and methanol are more preferable. As the acids, acetic acid, nitric acid (aqueous solution), hydrochloric acid, phosphoric acid aqueous solution and citric acid aqueous solution are preferable, and acetic acid and nitric acid are more preferable. These may be used alone or in combination of two or more.

前記遷移金属含有化合物が金属ハロゲン化物の場合の溶媒としてはメタノールが好ましい。
<沈殿抑制剤>
前記遷移金属含有化合物が、塩化チタン、塩化ニオブ、塩化ジルコニウム、塩化タンタルなど、ハロゲン原子を含む場合には、これらの化合物は一般的に水によって容易に加水分解され、水酸化物や、酸塩化物等の沈殿を生じやすい。よって、前記遷移金属含有化合物がハロゲン原子を含む場合には、強酸を1重量%以上添加することが好ましい。たとえば酸が塩酸であれば、溶液中の塩化水素の濃度が5重量%以上、より好ましくは10重量%以上となるように酸を添加すると、前記遷移金属含有化合物に由来する沈殿の発生を抑制しつつ、澄明な触媒前駆体溶液を得ることができる。
As the solvent when the transition metal-containing compound is a metal halide, methanol is preferable.
<Precipitation inhibitor>
When the transition metal-containing compound contains a halogen atom such as titanium chloride, niobium chloride, zirconium chloride, or tantalum chloride, these compounds are generally easily hydrolyzed by water to produce hydroxides or acid chlorides. It tends to cause precipitation of things. Therefore, when the transition metal-containing compound contains a halogen atom, it is preferable to add 1% by weight or more of a strong acid. For example, if the acid is hydrochloric acid, the addition of the acid so that the concentration of hydrogen chloride in the solution is 5% by weight or more, more preferably 10% by weight or more, suppresses the occurrence of precipitation derived from the transition metal-containing compound. However, a clear catalyst precursor solution can be obtained.

前記遷移金属含有化合物が金属錯体であって、かつ前記溶媒として水を単独でまたは水と他の化合物とを用いる場合にも、沈殿抑制剤を用いることが好ましい。この場合の沈殿抑制剤としては、ジケトン構造を有する化合物が好ましく、ジアセチル、アセチルアセトン、2,5−ヘキサンジオンおよびジメドンがより好ましく、アセチルアセトンおよび2,5−ヘキサンジオンがさらに好ましい。   Also when the transition metal-containing compound is a metal complex and water is used alone or water and another compound are used as the solvent, it is preferable to use a precipitation inhibitor. In this case, the precipitation inhibitor is preferably a compound having a diketone structure, more preferably diacetyl, acetylacetone, 2,5-hexanedione and dimedone, and further preferably acetylacetone and 2,5-hexanedione.

これらの沈殿抑制剤は、遷移金属含有化合物溶液(前記遷移金属含有化合物を含有し、前記窒素含有有機化合物を含有しない溶液)100重量%中に好ましくは1〜70重量%、より好ましくは、2〜50重量%、さらに好ましくは15〜40重量%となる量で添加される。   These precipitation inhibitors are preferably 1 to 70% by weight, more preferably 2% in 100% by weight of a transition metal-containing compound solution (a solution containing the transition metal-containing compound and not containing the nitrogen-containing organic compound). It is added in an amount of -50% by weight, more preferably 15-40% by weight.

これらの沈殿抑制剤は、触媒前駆体溶液100重量%中に好ましくは0.1〜40重量%、より好ましくは、0.5〜20重量%、さらに好ましくは2〜10重量%となる量で添加される。   These precipitation inhibitors are preferably used in an amount of 0.1 to 40% by weight, more preferably 0.5 to 20% by weight, and further preferably 2 to 10% by weight in 100% by weight of the catalyst precursor solution. Added.

前記沈殿抑制剤は、工程a1の中でのいずれの段階で添加されてもよい。
工程a1では、好ましくは、前記遷移金属含有化合物および前記沈殿抑制剤を含む溶液を調製して、次いでこの溶液と前記窒素含有有機化合物とを混合して触媒前駆体溶液を得る。また、前記遷移金属含有化合物として前記第1の遷移金属含有化合物および前記第2の遷移金属含有化合物を用いる場合であれば、工程a1では、好ましくは、前記第1の遷移金属含有化合物および前記沈殿抑制剤を含む溶液を調製して、次いでこの溶液と前記窒素含有有機化合物および前記第2の遷移金属含有化合物とを混合して触媒前駆体溶液を得る。このように工程a1を実施すると、前記沈殿の発生をより確実に抑制することができる。
The precipitation inhibitor may be added at any stage in step a1.
In step a1, preferably, a solution containing the transition metal-containing compound and the precipitation inhibitor is prepared, and then this solution and the nitrogen-containing organic compound are mixed to obtain a catalyst precursor solution. In addition, in the case where the first transition metal-containing compound and the second transition metal-containing compound are used as the transition metal-containing compound, in step a1, preferably, the first transition metal-containing compound and the precipitation are used. A solution containing an inhibitor is prepared, and then this solution is mixed with the nitrogen-containing organic compound and the second transition metal-containing compound to obtain a catalyst precursor solution. When the step a1 is performed in this way, the occurrence of the precipitation can be suppressed more reliably.

(工程a2)
工程a2では、工程a1で得られた前記触媒前駆体溶液から溶媒を除去する。
溶媒の除去は大気下で行ってもよく、不活性ガス(例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム)雰囲気下で行ってもよい。不活性ガスとしては、コストの観点から、窒素およびアルゴンが好ましく、窒素がより好ましい。
(Step a2)
In step a2, the solvent is removed from the catalyst precursor solution obtained in step a1.
The removal of the solvent may be performed in the air or in an inert gas (for example, nitrogen, argon, helium) atmosphere. As the inert gas, nitrogen and argon are preferable from the viewpoint of cost, and nitrogen is more preferable.

溶媒除去の際の温度は、溶媒の蒸気圧が大きい場合には常温であってもよいが、触媒の量産性の観点からは、好ましくは30℃以上、より好ましくは40℃以上、さらに好ましくは50℃以上であり、工程a1で得られる溶液中に含まれる、キレート等の金属錯体であると推定される触媒前駆体を分解させないという観点からは、好ましくは250℃以下、より好ましくは150℃以下、さらに好ましくは110℃以下である。   The temperature at the time of solvent removal may be room temperature when the vapor pressure of the solvent is high, but from the viewpoint of mass production of the catalyst, it is preferably 30 ° C or higher, more preferably 40 ° C or higher, and still more preferably. From the viewpoint of not decomposing the catalyst precursor that is estimated to be a metal complex such as a chelate, which is contained in the solution obtained in step a1 at 50 ° C or higher, preferably 250 ° C or lower, more preferably 150 ° C. Below, it is 110 degrees C or less more preferably.

溶媒の除去は、溶媒の蒸気圧が大きい場合には大気圧下で行ってもよいが、より短時間で溶媒を除去するため、減圧(たとえば、0.1Pa〜0.1MPa)下で行ってもよい。減圧下での溶媒の除去には、たとえばエバポレーターを用いることができる。   The removal of the solvent may be performed under atmospheric pressure when the vapor pressure of the solvent is high, but in order to remove the solvent in a shorter time, it is performed under reduced pressure (for example, 0.1 Pa to 0.1 MPa). Also good. For example, an evaporator can be used to remove the solvent under reduced pressure.

溶媒の除去は、工程a1で得られた混合物を静置した状態で行ってもよいが、より均一な固形分残渣を得るためには、混合物を回転させながら溶媒を除去することが好ましい。
前記混合物を収容している容器の重量が大きい場合は、撹拌棒、撹拌羽根、撹拌子などを用いて、溶液を回転させることが好ましい。
The solvent may be removed while the mixture obtained in step a1 is allowed to stand, but in order to obtain a more uniform solid residue, it is preferable to remove the solvent while rotating the mixture.
When the weight of the container containing the mixture is large, it is preferable to rotate the solution using a stirring rod, a stirring blade, a stirring bar, or the like.

また、前記混合物を収容している容器の真空度を調節しながら溶媒の除去を行う場合には、密閉できる容器で乾燥を行うこととなるため、容器ごと回転させながら溶媒の除去を行うこと、たとえばロータリーエバポレーターを使用して溶媒の除去を行うことが好ましい。   In addition, when removing the solvent while adjusting the degree of vacuum of the container containing the mixture, since it will be dried in a container that can be sealed, removing the solvent while rotating the entire container, For example, it is preferable to remove the solvent using a rotary evaporator.

溶媒の除去の方法、あるいは前記遷移金属含有化合物または前記窒素含有有機化合物の性状によっては、工程a2で得られた固形分残渣の組成または凝集状態が不均一であることがある。このような場合に、固形分残渣を、混合し、解砕して、より均一、微細な粉末としたものを工程a3で用いると、粒径がより均一な触媒を得ることができる。   Depending on the method of removing the solvent or the properties of the transition metal-containing compound or the nitrogen-containing organic compound, the composition or aggregated state of the solid residue obtained in step a2 may be non-uniform. In such a case, a catalyst having a more uniform particle size can be obtained by mixing and crushing the solid residue and using a more uniform and fine powder in step a3.

固形分残渣を混合し、解砕するには、たとえば、ロール転動ミル、ボールミル、小径ボールミル(ビーズミル)、媒体撹拌ミル、気流粉砕機、乳鉢、自動混練乳鉢、槽解機、ジェトミルを用いることができ、固形分残渣が少量であれば、好ましくは、乳鉢、自動混練乳鉢、またはバッチ式のボールミルが用いられ、固形分残渣が多量であり連続的な混合、解砕処理を行う場合には、好ましくはジェットミルが用いられる。   For mixing and crushing solid residue, for example, roll rolling mill, ball mill, small diameter ball mill (bead mill), medium stirring mill, airflow crusher, mortar, automatic kneading mortar, tank crusher, jet mill If the solid residue is small, preferably, a mortar, an automatic kneading mortar, or a batch type ball mill is used, and when the solid residue is large and continuous mixing and crushing are performed. A jet mill is preferably used.

(工程a3)
工程a3では、工程a2で得られた固形分残渣を熱処理して燃料電池用電極触媒(a)を得る。
(Step a3)
In step a3, the solid content residue obtained in step a2 is heat-treated to obtain a fuel cell electrode catalyst (a).

この熱処理の際の温度は、500〜1100℃であり、好ましくは600〜1050℃であり、より好ましくは700〜950℃である。
熱処理の温度が上記範囲よりも高すぎると、得られた電極触媒の粒子相互間においての焼結、粒成長がおこり、結果として電極触媒の比表面積が小さくなってしまうため、この粒子を塗布法により触媒層に加工する際の加工性が劣ってしまう。一方、熱処理の温度が上記範囲よりも低過ぎると、高い活性を有する電極触媒を得ることができない。
The temperature at the time of this heat treatment is 500 to 1100 ° C, preferably 600 to 1050 ° C, more preferably 700 to 950 ° C.
If the temperature of the heat treatment is too higher than the above range, sintering and grain growth occur between the particles of the obtained electrode catalyst, resulting in a decrease in the specific surface area of the electrode catalyst. As a result, the processability during processing into a catalyst layer is poor. On the other hand, if the temperature of the heat treatment is too lower than the above range, an electrode catalyst having high activity cannot be obtained.

前記熱処理の方法としては、たとえば、静置法、攪拌法、落下法、粉末捕捉法が挙げられる。
静置法とは、静置式の電気炉などに工程a2で得られた固形分残渣を置き、これを加熱する方法である。加熱の際に、量り取った前記固形分残渣は、アルミナボード、石英ボードなどのセラミックス容器に入れてもよい。静置法は、大量の前記固形分残渣を加熱することができる点で好ましい。
Examples of the heat treatment method include a stationary method, a stirring method, a dropping method, and a powder trapping method.
The stationary method is a method in which the solid residue obtained in step a2 is placed in a stationary electric furnace or the like and heated. The solid content residue weighed during heating may be put in a ceramic container such as an alumina board or a quartz board. The stationary method is preferable in that a large amount of the solid residue can be heated.

攪拌法とは、ロータリーキルンなどの電気炉中に前記固形分残渣を入れ、これを攪拌しながら加熱する方法である。攪拌法の場合は、大量の前記固形分残渣を加熱することができ、かつ、得られる電極触媒の粒子の凝集および成長を抑制することができる点で好ましい。さらに、撹拌法は、加熱炉に傾斜をつけることによって、連続的に電極触媒を製造することが可能である点で好ましい。   The stirring method is a method in which the solid residue is placed in an electric furnace such as a rotary kiln and heated while stirring. The stirring method is preferable in that a large amount of the solid residue can be heated and aggregation and growth of the obtained electrode catalyst particles can be suppressed. Furthermore, the stirring method is preferable in that the electrode catalyst can be continuously produced by inclining the heating furnace.

落下法とは、誘導炉中に雰囲気ガスを流しながら、炉を所定の加熱温度まで加熱し、該温度で熱的平衡を保った後、炉の加熱区域である坩堝中に前記固形分残渣を落下させ、これを加熱する方法である。落下法は、得られる電極触媒の粒子の凝集および成長を最小限度に抑制できる点で好ましい。   In the dropping method, an atmospheric gas is passed through an induction furnace, the furnace is heated to a predetermined heating temperature, and after maintaining a thermal equilibrium at the temperature, the solid residue is placed in a crucible that is a heating area of the furnace. It is a method of dropping and heating this. The dropping method is preferred in that aggregation and growth of the obtained electrocatalyst particles can be minimized.

粉末捕捉法とは、微量の酸素ガスを含む不活性ガス雰囲気中で、前記固形分残渣を飛沫にして浮遊させ、これを所定の加熱温度に保たれた垂直の管状炉中に捕捉して、加熱する方法である。   Powder capture method is an inert gas atmosphere containing a small amount of oxygen gas, the solid residue is splashed and suspended, captured in a vertical tube furnace maintained at a predetermined heating temperature, It is a method of heating.

前記静置法で熱処理を行う場合には、昇温速度は、特に限定されないが、好ましくは1℃/分〜100℃/分程度であり、さらに好ましくは5℃/分〜50℃/分である。また、加熱時間は、好ましくは0.1〜10時間、より好ましくは0.5時間〜5時間、さらに好ましくは0.5〜3時間である。静置法において加熱を管状炉で行なう場合、電極触媒粒子の加熱時間は、0.1〜10時間、好ましくは0.5時間〜5時間である。前記加熱時間が前記範囲内であると、均一な電極触媒粒子が形成される傾向がある。   When the heat treatment is performed by the stationary method, the rate of temperature rise is not particularly limited, but is preferably about 1 ° C / min to 100 ° C / min, and more preferably 5 ° C / min to 50 ° C / min. is there. The heating time is preferably 0.1 to 10 hours, more preferably 0.5 hours to 5 hours, and further preferably 0.5 to 3 hours. When heating is performed in a tubular furnace in the stationary method, the heating time of the electrode catalyst particles is 0.1 to 10 hours, preferably 0.5 to 5 hours. When the heating time is within the above range, uniform electrode catalyst particles tend to be formed.

前記攪拌法の場合、前記固形分残渣の加熱時間は、通常10分〜5時間であり、好ましくは30分〜2時間である。本法において、炉に傾斜をつけるなどして連続的に加熱を行う場合は、定常的な炉内のサンプル流量から計算された平均滞留時間を前記加熱時間とする。   In the case of the stirring method, the heating time for the solid residue is usually 10 minutes to 5 hours, preferably 30 minutes to 2 hours. In this method, when continuous heating is performed, for example, by tilting the furnace, the average residence time calculated from the steady sample flow rate in the furnace is set as the heating time.

前記落下法の場合、前記固形分残渣の加熱時間は、通常0.5〜10分であり、好ましくは0.5〜3分である。前記加熱時間が前記範囲内であると、均一な電極触媒粒子が形成される傾向がある。   In the case of the dropping method, the heating time of the solid residue is usually 0.5 to 10 minutes, preferably 0.5 to 3 minutes. When the heating time is within the above range, uniform electrode catalyst particles tend to be formed.

前記粉末捕捉法の場合、前記固形分残渣の加熱時間は、0.2秒〜1分、好ましくは0.2〜10秒である。前記加熱時間が前記範囲内であると、均一な電極触媒粒子が形成される傾向にある。   In the case of the powder trapping method, the heating time of the solid residue is 0.2 seconds to 1 minute, preferably 0.2 to 10 seconds. When the heating time is within the above range, uniform electrode catalyst particles tend to be formed.

前記静置法で熱処理を行う場合には、熱源としてLNG(液化天然ガス)、LPG(液化石油ガス)、軽油、重油、電気などを用いた加熱炉を熱処理装置として用いてもよい。この場合、本発明においては前記固形分残渣を熱処理する際の雰囲気が重要であるので、燃料の炎が炉内に存在する、炉の内部から加熱する装置ではなく、炉の外部からの加熱する装置が好ましい。   When performing the heat treatment by the stationary method, a heating furnace using LNG (liquefied natural gas), LPG (liquefied petroleum gas), light oil, heavy oil, electricity, or the like as a heat source may be used as the heat treatment apparatus. In this case, since the atmosphere at the time of heat-treating the solid residue is important in the present invention, the fuel flame is present in the furnace, and is not heated from the inside of the furnace, but is heated from the outside of the furnace. An apparatus is preferred.

前記固形分残渣の量が1バッチあたり50kg以上となるような加熱炉を用いる場合には、コストの観点から、LNG,LPGを熱源とする加熱炉が好ましい。
触媒活性の特に高い電極触媒を得たい場合には、厳密な温度制御が可能な、電気を熱源とした電気炉を用いることが望ましい。
When using a heating furnace in which the amount of the solid content residue is 50 kg or more per batch, a heating furnace using LNG and LPG as a heat source is preferable from the viewpoint of cost.
When it is desired to obtain an electrode catalyst having a particularly high catalytic activity, it is desirable to use an electric furnace using electricity as a heat source and capable of strict temperature control.

炉の形状としては、管状炉、上蓋型炉、トンネル炉、箱型炉、試料台昇降式炉(エレベーター型)、台車炉などが挙げられ、この中でも雰囲気を特に厳密にコントロールすることが可能な、管状炉、上蓋型炉、箱型炉および試料台昇降式炉が好ましく、管状炉および箱型炉が好ましい。   Examples of the shape of the furnace include a tubular furnace, an upper lid furnace, a tunnel furnace, a box furnace, a sample table raising / lowering furnace (elevator type), a cart furnace, and the like, and the atmosphere can be controlled particularly strictly. Tubular furnaces, top lid furnaces, box furnaces and sample table raising / lowering furnaces are preferred, and tubular furnaces and box furnaces are preferred.

前記撹拌法を採用する場合も、上記の熱源を用いることができるが、撹拌法の中でもとくにロータリーキルンに傾斜をつけて、前記固形分残渣を連続的に熱処理する場合には、設備の規模が大きくなり、エネルギー使用量が大きくなりやすいので、LPG等燃料由来の熱源を利用することが好ましい。   In the case of employing the stirring method, the above heat source can be used, but the scale of the equipment is large when the solid residue is continuously heat-treated by inclining the rotary kiln among the stirring methods. Therefore, it is preferable to use a heat source derived from a fuel such as LPG because the amount of energy used tends to increase.

前記熱処理を行う際の雰囲気としては、得られる電極触媒の活性を高める観点から、その主成分が不活性ガス雰囲気であることが好ましい。不活性ガスの中でも、比較的安価であり、入手しやすい点で窒素、アルゴン、ヘリウムが好ましく、窒素およびアルゴンがさらに好ましい。これらの不活性ガスは、1種単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。なお、これらのガスは一般的な通念上不活性といわれるガスであるが、工程(2)の前記熱処理の際にこれらの不活性ガスすなわち、窒素、アルゴン、ヘリウム等が、前記固形分残渣と反応している可能性はある。   As an atmosphere at the time of performing the heat treatment, the main component is preferably an inert gas atmosphere from the viewpoint of enhancing the activity of the obtained electrode catalyst. Among the inert gases, nitrogen, argon, and helium are preferable and nitrogen and argon are more preferable because they are relatively inexpensive and easily available. These inert gas may be used individually by 1 type, and may mix and use 2 or more types. These gases are generally called inert gases, but during the heat treatment in the step (2), these inert gases, that is, nitrogen, argon, helium, and the like are separated from the solid residue. It may be reacting.

前記熱処理の雰囲気中に反応性ガスが存在すると、得られる電極触媒がより高い触媒性能を発現することがある。
たとえば、熱処理を、窒素ガス、アルゴンガスもしくは窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガス、または窒素ガスおよびアルゴンガスから選ばれる一種以上のガスと水素ガス、アンモニアガスおよび酸素ガスから選ばれる一種以上のガスとの混合ガスの雰囲気で行うと、高い触媒性能を有する電極触媒が得られる傾向がある。
When a reactive gas is present in the atmosphere of the heat treatment, the obtained electrode catalyst may exhibit higher catalytic performance.
For example, the heat treatment is performed using nitrogen gas, argon gas, a mixed gas of nitrogen gas and argon gas, or one or more gases selected from nitrogen gas and argon gas and one or more gases selected from hydrogen gas, ammonia gas, and oxygen gas. When the reaction is performed in a mixed gas atmosphere, an electrode catalyst having high catalytic performance tends to be obtained.

前記熱処理の雰囲気中に水素ガスが含まれる場合には、水素ガスの濃度は、たとえば100体積%以下、好ましくは0.01〜10体積%、より好ましくは1〜5体積%である。   When hydrogen gas is contained in the atmosphere of the heat treatment, the concentration of hydrogen gas is, for example, 100% by volume or less, preferably 0.01 to 10% by volume, more preferably 1 to 5% by volume.

前記熱処理の雰囲気中に酸素ガスが含まれる場合には、酸素ガスの濃度は、たとえば0.01〜10体積%、好ましくは0.01〜5体積%である。
また、前記遷移金属含有化合物、前記窒素含有有機化合物および前記溶媒の何れもが酸素原子を有さない場合には、前記熱処理は、好ましくは酸素ガスを含む雰囲気で行われる。
When oxygen gas is contained in the atmosphere of the heat treatment, the concentration of oxygen gas is, for example, 0.01 to 10% by volume, preferably 0.01 to 5% by volume.
When none of the transition metal-containing compound, the nitrogen-containing organic compound, and the solvent has an oxygen atom, the heat treatment is preferably performed in an atmosphere containing oxygen gas.

前記熱処理で得られた熱処理物は、そのまま電極触媒として使用してもよく、さらに解砕してから電極触媒として用いてもよい。なお、本明細書において、解砕、破砕等、熱処理物を細かくする操作を、特に区別せず「解砕」と表記する。解砕を行うと、得られた電極触媒を用いて電極を製造する際の加工性、および得られる電極の特性を改善できることがある。この解砕には、たとえば、ロール転動ミル、ボールミル、小径ボールミル(ビーズミル)、媒体撹拌ミル、気流粉砕機、乳鉢、自動混練乳鉢、槽解機またはジェトミルを用いることができる。電極触媒が少量の場合には、乳鉢、自動混練乳鉢、バッチ式のボールミルが好ましく、熱処理物を連続的に多量に処理する場合には、ジェットミル、連続式のボールミルが好ましく、連続式のボールミルの中でもビーズミルがさらに好ましい。   The heat-treated product obtained by the heat treatment may be used as an electrode catalyst as it is, or may be used after being further crushed as an electrode catalyst. In the present specification, operations for making the heat-treated product fine, such as crushing and crushing, are referred to as “crushing” without any particular distinction. When pulverization is performed, it may be possible to improve the workability in producing an electrode using the obtained electrode catalyst and the characteristics of the obtained electrode. For this crushing, for example, a roll rolling mill, a ball mill, a small-diameter ball mill (bead mill), a medium stirring mill, an airflow grinder, a mortar, an automatic kneading mortar, a tank disintegrator, or a jet mill can be used. When the amount of the electrode catalyst is small, a mortar, an automatic kneading mortar, or a batch type ball mill is preferable. When a heat-treated product is continuously processed in a large amount, a jet mill or a continuous type ball mill is preferable, and a continuous type ball mill is used. Among these, a bead mill is more preferable.

上記解砕は、好ましくは下記条件で行われる。
(解砕条件):前記熱処理に与える衝撃力(機械的エネルギー)が2〜100Gの範囲
ボールミルを用いる場合、自転遠心加速度が2〜20Gの範囲
以下では、ボールミルを用いて解砕を行う場合を例に、解砕条件をさらに詳細に説明する。
The crushing is preferably performed under the following conditions.
(Crushing conditions): Impact force (mechanical energy) applied to the heat treatment is in the range of 2 to 100G.
When a ball mill is used, the rotational centrifugal acceleration is in the range of 2 to 20 G. Hereinafter, the crushing conditions will be described in more detail using a case where crushing is performed using a ball mill as an example.

上記解砕は、適切な自転遠心加速度に設定することによって、バッチ式のボールミル(ポット型のボールミルなど)、あるいは連続式のボールミルを用いても達成することができる。   The above-mentioned crushing can be achieved even by using a batch type ball mill (pot type ball mill or the like) or a continuous type ball mill by setting an appropriate rotational centrifugal acceleration.

自転によって生じる加速度が、2G以上であると、解砕を行う時間を短縮できるため、触媒を工業的に製造する上で優位であり、20G以下であると、触媒の表面が受けるダメージが小さくなり、活性が高い触媒が得られる。   If the acceleration generated by the rotation is 2G or more, the time for crushing can be shortened, which is advantageous for industrial production of the catalyst, and if it is 20G or less, the damage on the surface of the catalyst is reduced. A catalyst with high activity is obtained.

前記熱処理物のスラリーをミル内に循環させるタイプのボールミル、すなわち浅田鉄工所製グレンミルに例示されるような連続式のボールミルを用いて解砕を行う場合、解砕を行う時間とは、実質的に、ボールミルのミル破砕室(解砕室)の中に前記熱処理物が存在する時間である。したがって、ミル全体に循環させている前記熱処理物のスラリーの体積がミル破砕室(解砕室)の容積の2倍であった場合、"ボールミルによる解砕を行う時間"は、実際にミルを稼動させている時間の1/2であり、ミル全体に循環させている前記熱処理物のスラリーの体積がミル破砕室(解砕室)の容積の3倍であった場合、"ボールミルによる解砕を行う時間"は、実際にミルを稼動させている時間の1/3である。   When pulverization is performed using a ball mill of the type in which the slurry of the heat-treated product is circulated in the mill, that is, a continuous ball mill as exemplified by the Glen Mill manufactured by Asada Iron Works, the time for pulverization is substantially In addition, the heat treatment product is present in the ball crushing chamber (crushing chamber) of the ball mill. Therefore, when the volume of the slurry of the heat treated material circulated throughout the mill is twice the volume of the mill crushing chamber (crushing chamber), the “time for crushing with the ball mill” When the volume of the slurry of the heat-treated product circulated throughout the mill is three times the volume of the mill crushing chamber (crushing chamber), The “time for performing” is 1/3 of the actual operation time of the mill.

前記ボールミルのボールの直径は、好ましくは0.01〜5.0mmであり、より好ましくは0.05〜3.0mmであり、さらに好ましくは0.1〜1.0mmであることがより好ましい。ボールの直径が上記範囲にあると、高い触媒能(酸素還元能)を有する燃料電池用触媒が得られる。   The ball diameter of the ball mill is preferably 0.01 to 5.0 mm, more preferably 0.05 to 3.0 mm, and still more preferably 0.1 to 1.0 mm. When the ball diameter is in the above range, a fuel cell catalyst having high catalytic ability (oxygen reducing ability) can be obtained.

前記ボールミルのボールの材質および、ボールミルの容器としては、ジルコニア、ガラス、アルミナ等が挙げられる。ボールの材質としては、耐磨耗性が高いジルコニアが好ましい。   Examples of the ball mill ball material and the ball mill container include zirconia, glass, and alumina. As a material of the ball, zirconia having high wear resistance is preferable.

前記ボールミルのボールの添加量は、ミル容器内に入れる前記熱処理物の質量に対して好ましくは10〜100倍である。
前記ボールミルによる解砕を行う際の自転遠心加速度は、好ましくは2〜20Gの範囲であり、より好ましくは4〜18Gの範囲であり、さらに好ましくは6〜16Gの範囲である。自転遠心加速度が上記範囲にあると、高い触媒能(酸素還元能)を有する燃料電池用触媒が得られる。
The amount of balls added to the ball mill is preferably 10 to 100 times the mass of the heat-treated product placed in the mill vessel.
The rotational centrifugal acceleration at the time of crushing by the ball mill is preferably in the range of 2 to 20G, more preferably in the range of 4 to 18G, and further preferably in the range of 6 to 16G. When the rotational centrifugal acceleration is in the above range, a fuel cell catalyst having high catalytic ability (oxygen reducing ability) can be obtained.

なお、本発明において、ボールミルによる解砕を行う際の自転遠心加速度は、以下の式より求められる。
自転遠心加速度(単位:重力加速度G)=1118×R1×N1 2×10-8
1:自転半径(cm)
1:自転回転数(rpm)
In the present invention, the rotational centrifugal acceleration at the time of crushing by a ball mill is obtained from the following equation.
Rotational centrifugal acceleration (unit: gravitational acceleration G) = 1118 × R 1 × N 1 2 × 10 −8
R 1 : rotation radius (cm)
N 1 : Rotational speed (rpm)

前記ボールミルが遊星ボールミルである場合には、前記遊星ボールミルによる解砕を行う際の公転遠心加速度は、好ましくは5〜50Gであり、より好ましくは8〜45Gの範囲であり、さらに好ましくは10〜35Gの範囲である。公転遠心加速度が上記範囲にあると、高い触媒能(酸素還元能)を有する燃料電池用触媒が得られる。   When the ball mill is a planetary ball mill, the revolving centrifugal acceleration at the time of crushing by the planetary ball mill is preferably 5 to 50 G, more preferably 8 to 45 G, and still more preferably 10 to 10 G. The range is 35G. When the revolution centrifugal acceleration is in the above range, a fuel cell catalyst having high catalytic ability (oxygen reducing ability) can be obtained.

なお、本発明において、遊星ボールミルによる解砕を行う際の公転遠心加速度は、以下の式より求める。
公転遠心加速度(単位:重力加速度G)=1118×R2×N2 2×10-8
2:公転半径(cm)
2:公転回転数(rpm)
In addition, in this invention, the revolution centrifugal acceleration at the time of crushing by a planetary ball mill is calculated | required from the following formula | equation.
Revolving centrifugal acceleration (unit: gravity acceleration G) = 1118 × R 2 × N 2 2 × 10 −8
R 2 : Revolution radius (cm)
N 2 : revolution speed (rpm)

解砕を湿式で行う場合、熱処理物と分散媒との混合割合(熱処理物の質量:分散媒の質量)は、好ましくは1:1〜1:50であり、より好ましくは1:3〜1:20であり、さらに好ましくは1:5〜1:10である。   When the pulverization is performed in a wet manner, the mixing ratio of the heat-treated product and the dispersion medium (mass of the heat-treated product: mass of the dispersion medium) is preferably 1: 1 to 1:50, more preferably 1: 3 to 1. : 20, more preferably 1: 5 to 1:10.

前記分散媒としては、メタノール、エタノール、1-プロパノ―ル、2-プロパノ―ル、1-ブタノ−ル、2‐ブタノ−ル、イソブチルアルコール、tert-ブチルアルコール、ペンタノ−ル、2−ヘプタノ−ル、ベンジルアルコール等のアルコール類;
アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、メチルブチルケトン、メチルイゾブチルケトン、メチルアミルケトン、アセトニルアセトン、ジエチルケトン、ジプロピルケトン、ジイソブチルケトンなどのケトン類;
テトラヒドロフラン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル等のエーテル類;
イソプロピルアミン、ブチルアミン、イソブチルアミン、シクロヘキシルアミン、ジエチルアミンなどのアミン類;
蟻酸プロピル、蟻酸イソブチル、蟻酸アミル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチルなどのエステル類;
アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール等の極性溶媒が好ましい。これらは1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
Examples of the dispersion medium include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, tert-butyl alcohol, pentaanol, and 2-heptanol. Alcohols such as benzyl alcohol;
Ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl propyl ketone, methyl butyl ketone, methyl isobutyl ketone, methyl amyl ketone, acetonyl acetone, diethyl ketone, dipropyl ketone, diisobutyl ketone;
Ethers such as tetrahydrofuran, diethylene glycol dimethyl ether, anisole, methoxytoluene, diethyl ether, dipropyl ether, dibutyl ether;
Amines such as isopropylamine, butylamine, isobutylamine, cyclohexylamine, diethylamine;
Esters such as propyl formate, isobutyl formate, amyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, butyl acetate, isobutyl acetate, pentyl acetate, isopentyl acetate;
Polar solvents such as acetonitrile, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, ethylene glycol, diethylene glycol and propylene glycol are preferred. These may be used alone or in combination of two or more.

前記分散媒は、好ましくは水を実質的に含まない。具体的には、前記分散媒中の水の含量は、好ましくは0〜0.1質量%である。
前記分散媒は、ミル容器内に前記熱処理物およびボールを入れた状態でミル容器全体の好ましくは1〜3割を充填するように添加する。
The dispersion medium is preferably substantially free of water. Specifically, the content of water in the dispersion medium is preferably 0 to 0.1% by mass.
The dispersion medium is added so that preferably 30 to 30% of the entire mill container is filled with the heat-treated product and balls in the mill container.

乾式で(すなわち、分散媒を用いずに)の解砕は、解砕後、触媒を回収しやすい点で好ましい。
前記解砕は、通常、常温常圧下で行うが、温度、圧力を調整して行ってもよい。
Crushing in a dry process (that is, without using a dispersion medium) is preferable because the catalyst can be easily recovered after crushing.
The crushing is usually performed under normal temperature and normal pressure, but may be performed by adjusting the temperature and pressure.

(燃料電池用電極触媒)
触媒製造工程(A)で製造される燃料電池用電極触媒(a)(以下、単に「電極触媒(a)」、「触媒(a)」などともいう)を構成する遷移金属元素(ただし、遷移金属元素M1と遷移金属元素M2とを区別しない。)、炭素、窒素および酸素の原子数の比を、遷移金属元素:炭素:窒素:酸素=1:x:y:zと表すと、好ましくは、0<x≦7、0<y≦2、0<z≦3である。
(Electrocatalyst for fuel cell)
Transition metal elements constituting the electrode catalyst (a) for fuel cell (hereinafter also simply referred to as “electrode catalyst (a)”, “catalyst (a)”, etc.) produced in the catalyst production step (A) (however, transition The metal element M1 and the transition metal element M2 are not distinguished from each other.) When the ratio of the number of atoms of carbon, nitrogen, and oxygen is expressed as transition metal element: carbon: nitrogen: oxygen = 1: x: y: z, 0 <x ≦ 7, 0 <y ≦ 2, and 0 <z ≦ 3.

電極触媒の活性が高いことから、xの範囲は、より好ましくは0.15≦x≦5.0、さらに好ましくは0.2≦x≦4.0であり、特に好ましくは1.0≦x≦3.0であり、yの範囲は、より好ましくは0.01≦y≦1.5、さらに好ましくは0.02≦y≦0.5であり、特に好ましくは0.03≦y≦0.4であり、zの範囲は、より好ましくは0.6≦z≦2.6であり、さらに好ましくは0.9≦z≦2.0であり、特に好ましくは1.3≦z≦1.9である。   Since the activity of the electrode catalyst is high, the range of x is more preferably 0.15 ≦ x ≦ 5.0, further preferably 0.2 ≦ x ≦ 4.0, and particularly preferably 1.0 ≦ x. ≦ 3.0, and the range of y is more preferably 0.01 ≦ y ≦ 1.5, still more preferably 0.02 ≦ y ≦ 0.5, and particularly preferably 0.03 ≦ y ≦ 0. And the range of z is more preferably 0.6 ≦ z ≦ 2.6, further preferably 0.9 ≦ z ≦ 2.0, and particularly preferably 1.3 ≦ z ≦ 1. .9.

また前記触媒が、前記遷移金属元素として、周期表第4族および第5族の元素からなる群から選択される1種の遷移金属元素M1、および鉄、ニッケル、クロム、コバルト、バナジウムおよびマンガンより選択される少なくとも1種の遷移金属元素M2を含む場合には、前記触媒を構成する遷移金属元素M1、遷移金属元素M2、炭素、窒素および酸素の原子数の比を、遷移金属元素M1:遷移金属元素M2:炭素:窒素:酸素=(1−a):a:x:y:zと表すと、好ましくは、0<a≦0.5、0<x≦7、0<y≦2、0<z≦3である。前記触媒は、このようにM2を含むと、より性能が高くなる。   In addition, the catalyst includes, as the transition metal element, one transition metal element M1 selected from the group consisting of Group 4 and Group 5 elements of the periodic table, and iron, nickel, chromium, cobalt, vanadium, and manganese. In the case of containing at least one selected transition metal element M2, the ratio of the number of atoms of the transition metal element M1, transition metal element M2, carbon, nitrogen and oxygen constituting the catalyst is set to the transition metal element M1: transition. When expressed as metal element M2: carbon: nitrogen: oxygen = (1-a): a: x: y: z, 0 <a ≦ 0.5, 0 <x ≦ 7, 0 <y ≦ 2, 0 <z ≦ 3. When the catalyst contains M2 as described above, the performance becomes higher.

電極触媒の活性が高いことから、x、yおよびzの好ましい範囲は上述のとおりであり、aの範囲は、より好ましくは0.01≦a≦0.5、さらに好ましくは0.02≦a≦0.4、特に好ましくは0.05≦a≦0.3である。
前記a、x、yおよびzの値は、後述する触媒製造例で採用した方法により測定した場合の値である。
Since the activity of the electrode catalyst is high, the preferable ranges of x, y and z are as described above, and the range of a is more preferably 0.01 ≦ a ≦ 0.5, and further preferably 0.02 ≦ a. ≦ 0.4, particularly preferably 0.05 ≦ a ≦ 0.3.
The values of a, x, y and z are values measured by the method employed in the catalyst production example described later.

<遷移金属元素M2が存在することにより発揮されると予想される効果>
遷移金属元素M2(M1とは異なる、鉄、ニッケル、クロム、コバルト、バナジウムおよびマンガンより選択される少なくとも1種の金属元素)が存在することにより予想される効果は以下のとおりである。
<Effect expected to be exhibited by the presence of transition metal element M2>
The effects expected due to the presence of the transition metal element M2 (at least one metal element selected from iron, nickel, chromium, cobalt, vanadium and manganese, which is different from M1) are as follows.

(1)遷移金属元素M2または遷移金属元素M2を含む化合物が、電極触媒を合成する際に、遷移金属元素M1原子と窒素原子との結合を形成するための触媒として作用している。   (1) The transition metal element M2 or the compound containing the transition metal element M2 acts as a catalyst for forming a bond between the transition metal element M1 atom and the nitrogen atom when synthesizing the electrode catalyst.

(2)遷移金属元素M1が溶出するような高電位、高酸化性雰囲気下で電極触媒を使用する場合であっても、遷移金属元素M2が不動態化することによって、遷移金属元素M1のさらなる溶出を防ぐ。   (2) Even when the electrode catalyst is used in a high potential, high oxidizing atmosphere where the transition metal element M1 is eluted, the transition metal element M2 is passivated to further increase the transition metal element M1. Prevent elution.

(3)工程a3の熱処理の際に、熱処理物の焼結、すなわち比表面積の低下を防ぐ。
(4)電極触媒中に遷移金属元素M1、遷移金属元素M2および存在することによって、双方の金属元素原子が隣接しあう部位において、電荷の偏りが生じ、金属元素として遷移金属元素M1のみを有する電極触媒ではなしえない、基質の吸着もしくは反応、または生成物の脱離が発生する。
(3) During the heat treatment in step a3, sintering of the heat-treated product, that is, reduction in specific surface area is prevented.
(4) When the transition metal element M1 and the transition metal element M2 are present in the electrode catalyst, there is a bias of charge at the site where both metal element atoms are adjacent to each other, and only the transition metal element M1 is included as the metal element. Substrate adsorption or reaction, or product desorption, which cannot be achieved with an electrocatalyst, occurs.

前記触媒は、好ましくは、遷移金属元素、炭素、窒素および酸素の各原子を有し、前記遷移金属元素の酸化物、炭化物または窒化物単独あるいはこれらのうちの複数の結晶構造を有する。前記触媒に対するX線回折分析による結晶構造解析の結果と、元素分析の結果とから判断すると、前記触媒は、前記遷移金属元素の酸化物構造を有したまま、酸化物構造の酸素原子のサイトを炭素原子または窒素原子で置換した構造、あるいは前記遷移金属元素の炭化物、窒化物または炭窒化物の構造を有したまま、炭素原子または窒素原子のサイトを酸素原子で置換した構造を有するか、あるいはこれらの構造を含む混合物ではないかと推測される。   The catalyst preferably has atoms of a transition metal element, carbon, nitrogen, and oxygen, and has an oxide, carbide, nitride, or a plurality of crystal structures of the transition metal element. Judging from the results of the crystal structure analysis by X-ray diffraction analysis for the catalyst and the results of elemental analysis, the catalyst has oxygen oxide sites in the oxide structure while having the oxide structure of the transition metal element. A structure in which a carbon atom or a nitrogen atom is substituted, or a structure in which a site of a carbon atom or a nitrogen atom is substituted with an oxygen atom while having a carbide, nitride or carbonitride structure of the transition metal element, or It is speculated that it is a mixture containing these structures.

<BET比表面積>
前記触媒製造工程(A)によれば、比表面積の大きな燃料電池用電極触媒が製造され、この触媒(a)のBET法で算出される比表面積は、好ましくは30〜350m2/g、より好ましくは50〜300m2/g、さらに好ましくは100〜300m2/gである。
<BET specific surface area>
According to the catalyst production step (A), a fuel cell electrode catalyst having a large specific surface area is produced, and the specific surface area calculated by the BET method of the catalyst (a) is preferably 30 to 350 m 2 / g. preferably 50 to 300 m 2 / g, more preferably from 100 to 300 m 2 / g.

前記触媒の、下記測定法(A)において、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0.05mA/cm2以上の差が現れ始める電位(酸素還元電位E@0.05mA/cm2)は、可逆水素電極を基準として好ましくは0.6V(vs.RHE)以上、より好ましくは0.7V(vs.RHE)以上、さらに好ましくは0.8V以上である。 In the following measurement method (A) of the catalyst, a potential at which a difference of 0.05 mA / cm 2 or more begins to appear between the reduction current in an oxygen atmosphere and the reduction current in a nitrogen atmosphere (oxygen reduction potential E@0.05 mA / cm 2 ) is preferably 0.6 V (vs. RHE) or higher, more preferably 0.7 V (vs. RHE) or higher, more preferably 0.8 V or higher, based on the reversible hydrogen electrode.

〔測定法(A):
電子伝導性物質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、該触媒及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 VULCAN(登録商標) 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。
[Measurement method (A):
The catalyst and carbon are placed in a solvent so that the amount of the catalyst dispersed in carbon, which is an electron conductive material, is 1% by mass, and stirred with ultrasonic waves to obtain a suspension. As carbon, carbon black (specific surface area: 100 to 300 m 2 / g) (for example, VULCAN (registered trademark) XC-72 manufactured by Cabot) is used, and the mass ratio of the catalyst and carbon is 95: 5. To disperse. 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10μL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5分間乾燥させる。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。この滴下及び乾燥操作を、カーボン電極表面に1.0mg以上の燃料電池触媒層が形成されるまで行う。   10 μL of the suspension is collected while applying ultrasonic waves, quickly dropped onto a glassy carbon electrode (diameter: 5.2 mm), and dried at 120 ° C. for 5 minutes. By drying, a catalyst layer for a fuel cell containing the catalyst is formed on the glassy carbon electrode. This dropping and drying operation is performed until a 1.0 mg or more fuel cell catalyst layer is formed on the surface of the carbon electrode.

次いでNAFION(登録商標)(デュポン社 5%NAFION(登録商標)溶液(DE521))をイソプロピルアルコールで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 (registered trademark) (DuPont 5% NAFION (registered trademark) solution (DE521)) diluted 10-fold with isopropyl alcohol 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、酸素雰囲気及び窒素雰囲気で、0.5mol/Lの硫酸水溶液中、30℃の温度で、同濃度の硫酸水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。〕
本発明において、酸素還元電流密度は、以下のとおり求めることができる。
Thus, using the obtained electrode, a reversible hydrogen electrode in a sulfuric acid aqueous solution of the same concentration at a temperature of 30 ° C. in a 0.5 mol / L sulfuric acid aqueous solution in an oxygen atmosphere and a nitrogen atmosphere was used as a reference electrode. And 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 when the current-potential curve is measured by polarization at a potential scanning speed of 5 mV / sec. The starting potential is defined as the oxygen reduction starting potential. ]
In the present invention, the oxygen reduction current density can be determined as follows.

まず、上記測定法(A)の結果から、特定の電位(たとえば0.7V(vsRHE))における、酸素雰囲気での還元電流と窒素雰囲気での還元電流との差を算出する。算出した値を、さらに電極面積で除した値を酸素還元電流密度(mA/cm2)とする。
触媒製造工程(A)で製造された触媒(a)は、白金触媒の代替触媒として使用することができる。
First, a difference between a reduction current in an oxygen atmosphere and a reduction current in a nitrogen atmosphere at a specific potential (for example, 0.7 V (vsRHE)) is calculated from the result of the measurement method (A). A value obtained by dividing the calculated value by the electrode area is defined as an oxygen reduction current density (mA / cm 2 ).
The catalyst (a) produced in the catalyst production step (A) can be used as an alternative catalyst for the platinum catalyst.

[触媒ペースト]
本発明で用いられるカソード触媒ペーストは、触媒粒子として、前記触媒製造工程(A)で製造された燃料電池用電極触媒(a)の粒子を含有している。このため、このカソード触媒ペーストを用いることによって、白金触媒等を含む従来の触媒ペーストを用いた場合と比べて低コストで膜・電極接合体を製造することができる。
[Catalyst paste]
The cathode catalyst paste used in the present invention contains particles of the fuel cell electrode catalyst (a) produced in the catalyst production step (A) as catalyst particles. Therefore, by using this cathode catalyst paste, it is possible to produce a membrane / electrode assembly at a lower cost compared to the case where a conventional catalyst paste containing a platinum catalyst or the like is used.

このカソード触媒ペーストは、触媒粒子として、燃料電池用電極触媒(a)の粒子を用いること以外は、従来の電極触媒ペーストの製造方法と同様の方法により製造することができる。   This cathode catalyst paste can be produced by a method similar to the conventional method for producing an electrode catalyst paste, except that the particles of the fuel cell electrode catalyst (a) are used as catalyst particles.

また、本発明で用いられるアノード触媒ペーストは、従来公知の電極触媒ペーストであってもよく、前記カソード触媒ペーストと同様に、触媒粒子として、燃料電池用電極触媒(a)を含有する触媒ペーストであってもよい。   The anode catalyst paste used in the present invention may be a conventionally known electrode catalyst paste. Like the cathode catalyst paste, the anode catalyst paste is a catalyst paste containing a fuel cell electrode catalyst (a) as catalyst particles. There may be.

前記触媒ペーストは、好ましくは、電子伝導性粉末(電子伝導性粒子)をさらに含む。前記触媒ペーストがさらに電子伝導性粉末を含む場合には、燃料電池の還元電流をより高めることができる。電子伝導性粉末は、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 paste preferably further includes an electron conductive powder (electron conductive particles). When the catalyst paste further contains an electron conductive powder, the reduction current of the fuel cell can be further increased. The electron conductive powder is considered to increase the reduction current because it causes 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。
前記触媒はある程度の導電性を有するが、触媒により多くの電子を与える、あるいは、反応基質が触媒から多くの電子を受け取るために、触媒に、導電性を付与するための担体粒子を混合してもよい。これらの担体粒子は、触媒製造工程(A)における工程a1〜工程a3を経て製造された触媒に混合されてもよく、工程a1〜工程a3のいずれかの段階で混合されてもよい。
The electron conductive particles are usually used as a catalyst carrier.
The catalyst has a certain degree of conductivity, but in order to give more electrons to the catalyst, or in order for the reaction substrate to receive more electrons from the catalyst, the catalyst is mixed with carrier particles for imparting conductivity. Also good. These carrier particles may be mixed with the catalyst manufactured through the steps a1 to a3 in the catalyst manufacturing step (A), or may be mixed at any stage of the steps a1 to a3.

電子伝導性粒子の材質としては、炭素、導電性高分子、導電性セラミックス、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1種単独または組み合わせて用いることができる。特に、炭素からなる電子伝導性粒子は比表面積が大きいため、また、安価に小粒径のものを入手しやすく、耐薬品性、耐高電位性に優れるため、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。すなわち触媒層は、前記触媒と炭素とを含むことが好ましい。   Examples of the material of the electron conductive particles include carbon, a conductive polymer, a conductive ceramic, a metal, or a conductive inorganic oxide such as tungsten oxide or iridium oxide, which can be used alone or in combination. . In particular, since the electron conductive particles made of carbon have a large specific surface area, and are easily available with a small particle size at low cost, and are excellent in chemical resistance and high potential resistance, carbon alone or carbon and other electrons. A mixture with conductive particles is preferred. That is, the 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、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、多孔体カーボン、グラフェンなどが挙げられる。炭素からなる電子伝導性粒子の粒径は、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の低下や触媒の利用率の低下が起こる傾向があるため、好ましくは10〜1000nmであり、より好ましくは10〜100nmである。   Examples of carbon include carbon black, graphite, activated carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, fullerene, porous carbon, and graphene. If the particle size of the electron conductive particles made of carbon is too small, it becomes difficult to form an electron conduction path. If the particle size is too large, the gas diffusibility of the fuel cell catalyst layer and the catalyst utilization rate tend to decrease. Therefore, it is preferably 10 to 1000 nm, more preferably 10 to 100 nm.

電子伝導性粒子が炭素からなる場合、前記触媒と電子伝導性粒子との重量比(触媒:電子伝導性粒子)は、好ましくは4:1〜1000:1である。
前記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。
When the electron conductive particles are made of carbon, the weight ratio of the catalyst to the electron conductive particles (catalyst: electron conductive particles) is preferably 4: 1 to 1000: 1.
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) salt, polypyridine, polyquinoxaline, polyphenylquinoxaline and the like. Among these, polypyrrole, polyaniline, and polythiophene are preferable, and polypyrrole is more preferable.

前記触媒ペーストが含有する溶媒(分散媒)としては、水、およびエチルアルコール、n−プロピルアルコール、iso−プロピルアルコール、n−ブチルアルコール、t−ブチルアルコール、テルピネオール等の水酸基を有する化合物が挙げられ、これらは混合して用いてもよい。   Examples of the solvent (dispersion medium) contained in the catalyst paste include water and compounds having a hydroxyl group such as ethyl alcohol, n-propyl alcohol, iso-propyl alcohol, n-butyl alcohol, t-butyl alcohol, and terpineol. These may be used as a mixture.

前記触媒ペーストは、好ましくは高分子電解質をさらに含む。前記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(NAFION(登録商標))、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(NAFION(登録商標)が好ましい。ナフィオン(NAFION(登録商標))の供給源としては、5%ナフィオン(NAFION(登録商標))溶液(DE521、デュポン社)などが挙げられる。   The catalyst paste preferably further includes a polymer electrolyte. 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 (registered trademark)), a hydrocarbon polymer compound having a sulfonic acid group, a polymer doped with an inorganic acid such as phosphoric acid. Compounds, organic / inorganic hybrid polymers partially substituted with proton-conducting functional groups, proton conductors in which a polymer matrix is impregnated with a phosphoric acid solution or a sulfuric acid solution, etc. Among these, NAFION As a supply source of NAFION (registered trademark), a 5% NAFION (registered trademark) solution (DE521, DuPont) may be used.

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、工程(B)および工程(C)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。
また、前記触媒を、前記電子伝導性粒子上に分散させる際、さらに上記電解質成分と分散剤とを同時に分散させてもよい。
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 step (B) and step (C). 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
Further, when the catalyst is dispersed on the electron conductive particles, the electrolyte component and the dispersant may be further dispersed at the same time.

[膜・電極接合体の製造方法、および固体高分子型燃料電池]
次に、本発明の膜・電極接合体の製造方法、および固体高分子型燃料電池を、図を参照しながら説明する。
[Method for producing membrane / electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell]
Next, a method for producing a membrane / electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described with reference to the drawings.

実施の形態1.
図61はこの発明の実施の形態1に係る固体高分子型燃料電池の構造を説明する断面図、図62はこの発明の実施の形態1に係る固体高分子型燃料電池におけるアノード触媒層の形成状態を説明する要部平面部、図63はこの実施の形態1に係る固体高分子型燃料電池の膜・電極接合体の製造方法に適用される金型のホットプレス面を示す平面図、図64はこの実施の形態1に係る固体高分子型燃料電池の膜・電極接合体の製造方法を説明する側面図である。なお、図63では、説明の便宜上、凹溝を黒塗りで表している。
Embodiment 1 FIG.
61 is a cross-sectional view for explaining the structure of the solid polymer fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 62 is the formation of an anode catalyst layer in the polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 63 is a plan view showing a hot press surface of a mold applied to the method for manufacturing a membrane / electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1. FIG. 64 is a side view for explaining a method for producing a membrane / electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1. FIG. In FIG. 63, the concave grooves are shown in black for convenience of explanation.

図61において、アノード触媒層11およびカソード触媒層12が固体高分子電解質膜2を挟んで配置され、接合一体化されて発電要素体を構成している。そして、アノード触媒層11は、図62に示されるように、触媒形成領域11aが触媒非形成領域11bにより分離されてマトリックス状に配列されて固体高分子電解質膜2の一面上に形成されている。同様に、カソード触媒層12は、触媒形成領域12aが触媒非形成領域12bにより分離されてマトリックス状に配列されて固体高分子電解質膜2の他面上に形成されている。さらに、アノード側ガス拡散層5およびカソード側ガス拡散層6が固体高分子電解質膜2を挟んでアノード触媒層11およびカソード触媒層12上に密着して配置され、膜・電極接合体10を構成している。   In FIG. 61, an anode catalyst layer 11 and a cathode catalyst layer 12 are arranged with a solid polymer electrolyte membrane 2 interposed therebetween, and are joined and integrated to constitute a power generation element body. As shown in FIG. 62, the anode catalyst layer 11 is formed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane 2 with the catalyst formation region 11a separated by the catalyst non-formation region 11b and arranged in a matrix. . Similarly, the cathode catalyst layer 12 is formed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane 2 in which the catalyst formation region 12a is separated by the catalyst non-formation region 12b and arranged in a matrix. Further, the anode-side gas diffusion layer 5 and the cathode-side gas diffusion layer 6 are disposed in close contact with the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 12 with the solid polymer electrolyte membrane 2 interposed therebetween, thereby constituting the membrane / electrode assembly 10. is doing.

そして、ガス流路7a、8aを有する一対のセパレータ板7、8がガス流路7a、8aをそれぞれアノード側ガス拡散層5およびカソード側ガス拡散層6に面するように膜・電極接合体10を挟んで配設されている。   The pair of separator plates 7 and 8 having the gas flow paths 7a and 8a faces the gas flow paths 7a and 8a to the anode-side gas diffusion layer 5 and the cathode-side gas diffusion layer 6, respectively. It is arrange | positioned on both sides.

なお、アノード側ガス拡散層5は燃料ガスをアノード触媒層11に均一に供給するとともに集電する機能を有し、アノード触媒層11とともにアノード電極を構成し、カソード側ガス拡散層6は酸化剤ガスをカソード触媒層12に均一に供給するとともに集電する機能を有し、カソード触媒層12とともにカソード電極を構成している。また、説明の便宜上、固体高分子型燃料電池は、膜・電極接合体10をセパレータ板7、8で挟んで構成された単セルとして示されているが、一般的には、膜・電極接合体10とセパレータ板7、8とを交互に複数積層して構成される。   The anode side gas diffusion layer 5 has a function of uniformly supplying the fuel gas to the anode catalyst layer 11 and collecting current. The anode side gas diffusion layer 6 constitutes an anode electrode together with the anode catalyst layer 11, and the cathode side gas diffusion layer 6 is an oxidizing agent. A gas is supplied uniformly to the cathode catalyst layer 12 and has a function of collecting current, and a cathode electrode is configured together with the cathode catalyst layer 12. For convenience of explanation, the polymer electrolyte fuel cell is shown as a single cell having a membrane / electrode assembly 10 sandwiched between separator plates 7 and 8. A plurality of bodies 10 and separator plates 7 and 8 are alternately stacked.

ここで、固体高分子電解質膜2には、燃料電池内の環境において安定で、プロトン伝導性とガスバリヤ性が高く、電子導電性のないものが用いられ、一般には、パーフルオロ系主鎖にスルホン酸基が結合したものを用いることができる。   Here, the solid polymer electrolyte membrane 2 is one that is stable in the environment in the fuel cell, has high proton conductivity and gas barrier property, and does not have electronic conductivity, and generally has a sulfone group in the perfluoro main chain. Those having an acid group bonded thereto can be used.

また、炭化水素系電解質膜、あるいは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。
アノードおよびカソード触媒層11、12は、主に、触媒粒子と、触媒とイオンのやりとりをする高分子電解質とから構成される。さらに、触媒層の親水性や撥水性を制御したり、空孔率を向上させる目的で、無機質粒子、ポリマー粒子、カーボン粒子などの添加物を混入することもある。
Further, a hydrocarbon electrolyte membrane, a membrane in which a polymer microporous membrane is impregnated with a liquid electrolyte, or a membrane in which a porous body is filled with a polymer electrolyte may be used.
The anode and cathode catalyst layers 11 and 12 are mainly composed of catalyst particles and a polymer electrolyte that exchanges ions with the catalyst. Furthermore, additives such as inorganic particles, polymer particles, and carbon particles may be mixed for the purpose of controlling the hydrophilicity and water repellency of the catalyst layer and improving the porosity.

本発明においては、カソード用触媒層12を構成する触媒粒子としては、前記触媒製造工程(A)で製造された燃料電池用電極触媒(a)の粒子が用いられる。
アノード用触媒層11を構成する触媒粒子としては、前記触媒製造工程(A)で製造された燃料電池用電極触媒(a)の粒子を用いてもよく、従来公知の触媒粒子(たとえばーボンブラック粒子表面に白金などの触媒活性を持つ金属微粒子を担持させたもの)を用いてもよい。
In the present invention, as the catalyst particles constituting the cathode catalyst layer 12, the particles of the fuel cell electrode catalyst (a) produced in the catalyst production step (A) are used.
As the catalyst particles constituting the anode catalyst layer 11, the fuel cell electrode catalyst (a) particles produced in the catalyst production step (A) may be used, and conventionally known catalyst particles (for example, carbon black particle surfaces) May be used in which metal fine particles having catalytic activity such as platinum are supported.

アノード側およびカソード側ガス拡散層5、6は、燃料電池内の環境においても安定な導電性多孔体であればよく、一般的には、カーボンペーパー、カーボンクロスなどのカーボン繊維で形成された多孔体が用いられる。   The anode-side and cathode-side gas diffusion layers 5 and 6 may be any conductive porous body that is stable even in the environment within the fuel cell. Generally, the anode-side and cathode-side gas diffusion layers 5 and 6 are porous formed of carbon fibers such as carbon paper and carbon cloth. The body is used.

あるいは、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。 セパレータ板7、8は、燃料電池内の環境においても安定な導電性板であればよく、一般的には、カーボン板にガス流路溝を形成したものが用いられる。   Alternatively, an aluminum foil coated with stainless steel or corrosion resistant material is used for weight reduction. Separator plates 7 and 8 may be any conductive plate that is stable even in the environment inside the fuel cell, and generally a carbon plate formed with gas flow channel grooves is used.

このように構成された固体高分子型燃料電池においては、アノード触媒層11は、図62に示されるように、触媒形成領域11aが触媒非形成領域11bにより分離されてマトリックス状に配列されて固体高分子電解質膜2の一面上に形成されてアノード触媒層11を構成し、触媒形成領域12aが触媒非形成領域12bにより分離されてマトリックス状に配列されて固体高分子電解質膜2の他面上に形成されてカソード触媒層12を構成している。また、触媒形成領域11aと触媒形成領域12aとは、固体高分子電解質膜2を挟んで同形状、かつ、同位置に形成されている。   In the polymer electrolyte fuel cell configured as described above, as shown in FIG. 62, the anode catalyst layer 11 has a solid structure in which the catalyst formation region 11a is separated by the catalyst non-formation region 11b and arranged in a matrix. An anode catalyst layer 11 is formed on one surface of the polymer electrolyte membrane 2, and the catalyst formation region 12 a is separated by the catalyst non-formation region 12 b and arranged in a matrix, on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane 2. The cathode catalyst layer 12 is formed. The catalyst forming region 11a and the catalyst forming region 12a are formed in the same shape and at the same position with the solid polymer electrolyte membrane 2 interposed therebetween.

そこで、触媒非形成領域12bはプロトンに同伴する水の移動がないので、カソード側からアノード側に水が移動するパスとなる。そして、カソード触媒層12がカソード反応による生成水とプロトンに同伴してアノード側から運ばれてくる水とによって局所的な水過剰の状態になると、過剰な水は触媒非形成領域12bを通ってアノード側に返水され、局所的な水過剰の状態が解消される。また、水過剰な触媒形成領域12a内の水は、触媒非形成領域12bを通って隣接する触媒形成領域12aに移動し、局所的な水過剰の状態が解消される。その結果、カソード触媒層12の湿潤状態が均一となり、固体高分子電解質膜2の湿潤状態が均一となる。   Therefore, since the catalyst non-formation region 12b does not move water accompanying protons, it becomes a path through which water moves from the cathode side to the anode side. When the cathode catalyst layer 12 is in a state of local excess of water due to water generated by the cathode reaction and water carried from the anode side accompanying protons, excess water passes through the non-catalyst formation region 12b. Water is returned to the anode side, and the local excessive water state is eliminated. Further, the water in the excessive catalyst formation region 12a moves to the adjacent catalyst formation region 12a through the non-catalyst formation region 12b, and the local excessive water state is eliminated. As a result, the wet state of the cathode catalyst layer 12 becomes uniform, and the wet state of the solid polymer electrolyte membrane 2 becomes uniform.

これにより、供給ガスの湿度を下げても、固体高分子電解質2の水の枯渇が防止され、電池性能の低下が抑えられる。
ついで、膜・電極接合体10の製造方法について、図63および図64を参照しつつ説明する。
As a result, even if the humidity of the supply gas is lowered, the solid polymer electrolyte 2 is prevented from being depleted of water, and a decrease in battery performance is suppressed.
Next, a method for manufacturing the membrane / electrode assembly 10 will be described with reference to FIGS. 63 and 64.

まず、アノード触媒ペースト15を第1転写フィルム20上に所定厚みに塗布した後、乾燥する。同様に、カソード触媒ペースト16を第2転写フィルム21上に所定厚みに塗布した後、乾燥する。   First, the anode catalyst paste 15 is applied on the first transfer film 20 to a predetermined thickness and then dried. Similarly, the cathode catalyst paste 16 is applied to the second transfer film 21 to a predetermined thickness and then dried.

ついで、乾燥されたアノード触媒ペースト15およびカソード触媒ペースト16を固体高分子電解質膜2に面するようにして、第1および第2転写フィルム20、21を固体高分子電解質膜2を挟持するように重ね合わせ、積層体25を作製する。   Next, the dried anode catalyst paste 15 and cathode catalyst paste 16 face the solid polymer electrolyte membrane 2, and the first and second transfer films 20, 21 are sandwiched between the solid polymer electrolyte membranes 2. The stacked body 25 is produced by overlapping.

そして、図64に示されるように、所定温度に加熱された上下金型30、31間に積層体25を配置し、上金型30を下金型31に対して押圧する。ここで、下金型31は全面平坦なホットプレス面31aに形成されている。一方、上金型30は、図63に示されるように、触媒ペースト非転写部としての凹溝30cが所定ピッチに縦横に形成されて、平坦な触媒ペースト転写部30bがマトリックス状に配列されているホットプレス面31aに形成されている。   Then, as shown in FIG. 64, the laminate 25 is disposed between the upper and lower molds 30 and 31 heated to a predetermined temperature, and the upper mold 30 is pressed against the lower mold 31. Here, the lower die 31 is formed on a hot press surface 31a that is flat on the entire surface. On the other hand, as shown in FIG. 63, the upper die 30 has concave grooves 30c as catalyst paste non-transfer portions formed vertically and horizontally at a predetermined pitch, and flat catalyst paste transfer portions 30b arranged in a matrix. The hot press surface 31a is formed.

これにより、触媒ペースト転写部30bで押圧されたアノード触媒ベースト15およびカソード触媒ペースト16の領域が固体高分子電解質膜2に食い込む。そして、上金型30を取り去り、第1および第2転写フィルム20、21を剥離して、触媒ペースト転写部30bで押圧されたアノード触媒ベースト15およびカソード触媒ペースト16の領域が固体高分子電解質膜2に転写される。そこで、触媒形成領域11a、12aが固体高分子電解質膜2の両面にそれぞれマトリックス状に配列された発電要素体を得る。さらに、アノード側ガス拡散層5およびカソード側ガス拡散層6を発電要素体の両側に配設して、膜・電極接合体10が得られる。   As a result, the areas of the anode catalyst base 15 and the cathode catalyst paste 16 pressed by the catalyst paste transfer part 30b bite into the solid polymer electrolyte membrane 2. Then, the upper mold 30 is removed, the first and second transfer films 20 and 21 are peeled off, and the regions of the anode catalyst base 15 and the cathode catalyst paste 16 pressed by the catalyst paste transfer portion 30b are solid polymer electrolyte membranes. 2 is transferred. Therefore, a power generation element body in which the catalyst formation regions 11a and 12a are respectively arranged in a matrix on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 2 is obtained. Furthermore, the anode-side gas diffusion layer 5 and the cathode-side gas diffusion layer 6 are disposed on both sides of the power generation element body, whereby the membrane / electrode assembly 10 is obtained.

この膜・電極接合体10の製造方法によれば、上金型30のホットプレス面30aが凹溝30cにより分離されてマトリックス状に配列された平坦な触媒ペースト転写部30bに形成されているので、ホットプレスの際に、上金型30により圧力分布が形成され、アノード触媒ベースト15およびカソード触媒ペースト16が固体高分子電解質膜2に所望のパターンに転写される。つまり、アノード触媒ベースト15およびカソード触媒ペースト16は、触媒ペースト転写部30bで押圧された領域が第1および第2転写フィルム20、21から固体高分子電解質膜2に転写され、凹溝30cに対応する領域は押圧されず、固体高分子電解質2に転写されない。その結果、アノード触媒層11およびカソード触媒層12は、触媒形成領域11a、12aが分離されてマトリクス状に構成され、水の拡散の効率が高められた膜・電極接合体10を簡易に作製できる。また、触媒形成領域11aと触媒形成領域12aとが固体高分子電解質膜2を挟んで同形状、かつ、同位置に精度よく形成されるので、触媒層の機能しない部分が生じない。   According to the method of manufacturing the membrane / electrode assembly 10, the hot press surface 30a of the upper mold 30 is formed on the flat catalyst paste transfer portion 30b separated by the concave grooves 30c and arranged in a matrix. During hot pressing, a pressure distribution is formed by the upper mold 30, and the anode catalyst base 15 and the cathode catalyst paste 16 are transferred to the solid polymer electrolyte membrane 2 in a desired pattern. That is, the anode catalyst base 15 and the cathode catalyst paste 16 are transferred from the first and second transfer films 20 and 21 to the solid polymer electrolyte membrane 2 in the area pressed by the catalyst paste transfer portion 30b, and correspond to the concave groove 30c. The region to be pressed is not pressed and is not transferred to the solid polymer electrolyte 2. As a result, the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 12 are configured in a matrix form by separating the catalyst formation regions 11a and 12a, and the membrane / electrode assembly 10 with improved water diffusion efficiency can be easily produced. . Further, since the catalyst forming region 11a and the catalyst forming region 12a are accurately formed in the same shape and at the same position with the solid polymer electrolyte membrane 2 interposed therebetween, a portion where the catalyst layer does not function does not occur.

また、アノード触媒層11およびカソード触媒層12の転写面積は上金型30のホットプレス面30aにより規定されるので、アノード触媒ペースト15およびカソード触媒ペースト16を第1および第2転写フィルム20、21に塗布する領域はホットプレス面30aより大きくすることができる。従って、第1および第2転写フィルム20、21上のアノード触媒ペースト15およびカソード触媒ペースト16の塗布面積を精度よく管理する必要はなく、アノード触媒ペースト15およびカソード触媒ペースト16の塗布工程が簡略化され、生産性が向上する。   Further, since the transfer areas of the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 12 are defined by the hot press surface 30a of the upper mold 30, the anode catalyst paste 15 and the cathode catalyst paste 16 are transferred to the first and second transfer films 20, 21. The area to be applied can be larger than the hot press surface 30a. Therefore, it is not necessary to accurately manage the application areas of the anode catalyst paste 15 and the cathode catalyst paste 16 on the first and second transfer films 20 and 21, and the application process of the anode catalyst paste 15 and the cathode catalyst paste 16 is simplified. Productivity.

また、アノード触媒ペースト15およびカソード触媒ペースト16は位置および形状が一致して固体高分子電解質2上に転写されるので、煩雑な位置あわせ工程が不要となり、生産性が向上する。   Moreover, since the anode catalyst paste 15 and the cathode catalyst paste 16 are transferred onto the solid polymer electrolyte 2 with the same position and shape, a complicated alignment step is not required, and the productivity is improved.

ここで、第1および第2転写フィルム20、21は、ホットプレス時の温度に耐え、触媒ペーストの溶剤に侵されず、かつ、製造操作に耐える強度を有しているものであればよく、例えばPET(ポリエチレンテレフタレート)フィルムが用いられる。そして、第1および第2フィルム20、21は、厚くなると微細パターンが形成しにくくなり、薄くなると強度が低下して取り扱い性が悪化することから、50μm以下、10μm以上とすることが望ましい。   Here, the first and second transfer films 20 and 21 may be any material that can withstand the temperature during hot pressing, is not affected by the solvent of the catalyst paste, and has strength to withstand manufacturing operations. For example, a PET (polyethylene terephthalate) film is used. The first and second films 20 and 21 are difficult to form a fine pattern when they are thick, and when they are thin, the strength is reduced and the handleability is deteriorated. Therefore, the thickness is preferably 50 μm or less and 10 μm or more.

また、ホットプレス温度が低すぎると、アノードおよびカソード触媒ペースト15、16と固体高分子電解質膜2とが一体化しにくくなり、高すぎると、固体高分子電解質膜2の熱劣化をもたらすことになる。そこで、固体高分子電解質膜2としてナフィオン(NAFION(登録商標))、フレミオン(登録商標)、アシプレックス(登録商標)などの代表的なパーフルオロ系膜を用いる場合には、ホットプレス温度は120℃以上180℃未満に設定すればよく、より望ましくは140℃以上170℃未満に設定すればよい。   If the hot press temperature is too low, the anode and cathode catalyst pastes 15 and 16 and the solid polymer electrolyte membrane 2 are difficult to be integrated, and if too high, the solid polymer electrolyte membrane 2 is thermally deteriorated. . Therefore, when a typical perfluoro-based membrane such as Nafion (registered trademark), Flemion (registered trademark), or Aciplex (registered trademark) is used as the solid polymer electrolyte membrane 2, the hot press temperature is 120. What is necessary is just to set it to 140 degreeC or more and less than 170 degreeC more desirably.

また、第1および第2転写フィルム20、21の厚さが厚い場合には、凹溝30cの溝幅が細すぎると、ホットプレス時の圧力の分散により触媒ペーストの正確な転写ができなくなることから、凹溝30cの溝幅は転写フィルムの厚さに応じて適宜設定する必要がある。   Further, when the thickness of the first and second transfer films 20 and 21 is large, if the groove width of the concave groove 30c is too narrow, accurate transfer of the catalyst paste cannot be performed due to dispersion of pressure during hot pressing. Therefore, the groove width of the concave groove 30c needs to be set appropriately according to the thickness of the transfer film.

また、触媒ペースト非転写部(凹溝30c)の面積割合を大きく設計すると、触媒形成領域11a、12aの面積が減少し、発電要素体の面積当たりの性能が悪化する。そこで、発電要素体の面積当たりの性能を確保するためには、ホットプレス面30aの面積に対する触媒ペースト非転写部の面積の割合を30%未満、好ましくは20%未満にする必要がある。   Moreover, when the area ratio of the catalyst paste non-transfer portion (concave groove 30c) is designed to be large, the areas of the catalyst formation regions 11a and 12a are reduced, and the performance per area of the power generation element body is deteriorated. Therefore, in order to ensure the performance per area of the power generating element body, the ratio of the area of the catalyst paste non-transfer portion to the area of the hot press surface 30a needs to be less than 30%, preferably less than 20%.

なお、上記実施の形態1では、触媒非形成領域11b、12bがアノード触媒層11およびカソード触媒層12をマトリックス状に分割するように形成されているものとしているが、触媒非形成領域はこの形状に限定されるものではなく、例えばドット状に形成されていてもよい。この場合、上金型のホットプレス面にドット状の凹部を分散形成すればよい。   In the first embodiment, the catalyst non-formation regions 11b and 12b are formed so as to divide the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 12 into a matrix, but the catalyst non-formation region has this shape. For example, it may be formed in a dot shape. In this case, dot-shaped concave portions may be dispersedly formed on the hot press surface of the upper mold.

実施の形態2.
図65はこの発明の実施の形態2に係る固体高分子型燃料電池におけるカソード触媒層の形成状態を説明する要部平面部、図66はこの実施の形態2に係る固体高分子型燃料電池の膜・電極接合体の製造方法に適用される第1金型のホットプレス面を示す平面図、図67はこの実施の形態2に係る固体高分子型燃料電池の膜・電極接合体の製造方法に適用される第2金型のホットプレス面を示す平面図、図68はこの実施の形態2に係る固体高分子型燃料電池の膜・電極接合体の製造方法における第1ホットプレス工程を説明する側面図、図69はこの実施の形態2に係る固体高分子型燃料電池の膜・電極接合体の製造方法における第1ホットプレス工程によるカソード触媒層の形成状態を説明する要部平面部、図70はこの実施の形態2に係る固体高分子型燃料電池の膜・電極接合体の製造方法における第2ホットプレス工程を説明する側面図である。なお、説明の便宜上、図65では、触媒形成領域にハッチングを施し、図66および図67では、凹部を黒塗りで表している。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 65 is a plan view of a main part for explaining the formation state of the cathode catalyst layer in the polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention. FIG. 66 is a diagram of the polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 2. FIG. 67 is a plan view showing a hot press surface of a first mold applied to a method for manufacturing a membrane / electrode assembly, and FIG. 67 is a method for manufacturing a membrane / electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 2. FIG. 68 is a plan view showing a hot press surface of a second mold applied to the first embodiment, and FIG. 68 illustrates a first hot press step in the method for manufacturing a membrane / electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell according to the second embodiment. FIG. 69 is a side view of the main part for explaining the formation state of the cathode catalyst layer by the first hot pressing step in the method for manufacturing the membrane / electrode assembly of the polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 2. FIG. 70 shows the second embodiment. It is a side view illustrating a second hot-pressing process in the manufacturing method of the membrane electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell that. For convenience of explanation, in FIG. 65, the catalyst formation region is hatched, and in FIG. 66 and FIG. 67, the concave portion is shown in black.

図65において、カソード触媒層13は、低加湿条件下で良好な性能を示す第1触媒形成領域13aと高加湿条件下で良好な性能を示す第2触媒形成領域13bとが、触媒非形成領域13cにより分離されてマトリックス状に配列されて固体高分子電解質膜2の他面上に形成されている。そして、第1および第2触媒形成領域13a、13bは、固体高分子電解質膜2を挟んで触媒形成領域11aと相対して同形状に形成されている。   In FIG. 65, the cathode catalyst layer 13 includes a first catalyst formation region 13a that exhibits good performance under low humidification conditions and a second catalyst formation region 13b that exhibits good performance under high humidification conditions. They are separated by 13c, arranged in a matrix, and formed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane 2. The first and second catalyst formation regions 13a and 13b are formed in the same shape as opposed to the catalyst formation region 11a with the solid polymer electrolyte membrane 2 interposed therebetween.

なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
このように構成された膜・電極接合体を用いた固体高分子型燃料電池においても、アノード触媒層11およびカソード触媒層13が触媒非形成領域11b、13cにより分離されてマトリックス状に配列された触媒形成領域11a、13a、13bにより構成されているので、触媒非形成領域11b、13cが水の移動のパスとなり、上記実施の形態1と同様の効果が得られる。
Other configurations are the same as those in the first embodiment.
Also in the polymer electrolyte fuel cell using the membrane / electrode assembly configured as described above, the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 13 are separated by the non-catalyst forming regions 11b and 13c and arranged in a matrix. Since the catalyst forming regions 11a, 13a, and 13b are configured, the catalyst non-forming regions 11b and 13c serve as a path for water movement, and the same effects as those of the first embodiment can be obtained.

また、カソード触媒層13が低加湿条件下で良好な性能を示す第1触媒形成領域13aと高加湿条件下で良好な性能を示す第2触媒形成領域13bとを混在させて構成されているので、幅広い加湿条件に対応できる固体高分子型燃料電池が実現できる。   Further, the cathode catalyst layer 13 is configured by mixing the first catalyst formation region 13a that exhibits good performance under low humidification conditions and the second catalyst formation region 13b that exhibits good performance under high humidification conditions. Thus, a polymer electrolyte fuel cell that can cope with a wide range of humidification conditions can be realized.

つぎに、膜・電極接合体の製造方法について図66乃至図70を参照しつつ説明する。
まず、アノード触媒ペースト15を第1転写フィルム20上に所定厚みに塗布した後、乾燥する。また、低加湿条件下で良好な性能を示す第1カソード触媒ペースト17を第2転写フィルム21上に所定厚みに塗布した後、乾燥する。さらに、高加湿条件下で良好な性能を示す第2カソード触媒ペースト18を第3転写フィルム22上に所定厚みに塗布した後、乾燥する。
Next, a method for producing a membrane / electrode assembly will be described with reference to FIGS.
First, the anode catalyst paste 15 is applied on the first transfer film 20 to a predetermined thickness and then dried. Moreover, after apply | coating the 1st cathode catalyst paste 17 which shows a favorable performance on low humidification conditions on the 2nd transfer film 21 to predetermined thickness, it dries. Further, the second cathode catalyst paste 18 showing good performance under high humidification conditions is applied on the third transfer film 22 to a predetermined thickness and then dried.

ついで、アノード触媒ペースト15および第1カソード触媒ペースト17を固体高分子電解質膜2に面するようにして、第1および第2転写フィルム20、21を固体高分子電解質膜2を挟持するように重ね合わせ、積層体26を作製する。   Next, the anode catalyst paste 15 and the first cathode catalyst paste 17 face the solid polymer electrolyte membrane 2, and the first and second transfer films 20 and 21 are stacked so as to sandwich the solid polymer electrolyte membrane 2. Together, the laminate 26 is produced.

そして、図68に示されるように、所定温度に加熱された上下金型32、31間に積層体26を配置し、上金型32を下金型31に対して押圧する。ここで、上金型32は、図66に示されるように、平坦な第1触媒ペースト転写部32bが、触媒ペースト非転写部としての凹部32cにより分離されて、図65における第1触媒形成領域13aの配列パターンに配列されているホットプレス面32aに形成されている。これにより、触媒ペースト転写部32bで押圧されたアノード触媒ベースト15および第1カソード触媒ペースト17の領域が固体高分子電解質膜2に食い込む。そして、上金型32を取り去り、第1および第2転写フィルム20、21を剥離して、触媒ペースト転写部32bで押圧されたアノード触媒ベースト15および第1カソード触媒ペースト17の領域が固体高分子電解質膜2に転写される。この時、固体高分子電解質膜2の他面上には、図69に示されるように、第1触媒形成領域13aが1つ置きに配列されて形成されている。なお、図示していないが、固体高分子電解質膜2の一面上には、触媒形成領域11aが、第1触媒形成領域13aと同じパターンに配列されて形成されている。   Then, as shown in FIG. 68, the laminated body 26 is disposed between the upper and lower molds 32 and 31 heated to a predetermined temperature, and the upper mold 32 is pressed against the lower mold 31. Here, as shown in FIG. 66, in the upper mold 32, the flat first catalyst paste transfer portion 32b is separated by the concave portion 32c as the catalyst paste non-transfer portion, and the first catalyst formation region in FIG. The hot press surfaces 32a are arranged in an array pattern 13a. As a result, the areas of the anode catalyst base 15 and the first cathode catalyst paste 17 pressed by the catalyst paste transfer part 32 b bite into the solid polymer electrolyte membrane 2. Then, the upper mold 32 is removed, the first and second transfer films 20 and 21 are peeled off, and the regions of the anode catalyst base 15 and the first cathode catalyst paste 17 pressed by the catalyst paste transfer portion 32b are solid polymer. Transferred to the electrolyte membrane 2. At this time, on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane 2, as shown in FIG. 69, the first catalyst formation regions 13a are arranged alternately. Although not shown, the catalyst formation region 11a is formed on the one surface of the solid polymer electrolyte membrane 2 in the same pattern as the first catalyst formation region 13a.

ついで、第3転写フィルム22を固体高分子電解質膜2の他面側に重ね合わせ、積層体27を作製する。
そして、図70に示されるように、所定温度に加熱された上下金型33、31間に積層体27を配置し、上金型33を下金型31に対して押圧する。ここで、上金型33は、図67に示されるように、平坦な第2触媒ペースト転写部33bが、触媒ペースト非転写部としての凹部33cにより分離されて、図65における第2触媒形成領域13bの配列パターンに配列されているホットプレス面33aに形成されている。これにより、触媒ペースト転写部33bで押圧されたアノード触媒ベースト15および第2カソード触媒ペースト18の領域が固体高分子電解質膜2に食い込む。そして、上金型33を取り去り、第1および第3転写フィルム20、22を剥離して、触媒ペースト転写部33bで押圧されたアノード触媒ベースト15および第2カソード触媒ペースト18の領域が固体高分子電解質膜2に転写される。これにより、触媒形成領域11aが固体高分子電解質膜2の一面上にマトリックス状に配列され、かつ、第1および第2触媒形成領域13a、13bが固体高分子電解質膜2の他面上にマトリックス状に配列された発電要素体が得られる。さらに、アノード側ガス拡散層5およびカソード側ガス拡散層6を発電要素体の両側に配設して、膜・電極接合体が得られる。
Subsequently, the 3rd transfer film 22 is piled up on the other surface side of the solid polymer electrolyte membrane 2, and the laminated body 27 is produced.
Then, as shown in FIG. 70, the laminated body 27 is disposed between the upper and lower molds 33 and 31 heated to a predetermined temperature, and the upper mold 33 is pressed against the lower mold 31. Here, as shown in FIG. 67, the upper mold 33 has a flat second catalyst paste transfer portion 33b separated by a recess 33c as a catalyst paste non-transfer portion, so that a second catalyst formation region in FIG. The hot press surfaces 33a are arranged in an array pattern 13b. As a result, the areas of the anode catalyst base 15 and the second cathode catalyst paste 18 pressed by the catalyst paste transfer part 33b bite into the solid polymer electrolyte membrane 2. Then, the upper mold 33 is removed, the first and third transfer films 20 and 22 are peeled off, and the regions of the anode catalyst base 15 and the second cathode catalyst paste 18 pressed by the catalyst paste transfer portion 33b are solid polymer. Transferred to the electrolyte membrane 2. As a result, the catalyst forming region 11a is arranged in a matrix on one surface of the solid polymer electrolyte membrane 2, and the first and second catalyst forming regions 13a and 13b are matrixed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane 2. A power generation element array arranged in a shape is obtained. Further, the anode-side gas diffusion layer 5 and the cathode-side gas diffusion layer 6 are disposed on both sides of the power generation element body, whereby a membrane-electrode assembly is obtained.

この膜・電極接合体の製造方法によれば、第1および第2触媒ペースト転写部32b、33bが互いに重ならないように形成されたホットプレス面32a、33aを有する上金型32、33をそれぞれ用いてホットプレスを2回するようにしているので、アノード触媒層11は、触媒形成領域11aが分離されてマトリクス状に配列されて構成され、カソード触媒層13は、第1および第2触媒形成領域13a、13bが分離されてマトリックス状に配列されて構成される。そこで、上記実施の形態1と同様に、水の拡散の効率が高められた膜・電極接合体を簡易に作製できる。また、組成の異なる触媒層が混在するカソード触媒層13を有する膜・電極接合体を簡易に作製できる。   According to this method of manufacturing a membrane / electrode assembly, the upper molds 32 and 33 having hot press surfaces 32a and 33a formed so that the first and second catalyst paste transfer portions 32b and 33b do not overlap each other are respectively provided. Since the hot pressing is performed twice, the anode catalyst layer 11 is formed by separating the catalyst formation regions 11a and arranged in a matrix, and the cathode catalyst layer 13 is formed by forming the first and second catalysts. The regions 13a and 13b are separated and arranged in a matrix. Therefore, as in the first embodiment, a membrane / electrode assembly with improved water diffusion efficiency can be easily produced. In addition, a membrane / electrode assembly having the cathode catalyst layer 13 in which catalyst layers having different compositions are mixed can be easily produced.

また、アノード触媒層11およびカソード触媒層13の転写面積は上金型32、33のホットプレス面32a、33aにより規定されるので、アノード触媒ペースト15、第1カソード触媒ペースト17および第2カソード触媒ペースト18を第1、第2および第3転写フィルム20、21、22に塗布する領域はホットプレス面32a、33aより大きくすることができる。従って、第1、第2および第3転写フィルム20、21、22上のアノード触媒ペースト15、第1カソード触媒ペースト17および第2カソード触媒ペースト18の塗布面積を精度よく管理する必要はなく、触媒ペースト15、17、18の塗布工程が簡略化され、生産性が向上する。   Further, since the transfer areas of the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 13 are defined by the hot press surfaces 32a and 33a of the upper molds 32 and 33, the anode catalyst paste 15, the first cathode catalyst paste 17 and the second cathode catalyst The region where the paste 18 is applied to the first, second and third transfer films 20, 21, 22 can be made larger than the hot press surfaces 32a, 33a. Therefore, it is not necessary to accurately manage the application areas of the anode catalyst paste 15, the first cathode catalyst paste 17, and the second cathode catalyst paste 18 on the first, second, and third transfer films 20, 21, and 22. The application process of the pastes 15, 17, and 18 is simplified, and productivity is improved.

また、アノード触媒ペースト15と第1および第2カソード触媒ペースト17、18とは位置および形状を一致して固体高分子電解質2上に転写されるので、煩雑な位置あわせ工程が不要となり、生産性が向上するとともに、触媒層の機能しない部分が生じない。   Further, since the anode catalyst paste 15 and the first and second cathode catalyst pastes 17 and 18 are transferred onto the solid polymer electrolyte 2 in the same position and shape, a complicated alignment step is not required, and productivity is increased. As a result, the non-functional portion of the catalyst layer does not occur.

なお、上記実施の形態2では、カソード触媒層13が組成の異なる2種類の触媒層で構成されるものとしているが、カソード触媒層を組成の異なる3種類以上の触媒層で構成するようにしてもよい。この場合、触媒ペースト転写部(触媒形成領域)が互いに重ならないように形成された上金型および転写フィルムを組成の異なる触媒層の数分用意し、転写フィルムを固体高分子電解質膜2に重ねて上金型によりホットプレスする工程を触媒層の数分繰り返して行うことになる。   In the second embodiment, the cathode catalyst layer 13 is composed of two types of catalyst layers having different compositions. However, the cathode catalyst layer is composed of three or more types of catalyst layers having different compositions. Also good. In this case, the upper mold and the transfer film formed so that the catalyst paste transfer portion (catalyst formation region) does not overlap each other are prepared for several catalyst layers having different compositions, and the transfer film is stacked on the solid polymer electrolyte membrane 2. The process of hot pressing with the upper mold is repeated for several minutes of the catalyst layer.

また、上記実施の形態2では、カソード触媒層13が組成の異なる2種類の触媒層で構成されているものとしているが、アノード触媒層を組成の異なる複数の触媒層で構成してもよく、あるいはアノードおよびカソード触媒層の両方を組成の異なる複数の触媒層で構成してもよい。   In the second embodiment, the cathode catalyst layer 13 is composed of two types of catalyst layers having different compositions. However, the anode catalyst layer may be composed of a plurality of catalyst layers having different compositions. Alternatively, both the anode and cathode catalyst layers may be composed of a plurality of catalyst layers having different compositions.

また、上記実施の形態2において、積層体26を上金型32でホットプレスした後、第2転写フィルム21を剥離することなく上金型33でホットプレスすれば、それぞれアノード触媒ペースト15および第1カソード触媒ペースト17で構成されたアノード触媒層およびカソード触媒層が2回のホットプレス工程で形成されることになる。つまり、触媒ペースト転写部が互いに重ならないように形成された上金型を複数用意すれば、アノード触媒層およびカソード触媒層を上金型の個数分のホットプレス工程に分けて転写形成することができる。   In the second embodiment, if the laminate 26 is hot-pressed with the upper mold 32 and then hot-pressed with the upper mold 33 without peeling off the second transfer film 21, the anode catalyst paste 15 and the The anode catalyst layer and the cathode catalyst layer composed of one cathode catalyst paste 17 are formed by two hot pressing processes. In other words, if a plurality of upper molds formed so that the catalyst paste transfer portions do not overlap with each other are prepared, the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer can be transferred and formed in the hot press process for the number of upper molds. it can.

前記触媒製造工程(A)で製造される触媒を用いた前記膜・電極接合体を有する燃料電池は性能が高く、また、白金を触媒として用いた場合と比較してきわめて安価であるという特徴を持つ。この燃料電池は、発電機能、発光機能、発熱機能、音響発生機能、運動機能、表示機能および充電機能からなる群より選ばれる少なくとも一つの機能を有し燃料電池を備える物品の性能、特に携帯可能な物品の性能を向上させることができる。前記燃料電池は、好ましくは物品の表面または内部に備えられる。   The fuel cell having the membrane-electrode assembly using the catalyst produced in the catalyst production step (A) has high performance and is very inexpensive compared to the case where platinum is used as a catalyst. Have. This fuel cell has at least one function selected from the group consisting of a power generation function, a light emission function, a heat generation function, a sound generation function, an exercise function, a display function, and a charging function, and particularly the performance of an article provided with a fuel cell. The performance of a simple article can be improved. The fuel cell is preferably provided on the surface or inside of an article.

<燃料電池を備えた物品の具体例>
本発明の製造方法で製造される膜・電極接合体を有する燃料電池を備えることができる前記物品の具体例としては、ビル、家屋、テント等の建築物、蛍光灯、LED等、有機EL、街灯、屋内照明、信号機等の照明器具、機械、車両そのものを含む自動車用機器、家電製品、農業機器、電子機器、携帯電話等を含む携帯情報端末、美容機材、可搬式工具、風呂用品トイレ用品等の衛生機材、家具、玩具、装飾品、掲示板、クーラーボックス、屋外発電機などのアウトドア用品、教材、造花、オブジェ、心臓ペースメーカー用電源、ペルチェ素子を備えた加熱および冷却器用の電源が挙げられる。
<Specific examples of articles equipped with fuel cells>
Specific examples of the article that can include a fuel cell having a membrane / electrode assembly manufactured by the manufacturing method of the present invention include buildings, houses, buildings such as tents, fluorescent lamps, LEDs, etc., organic EL, Street lighting, indoor lighting, lighting equipment such as traffic lights, machines, automotive equipment including vehicles themselves, home appliances, agricultural equipment, electronic equipment, portable information terminals including mobile phones, beauty equipment, portable tools, bathroom accessories Sanitary equipment such as furniture, toys, decorative items, bulletin boards, cooler boxes, outdoor generators such as outdoor generators, teaching materials, artificial flowers, objects, power supplies for heart pacemakers, power supplies for heating and cooling devices with Peltier elements .

[触媒製造例]
以下に、触媒製造工程(A)で製造される触媒の製造例を示す。
また、触媒製造例および比較触媒製造例における各種測定は、下記の方法により行った。
[Catalyst production example]
Below, the manufacture example of the catalyst manufactured at a catalyst manufacturing process (A) is shown.
Various measurements in the catalyst production examples and comparative catalyst production examples were performed by the following methods.

[分析方法]
1.粉末X線回折 理学電機株式会社製 ロータフレックスを用いて、試料の粉末X線回折を行った。
[Analysis method]
1. Powder X-ray diffraction Samples were subjected to powder X-ray diffraction using a rotor flex made by Rigaku Corporation.

各試料の粉末X線回折における回折線ピークの本数は、信号(S)とノイズ(N)の比(S/N)が2以上で検出できるシグナルを1つのピークとしてみなして数えた。
なお、ノイズ(N)は、ベースラインの幅とした。
The number of diffraction line peaks in powder X-ray diffraction of each sample was counted by regarding a signal that can be detected with a ratio (S / N) of signal (S) to noise (N) of 2 or more as one peak.
The noise (N) is the width of the baseline.

2.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。
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。
2. Elemental analysis Carbon: About 0.1 g of a sample was weighed and measured with Horiba EMIA-110.
Nitrogen / oxygen: About 0.1 g of a sample was weighed and sealed in Ni-Cup, and then measured with an ON analyzer.

遷移金属元素(チタンなど):試料約0.1gを白金皿に量り取り、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。
3.BET比表面積
試料を0.15g採取し、全自動BET比表面積測定装置 マックソーブ((株)マウンテック製)で比表面積測定を行った。前処理時間、前処理温度は、それぞれ30分、200℃に設定した。
Transition metal elements (titanium, etc.): About 0.1 g of a sample was weighed on a platinum dish, and acid was added for thermal decomposition. This heat-decomposed product was diluted, diluted, and quantified by ICP-MS.
3. BET specific surface area 0.15 g of a sample was sampled, and the specific surface area was measured with a fully automatic BET specific surface area measuring device Macsorb (manufactured by Mountec Co., Ltd.). The pretreatment time and pretreatment temperature were set at 30 ° C. and 200 ° C., respectively.

[触媒製造例1−1]
1.触媒の製造
チタンテトライソプロポキシド(純正化学)5mL及びアセチルアセトン(純正化学)5mLをエタノール(和光純薬)15mLと酢酸(和光純薬)5mLとの溶液に加え、室温で攪拌しながらチタン含有混合物溶液を作製した。また、グリシン(和光純薬)2.507gを純水20mLに加え、室温で攪拌して完全に溶解させてグリシン含有混合物溶液を作製した。チタン含有混合物溶液をグリシン含有混合物溶液にゆっくり添加し、透明な触媒前駆体溶液を得た。ロータリーエバポレーターを用い、窒素雰囲気の減圧下で、ホットスターラーの温度を約100℃に設定し、前記触媒前駆体溶液を加熱かつ攪拌しながら、溶媒をゆっくり蒸発させた。完全に溶媒を蒸発させて得られた固形分残渣を乳鉢で細かく均一に潰して、粉末を得た。
[Catalyst Production Example 1-1]
1. Production of catalyst Titanium tetraisopropoxide (Pure Chemical) 5mL and acetylacetone (Pure Chemical) 5mL are added to a solution of 15mL of ethanol (Wako Pure Chemical) and 5mL of acetic acid (Wako Pure Chemical). A solution was made. Further, 2.507 g of glycine (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to 20 mL of pure water, and stirred at room temperature to completely dissolve it to prepare a glycine-containing mixture solution. The titanium-containing mixture solution was slowly added to the glycine-containing mixture solution to obtain a transparent catalyst precursor solution. Using a rotary evaporator, the temperature of the hot stirrer was set to about 100 ° C. under reduced pressure in a nitrogen atmosphere, and the solvent was slowly evaporated while heating and stirring the catalyst precursor solution. The solid residue obtained by completely evaporating the solvent was finely and uniformly crushed in a mortar to obtain a powder.

この粉末を管状炉に入れ、4容量%水素と窒素との混合ガス(すなわち、水素ガス:窒素ガス=4体積%:96体積%の混合ガス。以下も同様。)雰囲気下で昇温速度10℃/minで900℃まで加熱し、900℃で1時間保持し、自然冷却することにより粉末(以下「触媒(1)」または「熱処理物(1)」とも記す。)を得た。   This powder is put into a tubular furnace, and a heating rate of 10% in an atmosphere of a mixed gas of 4% by volume hydrogen and nitrogen (that is, hydrogen gas: nitrogen gas = 4% by volume: 96% by volume mixed gas, and so on). The powder (hereinafter also referred to as “catalyst (1)” or “heat-treated product (1)”) was obtained by heating at 900 ° C./min to 900 ° C., holding at 900 ° C. for 1 hour, and naturally cooling.

触媒(1)の粉末X線回折スペクトルを図1に示す。立方晶構造を持つチタン化合物およびルチル構造を持つ酸化チタンの回折線ピークが観測された。
また、触媒(1)の元素分析結果を表1に示す。炭素、窒素及び酸素の存在が確認された。
触媒(1)のBET比表面積は146m2/gであった。
The powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (1) is shown in FIG. Diffraction line peaks of titanium compound with cubic structure and titanium oxide with rutile structure were observed.
In addition, Table 1 shows the results of elemental analysis of the catalyst (1). The presence of carbon, nitrogen and oxygen was confirmed.
The BET specific surface area of the catalyst (1) was 146 m 2 / g.

[触媒製造例1−2]
1.触媒の製造
チタンテトライソプロポキシド(純正化学(株)製)5mL及びアセチルアセトン(純正化学)5mLをエタノール(和光純薬(株)製)15mLと酢酸(和光純薬(株)製)5mLとの溶液に加え、室温で攪拌しながらチタン含有混合物溶液を作製した。また、グリシン(和光純薬(株)製)2.507g及び酢酸鉄(Aldrich社製)0.153gを純水20mLに加え、室温で攪拌して完全に溶解させてグリシン含有混合物溶液を作製した。チタン含有混合物溶液をグリシン含有混合物溶液にゆっくり添加し、透明な触媒前駆体溶液を得た。ロータリーエバポレーターを用い、窒素雰囲気の減圧下で、ホットスターラーの温度を約100℃に設定し、前記触媒前駆体溶液を加熱かつ攪拌しながら、溶媒をゆっくり蒸発させた。完全に溶媒を蒸発させて得られた固形分残渣を乳鉢で細かく均一に潰して、粉末を得た。
[Catalyst Production Example 1-2]
1. Production of catalyst Titanium tetraisopropoxide (manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.) 5 mL and acetylacetone (genuine chemical) 5 mL of ethanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 15 mL and acetic acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 5 mL In addition to the solution, a titanium-containing mixture solution was prepared while stirring at room temperature. In addition, 2.507 g of glycine (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 0.153 g of iron acetate (manufactured by Aldrich) were added to 20 mL of pure water, and the mixture was stirred and completely dissolved at room temperature to prepare a glycine-containing mixture solution. . The titanium-containing mixture solution was slowly added to the glycine-containing mixture solution to obtain a transparent catalyst precursor solution. Using a rotary evaporator, the temperature of the hot stirrer was set to about 100 ° C. under reduced pressure in a nitrogen atmosphere, and the solvent was slowly evaporated while heating and stirring the catalyst precursor solution. The solid residue obtained by completely evaporating the solvent was finely and uniformly crushed in a mortar to obtain a powder.

この粉末を管状炉に入れ、4容量%水素と窒素との混合ガス雰囲気下で昇温速度10℃/minで900℃まで加熱し、900℃で1時間保持し、自然冷却することにより粉末(以下「触媒(2)」または「熱処理物(2)」とも記す。)を得た。   This powder is put into a tubular furnace, heated to 900 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min in a mixed gas atmosphere of 4% by volume hydrogen and nitrogen, held at 900 ° C. for 1 hour, and naturally cooled to give a powder ( (Hereinafter also referred to as “catalyst (2)” or “heat-treated product (2)”).

触媒(2)の粉末X線回折スペクトルを図2に示す。立方晶構造を持つチタン化合物およびルチル構造を持つ酸化チタンの回折線ピークが観測された。
また、触媒(2)の元素分析結果を表1に示す。炭素、窒素及び酸素の存在が確認された。
触媒(2)のBET比表面積は172m2/gであった。
The powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (2) is shown in FIG. Diffraction line peaks of titanium compound with cubic structure and titanium oxide with rutile structure were observed.
In addition, Table 1 shows the results of elemental analysis of the catalyst (2). The presence of carbon, nitrogen and oxygen was confirmed.
The BET specific surface area of the catalyst (2) was 172 m 2 / g.

[触媒製造例1−3]
1.触媒の製造
チタンテトライソプロポキシド(純正化学(株)製)5mL及びアセチルアセトン(純正化学(株)製)5mLをエタノール(和光純薬(株)製)15mLと酢酸(和光純薬(株)製)5mLとの溶液に加え、室温で攪拌しながらチタン含有混合物溶液を作製した。また、グリシン(和光純薬(株)製)2.507g及び酢酸鉄(Aldrich社製)0.306gを純水20mLに加え、室温で攪拌して完全に溶解させてグリシン含有混合物溶液を作製した。チタン含有混合物溶液をグリシン含有混合物溶液にゆっくり添加し、透明な溶液を得た。ロータリーエバポレーターを用い、窒素雰囲気の減圧下で、ホットスターラーの温度を約100℃に設定し、前記溶液を加熱かつ攪拌しながら、溶媒をゆっくり蒸発させた。完全に溶媒を蒸発させて得られた固形分残渣を乳鉢で細かく均一に潰して、粉末を得た。
[Catalyst Production Example 1-3]
1. Production of catalyst 5 mL of titanium tetraisopropoxide (manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.) and 5 mL of acetylacetone (manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.) and 15 mL of ethanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and acetic acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) ) In addition to the solution with 5 mL, a titanium-containing mixture solution was prepared while stirring at room temperature. In addition, 2.507 g of glycine (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 0.306 g of iron acetate (manufactured by Aldrich) were added to 20 mL of pure water and stirred at room temperature to be completely dissolved to prepare a glycine-containing mixture solution. . The titanium-containing mixture solution was slowly added to the glycine-containing mixture solution to obtain a clear solution. Using a rotary evaporator, the temperature of the hot stirrer was set to about 100 ° C. under reduced pressure in a nitrogen atmosphere, and the solvent was slowly evaporated while heating and stirring the solution. The solid residue obtained by completely evaporating the solvent was finely and uniformly crushed in a mortar to obtain a powder.

この粉末を管状炉に入れ、アルゴンガス雰囲気下で昇温速度10℃/minで900℃まで加熱し、900℃で1時間保持し、自然冷却することにより粉末(以下「触媒(3)」とも記す。)を得た。   This powder is put into a tubular furnace, heated to 900 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min in an argon gas atmosphere, held at 900 ° C. for 1 hour, and naturally cooled to form a powder (hereinafter referred to as “catalyst (3)”). I wrote.)

触媒(3)の粉末X線回折スペクトルを図3に示す。立方晶構造を持つチタン化合物およびルチル構造を持つ酸化チタンの回折線ピークが観測された。
また、触媒(3)の元素分析結果を表1に示す。炭素、窒素及び酸素の存在が確認された。
触媒(3)のBET比表面積は181m2/gであった。
The powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (3) is shown in FIG. Diffraction line peaks of titanium compound with cubic structure and titanium oxide with rutile structure were observed.
In addition, Table 1 shows the results of elemental analysis of the catalyst (3). The presence of carbon, nitrogen and oxygen was confirmed.
The BET specific surface area of the catalyst (3) was 181 m 2 / g.

[触媒製造例1−4]
1.触媒の製造
チタンテトライソプロポキシド(純正化学(株)製)5mL及びアセチルアセトン(純正化学(株)製)5mLをエタノール(和光純薬(株)製)15mLと酢酸(和光純薬(株)製)5mLとの溶液に加え、室温で攪拌しながらチタン含有混合物溶液を作製した。また、グリシン(和光純薬(株)製)1.254g及び酢酸鉄(Aldrich社製)0.153gを純水20mLに加え、室温で攪拌して完全に溶解させてグリシン含有混合物溶液を作製した。チタン含有混合物溶液をグリシン含有混合物溶液にゆっくり添加し、透明な触媒前駆体溶液を得た。ロータリーエバポレーターを用い、窒素雰囲気の減圧下で、ホットスターラーの温度を約100℃に設定し、前記触媒前駆体溶液を加熱かつ攪拌しながら、溶媒をゆっくり蒸発させた。完全に溶媒を蒸発させて得られた固形物残渣を乳鉢で細かく均一に潰して、粉末を得た。
[Catalyst Production Example 1-4]
1. Production of catalyst 5 mL of titanium tetraisopropoxide (manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.) and 5 mL of acetylacetone (manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.) and 15 mL of ethanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and acetic acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) ) In addition to the solution with 5 mL, a titanium-containing mixture solution was prepared while stirring at room temperature. Further, 1.254 g of glycine (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 0.153 g of iron acetate (manufactured by Aldrich) were added to 20 mL of pure water and stirred at room temperature to completely dissolve to prepare a glycine-containing mixture solution. . The titanium-containing mixture solution was slowly added to the glycine-containing mixture solution to obtain a transparent catalyst precursor solution. Using a rotary evaporator, the temperature of the hot stirrer was set to about 100 ° C. under reduced pressure in a nitrogen atmosphere, and the solvent was slowly evaporated while heating and stirring the catalyst precursor solution. The solid residue obtained by completely evaporating the solvent was finely and uniformly crushed in a mortar to obtain a powder.

この粉末を管状炉に入れ、アルゴンガス雰囲気下で昇温速度10℃/minで800℃まで加熱し、800℃で1時間保持し、自然冷却することにより粉末(以下「触媒(4)」とも記す。)を得た。   This powder is put in a tubular furnace, heated to 800 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C./min in an argon gas atmosphere, kept at 800 ° C. for 1 hour, and naturally cooled to form a powder (hereinafter referred to as “catalyst (4)”). I wrote.)

触媒(4)の粉末X線回折スペクトルを図4に示す。立方晶構造を持つチタン化合物およびルチル構造を持つ酸化チタンの回折線ピークが観測された。
また、触媒(4)の元素分析結果を表1に示す。炭素、窒素及び酸素の存在が確認された。
触媒(4)のBET比表面積は181m2/gであった。
The powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (4) is shown in FIG. Diffraction line peaks of titanium compound with cubic structure and titanium oxide with rutile structure were observed.
In addition, Table 1 shows the elemental analysis results of the catalyst (4). The presence of carbon, nitrogen and oxygen was confirmed.
The BET specific surface area of the catalyst (4) was 181 m 2 / g.

[触媒製造例1−5]
1.触媒の製造
チタンテトライソプロポキシド(純正化学(株)製)5mL及びアセチルアセトン(純正化学(株)製)5mLをエタノール(和光純薬(株)製)15mLと酢酸(和光純薬(株)製)5mLとの溶液に加え、室温で攪拌しながらチタン含有混合物溶液を作製した。また、グリシン(和光純薬(株)製)2.507gを純水20mLに加え、室温で攪拌して完全に溶解させてグリシン含有混合物溶液を作製した。チタン含有混合物溶液をグリシン含有混合物溶液にゆっくり添加し、透明な触媒前駆体溶液を得た。ロータリーエバポレーターを用い、窒素雰囲気の減圧下で、ホットスターラーの温度を約100℃に設定し、前記触媒前駆体溶液を加熱かつ攪拌しながら、溶媒をゆっくり蒸発させた。完全に溶媒を蒸発させて得られた固形分残渣を乳鉢で細かく均一に潰して、粉末を得た。
[Catalyst Production Example 1-5]
1. Production of catalyst 5 mL of titanium tetraisopropoxide (manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.) and 5 mL of acetylacetone (manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.) and 15 mL of ethanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and acetic acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) ) In addition to the solution with 5 mL, a titanium-containing mixture solution was prepared while stirring at room temperature. Further, 2.507 g of glycine (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to 20 mL of pure water, and stirred at room temperature to completely dissolve it to prepare a glycine-containing mixture solution. The titanium-containing mixture solution was slowly added to the glycine-containing mixture solution to obtain a transparent catalyst precursor solution. Using a rotary evaporator, the temperature of the hot stirrer was set to about 100 ° C. under reduced pressure in a nitrogen atmosphere, and the solvent was slowly evaporated while heating and stirring the catalyst precursor solution. The solid residue obtained by completely evaporating the solvent was finely and uniformly crushed in a mortar to obtain a powder.

この粉末を管状炉に入れ、4容量%水素と窒素ガス雰囲気下で昇温速度10℃/minで500℃まで加熱し、500℃で2時間保持し、自然冷却することにより粉末(以下「触媒(5)」とも記す。)を得た。   This powder is put into a tubular furnace, heated to 500 ° C. at a rate of temperature increase of 10 ° C./min in a 4% by volume hydrogen and nitrogen gas atmosphere, held at 500 ° C. for 2 hours, and naturally cooled to obtain a powder (hereinafter referred to as “catalyst”). (5) ") was obtained.

触媒(5)の粉末X線回折スペクトルを図5に示す。立方晶構造を持つチタン化合物およびルチル構造を持つ酸化チタンの回折線ピークが観測された。
また、触媒(5)の元素分析結果を表1に示す。炭素、窒素及び酸素の存在が確認された。
触媒(5)のBET比表面積は51m2/gであった。
The powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (5) is shown in FIG. Diffraction line peaks of titanium compound with cubic structure and titanium oxide with rutile structure were observed.
In addition, Table 1 shows the results of elemental analysis of the catalyst (5). The presence of carbon, nitrogen and oxygen was confirmed.
The BET specific surface area of the catalyst (5) was 51 m 2 / g.

[触媒製造例1−6]
1.触媒の製造
チタンテトライソプロポキシド(純正化学(株)製)5mL及びアセチルアセトン(純正化学(株)製)3mLをエタノール(和光純薬(株)製)15mLと酢酸(和光純薬(株)製)5mLとの溶液に加え、室温で攪拌しながらチタン含有混合物溶液を作製した。また、ポリビニルピロリドン(Aldrich社製)1.859gと酢酸鉄(Aldrich社製)0.145gとを純水15mLに加え、室温で攪拌して完全に溶解させてグリシン含有混合物溶液を作製した。チタン含有混合物溶液をグリシン含有混合物溶液にゆっくり添加し、透明な触媒前駆体溶液を得た。ロータリーエバポレーターを用い、窒素雰囲気の減圧下で、ホットスターラーの温度を約100℃に設定し、前記触媒前駆体溶液を加熱かつ攪拌しながら、溶媒をゆっくり蒸発させた。完全に溶媒を蒸発させて得られた固形分残渣を乳鉢で細かく均一に潰して、粉末を得た。
[Catalyst Production Example 1-6]
1. Production of catalyst 5 mL of titanium tetraisopropoxide (manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.) and 3 mL of acetylacetone (manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.) and 15 mL of ethanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and acetic acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) ) In addition to the solution with 5 mL, a titanium-containing mixture solution was prepared while stirring at room temperature. Moreover, 1.859 g of polyvinyl pyrrolidone (manufactured by Aldrich) and 0.145 g of iron acetate (manufactured by Aldrich) were added to 15 mL of pure water, and the mixture was stirred and completely dissolved at room temperature to prepare a glycine-containing mixture solution. The titanium-containing mixture solution was slowly added to the glycine-containing mixture solution to obtain a transparent catalyst precursor solution. Using a rotary evaporator, the temperature of the hot stirrer was set to about 100 ° C. under reduced pressure in a nitrogen atmosphere, and the solvent was slowly evaporated while heating and stirring the catalyst precursor solution. The solid residue obtained by completely evaporating the solvent was finely and uniformly crushed in a mortar to obtain a powder.

この粉末を管状炉に入れ、窒素ガス雰囲気下で昇温速度10℃/minで900℃まで加熱し、900℃で3時間保持し、自然冷却することにより粉末(以下「触媒(6)」とも記す。)を得た。   This powder is put into a tubular furnace, heated to 900 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C./min in a nitrogen gas atmosphere, held at 900 ° C. for 3 hours, and naturally cooled to form a powder (hereinafter referred to as “catalyst (6)”). I wrote.)

触媒(6)の粉末X線回折スペクトルを図6に示す。立方晶構造を持つチタン化合物およびルチル構造を持つ酸化チタンの回折線ピークが観測された。
また、触媒(6)の元素分析結果を表1に示す。炭素、窒素及び酸素の存在が確認された。
触媒(6)のBET比表面積は260m2/gであった。
The powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (6) is shown in FIG. Diffraction line peaks of titanium compound with cubic structure and titanium oxide with rutile structure were observed.
In addition, Table 1 shows the elemental analysis results of the catalyst (6). The presence of carbon, nitrogen and oxygen was confirmed.
The BET specific surface area of the catalyst (6) was 260 m 2 / g.

[触媒製造例1−7]
1.触媒の製造
チタンテトライソプロポキシド(純正化学(株)製)5mLをエタノール(和光純薬(株)製)15mLと酢酸(和光純薬(株)製)5mLとの溶液に加え、室温で攪拌しながらチタン含有混合物溶液を作製した。また、ポリビニルピロリドン(Aldrich社製)1.859g及び酢酸鉄(Aldrich社製)0.145gを純水15mLに加え、室温で攪拌して完全に溶解させてグリシン含有混合物溶液を作製した。チタン含有混合物溶液をグリシン含有混合物溶液にゆっくり添加し、透明な触媒前駆体溶液を得た。ロータリーエバポレーターを用い、窒素雰囲気の減圧下で、ホットスターラーの温度を約100℃に設定し、前記触媒前駆体溶液を加熱かつ攪拌しながら、溶媒をゆっくり蒸発させた。完全に溶媒を蒸発させて得られた固形分残渣を乳鉢で細かく均一に潰して、粉末を得た。
[Catalyst Production Example 1-7]
1. Production of catalyst Titanium tetraisopropoxide (manufactured by Junsei Co., Ltd.) is added to a solution of 15 mL of ethanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 5 mL of acetic acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and stirred at room temperature. A titanium-containing mixture solution was prepared. Moreover, 1.859 g of polyvinyl pyrrolidone (manufactured by Aldrich) and 0.145 g of iron acetate (manufactured by Aldrich) were added to 15 mL of pure water and stirred at room temperature to completely dissolve it to prepare a glycine-containing mixture solution. The titanium-containing mixture solution was slowly added to the glycine-containing mixture solution to obtain a transparent catalyst precursor solution. Using a rotary evaporator, the temperature of the hot stirrer was set to about 100 ° C. under reduced pressure in a nitrogen atmosphere, and the solvent was slowly evaporated while heating and stirring the catalyst precursor solution. The solid residue obtained by completely evaporating the solvent was finely and uniformly crushed in a mortar to obtain a powder.

この粉末を管状炉に入れ、窒素ガス雰囲気下で昇温速度10℃/minで600℃まで加熱し、600℃で2時間保持し、自然冷却することにより粉末(以下「触媒(7)」とも記す。)を得た。   This powder is put into a tubular furnace, heated to 600 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C./min in a nitrogen gas atmosphere, held at 600 ° C. for 2 hours, and naturally cooled to form a powder (hereinafter referred to as “catalyst (7)”). I wrote.)

触媒(7)の粉末X線回折スペクトルを図7に示す。立方晶構造を持つチタン化合物およびルチル構造を持つ酸化チタンの回折線ピークが観測された。
また、触媒(7)の元素分析結果を表1に示す。炭素、窒素及び酸素の存在が確認された。
触媒(7)のBET比表面積は65m2/gであった。
The powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (7) is shown in FIG. Diffraction line peaks of titanium compound with cubic structure and titanium oxide with rutile structure were observed.
In addition, Table 1 shows the elemental analysis results of the catalyst (7). The presence of carbon, nitrogen and oxygen was confirmed.
The BET specific surface area of the catalyst (7) was 65 m 2 / g.

[触媒製造例1−8]
1.触媒の製造
チタンテトライソプロポキシド(純正化学(株)製)5mL及びアセチルアセトン(純正化学(株)製)5mLをエタノール(和光純薬(株)製)15mLと酢酸(和光純薬(株)製)5mLとの溶液に加え、室温で攪拌しながらチタン含有混合物溶液を作製した。また、グリシン(和光純薬(株)製)3.762g及び酢酸鉄(Aldrich社製)0.306gを純水20mLに加え、室温で攪拌して完全に溶解させたグリシン含有混合物溶液を作製した。チタン含有混合物溶液をグリシン含有混合物溶液にゆっくり添加し、透明な触媒前駆体溶液を得た。ロータリーエバポレーターを用い、窒素雰囲気の減圧下で、ホットスターラーの温度を約100℃に設定し、前記触媒前駆体溶液を加熱かつ攪拌しながら、溶媒をゆっくり蒸発させた。完全に溶媒を蒸発させて得られた固形分残渣を乳鉢で細かく均一に潰して、粉末を得た。
[Catalyst Production Example 1-8]
1. Production of catalyst 5 mL of titanium tetraisopropoxide (manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.) and 5 mL of acetylacetone (manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.) and 15 mL of ethanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and acetic acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) ) In addition to the solution with 5 mL, a titanium-containing mixture solution was prepared while stirring at room temperature. Further, 3.762 g of glycine (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 0.306 g of iron acetate (manufactured by Aldrich) were added to 20 mL of pure water, and the mixture was stirred at room temperature and completely dissolved to prepare a glycine-containing mixture solution. . The titanium-containing mixture solution was slowly added to the glycine-containing mixture solution to obtain a transparent catalyst precursor solution. Using a rotary evaporator, the temperature of the hot stirrer was set to about 100 ° C. under reduced pressure in a nitrogen atmosphere, and the solvent was slowly evaporated while heating and stirring the catalyst precursor solution. The solid residue obtained by completely evaporating the solvent was finely and uniformly crushed in a mortar to obtain a powder.

この粉末を管状炉に入れ、4容量%水素と窒素の混合ガス雰囲気下で昇温速度10℃/minで900℃まで加熱し、900℃で1時間保持し、自然冷却することにより粉末(以下「触媒(8)」とも記す。)を得た。   This powder was put into a tubular furnace, heated to 900 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min in a mixed gas atmosphere of 4% by volume hydrogen and nitrogen, held at 900 ° C. for 1 hour, and naturally cooled to obtain a powder (hereinafter referred to as “powder”). "Catalyst (8)") was obtained.

触媒(8)の粉末X線回折スペクトルを図8に示す。立方晶構造を持つチタン化合物およびルチル構造を持つ酸化チタンの回折線ピークが観測された。
また、触媒(8)の元素分析結果を表1に示す。炭素、窒素及び酸素の存在が確認された。
触媒(8)のBET比表面積は241m2/gであった。
The powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (8) is shown in FIG. Diffraction line peaks of titanium compound with cubic structure and titanium oxide with rutile structure were observed.
In addition, Table 1 shows the elemental analysis results of the catalyst (8). The presence of carbon, nitrogen and oxygen was confirmed.
The BET specific surface area of the catalyst (8) was 241 m 2 / g.

[触媒製造例2−1]
1.燃料電池用電極の製造
触媒(2)0.095gとカーボン(キャボット社製 XC−72)0.005gとを、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、懸濁して混合した。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、直径:5.2mm)に塗布し、120℃で1時間乾燥し、カーボン電極表面に1.0mg以上の燃料電池触媒層が形成された。さらに、燃料電池用触媒層の上にNAFION(登録商標)(デュポン社 5%NAFION(登録商標)溶液(DE521))を10倍にイソプロピルアルコールで希釈したもの10μlを塗布し、120℃で1時間乾燥し、燃料電池用電極(1)を得た。
[Catalyst Production Example 2-1]
1. Production of Fuel Cell Electrode A catalyst (2) (0.095 g) and carbon (Cabot XC-72) (0.005 g) were mixed in a mass ratio of isopropyl alcohol: pure water = 2: 1 and mixed with 10 g. The mixture was stirred and suspended by sonic waves. 30 μl of the mixture was applied to a glassy carbon electrode (Tokai Carbon Co., Ltd., diameter: 5.2 mm) and dried at 120 ° C. for 1 hour to form a fuel cell catalyst layer of 1.0 mg or more on the carbon electrode surface. Furthermore, 10 μl of NAFION (registered trademark) (DuPont 5% NAFION (registered trademark) solution (DE521)) diluted 10-fold with isopropyl alcohol was applied on the catalyst layer for the fuel cell, and the mixture was applied at 120 ° C. for 1 hour. It dried and obtained the electrode (1) for fuel cells.

2.酸素還元能の評価
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。
2. Evaluation of oxygen reduction ability The produced 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 a potential scanning speed of 30 ° C. and 5 mV / sec. A potential curve 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/cm2以上差が現れ始める電位を酸素還元開始電位とした。また、0.7V(vsRHE)における、酸素雰囲気での還元電流と窒素雰囲気での還元電流との差を算出した。算出した値を、さらに電極面積で除した値を酸素還元電流密度(mA/cm2)とした。 From the above measurement results, a potential at which a difference of 0.2 μA / cm 2 or more began to appear between the reduction current in the oxygen atmosphere and the reduction current in the nitrogen atmosphere was defined as the oxygen reduction start potential. Further, the difference between the reduction current in an oxygen atmosphere and the reduction current in a nitrogen atmosphere at 0.7 V (vs RHE) was calculated. A value obtained by further dividing the calculated value by the electrode area was defined as an oxygen reduction current density (mA / cm 2 ).

酸素還元開始電位および酸素還元電流密度により、作製した燃料電池用電極(1)の触媒能を評価した。
すなわち、酸素還元開始電位が高いほど、酸素還元電流密度が大きいほど、燃料電池用電極における触媒の触媒能が高いことを示す。
The catalytic ability of the produced fuel cell electrode (1) was evaluated based on the oxygen reduction starting potential and the oxygen reduction current density.
That is, the higher the oxygen reduction start potential and the higher the oxygen reduction current density, the higher the catalytic performance of the catalyst in the fuel cell electrode.

図9に、上記測定により得られた電流−電位曲線を示す。
触媒製造例1−2で作製した触媒(2)は、酸素還元開始電位が1.01V(vs.RHE)、酸素還元電流密度が1.28mA/cm2であり、高い触媒能を有することがわかった(表2)。
FIG. 9 shows a current-potential curve obtained by the above measurement.
The catalyst (2) produced in Catalyst Production Example 1-2 has an oxygen reduction starting potential of 1.01 V (vs. RHE), an oxygen reduction current density of 1.28 mA / cm 2 , and has high catalytic ability. Okay (Table 2).

[触媒製造例2−2]
1.燃料電池用電極の製造
触媒(3)0.095gとカーボン(キャボット社製 XC−72)0.005gとを、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、懸濁して混合した。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、直径:5.2mm)に塗布し、120℃で1時間乾燥し、カーボン電極表面に1.0mg以上の燃料電池触媒層が形成された。さらに、燃料電池用触媒層の上にNAFION(登録商標)(デュポン社 5%NAFION(登録商標)溶液(DE521))を10倍にイソプロピルアルコールで希釈したもの10μlを塗布し、120℃で1時間乾燥し、燃料電池用電極(2)を得た。
[Catalyst Production Example 2-2]
1. Production of Fuel Cell Electrode A catalyst (3) (0.095 g) and carbon (Cabot XC-72) (0.005 g) were mixed in a mass ratio of isopropyl alcohol: pure water = 2: 1 and mixed with 10 g. The mixture was stirred and suspended by sonic waves. 30 μl of the mixture was applied to a glassy carbon electrode (Tokai Carbon Co., Ltd., diameter: 5.2 mm) and dried at 120 ° C. for 1 hour to form a fuel cell catalyst layer of 1.0 mg or more on the carbon electrode surface. Furthermore, 10 μl of NAFION (registered trademark) (DuPont 5% NAFION (registered trademark) solution (DE521)) diluted 10-fold with isopropyl alcohol was applied on the catalyst layer for the fuel cell, and the mixture was applied at 120 ° C. for 1 hour. It dried and obtained the electrode (2) for fuel cells.

2.酸素還元能の評価
作製した燃料電池用電極(2)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。
2. Evaluation of oxygen reduction ability The produced fuel cell electrode (2) was polarized in an oxygen atmosphere and a nitrogen atmosphere in a 0.5 mol / dm 3 sulfuric acid solution at a potential scanning rate of 5 mV / sec at 30 ° C. A potential curve 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/cm2以上差が現れ始める電位を酸素還元開始電位とした。また、0.7V(vsRHE)における、酸素雰囲気での還元電流と窒素雰囲気での還元電流との差を算出した。算出した値を、さらに電極面積で除した値を酸素還元電流密度(mA/cm2)とした。 From the above measurement results, a potential at which a difference of 0.2 μA / cm 2 or more began to appear between the reduction current in the oxygen atmosphere and the reduction current in the nitrogen atmosphere was defined as the oxygen reduction start potential. Further, the difference between the reduction current in an oxygen atmosphere and the reduction current in a nitrogen atmosphere at 0.7 V (vs RHE) was calculated. A value obtained by further dividing the calculated value by the electrode area was defined as an oxygen reduction current density (mA / cm 2 ).

酸素還元開始電位および酸素還元電流密度により、作製した燃料電池用電極(2)の触媒能を評価した。
すなわち、酸素還元開始電位が高いほど、酸素還元電流密度が大きいほど、燃料電池用電極における触媒の触媒能が高いことを示す。
The catalytic ability of the produced fuel cell electrode (2) was evaluated based on the oxygen reduction starting potential and the oxygen reduction current density.
That is, the higher the oxygen reduction start potential and the higher the oxygen reduction current density, the higher the catalytic performance of the catalyst in the fuel cell electrode.

図10に、上記測定により得られた電流−電位曲線を示す。
触媒製造例1−3で作製した触媒(3)は、酸素還元開始電位が1.01V(vs.RHE)、酸素還元電流密度が1.90mA/cm2であり、高い触媒能を有することがわかった(表2)。
FIG. 10 shows a current-potential curve obtained by the above measurement.
The catalyst (3) produced in Catalyst Production Example 1-3 has an oxygen reduction starting potential of 1.01 V (vs. RHE), an oxygen reduction current density of 1.90 mA / cm 2 , and has high catalytic ability. Okay (Table 2).

[触媒製造例2−3]
1.燃料電池用電極の製造
触媒(6)0.095gとカーボン(キャボット社製 XC−72)0.005gとを、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、懸濁して混合した。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、直径:5.2mm)に塗布し、120℃で1時間乾燥し、カーボン電極表面に1.0mg以上の燃料電池触媒層が形成された。さらに、燃料電池用触媒層の上にNAFION(登録商標)(デュポン社 5%NAFION(登録商標)溶液(DE521))を10倍にイソプロピルアルコールで希釈したもの10μlを塗布し、120℃で1時間乾燥し、燃料電池用電極(3)を得た。
[Catalyst Production Example 2-3]
1. Production of Fuel Cell Electrode A catalyst (6) 0.095 g and carbon (XC-72 manufactured by Cabot Corporation) 0.005 g were mixed in 10 g of a solution having a mass ratio of isopropyl alcohol: pure water = 2: 1. The mixture was stirred and suspended by sonic waves. 30 μl of the mixture was applied to a glassy carbon electrode (Tokai Carbon Co., Ltd., diameter: 5.2 mm) and dried at 120 ° C. for 1 hour to form a fuel cell catalyst layer of 1.0 mg or more on the carbon electrode surface. Furthermore, 10 μl of NAFION (registered trademark) (DuPont 5% NAFION (registered trademark) solution (DE521)) diluted 10-fold with isopropyl alcohol was applied on the catalyst layer for the fuel cell, and the mixture was applied at 120 ° C. for 1 hour. It dried and obtained the electrode (3) for fuel cells.

2.酸素還元能の評価
作製した燃料電池用電極(3)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。
2. Evaluation of oxygen reduction ability The produced fuel cell electrode (3) was polarized in an oxygen atmosphere and a nitrogen atmosphere in a 0.5 mol / dm 3 sulfuric acid solution at a potential scanning speed of 30 ° C. and 5 mV / sec. A potential curve 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/cm2以上差が現れ始める電位を酸素還元開始電位とした。また、0.7V(vsRHE)における、酸素雰囲気での還元電流と窒素雰囲気での還元電流との差を算出した。算出した値を、さらに電極面積で除した値を酸素還元電流密度(mA/cm2)とした。 From the above measurement results, a potential at which a difference of 0.2 μA / cm 2 or more began to appear between the reduction current in the oxygen atmosphere and the reduction current in the nitrogen atmosphere was defined as the oxygen reduction start potential. Further, the difference between the reduction current in an oxygen atmosphere and the reduction current in a nitrogen atmosphere at 0.7 V (vs RHE) was calculated. A value obtained by further dividing the calculated value by the electrode area was defined as an oxygen reduction current density (mA / cm 2 ).

酸素還元開始電位および酸素還元電流密度により、作製した燃料電池用電極(3)の触媒能を評価した。
すなわち、酸素還元開始電位が高いほど、酸素還元電流密度が大きいほど、燃料電池用電極における触媒の触媒能が高いことを示す。
The catalytic ability of the produced fuel cell electrode (3) was evaluated based on the oxygen reduction starting potential and the oxygen reduction current density.
That is, the higher the oxygen reduction start potential and the higher the oxygen reduction current density, the higher the catalytic performance of the catalyst in the fuel cell electrode.

図11に、上記測定により得られた電流−電位曲線を示す。
触媒製造例1−6で作製した触媒(6)は、酸素還元開始電位が1.04V(vs.RHE)、素還元電流密度が0.68mA/cm2であり、高い触媒能を有することがわかった(表2)。
FIG. 11 shows a current-potential curve obtained by the above measurement.
The catalyst (6) produced in Catalyst Production Example 1-6 has an oxygen reduction starting potential of 1.04 V (vs. RHE), an elementary reduction current density of 0.68 mA / cm 2 , and has high catalytic ability. Okay (Table 2).

[触媒製造例2−4]
1.燃料電池用電極の製造
触媒(7)0.095gとカーボン(キャボット社製 XC−72)0.005gとを、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、懸濁して混合した。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、直径:5.2mm)に塗布し、120℃で1時間乾燥し、カーボン電極表面に1.0mg以上の燃料電池触媒層が形成された。さらに、燃料電池用触媒層の上にNAFION(登録商標)(デュポン社 5%NAFION(登録商標)溶液(DE521))を10倍にイソプロピルアルコールで希釈したもの10μlを塗布し、120℃で1時間乾燥し、燃料電池用電極(4)を得た。
[Catalyst Production Example 2-4]
1. Production of Fuel Cell Electrode A catalyst (7) 0.095 g and carbon (Cabot XC-72) 0.005 g were mixed in 10 g of a solution in which the mass ratio of isopropyl alcohol: pure water = 2: 1 was The mixture was stirred and suspended by sonic waves. 30 μl of the mixture was applied to a glassy carbon electrode (Tokai Carbon Co., Ltd., diameter: 5.2 mm) and dried at 120 ° C. for 1 hour to form a fuel cell catalyst layer of 1.0 mg or more on the carbon electrode surface. Furthermore, 10 μl of NAFION (registered trademark) (DuPont 5% NAFION (registered trademark) solution (DE521)) diluted 10-fold with isopropyl alcohol was applied on the catalyst layer for the fuel cell, and the mixture was applied at 120 ° C. for 1 hour. It dried and obtained the electrode (4) for fuel cells.

2.酸素還元能の評価
作製した燃料電池用電極(4)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。
2. Evaluation of oxygen reduction ability The produced fuel cell electrode (4) was polarized in an oxygen atmosphere and a nitrogen atmosphere in a 0.5 mol / dm 3 sulfuric acid solution at a potential scanning speed of 30 ° C. and 5 mV / sec. A potential curve 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/cm2以上差が現れ始める電位を酸素還元開始電位とした。また、0.7V(vsRHE)における、酸素雰囲気での還元電流と窒素雰囲気での還元電流との差を算出した。算出した値を、さらに電極面積で除した値を酸素還元電流密度(mA/cm2)とした。 From the above measurement results, a potential at which a difference of 0.2 μA / cm 2 or more began to appear between the reduction current in the oxygen atmosphere and the reduction current in the nitrogen atmosphere was defined as the oxygen reduction start potential. Further, the difference between the reduction current in an oxygen atmosphere and the reduction current in a nitrogen atmosphere at 0.7 V (vs RHE) was calculated. A value obtained by further dividing the calculated value by the electrode area was defined as an oxygen reduction current density (mA / cm 2 ).

酸素還元開始電位および酸素還元電流密度により、作製した燃料電池用電極(4)の触媒能を評価した。
すなわち、酸素還元開始電位が高いほど、酸素還元電流密度が大きいほど、燃料電池用電極における触媒の触媒能が高いことを示す。
The catalytic ability of the produced fuel cell electrode (4) was evaluated based on the oxygen reduction starting potential and the oxygen reduction current density.
That is, the higher the oxygen reduction start potential and the higher the oxygen reduction current density, the higher the catalytic performance of the catalyst in the fuel cell electrode.

図12に、上記測定により得られた電流−電位曲線を示す。
触媒製造例1−7で作製した触媒(7)は、酸素還元開始電位が0.82V(vs.RHE)、酸素還元電流密度が0.4mA/cm2であり、高い触媒能を有することがわかった(表2)。
FIG. 12 shows a current-potential curve obtained by the above measurement.
The catalyst (7) produced in Catalyst Production Example 1-7 has an oxygen reduction starting potential of 0.82 V (vs. RHE), an oxygen reduction current density of 0.4 mA / cm 2 , and has high catalytic ability. Okay (Table 2).

[触媒製造例2−5]
1.燃料電池用電極の製造
触媒(8)0.095gとカーボン(キャボット社製 XC−72)0.005gとを、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、懸濁して混合した。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、直径:5.2mm)に塗布し、120℃で1時間乾燥し、カーボン電極表面に1.0mg以上の燃料電池触媒層が形成された。さらに、燃料電池用触媒層の上にNAFION(登録商標)(デュポン社 5%NAFION(登録商標)溶液(DE521))を10倍にイソプロピルアルコールで希釈したもの10μlを塗布し、120℃で1時間乾燥し、燃料電池用電極(5)を得た。
[Catalyst Production Example 2-5]
1. Production of Fuel Cell Electrode 0.095 g of catalyst (8) and 0.005 g of carbon (XC-72 manufactured by Cabot Corporation) were put in 10 g of a solution mixed in a mass ratio of isopropyl alcohol: pure water = 2: 1. The mixture was stirred and suspended by sonic waves. 30 μl of the mixture was applied to a glassy carbon electrode (Tokai Carbon Co., Ltd., diameter: 5.2 mm) and dried at 120 ° C. for 1 hour to form a fuel cell catalyst layer of 1.0 mg or more on the carbon electrode surface. Furthermore, 10 μl of NAFION (registered trademark) (DuPont 5% NAFION (registered trademark) solution (DE521)) diluted 10-fold with isopropyl alcohol was applied on the catalyst layer for the fuel cell, and the mixture was applied at 120 ° C. for 1 hour. It dried and obtained the electrode (5) for fuel cells.

2.酸素還元能の評価
作製した燃料電池用電極(5)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。
2. Evaluation of oxygen reduction ability The produced fuel cell electrode (5) was polarized in an oxygen atmosphere and a nitrogen atmosphere in a 0.5 mol / dm 3 sulfuric acid solution at a potential scanning speed of 30 ° C. and 5 mV / sec. A potential curve 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/cm2以上差が現れ始める電位を酸素還元開始電位とした。また、0.7V(vsRHE)における、酸素雰囲気での還元電流と窒素雰囲気での還元電流との差を算出した。算出した値を、さらに電極面積で除した値を酸素還元電流密度(mA/cm2)とした。 From the above measurement results, a potential at which a difference of 0.2 μA / cm 2 or more began to appear between the reduction current in the oxygen atmosphere and the reduction current in the nitrogen atmosphere was defined as the oxygen reduction start potential. Further, the difference between the reduction current in an oxygen atmosphere and the reduction current in a nitrogen atmosphere at 0.7 V (vs RHE) was calculated. A value obtained by further dividing the calculated value by the electrode area was defined as an oxygen reduction current density (mA / cm 2 ).

酸素還元開始電位および酸素還元電流密度により、作製した燃料電池用電極(5)の触媒能を評価した。
すなわち、酸素還元開始電位が高いほど、酸素還元電流密度が大きいほど、燃料電池用電極における触媒の触媒能が高いことを示す。
The catalytic ability of the produced fuel cell electrode (5) was evaluated based on the oxygen reduction starting potential and the oxygen reduction current density.
That is, the higher the oxygen reduction start potential and the higher the oxygen reduction current density, the higher the catalytic performance of the catalyst in the fuel cell electrode.

図13に、上記測定により得られた電流−電位曲線を示す。
触媒製造例1−8で作製した触媒(8)は、酸素還元開始電位が0.95V(vs.RHE)、酸素還元電流密度が1.50mA/cm2であり、高い触媒能を有することがわかった(表2)。
FIG. 13 shows a current-potential curve obtained by the above measurement.
The catalyst (8) produced in Catalyst Production Example 1-8 has an oxygen reduction starting potential of 0.95 V (vs. RHE), an oxygen reduction current density of 1.50 mA / cm 2 , and has high catalytic ability. Okay (Table 2).

[触媒製造例3−1]
1.触媒の製造
第1の遷移金属含有化合物としてチタンテトライソプロポキシド(純正化学(株)製)9.37g及びアセチルアセトン(純正化学)5.12gをエタノール(和光純薬(株)製)15mLと酢酸(和光純薬(株)製)5mLとの溶液に加え、室温で攪拌しながら第1の遷移金属含有混合物溶液を作製した。また、窒素含有有機化合物としてグリシン(和光純薬(株)製)10.0g及び第2の遷移金属含有化合物として酢酸鉄(Aldrich社製)0.582gを純水20mLに加え、室温で攪拌して完全に溶解させて窒素含有有機化合物含有混合物溶液を作製した。第1の遷移金属含有混合物溶液を窒素含有有機化合物含有混合物溶液にゆっくり添加し、透明な触媒前駆体溶液を得た。ロータリーエバポレーターを用い、窒素雰囲気の減圧下で、ホットスターラーの温度を約100℃に設定し、前記触媒前駆体溶液を加熱かつ攪拌しながら、溶媒をゆっくり蒸発させた。完全に溶媒を蒸発させて得られた固形分残渣を乳鉢で細かく均一に潰して、粉末を得た。
[Catalyst Production Example 3-1]
1. Production of catalyst As the first transition metal-containing compound, 9.37 g of titanium tetraisopropoxide (manufactured by Junsei Kagaku Co., Ltd.) and 5.12 g of acetylacetone (Junsei Kagaku) 15 mL of ethanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and acetic acid In addition to a solution with 5 mL (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), a first transition metal-containing mixture solution was prepared while stirring at room temperature. Further, 10.0 g of glycine (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a nitrogen-containing organic compound and 0.582 g of iron acetate (manufactured by Aldrich) as a second transition metal-containing compound are added to 20 mL of pure water and stirred at room temperature. And completely dissolved to prepare a nitrogen-containing organic compound-containing mixture solution. The first transition metal-containing mixture solution was slowly added to the nitrogen-containing organic compound-containing mixture solution to obtain a transparent catalyst precursor solution. Using a rotary evaporator, the temperature of the hot stirrer was set to about 100 ° C. under reduced pressure in a nitrogen atmosphere, and the solvent was slowly evaporated while heating and stirring the catalyst precursor solution. The solid residue obtained by completely evaporating the solvent was finely and uniformly crushed in a mortar to obtain a powder.

この粉末を管状炉に入れ、水素ガスを4体積%含む窒素ガスの雰囲気下で昇温速度10℃/minで890℃まで加熱し、890℃で1時間保持し、自然冷却することにより粉末状の触媒を得た。この触媒のBET比表面積および元素分析結果を表3に示す。   This powder is put into a tubular furnace, heated to 890 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min in an atmosphere of nitrogen gas containing 4% by volume of hydrogen gas, held at 890 ° C. for 1 hour, and naturally cooled to form powder The catalyst was obtained. Table 3 shows the BET specific surface area and elemental analysis results of this catalyst.

2.燃料電池用電極の製造
次いで、この触媒0.095gとカーボン(キャボット社製 XC−72)0.005gとを、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、懸濁して混合した。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、直径:5.2mm)に塗布し、120℃で5分間乾燥し、カーボン電極表面に1.0mg以上の燃料電池触媒層が形成された。さらに、燃料電池用触媒層の上にNAFION(登録商標)(デュポン社 5%NAFION(登録商標)溶液(DE521))をイソプロピルアルコールで10倍に希釈したもの10μlを塗布し、120℃で1時間乾燥し、燃料電池用電極を得た。
2. Production of Fuel Cell Electrode Next, 0.095 g of this catalyst and 0.005 g of carbon (XC-72 manufactured by Cabot Corporation) were mixed in 10 g of a solution having a mass ratio of isopropyl alcohol: pure water = 2: 1, The mixture was stirred and suspended by sonic waves. 30 μl of the mixture was applied to a glassy carbon electrode (Tokai Carbon Co., Ltd., diameter: 5.2 mm) and dried at 120 ° C. for 5 minutes to form a fuel cell catalyst layer of 1.0 mg or more on the surface of the carbon electrode. Further, 10 μl of NAFION (registered trademark) (DuPont 5% NAFION (registered trademark) solution (DE521)) diluted 10-fold with isopropyl alcohol was applied on the catalyst layer for the fuel cell, and the mixture was applied at 120 ° C. for 1 hour. It dried and obtained the electrode for fuel cells.

3.酸素還元能の評価
作製した燃料電池用電極を、酸素雰囲気および窒素雰囲気で、0.5mol/Lの硫酸水溶液中、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。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0.05mA/cm2以上差が現れ始める電位を酸素還元電位E@0.05mA/cm2とした。この酸素還元電位により、作製した燃料電池用電極の触媒能を評価した。すなわち、この酸素還元電位が高いほど、燃料電池用電極における触媒の触媒能が高いことを示す。
3. Evaluation of oxygen reduction ability The prepared fuel cell electrode was polarized in an oxygen and nitrogen atmosphere in a 0.5 mol / L sulfuric acid aqueous solution at 30 ° C. and a potential scanning rate of 5 mV / sec, and a current-potential curve was measured. did. At that time, a reversible hydrogen electrode in a sulfuric acid solution having the same concentration was used as a reference electrode. The reduction current and a 0.05 mA / cm 2 or more differences begin to appear potential at reduction current and a nitrogen atmosphere in an oxygen atmosphere was oxygen reduction potential E@0.05mA/cm 2. Based on this oxygen reduction potential, the catalytic ability of the produced fuel cell electrode was evaluated. That is, the higher the oxygen reduction potential, the higher the catalytic ability of the catalyst in the fuel cell electrode.

[触媒製造例3−2〜3−26、3−29〜3−38、比較触媒製造例3−1〜3−3]
第1の遷移金属含有化合物、窒素含有有機化合物および第2の遷移金属含有化合物として表3に記載された化合物を表3に記載された重量で用いたこと以外は触媒製造例3−1と同様の手順で触媒を製造し、その分析を行い、さらに燃料電池用電極を得て、その酸素還元能を評価した。結果を表3に示す。
[Catalyst Production Examples 3-2 to 3-26, 3-29 to 3-38, Comparative Catalyst Production Examples 3-1 to 3-3]
The same as Catalyst Production Example 3-1, except that the compounds described in Table 3 were used in the weights described in Table 3 as the first transition metal-containing compound, nitrogen-containing organic compound, and second transition metal-containing compound. The catalyst was produced by the above procedure and analyzed, and a fuel cell electrode was obtained and its oxygen reduction ability was evaluated. The results are shown in Table 3.

[触媒製造例3−27〜3−28]
1.触媒の製造
第1の遷移金属含有化合物、窒素含有有機化合物および第2の遷移金属含有化合物として表3に記載された化合物を表3に記載された重量で用いたこと以外は触媒製造例3−1と同様の手順で透明な触媒前駆体溶液を得た。ロータリーエバポレーターを用い、窒素雰囲気の減圧下で、ホットスターラーの温度を約100℃に設定し、前記触媒前駆体溶液を加熱かつ攪拌しながら、溶液量が半分になるまで溶媒をゆっくり蒸発させた。溶液中に析出した固体をろ過操作によって取り出し、この固体を窒素中で乾燥させて得られた固形分残渣を乳鉢で細かく、均一に潰して粉末を得た。
[Catalyst Production Examples 3-27 to 3-28]
1. Production of Catalyst Catalyst Production Example 3 except that the compounds described in Table 3 were used as the first transition metal-containing compound, the nitrogen-containing organic compound, and the second transition metal-containing compound in the weight described in Table 3. A transparent catalyst precursor solution was obtained by the same procedure as in 1. Using a rotary evaporator, the temperature of the hot stirrer was set to about 100 ° C. under reduced pressure in a nitrogen atmosphere, and the catalyst precursor solution was heated and stirred to slowly evaporate the solvent until the amount of the solution was reduced to half. The solid precipitated in the solution was taken out by filtration, and the solid residue obtained by drying the solid in nitrogen was finely and uniformly crushed in a mortar to obtain a powder.

この粉末を管状炉に入れ、水素ガスを4体積%含む窒素ガスの雰囲気下で昇温速度10℃/minで890℃まで加熱し、890℃で1時間保持し、自然冷却することにより粉末状の触媒を製造し、その分析を行い、さらに燃料電池用電極を得て、その酸素還元能を評価した。結果を表3に示す。   This powder is put into a tubular furnace, heated to 890 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min in an atmosphere of nitrogen gas containing 4% by volume of hydrogen gas, held at 890 ° C. for 1 hour, and naturally cooled to form powder The catalyst was prepared and analyzed, and a fuel cell electrode was obtained and its oxygen reduction ability was evaluated. The results are shown in Table 3.

[触媒製造例3−39]
加熱温度を890℃から1000℃に変更したこと以外は触媒製造例3−1と同様の手順で触媒を製造し、その分析を行い、さらに燃料電池用電極を得て、その酸素還元能を評価した。結果を表3に示す。
[Catalyst Production Example 3-39]
Except that the heating temperature was changed from 890 ° C. to 1000 ° C., a catalyst was produced in the same procedure as in Catalyst Production Example 3-1, analyzed, and a fuel cell electrode was obtained to evaluate its oxygen reducing ability. did. The results are shown in Table 3.

[触媒製造例3−40]
第1の遷移金属含有化合物、窒素含有有機化合物および第2の遷移金属含有化合物として表3に記載された化合物を表3に記載された重量で用い、エタノールに代えてメタノール(特級、和光ケミカル)50mlを用い、酢酸を用いなかったこと以外は触媒製造例3−1と同様の手順で触媒を製造し、その分析を行い、さらに燃料電池用電極を得て、その酸素還元能を評価した。結果を表3に示す。
[Catalyst Production Example 3-40]
The compounds described in Table 3 as the first transition metal-containing compound, nitrogen-containing organic compound, and second transition metal-containing compound are used in the weights described in Table 3, and methanol (special grade, Wako Chemical) is used instead of ethanol. A catalyst was produced in the same procedure as in Catalyst Production Example 3-1, except that 50 ml was used and no acetic acid was used. The catalyst was analyzed, and a fuel cell electrode was obtained to evaluate its oxygen reducing ability. The results are shown in Table 3.

[触媒製造例3−41]
1.触媒の製造
ビーカーに、アセチルアセトン2.60gを入れ、これを攪拌しながら第1の遷移金属含有化合物としてバナジウムイソプロポキシド4.30gを滴下し、さらに酢酸28mlを2分間かけて滴下し、第1の遷移金属含有混合物溶液を調製した。
[Catalyst Production Example 3-41]
1. Production of catalyst 2.60 g of acetylacetone was placed in a beaker, and 4.30 g of vanadium isopropoxide as a first transition metal-containing compound was added dropwise with stirring, and 28 ml of acetic acid was added dropwise over 2 minutes. A transition metal-containing mixture solution was prepared.

ビーカーに水60ml、エタノール50ml、および酢酸60mlを入れ、ここに窒素含有有機化合物としてピラジンカルボン酸8.74gを加えて完全に溶解させた。得られた溶液に、これを攪拌しながら、さらに酢酸鉄0.290gを少量ずつ加えて溶解させた。次に温度を室温に保ちながら、かつ攪拌しながら、第1の遷移金属含有混合物溶液をゆっくり(10分間かけて)滴下し、滴下後さらに30分間攪拌を行い、透明な触媒前駆体溶液(3−41)を得た。   In a beaker, 60 ml of water, 50 ml of ethanol, and 60 ml of acetic acid were added, and 8.74 g of pyrazinecarboxylic acid was added as a nitrogen-containing organic compound and completely dissolved. While stirring this, 0.290 g of iron acetate was further added to the obtained solution little by little and dissolved. Next, while maintaining the temperature at room temperature and with stirring, the first transition metal-containing mixture solution is dropped slowly (over 10 minutes), and after the dropping, stirring is further performed for 30 minutes to obtain a transparent catalyst precursor solution (3 -41) was obtained.

ロータリーエバポレーターを用い、窒素雰囲気の減圧下で、ホットスターラーの温度を約100℃に設定し、前記触媒前駆体溶液を加熱かつ攪拌しながら、溶媒をゆっくり蒸発させた。完全に溶媒を蒸発させて得られた固形分残渣を乳鉢で細かく均一に潰して、粉末を得た。   Using a rotary evaporator, the temperature of the hot stirrer was set to about 100 ° C. under reduced pressure in a nitrogen atmosphere, and the solvent was slowly evaporated while heating and stirring the catalyst precursor solution. The solid residue obtained by completely evaporating the solvent was finely and uniformly crushed in a mortar to obtain a powder.

この粉末のうち1.2gをロータリーキルン炉に入れ、水素ガスを4体積%含む窒素ガスを20ml/分の速度で流しながら、昇温速度10℃/分で890℃まで加熱し、890℃で0.5時間保持し、自然冷却することにより、粉末状の触媒を得た。この触媒のBET比表面積および元素分析結果を表3に示す。   1.2 g of this powder was placed in a rotary kiln furnace, heated to 890 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C./min while flowing nitrogen gas containing 4% by volume of hydrogen gas at a rate of 20 ml / min, and 0 at 890 ° C. The powdered catalyst was obtained by holding for 5 hours and naturally cooling. Table 3 shows the BET specific surface area and elemental analysis results of this catalyst.

[触媒製造例3−42]
ビーカーに、酢酸80mlを入れ、これを攪拌しながらバナジウム(III)アセチルアセトナート6.13gを滴下し、第1の遷移金属含有混合物溶液を調製した。
[Catalyst Production Example 3-42]
Into a beaker, 80 ml of acetic acid was added, and 6.13 g of vanadium (III) acetylacetonate was added dropwise with stirring to prepare a first transition metal-containing mixture solution.

攪拌子(長さ30mm)が1個入った容量500mlのナスフラスコに水60ml、エタノール50ml、および酢酸60mlを入れ、ここに窒素含有有機化合物としてピラジンカルボン酸8.74gを加えて完全に溶解させた。得られた溶液に、これを攪拌しながら、さらに酢酸鉄0.290gを少量ずつ加えて溶解させた。次に温度を室温に保ちながら、かつ攪拌しながら、第1の遷移金属含有混合物溶液をゆっくり(10分間かけて)滴下し、滴下後さらに30分間攪拌を行い、透明な触媒前駆体溶液(3−42)を得た。   In a 500 ml eggplant flask containing one stir bar (length 30 mm), 60 ml of water, 50 ml of ethanol, and 60 ml of acetic acid are added, and 8.74 g of pyrazinecarboxylic acid is added as a nitrogen-containing organic compound and completely dissolved. It was. While stirring this, 0.290 g of iron acetate was further added to the obtained solution little by little and dissolved. Next, while maintaining the temperature at room temperature and with stirring, the first transition metal-containing mixture solution is dropped slowly (over 10 minutes), and after the dropping, stirring is further performed for 30 minutes to obtain a transparent catalyst precursor solution (3 -42) was obtained.

触媒前駆体溶液(3−41)を触媒前駆体溶液(3−42)に変更したこと以外は触媒製造例3−41と同様の操作により粉末状の触媒を得た。この触媒のBET比表面積および元素分析結果を表3に示す。   A powdery catalyst was obtained by the same operation as in Catalyst Production Example 3-41 except that the catalyst precursor solution (3-41) was changed to the catalyst precursor solution (3-42). Table 3 shows the BET specific surface area and elemental analysis results of this catalyst.

[触媒製造例3−43]
1.触媒の製造
第1の遷移金属含有化合物としてチタンテトライソプロポキシド(純正化学(株)製)9.37g及びアセチルアセトン(純正化学)5.12gを酢酸(和光純薬(株)製)5mLとの溶液に加え、室温で攪拌しながら第1の遷移金属含有混合物溶液を作製した。また、窒素含有有機化合物としてグリシン(和光純薬(株)製)10.0g及び第2の遷移金属含有化合物として酢酸鉄(Aldrich社製)0.582gを純水20mLに加え、室温で攪拌して完全に溶解させて窒素含有有機化合物含有混合物溶液を作製した。第1の遷移金属含有混合物溶液を窒素含有有機化合物含有混合物溶液にゆっくり添加し、透明な触媒前駆体溶液を得た。ロータリーエバポレーターを用い、窒素雰囲気の減圧下で、ホットスターラーの温度を約80℃に設定し、前記触媒前駆体溶液を加熱かつ攪拌しながら、溶媒をゆっくり蒸発させた。完全に溶媒を蒸発させて得られた固形分残渣を乳鉢で細かく均一に潰して、粉末を得た。
[Catalyst Production Example 3-43]
1. Production of catalyst As the first transition metal-containing compound, 9.37 g of titanium tetraisopropoxide (manufactured by Junsei Kagaku Co., Ltd.) and 5.12 g of acetylacetone (Junsei Kagaku) are mixed with 5 mL of acetic acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) In addition to the solution, a first transition metal-containing mixture solution was prepared while stirring at room temperature. Further, 10.0 g of glycine (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a nitrogen-containing organic compound and 0.582 g of iron acetate (manufactured by Aldrich) as a second transition metal-containing compound are added to 20 mL of pure water and stirred at room temperature. And completely dissolved to prepare a nitrogen-containing organic compound-containing mixture solution. The first transition metal-containing mixture solution was slowly added to the nitrogen-containing organic compound-containing mixture solution to obtain a transparent catalyst precursor solution. Using a rotary evaporator, the temperature of the hot stirrer was set to about 80 ° C. under reduced pressure in a nitrogen atmosphere, and the solvent was slowly evaporated while heating and stirring the catalyst precursor solution. The solid residue obtained by completely evaporating the solvent was finely and uniformly crushed in a mortar to obtain a powder.

この粉末を管状炉に入れ、水素ガスを4体積%含む窒素ガスの雰囲気下で昇温速度20℃/minで890℃まで加熱し、890℃で30分間保持し、自然冷却することにより粉末状の触媒を得た。この触媒のBET比表面積および元素分析結果を表3に示す。   This powder is put into a tube furnace, heated to 890 ° C. at a temperature rising rate of 20 ° C./min in an atmosphere of nitrogen gas containing 4% by volume of hydrogen gas, held at 890 ° C. for 30 minutes, and naturally cooled to form powder. The catalyst was obtained. Table 3 shows the BET specific surface area and elemental analysis results of this catalyst.

[比較触媒製造例3−4]
遷移金属含有化合物である酸化チタン(アナターゼ型、100m2/g)を管状炉に入れ、水素ガスを4体積%含む窒素ガスの雰囲気下で昇温速度10℃/minで900℃まで加熱し、900℃で1時間保持し、自然冷却することにより粉末状の触媒を製造した。その分析を行い、さらに燃料電池用電極を得て、その酸素還元能を評価した。結果を表3に示す。
[Comparative Catalyst Production Example 3-4]
Titanium oxide (anatase type, 100 m 2 / g), which is a transition metal-containing compound, is placed in a tubular furnace, heated to 900 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C./min in an atmosphere of nitrogen gas containing 4% by volume of hydrogen gas, A powdery catalyst was produced by holding at 900 ° C. for 1 hour and naturally cooling. The analysis was carried out to obtain a fuel cell electrode, and its oxygen reduction ability was evaluated. The results are shown in Table 3.

[比較触媒製造例3−5]
遷移金属含有化合物である酸化チタン(アナターゼ型、100m2/g)2gとカーボンブラック(キャボット社製、VULCAN(登録商標) XC72)0.75gを乳鉢中でよく混合し、管状炉に入れ、水素ガスを4体積%含む窒素ガスの雰囲気下で昇温速度10℃/minで1700℃まで加熱し、1700℃で3時間保持し、自然冷却することにより粉末状の触媒を製造した。その分析を行い、さらに燃料電池用電極を得て、その酸素還元能を評価した。結果を表3に示す。
[Comparative Catalyst Production Example 3-5]
2 g of titanium oxide (anatase type, 100 m 2 / g) which is a transition metal-containing compound and 0.75 g of carbon black (manufactured by Cabot, VULCAN (registered trademark) XC72) are mixed well in a mortar, put in a tube furnace, and hydrogen In a nitrogen gas atmosphere containing 4% by volume of gas, the catalyst was heated to 1700 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min, held at 1700 ° C. for 3 hours, and naturally cooled to produce a powdered catalyst. The analysis was carried out to obtain a fuel cell electrode, and its oxygen reduction ability was evaluated. The results are shown in Table 3.

[比較触媒製造例3−6]
触媒製造例3−1で得た粉末を管状炉に入れ、水素ガスを4体積%含む窒素ガスの雰囲気下で昇温速度10℃/minで170℃まで加熱し、170℃で1時間保持し、自然冷却することにより粉末状の触媒を製造した。その分析を行い、さらに燃料電池用電極を得て、その酸素還元能を評価した。結果を表4に示す。
[Comparative Catalyst Production Example 3-6]
The powder obtained in Catalyst Production Example 3-1 is placed in a tubular furnace, heated to 170 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C./min in an atmosphere of nitrogen gas containing 4% by volume of hydrogen gas, and held at 170 ° C. for 1 hour. A powdered catalyst was produced by natural cooling. The analysis was carried out to obtain a fuel cell electrode, and its oxygen reduction ability was evaluated. The results are shown in Table 4.

[比較触媒製造例3−7]
触媒製造例3−1で得た粉末を管状炉に入れ、水素ガスを4体積%含む窒素ガスの雰囲気下で昇温速度10℃/minで240℃まで加熱し、240℃で1時間保持し、自然冷却することにより粉末状の触媒を製造した。その分析を行い、さらに燃料電池用電極を得て、その酸素還元能を評価した。結果を表4に示す。
[Comparative Catalyst Production Example 3-7]
The powder obtained in Catalyst Production Example 3-1 is placed in a tubular furnace, heated to 240 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C./min in an atmosphere of nitrogen gas containing 4% by volume of hydrogen gas, and held at 240 ° C. for 1 hour. A powdered catalyst was produced by natural cooling. The analysis was carried out to obtain a fuel cell electrode, and its oxygen reduction ability was evaluated. The results are shown in Table 4.

[比較触媒製造例3−8]
触媒製造例3−1で得た粉末を管状炉に入れ、水素ガスを4体積%含む窒素ガスの雰囲気下で昇温速度10℃/minで300℃まで加熱し、300℃で1時間保持し、自然冷却することにより粉末状の触媒を製造した。その分析を行い、さらに燃料電池用電極を得て、その酸素還元能を評価した。結果を表4に示す。
[Comparative Catalyst Production Example 3-8]
The powder obtained in Catalyst Production Example 3-1 is placed in a tubular furnace, heated to 300 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C./min in an atmosphere of nitrogen gas containing 4% by volume of hydrogen gas, and held at 300 ° C. for 1 hour. A powdered catalyst was produced by natural cooling. The analysis was carried out to obtain a fuel cell electrode, and its oxygen reduction ability was evaluated. The results are shown in Table 4.

[比較触媒製造例3−9]
触媒製造例3−1で得た粉末を管状炉に入れ、水素ガスを4体積%含む窒素ガスの雰囲気下で昇温速度200℃/hで1200℃まで加熱し、1200℃で2時間保持し、自然冷却することにより粉末状の触媒を製造した。さらに燃料電池用電極を得て、その酸素還元能を評価した。結果を表4に示す。
[Comparative Catalyst Production Example 3-9]
The powder obtained in Catalyst Production Example 3-1 is placed in a tubular furnace, heated to 1200 ° C. at a temperature rising rate of 200 ° C./h in an atmosphere of nitrogen gas containing 4% by volume of hydrogen gas, and held at 1200 ° C. for 2 hours. A powdered catalyst was produced by natural cooling. Furthermore, the electrode for fuel cells was obtained and the oxygen reduction ability was evaluated. The results are shown in Table 4.

[比較触媒製造例3−10]
触媒製造例3−1で得た粉末を管状炉に入れ、水素ガスを4体積%含む窒素ガスの雰囲気下で昇温速度200℃/hで1400℃まで加熱し、1400℃で2時間保持し、自然冷却することにより粉末状の触媒を製造した。さらに燃料電池用電極を得て、その酸素還元能を評価した。結果を表4に示す。
[Comparative Catalyst Production Example 3-10]
The powder obtained in Catalyst Production Example 3-1 is placed in a tubular furnace, heated to 1400 ° C. at a temperature rising rate of 200 ° C./h in an atmosphere of nitrogen gas containing 4% by volume of hydrogen gas, and held at 1400 ° C. for 2 hours. A powdered catalyst was produced by natural cooling. Furthermore, the electrode for fuel cells was obtained and the oxygen reduction ability was evaluated. The results are shown in Table 4.

[比較触媒製造例3−11]
触媒製造例3−1で得た粉末を管状炉に入れ、水素ガスを4体積%含む窒素ガスの雰囲気下で昇温速度200℃/hで1600℃まで加熱し、1600℃で2時間保持し、自然冷却することにより粉末状の触媒を製造した。さらに燃料電池用電極を得て、その酸素還元能を評価した。結果を表4に示す。
[Comparative Catalyst Production Example 3-11]
The powder obtained in Catalyst Production Example 3-1 is placed in a tubular furnace, heated to 1600 ° C. at a temperature rising rate of 200 ° C./h in an atmosphere of nitrogen gas containing 4% by volume of hydrogen gas, and held at 1600 ° C. for 2 hours. A powdered catalyst was produced by natural cooling. Furthermore, the electrode for fuel cells was obtained and the oxygen reduction ability was evaluated. The results are shown in Table 4.

Figure 2012221929
Figure 2012221929

Figure 2012221929
※酸素還元電位E@0.05mA/cm2・・・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0.05mA/cm2以上差が現れ始める電位
Figure 2012221929
※ oxygen reduction potential E@0.05mA/cm 2 ··· reduction current and reduction current and to 0.05mA / cm 2 or more difference begins to appear potential in a nitrogen atmosphere in an oxygen atmosphere

Figure 2012221929
Figure 2012221929

Figure 2012221929
表3、4中の略号の意味は以下のとおりである。
Figure 2012221929
The meanings of the abbreviations in Tables 3 and 4 are as follows.

Acac:アセチルアセトン
Ti−iP:チタンテトライソプロポキシド
TiAcac錯体:チタンテトラアセチルアセトナート
Zr−B:ジルコニウムテトラブトキシド
Ta−E:タンタルペンタエトキシド
Nb−E:ニオブペンタエトキシド
V−iP:バナジウムオキシトリイソプロポキシド(VO(O−iPr)3
VAcac錯体:バナジウムアセチルアセトナート(V(acac)3
Acac: Acetylacetone Ti-iP: Titanium tetraisopropoxide TiAcac complex: Titanium tetraacetylacetonate Zr-B: Zirconium tetrabutoxide Ta-E: Tantalum pentaethoxide Nb-E: Niobium pentaethoxide V-iP: Vanadium oxytri Isopropoxide (VO (O-iPr) 3 )
VAacac complex: vanadium acetylacetonate (V (acac) 3 )

2 固体高分子電解質膜、5 アノード側ガス拡散層、6 カソード側ガス拡散層、7、8 セパレータ板、7a、8a ガス流路、10 膜・電極接合体、11 アノード触媒層、11a 触媒形成領域、11b 触媒非形成領域、12カソード触媒層、12a 触媒形成領域、12b 触媒非形成領域、13 カソード触媒層、13a 第1触媒形成領域、13b 第2触媒形成領域、13c触媒非形成領域、15 アノード触媒ペースト、16 カソード触媒ペースト、20 第1転写フィルム、21 第2転写フィルム、22 第3転写フィルム、25、26、27 積層体、30 上金型、30a ホットプレス面、30b触媒ペースト転写部、30c 凹溝(触媒ペースト非転写部)、32 上金型、32a ホットプレス面、32b 触媒ペースト転写部、32c 凹部(触媒ペースト非転写部)、33 上金型、33a ホットプレス面、33b 触媒ペースト転写部、33c 凹部(触媒ペースト非転写部)。 2 solid polymer electrolyte membrane, 5 anode side gas diffusion layer, 6 cathode side gas diffusion layer, 7, 8 separator plate, 7a, 8a gas flow path, 10 membrane / electrode assembly, 11 anode catalyst layer, 11a catalyst formation region 11b catalyst non-formation region, 12 cathode catalyst layer, 12a catalyst formation region, 12b catalyst non-formation region, 13 cathode catalyst layer, 13a first catalyst formation region, 13b second catalyst formation region, 13c catalyst non-formation region, 15 anode Catalyst paste, 16 Cathode catalyst paste, 20 First transfer film, 21 Second transfer film, 22 Third transfer film, 25, 26, 27 Laminate, 30 Upper mold, 30a Hot press surface, 30b Catalyst paste transfer part, 30c Concave groove (catalyst paste non-transfer part), 32 upper mold, 32a hot press surface, 32b catalyst pace Transfer portion, 32c recess (catalyst paste non-transfer portion), 33 upper mold, 33a hot press surface, 33b catalyst paste transfer portion, 33c recess (catalyst paste non-transfer portion).

Claims (6)

(A)少なくとも遷移金属含有化合物、窒素含有有機化合物および溶媒を混合して触媒前駆体溶液を得る工程a1、
前記触媒前駆体溶液から溶媒を除去する工程a2、および
工程a2で得られた固形分残渣を500〜1100℃の温度で熱処理して燃料電池用電極触媒(a)を得る工程a3を含み、
前記遷移金属含有化合物の一部または全部が、遷移金属元素として周期表第4族および第5族の元素から選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素M1を含有する化合物である
触媒製造工程と、
(B)アノード触媒ペーストを第1転写フィルム上に塗布する工程と、
(C)前記燃料電池用電極触媒(a)を含むカソード触媒ペーストを調製し、第2転写フィルム上に塗布する工程と、
(D)上記第1および第2転写フィルムを上記アノード触媒ペーストおよび上記カソード触媒ペーストを固体高分子電解質膜側に向けて該固体高分子電解質膜を挟持するように重ね合わせて積層体を形成する工程と、
(E)平坦な触媒ペースト転写部および該触媒ペースト転写部に対して所定深さを有する触媒ペースト非転写部が形成されたホットプレス面を有する金型を用いて上記積層体をホットプレスし、上記アノード触媒ペーストおよび上記カソード触媒ペーストを該触媒ペースト転写部と略同一形状に上記固体高分子電解質膜に転写するホットプレス工程と
を有することを特徴とする膜・電極接合体の製造方法。
(A) Step a1 in which at least a transition metal-containing compound, a nitrogen-containing organic compound, and a solvent are mixed to obtain a catalyst precursor solution,
A step a2 of removing the solvent from the catalyst precursor solution, and a step a3 of obtaining a fuel cell electrode catalyst (a) by heat-treating the solid residue obtained in the step a2 at a temperature of 500 to 1100 ° C.,
A catalyst production process in which a part or all of the transition metal-containing compound is a compound containing at least one transition metal element M1 selected from Group 4 and Group 5 elements of the periodic table as a transition metal element;
(B) applying an anode catalyst paste onto the first transfer film;
(C) preparing a cathode catalyst paste containing the fuel cell electrode catalyst (a) and applying it on the second transfer film;
(D) The first and second transfer films are stacked so that the anode catalyst paste and the cathode catalyst paste are directed toward the solid polymer electrolyte membrane so as to sandwich the solid polymer electrolyte membrane, thereby forming a laminate. Process,
(E) Hot pressing the laminate using a mold having a hot press surface on which a flat catalyst paste transfer portion and a catalyst paste non-transfer portion having a predetermined depth with respect to the catalyst paste transfer portion are formed, A method for producing a membrane / electrode assembly, comprising: a hot pressing step of transferring the anode catalyst paste and the cathode catalyst paste onto the solid polymer electrolyte membrane in substantially the same shape as the catalyst paste transfer portion.
上記第1および第2転写フィルムが10μm以上、50μm以下の厚みに形成されていることを特徴とする請求項1記載の膜・電極接合体の製造方法。   The method for producing a membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the first and second transfer films are formed to a thickness of 10 µm or more and 50 µm or less. 上記ホットプレス工程(E)において、上記触媒ペースト転写部が互いに重ならないように形成された複数の金型を1つずつ用いてホットプレスして、上記アノード触媒ペーストおよび上記カソード触媒ペーストを該複数の金型の個数回に分けて上記固体高分子電解質膜に転写するようにしたことを特徴とする請求項1記載の膜・電極接合体の製造方法。   In the hot pressing step (E), the plurality of molds formed so that the catalyst paste transfer portions do not overlap with each other are hot pressed one by one, and the anode catalyst paste and the cathode catalyst paste are 2. The method for producing a membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the mold is transferred to the solid polymer electrolyte membrane in several times. 請求項1記載の製造方法により、触媒非形成領域が上記固体高分子電解質膜を挟んで相対して上記アノード触媒層および上記カソード触媒層内に形成されるように膜・電極接合体を製造し、
アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層を、上記アノード触媒層および上記カソード触媒層上にそれぞれ配設してガス拡散層付き膜・電極接合体を製造し、
ガス拡散層付き膜・電極接合体を、ガス流路が形成されたセパレータを介して複数積層する
ことを特徴とする固体高分子型燃料電池の製造方法。
The membrane / electrode assembly is produced by the production method according to claim 1 so that a non-catalyst forming region is formed in the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer opposite to each other across the solid polymer electrolyte membrane. ,
An anode side gas diffusion layer and a cathode side gas diffusion layer are respectively disposed on the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer to produce a membrane / electrode assembly with a gas diffusion layer,
A method for producing a polymer electrolyte fuel cell, comprising: laminating a plurality of membrane-electrode assemblies with a gas diffusion layer through a separator having a gas flow path formed therein.
上記アノード触媒層および上記カソード触媒層を、上記触媒非形成領域により分離された複数の触媒形成領域から構成することを特徴とする請求項4記載の固体高分子型燃料電池の製造方法。   5. The method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to claim 4, wherein the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer are composed of a plurality of catalyst formation regions separated by the catalyst non-formation region. 上記アノード触媒層および上記カソード触媒層の少なくとも一方の触媒層を、それぞれ異なる組成の触媒ペーストで形成し、少なくとも2種類の上記触媒形成領域が混在するように構成することを特徴とする請求項5記載の固体高分子型燃料電池の製造方法。   6. The catalyst layer according to claim 5, wherein at least one of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer is formed of catalyst pastes having different compositions, and at least two types of the catalyst formation regions are mixed. A method for producing the polymer electrolyte fuel cell as described.
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