JP2015093223A - Oxide based non-platinum catalyst granules, manufacturing method of oxide based non-platinum catalyst granules, and catalyst ink and fuel cell using the oxide based non-platinum catalyst granules - Google Patents

Oxide based non-platinum catalyst granules, manufacturing method of oxide based non-platinum catalyst granules, and catalyst ink and fuel cell using the oxide based non-platinum catalyst granules Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxide based non-platinum catalyst granules without problems in use of oxide based non-platinum catalysts including no precious metal such as poor power generation characteristics per unit area due to low conductivity when used in a fuel cell and poor production efficiency in a process for manufacturing a catalyst ink; a manufacturing method thereof; and a catalyst ink and a fuel cell using the oxide based non-platinum catalyst granules.SOLUTION: The oxide based non-platinum catalyst granules include an oxide based non-platinum catalyst, a conductive carbon material, and a dispersant, having a spherical or elliptical shape, with an average particle diameter of 0.5 to 100 μm.

Description

本発明は、白金や白金合金等の貴金属を全く担持しない酸化物系非白金触媒造粒体、該酸化物系非白金触媒造粒体の製造方法、及び該酸化物系非白金触媒造粒体を用いた触媒インキ並びに燃料電池に関する。   The present invention relates to an oxide-based non-platinum catalyst granule that does not support a noble metal such as platinum or a platinum alloy, a method for producing the oxide-based non-platinum catalyst granule, and the oxide-based non-platinum catalyst granule. The present invention relates to a catalyst ink and a fuel cell.

燃料電池は、電気化学システムを用いて化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換できるシステムであり、高効率であるため次世代エネルギーとして期待されている。特に、固体高分子型燃料電池は自動車用、定置用、小型モバイル用に活発に開発が進められている。従来より、これらの固体高分子型燃料電池の電極触媒には、高い酸素還元活性を有する白金や白金合金等を用いる白金系触媒が用いられているが、コスト、資源量、供給安定性の面から、白金系触媒以外の触媒(非白金系触媒と呼ぶ)の開発が求められている。しかし、現状の非白金系触媒の性能は、白金系触媒に比べて十分ではないため、白金の使用量を大幅に低減した触媒や、白金を使用しない非白金系触媒の性能を高める技術開発が進められている。非白金系の触媒としては、窒素をドープしたカーボン触媒や遷移金属酸化物などが注目を浴びている。(非特許文献1、特許文献1〜5など)   A fuel cell is a system that can directly convert chemical energy into electrical energy using an electrochemical system, and is expected to be a next-generation energy because of its high efficiency. In particular, solid polymer fuel cells are being actively developed for automobiles, stationary devices, and small mobile devices. Conventionally, platinum-based catalysts using platinum or platinum alloys having high oxygen reduction activity have been used as electrode catalysts for these polymer electrolyte fuel cells. However, in terms of cost, resource amount, and supply stability, Therefore, development of catalysts other than platinum-based catalysts (referred to as non-platinum-based catalysts) has been demanded. However, the performance of current non-platinum-based catalysts is not sufficient compared to platinum-based catalysts. Therefore, there is technology development to improve the performance of catalysts that significantly reduce the amount of platinum used or non-platinum-based catalysts that do not use platinum. It is being advanced. As non-platinum-based catalysts, carbon catalysts doped with nitrogen, transition metal oxides, and the like are attracting attention. (Non-Patent Document 1, Patent Documents 1-5, etc.)

特に酸化物系非白金触媒は、白金系触媒よりも、経済的でコスト優位性が高いため積極的な開発が進められている。しかし、その性能はまだ十分ではなく、白金系触媒に近い電池性能を得るためには、電流値の向上が必要となり、そのためには膜の導電性の改善が必要である。そのため、導電性物質を触媒の担体として利用したり、触媒インキ作製時に導電助剤を添加したりするなどの検討がなされている。しかしながら、触媒インキ時に導電材料を添加する場合は遷移金属酸化物や導電助剤などが凝集を引き起こし易く、これら組成物を塗工する場合、触媒の凝集が起こると塗膜にピンホールが生じたり、塗膜中の導電性、プロトン伝導性やガス拡散性が均一な電極膜を得ることができず、電流量の低下や起電力の低下を引き起こしてしまうという問題がある。このような技術課題があるが、これを解決する手段が見出せていなかった。   In particular, oxide-based non-platinum catalysts are being actively developed because they are more economical and cost superior than platinum-based catalysts. However, its performance is not yet sufficient, and in order to obtain battery performance close to that of a platinum-based catalyst, it is necessary to improve the current value, and for that purpose, it is necessary to improve the conductivity of the film. For this reason, studies have been made to use a conductive substance as a catalyst carrier or to add a conductive auxiliary agent when preparing a catalyst ink. However, when a conductive material is added at the time of catalyst ink, transition metal oxides and conductive assistants tend to cause aggregation. When these compositions are applied, pinholes may occur in the coating when the catalyst is aggregated. There is a problem that an electrode film having uniform conductivity, proton conductivity and gas diffusibility in the coating film cannot be obtained, resulting in a decrease in current amount and a decrease in electromotive force. Although there is such a technical problem, no means for solving this has been found.

特開2011−6283号公報JP 2011-6283 A 特開2008−282725号公報JP 2008-282725 A 特開2009−295441号公報JP 2009-295441 A 特開2009−148706号公報JP 2009-148706 A 国際公開第2012/128287号パンフレットInternational Publication No. 2012/128287 Pamphlet

SCIENCE(VOL.332、第443〜447頁、2011年)SCIENCE (VOL.332, pp.443-447, 2011)

本発明が解決しようとする課題は、酸化物系非白金触媒を電極触媒として用いる際に問題となる導電性の低さによる燃料電池を作製した際の単位面積あたりの発電特性の悪さやや触媒インキ作製工程において発生する分散性の悪さや塗工性(塗工ムラ、ピンホールの発生)の悪さに起因する生産効率の悪さなどの問題点を解決できる酸化物系非白金触媒造粒体、及びその製造方法、更に該酸化物系非白金触媒造粒体を用いた触媒インキ、及び燃料電池を提供することにある。   The problem to be solved by the present invention is that the power generation characteristics per unit area when producing a fuel cell due to low conductivity, which is a problem when an oxide-based non-platinum catalyst is used as an electrode catalyst, and a catalyst ink Oxide-based non-platinum catalyst granules that can solve problems such as poor dispersibility and poor coating efficiency (coating unevenness and pinholes) generated in the production process, and It is an object of the present invention to provide a production method, and further a catalyst ink using the oxide-based non-platinum catalyst granule and a fuel cell.

すなわち本発明は、酸化物系非白金触媒と、導電性炭素材料及び分散剤とを、含有する酸化物系非白金触媒造粒体であって、前記酸化物系非白金触媒造粒体の形状が、球状または楕円体状であり、かつ造粒体の平均粒子径が0.5〜100μmであることを特徴とする酸化物系非白金触媒造粒体に関する。   That is, the present invention is an oxide-based non-platinum catalyst granule containing an oxide-based non-platinum catalyst, a conductive carbon material and a dispersant, and the shape of the oxide-based non-platinum catalyst granule. However, the present invention relates to an oxide-based non-platinum catalyst granule having a spherical or ellipsoidal shape and an average particle diameter of the granule of 0.5 to 100 μm.

また本発明は、前記酸化物系非白金触媒が、Ti、Zr、Nb、V、Mo、W及びTaからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素を含む酸化物系非白金触媒造粒体に関する。   The present invention also relates to an oxide-based non-platinum catalyst granule in which the oxide-based non-platinum catalyst contains at least one element selected from the group consisting of Ti, Zr, Nb, V, Mo, W and Ta. .

また本発明は、酸化物系非白金触媒と導電性炭素材料と分散剤とを湿式混合する工程1と、前記混合により得られたペーストを噴霧乾燥し造粒する工程2と、を有することを特徴とする酸化物系非白金触媒造粒体の製造方法に関する。   Moreover, this invention has the process 1 which wet-mixes an oxide type non platinum catalyst, a conductive carbon material, and a dispersing agent, and the process 2 which spray-drys and granulates the paste obtained by the said mixing. The present invention relates to a method for producing a characteristic oxide-based non-platinum catalyst granule.

また本発明は、前記記載の方法で製造されてなる酸化物系非白金触媒造粒体に関する。   The present invention also relates to an oxide-based non-platinum catalyst granule produced by the method described above.

また本発明は、前記記載の酸化物系非白金触媒造粒体と、バインダーと、溶剤とを含有する触媒インキに関する。   The present invention also relates to a catalyst ink containing the oxide-based non-platinum catalyst granule described above, a binder, and a solvent.

また本発明は、前記酸化物系非白金触媒を固体高分子電解質膜の一方、又は双方の面に接合させた電極触媒を有する燃料電池に関する。   The present invention also relates to a fuel cell having an electrode catalyst in which the oxide-based non-platinum catalyst is bonded to one or both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane.

本発明により、高い導電性を有する平均粒子径が0.5〜100μmで球状または楕円体状の酸化物系非白金触媒造粒体が得られる。該酸化物系非白金触媒造粒体を用いることで、少量のバインダー成分で溶媒中に容易に分散でき、高濃度で分散安定性の高い触媒インキを作製することが可能となる。更に、該触媒インキにより、電極の導電性の向上を達成でき、高い発電特性を有する燃料電池が得られる。   According to the present invention, a spherical or ellipsoidal oxide-based non-platinum catalyst granule having an average particle diameter of 0.5 to 100 μm and high conductivity can be obtained. By using the oxide-based non-platinum catalyst granule, a catalyst ink that can be easily dispersed in a solvent with a small amount of a binder component and has a high concentration and high dispersion stability can be produced. Furthermore, the catalyst ink can achieve improvement in electrode conductivity, and a fuel cell having high power generation characteristics can be obtained.

本発明における酸化物系非白金触媒造粒体は、酸化物系非白金触媒と、導電性炭素材料と、分散剤を含有する造粒体であることを特徴とする。
ここでいう造粒体とは、微細な酸化物系非白金触媒と導電性炭素材料が、造粒体を作製する際に使用する分散剤によって、一次粒子レベルで造粒体内に均一に分布している球状または楕円体状の形状を持って一つの塊を形成したものである。
本発明における酸化物系非白金触媒造粒体は、酸化物系非白金触媒と導電性炭素材料が均一接触、複合されているため、酸素還元反応に必要な電子を活性点まで効率的に運ぶことが可能となる。更に、造粒処理により、粒径の揃った二次粒子を形成するため、溶剤に対する分散性が良く、密度の高い酸化物系非白金触媒が作製可能となる。
The oxide-based non-platinum catalyst granule according to the present invention is a granule containing an oxide-based non-platinum catalyst, a conductive carbon material, and a dispersant.
The granulated material here means that a fine oxide-based non-platinum catalyst and a conductive carbon material are uniformly distributed in the granulated material at the primary particle level by the dispersant used when producing the granulated material. A single lump is formed with a spherical or ellipsoidal shape.
In the oxide-based non-platinum catalyst granule according to the present invention, the oxide-based non-platinum catalyst and the conductive carbon material are uniformly contacted and combined, so that the electrons necessary for the oxygen reduction reaction are efficiently conveyed to the active site. It becomes possible. Further, since secondary particles having a uniform particle diameter are formed by the granulation treatment, it is possible to produce an oxide-based non-platinum catalyst having good dispersibility in a solvent and high density.

本発明における酸化物系非白金触媒造粒体は、造粒体の平均粒子径が0.5〜100μm、好ましくは1〜50μmの球状、または楕円体状の形状であることが好ましい。   The oxide-based non-platinum catalyst granule in the present invention preferably has a spherical or ellipsoidal shape with an average particle diameter of 0.5 to 100 μm, preferably 1 to 50 μm.

造粒体が球状、または楕円体状であることは、酸化物系非白金触媒粉末として取り扱いやすく、溶媒中への分散性も良好になるだけでなく、限られた体積の触媒層、燃料電池に最大量の酸化物系非白金触媒を充填したい場合に、効率的に充填できる形状である。
ここでいう球状、または楕円体状であるとは、具体的に真球度で表すと0.5以上であることが好ましく、0.7以上であることがより好ましく、0.9以上であることが特に好ましい。本発明における真球度とは、走査型電子顕微鏡により粒子の形状を観察し、その短径と長径を測定し、求めた短径/長径について、任意に選定した100個の粒子の平均値を求めたものをいう。
The spherical or ellipsoidal shape of the granule is easy to handle as an oxide-based non-platinum catalyst powder, and not only dispersibility in a solvent is improved, but also a limited volume catalyst layer, fuel cell When the maximum amount of oxide-based non-platinum catalyst is to be filled, the shape can be filled efficiently.
The spherical shape or the ellipsoidal shape here is preferably 0.5 or more, more preferably 0.7 or more, and more preferably 0.9 or more, when expressed in terms of sphericity. It is particularly preferred. The sphericity in the present invention refers to the average value of 100 particles arbitrarily selected for the obtained minor axis / major axis by observing the shape of the particle with a scanning electron microscope and measuring the minor axis and major axis. Say what you asked for.

<酸化物系非白金触媒>
本発明における酸化物系非白金触媒は、主成分として、遷移金属及び酸素元素を含有した酸化物粒子であり、従来公知のものを使用することができる。酸化物粒子の結晶構造の制御、酸素欠陥の導入、窒素などの異種元素のドープ、微粒径化などが、酸素の吸着能や電子伝導性などの触媒特性を向上させることに効果が有り、高い酸素還元能を発現するために重要な意味を成す。
<Oxide-based non-platinum catalyst>
The oxide-based non-platinum catalyst in the present invention is oxide particles containing a transition metal and an oxygen element as main components, and conventionally known ones can be used. Control of the crystal structure of oxide particles, introduction of oxygen vacancies, doping of different elements such as nitrogen, and finer particle size are effective in improving catalytic properties such as oxygen adsorption capacity and electron conductivity, It is important to develop high oxygen reduction ability.

本発明における酸化物系非白金触媒としては、Zr、Ta、Ti、Nb、V、Fe、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Cr、W、およびMoからなる群より選択された少なくとも1種の遷移金属を含む酸化物を使用することができ、より好ましくはこれら遷移金属元素の炭窒酸化物を使用することができる。   The oxide-based non-platinum catalyst in the present invention is at least one selected from the group consisting of Zr, Ta, Ti, Nb, V, Fe, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Cr, W, and Mo. These transition metal elements can be used, more preferably oxycarbonitrides of these transition metal elements.

前記酸化物系非白金触媒の組成式は、例えば、M1Cpqr( ただし、M1は遷移金属元素であり、p、q、rは原子数の比を表し、0≦p≦3、0≦q≦2、0<r≦3である。)、M2aM3bxyz(ただし、M2は、Zr、Ta、Ti、Nb、V、Fe、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Cr、W、およびMoからなる群より選択される1種の金属であり、M2は、前記群より選択されるM1とは異なる少なくとも1種の金属である。a、b、x、y、zは原子数の比を表し、0.5≦a<1、0<b≦0.5、0<x≦3、0<y≦2、0<z≦3、かつa+b=1である。)で表される。また、これら化合物と導電性化合物を複合化した触媒も好適に使用することができる。
また、用いる酸化物系非白金触媒の組成比は、M1Cpqr(0.5≦p≦2、0.5≦q≦1、0<r≦3)が好ましく、Ti、Zr、Nb、V、Mo、W及びTaからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素を含むことが好ましい。
Composition formula of the oxide-based non-platinum catalysts are, for example, M1C p N q O r (although, M1 is a transition metal element, p, q, r represents the ratio of the number of atoms, 0 ≦ p ≦ 3, 0 ≦ q ≦ 2, 0 <r ≦ 3), M2 a M3 b C x N y O z (where M2 is Zr, Ta, Ti, Nb, V, Fe, Mn, Co, Ni, One metal selected from the group consisting of Cu, Zn, Cr, W, and Mo, and M2 is at least one metal different from M1 selected from the group a, b, x. , Y, z represent the ratio of the number of atoms, 0.5 ≦ a <1, 0 <b ≦ 0.5, 0 <x ≦ 3, 0 <y ≦ 2, 0 <z ≦ 3, and a + b = 1 It is expressed by. Moreover, the catalyst which compounded these compounds and electroconductive compounds can also be used conveniently.
Further, the composition ratio of the oxide-based non-platinum catalyst used, M1C p N q O r ( 0.5 ≦ p ≦ 2,0.5 ≦ q ≦ 1,0 <r ≦ 3) are preferred, Ti, Zr, Nb, It is preferable to contain at least one element selected from the group consisting of V, Mo, W and Ta.

<導電性炭素材料>
導電性炭素材料としては、導電性を有する炭素材料であれば特に限定されるものではないが、カーボンブラック、グラファイト、導電性炭素繊維(カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンファイバー、カーボンナノホーン)、グラフェン、グラフェンナノプレートレット、フラーレン等を単独で、もしくは2種類以上併せて使用することができる。導電性、入手の容易さ、およびコスト面から、カーボンブラックの使用が好ましい。
<Conductive carbon material>
The conductive carbon material is not particularly limited as long as it is a conductive carbon material, but carbon black, graphite, conductive carbon fiber (carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon fiber, carbon nanohorn), graphene , Graphene nanoplatelets, fullerenes and the like can be used alone or in combination of two or more. From the viewpoint of conductivity, availability, and cost, it is preferable to use carbon black.

カーボンブラックとしては、気体もしくは液体の原料を反応炉中で連続的に熱分解し製造するファーネスブラック、特にエチレン重油を原料としたケッチェンブラック、原料ガスを燃焼させて、その炎をチャンネル鋼底面にあて急冷し析出させたチャンネルブラック、ガスを原料とし燃焼と熱分解を周期的に繰り返すことにより得られるサーマルブラック、特にアセチレンガスを原料とするアセチレンブラックなどの各種のものを単独で、もしくは2種類以上併せて使用することができる。また、通常行われている酸化処理されたカーボンブラックや、中空カーボン等も使用できる。   Carbon black is a furnace black produced by continuously pyrolyzing a gas or liquid raw material in a reactor, especially ketjen black using ethylene heavy oil as a raw material. Channel black that has been rapidly cooled and precipitated, thermal black obtained by periodically repeating combustion and thermal decomposition using gas as a raw material, and particularly various types such as acetylene black using acetylene gas as a raw material, or 2 More than one type can be used in combination. Ordinarily oxidized carbon black, hollow carbon and the like can also be used.

用いるカーボンブラックの比表面積は、値が大きいほど、カーボンブラック粒子どうしの接触点が増えるため、電極の内部抵抗を下げるのに有利となる。具体的には、窒素の吸着量から求められる比表面積(BET)で、20m2/g以上、1500m2/g以下、好ましくは50m2/g以上、1500m2/g以下、更に好ましくは100m2/g以上、1500m2/g以下のものを使用することが望ましい。比表面積が20m2/gを下回るカーボンブラックを用いると、十分な導電性を得ることが難しくなる場合があり、1500m2/gを超えるカーボンブラックは、市販材料での入手が困難となる場合がある。 As the specific surface area of the carbon black used increases, the number of contact points between the carbon black particles increases, which is advantageous in reducing the internal resistance of the electrode. Specifically, the specific surface area (BET) determined from the amount of nitrogen adsorbed is 20 m 2 / g or more and 1500 m 2 / g or less, preferably 50 m 2 / g or more and 1500 m 2 / g or less, more preferably 100 m 2. / G or more and 1500 m 2 / g or less are desirable. If carbon black having a specific surface area of less than 20 m 2 / g is used, it may be difficult to obtain sufficient conductivity, and carbon black of more than 1500 m 2 / g may be difficult to obtain from commercially available materials. is there.

また、用いるカーボンブラックの粒径は、一次粒子径で0.005〜1μmが好ましく、特に、0.01〜0.2μmが好ましい。ただし、ここでいう一次粒子径とは、電子顕微鏡で測定された粒子径を平均したものである。   Further, the particle size of the carbon black to be used is preferably 0.005 to 1 μm, particularly preferably 0.01 to 0.2 μm in terms of primary particle size. However, the primary particle diameter here is an average of the particle diameters measured with an electron microscope.

導電性炭素材料の燃料電池電極形成用組成物中の分散粒径は、0.03μm以上、5μm以下に微細化することが望ましい。導電性炭素材料の分散粒径が0.03μm未満の組成物は、その作製が難しい場合がある。又、導電性炭素材料の分散粒径が5μmを超える組成物を用いた場合には、触媒層の材料分布のバラつき、電極の抵抗分布のバラつき等の不具合が生じる場合がある。   The dispersed particle size of the conductive carbon material in the composition for forming a fuel cell electrode is desirably refined to 0.03 μm or more and 5 μm or less. A composition having a conductive carbon material with a dispersed particle size of less than 0.03 μm may be difficult to produce. Further, when a composition having a dispersed particle size of the conductive carbon material exceeding 5 μm is used, there may be problems such as variations in the material distribution of the catalyst layer and variations in the resistance distribution of the electrodes.

ここでいう分散粒径とは、体積粒度分布において、粒子径の細かいものからその粒子の体積割合を積算していったときに、50%となるところの粒子径(D50)であり、一般的な粒度分布計、例えば、動的光散乱方式の粒度分布計(日機装社製「マイクロトラックUPA」)等で測定される。   The dispersed particle size referred to here is a particle size (D50) that is 50% when the volume ratio of the particles is integrated from the fine particle size distribution in the volume particle size distribution. A particle size distribution meter such as a dynamic light scattering type particle size distribution meter ("Microtrack UPA" manufactured by Nikkiso Co., Ltd.).

市販のカーボンブラックとしては、例えば、トーカブラック#4300、#4400、#4500、#5500等(東海カーボン社製、ファーネスブラック)、プリンテックスL等(デグサ社製、ファーネスブラック)、Raven7000、5750、5250、5000ULTRAIII、5000ULTRA等、Conductex SC ULTRA、Conductex 975 ULTRA等、PUER BLACK100、115、205等(コロンビヤン社製、ファーネスブラック)、#2350、#2400B、#2600B、#30050B、#3030B、#3230B、#3350B、#3400B、#5400B等(三菱化学社製、ファーネスブラック)、MONARCH1400、1300、900、VulcanXC−72R、BlackPearls2000等(キャボット社製、ファーネスブラック)、Ensaco250G、Ensaco260G、Ensaco350G、SuperP−Li(TIMCAL社製)、ケッチェンブラックEC−300J、EC−600JD(アクゾ社製)、デンカブラック、デンカブラックHS−100、FX−35(電気化学工業社製、アセチレンブラック)等、グラファイトとしては、例えば人造黒鉛や燐片状黒鉛、塊状黒鉛、土状黒鉛などの天然黒鉛が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、2種以上を組み合わせて用いても良い。   Examples of commercially available carbon black include Toka Black # 4300, # 4400, # 4500, # 5500 (Tokai Carbon Co., Furnace Black), Printex L and the like (Degussa Co., Furnace Black), Raven 7000, 5750, 5250, 5000 ULTRA III, 5000 ULTRA, etc., Conductex SC ULTRA, Conductex 975 ULTRA, etc., PUER BLACK100, 115, 205, etc. (manufactured by Colombian, furnace black), # 2350, # 2400B, # 2600B, # 30050B, # 3030B, # 3030B, # 3030B # 3350B, # 3400B, # 5400B etc. (Mitsubishi Chemical Co., Furnace Black), MONARCH1400, 1300, 900, VulcanXC- 2R, BlackPearls2000, etc. (Cabot, Furnace Black), Ensaco 250G, Ensaco 260G, Ensaco 350G, SuperP-Li (manufactured by TIMCAL), Ketjen Black EC-300J, EC-600JD (manufactured by Akzo), Denka Black, Denka Black HS Examples of graphite such as -100, FX-35 (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., acetylene black) include natural graphite such as artificial graphite, flake graphite, massive graphite, and earth graphite, but are not limited thereto. They may be used in combination of two or more.

導電性炭素繊維としては石油由来の原料から焼成して得られるものが良いが、植物由来の原料からも焼成して得られるものも用いることができる。例えば石油由来の原料で製造される昭和電工社製のVGCFなどを挙げることができる。   As the conductive carbon fibers, those obtained by firing from petroleum-derived raw materials are preferable, but those obtained by firing from plant-derived raw materials can also be used. For example, VGCF manufactured by Showa Denko Co., Ltd. manufactured with petroleum-derived raw materials can be mentioned.

市販のグラフェン系材料としては、xGnP−C−750、xGnP−M−5等のXGSciences社製グラフェンナノプレートレットが挙げられる。   Examples of commercially available graphene-based materials include graphene nanoplatelets manufactured by XGSciences such as xGnP-C-750 and xGnP-M-5.

<分散剤>
分散剤は、酸化物系非白金触媒と導電性炭素材料を溶剤中に均一に分散させる役割を担う。特に、導電性炭素材料は、一般にカーボンブラックのように、小粒子径で、表面積が大きく、且つ二次粒子同士が強く結合されているものが多く、分散剤無しで溶剤中に分散させることは、極めて困難であり、分散剤の存在が必須となる。分散剤は酸化物系非白金触媒と導電性炭素材料の一次粒子レベルで表面に吸着していることが好ましい。
<Dispersant>
The dispersant serves to uniformly disperse the oxide-based non-platinum catalyst and the conductive carbon material in the solvent. In particular, conductive carbon materials generally have a small particle diameter, a large surface area, and secondary particles are strongly bonded to each other, such as carbon black, and can be dispersed in a solvent without a dispersant. It is extremely difficult and the presence of a dispersant is essential. The dispersant is preferably adsorbed on the surface at the primary particle level of the oxide-based non-platinum catalyst and the conductive carbon material.

分散剤としては、酸化物系非白金触媒及び導電性炭素材料を分散させることができれば、特に限定はなく、塩基性官能基を有する樹脂、酸性官能基を有する樹脂、塩基性官能基を有する顔料誘導体、酸性官能基を有する顔料誘導体などを好適に使用できる。例えば、酸性官能基であるスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、及び水酸基や、塩基性官能基であるアミノ基等が使用可能である。   The dispersant is not particularly limited as long as the oxide-based non-platinum catalyst and the conductive carbon material can be dispersed. The resin having a basic functional group, the resin having an acidic functional group, and the pigment having a basic functional group Derivatives, pigment derivatives having an acidic functional group, and the like can be preferably used. For example, an acidic functional group such as a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, and a hydroxyl group, or an amino group that is a basic functional group can be used.

分散剤としては、水系及び溶剤系のどちらでも使用可能である。具体的には、以下のものが挙げられる。
[水系用分散剤]
市販の水系用分散剤としては、特に限定されないが、例えば、以下のものが挙げられる。
As the dispersant, either an aqueous system or a solvent system can be used. Specific examples include the following.
[Aqueous dispersant]
Although it does not specifically limit as a commercially available dispersing agent for water systems, For example, the following are mentioned.

ビックケミー社製の分散剤としては、Disperbyk、Disperbyk−180、183、184、185、187、190、191、192、193、2090、2091、2095、2096、又はBYK−154等が挙げられる。   Examples of the dispersant manufactured by Big Chemie include Disperbyk, Disperbyk-180, 183, 184, 185, 187, 190, 191, 192, 193, 2090, 2091, 2095, 2096, and BYK-154.

日本ルーブリゾール社製の分散剤としては、SOLSPERSE12000、20000、27000、41000、41090、43000、44000、又は45000等が挙げられる。   Examples of the dispersant manufactured by Nippon Lubrizol include SOLPERSE 12000, 20000, 27000, 41000, 41090, 43000, 44000, or 45000.

エフカアディティブズ社製の分散剤としては、EFKA1101、1120、1125、1500、1503、4500、4510、4520、4530、4540、4550、4560、4570、4580、又は5071等が挙げられる。   Examples of the dispersant manufactured by Efka Additives include EFKA1101, 1120, 1125, 1500, 1503, 4500, 4510, 4520, 4530, 4540, 4550, 4560, 4570, 4580, and 5071.

BASFジャパン社製の分散剤としては、JONCRYL67、678、586、611、680、682、683、690、52J、57J、60J、61J、62J、63J、70J、HPD−96J、501J、354J、6610、PDX−6102B、7100、390、711、511、7001、741、450、840、74J、HRC−1645J、734、852、7600、775、537J、1535、PDX−7630、352J、252D、538J、7640、7641、631、790、780、7610、JDX−C3000、JDX−3020、又はJDX−6500等が挙げられる。   As the dispersant manufactured by BASF Japan, JONCRYL67, 678, 586, 611, 680, 682, 683, 690, 52J, 57J, 60J, 61J, 62J, 63J, 70J, HPD-96J, 501J, 354J, 6610, PDX-6102B, 7100, 390, 711, 511, 7001, 741, 450, 840, 74J, HRC-1645J, 734, 852, 7600, 775, 537J, 1535, PDX-7630, 352J, 252D, 538J, 7640, 7641, 631, 790, 780, 7610, JDX-C3000, JDX-3020, JDX-6500, etc. are mentioned.

川研ファインケミカル社製の分散剤としては、ヒノアクトA−110、300、303、又は501等が挙げられる。   Examples of the dispersant manufactured by Kawaken Fine Chemicals include Hinoact A-110, 300, 303, or 501.

ニットーボーメディカル社製の分散剤としては、PAAシリーズ、PASシリーズ、両性シリーズPAS−410C、410SA、84、2451、又は2351等が挙げられる。   Examples of the dispersant manufactured by Nitto Bo Medical include PAA series, PAS series, amphoteric series PAS-410C, 410SA, 84, 2451, or 2351.

アイエスピー・ジャパン社製の分散剤としては、ポリビニルピロリドンPVP K−15、K−30、K−60、K−90、又はK−120等が挙げられる。   Examples of the dispersant manufactured by ISP Japan include polyvinylpyrrolidone PVP K-15, K-30, K-60, K-90, or K-120.

BASFジャパン社製の分散剤としては、Luvitec K17、K30、K60、K80、K85、K90、K115、VA64W、VA64、VPI55K72W、又はVPC55K65W等が挙げられる。   Examples of the dispersant manufactured by BASF Japan include Luvitec K17, K30, K60, K80, K85, K90, K115, VA64W, VA64, VPI55K72W, or VPC55K65W.

丸善石油化学社製の分散剤としては、ポリビニルイミダゾールPVI等が挙げられる。   Examples of the dispersant manufactured by Maruzen Petrochemical Co., Ltd. include polyvinylimidazole PVI.

日鉄鉱業社製の分散剤としては、鉄フタロシアニン誘導体(スルホン酸アンモニウム塩)等が挙げられる。   Examples of the dispersant manufactured by Nippon Steel Mining Co., Ltd. include iron phthalocyanine derivatives (ammonium sulfonate).

[溶剤用分散剤]
市販の溶剤用分散剤としては、特に限定されないが、例えば、以下のものが挙げられる。
[Solvent dispersant]
Although it does not specifically limit as a commercially available dispersing agent for solvents, For example, the following are mentioned.

ビックケミー社製の分散剤としては、Anti−Terra−U、U100、203、204、205、Disperbyk−101、102、103、106、107、108、109、110、111、112、116、130、140、142、161、162、163、164、166、167、168、170、171、174、180、182、183、184、185、2000、2001、2050、2070、2096、2150、BYK−P104、P104S、P105、9076、9077及び220S等が挙げられる。   As a dispersing agent made by Big Chemie, Anti-Terra-U, U100, 203, 204, 205, Disperbyk-101, 102, 103, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112, 116, 130, 140 142, 161, 162, 163, 164, 166, 167, 168, 170, 171, 174, 180, 182, 183, 184, 185, 2000, 2001, 2050, 2070, 2096, 2150, BYK-P104, P104S , P105, 9076, 9077, and 220S.

日本ルーブリゾール社製の分散剤としては、SOLSPERSE3000、5000、9000、13240、13650、13940、17000、18000、19000、21000、22000、24000SC、24000GR、26000、28000、31845、32000、32500、32600、33500、34750、35100、35200、36600、37500、38500、又は53095が挙げられる。   As a dispersant manufactured by Nippon Lubrizol Corporation, SOLPERSE 3000, 5000, 9000, 13240, 13650, 13940, 17000, 18000, 19000, 21000, 22000, 24000SC, 24000GR, 26000, 28000, 31845, 32000, 32500, 32600, 33500 34750, 35100, 35200, 36600, 37500, 38500, or 53095.

エフカアディティブズ社製の分散剤としては、EFKA1500、1501、1502、1503、4008、4009、4010、4015、4020、4046、4047、4050、4055、4060、4080、4300、4330、4400、4401、4402、4403、4406、4510、4520、4530、4570、4800、5010、5044、5054、5055、5063、5064、5065、5066、5070、5071、5207、又は5244等が挙げられる。   As the dispersant manufactured by Efka Additives, EFKA 1500, 1501, 1502, 1503, 4008, 4009, 4010, 4015, 4020, 4046, 4047, 4050, 4055, 4060, 4080, 4300, 4330, 4400, 4401, 4402, 4403, 4406, 4510, 4520, 4530, 4570, 4800, 5010, 5044, 5054, 5055, 5063, 5064, 5065, 5066, 5070, 5071, 5207, 5244, and the like.

味の素ファインテクノ社製の分散剤としては、アジスパーPB711、PB821、PB822、PN411、又はPA111が挙げられる。   Examples of the dispersant manufactured by Ajinomoto Fine-Techno Co., Ltd. include Addisper PB711, PB821, PB822, PN411, or PA111.

川研ファインケミカル社製の分散剤としては、ヒノアクトKF−1000、1300M、1500、1700、T−6000、8000、8000E、又は9100等が挙げられる。   Examples of the dispersant manufactured by Kawaken Fine Chemicals include Hinoact KF-1000, 1300M, 1500, 1700, T-6000, 8000, 8000E, or 9100.

BASFジャパン社製の分散剤としては、Luvicap等が挙げられる。   Examples of the dispersant manufactured by BASF Japan include Luvicap and the like.

<酸化物系非白金触媒造粒体の製造方法>
本発明における酸化物系非白金触媒造粒体の製造方法は特に限定されないが、好ましい製造方法としては、酸化物系非白金触媒と、導電性炭素材料と分散剤を湿式混合する工程1と、前記混合により得られたペーストを噴霧乾燥し造粒する工程2とを含む方法が挙げられる。
<Method for producing oxide-based non-platinum catalyst granulation>
The production method of the oxide-based non-platinum catalyst granule in the present invention is not particularly limited, but as a preferred production method, step 1 of wet-mixing the oxide-based non-platinum catalyst, the conductive carbon material and the dispersant, And a step 2 of spray-drying and granulating the paste obtained by the mixing.

本発明における酸化物系非白金触媒造粒体を構成する酸化物系非白金触媒と導電性炭素材料の割合としては、特に限定されるものではないが、例えば、本発明の燃料電池電極形成用組成物では、酸化物系非白金触媒100重量部に対して、導電性炭素材料は特に規定はないが、1〜500重量部、好ましくは10〜300重量部、分散剤が0.01〜25重量部、好ましくは0.02〜10重量部である。導電性炭素材料が、酸化物系非白金触媒100重量部に対して500重量部を超える場合、触媒層中の酸化物系非白金触媒含有量が過少となり、発電特性的に実用性が低くなる。一方、分散剤が、酸化物系非白金触媒100重量部に対して0.01重量部未満の場合、含有する酸化物系非白金触媒表面に対し、分散剤量が不足してしまい均一な分散体が得られにくくなり、結果均一な造粒体が得られにくくなる場合がある。   The ratio of the oxide-based non-platinum catalyst and the conductive carbon material constituting the oxide-based non-platinum catalyst granule in the present invention is not particularly limited. For example, for forming the fuel cell electrode of the present invention In the composition, the conductive carbon material is not particularly defined with respect to 100 parts by weight of the oxide-based non-platinum catalyst, but 1 to 500 parts by weight, preferably 10 to 300 parts by weight, and the dispersant is 0.01 to 25 parts. Parts by weight, preferably 0.02 to 10 parts by weight. When the conductive carbon material exceeds 500 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the oxide-based non-platinum catalyst, the content of the oxide-based non-platinum catalyst in the catalyst layer becomes too small, and the practicality is reduced in terms of power generation characteristics. . On the other hand, when the dispersant is less than 0.01 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the oxide-based non-platinum catalyst, the amount of the dispersant is insufficient with respect to the surface of the oxide-based non-platinum catalyst to be uniformly dispersed. It may become difficult to obtain a body, and as a result, it may be difficult to obtain a uniform granulated body.

湿式混合装置としては、以下のような装置が使用できる。   The following apparatus can be used as the wet mixing apparatus.

湿式混合装置としては、例えば、
ディスパー、ホモミキサー、若しくはプラネタリーミキサー等のミキサー類:
エム・テクニック社製「クレアミックス」、若しくはPRIMIX社製「フィルミックス」等のホモジナイザー類:
ペイントコンディショナー(レッドデビル社製)、ボールミル、サンドミル(シンマルエンタープライゼス社製「ダイノミル」等)、アトライター、パールミル(アイリッヒ社製「DCPミル」等)、若しくはコボールミル等のメディア型分散機:
湿式ジェットミル(ジーナス社製「ジーナスPY」、スギノマシン社製「スターバースト」、ナノマイザー社製「ナノマイザー」等)、エム・テクニック社製「クレアSS−5」、若しくは奈良機械製作所社製「マイクロス」等のメディアレス分散機:
又は、その他ロールミル、ニーダー等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。又、湿式混合装置としては、装置からの金属混入防止処理を施したものを用いることが好ましい。
As a wet mixing device, for example,
Mixers such as dispersers, homomixers, or planetary mixers:
Homogenizers such as “Clairemix” manufactured by M Technique or “Fillmix” manufactured by PRIMIX:
Media type dispersers such as paint conditioners (manufactured by Red Devil), ball mills, sand mills (such as “Dynomill” manufactured by Shinmaru Enterprises), attritors, pearl mills (such as “DCP mill” manufactured by Eirich), or coball mills:
Wet jet mill (“Genus PY” manufactured by Genus, “Starburst” manufactured by Sugino Machine, “Nanomizer” manufactured by Nanomizer, etc.) “Claire SS-5” manufactured by M Technique, or “Micro” manufactured by Nara Machinery Co., Ltd. Medialess dispersers such as
Other examples include, but are not limited to, roll mills and kneaders. Moreover, it is preferable to use what performed the metal mixing prevention process from an apparatus as a wet mixing apparatus.

例えば、メディア型分散機を使用する場合は、アジテーター及びベッセルがセラミック製又は樹脂製の分散機を使用する方法や、金属製アジテーター及びベッセル表面をタングステンカーバイド溶射や樹脂コーティング等の処理をした分散機を用いることが好ましい。そして、メディアとしては、ガラスビーズ、又は、ジルコニアビーズ、若しくはアルミナビーズ等のセラミックビーズを用いることが好ましい。又、ロールミルを使用する場合についても、セラミック製ロールを用いることが好ましい。分散装置は、1種のみを使用しても良いし、複数種の装置を組み合わせて使用しても良い。   For example, when using a media-type disperser, a disperser in which the agitator and vessel are made of a ceramic or resin disperser, or the surface of the metal agitator and vessel is treated with tungsten carbide spraying or resin coating. Is preferably used. And as a medium, it is preferable to use ceramic beads, such as glass beads, zirconia beads, or alumina beads. Moreover, also when using a roll mill, it is preferable to use a ceramic roll. Only one type of dispersion device may be used, or a plurality of types of devices may be used in combination.

本発明における酸化物系非白金触媒造粒体の製造方法において、工程2の混合ペーストを噴霧乾燥し造粒する方法においては、スプレードライヤーなどの噴霧乾燥機を用いることができる。
具体的には、前記混合ペーストを霧状に噴霧しながら、溶媒を揮発・除去すればよい。噴霧条件や溶媒の揮発条件は適宜選択することができる。
In the method for producing an oxide-based non-platinum catalyst granule in the present invention, a spray dryer such as a spray dryer can be used in the method of spray drying and granulating the mixed paste in step 2.
Specifically, the solvent may be volatilized and removed while spraying the mixed paste in the form of a mist. Spray conditions and solvent volatilization conditions can be selected as appropriate.

<触媒インキ>
次に、本発明における酸化物系非白金触媒造粒体を用いた触媒インキについて説明する。
本発明の触媒インキは、酸化物系非白金触媒造粒体、バインダー、溶剤を最低限含むものである。バインダーは、プロトン伝導性があり、耐酸化性のある材料が好ましい。酸化物系非白金触媒造粒体、バインダー、溶剤の割合は、特に限定されるものではなく、広い範囲内で適宜選択される。
<Catalyst ink>
Next, the catalyst ink using the oxide-based non-platinum catalyst granule in the present invention will be described.
The catalyst ink of the present invention contains at least an oxide-based non-platinum catalyst granule, a binder, and a solvent. The binder is preferably a material having proton conductivity and oxidation resistance. The proportions of the oxide-based non-platinum catalyst granule, the binder, and the solvent are not particularly limited, and are appropriately selected within a wide range.

本発明の触媒インキ中に含まれる酸化物系非白金触媒造粒体とバインダーの割合は、特に限定されるものではないが、好ましくは、バインダーの添加量が、酸化物系非白金触媒造粒体100重量部に対して10〜300重量部、好ましくは20〜250重量部である。   The ratio of the oxide-based non-platinum catalyst granule and the binder contained in the catalyst ink of the present invention is not particularly limited, but preferably, the amount of binder added is the oxide-based non-platinum catalyst granulation The amount is 10 to 300 parts by weight, preferably 20 to 250 parts by weight, based on 100 parts by weight of the body.

更に、本発明における触媒インキでは、酸化物系非白金触媒造粒体の溶剤中への濡れ性、分散性を向上させるために、分散剤を用いても良い。
分散剤の含有量は、触媒インキ中の酸化物系非白金触媒造粒体に対し、0.01〜5重量%、好ましくは0.02〜3重量%である。この範囲の含有量とすることにより、酸化物系非白金触媒造粒体の分散安定性を十分に達成できると同時に、酸化物系非白金触媒造粒体の凝集を効果的に防止でき、かつ触媒層表面への分散剤の析出を防止できる。
Furthermore, in the catalyst ink in the present invention, a dispersant may be used in order to improve wettability and dispersibility of the oxide-based non-platinum catalyst granule in a solvent.
Content of a dispersing agent is 0.01 to 5 weight% with respect to the oxide type non-platinum catalyst granule in catalyst ink, Preferably it is 0.02 to 3 weight%. By setting the content in this range, the dispersion stability of the oxide-based non-platinum catalyst granule can be sufficiently achieved, and at the same time, the aggregation of the oxide-based non-platinum catalyst granule can be effectively prevented, and Precipitation of the dispersant on the surface of the catalyst layer can be prevented.

また、本発明における酸化物系非白金触媒造粒体は、球状または楕円体状の形状を有し、平均粒子径も0.5〜100μmと比較的大きめの造粒体であるため、分散性も良く、インキ中の酸化物系非白金触媒造粒体濃度を上げることが容易である。そのため、インキ中の酸化物系非白金触媒造粒体濃度としては、インキ処方を最適化させることで20〜50重量%も可能となり、触媒層を厚膜化したい場合に容易に作製できる。   In addition, the oxide-based non-platinum catalyst granule in the present invention has a spherical or ellipsoidal shape and an average particle size of 0.5 to 100 μm, which is a relatively large granule. It is easy to increase the concentration of oxide-based non-platinum catalyst granules in the ink. Therefore, the oxide-based non-platinum catalyst granule concentration in the ink can be 20 to 50% by weight by optimizing the ink formulation, and can be easily produced when it is desired to increase the thickness of the catalyst layer.

触媒インキの調製方法も特に制限はない。調製は、各成分を同時に分散しても良いし、酸化物系非白金触媒造粒体を分散剤のみで分散後、バインダーを添加してもよく、使用する酸化物系非白金触媒造粒体、バインダー、溶剤種により最適化することができる。   The method for preparing the catalyst ink is not particularly limited. In the preparation, each component may be dispersed at the same time, or the oxide-based non-platinum catalyst granule may be dispersed only with a dispersant, and then a binder may be added. , And can be optimized by binder and solvent type.

溶剤中で酸化物系非白金触媒造粒体とバインダーを分散混合する装置に関しては、特に限定するものではないが、分散混合時に酸化物系非白金触媒造粒体が破壊されにくいホモジナイザーやメディアレス分散装置が好ましい。   The apparatus for dispersing and mixing the oxide-based non-platinum catalyst granule and the binder in a solvent is not particularly limited. However, the homogenizer or medialess device is difficult to destroy the oxide-based non-platinum catalyst granulated material during dispersion mixing. A dispersion device is preferred.

<バインダー>
バインダーとしては、プロトン伝導性を有する樹脂が好ましく、プロトン伝導性樹脂としては、ポリスチレンスルホン酸、ポリビニルスルホン酸などスルホン酸基を導入したオレフィン系樹脂、スルホン酸基を導入したポリイミド系樹脂、スルホン酸基を導入したフェノール樹脂、スルホン酸基を導入したポリエーテルケトン系樹脂、スルホン酸基を導入したポリベンズイミダゾール系樹脂、イミダゾール部分で酸と塩形成したポリベンズイミダゾール系樹脂、スチレン・エチレン・ブチレン・スチレン共重合体のスルホン酸ドープ品、パーフルオロスルホン酸系樹脂等が挙げられる。
特に、電気陰性度の高いフッ素原子を導入する事で化学的に安定性が高く、スルホン酸基の解離度が高く、高いイオン導電性が実現可能なパーフルオロスルホン酸系樹脂は、実用性が高く好ましい。このようなプロトン伝導性を有する樹脂の具体例としては、デュポン社製の「Nafion」、旭硝子社製の「Flemion」、旭化成社製の「Aciplex」、ゴア(Gore)社製の「Gore Select」等が挙げられる。通常、プロトン伝導性を有する樹脂は、固形分として5〜30重量%程度含むアルコール水溶液として使用される。アルコールとしては、例えば、メタノール、プロパノール、エタノールジエチルエーテル等が使用される。
<Binder>
As the binder, a resin having proton conductivity is preferable. Examples of the proton conductive resin include polystyrene-sulfonic acid, polyvinylsulfonic acid and other olefinic resins introduced with sulfonic acid groups, sulfonic acid group-introduced polyimide resins, and sulfonic acids. Group-introduced phenol resin, sulfonic acid group-introduced polyether ketone resin, sulfonic acid group-introduced polybenzimidazole resin, polybenzimidazole resin salted with acid at imidazole moiety, styrene / ethylene / butylene -The sulfonic acid dope product of a styrene copolymer, perfluorosulfonic acid resin, etc. are mentioned.
In particular, perfluorosulfonic acid resins that are chemically stable by introducing fluorine atoms with high electronegativity, have a high degree of dissociation of sulfonic acid groups, and can realize high ionic conductivity have practicality. Highly preferred. Specific examples of such proton conductive resins include “Nafion” manufactured by DuPont, “Flemion” manufactured by Asahi Glass, “Aciplex” manufactured by Asahi Kasei, and “Gore Select” manufactured by Gore. Etc. Usually, a resin having proton conductivity is used as an alcohol aqueous solution containing about 5 to 30% by weight as a solid content. As the alcohol, for example, methanol, propanol, ethanol diethyl ether and the like are used.

<溶剤>
溶剤としては、特に限定されるものではないが、触媒インキ中で酸化物系非白金触媒造粒体がその形状を保てるものが好ましい。
溶剤は、1種類を単独で用いても、2種類以上を混合して用いてもよい。主溶剤としては、水または水と親和性が高い溶剤が好ましく、特にアルコールが好適に使用できる。このようなアルコールとしては、例えば、沸点80〜200℃程度の1価のアルコールないし多価アルコールが利用でき、好ましくは炭素数が4以下のアルコール系溶剤が挙げられる。具体的には、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、t−ブタノール等が挙げられる。アルコールは、1種単独で又は2種以上混合して使用される。これらの1価のアルコールの中でも、2−プロパノール、1−ブタノール及びt−ブタノールが好ましい。多価アルコールとしては具体的には、プロトン伝導性を有する樹脂との相溶性、及び触媒インキとした場合の乾燥効率の問題から、例えば、プロピレングリコール、エチレングリコール等が好ましく、中でもプロピレングリコールが特に好ましい。
<Solvent>
Although it does not specifically limit as a solvent, The thing which an oxide type non-platinum catalyst granule can maintain the shape in catalyst ink is preferable.
A solvent may be used individually by 1 type, or 2 or more types may be mixed and used for it. As the main solvent, water or a solvent having high affinity with water is preferable, and alcohol can be particularly preferably used. As such an alcohol, for example, a monohydric alcohol or a polyhydric alcohol having a boiling point of about 80 to 200 ° C. can be used, and an alcohol solvent having 4 or less carbon atoms is preferable. Specific examples include 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, and t-butanol. Alcohol is used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types. Among these monohydric alcohols, 2-propanol, 1-butanol and t-butanol are preferable. Specifically, the polyhydric alcohol is preferably, for example, propylene glycol, ethylene glycol or the like, particularly propylene glycol, from the viewpoint of compatibility with a resin having proton conductivity and drying efficiency when used as a catalyst ink. preferable.

<分散剤>
分散剤としては、酸化物系非白金触媒造粒体を作製する際に挙げたものを適宜使用できる。
<Dispersant>
As a dispersing agent, what was quoted when producing an oxide type non-platinum catalyst granulation body can be used suitably.

<燃料電池>
次に、本発明における酸化物系非白金触媒造粒体を、アノード電極及びカソード電極に適用した燃料電池について説明する。
<Fuel cell>
Next, a fuel cell in which the oxide-based non-platinum catalyst granule according to the present invention is applied to an anode electrode and a cathode electrode will be described.

図1に本発明の形態の燃料電池の概略構成図を示す。燃料電池は、固体高分子電解質4を挟むように、対向配置されたセパレータ1、ガス拡散層2、アノード電極触媒(燃料極)3、カソード電極触媒(空気極)5、ガス拡散層6、及びセパレータ7とから構成される。
固体高分子電解質4としては、パーフルオロスルホン酸樹脂膜を代表とするフッ素系陽イオン交換樹脂膜が用いられる。
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. The fuel cell includes a separator 1, a gas diffusion layer 2, an anode electrode catalyst (fuel electrode) 3, a cathode electrode catalyst (air electrode) 5, a gas diffusion layer 6, And a separator 7.
As the solid polymer electrolyte 4, a fluorine-based cation exchange resin membrane represented by a perfluorosulfonic acid resin membrane is used.

また、本発明における製造方法で製造された酸化物系非白金触媒造粒体をアノード電極触媒3及びカソード電極触媒5として、固体高分子電解質4の双方に接触させることにより、アノード電極触媒3及びカソード電極触媒5に酸化物系非白金触媒造粒体を備えた燃料電池が構成される。   Further, the oxide-based non-platinum catalyst granule produced by the production method of the present invention is brought into contact with both the solid polymer electrolyte 4 as the anode electrode catalyst 3 and the cathode electrode catalyst 5, so that the anode electrode catalyst 3 and A fuel cell is provided in which the cathode electrode catalyst 5 is provided with an oxide-based non-platinum catalyst granule.

上述の酸化物系非白金触媒造粒体を固体高分子電解質の双方の面に形成し、アノード電極触媒3及びカソード電極触媒5を電極反応層側で固体高分子電解質4の両主面にホットプレスにより密着することにより、MEA(Membrane Electrode Assembly)として一体化させる。   The above-mentioned oxide-based non-platinum catalyst granules are formed on both sides of the solid polymer electrolyte, and the anode electrode catalyst 3 and the cathode electrode catalyst 5 are hot on both main surfaces of the solid polymer electrolyte 4 on the electrode reaction layer side. By closely contacting with a press, it is integrated as a MEA (Membrane Electrode Assembly).

上記セパレータ1、7は、燃料ガス(水素)や酸化剤ガス(酸素)等の反応ガスの供給、排出を行う。そして、アノード及びカソード電極触媒3、5に、ガス拡散層2、6を通じてそれぞれ均一に反応ガスが供給されると、両電極に備えられた酸化物系非白金触媒と固体高分子電解質4との境界において、気相(反応ガス)、液相(固体高分子電解質膜)、固相(両電極が持つ触媒)の三相界面が形成される。そして、電気化学反応を生じさせることで直流電流が発生する。   The separators 1 and 7 supply and discharge reaction gases such as fuel gas (hydrogen) and oxidant gas (oxygen). When the reaction gas is uniformly supplied to the anode and cathode electrode catalysts 3 and 5 through the gas diffusion layers 2 and 6, the oxide-based non-platinum catalyst and the solid polymer electrolyte 4 provided on both electrodes are provided. At the boundary, a three-phase interface is formed of a gas phase (reactive gas), a liquid phase (solid polymer electrolyte membrane), and a solid phase (a catalyst possessed by both electrodes). A direct current is generated by causing an electrochemical reaction.

上記電気化学反応において、
カソード側:O2+4H++4e-→2H2
アノード側:H2→2H++2e-
の反応が起こり、アノード側で生成されたH+イオンは固体高分子電解質4中をカソード側に向かって移動し、e-(電子)は外部の負荷を通ってカソード側に移動する。
In the above electrochemical reaction,
Cathode side: O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O
Anode side: H 2 → 2H + + 2e
The H + ions generated on the anode side move in the solid polymer electrolyte 4 toward the cathode side, and e (electrons) move to the cathode side through an external load.

一方、カソード側では酸化剤ガス中に含まれる酸素と、アノード側から移動してきたH+イオン及びe-とが反応して水が生成される。この結果、上述の燃料電池は、水素と酸素とから直流電力を発生し、水を生成することになる。 On the other hand, on the cathode side, oxygen contained in the oxidant gas reacts with H + ions and e that have moved from the anode side to generate water. As a result, the above-described fuel cell generates direct-current power from hydrogen and oxygen to generate water.

なお、本発明における製造方法で製造された酸化物系非白金触媒造粒体の用途は、上記燃料電池用電極触媒に限定するものではなく、金属‐空気電池用電極触媒、排ガス浄化用触媒などとして用いることが可能である。   The use of the oxide-based non-platinum catalyst granule produced by the production method in the present invention is not limited to the above-mentioned fuel cell electrode catalyst, but a metal-air cell electrode catalyst, an exhaust gas purification catalyst, etc. Can be used.

以下、実施例に基づき本発明を更に詳しく説明するが、本発明は、実施例に限定されるものではない。実施例中、部は重量部、%は重量%を表す。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in more detail based on an Example, this invention is not limited to an Example. In the examples, parts represent parts by weight, and% represents% by weight.

平均粒子径の測定:粒度分布計(Malvern Instruments社製 マスターサイザー2000)を使用し、具体的な測定方法は、酸化物系非白金触媒造粒体の粉末を測定セル内へ投入し、信号レベルが最適値を示したところで測定し、求めたD50の値を平均粒子径とした。     Measurement of average particle diameter: Using a particle size distribution meter (Mastersizer 2000, manufactured by Malvern Instruments Inc.), a specific measurement method is to put a powder of an oxide-based non-platinum catalyst granule into a measurement cell, signal level Was measured when it showed the optimum value, and the obtained D50 value was taken as the average particle size.

<酸化物系非白金触媒の合成> <Synthesis of oxide-based non-platinum catalyst>

[製造例1]
Ta炭化物(TaC)(高純度化学社製TAI03PB)を、電気炉にてO2/Ar(3/7:体積比)混合ガス雰囲気下、1000℃で10時間熱処理を行い、得られた粉体を乳鉢で粉砕し、酸化物系非白金触媒(1)を得た。
[Production Example 1]
A powder obtained by heat-treating Ta carbide (TaC) (TAI03PB manufactured by Kosei Chemical Co., Ltd.) in an electric furnace at 1000 ° C. for 10 hours in an O 2 / Ar (3/7: volume ratio) mixed gas atmosphere. Was pulverized in a mortar to obtain an oxide-based non-platinum catalyst (1).

[製造例2]
Ta炭窒化物(TaC0.50.5)を、電気炉にてO2/Ar(3/7:体積比)混合ガス雰囲気下、1000℃で10時間熱処理を行い、得られた粉体を乳鉢で粉砕し、酸化物系非白金触媒(2)を得た。
[Production Example 2]
Ta carbonitride (TaC 0.5 N 0.5 ) was heat-treated at 1000 ° C. for 10 hours in an O 2 / Ar (3/7: volume ratio) mixed gas atmosphere in an electric furnace. By grinding, an oxide-based non-platinum catalyst (2) was obtained.

[製造例3]
Zr炭化物(ZrC)(アライドマテリアル社製5OR08)を、電気炉にてO2/Ar(3/7:体積比)混合ガス雰囲気下、1000℃で10時間熱処理を行い、得られた粉体を乳鉢で粉砕し、酸化物系非白金触媒(3)を得た。
[Production Example 3]
Zr carbide (ZrC) (5OR08 manufactured by Allied Materials) was heat-treated at 1000 ° C. for 10 hours in an O 2 / Ar (3/7: volume ratio) mixed gas atmosphere in an electric furnace. The oxide-based non-platinum catalyst (3) was obtained by pulverizing with a mortar.

[製造例4]
Zr炭窒化物(ZrC0.50.5)(アライドマテリアル社製5OV25)を、電気炉にて(3/7:体積比)混合ガス雰囲気下、1000℃で10時間熱処理を行い、得られた粉体を乳鉢で粉砕し、酸化物系非白金触媒(4)を得た。
[Production Example 4]
Zr carbonitride (ZrC 0.5 N 0.5 ) (5OV25 manufactured by Allied Materials) was heat-treated at 1000 ° C. for 10 hours in a mixed gas atmosphere in an electric furnace (3/7: volume ratio) and obtained powder Was pulverized in a mortar to obtain an oxide-based non-platinum catalyst (4).

[製造例5]
オキシジルコニウムフタロシアニン(ZrOPc)(大日精化社製)を、電気炉にてH2/O2/Ar(0.02/0.005/0.975:体積比)混合ガス雰囲気下、1000℃で10時間熱処理を行い、得られた粉体を乳鉢で粉砕し、酸化物系非白金触媒(5)を得た。
[製造例6]
Ta酸化物(Ta25)(高純度化学社製TAO02PB)と無金属フタロシアニン(東京化成社製)とを、乳鉢にて混合し、電気炉にてH2/O2/Ar(0.02/0.005/0.975:体積比)混合ガス雰囲気下、1000℃で10時間熱処理を行い、得られた粉体を乳鉢で粉砕し、酸化物系非白金触媒(6)を得た。
[実施例1:酸化物系非白金触媒造粒体(1)]
ガラス瓶にイオン交換水83部と、カルボン酸基を有する樹脂型分散剤ジョンクリルJDX−6500(BASFジャパン社製:固形分30%水溶液)10部を秤量し均一な分散溶液を作製後、製造例1で作製した酸化物系非白金触媒(1)4.7部とケッチェンブラック(ライオン社製EC−600JD)2.3部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントコンディショナーで湿式混合し、酸化物系非白金触媒(1)分散体(固形分10%)を得た。
この酸化物系非白金触媒(1)分散体をミニスプレードライヤー(日本ビュッヒ社製「B−290」)にて、窒素気流中、125℃雰囲気下で、噴霧乾燥し、平均粒子径12μmの球状の酸化物系非白金触媒造粒体(1)を得た。
[Production Example 5]
Oxyzirconium phthalocyanine (ZrOPc) (manufactured by Dainichi Seika Co., Ltd.) was heated in an electric furnace at 1000 ° C. under a mixed gas atmosphere of H 2 / O 2 / Ar (0.02 / 0.005 / 0.975: volume ratio). Heat treatment was performed for 10 hours, and the obtained powder was pulverized in a mortar to obtain an oxide-based non-platinum catalyst (5).
[Production Example 6]
Ta oxide (Ta 2 O 5 ) (TAO02PB manufactured by Kojundo Chemical Co., Ltd.) and metal-free phthalocyanine (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) are mixed in a mortar, and H 2 / O 2 / Ar (0. (02 / 0.005 / 0.975: volume ratio) Heat treatment was performed at 1000 ° C. for 10 hours in a mixed gas atmosphere, and the obtained powder was pulverized in a mortar to obtain an oxide-based non-platinum catalyst (6). .
[Example 1: Oxide-based non-platinum catalyst granule (1)]
Production Example after preparing 83 parts of ion-exchanged water and 10 parts of resin-type dispersant Jonkrill JDX-6500 (BASF Japan Ltd .: 30% solid content aqueous solution) having a carboxylic acid group in a glass bottle to prepare a uniform dispersion solution. After adding 4.7 parts of the oxide-based non-platinum catalyst (1) prepared in 1 and 2.3 parts of Ketjen Black (L-EC EC-600JD), and further adding zirconia beads as a medium, it was wetted with a paint conditioner. By mixing, an oxide-based non-platinum catalyst (1) dispersion (solid content: 10%) was obtained.
This oxide-based non-platinum catalyst (1) dispersion was spray-dried in a mini-spray dryer (“B-290” manufactured by Nippon Büch Co., Ltd.) in a nitrogen stream under an atmosphere of 125 ° C., and spherical with an average particle size of 12 μm. An oxide-based non-platinum catalyst granule (1) was obtained.

[実施例2:酸化物系非白金触媒造粒体(2)]
酸化物系非白金触媒(1)の代わりに酸化物系非白金触媒(2)を用いた以外は、実施例1と同様の方法で酸化物系非白金触媒(2)分散体(固形分10%)を得た。
この酸化物系非白金触媒(2)分散体をミニスプレードライヤー(日本ビュッヒ社製「B−290」)にて、窒素気流中、125℃雰囲気下で、噴霧乾燥し、平均粒子径10μmの球状の酸化物系非白金触媒造粒体(2)を得た。
[Example 2: Oxide-based non-platinum catalyst granule (2)]
An oxide non-platinum catalyst (2) dispersion (solid content 10) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the oxide non-platinum catalyst (2) was used instead of the oxide non-platinum catalyst (1). %).
This oxide-based non-platinum catalyst (2) dispersion was spray-dried in a mini-spray dryer ("B-290" manufactured by Nihon Büch Co., Ltd.) in a nitrogen stream in an atmosphere of 125 ° C, and spherical with an average particle size of 10 µm. An oxide-based non-platinum catalyst granule (2) was obtained.

[実施例3:酸化物系非白金触媒造粒体(3)]
製造例3で作製した酸化物系非白金触媒(3)を用い、実施例1と同様の方法で酸化物系非白金触媒(3)分散体(固形分10%)を得た。
この酸化物系非白金触媒(3)分散体をミニスプレードライヤー(日本ビュッヒ社製「B−290」)にて、窒素気流中、125℃雰囲気下で、噴霧乾燥し、平均粒子径10μmの球状の酸化物系非白金触媒造粒体(3)を得た。
[Example 3: Oxide-based non-platinum catalyst granule (3)]
Using the oxide-based non-platinum catalyst (3) prepared in Production Example 3, an oxide-based non-platinum catalyst (3) dispersion (solid content 10%) was obtained in the same manner as in Example 1.
The oxide-based non-platinum catalyst (3) dispersion was spray-dried in a mini-spray dryer (“B-290” manufactured by Nihon Buch Co., Ltd.) in a nitrogen stream under an atmosphere of 125 ° C., and spherical with an average particle size of 10 μm. An oxide-based non-platinum catalyst granule (3) was obtained.

[実施例4:酸化物系非白金触媒造粒体(4)]
製造例4で作製した酸化物系非白金触媒(4)を用い、実施例1と同様の方法で酸化物系非白金触媒(4)分散体(固形分10%)を得た。
この酸化物系非白金触媒(4)分散体をミニスプレードライヤー(日本ビュッヒ社製「B−290」)にて、窒素気流中、125℃雰囲気下で、噴霧乾燥し、平均粒子径8μmの球状の酸化物系非白金触媒造粒体(4)を得た。
[Example 4: Oxide-based non-platinum catalyst granule (4)]
Using the oxide-based non-platinum catalyst (4) prepared in Production Example 4, an oxide-based non-platinum catalyst (4) dispersion (solid content 10%) was obtained in the same manner as in Example 1.
This oxide-based non-platinum catalyst (4) dispersion was spray-dried in a mini-spray dryer (“B-290” manufactured by Nihon Büch) in a nitrogen stream under an atmosphere of 125 ° C., and spherical with an average particle size of 8 μm. An oxide-based non-platinum catalyst granule (4) was obtained.

[実施例5:酸化物系非白金触媒造粒体(5)]
製造例5で作製した酸化物系非白金触媒(5)を用い、実施例1と同様の方法で酸化物系非白金触媒(5)分散体(固形分10%)を得た。
この酸化物系非白金触媒(5)分散体をミニスプレードライヤー(日本ビュッヒ社製「B−290」)にて、窒素気流中、125℃雰囲気下で、噴霧乾燥し、平均粒子径10μmの球状の酸化物系非白金触媒造粒体(5)を得た。
[Example 5: Oxide-based non-platinum catalyst granule (5)]
Using the oxide-based non-platinum catalyst (5) prepared in Production Example 5, an oxide-based non-platinum catalyst (5) dispersion (solid content 10%) was obtained in the same manner as in Example 1.
This oxide-based non-platinum catalyst (5) dispersion was spray-dried in a mini-spray dryer (“B-290” manufactured by Nippon Büch Co., Ltd.) in a nitrogen stream under an atmosphere of 125 ° C., and spherical with an average particle size of 10 μm. An oxide-based non-platinum catalyst granule (5) was obtained.

[実施例6:酸化物系非白金触媒造粒体(6)]
製造例5で作製した酸化物系非白金触媒(6)を用い、実施例1と同様の方法で酸化物系非白金触媒(6)分散体(固形分10%)を得た。
この酸化物系非白金触媒(6)分散体をミニスプレードライヤー(日本ビュッヒ社製「B−290」)にて、窒素気流中、125℃雰囲気下で、噴霧乾燥し、平均粒子径10μmの球状の酸化物系非白金触媒造粒体(6)を得た。
[Example 6: Oxide-based non-platinum catalyst granule (6)]
Using the oxide-based non-platinum catalyst (6) produced in Production Example 5, an oxide-based non-platinum catalyst (6) dispersion (solid content 10%) was obtained in the same manner as in Example 1.
This oxide-based non-platinum catalyst (6) dispersion was spray-dried in a mini-spray dryer (“B-290” manufactured by Nihon Buch Co., Ltd.) in a nitrogen stream under an atmosphere of 125 ° C., and spherical with an average particle size of 10 μm. An oxide-based non-platinum catalyst granule (6) was obtained.

[実施例7:酸化物系非白金触媒造粒体(7)]
ガラス瓶にイオン交換水83部と、顔料誘導体鉄フタロシアニン誘導体FePc−(SO3NH4)4(日鉄鉱業社製:固形分10%水溶液)30部を秤量し均一な分散溶液を作製後、製造例1で作製した酸化物系非白金触媒(1)4.7部とケッチェンブラック(ライオン社製EC−600JD)2.3部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントコンディショナーで分散し、酸化物系非白金触媒(1)分散体(固形分10%)を得た。
この酸化物系非白金触媒(1)分散体をミニスプレードライヤー(日本ビュッヒ社製「B−290」)にて、窒素気流中、125℃雰囲気下で、噴霧乾燥し、平均粒子径10μmの球状の酸化物系非白金触媒造粒体(7)を得た。
[Example 7: Oxide-based non-platinum catalyst granule (7)]
In a glass bottle, 83 parts of ion-exchanged water and 30 parts of pigment derivative iron phthalocyanine derivative FePc- (SO 3 NH 4 ) 4 (manufactured by Nippon Steel Mining Co., Ltd .: 10% solid content aqueous solution) are weighed to prepare a uniform dispersion solution, and then manufactured. After adding 4.7 parts of the oxide-based non-platinum catalyst (1) prepared in Example 1 and 2.3 parts of Ketjen Black (EC-600JD manufactured by Lion Corporation), and further adding zirconia beads as a medium, the paint conditioner was used. Dispersion was performed to obtain an oxide-based non-platinum catalyst (1) dispersion (solid content 10%).
This oxide-based non-platinum catalyst (1) dispersion was spray-dried in a mini-spray dryer (“B-290” manufactured by Nihon Büch Co., Ltd.) in a nitrogen stream under an atmosphere of 125 ° C., and spherical with an average particle size of 10 μm. An oxide-based non-platinum catalyst granule (7) was obtained.

[実施例8:酸化物系非白金触媒造粒体(8)]
ガラス瓶にイオン交換水83部と、カルボン酸基を有する樹脂型分散剤ジョンクリルJDX−6500(BASFジャパン社製:固形分30%水溶液)10部を秤量し均一な分散溶液を作製後、製造例1で作製した酸化物系非白金触媒(1)4.7部とカーボンナノチューブ(昭和電工社製VGCF−H)2.3部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントコンディショナーで分散し、酸化物系非白金触媒(1)分散体(固形分10%)を得た。
この酸化物系非白金触媒(1)分散体をミニスプレードライヤー(日本ビュッヒ社製「B−290」)にて、窒素気流中、125℃雰囲気下で、噴霧乾燥し、平均粒子径12μmの球状の酸化物系非白金触媒造粒体(8)を得た。
[Example 8: Oxide-based non-platinum catalyst granule (8)]
Production Example after preparing 83 parts of ion-exchanged water and 10 parts of resin-type dispersant Jonkrill JDX-6500 (BASF Japan Ltd .: 30% solid content aqueous solution) having a carboxylic acid group in a glass bottle to prepare a uniform dispersion solution. After adding 4.7 parts of the oxide-based non-platinum catalyst (1) prepared in 1 and 2.3 parts of carbon nanotubes (VGCF-H manufactured by Showa Denko KK), add zirconia beads as a medium, and then disperse with a paint conditioner. As a result, an oxide-based non-platinum catalyst (1) dispersion (solid content: 10%) was obtained.
This oxide-based non-platinum catalyst (1) dispersion was spray-dried in a mini-spray dryer (“B-290” manufactured by Nippon Büch Co., Ltd.) in a nitrogen stream under an atmosphere of 125 ° C., and spherical with an average particle size of 12 μm. An oxide-based non-platinum catalyst granule (8) was obtained.

[実施例9:酸化物系非白金触媒造粒体(9)]
ガラス瓶にプロピレングリコール83部と、樹脂型分散剤ポリビニルピロリドンPVP K-30(アイエスピー・ジャパン社製)3部を秤量し均一な分散溶液を作製後、製造例1で作製した酸化物系非白金触媒(1)4.7部とケッチェンブラック(ライオン社製EC−600JD)2.3部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントコンディショナーで分散し、酸化物系非白金触媒(1)分散体(固形分10%)を得た。
この酸化物系非白金触媒(1)分散体をミニスプレードライヤー(日本ビュッヒ社製「B−290」)にて、窒素気流中、125℃雰囲気下で、噴霧乾燥し、平均粒子径12μmの球状の酸化物系非白金触媒造粒体(9)を得た。
[Example 9: Oxide-based non-platinum catalyst granule (9)]
In a glass bottle, 83 parts of propylene glycol and 3 parts of a resin-type dispersant polyvinylpyrrolidone PVP K-30 (manufactured by ASP Japan Co., Ltd.) were weighed to prepare a uniform dispersion, and then the oxide-based non-platinum produced in Production Example 1 After adding 4.7 parts of catalyst (1) and 2.3 parts of Ketjen Black (EC-600JD manufactured by Lion Corporation), and further adding zirconia beads as a medium, the mixture was dispersed with a paint conditioner, and an oxide-based non-platinum catalyst ( 1) A dispersion (solid content 10%) was obtained.
This oxide-based non-platinum catalyst (1) dispersion was spray-dried in a mini-spray dryer (“B-290” manufactured by Nippon Büch Co., Ltd.) in a nitrogen stream under an atmosphere of 125 ° C., and spherical with an average particle size of 12 μm. An oxide-based non-platinum catalyst granule (9) was obtained.

[比較例1:酸化物系非白金触媒(1)]
製造例1で作製した酸化物系非白金触媒(1)を造粒せずに、そのまま比較例として使用した。
[比較例2〜6:酸化物系非白金触媒(2)〜(6)]
比較例1と同様に、製造例2〜6で作製した酸化物系非白金触媒(2)〜(6)を造粒せずに、そのまま比較例2〜6として使用した。
[Comparative Example 1: Oxide-based non-platinum catalyst (1)]
The oxide-based non-platinum catalyst (1) produced in Production Example 1 was used as it was as a comparative example without granulation.
[Comparative Examples 2 to 6: Oxide-based non-platinum catalysts (2) to (6)]
Similar to Comparative Example 1, the oxide-based non-platinum catalysts (2) to (6) prepared in Production Examples 2 to 6 were used as Comparative Examples 2 to 6 without granulation.

[比較例7:分散剤を含まない分散体]
ガラス瓶にイオン交換水90部に、製造例1で作製した酸化物系非白金触媒(1)6.7部とケッチェンブラック(ライオン社製EC−600JD)3.3部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントコンディショナーで分散した。得られた分散液は高粘度で流動性もなく、分散剤を加えないと均一な分散体を作製することは困難であった。
[Comparative Example 7: Dispersion containing no dispersant]
Add 6.7 parts of the oxide-based non-platinum catalyst (1) prepared in Production Example 1 and 3.3 parts of Ketjen Black (L-EC EC-600JD) to 90 parts of ion-exchanged water in a glass bottle. After adding the zirconia beads, they were dispersed with a paint conditioner. The obtained dispersion had high viscosity and no fluidity, and it was difficult to produce a uniform dispersion without adding a dispersant.

<酸化物系非白金触媒の酸素還元活性評価> <Oxygen reduction activity evaluation of oxide-based non-platinum catalysts>

実施例1〜9で得た酸化物系非白金触媒造粒体(1)〜(9)と比較例1〜6で得た酸化物系非白金触媒(1)〜(6)をグラッシーカーボン上に分散させた電極を用いて、酸素還元活性評価を行なった。評価方法は以下の通りである。   The oxide-based non-platinum catalyst granules (1) to (9) obtained in Examples 1 to 9 and the oxide-based non-platinum catalysts (1) to (6) obtained in Comparative Examples 1 to 6 were added on the glassy carbon. The oxygen reduction activity was evaluated using the electrode dispersed in. The evaluation method is as follows.

(1)インキ化方法
酸化物系非白金触媒又は、酸化物系非白金触媒造粒体0.01部を秤量し、バインダーとしてナフィオン(デュポン社製)が分散された水、プロパノール、ブタノール混合溶液3.56部(固形分0.19%)に添加したあと、超音波(42kHz)で15分間分散処理を行ない酸化物系非白金触媒インキとした。
(1) Inking method Weighing 0.01 parts of oxide-based non-platinum catalyst or oxide-based non-platinum catalyst granulated body, and water, propanol and butanol mixed solution in which Nafion (manufactured by DuPont) is dispersed as a binder After adding to 3.56 parts (solid content 0.19%), it was subjected to dispersion treatment with ultrasonic waves (42 kHz) for 15 minutes to obtain an oxide-based non-platinum catalyst ink.

(2)作用電極作製方法
回転電極(グラッシーカーボン電極の半径0.2cm)表面を鏡面に研磨したあと、電極表面に上記酸化物系非白金触媒インキ3.5μlを滴下し、1500rpmにてスピンコートし、自然乾燥により作用電極を作製した。
(2) Working electrode preparation method After polishing the surface of the rotating electrode (glassy carbon electrode radius 0.2 cm) to a mirror surface, 3.5 μl of the above oxide-based non-platinum catalyst ink was dropped onto the electrode surface and spin coated at 1500 rpm. Then, a working electrode was produced by natural drying.

(3)LSV(リニアスイープボルタンメトリー)測定
上記で作製した作用電極と、対極(白金)、参照電極(Ag/AgCl)が取り付けられた電解槽に電解液(0.5M硫酸水溶液)を入れ、酸素還元活性試験を行なった。
(3) LSV (Linear Sweep Voltammetry) Measurement An electrolytic solution (0.5 M sulfuric acid aqueous solution) is placed in an electrolytic cell equipped with the working electrode prepared above, a counter electrode (platinum), and a reference electrode (Ag / AgCl), and oxygen A reduction activity test was performed.

酸素還元活性度合いの指標となる酸素還元開始電位は、電解液中に酸素でバブリングを行ったあと、酸素雰囲気下、作用電極を2000rpmで回転させLSV測定を行なった。ちなみに、電解液中に窒素でバブリングを行なったあと、窒素雰囲気下でLSV測定を行なった数値をバックグランドとした。   The oxygen reduction starting potential, which is an index of the degree of oxygen reduction activity, was measured by performing bubbling with oxygen in the electrolytic solution and then rotating the working electrode at 2000 rpm in an oxygen atmosphere to perform LSV measurement. Incidentally, after bubbling with nitrogen in the electrolytic solution, a value obtained by performing LSV measurement in a nitrogen atmosphere was used as the background.

酸素還元開始電位は、電流密度が−50μA/cm2到達時点の電位を読み取り、可逆水素電極(RHE)を基準とした電位に換算して算出した。酸素還元開始電位は、その電位が高いほど酸素還元活性が高いことを示すものである。評価結果を表1に示す。 The oxygen reduction starting potential was calculated by reading the potential when the current density reached −50 μA / cm 2 and converting it to a potential based on the reversible hydrogen electrode (RHE). The oxygen reduction start potential indicates that the higher the potential, the higher the oxygen reduction activity. The evaluation results are shown in Table 1.

標準サンプルとして、白金担持カーボン(白金担持率50重量%)の酸素還元活性度合いを上記評価方法で行なったところ、酸化還元開始電位は0.94V(vsRHE)であった。   As a standard sample, the degree of oxygen reduction activity of platinum-supported carbon (platinum support ratio of 50% by weight) was measured by the above-described evaluation method. As a result, the oxidation-reduction starting potential was 0.94 V (vs RHE).

Figure 2015093223
Figure 2015093223

表1から分かるように、製造例の製造方法で合成した酸化物系非白金触媒造粒体(1)〜(9)は、比較例に比べ、いずれも高い酸素還元活性を有するものであった。   As can be seen from Table 1, all of the oxide-based non-platinum catalyst granules (1) to (9) synthesized by the production method of the production example had higher oxygen reduction activity than the comparative example. .

次に、実施例1〜9で得た酸化物系非白金触媒造粒体(1)〜(9)、及び比較例1〜6で得た酸化物系非白金触媒(1)〜(6)を用いて、触媒インキ及び燃料電池用触媒層の作製を行い、電池性能評価を行った。     Next, oxide-based non-platinum catalyst granules (1) to (9) obtained in Examples 1 to 9 and oxide-based non-platinum catalysts (1) to (6) obtained in Comparative Examples 1 to 6 Was used to prepare a catalyst ink and a catalyst layer for a fuel cell, and the battery performance was evaluated.

<触媒インキの調製>
実施例1〜9で得た酸化物系非白金触媒造粒体(1)〜(9)17.14部(酸化物系非白金触媒12部+親水性官能基を有する樹脂5.14部)を秤量し、1−ブタノール68.57部とナフィオン(Nafion)溶液(デュポン社製:固形分20%水−アルコール混合溶液)14.29部の混合溶液中に添加後、ディスパー(プライミクス社製、T.Kホモディスパー)にて攪拌混合することで触媒インキ(1)〜(9)(固形分濃度20%、触媒インキ100%としたときの酸化物系非白金触媒造粒体、及びバインダーを合計した割合)を調製した。
一方、比較例1〜6で得た酸化物系非白金触媒(1)〜(6)及び12部を秤量し、1−ブタノール48部とナフィオン(Nafion)溶液(デュポン社製:固形分20%水−アルコール混合溶液)40重量部の混合溶液中に添加後、ディスパー(プライミクス社製、T.Kホモディスパー)にて攪拌混合することで触媒インキ(10)〜(15)(固形分濃度20重量%、触媒インキ100重量%としたときの酸化物系非白金触媒とバインダーを合計した割合)を調製した。
<Preparation of catalyst ink>
17.14 parts of oxide-based non-platinum catalyst granules (1) to (9) obtained in Examples 1 to 9 (12 parts of oxide-based non-platinum catalyst + 5.14 parts of resin having a hydrophilic functional group) Was added to a mixed solution of 68.57 parts of 1-butanol and 14.29 parts of Nafion solution (manufactured by DuPont: solid 20% water-alcohol mixed solution), and then disperse (manufactured by Primics, Catalyst inks (1) to (9) (solid content concentration 20%, catalyst ink 100% when the catalyst ink is 100% by stirring and mixing with TK homodispers) A total ratio) was prepared.
On the other hand, the oxide-based non-platinum catalysts (1) to (6) and 12 parts obtained in Comparative Examples 1 to 6 were weighed, and 48 parts of 1-butanol and a Nafion solution (manufactured by DuPont: solid content 20%) Water-alcohol mixed solution) After being added to 40 parts by weight of the mixed solution, catalyst inks (10) to (15) (solid content concentration of 20) were obtained by stirring and mixing with a disper (manufactured by Primics, TK homodisper). The ratio of the oxide-based non-platinum catalyst and the binder when the weight is 100% by weight and the catalyst ink is 100% by weight) was prepared.

<触媒インキの評価>
触媒インキの分散性を、下記に示す評価方法によって評価した。
<Evaluation of catalyst ink>
The dispersibility of the catalyst ink was evaluated by the following evaluation method.

(分散性評価)
分散性は、グラインドゲージによる判定(JIS K5600−2−5に準ず)によって触媒インキの粒度(粗大な分散粒径)を求め、50μm以上の凝集物が無い場合、分散性が良好であると評価した。実施例1〜9で得た酸化物系非白金触媒造粒体(1)〜(9)の触媒インキの粒度はいずれも20〜30μであり、分散性は良好であったのに対して、比較例1〜6の酸化物系非白金触媒(1)〜(6)の触媒インキは、100μm以上の凝集粒子が確認され、分散性が劣っていることを確認した。評価結果を表1に示す。
(Dispersibility evaluation)
The dispersibility is determined by a grind gauge (according to JIS K5600-2-5), and the particle size (coarse dispersed particle size) of the catalyst ink is determined. If there is no aggregate of 50 μm or more, the dispersibility is evaluated as good. did. While the particle sizes of the catalyst inks of the oxide-based non-platinum catalyst granules (1) to (9) obtained in Examples 1 to 9 were all 20 to 30 μm and the dispersibility was good, In the catalyst inks of the oxide-based non-platinum catalysts (1) to (6) of Comparative Examples 1 to 6, aggregated particles of 100 μm or more were confirmed, and it was confirmed that the dispersibility was inferior. The evaluation results are shown in Table 1.

<燃料電池用触媒層の作製>
実施例1〜9の触媒インキ(1)〜(9)を、ドクターブレードにより、乾燥後の酸化物系非白金触媒の目付け量が2mg/cm2になるようにテフロン(登録商標)フィルム
上に塗布し、大気雰囲気下、95℃で15分間乾燥することにより、ムラのない均一なカソード用燃料電池用触媒層を作製した。
しかし、比較例1〜6で得た触媒インキ(10)〜(15)では、ムラのあるぼそぼその触媒層となった。
<Preparation of fuel cell catalyst layer>
The catalyst inks (1) to (9) of Examples 1 to 9 were applied onto a Teflon (registered trademark) film with a doctor blade so that the basis weight of the oxide-based non-platinum catalyst after drying was 2 mg / cm 2. It was applied and dried at 95 ° C. for 15 minutes in an air atmosphere to produce a uniform cathode fuel cell catalyst layer with no unevenness.
However, in the catalyst inks (10) to (15) obtained in Comparative Examples 1 to 6, the catalyst layer had unevenness.

<塗工性評価>
燃料電池用触媒層は、下記に示す塗工性評価によって評価した。テフロン(登録商標)フィルム上に形成された燃料電池用触媒層を、ビデオマイクロスコープVHX−900(キーエンス社製)にて500倍で観察し、塗工ムラ(ムラ:触媒層の濃淡により評価)およびピンホール(触媒層が塗布されていない欠陥の有無により評価)について、下記の基準で判定した。評価結果を表1に示す。
(ムラ)
○:触媒層の濃淡が確認されない(良好)。
△:触媒層の濃淡が2〜3箇所あるが極めて微小領域である(実用上問題ない)。
×:触媒層の濃淡が多数確認される、または濃淡の縞の長さが5mm以上のもの1個以上(不良)。
(ピンホ−ル)
○:ピンホールが1つも確認されない(良好)。
△:ピンホールが2〜3個あるが極めて微小である(不良)。
×:ピンホールが多数確認される、または直径1mm以上のピンホールが1個以上(極めて不良)。
<Coating property evaluation>
The fuel cell catalyst layer was evaluated by the following coating property evaluation. The fuel cell catalyst layer formed on the Teflon (registered trademark) film was observed with a video microscope VHX-900 (manufactured by Keyence Corporation) at a magnification of 500 times, and coating unevenness (unevenness: evaluated by the density of the catalyst layer) In addition, pinholes (evaluated by the presence or absence of defects on which no catalyst layer was applied) were determined according to the following criteria. The evaluation results are shown in Table 1.
(village)
○: The density of the catalyst layer is not confirmed (good).
(Triangle | delta): Although there are 2-3 shades of a catalyst layer, it is a very small area | region (it is satisfactory practically).
X: A large number of shades of the catalyst layer is confirmed, or one or more of the stripes having a length of 5 mm or more (defective).
(Pinhole)
○: No pinholes are confirmed (good).
Δ: There are 2 to 3 pinholes but they are very small (defect).
X: Many pinholes are confirmed, or one or more pinholes having a diameter of 1 mm or more (very poor).

<アノード用燃料電池用触媒層の作製>
ここでは、燃料電池用電極膜接合体の作製に使用するアノード用燃料電池用触媒層の作製方法について以下に述べる。
酸化物系非白金触媒の代わりに、白金触媒担持カーボン4部(田中貴金属社製、白金量46%)、溶剤として1―プロパノール56部、および水20部をディスパー(プライミクス、TKホモディスパー)にて攪拌混合することで触媒ペースト組成物(固形分濃度4%)を調製した。次いで、ナフィオン(Nafion)溶液(デュポン社製:固形分20%水−アルコール混合溶液)20部を添加し、ディスパー(プライミクス製、T.Kホモディスパー)にて攪拌混合することで触媒インキ(固形分濃度8%)を作製した。得られた触媒インキを白金触媒担持カーボンの目付け量が0.46mg/cm2になるようにテフロン(登録商標)フィルム上に塗布し、大気雰囲気中70℃の条件で15分間乾燥することにより、アノード用燃料電池用触媒層を作製した。
<Production of anode fuel cell catalyst layer>
Here, a method for producing a catalyst layer for an anode fuel cell used for producing an electrode membrane assembly for a fuel cell will be described below.
Instead of the oxide-based non-platinum catalyst, 4 parts of platinum catalyst-supporting carbon (Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., platinum amount 46%), 1-propanol 56 parts as solvent, and 20 parts of water into disperse (Primics, TK homodispers) The catalyst paste composition (solid content concentration 4%) was prepared by stirring and mixing. Next, 20 parts of a Nafion solution (manufactured by DuPont: 20% solids water-alcohol mixed solution) is added, and the mixture is stirred and mixed with a disper (manufactured by Primics, TK homodisper) to obtain catalyst ink (solid A partial concentration of 8%). The obtained catalyst ink was applied onto a Teflon (registered trademark) film so that the weight per unit area of the platinum catalyst-supported carbon was 0.46 mg / cm 2, and dried for 15 minutes at 70 ° C. in an air atmosphere. A catalyst layer for an anode fuel cell was prepared.

<燃料電池用電極膜接合体の作製>
実施例1〜9、及び比較例1〜6で作製したカソード用燃料電池用触媒層と、アノード用燃料電池用触媒層とを、それぞれ固体高分子電解質膜(Nafion212、デュポン社製、膜厚50μm)の両面に密着して、150℃、5MPaの条件で狭持した後、テフロン(登録商標)フィルムを剥離した。次いで、更に両側から電極基材(ガス拡散層GDL、炭素繊維からなるカーボンペーパー、TGP-H-090、東レ(株)製)を密着させ、本発明の燃料電池用電極膜接合体(GDL/触媒層/固体高分子電解質膜/触媒層/GDL)を作製した。
<Production of fuel cell electrode membrane assembly>
Cathode fuel cell catalyst layers and anode fuel cell catalyst layers prepared in Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 6 were respectively made of solid polymer electrolyte membranes (Nafion 212, manufactured by DuPont, film thickness 50 μm). ) And was held under conditions of 150 ° C. and 5 MPa, and then the Teflon (registered trademark) film was peeled off. Next, the electrode base material (gas diffusion layer GDL, carbon paper made of carbon fiber, TGP-H-090, manufactured by Toray Industries, Inc.) is further adhered from both sides, and the electrode membrane assembly for fuel cell of the present invention (GDL / Catalyst layer / solid polymer electrolyte membrane / catalyst layer / GDL).

<燃料電池(単セル)の作製>
実施例1〜9と比較例1〜6で得られた燃料電池用電極膜接合体を2cm角の試料とし、その両側からガスケット2枚、次いでグラファイトプレートであるセパレータ2枚ではさみ、更に両側から集電板を2枚装着して燃料電池(単セル)として作製した。測定はAuto PEMシリース゛「PEFC評価システム」東陽テクニカ社製で実施した。燃料電池運転条件として、温度80℃、相対湿度100%の条件下で、アノード側に水素を300ml/分で流し、カソード側に酸素を300ml/分で流して発電試験を実施した。
<Fabrication of fuel cell (single cell)>
The fuel cell electrode membrane assemblies obtained in Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 6 were used as 2 cm square samples, sandwiched between two gaskets from both sides and then two separators that were graphite plates, and from both sides. Two current collector plates were attached to produce a fuel cell (single cell). The measurement was carried out by Auto PEM series “PEFC evaluation system” manufactured by Toyo Technica. As fuel cell operating conditions, a power generation test was carried out under conditions of a temperature of 80 ° C. and a relative humidity of 100% by flowing hydrogen at 300 ml / min on the anode side and oxygen at 300 ml / min on the cathode side.

<燃料電池(単セル)の評価>
実施例1〜9と比較例1〜6で作製した単セルの電流−電圧特性を測定することにより、電池の発電特性を評価した。
その結果、実施例1〜9で作製した単セルでは、開放電圧は0.94V〜0.98V、短絡電流密度950〜1200mA/cm2であった。これに対し、比較例1〜6で作製した単セルは、開放電圧0.94〜0.98V、短絡電流密度600〜800mA/cm2と実施例に比べて低い結果であった。
発電試験結果において、開放電圧にはそれほど差異はみられていない。これは、電流が発生していない(もしくは微小な領域)においては導電性の影響は小さく、酸化物系非白金触媒そのものの触媒活性が支配因子となっているためと考えられる。一方、短絡電流密度には大きく差が生じており、これは、高電流領域においては導電性が支配因子となっているためと考えられ、導電性炭素材料を酸化物系非白金触媒と均一に接触させ、導電パスを確保することが重要であることがわかる。
<Evaluation of fuel cell (single cell)>
The power generation characteristics of the batteries were evaluated by measuring the current-voltage characteristics of the single cells prepared in Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 6.
As a result, in the single cells produced in Examples 1 to 9, the open circuit voltage was 0.94 V to 0.98 V, and the short circuit current density was 950 to 1200 mA / cm 2 . On the other hand, the single cells produced in Comparative Examples 1 to 6 had an open circuit voltage of 0.94 to 0.98 V and a short circuit current density of 600 to 800 mA / cm 2 , which were lower than the examples.
In the power generation test results, there is no significant difference in the open circuit voltage. This is considered to be because the influence of conductivity is small when no current is generated (or in a very small region), and the catalytic activity of the oxide-based non-platinum catalyst itself is the dominant factor. On the other hand, there is a large difference in the short-circuit current density, which is thought to be due to the fact that conductivity is the dominant factor in the high current region, and the conductive carbon material is uniformly distributed with the oxide-based non-platinum catalyst. It can be seen that it is important to ensure contact and secure a conductive path.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

図1は、本発明の酸化物系非白金触媒を電極触媒に適用した燃料電池の構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a fuel cell in which the oxide-based non-platinum catalyst of the present invention is applied to an electrode catalyst.

1 セパレータ
2 ガス拡散層
3 アノード電極触媒(燃料極)
4 固体高分子電解質
5 カソード電極触媒(空気極)
6 ガス拡散層
7 セパレータ


1 Separator 2 Gas diffusion layer 3 Anode electrode catalyst (fuel electrode)
4 Solid polymer electrolyte 5 Cathode electrode catalyst (Air electrode)
6 Gas diffusion layer 7 Separator


Claims (6)

酸化物系非白金触媒と、導電性炭素材料と分散剤とを、含有する酸化物系非白金触媒造粒体であって、前記酸化物系非白金触媒造粒体の形状が、球状または楕円体状であり、かつ造粒体の平均粒子径が0.5〜100μmであることを特徴とする酸化物系非白金触媒造粒体。   An oxide-based non-platinum catalyst granule containing an oxide-based non-platinum catalyst, a conductive carbon material, and a dispersant, wherein the oxide-based non-platinum catalyst granule has a spherical or elliptical shape. An oxide-based non-platinum catalyst granule which is in the form of a body and has an average particle diameter of 0.5 to 100 μm. 前記酸化物系非白金触媒が、Ti、Zr、Nb、V、Mo、W及びTaからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素を含む、請求項1記載の酸化物系非白金触媒造粒体。   2. The oxide-based non-platinum catalyst granule according to claim 1, wherein the oxide-based non-platinum catalyst contains at least one element selected from the group consisting of Ti, Zr, Nb, V, Mo, W and Ta. . 酸化物系非白金触媒と導電性炭素材料と分散剤とを湿式混合する工程1と、前記混合により得られたペーストを噴霧乾燥し造粒する工程2と、を有することを特徴とする酸化物系非白金触媒造粒体の製造方法。   An oxide comprising: a step 1 for wet-mixing an oxide-based non-platinum catalyst, a conductive carbon material, and a dispersant; and a step 2 for spray-drying and granulating the paste obtained by the mixing. Of producing a non-platinum-based catalyst granule. 請求項3に記載の製造方法で製造されてなる酸化物系非白金触媒造粒体。   An oxide-based non-platinum catalyst granule produced by the production method according to claim 3. 請求項1、2、4いずれか1項に記載の酸化物系非白金触媒造粒体と、バインダーと、溶剤とを含有する触媒インキ。   Catalyst ink containing the oxide-based non-platinum catalyst granule according to any one of claims 1, 2, and 4, a binder, and a solvent. 請求項1、2、4いずれか1項に記載の酸化物系非白金触媒造粒体を含有する触媒層を、固体高分子電解質膜の一方、又は双方の面に接合させた電極膜接合体を有する燃料電池。

An electrode membrane assembly in which the catalyst layer containing the oxide-based non-platinum catalyst granule according to any one of claims 1, 2, and 4 is bonded to one or both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane. A fuel cell.

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