JP2019212611A - Cathode, membrane electrode assembly, and battery - Google Patents

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Abstract

To provide a cathode, a membrane electrode assembly and a battery, which have excellent durability.SOLUTION: A cathode (10) of a battery that includes an electrolyte membrane (20) includes: a first layer (11) including a carbon catalyst of 0.3 mg/cmor more and 9.0 mg/cmor less; and a second layer (12) disposed between the electrolyte membrane (20) and the first layer (11) in the battery, the second layer including platinum of 0.002 mg/cmor more and 0.190 mg/cmor less.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、カソード、膜電極接合体及び電池に関する。   The present invention relates to a cathode, a membrane electrode assembly, and a battery.

現在、燃料電池の電極用触媒としては、白金触媒が使用されている。しかしながら、白金の埋蔵量は限られていること、固体高分子形燃料電池(PEFC)においては白金の使用によってコストが高くなること等、解決すべき問題が多い。特に、PEFCのカソードにおいては、十分な発電性能及び耐久性を得るために多量の白金触媒が必要とされるという問題がある。また、白金触媒は一酸化炭素、二酸化硫黄、一酸化窒素、二酸化窒素等のガスが吸着することで被毒されやすいという問題がある。このため、白金触媒を使用しない又は白金触媒の使用量を低減する代替技術の開発が進められている。   At present, platinum catalysts are used as catalysts for fuel cell electrodes. However, there are many problems to be solved, such as the limited reserves of platinum and the high cost of the polymer electrolyte fuel cells (PEFC) due to the use of platinum. In particular, the PEFC cathode has a problem that a large amount of platinum catalyst is required to obtain sufficient power generation performance and durability. Further, the platinum catalyst has a problem that it is easily poisoned by adsorption of a gas such as carbon monoxide, sulfur dioxide, nitrogen monoxide, nitrogen dioxide. For this reason, the development of alternative technologies that do not use a platinum catalyst or reduce the amount of platinum catalyst used is being promoted.

例えば、特許文献1には、触媒とアイオノマーとを含む層Aと、触媒とアイオノマーとを含む層Bとが積層された電極構造体であり、層Aに含まれる触媒は70重量%以上が炭素触媒であり、層Bに含まれる触媒は70重量%以上が白金担持カーボン触媒である、燃料電池用カソード電極構造体が記載されている。   For example, Patent Document 1 discloses an electrode structure in which a layer A containing a catalyst and an ionomer and a layer B containing a catalyst and an ionomer are laminated, and the catalyst contained in the layer A contains 70% by weight or more of carbon. A cathode electrode structure for a fuel cell is described in which the catalyst contained in the layer B is 70% by weight or more of a platinum-supported carbon catalyst.

また、特許文献2には、電解質層と、当該電解質層の厚み方向一方側に配置され、燃料が供給される燃料側電極と、当該電解質層の厚み方向他方側に配置され、酸素が供給される酸素側電極と、当該電解質層および当該酸素側電極の間に配置され、当該電解質層を通過した燃料を分解する燃料分解層とを備える燃料電池が記載されている。   Further, in Patent Document 2, an electrolyte layer, a fuel-side electrode that is disposed on one side in the thickness direction of the electrolyte layer and supplied with fuel, and a fuel-side electrode that is supplied on the other side in the thickness direction of the electrolyte layer are supplied with oxygen. A fuel cell comprising an oxygen side electrode and a fuel decomposition layer disposed between the electrolyte layer and the oxygen side electrode and decomposing the fuel that has passed through the electrolyte layer.

特開2016−015283号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2006-015283 特開2016−207575号公報JP 2006-207575 A

しかしながら、従来、燃料電池のカソードの耐久性は十分なものではなかった。   However, conventionally, the durability of the cathode of the fuel cell has not been sufficient.

本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、優れた耐久性を有するカソード、膜電極接合体及び電池を提供することをその目的の一つとする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a cathode, a membrane electrode assembly, and a battery having excellent durability.

上記課題を解決するための本発明の一実施形態に係るカソードは、電解質膜を含む電池のカソードであって、0.3mg/cm以上、9.0mg/cm以下の炭素触媒を含む第一の層と、前記電池において前記電解質膜と前記第一の層との間に配置される、0.002mg/cm以上、0.190mg/cm以下の白金を含む第二の層と、を含む。本発明によれば、優れた耐久性を有するカソードが提供される。 A cathode according to an embodiment of the present invention for solving the above problems is a cathode of a battery including an electrolyte membrane, and includes a carbon catalyst of 0.3 mg / cm 2 or more and 9.0 mg / cm 2 or less. and one layer, the disposed between the electrolyte membrane and the first layer in the battery, 0.002 mg / cm 2 or more, a second layer containing 0.190mg / cm 2 or less of platinum, including. According to the present invention, a cathode having excellent durability is provided.

前記炭素触媒は、鉄を含み、窒素雰囲気下での熱重量分析において測定される200℃から1200℃までの重量減少率12.0重量%以下を示し、前記鉄のK吸収端のX線吸収微細構造分析において下記(a)及び/又は(b):(a)7110eVの規格化吸光度に対する7130eVの規格化吸光度の比が7.0以上である;、(b)7110eVの規格化吸光度に対する7135eVの規格化吸光度の比が7.0以上である;を示す炭素構造を含むこととしてもよい。   The carbon catalyst contains iron and exhibits a weight loss rate of 12.0% by weight or less from 200 ° C. to 1200 ° C. as measured in a thermogravimetric analysis under a nitrogen atmosphere, and X-ray absorption at the K absorption edge of the iron In the microstructure analysis, the ratio of (a) and / or (b): (a) the normalized absorbance of 7130 eV to the normalized absorbance of 7110 eV is 7.0 or more; (b) 7135 eV relative to the normalized absorbance of 7110 eV It is good also as including the carbon structure which shows ratio of the normalization light absorbency of 7.0 or more.

前記炭素触媒は、全細孔容積に対するメソ孔容積の割合が20%以上であることとしてもよい。前記炭素触媒は、誘導結合プラズマ質量分析により測定される鉄の含有量が0.01重量%以上であることとしてもよい。前記炭素触媒は、燃焼法による元素分析で測定される窒素原子含有量1.0重量%以上を示すこととしてもよい。前記炭素触媒は、燃焼法による元素分析で測定される、炭素原子含有量に対する窒素原子含有量の割合1.1%以上を示すこととしてもよい。前記炭素触媒は、鉄と、鉄以外の金属とを含むこととしてもよい。前記炭素触媒は、BET法で測定される比表面積が800m/g以上であることとしてもよい。 The carbon catalyst may have a mesopore volume ratio with respect to the total pore volume of 20% or more. The carbon catalyst may have an iron content of 0.01% by weight or more as measured by inductively coupled plasma mass spectrometry. The carbon catalyst may have a nitrogen atom content of 1.0% by weight or more measured by elemental analysis by a combustion method. The said carbon catalyst is good also as showing 1.1% or more of the ratio of nitrogen atom content with respect to carbon atom content measured by the elemental analysis by a combustion method. The carbon catalyst may contain iron and a metal other than iron. The carbon catalyst may have a specific surface area measured by the BET method of 800 m 2 / g or more.

前記第一の層は、電解質材料を含み、前記第一の層の重量から前記電解質材料の重量を減じて得られる残重量に対する前記電解質材料の重量の比が0.30以上であることとしてもよい。前記第二の層は、電解質材料を含み、前記第二の層の重量から前記電解質材料の重量を減じて得られる残重量に対する前記電解質材料の重量の比が0.05以上であることとしてもよい。前記第一の層における前記炭素触媒の含有量に対する、前記第二の層における前記白金の含有量の割合が20.00重量%以下であることとしてもよい。前記第一の層及び/又は前記第二の層は、EW値が300以上、1100以下の電解質材料を含むこととしてもよい。   The first layer includes an electrolyte material, and the ratio of the weight of the electrolyte material to the remaining weight obtained by subtracting the weight of the electrolyte material from the weight of the first layer is 0.30 or more. Good. The second layer includes an electrolyte material, and the ratio of the weight of the electrolyte material to the remaining weight obtained by subtracting the weight of the electrolyte material from the weight of the second layer may be 0.05 or more. Good. The ratio of the platinum content in the second layer to the carbon catalyst content in the first layer may be 20.00 wt% or less. The first layer and / or the second layer may include an electrolyte material having an EW value of 300 or more and 1100 or less.

上記課題を解決するための本発明の一実施形態に係る膜電極接合体は、前記いずれかのカソードと、アノードと、前記カソードと前記アノードとの間に配置される電解質膜とを含む。本発明によれば、優れた耐久性を有する膜電極接合体が提供される。   In order to solve the above problems, a membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention includes any one of the cathodes, an anode, and an electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode. According to the present invention, a membrane electrode assembly having excellent durability is provided.

上記課題を解決するための本発明の一実施形態に係る電池は、前記いずれかのカソード又は前記膜電極接合体を含む。本発明によれば、優れた耐久性を有する電池が提供される。前記電池は、燃料電池であることとしてもよい。   A battery according to an embodiment of the present invention for solving the above problems includes any one of the cathodes or the membrane electrode assembly. According to the present invention, a battery having excellent durability is provided. The battery may be a fuel cell.

本発明によれば、優れた耐久性を有するカソード、膜電極接合体及び電池が提供される。   According to the present invention, a cathode, a membrane electrode assembly, and a battery having excellent durability are provided.

本発明の一実施形態の一例に係る膜電極接合体について、その断面を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the cross section about the membrane electrode assembly which concerns on an example of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る実施例において、熱重量分析で炭素触媒の重量減少率を測定した結果の一例を示す説明図である。In the Example which concerns on one Embodiment of this invention, it is explanatory drawing which shows an example of the result of having measured the weight reduction rate of the carbon catalyst by the thermogravimetric analysis. 本発明の一実施形態に係る実施例において、鉄のK吸収端のX線吸収微細構造分析を行った結果の一例を示す説明図である。In the Example which concerns on one Embodiment of this invention, it is explanatory drawing which shows an example of the result of having performed the X-ray absorption fine structure analysis of the K absorption edge of iron. 本発明の一実施形態に係る実施例において、炭素触媒を評価した結果の一例を示す説明図である。In the Example which concerns on one Embodiment of this invention, it is explanatory drawing which shows an example of the result of having evaluated the carbon catalyst. 本発明の一実施形態に係る実施例において、炭素触媒を評価した結果の他の例を示す説明図である。In the Example which concerns on one Embodiment of this invention, it is explanatory drawing which shows the other example of the result of having evaluated the carbon catalyst. 本発明の一実施形態に係る実施例において、耐久性を評価した結果の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the result of having evaluated durability in the Example which concerns on one Embodiment of this invention.

以下に、本発明の一実施形態に係るカソード、膜電極接合体及び電池について説明する。なお、本発明は本実施形態で示す例に限られない。   Hereinafter, a cathode, a membrane electrode assembly, and a battery according to an embodiment of the present invention will be described. The present invention is not limited to the example shown in the present embodiment.

本実施形態に係るカソードは、電解質膜を含む電池のカソードであって、0.3mg/cm以上、9.0mg/cm以下の炭素触媒を含む第一の層と、当該電池において当該電解質膜と当該第一の層との間に配置される、0.002mg/cm以上、0.190mg/cm以下の白金を含む第二の層と、を含む。 The cathode according to the present embodiment is a cathode of a battery including an electrolyte membrane, the first layer including a carbon catalyst of 0.3 mg / cm 2 or more and 9.0 mg / cm 2 or less, and the electrolyte in the battery. It is disposed between the membrane and the first layer, containing 0.002 mg / cm 2 or more, a second layer containing 0.190mg / cm 2 or less of platinum,.

本実施形態に係る膜電極接合体(以下、「MEA」という。)は、本実施形態に係るカソードと、アノードと、当該カソードと当該アノードとの間に配置される電解質膜とを含む。本実施形態に係る電池は、本実施形態に係るカソード又は本実施形態に係るMEAを含む。   The membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) according to the present embodiment includes a cathode according to the present embodiment, an anode, and an electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode. The battery according to the present embodiment includes the cathode according to the present embodiment or the MEA according to the present embodiment.

本発明の発明者らは、優れた耐久性を有するカソード、MEA及び電池を実現するための技術的手段について鋭意検討を重ねた結果、カソードが、特定の範囲内の量で炭素触媒を含む第一の層と、当該第一の層と、当該MEA又は電池の電解質膜との間に配置される、特定の範囲内の量で白金を含む第二の層とを含むことによって、優れた耐久性が達成されることを独自に見出した。   The inventors of the present invention have intensively studied technical means for realizing a cathode, MEA, and battery having excellent durability. As a result, the cathode contains a carbon catalyst in an amount within a specific range. Excellent durability by including one layer, the first layer, and a second layer comprising platinum in an amount within a specified range, disposed between the MEA or the electrolyte membrane of the battery. I found out that sex was achieved.

図1には、本実施形態の一例に係るMEA1について、その断面を示す。なお、本明細書においては、主に図1に示す例を参照しながら本実施形態を説明するが、図1は、あくまでもMEA1の構造を概念的に示すものであって、本発明は、図1に示される当該MEA1、及び当該MEA1を構成する要素の大きさ、形状、位置関係等の具体的な態様に限定されない。   In FIG. 1, the cross section is shown about MEA1 which concerns on an example of this embodiment. In the present specification, the present embodiment will be described mainly with reference to the example shown in FIG. 1. However, FIG. 1 conceptually shows the structure of the MEA 1. The MEA 1 shown in FIG. 1 and the elements constituting the MEA 1 are not limited to specific aspects such as the size, shape, and positional relationship.

図1に示すように、MEA1は、一対のガス拡散層30,50と、当該一対のガス拡散層30,50の間に配置される電解質膜20と、一方の当該ガス拡散層30と、当該電解質膜20との間に配置されるカソード10と、他方の当該ガス拡散層50と、当該電解質膜20との間に配置されるアノード40と、を含む。   As shown in FIG. 1, the MEA 1 includes a pair of gas diffusion layers 30, 50, an electrolyte membrane 20 disposed between the pair of gas diffusion layers 30, 50, one gas diffusion layer 30, The cathode 10 disposed between the electrolyte membrane 20, the other gas diffusion layer 50, and the anode 40 disposed between the electrolyte membrane 20 are included.

すなわち、カソード10は、MEA1又は電池において、電解質膜20とガス拡散層30との間に配置される。カソード10は、炭素触媒を含む第一の層(以下、「CC層」という。)11と、白金を含む第二の層(以下、「Pt層」という。)12とを含む。すなわち、カソード10は、触媒を含む触媒層を含み、当該触媒層は、CC層11とPt層12とを含む。   That is, the cathode 10 is disposed between the electrolyte membrane 20 and the gas diffusion layer 30 in the MEA 1 or the battery. The cathode 10 includes a first layer (hereinafter referred to as “CC layer”) 11 containing a carbon catalyst and a second layer (hereinafter referred to as “Pt layer”) 12 containing platinum. That is, the cathode 10 includes a catalyst layer including a catalyst, and the catalyst layer includes a CC layer 11 and a Pt layer 12.

カソード10において、CC層11とPt層12とは積層されているが、後述のとおり、当該CC層11とPt層12との間に他の層が含まれていてもよい。CC層11は、MEA1又は電池において、ガス拡散層30とPt層12との間に配置される。すなわち、カソード10は、MEA1又は電池においてガス拡散層30とPt層12との間に配置される位置にCC層11を含む。Pt層12は、MEA1又は電池において、電解質膜20とCC層11との間に配置される。すなわち、カソード10は、MEA1又は電池において電解質膜20とCC層11との間に配置される位置にPt層12を含む。   In the cathode 10, the CC layer 11 and the Pt layer 12 are laminated. However, as described later, another layer may be included between the CC layer 11 and the Pt layer 12. The CC layer 11 is disposed between the gas diffusion layer 30 and the Pt layer 12 in the MEA 1 or the battery. That is, the cathode 10 includes the CC layer 11 at a position disposed between the gas diffusion layer 30 and the Pt layer 12 in the MEA 1 or the battery. The Pt layer 12 is disposed between the electrolyte membrane 20 and the CC layer 11 in the MEA 1 or the battery. That is, the cathode 10 includes the Pt layer 12 at a position disposed between the electrolyte membrane 20 and the CC layer 11 in the MEA 1 or the battery.

CC層11は、特定の範囲内の量で、酸素還元反応を触媒する活性(以下、「酸素還元活性」という。)を有する炭素触媒を含む。すなわち、CC層11は、0.3mg/cm以上、9.0mg/cm以下の炭素触媒を含む。CC層11の炭素触媒含有量(mg/cm)は、当該CC層11の単位面積(1cm)あたり、当該CC層11に含まれる炭素触媒の重量(mg)である。したがって、CC層11の炭素触媒含有量(mg/cm)は、当該CC層11に含まれる炭素触媒の重量(mg)を、当該CC層11の面積(図1に示す例では、ガス拡散層30の表面30aに対向する、CC層11の表面11bの面積)(cm)で除することにより得られる。 The CC layer 11 includes a carbon catalyst having an activity for catalyzing an oxygen reduction reaction (hereinafter referred to as “oxygen reduction activity”) in an amount within a specific range. That is, the CC layer 11 contains a carbon catalyst of 0.3 mg / cm 2 or more and 9.0 mg / cm 2 or less. The carbon catalyst content (mg / cm 2 ) of the CC layer 11 is the weight (mg) of the carbon catalyst contained in the CC layer 11 per unit area (1 cm 2 ) of the CC layer 11. Therefore, the carbon catalyst content (mg / cm 2 ) of the CC layer 11 is the weight (mg) of the carbon catalyst contained in the CC layer 11 and the area of the CC layer 11 (in the example shown in FIG. It is obtained by dividing by the area) (cm 2 ) of the surface 11b of the CC layer 11 facing the surface 30a of the layer 30.

CC層11の炭素触媒含有量は、0.3mg/cm以上、9.0mg/cm以下の範囲内であれば特に限られないが、例えば、0.4mg/cm以上、9.0mg/cm以下であってもよく、0.5mg/cm以上、9.0mg/cm以下であってもよく、0.5mg/cm以上、8.0mg/cm以下であってもよく、0.7mg/cm以上、8.0mg/cm以下であってもよい。 The carbon catalyst content of the CC layer 11 is not particularly limited as long as it is within a range of 0.3 mg / cm 2 or more and 9.0 mg / cm 2 or less. For example, 0.4 mg / cm 2 or more and 9.0 mg / Cm 2 or less, 0.5 mg / cm 2 or more, 9.0 mg / cm 2 or less, or 0.5 mg / cm 2 or more, 8.0 mg / cm 2 or less. It may be 0.7 mg / cm 2 or more and 8.0 mg / cm 2 or less.

CC層11の炭素触媒含有量が上述の範囲内であることにより、例えば、当該CC層11内のガス拡散効率を維持しつつ、優れた触媒活性及び耐久性を達成することができる。   When the carbon catalyst content of the CC layer 11 is within the above range, for example, excellent catalytic activity and durability can be achieved while maintaining the gas diffusion efficiency in the CC layer 11.

CC層11は、他の触媒を含んでもよいが、当該CC層11に含まれる触媒は、主に炭素触媒で構成されることが好ましい。CC層11における触媒含有量(CC層11が炭素触媒に加えて他の触媒を含む場合には、当該炭素触媒の含有量と当該他の触媒の含有量との合計)に対する、炭素触媒含有量の割合は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、50重量%以上であることとしてもよく、70重量%以上であることが好ましく、90重量%以上であることがより好ましく、95重量%以上であることが特に好ましい。   The CC layer 11 may contain other catalysts, but the catalyst contained in the CC layer 11 is preferably mainly composed of a carbon catalyst. Carbon catalyst content with respect to catalyst content in CC layer 11 (when CC layer 11 contains other catalyst in addition to carbon catalyst, the total of the content of the carbon catalyst and the content of the other catalyst) The ratio is not particularly limited as long as the effect of the present invention is obtained, but may be, for example, 50% by weight or more, preferably 70% by weight or more, and more preferably 90% by weight or more. It is preferably 95% by weight or more.

なお、カソード10における特定の触媒の含有量は、例えば、当該特定の触媒が、担体(例えば、カーボン担体)と、当該担体に担持された触媒成分(例えば、白金等の金属触媒)とから構成される場合、当該触媒成分の含有量である。   The specific catalyst content in the cathode 10 is, for example, that the specific catalyst is composed of a support (for example, a carbon support) and a catalyst component (for example, a metal catalyst such as platinum) supported on the support. If so, the content of the catalyst component.

CC層11に含まれる他の触媒は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、白金含有触媒、金含有触媒、ルテニウム含有触媒、ロジウム含有触媒、パラジウム含有触媒、イリジウム含有触媒、マンガン含有触媒及びセリウム含有触媒からなる群より選択される1以上であることとしてもよい。なお、CC層11が白金含有触媒を含む場合、当該白金含有触媒は、Pt層12に含まれる白金含有触媒と同一のものであってもよいし、異なるものであってもよい。   Other catalysts included in the CC layer 11 are not particularly limited as long as the effects of the present invention can be obtained. For example, a platinum-containing catalyst, a gold-containing catalyst, a ruthenium-containing catalyst, a rhodium-containing catalyst, a palladium-containing catalyst, and an iridium-containing catalyst. Or one or more selected from the group consisting of a manganese-containing catalyst and a cerium-containing catalyst. When the CC layer 11 includes a platinum-containing catalyst, the platinum-containing catalyst may be the same as or different from the platinum-containing catalyst included in the Pt layer 12.

CC層11は、白金を含まないこととしてもよい。CC層11は、金を含まないこととしてもよい。CC層11は、ルテニウムを含まないこととしてもよい。CC層11は、ロジウムを含まないこととしてもよい。CC層11は、パラジウムを含まないこととしてもよい。CC層11は、イリジウムを含まないこととしてもよい。CC層11は、マンガンを含まないこととしてもよい。CC層11は、セリウムを含まないこととしてもよい。CC層11は、炭素触媒以外の触媒を含まないこととしてもよい。   The CC layer 11 may not contain platinum. The CC layer 11 may not contain gold. The CC layer 11 may not contain ruthenium. The CC layer 11 may not contain rhodium. The CC layer 11 may not contain palladium. The CC layer 11 may not contain iridium. The CC layer 11 may not contain manganese. The CC layer 11 may not contain cerium. CC layer 11 is good also as not containing catalysts other than a carbon catalyst.

CC層11は、触媒以外の成分を含むこととしてもよい。すなわち、CC層11は、例えば、電解質材料を含む。電解質材料は、プロトン伝導性を有する材料であれば特に限られないが、例えば、アイオノマー及びイオン液体からなる群より選択される1以上であることが好ましい。アイオノマーは、例えば、パーフルオロカーボン材料及びハイドロカーボン材料からなる群より選択される1以上であることが好ましい。パーフルオロカーボン材料は、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーであることが好ましい。パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーは、ポリテトラフルオロエチレン骨格とスルホン酸基とを有するパーフルオロカーボン材料である。ハイドロカーボン材料は、例えば、ハイドロカーボンスルホン酸系ポリマーであることが好ましい。ハイドロカーボンスルホン酸系ポリマーは、ハイドロカーボン骨格とスルホン酸基とを有するハイドロカーボン材料である。   The CC layer 11 may contain components other than the catalyst. That is, the CC layer 11 includes, for example, an electrolyte material. The electrolyte material is not particularly limited as long as it is a material having proton conductivity. For example, the electrolyte material is preferably one or more selected from the group consisting of an ionomer and an ionic liquid. The ionomer is preferably at least one selected from the group consisting of perfluorocarbon materials and hydrocarbon materials, for example. The perfluorocarbon material is preferably, for example, a perfluorocarbon sulfonic acid polymer. The perfluorocarbon sulfonic acid polymer is a perfluorocarbon material having a polytetrafluoroethylene skeleton and a sulfonic acid group. The hydrocarbon material is preferably, for example, a hydrocarbon sulfonic acid polymer. The hydrocarbon sulfonic acid polymer is a hydrocarbon material having a hydrocarbon skeleton and a sulfonic acid group.

具体的に、電解質材料としては、例えば、NAFION(登録商標)、AQUIVION(登録商標)、ACIPLEX(登録商標)及びFLEMION(登録商標)からなる群より選択される1以上が好ましく使用される。   Specifically, as the electrolyte material, for example, one or more selected from the group consisting of NAFION (registered trademark), AQUIVION (registered trademark), ACIPLEX (registered trademark) and FREMION (registered trademark) is preferably used.

CC層11に含まれる電解質材料のEW値は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、300以上、1100以下であることとしてもよい。この場合、電解質材料のEW値は、400以上、1100以下であることが好ましく、500以上、1100以下であることが特に好ましい。なお、電解質材料のEW値は、等価質量(Equivalent Weight)であり、スルホン酸基1モルあたりの乾燥状態の当該電解質材料のグラム数である。   The EW value of the electrolyte material included in the CC layer 11 is not particularly limited as long as the effect of the present invention can be obtained, but may be, for example, 300 or more and 1100 or less. In this case, the EW value of the electrolyte material is preferably 400 or more and 1100 or less, and particularly preferably 500 or more and 1100 or less. In addition, the EW value of the electrolyte material is equivalent weight (Equivalent Weight), and is the number of grams of the electrolyte material in a dry state per mole of the sulfonic acid group.

CC層11の重量から電解質材料の重量を減じて得られる残重量に対する、当該CC層11に含まれる電解質材料の重量の比(=CC層11に含まれる電解質材料の重量/(CC層11の重量−CC層11に含まれる電解質材料の重量))(以下、CC層11について「電解質材料比」という。)は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、0.30以上であることとしてもよい。この場合、CC層11の電解質材料比は、0.40以上であることが好ましく、0.50以上であることがより好ましく、0.60以上であることが特に好ましい。   The ratio of the weight of the electrolyte material contained in the CC layer 11 to the remaining weight obtained by subtracting the weight of the electrolyte material from the weight of the CC layer 11 (= weight of the electrolyte material contained in the CC layer 11 / (of the CC layer 11 Weight—weight of the electrolyte material included in the CC layer 11) (hereinafter referred to as “electrolyte material ratio” for the CC layer 11) is not particularly limited as long as the effect of the present invention is obtained. It is good also as being above. In this case, the electrolyte material ratio of the CC layer 11 is preferably 0.40 or more, more preferably 0.50 or more, and particularly preferably 0.60 or more.

なお、例えば、CC層11が炭素触媒と電解質材料とから構成される場合には、当該CC層11の上記残重量は当該炭素触媒の重量であるため、当該CC層11の電解質材料比は、当該炭素触媒の重量に対する当該電解質材料の重量の比である。また、例えば、CC層11が炭素触媒と電解質材料と他の成分とから構成される場合には、当該CC層11の上記残重量は当該炭素触媒の重量と当該他の成分の重量との合計(すなわち、電解質材料以外の成分の重量の合計)であるため、当該CC層11の電解質材料比は、当該炭素触媒の重量と当該他の成分の重量との合計に対する、当該電解質材料の重量の比である。   For example, when the CC layer 11 is composed of a carbon catalyst and an electrolyte material, the remaining weight of the CC layer 11 is the weight of the carbon catalyst, and thus the electrolyte material ratio of the CC layer 11 is It is the ratio of the weight of the electrolyte material to the weight of the carbon catalyst. For example, when the CC layer 11 is composed of a carbon catalyst, an electrolyte material, and other components, the remaining weight of the CC layer 11 is the sum of the weight of the carbon catalyst and the weight of the other components. (Ie, the total weight of the components other than the electrolyte material), the electrolyte material ratio of the CC layer 11 is the weight of the electrolyte material with respect to the total of the weight of the carbon catalyst and the weight of the other components. Is the ratio.

CC層11の電解質材料比の上限値は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、当該電解質材料比は、例えば、1.70以下であることとしてもよく、1.60以下であることが好ましく、1.50以下であることがより好ましい。   The upper limit value of the electrolyte material ratio of the CC layer 11 is not particularly limited as long as the effect of the present invention is obtained, but the electrolyte material ratio may be 1.70 or less, for example, 1.60 or less. It is preferable that it is 1.50 or less.

CC層11の電解質材料比は、上述した下限値の各々と、上述した上限値の各々とを任意に組み合わせて特定してもよい。具体的に、CC層11の電解質材料比は、例えば、0.30以上、1.70以下であることとしてもよく、0.40以上、1.60以下であることが好ましく、0.50以上、1.50以下であることがより好ましく、0.60以上、1.50以下であることが特に好ましい。   The electrolyte material ratio of the CC layer 11 may be specified by arbitrarily combining each of the above-described lower limit values and each of the above-described upper limit values. Specifically, the electrolyte material ratio of the CC layer 11 may be, for example, 0.30 or more and 1.70 or less, preferably 0.40 or more and 1.60 or less, and 0.50 or more. , 1.50 or less is more preferable, and 0.60 or more and 1.50 or less is particularly preferable.

CC層11の電解質材料比が上述の範囲内であることにより、例えば、当該CC層11内のガス拡散効率を維持しつつ、優れた触媒活性及び耐久性を達成することができる。   When the electrolyte material ratio of the CC layer 11 is within the above range, for example, excellent catalytic activity and durability can be achieved while maintaining the gas diffusion efficiency in the CC layer 11.

CC層11の重量(例えば、CC層11が炭素触媒と、電解質材料と、さらに他の成分とから構成される場合には、当該炭素触媒の重量と当該電解質材料の重量と当該他の成分の重量との合計)に対する、当該CC層11に含まれる炭素触媒の重量と電解質材料の重量との合計の割合は、本発明の効果が得られる範囲内であれば特に限られないが、例えば、50重量%以上であることとしてもよく、70重量%以上であることが好ましく、80重量%以上であることがより好ましく、90重量%以上であることが特に好ましい。   The weight of the CC layer 11 (for example, when the CC layer 11 is composed of a carbon catalyst, an electrolyte material, and other components, the weight of the carbon catalyst, the weight of the electrolyte material, and the other components) The total ratio of the weight of the carbon catalyst contained in the CC layer 11 and the weight of the electrolyte material is not particularly limited as long as the effect of the present invention is obtained. It may be 50% by weight or more, preferably 70% by weight or more, more preferably 80% by weight or more, and particularly preferably 90% by weight or more.

CC層11は、炭素触媒以外に他の導電性材料を含んでもよい。他の導電性材料は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、導電性炭素材料、導電性セラミックス、酸化チタン、酸化スズ、ニオブをドープした酸化スズ、及びアンチモンをドープした酸化スズからなる群より選択される1以上であることが好ましく、導電性炭素材料であることが特に好ましい。導電性炭素材料は、導電性を有する炭素材料であれば特に限られないが、例えば、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンファイバー、カーボンフィブリル、フラーレン及びグラフェンからなる群より選択される1種以上であることとしてもよい。導電性セラミックスは、導電性を有するセラミックスであれば特に限られないが、例えば、アルミナ、シリカ及びコージライトからなる群より選択される1以上であることが好ましい。   The CC layer 11 may contain other conductive materials besides the carbon catalyst. Other conductive materials are not particularly limited as long as the effects of the present invention can be obtained. For example, conductive carbon materials, conductive ceramics, titanium oxide, tin oxide, niobium-doped tin oxide, and antimony-doped One or more selected from the group consisting of tin oxide is preferable, and a conductive carbon material is particularly preferable. The conductive carbon material is not particularly limited as long as it is a carbon material having conductivity. For example, the conductive carbon material is selected from the group consisting of carbon black, graphite, carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon fiber, carbon fibril, fullerene, and graphene. It is good also as being 1 or more types. The conductive ceramic is not particularly limited as long as it is a ceramic having conductivity. For example, the conductive ceramic is preferably one or more selected from the group consisting of alumina, silica, and cordierite.

CC層11は、保水性材料を含んでもよい。保水性材料は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えばシリカであることが好ましい。CC層11は、炭素触媒以外の導電性材料を含まないこととしてもよい。また、CC層11は、炭素触媒以外の炭素材料を含まないこととしてもよい。また、CC層11は、保水性材料を含まないこととしてもよい。   The CC layer 11 may include a water retention material. The water retention material is not particularly limited as long as the effect of the present invention can be obtained, but for example, silica is preferable. CC layer 11 is good also as not containing electroconductive materials other than a carbon catalyst. The CC layer 11 may not contain any carbon material other than the carbon catalyst. Further, the CC layer 11 may not include a water retention material.

CC層11の重量から電解質材料の重量を減じて得られる残重量(例えば、CC層11が、炭素触媒と、電解質材料と、他の導電性材料と、保水性材料とから構成される場合には、当該炭素触媒の重量と、当該他の導電性材料の重量と、当該保水性材料の重量との合計)に対する、当該CC層11に含まれる炭素触媒の重量の割合は、本発明の効果が得られる範囲内であれば特に限られないが、例えば、50重量%以上であることとしてもよく、60重量%以上であることが好ましく、70重量%以上であることがより好ましく、80重量%以上であることが特に好ましい。   The remaining weight obtained by subtracting the weight of the electrolyte material from the weight of the CC layer 11 (for example, when the CC layer 11 is composed of a carbon catalyst, an electrolyte material, another conductive material, and a water retention material. The ratio of the weight of the carbon catalyst contained in the CC layer 11 to the weight of the carbon catalyst, the weight of the other conductive material, and the weight of the water retention material) is the effect of the present invention. Is not particularly limited, but may be, for example, 50% by weight or more, preferably 60% by weight or more, more preferably 70% by weight or more, and 80% by weight. % Or more is particularly preferable.

CC層11の厚みは、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、1μm以上、100μm以下であることとしてもよく、3μm以上、80μm以下であることが好ましく、5μm以上、60μm以下であることが特に好ましい。   The thickness of the CC layer 11 is not particularly limited as long as the effects of the present invention can be obtained, but may be, for example, 1 μm or more and 100 μm or less, preferably 3 μm or more and 80 μm or less, and preferably 5 μm or more and 60 μm. It is particularly preferred that

Pt層12は、白金含有触媒を含む。白金含有触媒は、白金及び/又は白金合金を含む触媒であれば特に限られない。すなわち、白金含有触媒は、例えば、白金粒子及び/又は白金合金粒子を含む。白金含有触媒は、担体と、当該担体に担持された白金粒子及び/又は白金合金粒子とを含むこととしてもよい。   The Pt layer 12 includes a platinum-containing catalyst. The platinum-containing catalyst is not particularly limited as long as it is a catalyst containing platinum and / or a platinum alloy. That is, the platinum-containing catalyst includes, for example, platinum particles and / or platinum alloy particles. The platinum-containing catalyst may include a support and platinum particles and / or platinum alloy particles supported on the support.

この場合、担体は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、炭素材料、セラミックス(例えば、アルミナ、シリカ及びコージライトからなる群より選択される1以上)、酸化チタン、酸化スズ、ニオブをドープした酸化スズ及びアンチモンをドープした酸化スズからなる群より選択される1以上であることとしてもよく、炭素材料であることが好ましい。   In this case, the support is not particularly limited as long as the effect of the present invention is obtained. For example, the support is a carbon material, ceramics (for example, one or more selected from the group consisting of alumina, silica and cordierite), titanium oxide, oxidation It may be at least one selected from the group consisting of tin, niobium-doped tin oxide and antimony-doped tin oxide, and is preferably a carbon material.

炭素材料は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、導電性炭素材料であることが好ましく、具体的には、例えば、カーボンブラック(例えば、ケッチェンブラック及び/又はバルカン)、カーボンナノチューブ、炭素繊維、黒鉛、酸化黒鉛、グラフェン及び活性炭からなる群より選択される1以上であることが好ましい。白金含有触媒は、担体を含有しない、白金粒子及び/又は白金合金粒子であることとしてもよい。   The carbon material is not particularly limited as long as the effect of the present invention can be obtained, but is preferably a conductive carbon material. Specifically, for example, carbon black (for example, ketjen black and / or vulcan), carbon It is preferably at least one selected from the group consisting of nanotubes, carbon fibers, graphite, graphite oxide, graphene and activated carbon. The platinum-containing catalyst may be platinum particles and / or platinum alloy particles that do not contain a support.

白金合金は、白金と他の金属との合金であれば特に限られないが、例えば、白金と、ニッケル、コバルト、ルテニウム、パラジウム、ニオブ及び鉄からなる群より選択される1以上との合金であることが好ましい。   The platinum alloy is not particularly limited as long as it is an alloy of platinum and another metal. For example, platinum is an alloy of platinum and one or more selected from the group consisting of nickel, cobalt, ruthenium, palladium, niobium, and iron. Preferably there is.

白金含有触媒は、白金及び白金合金以外の金属から構成されるコアと、当該コアを被覆する白金及び/又は白金合金から構成されるシェルとを含むコアシェル型触媒であってもよい。白金含有触媒は、白金及び白金合金以外の金属から構成される基材(例えば、ウィスカ)と、当該基材に積層された白金及び/又は白金合金とを含むナノ構造薄膜(NSTF)型触媒であってもよい。白金含有触媒は、白金及び又は白金合金から構成されるナノフレーム構造を含む触媒であってもよい。   The platinum-containing catalyst may be a core-shell type catalyst including a core composed of a metal other than platinum and a platinum alloy and a shell composed of platinum and / or a platinum alloy covering the core. The platinum-containing catalyst is a nanostructured thin film (NSTF) type catalyst including a base material (for example, whisker) composed of a metal other than platinum and a platinum alloy, and platinum and / or a platinum alloy laminated on the base material. There may be. The platinum-containing catalyst may be a catalyst including a nanoframe structure composed of platinum and / or a platinum alloy.

そして、Pt層12は、特定の範囲内の量で白金を含む。すなわち、Pt層12は、0.002mg/cm以上、0.190mg/cm以下の白金を含む。Pt層12の白金含有量(mg/cm)は、当該Pt層12の単位面積(1cm)あたり、当該Pt層12に含まれる白金の重量(mg)である。したがって、Pt層12の白金含有量(mg/cm)は、当該Pt層12に含まれる白金の重量(mg)を、当該Pt層12の面積(図1に示す例では、ガス拡散層30に向いた電解質膜20の表面20bに対向する、Pt層12の表面12aの面積)(cm)で除することにより得られる。なお、Pt層12に含まれる白金の重量は、例えば、当該Pt層12の白金含有触媒が、担体と、当該担体に担持された白金とを含む場合は、当該白金の重量であり、当該白金含有触媒が白金合金を含む場合には、当該白金合金に含まれる白金の重量である。 The Pt layer 12 contains platinum in an amount within a specific range. That, Pt layer 12, 0.002 mg / cm 2 or more, including 0.190mg / cm 2 or less platinum. The platinum content (mg / cm 2 ) of the Pt layer 12 is the weight (mg) of platinum contained in the Pt layer 12 per unit area (1 cm 2 ) of the Pt layer 12. Therefore, the platinum content (mg / cm 2 ) of the Pt layer 12 is the same as the weight (mg) of platinum contained in the Pt layer 12, but the area of the Pt layer 12 (in the example shown in FIG. 1, the gas diffusion layer 30). It is obtained by dividing by the area of the surface 12a of the Pt layer 12 (cm 2 ) facing the surface 20b of the electrolyte membrane 20 facing the surface. The weight of platinum contained in the Pt layer 12 is, for example, the weight of the platinum when the platinum-containing catalyst of the Pt layer 12 includes a carrier and platinum supported on the carrier. When the contained catalyst contains a platinum alloy, it is the weight of platinum contained in the platinum alloy.

Pt層12の白金含有量は、0.002mg/cm以上、0.190mg/cm以下の範囲内であれば特に限られないが、例えば、0.003mg/cm以上、0.190mg/cm以下であってもよく、0.003mg/cm以上、0.170mg/cm以下であってもよく、0.003mg/cm以上、0.150mg/cm以下であってもよい。 Platinum content of Pt layer 12, 0.002 mg / cm 2 or more, but not particularly limited as long as it is within a range of 0.190mg / cm 2 or less, for example, 0.003 mg / cm 2 or more, 0.190Mg / may be cm 2 or less, 0.003 mg / cm 2 or more, it may also be 0.170Mg / cm 2 or less, 0.003 mg / cm 2 or more, may be 0.150 mg / cm 2 or less .

Pt層12の白金含有量が上述の範囲内であることにより、例えば、カソード10の触媒活性を、当該Pt層12の白金含有触媒に大きく依存させることなく、優れた触媒活性及び耐久性を達成することができる。   When the platinum content of the Pt layer 12 is within the above-described range, for example, the catalytic activity of the cathode 10 is highly dependent on the platinum-containing catalyst of the Pt layer 12 and excellent catalytic activity and durability are achieved. can do.

Pt層12は、他の触媒を含んでもよいが、当該Pt層12に含まれる触媒は、主に白金で構成されることが好ましい。Pt層12の触媒含有量(Pt層12が、担体と、当該担体に担持された白金とから構成される白金含有触媒に加えて、他の触媒を含む場合には、当該白金含有触媒の白金の含有量と当該他の触媒の含有量との合計)に対する、当該Pt層12の白金含有量の割合は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、25重量%以上であることとしてもよく、50重量%以上であることが好ましく、75重量%以上であることがより好ましく、90重量%以上であることが特に好ましい。   The Pt layer 12 may contain another catalyst, but the catalyst contained in the Pt layer 12 is preferably mainly composed of platinum. Catalyst content of the Pt layer 12 (in the case where the Pt layer 12 contains other catalyst in addition to the platinum-containing catalyst composed of the carrier and platinum supported on the carrier, platinum of the platinum-containing catalyst) The ratio of the platinum content of the Pt layer 12 to the total content of the other catalyst and the content of the other catalyst is not particularly limited as long as the effect of the present invention is obtained. The amount may be 50% by weight or more, more preferably 75% by weight or more, and particularly preferably 90% by weight or more.

Pt層12に含まれる他の触媒は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、炭素触媒、金含有触媒、ルテニウム含有触媒、ロジウム含有触媒、パラジウム含有触媒、イリジウム含有触媒、マンガン含有触媒及びセリウム含有触媒からなる群より選択される1以上であることとしてもよい。なお、Pt層12が炭素触媒を含む場合、当該炭素触媒は、酸素還元活性を有するものであれば特に限られず、CC層11に含まれる炭素触媒と同一のものであってもよいし、異なるものであってもよい。   The other catalyst contained in the Pt layer 12 is not particularly limited as long as the effect of the present invention is obtained. For example, a carbon catalyst, a gold-containing catalyst, a ruthenium-containing catalyst, a rhodium-containing catalyst, a palladium-containing catalyst, an iridium-containing catalyst, It may be one or more selected from the group consisting of a manganese-containing catalyst and a cerium-containing catalyst. When the Pt layer 12 includes a carbon catalyst, the carbon catalyst is not particularly limited as long as it has oxygen reduction activity, and may be the same as or different from the carbon catalyst included in the CC layer 11. It may be a thing.

Pt層12は、炭素触媒を含まないこととしてもよい。Pt層12は、金を含まないこととしてもよい。Pt層12は、ルテニウムを含まないこととしてもよい。Pt層12は、ロジウムを含まないこととしてもよい。Pt層12は、パラジウムを含まないこととしてもよい。Pt層12は、イリジウムを含まないこととしてもよい。Pt層12は、マンガンを含まないこととしてもよい。Pt層12は、セリウムを含まないこととしてもよい。Pt層12は、白金含有触媒以外の触媒を含まないこととしてもよい。   The Pt layer 12 may not contain a carbon catalyst. The Pt layer 12 may not contain gold. The Pt layer 12 may not contain ruthenium. The Pt layer 12 may not contain rhodium. The Pt layer 12 may not contain palladium. The Pt layer 12 may not contain iridium. The Pt layer 12 may not contain manganese. The Pt layer 12 may not contain cerium. The Pt layer 12 may not contain any catalyst other than the platinum-containing catalyst.

Pt層12は、触媒以外の成分を含むこととしてもよい。すなわち、Pt層12は、例えば、電解質材料を含む。電解質材料は、プロトン伝導性を有する材料であれば特に限られないが、例えば、アイオノマー及びイオン液体からなる群より選択される1以上であることが好ましい。アイオノマーは、例えば、パーフルオロカーボン材料及びハイドロカーボン材料からなる群より選択される1以上であることが好ましい。パーフルオロカーボン材料は、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーであることが好ましい。ハイドロカーボン材料は、例えば、ハイドロカーボンスルホン酸系ポリマーであることが好ましい。   The Pt layer 12 may contain components other than the catalyst. That is, the Pt layer 12 includes, for example, an electrolyte material. The electrolyte material is not particularly limited as long as it is a material having proton conductivity. For example, the electrolyte material is preferably one or more selected from the group consisting of an ionomer and an ionic liquid. The ionomer is preferably at least one selected from the group consisting of perfluorocarbon materials and hydrocarbon materials, for example. The perfluorocarbon material is preferably, for example, a perfluorocarbon sulfonic acid polymer. The hydrocarbon material is preferably, for example, a hydrocarbon sulfonic acid polymer.

具体的に、電解質材料としては、例えば、NAFION(登録商標)、AQUIVION(登録商標)、ACIPLEX(登録商標)及びFLEMION(登録商標)からなる群より選択される1以上が好ましく使用される。   Specifically, as the electrolyte material, for example, one or more selected from the group consisting of NAFION (registered trademark), AQUIVION (registered trademark), ACIPLEX (registered trademark) and FREMION (registered trademark) is preferably used.

Pt層12に含まれる電解質材料のEW値は、本発明の効果が得られれば特に限られず、例えば、300以上、1100以下であることとしてもよい。この場合、電解質材料のEW値は、400以上、1100以下であることが好ましく、500以上、1100以下であることが特に好ましい。   The EW value of the electrolyte material included in the Pt layer 12 is not particularly limited as long as the effect of the present invention is obtained, and may be, for example, 300 or more and 1100 or less. In this case, the EW value of the electrolyte material is preferably 400 or more and 1100 or less, and particularly preferably 500 or more and 1100 or less.

Pt層12の重量から電解質材料の重量を減じて得られる残重量に対する、当該Pt層12に含まれる電解質材料の重量の比(=Pt層12に含まれる電解質材料の重量/(Pt層12の重量−Pt層12に含まれる電解質材料の重量))(以下、Pt層12について「電解質材料比」という。)は、本発明の効果が得られれば特に限られず、例えば、0.05以上であることとしてもよい。この場合、Pt層12の電解質材料比は、0.10以上であることが好ましく、0.15以上であることが特に好ましい。   Ratio of the weight of the electrolyte material contained in the Pt layer 12 to the remaining weight obtained by subtracting the weight of the electrolyte material from the weight of the Pt layer 12 (= weight of the electrolyte material contained in the Pt layer 12 / (of the Pt layer 12 Weight—weight of the electrolyte material contained in the Pt layer 12)) (hereinafter referred to as “electrolyte material ratio” for the Pt layer 12) is not particularly limited as long as the effect of the present invention is obtained. It may be there. In this case, the electrolyte material ratio of the Pt layer 12 is preferably 0.10 or more, and particularly preferably 0.15 or more.

なお、例えば、Pt層12が白金含有触媒と電解質材料とから構成される場合には、当該Pt層12の上記残重量は当該白金含有触媒の重量(白金含有触媒が、担体と、当該担体に担持された白金とから構成される場合には、当該担体の重量と、当該白金の重量との合計)であるため、当該Pt層12の電解質材料比は、当該白金含有触媒の重量に対する当該電解質材料の重量の比である。また、例えば、Pt層12が白金含有触媒と電解質材料と他の成分とから構成される場合には、当該Pt層12の上記残重量は当該白金含有触媒の重量と当該他の成分の重量との合計(すなわち、電解質材料以外の成分の重量の合計)であるため、当該Pt層12の電解質材料比は、当該白金含有触媒の重量と当該他の触媒の重量との合計に対する、当該白金含有触媒の重量の比である。   For example, when the Pt layer 12 is composed of a platinum-containing catalyst and an electrolyte material, the remaining weight of the Pt layer 12 is the weight of the platinum-containing catalyst (the platinum-containing catalyst is added to the carrier and the carrier). In the case of being composed of supported platinum, the ratio of the electrolyte material of the Pt layer 12 to the weight of the platinum-containing catalyst is the sum of the weight of the carrier and the weight of the platinum). It is the ratio of the weight of the material. For example, when the Pt layer 12 is composed of a platinum-containing catalyst, an electrolyte material, and other components, the remaining weight of the Pt layer 12 is the weight of the platinum-containing catalyst and the weight of the other components. Therefore, the ratio of the electrolyte material of the Pt layer 12 to the total of the weight of the platinum-containing catalyst and the weight of the other catalyst is It is the ratio of the weight of the catalyst.

Pt層12の電解質材料比の上限値は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、当該電解質材料比は、例えば、1.40以下であることとしてもよく、1.30以下であることが好ましく、1.20以下であることがより好ましく、1.10以下であることが特に好ましい。   The upper limit value of the electrolyte material ratio of the Pt layer 12 is not particularly limited as long as the effect of the present invention can be obtained, but the electrolyte material ratio may be, for example, 1.40 or less, and 1.30 or less. Preferably, it is preferably 1.20 or less, particularly preferably 1.10 or less.

Pt層12の電解質材料比は、上述した下限値の各々と、上述した上限値の各々とを任意に組み合わせて特定してもよい。具体的に、Pt層12の電解質材料比は、例えば、0.05以上、1.40以下であることとしてもよく、0.05以上、1.30以下であることが好ましく、0.10以上、1.20以下であることがより好ましく、0.15以上、1.10以下であることが特に好ましい。   The electrolyte material ratio of the Pt layer 12 may be specified by arbitrarily combining each of the above-described lower limit values and each of the above-described upper limit values. Specifically, the electrolyte material ratio of the Pt layer 12 may be, for example, 0.05 or more and 1.40 or less, preferably 0.05 or more and 1.30 or less, and 0.10 or more. 1.20 or less, more preferably 0.15 or more and 1.10 or less.

Pt層12の電解質材料比が上述の範囲内であることにより、例えば、当該Pt層12内のガス拡散効率を維持しつつ、優れた触媒活性及び耐久性を達成することができる。   When the electrolyte material ratio of the Pt layer 12 is within the above range, for example, excellent catalytic activity and durability can be achieved while maintaining the gas diffusion efficiency in the Pt layer 12.

Pt層12の重量(例えば、Pt層が白金含有触媒と、電解質材料と、さらに他の成分とから構成される場合には、当該白金含有触媒の重量と当該電解質材料の重量と当該他の成分の重量との合計)に対する、当該Pt層12に含まれる白金含有触媒の重量と電解質材料の重量との合計の割合は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、20重量%以上であることとしてもよく、40重量%以上であることが好ましく、60重量%以上であることがより好ましく、80重量%以上であることが特に好ましい。   The weight of the Pt layer 12 (for example, when the Pt layer is composed of a platinum-containing catalyst, an electrolyte material, and other components, the weight of the platinum-containing catalyst, the weight of the electrolyte material, and the other components) The total ratio of the weight of the platinum-containing catalyst contained in the Pt layer 12 and the weight of the electrolyte material is not particularly limited as long as the effect of the present invention is obtained. % Or more, preferably 40% by weight or more, more preferably 60% by weight or more, and particularly preferably 80% by weight or more.

Pt層12は、白金含有触媒以外に他の導電性材料を含んでもよい。他の導電性材料は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、導電性炭素材料、導電性セラミックス、酸化チタン、酸化スズ、ニオブをドープした酸化スズ、及びアンチモンをドープした酸化スズからなる群より選択される1以上であることが好ましく、導電性炭素材料であることが特に好ましい。導電性炭素材料は、導電性を有する炭素材料であれば特に限られないが、例えば、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンファイバー、カーボンフィブリル、フラーレン及びグラフェンからなる群より選択される1種以上であることとしてもよい。導電性セラミックスは、導電性を有するセラミックスであれば特に限られないが、例えば、アルミナ、シリカ及びコージライトからなる群より選択される1以上であることが好ましい。   The Pt layer 12 may include other conductive materials in addition to the platinum-containing catalyst. Other conductive materials are not particularly limited as long as the effects of the present invention can be obtained. For example, conductive carbon materials, conductive ceramics, titanium oxide, tin oxide, niobium-doped tin oxide, and antimony-doped One or more selected from the group consisting of tin oxide is preferable, and a conductive carbon material is particularly preferable. The conductive carbon material is not particularly limited as long as it is a carbon material having conductivity. For example, the conductive carbon material is selected from the group consisting of carbon black, graphite, carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon fiber, carbon fibril, fullerene, and graphene. It is good also as being 1 or more types. The conductive ceramic is not particularly limited as long as it is a ceramic having conductivity. For example, the conductive ceramic is preferably one or more selected from the group consisting of alumina, silica, and cordierite.

Pt層12は、保水性材料を含んでもよい。保水性材料は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えばシリカであることが好ましい。Pt層12は、炭素触媒以外の炭素材料を含まないこととしてもよい。Pt層12は、白金含有触媒以外の導電性材料を含まないこととしてもよい。また、Pt層12は、保水性材料を含まないこととしてもよい。   The Pt layer 12 may include a water retention material. The water retention material is not particularly limited as long as the effect of the present invention can be obtained, but for example, silica is preferable. The Pt layer 12 may not contain any carbon material other than the carbon catalyst. The Pt layer 12 may not include a conductive material other than the platinum-containing catalyst. Further, the Pt layer 12 may not contain a water retention material.

Pt層12の重量から電解質材料の重量を減じて得られる残重量(例えば、Pt層12が、白金含有触媒と、電解質材料と、他の導電性材料と、保水性材料とから構成される場合には、当該白金含有触媒の重量と、当該他の導電性材料の重量と、当該保水性材料の重量との合計)に対する、当該Pt層12に含まれる白金含有触媒の重量の割合は、本発明の効果が得られる範囲内であれば特に限られないが、例えば、20重量%以上であることとしてもよく、40重量%以上であることが好ましく、60重量%以上であることがより好ましく、80重量%以上であることが特に好ましい。   The remaining weight obtained by subtracting the weight of the electrolyte material from the weight of the Pt layer 12 (for example, when the Pt layer 12 is composed of a platinum-containing catalyst, an electrolyte material, another conductive material, and a water retention material. The ratio of the weight of the platinum-containing catalyst contained in the Pt layer 12 to the total weight of the platinum-containing catalyst, the weight of the other conductive material, and the weight of the water retention material) is Although not particularly limited as long as the effects of the invention can be obtained, for example, it may be 20% by weight or more, preferably 40% by weight or more, and more preferably 60% by weight or more. 80% by weight or more is particularly preferable.

Pt層12の厚みは、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、0.1μm以上、50μm以下であることとしてもよく、0.5μm以上、20μm以下であることが好ましく、1μm以上、10μm以下であることが特に好ましい。   The thickness of the Pt layer 12 is not particularly limited as long as the effects of the present invention can be obtained. For example, the thickness may be 0.1 μm or more and 50 μm or less, and preferably 0.5 μm or more and 20 μm or less. It is particularly preferably 1 μm or more and 10 μm or less.

カソード10において、CC層11とPt層12とは触媒の組成が異なる。すなわち、CC層11が上述したいずれかの下限値(mg/cm)以上の量で炭素触媒を含む場合、Pt層12の炭素触媒含有量は、当該下限値未満であることとしてもよい。Pt層12が上述したいずれかの下限値(mg/cm)以上の量で白金を含む場合、CC層11の白金含有量は、当該下限値未満であることとしてもよい。 In the cathode 10, the CC layer 11 and the Pt layer 12 have different catalyst compositions. That is, when the CC layer 11 contains the carbon catalyst in an amount equal to or higher than any one of the lower limit values (mg / cm 2 ) described above, the carbon catalyst content of the Pt layer 12 may be less than the lower limit value. When the Pt layer 12 contains platinum in an amount equal to or higher than any one of the lower limit values (mg / cm 2 ) described above, the platinum content of the CC layer 11 may be less than the lower limit value.

CC層11の触媒含有量に対する、当該CC層11の炭素触媒含有量の割合が上述したいずれかの下限値(重量%)以上である場合、Pt層12の触媒含有量に対する、当該Pt層12の炭素触媒含有量の割合は当該下限値未満であることとしてもよい。Pt層12の触媒含有量に対する、当該Pt層12の白金含有量の割合が上述したいずれかの下限値(重量%)以上である場合、CC層11の触媒含有量に対する、当該CC層11の白金含有量の割合は当該下限値未満であることとしてもよい。   When the ratio of the carbon catalyst content of the CC layer 11 to the catalyst content of the CC layer 11 is equal to or greater than any one of the lower limit values (% by weight) described above, the Pt layer 12 with respect to the catalyst content of the Pt layer 12 The proportion of the carbon catalyst content may be less than the lower limit. When the ratio of the platinum content of the Pt layer 12 with respect to the catalyst content of the Pt layer 12 is equal to or greater than any one of the lower limit values (% by weight) described above, the CC layer 11 with respect to the catalyst content of the CC layer 11 The ratio of the platinum content may be less than the lower limit.

カソード10の触媒は主に、炭素触媒及び白金で構成されることが好ましい。すなわち、カソード10の触媒含有量(例えば、カソード10がCC層11とPt層12とから構成される場合には、当該CC層11の触媒含有量と当該Pt層12の触媒含有量との合計)に対する、当該カソード10の炭素触媒含有量と白金含有量との合計の割合は、例えば、50重量%以上であることとしてもよく、80重量%以上であることが好ましく、90重量%以上であることが特に好ましい。   The catalyst of the cathode 10 is preferably mainly composed of a carbon catalyst and platinum. That is, the catalyst content of the cathode 10 (for example, when the cathode 10 is composed of the CC layer 11 and the Pt layer 12, the total of the catalyst content of the CC layer 11 and the catalyst content of the Pt layer 12) ) With respect to the total amount of the carbon catalyst content and the platinum content of the cathode 10 may be, for example, 50% by weight or more, preferably 80% by weight or more, and 90% by weight or more. It is particularly preferred.

カソード10の炭素触媒は主に、CC層11の炭素触媒で構成されることが好ましい。すなわち、カソード10の炭素触媒含有量(例えば、CC層11及びPt層12がいずれも炭素触媒を含む場合には、当該CC層11の炭素触媒含有量と当該Pt層12の炭素触媒含有量との合計)に対する、CC層11の炭素触媒含有量の割合は、例えば、50重量%以上であることとしてもよく、80重量%以上であることが好ましく、90重量%以上であることが特に好ましい。   The carbon catalyst of the cathode 10 is preferably mainly composed of the carbon catalyst of the CC layer 11. That is, the carbon catalyst content of the cathode 10 (for example, when both the CC layer 11 and the Pt layer 12 include a carbon catalyst, the carbon catalyst content of the CC layer 11 and the carbon catalyst content of the Pt layer 12) The ratio of the carbon catalyst content of the CC layer 11 with respect to the total) may be, for example, 50% by weight or more, preferably 80% by weight or more, and particularly preferably 90% by weight or more. .

カソード10の白金は主に、Pt層12の白金で構成されることが好ましい。すなわち、カソード10の白金含有量(例えば、CC層11及びPt層12がいずれも白金を含む場合には、当該CC層11の白金含有量と当該Pt層12の白金含有量との合計)に対する、Pt層12の白金含有量の割合は、例えば、10重量%以上であることとしてもよく、30重量%以上であることが好ましく、50重量%以上であることが特に好ましい。   The platinum of the cathode 10 is preferably composed mainly of platinum of the Pt layer 12. That is, with respect to the platinum content of the cathode 10 (for example, when both the CC layer 11 and the Pt layer 12 contain platinum, the total of the platinum content of the CC layer 11 and the platinum content of the Pt layer 12). The proportion of the platinum content in the Pt layer 12 may be, for example, 10% by weight or more, preferably 30% by weight or more, and particularly preferably 50% by weight or more.

カソード10の酸素還元活性は主に、CC層11に含まれる炭素触媒により発揮されることが好ましい。すなわち、カソード10の白金含有量は、当該カソード10の酸素還元活性が、当該カソード10の白金含有触媒に大きく依存しない程度に抑えられることが好ましい。白金は炭素触媒に比べて被毒されやすいため、カソード10の酸素還元活性が白金含有触媒に大きく依存する場合、当該白金含有触媒が被毒されることによって電池の性能が急激に低下してしまう。これに対し、カソード10の酸素還元活性が主に炭素触媒により発揮され、白金含有触媒に大きく依存しない場合には、当該白金含有触媒が被毒されても、電池の性能の急激な低下は回避される。   The oxygen reduction activity of the cathode 10 is preferably exerted mainly by the carbon catalyst contained in the CC layer 11. That is, the platinum content of the cathode 10 is preferably suppressed to such an extent that the oxygen reduction activity of the cathode 10 does not greatly depend on the platinum-containing catalyst of the cathode 10. Since platinum is more easily poisoned than a carbon catalyst, when the oxygen reduction activity of the cathode 10 is highly dependent on the platinum-containing catalyst, the performance of the battery is drastically reduced due to the poisoning of the platinum-containing catalyst. . On the other hand, when the oxygen reduction activity of the cathode 10 is mainly exerted by the carbon catalyst and does not depend greatly on the platinum-containing catalyst, even if the platinum-containing catalyst is poisoned, a sudden decrease in battery performance is avoided. Is done.

この点、CC層11における炭素触媒の含有量(mg/cm)に対する、Pt層12における白金の含有量(mg/cm)の割合(以下、「Pt/CC割合」という。)は、例えば、20.00重量%以下であることとしてもよい。 In this regard, the ratio of the platinum content (mg / cm 2 ) in the Pt layer 12 to the carbon catalyst content (mg / cm 2 ) in the CC layer 11 (hereinafter referred to as “Pt / CC ratio”) is as follows. For example, it may be 20.00% by weight or less.

この場合、カソード10のPt/CC割合は、7.00重量%以下であることが好ましく、4.80重量%以下であることがより好ましく、3.80重量%以下であることがより一層好ましく、2.80重量%以下であることが特に好ましい。   In this case, the Pt / CC ratio of the cathode 10 is preferably 7.00% by weight or less, more preferably 4.80% by weight or less, and even more preferably 3.80% by weight or less. It is particularly preferred that it is 2.80% by weight or less.

カソード10のPt/CC割合の下限値は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、当該Pt/CC割合は、例えば、0.10重量%以上であることとしてもよく、0.15重量%以上であることが好ましい。   The lower limit value of the Pt / CC ratio of the cathode 10 is not particularly limited as long as the effect of the present invention can be obtained, but the Pt / CC ratio may be, for example, 0.10% by weight or more. It is preferably 15% by weight or more.

Pt/CC割合は、上述した下限値の各々と、上述した上限値の各々とを任意に組み合わせて、規定することができる。具体的に、カソード10のPt/CC割合は、例えば、0.10重量%以上、20.00重量%以下であることとしてもよく、0.15重量%以上、7.00重量%以下であることが好ましく、0.15重量%以上、4.80重量%以下であることがより好ましく、0.15重量%以上、3.80重量%以下であることがより一層好ましく、0.15重量%以上、2.80重量%以下であることが特に好ましい。   The Pt / CC ratio can be defined by arbitrarily combining each of the above-described lower limit values and each of the above-described upper limit values. Specifically, the Pt / CC ratio of the cathode 10 may be, for example, 0.10 wt% or more and 20.00 wt% or less, and is 0.15 wt% or more and 7.00 wt% or less. It is preferably 0.15% by weight or more and 4.80% by weight or less, more preferably 0.15% by weight or more and 3.80% by weight or less, and further preferably 0.15% by weight or less. The content is particularly preferably 2.80% by weight or less.

カソード10において、Pt層12の厚みは、CC層11の厚みより小さいこととしてもよい。すなわち、CC層11の厚み(μm)に対する、Pt層12の厚み(μm)の割合は、例えば、1%以上、99%以下であることとしてもよく、2%以上、75%以下であることが好ましく、2%以上、50%以下であることが特に好ましい。   In the cathode 10, the thickness of the Pt layer 12 may be smaller than the thickness of the CC layer 11. That is, the ratio of the thickness (μm) of the Pt layer 12 to the thickness (μm) of the CC layer 11 may be, for example, 1% or more and 99% or less, and 2% or more and 75% or less. Is preferably 2% or more and 50% or less.

なお、図1の例において、CC層11の厚みは、当該CC層11の電解質膜20方向(すなわち、Pt層12方向)を向いた表面11aと、当該CC層11のガス拡散層30方向を向いた表面11bとの距離であり、Pt層12の厚みは、当該Pt層12の電解質膜20方向を向いた表面12aと、当該Pt層12のガス拡散層30方向(すなわち、CC層11方向)を向いた表面12bとの距離である。   In the example of FIG. 1, the thickness of the CC layer 11 is such that the surface 11 a of the CC layer 11 facing the electrolyte membrane 20 direction (that is, the Pt layer 12 direction) and the gas diffusion layer 30 direction of the CC layer 11. The thickness of the Pt layer 12 is the distance between the Pt layer 12 and the gas diffusion layer 30 direction of the Pt layer 12 (ie, the CC layer 11 direction). ) Is the distance from the surface 12b facing.

Pt層12は、CC層11の電解質膜20方向を向いた表面11aの一部又は全部を覆っている。この点、Pt層12は、CC層11の電解質膜20方向を向いた表面11aの面積の30%以上を覆っていることとしてもよく、70%以上を覆っていることが好ましく、90%以上を覆っていることが特に好ましい。   The Pt layer 12 covers part or all of the surface 11a of the CC layer 11 facing the electrolyte membrane 20 direction. In this regard, the Pt layer 12 may cover 30% or more of the area of the surface 11a of the CC layer 11 facing the electrolyte membrane 20, and preferably covers 70% or more, 90% or more. It is particularly preferable to cover

カソード10は、CC層11と、当該CC層11に積層されたPt層12とを含むが、当該CC層11とPt層12との間、当該CC層11とガス拡散層30との間、及び当該Pt層12と電解質膜12との間、からなる群より選択される1以上の位置に配置される、他の層をさらに含んでもよい。ただし、カソード10の触媒層は、主にCC層11及びPt層12から構成されることが好ましい。   The cathode 10 includes a CC layer 11 and a Pt layer 12 laminated on the CC layer 11, but between the CC layer 11 and the Pt layer 12, between the CC layer 11 and the gas diffusion layer 30, In addition, another layer disposed at one or more positions selected from the group consisting of the Pt layer 12 and the electrolyte membrane 12 may be further included. However, the catalyst layer of the cathode 10 is preferably mainly composed of the CC layer 11 and the Pt layer 12.

カソード10の触媒層の厚み(例えば、カソード10の触媒層が、CC層11と、Pt層12と、他の層とから構成される場合には、当該CC層11の厚みと、当該Pt層12の厚みと、当該他の層の厚みとの合計)に対する、CC層11の厚みとPt層12の厚みとの合計の割合は、例えば、50%以上であることとしてもよく、70%以上であることが好ましく、90%以上であることが特に好ましい。   The thickness of the catalyst layer of the cathode 10 (for example, when the catalyst layer of the cathode 10 is composed of the CC layer 11, the Pt layer 12, and other layers, the thickness of the CC layer 11 and the Pt layer) The total ratio of the thickness of the CC layer 11 and the thickness of the Pt layer 12 to the total thickness of 12 and the thickness of the other layer may be, for example, 50% or more, and 70% or more. It is preferable that it is 90% or more.

CC層11が上述した特定の範囲内の量(mg/cm)で炭素触媒を含む場合、カソード10は、当該CC層11とPt層12との間、当該CC層11とガス拡散層30との間、及び当該Pt層12と電解質膜12との間、からなる群より選択される1以上の位置に配置される、炭素触媒含有量が当該特定の範囲外である他の層を含まないこととしてもよい。 When the CC layer 11 includes the carbon catalyst in an amount (mg / cm 2 ) within the specific range described above, the cathode 10 is between the CC layer 11 and the Pt layer 12 and between the CC layer 11 and the gas diffusion layer 30. And other layers having a carbon catalyst content outside the specific range, which are disposed at one or more positions selected from the group consisting of the Pt layer 12 and the electrolyte membrane 12. It's okay to not.

Pt層12が上述した特定の範囲内の量(mg/cm)で白金を含む場合、カソード10は、当該CC層11とPt層12との間、当該CC層11とガス拡散層30との間、及び当該Pt層12と電解質膜12との間、からなる群より選択される1以上の位置に配置される、白金含有量が当該特定の範囲外である他の層を含まないこととしてもよい。 When the Pt layer 12 contains platinum in an amount (mg / cm 2 ) within the specific range described above, the cathode 10 is between the CC layer 11 and the Pt layer 12, the CC layer 11, the gas diffusion layer 30, and the like. And other layers having a platinum content outside the specific range are disposed at one or more positions selected from the group consisting of the Pt layer 12 and the electrolyte membrane 12. It is good.

カソード10は、CC層11とPt層12との間、CC層11とガス拡散層30との間、及びPt層12と電解質膜12との間、からなる群より選択される1以上の位置に配置される、触媒を含む他の層(例えば、触媒と電解質材料とを含む他の層)を含まないこととしてもよい。   The cathode 10 is at least one position selected from the group consisting of the CC layer 11 and the Pt layer 12, the CC layer 11 and the gas diffusion layer 30, and the Pt layer 12 and the electrolyte membrane 12. It is good also as not including the other layer (For example, the other layer containing a catalyst and electrolyte material) arrange | positioned in (1).

カソード10は、CC層11とPt層12との間、CC層11とガス拡散層30との間、及びPt層12と電解質膜12との間、からなる群より選択される1以上の位置に配置される、触媒を含まない他の層(例えば、電解質材料を含み、触媒を含まない他の層)を含まないこととしてもよい。   The cathode 10 is at least one position selected from the group consisting of the CC layer 11 and the Pt layer 12, the CC layer 11 and the gas diffusion layer 30, and the Pt layer 12 and the electrolyte membrane 12. It is good also as not including the other layer (For example, the other layer which contains electrolyte material and does not contain a catalyst) arrange | positioned in (4).

カソード10は、CC層11とPt層12との間、CC層11とガス拡散層30との間、及びPt層12と電解質膜12との間、からなる群より選択される1以上の位置に配置される、他の層(例えば、電解質材料を含む他の層)を含まないこととしてもよい。すなわち、この場合、カソード10の触媒層は、CC層11とPt層12とから構成される。   The cathode 10 is at least one position selected from the group consisting of the CC layer 11 and the Pt layer 12, the CC layer 11 and the gas diffusion layer 30, and the Pt layer 12 and the electrolyte membrane 12. It is good also as not including the other layer (For example, the other layer containing electrolyte material) arrange | positioned in (1). That is, in this case, the catalyst layer of the cathode 10 includes the CC layer 11 and the Pt layer 12.

カソード10において、CC層11とPt層12との距離は小さいことが好ましい。すなわち、CC層11とPt層12との距離(例えば、図1に示す例において、CC層11の電解質膜20方向を向いた表面11aと、Pt層12のガス拡散層30方向を向いた表面12bとの距離)は、例えば、20μm以下であることとしてもよく、10μm以下であることが好ましく、5μm以下であることが特に好ましい。   In the cathode 10, the distance between the CC layer 11 and the Pt layer 12 is preferably small. That is, the distance between the CC layer 11 and the Pt layer 12 (for example, in the example shown in FIG. 1, the surface 11a of the CC layer 11 facing the electrolyte membrane 20 and the surface of the Pt layer 12 facing the gas diffusion layer 30) The distance from 12b may be, for example, 20 μm or less, preferably 10 μm or less, and particularly preferably 5 μm or less.

CC層11とPt層12とは接していることが好ましい。すなわち、CC層11の電解質膜20方向を向いた表面11aと、Pt層12のガス拡散層30方向を向いた表面12bとは接していることが好ましい。   The CC layer 11 and the Pt layer 12 are preferably in contact with each other. That is, the surface 11a of the CC layer 11 facing the electrolyte membrane 20 and the surface 12b of the Pt layer 12 facing the gas diffusion layer 30 are preferably in contact with each other.

カソード10は、基材上に配置されていてもよい。この場合、基材上に配置されたカソード10は、上記いずれかの特定の範囲内の量で炭素触媒を含むCC層11と、当該CC層11と当該基材との間に配置され又は当該CC層11に対して当該基材の反対側に配置された、上記いずれかの特定の範囲内の量で白金を含むPt層12とを含む。すなわち、この場合、基材と、当該基材上に配置されたカソード10とを含むカソード構造体が形成される。   The cathode 10 may be disposed on a substrate. In this case, the cathode 10 disposed on the substrate is disposed between the CC layer 11 containing the carbon catalyst in an amount within any one of the specific ranges described above, and between the CC layer 11 and the substrate. And a Pt layer 12 containing platinum in an amount within any one of the specific ranges disposed on the opposite side of the substrate relative to the CC layer 11. That is, in this case, a cathode structure including the base material and the cathode 10 disposed on the base material is formed.

基材は、カソード10を含むMEA1又は電池の製造を可能とするものであれば特に限られないが、例えば、電解質膜20、ガス拡散層30、又は転写用基材であることが好ましい。   The substrate is not particularly limited as long as the MEA 1 including the cathode 10 or a battery can be manufactured. For example, the electrolyte membrane 20, the gas diffusion layer 30, or the transfer substrate is preferable.

具体的に、ガス拡散層30上に配置されたカソード10は、CC層11と、当該CC層11に対して当該ガス拡散層30の反対側に配置されたPt層12とを含むこととしてもよい。また、電解質膜20上に配置されたカソード10は、CC層11と、当該CC層11と当該電解質膜20との間に配置されたPt層12とを含むこととしてもよい。また、転写用基材上に配置されたカソード10は、CC層11と、当該CC層11と当該転写用基材との間、又は当該CC層11に対して当該転写用基材の反対側に配置されたPt層12とを含むこととしてもよい。   Specifically, the cathode 10 disposed on the gas diffusion layer 30 may include a CC layer 11 and a Pt layer 12 disposed on the opposite side of the gas diffusion layer 30 with respect to the CC layer 11. Good. The cathode 10 disposed on the electrolyte membrane 20 may include a CC layer 11 and a Pt layer 12 disposed between the CC layer 11 and the electrolyte membrane 20. Further, the cathode 10 disposed on the transfer substrate is the CC layer 11, the CC layer 11 and the transfer substrate, or the opposite side of the transfer substrate with respect to the CC layer 11. It is good also as including the Pt layer 12 arrange | positioned.

なお、カソード10が転写用基材上に配置される場合、例えば、まず当該転写用基材上に当該カソード10が形成され、その後、当該カソード10を含むMEA1又は電池の製造において、当該カソード10は、当該転写用基材から、当該MEA1又は電池に含まれる電解質膜20又はガス拡散層30に転写される。転写用基材は、上述したカソード10の転写を可能とするものであれば特に限られないが、例えば、樹脂フィルム又は金属フィルムであることが好ましい。   When the cathode 10 is disposed on the transfer substrate, for example, the cathode 10 is first formed on the transfer substrate, and then the cathode 10 is manufactured in manufacturing the MEA 1 or the battery including the cathode 10. Is transferred from the transfer substrate to the electrolyte membrane 20 or the gas diffusion layer 30 included in the MEA 1 or the battery. The transfer substrate is not particularly limited as long as it enables transfer of the cathode 10 described above, but is preferably a resin film or a metal film, for example.

カソード10は、CC層11及びPt層12を形成することを含む方法により製造される。CC層11は、炭素触媒を含み流動性を有する組成物(以下、「CC層組成物」という。)の塗布及び乾燥により形成される。Pt層12は、白金含有触媒を含み流動性を有する組成物(以下、「Pt層組成物」という。)の塗布及び乾燥により形成される。   The cathode 10 is manufactured by a method including forming the CC layer 11 and the Pt layer 12. The CC layer 11 is formed by applying and drying a composition containing a carbon catalyst and having fluidity (hereinafter referred to as “CC layer composition”). The Pt layer 12 is formed by applying and drying a flowable composition containing a platinum-containing catalyst (hereinafter referred to as “Pt layer composition”).

すなわち、例えば、まず基材(例えば、ガス拡散層30又は転写用基材)上にCC層組成物を塗布及び乾燥してCC層11を形成し、次いで、当該CC層11上にPt層組成物を塗布及び乾燥してPt層12を形成する。また、例えば、まず基材(例えば、電解質膜20又は転写用基材)上にPt層組成物を塗布及び乾燥してPt層12を形成し、次いで、当該Pt層12上にCC層組成物を塗布及び乾燥してCC層11を形成する。また、例えば、まず第一の基材(例えば、ガス拡散層30又は転写用基材)上にCC層組成物を塗布及び乾燥してCC層11を形成する一方で、第二の基材(例えば、電解質膜20又は転写用基材)上にPt層組成物を塗布及び乾燥してPt層12を形成し、次いで、当該CC層11と当該Pt層12とが積層されるように、当該第一の基材と当該第二の基材とを圧着してもよい。   That is, for example, first, a CC layer composition is applied and dried on a substrate (for example, the gas diffusion layer 30 or a transfer substrate) to form the CC layer 11, and then the Pt layer composition is formed on the CC layer 11. The material is applied and dried to form the Pt layer 12. Also, for example, first, a Pt layer composition is applied and dried on a substrate (for example, the electrolyte membrane 20 or a transfer substrate) to form the Pt layer 12, and then the CC layer composition is formed on the Pt layer 12. Is applied and dried to form the CC layer 11. In addition, for example, the CC layer composition is first applied and dried on a first substrate (for example, the gas diffusion layer 30 or a transfer substrate) to form the CC layer 11, while the second substrate ( For example, the Pt layer composition is applied and dried on the electrolyte membrane 20 or the transfer substrate) to form the Pt layer 12, and then the CC layer 11 and the Pt layer 12 are laminated. The first base material and the second base material may be pressure-bonded.

なお、CC層11は、CC層組成物の塗布を1回のみ行うことにより形成してもよいし、CC層組成物の塗布を複数回行うことにより(すなわち、重ね塗りすることにより)形成してもよい。CC層組成物の炭素触媒含有量、及び/又は、当該CC層組成物を塗布する量及び/又は回数は、最終的に形成されるCC層11が、上述した特定の範囲内の量で炭素触媒を含むこととなるように調整される。   The CC layer 11 may be formed by applying the CC layer composition only once, or by applying the CC layer composition a plurality of times (that is, by overcoating). May be. The carbon catalyst content of the CC layer composition and / or the amount and / or the number of times of application of the CC layer composition are such that the CC layer 11 finally formed is carbon in an amount within the specific range described above. It is adjusted to contain the catalyst.

同様に、Pt層12は、Pt層組成物の塗布を1回のみ行うことにより形成してもよいし、Pt層組成物の塗布を複数回行うことにより形成してもよい。Pt層組成物の白金含有量、及び/又は、当該Pt層組成物を塗布する量及び/又は回数は、最終的に形成されるPt層12が、上述した特定の範囲内の量で白金を含むこととなるように調整される。   Similarly, the Pt layer 12 may be formed by applying the Pt layer composition only once, or may be formed by applying the Pt layer composition a plurality of times. The platinum content of the Pt layer composition and / or the amount and / or number of times of application of the Pt layer composition are determined so that the Pt layer 12 finally formed contains platinum in an amount within the specific range described above. Adjusted to include.

カソード10がCC層11及びPt層12に加えて他の層を含む場合には、当該カソード10の製造方法は、当該他の層を形成することをさらに含む。他の層は、例えば、CC層11及びPt層12と同様に、当該他の層の組成に対応する成分を含み流動性を有する組成物の塗布及び乾燥により形成される。   When the cathode 10 includes other layers in addition to the CC layer 11 and the Pt layer 12, the method for manufacturing the cathode 10 further includes forming the other layers. Other layers are formed, for example, by application and drying of a fluid composition containing components corresponding to the composition of the other layers, like the CC layer 11 and the Pt layer 12.

CC層11の表面11a,11b及びPt層12の表面12a,12bは、これらの形成工程により特定されてもよい。すなわち、例えば、ガス拡散層30の表面30aにCC層組成物を1回又は複数回塗布してCC層11を形成する場合、当該CC層組成物を最後に塗布して形成される表面が、当該CC層11の電解質膜20方向を向いた表面11aである。   The surfaces 11a and 11b of the CC layer 11 and the surfaces 12a and 12b of the Pt layer 12 may be specified by these forming processes. That is, for example, when the CC layer composition is applied to the surface 30a of the gas diffusion layer 30 one or more times to form the CC layer 11, the surface formed by finally applying the CC layer composition is: The surface 11a of the CC layer 11 faces the electrolyte membrane 20 direction.

また、例えば、まずPt層12を形成し、次いで当該Pt層12のガス拡散層30方向の位置にCC層組成物を1回又は複数回塗布してCC層11を形成する場合、当該Pt層12の形成後に最初に当該CC層組成物を塗布して形成された層の当該Pt層12方向を向いた表面が、当該CC層11の電解質膜20方向を向いた表面11aである。   In addition, for example, when the Pt layer 12 is first formed, and then the CC layer composition is applied one or more times to the position of the Pt layer 12 in the direction of the gas diffusion layer 30, the Pt layer 12 is formed. The surface of the layer formed by first applying the CC layer composition after the formation of 12 faces toward the Pt layer 12 is a surface 11a of the CC layer 11 facing toward the electrolyte membrane 20.

MEA1は、カソード10と、アノード40と、当該カソード10と当該アノード40との間に配置される電解質膜20とを含む。より具体的に、MEA1は、例えば、一対のガス拡散層30,50と、当該一対のガス拡散層30,50の間に配置される電解質膜20と、一方の当該ガス拡散層30と、当該電解質膜20との間に配置されるカソード10と、他方の当該ガス拡散層50と、当該電解質膜20との間に配置されるアノード40と、を含み、当該カソード10は、CC層11と、当該CC層11と当該電解質膜20との間に配置されるPt層20とを含む。   The MEA 1 includes a cathode 10, an anode 40, and an electrolyte membrane 20 disposed between the cathode 10 and the anode 40. More specifically, the MEA 1 includes, for example, a pair of gas diffusion layers 30, 50, an electrolyte membrane 20 disposed between the pair of gas diffusion layers 30, 50, one gas diffusion layer 30, The cathode 10 disposed between the electrolyte membrane 20, the other gas diffusion layer 50, and the anode 40 disposed between the electrolyte membrane 20, and the cathode 10 includes the CC layer 11 And a Pt layer 20 disposed between the CC layer 11 and the electrolyte membrane 20.

ガス拡散層30,50は、カソード10への空気等のガスの供給や、アノード40への水素等の燃料の供給を可能にする多孔質体であれば特に限られず、燃料電池等の電池に使用される公知のガス拡散層であってもよい。ガス拡散層30,50は、例えば、カーボンペーパー及び/又はカーボンクロスを含むこととしてもよい。   The gas diffusion layers 30 and 50 are not particularly limited as long as the gas diffusion layers 30 and 50 are porous bodies that enable supply of gas such as air to the cathode 10 and supply of fuel such as hydrogen to the anode 40. It may be a known gas diffusion layer used. The gas diffusion layers 30 and 50 may include, for example, carbon paper and / or carbon cloth.

ガス拡散層30,50は、水管理等を目的として、カソード10及び/又はアノード40との間に配置されるマイクロポーラス層を含んでもよい。マイクロポーラス層は本発明の効果が得られれば特に限られず、燃料電池等の電池に含まれるガス拡散層に使用される公知のマイクロポーラス層であってもよい。   The gas diffusion layers 30 and 50 may include a microporous layer disposed between the cathode 10 and / or the anode 40 for the purpose of water management and the like. The microporous layer is not particularly limited as long as the effects of the present invention can be obtained, and may be a known microporous layer used for a gas diffusion layer included in a battery such as a fuel cell.

電解質膜20は、プロトン伝導性を有するポリマーの膜であれば特に限られず、燃料電池等の電池に使用される公知の電解質膜であってもよいが、アイオノマーの膜であることが好ましい。アイオノマーは、例えば、パーフルオロカーボン材料及びハイドロカーボン材料からなる群より選択される1以上であることが好ましい。パーフルオロカーボン材料は、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーであることが好ましい。ハイドロカーボン材料は、例えば、ハイドロカーボンスルホン酸系ポリマーであることが好ましい。   The electrolyte membrane 20 is not particularly limited as long as it is a polymer membrane having proton conductivity, and may be a known electrolyte membrane used in a battery such as a fuel cell, but is preferably an ionomer membrane. The ionomer is preferably at least one selected from the group consisting of perfluorocarbon materials and hydrocarbon materials, for example. The perfluorocarbon material is preferably, for example, a perfluorocarbon sulfonic acid polymer. The hydrocarbon material is preferably, for example, a hydrocarbon sulfonic acid polymer.

具体的に、電解質膜20としては、例えば、NAFION(登録商標)、AQUIVION(登録商標)、ACIPLEX(登録商標)及びFLEMION(登録商標)からなる群より選択される1以上の膜が好ましく使用される。電解質膜20は、固体高分子電解質膜であることが好ましい。   Specifically, as the electrolyte membrane 20, for example, one or more membranes selected from the group consisting of NAFION (registered trademark), AQUIVION (registered trademark), ACIPLEX (registered trademark) and FREMION (registered trademark) are preferably used. The The electrolyte membrane 20 is preferably a solid polymer electrolyte membrane.

電解質膜20の厚みは、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、1μm以上、100μm以下であることとしてもよく、5μm以上、50μm以下であることが好ましく、8μm以上、30μm以下であることが特に好ましい。   The thickness of the electrolyte membrane 20 is not particularly limited as long as the effect of the present invention can be obtained. For example, the thickness may be 1 μm or more and 100 μm or less, preferably 5 μm or more and 50 μm or less, and more preferably 8 μm or more and 30 μm. It is particularly preferred that

アノード40は、燃料の酸化反応活性を有する触媒及び/又は燃料の酸化分解能を有する微生物を含むものであれば特に限られない。アノード40に供給される燃料は、例えば、水素、炭化水素化合物(例えば、メタン及び/又はエタン)、アルコール類(例えば、メタノール及び/又はエタノール)、カルボン酸化合物(例えば、ギ酸及び/又は酢酸)、糖類(例えば、グルコース)、窒素含有化合物(例えば、アンモニア及び/又はヒドラジン)、及びその他の有機物(例えば、汚泥又は産業排水に含まれる有機物)からなる群より選択される1以上であることとしてもよい。   The anode 40 is not particularly limited as long as it includes a catalyst having a fuel oxidation reaction activity and / or a microorganism having a fuel oxidation ability. The fuel supplied to the anode 40 is, for example, hydrogen, hydrocarbon compounds (for example, methane and / or ethane), alcohols (for example, methanol and / or ethanol), carboxylic acid compounds (for example, formic acid and / or acetic acid). , One or more selected from the group consisting of saccharides (eg, glucose), nitrogen-containing compounds (eg, ammonia and / or hydrazine), and other organic substances (eg, organic substances contained in sludge or industrial wastewater) Also good.

アノード40の触媒は、例えば、白金含有触媒、ルテニウム含有触媒、ロジウム含有触媒、パラジウム含有触媒、イリジウム含有触媒、ニッケル含有触媒、コバルト含有触媒及び鉄含有触媒からなる群より選択される1以上であることが好ましい。アノード40の微生物は、燃料の酸化分解能を有するものであれば特に限られない。   The catalyst of the anode 40 is, for example, one or more selected from the group consisting of a platinum-containing catalyst, a ruthenium-containing catalyst, a rhodium-containing catalyst, a palladium-containing catalyst, an iridium-containing catalyst, a nickel-containing catalyst, a cobalt-containing catalyst, and an iron-containing catalyst. It is preferable. The microorganism of the anode 40 is not particularly limited as long as it has an ability to oxidize fuel.

アノード40の触媒含有量は、例えば、0.001mg/cm以上、0.5mg/cm以下であることとしてもよく、0.005mg/cm以上、0.3mg/cm以下であることが好ましい。 The catalyst content of the anode 40 may be, for example, 0.001 mg / cm 2 or more and 0.5 mg / cm 2 or less, or 0.005 mg / cm 2 or more and 0.3 mg / cm 2 or less. Is preferred.

なお、アノード40における触媒の含有量は、例えば、当該アノード40に含まれる触媒が、担体(例えば、カーボン担体)と、当該担体に担持された触媒成分(例えば、白金等の金属触媒)とから構成される場合、当該触媒成分の含有量である。   The catalyst content in the anode 40 is, for example, that the catalyst contained in the anode 40 is composed of a carrier (for example, a carbon carrier) and a catalyst component (for example, a metal catalyst such as platinum) supported on the carrier. When comprised, it is content of the said catalyst component.

アノード40は、電解質材料を含むこととしてもよい。電解質材料としては、上述したカソード10に含まれるものと同様の電解質材料が好ましく使用される。アノード40の触媒層に含まれる電解質の種類は、カソード10の触媒層(例えば、CC層11及び/又はPt層12)に含まれる電解質と同一であってもよいし、異なっていてもよい。   The anode 40 may include an electrolyte material. As the electrolyte material, an electrolyte material similar to that contained in the cathode 10 described above is preferably used. The type of electrolyte contained in the catalyst layer of the anode 40 may be the same as or different from the electrolyte contained in the catalyst layer of the cathode 10 (for example, the CC layer 11 and / or the Pt layer 12).

電池は、カソード10又はMEA1を含む。すなわち、電池は、例えば、カソード10と、アノード40とを含む。具体的に、電池は、カソード10と、アノード40と、当該カソード10と当該アノード40との間に配置される電解質膜20とを含むこととしてもよい。   The battery includes a cathode 10 or MEA1. That is, the battery includes, for example, the cathode 10 and the anode 40. Specifically, the battery may include the cathode 10, the anode 40, and the electrolyte membrane 20 disposed between the cathode 10 and the anode 40.

また、電池は、例えば、一対のセパレータと、当該一対のセパレータの間に配置されるMEA1とを含む。この場合、電池は、単セルを含み、当該単セルは、一対のセパレータと、当該一対のセパレータの間に配置されるMEA1とを含むこととしてもよい。電池は、1以上の単セルを含むこととしてもよい。すなわち、電池は、1つの単セルを含むこととしてもよいし、複数の単セルを含むこととしてもよい。電池は、積層された複数の単セルを含むこととしてもよい。   The battery includes, for example, a pair of separators and MEA 1 disposed between the pair of separators. In this case, the battery may include a single cell, and the single cell may include a pair of separators and the MEA 1 disposed between the pair of separators. The battery may include one or more single cells. That is, the battery may include one single cell or may include a plurality of single cells. The battery may include a plurality of stacked single cells.

セパレータは、耐食性や導電性を有し、本発明の効果が得られるものであれば特に限られず、燃料電池等の電池に使用される公知のセパレータであってもよい。具体的に、セパレータとしては、例えば、耐食性及び導電性を有するカーボンセパレータが好ましく使用される。   The separator is not particularly limited as long as it has corrosion resistance and conductivity and the effects of the present invention can be obtained, and may be a known separator used for a battery such as a fuel cell. Specifically, as the separator, for example, a carbon separator having corrosion resistance and conductivity is preferably used.

電池は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、燃料電池(例えば、固体高分子形燃料電池)、空気電池、レドックスフロー電池、又はハロゲン電池であることとしてもよく、燃料電池であることが好ましく、固体高分子形燃料電池(PEFC)であることが特に好ましい。   The battery is not particularly limited as long as the effects of the present invention can be obtained. For example, the battery may be a fuel cell (for example, a polymer electrolyte fuel cell), an air cell, a redox flow cell, or a halogen cell. A battery is preferred, and a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is particularly preferred.

MEA1又は電池において、カソード10のCC層11と、ガス拡散層30との距離は小さいことが好ましい。すなわち、CC層11とガス拡散層30との距離(例えば、図1に示す例において、CC層11のガス拡散層30方向を向いた表面11bと、当該ガス拡散層30の当該電解質膜20方向を向いた表面30aとの距離)は、例えば、20μm以下であることとしてもよく、10μm以下であることが好ましく、5μm以下であることが特に好ましい。   In the MEA 1 or the battery, the distance between the CC layer 11 of the cathode 10 and the gas diffusion layer 30 is preferably small. That is, the distance between the CC layer 11 and the gas diffusion layer 30 (for example, in the example shown in FIG. 1, the surface 11b facing the gas diffusion layer 30 direction of the CC layer 11 and the electrolyte membrane 20 direction of the gas diffusion layer 30) The distance to the surface 30a facing the surface) may be, for example, 20 μm or less, preferably 10 μm or less, and particularly preferably 5 μm or less.

MEA1又は電池において、カソード10のCC層11とガス拡散層30とは接していることが好ましい。すなわち、CC層11のガス拡散層30方向を向いた表面11bと、当該ガス拡散層30の電解質膜20方向を向いた表面30aとは接していることが好ましい。   In the MEA 1 or the battery, the CC layer 11 of the cathode 10 and the gas diffusion layer 30 are preferably in contact with each other. That is, it is preferable that the surface 11b of the CC layer 11 facing the gas diffusion layer 30 and the surface 30a of the gas diffusion layer 30 facing the electrolyte membrane 20 are in contact with each other.

MEA1又は電池において、カソード10のPt層12と、電解質膜20との距離は小さいことが好ましい。すなわち、Pt層12と電解質膜20との距離(例えば、図1に示す例において、Pt層12の電解質膜20方向を向いた表面12aと、当該電解質膜20の当該Pt層12方向を向いた表面20bとの距離)は、例えば、20μm以下であることとしてもよく、10μm以下であることが好ましく、5μm以下であることが特に好ましい。   In the MEA 1 or the battery, the distance between the Pt layer 12 of the cathode 10 and the electrolyte membrane 20 is preferably small. That is, the distance between the Pt layer 12 and the electrolyte membrane 20 (for example, in the example shown in FIG. 1, the surface 12a facing the electrolyte membrane 20 direction of the Pt layer 12 and the Pt layer 12 direction of the electrolyte membrane 20) The distance from the surface 20b) may be, for example, 20 μm or less, preferably 10 μm or less, and particularly preferably 5 μm or less.

MEA1又は電池において、カソード10のPt層12は、電解質膜20と接していることが好ましい。すなわち、Pt層12の電解質膜20方向を向いた表面12aと、当該電解質膜20のガス拡散層30方向を向いた表面20bとは接していてもよい。   In the MEA 1 or the battery, the Pt layer 12 of the cathode 10 is preferably in contact with the electrolyte membrane 20. That is, the surface 12a of the Pt layer 12 facing the electrolyte membrane 20 may be in contact with the surface 20b of the electrolyte membrane 20 facing the gas diffusion layer 30.

CC層11に含まれる炭素触媒は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、鉄を含み、窒素雰囲気下での熱重量分析において測定される200℃から1200℃までの重量減少率12.0重量%以下を示し、当該鉄のK吸収端のX線吸収微細構造分析において下記(a)及び/又は(b):(a)7110eVの規格化吸光度に対する7130eVの規格化吸光度の比が7.0以上である;、(b)7110eVの規格化吸光度に対する7135eVの規格化吸光度の比が7.0以上である;を示す炭素構造を含む、特定の炭素触媒であることが特に好ましい。なお、XAFS分析における規格化吸光度とは、吸収端前の吸光度が0に収束し、吸収端後の吸光度が1に収束するように規格化を行った吸光度である。   The carbon catalyst contained in the CC layer 11 is not particularly limited as long as the effects of the present invention can be obtained. However, the weight loss rate from 200 ° C. to 1200 ° C. measured in thermogravimetric analysis under a nitrogen atmosphere contains iron. 12.0 wt% or less, and in the X-ray absorption fine structure analysis of the K absorption edge of the iron, the following (a) and / or (b): (a) the ratio of the normalized absorbance of 7130 eV to the normalized absorbance of 7110 eV It is particularly preferable that the specific carbon catalyst includes a carbon structure showing that (b) the ratio of the normalized absorbance of 7135 eV to the normalized absorbance of 7110 eV is 7.0 or more; . Note that the normalized absorbance in the XAFS analysis is an absorbance that has been normalized so that the absorbance before the absorption edge converges to 0 and the absorbance after the absorption edge converges to 1.

本発明の発明者らは、優れた耐久性を有するカソード、MEA、及び電池を実現するための炭素触媒を得る技術的手段について鋭意検討を重ねた結果、鉄を含み、熱重量分析による重量減少率が特定の閾値以下を示す炭素触媒であって、且つ当該鉄のK吸収端のX線吸収微細構造分析において、特定の状態の鉄を多く含む炭素構造を有する炭素触媒が上記優れた耐久性に寄与することを独自に見出した。   The inventors of the present invention have intensively studied a technical means for obtaining a carbon catalyst for realizing a cathode, an MEA, and a battery having excellent durability. As a result, the present inventors have reduced the weight by thermogravimetric analysis including iron. In the X-ray absorption fine structure analysis of the K absorption edge of the iron, the carbon catalyst having a carbon structure that contains a large amount of iron in a specific state has the above-mentioned excellent durability. I found that I contributed to

この炭素触媒は、後述するように、その製造時における炭素化の原料に由来する鉄を含む。すなわち、炭素触媒は、炭素化の原料に鉄が含まれていたことに起因して、その内部に当該鉄を含む。このため、炭素触媒が、後述の金属除去処理を経て製造された場合であっても、当該炭素触媒の内部には、原料由来の微量の鉄が残存する。   As will be described later, this carbon catalyst contains iron derived from the raw material for carbonization at the time of production. That is, the carbon catalyst contains iron in the interior due to the fact that the carbonization raw material contains iron. For this reason, even if a carbon catalyst is manufactured through the metal removal process mentioned later, a trace amount iron derived from a raw material remains in the inside of the carbon catalyst.

具体的に、例えば、炭素触媒が粒子状である場合、当該炭素触媒を構成する粒子を切断すると、切断により露出した当該粒子の断面に鉄が検出される。この炭素触媒に含まれる鉄は、例えば、誘導結合プラズマ(ICP)発光分光光度法によって検出することができる。   Specifically, for example, when the carbon catalyst is in the form of particles, when the particles constituting the carbon catalyst are cut, iron is detected in the cross section of the particles exposed by the cutting. Iron contained in the carbon catalyst can be detected by, for example, inductively coupled plasma (ICP) emission spectrophotometry.

炭素触媒は、窒素雰囲気下での熱重量分析(以下、「TG」という。)において測定される200℃から1200℃までの重量減少率12.0重量%以下を示す。炭素触媒は、TGによる上記重量減少率が11.0重量%以下を示すことが好ましく、10.0重量%以下を示すことがより好ましく、9.0重量%以下を示すことがより一層好ましく、8.0重量%以下を示すことが特に好ましい。   The carbon catalyst exhibits a weight reduction rate of 12.0% by weight or less from 200 ° C. to 1200 ° C. as measured by thermogravimetric analysis (hereinafter referred to as “TG”) under a nitrogen atmosphere. The carbon catalyst preferably has a weight reduction rate of 11.0% by weight or less due to TG, more preferably 10.0% by weight or less, and even more preferably 9.0% by weight or less, It is particularly preferable to show 8.0% by weight or less.

炭素触媒が上記特定の閾値以下の上記重量減少率を示すことは、炭素触媒の優れた耐久性に寄与する。すなわち、窒素雰囲気下のTGにおける炭素触媒の重量減少率が小さいことは、当該炭素触媒が熱的に安定であることを示す。炭素触媒が熱的に安定であることは、例えば、当該炭素触媒の炭素構造を構成する原子間の結合エネルギーが大きいことに起因すると考えられる。このため、熱的に安定な炭素触媒は、電気化学的にも安定となる。そして、電気化学的に安定な炭素触媒は、燃料電池等の用途において、耐久性が高くなる。したがって、窒素雰囲気下のTGにおける重量減少率が小さい炭素触媒は、優れた耐久性を示す。炭素触媒の上記重量減少率の下限値は特に限られないが、当該重量減少率は、1.0重量%以上であることとしてもよい。   The carbon catalyst exhibiting the weight reduction rate below the specific threshold value contributes to the excellent durability of the carbon catalyst. That is, a small weight reduction rate of the carbon catalyst in the TG under a nitrogen atmosphere indicates that the carbon catalyst is thermally stable. The thermal stability of the carbon catalyst is considered to be caused by, for example, a large bond energy between atoms constituting the carbon structure of the carbon catalyst. For this reason, the thermally stable carbon catalyst is also electrochemically stable. The electrochemically stable carbon catalyst has high durability in applications such as fuel cells. Therefore, a carbon catalyst having a small weight reduction rate in TG under a nitrogen atmosphere exhibits excellent durability. Although the lower limit of the weight reduction rate of the carbon catalyst is not particularly limited, the weight reduction rate may be 1.0% by weight or more.

さらに炭素触媒の炭素構造は、鉄のK吸収端のXAFS分析において、(a)7130/7110比7.0以上を示し、(b)7135/7110比7.0以上を示し、又は(a)7130/7110比7.0以上及び(b)7135/7110比7.0以上を示す。炭素触媒の炭素構造の上記7130/7110比及び/又は上記7135/7110比は、8.0以上であることが好ましく、9.0以上であることがより好ましく、10.0以上であることがより一層好ましく、11.0以上であることが特に好ましい。炭素触媒の上記7130/7110比及び7135/7110比の上限値は特に限られないが、当該7130/7110比及び上記7135/7110比は、30.0以下であることとしてもよい。   Further, the carbon structure of the carbon catalyst shows (a) 7130/7110 ratio of 7.0 or higher, (b) 7135/7110 ratio of 7.0 or higher, or (a) in the XAFS analysis of the iron K absorption edge, or (a) 7130/7110 ratio is 7.0 or more and (b) 7135/7110 ratio is 7.0 or more. The 7130/7110 ratio and / or the 7135/7110 ratio of the carbon structure of the carbon catalyst is preferably 8.0 or more, more preferably 9.0 or more, and more preferably 10.0 or more. Even more preferred is 11.0 or greater. The upper limit values of the 7130/7110 ratio and the 7135/7110 ratio of the carbon catalyst are not particularly limited, but the 7130/7110 ratio and the 7135/7110 ratio may be 30.0 or less.

炭素触媒の炭素構造が、XAFS分析において、上記特定の閾値以上の7130/7110比及び/又は7135/7110比を示すことは、炭素触媒の優れた触媒活性に寄与する。すなわち、鉄のK吸収端のXAFS分析において、当該K吸収端後のピークのエネルギーは、鉄原子の1s軌道の電子がσ結合の反結合性軌道に遷移するエネルギーを示しており、σ結合の結合エネルギーを反映している。一方、K吸収端前のピークは、鉄原子の1s軌道の電子がd軌道に遷移していることを示しており、このことは、鉄原子が非対称な構造を有していることを示している。   When the carbon structure of the carbon catalyst exhibits a 7130/7110 ratio and / or a 7135/7110 ratio that are equal to or higher than the specific threshold in the XAFS analysis, it contributes to the excellent catalytic activity of the carbon catalyst. That is, in the XAFS analysis of the K absorption edge of iron, the peak energy after the K absorption edge indicates the energy at which the 1s orbital electron of the iron atom transitions to the antibonding orbital of the σ bond. Reflects binding energy. On the other hand, the peak before the K absorption edge shows that the 1s orbital electron of the iron atom has transitioned to the d orbital, which indicates that the iron atom has an asymmetric structure. Yes.

したがって、7130eV及び7135eVの規格化吸光度が高いということは、鉄原子が、当該7130eV及び7135eVに対応するエネルギーを示す特定の2種の結合を有することを示し、7110eVの規格化吸光度が高いということは、鉄原子が非対称な構造を有することを示す。そして、炭素触媒においては、上記特定の2種の非金属結合を有する鉄原子が、活性点の一つとして機能していると考えられる。したがって、鉄のK吸収端のXAFS分析において上記特定の閾値以上の7130/7110比及び/又は7135/7110比を示す炭素構造を有する炭素触媒は、上記特定の2種の非金属結合を有する鉄原子を比較的多く含むことによって、優れた触媒活性を有する。   Therefore, the high normalized absorbance of 7130 eV and 7135 eV indicates that the iron atom has two specific bonds showing energy corresponding to the 7130 eV and 7135 eV, and the normalized absorbance of 7110 eV is high. Indicates that the iron atom has an asymmetric structure. And in a carbon catalyst, it is thought that the iron atom which has the said specific 2 types of nonmetallic bond is functioning as one of the active sites. Therefore, a carbon catalyst having a carbon structure exhibiting a 7130/7110 ratio and / or a 7135/7110 ratio equal to or higher than the specific threshold in the XAFS analysis of the iron K absorption edge is an iron having the two specific nonmetallic bonds. By containing a relatively large number of atoms, it has excellent catalytic activity.

また、炭素触媒の炭素構造が、鉄のXAFS分析において、上記特定の閾値以上、且つ30.0以下の範囲内の7130/7110比及び/又は7135/7110比を示す場合、炭素触媒においては、鉄原子の上記特定の2種の非金属結合と、上記非対称な構造とが当該範囲に対応する特定のバランスで存在する。この場合、炭素触媒は、上記特定の2種の非金属結合と、上記非対称な構造とを有する鉄原子を含むことによって、優れた触媒活性を有する。   Further, when the carbon structure of the carbon catalyst shows a 7130/7110 ratio and / or a 7135/7110 ratio within the range of the above specific threshold and 30.0 or less in the XAFS analysis of iron, in the carbon catalyst, The two specific non-metallic bonds of the iron atom and the asymmetric structure exist in a specific balance corresponding to the range. In this case, the carbon catalyst has an excellent catalytic activity by including an iron atom having the two specific non-metallic bonds and the asymmetric structure.

炭素触媒は、鉄を含み、上記特定の閾値以下の重量減少率を示し、且つ上記特定の閾値以上の7130/7110比及び/又は7135/7110比を示す炭素構造を含むことにより、優れた触媒活性と優れた耐久性とを有する。   The carbon catalyst contains iron, exhibits a weight loss rate equal to or less than the above-mentioned specific threshold value, and includes a carbon structure exhibiting a 7130/7110 ratio and / or a 7135/7110 ratio that is equal to or greater than the above-mentioned specific threshold value. It has activity and excellent durability.

炭素触媒は、上述した重量減少率の閾値の各々と、上述した7130/7110比及び/又は上記7135/7110比の閾値の各々とを任意に組み合わせて、規定することができる。   The carbon catalyst can be defined by arbitrarily combining each of the above-described threshold values of the weight loss rate and each of the above-described 7130/7110 ratio and / or each of the above-mentioned 7135/7110 ratio threshold values.

具体的に、炭素触媒は、例えば、8.0以上の上記7130/7110比及び/又は上記7135/7110比を示す炭素構造を含み、且つ11.0重量%以下の上記重量減少率を示すことが好ましく、9.0以上の上記7130/7110比及び/又は上記7135/7110比を示す炭素構造を含み、且つ10.0重量%以下の上記重量減少率を示すことがより好ましく、10.0以上の上記7130/7110比及び/又は上記7135/7110比を示す炭素構造を含み、且つ9.0重量%以下の上記重量減少率を示すことがより一層好ましく、11.0以上の上記7130/7110比及び/又は上記7135/7110比を示す炭素構造を含み、且つ8.0重量%以下の上記重量減少率を示すことが特に好ましい。   Specifically, the carbon catalyst includes, for example, the carbon structure exhibiting the 7130/7110 ratio and / or the 7135/7110 ratio of 8.0 or more and exhibits the weight reduction rate of 11.0% by weight or less. More preferably, it contains a carbon structure exhibiting the above 7130/7110 ratio and / or the above 7135/7110 ratio of 9.0 or more, and more preferably 10.0% by weight or less. It is even more preferable that the carbon composition has the above 7130/7110 ratio and / or the above 7135/7110 ratio and has a weight reduction rate of 9.0% by weight or less. It is particularly preferable to include a carbon structure exhibiting the 7110 ratio and / or the 7135/7110 ratio and exhibit the weight reduction rate of 8.0% by weight or less.

炭素触媒は、全細孔容積に対するメソ孔容積の割合(以下、「メソ孔割合」という。)が20%以上であることとしてもよい。この場合、炭素触媒のメソ孔割合は、25%以上であることが好ましく、30%以上であることが特に好ましい。炭素触媒のメソ孔割合の上限値は特に限られないが、当該メソ孔割合は、例えば、70%以下であることとしてもよく、65%以下であることが好ましい。   The carbon catalyst may have a mesopore volume ratio to the total pore volume (hereinafter referred to as “mesopore ratio”) of 20% or more. In this case, the mesopore ratio of the carbon catalyst is preferably 25% or more, and particularly preferably 30% or more. The upper limit value of the mesopore ratio of the carbon catalyst is not particularly limited, but the mesopore ratio may be, for example, 70% or less, and preferably 65% or less.

炭素触媒のメソ孔割合は、上記各下限値と各上限値とを任意に組み合わせて規定することができる。すなわち、炭素触媒のメソ孔割合は、例えば、20%以上、70%以下であることが好ましく、25%以上、65%以下であることがより好ましく、30%以上、65%以下であること特に好ましい。   The mesopore ratio of the carbon catalyst can be defined by arbitrarily combining the lower limit values and the upper limit values. That is, the mesopore ratio of the carbon catalyst is, for example, preferably 20% or more and 70% or less, more preferably 25% or more and 65% or less, and particularly preferably 30% or more and 65% or less. preferable.

なお、本実施形態において、メソ孔は、直径が2nm以上、50nm以下の細孔であり、メソ孔容積(cm/g)は、当該メソ孔の容積の総和である。また、ミクロ孔は、直径が2nm未満の細孔であり、ミクロ孔容積(cm/g)は、当該ミクロ孔の容積の総和である。また、マクロ孔は、直径が50nm超の細孔であり、マクロ孔容積(cm/g)は、当該マクロ孔の容積の総和である。そして、全細孔容積(cm/g)は、ミクロ孔容積と、メソ孔容積と、マクロ孔容積との合計である。 In the present embodiment, the mesopores are pores having a diameter of 2 nm or more and 50 nm or less, and the mesopore volume (cm 3 / g) is the sum of the volumes of the mesopores. The micropores are pores having a diameter of less than 2 nm, and the micropore volume (cm 3 / g) is the sum of the volumes of the micropores. The macropores are pores having a diameter of more than 50 nm, and the macropore volume (cm 3 / g) is the sum of the macropore volumes. The total pore volume (cm 3 / g) is the sum of the micropore volume, the mesopore volume, and the macropore volume.

炭素触媒は、誘導結合プラズマ質量分析(以下、「ICP−MS」という。)により測定される、鉄の含有量が0.01重量%以上であることとしてもよい。この場合、炭素触媒の上記鉄含有量は、0.05重量%以上であることが特に好ましい。   The carbon catalyst may have an iron content of 0.01% by weight or more as measured by inductively coupled plasma mass spectrometry (hereinafter referred to as “ICP-MS”). In this case, the iron content of the carbon catalyst is particularly preferably 0.05% by weight or more.

なお、炭素触媒のICP−MSによる鉄含有量は、炭素触媒の全重量に対する鉄原子の重量の割合(重量%)として算出される。炭素触媒の上記鉄含有量の上限値は特に限られないが、当該鉄含有量は、10.00重量%以下であることとしてもよい。   In addition, the iron content by ICP-MS of a carbon catalyst is computed as a ratio (weight%) of the weight of the iron atom with respect to the total weight of a carbon catalyst. Although the upper limit of the iron content of the carbon catalyst is not particularly limited, the iron content may be 10.00% by weight or less.

炭素触媒は、燃焼法による元素分析で測定される窒素原子含有量1.0重量%以上を示すこととしてもよい。この場合、炭素触媒は、元素分析による窒素原子含有量1.1重量%以上を示すことが好ましく、1.2重量%以上を示すことが特に好ましい。   A carbon catalyst is good also as showing the nitrogen atom content of 1.0 weight% or more measured by the elemental analysis by a combustion method. In this case, the carbon catalyst preferably exhibits a nitrogen atom content of 1.1% by weight or more by elemental analysis, and particularly preferably 1.2% by weight or more.

炭素触媒が、上記元素分析による窒素原子含有量として上記特定の閾値以上を示すことは、炭素触媒が、比較的多い量の窒素原子を含むことを示している。炭素触媒の元素分析による窒素原子含有量の上限値は特に限られないが、当該元素分析による窒素原子含有量は、10.0重量%以下であることとしてもよい。   The carbon catalyst exhibiting a nitrogen atom content by the elemental analysis that is equal to or higher than the specific threshold value indicates that the carbon catalyst contains a relatively large amount of nitrogen atoms. The upper limit of the nitrogen atom content by the elemental analysis of the carbon catalyst is not particularly limited, but the nitrogen atom content by the elemental analysis may be 10.0% by weight or less.

炭素触媒は、X線光電子分光法(以下、「XPS」という。)で測定される窒素原子濃度1.0atm%以上を示し、且つ燃焼法による元素分析で測定される窒素原子含有量1.0重量%以上を示すこととしてもよい。   The carbon catalyst has a nitrogen atom concentration of 1.0 atm% or more measured by X-ray photoelectron spectroscopy (hereinafter referred to as “XPS”), and a nitrogen atom content of 1.0 measured by elemental analysis by a combustion method. It is good also as showing weight% or more.

この場合、炭素触媒は、XPSによる窒素原子濃度1.1atm%以上を示し、且つ元素分析による窒素原子含有量1.1重量%以上を示すことが好ましく、XPSによる窒素原子濃度1.2atm%以上を示し、且つ元素分析による窒素原子含有量1.2重量%以上を示すことが特に好ましい。   In this case, the carbon catalyst preferably exhibits a nitrogen atom concentration of 1.1 atm% or more by XPS and a nitrogen atom content of 1.1% by weight or more by elemental analysis, and a nitrogen atom concentration by XPS of 1.2 atm% or more. And a nitrogen atom content of 1.2 wt% or more by elemental analysis is particularly preferred.

炭素触媒が、XPSによる窒素原子濃度として上記特定の閾値以上を示し、且つ上記元素分析による窒素原子含有量として上記特定の閾値以上を示すことは、炭素触媒が、その表層部分(表面から数nmの深さまでの部分)のみならず、その内部(当該表層部分より深い内部)にも当該表層部分と同等の量の窒素原子を含むこと、すなわち、その表層部分から内部にまで比較的均質な炭素構造を有していることを反映している。   The carbon catalyst exhibits the above-mentioned specific threshold value or more as the nitrogen atom concentration by XPS and the above-mentioned specific threshold value or more as the nitrogen atom content by the elemental analysis indicates that the carbon catalyst has a surface layer portion (several nm from the surface). Not only to the depth of the surface layer) but also to the inside (inside deeper than the surface layer part) contains the same amount of nitrogen atoms as the surface layer part, that is, relatively homogeneous carbon from the surface layer part to the inside. It reflects that it has a structure.

そして、炭素触媒が、このように表層部分から内部にまで比較的均質な炭素構造を有することにより、例えば、当該表層部分の活性点が失われた場合であっても、当該表層部分より深い内部の活性点が機能することによって、炭素触媒の触媒活性の低下が効果的に抑制される。   And, since the carbon catalyst has a relatively homogeneous carbon structure from the surface layer portion to the inside in this way, for example, even when the active site of the surface layer portion is lost, the inner portion deeper than the surface layer portion. The function of these active sites effectively suppresses the decrease in the catalytic activity of the carbon catalyst.

炭素触媒のXPSによる窒素原子濃度、及び元素分析による窒素原子含有量の上限値は特に限られないが、当該XPSによる窒素原子濃度は、10.0atm%以下であり、且つ当該元素分析による窒素原子含有量は、10.0重量%以下であることとしてもよい。   The nitrogen atom concentration by XPS of the carbon catalyst and the upper limit of the nitrogen atom content by elemental analysis are not particularly limited, but the nitrogen atom concentration by XPS is 10.0 atm% or less, and the nitrogen atom by elemental analysis The content may be 10.0% by weight or less.

炭素触媒は、燃焼法による元素分析で測定される、炭素原子含有量に対する窒素原子含有量の割合(以下、「元素分析によるN/C割合」という。)1.1%以上を示すこととしてもよい。この場合、炭素触媒は、元素分析によるN/C割合1.2%以上を示すことが好ましく、1.3%以上を示すことがより好ましく、1.4%以上を示すことがより好ましく、1.5%以上を示すことが特に好ましい。   The carbon catalyst may have a ratio of nitrogen atom content to carbon atom content (hereinafter referred to as “N / C ratio by elemental analysis”) of 1.1% or more as measured by elemental analysis by a combustion method. Good. In this case, the carbon catalyst preferably exhibits an N / C ratio of 1.2% or more by elemental analysis, more preferably 1.3% or more, and more preferably 1.4% or more. It is particularly preferable to show 5% or more.

炭素触媒が、上記元素分析によるN/C割合として上記特定の閾値以上を示すことは、炭素触媒が、比較的多い量の窒素原子を含むことを示している。炭素触媒の元素分析によるN/C割合の上限値は特に限られないが、15.0%以下であることとしてもよい。   The carbon catalyst exhibiting a specific threshold value or higher as the N / C ratio by the elemental analysis indicates that the carbon catalyst contains a relatively large amount of nitrogen atoms. The upper limit of the N / C ratio by elemental analysis of the carbon catalyst is not particularly limited, but may be 15.0% or less.

また、炭素触媒は、XPSで測定される、炭素原子濃度に対する窒素原子濃度の割合(以下、「XPSによるN/C割合」という。)1.1%以上を示し、且つ燃焼法による元素分析で測定されるN/C割合1.1%以上を示すこととしてもよい。   The carbon catalyst has a nitrogen atom concentration ratio (hereinafter referred to as “NPS ratio by XPS”) of 1.1% or more, as measured by XPS, and is an elemental analysis by a combustion method. It is good also as showing N / C ratio 1.1% or more measured.

この場合、炭素触媒は、XPSによるN/C割合1.2%以上を示し、且つ元素分析によるN/C割合1.2%以上を示すことが好ましく、XPSによるN/C割合1.3%以上を示し、且つ元素分析によるN/C割合1.3%以上を示すことがより好ましく、XPSによるN/C割合1.4%以上を示し、且つ元素分析によるN/C割合1.4%以上を示すことがより一層好ましく、XPSによるN/C割合1.5%以上を示し、且つ元素分析によるN/C割合1.5%以上を示すことが特に好ましい。   In this case, the carbon catalyst preferably exhibits an N / C ratio of 1.2% or more by XPS and preferably an N / C ratio of 1.2% or more by elemental analysis, and the N / C ratio by XPS is 1.3%. More preferably, the N / C ratio by elemental analysis is 1.3% or more, more preferably, the XPS N / C ratio is 1.4% or more, and the N / C ratio by elemental analysis is 1.4%. More preferably, the N / C ratio by XPS is 1.5% or more, and the N / C ratio by elemental analysis is particularly preferably 1.5% or more.

炭素触媒が、XPSによるN/C割合として上記特定の閾値以上を示し、且つ元素分析によるN/C割合として上記特定の閾値以上を示すことは、炭素触媒が、その表層部分(表面から数nmの深さまでの部分)のみならず、その内部(当該表層部分より深い内部)にも当該表層部分と同等の量の窒素原子を含むことを反映している。   The carbon catalyst exhibits the above-mentioned specific threshold or more as the N / C ratio by XPS and the above-mentioned specific threshold or more as the N / C ratio by elemental analysis indicates that the carbon catalyst has its surface layer portion (several nm from the surface). It is reflected that nitrogen atoms in the same amount as that of the surface layer portion are included not only in the portion of the surface layer portion but also in the inside (inner portion deeper than the surface layer portion).

そして、炭素触媒が、このように表層部分から内部にまで比較的均質な炭素構造を有することにより、例えば、当該表層部分の活性点が失われた場合であっても、当該表層部分より深い内部の活性点が機能することによって、炭素触媒の触媒活性の低下が効果的に抑制される。   And, since the carbon catalyst has a relatively homogeneous carbon structure from the surface layer portion to the inside in this way, for example, even when the active site of the surface layer portion is lost, the inner portion deeper than the surface layer portion. The function of these active sites effectively suppresses the decrease in the catalytic activity of the carbon catalyst.

炭素触媒のXPSによるN/C割合、及び元素分析によるN/C割合の上限値は特に限られないが、当該XPSによるN/C割合は、15.0%以下であり、且つ当該元素分析によるN/C割合は、15.0%以下であることとしてもよい。   The upper limit of the N / C ratio by XPS and the N / C ratio by elemental analysis of the carbon catalyst is not particularly limited, but the N / C ratio by XPS is 15.0% or less and by the elemental analysis. The N / C ratio may be 15.0% or less.

炭素触媒は、鉄と、鉄以外の金属(以下、「非鉄金属」という。)を含むこととしてもよい。この場合、炭素触媒に含まれる非鉄金属は、上述した炭素触媒の特性が得られるものであれば特に限られないが、遷移金属であることが好ましい。   The carbon catalyst may contain iron and a metal other than iron (hereinafter referred to as “non-ferrous metal”). In this case, the non-ferrous metal contained in the carbon catalyst is not particularly limited as long as the above-described characteristics of the carbon catalyst are obtained, but is preferably a transition metal.

本実施形態において、非鉄金属は、周期表の3族から12族に属する金属であり、周期表の3族から12族の第4周期に属する遷移金属であることが好ましい。具体的に、炭素触媒に含まれる非鉄金属は、例えば、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、ランタノイド(例えば、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)及びガドリニウム(Gd)からなる群より選択される1種以上)及びアクチノイドからなる群、又はSc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、ランタノイド(例えば、Nd、Sm及びGdからなる群より選択される1種以上)及びアクチノイドからなる群より選択される1種以上であることとしてもよい。   In the present embodiment, the non-ferrous metal is a metal belonging to Group 3 to Group 12 of the periodic table, and is preferably a transition metal belonging to Group 4 to Group 12 of the periodic table. Specifically, the non-ferrous metal contained in the carbon catalyst is, for example, scandium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), cobalt (Co), nickel (Ni), Copper (Cu), zinc (Zn), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), silver (Ag), Lanthanoids (for example, one or more selected from the group consisting of neodymium (Nd), samarium (Sm) and gadolinium (Gd)) and actinoids, or Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, lanthanoids (for example, one or more selected from the group consisting of Nd, Sm and Gd) and actinoids It may be Ranaru at least one selected from the group.

また、炭素触媒は、Feと、Ti、Cr、Zn、Nd、Sm及びGdからなる群より選択される1種以上の非鉄金属とを含むことが好ましく、Feと、Cr、Zn及びGdからなる群より選択される1種以上の非鉄金属とを含むことがより好ましい。この場合、炭素触媒は、例えば、Fe及びZnを含むこととしてもよい。   The carbon catalyst preferably contains Fe and one or more non-ferrous metals selected from the group consisting of Ti, Cr, Zn, Nd, Sm, and Gd, and consists of Fe, Cr, Zn, and Gd. More preferably, it contains one or more non-ferrous metals selected from the group. In this case, the carbon catalyst may include, for example, Fe and Zn.

炭素触媒が非鉄金属として上記特定の遷移金属を含む場合、炭素触媒は、さらに他の遷移金属を含むこととしてもよい。すなわち、例えば、炭素触媒がFeと、Ti、Cr、Zn、Nd、Sm及びGdからなる群より選択される1種以上の第一の非鉄遷移金属を含む場合、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、ランタノイド(例えば、Nd、Sm及びGdからなる群より選択される1種以上)及びアクチノイドからなる群、又はSc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、ランタノイド(例えば、Nd、Sm及びGdからなる群より選択される1種以上)及びアクチノイドからなる群より選択される1種以上であって当該第一の非鉄遷移金属とは異なる第二の非鉄遷移金属をさらに含むこととしてもよい。   When a carbon catalyst contains the said specific transition metal as a nonferrous metal, a carbon catalyst is good also as including another transition metal further. That is, for example, when the carbon catalyst includes Fe and one or more first non-ferrous transition metals selected from the group consisting of Ti, Cr, Zn, Nd, Sm, and Gd, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, a lanthanoid (for example, one or more selected from the group consisting of Nd, Sm and Gd) and a group consisting of actinoids, Or Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, a lanthanoid (for example, one or more selected from the group consisting of Nd, Sm and Gd) and A second nonferrous transition metal that is one or more selected from the group consisting of actinoids and different from the first nonferrous transition metal may be further included.

また炭素触媒は、白金(Pt)を含まないこととしてもよい。この場合、炭素触媒は、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、金(Au)及びオスミウム(Os)からなる群より選択される1種以上を含まないこととしてもよい。   The carbon catalyst may not contain platinum (Pt). In this case, the carbon catalyst is one selected from the group consisting of platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), iridium (Ir), gold (Au), and osmium (Os). It is good also as not including the above.

炭素触媒が、鉄に加えて、後述する炭素化の原料に由来する非鉄金属を含む場合、炭素触媒は、炭素化の原料に当該鉄及び非鉄金属が含まれていたことに起因して、その内部に当該鉄と当該非鉄金属とを含む。すなわち、炭素触媒が、後述の金属除去処理を経て製造された場合においても、炭素触媒の内部には、微量の当該鉄及び非鉄金属が残存する。   When the carbon catalyst contains a non-ferrous metal derived from a carbonization raw material to be described later in addition to iron, the carbon catalyst has its iron and non-ferrous metal contained in the carbonization raw material. The iron and the non-ferrous metal are contained inside. That is, even when the carbon catalyst is manufactured through a metal removal process described later, a trace amount of the iron and non-ferrous metal remains in the carbon catalyst.

具体的に、例えば、鉄及び非鉄金属を含む炭素触媒が粒子状である場合、炭素触媒を構成する粒子を切断すると、切断により露出した当該粒子の断面に当該鉄及び非鉄金属が検出される。この炭素触媒に含まれる鉄及び非鉄金属は、例えば、誘導結合プラズマ(ICP)発光分光光度法によって検出することができる。   Specifically, for example, when the carbon catalyst containing iron and non-ferrous metal is in the form of particles, when the particles constituting the carbon catalyst are cut, the iron and non-ferrous metals are detected in the cross section of the particles exposed by the cutting. The iron and non-ferrous metals contained in the carbon catalyst can be detected by, for example, inductively coupled plasma (ICP) emission spectrophotometry.

炭素触媒は、BET法で測定される比表面積が800m/g以上であることとしてもよい。この場合、窒素ガスを用いたBET法による炭素触媒の比表面積は、1000m/g以上であることが好ましく、1200m/g以上であることが特に好ましい。 A carbon catalyst is good also as a specific surface area measured by BET method being 800 m < 2 > / g or more. In this case, the specific surface area of the carbon catalyst by BET method using nitrogen gas is preferably 1000 m 2 / g or more, particularly preferably 1200 m 2 / g or more.

炭素触媒の比表面積が上記特定の閾値以上であることは、炭素触媒による化学反応の効率化に寄与し、優れた触媒活性に寄与する。炭素触媒の比表面積の上限値は特に限られないが、当該比表面積は、3000m/g以下であることとしてもよい。 That the specific surface area of a carbon catalyst is more than the said specific threshold value contributes to the efficiency improvement of the chemical reaction by a carbon catalyst, and contributes to the outstanding catalyst activity. Although the upper limit of the specific surface area of the carbon catalyst is not particularly limited, the specific surface area may be 3000 m 2 / g or less.

炭素触媒は、それ自身が単独で触媒活性(例えば、酸素還元活性)を有する炭素材料である。この炭素材料は、有機物と鉄とを含む原料の炭素化により得られる炭素化材料である。すなわち、炭素触媒は、有機物及び鉄を含む原料の炭素化材料である。また、炭素触媒が、有機物と鉄と非鉄金属とを含む原料の炭素化により得られる炭素化材料である場合、炭素触媒の炭素構造には当該非鉄金属が含まれるが、炭素触媒の触媒活性は、当該非鉄金属よりも、主に鉄と当該炭素構造自身に含まれる活性点とによるものと考えられる。   A carbon catalyst is a carbon material that itself has catalytic activity (for example, oxygen reduction activity). This carbon material is a carbonized material obtained by carbonization of a raw material containing an organic substance and iron. That is, the carbon catalyst is a raw material carbonization material containing an organic substance and iron. Further, when the carbon catalyst is a carbonized material obtained by carbonization of a raw material containing an organic substance, iron and a non-ferrous metal, the carbon structure of the carbon catalyst includes the non-ferrous metal, but the catalytic activity of the carbon catalyst is It is thought that this is mainly due to iron and active sites contained in the carbon structure itself, rather than the non-ferrous metal.

炭素触媒は、有機化合物を実質的に含まないこととしてもよい。すなわち、炭素触媒における有機化合物の含有量は、例えば、5重量%以下であってもよく、1重量%以下であってもよい。   The carbon catalyst may be substantially free of organic compounds. That is, the content of the organic compound in the carbon catalyst may be, for example, 5% by weight or less, or 1% by weight or less.

CC層11が上述した特定の炭素触媒を含む場合、Pt層12は当該特定の炭素触媒を含まないこととしてもよい。この場合、Pt層12は、上述した特定の炭素触媒以外の炭素触媒を含んでもよい。   When the CC layer 11 includes the specific carbon catalyst described above, the Pt layer 12 may not include the specific carbon catalyst. In this case, the Pt layer 12 may include a carbon catalyst other than the specific carbon catalyst described above.

CC層11が上述した特定の炭素触媒を含む場合、カソード10は当該特定の炭素触媒を含む層を含まないこととしてもよい。この場合、カソード10は、上述した特定の炭素触媒以外の炭素触媒を含む層を含んでもよい。   When the CC layer 11 includes the specific carbon catalyst described above, the cathode 10 may not include the layer including the specific carbon catalyst. In this case, the cathode 10 may include a layer including a carbon catalyst other than the specific carbon catalyst described above.

炭素触媒の製造方法は、上述した特性を有する炭素触媒が得られる方法であれば特に限られないが、本実施形態においては、有機物及び鉄を含む原料を加圧下で炭素化することを含む方法について説明する。   The method for producing the carbon catalyst is not particularly limited as long as the carbon catalyst having the above-described characteristics can be obtained. In the present embodiment, the method includes carbonizing a raw material containing an organic substance and iron under pressure. Will be described.

原料に含まれる有機物は、炭素化できるものであれば特に限られない。すなわち、有機物としては、例えば、高分子量の有機化合物(例えば、熱硬化性樹脂及び/又は熱可塑性樹脂等の樹脂)及び/又は低分子量の有機化合物が使用される。また、有機物としてバイオマスを使用してもよい。   The organic substance contained in the raw material is not particularly limited as long as it can be carbonized. That is, as the organic substance, for example, a high molecular weight organic compound (for example, a resin such as a thermosetting resin and / or a thermoplastic resin) and / or a low molecular weight organic compound is used. Moreover, you may use biomass as an organic substance.

有機物としては、窒素含有有機物が好ましく使用される。窒素含有有機物は、その分子内に窒素原子を含む有機化合物を含む有機物であれば特に限られない。炭素触媒が、窒素含有有機物を含む原料の炭素化物である場合、炭素触媒の炭素構造は、窒素原子を含む。   As the organic substance, a nitrogen-containing organic substance is preferably used. The nitrogen-containing organic substance is not particularly limited as long as it is an organic substance containing an organic compound containing a nitrogen atom in its molecule. When the carbon catalyst is a carbonized material of a raw material containing a nitrogen-containing organic material, the carbon structure of the carbon catalyst contains a nitrogen atom.

具体的に、有機物としては、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリアクリロニトリル−ポリアクリル酸共重合体、ポリアクリロニトリル−ポリアクリル酸メチル共重合体、ポリアクリロニトリル−ポリメタクリル酸共重合体、ポリアクリロニトリル−ポリメタクリル酸−ポリメタリルスルホン酸共重合体、ポリアクリロニトリル−ポリメタクリル酸メチル共重合体、フェノール樹脂、ポリフルフリルアルコール、フラン、フラン樹脂、フェノールホルムアルデヒド樹脂、メラミン、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、窒素含有キレート樹脂(例えば、ポリアミン型、イミノジ酢酸型、アミノリン酸型及びアミノメチルホスホン酸型からなる群より選択される1種以上)、ポリアミドイミド樹脂、ピロール、ポリピロール、ポリビニルピロール、3−メチルポリピロール、アクリロニトリル、ポリ塩化ビニリデン、チオフェン、オキサゾール、チアゾール、ピラゾール、ビニルピリジン、ポリビニルピリジン、ピリダジン、ピリミジン、ピペラジン、ピラン、モルホリン、イミダゾール、1−メチルイミダゾール、2−メチルイミダゾール、キノキサリン、アニリン、ポリアニリン、コハク酸ジヒドラジド、アジピン酸ジヒドラジド、ポリスルフォン、ポリアミノビスマレイミド、ポリイミド、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ベンゾイミダゾール、ポリベンゾイミダゾール、ポリアミド、ポリエステル、ポリ乳酸、ポリエーテル、ポリエーテルエーテルケトン、セルロース、カルボキシメチルセルロース、リグニン、キチン、キトサン、ピッチ、褐炭、絹、毛、ポリアミノ酸、核酸、DNA、RNA、ヒドラジン、ヒドラジド、尿素、サレン、ポリカルバゾール、ポリビスマレイミド、トリアジン、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸エステル、ポリメタクリル酸エステル、ポリメタクリル酸、ポリウレタン、ポリアミドアミン及びポリカルボジイミドからなる群より選択される1種以上が使用される。   Specifically, examples of the organic substance include polyacrylonitrile, polyacrylonitrile-polyacrylic acid copolymer, polyacrylonitrile-polymethyl acrylate copolymer, polyacrylonitrile-polymethacrylic acid copolymer, polyacrylonitrile-polymethacrylic acid. -Polymethallylsulfonic acid copolymer, polyacrylonitrile-polymethyl methacrylate copolymer, phenol resin, polyfurfuryl alcohol, furan, furan resin, phenol formaldehyde resin, melamine, melamine resin, epoxy resin, nitrogen-containing chelate resin ( For example, one or more selected from the group consisting of polyamine type, iminodiacetic acid type, aminophosphoric acid type and aminomethylphosphonic acid type), polyamideimide resin, pyrrole, polypyrrole, polyvinylpyrrole, 3 Methylpolypyrrole, acrylonitrile, polyvinylidene chloride, thiophene, oxazole, thiazole, pyrazole, vinylpyridine, polyvinylpyridine, pyridazine, pyrimidine, piperazine, pyran, morpholine, imidazole, 1-methylimidazole, 2-methylimidazole, quinoxaline, aniline, polyaniline , Succinic dihydrazide, adipic dihydrazide, polysulfone, polyaminobismaleimide, polyimide, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, benzimidazole, polybenzimidazole, polyamide, polyester, polylactic acid, polyether, polyetheretherketone, cellulose, carboxymethylcellulose , Lignin, chitin, chitosan, pitch, lignite, silk, hair, polyami Acid, nucleic acid, DNA, RNA, hydrazine, hydrazide, urea, salen, polycarbazole, polybismaleimide, triazine, polyacrylic acid, polyacrylic acid ester, polymethacrylic acid ester, polymethacrylic acid, polyurethane, polyamidoamine and polycarbodiimide One or more selected from the group consisting of:

原料における有機物の含有量は、炭素触媒が得られる範囲であれば特に限られないが、例えば、5質量%以上、90質量%以下であることとしてもよく、好ましくは10質量%以上、80質量%以下である。   The content of the organic substance in the raw material is not particularly limited as long as the carbon catalyst can be obtained. For example, it may be 5% by mass or more and 90% by mass or less, and preferably 10% by mass or more and 80% by mass. % Or less.

炭素化の原料に含まれる鉄としては、当該鉄の単体及び/又は当該鉄の化合物が使用される。鉄化合物としては、例えば、鉄の塩、鉄の酸化物、鉄の水酸化物、鉄の窒化物、鉄の硫化物、鉄の炭化物及び鉄の錯体からなる群より選択される1種以上を使用することとしてもよい。   As iron contained in the carbonization raw material, the iron simple substance and / or the iron compound is used. Examples of the iron compound include one or more selected from the group consisting of iron salts, iron oxides, iron hydroxides, iron nitrides, iron sulfides, iron carbides, and iron complexes. It may be used.

原料における鉄の含有量は、炭素触媒が得られる範囲であれば特に限られないが、例えば、0.001質量%以上、90質量%以下であることとしてもよく、0.002質量%以上、80質量%以下であることが好ましい。   The content of iron in the raw material is not particularly limited as long as the carbon catalyst can be obtained. For example, the content of iron may be 0.001% by mass or more and 90% by mass or less, 0.002% by mass or more, It is preferable that it is 80 mass% or less.

炭素化の原料は、非鉄金属をさらに含むこととしてもよい。この場合、有機物と鉄と非鉄金属とを含む原料が加圧下で炭素化される。炭素触媒が、有機物と鉄と非鉄金属とを含む原料の炭素化により得られる炭素化材料である場合、炭素触媒は、当該鉄及び非鉄金属を含む。原料に含まれる非鉄金属は、上述した炭素触媒の特性が得られるものであれば特に限られないが、遷移金属であることが好ましい。   The raw material for carbonization may further include a non-ferrous metal. In this case, the raw material containing organic matter, iron and non-ferrous metal is carbonized under pressure. When a carbon catalyst is a carbonization material obtained by carbonization of the raw material containing organic substance, iron, and a nonferrous metal, a carbon catalyst contains the said iron and nonferrous metal. The non-ferrous metal contained in the raw material is not particularly limited as long as the characteristics of the carbon catalyst described above can be obtained, but is preferably a transition metal.

本実施形態において、非鉄金属は、周期表の3族から12族に属する金属であり、周期表の3族から12族の第4周期に属する遷移金属であることが好ましい。具体的に、原料に含まれる非鉄金属は、例えば、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、ランタノイド(例えば、Nd、Sm及びGdからなる群より選択される1種以上)及びアクチノイドからなる群、又はSc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、ランタノイド(例えば、Nd、Sm及びGdからなる群より選択される1種以上)及びアクチノイドからなる群より選択される1種以上であることとしてもよい。   In the present embodiment, the non-ferrous metal is a metal belonging to Group 3 to Group 12 of the periodic table, and is preferably a transition metal belonging to Group 4 to Group 12 of the periodic table. Specifically, the non-ferrous metal contained in the raw material is, for example, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, lanthanoid ( For example, one or more selected from the group consisting of Nd, Sm and Gd) and a group of actinoids, or Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo , Ag, lanthanoid (for example, one or more selected from the group consisting of Nd, Sm, and Gd) and one or more selected from the group consisting of actinoids.

また、原料は、Feと、Ti、Cr、Zn、Nd、Sm及びGdからなる群より選択される1種以上の非鉄金属を含むことが好ましく、Feと、Cr、Zn及びGdからなる群より選択される1種以上の非鉄金属とを含むことがより好ましい。この場合、原料は、Fe及びZnを含むこととしてもよい。   The raw material preferably contains Fe and at least one non-ferrous metal selected from the group consisting of Ti, Cr, Zn, Nd, Sm, and Gd. From the group consisting of Fe, Cr, Zn, and Gd It is more preferable to include one or more selected non-ferrous metals. In this case, the raw material may contain Fe and Zn.

原料が鉄に加えて、非鉄金属として上記特定の遷移金属を含む場合、当該原料は、さらに他の遷移金属を含むこととしてもよい。すなわち、例えば、原料がFeと、Ti、Cr、Zn、Nd、Sm及びGdからなる群より選択される1種以上の第一の非鉄遷移金属を含む場合、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、ランタノイド(例えば、Nd、Sm及びGdからなる群より選択される1種以上)及びアクチノイドからなる群、又はSc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、ランタノイド(例えば、Nd、Sm及びGdからなる群より選択される1種以上)及びアクチノイドからなる群より選択される1種以上であって当該第一の非鉄遷移金属とは異なる第二の非鉄遷移金属をさらに含むこととしてもよい。   When the raw material contains the specific transition metal as a non-ferrous metal in addition to iron, the raw material may further contain another transition metal. That is, for example, when the raw material includes Fe and one or more first non-ferrous transition metals selected from the group consisting of Ti, Cr, Zn, Nd, Sm, and Gd, Sc, Ti, V, Cr, Mn , Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, a lanthanoid (for example, one or more selected from the group consisting of Nd, Sm, and Gd) and a group of actinoids Or Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, lanthanoid (for example, one or more selected from the group consisting of Nd, Sm and Gd) And a second non-ferrous transition metal that is one or more selected from the group consisting of actinides and different from the first non-ferrous transition metal.

また原料は、白金(Pt)を含まないこととしてもよい。この場合、原料は、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、金(Au)及びオスミウム(Os)からなる群より選択される1種以上を含まないこととしてもよい。   The raw material may not contain platinum (Pt). In this case, the raw material is one or more selected from the group consisting of platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), iridium (Ir), gold (Au), and osmium (Os). It is good also as not including.

原料に含まれる非鉄金属としては、当該非鉄金属の単体及び/又は当該非鉄金属の化合物が使用される。非鉄金属の化合物としては、例えば、非鉄金属の塩、非鉄金属の酸化物、非鉄金属の水酸化物、非鉄金属の窒化物、非鉄金属の硫化物、非鉄金属の炭化物及び非鉄金属の錯体からなる群より選択される1種以上を使用することとしてもよい。   As the nonferrous metal contained in the raw material, a simple substance of the nonferrous metal and / or a compound of the nonferrous metal are used. Examples of non-ferrous metal compounds include non-ferrous metal salts, non-ferrous metal oxides, non-ferrous metal hydroxides, non-ferrous metal nitrides, non-ferrous metal sulfides, non-ferrous metal carbides, and non-ferrous metal complexes. It is good also as using 1 or more types selected from a group.

原料における非鉄金属の含有量(2種以上の非鉄金属を使用する場合には、当該2種以上の非鉄金属の含有量の合計)は、炭素触媒が得られる範囲であれば特に限られないが、例えば、1質量%以上、90質量%以下であることとしてもよく、2質量%以上、80質量%以下であることが好ましい。   The content of non-ferrous metals in the raw material (when using two or more non-ferrous metals, the total content of the two or more non-ferrous metals) is not particularly limited as long as the carbon catalyst can be obtained. For example, it may be 1% by mass or more and 90% by mass or less, and preferably 2% by mass or more and 80% by mass or less.

炭素化は、加圧下で、原料を加熱して、当該原料が炭素化される温度(以下、「炭素化温度」という。)で保持することにより行う。炭素化温度は、原料が炭素化される温度であれば特に限られず、例えば、300℃以上である。すなわち、この場合、有機物を含む原料は、加圧下、300℃以上の温度で炭素化される。   Carbonization is performed by heating a raw material under pressure and holding at a temperature at which the raw material is carbonized (hereinafter referred to as “carbonization temperature”). The carbonization temperature is not particularly limited as long as the raw material is carbonized, and is, for example, 300 ° C. or higher. That is, in this case, the raw material containing the organic substance is carbonized at a temperature of 300 ° C. or higher under pressure.

また、炭素化温度は、例えば、700℃以上であることとしてもよく、900℃以上であることが好ましく、1000℃以上であることがより好ましく、1100℃以上であることが特に好ましい。炭素化温度の上限値は、特に限られないが、当該炭素化温度は、例えば、3000℃以下である。   Moreover, carbonization temperature is good also as being 700 degreeC or more, for example, it is preferable that it is 900 degreeC or more, it is more preferable that it is 1000 degreeC or more, and it is especially preferable that it is 1100 degreeC or more. The upper limit value of the carbonization temperature is not particularly limited, but the carbonization temperature is, for example, 3000 ° C. or less.

炭素化温度までの昇温速度は、例えば、0.5℃/分以上、300℃/分以下である。炭素化温度で原料を保持する時間は、例えば、1秒以上、24時間以下であり、好ましくは、5分以上、24時間以下である。炭素化は、窒素雰囲気等の不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。すなわち、炭素化は、例えば、窒素ガス等の不活性ガスの流通下で行うことが好ましい。   The rate of temperature rise to the carbonization temperature is, for example, 0.5 ° C./min or more and 300 ° C./min or less. The time for holding the raw material at the carbonization temperature is, for example, 1 second or more and 24 hours or less, and preferably 5 minutes or more and 24 hours or less. Carbonization is preferably performed in an inert gas atmosphere such as a nitrogen atmosphere. That is, the carbonization is preferably performed, for example, under the flow of an inert gas such as nitrogen gas.

炭素化を行う雰囲気の圧力は、大気圧より大きい圧力であれば特に限られないが、例えば、ゲージ圧で0.05MPa以上の圧力である。すなわち、この場合、有機物を含む原料は、ゲージ圧0.05MPa以上の圧力下で炭素化される。   The pressure of the atmosphere in which carbonization is performed is not particularly limited as long as the pressure is higher than the atmospheric pressure. For example, the gauge pressure is 0.05 MPa or more. That is, in this case, the raw material containing the organic substance is carbonized under a pressure of a gauge pressure of 0.05 MPa or more.

さらに、炭素化を行う雰囲気の圧力は、ゲージ圧で、0.10MPa以上であることとしてもよく、0.15MPa以上であることとしてもよく、0.20MPa以上であることとしてもよい。   Furthermore, the pressure of the atmosphere in which carbonization is performed may be a gauge pressure of 0.10 MPa or more, 0.15 MPa or more, or 0.20 MPa or more.

炭素触媒の製造方法は、上記炭素化により得られる炭素化材料にさらなる処理を施すことをさらに含むこととしてもよい。すなわち、例えば、炭素化材料に金属除去処理を施すこととしてもよい。この場合、炭素触媒の製造方法は、有機物を含む原料は加圧下で炭素化することと、次いで、当該炭素化により得られた炭素化材料に金属除去処理を施すことと、を含む。金属除去処理は、炭素化材料に含まれる原料由来の金属の量を低減する処理である。金属除去処理は、例えば、酸による洗浄処理及び/又は電解処理である。   The method for producing a carbon catalyst may further include further processing the carbonized material obtained by the carbonization. That is, for example, metal removal treatment may be performed on the carbonized material. In this case, the method for producing a carbon catalyst includes carbonizing a raw material containing an organic substance under pressure, and then subjecting the carbonized material obtained by the carbonization to a metal removal treatment. A metal removal process is a process which reduces the quantity of the metal derived from the raw material contained in a carbonization material. The metal removal process is, for example, an acid cleaning process and / or an electrolytic process.

次に、本実施形態に係る具体的な実施例について説明する。   Next, specific examples according to the present embodiment will be described.

[触媒調製例1]
1.0gのポリアクリロニトリル(PAN)と、1.0gの2−メチルイミダゾールと、6.0gの塩化亜鉛(ZnCl)と、0.18gの塩化鉄(III)六水和物(FeCl3・6HO)と、30gのジメチルホルムアミドとを混合した。得られた混合物から乾燥により溶媒を除去した。乾燥した混合物を大気中で加熱して、250℃で不融化を行った。不融化後の混合物を、窒素雰囲気中、0.90MPaのゲージ圧力下、1300℃で加熱保持することにより、炭素化を行った。
[Catalyst Preparation Example 1]
1.0 g polyacrylonitrile (PAN), 1.0 g 2-methylimidazole, 6.0 g zinc chloride (ZnCl 2 ), 0.18 g iron (III) chloride hexahydrate (FeCl 3. 6H 2 O) and 30 g of dimethylformamide were mixed. The solvent was removed from the resulting mixture by drying. The dried mixture was heated in the atmosphere and infusibilized at 250 ° C. The mixture after infusibilization was carbonized by heating and maintaining at 1300 ° C. under a gauge pressure of 0.90 MPa in a nitrogen atmosphere.

炭素化により得られた炭素化材料に希塩酸を加え、撹拌した。その後、炭素化材料を含有する懸濁液を、ろ過膜を使用してろ過し、ろ液が中性になるまで蒸留水で炭素化材料を洗浄した。こうして酸洗浄による金属除去処理を行った。   Dilute hydrochloric acid was added to the carbonized material obtained by carbonization and stirred. Thereafter, the suspension containing the carbonized material was filtered using a filtration membrane, and the carbonized material was washed with distilled water until the filtrate became neutral. In this way, the metal removal process by acid washing was performed.

微粉砕機によって、金属除去処理後の炭素化材料を、その粒子径の中央値が1μm以下になるまで粉砕した。こうして、粉砕後の炭素化材料を、触媒調製例1の炭素触媒として得た。   The carbonized material after the metal removal treatment was pulverized with a pulverizer until the median particle diameter became 1 μm or less. Thus, the pulverized carbonized material was obtained as the carbon catalyst of Catalyst Preparation Example 1.

[触媒調製例2]
0.90MPaに代えて0.20MPaのゲージ圧力下で炭素化を行ったこと以外は上述の触媒調製例1と同様にして、触媒調製例2の炭素触媒を得た。
[Catalyst Preparation Example 2]
A carbon catalyst of Catalyst Preparation Example 2 was obtained in the same manner as Catalyst Preparation Example 1 except that carbonization was performed under a gauge pressure of 0.20 MPa instead of 0.90 MPa.

[触媒調製例3]
不融化前に、0.018gの塩化クロム六水和物(CrCl・6HO)をさらに含む混合物を調製し、当該混合物を不融化したこと以外は上述の触媒調製例1と同様にして、触媒調製例3の炭素触媒を得た。
[Catalyst Preparation Example 3]
Before infusibilization, a mixture containing 0.018 g of chromium chloride hexahydrate (CrCl 3 · 6H 2 O) was prepared, and the mixture was infusibilized in the same manner as in Catalyst Preparation Example 1 above. Thus, a carbon catalyst of Catalyst Preparation Example 3 was obtained.

[触媒調製例4]
不融化前に、0.06gのホウ酸(B(HO))をさらに含む混合物を調製し、当該混合物を不融化したこと以外は上述の触媒調製例1と同様にして、触媒調製例4の炭素触媒を得た。
[Catalyst Preparation Example 4]
A catalyst preparation example 4 was prepared in the same manner as catalyst preparation example 1 except that a mixture further containing 0.06 g of boric acid (B (HO) 3 ) was prepared before infusibilization, and the mixture was infusible. Of carbon catalyst was obtained.

[触媒調製例5]
1.0gに代えて2.0gの2−メチルイミダゾールを用いたこと以外は上述の触媒調製例1と同様にして、触媒調製例5の炭素触媒を得た。
[Catalyst Preparation Example 5]
A carbon catalyst of Catalyst Preparation Example 5 was obtained in the same manner as Catalyst Preparation Example 1 except that 2.0 g of 2-methylimidazole was used instead of 1.0 g.

[触媒調製例6]
不融化前に、0.075gの硝酸ガドリニウム六水和物(Gd(NO・6HO)をさらに含む混合物を調製し、当該混合物を不融化したこと以外は上述の触媒調製例1と同様にして、触媒調製例6の炭素触媒を得た。
[Catalyst Preparation Example 6]
Catalyst preparation example 1 described above except that a mixture further containing 0.075 g of gadolinium nitrate hexahydrate (Gd (NO 3 ) 3 .6H 2 O) was prepared before infusibilization, and the mixture was infusible. In the same manner as described above, a carbon catalyst of Catalyst Preparation Example 6 was obtained.

[比較調製例1]
1.0gのポリアクリロニトリル(PAN)と、1.0gの2−メチルイミダゾールと、6.0gの塩化亜鉛(ZnCl)と、0.18gの塩化鉄(III)六水和物(FeCl・6HO)と、30gのジメチルホルムアミドとを混合した。得られた混合物から乾燥により溶媒を除去した。乾燥した混合物を大気中で加熱して、250℃で不融化を行った。不融化後の混合物を、窒素雰囲気中、常圧下、1300℃で加熱保持することにより、炭素化を行った。
[Comparative Preparation Example 1]
1.0 g polyacrylonitrile (PAN), 1.0 g 2-methylimidazole, 6.0 g zinc chloride (ZnCl 2 ), 0.18 g iron (III) chloride hexahydrate (FeCl 3. 6H 2 O) and 30 g of dimethylformamide were mixed. The solvent was removed from the resulting mixture by drying. The dried mixture was heated in the atmosphere and infusibilized at 250 ° C. Carbonization was performed by heating and maintaining the infusible mixture at 1300 ° C. under normal pressure in a nitrogen atmosphere.

炭素化により得られた炭素化材料に希塩酸を加え、撹拌した。その後、炭素化材料を含有する懸濁液を、ろ過膜を使用してろ過し、ろ液が中性になるまで蒸留水で炭素化材料を洗浄した。こうして酸洗浄による金属除去処理を行った。   Dilute hydrochloric acid was added to the carbonized material obtained by carbonization and stirred. Thereafter, the suspension containing the carbonized material was filtered using a filtration membrane, and the carbonized material was washed with distilled water until the filtrate became neutral. In this way, the metal removal process by acid washing was performed.

微粉砕機によって、金属除去処理後の炭素化材料を、その粒子径の中央値が1μm以下になるまで粉砕した。こうして粉砕後の炭素化材料を、比較調製例1の炭素触媒として得た。   The carbonized material after the metal removal treatment was pulverized with a pulverizer until the median particle diameter became 1 μm or less. Thus, the carbonized material after pulverization was obtained as the carbon catalyst of Comparative Preparation Example 1.

[比較調製例2]
1300℃に代えて1000℃で炭素化を行ったこと以外は上述の比較調製例1と同様にして、比較調製例2の炭素触媒を得た。
[Comparative Preparation Example 2]
A carbon catalyst of Comparative Preparation Example 2 was obtained in the same manner as Comparative Preparation Example 1 except that carbonization was performed at 1000 ° C. instead of 1300 ° C.

[比較調製例3]
1300℃に代えて800℃で炭素化を行ったこと以外は上述の比較調製例1と同様にして、比較調製例3の炭素触媒を得た。
[Comparative Preparation Example 3]
A carbon catalyst of Comparative Preparation Example 3 was obtained in the same manner as Comparative Preparation Example 1 except that carbonization was performed at 800 ° C. instead of 1300 ° C.

[比較調製例4]
窒素気流下、トルエン280mLが入ったフラスコにアクリロニトリル56.35質量部を加え溶解させた後、2,2’−アゾビスイソブチロニトリル0.75質量部を加えた。60℃に昇温撹拌し、3.5時間反応させ、白色沈殿が発生したのを確認した後、反応を終了した。反応物にテトラヒドロフランを加え、ろ過し、ろ物をテトラヒドロフランにて洗浄、ろ過乾燥を行うことで、ポリアクリロニトリル粒子を得た。
[Comparative Preparation Example 4]
Under a nitrogen stream, 56.35 parts by mass of acrylonitrile was dissolved in a flask containing 280 mL of toluene, and then 0.75 part by mass of 2,2′-azobisisobutyronitrile was added. The mixture was heated to 60 ° C. and stirred and reacted for 3.5 hours. After confirming the occurrence of white precipitate, the reaction was terminated. Tetrahydrofuran was added to the reaction product and filtered, and the filtrate was washed with tetrahydrofuran and filtered and dried to obtain polyacrylonitrile particles.

得られたポリアクリロニトリル粒子を190℃から徐々に昇温し、230℃で、1時間空気中で熱処理することにより、ポリアクリロニトリル粒子の不融化体を得た。得られた不融化体に対し、鉄原子が0.3質量%の組成になるよう塩化鉄(II)四水和物を担持し、得られたポリアクリロニトリルの不融化体−塩化鉄(II)四水和物組成物を窒素気流下600℃で5時間熱処理を行った後、ボールミルによる分散処理を施した。次に、アンモニア気流下800℃で1時間、1000℃で1時間アンモニア気流下、熱処理(賦活処理)を行うことで粒子状の炭素触媒(比較調製例4の炭素触媒)を得た。   The obtained polyacrylonitrile particles were gradually heated from 190 ° C. and heat-treated in air at 230 ° C. for 1 hour to obtain an infusible polyacrylonitrile particle. The resulting infusibilized material is loaded with iron (II) chloride tetrahydrate so that the composition of iron atoms is 0.3% by mass, and the resulting polyacrylonitrile infusible material-iron (II) chloride is obtained. The tetrahydrate composition was heat-treated at 600 ° C. for 5 hours under a nitrogen stream, and then subjected to a dispersion treatment by a ball mill. Next, a particulate carbon catalyst (carbon catalyst of Comparative Preparation Example 4) was obtained by performing heat treatment (activation treatment) under an ammonia stream at 800 ° C. for 1 hour and at 1000 ° C. under an ammonia stream for 1 hour.

[熱重量分析]
示差熱天秤(TG−DTA2020SA、ブルカー・エイエックスエス株式会社製)を用い、窒素雰囲気下でのTGにより、炭素触媒の重量減少率を測定した。すなわち、炭素触媒10mgを入れたアルミナ製容器を装置に設置し、次いで、常温にて窒素(200mL/分)を流した状態で当該装置を1時間保持した。その後、昇温速度10℃/分で、常温から1200℃まで炭素触媒を加熱し、200℃から1200℃までの重量減少率を測定した。炭素触媒に吸着した水等の影響を除去するため、200℃における炭素触媒の重量から、1200℃における当該炭素触媒の重量を減じて得られる差分を、当該200℃における炭素触媒の重量で除した値に100を乗じることにより、炭素触媒の重量減少率(重量%)を得た。
[Thermogravimetric analysis]
Using a differential thermal balance (TG-DTA2020SA, Bruker AXS Co., Ltd.), the weight reduction rate of the carbon catalyst was measured by TG in a nitrogen atmosphere. That is, an alumina container containing 10 mg of carbon catalyst was placed in the apparatus, and then the apparatus was held for 1 hour in a state where nitrogen (200 mL / min) was allowed to flow at room temperature. Thereafter, the carbon catalyst was heated from room temperature to 1200 ° C. at a rate of temperature increase of 10 ° C./min, and the weight loss rate from 200 ° C. to 1200 ° C. was measured. In order to remove the influence of water adsorbed on the carbon catalyst, the difference obtained by subtracting the weight of the carbon catalyst at 1200 ° C. from the weight of the carbon catalyst at 200 ° C. was divided by the weight of the carbon catalyst at 200 ° C. By multiplying the value by 100, the weight reduction rate (% by weight) of the carbon catalyst was obtained.

ここで、図2には、触媒調製例1、及び比較調製例2,4で得られた炭素触媒のTGによる重量減少率の測定結果を示す。図2において、横軸は温度(℃)を示し、縦軸はTG重量減少率(%)を示す。   Here, in FIG. 2, the measurement result of the weight reduction rate by TG of the carbon catalyst obtained in the catalyst preparation example 1 and the comparative preparation examples 2 and 4 is shown. In FIG. 2, the horizontal axis represents temperature (° C.), and the vertical axis represents TG weight reduction rate (%).

[X線吸収微細構造分析]
炭素触媒に含まれる鉄のK吸収端のXAFS分析を行った。すなわち、あいちシンクロトロン光センター(愛知県、日本)のビームラインBL5S1を用いて、硬X線によるXAFS分析を行った(Ring:1.2GeV/300.0mA〜300.3mA、モノクロメータ:Si(111)、ビームサイズ:0.50mm×0.30mm、光子数:1010個@7000eV、分解能(E/ΔE):7000@12keV)。
[X-ray absorption fine structure analysis]
XAFS analysis of the K absorption edge of iron contained in the carbon catalyst was performed. That is, XAFS analysis by hard X-ray was performed using the beam line BL5S1 of Aichi Synchrotron Light Center (Aichi Prefecture, Japan) (Ring: 1.2 GeV / 300.0 mA to 300.3 mA, Monochromator: Si ( 111), beam size: 0.50 mm × 0.30 mm, number of photons: 10 10 @ 7000 eV, resolution (E / ΔE): 7000 @ 12 keV).

具体的に、エッジジャンプ(吸収端前後での吸光度の差)が1になるように量を調節した炭素触媒を円筒に詰め、圧縮して作製した試料を透過法により測定した。ただし、エッジジャンプが1となるときに吸収端(原子の軌道に束縛されている電子を最低の非占有状態に励起させるためのエネルギー(吸収端エネルギー))後の吸光度が4を超える場合は、吸収端後の吸光度が4を超えない範囲でエッジジャンプが最大となるように炭素触媒の量を調節した。また、エッジジャンプが1となる量では嵩が少なく測定に適さない場合は、炭素触媒に窒化ほう素(BN)を加えて得られた混合物を円筒に詰めた。なお、測定範囲は6813eV〜8213eVであり、ステップ幅は0.32eVであり、測定時間は0.06秒/pointであった。   Specifically, a sample prepared by packing and compressing a carbon catalyst, the amount of which was adjusted so that the edge jump (absorbance difference before and after the absorption edge) was 1, was measured by a permeation method. However, when the absorbance after the absorption edge (energy for exciting the electrons bound to the atomic orbitals to the lowest unoccupied state (absorption edge energy)) exceeds 4 when the edge jump is 1, The amount of the carbon catalyst was adjusted so that the edge jump was maximized in the range where the absorbance after the absorption edge did not exceed 4. If the amount of edge jump is 1 and the volume is too small to be suitable for measurement, a mixture obtained by adding boron nitride (BN) to a carbon catalyst was packed in a cylinder. The measurement range was 6813 eV to 8213 eV, the step width was 0.32 eV, and the measurement time was 0.06 seconds / point.

分析においては、一般的なXAFS解析ソフトの一つである「Athena」を用いた。(Athena Demeter 0.9.24、copyright 2006−2015 Bruce Ravel using Ifeffit 1.2.12 copyright 2008 Matt Newville、Univ of Chicago)。   In the analysis, “Athena” which is one of general XAFS analysis software was used. (Athena Demeter 0.9.24, copyright 2006-2015 Bruce Rave using Effect 1.2.12 copylight 2008 Matt Newville, Univ of Chicago).

規格化は、解析ソフト「Athena」の「Main window」おける「Normalization and background removal parameters」欄に次の数値を入力することにより行った。E:吸光度の1階微分が最大となった時のエネルギー。Normalization order:3。Pre−edge range:−150 to −30。Normalization range:150 to 1000。Flatten normalized data:On。ただし、条件はデフォルトから変更しなかった。なお、規格化は、吸収端前と吸収端後のバックグラウンドをそれぞれの領域において測定データの中央を通るように引けていれば、特に限定されるものではない。 The standardization was performed by inputting the following numerical values in the “Normalization and background removal parameters” column of “Main window” of the analysis software “Athena”. E 0 : Energy when the first-order derivative of absorbance is maximized. Normalization order: 3. Pre-edge range: -150 to -30. Normalization range: 150 to 1000. Flatten normalized data: On. However, the condition was not changed from the default. The normalization is not particularly limited as long as the background before the absorption edge and the background after the absorption edge are drawn so as to pass through the center of the measurement data in each region.

ここで、図3には、触媒調製例1、比較調製例1,2,4で得られた炭素触媒、及び比較のために平均粒子径が150μmである粉末状のα鉄(鉄粉、和光純薬工業株式会社製)のXAFSスペクトルを示す。図3において、横軸はエネルギー(eV)を示し、縦軸は規格化吸光度を示す。   Here, FIG. 3 shows the carbon catalyst obtained in Catalyst Preparation Example 1 and Comparative Preparation Examples 1, 2, and 4 and powdered α-iron (iron powder, Japanese powder having an average particle diameter of 150 μm for comparison). The XAFS spectrum of an optical pure medicine industry company make) is shown. In FIG. 3, the horizontal axis indicates energy (eV), and the vertical axis indicates normalized absorbance.

[BET比表面積、ミクロ孔容積、メソ孔容積、マクロ孔容積]
炭素触媒の比表面積、ミクロ孔容積、メソ孔容積及びマクロ孔容積を、比表面積・細孔分布測定装置(Tristar 3000、株式会社島津製作所製)を用いて測定した。
[BET specific surface area, micropore volume, mesopore volume, macropore volume]
The specific surface area, micropore volume, mesopore volume, and macropore volume of the carbon catalyst were measured using a specific surface area / pore distribution measuring device (Tristar 3000, manufactured by Shimadzu Corporation).

すなわち、まず、0.1gの炭素触媒を、100℃、6.7×10−2Paで、3時間保持することにより、当該炭素触媒に吸着している水分を取り除いた。次いで、BET法により、77Kにおける窒素吸着等温線から、炭素触媒の比表面積(m/g)を得た。なお、77Kにおける窒素吸着等温線は、77Kの温度で、窒素ガスの圧力の変化に伴う、炭素材料への窒素吸着量の変化を測定して得た。 That is, first, 0.1 g of a carbon catalyst was held at 100 ° C. and 6.7 × 10 −2 Pa for 3 hours to remove moisture adsorbed on the carbon catalyst. Next, the specific surface area (m 2 / g) of the carbon catalyst was obtained from the nitrogen adsorption isotherm at 77 K by the BET method. The nitrogen adsorption isotherm at 77K was obtained by measuring the change in the amount of nitrogen adsorbed on the carbon material accompanying the change in the pressure of nitrogen gas at a temperature of 77K.

一方、温度77Kにおける窒素吸着等温線から、BJH法によりマクロ孔容積及びメソ孔容積(cm/g)を得た。また、温度77Kにおける窒素吸着等温線のP/P=0.98の点(Pは、平衡時の圧力を示し、Pは、飽和蒸気圧(77Kの窒素では1.01×10Pa)を示す。)での吸着量により全細孔容積(cm/g)を得た。さらに、全細孔容積から、マクロ孔容積とメソ孔容積との合計を減じることにより、ミクロ孔容積(cm/g)を算出した。そして、メソ孔容積(cm/g)を全細孔容積(cm/g)で除して得られた値に100を乗じてメソ孔割合(%)を算出した。 On the other hand, a macropore volume and a mesopore volume (cm 3 / g) were obtained from the nitrogen adsorption isotherm at a temperature of 77 K by the BJH method. Further, a point of P / P 0 = 0.98 of the nitrogen adsorption isotherm at a temperature of 77K (P indicates a pressure at equilibrium, and P 0 indicates a saturated vapor pressure (1.01 × 10 5 Pa for 77K nitrogen). The total pore volume (cm 3 / g) was obtained by the amount of adsorption in (1). Furthermore, the micropore volume (cm 3 / g) was calculated by subtracting the sum of the macropore volume and the mesopore volume from the total pore volume. The mesopore ratio (%) was calculated by multiplying the value obtained by dividing the mesopore volume (cm 3 / g) by the total pore volume (cm 3 / g) by 100.

なお、BJH法は、Barrett, Joyner, Halendaによって提唱されたメソ孔の分布を得る代表的な方法である(E P Barrett, L G Joyner and P P Halenda, J Am Chem Soc, 73, 373, (1951))。   The BJH method is a typical method for obtaining the distribution of mesopores proposed by Barrett, Joyner and Halenda (EP Barrett, LG Joyner and PP Halenda, J Am Chem Soc, 73, 373, (1951)). .

[誘導結合プラズマ質量分析]
ICP−MSにより、炭素触媒の鉄含有量を測定した。すなわち、25mgの炭素触媒を、大気雰囲気下、800℃で、3時間加熱保持することにより、当該炭素触媒中の非金属成分を取り除いた。その後、炭素触媒を濃塩酸5mL中に浸漬することにより、当該炭素触媒に含まれている金属を溶解させた。その後、全重量が25gとなるように蒸留水を加えて希釈し、金属溶液を得た。そして、得られた金属溶液の鉄原子濃度を、シーケンシャル形プラズマ発光分析装置(ICP−8100、株式会社島津製作所製)を用いて測定した。
[Inductively coupled plasma mass spectrometry]
The iron content of the carbon catalyst was measured by ICP-MS. That is, 25 mg of the carbon catalyst was heated and held at 800 ° C. for 3 hours in an air atmosphere to remove non-metallic components in the carbon catalyst. Thereafter, the metal contained in the carbon catalyst was dissolved by immersing the carbon catalyst in 5 mL of concentrated hydrochloric acid. Then, distilled water was added and diluted so that the total weight might be 25g, and the metal solution was obtained. And the iron atom density | concentration of the obtained metal solution was measured using the sequential type plasma emission analyzer (ICP-8100, Shimadzu Corporation make).

そして、金属溶液の鉄原子濃度(mg/g)に当該金属溶液の重量(25g)を乗じて得られた値を、炭素触媒の重量(25mg)で除して得られた値に100を乗じて、当該炭素触媒の鉄含有量(重量%)を算出した。   The value obtained by multiplying the iron atom concentration (mg / g) of the metal solution by the weight of the metal solution (25 g) and dividing the value by the weight of the carbon catalyst (25 mg) is multiplied by 100. Thus, the iron content (% by weight) of the carbon catalyst was calculated.

[X線光電子分光法]
炭素触媒をXPSにより解析した。すなわち、X線光電子分光装置(AXIS NOVA、KRATOS社製)を用いて、炭素触媒の表面における炭素原子、窒素原子及び酸素原子の内殻準位からの光電子スペクトルを測定した。X線源にはAlKα線(10mA、15kV、Pass energy 40eV)を用いた。得られた光電子スペクトルにおいては、炭素原子の1s軌道に由来するC1sピークのピークトップが284.5eVに位置するよう結合エネルギーの補正を行った。
[X-ray photoelectron spectroscopy]
The carbon catalyst was analyzed by XPS. That is, using an X-ray photoelectron spectrometer (AXIS NOVA, manufactured by KRATOS), photoelectron spectra from the inner core levels of carbon atoms, nitrogen atoms and oxygen atoms on the surface of the carbon catalyst were measured. AlKα rays (10 mA, 15 kV, Pass energy 40 eV) were used as the X-ray source. In the obtained photoelectron spectrum, the binding energy was corrected so that the peak top of the C1s peak derived from the 1s orbit of the carbon atom was located at 284.5 eV.

得られた光電子スペクトルから、窒素原子濃度(atm%)、炭素原子濃度(atm%)、及び酸素原子濃度(atm%)を得た。また、窒素原子濃度(atm%)を炭素原子濃度(atm%)で除して得られた値に100を乗じて、XPSによるN/C割合(%)を算出した。   From the obtained photoelectron spectrum, a nitrogen atom concentration (atm%), a carbon atom concentration (atm%), and an oxygen atom concentration (atm%) were obtained. Further, the N / C ratio (%) by XPS was calculated by multiplying the value obtained by dividing the nitrogen atom concentration (atm%) by the carbon atom concentration (atm%) by 100.

[元素分析]
炭素触媒の燃焼法による元素分析を行った。すなわち、有機微量元素分析装置(2400II、パーキンエルマー株式会社)を用いて、炭素触媒の窒素含有量を燃焼法により測定した。ヘリウムをキャリアガスとして用い、2mgの炭素触媒を、燃焼管温度980℃、還元管温度640℃の条件で分析した。そして、炭素触媒に含まれていた窒素原子の重量を、当該炭素触媒の全重量で除した値に100を乗じて、当該炭素触媒の窒素原子含有量(重量%)を算出した。
[Elemental analysis]
Elemental analysis by combustion method of carbon catalyst was performed. That is, the nitrogen content of the carbon catalyst was measured by a combustion method using an organic trace element analyzer (2400II, Perkin Elmer Co., Ltd.). Using helium as a carrier gas, 2 mg of carbon catalyst was analyzed under the conditions of a combustion tube temperature of 980 ° C. and a reduction tube temperature of 640 ° C. Then, the nitrogen atom content (% by weight) of the carbon catalyst was calculated by multiplying the value obtained by dividing the weight of the nitrogen atom contained in the carbon catalyst by the total weight of the carbon catalyst by 100.

同様に、炭素触媒に含まれていた炭素原子の重量及び水素の重量をそれぞれ当該炭素触媒の全重量で除した値に100を乗じて、炭素原子含有量(重量%)及び水素原子含有量(重量%)を算出した。さらに、窒素原子含有量(重量%)を炭素原子含有量(重量%)で除した値に100を乗じて、元素分析によるN/C割合(%)を算出した。   Similarly, the value obtained by dividing the weight of carbon atom and the weight of hydrogen contained in the carbon catalyst by the total weight of the carbon catalyst is multiplied by 100 to obtain the carbon atom content (% by weight) and the hydrogen atom content ( % By weight) was calculated. Further, the value obtained by dividing the nitrogen atom content (% by weight) by the carbon atom content (% by weight) was multiplied by 100 to calculate the N / C ratio (%) by elemental analysis.

[触媒活性]
炭素触媒の触媒活性を、回転リングディスク電極装置(RRDE-3A回転リングディスク電極装置ver.1.2、ビー・エー・エス株式会社製)と、デュアル電気化学アナライザー(CHI700C、株式会社ALS社製)とを用いて評価した。すなわち、まず炭素触媒を含む作用電極を有する、三極式の回転リングディスク電極装置を作製した。具体的に、炭素触媒5mgと、5%ナフィオン(登録商標)(シグマアルドリッチ社製、ナフィオン 過フッ素化イオン交換樹脂、5%溶液(整理番号:510211))50μLと、水400μLと、イソプロピルアルコール100μLとを混合してスラリーを調製した。次いで、このスラリーに超音波処理を10分行い、その後、ホモジナイザー処理を2分行った。そして、得られたスラリーを、炭素触媒の塗布量が0.1mg/cmとなるように、作用電極(RRDE-3A用リングディスク電極 白金リング−金ディスク電極 ディスク直径4mm、ビー・エー・エス株式会社製)に塗布し、乾燥することにより、当該炭素触媒を含む作用電極を作製した。
[Catalytic activity]
The catalytic activity of the carbon catalyst was measured using a rotating ring disk electrode device (RRDE-3A rotating ring disk electrode device ver. 1.2, manufactured by BAS Co., Ltd.) and a dual electrochemical analyzer (CHI700C, manufactured by ALS Co., Ltd.). ) And evaluated. That is, first, a tripolar rotating ring disk electrode device having a working electrode containing a carbon catalyst was produced. Specifically, 5 mg of a carbon catalyst, 50% of 5% Nafion (registered trademark) (manufactured by Sigma Aldrich, Nafion perfluorinated ion exchange resin, 5% solution (reference number: 510211)), 400 μL of water, and 100 μL of isopropyl alcohol Were mixed to prepare a slurry. Next, this slurry was subjected to ultrasonic treatment for 10 minutes, and then subjected to homogenizer treatment for 2 minutes. Then, the obtained slurry was mixed with a working electrode (ring disk electrode for RRDE-3A, platinum ring-gold disk electrode, disk diameter: 4 mm, BAS, so that the amount of carbon catalyst applied was 0.1 mg / cm 2. The working electrode containing the said carbon catalyst was produced by apply | coating and drying.

また対極としては白金電極(Ptカウンター電極23cm、ビー・エー・エス株式会社製)を使用し、参照極としては可逆式水素電極(RHE)(溜め込み式可逆水素電極、株式会社イーシーフロンティア製)を用いた。こうして、炭素触媒を含む作用電極、対極としての白金電極、及び参照極としての可逆式水素電極(RHE)を有する回転リングディスク電極装置を得た。また、電解液としては、0.1M過塩素酸水溶液を用いた。   In addition, a platinum electrode (Pt counter electrode 23 cm, manufactured by BAS Co., Ltd.) is used as the counter electrode, and a reversible hydrogen electrode (RHE) (recumbent reversible hydrogen electrode, manufactured by EC Frontier Co., Ltd.) is used as the reference electrode. Using. Thus, a rotating ring disk electrode device having a working electrode containing a carbon catalyst, a platinum electrode as a counter electrode, and a reversible hydrogen electrode (RHE) as a reference electrode was obtained. Moreover, 0.1M perchloric acid aqueous solution was used as electrolyte solution.

そして、上記回転リングディスク電極装置を用いた触媒活性を測定した。すなわち、炭素触媒を含む作用電極を有する、三極式の回転リングディスク電極装置を用いた窒素雰囲気下におけるリニアスイープボルタンメトリ(N−LSV)及び酸素雰囲気下におけるリニアスイープボルタンメトリ(O−LSV)を実施した。 And the catalyst activity using the said rotating ring disk electrode apparatus was measured. That is, linear sweep voltammetry (N 2 -LSV) in a nitrogen atmosphere and linear sweep voltammetry (O 2 ) in an oxygen atmosphere using a three-pole rotating ring disk electrode device having a working electrode containing a carbon catalyst. 2- LSV).

−LSVにおいては、まず窒素バブリングを10分行い、電解液内の酸素を除去した。その後、電極を回転速度1600rpmで回転させ、掃引速度20mV/secで電位掃引した時の電流密度を電位の関数として記録した。 In N 2 -LSV, nitrogen bubbling was first performed for 10 minutes to remove oxygen in the electrolytic solution. Thereafter, the electrode was rotated at a rotational speed of 1600 rpm, and the current density when the potential was swept at a sweep speed of 20 mV / sec was recorded as a function of the potential.

−LSVにおいては、さらにその後、酸素バブリングを10分行い、電解液内を飽和酸素で満たした。その後、電極を回転速度1600rpmで回転させ、掃引速度20mV/secで電位掃引した時の電流密度を電位の関数として記録した(O−LSV)。そして、O−LSVからN−LSVを差し引いて、酸素還元ボルタモグラムを得た。なお、得られた酸素還元ボルタモグラムにおいて、還元電流が負の値、酸化電流が正の値となるように数値に符号を付した。 In O 2 -LSV, oxygen bubbling was further performed for 10 minutes, and the electrolyte solution was filled with saturated oxygen. Thereafter, the electrode was rotated at a rotational speed of 1600 rpm, and the current density when the potential was swept at a sweep speed of 20 mV / sec was recorded as a function of the potential (O 2 -LSV). Then, N 2 -LSV was subtracted from O 2 -LSV to obtain an oxygen reduction voltammogram. In the obtained oxygen reduction voltammogram, the numerical values were labeled so that the reduction current had a negative value and the oxidation current had a positive value.

こうして得られた酸素還元ボルタモグラムから、炭素触媒の耐久性試験開始時の触媒活性を示す指標の一つとして、0.7V(vs.NHE)の電圧を印加した時の電流密度i0.7(mA/cm)を記録した。 From the oxygen reduction voltammogram obtained in this way, as one of the indices indicating the catalytic activity at the start of the durability test of the carbon catalyst, the current density i 0.7 ( 0.7 V (vs. NHE) applied) is applied. mA / cm 2 ) was recorded.

[実施例1]
炭素触媒を含むCC層を作製した。すなわち、まず、触媒調製例1において調製された炭素触媒0.25gと、EW値が700であるアイオノマーの5重量%溶液3.5gと、ボール25gとをポットに投入し、200rpm、50分間ボールミルで混合することにより、均一に分散された当該炭素触媒を含むスラリー状のCC層組成物を得た。
[Example 1]
A CC layer containing a carbon catalyst was prepared. That is, first, 0.25 g of the carbon catalyst prepared in Catalyst Preparation Example 1, 3.5 g of a 5 wt% solution of ionomer having an EW value of 700, and 25 g of balls were put into a pot, and the ball mill was performed at 200 rpm for 50 minutes. The slurry CC layer composition containing the said carbon catalyst uniformly disperse | distributed was obtained by mixing by.

得られたスラリー状のCC層組成物を、ガス拡散層(“29BC”、SGLカーボン社製)(2.3cm×2.3cm)の面積5cmの領域上に、炭素触媒の含有量が2.5mg/cmになるように塗布して乾燥させることにより、当該ガス拡散層上に、炭素触媒を含み、電解質材料比が0.7であるCC層を形成した。 The obtained slurry-like CC layer composition was used in a gas diffusion layer (“29BC”, manufactured by SGL Carbon) (2.3 cm × 2.3 cm) having a carbon catalyst content of 2 on an area of 5 cm 2 area. A CC layer containing a carbon catalyst and having an electrolyte material ratio of 0.7 was formed on the gas diffusion layer by applying and drying to 0.5 mg / cm 2 .

また、白金を含むPt層を作製した。すなわち、白金含有触媒としての、カーボン担体と当該カーボン担体に担持された白金粒子とを含む白金担持カーボン(以下、「Pt/C」という。)(UNPC40−II、石福金属興業社製)0.25gと、EW値が700であるアイオノマーの5重量%溶液3.5gと、蒸留水2.5gと、ボール25gとをポットに投入し、200rpm、50分間ボールミルで混合することにより、均一に分散された当該Pt/Cを含み、電解質材料比が0.7であるスラリー状のPt層組成物を得た。   Further, a Pt layer containing platinum was produced. That is, platinum-supported carbon (hereinafter referred to as “Pt / C”) including a carbon support and platinum particles supported on the carbon support as a platinum-containing catalyst (UNPC40-II, manufactured by Ishifuku Metal Industry Co., Ltd.) 0 .25 g, 3.5 g of 5% by weight ionomer solution having an EW value of 700, 2.5 g of distilled water, and 25 g of balls are placed in a pot and mixed in a ball mill at 200 rpm for 50 minutes to uniformly A slurry-like Pt layer composition containing the dispersed Pt / C and having an electrolyte material ratio of 0.7 was obtained.

得られたスラリー状のPt層組成物を、固体高分子電解質膜(NAFION(登録商標)211、Dupont社製)(2.3cm×2.3cm)の面積5cmの領域上に、白金の含有量が0.050mg/cmになるように塗布して乾燥させることにより、当該固体高分子電解質膜上に、白金を含み、電解質材料比が0.7であるPt層を形成した。 The obtained slurry-like Pt layer composition was placed on a solid polymer electrolyte membrane (NAFION (registered trademark) 211, manufactured by Dupont) (2.3 cm × 2.3 cm) in an area of 5 cm 2 in area of platinum. A Pt layer containing platinum and having an electrolyte material ratio of 0.7 was formed on the solid polymer electrolyte membrane by applying and drying so that the amount was 0.050 mg / cm 2 .

なお、Pt/Cとしては、当該Pt/Cの重量に対する、当該Pt/Cに含まれる白金の重量の割合が40重量%のものを用いた。Pt層における白金の含有量は、当該Pt層中のPt/Cに含まれる白金の重量を、当該Pt層の面積で除して算出された。CC層の面積及びPt層の面積はいずれも5cmであり、したがって、当該CC層とPt層とから構成されるカソードの触媒層の面積もまた5cmであった。 In addition, as Pt / C, the ratio of the weight of platinum contained in the Pt / C to the weight of the Pt / C is 40% by weight. The platinum content in the Pt layer was calculated by dividing the weight of platinum contained in Pt / C in the Pt layer by the area of the Pt layer. The area of the CC layer and the area of the Pt layer were both 5 cm 2 , and therefore the area of the cathode catalyst layer composed of the CC layer and the Pt layer was also 5 cm 2 .

一方、アノードを作製した。すなわち、0.5gのPt/Cと、5重量%NAFION(登録商標)溶液(Aldrich社製)10gと、蒸留水2gと、ボール25gとをポットに投入し、200rpm、50分間ボールミルで混合することにより、スラリー状のアノード組成物を調製した。このスラリー状のアノード組成物を、ガス拡散層の面積5cmの領域上に、Pt/Cの含有量が0.3mg/cmとなるように塗布して乾燥させることにより、当該ガス拡散層上に、Pt/Cを含む触媒層から構成されるアノードを形成した。 On the other hand, an anode was produced. That is, 0.5 g of Pt / C, 10 g of 5 wt% NAFION (registered trademark) solution (manufactured by Aldrich), 2 g of distilled water, and 25 g of balls are put in a pot and mixed in a ball mill at 200 rpm for 50 minutes. Thus, a slurry-like anode composition was prepared. The slurry-like anode composition is applied onto a region having an area of 5 cm 2 of the gas diffusion layer so that the content of Pt / C is 0.3 mg / cm 2 and dried, whereby the gas diffusion layer is formed. An anode composed of a catalyst layer containing Pt / C was formed on the top.

そして、一対のガス拡散層と、当該一対のガス拡散層の間に配置される固体高分子電解質膜と、一方の当該ガス拡散層と、当該固体高分子電解質膜との間に配置されるカソードと、他方の当該ガス拡散層と、当該固体高分子電解質膜との間に配置されるアノードと、を含むMEA、及び当該MEAを含む単セルを作製した。   A pair of gas diffusion layers; a solid polymer electrolyte membrane disposed between the pair of gas diffusion layers; and a cathode disposed between one of the gas diffusion layers and the solid polymer electrolyte membrane. A MEA including the other gas diffusion layer and the anode disposed between the solid polymer electrolyte membrane and a single cell including the MEA were produced.

すなわち、一方のガス拡散層上に形成されたCC層と、固体高分子電解質膜上に形成されたPt層とが接するように、且つ当該固体高分子電解質膜のPt層が形成されていない表面と、他方のガス拡散層上に形成されたアノードとが接するように、150℃、1MPaの条件で、当該固体高分子膜を一対のガス拡散層で挟んで3分間圧着することにより、MEAを作製した。次いで、MEAに、当該MEAを挟むよう一対のガスケットを貼り付け、さらに当該一対のガスケットに、当該一対のガスケットを挟むよう一対のセパレータで挟むことにより、燃料電池の単セルを作製した。   That is, the surface where the CC layer formed on one gas diffusion layer is in contact with the Pt layer formed on the solid polymer electrolyte membrane and the Pt layer of the solid polymer electrolyte membrane is not formed And the anode formed on the other gas diffusion layer are in contact with each other at 150 ° C. and 1 MPa by pressing the solid polymer film between the pair of gas diffusion layers for 3 minutes, Produced. Next, a pair of gaskets was affixed to the MEA so as to sandwich the MEA, and the pair of gaskets were sandwiched by a pair of separators so that a single cell of a fuel cell was produced.

その後、上述のようにして作製した単セルを燃料電池自動評価システム(株式会社東陽テクニカ製)に設置し、発電試験を行った。発電試験においては、まず単セルに対して、背圧20kPaでカソードに相対湿度50%空気(酸素)を2.0L/分で供給し、アノードに相対湿度50%水素を0.2L/分で供給し、セル温度を55℃に設定して、開回路電圧を5分間測定した。その後、セル電流密度を1.5A/cmから0A/cmまで変化させる間、各電流密度を3分間保持して、当該各電流密度におけるセル電圧を測定した。この発電試験において、耐久性試験開始時の触媒活性を示す指標の一つとして、電流密度0.2A/cmで観測される電位(mV)を、初期電位BOL(Beginning Of Life)として記録した。 Then, the single cell produced as mentioned above was installed in the fuel cell automatic evaluation system (made by Toyo Corporation), and the power generation test was done. In the power generation test, first, with a back pressure of 20 kPa, air with 50% relative humidity (oxygen) is supplied to the cathode at 2.0 L / min and the anode is supplied with 50% relative humidity at 0.2 L / min. The cell temperature was set at 55 ° C. and the open circuit voltage was measured for 5 minutes. Thereafter, while the cell current density was changed from 1.5 A / cm 2 to 0 A / cm 2 , each current density was held for 3 minutes, and the cell voltage at each current density was measured. In this power generation test, the potential (mV) observed at a current density of 0.2 A / cm 2 was recorded as the initial potential BOL (Beginning Of Life) as one of the indices indicating the catalytic activity at the start of the durability test. .

次いで、被毒試験を行った。すなわち、まず単セルに対して、背圧20kPaでカソードに相対湿度50%空気(酸素)を2.0L/分で供給し、アノードに相対湿度50%水素を0.2L/分で供給し、セル温度を55℃に設定して、電流密度0.3A/cmを30分保持した。その後、背圧20kPaでカソードに10ppmの二酸化硫黄を含む乾燥空気(酸素)を0.2L/分で供給し、アノードに相対湿度50%水素を0.2L/分で供給し、セル温度を55℃に設定して、電流密度0.3A/cmを90分保持した。さらに、背圧20kPaでカソードに相対湿度50%空気(酸素)を2.0L/分で供給し、アノードに相対湿度50%水素を0.2L/分で供給し、セル温度を55℃に設定して、電流密度0.3A/cmを30分保持した。 Next, a poisoning test was conducted. That is, first, for a single cell, a back pressure of 20 kPa and a relative humidity of 50% air (oxygen) are supplied to the cathode at 2.0 L / min, and a relative humidity of 50% hydrogen is supplied to the anode at 0.2 L / min. The cell temperature was set to 55 ° C. and a current density of 0.3 A / cm 2 was maintained for 30 minutes. Thereafter, dry air (oxygen) containing 10 ppm of sulfur dioxide is supplied to the cathode at a back pressure of 20 kPa at 0.2 L / min, 50% relative humidity hydrogen is supplied to the anode at 0.2 L / min, and the cell temperature is set to 55. The temperature was set to 0 ° C. and a current density of 0.3 A / cm 2 was maintained for 90 minutes. Furthermore, with a back pressure of 20 kPa, 50% relative humidity air (oxygen) is supplied to the cathode at 2.0 L / min, and 50% relative humidity hydrogen is supplied to the anode at 0.2 L / min, and the cell temperature is set to 55 ° C. Then, the current density of 0.3 A / cm 2 was held for 30 minutes.

その後、電流保持試験(耐久性試験)を行った。すなわち、単セルに対して、背圧70kPaでカソードに飽和加湿空気(酸素)を2.0L/分で供給し、アノードに飽和加湿水素を0.5L/分で供給し、セル温度を75℃に設定して、電流密度を0.5A/cmで一定に保ち、この状態を100時間保持した。 Thereafter, a current holding test (durability test) was performed. That is, for a single cell, saturated humidified air (oxygen) was supplied to the cathode at a back pressure of 70 kPa at 2.0 L / min, saturated humidified hydrogen was supplied to the anode at 0.5 L / min, and the cell temperature was 75 ° C. The current density was kept constant at 0.5 A / cm 2 and this state was maintained for 100 hours.

さらに、上記100時間の耐久性試験を終了した直後に、再び発電試験を行い、当該発電試験において電流密度0.2A/cmで観測される電位(mV)を、耐久性試験終了後の触媒活性を示す指標の一つである電位EOL(End Of Life)として記録した。 Furthermore, immediately after the end of the 100-hour durability test, the power generation test was performed again, and the potential (mV) observed at a current density of 0.2 A / cm 2 in the power generation test was determined as the catalyst after the end of the durability test. It recorded as electric potential EOL (End Of Life) which is one of the indexes showing activity.

そして、耐久性試験開始時の発電試験において電流密度0.2A/cmで観測された電位BOL(mV)から、当該耐久性試験後の発電試験において電流密度0.2A/cmで観測されたEOL電位(mV)を減じて得られた値を、100時間の当該耐久性試験による電位低下量(BOL−EOL)(mV)として得た。 Then, from the potential BOL (mV) observed at a current density of 0.2 A / cm 2 in the power generation test at the start of the durability test, it was observed at a current density of 0.2 A / cm 2 in the power generation test after the durability test. Further, a value obtained by reducing the EOL potential (mV) was obtained as a potential decrease amount (BOL-EOL) (mV) by the durability test for 100 hours.

[実施例2]
Pt層における白金の含有量を0.020mg/cmとした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 2]
Except that the platinum content in the Pt layer was 0.020 mg / cm 2 , cathodes, MEAs and single cells were produced in the same manner as in Example 1, and power generation tests, poisoning tests, and durability tests were performed.

[実施例3]
Pt層における白金の含有量を0.005mg/cmとした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 3]
Except that the platinum content in the Pt layer was 0.005 mg / cm 2 , a cathode, an MEA and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1, and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.

[実施例4]
Pt層における白金の含有量を0.100mg/cmとした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 4]
Except that the platinum content in the Pt layer was 0.100 mg / cm 2 , a cathode, an MEA and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1, and a power generation test, poisoning test, and durability test were performed.

[実施例5]
CC層における炭素触媒の含有量を1.0mg/cmとした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 5]
Except that the content of the carbon catalyst in the CC layer was 1.0 mg / cm 2 , the cathode, MEA and single cell were produced in the same manner as in Example 1, and the power generation test, poisoning test, and durability test were performed. .

[実施例6]
CC層における炭素触媒の含有量を1.0mg/cmとし、Pt層における白金の含有量を0.020mg/cmとした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 6]
A cathode, an MEA, and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the carbon catalyst content in the CC layer was 1.0 mg / cm 2 and the platinum content in the Pt layer was 0.020 mg / cm 2. Then, a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.

[実施例7]
CC層における炭素触媒の含有量を1.0mg/cmとし、Pt層における白金の含有量を0.005mg/cmとした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 7]
A cathode, an MEA and a single cell were produced in the same manner as in Example 1 except that the carbon catalyst content in the CC layer was 1.0 mg / cm 2 and the platinum content in the Pt layer was 0.005 mg / cm 2. Then, a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.

[実施例8]
CC層における炭素触媒の含有量を6.0mg/cmとした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 8]
Except that the content of the carbon catalyst in the CC layer was 6.0 mg / cm 2 , the cathode, the MEA and the single cell were produced in the same manner as in Example 1, and the power generation test, the poisoning test, and the durability test were performed. .

[実施例9]
CC層の電解質材料比を0.9とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 9]
Except that the electrolyte material ratio of the CC layer was 0.9, the cathode, MEA and single cell were produced in the same manner as in Example 1, and the power generation test, poisoning test, and durability test were performed.

[実施例10]
CC層の電解質材料比を0.9とし、Pt層における白金の含有量を0.020mg/cmとした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 10]
A cathode, an MEA and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the electrolyte material ratio of the CC layer was 0.9 and the platinum content in the Pt layer was 0.020 mg / cm 2 , A poisoning test and a durability test were conducted.

[実施例11]
Pt層の電解質材料比を0.5とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 11]
Except that the electrolyte material ratio of the Pt layer was set to 0.5, the cathode, the MEA, and the single cell were produced in the same manner as in Example 1, and the power generation test, the poisoning test, and the durability test were performed.

[実施例12]
Pt層の電解質材料比を0.5とし、Pt層における白金の含有量を0.020mg/cmとした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 12]
A cathode, an MEA, and a single cell were produced in the same manner as in Example 1 except that the electrolyte material ratio of the Pt layer was 0.5 and the platinum content in the Pt layer was 0.020 mg / cm 2 . A poisoning test and a durability test were conducted.

[実施例13]
Pt層の電解質材料比を0.2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 13]
Except that the electrolyte material ratio of the Pt layer was set to 0.2, a cathode, MEA, and a single cell were produced in the same manner as in Example 1, and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.

[実施例14]
Pt層の電解質材料比を0.2とし、Pt層における白金の含有量を0.020mg/cmとした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 14]
A cathode, an MEA, and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the electrolyte material ratio of the Pt layer was 0.2, and the platinum content in the Pt layer was 0.020 mg / cm 2 . A poisoning test and a durability test were conducted.

[実施例15]
炭素触媒として、触媒調製例2で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 15]
Except for using the carbon catalyst produced in Catalyst Preparation Example 2 as the carbon catalyst, a cathode, MEA, and single cell were produced in the same manner as in Example 1, and a power generation test, poisoning test, and durability test were performed. .

[実施例16]
炭素触媒として、触媒調製例3で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 16]
Except for using the carbon catalyst produced in Catalyst Preparation Example 3 as the carbon catalyst, a cathode, MEA and single cell were produced in the same manner as in Example 1, and a power generation test, poisoning test, and durability test were performed. .

[実施例17]
炭素触媒として、触媒調製例4で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 17]
Except for using the carbon catalyst produced in Catalyst Preparation Example 4 as the carbon catalyst, a cathode, MEA and single cell were produced in the same manner as in Example 1, and a power generation test, poisoning test, and durability test were performed. .

[実施例18]
炭素触媒として、触媒調製例5で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 18]
Except for using the carbon catalyst produced in Catalyst Preparation Example 5 as the carbon catalyst, a cathode, MEA, and single cell were produced in the same manner as in Example 1, and a power generation test, poisoning test, and durability test were performed. .

[実施例19]
炭素触媒として、触媒調製例6で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 19]
Except for using the carbon catalyst prepared in Catalyst Preparation Example 6 as the carbon catalyst, a cathode, MEA, and single cell were prepared in the same manner as in Example 1, and a power generation test, poisoning test, and durability test were performed. .

[実施例20]
Pt/Cとして、当該Pt/Cの重量に対する、当該Pt/Cに含まれる白金の重量の割合が20重量%のもの(UNPC20−II、石福金属興業社製)を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 20]
Example of using Pt / C except that the weight ratio of platinum contained in the Pt / C to the weight of the Pt / C is 20% by weight (UNPC20-II, manufactured by Ishifuku Metal Industry Co., Ltd.) In the same manner as in Example 1, a cathode, MEA, and single cell were produced, and a power generation test, poisoning test, and durability test were performed.

[実施例21]
Pt層の電解質材料比を1.2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 21]
Except that the electrolyte material ratio of the Pt layer was 1.2, a cathode, an MEA and a single cell were produced in the same manner as in Example 1, and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.

[実施例22]
Pt層の電解質材料比を0.1とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 22]
Except that the electrolyte material ratio of the Pt layer was set to 0.1, a cathode, MEA, and a single cell were produced in the same manner as in Example 1, and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.

[実施例23]
CC層の電解質材料比を0.5とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 23]
Except that the electrolyte material ratio of the CC layer was set to 0.5, the cathode, MEA, and single cell were produced in the same manner as in Example 1, and the power generation test, poisoning test, and durability test were performed.

[比較例1]
Pt層における白金の含有量を0.200mg/cmとした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 1]
Except that the platinum content in the Pt layer was 0.200 mg / cm 2 , a cathode, an MEA and a single cell were produced in the same manner as in Example 1, and a power generation test, poisoning test, and durability test were performed.

[比較例2]
Pt層における白金の含有量を0.001mg/cmとした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 2]
Except that the platinum content in the Pt layer was 0.001 mg / cm 2 , a cathode, an MEA and a single cell were produced in the same manner as in Example 1, and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.

[比較例3]
Pt層における白金の含有量を0.001mg/cmとし、CC層における炭素触媒の含有量を1.0mg/cmとした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 3]
A cathode, an MEA and a single cell were produced in the same manner as in Example 1 except that the platinum content in the Pt layer was 0.001 mg / cm 2 and the carbon catalyst content in the CC layer was 1.0 mg / cm 2. Then, a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.

[比較例4]
Pt層を作製しなかった(カソードがPt層を含まなかった)以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 4]
Except that the Pt layer was not produced (the cathode did not contain the Pt layer), the cathode, MEA, and single cell were produced in the same manner as in Example 1, and the power generation test, poisoning test, and durability test were performed. .

[比較例5]
Pt層を作製せず(カソードがPt層を含まず)、CC層における炭素触媒の含有量を1.0mg/cmとした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 5]
A cathode, MEA and single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the Pt layer was not prepared (the cathode did not include the Pt layer) and the carbon catalyst content in the CC layer was 1.0 mg / cm 2. Then, a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.

[比較例6]
CC層を作製せず(カソードがCC層を含まず)、Pt層における白金の含有量を0.100mg/cmとした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 6]
A cathode, an MEA and a single cell were produced in the same manner as in Example 1 except that the CC layer was not produced (the cathode did not contain the CC layer), and the platinum content in the Pt layer was 0.100 mg / cm 2. A power generation test, a poisoning test, and a durability test were conducted.

[比較例7]
CC層を作製しなかった(カソードがCC層を含まなかった)以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 7]
Except that the CC layer was not produced (the cathode did not contain the CC layer), the cathode, MEA, and single cell were produced in the same manner as in Example 1, and the power generation test, poisoning test, and durability test were performed. .

[比較例8]
CC層を作製せず(カソードがCC層を含まず)、Pt層における白金の含有量を0.020mg/cmとした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 8]
A cathode, MEA, and single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the CC layer was not prepared (the cathode does not include the CC layer) and the platinum content in the Pt layer was 0.020 mg / cm 2. A power generation test, a poisoning test, and a durability test were conducted.

[比較例9]
CC層における炭素触媒の含有量を10.0mg/cmとした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 9]
Except that the content of the carbon catalyst in the CC layer was 10.0 mg / cm 2 , a cathode, an MEA and a single cell were produced in the same manner as in Example 1, and a power generation test, poisoning test, and durability test were performed. .

[比較例10]
CC層における炭素触媒の含有量を10.0mg/cmとし、Pt層における白金の含有量を0.020mg/cmとした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 10]
A cathode, an MEA and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the carbon catalyst content in the CC layer was 10.0 mg / cm 2 and the platinum content in the Pt layer was 0.020 mg / cm 2. Then, a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.

[比較例11]
CC層における炭素触媒の含有量を0.2mg/cmとした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 11]
Except that the content of the carbon catalyst in the CC layer was 0.2 mg / cm 2 , the cathode, MEA and single cell were produced in the same manner as in Example 1, and the power generation test, poisoning test, and durability test were performed. .

[比較例12]
CC層における炭素触媒の含有量を0.2mg/cmとし、Pt層における白金の含有量を0.020mg/cmとした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 12]
A cathode, an MEA, and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the carbon catalyst content in the CC layer was 0.2 mg / cm 2 and the platinum content in the Pt layer was 0.020 mg / cm 2. Then, a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.

[比較例13]
炭素触媒として、比較調製例1で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 13]
Except for using the carbon catalyst produced in Comparative Preparation Example 1 as the carbon catalyst, a cathode, MEA, and single cell were produced in the same manner as in Example 1, and a power generation test, poisoning test, and durability test were performed. .

[比較例14]
炭素触媒として、比較調製例2で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 14]
Except for using the carbon catalyst produced in Comparative Preparation Example 2 as the carbon catalyst, a cathode, MEA, and single cell were produced in the same manner as in Example 1, and a power generation test, poisoning test, and durability test were performed. .

[比較例15]
炭素触媒として、比較調製例3で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 15]
Except for using the carbon catalyst produced in Comparative Preparation Example 3 as the carbon catalyst, a cathode, MEA, and single cell were produced in the same manner as in Example 1, and a power generation test, poisoning test, and durability test were performed. .

[比較例16]
炭素触媒として、比較調製例4で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 16]
Except for using the carbon catalyst produced in Comparative Preparation Example 4 as the carbon catalyst, a cathode, MEA and single cell were produced in the same manner as in Example 1, and a power generation test, poisoning test, and durability test were performed. .

[結果]
図4Aには、触媒調製例1〜6(図中、「例1」〜「例6」)及び比較調製例1〜4(図中、「比較1」〜「比較4」)で得られた炭素触媒について、TGによる重量減少率(重量%)と、XAFSによる7110eV、7130eV及び7135eVの規格化吸光度、7130/7110比及び7135/7110比と、酸素還元活性の指標である電流密度i0.7(mA/cm)と、を評価した結果を示す。
[result]
FIG. 4A shows catalyst preparation examples 1 to 6 (“Example 1” to “Example 6” in the figure) and Comparative Preparation Examples 1 to 4 (“Comparison 1” to “Comparison 4” in the figure). Regarding the carbon catalyst, the weight reduction rate (wt%) by TG, the normalized absorbance of 7110 eV, 7130 eV and 7135 eV, 7130/7110 ratio and 7135/7110 ratio by XAFS, and the current density i 0. 7 (mA / cm 2 ) is evaluated.

図4Bには、触媒調製例1〜6及び比較調製例1〜4で得られた炭素触媒について、BET比表面積(m/g)と、ミクロ孔容積(cm/g)と、メソ孔容積(cm/g)と、マクロ孔容積(cm/g)と、メソ孔割合(%)と、ICP−MSによる鉄含有量(重量%)と、XPSによる炭素原子濃度(atm%)、酸素原子濃度(atm%)、窒素原子濃度(atm%)及びN/C割合(%)と、元素分析(燃焼法)による炭素原子含有量(重量%)、水素原子含有量(重量%)、窒素原子含有量(重量%)及びN/C割合(%)と、を評価した結果を示す。 FIG. 4B shows the BET specific surface area (m 2 / g), micropore volume (cm 3 / g), mesopores for the carbon catalysts obtained in Catalyst Preparation Examples 1-6 and Comparative Preparation Examples 1-4. Volume (cm 3 / g), Macropore volume (cm 3 / g), Mesopore ratio (%), Iron content (% by weight) by ICP-MS, Carbon atom concentration by XPS (atm%) , Oxygen atom concentration (atm%), nitrogen atom concentration (atm%) and N / C ratio (%), carbon atom content (% by weight) by elemental analysis (combustion method), hydrogen atom content (% by weight) The results of evaluating the nitrogen atom content (% by weight) and the N / C ratio (%) are shown.

図4Aに示すように、比較調製例2,3,4の炭素触媒のTGによる重量減少率は、12.5重量%以上であった。また、比較調製例1の炭素触媒のXAFSによる7130/7110比及び7135/7110比は、6.4以下であった。そして、比較調製例2の炭素触媒の酸素還元活性を示す電流密度i0.7は、−2.0mA/cmであったが、比較調製例1,3,4の炭素触媒のそれは、−0.1mA/cm〜−0.9mA/cmに過ぎなかった。 As shown in FIG. 4A, the weight loss rate by TG of the carbon catalysts of Comparative Preparation Examples 2, 3, and 4 was 12.5% by weight or more. Moreover, 7130/7110 ratio and 7135/7110 ratio by XAFS of the carbon catalyst of Comparative Preparation Example 1 were 6.4 or less. The current density i 0.7 indicating the oxygen reduction activity of the carbon catalyst of Comparative Preparation Example 2 was −2.0 mA / cm 2 , while that of the carbon catalyst of Comparative Preparation Examples 1, 3, and 4 was − was only 0.1mA / cm 2 ~-0.9mA / cm 2.

これに対し、触媒調製例1〜6の炭素触媒は、TGによる重量減少率が7.3重量%以下であり、且つXAFSによる7130/7110比及び7135/7110比は、いずれも13.8以上であった。そして、触媒調製例1〜6の炭素触媒の酸素還元活性を示す電流密度i0.7は、−1.2mA/cm〜−1.4mA/cmに達した。 On the other hand, in the carbon catalysts of Catalyst Preparation Examples 1 to 6, the weight reduction rate by TG is 7.3% by weight or less, and the 7130/7110 ratio and 7135/7110 ratio by XAFS are both 13.8 or more. Met. Then, the current density i 0.7 showing the oxygen reduction activity of the carbon catalyst of Catalyst Preparation Example 1-6 was reached -1.2mA / cm 2 ~-1.4mA / cm 2.

図4Bに示すように、触媒調製例1〜6の炭素触媒のBET比表面積は、1440m/g以上であり、ミクロ孔容積は0.40cm/g〜0.52cm/gであり、メソ孔容積は0.26cm/g〜0.50cm/gであり、マクロ孔容積は0.01cm/g〜0.02cm/gであり、メソ孔割合は、36%以上であった。 As shown in FIG. 4B, BET specific surface area of the carbon catalyst of Catalyst Preparation Example 1-6 is a 1440m 2 / g or more, the micropore volume was 0.40cm 3 /g~0.52cm 3 / g, mesopore volume was 0.26cm 3 /g~0.50cm 3 / g, the macropore volume was 0.01cm 3 /g~0.02cm 3 / g, mesopores ratio, a 36% or more It was.

触媒調製例1〜6の炭素触媒のICP−MSによる鉄含有量は0.21重量%〜0.30重量%であった。触媒調製例1〜6の炭素触媒のXPSによる炭素原子濃度は84.75atm%〜90.74atm%であり、酸素原子濃度は7.24atm%〜13.65atm%であり、窒素原子濃度は1.42atm%〜1.91atm%であり、N/C割合は1.60%〜2.14%であった。特に、触媒調製例1〜6の炭素触媒のXPSによる酸素原子濃度は、比較調製例1〜4の炭素触媒のそれ(3.01atm%〜5.85atm%)に比べて大きかった。   The iron content of the carbon catalysts of Catalyst Preparation Examples 1 to 6 by ICP-MS was 0.21 wt% to 0.30 wt%. The carbon atom concentration by XPS of the carbon catalysts of Catalyst Preparation Examples 1 to 6 is 84.75 atm% to 90.74 atm%, the oxygen atom concentration is 7.24 atm% to 13.65 atm%, and the nitrogen atom concentration is 1. It was 42 atm% to 1.91 atm%, and the N / C ratio was 1.60% to 2.14%. In particular, the oxygen atom concentration by XPS of the carbon catalysts of Catalyst Preparation Examples 1 to 6 was larger than that of the carbon catalysts of Comparative Preparation Examples 1 to 4 (3.01 atm% to 5.85 atm%).

触媒調製例1〜6の炭素触媒の元素分析による窒素原子含有量は87.30重量%〜98.62重量%であり、水素原子含有量は0.43重量%〜1.74重量%であり、窒素原子含有量は1.47重量%〜1.98重量%であり、N/C割合は1.58%〜2.18%であった。   The nitrogen atom content of the carbon catalysts of Catalyst Preparation Examples 1 to 6 by elemental analysis is 87.30 wt% to 98.62 wt%, and the hydrogen atom content is 0.43 wt% to 1.74 wt%. The nitrogen atom content was 1.47% by weight to 1.98% by weight, and the N / C ratio was 1.58% to 2.18%.

図5には、実施例1〜23、及び比較例1〜16で製造されたカソードについて、CC層に含まれる炭素触媒に関する条件、Pt層に含まれる白金に関する条件、及び当該カソードを含む電池の発電試験及び耐久性試験の結果を示す。   FIG. 5 shows the conditions relating to the carbon catalyst contained in the CC layer, the conditions relating to platinum contained in the Pt layer, and the battery including the cathode for the cathodes manufactured in Examples 1 to 23 and Comparative Examples 1 to 16. The result of a power generation test and a durability test is shown.

具体的に、炭素触媒については、触媒調製例1〜6及び比較調製例1〜4のいずれで作製されたものか(図中、「例1」〜「例6」は触媒調製例1〜6を示し、「比較例1」〜「比較4」は比較調製例1〜4を示す。)、CC層における含有量(図中の「触媒含有量(mg/cm)」)、及びCC層における電解質材料比を示し、白金については、Pt/C(図中、「Pt/担体」)の重量に対する当該Pt/Cに含まれる当該白金の重量の割合(図中、「Pt/(Pt/担体))(重量%)、Pt層における含有量(図中、「触媒含有量(mg−Pt/cm)」)、及びPt層における電解質材料比を示し、発電試験及び耐久性試験については、BOL(mV)、EOL(mV)及び電位低下量(図中、「BOL−EOL」)(mV)を示す。 Specifically, as for the carbon catalyst, it was prepared in any one of Catalyst Preparation Examples 1 to 6 and Comparative Preparation Examples 1 to 4 (in the figure, “Example 1” to “Example 6” are catalyst preparation examples 1 to 6). “Comparative Example 1” to “Comparative 4” represent Comparative Preparation Examples 1 to 4, and the content in the CC layer (“catalyst content (mg / cm 2 )” in the figure), and the CC layer The ratio of the weight of platinum contained in the Pt / C to the weight of Pt / C (“Pt / carrier” in the figure) (“Pt / (Pt / Support)) (% by weight), content in the Pt layer (“catalyst content (mg-Pt / cm 2 )” in the figure), and electrolyte material ratio in the Pt layer are shown. , BOL (mV), EOL (mV), and potential decrease amount ("BOL-EOL" in the figure) (mV ).

図5に示すように、炭素触媒の含有量が1.0mg/cm〜6.0mg/cmであるCC層と、白金の含有量が0.005mg/cm〜0.100mg/cmであるPt層とから構成されるカソードを用いた実施例1〜23については、発電試験において700.2mV〜760.6mVの初期電位(BOL)が達成され、その後の被毒試験を含む耐久性試験における電位低下量(BOL−EOL)は27.4mV〜58.0mVに抑えられた。すなわち、実施例1〜23においては、高い初期電位が達成されたことに加えて、顕著に優れた耐久性が達成された。 As shown in FIG. 5, the CC layer the content of the carbon catalyst is 1.0mg / cm 2 ~6.0mg / cm 2 , the content of platinum 0.005mg / cm 2 ~0.100mg / cm 2 In Examples 1 to 23 using a cathode composed of a Pt layer, an initial potential (BOL) of 700.2 mV to 760.6 mV was achieved in a power generation test, and durability including a subsequent poisoning test The potential drop (BOL-EOL) in the test was suppressed to 27.4 mV to 58.0 mV. That is, in Examples 1 to 23, in addition to achieving a high initial potential, remarkable durability was achieved.

これに対し、Pt層の白金含有量が0.200mg/cmであった比較例1、Pt層の白金含有量が0.001mg/cmであった比較例2,3、Pt層を含まないカソードを用いた比較例4,5、CC層を含まないカソードを用いた比較例6〜8、CC層の炭素触媒含有量が10.0mg/cmであった比較例9,10、CC層の炭素触媒含有量が0.2mg/cmであった比較例11,12、比較調製例1〜4の炭素触媒を用いた比較例13〜16については、発電試験の初期電位(BOL)は446.8mV〜716.4mVであり、耐久性試験における電位低下量(BOL−EOL)は66.9mV〜251.5mVであった。すなわち、比較例1〜16で示された耐久性は、実施例1〜23のそれより低く、必ずしも高い初期電位が達成されなかった。 In contrast, Comparative Example platinum content of Pt layer was 0.200 mg / cm 2 1, comparative platinum content of Pt layer was 0.001 mg / cm 2 Examples 2 and 3, includes a Pt layer Comparative Examples 4 and 5 using no cathode, Comparative Examples 6 to 8 using a cathode not including the CC layer, Comparative Examples 9 and 10 in which the carbon catalyst content of the CC layer was 10.0 mg / cm 2 , CC For Comparative Examples 11 and 12 where the carbon catalyst content of the layer was 0.2 mg / cm 2 and Comparative Examples 13 to 16 using the carbon catalysts of Comparative Preparation Examples 1 to 4, the initial potential (BOL) of the power generation test Was 446.8 mV to 716.4 mV, and the potential drop (BOL-EOL) in the durability test was 66.9 mV to 251.5 mV. That is, the durability shown in Comparative Examples 1 to 16 was lower than that of Examples 1 to 23, and a high initial potential was not necessarily achieved.

本発明に係るカソード、MEA、及び電池は、優れた耐久性を有することが確認された。また、上述のとおり、耐久性試験は被毒試験に続いて行われたことから、本発明に係るカソード、MEA及び電池は、優れた耐被毒性をも有することが確認された。さらに、発電試験の結果より、本発明に係るカソード、MEA及び電池は、優れた発電性能も有することが確認された。

The cathode, MEA, and battery according to the present invention were confirmed to have excellent durability. Further, as described above, since the durability test was performed following the poisoning test, it was confirmed that the cathode, MEA, and battery according to the present invention also have excellent poisoning resistance. Furthermore, from the results of the power generation test, it was confirmed that the cathode, MEA and battery according to the present invention also have excellent power generation performance.

Claims (15)

電解質膜を含む電池のカソードであって、
0.3mg/cm以上、9.0mg/cm以下の炭素触媒を含む第一の層と、
前記電池において前記電解質膜と前記第一の層との間に配置される、0.002mg/cm以上、0.190mg/cm以下の白金を含む第二の層と、
を含むカソード。
A cathode of a battery including an electrolyte membrane,
A first layer comprising a carbon catalyst of 0.3 mg / cm 2 or more and 9.0 mg / cm 2 or less;
Wherein disposed between the electrolyte membrane and the first layer in the battery, 0.002 mg / cm 2 or more, a second layer containing 0.190mg / cm 2 or less of platinum,
Including cathode.
前記炭素触媒は、鉄を含み、
窒素雰囲気下での熱重量分析において測定される200℃から1200℃までの重量減少率12.0重量%以下を示し、
前記鉄のK吸収端のX線吸収微細構造分析において下記(a)及び/又は(b):
(a)7110eVの規格化吸光度に対する7130eVの規格化吸光度の比が7.0以上である;、
(b)7110eVの規格化吸光度に対する7135eVの規格化吸光度の比が7.0以上である;
を示す炭素構造を含む、請求項1に記載のカソード。
The carbon catalyst includes iron,
The weight loss rate from 200 ° C. to 1200 ° C. measured in thermogravimetric analysis under a nitrogen atmosphere is 12.0% by weight or less,
In the X-ray absorption fine structure analysis of the iron K absorption edge, the following (a) and / or (b):
(A) the ratio of the normalized absorbance at 7130 eV to the normalized absorbance at 7110 eV is 7.0 or greater;
(B) the ratio of the normalized absorbance at 7135 eV to the normalized absorbance at 7110 eV is 7.0 or greater;
The cathode of claim 1, comprising a carbon structure exhibiting
前記炭素触媒は、全細孔容積に対するメソ孔容積の割合が20%以上である、請求項1又は2に記載のカソード。   The cathode according to claim 1 or 2, wherein the carbon catalyst has a ratio of mesopore volume to total pore volume of 20% or more. 前記炭素触媒は、誘導結合プラズマ質量分析により測定される鉄の含有量が0.01重量%以上である、請求項1乃至3のいずれかに記載のカソード。   The cathode according to any one of claims 1 to 3, wherein the carbon catalyst has an iron content measured by inductively coupled plasma mass spectrometry of 0.01 wt% or more. 前記炭素触媒は、燃焼法による元素分析で測定される窒素原子含有量1.0重量%以上を示す、請求項1乃至4のいずれかに記載のカソード。   The cathode according to any one of claims 1 to 4, wherein the carbon catalyst exhibits a nitrogen atom content of 1.0 wt% or more as measured by elemental analysis by a combustion method. 前記炭素触媒は、燃焼法による元素分析で測定される、炭素原子含有量に対する窒素原子含有量の割合1.1%以上を示す、請求項1乃至5のいずれかに記載のカソード。   The cathode according to any one of claims 1 to 5, wherein the carbon catalyst exhibits a ratio of nitrogen atom content to carbon atom content of 1.1% or more as measured by elemental analysis by a combustion method. 前記炭素触媒は、鉄と、鉄以外の金属とを含む、請求項1乃至6のいずれかに記載のカソード。   The cathode according to any one of claims 1 to 6, wherein the carbon catalyst contains iron and a metal other than iron. 前記炭素触媒は、BET法で測定される比表面積が800m/g以上である、請求項1乃至7のいずれかに記載のカソード。 The cathode according to any one of claims 1 to 7, wherein the carbon catalyst has a specific surface area measured by a BET method of 800 m 2 / g or more. 前記第一の層は、電解質材料を含み、
前記第一の層の重量から前記電解質材料の重量を減じて得られる残重量に対する前記電解質材料の重量の比が0.30以上である、請求項1乃至8のいずれかに記載のカソード。
The first layer includes an electrolyte material;
The cathode according to any one of claims 1 to 8, wherein a ratio of a weight of the electrolyte material to a remaining weight obtained by subtracting a weight of the electrolyte material from a weight of the first layer is 0.30 or more.
前記第二の層は、電解質材料を含み、
前記第二の層の重量から前記電解質材料の重量を減じて得られる残重量に対する前記電解質材料の重量の比が0.05以上である、請求項1乃至9のいずれかに記載のカソード。
The second layer includes an electrolyte material;
The cathode according to any one of claims 1 to 9, wherein a ratio of a weight of the electrolyte material to a remaining weight obtained by subtracting a weight of the electrolyte material from a weight of the second layer is 0.05 or more.
前記第一の層における前記炭素触媒の含有量に対する、前記第二の層における前記白金の含有量の割合が20.00重量%以下である、請求項1乃至10のいずれかに記載のカソード。   The cathode according to any one of claims 1 to 10, wherein a ratio of the platinum content in the second layer to the carbon catalyst content in the first layer is 20.00 wt% or less. 前記第一の層及び/又は前記第二の層は、EW値が300以上、1100以下の電解質材料を含む、請求項1乃至11のいずれかに記載のカソード。   The cathode according to any one of claims 1 to 11, wherein the first layer and / or the second layer includes an electrolyte material having an EW value of 300 or more and 1100 or less. 請求項1乃至12のいずれかに記載のカソードと、アノードと、前記カソードと前記アノードとの間に配置される電解質膜とを含む、膜電極接合体。   A membrane electrode assembly comprising the cathode according to any one of claims 1 to 12, an anode, and an electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode. 請求項1乃至12のいずれかに記載のカソード又は請求項13に記載の膜電極接合体を含む、電池。   A battery comprising the cathode according to claim 1 or the membrane electrode assembly according to claim 13. 燃料電池である、請求項14に記載の電池。

The battery according to claim 14, which is a fuel cell.

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