JP2015195193A - Anode electrode material for fuel battery, method of manufacturing the same, electrode for fuel battery, membrane electrode assembly, and solid polymer type fuel battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an anode electrode material for a fuel battery suitable for manufacturing an anode electrode of a fuel battery of low temperature operation type.SOLUTION: An anode electrode material for a fuel battery includes a conductive auxiliary material made from at least one kind selected from a fabric carbon and chain-coupled carbon particle whose surface has a graphite structure, a titanium oxide carrier born by the conductive auxiliary material, and an electrode catalyst particle being dispersion-born by the titanium oxide carrier among the conductive auxiliary material and the titanium oxide carrier.

Description

本発明は、燃料電池用アノード電極材料およびその製造方法、並びに燃料電池用電極、及び固体高分子形燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell anode electrode material and a method for producing the same, a fuel cell electrode, and a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池は、水素の持つ化学エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換できるため、燃料電池を利用した発電システムの普及が期待されている。燃料電池の中でも、特に電解質に固体高分子膜を使用した固体高分子形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell、以下、「PEFC」と記載する場合がある。)は、作動温度が80℃付近と比較的低温であるため、例えば、車載用電源、家庭用等の小規模な固定電源として導入されている。固体高分子形燃料電池では、以下の電気化学反応によって電力を取り出すことができる。
アノ−ド反応:2H2 → 4H++4e- (反応1)
カソ−ド反応:O2+4H++4e-→2H2O (反応2)
全反応 :2H2+O2→2H2
Since fuel cells can efficiently convert the chemical energy of hydrogen into electrical energy, the spread of power generation systems using fuel cells is expected. Among the fuel cells, in particular, a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter, sometimes referred to as “PEFC”) using a solid polymer membrane as an electrolyte has an operating temperature compared with around 80 ° C. Because of its low temperature, it has been introduced as a small-scale fixed power source for in-vehicle use, home use, and the like. In the polymer electrolyte fuel cell, electric power can be taken out by the following electrochemical reaction.
Anodic reaction: 2H 2 → 4H + + 4e (reaction 1)
Cathode reaction: O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O (reaction 2)
Total reaction: 2H 2 + O 2 → 2H 2 O

PEFCは、一般的に、固体高分子電解質膜の両面に一対の電極を配置させた膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly、以下、「MEA」と記載する場合がある。)を、ガス流路が形成されたセパレータで挟持した構造を有する。
燃料電池用電極(特にはPEFC用電極)は、一般に、電極触媒活性を有する電極材料及び高分子電解質からなる電極触媒層と、ガス通気性と電子伝導性を兼ね備えたガス拡散層とから構成される。PEFCの電極材料として、粒子状や繊維状の炭素系材料からなる担体の表面に貴金属粒子を分散させて担持した材料が広く用いられている(例えば、特許文献1,2)。
In PEFC, a membrane electrode assembly (Membrane Electrode Assembly; hereinafter, sometimes referred to as “MEA”) in which a pair of electrodes are arranged on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane is generally used as a gas flow path. It has a structure sandwiched between the formed separators.
An electrode for a fuel cell (especially an electrode for PEFC) is generally composed of an electrode catalyst layer composed of an electrode material having an electrocatalytic activity and a polymer electrolyte, and a gas diffusion layer having both gas permeability and electronic conductivity. The As an electrode material for PEFC, a material in which noble metal particles are dispersed and supported on the surface of a carrier made of a particulate or fibrous carbon-based material is widely used (for example, Patent Documents 1 and 2).

ところで、PEFCの電解質膜は酸性(pH=0〜3)であるため、PEFCの電極材料は酸性雰囲気下で使用されることになる。また、通常運転しているときのセル電圧は0.4〜1.0Vであるが、起動停止時にはセル電圧が1.5Vまで上昇することが知られている。このようなPEFCの運転条件でのカソード及びアノードの状態は、カソードにおいては担体である炭素系材料が二酸化炭素(CO2)として分解する領域である。そのため、カソードでは、炭素系担体が電気化学的に酸化されてCO2に分解する反応が起こり(非特許文献1参照)、結果として炭素系担体が腐食されて触媒活性成分である貴金属粒子が脱落するという問題がある。 By the way, since the electrolyte membrane of PEFC is acidic (pH = 0-3), the electrode material of PEFC is used in an acidic atmosphere. Further, the cell voltage during normal operation is 0.4 to 1.0 V, but it is known that the cell voltage rises to 1.5 V when starting and stopping. The state of the cathode and the anode under such PEFC operating conditions is a region in which the carbon-based material as a carrier is decomposed as carbon dioxide (CO 2 ) at the cathode. Therefore, at the cathode, a reaction occurs in which the carbon-based support is electrochemically oxidized and decomposed into CO 2 (see Non-Patent Document 1). As a result, the carbon-based support is corroded and the noble metal particles that are catalytically active components are dropped off. There is a problem of doing.

また、カソードだけでなく、アノードにおいても運転初期などに燃料ガスが不足すると、その部分での電圧低下、あるいは濃度分極が生じて局部的に通常と反対の電位となり、炭素の電気化学的酸化分解反応が起こることがある。   In addition to the cathode, not only the anode but also the fuel gas shortage at the initial stage of operation causes a voltage drop or concentration polarization at that part, resulting in a locally opposite potential and electrochemical oxidative decomposition of carbon. A reaction may occur.

電極触媒粒子の担体として用いられている炭素系材料は、上述のように電気化学的に酸化腐食し、PEFCの起動停止時や長時間運転しているときに特に問題となる。炭素系材料の酸化に対する耐久性を向上させるため、高温で熱処理して結晶化を高める方法があるが、それでも酸化に対する耐久性は不十分である。そのため、PEFCの運転条件で安定な燃料電池用電極の開発が望まれている。
このような要望に対し、本願発明者らは、特許文献3において、炭素系材料の代わりに酸化スズ担体に貴金属粒子を分散させた電極触媒材料およびその製造を開示している。この電極触媒材料はPEFCのカソードでの運転条件で熱力学的に安定であるため、当該電極触媒材料を用いて製造したカソードは酸化腐食されることなく長期の発電が可能である。
The carbon-based material used as a support for the electrode catalyst particles is electrochemically oxidatively corroded as described above, and becomes a problem particularly when the PEFC is started and stopped or operated for a long time. In order to improve the durability of the carbon-based material against oxidation, there is a method of increasing the crystallization by heat treatment at a high temperature, but the durability against oxidation is still insufficient. Therefore, it is desired to develop a fuel cell electrode that is stable under PEFC operating conditions.
In response to such a demand, the inventors of the present application disclose an electrocatalyst material in which noble metal particles are dispersed in a tin oxide support instead of a carbon-based material, and production thereof. Since this electrocatalyst material is thermodynamically stable under the operating conditions of the PEFC cathode, the cathode produced using the electrocatalyst material can generate power for a long time without being oxidatively corroded.

特開2005−87993号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-87993 特許第368364号公報Japanese Patent No. 368364 特許第532110号公報Japanese Patent No. 532110

エル エム ロウエン(L.M.Roen)、他2名、“エレクトロキャタリティック コロウジョン オブ カーボン サポート イン ピーイーエムエフシー カソーズ((Electrocatalytic Corrosion of Carbon Support in PEMFC Cathodes)”、「エレクトロケミカル アンド ソリッドステイト レターズ(Electrochemical and Solid−State letters)」、2004年、Vol.7(1)、A19−A22L. M. Roen, 2 others, “Electrocatalytic Corrosion of Carbon Support in MCFC (Carbon Support in PEMFC Cathes)” and Solid-State letters) ", 2004, Vol. 7 (1), A19-A22.

しかしながら、酸化スズ担体を用いた燃料電池用電極材料は高い耐久性を有するが、アノードにおける還元雰囲気下では酸化スズ自体が還元されてしまい、性能が劣化するという問題がある。また、当該電極材料を用いて製造した燃料電池用電極の電極性能は、従来の炭素系担体を用いた電極材料を用いて製造した燃料電池用電極と比較して劣る場合が多い。その主要な原因として、一般的に電子伝導性酸化物は、炭素系担体と比較して電子伝導性が低いためであると予測される。   However, although the fuel cell electrode material using a tin oxide support has high durability, there is a problem that the tin oxide itself is reduced under a reducing atmosphere in the anode, and the performance deteriorates. In addition, the electrode performance of a fuel cell electrode manufactured using the electrode material is often inferior to that of a fuel cell electrode manufactured using a conventional electrode material using a carbon-based carrier. As a main cause, it is generally predicted that an electron conductive oxide has a lower electron conductivity than a carbon-based carrier.

かかる状況下、本発明の目的は、電子伝導性酸化物に起因する電気化学的酸化への優れた耐久性と、炭素系材料に起因する優れた電子伝導性を併せ持ち、かつ、PEFCのアノードにおける還元雰囲気下においても安定的に使用できる燃料電池用アノード電極材料を提供することを目的とする。さらには、当該燃料電池用アノード電極材料を含む燃料電池用電極、膜電極複合体及び固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。   Under such circumstances, the object of the present invention is to combine the excellent durability to electrochemical oxidation caused by the electron conductive oxide with the excellent electronic conductivity caused by the carbon-based material, and in the PEFC anode. An object of the present invention is to provide an anode electrode material for a fuel cell that can be used stably even in a reducing atmosphere. Furthermore, it aims at providing the electrode for fuel cells containing the said anode electrode material for fuel cells, a membrane electrode composite_body | complex, and a polymer electrolyte fuel cell.

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、下記の発明が上記目的に合致することを見出し、本発明に至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor has found that the following inventions meet the above object, and have reached the present invention.

すなわち、本発明は、以下の発明に係るものである。
<1> 表面がグラファイト構造である繊維状炭素及び鎖状連結炭素粒子から選択される1種以上からなる導電補助材と、前記導電補助材に担持された酸化チタン担体と、前記導電補助材及び前記酸化チタン担体のうち前記酸化チタン担体に分散担持された電極触媒粒子とを含む燃料電池用アノード電極材料。
<2> 前記導電補助材が、気相成長炭素繊維(VGCF)である<1>に記載の燃料電池用アノード電極材料。
<3> 前記酸化チタン担体が、ニオブを0.1〜20mol%ドープしたニオブドープ酸化チタンからなる<1>または<2>に記載の燃料電池用アノード電極材料。
<4> 前記酸化チタン担体が、前記導電補助材の一部が露出するように前記導電補助材に担持されてなる<1>から<3>のいずれかに記載の燃料電池用アノード電極材料。
<5> 前記電極触媒粒子が、平均粒子径1〜30nmのPt及びPtを含む合金からなる電極触媒粒子である<1>から<4>のいずれかに記載の燃料電池用アノード電極材料。
<6> <1>から<5>のいずれかに記載の燃料電池用電極材料とプロトン伝導性電解質材料を含み、前記導電補助材が互いに接触して導電パスを形成している燃料電池用電極。
<7> 固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方面に接合されたカソードと、前記固体高分子電解質膜の他方面に接合されたアノードと、を有する膜電極接合体であって、前記アノードが、<6>に記載の燃料電池用電極である膜電極接合体。
<8> <7>に記載の膜電極接合体を備えてなる固体高分子形燃料電池。
That is, the present invention relates to the following inventions.
<1> One or more kinds of conductive auxiliary materials selected from fibrous carbon and chain-linked carbon particles having a graphite structure on the surface, a titanium oxide carrier supported on the conductive auxiliary material, the conductive auxiliary material, A fuel cell anode electrode material comprising electrode catalyst particles dispersedly supported on the titanium oxide carrier among the titanium oxide carriers.
<2> The anode electrode material for a fuel cell according to <1>, wherein the conductive auxiliary material is vapor grown carbon fiber (VGCF).
<3> The anode electrode material for a fuel cell according to <1> or <2>, wherein the titanium oxide support is made of niobium-doped titanium oxide doped with 0.1 to 20 mol% of niobium.
<4> The fuel cell anode electrode material according to any one of <1> to <3>, wherein the titanium oxide support is supported on the conductive auxiliary material such that a part of the conductive auxiliary material is exposed.
<5> The anode electrode material for a fuel cell according to any one of <1> to <4>, wherein the electrode catalyst particles are electrode catalyst particles made of an alloy containing Pt and Pt having an average particle diameter of 1 to 30 nm.
<6> A fuel cell electrode comprising the fuel cell electrode material according to any one of <1> to <5> and a proton conductive electrolyte material, wherein the conductive auxiliary material is in contact with each other to form a conductive path. .
<7> A membrane / electrode assembly having a solid polymer electrolyte membrane, a cathode joined to one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and an anode joined to the other surface of the solid polymer electrolyte membrane. A membrane electrode assembly in which the anode is an electrode for a fuel cell according to <6>.
<8> A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to <7>.

また、本発明の他の態様は、以下の本発明の燃料電池用アノード電極材料の製造方法に係るものである。
<1a> 以下の工程(1)〜(3)を含む燃料電池用アノード電極材料の製造方法。
(1)表面がグラファイト構造である繊維状炭素及び鎖状連結炭素粒子から選択される1種以上からなる導電補助材に、酸化チタン担体を担持する工程
(2)前記酸化チタン担体担持した前記導電補助材を、電極触媒前駆体を含む溶液に浸漬し、前記酸化チタン担体に電極触媒粒子又は電極触媒前駆体を担持する工程
(3)前記酸化チタン担体に担持された前記電極触媒粒子又は電極触媒前駆体を活性化する工程
<2a> 工程(1)における酸化チタン担体を担持する方法が酸化チタン担体の前駆体であるチタンアルコキシドを加水分解する方法である<1a>に記載の燃料電池用電極材料の製造方法。
<3a> 工程(2)における電極触媒前駆体を担持する方法がコロイド法である請求項<1a>又は<2a>に記載の燃料電池用電極材料の製造方法。
Moreover, the other aspect of this invention concerns on the manufacturing method of the anode electrode material for fuel cells of the following this invention.
<1a> A method for producing an anode electrode material for a fuel cell, comprising the following steps (1) to (3).
(1) A step of supporting a titanium oxide carrier on a conductive auxiliary material comprising at least one selected from fibrous carbon and chain-linked carbon particles having a graphite structure on the surface. (2) The conductive material supported on the titanium oxide carrier. A step of immersing an auxiliary material in a solution containing an electrode catalyst precursor and supporting the electrode catalyst particles or the electrode catalyst precursor on the titanium oxide support (3) The electrode catalyst particles or the electrode catalyst supported on the titanium oxide support Step of activating precursor <2a> The fuel cell electrode according to <1a>, wherein the method of supporting the titanium oxide support in step (1) is a method of hydrolyzing titanium alkoxide, which is a precursor of the titanium oxide support. Material manufacturing method.
<3a> The method for producing an electrode material for a fuel cell according to <1a> or <2a>, wherein the method for supporting the electrode catalyst precursor in the step (2) is a colloid method.

本発明によれば、酸化チタン担体に起因する電気化学的酸化への優れた耐久性と、炭素系材料に起因する優れた電子伝導性を併せ持つ燃料電池用電極材料が提供される。当該電極材料を含む、燃料電池用電極を使用した膜電極接合体を備えてなる固体高分子形燃料電池は、電気化学的酸化への優れた耐久性を有し、長期間発電することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electrode material for fuel cells which has the outstanding durability to the electrochemical oxidation resulting from a titanium oxide support | carrier, and the outstanding electronic conductivity resulting from a carbonaceous material is provided. A polymer electrolyte fuel cell including a membrane electrode assembly using a fuel cell electrode containing the electrode material has excellent durability to electrochemical oxidation and can generate power for a long period of time. .

本発明の燃料電池用電極材料の模式図である。It is a schematic diagram of the electrode material for fuel cells of this invention. 本発明の膜電極接合体の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the membrane electrode assembly of this invention. 本発明の固体高分子形燃料電池の代表的な構成を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the typical structure of the polymer electrolyte fuel cell of this invention. 実験例1の燃料電池用電極材料(電極触媒粒子未担持)のFE−SEM像であり、(a)は600℃焼成、(b)は300℃焼成、(c)は焼成なしである。It is a FE-SEM image of the electrode material for fuel cells of Experiment example 1 (electrode catalyst particle unsupported), (a) is 600 degreeC baking, (b) is 300 degreeC baking, (c) is no baking. 実験例1の燃料電池用電極材料(電極触媒粒子未担持)のXRDプロファイルである。3 is an XRD profile of a fuel cell electrode material (non-supported electrode catalyst particles) of Experimental Example 1; 実験例1の燃料電池用電極材料(電極触媒粒子未担持)のBET比表面積測定の評価結果である。3 is an evaluation result of measurement of a BET specific surface area of an electrode material for fuel cells (non-supported electrode catalyst particles) of Experimental Example 1. 燃料電池用電極材料(電極触媒粒子未担持)のTiO2担持率とBET比表面積の関係を示す図である。Is a diagram showing the relationship of the TiO 2 loading of the BET specific surface area of the fuel cell electrode material (electrode catalyst particles unsupported). TiO2担持率10wt%の燃料電池用電極材料(電極触媒粒子未担持、300℃焼成)のFE−SEM像であり、(a),(b)はそれぞれ別視野である。A FE-SEM image of the TiO 2 loading of 10 wt% of the fuel cell electrode material (electrode catalyst particles unsupported, 300 ° C. calcination), (a), (b ) is another field, respectively. TiO2担持率20wt%の燃料電池用電極材料(電極触媒粒子未担持、300℃焼成)のFE−SEM像であり、(a),(b)はそれぞれ別視野である。A FE-SEM image of the TiO 2 loading of 20 wt% of the fuel cell electrode material (electrode catalyst particles unsupported, 300 ° C. calcination), (a), (b ) is another field, respectively. TiO2担持率50wt%の燃料電池用電極材料(電極触媒粒子未担持、300℃焼成)のFE−SEM像であり、(a),(b)はそれぞれ別視野である。A FE-SEM image of the TiO 2 loading of 50 wt% of the fuel cell electrode material (electrode catalyst particles unsupported, 300 ° C. calcination), (a), (b ) is another field, respectively. コロイド法でPt触媒粒子を担持した、TiO2担持率10wt%の燃料電池用電極材料のFE−SEM像であり、(a)は低倍率像、(b)は高倍率像である。Supporting Pt catalyst particles in a colloidal method, a FE-SEM image of the TiO 2 loading of 10 wt% of the fuel cell electrode material is (a) a low magnification image, (b) high magnification image. コロイド法でPt触媒粒子を担持した、TiO2担持率20wt%の燃料電池用電極材料のFE−SEM像であり、(a)は低倍率像、(b)は高倍率像である。Supporting Pt catalyst particles in a colloidal method, a FE-SEM image of the TiO 2 loading of 20 wt% of the fuel cell electrode material is (a) a low magnification image, (b) high magnification image. コロイド法でPt触媒粒子を担持した、TiO2担持率50wt%の燃料電池用電極材料のFE−SEM像であり、(a)は低倍率像、(b)は高倍率像である。Supporting Pt catalyst particles in a colloidal method, a FE-SEM image of the TiO 2 loading of 50 wt% of the fuel cell electrode material is (a) a low magnification image, (b) high magnification image. アセチルアセトナート法でPt触媒粒子を担持した、TiO2担持率10wt%の燃料電池用電極材料のFE−SEM像であり、(a)は低倍率像、(b)は高倍率像である。Supporting Pt catalyst particles acetylacetonate method, a FE-SEM image of the TiO 2 loading of 10 wt% of the fuel cell electrode material is (a) a low magnification image, (b) high magnification image. アセチルアセトナート法でPt触媒粒子を担持した、TiO2担持率20wt%の燃料電池用電極材料のFE−SEM像であり、(a)は低倍率像、(b)は高倍率像である。Supporting Pt catalyst particles acetylacetonate method, a FE-SEM image of the TiO 2 loading of 20 wt% of the fuel cell electrode material is (a) a low magnification image, (b) high magnification image. アセチルアセトナート法でPt触媒粒子を担持した、TiO2担持率50wt%の燃料電池用電極材料のFE−SEM像であり、(a)は低倍率像、(b)は高倍率像である。Supporting Pt catalyst particles acetylacetonate method, a FE-SEM image of the TiO 2 loading of 50 wt% of the fuel cell electrode material is (a) a low magnification image, (b) high magnification image. コロイド法又はアセチルアセトナート法でPt触媒を担持した燃料電池用電極材料の電気化学的有効表面積(ECSA)の評価結果である。It is an evaluation result of the electrochemical effective surface area (ECSA) of the electrode material for fuel cells which supported the Pt catalyst by the colloid method or the acetylacetonate method. コロイド法又はアセチルアセトナート法でPt触媒を担持した燃料電池用電極材料のMass activityの評価結果である。It is a mass activity evaluation result of the electrode material for fuel cells which carried Pt catalyst by the colloid method or the acetylacetonate method. コロイド法又はアセチルアセトナート法でPt触媒を担持した燃料電池用電極材料のSpecific activityの評価結果である。It is an evaluation result of Specific activity of the electrode material for fuel cells which carried Pt catalyst by the colloid method or the acetylacetonate method.

以下、本発明について例示物等を示して詳細に説明するが、本発明は以下の例示物等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において任意に変更して実施できる。なお、本明細書において、「〜」とはその前後の数値又は物理量を含む表現として用いるものとする。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples and the like, but the present invention is not limited to the following examples and the like, and can be arbitrarily modified and implemented without departing from the gist of the present invention. In the present specification, “to” is used as an expression including numerical values or physical quantities before and after.

<1.本発明の燃料電池用電極材料>
本発明の燃料電池用アノード電極材料(以下、「本発明の電極材料」と称す場合がある。)は、表面がグラファイト構造である繊維状炭素及び鎖状連結炭素粒子から選択される1種以上からなる導電補助材と、前記導電補助材に担持された酸化チタン担体と、前記導電補助材及び前記酸化チタン担体のうち前記酸化チタン担体に分散担持された電極触媒粒子とを含むことを特徴とする。
<1. Fuel Cell Electrode Material of the Present Invention>
The anode electrode material for fuel cell of the present invention (hereinafter sometimes referred to as “electrode material of the present invention”) is one or more selected from fibrous carbon and chain-linked carbon particles having a graphite structure on the surface. A conductive auxiliary material comprising: a titanium oxide carrier supported on the conductive auxiliary material; and electrocatalyst particles dispersedly supported on the titanium oxide carrier among the conductive auxiliary material and the titanium oxide carrier. To do.

本発明の電極材料では、酸化チタン担体に担持された電極触媒微粒子は炭素系材料の導電補助材とほとんど接触しないため、従来の炭素系担体に電極触媒微粒子を担持した際に生じる電気化学的酸化による炭素系担体の腐食に起因する電極性能の低下を回避できる。そして、本発明の電極材料を構成する導電補助材は相互接触性がよく、優れた電子伝導性を有する繊維状炭素や鎖状連結炭素粒子であるため、当該電極材料を用いて、燃料電池用電極を構成した際に、前記導電補助材が互いに接触して低抵抗の導電パスが形成され、電子伝導性に優れた電極となる。
このように、本発明の電極材料は、酸化チタン担体に起因する電気化学的酸化への優れた耐久性と、炭素系材料に起因する優れた電子伝導性を併せ持つ。そのため、当該電極材料で形成された燃料電池用電極は、アノードとして使用した場合においても優れた電極性能を示すと共に、耐久性が高く、長期間発電することができる。
In the electrode material of the present invention, the electrocatalyst fine particles supported on the titanium oxide support are hardly in contact with the conductive support material of the carbon-based material, so that the electrochemical oxidation generated when the electrode catalyst fine particles are supported on the conventional carbon-based support It is possible to avoid the deterioration of the electrode performance due to the corrosion of the carbon-based support due to. The conductive auxiliary material constituting the electrode material of the present invention has good mutual contact and is a fibrous carbon or chain-connected carbon particle having excellent electronic conductivity. Therefore, the electrode material is used for a fuel cell. When the electrode is configured, the conductive auxiliary materials come into contact with each other to form a low-resistance conductive path, and the electrode has excellent electron conductivity.
Thus, the electrode material of the present invention has both excellent durability to electrochemical oxidation caused by the titanium oxide carrier and excellent electronic conductivity caused by the carbon-based material. Therefore, the fuel cell electrode formed of the electrode material exhibits excellent electrode performance even when used as an anode, has high durability, and can generate power for a long period of time.

また、従来の粒子状の電子伝導性酸化物を担体とするからなる燃料電池用電極触媒材料では、粒子状の電子伝導性酸化物は、電極触媒微粒子の担体であると共に、燃料電池用電極の骨格としての役割を有するため、平均粒径0.1〜5μm程度の粒子が使用されている。このような粒径を有する電子伝導性酸化物は、炭素系材料と比較して電子伝導性が劣るため、同程度の粒径の炭素材料を担体として使用した燃料電池用電極材料と比較して電気抵抗が大きくなる。さらに、前記粒径を有する電子伝導性酸化物は、数nm〜数十nm程度の一次粒子が凝集した平均粒径0.1〜5μm程度の二次粒子であるため、一次粒子間の粒界に起因する電気抵抗が生じ、これも燃料電池用電極の電気抵抗増大の主要な一因になっていた。このため、このような担体では、電子伝導性酸化物として高い電子伝導性を有する酸化スズを使用することが通常であり、酸化スズに比較して電子伝導性に乏しい酸化チタンは、電子伝導性酸化物担体として使用が実質的にできなかった。   In addition, in the conventional fuel cell electrode catalyst material comprising a particulate electron conductive oxide as a carrier, the particulate electron conductive oxide is a carrier for electrode catalyst fine particles, and the fuel cell electrode. Since it has a role as a skeleton, particles having an average particle size of about 0.1 to 5 μm are used. Since the electron conductive oxide having such a particle size is inferior to the carbon-based material in terms of electron conductivity, it is compared with the fuel cell electrode material using a carbon material having the same particle size as the carrier. Increases electrical resistance. Furthermore, since the electron conductive oxide having the particle size is a secondary particle having an average particle size of about 0.1 to 5 μm in which primary particles of about several nm to several tens of nm are aggregated, As a result, an electrical resistance due to the fuel cell is generated, which is also a major cause of an increase in the electrical resistance of the fuel cell electrode. For this reason, in such a carrier, it is usual to use tin oxide having high electron conductivity as the electron conductive oxide. Titanium oxide, which has poor electron conductivity compared to tin oxide, has electron conductivity. It could not be practically used as an oxide support.

これに対し、本願発明の燃料電池用触媒材料では、燃料電池用電極の骨格としての役割を、繊維状炭素又は鎖状連結炭素粒子からなる導電補助材が担うため、電極触媒微粒子が担持される電子伝導性酸化物担体(酸化チタン担体)の粒径(薄膜の場合は厚み)を小さくすることができる。そのため、本願発明の燃料電池用触媒材料を用いて形成した燃料電池用電極では、電子伝導性酸化物担体に起因する電気抵抗を低減できる。   On the other hand, in the fuel cell catalyst material of the present invention, since the conductive auxiliary material composed of fibrous carbon or chain-connected carbon particles plays a role as the skeleton of the fuel cell electrode, the electrode catalyst fine particles are supported. The particle size (in the case of a thin film) of the electron conductive oxide carrier (titanium oxide carrier) can be reduced. Therefore, in the fuel cell electrode formed using the fuel cell catalyst material of the present invention, the electrical resistance due to the electron conductive oxide carrier can be reduced.

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は本発明の燃料電池用電極材料の代表的な構成を示す模式図である。図1に示すように、本発明に係る燃料電池用電極材料1は、導電補助材2と、導電補助材2に担持された担持された粒子状の酸化チタン担体3aと、酸化チタン担体3aに選択的に分散担持された電極触媒微粒子3bによって構成される。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a typical configuration of the fuel cell electrode material of the present invention. As shown in FIG. 1, a fuel cell electrode material 1 according to the present invention includes a conductive auxiliary material 2, a particulate titanium oxide carrier 3a supported on the conductive auxiliary material 2, and a titanium oxide carrier 3a. The electrode catalyst fine particles 3b are selectively dispersed and supported.

導電補助材2は、表面がグラファイト構造である繊維状炭素や鎖状連結炭素粒子からなる炭素系導電補助材である。繊維状炭素や鎖状連結炭素粒子は相互接触性がよく、電子伝導性に優れるため、燃料電池用電極材料1を用いて燃料電池用電極を形成した際に導電パスが形成される。なお、本明細書において、「導電補助材」とは、燃料電池用電極材料に含まれ、燃料電池用電極を形成した際に電子伝導性を向上させる役割を有するものを意味する。導電補助材2は、炭素系材料由来の優れた電子伝導性を有し、酸化チタン担体3aを担持できる。燃料電池用電極材料1は、このような導電補助材2を用いているため、燃料電池用電極を形成した際に、隣接する導電補助材2が連続的に接触でき、かつ燃料電池用電極内の水素や酸素などのガス拡散及び水(蒸気)の排出がスムーズに行える程度の空間を形成できる。   The conductive auxiliary material 2 is a carbon-based conductive auxiliary material made of fibrous carbon or chain-connected carbon particles having a graphite structure on the surface. Fibrous carbon and chain-linked carbon particles have good mutual contact and excellent electronic conductivity. Therefore, when a fuel cell electrode is formed using the fuel cell electrode material 1, a conductive path is formed. In the present specification, the “conductive auxiliary material” means a material that is included in the fuel cell electrode material and has a role of improving electronic conductivity when the fuel cell electrode is formed. The conductive auxiliary material 2 has excellent electronic conductivity derived from the carbon-based material, and can carry the titanium oxide carrier 3a. Since the fuel cell electrode material 1 uses such a conductive auxiliary material 2, when the fuel cell electrode is formed, the adjacent conductive auxiliary material 2 can be continuously in contact with each other, and the fuel cell electrode material 1 A space capable of smoothly diffusing gas such as hydrogen and oxygen and discharging water (steam) can be formed.

繊維状炭素は、中空状あるいは繊維状の炭素材料であり、具体的にはいわゆるカーボンナノチューブ(CNT)やカーボンナノファイバーが挙げられる。なお、本発明において、「カーボンナノチューブ」とは、単層CNTだけでなく、2層CNT、複層CNT及びこれらの混合物を含む。   Fibrous carbon is a hollow or fibrous carbon material, and specifically includes so-called carbon nanotubes (CNT) and carbon nanofibers. In the present invention, “carbon nanotubes” include not only single-walled CNTs but also double-walled CNTs, multi-walled CNTs, and mixtures thereof.

ここで、燃料電池用電極を形成した際の電極内の電気伝導性とガス拡散性を両立させるためには、繊維状炭素は直径2nm〜20μm、全長0.03〜500μmであることが好適である。
なお、中空状あるいは繊維状の炭素材料のうち、カーボンナノチューブに代表されるように、直径が100nm以下のもの、または、気相成長炭素繊維(Vaper Grown Carbon Fiber,VGCF)のような直径が100〜1000nm程度のもの、活性炭素繊維のような直径が1μm〜20μmのものを指すことが多いが、これらの炭素材料の長さと呼称についての明確な規定はないため、本明細書内ではこれらを合わせて繊維状炭素と称する。
Here, in order to achieve both electrical conductivity and gas diffusibility in the electrode when the fuel cell electrode is formed, it is preferable that the fibrous carbon has a diameter of 2 nm to 20 μm and a total length of 0.03 to 500 μm. is there.
Of the hollow or fibrous carbon materials, as represented by carbon nanotubes, the diameter is 100 nm or less, or the diameter is 100 such as vapor grown carbon fiber (VGCF). In many cases, the diameter of the carbon material is about 1 to 20 nm, such as activated carbon fiber, but there is no clear definition about the length and the name of these carbon materials. These are collectively referred to as fibrous carbon.

また、繊維状炭素の中でも、表面がグラファイト構造である繊維状炭素であれば、化学的に安定で、表面積も小さいために電極触媒微粒子が担持されにくく、大部分の電極触媒微粒子が酸化チタン担体に選択的に担持される。そのため、全ての電極触媒微粒子のうち、繊維状炭素と直接的に接触する電極触媒微粒子の割合が小さくなり、燃料電池用電極として使用する際に繊維状炭素が電気化学的酸化腐食することが抑制される。表面がグラファイト構造である繊維状炭素としては、単層CNT、2層CNT、複層CNT、気相成長炭素繊維(VGCF)が挙げられ、高結晶性、高純度のものが好ましい。この中でも、VGCFが特に好ましい。   Further, among the fibrous carbons, if the carbon surface has a graphite structure, it is chemically stable and the surface area is small, so that the electrode catalyst fine particles are hardly supported, and most of the electrode catalyst fine particles are the titanium oxide support. Selectively supported. Therefore, the ratio of the electrode catalyst fine particles that directly contact with the fibrous carbon out of all the electrode catalyst fine particles is reduced, and the fibrous carbon is prevented from electrochemical oxidative corrosion when used as a fuel cell electrode. Is done. Examples of the fibrous carbon having a graphite structure on the surface include single-walled CNT, double-walled CNT, multi-walled CNT, and vapor grown carbon fiber (VGCF), and those having high crystallinity and high purity are preferable. Among these, VGCF is particularly preferable.

また、鎖状連結炭素粒子は、一次粒径30〜300nmの炭素粒子が鎖状連結した粒子であり、炭素に由来する高い電子伝導性を有する。燃料電池用電極を形成した際の電極内の電気伝導性とガス拡散性を両立させるためには、鎖状連結炭素粒子のアスペクト比が5以上であることが好適であり、より好適にはアスペクト比が10以上である。
鎖状連結炭素粒子の中でも、アセチレンの熱分解によって製造されるアセチレンブラック(AB)が好ましい。アセチレンブラックは、通常のカーボンブラックと比較して、グラファイト化が進んでいるため、上述の表面がグラファイト構造である繊維状炭素と同様に、電極触媒微粒子が担持されにくいという効果が期待できる。また、アセチレンブラックは、アセチレンガスから直接生成されるので、PEFCにおける電解質膜の劣化を引き起こす鉄イオンなどの不純物を含まないことから、PEFCで使う導電補助材として適している。
The chain-linked carbon particles are particles in which carbon particles having a primary particle size of 30 to 300 nm are chain-connected, and have high electron conductivity derived from carbon. In order to achieve both electrical conductivity and gas diffusibility in the electrode when the fuel cell electrode is formed, it is preferable that the chain-connected carbon particles have an aspect ratio of 5 or more, and more preferably the aspect ratio. The ratio is 10 or more.
Among the chain-linked carbon particles, acetylene black (AB) produced by thermal decomposition of acetylene is preferable. Since acetylene black is more graphitized than ordinary carbon black, the effect that electrode catalyst fine particles are not easily supported can be expected as in the case of fibrous carbon whose surface has a graphite structure. In addition, since acetylene black is directly generated from acetylene gas and does not contain impurities such as iron ions that cause deterioration of the electrolyte membrane in PEFC, it is suitable as a conductive auxiliary material used in PEFC.

(酸化チタン担体)
酸化チタン担体3aを構成する酸化チタンは、燃料電池(特には固体高分子形燃料電池)のアノード条件、カソード条件のいずれにおいても十分な耐久性と電子伝導性を併せ持つ。本発明の燃料電池用電極材料において、電子伝導性酸化物である酸化チタンは、PEFCのアノードにおける還元雰囲気下においても安定的に使用できることに特徴のひとつがある。なお、PEFCのカソード条件とは、PEFCの通常運転時のカソードにおける条件であり、温度が室温〜150℃程度、空気等の酸素を含むガスが供給される条件(酸化雰囲気)を意味し、アノード条件とは、PEFCの通常運転時のアノードにおける条件であり、温度が室温〜150℃程度、水素を含む燃料ガスが供給される条件(還元雰囲気)を意味する。
(Titanium oxide carrier)
Titanium oxide constituting the titanium oxide support 3a has both sufficient durability and electron conductivity in both anode conditions and cathode conditions of a fuel cell (in particular, a polymer electrolyte fuel cell). One feature of the fuel cell electrode material of the present invention is that titanium oxide, which is an electron conductive oxide, can be used stably even in a reducing atmosphere at the anode of PEFC. The PEFC cathode conditions are conditions at the cathode during normal operation of the PEFC, which means a temperature (room temperature to about 150 ° C.) and a condition in which a gas containing oxygen such as air is supplied (oxidizing atmosphere). The conditions are conditions in the anode during normal operation of the PEFC, and mean conditions under which the temperature is room temperature to about 150 ° C. and a fuel gas containing hydrogen is supplied (reducing atmosphere).

元素としてチタン(Ti)は、PEFCのアノード条件で、酸化物であるTiO2が熱力学的に安定であり還元が起こらない。さらに酸化チタンを主体とする酸化物は、PEFCのアノード条件のみならず、カソード条件でも、酸化物であるTiO2が熱力学的に安定であるため、カソードとしても使用できる。
なお、酸化チタンを主体とする酸化物は、酸化スズを主体とする酸化物と比較して電子伝導性が劣るが、上述の通り、本発明の電極材料は、燃料電池用電極の骨格としての役割は繊維状炭素又は鎖状連結炭素粒子からなる導電補助材が担うことから、電極触媒微粒子が担持される酸化チタン担体の粒径(薄膜の場合は厚み)は小さくすることができるため、酸化チタンを主体とする酸化物も好適に使用できる。
Titanium (Ti) is an element, and the oxide TiO 2 is thermodynamically stable and does not reduce under PEFC anode conditions. Furthermore, an oxide mainly composed of titanium oxide can be used as a cathode because TiO 2 as an oxide is thermodynamically stable not only under PEFC anode conditions but also under cathode conditions.
Note that the oxide mainly composed of titanium oxide is inferior in electronic conductivity to the oxide mainly composed of tin oxide. However, as described above, the electrode material of the present invention is used as a skeleton of an electrode for a fuel cell. Since the role of the conductive auxiliary material made up of fibrous carbon or chain-connected carbon particles plays a role, the particle size (thickness in the case of a thin film) of the titanium oxide carrier on which the electrode catalyst fine particles are supported can be reduced. An oxide mainly composed of titanium can also be suitably used.

本発明において、「酸化チタン担体」とは、酸化チタンを主体とする酸化物からなる粒子状または薄膜状の担体であり、当該担体自体が導電補助材に担持され、かつ、当該担体の表面に電極触媒粒子を担持できるものを意味する。酸化チタン担体の好適な粒径(薄膜の場合は膜厚)については後述する。
また、「酸化チタンを主体とする酸化物」とは、(A)酸化チタン、及び(B)酸化チタンに他元素をドープされた酸化物であって、母体酸化物である酸化チタンが80mol%以上含まれる酸化物、を意味する。
In the present invention, the “titanium oxide carrier” is a particulate or thin film carrier made of an oxide mainly composed of titanium oxide, and the carrier itself is supported on a conductive auxiliary material, and on the surface of the carrier. It means what can carry electrode catalyst particles. A suitable particle size (film thickness in the case of a thin film) of the titanium oxide carrier will be described later.
The “oxide mainly composed of titanium oxide” means (A) titanium oxide, and (B) oxide in which titanium oxide is doped with another element, and titanium oxide as a base oxide is 80 mol%. The oxide contained above is meant.

ドープされる元素は、Tiより価数が高い元素であり、具体的には、Sb,Nb,Ta,W,In,V,Cr,Mn,Moなどが挙げられる。この中でも、酸化チタンの電子導電性を特に高めることができる点で、ニオブ(Nb)を0.1〜20mol%ドープしたニオブドープ酸化チタンが特に好ましい。   The element to be doped is an element having a higher valence than Ti, and specifically includes Sb, Nb, Ta, W, In, V, Cr, Mn, and Mo. Among these, niobium-doped titanium oxide doped with 0.1 to 20 mol% of niobium (Nb) is particularly preferable in that the electronic conductivity of titanium oxide can be particularly improved.

本発明の燃料電池用電極材料1において、燃料電池用電極の骨格としての役割は繊維状炭素又は鎖状連結炭素粒子からなる導電補助材2が担うことから、電子伝導性が炭素系材料と比較して小さい酸化チタン担体3aは、電極触媒微粒子3bが分散担持することができる範囲内で、粒径が小さい方が好ましい。酸化チタン担体3aは、一次粒子、二次粒子のいずれでもよい。但し、酸化チタン担体3aが一次粒子であることが好ましい。これは、酸化チタン担体3aが二次粒子の場合には二次粒子を構成する一次粒子間の粒界抵抗により電気抵抗が大きくなるためである。
酸化チタン担体3aは、好適には平均粒径3〜200nmの粒子状の酸化チタン担体であり、より好適には実質的に一次粒子となる平均粒径5〜40nmの酸化チタン担体である。そして、燃料電池用電極材料1の導電性の観点からは、粒子状の酸化チタン担体3aが密集せずに、導電補助材2の一部が露出され、導電補助材2と他の導電補助材2とが接触の直接的な接触を阻害しない程度に酸化チタン担体3aが分散して担持されていることが好ましい。
なお、「酸化チタン担体の平均粒径」は、電子顕微鏡像より調べられる任意の酸化チタン担体(20個)の粒子径の平均値により得ることができる。
In the fuel cell electrode material 1 of the present invention, since the conductive auxiliary material 2 made of fibrous carbon or chain-connected carbon particles plays a role as the skeleton of the fuel cell electrode, the electron conductivity is higher than that of the carbon-based material. Thus, it is preferable that the small titanium oxide support 3a has a smaller particle size within a range in which the electrode catalyst fine particles 3b can be dispersedly supported. The titanium oxide carrier 3a may be either primary particles or secondary particles. However, the titanium oxide carrier 3a is preferably primary particles. This is because when the titanium oxide support 3a is a secondary particle, the electrical resistance is increased due to the grain boundary resistance between the primary particles constituting the secondary particle.
The titanium oxide carrier 3a is preferably a particulate titanium oxide carrier having an average particle diameter of 3 to 200 nm, and more preferably a titanium oxide carrier having an average particle diameter of 5 to 40 nm which is substantially primary particles. From the viewpoint of the conductivity of the fuel cell electrode material 1, the particulate titanium oxide support 3 a is not concentrated, and a part of the conductive auxiliary material 2 is exposed, and the conductive auxiliary material 2 and other conductive auxiliary materials are exposed. It is preferable that the titanium oxide support 3a is dispersed and supported to the extent that the direct contact with the substrate 2 is not hindered.
The “average particle diameter of the titanium oxide carrier” can be obtained from the average value of the particle diameters of any of the titanium oxide carriers (20) examined from an electron microscope image.

なお、図1では、酸化チタン担体3aは、導電補助材2に分散担持された粒子状の酸化チタン担体であるがこれに限定されず、酸化チタン担体3aは導電補助材2に担持されていれば他の形態であってもよい。他の形態として、例えば、導電補助材2を薄膜状の酸化チタン担体が被覆する形態が挙げられる。薄膜状酸化チタン担体は、例えば、蒸着などの乾式法で導電補助材に対し、酸化チタン担体を被覆することで形成できる。
燃料電池用電極材料1の導電性の観点からは、薄膜状酸化チタン担体の膜厚は、形成できる範囲でできるだけ薄い方が好ましい。すなわち、本発明の燃料電池用電極材料における酸化チタン担体の好適な態様の一つは、酸化チタン担体が平均膜厚2〜50nmの薄膜状酸化チタン担体であって、当該薄膜状酸化チタン担体の一部又は全部が前記導電補助材を被覆するように担持されてなる態様である。酸化チタン担体が平均膜厚2〜50nmであれば、酸化チタン担体に起因する電気抵抗が実質的に問題にならないため、導電補助材の露出部分が互いに接触する必要がない。なお、「薄膜状酸化チタン担体の平均膜厚」は、薄膜状酸化チタン担体の厚み方向の断面電子顕微鏡像より調べられる任意位置の厚み(5点)の平均値により得ることができる。
In FIG. 1, the titanium oxide carrier 3 a is a particulate titanium oxide carrier dispersedly supported on the conductive auxiliary material 2, but is not limited thereto, and the titanium oxide carrier 3 a may be supported on the conductive auxiliary material 2. Other forms are possible. As another form, for example, a form in which the conductive auxiliary material 2 is covered with a thin-film titanium oxide carrier can be mentioned. The thin film titanium oxide carrier can be formed, for example, by covering the conductive auxiliary material with a titanium oxide carrier by a dry method such as vapor deposition.
From the viewpoint of the conductivity of the electrode material 1 for fuel cells, the film thickness of the thin film titanium oxide support is preferably as thin as possible within the range where it can be formed. That is, one of the preferred embodiments of the titanium oxide carrier in the fuel cell electrode material of the present invention is that the titanium oxide carrier is a thin-film titanium oxide carrier having an average film thickness of 2 to 50 nm. In this aspect, a part or the whole is supported so as to cover the conductive auxiliary material. If the titanium oxide carrier has an average film thickness of 2 to 50 nm, the electrical resistance due to the titanium oxide carrier is not substantially a problem, so that the exposed portions of the conductive auxiliary material do not need to contact each other. The “average film thickness of the thin film titanium oxide support” can be obtained from the average value of the thicknesses (5 points) at arbitrary positions examined from the cross-sectional electron microscope image in the thickness direction of the thin film titanium oxide support.

酸化チタン担体は、電極触媒の担持量を高めるために、機械的強度が保てる範囲で、表面性が大きい方が好ましい。具体的にはBET比表面積が20m2/g以上が好適であり、より好適には40m2/g以上、さらに好適には60m2/g以上である。 It is preferable that the titanium oxide carrier has a large surface property within a range in which the mechanical strength can be maintained in order to increase the amount of the electrode catalyst supported. Specifically, the BET specific surface area is preferably 20 m 2 / g or more, more preferably 40 m 2 / g or more, and further preferably 60 m 2 / g or more.

また、酸化チタン担体の担持量は、粒径(薄膜状の場合は膜厚)や表面積等の酸化チタン担体の物性、酸化チタン担体の製造方法等の諸条件に依存するため、十分な量の電極触媒粒子が担持できる範囲で適宜決定される。酸化チタン担体の担持量は、導電補助材と酸化チタン担体の合計を100重量%としたときに、通常、5〜95重量%であり、好ましくは20〜50重量%である。酸化チタン担体の担持量が少なすぎると、燃料電池用電極材料として十分な量の電極触媒粒子が担持できなくなる。酸化チタン担体の担持量が多すぎると酸化チタン担体の粒径(薄膜状の場合は膜厚)が大きくなりすぎて燃料電池用電極材料の電気抵抗が大きくなる場合がある。   In addition, the amount of the titanium oxide carrier supported depends on various conditions such as the physical properties of the titanium oxide carrier such as the particle size (film thickness in the case of a thin film) and the surface area, and the production method of the titanium oxide carrier. It is determined as appropriate as long as the electrode catalyst particles can be supported. The supported amount of the titanium oxide carrier is usually 5 to 95% by weight, preferably 20 to 50% by weight, when the total of the conductive auxiliary material and the titanium oxide carrier is 100% by weight. If the amount of the titanium oxide carrier supported is too small, a sufficient amount of electrode catalyst particles as a fuel cell electrode material cannot be supported. If the amount of the titanium oxide carrier supported is too large, the particle size (or film thickness in the case of a thin film) of the titanium oxide carrier may be too large, and the electric resistance of the fuel cell electrode material may increase.

(電極触媒粒子)
電極触媒粒子3bは、酸化チタン担体3aに選択的に分散担持されている。ここで「酸化チタン担体に選択的に分散担持」とは、全ての電極触媒粒子(個数)のうち、80%以上、好適には90%以上、より好適には95%以上(100%を含む)が、酸化チタン担体に担持されていることを意味する。酸化チタン担体に担持された電極触媒粒子の割合は、評価対象となる燃料電池用電極材料を電磁顕微鏡で観察した任意の電極触媒粒子(100個以上)を選出し、そのうち、酸化チタン担体に担持された個数と、炭素系導電補助材に担持された個数とをカウントすることにより、評価することができる。
(Electrocatalyst particles)
The electrode catalyst particles 3b are selectively dispersed and supported on the titanium oxide carrier 3a. Here, “selectively dispersed and supported on the titanium oxide support” means 80% or more, preferably 90% or more, more preferably 95% or more (including 100%) of all the electrode catalyst particles (number). ) Means supported on a titanium oxide support. The ratio of the electrode catalyst particles supported on the titanium oxide support was determined by selecting any electrode catalyst particles (100 or more) obtained by observing the fuel cell electrode material to be evaluated with an electromagnetic microscope. It is possible to evaluate by counting the number of the obtained and the number carried on the carbon-based conductive auxiliary material.

電極触媒粒子3bは、酸素の還元(及び水素の酸化)に対する電気化学的触媒活性を有するものであれば、貴金属系触媒、非貴金属系触媒のいずれでもよいが、好適には、Pt,Ru,Ir,Pd,Rh,Os,Au,Ag等の貴金属、及びこれらの貴金属を含む合金から選択される。なお、「貴金属を含む合金」とは「上記の貴金属のみからなる合金」と、「上記の貴金属とそれ以外の金属からなる合金で上記の貴金属を10質量%以上含む合金」を含む。貴金属と合金化させる上記「それ以外の金属」は、特に限定されないが、Co,Ni,W,Ta,Nb,Snを好適な例として挙げることができ、これらを1種類あるいは2種類以上を使用してもよい。また、分相した状態で2種類以上の上記貴金属及び貴金属を含む合金を使用してもよい。なお、上記貴金属、及びこれらの貴金属を含む合金を以下、「電極触媒金属」と呼ぶ場合がある。   The electrocatalyst particles 3b may be either a noble metal catalyst or a non-noble metal catalyst as long as it has an electrochemical catalytic activity for oxygen reduction (and hydrogen oxidation), preferably Pt, Ru, It is selected from noble metals such as Ir, Pd, Rh, Os, Au, and Ag, and alloys containing these noble metals. The “alloy containing a noble metal” includes “an alloy consisting only of the noble metal” and “an alloy consisting of the noble metal and another metal and containing 10% by mass or more of the noble metal”. The “other metals” to be alloyed with the noble metal are not particularly limited, but Co, Ni, W, Ta, Nb, and Sn can be cited as suitable examples, and one or more of these may be used. May be. Moreover, you may use the alloy containing two or more types of said noble metals and noble metals in the state which carried out phase separation. The noble metals and alloys containing these noble metals may be hereinafter referred to as “electrode catalyst metals”.

電極触媒金属の中でも、Pt及びPtを含む合金は、固体高分子形燃料電池の作動温度である80℃付近の温度域において、酸素の還元(及び水素の酸化)に対する電気化学的触媒活性が高いため、特に好適に使用することができる。   Among electrocatalyst metals, Pt and alloys containing Pt have high electrochemical catalytic activity for oxygen reduction (and hydrogen oxidation) in the temperature range around 80 ° C., which is the operating temperature of a polymer electrolyte fuel cell. Therefore, it can be particularly preferably used.

電極触媒粒子3bの形状は、特に制限されず公知の電極触媒粒子と同様の形状のものが使用できる。具体的な形状として球形、楕円形、多面体、コアシェル構造等が挙げられる。また、電極触媒粒子3bの構造は、結晶に限定されず、非晶質であってよく、結晶と非晶質の混合体であってもよい。   The shape of the electrode catalyst particles 3b is not particularly limited, and those having the same shape as known electrode catalyst particles can be used. Specific examples include a spherical shape, an elliptical shape, a polyhedron, and a core-shell structure. The structure of the electrode catalyst particles 3b is not limited to crystals, and may be amorphous or a mixture of crystals and amorphous.

電極触媒粒子3bの大きさは、小さいほど電気化学反応が進行する有効表面積が増加するため、電気化学的触媒活性が高くなる傾向がある。しかし、その大きさが小さすぎると、電気化学的反応活性が低下する。従って、電極触媒粒子3bの大きさは、平均粒子径として、1〜30nm、より好ましくは1.5〜10nmである。
なお、本発明における「電極触媒粒子の平均粒径」は、電子顕微鏡像より調べられる電極触媒粒子(20個)の粒子径の平均値により得ることができる。電子顕微鏡像による平均粒径算出時は、微粒子の形状が、球形以外の場合は、粒子における最大長を示す方向の長さをその粒径とする。
すなわち、本発明の燃料電池用電極材料における電極触媒粒子の好適な態様の一つは、前記電極触媒粒子が、平均粒子径1〜30nmのPt及びPtを含む合金からなる電極触媒粒子である。
As the size of the electrode catalyst particle 3b is smaller, the effective surface area through which the electrochemical reaction proceeds increases, and therefore the electrochemical catalyst activity tends to increase. However, if the size is too small, the electrochemical reaction activity decreases. Accordingly, the size of the electrode catalyst particles 3b is 1 to 30 nm, more preferably 1.5 to 10 nm, as an average particle diameter.
The “average particle diameter of the electrode catalyst particles” in the present invention can be obtained from the average value of the particle diameters of the electrode catalyst particles (20 particles) examined from an electron microscope image. When calculating the average particle diameter based on the electron microscope image, if the shape of the fine particles is other than a spherical shape, the length in the direction indicating the maximum length of the particles is taken as the particle diameter.
That is, one of the preferred embodiments of the electrode catalyst particles in the fuel cell electrode material of the present invention is electrode catalyst particles made of an alloy containing Pt and Pt having an average particle diameter of 1 to 30 nm.

電極触媒粒子の担持量は、触媒の種類や、酸化チタン担体の大きさ(厚み)等の条件を考慮して適宜決定される。触媒担持量が少なすぎると電極性能が不十分となり、多すぎると電極触媒粒子が凝集して性能が低下する場合がある。   The amount of the electrode catalyst particles supported is appropriately determined in consideration of conditions such as the type of catalyst and the size (thickness) of the titanium oxide carrier. If the amount of the catalyst supported is too small, the electrode performance becomes insufficient, and if it is too large, the electrode catalyst particles may aggregate to deteriorate the performance.

電極触媒粒子の担持量は、燃料電池用電極材料の全重量に対して、好ましくは0.1〜60質量%、より好ましくは0.5〜20質量%とすると、単位質量あたりの触媒活性に優れ、担持量に応じた所望の電極反応活性を得ることができる。   The amount of the electrode catalyst particles supported is preferably 0.1 to 60% by mass, more preferably 0.5 to 20% by mass, based on the total weight of the electrode material for the fuel cell. Excellent electrode reaction activity can be obtained according to the loading amount.

また、電極触媒粒子の担持量は、酸化チタン担体に対して、通常、3〜40質量%である。このような範囲であれば、単位質量あたりの触媒活性に優れ、担持量に応じた所望の電気化学的触媒活性を得ることができる。
前記担持量が3質量%未満の場合は、電極反応活性が不十分であり、40質量%超の場合は電極触媒粒子の凝集が起こりやすく、酸素や水素の電気化学反応に対する有効表面積が低下するという問題がある。なお、電極触媒粒子の担持量は、例えば、誘導結合プラズマ発光分析(ICP)によって調べることができる。
Further, the amount of the electrode catalyst particles supported is usually 3 to 40% by mass with respect to the titanium oxide carrier. If it is such a range, it will be excellent in the catalyst activity per unit mass, and can obtain the desired electrochemical catalyst activity according to the load.
When the loading amount is less than 3% by mass, the electrode reaction activity is insufficient, and when it exceeds 40% by mass, the aggregation of the electrode catalyst particles easily occurs, and the effective surface area for the electrochemical reaction of oxygen or hydrogen is reduced. There is a problem. Note that the amount of electrode catalyst particles supported can be examined by, for example, inductively coupled plasma emission spectrometry (ICP).

<2.燃料電池用電極材料の製造方法>
上述した本発明の燃料電池用電極材料の製造方法は特に限定されず、燃料電池用電極材料を構成する導電性補助材、酸化チタン担体、電極触媒粒子の種類に応じて適宜好適な方法を選択すればよい。また、導電補助材に酸化チタン担体を担持した後に、酸化チタン担体に電極触媒粒子を担持してもよいし、酸化チタン担体に電極触媒粒子を担持した後に、当該電極触媒粒子が担持した酸化チタン担体を導電補助材に担持してもよい。
本発明の燃料電池用電極材料を再現性良く製造できる点で、以下に説明する製造方法(以下、「本発明の製造方法」と称す。)によって製造することが好適である。
すなわち、本発明の燃料電池用電極材料の製造方法は、以下の工程を含む。
(1)表面がグラファイト構造である繊維状炭素及び鎖状連結炭素粒子から選択される1種以上からなる導電補助材に、酸化チタン担体を担持する工程
(2)前記酸化チタン担体を担持した前記導電補助材を、電極触媒前駆体を含む溶液に浸漬し、前記酸化チタン担体に電極触媒粒子又は電極触媒前駆体を担持する工程
(3)前記酸化チタン担体に担持された前記電極触媒粒子又は電極触媒前駆体を活性化する工程
なお、本発明の製造方法において、工程(2)と工程(3)は同時に行ってもよい。
<2. Manufacturing Method of Fuel Cell Electrode Material>
The method for producing the fuel cell electrode material of the present invention described above is not particularly limited, and a suitable method is appropriately selected according to the type of the conductive auxiliary material, the titanium oxide support, and the electrode catalyst particles constituting the fuel cell electrode material. do it. Further, after supporting the titanium oxide support on the conductive auxiliary material, the electrode catalyst particles may be supported on the titanium oxide support, or after supporting the electrode catalyst particles on the titanium oxide support, the titanium oxide supported on the electrode catalyst particles. The carrier may be supported on the conductive auxiliary material.
From the viewpoint that the electrode material for a fuel cell of the present invention can be produced with good reproducibility, it is preferable to produce it by the production method described below (hereinafter referred to as “the production method of the invention”).
That is, the manufacturing method of the fuel cell electrode material of the present invention includes the following steps.
(1) A step of supporting a titanium oxide carrier on a conductive auxiliary material composed of one or more kinds selected from fibrous carbon and chain-linked carbon particles having a graphite structure on the surface (2) The above-mentioned titanium oxide carrier supported A step of immersing a conductive auxiliary material in a solution containing an electrode catalyst precursor and supporting the electrode catalyst particles or the electrode catalyst precursor on the titanium oxide support (3) The electrode catalyst particles or the electrode supported on the titanium oxide support Step of activating catalyst precursor In the production method of the present invention, step (2) and step (3) may be performed simultaneously.

本発明の製造方法では、表面がグラファイト構造である繊維状炭素及び鎖状連結炭素粒子から選択される1種以上からなる導電補助材に酸化チタン担体を担持したのちに、電極触媒粒子を担持させることに特徴がある。
すなわち、表面がグラファイト構造である繊維状炭素及び鎖状連結炭素粒子は、酸化チタン担体を担持することができるが、電極触媒粒子が担持されにくいという性質を有する。これは導電補助材を構成する炭素材料の表面がグラファイト構造であると、電極触媒粒子と結合性が弱く、電極触媒粒子が表面を移動して凝集する劣化挙動が起こりやすいという性質に由来する。
導電補助材に酸化チタン担体を担持した後に、電極触媒前駆体を含む溶液に浸漬すると、電極触媒前駆体が選択的に酸化チタン担体に担持され、これを還元処理等により電極触媒粒子に変換される。そのため、本発明の製造方法によれば、大部分の電極触媒粒子が選択的に酸化チタン担体に分散担持された燃料電池用電極材料を得ることができる。
In the production method of the present invention, after supporting a titanium oxide carrier on one or more conductive auxiliary materials selected from fibrous carbon having a graphite structure and chain-linked carbon particles, electrode catalyst particles are supported. There is a special feature.
That is, the fibrous carbon and chain-linked carbon particles having a graphite structure on the surface can carry the titanium oxide carrier, but have the property that the electrode catalyst particles are hardly carried. This originates from the property that when the surface of the carbon material constituting the conductive auxiliary material has a graphite structure, the electrode catalyst particles are weakly bound and the deterioration behavior of the electrode catalyst particles moving and aggregating easily occurs.
When the titanium oxide support is supported on the conductive auxiliary material and then immersed in a solution containing the electrode catalyst precursor, the electrode catalyst precursor is selectively supported on the titanium oxide support and converted into electrode catalyst particles by reduction treatment or the like. The Therefore, according to the production method of the present invention, it is possible to obtain a fuel cell electrode material in which most of the electrode catalyst particles are selectively dispersed and supported on a titanium oxide carrier.

以下、本発明の製造方法における各工程について詳細に説明する。   Hereafter, each process in the manufacturing method of this invention is demonstrated in detail.

「工程(1)」
工程(1)は、表面がグラファイト構造である繊維状炭素及び鎖状連結炭素粒子から選択される1種以上からなる導電補助材に、酸化チタン担体を担持する工程である。
導電補助材および酸化チタン担体は、<1.本発明の燃料電池用電極材料>で上述した通りであり、ここでは詳しい説明を省略する。
"Process (1)"
Step (1) is a step of supporting a titanium oxide carrier on a conductive auxiliary material made of one or more selected from fibrous carbon and chain-linked carbon particles having a graphite structure on the surface.
The conductive auxiliary material and the titanium oxide support are <1. As described above in the description of the fuel cell electrode material of the present invention, detailed description is omitted here.

導電補助材としては、表面がグラファイト構造である繊維状炭素が特にはVGCFが好ましい。導電補助材は、表面改質により表面の一部を酸化して、酸化チタン担体の担持性が向上しているものが好ましい。導電補助材の表面改質の方法は特に制限はないが、0.5〜30%水(水蒸気)を含む不活性ガス(例えば、N2)で200〜400℃の温度で処理する方法が挙げられる。すなわち、本発明の製造方法で使用される好適な導電補助材の一態様として、表面改質されたVGCFが挙げられる。 As the conductive auxiliary material, fibrous carbon having a graphite structure on the surface is particularly preferable VGCF. The conductive auxiliary material is preferably one in which a part of the surface is oxidized by surface modification and the supportability of the titanium oxide carrier is improved. The method for modifying the surface of the conductive auxiliary material is not particularly limited, but a method of treating with an inert gas (for example, N 2 ) containing 0.5 to 30% water (water vapor) at a temperature of 200 to 400 ° C. is exemplified. It is done. That is, VGCF whose surface is modified is an example of a suitable conductive auxiliary material used in the production method of the present invention.

酸化チタン担体を担持する方法としては、導電補助材に酸化チタン担体を担持できる方法であればいかなる方法も採用できるが、酸化チタン担体の前駆体であるチタンアルコキシドを加水分解する方法(アルコキシド法)が好ましい。   As a method for supporting the titanium oxide carrier, any method can be adopted as long as it can support the titanium oxide carrier on the conductive auxiliary material, but a method of hydrolyzing titanium alkoxide which is a precursor of the titanium oxide carrier (alkoxide method). Is preferred.

アルコキシド法は、溶媒中で酸化チタン担体前駆体であるチタンアルコキシドと、水とを接触させて加水分解を行い、生成する酸化チタン担体(チタン水酸化物等も含む)を導電補助材に担持する方法である。この方法の利点として、水を滴下しながら順次反応させ、水の滴下スピードを変えることによって反応速度を制御できることが挙げられる。なお、チタンアルコキシドは、Ti(OR)4で表される有機チタン化合物であり、Rとして、メチル基、エチル基、プルピル基、ブチル基等が挙げられる。この中でも、Rがプルピル基であるTi(OC374が好適である。また、目的とする酸化チタン担体が、酸化チタンだけでなく、他の元素がドープされた酸化物である場合には、ドープ元素のアルコキシドを溶液中に共存させて加水分解を行えばよい。 In the alkoxide method, titanium alkoxide, which is a titanium oxide support precursor, is brought into contact with water in a solvent to perform hydrolysis, and the resulting titanium oxide support (including titanium hydroxide and the like) is supported on a conductive auxiliary material. Is the method. An advantage of this method is that the reaction rate can be controlled by sequentially reacting while dropping water and changing the dropping rate of water. Titanium alkoxide is an organic titanium compound represented by Ti (OR) 4 , and examples of R include a methyl group, an ethyl group, a purpyl group, and a butyl group. Among these, Ti (OC 3 H 7 ) 4 in which R is a pullyl group is preferable. When the target titanium oxide support is an oxide doped with not only titanium oxide but also other elements, the alkoxide of the doping element may be allowed to coexist in the solution for hydrolysis.

溶媒としてはチタンアルコキシドを溶解できる溶媒であり、水分を実質的に含まない溶媒であればよく、例えば、無水エタノール等の低級無水アルコールが挙げられる。
すなわち、本発明の製造方法における酸化チタン担体を担持する好適な態様のひとつは、アルコキシド法であって、溶媒に無水エタノールを使用することであり、さらには、導電補助材としてVGCFを使用する態様である。
The solvent is a solvent that can dissolve titanium alkoxide, and may be any solvent that does not substantially contain moisture. Examples thereof include lower anhydrous alcohols such as anhydrous ethanol.
That is, one of the preferred embodiments for supporting the titanium oxide carrier in the production method of the present invention is an alkoxide method, in which anhydrous ethanol is used as a solvent, and further, an embodiment in which VGCF is used as a conductive auxiliary material. It is.

アルコキシド法によって、導電補助材に担持された酸化チタン担体は、非晶質状態であるものを含むため、これを乾燥、焼成することで結晶性が高い酸化チタン担体を得ることができる。
乾燥方法は、特に制限がなく、加熱・減圧・自然乾燥などの方法で溶媒を蒸発させればよい。また、乾燥時の雰囲気は特に限定されるものではなく、酸素を含有する酸化性雰囲気中や大気雰囲気、窒素やアルゴンなどを含有する不活性雰囲気、水素を含有する還元性雰囲気などの雰囲気条件を任意に選ぶことができるが、通常、大気雰囲気である。
Since the titanium oxide carrier supported on the conductive auxiliary material by the alkoxide method includes those in an amorphous state, a titanium oxide carrier having high crystallinity can be obtained by drying and firing.
The drying method is not particularly limited, and the solvent may be evaporated by a method such as heating, reduced pressure, or natural drying. Also, the atmosphere during drying is not particularly limited, and the atmospheric conditions such as an oxidizing atmosphere containing oxygen or an air atmosphere, an inert atmosphere containing nitrogen or argon, a reducing atmosphere containing hydrogen, etc. Although it can be chosen arbitrarily, it is usually an atmospheric atmosphere.

導電補助材の上にアルコキシド法で形成して担持した酸化チタン担体を、酸素を含有する酸化性雰囲気(例えば、大気雰囲気下)で、100〜600℃、好適には、250〜400℃で熱処理することで、表面積が大きく、電子伝導性の高い酸化チタン担体を得ることができる。熱処理温度が低すぎると未満の場合には、結晶性が低くなり、十分な電子伝導性が得られない場合があり、800℃を超える場合には、酸化チタン担体が凝集し、表面積が小さくなりすぎる場合や、導電補助材から酸化チタン担体が脱離する場合がある。   A titanium oxide support formed and supported on a conductive auxiliary material by an alkoxide method is heat-treated at 100 to 600 ° C., preferably 250 to 400 ° C. in an oxygen-containing oxidizing atmosphere (for example, in an air atmosphere). By doing so, a titanium oxide carrier having a large surface area and high electron conductivity can be obtained. If the heat treatment temperature is too low, the crystallinity may be low if the heat treatment temperature is lower, and sufficient electron conductivity may not be obtained. If the heat treatment temperature exceeds 800 ° C., the titanium oxide support aggregates and the surface area becomes small. In some cases, the titanium oxide carrier may be detached from the conductive auxiliary material.

なお、炭素材料は、酸化性雰囲気において高温(例えば、500℃)を超えると燃料するおそれがあるが、本発明で導電補助材として使用される、表面がグラファイト構造である繊維状炭素及び鎖状連結炭素粒子は高温耐久性が高い。そのため、上記温度範囲の中で実質的に燃焼せず、酸化チタン担体が脱離しない範囲で熱処理温度を決定すればよい。
特に好適なVGCFは、結晶性が高いため、少なくとも600℃の大気雰囲気において、導電補助材から酸化チタン担体がほとんど脱離せず安定である。
The carbon material may be fueled if it exceeds a high temperature (for example, 500 ° C.) in an oxidizing atmosphere. However, the carbon material is used as a conductive auxiliary material in the present invention, and the surface is a fibrous carbon and a chain structure having a graphite structure. The connected carbon particles have high temperature durability. Therefore, the heat treatment temperature may be determined within a range in which the titanium oxide support is not substantially desorbed and the titanium oxide support is not desorbed within the above temperature range.
Particularly suitable VGCF has high crystallinity and is stable in that the titanium oxide carrier is hardly detached from the conductive auxiliary material in an air atmosphere of at least 600 ° C.

「工程(2)」
工程(2)は、前記酸化チタン担体を担持した前記導電補助材を、電極触媒前駆体を含む溶液に浸漬し、前記酸化チタン担体に電極触媒粒子又は電極触媒前駆体を担持する工程である。表面がグラファイト構造である繊維状炭素や鎖状連結炭素粒子(特には繊維状炭素)には電極触媒前駆体ないしは電極触媒粒子は担持されにくく、大部分が酸化チタン担体に担持される。
"Process (2)"
Step (2) is a step of immersing the conductive auxiliary material supporting the titanium oxide support in a solution containing an electrode catalyst precursor, and supporting the electrode catalyst particles or the electrode catalyst precursor on the titanium oxide support. Electrode catalyst precursors or electrode catalyst particles are hardly supported on fibrous carbon or chain-linked carbon particles (particularly fibrous carbon) having a graphite structure on the surface, and most are supported on a titanium oxide support.

電極触媒前駆体は、<1.本発明の燃料電池用電極材料>における電極触媒粒子において説明した電極触媒の前駆体であり、工程(2)における溶液中、あるいは工程(3)において還元され、0価の電極触媒金属となるものであればよい。
電極触媒粒子が白金(Pt)である場合で電極触媒前駆体を具体的に例示すると、塩化白金、臭化白金、ヨウ化白金等のハロゲン化白金;クロロ白金酸、テトラクロロ白金酸アンモニウム、ヘキサクロロ白金酸カリウム等の白金の無機酸塩;白金アセチルアセトナート、白金ヘキサフルオロアセチルアセトナート、ジクロロ(1,5−シクロオクタジエン)白金、シアン化白金等の白金の有機酸塩などが挙げられる。電極触媒粒子がPt以外の金属である場合には、それに対応する前駆体を使用すればよい。
Electrocatalyst precursors are <1. Electrocatalyst precursor described for the electrode catalyst particles in the fuel cell electrode material of the present invention, which is reduced in the solution in step (2) or in step (3) to become a zero-valent electrode catalyst metal. If it is.
Specific examples of the electrode catalyst precursor when the electrode catalyst particles are platinum (Pt) include platinum halides such as platinum chloride, platinum bromide, and platinum iodide; chloroplatinic acid, ammonium tetrachloroplatinate, hexachloro Inorganic acid salts of platinum such as potassium platinumate; organic acid salts of platinum such as platinum acetylacetonate, platinum hexafluoroacetylacetonate, dichloro (1,5-cyclooctadiene) platinum, platinum cyanide and the like. When the electrode catalyst particles are a metal other than Pt, a precursor corresponding to the metal may be used.

電極触媒前駆体又は電極触媒粒子の担持方法としては公知の金属担持方法を採用することができる。
工程(2)において、電極触媒前駆体から電極触媒微粒子の形成と、酸化チタン担体への担持を行う方法は特に制限されないが、担持方法によっては、電極金属粒子の粒径や分散性の点で、本発明の目的を達成することができない場合がある。
高分散で粒径の小さい電極触媒粒子を得ることが可能な好適な方法として、以下に説明する貴金属アセチルアセトナートを使用する貴金属アセチルアセトナート法と、貴金属コロイドを使用するコロイド法が挙げられる。
As a method for supporting the electrode catalyst precursor or the electrode catalyst particles, a known metal supporting method can be employed.
In the step (2), the method for forming the electrode catalyst fine particles from the electrode catalyst precursor and supporting the electrode catalyst fine particles on the titanium oxide carrier is not particularly limited, but depending on the support method, the particle size and dispersibility of the electrode metal particles may be reduced. The object of the present invention may not be achieved.
Suitable methods capable of obtaining highly dispersed electrocatalyst particles having a small particle diameter include a noble metal acetylacetonate method using a noble metal acetylacetonate and a colloid method using a noble metal colloid described below.

電極触媒前駆体に貴金属アセチルアセトナートを使用する方法(貴金属アセチルアセトナート法)は、電極触媒前駆体である貴金属アセチルアセトナートを酸化チタン担体への担持した後に、電極触媒前駆体を電極触媒粒子へ直接的に変換する方法である。   In the method of using noble metal acetylacetonate as the electrode catalyst precursor (noble metal acetylacetonate method), after the noble metal acetylacetonate, which is an electrode catalyst precursor, is supported on a titanium oxide support, the electrode catalyst precursor is electrocatalyst particles. This is a direct conversion method.

アセチルアセトナート法では、貴金属アセチルアセトナートをジクロロメタンなどの適当な溶媒に溶解させた溶液に酸化チタン担体を担持した導電補助材を分散し、それを撹拌及び溶媒の留去を行うことにより、電極触媒前駆体の担持が行うことができるため、塩素や硫黄といった不純物が混入することを回避でき、ナノサイズの粒径分布の揃った電極触媒粒子を高分散に担持することができる。また、溶液中に強い酸化剤や還元剤を用いることがないため、酸化チタン担体や炭素系の導電補助材が劣化することを回避できるという利点がある。   In the acetylacetonate method, a conductive auxiliary material supporting a titanium oxide carrier is dispersed in a solution in which a noble metal acetylacetonate is dissolved in a suitable solvent such as dichloromethane, and the mixture is stirred and evaporated to remove the electrode. Since the catalyst precursor can be supported, it is possible to avoid impurities such as chlorine and sulfur from being mixed, and it is possible to support the electrocatalyst particles having a uniform nano-size particle size distribution in a highly dispersed state. Further, since a strong oxidizing agent or reducing agent is not used in the solution, there is an advantage that deterioration of the titanium oxide carrier and the carbon-based conductive auxiliary material can be avoided.

貴金属アセチルアセトナートとしては、Pt,Ru,Ir,Pd,Rh,Os,Au,Ag等の貴金属のアセチルアセトナートが挙げられ、これらを1種又は2種以上を使用することができる。溶媒は、貴金属アセチルアセトナートを分散できる有機溶媒であればよく、代表例としては、ジクロロメタンが挙げられる。   Examples of the noble metal acetylacetonate include acetylacetonates of noble metals such as Pt, Ru, Ir, Pd, Rh, Os, Au, and Ag, and one or more of these can be used. The solvent may be an organic solvent that can disperse the noble metal acetylacetonate. A typical example is dichloromethane.

貴金属アセチルアセトナート法による電極触媒微粒子の担持方法を提示すると、酸化チタン担体が担持された導電補助材と貴金属アセチルアセトナートとを所定の容器に入れ、氷冷しながら、超音波攪拌装置にて、溶媒が全て揮発するまで攪拌する方法が挙げられる。   When presenting a method for supporting electrocatalyst fine particles by the noble metal acetylacetonate method, the conductive auxiliary material supporting the titanium oxide support and the noble metal acetylacetonate are placed in a predetermined container and cooled with ice using an ultrasonic stirring device. And a method of stirring until all the solvent is volatilized.

なお、貴金属アセチルアセトナート法は有機溶媒を使用するため、疎水性の導電補助材との親和性が高く、後述する水溶媒を使用するコロイド法と比較して、酸化チタン担体への電極触媒粒子の担持選択性が若干劣るが、高分散な電極触媒粒子を容易に担持できる点で有用である。   In addition, since the noble metal acetylacetonate method uses an organic solvent, it has a high affinity with a hydrophobic conductive auxiliary material. Compared with the colloid method using an aqueous solvent described later, the electrode catalyst particles on the titanium oxide carrier However, it is useful in that it can easily support highly dispersed electrocatalyst particles.

一方、コロイド法は、貴金属アセチルアセトナート法では必須の有機溶媒を使用せずに、水溶媒を使用して、粒径分布が小さい電極触媒粒子を得ることができる方法である。コロイド法は溶媒に水を使用できる点で有機溶媒を必須とする担持方法と比較して有利である。コロイド法では、溶媒に水を使用しているため、生成する電極触媒粒子が、疎水性である表面がグラファイトの炭素材料へは特に担持されづらいため、酸化チタン担体の表面に選択的に担持されやすく、コロイド法を採用することにより、酸化チタン担体の表面に高分散な電極触媒に選択的に担持できる。   On the other hand, the colloid method is a method in which electrocatalyst particles having a small particle size distribution can be obtained using an aqueous solvent without using an organic solvent essential in the noble metal acetylacetonate method. The colloidal method is advantageous in comparison with a supporting method in which an organic solvent is essential because water can be used as a solvent. In the colloidal method, since water is used as a solvent, the generated electrocatalyst particles are selectively supported on the surface of the titanium oxide support because the hydrophobic surface is not particularly supported on the graphite carbon material. It is easy, and by adopting the colloid method, it can be selectively supported on a highly dispersed electrode catalyst on the surface of the titanium oxide carrier.

コロイド法について以下に説明する。コロイド法は、電極触媒前駆体のコロイド(特に貴金属コロイド)を含む溶液に前記酸化チタン担体を担持した前記導電補助材を分散し、電極触媒の前駆体コロイドを還元して前記酸化チタン担体に電極触媒粒子として担持する方法である。コロイド法では界面活性剤、有機溶媒を用いることなく、ナノサイズの粒径分布の揃った電極金属粒子を生成できる。   The colloid method will be described below. In the colloid method, the conductive auxiliary material supporting the titanium oxide carrier is dispersed in a solution containing a colloid of an electrode catalyst precursor (particularly a noble metal colloid), and the electrode catalyst precursor colloid is reduced to form an electrode on the titanium oxide carrier. This is a method of supporting as catalyst particles. In the colloid method, electrode metal particles having a uniform nano-size particle size distribution can be generated without using a surfactant or an organic solvent.

コロイド法の具体的方法をあげると、酸化チタン担体を担持した前記導電補助材に、貴金属コロイドを含む溶液に分散し、貴金属コロイドを還元して前記酸化チタン担体に貴金属微粒子として担持する。
なお、貴金属コロイドを含む溶液の作製する条件は特に制限されるものではなく、選択した貴金属前駆体、および還元剤に応じた適宜の条件とすればよい。
As a specific method of the colloid method, the conductive auxiliary material supporting a titanium oxide carrier is dispersed in a solution containing a noble metal colloid, and the noble metal colloid is reduced and supported on the titanium oxide carrier as noble metal fine particles.
The conditions for preparing the solution containing the noble metal colloid are not particularly limited, and may be set appropriately according to the selected noble metal precursor and the reducing agent.

溶媒としては酸化チタン担体の前駆体を溶解できる溶媒であればよく、例えば、水、メタノール、エタノール等の低級アルコールが挙げられる。溶媒として水を使用できることはコロイド法の利点の一つである。   The solvent may be any solvent that can dissolve the precursor of the titanium oxide carrier, and examples thereof include water, lower alcohols such as methanol and ethanol. The ability to use water as a solvent is one of the advantages of the colloid method.

還元剤としては、亜硫酸水素ナトリウム(NaHSO3)、水素化ホウ素ナトリウム、水素化トリエチルホウ素ナトリウム、過酸化水素、ヒドラジンなどが挙げられる。これらは、単独でも2種類以上混合して使用してもよい。さらに、ある還元剤で還元を行った後に、別の還元剤によって還元を行ってもよい。このように液相での多段階の還元処理を行うことで、高分散な貴金属微粒子を担体上に担持することができ、その好適な具体例として、還元剤をNaHSO3、過酸化水素の順番で使用する方法が挙げられる。 Examples of the reducing agent include sodium bisulfite (NaHSO 3 ), sodium borohydride, sodium triethylborohydride, hydrogen peroxide, hydrazine, and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Furthermore, after reducing with a certain reducing agent, you may reduce with another reducing agent. By performing multistage reduction treatment in the liquid phase in this manner, highly dispersed noble metal fine particles can be supported on the support. As a preferred specific example, the reducing agent is NaHSO 3 and hydrogen peroxide in this order. The method used in is mentioned.

溶液のpHはpH4〜6が特に好適である。このpH域で作製すると、貴金属コロイドが凝集することなく均一に分散したコロイド溶液を作製できる。好適な温度域は20〜100℃(特に好適には50〜70℃)である。また、長時間の還元剤と接触させると、形成される貴金属粒子の粒子径が増大することから、接触時間は通常、10分間〜2時間程度である。   The pH of the solution is particularly preferably pH 4-6. When produced in this pH range, a colloid solution in which noble metal colloids are uniformly dispersed without aggregation can be produced. A suitable temperature range is 20 to 100 ° C. (particularly preferably 50 to 70 ° C.). Moreover, since the particle diameter of the noble metal particle | grains to be formed will increase when it is made to contact with a reducing agent for a long time, contact time is about 10 minutes-about 2 hours normally.

「工程(3)」
工程(3)は、前記酸化チタン担体に担持された前記電極触媒粒子又は電極触媒前駆体を活性化する工程である。工程(2)において、酸化チタン担体に担持された前記電極触媒粒子又は電極触媒前駆体は、不定比の金属酸化物を含むことがあり、そのままでは活性が低いため、窒素やアルゴン等の不活性雰囲気、あるいは水素を含有する還元性雰囲気中で熱処理することで電極触媒となる金属の有する電気化学触媒作用を活性化する。
"Process (3)"
Step (3) is a step of activating the electrode catalyst particles or electrode catalyst precursor supported on the titanium oxide support. In the step (2), the electrocatalyst particles or electrocatalyst precursor supported on the titanium oxide support may contain a non-stoichiometric metal oxide, and the activity is low as it is. Heat treatment in an atmosphere or a reducing atmosphere containing hydrogen activates the electrochemical catalytic action of the metal serving as the electrode catalyst.

熱処理条件は、酸化チタン担体や、電極触媒となる金属や前駆体の種類にもよって、適宜選択される。電極触媒がPtやPt合金の場合、通常、180〜400℃、好適には200〜250℃である。温度が低すぎると電極触媒となる金属の活性化が不十分となり、温度が高すぎると電極触媒粒子が凝集し、有効反応表面積が小さくなりすぎる問題がある。雰囲気には必要に応じて水蒸気を加えてもよい。   The heat treatment conditions are appropriately selected depending on the type of the titanium oxide carrier, the metal used as the electrode catalyst, and the precursor. When the electrode catalyst is Pt or a Pt alloy, it is usually 180 to 400 ° C, preferably 200 to 250 ° C. If the temperature is too low, activation of the metal that becomes the electrode catalyst becomes insufficient, and if the temperature is too high, the electrode catalyst particles aggregate and the effective reaction surface area becomes too small. Water vapor may be added to the atmosphere as necessary.

また、酸化チタン担体は、水素を含有する還元性雰囲気中でも安定であるため、水素存在の存在下で熱処理を行うことができる。水素は窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性気体で0.1〜50%(好適には1〜10%)に希釈されて用いられる。熱処理温度は電極触媒がPtやPt合金の場合、通常、180〜400℃、好適には200〜250℃である。温度が低すぎると電極触媒となる金属の活性化が不十分となり、温度が高すぎると電極触媒粒子が凝集し、有効反応表面積が小さくなりすぎる問題がある。雰囲気には必要に応じて水蒸気を加えてもよい。   Further, since the titanium oxide support is stable even in a reducing atmosphere containing hydrogen, the heat treatment can be performed in the presence of hydrogen. Hydrogen is used after being diluted to 0.1 to 50% (preferably 1 to 10%) with an inert gas such as nitrogen, helium or argon. When the electrode catalyst is Pt or a Pt alloy, the heat treatment temperature is usually 180 to 400 ° C, preferably 200 to 250 ° C. If the temperature is too low, activation of the metal that becomes the electrode catalyst becomes insufficient, and if the temperature is too high, the electrode catalyst particles aggregate and the effective reaction surface area becomes too small. Water vapor may be added to the atmosphere as necessary.

<3.燃料電池用電極>
本発明の燃料電池用電極は、上述の燃料電池用電極材料とプロトン伝導性電解質材料を含み、前記導電補助材が互いに接触して導電パスを形成していることを特徴とする。
<3. Fuel Cell Electrode>
The fuel cell electrode of the present invention includes the above-described fuel cell electrode material and a proton conductive electrolyte material, and the conductive auxiliary material is in contact with each other to form a conductive path.

このような構成であれば、上述した本発明の電極材料を構成する導電補助材が、長径で優れた電子伝導性を有する炭素材料である繊維状炭素や鎖状連結炭素粒子であるため、燃料電池用電極全体として、電子伝導性に優れる。さらに、長径の導電補助材の隙間は、少なくとも通気性を発現する程度に空隙を作ることができるため、水素、酸素、水蒸気等の電極反応に関与するガスの拡散性に優れると共に、十分なプロトン伝導性電解質材料を十分に保持できる。そのため、当該電極材料で形成された燃料電池用電極は、優れた電極性能を示すと共に、サイクル耐久性が高く、長期間発電することができる。   In such a configuration, since the conductive auxiliary material constituting the electrode material of the present invention described above is a carbon material that is a carbon material having a long diameter and excellent electronic conductivity, it is a fuel having a chain connected carbon particles. As a whole battery electrode, it is excellent in electronic conductivity. Furthermore, since the gap between the long-diameter conductive auxiliary materials can be formed at least to the extent that air permeability is exhibited, it is excellent in the diffusibility of gases involved in electrode reactions such as hydrogen, oxygen, and water vapor, and sufficient protons. The conductive electrolyte material can be sufficiently retained. Therefore, the fuel cell electrode formed of the electrode material exhibits excellent electrode performance, has high cycle durability, and can generate power for a long period of time.

以下に、本発明の燃料電池用電極材料を用いて形成した燃料電池用電極について説明する。具体的には、上述の燃料電池用電極材料をPEFCにおける電極として用いたケースについて説明する。   Hereinafter, the fuel cell electrode formed using the fuel cell electrode material of the present invention will be described. Specifically, a case where the above-described fuel cell electrode material is used as an electrode in PEFC will be described.

この燃料電池用電極は、上述の燃料電池用電極材料のみから構成されていてもよいが、通常、燃料電池の電解質に使用されるプロトン伝導性電解質材料(以下、「プロトン伝導性電解質材料」、または単に「電解質材料」と記載する場合がある。)を含む。燃料電池用電極材料と共に燃料電池の電極に含まれる電解質材料は、燃料電池用電解質膜に使用される電解質材料と同じであってもよく、異なってもよい。燃料電池用電極と電解質膜の密着性を向上させる観点から、同じものを用いることが好ましい。   This fuel cell electrode may be composed only of the above-mentioned fuel cell electrode material, but is usually a proton conductive electrolyte material (hereinafter referred to as “proton conductive electrolyte material”) used for the fuel cell electrolyte. Or simply described as “electrolyte material”). The electrolyte material contained in the fuel cell electrode together with the fuel cell electrode material may be the same as or different from the electrolyte material used in the fuel cell electrolyte membrane. From the viewpoint of improving the adhesion between the fuel cell electrode and the electrolyte membrane, it is preferable to use the same one.

PEFCの電極と電解質膜とに使用される電解質材料としては、プロトン伝導性電解質材料が挙げられる。このプロトン伝導性電解質材料は、ポリマー骨格の全部または一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質材料と、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質材料に大別され、この両者を電解質材料として使用することができる。   Examples of the electrolyte material used for the PEFC electrode and the electrolyte membrane include a proton conductive electrolyte material. This proton conductive electrolyte material is roughly classified into a fluorine-based electrolyte material that contains fluorine atoms in all or part of the polymer skeleton, and a hydrocarbon-based electrolyte material that does not contain fluorine atoms in the polymer skeleton. Can be used.

フッ素系電解質材料としては、具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などが好適な一例として挙げられる。   Specific examples of fluorine-based electrolyte materials include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like. Can be mentioned.

炭化水素系電解質材料としては、具体的には、ポリスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールスルホン酸、ポリベンズイミダゾールホスホン酸、ポリイミドスルホン酸等のポリマーや、これらにアルキル基等の側鎖を有するポリマーが好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the hydrocarbon electrolyte material include polymers such as polysulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfonic acid, polyphenyl sulfonic acid, polybenzimidazole sulfonic acid, polybenzimidazole phosphonic acid, and polyimide sulfonic acid. In addition, a polymer having a side chain such as an alkyl group can be mentioned as a suitable example.

上記燃料電池用電極材料と燃料電池用電極材料と混合する電解質材料との質量比は、これらの材料を用いて形成される電極内の良好なプロトン伝導性を付与し、かつ電極内のガス拡散及び水蒸気の排出をスムーズに行えるように適宜決定すればよい。ただし、燃料電池用電極材料に混合する電解質材料の量が多すぎるとプロトン伝導性はよくなるが、ガスの拡散性は低下する。逆に混合する電解質材料の量が少なすぎるとガス拡散性はよくなるが、プロトン伝導性は低下する。そのため、上記燃料電池用電極材料に対する電解質材料の質量比率は、10〜50質量%が好適な範囲である。この質量比率が10質量%より小さい場合は、プロトン伝導性を有する材料の連続性が悪くなり、燃料電池用電極として十分なプロトン伝導性が確保できない。逆に50質量%より大きい場合は燃料電池用電極材料の連続性が悪くなり、燃料電池用電極として十分な電子伝導性を有することができなくなる場合がある。さらには電極内部でのガス(酸素、水素、水蒸気)の拡散性が低下する場合がある。   The mass ratio between the fuel cell electrode material and the electrolyte material mixed with the fuel cell electrode material provides good proton conductivity in the electrode formed using these materials, and gas diffusion in the electrode. In addition, it may be determined as appropriate so that water vapor can be discharged smoothly. However, if the amount of the electrolyte material mixed with the electrode material for fuel cells is too large, the proton conductivity is improved, but the gas diffusibility is lowered. Conversely, when the amount of the electrolyte material to be mixed is too small, the gas diffusibility is improved, but the proton conductivity is lowered. Therefore, 10-50 mass% is a suitable range for the mass ratio of the electrolyte material to the fuel cell electrode material. When this mass ratio is smaller than 10% by mass, the continuity of the material having proton conductivity is deteriorated, and sufficient proton conductivity as a fuel cell electrode cannot be ensured. On the other hand, when it is larger than 50% by mass, the continuity of the electrode material for the fuel cell is deteriorated, and it may not be possible to have sufficient electronic conductivity as the electrode for the fuel cell. Furthermore, the diffusibility of gas (oxygen, hydrogen, water vapor) inside the electrode may be reduced.

本発明の燃料電池用電極は、上述の燃料電池用電極材料やプロトン伝導性材料以外の成分を含んでいてもよい。
例えば、上述の燃料電池用電極材料に含まれる導電補助材以外の導電補助材(以下、「他の導電性補助材」と記載する。)を含んでいてもよい。他の導電補助材を含むことにより、燃料電池用電極材料をつなぐ導電パスが増加し、電極全体としての導電性が向上する場合がある。
他の導電補助材としては、上述した導電補助材である繊維状炭素及び鎖状連結炭素粒子でもよいし(但し、酸化チタン担体や電極触媒粒子は担持されていないもの)、カーボンブラック、活性炭など通常の粒子状炭素でもよい。
The fuel cell electrode of the present invention may contain components other than the above-described fuel cell electrode material and proton conductive material.
For example, a conductive auxiliary material other than the conductive auxiliary material contained in the above-described fuel cell electrode material (hereinafter referred to as “other conductive auxiliary material”) may be included. By including other conductive auxiliary materials, the number of conductive paths connecting the fuel cell electrode materials increases, and the conductivity of the entire electrode may be improved.
Other conductive auxiliary materials may be the above-mentioned conductive auxiliary materials such as fibrous carbon and chain-linked carbon particles (however, no titanium oxide carrier or electrode catalyst particles are supported), carbon black, activated carbon, etc. Ordinary particulate carbon may be used.

なお、本発明の燃料電池用電極材料を含む燃料電池用電極として、PEFC用電極について説明したが、PEFC以外にもアルカリ形燃料電池、リン酸形燃料電池などなどの各種燃料電池における電極として用いることができる。また、PEFCと同様な高分子電解質膜を使用した水の電解装置用の電極としても好適に使用することができる。
なお、本発明の燃料電池用電極材料を含む燃料電池用電極は、酸素の還元、水素の酸化に対する優れた電気化学的触媒活性を有するため、カソード及びアノードとして使用することができる。特に、上記(反応1)で示される水素の酸化に対する電気化学的触媒活性に優れ、燃料電池の運転条件で担体である導電性材料の電気化学的酸化分解が起こらないことから、特にアノードとして好適に使用することができる。
In addition, although the electrode for PEFC was demonstrated as an electrode for fuel cells containing the electrode material for fuel cells of this invention, it uses as an electrode in various fuel cells other than PEFC, such as an alkaline fuel cell and a phosphoric acid fuel cell. be able to. Further, it can also be suitably used as an electrode for a water electrolysis apparatus using a polymer electrolyte membrane similar to PEFC.
The fuel cell electrode containing the fuel cell electrode material of the present invention has excellent electrochemical catalytic activity for oxygen reduction and hydrogen oxidation, and can therefore be used as a cathode and an anode. In particular, it is excellent in electrochemical catalytic activity for the oxidation of hydrogen shown in (Reaction 1), and is particularly suitable as an anode because it does not cause electrochemical oxidative decomposition of a conductive material as a carrier under the operating conditions of a fuel cell. Can be used for

また、本発明の燃料電池用電極は、PEFC以外にもアルカリ形燃料電池、リン酸形燃料電池などの各種燃料電池における電極として用いることができる。また、PEFCと同様な固体高分子電解質膜を使用した水の電解装置用の電極としても好適に使用することができる。   In addition to PEFC, the fuel cell electrode of the present invention can be used as an electrode in various fuel cells such as alkaline fuel cells and phosphoric acid fuel cells. Further, it can also be suitably used as an electrode for a water electrolysis apparatus using a solid polymer electrolyte membrane similar to PEFC.

<4.膜電極接合体(MEA)>
本発明の膜電極接合体は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方面に接合されたカソードと、前記固体高分子電解質膜の他方面に接合されたアノードと、を有する膜電極接合体であって、前記アノードが、上記本発明の燃料電池用電極であることを特徴とする。
<4. Membrane electrode assembly (MEA)>
The membrane electrode assembly of the present invention comprises a solid polymer electrolyte membrane, a cathode joined to one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and an anode joined to the other surface of the solid polymer electrolyte membrane. In the membrane electrode assembly, the anode is the fuel cell electrode of the present invention.

本発明の実施形態として、電子伝導性酸化物に酸化チタン担体を用いた電極材料を含む燃料電池用電極を本発明の燃料電池用電極をアノードに使用した膜電極接合体について説明する。
図2は本発明の実施形態に係る膜電極接合体の断面構造を模式的に示したものである。図2に示すように膜電極接合体10は、カソード4及びアノード5が固体高分子電解質膜6に対面して配置された構造を有する。
As an embodiment of the present invention, a fuel cell electrode including an electrode material using a titanium oxide carrier as an electron conductive oxide and a membrane electrode assembly using the fuel cell electrode of the present invention as an anode will be described.
FIG. 2 schematically shows a cross-sectional structure of the membrane electrode assembly according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the membrane electrode assembly 10 has a structure in which the cathode 4 and the anode 5 are arranged facing the solid polymer electrolyte membrane 6.

カソード4は、電極触媒層4aとガス拡散層4bで構成され、PEFCで使用される公知のカソードが使用できる。また、上記本発明の燃料電池用電極をカソード4として使用することもできる。   The cathode 4 includes an electrode catalyst layer 4a and a gas diffusion layer 4b, and a known cathode used in PEFC can be used. In addition, the fuel cell electrode of the present invention can also be used as the cathode 4.

ガス拡散層4bとしては従来公知のガス拡散層を使用することができる。例えば、従来PEFCのガス拡散層として使用されている、100nm〜90μm程度の細孔径分布を有する導電性の炭素系シート状部材が挙げられ、好適には撥水処理が施されたカーボンクロス、カーボンペーパー、カーボン不織布等を用いることができる。また、ステンレススチール等の炭素系材料以外のシート状部材でもよい。このようなガス拡散層4bの厚みは特に制限はないが、通常、50μm〜1mm程度である。また、ガス拡散層4bは、その片面に平均粒径10〜100nm程度の炭素微粒子の集合体及び撥水剤からなるマイクロポーラス層を有していてもよい。   A conventionally known gas diffusion layer can be used as the gas diffusion layer 4b. For example, a conductive carbon-based sheet member having a pore size distribution of about 100 nm to 90 μm, which has been used as a conventional PEFC gas diffusion layer, is preferably a carbon cloth or carbon with a water repellent treatment. Paper, carbon nonwoven fabric, etc. can be used. Further, a sheet-like member other than a carbon-based material such as stainless steel may be used. The thickness of the gas diffusion layer 4b is not particularly limited, but is usually about 50 μm to 1 mm. The gas diffusion layer 4b may have a microporous layer made of an aggregate of carbon fine particles having an average particle diameter of about 10 to 100 nm and a water repellent on one surface.

アノード5は、電極触媒層5aとガス拡散層5bで構成される。電極触媒層5aは、上述の通り、本発明の燃料電池用電極を用いているため、詳細な説明は省略する。また、アノード5のガス拡散層5bは、カソード4で説明したガス拡散層4bと同様のものが使用できる。   The anode 5 includes an electrode catalyst layer 5a and a gas diffusion layer 5b. Since the electrode catalyst layer 5a uses the electrode for a fuel cell of the present invention as described above, detailed description thereof is omitted. Further, the gas diffusion layer 5 b of the anode 5 can be the same as the gas diffusion layer 4 b described in the cathode 4.

固体高分子電解質膜6としては、プロトン伝導性を有し、化学的安定性及び熱的安定性を有するものであれば公知のPEFC用電解質膜を用いればよい。なお、図2では厚みを強調して図示しているが、電気抵抗を小さくするため固体高分子電解質膜6の厚みは通常0.05mm程度である。   As the solid polymer electrolyte membrane 6, a known PEFC electrolyte membrane may be used as long as it has proton conductivity, chemical stability, and thermal stability. In FIG. 2, the thickness is emphasized, but the thickness of the solid polymer electrolyte membrane 6 is usually about 0.05 mm in order to reduce the electric resistance.

固体高分子電解質膜6を構成する電解質材料としては、フッ素系電解質材料、炭化水素系電解質材料が挙げられる。特にフッ素系電解質材料で形成されている電解質膜が、耐熱性、化学的安定性などに優れているため好ましい。具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などが好適例として挙げられる。
炭化水素系高分子電解質材料としては、例えば、ポリスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールスルホン酸、ポリベンズイミダゾールホスホン酸、ポリイミドスルホン酸等のポリマーや、これらにアルキル基等の側鎖を有するポリマー等が挙げられる。また、電解質膜として、無機系プロトン伝導体であるリン酸塩、硫酸塩などからなる電解質膜を使用することもできる。
Examples of the electrolyte material constituting the solid polymer electrolyte membrane 6 include a fluorine-based electrolyte material and a hydrocarbon-based electrolyte material. In particular, an electrolyte membrane formed of a fluorine-based electrolyte material is preferable because of its excellent heat resistance, chemical stability, and the like. Specific examples include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like.
Examples of the hydrocarbon polymer electrolyte material include polymers such as polysulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfonic acid, polyphenyl sulfonic acid, polybenzimidazole sulfonic acid, polybenzimidazole phosphonic acid, and polyimide sulfonic acid. These include polymers having side chains such as alkyl groups. Further, as the electrolyte membrane, an electrolyte membrane made of an inorganic proton conductor such as phosphate or sulfate can also be used.

以上、図面を参照して本発明のMEAの実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
例えば、上記実施の形態ではアノードのみに本発明の燃料電池用電極を採用しているが、カソードも本発明の燃料電池用電極を用いてもよい。好適な一例として、電子伝導性酸化物に酸化スズを主体とする酸化物を用いた電極材料を含む燃料電池用電極をカソードとして用いることが挙げられる。
The embodiments of the MEA of the present invention have been described above with reference to the drawings. However, these are examples of the present invention, and various configurations other than those described above can be adopted.
For example, in the above-described embodiment, the fuel cell electrode of the present invention is employed only for the anode, but the fuel cell electrode of the present invention may also be used for the cathode. As a preferred example, a fuel cell electrode including an electrode material using an oxide mainly composed of tin oxide as an electron conductive oxide may be used as a cathode.

<5.固体高分子形燃料電池>
本発明の固体高分子形燃料電池(単セル)は、本発明の膜電極接合体を備えてなり、通常、膜電極接合体をガス流路が形成されたセパレータで挟持した構造を有する。
<5. Polymer electrolyte fuel cell>
The polymer electrolyte fuel cell (single cell) of the present invention comprises the membrane electrode assembly of the present invention, and usually has a structure in which the membrane electrode assembly is sandwiched between separators having gas flow paths.

図3は本発明の固体高分子形燃料電池の代表的な構成を示す概念図である。図3に示すように、固体高分子形燃料電池20においてアノード5には水素が供給され、上述した(反応1)2H2 → 4H++4e-によって、生成したプロトン(H+)は固体高分子電解質膜6を介してカソード4に供給され、また、生成した電子は外部回路21を介してカソードへ供給され、(反応2)O2+4H++4e-→2H2Oによって、酸素と反応して水を生成する。このアノードとカソードの電気化学反応によって両電極間に電位差を発生させる。本発明の固体高分子形燃料電池において、本発明の膜電極接合体以外の構成要素は、公知の固体高分子形燃料電池と同様であるため、詳細な説明を省略する。
実際には、本発明の固体高分子形燃料電池(単セル)が発電性能に応じた基数だけ積層された燃料電池スタックが形成され、ガス供給装置、冷却装置などその他付随する装置を組み立てることにより使用される。
FIG. 3 is a conceptual diagram showing a typical configuration of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention. As shown in FIG. 3, in the polymer electrolyte fuel cell 20, hydrogen is supplied to the anode 5, and the proton (H + ) generated by the above-described (reaction 1) 2H 2 → 4H + + 4e is solid polymer. The supplied electrons are supplied to the cathode 4 through the electrolyte membrane 6, and the generated electrons are supplied to the cathode through the external circuit 21. (Reaction 2) O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O reacts with oxygen. Produce water. A potential difference is generated between the electrodes by the electrochemical reaction between the anode and the cathode. In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the components other than the membrane electrode assembly of the present invention are the same as those of the known polymer electrolyte fuel cell, and thus detailed description thereof is omitted.
Actually, a fuel cell stack in which the polymer electrolyte fuel cells (single cells) of the present invention are stacked in the number corresponding to the power generation performance is formed, and by assembling other accompanying devices such as a gas supply device and a cooling device. used.

以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、以下の実施例及び図面の説明において、ニオブドープ酸化チタン担体を単に酸化チタン担体、TiO2粒子と記載する場合がある。また、「酸化チタン担体を担持した繊維状炭素」を、燃料電池材料用電極材料(電極触媒未担持)と記載する場合がある。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples. In the following examples and description of the drawings, the niobium-doped titanium oxide support may be simply referred to as a titanium oxide support or TiO 2 particles. In addition, “fibrous carbon carrying a titanium oxide carrier” may be referred to as an electrode material for a fuel cell material (no electrode catalyst is carried).

<導電性補助材>
導電性補助材として、以下の物性を有する繊維状炭素(昭和電工株式会社製、気相法炭素繊維、VGCF−H(登録商標))を使用した。
繊維径:150nm
真密度:2.1g/cm3
比表面積:11.4m2/g
熱伝導率:1200W/(m・K)
導電率:1×10-4Ωcm

<Ti前駆体>
Ti(OC37)4(キシダ化学株式会社、純度99.0%以上)
<Nb前駆体>
Nb(OC25)5(ALDRICH、純度99.95%以上)
<Conductive auxiliary material>
As the conductive auxiliary material, fibrous carbon (manufactured by Showa Denko KK, vapor grown carbon fiber, VGCF-H (registered trademark)) having the following physical properties was used.
Fiber diameter: 150 nm
True density: 2.1 g / cm 3
Specific surface area: 11.4m 2 / g
Thermal conductivity: 1200W / (m · K)
Conductivity: 1 × 10 −4 Ωcm

<Ti precursor>
Ti (OC 3 H 7 ) 4 (Kishida Chemical Co., Ltd., purity 99.0% or more)
<Nb precursor>
Nb (OC 2 H 5 ) 5 (ALDRICH, purity 99.95% or more)

[評価1]燃料電池材料用電極材料(電極触媒未担持)の評価
[評価1−1]焼成温度の影響
実験例1では、以下の方法でニオブドープ酸化チタン担体を繊維状炭素(VGCF)に担持し、燃料電池材料用電極材料(電極触媒未担持)を得た。
工程(1)
上記繊維状炭素(0.492g)に所定量の無水エタノールを加え、超音波ホモジナイザーで攪拌し、繊維状炭素の分散液を得た。この分散液に酸化チタン前駆体として、Ti(OC37)4、ドーパント前駆体としてNb(OC25)5を入れ、攪拌しながら蒸留水をビュレットで滴下した加水分解を行った。なお、原料の使用量は、Ti(OC37)4の量はTiO2換算での繊維状炭素に対する担持率(TiO2担持率)が、32.5wt%(仕込み量)とし、Nb(OC25)5の量はTiO2に対して2mol%となる量とした。
蒸留水を滴下後2時間攪拌を続けたのちに、分散液の濾過、洗浄を行い、100℃で10時間乾燥させ、酸化チタン担体を担持した繊維状炭素(焼成なし)を得た。さらにこの酸化チタン担体を担持した繊維状炭素(焼成なし)を大気雰囲気下、300℃又は600℃で2時間の熱処理を行い、酸化チタン担体を担持した繊維状炭素を得た。また、熱分析装置(株式会社リガク製、ThermoPlus TG8120)を用いて、酸化チタン担体を担持した繊維状炭素を、大気雰囲気下で800℃まで昇温し、昇温前後の質量差を重量減少分を燃焼した繊維状炭素の重量として、酸化チタン担体の担持率を求めたところ、30.9wt%であった。
[Evaluation 1] Evaluation of electrode material for fuel cell material (no electrode catalyst supported) [Evaluation 1-1] Influence of calcination temperature In Experimental Example 1, a niobium-doped titanium oxide support is supported on fibrous carbon (VGCF) by the following method. Thus, an electrode material for a fuel cell material (no electrode catalyst supported) was obtained.
Process (1)
A predetermined amount of absolute ethanol was added to the fibrous carbon (0.492 g), and the mixture was stirred with an ultrasonic homogenizer to obtain a dispersion of fibrous carbon. In this dispersion, Ti (OC 3 H 7 ) 4 as a titanium oxide precursor and Nb (OC 2 H 5 ) 5 as a dopant precursor were added, and hydrolysis was performed by adding distilled water dropwise with a burette while stirring. Incidentally, the amount of raw material, the amount of Ti (OC 3 H 7) 4 is supported rate for carbon fiber in terms of TiO 2 (TiO 2 carrier rate), and 32.5 wt% (charged amount), Nb ( The amount of OC 2 H 5 ) 5 was 2 mol% with respect to TiO 2 .
After the distilled water was added dropwise, stirring was continued for 2 hours, and then the dispersion was filtered and washed, and dried at 100 ° C. for 10 hours to obtain fibrous carbon (no calcination) carrying a titanium oxide carrier. Further, the fibrous carbon carrying the titanium oxide carrier (no firing) was heat-treated at 300 ° C. or 600 ° C. for 2 hours in the air atmosphere to obtain fibrous carbon carrying the titanium oxide carrier. Also, using a thermal analyzer (ThermoPlus TG8120, manufactured by Rigaku Corporation), the fibrous carbon carrying the titanium oxide support was heated to 800 ° C. in the air, and the mass difference before and after the temperature increase was reduced by weight. As the weight of the fibrous carbon burned, the support ratio of the titanium oxide support was determined to be 30.9 wt%.

焼成なし、300℃焼成後、600℃焼成後の酸化チタン担体を担持した繊維状炭素を走査型電子顕微鏡(FE−SEM、株式会社日立ハイテクノロジーズ、S−5200)で観察したFE−SEM像を図4に示す。また、それぞれの試料をX線回折法にて評価した結果を図5に示す。   An FE-SEM image obtained by observing the fibrous carbon carrying the titanium oxide support after firing at 300 ° C. without firing, at 600 ° C. with a scanning electron microscope (FE-SEM, Hitachi High-Technologies Corporation, S-5200). As shown in FIG. Moreover, the result of having evaluated each sample by the X ray diffraction method is shown in FIG.

600℃焼成後の試料では、図4(a)に示されるように、20〜30nm程度の粒径を有するTiO2粒子(酸化チタン担体)が確認され、図5に示されるようにアナターゼ型の結晶を示すピークが明確に確認された。なお、2θが約27°のピークは、繊維状炭素に起因する。
300℃焼成後の試料では、図4(b)に示されるように、10nm未満の粒径を有するTiO2粒子(酸化チタン担体)が確認され、図5に示されるように600℃焼成後のサンプルと比較するとアナターゼ型の結晶を示すピークはブロードになっていた。
焼成なしの試料では、図4(c)に示されるように、10nm未満の粒径を有するTiO2粒子(酸化チタン担体)が確認され、図5に示されるように、アナターゼ型の結晶を示すピークは300℃焼成後のサンプルと比較してさらにブロードになっていた。
In the sample after baking at 600 ° C., TiO 2 particles (titanium oxide support) having a particle size of about 20 to 30 nm were confirmed as shown in FIG. 4A, and anatase type as shown in FIG. A peak indicating a crystal was clearly confirmed. The peak at 2θ of about 27 ° is attributed to fibrous carbon.
In the sample after baking at 300 ° C., TiO 2 particles (titanium oxide support) having a particle size of less than 10 nm were confirmed as shown in FIG. 4B, and after baking at 600 ° C. as shown in FIG. Compared with the sample, the peak showing anatase type crystals was broad.
In the sample without firing, TiO 2 particles (titanium oxide support) having a particle size of less than 10 nm were confirmed as shown in FIG. 4 (c), and anatase type crystals were shown as shown in FIG. The peak was further broader than the sample after baking at 300 ° C.

また、図6にそれぞれの試料、及びび酸化チタン担体を担持していない繊維状炭素のBET比表面積を評価した結果を示す。図6からわかるように600℃焼成の試料はBET比表面積が、300℃焼成、焼成なしの試料と比較して小さい。これは高温での焼成により、TiO2粒子の粒子径が大きくなり、かつ、結晶性が高いことから、同じTiO2担持率において、表面積が低下しているものと考えられる。さらに、粒子径が大きいとTiO2中の電子伝導パスも長くなり、電極材料として不利である。
一方、焼成温度が低すぎる場合は、Tiの水和酸化物が残っている可能性があり,これが導電率を悪化させることが考えられる。
なお、DTA測定において、200℃を超えた時点でDTAのピークが見られ、この点においてTiO2の結晶化が行われていると考えられることから、300℃焼成ではTiO2の結晶化が行われていると判断した。そこで、以下の検討においては、300℃焼成を採用した。
FIG. 6 shows the results of evaluating the BET specific surface area of each sample and fibrous carbon not supporting the titanium oxide carrier. As can be seen from FIG. 6, the sample fired at 600 ° C. has a smaller BET specific surface area than the sample fired at 300 ° C. and not fired. This is considered to be due to the fact that the surface area is reduced at the same TiO 2 loading because the particle size of the TiO 2 particles is increased and the crystallinity is high due to firing at a high temperature. Furthermore, when the particle size is large, the electron conduction path in TiO 2 becomes long, which is disadvantageous as an electrode material.
On the other hand, if the firing temperature is too low, there is a possibility that a hydrated oxide of Ti may remain, which may deteriorate the conductivity.
Note that in the DTA measurement, observed DTA peak at the time beyond 200 ° C., since it is considered that crystallization of the TiO 2 is performed in this respect, the crystallization of the TiO 2 rows at 300 ° C. calcination It was judged that Therefore, 300 ° C. firing was employed in the following examination.

[評価1−2]TiO2担持率と比表面積の関係
酸化チタン前駆体である原料の使用量を、TiO2担持率が仕込み量で10wt%、20wt%、30wt%、40wt%、50wt%及び60wt%とし、Nb(OC25)5の量はTiO2に対して2mol%となる量として、上記[評価1−1]の工程(1)と同様の方法でTiO2担持率が異なる燃料電池材料用電極材料(電極触媒未担持)を製造した。図7にBET比表面積を評価した結果を示す。また、図8、図9及び図10にそれぞれTiO2担持率10wt%、20wt%及び50wt%のFE−SEM像を示す。
[Evaluation 1-2] Relationship between TiO 2 loading ratio and specific surface area The amount of raw material that is a titanium oxide precursor is 10 wt%, 20 wt%, 30 wt%, 40 wt%, 50 wt% in terms of charged amount of TiO 2 loading 60 wt%, and the amount of Nb (OC 2 H 5 ) 5 is 2 mol% with respect to TiO 2 , and the TiO 2 loading is different in the same manner as in step (1) of [Evaluation 1-1]. An electrode material for fuel cell material (no electrode catalyst supported) was produced. FIG. 7 shows the result of evaluating the BET specific surface area. FIGS. 8, 9 and 10 show FE-SEM images with TiO 2 loadings of 10 wt%, 20 wt% and 50 wt%, respectively.

図7に示されるように、BET比表面積はTiO2担持率の増加に伴い大きくなっており、50wt%で最大値を示している。また、50wt%のものと60wt%のものでほとんど差がないが、これは担持率を増やし過ぎたことでTiO2粒子が凝集したことや、粒子径の大きな2次粒子を形成したことが原因だと考えられる。したがって、これ以上TiO2担持率を増やしても担体比表面積の増加は見込めないと判断した。また、TiO2担持率を上げることでTiO2粒子が何層にも重なり,その結果表面積が増加している可能性がある。その場合、TiO2内の電子伝導パスが長くなり、触媒活性が低下しやすくなると推測される。
また、図8〜10より、TiO2担持率を上げることでTiO2粒子が凝集している箇所や、重なっている部分が多く見られることがわかる。
以上の結果より、担体比表面積とTiO2粒子の分散状態(TiO2粒子が均一に単層で分散しているか)を考慮して、以下、繊維状炭素(VGCF)に対するTiO2担持率を20wt%とした試料について評価を行った。
As shown in FIG. 7, the BET specific surface area increases with an increase in the TiO 2 loading rate, and shows a maximum value at 50 wt%. Also, there is almost no difference between 50 wt% and 60 wt%, but this is due to the fact that TiO 2 particles aggregated due to excessively increased loading rate and secondary particles with a large particle diameter were formed. It is thought that. Therefore, it was judged that an increase in the specific surface area of the carrier could not be expected even if the TiO 2 loading rate was further increased. Further, there is a possibility that the TiO 2 particles are stacked in layers by increasing the TiO 2 loading rate, and as a result, the surface area is increased. In that case, it is presumed that the electron conduction path in TiO 2 becomes longer and the catalytic activity tends to be lowered.
8 to 10, it can be seen that many portions where TiO 2 particles are aggregated or overlapped are seen by increasing the TiO 2 loading rate.
From the above results, taking into account the state of dispersion of carrier specific surface area and TiO 2 particles (or TiO 2 particles are uniformly dispersed in a single layer), hereinafter, 20 wt of TiO 2 supported rate for fibrous carbon (VGCF) Evaluation was made on the samples with%.

[評価2]燃料電池材料用電極材料(電極触媒担持)の評価
導電補助材に3%水蒸気加湿N2(N2バブリング)で300℃、2時間熱処理により表面改質した繊維状炭素(VGCF)を使用し、Nb(OC25)5の量はTiO2に対して5mol%となる量とした以外は、上記評価1(工程(1)に相当)と同様の方法で得られたニオブドープ酸化チタン担体/繊維状炭素(Nb-TiO2/VGCF)からなる燃料電池材料用電極材料(電極触媒未担持)に対し、コロイド法又はPtアセチルアセトナート法でPt触媒粒子を担持した。
また、以下に説明する全触媒においてPtの仕込値は、ニオブドープ酸化チタン担体/繊維状炭素(Nb-TiO2/VGCF)に対して20wt%となるよう調整した。
[Evaluation 2] Evaluation of electrode material for fuel cell material (supporting electrode catalyst) Fibrous carbon (VGCF) surface-modified by heat treatment at 300 ° C. for 2 hours with 3% steam humidified N 2 (N 2 bubbling) as a conductive auxiliary material And the amount of Nb (OC 2 H 5 ) 5 was 5 mol% with respect to TiO 2 , and the niobium dope obtained by the same method as in the above evaluation 1 (corresponding to step (1)) Pt catalyst particles were supported by a colloidal method or a Pt acetylacetonate method on an electrode material for a fuel cell material (non-supported electrode catalyst) composed of titanium oxide support / fibrous carbon (Nb—TiO 2 / VGCF).
In all the catalysts described below, the charge value of Pt was adjusted to 20 wt% with respect to the niobium-doped titanium oxide support / fibrous carbon (Nb—TiO 2 / VGCF).

[コロイド法でのPt触媒粒子の担持]
工程(2)
工程(1)で得られた所定のTiO2担持率の燃料電池材料用電極材料(電極触媒未担持)へのコロイド法でのPt触媒粒子の担持は以下の手順で行った。
まず、H2PtCl6・6H2O:1gを蒸留水100mLに溶解させ、次いでNaHSO3を2g加えて,スターラーで攪拌しながら昇温させた。その後、液体が無色透明に変化し、塩化水素による刺激臭がなくなるまで保持した。次いで、燃料電池材料用電極材料(電極触媒未担持)を分散させた蒸留水に上述の溶液を加え、ホットスターラーを用い40℃で攪拌しながら35%H22水溶液45mLを滴下した。この際、常にpHが4.95〜5.00の範囲となるよう、NaOH水溶液を加えてpHの調整を行なった。35%H22の滴下後、24時間撹拌を行って得られたスラリーに対し、不純物除去のため、ろ過及び洗浄を3回繰り返し、残存物を得た。
[Support of Pt catalyst particles by colloid method]
Step (2)
The Pt catalyst particles were supported by the colloid method on the electrode material for a fuel cell material having a predetermined TiO 2 support rate obtained in the step (1) (no electrode catalyst supported) by the following procedure.
First, 1 g of H 2 PtCl 6 .6H 2 O was dissolved in 100 mL of distilled water, then 2 g of NaHSO 3 was added, and the temperature was raised while stirring with a stirrer. Thereafter, the liquid was changed to colorless and transparent, and maintained until there was no irritating odor due to hydrogen chloride. Subsequently, the above-mentioned solution was added to distilled water in which an electrode material for fuel cell material (no electrode catalyst supported) was dispersed, and 45 mL of 35% H 2 O 2 aqueous solution was added dropwise with stirring at 40 ° C. using a hot stirrer. At this time, the pH was adjusted by adding an aqueous NaOH solution so that the pH was always in the range of 4.95 to 5.00. After the dropwise addition of 35% H 2 O 2 , the slurry obtained by stirring for 24 hours was subjected to filtration and washing three times to remove impurities to obtain a residue.

工程(3)
工程(2)で得られた残存物を、粉末を100℃で10時間乾燥させた後に粉砕し、5%H2-N2雰囲気下において200℃、2時間の還元処理を行い,残留硫黄分の除去と触媒の活性化を行なって目的とする燃料電池材料用電極材料(コロイド法)を得た。
Process (3)
The residue obtained in step (2) was pulverized after the powder was dried at 100 ° C. for 10 hours and subjected to a reduction treatment at 200 ° C. for 2 hours in a 5% H 2 —N 2 atmosphere to obtain a residual sulfur content. Removal of the catalyst and activation of the catalyst yielded the intended electrode material for fuel cell materials (colloid method).

[アセチルアセトナート法でのPt触媒粒子の担持]
工程(2)
工程(1)で得られた所定のTiO2担持率の燃料電池材料用電極材料(電極触媒未担持)への白金アセチルアセトナート法でのPt触媒粒子の担持は以下の手順で行った。
ナスフラスコに燃料電池材料用電極材料(電極触媒未担持)、Pt(II)アセチルアセトナートを加え、その後ジクロロメタンを入れ溶解させ,超音波攪拌装置を用いて、超音波をかけながら溶媒がすべて揮発するまで攪拌して粉末を得た。
[Support of Pt catalyst particles by acetylacetonate method]
Step (2)
The Pt catalyst particles were supported by the platinum acetylacetonate method on the electrode material for a fuel cell material having a predetermined TiO 2 support rate obtained in the step (1) (no electrode catalyst supported) by the following procedure.
Add the fuel cell material electrode material (no electrode catalyst supported) and Pt (II) acetylacetonate to the eggplant flask, then dissolve in dichloromethane, and all the solvent is volatilized while applying ultrasonic waves using an ultrasonic stirrer. Stir until obtained powder.

工程(3)
工程(2)で得られた粉末を、N2雰囲気下で、210℃で3時間、240℃で3時間還元処理を施すことで、実施例1の燃料電池用電極材料を得た。なお、2段階に分けて熱処理を行うのは急激な熱還元によるPtの粒子成長を抑制し,小さい粒子径のPtを担持するためである。
Process (3)
The powder obtained in the step (2) was subjected to reduction treatment at 210 ° C. for 3 hours and at 240 ° C. for 3 hours in an N 2 atmosphere, whereby the fuel cell electrode material of Example 1 was obtained. The heat treatment is performed in two stages in order to suppress Pt particle growth due to rapid thermal reduction and to carry Pt with a small particle diameter.

図11、図12及び図13にコロイド法でPt触媒を担持したTiO2担持率10wt%、20wt%及び50wt%のFE−SEM像を示す。
図11〜13よりTiO2上にPt触媒粒子が高分散に担持されていることが確認できる。また、TiO2の担持率に関わらず、導電補助材である繊維状炭素(VGCF)上に直接担持されたPt触媒粒子はほとんど見られなかった。これは、VGCFの表面はグラファイト構造で化学的に安定であり、コロイド法は純水中で攪拌しながらPtコロイドを析出させるため、疎水性のVGCFにはほとんどPtコロイドが付かなかったためだと考えられる。
11, 12 and 13 show FE-SEM images of 10 wt%, 20 wt% and 50 wt% of TiO 2 supported on a Pt catalyst by the colloid method.
It can be confirmed that the Pt catalyst particles on TiO 2 is supported in a highly dispersed than 11-13. Moreover, almost no Pt catalyst particles directly supported on fibrous carbon (VGCF) as a conductive auxiliary material were seen regardless of the supporting rate of TiO 2 . This is because the surface of VGCF is chemically stable with a graphite structure, and the colloidal method precipitates Pt colloid while stirring in pure water, so that almost no Pt colloid was attached to hydrophobic VGCF. It is done.

図14、図15及び図16にアセチルアセトナート法でPt触媒粒子を担持したTiO2担持率10wt%、20wt%及び50wt%のFE−SEM像を示す。
図14〜16より、TiO2担持率の低下に伴って導電補助材である繊維状炭素(VGCF)上に担持されたPt触媒粒子が増えていることがわかる。アセチルアセトナート法では試料を疎水性の有機溶媒であるジクロロメタン中で攪拌しながらPt触媒粒子を担持するため、疎水性の繊維状炭素(VGCF)にもPt触媒粒子が担持されやすいと考えられる。
FIGS. 14, 15 and 16 show FE-SEM images of 10 wt%, 20 wt% and 50 wt% of TiO 2 supported on Pt catalyst particles by the acetylacetonate method.
From 14 to 16, it can be seen that the Pt catalyst particles supported on a fibrous carbon (VGCF) as a conductive auxiliary material with a decrease of the TiO 2 support ratio has increased. In the acetylacetonate method, the Pt catalyst particles are supported while stirring the sample in dichloromethane, which is a hydrophobic organic solvent, so it is considered that the Pt catalyst particles are easily supported on the hydrophobic fibrous carbon (VGCF).

以上の結果から、コロイド法、アセチルアセトナート法のいずれの担持方法でもPt触媒粒子のTiO2担体への担持は確認できた。しかしながら、コロイド法ではTiO2の担持率に関わらず繊維状炭素(VGCF)上に直接担持されたPt触媒粒子はほとんど見られなかったのに対し、アセチルアセトナート法ではTiO2担持率の低下に伴って繊維状炭素(VGCF)上に直接担持されたPt触媒粒子が増えていた。したがって、今回の結果からは、コロイド法の方が、繊維状炭素(VGCF)上にPt触媒粒子が担持されず、TiO2担体へのPt触媒粒子の選択的な担持が可能であることがわかった。 From the above results, it was confirmed that the Pt catalyst particles were supported on the TiO 2 support by either the colloid method or the acetylacetonate method. However, in the colloid method, almost no Pt catalyst particles directly supported on fibrous carbon (VGCF) were observed regardless of the TiO 2 loading rate, whereas the acetylacetonate method decreased the TiO 2 loading rate. Along with this, the number of Pt catalyst particles directly supported on fibrous carbon (VGCF) increased. Therefore, from this result, it is understood that the colloidal method does not support the Pt catalyst particles on the fibrous carbon (VGCF) and can selectively support the Pt catalyst particles on the TiO 2 support. It was.

[評価3]電気化学測定
コロイド法及びアセチルアセトナート法でPt担持を行った、上記燃料電池材料用電極材料(TiO2担持率20wt%、Pt仕込値20wt%)を用いて、酸性溶液中での電気化学測定を行い、調製した燃料電池材料用電極材料の電気化学的表面積(ECSA)と酸素還元(ORR)活性を定量的に評価した。なお、本評価では電極活性の模擬評価として、ORR活性を評価しているが溶液中にH2を飽和させると水素酸化(HOR)活性の評価ができる。
[Evaluation 3] Electrochemical measurement Using the above-mentioned electrode material for fuel cell material (TiO 2 loading rate 20 wt%, Pt charge value 20 wt%), which was supported by Pt by the colloid method and the acetylacetonate method, in an acidic solution The electrochemical surface area (ECSA) and oxygen reduction (ORR) activity of the prepared electrode material for fuel cell materials were quantitatively evaluated. In this evaluation, the ORR activity is evaluated as a simulation evaluation of the electrode activity. However, when H 2 is saturated in the solution, the hydrogen oxidation (HOR) activity can be evaluated.

(ECSAの評価)
電気化学的表面積(Pt有効表面積)は、表面のPt原子一つに水素原子が一つ吸着するとの仮定に基づき、CVから求めた水素吸着量から算出した。CVの測定条件は以下の通りである。なお、1原子のPtに付き 1原子のHが吸着すると仮定すると210μC/cm2の電気量となる。

測定:三電極式セル(作用極:燃料電池用電極材料/GC,対極:Pt,参照極:Ag/AgCl)
電解液:0.1M HClO4(pH:約1)
測定電位範囲:0.05〜1.2V(標準水素電極基準)
走査速度 :50 mV/s
水素吸着量:0.05〜0.4Vの水素吸着を示すピーク面積から算出
電気化学的表面積(ECSA):下記式より算出
ECSA=(水素脱離電気量QH)[μC] / 210[μC/cm2]
(Evaluation of ECSA)
The electrochemical surface area (Pt effective surface area) was calculated from the hydrogen adsorption amount obtained from CV based on the assumption that one hydrogen atom was adsorbed on one Pt atom on the surface. CV measurement conditions are as follows. Assuming that 1 atom of H is adsorbed per 1 atom of Pt, the electric quantity is 210 μC / cm 2 .

Measurement: Three-electrode cell (working electrode: electrode material for fuel cell / GC, counter electrode: Pt, reference electrode: Ag / AgCl)
Electrolyte: 0.1M HClO 4 (pH: about 1)
Measurement potential range: 0.05 to 1.2 V (standard hydrogen electrode standard)
Scanning speed: 50 mV / s
Hydrogen adsorption amount: Calculated from peak area showing hydrogen adsorption of 0.05 to 0.4 V. Electrochemical surface area (ECSA): calculated from the following formula ECSA = (hydrogen desorption electric amount Q H ) [μC] / 210 [μC / cm 2 ]

(ORR活性)
ORR活性は、回転ディスク電極法(RDE法)から得られる活性化支配電流(ik)を基に算出するMass activity(単位Pt質量当たりの活性)、Specific activity(単位Pt有効面積当たりの活性)を指標とした。
Mass activity = ik / 電極上のPt質量
Specific activity = ik / ECSA

活性化支配電流(ik)は、回転電極測定によって得られた電流−電位曲線について,任意の電位においてi-1とω-1/2でプロットして得られるKoutecky-Levichプロットを作成し、得られた直線を外挿することによって切片から求めた。
具体的な手順として、まずO2を100mL/minで30分間バブリングした後、2500rpm、1600rpm、900rpm、400rpmの順でそれぞれ0.05VRHEから貴な方向に向けて10mV/secで1.20VRHEまで電位を走査し、測定を行なった、なお、測定中は常にO2を100mL/minでパージした.なお、Koutecky-Levichプロットによる活性化支配電流の算出は全て0.90VRHEで行なった。
(ORR activity)
ORR activity is calculated based on the activation-dominated current (i k ) obtained from the rotating disk electrode method (RDE method). Mass activity (activity per unit Pt mass), Specific activity (activity per unit Pt effective area) Was used as an index.
Mass activity = i k / Pt mass on electrode
Specific activity = i k / ECSA

The activation-dominated current (i k ) is a Koutecky-Levich plot obtained by plotting the current-potential curve obtained by rotating electrode measurement with i −1 and ω −1/2 at an arbitrary potential. The obtained straight line was extrapolated from the intercept.
As a specific procedure, first after the O 2 was bubbled for 30 minutes at 100mL / min, 2500rpm, 1600rpm, 900rpm, until 1.20 V RHE at 10 mV / sec in a direction nobler from each 0.05 V RHE in order 400rpm The potential was scanned and the measurement was performed. Note that O 2 was always purged at 100 mL / min during the measurement. The calculation of the activation dominant current by the Koutecky-Levich plot was all performed at 0.90 V RHE .

図17にコロイド法又はアセチルアセトナート法でPt触媒を担持した燃料電池用電極材料のECSAの評価結果を示す。図18、図19に、コロイド法又はアセチルアセトナート法でPt触媒を担持した燃料電池用電極材料のMass activity及びSpecific activityの評価結果をそれぞれ示す。また、比較のため標準触媒である市販の46wt%Pt/C(田中貴金属工業株式会社、TEC10E50E)の結果も併せて示す。   FIG. 17 shows the ECSA evaluation results of the fuel cell electrode material carrying a Pt catalyst by the colloid method or the acetylacetonate method. 18 and 19 show the evaluation results of the mass activity and specific activity, respectively, of the fuel cell electrode material supporting the Pt catalyst by the colloid method or the acetylacetonate method. Moreover, the result of the commercially available 46 wt% Pt / C (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC10E50E) which is a standard catalyst is also shown for comparison.

図17〜19からわかるように、コロイド法でPt担持した燃料電池用電極材料は、アセチルアセトナート法でPt担持した燃料電池用電極材料よりECSAが小さかったが、Mass activity及びSpecific activityにおいて、コロイド法でPt触媒粒子を担持した燃料電池用電極材料は、アセチルアセトナート法でPt担持した燃料電池用電極材料より大きな値を示していた。特にSpecific activityにおいては、コロイド法でPt担持した燃料電池用電極材料は、標準触媒であるPt/Cに匹敵する値を示した。
なお、CV測定では、コロイド法又はアセチルアセトナート法でPt担持した試料のいずれもが、Pt特有の電流ピークを示した。従来の導電補助材に酸化チタンを担持させていないPt/TiO2及びPt/Nb-TiO2のCVはPt特有の電流ピークが表れないという報告がある。そのため、導電補助材である繊維状炭素に酸化チタン担体を担持し、酸化チタン担体上にPt触媒粒子を担持させた本発明の燃料電池材料用電極材料における、導電補助材によるTiO2の電子伝導パスの短縮効果が確認できたといえる。
As can be seen from FIGS. 17 to 19, the fuel cell electrode material loaded with Pt by the colloid method had a smaller ECSA than the electrode material for fuel cell loaded with Pt by the acetylacetonate method. The fuel cell electrode material carrying Pt catalyst particles by the method showed a larger value than the fuel cell electrode material carrying Pt by the acetylacetonate method. In particular activity, the fuel cell electrode material loaded with Pt by the colloidal method showed a value comparable to Pt / C as the standard catalyst.
In the CV measurement, any of the samples loaded with Pt by the colloid method or the acetylacetonate method showed a current peak peculiar to Pt. There is a report that Ct of Pt / TiO 2 and Pt / Nb—TiO 2 in which titanium oxide is not supported on a conventional conductive auxiliary material does not show a Pt-specific current peak. Therefore, in the electrode material for fuel cell materials of the present invention in which a titanium oxide carrier is supported on fibrous carbon, which is a conductive auxiliary material, and Pt catalyst particles are supported on the titanium oxide carrier, the electron conduction of TiO 2 by the conductive auxiliary material. It can be said that the path shortening effect was confirmed.

本発明の燃料電池用電極材料によれば、優れた電子伝導性とガス拡散性、及び優れた耐久性を有する燃料電池用電極を供することができる。当該燃料電池用電極は、長期運転が必要である固体高分子形燃料電池用の電極に好適である。   According to the fuel cell electrode material of the present invention, a fuel cell electrode having excellent electron conductivity, gas diffusibility, and excellent durability can be provided. The fuel cell electrode is suitable for a polymer electrolyte fuel cell electrode that requires long-term operation.

1 燃料電池用電極材料
2 導電性補助材
3a (粒子状の)酸化チタン担体
3b 電極触媒微粒子
4 燃料電池用電極(カソード)
4a カソード電極層
4b ガス拡散層
5 燃料電池用電極(アノード)
5a カソード電極層
5b ガス拡散層
6 固体高分子電解質膜
10 膜電極接合体(MEA)
20 固体高分子形燃料電池
21 外部回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrode material for fuel cells 2 Conductive auxiliary material 3a (Particulate) titanium oxide support 3b Electrocatalyst fine particles 4 Fuel cell electrode (cathode)
4a Cathode electrode layer 4b Gas diffusion layer 5 Fuel cell electrode (anode)
5a Cathode electrode layer 5b Gas diffusion layer 6 Solid polymer electrolyte membrane 10 Membrane electrode assembly (MEA)
20 Polymer electrolyte fuel cell 21 External circuit

Claims (9)

表面がグラファイト構造である繊維状炭素及び鎖状連結炭素粒子から選択される1種以上からなる導電補助材と、前記導電補助材に担持された酸化チタン担体と、前記導電補助材及び前記酸化チタン担体のうち前記酸化チタン担体に分散担持された電極触媒粒子とを含むことを特徴とする燃料電池用アノード電極材料。   One or more kinds of conductive auxiliary materials selected from fibrous carbon and chain-linked carbon particles having a graphite structure on the surface, a titanium oxide support carried on the conductive auxiliary material, the conductive auxiliary material, and the titanium oxide An anode electrode material for a fuel cell, comprising electrode catalyst particles dispersedly supported on the titanium oxide support among the supports. 前記導電補助材が、気相成長炭素繊維(VGCF)である請求項1に記載の燃料電池用アノード電極材料。   The anode electrode material for a fuel cell according to claim 1, wherein the conductive auxiliary material is vapor grown carbon fiber (VGCF). 前記酸化チタン担体が、ニオブを0.1〜20mol%ドープしたニオブドープ酸化チタンからなる請求項1または2に記載の燃料電池用アノード電極材料。   The anode electrode material for a fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the titanium oxide support is made of niobium-doped titanium oxide doped with 0.1 to 20 mol% of niobium. 前記酸化チタン担体が、前記導電補助材の一部が露出するように前記導電補助材に担持されてなる請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池用アノード電極材料。   The anode electrode material for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the titanium oxide carrier is supported on the conductive auxiliary material so that a part of the conductive auxiliary material is exposed. 前記電極触媒粒子が、平均粒子径として1〜30nmのPt及びPtを含む合金からなる微粒子である請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池用アノード電極材料。   The anode electrode material for a fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the electrode catalyst particles are fine particles made of an alloy containing Pt and Pt having an average particle diameter of 1 to 30 nm. 請求項1から5のいずれかに記載の燃料電池用アノード電極材料とプロトン伝導性電解質材料を含み、前記導電補助材が互いに接触して導電パスを形成していることを特徴とする燃料電池用電極。   6. A fuel cell comprising the anode electrode material for a fuel cell according to claim 1 and a proton conductive electrolyte material, wherein the conductive auxiliary material is in contact with each other to form a conductive path. electrode. 固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方面に接合されたカソードと、前記固体高分子電解質膜の他方面に接合されたアノードと、を有する膜電極接合体であって、前記アノードが、請求項6に記載の燃料電池用電極であることを特徴とする膜電極接合体。   A membrane electrode assembly comprising: a solid polymer electrolyte membrane; a cathode joined to one surface of the solid polymer electrolyte membrane; and an anode joined to the other surface of the solid polymer electrolyte membrane, A membrane electrode assembly, wherein the anode is the fuel cell electrode according to claim 6. 請求項7に記載の膜電極接合体を備えてなることを特徴とする固体高分子形燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 7. 以下の工程(1)〜(3)を含むことを特徴とする燃料電池用アノード電極材料の製造方法。
(1)表面がグラファイト構造である繊維状炭素及び鎖状連結炭素粒子から選択される1種以上からなる導電補助材に、酸化チタン担体を担持する工程
(2)前記酸化チタン担体担持した前記導電補助材を、電極触媒前駆体を含む溶液に浸漬し、前記酸化チタン担体に電極触媒粒子又は電極触媒前駆体を担持する工程
(3)前記酸化チタン担体に担持された前記電極触媒粒子又は電極触媒前駆体を活性化する工程
The manufacturing method of the anode electrode material for fuel cells characterized by including the following processes (1)-(3).
(1) A step of supporting a titanium oxide carrier on a conductive auxiliary material comprising at least one selected from fibrous carbon and chain-linked carbon particles having a graphite structure on the surface. (2) The conductive material supported on the titanium oxide carrier. A step of immersing an auxiliary material in a solution containing an electrode catalyst precursor and supporting the electrode catalyst particles or the electrode catalyst precursor on the titanium oxide support (3) The electrode catalyst particles or the electrode catalyst supported on the titanium oxide support Activating the precursor
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016104587A1 (en) * 2014-12-25 2016-06-30 昭和電工株式会社 Catalyst carrier, method for manufacturing same, and application therefor
WO2016203679A1 (en) * 2015-06-16 2016-12-22 パナソニック株式会社 Cell, fuel cell stack, fuel cell system and membrane-electrode joined body
WO2017154743A1 (en) * 2016-03-08 2017-09-14 国立研究開発法人科学技術振興機構 Catalyst and use of same
JP2021504878A (en) * 2017-11-23 2021-02-15 ジョンソン、マッセイ、フュエル、セルズ、リミテッドJohnson Matthey Fuel Cells Limited catalyst
WO2022014402A1 (en) * 2020-07-16 2022-01-20 堺化学工業株式会社 Energy absorption and release material

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6779470B2 (en) * 2016-03-28 2020-11-04 国立大学法人九州大学 Electrode material for water electrolysis and its manufacturing method, electrode for water electrolysis and solid polymer type water electrolysis cell
WO2018155220A1 (en) * 2017-02-23 2018-08-30 パナソニックIpマネジメント株式会社 Membrane electrode assembly and fuel cell
JP6981166B2 (en) * 2017-10-16 2021-12-15 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell
JP7246704B2 (en) * 2019-03-26 2023-03-28 国立大学法人九州大学 Manufacturing method of electrode material
US20220173457A1 (en) * 2019-04-15 2022-06-02 Zeon Corporation Catalyst, electrode, membrane electrode assembly, and air battery

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006193392A (en) * 2005-01-17 2006-07-27 Tokyo Institute Of Technology Oxide composite material, its manufacturing method, electrochemical device and catalyst containing oxide composite material
JP2007203177A (en) * 2006-02-01 2007-08-16 Hitachi Ltd Catalytic material, method for manufacturing the same and fuel cell using the same
US20080248372A1 (en) * 2006-11-20 2008-10-09 Myoung-Ki Min Fuel cell catalyst, method of preparing same, and membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system including same
JP2010188243A (en) * 2009-02-17 2010-09-02 Hitachi Ltd Catalytic material and method of producing the same
JP2013540050A (en) * 2010-09-28 2013-10-31 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell electrode catalyst
JP2014018750A (en) * 2012-07-19 2014-02-03 Bellsion:Kk Standing water purifier
JP2015144994A (en) * 2014-02-03 2015-08-13 国立大学法人群馬大学 Manufacturing method of carrier, manufacturing method of catalyst carrier, the carrier, and the catalyst carrier

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0817440A (en) * 1994-07-04 1996-01-19 Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk Electrode for polymer electrolyte-type electrochemical cell
JP4197683B2 (en) * 2005-03-15 2008-12-17 株式会社東芝 Catalyst for fuel cell electrode, fuel cell electrode, membrane electrode assembly, and fuel cell
JP2010176866A (en) * 2009-01-27 2010-08-12 Equos Research Co Ltd Electrode catalyst for fuel cell and manufacturing method therefor
CN102762297B (en) * 2010-02-05 2015-06-10 巴斯夫欧洲公司 Process for producing a catalyst and catalyst
JP6345663B2 (en) * 2013-07-05 2018-06-20 国立大学法人九州大学 ELECTRODE FOR FUEL CELL, MANUFACTURING METHOD THEREOF, MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY AND SOLID POLYMER FUEL CELL

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006193392A (en) * 2005-01-17 2006-07-27 Tokyo Institute Of Technology Oxide composite material, its manufacturing method, electrochemical device and catalyst containing oxide composite material
JP2007203177A (en) * 2006-02-01 2007-08-16 Hitachi Ltd Catalytic material, method for manufacturing the same and fuel cell using the same
US20080248372A1 (en) * 2006-11-20 2008-10-09 Myoung-Ki Min Fuel cell catalyst, method of preparing same, and membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system including same
JP2010188243A (en) * 2009-02-17 2010-09-02 Hitachi Ltd Catalytic material and method of producing the same
JP2013540050A (en) * 2010-09-28 2013-10-31 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell electrode catalyst
JP2014018750A (en) * 2012-07-19 2014-02-03 Bellsion:Kk Standing water purifier
JP2015144994A (en) * 2014-02-03 2015-08-13 国立大学法人群馬大学 Manufacturing method of carrier, manufacturing method of catalyst carrier, the carrier, and the catalyst carrier

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016104587A1 (en) * 2014-12-25 2016-06-30 昭和電工株式会社 Catalyst carrier, method for manufacturing same, and application therefor
JPWO2016104587A1 (en) * 2014-12-25 2017-07-20 昭和電工株式会社 Catalyst support, method for producing the same, and use thereof
US10096841B2 (en) 2014-12-25 2018-10-09 Showa Denko K.K. Catalyst carrier, method for producing catalyst carrier, and use of catalyst carrier
WO2016203679A1 (en) * 2015-06-16 2016-12-22 パナソニック株式会社 Cell, fuel cell stack, fuel cell system and membrane-electrode joined body
JPWO2016203679A1 (en) * 2015-06-16 2017-06-29 パナソニック株式会社 Cell, fuel cell stack, fuel cell system and membrane-electrode assembly
WO2017154743A1 (en) * 2016-03-08 2017-09-14 国立研究開発法人科学技術振興機構 Catalyst and use of same
US11045791B2 (en) 2016-03-08 2021-06-29 Japan Science And Technology Agency Catalyst and use of same
JP2021504878A (en) * 2017-11-23 2021-02-15 ジョンソン、マッセイ、フュエル、セルズ、リミテッドJohnson Matthey Fuel Cells Limited catalyst
JP7303805B2 (en) 2017-11-23 2023-07-05 ジョンソン マッセイ ハイドロジェン テクノロジーズ リミテッド catalyst
US11811073B2 (en) 2017-11-23 2023-11-07 Johnson Matthey Hydrogen Technologies Limited Catalyst
WO2022014402A1 (en) * 2020-07-16 2022-01-20 堺化学工業株式会社 Energy absorption and release material

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