JP2021150249A - Electrode catalyst, gas diffusion electrode formation composition, gas diffusion electrode, membrane-electrode assembly, and fuel cell stack - Google Patents

Electrode catalyst, gas diffusion electrode formation composition, gas diffusion electrode, membrane-electrode assembly, and fuel cell stack Download PDF

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Takumi Nakamura
匠 中村
佳之 和田
Yoshiyuki Wada
佳之 和田
智照 水崎
Tomoteru Mizusaki
智照 水崎
聖崇 永森
Kiyotaka Nagamori
聖崇 永森
安宏 関
Yasuhiro Seki
安宏 関
博紀 椎名
Hironori SHIINA
博紀 椎名
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Abstract

To provide an electrode catalyst having an excellent catalytic activity which can be contributed to a low cost of a PEFC.SOLUTION: An electrode catalyst contains: a hollow carbon carrier having a meso hole of which a pore size is 2 to 50nm; and a plurality of catalyst particles carried on the carrier. The catalyst particles are held on both of an inner part and an outer part of the meso hole of the carrier, and contain a PtNi alloy. When executing an analysis of a particle diameter distribution of each catalyst particle using a three-dimentional reconstruction image obtained by an electron beam tomography measurement using a STEM, a rate of the catalyst particles carried in the inner part of the meso hole is 50% or larger.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、コアシェル構造を有する電極用触媒に関する。より詳しくは、ガス拡散電極に好適に使用される電極用触媒に関し、燃料電池のガス拡散電極により好適に使用される電極用触媒に関する。
また本発明は、上記電極用触媒粒子を含む、ガス拡散電極形成用組成物、膜・電極接合体、及び、燃料電池スタックに関する。
The present invention relates to an electrode catalyst having a core-shell structure. More specifically, the present invention relates to an electrode catalyst preferably used for a gas diffusion electrode, and the present invention relates to an electrode catalyst preferably used for a gas diffusion electrode of a fuel cell.
The present invention also relates to a composition for forming a gas diffusion electrode, a membrane / electrode assembly, and a fuel cell stack containing the catalyst particles for electrodes.

固体高分子形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:以下、必要に応じて「PEFC」という)は、燃料電池自動車、家庭用コジェネレーションシステムの電源としての研究開発が行われている。
PEFCのガス拡散電極に使用される触媒には、白金(Pt)等の白金族元素の貴金属粒子からなる貴金属触媒が用いられている。
Polymer electrolyte fuel cells (hereinafter, referred to as "PEFC" as necessary) are being researched and developed as power sources for fuel cell vehicles and household cogeneration systems.
As the catalyst used for the gas diffusion electrode of PEFC, a noble metal catalyst composed of noble metal particles of a platinum group element such as platinum (Pt) is used.

例えば、典型的な従来の触媒としては、導電性カーボン粉末上にPt微粒子を担持させた触媒粒子の粉体である「Pt担持カーボン触媒」(以下、必要に応じ「Pt/C触媒」という)が知られている。
PEFCの製造コストの中でPt等の貴金属触媒が占めるコストの割合は大きく、PEFCの低コスト化、PEFCの普及に向けた課題になっている。
これらの研究開発の中で、白金の使用量を低減するため、従来、非白金元素からなるコア部とPtからなるシェル部から形成されるコアシェル構造を有する触媒粒子(以下、必要に応じ「コアシェル触媒粒子」という)の粉体(以下、必要に応じ「コアシェル触媒」という)が検討されており、多数の報告がなされている。
For example, as a typical conventional catalyst, a "Pt-supported carbon catalyst" which is a powder of catalyst particles in which Pt fine particles are supported on a conductive carbon powder (hereinafter, referred to as "Pt / C catalyst" if necessary). It has been known.
Precious metal catalysts such as Pt account for a large proportion of the production cost of PEFC, which has become an issue for reducing the cost of PEFC and popularizing PEFC.
In these researches and developments, in order to reduce the amount of platinum used, catalyst particles having a core-shell structure formed from a core part made of non-platinum element and a shell part made of Pt (hereinafter, if necessary, "core shell" Powders of (referred to as "catalyst particles") (hereinafter referred to as "core-shell catalysts" as necessary) have been studied, and many reports have been made.

例えば、特許文献1には、パラジウム(Pd)又はPd合金(コア部に相当)がPt原子の原子的薄層(シェル部に相当)によって被覆された構成を有する粒子複合材(コアシェル触媒粒子に相当)が開示されている。更に、この特許文献1には、実施例としてコア部がPd粒子で、シェル部がPtからなる層の構成を有するコアシェル触媒粒子が記載されている。
一方、電極用触媒の担体としては、内部に細孔を多く有する中空カーボン、当該中空カーボンと比較して内部の細孔が少ない中実カーボンがあり、それぞれの特徴を活かした性能向上のための検討がなされている。
For example, Patent Document 1 describes a particle composite material (corresponding to a core shell catalyst particle) having a structure in which palladium (Pd) or a Pd alloy (corresponding to a core portion) is coated with an atomic thin layer of Pt atoms (corresponding to a shell portion). (Equivalent) is disclosed. Further, Patent Document 1 describes, as an example, core-shell catalyst particles having a layer structure in which the core portion is Pd particles and the shell portion is Pt.
On the other hand, carriers for electrode catalysts include hollow carbon having many internal pores and solid carbon having fewer internal pores than the hollow carbon, and for improving performance by utilizing the characteristics of each. It is being considered.

例えば、特許文献2には、担体として中空カーボンを採用した検討例が開示されている。また、特許文献3には、担体として中実カーボンを採用した検討例が開示されている。
例えば、特許文献2では、図10に示すように、平均粒子径が20〜100nmである多孔質担体(中空カーボン)220の空孔直径4〜20nmの空孔(一次空孔、メソ孔)P220の空孔容積と空孔分布のモード径とが所定範囲に制御され、当該担体220の一次空孔(メソ孔)P220内に触媒粒子230が担持された電極用触媒200の構成が開示されている。
特許文献2では、これにより、一次空孔(メソ孔)P220内に存在する触媒粒子230表面への高分子電解質の吸着が防止され、触媒の有効反応表面積の低下を防止しつつ、ガス輸送性を十分に確保することが可能となることが言及されている。更にその結果、触媒重量あたりの活性が向上し、触媒量を低減した場合であっても、優れた発電性能を示す燃料電池用触媒層が提供されうると言及されている。
For example, Patent Document 2 discloses an example of study in which hollow carbon is used as a carrier. Further, Patent Document 3 discloses an example of study in which solid carbon is used as a carrier.
For example, in Patent Document 2, as shown in FIG. 10, pores (primary pores, mesopores) P220 of a porous carrier (hollow carbon) 220 having an average particle diameter of 20 to 100 nm and a pore diameter of 4 to 20 nm. The configuration of the catalyst 200 for an electrode in which the pore volume and the mode diameter of the pore distribution are controlled within a predetermined range and the catalyst particles 230 are supported in the primary pores (mesopores) P220 of the carrier 220 is disclosed. There is.
In Patent Document 2, this prevents adsorption of the polymer electrolyte on the surface of the catalyst particles 230 existing in the primary pores (mesopores) P220, and prevents a decrease in the effective reaction surface area of the catalyst while gas transportability. It is mentioned that it is possible to secure a sufficient amount of gas. Further, as a result, it is mentioned that a catalyst layer for a fuel cell showing excellent power generation performance can be provided even when the activity per catalyst weight is improved and the amount of catalyst is reduced.

また、例えば、特許文献3では、中実カーボン担体と、当該担体に担持された白金とコバルトとの合金とを含む触媒粒子とを有する燃料電池向けの電極用触媒(PtCo/C触媒)が開示されている。この電極用触媒は合金における白金とコバルトとのモル比が4〜11:1であり、70〜90℃で酸処理されている。
特許文献3では、中空カーボン担体にPtCo合金を担持すると、一部のPtCo合金が中空カーボン担体の内部に包含されることになり、Coの溶出を抑制するための酸処理を行っても、担体内部に存在するPtCo合金を十分に処理することは困難とり、その結果、担体内部に存在するPtCo合金からCoが溶出しやすくなることが課題視されている。
そこで、特許文献3では、中空カーボン担体の代わりに中実カーボン担体を使用することにより、担体内部にPtCo合金が包含されることを回避できることが言及されている。更に。これにより、PtCo合金を十分に酸処理することが可能となり、Coの溶出を抑制することができることが開示されている。その結果、燃料電池の初期性能及び耐久性能を両立することが可能となるということが言及されている。
Further, for example, Patent Document 3 discloses an electrode catalyst (PtCo / C catalyst) for a fuel cell having a solid carbon carrier and catalyst particles containing an alloy of platinum and cobalt supported on the carrier. Has been done. This electrode catalyst has a molar ratio of platinum to cobalt in the alloy of 4 to 11: 1, and is acid-treated at 70 to 90 ° C.
In Patent Document 3, when a PtCo alloy is supported on a hollow carbon carrier, a part of the PtCo alloy is included inside the hollow carbon carrier, and even if an acid treatment for suppressing the elution of Co is performed, the carrier It is difficult to sufficiently treat the PtCo alloy existing inside, and as a result, it is considered a problem that Co is easily eluted from the PtCo alloy existing inside the carrier.
Therefore, Patent Document 3 mentions that by using a solid carbon carrier instead of the hollow carbon carrier, it is possible to avoid inclusion of the PtCo alloy inside the carrier. Furthermore. It is disclosed that this makes it possible to sufficiently acid-treat the PtCo alloy and suppress the elution of Co. As a result, it is mentioned that it is possible to achieve both the initial performance and the durability performance of the fuel cell.

ここで、特許文献3では、中実カーボンを以下のように定義している。
即ち、特許文献3においては、中実カーボンとは、中空カーボンと比較して、カーボン内部の空隙が少ないカーボンであり、具体的は、N2吸着によって求められるBET表面積とt−Pot(粒子サイズから粒子外部の表面積を算出した)による外表面積との比率(t−Pot表面積/BET表面積)が40%以上あるカーボンであるということが言及されている。
なお、特許文献3に記載の「t−Pot表面積」とは、例えば、「MCエバテック社」が2019年2月1日付けでインターネット上に公開している技術レポート「t-plot法によるミクロ細孔表面積の解析」に記載されている「tープロット(t-plot)表面積」を示すものと解される。t-plot法によるミクロ細孔表面積の解析は、窒素の吸着等温線(吸着温度:77K)から解析する方法の一つである。この方法は、吸着等温線のデータを標準等温線と比較・変換して、吸着層の厚みtと吸着量の関係をグラフにする方法である。比表面積を細孔の内部と外部に分離して数値化できることに加えて、グラフの形状から細孔の傾向を知ることができる。
また、中実カーボンの例としては、例えば、特許第4362116号に記載のカーボンを挙げることができ、具体的には、電気化学工業株式会社製のデンカブラック(登録商標)等を挙げることができることが開示されている。
Here, in Patent Document 3, solid carbon is defined as follows.
That is, in Patent Document 3, the solid carbon is a carbon having fewer voids inside the carbon than the hollow carbon, and specifically, the BET surface area and t-Pot (from the particle size) obtained by N2 adsorption. It is mentioned that the carbon has a ratio (t-Pot surface area / BET surface area) of 40% or more with the external surface area (calculated the surface area outside the particles).
The "t-Pot surface area" described in Patent Document 3 is, for example, the technical report "micro-fine by the t-plot method" published on the Internet by "MC Evatech" on February 1, 2019. It is understood to indicate the "t-plot surface area" described in "Analysis of pore surface area". The analysis of the surface area of micropores by the t-plot method is one of the methods of analysis from the adsorption isotherm of nitrogen (adsorption temperature: 77K). This method is a method of comparing and converting the adsorption isotherm data with the standard isotherm to graph the relationship between the thickness t of the adsorption layer and the adsorption amount. In addition to being able to separate the specific surface area into the inside and outside of the pores and quantify them, the tendency of the pores can be known from the shape of the graph.
Further, as an example of the solid carbon, for example, the carbon described in Japanese Patent No. 4362116 can be mentioned, and specifically, Denka Black (registered trademark) manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. can be mentioned. Is disclosed.

更に、特許文献4には、触媒粒子を中空カーボン担体のメソ孔の内部と外部との両方に担持させた電極用触媒(コアシェル触媒)が開示されている。この電極用触媒は、STEM(走査型透過電子顕微鏡)を用いた電子線トモグラフィー計測により得られる三次元再構成画像を利用した触媒粒子の粒子径分布の解析を実施した場合に、メソ孔の内部に担持された触媒粒子の割合が50%以上となる構成を有している。
なお、下記の非特許文献1及び非特許文献2には中空カーボン担体に担持された触媒粒子について、細孔の内部に担持された触媒粒子の割合と細孔の外部に担持された触媒粒子の割合とを上述の特許文献4と異なる方法で解析した例が開示されている。
より詳しく説明すると、非特許文献1において、Strasserらベルリン工科大学のグループは、市販の中空カーボン(商品名:「ketjenblack EC-300J」、Akzo Nobel社製、比表面積:約839 m2 g-1)にPt粒子を高分散させたPt/C触媒について、着目した特定のPt/C触媒粒子のSEM(Scanning Electron Microscopy)像とTSEM(Transmission SEM)像を同一の測定エリアで同時に撮影した結果を報告している。例えば、非特許文献1の表1、図2及びP.79右欄を参照。
Further, Patent Document 4 discloses an electrode catalyst (core-shell catalyst) in which catalyst particles are supported both inside and outside the mesopores of a hollow carbon carrier. This electrode catalyst can be used inside the mesopores when the particle size distribution of the catalyst particles is analyzed using a three-dimensional reconstructed image obtained by electron beam tomography measurement using a STEM (scanning transmission electron microscope). It has a structure in which the ratio of the catalyst particles supported on the is 50% or more.
In Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 below, regarding the catalyst particles supported on the hollow carbon carrier, the ratio of the catalyst particles supported on the inside of the pores and the catalyst particles supported on the outside of the pores are described. An example in which the ratio is analyzed by a method different from that of Patent Document 4 described above is disclosed.
More specifically, in Non-Patent Document 1, Strasser et al., A group of Berlin Institute of Technology, have a commercially available hollow carbon (trade name: "ketjenblack EC-300J", manufactured by Akzo Nobel, specific surface area: about 839 m 2 g -1. ), The SEM (Scanning Electron Microscopy) image and the TSEM (Transmission SEM) image of the specific Pt / C catalyst particles of interest were simultaneously photographed in the same measurement area for the Pt / C catalyst in which Pt particles were highly dispersed. I am reporting. For example, see Table 1, FIG. 2 and the right column of P.79 of Non-Patent Document 1.

彼らの方法では、SEM像からは中空カーボン担体粒子の外表面のうち観察した部分(片側の外表面)だけに存在するPt粒子の情報が得られる。即ち、中空カーボン担体粒子の外部に担持された触媒粒子の粒子数の情報が得られる。一方、TSEM像(透過像)からは、観察したPt/C触媒粒子において中空カーボン担体粒子の外部及び内部に担持された全ての触媒粒子(Pt粒子)の情報が得られる。そして、彼らは、TSEM像からの情報とSEM像からの情報から、中空カーボン担体粒子に担持されたPt粒子のうち、外表面に担持されたPt粒子と、内部に担持されたPt粒子とを区別する試みを実施している。
ここで彼らは、SEM像について、中空カーボン担体粒子の外表面のうち観察した部分(「片側の外表面」)に対する「反対側の裏表面」の測定を実施していない。彼らは、「片側の外表面」の状態と「反対側の裏表面」の状態とが同一の状態と仮定している。即ち、「片側の外表面」に担持された触媒粒子の粒子数と「反対側の裏表面」に担持された触媒粒子の粒子数が同一と仮定している。
In their method, the SEM image provides information on the Pt particles present only on the observed portion (the outer surface on one side) of the outer surface of the hollow carbon carrier particles. That is, information on the number of particles of the catalyst particles supported on the outside of the hollow carbon carrier particles can be obtained. On the other hand, from the TSEM image (transmission image), information on all the catalyst particles (Pt particles) supported on the outside and inside of the hollow carbon carrier particles in the observed Pt / C catalyst particles can be obtained. Then, from the information from the TSE image and the information from the SEM image, among the Pt particles supported on the hollow carbon carrier particles, the Pt particles supported on the outer surface and the Pt particles supported on the inside are separated from each other. We are trying to distinguish them.
Here, they have not performed measurements on the "opposite back surface" of the SEM image with respect to the observed portion of the outer surface of the hollow carbon carrier particles ("one outer surface"). They assume that the state of the "outer surface on one side" and the state of the "back surface on the other side" are the same. That is, it is assumed that the number of particles of the catalyst particles supported on the "outer surface on one side" and the number of particles of the catalyst particles supported on the "back surface on the opposite side" are the same.

次に 非特許文献2において、内田氏ら山梨大のグループは、Pt/C触媒粒子のSEM像及びTEM(transmission electron microscopy)像を撮影できるSTEM(Scanning Transmission Electron Microscope)装置を使い、市販の中空カーボン(商品名:「Ketjenblack」、 Ketjen Black International社製、比表面積:約875 m2 g-1)にPt粒子を高分散させたPt/C触媒を撮影した結果を報告している。例えば、非特許文献2の図1、表2及びP.181右下欄を参照。
彼らは、まず、着目した特定のPt/C触媒粒子のTEM像から中空カーボン担体粒子に担持された全てのPt粒子の粒子数の情報を取得している。次に、彼らは、TEM像で撮影したものと同一のPt/C触媒粒子のSEM像の測定から中空カーボン担体粒子の裏側の表面のみに存在するPt粒子の粒子数の情報を取得している。次に、彼らは特殊な3Dサンプルホルダーを使い、着目した特定のPt/C触媒粒子(測定サンプル)を正確に180℃回転させることで、同一のPt/C触媒粒子の裏表面のみのSEM像を測定している。これらの情報を使用して中空カーボン担体粒子に担持されたPt粒子のうち、外表面に担持されたPt粒子と、内部に担持されたPt粒子とを区別する試みを実施している。
この方法で測定した「内部担持率」=「100×(内部に担持されたPt粒子数)/(全Pt粒子数)」について、彼らは、市販の30wt%Pt/C触媒(商品名:「TEC10E30E」、田中金属工業社製、当該明細書中では「c-Pt/CB,」と表記)では62%、市販の46wt%Pt/C触媒(商品名:「TEC10E50E」、田中金属工業社製、当該明細書中では「Pt/CB」と表記)では50%以上であったと報告している。
Next, in Non-Patent Document 2, Mr. Uchida and his group at Yamanashi University used a commercially available hollow STEM (Scanning Transmission Electron Microscope) device capable of photographing SEM images and TEM (transmission electron microscopy) images of Pt / C catalyst particles. We have reported the results of photographing a Pt / C catalyst in which Pt particles are highly dispersed in carbon (trade name: "Ketjenblack", manufactured by Ketjen Black International, specific surface area: about 875 m2 g-1). For example, see FIG. 1, Table 2 and the lower right column of P.181 of Non-Patent Document 2.
First, they obtain information on the number of particles of all Pt particles supported on the hollow carbon carrier particles from the TEM image of the specific Pt / C catalyst particles of interest. Next, they obtain information on the number of Pt particles present only on the back surface of the hollow carbon carrier particles from the measurement of the SEM image of the same Pt / C catalyst particles as those taken by the TEM image. .. Next, they used a special 3D sample holder to rotate the specific Pt / C catalyst particles (measurement sample) of interest by exactly 180 ° C, resulting in an SEM image of only the back surface of the same Pt / C catalyst particles. Is being measured. Using this information, we are trying to distinguish between the Pt particles supported on the outer surface and the Pt particles supported on the inside among the Pt particles supported on the hollow carbon carrier particles.
Regarding "internal carrying ratio" = "100 x (number of Pt particles carried inside) / (total number of Pt particles)" measured by this method, they have a commercially available 30wt% Pt / C catalyst (trade name: """TEC10E30E", manufactured by Tanaka Metal Industry Co., Ltd., 62% in the specification (denoted as "c-Pt / CB,"), commercially available 46wt% Pt / C catalyst (trade name: "TEC10E50E", manufactured by Tanaka Metal Industry Co., Ltd.) , In the specification, it is described as "Pt / CB"), and it is reported that it was 50% or more.

以上説明したように、非特許文献1及び非特許文献2の解析手法は特許文献4の解析手法と以下の点で異なると本発明者らは認識している。即ち、特許文献4の電子線トモグラフィー計測による解析手法は、電子顕微鏡を用いた3次元再構成法であり、測定サンプルの同一視野を様々な方向から投影された電子顕微鏡像をコンピュータの中で三次元像に再構成し、コンピュータを使って断層像(トモグラム)を作成する手法である。
一方、非特許文献1の解析手法は、測定サンプルを特定の1方向から撮影したSEM像とTSEM像といった2次元の画像を使用した解析をしている。また、非特許文献2の解析手法は、測定サンプルを特定の2方向(サンプルホルダー180℃回転させることで得られる2方向)から撮影したSEM像と、測定サンプルを特定の1方向から撮影したTSEM像といった2次元の画像を使用した解析をしている。これらの非特許文献1及び非特許文献2の解析手法では、例えば、測定サンプル(電極用触媒粒子)に凹凸がある場合など、触媒粒子の中に、その担持位置が中空カーボン担体上の内部にあるのか外部にあるのか十分に判定できないものが存在する可能性が高くなる。
特許文献4の解析手法は、測定サンプルの3次元の断層像(トモグラム)を使用し、これを様々な報告から観察できるので、測定サンプルの電極用触媒粒子に含まれる触媒粒子の担体上の担持位置を視覚的に確認しながらより正確に把握することができる。
なお、本件特許出願人は、上記文献公知発明が記載された刊行物として、以下の刊行物を提示する。
As described above, the present inventors recognize that the analysis methods of Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 are different from the analysis methods of Patent Document 4 in the following points. That is, the analysis method by electron tomography measurement in Patent Document 4 is a three-dimensional reconstruction method using an electron microscope, and an electron microscope image in which the same field of view of a measurement sample is projected from various directions is tertiary in a computer. This is a method of reconstructing an original image and creating a tomographic image (tomography) using a computer.
On the other hand, the analysis method of Non-Patent Document 1 performs analysis using two-dimensional images such as an SEM image and a TSEM image of a measurement sample taken from a specific one direction. Further, the analysis method of Non-Patent Document 2 includes an SEM image obtained by taking a measurement sample from two specific directions (two directions obtained by rotating the sample holder at 180 ° C.) and a TSEM obtained by taking the measurement sample from a specific one direction. Analysis is performed using a two-dimensional image such as an image. In these analysis methods of Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, for example, when the measurement sample (catalyst particles for electrodes) has irregularities, the supporting position is inside the hollow carbon carrier in the catalyst particles. There is a high possibility that there is something that cannot be sufficiently determined whether it is present or external.
Since the analysis method of Patent Document 4 uses a three-dimensional tomogram (tomogram) of the measurement sample and can be observed from various reports, the catalyst particles contained in the catalyst particles for electrodes of the measurement sample are supported on the carrier. It is possible to grasp the position more accurately while visually confirming the position.
The patent applicant presents the following publications as publications in which the above-mentioned inventions known in the literature are described.

米国特許出願公開第2007/31722号公報U.S. Patent Application Publication No. 2007/31722 特開2013−109856号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-109856 WO2016/063968号公報WO2016 / 063668 WO2019/221168号公報WO2019 / 221168

Nature Materials Vol 19 (January 2020)77-85Nature Materials Vol 19 (January 2020) 77-85 Journal of Power Sources 315(2016)179-191Journal of Power Sources 315 (2016) 179-191

PEFCの普及に向けて、電極触媒はPt使用量の低減及び材料コスト低減を図るために触媒活性の更なる向上が求められている。
本発明者らは、PtNi合金の粒子がカーボン担体に担持されたPtNi/C触媒について、STEM(走査型透過電子顕微鏡)を用いた電子線トモグラフィー計測により得られる三次元再構成画像を利用した触媒粒子の粒子径分布の解析を実施した場合に、触媒粒子が中空カーボンのメソ孔の外部よりも内部に多く担持された構成有する改良品を実際に合成できた報告はこれまでになく、未だ改善の余地があることを本発明者らは見出した。
本発明は、かかる技術的事情に鑑みてなされたものであって、PEFCの低コスト化に寄与できる優れた触媒活性を有する電極用触媒(PtNi/C触媒)を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記電極用触媒を含む、ガス拡散電極形成用組成物、ガス拡散電極、膜・電極接合体(MEA)、及び、燃料電池スタックを提供することを目的とする。
With the spread of PEFC, the electrode catalyst is required to further improve the catalytic activity in order to reduce the amount of Pt used and the material cost.
The present inventors use a three-dimensional reconstructed image obtained by electron beam tomography measurement using a STEM (scanning transmission electron microscope) for a PtNi / C catalyst in which PtNi alloy particles are supported on a carbon carrier. When analyzing the particle size distribution of particles, there has never been a report that an improved product having a structure in which more catalyst particles are supported inside than outside the mesopores of hollow carbon could be actually synthesized, and it has not been improved yet. The present inventors have found that there is room for this.
The present invention has been made in view of such technical circumstances, and an object of the present invention is to provide an electrode catalyst (PtNi / C catalyst) having excellent catalytic activity that can contribute to cost reduction of PEFC.
Another object of the present invention is to provide a composition for forming a gas diffusion electrode, a gas diffusion electrode, a membrane / electrode assembly (MEA), and a fuel cell stack, which include the above-mentioned electrode catalyst.

本件発明者等は、PtNi/C触媒の触媒粒子が中空カーボンのメソ孔内に数多く担持された電極用触媒の構成について、触媒活性の更なる向上を実現する構成について鋭意検討を行った。
その結果、触媒粒子が下記の条件を満たすように担体に担持されていることが触媒活性の向上に有効であることを見出し、本発明を完成するに至った。
より具体的には、本発明は、以下の技術的事項から構成される。
The inventors of the present invention have diligently studied the structure of the electrode catalyst in which a large number of catalyst particles of the PtNi / C catalyst are supported in the mesopores of hollow carbon, and the structure for further improving the catalytic activity.
As a result, they have found that it is effective for improving the catalytic activity that the catalyst particles are supported on the carrier so as to satisfy the following conditions, and have completed the present invention.
More specifically, the present invention comprises the following technical matters.

即ち、本発明は、
細孔径が2〜50nmのメソ孔を有する中空カーボン担体と、前記担体上に担持される複数の触媒粒子と、を含んでおり、
前記触媒粒子がPtNi合金を含んでおり、
前記触媒粒子は、前記担体の前記メソ孔の内部と前記メソ孔の外部の両方に担持されており、
STEM(走査型透過電子顕微鏡)を用いた電子線トモグラフィー計測により得られる三次元再構成画像を利用した前記触媒粒子の粒子径分布の解析を実施した場合に、前記メソ孔の内部に担持された前記触媒粒子の割合が50%以上である、
電極用触媒を提供する。
That is, the present invention
It contains a hollow carbon carrier having mesopores having a pore diameter of 2 to 50 nm, and a plurality of catalyst particles supported on the carrier.
The catalyst particles contain a PtNi alloy and
The catalyst particles are supported both inside the mesopores and outside the mesopores of the carrier.
When the particle size distribution of the catalyst particles was analyzed using a three-dimensional reconstructed image obtained by electron beam tomography measurement using a STEM (scanning transmission electron microscope), the particles were supported inside the mesopores. The proportion of the catalyst particles is 50% or more.
A catalyst for an electrode is provided.

上記のようにメソ孔の内部に担持された触媒粒子の割合が50%以上であるという条件を満たすように中空カーボン担体へPtNi/C触媒の触媒粒子を担持することにより、本発明の電極用触媒はPEFCの低コスト化に寄与できる優れた触媒活性を発揮することができる。
本発明の電極用触媒が優れた触媒活性を有することについて詳細な理由は十分に解明されていない。
しかし、本発明者らは、以下のように考えている。即ち、メソ孔の内部に担持された触媒粒子の割合が50%以上であるPtNi/C触媒は、従来の電極用触媒に比較して、担体のメソ孔の内部に活性の高い触媒粒子が比較的小さな粒子径で数多く存在することになる。
このような担体のメソ孔の内部に担持された触媒粒子は、触媒層内に存在する高分子電解質に直接接触しにくい状態で担体に担持されている。そのため、本発明の電極用触媒はPt成分の被毒による触媒活性の低下が低減され、従来の電極用触媒に比較して電極化された際に優れた触媒活性を発揮できる。また本発明の電極用触媒はPt成分及びNi成分の溶解も低減される。
更に、本発明の電極用触媒においては、本発明の効果をより確実に得る観点から、STEM(走査型透過電子顕微鏡)を用いた電子線トモグラフィー計測により得られる三次元再構成画像を利用した前記触媒粒子の粒子径分布の解析を実施した場合に、前記メソ孔の内部に担持された前記触媒粒子の割合が60%以上であることが好ましい。
By supporting the catalyst particles of the PtNi / C catalyst on the hollow carbon carrier so as to satisfy the condition that the ratio of the catalyst particles supported inside the mesopores is 50% or more as described above, the catalyst particles of the present invention can be used. The catalyst can exhibit excellent catalytic activity that can contribute to cost reduction of PEFC.
The detailed reason why the electrode catalyst of the present invention has excellent catalytic activity has not been fully elucidated.
However, the present inventors think as follows. That is, in the PtNi / C catalyst in which the proportion of the catalyst particles supported inside the mesopores is 50% or more, the catalyst particles having high activity inside the mesopores of the carrier are compared with the conventional catalyst for electrodes. There will be many with a small particle size.
The catalyst particles supported inside the mesopores of such a carrier are supported on the carrier in a state in which it is difficult to come into direct contact with the polymer electrolyte existing in the catalyst layer. Therefore, the electrode catalyst of the present invention can reduce the decrease in catalytic activity due to poisoning of the Pt component, and can exhibit excellent catalytic activity when electrodeposited as compared with the conventional electrode catalyst. Further, the electrode catalyst of the present invention also reduces the dissolution of the Pt component and the Ni component.
Further, in the electrode catalyst of the present invention, from the viewpoint of obtaining the effect of the present invention more reliably, the three-dimensional reconstructed image obtained by electron beam tomography measurement using a STEM (scanning transmission electron microscope) is used. When the particle size distribution of the catalyst particles is analyzed, the proportion of the catalyst particles supported inside the mesopores is preferably 60% or more.

更に、本発明の電極用触媒においては、本発明の効果を更に確実に得る観点から、STEM(走査型透過電子顕微鏡)を用いた電子線トモグラフィー計測により得られる三次元再構成画像を利用した前記触媒粒子の粒子径分布の解析を実施した場合に、下記式(1)及び(2)の条件を同時に満たしている、ことが好ましい。
D1<D2・・・(1)
(N1/N2)>1.0・・・(2)
ここで、前記式(1)及び前記式(2)中、D1は前記担体の前記メソ孔の内部に担持された前記触媒粒子のうち最大頻度を示す粒子の球相当径を示す。前記式(1)及び前記式(2)中、D2は前記担体の前記メソ孔の外部に担持された前記触媒粒子のうち最大頻度を示す粒子球相当径を示す。
また、前記式(1)及び前記式(2)中、N1は前記担体の前記メソ孔の内部に担持された前記触媒粒子のうち最大頻度を示す粒子の頻度を示す。前記式(1)及び前記式(2)中、N2は前記担体の前記メソ孔の外部に担持された前記触媒粒子のうち最大頻度を示す粒子の頻度を示す。
Further, in the electrode catalyst of the present invention, from the viewpoint of obtaining the effect of the present invention more reliably, the three-dimensional reconstructed image obtained by electron beam tomography measurement using a STEM (scanning transmission electron microscope) is used. When the particle size distribution of the catalyst particles is analyzed, it is preferable that the conditions of the following formulas (1) and (2) are satisfied at the same time.
D1 <D2 ... (1)
(N1 / N2)> 1.0 ... (2)
Here, in the formula (1) and the formula (2), D1 indicates the sphere-equivalent diameter of the particles showing the maximum frequency among the catalyst particles supported inside the mesopores of the carrier. In the formula (1) and the formula (2), D2 indicates a particle sphere equivalent diameter indicating the maximum frequency among the catalyst particles supported on the outside of the mesopores of the carrier.
Further, in the formula (1) and the formula (2), N1 indicates the frequency of the catalyst particles supported inside the mesopores of the carrier, which indicates the maximum frequency. In the formula (1) and the formula (2), N2 indicates the frequency of the catalyst particles supported on the outside of the mesopores of the carrier, which indicates the maximum frequency.

上述の式(1)及び式(2)の条件を同時に満たすように中空カーボン担体へコアシェル触媒の触媒粒子を担持することにより、本発明の電極用触媒はPEFCの低コスト化に寄与できる優れた触媒活性をより確実に発揮することができる。
ここで、本発明において「中空カーボン」とは、先に述べた中実カーボンと比較してカーボンの内部の空隙が多いカーボンであり、IUPACで定義されている細孔径が2〜50nmのメソ孔を有する導電性カーボンを示す。
By supporting the catalyst particles of the core-shell catalyst on the hollow carbon carrier so as to simultaneously satisfy the conditions of the above formulas (1) and (2), the catalyst for electrodes of the present invention is excellent in that it can contribute to cost reduction of PEFC. The catalytic activity can be exhibited more reliably.
Here, in the present invention, the "hollow carbon" is carbon having more voids inside the carbon than the solid carbon described above, and is a mesopore having a pore diameter of 2 to 50 nm as defined by IUPAC. Shows conductive carbon having.

更に、本発明の電極用触媒においては、触媒粒子が優れた触媒活性を発揮しうる範囲で、触媒粒子の表面の少なくとも一部がPt酸化物被膜により被覆されていてもよい。
また、本発明の電極用触媒においては、触媒粒子が優れた触媒活性を発揮しうる範囲で、触媒粒子の表面の少なくとも一部がNi酸化物被膜により被覆されていてもよい。
更に、本発明の電極用触媒においては、本発明の効果を得られる範囲で、Pt(0価)からなる第2の触媒粒子が含まれていてもよい。
また、本発明の電極用触媒においては、本発明の効果を得られる範囲で、Ni(0価)からなる第3の触媒粒子が含まれていてもよい。
また、本発明の効果をより確実に得る観点から、本発明の電極用触媒においては、中空カーボン担体がケッチェンブラックEC300Jであることが好ましい。
また、本発明においては、この場合、中空カーボン担体(ケッチェンブラックEC300J)のBET比表面積(窒素吸着比表面積)が750〜850m/gであることが好ましい。
Further, in the electrode catalyst of the present invention, at least a part of the surface of the catalyst particles may be coated with a Pt oxide film as long as the catalyst particles can exhibit excellent catalytic activity.
Further, in the electrode catalyst of the present invention, at least a part of the surface of the catalyst particles may be covered with a Ni oxide film as long as the catalyst particles can exhibit excellent catalytic activity.
Further, the electrode catalyst of the present invention may contain a second catalyst particle made of Pt (zero valence) as long as the effect of the present invention can be obtained.
Further, the electrode catalyst of the present invention may contain a third catalyst particle made of Ni (zero valence) as long as the effect of the present invention can be obtained.
Further, from the viewpoint of more reliably obtaining the effect of the present invention, it is preferable that the hollow carbon carrier is Ketjen Black EC300J in the catalyst for electrodes of the present invention.
Further, in the present invention, in this case, the BET specific surface area (nitrogen adsorption specific surface area) of the hollow carbon carrier (Ketjen Black EC300J) is preferably 750 to 850 m 2 / g.

また、本発明は、上述の本発明の電極用触媒が10wt%以上含有されている、電極用触媒の粉体を提供する。
なお、電極用触媒の粉体において、「上述の本発明の電極用触媒以外の含有成分」は、「上述の本発明の電極用触媒以外の電極用触媒」である。すなわち、本発明の電極用触媒の粉体には電極用触媒として機能しない粉体は含まれない。
本発明の電極用触媒の粉体には、上述の本発明の電極用触媒を含んでいるので、PEFCの低コスト化に寄与できる優れた触媒活性を発揮することができる。
ここで、本発明の効果をより確実に得る観点から、本発明の電極用触媒の粉体中における上述の本発明の電極用触媒の含有割合は30wt%以上であることが好ましく、50wt%以上であることがより好ましく、70wt%以上であることが更に好ましく、90wt%以上であることが最も好ましい。
本発明の電極用触媒の粉体には、上述の本発明の電極用触媒以外に、以下の構成の電極用触媒(便宜上、「電極用触媒P」という)が含まれていてもよい。
The present invention also provides a powder of the electrode catalyst containing 10 wt% or more of the above-mentioned electrode catalyst of the present invention.
In the powder of the electrode catalyst, the "containing component other than the electrode catalyst of the present invention described above" is "the electrode catalyst other than the electrode catalyst of the present invention described above". That is, the powder of the electrode catalyst of the present invention does not include the powder that does not function as the electrode catalyst.
Since the powder of the electrode catalyst of the present invention contains the above-mentioned electrode catalyst of the present invention, it is possible to exhibit excellent catalytic activity that can contribute to cost reduction of PEFC.
Here, from the viewpoint of more reliably obtaining the effect of the present invention, the content ratio of the above-mentioned electrode catalyst of the present invention in the powder of the electrode catalyst of the present invention is preferably 30 wt% or more, preferably 50 wt% or more. It is more preferably 70 wt% or more, and most preferably 90 wt% or more.
The powder of the electrode catalyst of the present invention may contain an electrode catalyst having the following configuration (for convenience, referred to as “electrode catalyst P”) in addition to the above-mentioned electrode catalyst of the present invention.

すなわち、電極用触媒Pは、細孔径が2〜50nmのメソ孔を有する中空カーボン担体と、この担体上に担持される複数の触媒粒子と、を含んでおり、
当該触媒粒子がPtNi合金を含んでおり、
当該触媒粒子は、前記担体の前記メソ孔の内部と前記メソ孔の外部の両方に担持されており、
STEM(走査型透過電子顕微鏡)を用いた電子線トモグラフィー計測により得られる三次元再構成画像を利用した前記触媒粒子の粒子径分布の解析を実施した場合に、前記メソ孔の内部に担持された前記触媒粒子の割合が「50%未満」である構成を有している。
本発明の電極用触媒の粉体は、上述の本発明の電極用触媒と、電極用触媒Pとからなっていてもよい。
この場合にも、本発明の効果をより確実に得る観点から、本発明の電極用触媒の粉体中における上述の本発明の電極用触媒の含有割合は30wt%以上であることが好ましく、50wt%以上であることがより好ましく、70wt%以上であることが更に好ましく、90wt%以上であることが最も好ましい。
That is, the catalyst P for an electrode contains a hollow carbon carrier having mesopores having a pore diameter of 2 to 50 nm, and a plurality of catalyst particles supported on the carrier.
The catalyst particles contain a PtNi alloy and
The catalyst particles are supported both inside the mesopores and outside the mesopores of the carrier.
When the particle size distribution of the catalyst particles was analyzed using a three-dimensional reconstructed image obtained by electron beam tomography measurement using a STEM (scanning transmission electron microscope), the particles were supported inside the mesopores. It has a structure in which the ratio of the catalyst particles is "less than 50%".
The powder of the electrode catalyst of the present invention may consist of the above-mentioned electrode catalyst of the present invention and the electrode catalyst P.
Also in this case, from the viewpoint of more reliably obtaining the effect of the present invention, the content ratio of the above-mentioned electrode catalyst of the present invention in the powder of the electrode catalyst of the present invention is preferably 30 wt% or more, preferably 50 wt%. % Or more is more preferable, 70 wt% or more is further preferable, and 90 wt% or more is most preferable.

更に、本発明は、上述の本発明の電極用触媒が含有されている、ガス拡散電極形成用組
成物を提供する。
本発明のガス拡散電極形成用組成物は、本発明の電極用触媒を含んでいるため、PEF
Cの低コスト化に寄与できる優れた触媒活性(分極特性)を有するガス拡散電極を容易に
製造することができる。
Furthermore, the present invention provides a composition for forming a gas diffusion electrode, which contains the above-mentioned catalyst for electrodes of the present invention.
Since the composition for forming a gas diffusion electrode of the present invention contains the catalyst for an electrode of the present invention, PEF
A gas diffusion electrode having excellent catalytic activity (polarization characteristics) that can contribute to cost reduction of C can be easily manufactured.

また、本発明は上述の本発明の電極用触媒が含有されているガス拡散電極を提供する。
本発明のガス拡散電極は、本発明の電極用触媒を含んで構成されている。そのため、P
EFCの低コスト化に寄与できる優れた触媒活性(分極特性)を有する構成とすることが
容易となる。
The present invention also provides a gas diffusion electrode containing the above-mentioned catalyst for the electrode of the present invention.
The gas diffusion electrode of the present invention is configured to include the electrode catalyst of the present invention. Therefore, P
It becomes easy to configure the structure having excellent catalytic activity (polarization characteristics) that can contribute to the cost reduction of EFC.

更に、本発明は、上述の本発明のガス拡散電極が含まれている、膜・電極接合体(ME
A)を提供する。
本発明の膜・電極接合体(MEA)は、本発明のガス拡散電極を含んでいるため、PE
FCの低コスト化に寄与できる電池特性を有する構成とすることが容易となる。
Furthermore, the present invention comprises a membrane-electrode assembly (ME) comprising the gas diffusion electrode of the present invention described above.
A) is provided.
Since the membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention contains the gas diffusion electrode of the present invention, PE
It becomes easy to configure the configuration with battery characteristics that can contribute to the cost reduction of FC.

また、本発明は、上述の本発明の膜・電極接合体(MEA)が含まれていることを特徴
とする燃料電池スタックを提供する。
本発明の燃料電池スタックによれば、本発明の膜・電極接合体(MEA)を含んでいる
ことから、PEFCの低コスト化に寄与できる電池特性を有する構成とすることが容易と
なる。
The present invention also provides a fuel cell stack comprising the membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention described above.
According to the fuel cell stack of the present invention, since the membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention is included, it becomes easy to configure the structure having battery characteristics that can contribute to cost reduction of PEFC.

本発明によれば、PEFCの低コスト化に寄与できる優れた触媒活性を有する電極用触
媒が提供される。
また、本発明によれば、かかる電極用触媒を含む、ガス拡散電極形成用組成物、ガス拡
散電極、膜・電極接合体(MEA)、燃料電池スタックが提供される。
According to the present invention, there is provided an electrode catalyst having excellent catalytic activity that can contribute to cost reduction of PEFC.
Further, according to the present invention, a composition for forming a gas diffusion electrode, a gas diffusion electrode, a membrane / electrode assembly (MEA), and a fuel cell stack containing such a catalyst for the electrode are provided.

本発明のMEAの好適な一形態を示す模式断面図である。It is a schematic cross-sectional view which shows one preferable form of MEA of this invention. 図1に示したMEAのカソード触媒層及びアノード触媒層のうちの少なくとも一方に含まれる本発明の電極用触媒の好適な一形態を示す模式断面図である。It is a schematic cross-sectional view which shows a preferable form of the electrode catalyst of this invention contained in at least one of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer of MEA shown in FIG. 図2に示した電極用触媒の概略構成を示す拡大模式断面図である。It is an enlarged schematic cross-sectional view which shows the schematic structure of the catalyst for an electrode shown in FIG. 本発明のMEAの別の好適な一形態を示す模式断面図である。It is a schematic cross-sectional view which shows another suitable form of MEA of this invention. 本発明のCCMの好適な一形態を示す模式断面図である。It is a schematic cross-sectional view which shows one preferable form of the CCM of this invention. 本発明のCCMの別の好適な一形態を示す模式断面図である。It is a schematic cross-sectional view which shows another suitable form of the CCM of this invention. 本発明のGDEの好適な一形態を示す模式断面図である。It is a schematic cross-sectional view which shows one preferable form of GDE of this invention. 本発明のGDEの別の好適な一形態を示す模式断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing another preferred embodiment of the GDE of the present invention. 本発明の燃料電池スタックの好適な一実施形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one preferable embodiment of the fuel cell stack of this invention. 従来の電極用触媒を示す模式断面図である。It is a schematic cross-sectional view which shows the conventional catalyst for an electrode. 実施例1の電極用触媒のSTEMを用いた3D−電子線トモグラフィー計測条件(ボリュームサイズ)を示すSTEM像である。6 is a STEM image showing 3D-electron beam tomography measurement conditions (volume size) using the STEM of the electrode catalyst of Example 1. 実施例1の触媒の3D-STEM像(三次元再構成像)である。3D-STEM image (three-dimensional reconstruction image) of the catalyst of Example 1. 図12に示した実施例1の触媒の3D-STEM像の画像解析により得られた触媒粒子のうちの内部粒子の粒径分布を示すグラフである。It is a graph which shows the particle size distribution of the internal particle among the catalyst particles obtained by the image analysis of the 3D-STEM image of the catalyst of Example 1 shown in FIG. 図12に示した実施例1の触媒の3D-STEM像の画像解析により得られた触媒粒子のうちの外部粒子の粒径分布を示すグラフである。It is a graph which shows the particle size distribution of the outer particle among the catalyst particles obtained by the image analysis of the 3D-STEM image of the catalyst of Example 1 shown in FIG.

以下、適宜図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.

<膜・電極接合体(MEA)>
図1は、本発明のMEAの好適な一形態を示す模式断面図である。
図1に示すMEA10は、互いに対向した状態で配置された平板状の2つのガス拡散電極(カソード1及びアノード2)と、カソード1とアノード2との間に配置された高分子電解質膜(Polymer Electrolyte Membrane、以下、必要に応じて「PEM」という)3とを備えた構成を有している。
このMEA10の場合、カソード1及びアノード2のうちの少なくとも一方に後述するコアシェル触媒が含有された構成を有している。
MEA10は、カソード1、アノード2、及び、PEM3を図1に示すように積層させた後、圧着することにより製造することができる。
<Membrane / Electrode Assembly (MEA)>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a preferred embodiment of the MEA of the present invention.
The MEA10 shown in FIG. 1 has two flat plate-shaped gas diffusion electrodes (cathode 1 and anode 2) arranged so as to face each other, and a polymer electrolyte membrane (Polymer) arranged between the cathode 1 and the anode 2. It has a configuration including Electrolyte Membrane (hereinafter, referred to as “PEM” if necessary) 3.
In the case of this MEA10, at least one of the cathode 1 and the anode 2 has a configuration in which a core-shell catalyst described later is contained.
The MEA10 can be manufactured by laminating the cathode 1, the anode 2, and the PEM3 as shown in FIG. 1 and then crimping them.

<ガス拡散電極(GDE)>
ガス拡散電極であるカソード1は、ガス拡散層1gdと、ガス拡散層1gdのPEM3側の面に形成された触媒層1cと、を備えた構成を有している。更に、カソード1はガス拡散層1gdと触媒層1cとの間に配置された撥水層(Micro Porous Layer、以下、必要に応じて「MPL」という)1mを有している。
ガス拡散電極であるアノード2もカソード1と同様に、ガス拡散層2gdと、ガス拡散層2gdのPEM3側の面に形成された触媒層2cと、ガス拡散層2gdと触媒層2cとの間に配置されたMPL2mを備えた構成を有している。
<Gas diffusion electrode (GDE)>
The cathode 1 which is a gas diffusion electrode has a configuration including a gas diffusion layer 1gd and a catalyst layer 1c formed on the surface of the gas diffusion layer 1gd on the PEM3 side. Further, the cathode 1 has 1 m of a water-repellent layer (Micro Porous Layer, hereinafter referred to as “MPL” if necessary) arranged between the gas diffusion layer 1 gd and the catalyst layer 1c.
Similarly to the cathode 1, the gas diffusion electrode 2 is also between the gas diffusion layer 2gd, the catalyst layer 2c formed on the surface of the gas diffusion layer 2gd on the PEM3 side, and the gas diffusion layer 2gd and the catalyst layer 2c. It has a configuration with an arranged MPL 2 m.

(触媒層(CL))
カソード1において、触媒層1cは、ガス拡散層1gdから送られる空気(酸素ガス)と、アノード2からPEM3中を移動してくる水素イオンとから水が生成する反応が進行する層である。
また、アノード2において、触媒層2cは、ガス拡散層2gdから送られる水素ガスから水素イオンと電子を生成する反応が進行する層である。
カソード1の触媒層1c及びアノード2の触媒層2cのうちの少なくとも一方には本発明の電極用触媒に係るコアシェル触媒が含まれている。
(Catalyst layer (CL))
In the cathode 1, the catalyst layer 1c is a layer in which the reaction of producing water from the air (oxygen gas) sent from the gas diffusion layer 1gd and the hydrogen ions moving in the PEM 3 from the anode 2 proceeds.
Further, in the anode 2, the catalyst layer 2c is a layer in which the reaction of generating hydrogen ions and electrons from the hydrogen gas sent from the gas diffusion layer 2gd proceeds.
At least one of the catalyst layer 1c of the cathode 1 and the catalyst layer 2c of the anode 2 contains a core-shell catalyst according to the catalyst for electrodes of the present invention.

(本発明の電極用触媒の好適な一形態)
以下、図2を用いて本発明の電極用触媒の好適な一形態について説明する。
図2は、図1に示したMEA10のカソード触媒層1c及びアノード触媒層2cのうちの少なくとも一方に含まれる電極用触媒(PtNi/C触媒)の好適な一形態を示す模式断面図である。また、図3は、図2に示した電極用触媒20の概略構成を示す拡大模式断面図である。
図2及び図3に示すように、電極用触媒20は、中空カーボン担体である担体22と、担体22上に担持されたPtNi合金を含む触媒粒子23とを含んでいる。
(A preferred form of the electrode catalyst of the present invention)
Hereinafter, a preferred embodiment of the electrode catalyst of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a preferred form of an electrode catalyst (PtNi / C catalyst) contained in at least one of the cathode catalyst layer 1c and the anode catalyst layer 2c of MEA10 shown in FIG. Further, FIG. 3 is an enlarged schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of the electrode catalyst 20 shown in FIG.
As shown in FIGS. 2 and 3, the electrode catalyst 20 includes a carrier 22 which is a hollow carbon carrier and catalyst particles 23 containing a PtNi alloy supported on the carrier 22.

また、図2〜図3に示した電極用触媒20は、本発明の効果をより確実に得る観点から以下の条件を満たしていることが好ましい。
ここで、触媒粒子23はPtNi合金を含んでおり、好ましくはPtNi合金からなる。ただし、本発明の効果を得ることができる範囲で触媒粒子の表面にはPt酸化物の層、Ni酸化物の層が形成されていてもよい。
電極用触媒20は、粉末X線回折(XRD)により測定される結晶子サイズの平均値が3〜16.0nmであることが好ましい。
電極用触媒20は、Pt担持率が好ましくは10.0〜40.0wt%とされており、Ni担持率が好ましくは1.0〜25.0wt%とされている。
Further, the electrode catalyst 20 shown in FIGS. 2 to 3 preferably satisfies the following conditions from the viewpoint of more reliably obtaining the effect of the present invention.
Here, the catalyst particles 23 contain a PtNi alloy, preferably made of a PtNi alloy. However, a Pt oxide layer and a Ni oxide layer may be formed on the surface of the catalyst particles as long as the effects of the present invention can be obtained.
The electrode catalyst 20 preferably has an average crystallite size of 3 to 16.0 nm measured by powder X-ray diffraction (XRD).
The electrode catalyst 20 has a Pt carrying ratio of preferably 10.0 to 40.0 wt%, and a Ni carrying ratio of preferably 1.0 to 25.0 wt%.

担体22は、細孔径が2〜50nmのメソ孔(IUPACで定義されたメソ孔)を有し、コア部24とシェル部26(又はシェル部26a)とからなる複合体を担持することができ、かつ表面積が比較的大きい中空カーボン担体であれば特に制限されない。
更に、担体22は、コアシェル触媒20(又は、20A)を含んだガス拡散電極形成用組成物中で良好な分散性を有し、優れた導電性を有する中空カーボン担体であることが好ましい。
The carrier 22 has mesopores (mesopores defined by IUPAC) having a pore diameter of 2 to 50 nm, and can support a complex composed of a core portion 24 and a shell portion 26 (or shell portion 26a). Moreover, the hollow carbon carrier having a relatively large surface area is not particularly limited.
Further, the carrier 22 is preferably a hollow carbon carrier having good dispersibility and excellent conductivity in the composition for forming a gas diffusion electrode containing the core-shell catalyst 20 (or 20A).

中空カーボン担体としては、ケッチェンブラックEC300J、ケッチェンブラックEC600JDを例示することができる。例えば、これらの市販品としては、商品名「カーボンEPC」、「カーボンEPC600JD」等(ライオン化学株式会社製のものなど)を例示することができる。ケッチェンブラックEC300J、ケッチェンブラックEC600JDについては、例えば、「機能性カーボンフィラー研究会」がインターネット上で公開している文献[導電性カーボンブラック「ケッチェンブラックEC」の特徴および用途展開]に詳細な特徴が記載されている。 Examples of the hollow carbon carrier include Ketjen Black EC300J and Ketjen Black EC600JD. For example, as these commercially available products, trade names such as "carbon EPC" and "carbon EPC600JD" (manufactured by Lion Chemical Corporation, etc.) can be exemplified. For details on Ketjen Black EC300J and Ketjen Black EC600JD, see, for example, the literature published on the Internet by the "Functional Carbon Filler Study Group" [Characteristics and application development of conductive carbon black "Ketchen Black EC"]. Features are described.

他の中空カーボン担体としては、商品名「MCND(Mesoporous Carbon Nano-Dendrite)」(新日鉄住金化学社製)、商品名「クノーベル(CNovel)」(東洋炭素社製)、商品名「Black pearls 2000」(Cabot社製)を例示することができる。
ここで、本発明の効果をより確実に得る観点からは、中空カーボン担体はケッチェンブラックEC300J、ケッチェンブラックEC600JD及びクノーベル(CNovel)のうちの1種であることが好ましい。そして、ケッチェンブラックEC300Jの場合、同様の観点から中空カーボン担体の窒素を用いて測定したBET比表面積(窒素吸着比表面積)は750〜850m/gであることが好ましい。クノーベル(CNovel)の場合、同様の観点から中空カーボン担体の窒素を用いて測定したBET比表面積(窒素吸着比表面積)は750〜1300m/gであることが好ましい。
Other hollow carbon carriers include the product name "MCND (Mesoporous Carbon Nano-Dendrite)" (manufactured by Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation), the product name "CNovel" (manufactured by Toyo Carbon Co., Ltd.), and the product name "Black pearls 2000". (Manufactured by Cabot) can be exemplified.
Here, from the viewpoint of more reliably obtaining the effects of the present invention, the hollow carbon carrier is preferably one of Ketjen Black EC300J, Ketjen Black EC600JD and Knovel. In the case of Ketjen Black EC300J, the BET specific surface area (nitrogen adsorption specific surface area) measured using nitrogen of the hollow carbon carrier is preferably 750 to 850 m 2 / g from the same viewpoint. In the case of CNovel, the BET specific surface area (nitrogen adsorption specific surface area) measured using nitrogen of the hollow carbon carrier is preferably 750 to 1300 m 2 / g from the same viewpoint.

ここで、図2に示すように、触媒粒子23は,担体22のメソ孔P22の内部とメソ孔P22の外部の両方に担持されている。
そして、電極用触媒20は、3D-STEMによる電子線トモグラフィーの測定を実施した場合に、下記式(1)及び(2)の条件を同時に満たしている、
電極用触媒。
D1<D2・・・(1)
(N1/N2)>1.0・・・(2)
Here, as shown in FIG. 2, the catalyst particles 23 are supported both inside the mesopores P22 of the carrier 22 and outside the mesopores P22.
Then, the electrode catalyst 20 simultaneously satisfies the conditions of the following formulas (1) and (2) when the electron tomography measurement by 3D-STEM is carried out.
Electrode catalyst.
D1 <D2 ... (1)
(N1 / N2)> 1.0 ... (2)

ここで、式(1)及び式(2)中、D1は担体22のメソ孔P22の内部に担持された触媒粒子23(又は23a)のうち最大頻度を示す粒子の球相当径(nm)を示す。
また、式(1)及び式(2)中、D2は担体22のメソ孔P22の外部に担持された触媒粒子23(又は23a)のうち最大頻度を示す粒子球相当径を示す。
更に、式(1)及び式(2)中、N1は担体22のメソ孔P22の内部に担持された触媒粒子23(又は23a)のうち最大頻度を示す粒子の頻度(粒子数)を示す。
また、式(1)及び式(2)中、N2は担体22のメソ孔P22の外部に担持された触媒粒子23(又は23a)のうち最大頻度を示す粒子の頻度頻度(粒子数)を示す。
Here, in the formulas (1) and (2), D1 determines the sphere-equivalent diameter (nm) of the particles showing the maximum frequency among the catalyst particles 23 (or 23a) supported inside the mesopores P22 of the carrier 22. show.
Further, in the formulas (1) and (2), D2 indicates the particle sphere equivalent diameter showing the maximum frequency among the catalyst particles 23 (or 23a) supported on the outside of the mesopores P22 of the carrier 22.
Further, in the formulas (1) and (2), N1 indicates the frequency (number of particles) of the catalyst particles 23 (or 23a) supported inside the mesopores P22 of the carrier 22, which indicates the maximum frequency.
Further, in the formulas (1) and (2), N2 indicates the frequency frequency (number of particles) of the particles showing the maximum frequency among the catalyst particles 23 (or 23a) supported on the outside of the mesopores P22 of the carrier 22. ..

式(1)及び式(2)の条件を同時に満たす電極用触媒20は、従来の電極用触媒に比較して、担体22のメソ孔P22の内部に活性の高い触媒粒子23が比較的小さな粒子径で数多く存在することになる。このような担体22のメソ孔P22の内部に担持されたコアシェル構造を有する触媒粒子23(又は23a)は、従来の電極用触媒に比較して電極化された際に優れた触媒活性を発揮する。また、触媒内に含まれるNafionのような高分子電解質に直接接触しにくい状態で担体22に担持されることになりPt成分やNi成分の溶解も低減される。 In the electrode catalyst 20 that simultaneously satisfies the conditions of the formulas (1) and (2), the highly active catalyst particles 23 are relatively small particles inside the mesopores P22 of the carrier 22 as compared with the conventional electrode catalysts. There will be many in diameter. The catalyst particles 23 (or 23a) having a core-shell structure supported inside the mesopores P22 of the carrier 22 exhibit excellent catalytic activity when electrodeposited as compared with a conventional catalyst for electrodes. .. Further, the carrier 22 is supported on the carrier 22 in a state where it is difficult to come into direct contact with a polymer electrolyte such as Nafion contained in the catalyst, and the dissolution of the Pt component and the Ni component is also reduced.

電極用触媒20の製造方法としては、式(1)及び式(2)の条件を満たすようにするための「Pt塩溶液調製工程」、「担体添加工程」、「Ni塩溶液滴下工程」、「洗浄工程」、「乾燥工程」及び「還元工程」を含むこと以外は、特に限定されず公知の方法で製造することができる。 Examples of the method for producing the electrode catalyst 20 include a "Pt salt solution preparation step", a "carrier addition step", and a "Ni salt solution dropping step" for satisfying the conditions of the formulas (1) and (2). It is not particularly limited except that it includes a "cleaning step", a "drying step" and a "reducing step", and can be produced by a known method.

「Pt塩溶液調製工程」では、水溶性Pt塩を超純水に溶解した水溶液を室温で調製すする。
なお、このPt塩溶液調製工程において上述の水溶液の調製に使用される「超純水」は、以下の式(3)で表される比抵抗R(JIS規格試験法(JIS K0552)により測定される電気伝導率の逆数)が3.0MΩ・cm以上である水である。また、「超純水」はJISK0557「用水・排水の試験に用いる水」に規定されている「A3」のに相当する水質又はそれ以上の清浄な水質を有していることが好ましい。
In the "Pt salt solution preparation step", an aqueous solution prepared by dissolving a water-soluble Pt salt in ultrapure water is prepared at room temperature.
The "ultrapure water" used in the preparation of the above-mentioned aqueous solution in this Pt salt solution preparation step is measured by the resistivity R (JIS standard test method (JIS K0552)) represented by the following formula (3). The reciprocal of the electrical conductivity of water is 3.0 MΩ · cm or more. Further, it is preferable that the "ultrapure water" has a water quality equivalent to or higher than that of "A3" specified in JIS K0557 "Water used for irrigation / drainage test".

この超純水は、下記式(3)で表される関係を満たす電気伝導率を有している水であれば、特に限定されない。例えば、上記超純水として、超純水製造装置「Milli-Qシリーズ」(メルク株式会社製)、「Elix UVシリーズ」(日本ミリポア株式会社製)を使用して製造される超純水を挙げることができる。
R=1/ρ ・・・(3)
上記式(3)において、Rは比抵抗を表し、ρはJIS規格試験法(JIS K0552)により測定される電気伝導率を表す。
The ultrapure water is not particularly limited as long as it is water having an electric conductivity satisfying the relationship represented by the following formula (3). For example, examples of the above ultrapure water include ultrapure water produced using the ultrapure water production equipment "Milli-Q series" (manufactured by Merck Group) and "Elix UV series" (manufactured by Nippon Millipore Co., Ltd.). be able to.
R = 1 / ρ ・ ・ ・ (3)
In the above formula (3), R represents the specific resistance, and ρ represents the electrical conductivity measured by the JIS standard test method (JIS K0552).

「Pt塩溶液調製工程」の次の工程は「担体添加工程」である。この「担体添加工程」では、「Pt塩溶液調製工程」を経て得たPt塩溶液に、室温で担体22を投入する。そして担体を分散させた分散液を撹拌しながら温度を80〜99℃、好ましくは90〜99℃で所定時間保持(ただし、沸騰させない状態を保持)し、その後、室温まで降温する。次に、得られた分散液にpH調整剤を添加して、pHを9〜13に調節した分散液を調製する。更に、この分散液を撹拌しながら温度を40℃以上の所定温度で所定時間保持(ただし、沸騰させない状態を保持)する。その後、分散液を室温まで降温する。
これにより、担体22のメソ孔P22の内部のガスが除去されメソ孔P22の内部へPt塩水溶液が十分に侵入できるようになる。そして、担体22のメソ孔P22内に触媒粒子の前駆体が数多く担持されることとなる。
The next step of the "Pt salt solution preparation step" is the "carrier addition step". In this "carrier addition step", the carrier 22 is added to the Pt salt solution obtained through the "Pt salt solution preparation step" at room temperature. Then, the temperature is maintained at 80 to 99 ° C., preferably 90 to 99 ° C. for a predetermined time (however, the state of not boiling is maintained) while stirring the dispersion liquid in which the carrier is dispersed, and then the temperature is lowered to room temperature. Next, a pH adjuster is added to the obtained dispersion to prepare a dispersion whose pH is adjusted to 9 to 13. Further, the dispersion liquid is kept at a predetermined temperature of 40 ° C. or higher for a predetermined time while stirring (however, the state of not boiling is maintained). Then, the temperature of the dispersion is lowered to room temperature.
As a result, the gas inside the mesopore P22 of the carrier 22 is removed, and the Pt salt aqueous solution can sufficiently penetrate into the mesopore P22. Then, a large number of precursors of catalyst particles are supported in the mesopores P22 of the carrier 22.

「担体添加工程」の次の工程は、「Ni塩溶液滴下工程」である。「Ni塩溶液滴下工程」では、「担体添加工程」を経て得た分散液に、水溶性Ni塩を超純水に溶解した水溶液を室温で添加する。次に、得られた分散液にpH調整剤を添加して、pHを9〜13に調節した分散液を調製する。更に、この分散液を撹拌しながら温度を40℃以上の所定温度で所定時間保持(ただし、沸騰させない状態を保持)する。その後、分散液を室温まで降温する。 The next step of the "carrier addition step" is a "Ni salt solution dropping step". In the "Ni salt solution dropping step", an aqueous solution prepared by dissolving a water-soluble Ni salt in ultrapure water is added to the dispersion obtained through the "carrier addition step" at room temperature. Next, a pH adjuster is added to the obtained dispersion to prepare a dispersion whose pH is adjusted to 9 to 13. Further, the dispersion liquid is kept at a predetermined temperature of 40 ° C. or higher for a predetermined time while stirring (however, the state of not boiling is maintained). Then, the temperature of the dispersion is lowered to room temperature.

「Ni塩溶液滴下工程」の次の工程は、「洗浄工程」である。この「洗浄工程」では、「Ni塩溶液滴下工程」を経て得た液中の固形成分と液体成分とを分離し、固形分(PtNi/C触媒の前駆体とこれ以外の不純物の混合物))を洗浄する。例えば、ろ紙、ろ布などのろ過手段を使用して「Ni塩溶液滴下工程」を経て得た液中の固形成分を液体成分から分離してもよい。固形分の洗浄は上述の超純水、純水(上述の式(3)で表される比抵抗Rが0.1MΩ・cm以上で3.0MΩ・cm未満)、純温水(純水の温度を40〜80℃としたもの)を使用してもよい。例えば、純温水を使用する場合、洗浄後のろ液の電気伝導度が20μS/cm未満となるまで繰り返し洗浄する。
「洗浄工程」の次の工程は「乾燥工程」である。この「乾燥工程」では、「洗浄工程」を経て得た固形成分(PtNi/C触媒の前駆体と水との混合物)から水分を分離する。先ず、固形成分を風乾し、次に、乾燥機中で所定温度・所定時間乾燥させる。
「乾燥工程」の次の工程は「還元工程」である。この「粉砕工程」では「乾燥工程」を得て得た固形成分(PtNi/C触媒の前駆体)の還元処理を行う。
還元処理法としては、還元炉を使用し、固形成分(PtNi/C触媒の前駆体)を水素ガスを使用して800℃以上の所定温度で還元する。
The next step of the "Ni salt solution dropping step" is the "cleaning step". In this "cleaning step", the solid component and the liquid component in the liquid obtained through the "Ni salt solution dropping step" are separated, and the solid content (a mixture of the precursor of the PtNi / C catalyst and other impurities)). To wash. For example, the solid component in the liquid obtained through the "Ni salt solution dropping step" may be separated from the liquid component using a filtering means such as filter paper or filter cloth. Cleaning of solids is performed by the above-mentioned ultrapure water, pure water (the specific resistance R represented by the above formula (3) is 0.1 MΩ · cm or more and less than 3.0 MΩ · cm), and pure hot water (the temperature of pure water). 40 to 80 ° C.) may be used. For example, when pure warm water is used, the filtrate is washed repeatedly until the electrical conductivity of the filtrate after washing becomes less than 20 μS / cm.
The next step after the "cleaning step" is the "drying step". In this "drying step", water is separated from the solid component (a mixture of the precursor of the PtNi / C catalyst and water) obtained through the "washing step". First, the solid component is air-dried, and then dried in a dryer at a predetermined temperature for a predetermined time.
The next step after the "drying step" is the "reduction step". In this "crushing step", the solid component (precursor of PtNi / C catalyst) obtained by obtaining the "drying step" is reduced.
As a reduction treatment method, a reduction furnace is used, and the solid component (precursor of PtNi / C catalyst) is reduced using hydrogen gas at a predetermined temperature of 800 ° C. or higher.

触媒層1c、触媒層2cに含有される高分子電解質は、水素イオン伝導性を有していれば特に限定されず、公知のものを使用することができる。例えば、高分子電解質は、公知のスルホン酸基、カルボン酸基を有するパーフルオロカーボン樹脂を例示することができる。容易に入手可能な水素イオン伝導性を有する高分子電解質としては、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)を好ましく例示することができる。
そして、図1に示したカソード1の触媒層1c及びアノード2の触媒層2cのうちの少なくとも一方は、担体22の質量Cと高分子電解質の質量Nとの質量比N/Cが0.5〜1.2とされており、より好ましくは質量比N/Cが0.7〜1.0とされている。
The polymer electrolyte contained in the catalyst layer 1c and the catalyst layer 2c is not particularly limited as long as it has hydrogen ion conductivity, and known ones can be used. For example, as the polymer electrolyte, a perfluorocarbon resin having a known sulfonic acid group or carboxylic acid group can be exemplified. As easily available polymer electrolytes with hydrogen ion conductivity, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) are used. It can be preferably exemplified.
Then, at least one of the catalyst layer 1c of the cathode 1 and the catalyst layer 2c of the anode 2 shown in FIG. 1 has a mass ratio N / C of the mass C of the carrier 22 and the mass N of the polymer electrolyte of 0.5. It is set to ~ 1.2, and more preferably the mass ratio N / C is set to 0.7 to 1.0.

(ガス拡散層(GDL))
図1に示すカソード1に備えられるガス拡散層1gdは、触媒層1cへ酸化剤ガス(例えば、酸素ガス、空気)を供給するために設けられている層である。また、ガス拡散層1gdは、触媒層1cを支持する役割を有している。
また、アノード2に備えられるガス拡散層2gdは、触媒層2cへ還元剤ガス(例えば、水素ガス)を供給するために設けられている層である。また、ガス拡散層2gdは、触媒層2cを支持する役割を有している。
(Gas Diffusion Layer (GDL))
The gas diffusion layer 1gd provided on the cathode 1 shown in FIG. 1 is a layer provided for supplying an oxidizing agent gas (for example, oxygen gas, air) to the catalyst layer 1c. Further, the gas diffusion layer 1gd has a role of supporting the catalyst layer 1c.
The gas diffusion layer 2gd provided in the anode 2 is a layer provided for supplying a reducing agent gas (for example, hydrogen gas) to the catalyst layer 2c. Further, the gas diffusion layer 2gd has a role of supporting the catalyst layer 2c.

図1に示すガス拡散層(1gd)は、水素ガス又は空気(酸素ガス)を良好に通過させて触媒層に到達させる機能・構造を有している。このため、ガス拡散層は撥水性を有していることが好ましい。例えば、ガス拡散層は、ポリエチレンテレフタレート(PTFE)等の撥水成分を有している。
ガス拡散層(1gd)に用いることができる部材は、特に制限されるものではなく、公知の部材を使用することができる。例えば、カーボンペーパー、カーボンペーパーを主原料とし、その任意成分としてカーボン粉末、イオン交換水、バインダーとしてポリエチレンテレフタレートディスパージョンからなる副原料をカーボンペーパーに塗布したものが好ましく挙げられる。
The gas diffusion layer (1 gd) shown in FIG. 1 has a function and a structure of allowing hydrogen gas or air (oxygen gas) to pass through well to reach the catalyst layer. Therefore, the gas diffusion layer preferably has water repellency. For example, the gas diffusion layer has a water-repellent component such as polyethylene terephthalate (PTFE).
The member that can be used for the gas diffusion layer (1 gd) is not particularly limited, and a known member can be used. For example, carbon paper or carbon paper as a main raw material, and an auxiliary raw material composed of carbon powder, ion-exchanged water as an optional component, and polyethylene terephthalate dispersion as a binder is preferably applied to the carbon paper.

(撥水層(MPL))
図1に示すように、カソード1には、ガス拡散層1gdと触媒層1cとの間に撥水層(MPL)1mが配置されている。撥水層1mは電子電導性、撥水性、ガス拡散性を有し、触媒層1gdへの酸化剤ガスの拡散と触媒層1gdで発生する反応生成水の排出とを促進するために設けられているものである。撥水層1mの構成は特に限定されず公知の構成を採用することができる。
(Water repellent layer (MPL))
As shown in FIG. 1, a water repellent layer (MPL) 1 m is arranged between the gas diffusion layer 1 gd and the catalyst layer 1 c on the cathode 1. The water-repellent layer 1 m has electron conductivity, water repellency, and gas diffusivity, and is provided to promote the diffusion of the oxidant gas into the catalyst layer 1 gd and the discharge of the reaction-generated water generated in the catalyst layer 1 gd. It is something that is. The structure of the water-repellent layer 1 m is not particularly limited, and a known structure can be adopted.

(高分子電解質膜(PEM))
図1に示す高分子電解質膜(PEM)3は、水素イオン伝導性を有していれば特に限定されず、従来からPEFCに使用されている公知のものを採用することができる。例えば、先に述べた触媒層1c、触媒層2cに含有される高分子電解質として例示されたものを構成成分として含む膜であってもよい。
(Polyelectrolyte membrane (PEM))
The polymer electrolyte membrane (PEM) 3 shown in FIG. 1 is not particularly limited as long as it has hydrogen ion conductivity, and known ones conventionally used for PEFC can be adopted. For example, it may be a membrane containing what is exemplified as the polymer electrolyte contained in the catalyst layer 1c and the catalyst layer 2c described above as a constituent component.

<MEAの変形態様>
以上、本発明のMEA(及び、本発明の触媒層、本発明のガス拡散電極)の好適な実施形態について説明したが、本発明のMEAは図1に示したMEA10の構成に限定されない。
例えば、本発明のMEAは、図4に示すMEA11の構成を有していてもよい。
図4は本発明のMEAの別の好適な一形態を示す模式断面図である。図4に示したMEA11は高分子電解質膜(PEM)3の片面のみに、図1に示したMEA10におけるカソード1と同様の構成を有するガス拡散電極(GDE)1Aを配置した構成を有する。ただし、ガス拡散電極(GDE)1Aの触媒層1cは本発明の触媒層の構成を有している。即ち、GDE1Aの触媒層1cはコアシェル触媒の担体の質量Cと高分子電解質の質量Nとの質量比N/Cが0.5〜1.2、より好ましくは0.7〜1.0とされている。
<Modification of MEA>
Although preferred embodiments of the MEA of the present invention (and the catalyst layer of the present invention and the gas diffusion electrode of the present invention) have been described above, the MEA of the present invention is not limited to the configuration of the MEA 10 shown in FIG.
For example, the MEA of the present invention may have the structure of MEA 11 shown in FIG.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing another preferred embodiment of the MEA of the present invention. The MEA 11 shown in FIG. 4 has a configuration in which a gas diffusion electrode (GDE) 1A having the same configuration as the cathode 1 in the MEA 10 shown in FIG. 1 is arranged on only one side of the polymer electrolyte membrane (PEM) 3. However, the catalyst layer 1c of the gas diffusion electrode (GDE) 1A has the structure of the catalyst layer of the present invention. That is, the catalyst layer 1c of GDE1A has a mass ratio N / C of the mass C of the carrier of the core-shell catalyst and the mass N of the polyelectrolyte of 0.5 to 1.2, more preferably 0.7 to 1.0. ing.

<膜・電極接合体(CCM)>
次に、本発明の膜・電極接合体(CCM)の好適な実施形態について説明する。
図5は本発明のCCMの好適な一形態を示す模式断面図である。図5に示すCCM12は、カソード触媒層1cと、アノード触媒層2cとの間に高分子電解質膜(PEM)3が配置された構成を有している。そして、カソード触媒層1c及びアノード触媒層2cのうちの少なくとも一方は、本発明の触媒層の構成を有する。即ち、カソード触媒層1c及びアノード触媒層2cのうちの少なくとも一方は、電極用触媒の担体の質量Cと高分子電解質の質量Nとの質量比N/Cが0.5〜1.2、より好ましくは0.7〜1.0とされている。
<Membrane / Electrode Assembly (CCM)>
Next, a preferred embodiment of the membrane-electrode assembly (CCM) of the present invention will be described.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a preferred embodiment of the CCM of the present invention. The CCM 12 shown in FIG. 5 has a configuration in which the polymer electrolyte membrane (PEM) 3 is arranged between the cathode catalyst layer 1c and the anode catalyst layer 2c. Then, at least one of the cathode catalyst layer 1c and the anode catalyst layer 2c has the structure of the catalyst layer of the present invention. That is, at least one of the cathode catalyst layer 1c and the anode catalyst layer 2c has a mass ratio N / C of the mass C of the carrier of the electrode catalyst and the mass N of the polymer electrolyte of 0.5 to 1.2. It is preferably 0.7 to 1.0.

<膜・電極接合体(CCM)の変形態様>
以上、本発明のCCMの好適な実施形態について説明したが、本発明のCCMは図5に示したCCM12の構成に限定されない。
例えば、本発明のCCMは、図6に示すCCM13の構成を有していてもよい。
図7は本発明のCCMの別の好適な一形態を示す模式断面図である。図6に示したCCM13は高分子電解質膜(PEM)3の片面のみに、図5に示したCCM12におけるカソード1と同様の構成を有する触媒層1cを配置した構成を有する。ただし、ガス拡散電極(GDE)1Aの触媒層1cは本発明の触媒層の構成を有している。即ち、CCM13の触媒層1cは電極用触媒の担体の質量Cと高分子電解質の質量Nとの質量比N/Cが0.5〜1.2、より好ましくは0.7〜1.0とされている。
<Deformation mode of membrane-electrode assembly (CCM)>
Although the preferred embodiment of the CCM of the present invention has been described above, the CCM of the present invention is not limited to the configuration of the CCM 12 shown in FIG.
For example, the CCM of the present invention may have the configuration of the CCM 13 shown in FIG.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing another preferred embodiment of the CCM of the present invention. The CCM 13 shown in FIG. 6 has a configuration in which a catalyst layer 1c having the same configuration as the cathode 1 in the CCM 12 shown in FIG. 5 is arranged on only one side of the polymer electrolyte membrane (PEM) 3. However, the catalyst layer 1c of the gas diffusion electrode (GDE) 1A has the structure of the catalyst layer of the present invention. That is, the catalyst layer 1c of CCM13 has a mass ratio N / C of the mass C of the carrier of the electrode catalyst and the mass N of the polyelectrolyte of 0.5 to 1.2, more preferably 0.7 to 1.0. Has been done.

<ガス拡散電極(GDE)>
次に、本発明のガス拡散電極(GDE)の好適な実施形態について説明する。
図8は、本発明のGDEの好適な一形態を示す模式断面図である。図7に示すガス拡散電極(GDE)1Bは、図1に示したMEA10に搭載されたカソード1と同様の構成を有する。ただし、ただし、ガス拡散電極(GDE)1Bの触媒層1cは本発明の触媒層の構成を有している。即ち、ガス拡散電極(GDE)1Bの触媒層1cは電極用触媒の担体の質量Cと高分子電解質の質量Nとの質量比N/Cが0.5〜1.2、より好ましくは0.7〜1.0とされている。
<Gas diffusion electrode (GDE)>
Next, a preferred embodiment of the gas diffusion electrode (GDE) of the present invention will be described.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a preferred embodiment of the GDE of the present invention. The gas diffusion electrode (GDE) 1B shown in FIG. 7 has the same configuration as the cathode 1 mounted on the MEA10 shown in FIG. However, the catalyst layer 1c of the gas diffusion electrode (GDE) 1B has the structure of the catalyst layer of the present invention. That is, the catalyst layer 1c of the gas diffusion electrode (GDE) 1B has a mass ratio N / C of the mass C of the carrier of the electrode catalyst and the mass N of the polyelectrolyte of 0.5 to 1.2, more preferably 0. It is said to be 7 to 1.0.

<ガス拡散電極(GDE)の変形態様>
以上、本発明のGDEの好適な実施形態について説明したが、本発明のGDEは図7に示したGDE1Bの構成に限定されない。
例えば、本発明のGDEは、図8に示すGDE1Cの構成を有していてもよい。
図9は本発明のGDEの別の好適な一形態を示す模式断面図である。図8に示したGDE1Cは、図8に示したGDE1Bと比較して触媒層1cとガス拡散層1gdとの間に撥水層(MPL)が配置されていない構成となってきる。
<Deformation mode of gas diffusion electrode (GDE)>
Although the preferred embodiment of the GDE of the present invention has been described above, the GDE of the present invention is not limited to the configuration of the GDE 1B shown in FIG.
For example, the GDE of the present invention may have the configuration of GDE1C shown in FIG.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing another preferred embodiment of the GDE of the present invention. Compared with GDE1B shown in FIG. 8, GDE1C shown in FIG. 8 has a configuration in which a water-repellent layer (MPL) is not arranged between the catalyst layer 1c and the gas diffusion layer 1gd.

<触媒層形成用組成物>
次に、本発明の触媒層形成用組成物の好適な実施形態について説明する。
本実施形態の触媒層形成用組成物は、電極用触媒と、高分子電解質と、主成分を含んでおり、電極用触媒の担体の質量Cと高分子電解質の質量Nとの質量比N/Cが0.5〜1.2、より好ましくは0.7〜1.0とされている。
ここで、高分子電解質を含む液の組成は特に限定されない。例えば、高分子電解質を含む液には、先に述べた水素イオン伝導性を有する高分子電解質と水とアルコールとが含有されていてもよい。
<Composition for forming catalyst layer>
Next, a preferred embodiment of the composition for forming a catalyst layer of the present invention will be described.
The composition for forming a catalyst layer of the present embodiment contains an electrode catalyst, a polyelectrolyte, and a main component, and has a mass ratio N / of the mass C of the carrier of the electrode catalyst and the mass N of the polyelectrolyte. C is 0.5 to 1.2, more preferably 0.7 to 1.0.
Here, the composition of the liquid containing the polymer electrolyte is not particularly limited. For example, the liquid containing the polymer electrolyte may contain the above-mentioned polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity, water, and alcohol.

触媒層形成用組成物に含まれる電極用触媒、高分子電解質、その他の成分(水、ア
ルコールなど)の組成比は、得られる触媒層内における電極用触媒の分散状態が良好
となり、当該触媒層を含むMEAの発電性能を向上させることができるように適宜設定される。
触媒層形成用組成物は、電極用触媒、高分子電解質を含む液を混合し、撹拌することにより調製することができる。塗工性を調整する観点からグリセリンなどの多価アルコール及び/又は水を含有させてもよい。電極用触媒、高分子電解質を含む液を混合する場合、ボールミル、超音波分散機等の粉砕混合機を使用してもよい。
図1に示したカソード1の触媒層1c及びアノード2の触媒層2cのうちの少なくとも一方は、本発明の触媒層形成用組成物の好適な実施形態を用いて形成することができる。
The composition ratio of the electrode catalyst, the polyelectrolyte, and other components (water, alcohol, etc.) contained in the catalyst layer forming composition is such that the dispersed state of the electrode catalyst in the obtained catalyst layer is good, and the catalyst layer is concerned. It is appropriately set so that the power generation performance of the MEA including the above can be improved.
The composition for forming a catalyst layer can be prepared by mixing and stirring a liquid containing a catalyst for electrodes and a polymer electrolyte. From the viewpoint of adjusting the coatability, a polyhydric alcohol such as glycerin and / or water may be contained. When mixing a liquid containing an electrode catalyst and a polymer electrolyte, a pulverizer / mixer such as a ball mill or an ultrasonic disperser may be used.
At least one of the catalyst layer 1c of the cathode 1 and the catalyst layer 2c of the anode 2 shown in FIG. 1 can be formed by using a suitable embodiment of the catalyst layer forming composition of the present invention.

(ガス拡散電極の製造方法)
次に、本発明のガス拡散電極の製造方法の一例について説明する。ガス拡散電極は本発明の触媒層を含むように形成されていればよく、その製造方法は公知の方法を採用することができる。本発明の触媒層形成用組成物を用いればより確実に製造することができる。
例えば、触媒層形成用組成物をガス拡散層(又はガス拡散層上に撥水層を形成した積層体の当該撥水層)上に塗布し、乾燥させることにより製造してもよい。
(Manufacturing method of gas diffusion electrode)
Next, an example of the method for manufacturing the gas diffusion electrode of the present invention will be described. The gas diffusion electrode may be formed so as to include the catalyst layer of the present invention, and a known method can be adopted as the manufacturing method thereof. If the composition for forming a catalyst layer of the present invention is used, it can be produced more reliably.
For example, the composition for forming a catalyst layer may be produced by applying it on a gas diffusion layer (or the water-repellent layer of a laminate having a water-repellent layer formed on the gas diffusion layer) and drying it.

<燃料電池スタック>
図9は本発明の燃料電池スタックの好適な一実施形態を示す模式図である。
図9に示された燃料電池スタック30は、図1に示したMEA10を一単位セルとし、この一単位セルを複数積み重ねた構成を有している。また、燃料電池スタック30は、セパレータ4とセパレータ5との間にMEA10が配置された構成を有している。セパレータ4とセパレータ5とにはそれぞれガス流路が形成されている。
<Fuel cell stack>
FIG. 9 is a schematic view showing a preferred embodiment of the fuel cell stack of the present invention.
The fuel cell stack 30 shown in FIG. 9 has a structure in which the MEA 10 shown in FIG. 1 is a single unit cell and a plurality of the single unit cells are stacked. Further, the fuel cell stack 30 has a configuration in which the MEA 10 is arranged between the separator 4 and the separator 5. A gas flow path is formed in each of the separator 4 and the separator 5.

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定
されるものではない。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.

(I)MEAのカソードの触媒層に使用する電極用触媒の準備 (I) Preparation of electrode catalyst to be used for the catalyst layer of the cathode of MEA

(1)実施例1のMEAのカソードに使用するPtNi/C触媒の製造
[PtNi合金粒子担持カーボン触媒「PtNi/C触媒」の粉末]
PtNi合金を含む触媒粒子がカーボンブラック粉末上に担持されたPtNi/C触媒の粉末{Pt担持率28.0wt%,Ni担持率8.0wt%商品名「SA30ABKN8」、N.E.CHEMCAT社製)}を用意した。
このPtNi/C触媒の粉末は以下の手順にて調整した。
(1) Production of PtNi / C catalyst used for cathode of MEA of Example 1 [Powder of PtNi alloy particle-supported carbon catalyst "PtNi / C catalyst"]
PtNi / C catalyst powder in which catalyst particles containing PtNi alloy are supported on carbon black powder {Pt support rate 28.0 wt%, Ni support rate 8.0 wt% Trade name "SA30ABKN8", manufactured by NE CHEMCAT )} Was prepared.
The powder of this PtNi / C catalyst was prepared by the following procedure.

(第1工程(Pt塩溶液調製工程))
水溶性Pt塩を超純水に溶解した水溶液を室温で調製した。
なお、この第1工程(Pt塩溶液調製工程)において使用した「超純水」は、以下の式(3)で表される比抵抗R(JIS規格試験法(JIS K0552)により測定される電気伝導率の逆数)が3.0MΩ・cm以上である水を使用した。また、この「超純水」はJISK0557「用水・排水の試験に用いる水」に規定されている「A3」のに相当する水質又はそれ以上の清浄な水質を有している。
この超純水は超純水製造装置「Milli-Qシリーズ」(メルク株式会社製)、「Elix UVシリーズ」(日本ミリポア株式会社製)を使用して製造した。
R=1/ρ (3)
上記一般式(3)において、Rは比抵抗を表し、ρはJIS規格試験法(JIS K0552)により測定される電気伝導率を表す。
(First step (Pt salt solution preparation step))
An aqueous solution prepared by dissolving a water-soluble Pt salt in ultrapure water was prepared at room temperature.
The "ultrapure water" used in this first step (Pt salt solution preparation step) is the electrical resistivity measured by the specific resistance R (JIS standard test method (JIS K0552)) represented by the following formula (3). Water having a resistivity (reciprocal of conductivity) of 3.0 MΩ · cm or more was used. Further, this "ultrapure water" has a water quality equivalent to or higher than that of "A3" specified in JIS K0557 "Water used for irrigation / drainage test".
This ultrapure water was produced using the ultrapure water production equipment "Milli-Q series" (manufactured by Merck Group) and "Elix UV series" (manufactured by Nippon Millipore Co., Ltd.).
R = 1 / ρ (3)
In the above general formula (3), R represents the specific resistance, and ρ represents the electrical conductivity measured by the JIS standard test method (JIS K0552).

(第2工程(担体添加工程))
「Pt塩溶液調製工程」を経て得たPt塩溶液に、室温で担体22を投入した。担体22としては、市販の中空カーボン担体{ライオン株式会社製、商品名「カーボンECP」(登録商標)(ケッチェンブラックEC300J)、比表面積750〜800m/g}を使用した。
そして担体を分散させた分散液を撹拌しながら温度を80〜99℃、好ましくは90〜99℃で所定時間保持(ただし、沸騰させない状態を保持)し、その後、室温まで降温した。次に、得られた分散液にpH調整剤を添加して、pHを9〜13に調節した分散液を調製した。更に、この分散液を撹拌しながら温度を40℃以上の所定温度で所定時間保持(ただし、沸騰させない状態を保持)した。その後、分散液を室温まで降温した。
(Second step (carrier addition step))
The carrier 22 was added to the Pt salt solution obtained through the "Pt salt solution preparation step" at room temperature. As the carrier 22, a commercially available hollow carbon carrier {manufactured by Lion Corporation, trade name "Carbon ECP" (registered trademark) (Ketjen Black EC300J), specific surface area of 750 to 800 m 2 / g} was used.
Then, the temperature was maintained at 80 to 99 ° C., preferably 90 to 99 ° C. for a predetermined time (however, the state of not boiling was maintained) while stirring the dispersion liquid in which the carrier was dispersed, and then the temperature was lowered to room temperature. Next, a pH adjuster was added to the obtained dispersion to prepare a dispersion whose pH was adjusted to 9 to 13. Further, the dispersion was kept at a predetermined temperature of 40 ° C. or higher for a predetermined time while stirring (however, the state of not boiling was maintained). Then, the dispersion was cooled to room temperature.

(第3工程(Ni塩溶液滴下工程))
第2工程(担体添加工程)」を経て得た分散液に、水溶性Ni塩を超純水に溶解した水溶液を室温で添加した。次に、得られた分散液にpH調整剤を添加して、pHを9〜13に調節した分散液を調製した。更に、この分散液を撹拌しながら温度を40℃以上の所定温度で所定時間保持(ただし、沸騰させない状態を保持)した。その後、分散液を室温まで降温した。
(Third step (Ni salt solution dropping step))
An aqueous solution prepared by dissolving a water-soluble Ni salt in ultrapure water was added to the dispersion obtained through the second step (carrier addition step) at room temperature. Next, a pH adjuster was added to the obtained dispersion to prepare a dispersion whose pH was adjusted to 9 to 13. Further, the dispersion was kept at a predetermined temperature of 40 ° C. or higher for a predetermined time while stirring (however, the state of not boiling was maintained). Then, the dispersion was cooled to room temperature.

(第4工程(洗浄工程))
第3工程(Ni塩溶液滴下工程)を経て得た液中の固形成分と液体成分とを分離し、固形分(PtNi/C触媒の前駆体とこれ以外の不純物の混合物))を洗浄した。ろ紙を使用して「Ni塩溶液滴下工程」を経て得た液中の固形成分を液体成分から分離した。固形分の洗浄は上述の超純水、純水(上述の式(3)で表される比抵抗Rが0.1MΩ・cm以上で3.0MΩ・cm未満)、純温水(純水の温度を40〜80℃としたもの)を使用した。純温水を使用し、洗浄後のろ液の電気伝導度が20μS/cm未満となるまで繰り返し洗浄した。
(4th step (cleaning step))
The solid component and the liquid component in the liquid obtained through the third step (Ni salt solution dropping step) were separated, and the solid content (a mixture of the precursor of the PtNi / C catalyst and other impurities) was washed. The solid component in the liquid obtained through the "Ni salt solution dropping step" using filter paper was separated from the liquid component. Cleaning of solids is performed by the above-mentioned ultrapure water, pure water (the specific resistance R represented by the above formula (3) is 0.1 MΩ · cm or more and less than 3.0 MΩ · cm), and pure hot water (the temperature of pure water). Was 40 to 80 ° C.). Pure warm water was used, and the filtrate was washed repeatedly until the electrical conductivity of the filtrate after washing became less than 20 μS / cm.

(第5工程(乾燥工程))
次に、ろ紙上の固形成分(PtNi/C触媒の前駆体と水との混合物)をこの状態のまま空気中で風乾した。この風乾後、ろ紙上の固形成分を磁性皿に移し、電気乾燥機中で60℃以上の所定温度で所定時間乾燥させた。乾燥後の固形成分をミキサーを使用して粉砕しPtNi/C触媒の前駆体の粉体を得た。
(Fifth step (drying step))
Next, the solid component (a mixture of the precursor of the PtNi / C catalyst and water) on the filter paper was air-dried in the air in this state. After this air drying, the solid component on the filter paper was transferred to a magnetic dish and dried in an electric dryer at a predetermined temperature of 60 ° C. or higher for a predetermined time. The dried solid component was pulverized using a mixer to obtain a powder of a precursor of the PtNi / C catalyst.

(第6工程(還元工程))
「乾燥工程」を得て得た固形成分(PtNi/C触媒の前駆体)の還元処理を行った。
固形成分(PtNi/C触媒の前駆体)を焼成皿に入れ還元炉中に設置した。次に還元炉に窒素ガスを所定流量流通させ残存酸素をパージした。次に、還元炉に水素ガスを導入し800℃以上の所定温度、所定時間で還元処理を行った。その後、還元炉内の温度を降温させるとともに、還元処理後の固形成分の徐酸化処理を行った。これによりPtNi/C触媒を得た。
(6th step (reduction step))
The solid component (precursor of PtNi / C catalyst) obtained by obtaining the "drying step" was reduced.
The solid component (precursor of PtNi / C catalyst) was placed in a baking dish and placed in a reduction furnace. Next, nitrogen gas was passed through the reduction furnace at a predetermined flow rate to purge the residual oxygen. Next, hydrogen gas was introduced into the reduction furnace, and the reduction treatment was performed at a predetermined temperature of 800 ° C. or higher and a predetermined time. Then, the temperature in the reduction furnace was lowered, and the solid component after the reduction treatment was slowly oxidized. As a result, a PtNi / C catalyst was obtained.

<担持率の測定(ICP分析)>
このコアシェル触媒Aについて、Pt担持率(wt%)と、Ni担持率(wt%)を以下の方法で測定した。
PtNi/C触媒を王水に浸し、金属を溶解させた。次に、王水から不溶成分のカーボンを除去した。次に、カーボンを除いた王水をICP分析した。
ICP分析の結果、このPtNi/C触媒については、Pt担持率が28.0wt%と、Ni担持率が8.0wt%であった。
<Measurement of loading rate (ICP analysis)>
For this core-shell catalyst A, the Pt carrying ratio (wt%) and the Ni carrying ratio (wt%) were measured by the following methods.
The PtNi / C catalyst was immersed in aqua regia to dissolve the metal. Next, carbon, an insoluble component, was removed from aqua regia. Next, the aqua regia excluding carbon was subjected to ICP analysis.
As a result of ICP analysis, the Pt carrying ratio of this PtNi / C catalyst was 28.0 wt% and the Ni carrying ratio was 8.0 wt%.

<電極用触媒の表面観察・構造観察>
このPtNi/C触媒について、その3次元構造を観察するため、STEMによる電子戦トモグラフィーの測定を以下の条件で実施した。
・STEM装置:日本電子社製 JEM-ARM200F 原子分解能分析電子顕微鏡
・データ解析ソフト: システムインフロンティア製 3D 再構成ソフトComposer、3D データ可視化ソフトVisualizer-kai、画像解析ソフトColorist
・測定条件
加速電圧:60 kV
観察倍率 800,000 〜1,000,000 倍
測定試料の傾斜角:-80 ° 〜 +80 °
測定試料の傾斜ステップ角 2 °
画素数 512 ×512 pixels 512 × 512 pixels
画素サイズ:0.350 nm/pixel 〜 0.500 nm/pixel
ボリュームサイズ:図11に示した。
<Surface observation / structure observation of electrode catalyst>
In order to observe the three-dimensional structure of this PtNi / C catalyst, electronic warfare tomography measurement by STEM was carried out under the following conditions.
・ STEM equipment: JEM-ARM200F atomic resolution analysis electron microscope manufactured by JEOL Ltd. ・ Data analysis software: 3D reconstruction software Composer, 3D data visualization software Visualizer-kai, image analysis software Colorist manufactured by System Infrontia
・ Measurement conditions Acceleration voltage: 60 kV
Observation magnification 800,000 to 1,000,000 times Tilt angle of measured sample: -80 ° to + 80 °
Tilt step angle of measurement sample 2 °
Number of pixels 512 x 512 pixels 512 x 512 pixels
Pixel size: 0.350 nm / pixel ~ 0.500 nm / pixel
Volume size: Shown in FIG.

PtNi/C触媒について、STEM(走査型透過電子顕微鏡)を用いた電子線トモグラフィー計測により得られた三次元再構成像(3D−STEM像)の画像解析により、カーボン担体内部に存在するPtNi/C触媒粒子( 以下、内部粒子)及びカーボン担体表面部に存在するPtNi/C触媒粒子( 以下、外部粒子)を分離し、それぞれの領域におけるPtNi/C触媒粒子の粒子径分布を算出した。
コアシェル触媒Aの三次元再構成像(3D−STEM像)を図12に示す。
画像解析により求めた内部粒子および外部粒子の粒径解析結果を図13、図14に示す。
3D−STEM像は上記の測定条件で試料ステージを段階的に傾斜して得られた複数の2次元のSTEM像を再構成することにより得た。
PtNi / C present inside the carbon carrier by image analysis of a three-dimensional reconstruction image (3D-STEM image) obtained by electron beam tomography measurement using STEM (scanning transmission electron microscope) for the PtNi / C catalyst. The catalyst particles (hereinafter, internal particles) and the PtNi / C catalyst particles (hereinafter, external particles) existing on the surface of the carbon carrier were separated, and the particle size distribution of the PtNi / C catalyst particles in each region was calculated.
A three-dimensional reconstruction image (3D-STEM image) of the core-shell catalyst A is shown in FIG.
The particle size analysis results of the internal particles and the external particles obtained by image analysis are shown in FIGS. 13 and 14.
The 3D-STEM image was obtained by reconstructing a plurality of two-dimensional STEM images obtained by inclining the sample stage stepwise under the above measurement conditions.

また、三次元再構成像(3D−STEM像)の画像解析(粒子径解析)は以下の手順で行った。はじめに三次元再構成像より触媒粒子の領域を選択し、それぞれの触媒粒子をラベル化した(図示せず)。次に、ラベル化したPt粒子の体積より球相当径を算出し、粒子径分布(図13、図14)を求めた。
ここで、球相当径は、単位をnmとし小数点以下の数値(1nm未満の数値)は四捨五入することで算出した。
PtNi/C触媒について、担体のメソ孔の内部に担持された触媒粒子の割合と、担体のメソ孔外部に担持された触媒粒子の割合とを求めた。また、D1,D2,N1、N2の値も求めた。結果を表1及び表2に示す。
更に、STEM像から測定したPtNi/C触媒の触媒粒子の粒子径の平均値は5.5
nmであった。
The image analysis (particle size analysis) of the three-dimensional reconstructed image (3D-STEM image) was performed by the following procedure. First, the region of the catalyst particles was selected from the three-dimensional reconstruction image, and each catalyst particle was labeled (not shown). Next, the equivalent sphere diameter was calculated from the volume of the labeled Pt particles, and the particle size distribution (FIGS. 13 and 14) was obtained.
Here, the equivalent diameter of the sphere was calculated by rounding off the values after the decimal point (values less than 1 nm) with the unit being nm.
For the PtNi / C catalyst, the proportion of the catalyst particles supported inside the mesopores of the carrier and the proportion of the catalyst particles supported outside the mesopores of the carrier were determined. The values of D1, D2, N1 and N2 were also obtained. The results are shown in Tables 1 and 2.
Furthermore, the average particle size of the catalyst particles of the PtNi / C catalyst measured from the STEM image is 5.5.
It was nm.

(2)比較例1のMEAのカソードに使用するPt/C触媒の粉末の準備
Pt/C触媒として、N.E.CHEMCAT社製のPt担持率50wt%のPt/C触媒(商品名:「SA50BK」)を用意した。なお、このPt/C触媒の担体には、市販の中空カーボン担体{ライオン株式会社製、商品名「カーボンECP」(登録商標)(ケッチェンブラックEC300J)、比表面積750〜800m/g}を使用した。
このPt/C触媒についてXRD分析を実施した。その結果、結晶子サイズの平均値は、2.6nmであった。
(2) Preparation of Pt / C Catalyst Powder Used for Cathode of MEA of Comparative Example 1 As a Pt / C catalyst, a Pt / C catalyst manufactured by NECHEMCAT with a Pt carrying ratio of 50 wt% (trade name: "" SA50BK ") was prepared. As the carrier of this Pt / C catalyst, a commercially available hollow carbon carrier {manufactured by Lion Co., Ltd., trade name "Carbon ECP" (registered trademark) (Ketjen Black EC300J), specific surface area of 750 to 800 m 2 / g} is used. used.
XRD analysis was performed on this Pt / C catalyst. As a result, the average value of the crystallite size was 2.6 nm.

(II)実施例1、比較例1のMEAのアノードに使用するP/C触媒の準備
比較例1のMEAのカソードに使用したPt/C触媒Bと同一のPt/C触媒を実施例1、比較例1のMEAのアノードに使用するP/C触媒とした。
(II) Preparation of P / C catalyst used for the anode of MEA of Example 1 and Comparative Example 1 The same Pt / C catalyst as Pt / C catalyst B used for the cathode of MEA of Comparative Example 1 was used in Example 1, It was used as a P / C catalyst used for the anode of MEA of Comparative Example 1.

<実施例1>
以下の手順で、図1に示したMEA10と同様の構成を有するMEAを作成した。
<Example 1>
An MEA having the same configuration as the MEA 10 shown in FIG. 1 was created by the following procedure.

(1)カソードの作成
カソードのGDL
GDLとして、カーボンペーパー(東レ株式会社製 商品名「TGP−H−60」)を準備した。
カソードのMPL形成用インク
テフロン(登録商標)製ボールを入れたテフロン(登録商標)製のボールミル容器に、カーボン粉末(電気化学工業株式会社製 商品名「デンカブラック」)1.5gと、イオン交換水1.1gと、界面活性剤(ダウ・ケミカル社製 商品名「トライトン」(35wt%水溶液))6.0gとを入れて混合した。
次に、ボールミル容器に、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)ディスパージョン(三井・デュポン フロロケミカル社製 商品名「31−JR」)1.75gを入れて混合した。これにより、カソードのMPL形成用インクを作成した。
カソードのMPL
GDLの片面にカソードのMPL形成用インクをバーコーダーを使用して塗布し塗工膜を形成した。その後、塗工膜を乾燥器中で十分に乾燥させ、更に加熱圧着処理を行い、GDL上にMPLが形成された積層体を作成した。
カソードの触媒層形成用インク
テフロン(登録商標)製ボールを入れたテフロン(登録商標)製のボールミル容器に、上述のPtNi/C触媒と、イオン交換水と、10wt%ナフィオン水分散液(デュポン社製 商品名「DE1021CS」)と、グリセリンと、を入れて混合し、カソードの触媒層形成用インクを作成した。なお、このインクについて、N/C=0.7とした。また、コアシェル触媒A中のカーボン:イオン交換水:グリセリン=1:10:0.8(質量比)とした。
カソードの触媒層(CL)
上述のGDL上にMPLにMPLが形成された積層体のMPLの表面に上述のカソードの触媒層形成用インクをバーコート法にて塗布し、塗布膜を形成した。この塗布膜を室温にて30分乾燥させた後、60℃にて1.0時間乾燥することにより、触媒層とした。このようにして、ガス拡散電極であるカソードを作成した。なお、カソードの触媒層のPt担持量は表1に示す数値となるようにした。
(1) Preparation of cathode GDL of cathode
Carbon paper (trade name "TGP-H-60" manufactured by Toray Industries, Inc.) was prepared as GDL.
Ink for forming MPL of cathode In a ball mill container made of Teflon (registered trademark) containing balls made of Teflon (registered trademark), 1.5 g of carbon powder (trade name "Denka Black" manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) and ion exchange 1.1 g of water and 6.0 g of a surfactant (trade name "Triton" (35 wt% aqueous solution) manufactured by Dow Chemical Co., Ltd.) were added and mixed.
Next, 1.75 g of polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion (trade name "31-JR" manufactured by Mitsui-DuPont Fluorochemical Co., Ltd.) was placed in a ball mill container and mixed. As a result, an ink for forming MPL of the cathode was prepared.
Cathode MPL
A cathode MPL forming ink was applied to one side of the GDL using a bar coder to form a coating film. Then, the coating film was sufficiently dried in a dryer and further heat-bonded to prepare a laminate in which MPL was formed on GDL.
Ink for forming catalyst layer of cathode In a Teflon (registered trademark) ball mill container containing Teflon (registered trademark) balls, the above-mentioned PtNi / C catalyst, ion-exchanged water, and 10 wt% Nafion aqueous dispersion (Dupont) The product name “DE1021CS”) and glycerin were added and mixed to prepare an ink for forming a catalyst layer for the cathode. For this ink, N / C = 0.7. Further, the carbon: ion-exchanged water: glycerin = 1:10: 0.8 (mass ratio) in the core-shell catalyst A was set.
Cathode catalyst layer (CL)
The above-mentioned ink for forming a catalyst layer of a cathode was applied to the surface of the MPL of a laminate in which MPL was formed on the above-mentioned GDL by the bar coating method to form a coating film. The coating film was dried at room temperature for 30 minutes and then dried at 60 ° C. for 1.0 hour to form a catalyst layer. In this way, the cathode, which is a gas diffusion electrode, was created. The amount of Pt supported by the catalyst layer of the cathode was set to the numerical value shown in Table 1.

(2)アノードの作成
アノードのGDL
GDLとして、カソードと同一のカーボンペーパーを用意した。
アノードのMPL形成用インク
テフロン(登録商標)製ボールを入れたテフロン(登録商標)製のボールミル容器に、カーボン粉末(電気化学工業株式会社製 商品名「デンカブラック」)1.5gと、イオン交換水1.0gと、界面活性剤(ダウ・ケミカル社製 商品名「トライトン」(35wt%水溶液))6.0gとを入れて混合した。
次に、ボールミル容器に、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)ディスパージョン(三井・デュポン フロロケミカル社製 商品名「31−JR」)2.5gを入れて混合した。これにより、アノード用のMPL形成用インクを作成した。
アノードのMPL
GDLの片面にアノードのMPL形成用インクをバーコーダーを使用して塗布し塗工膜を形成した。その後、塗工膜を乾燥器中で十分に乾燥させ、更に加熱圧着処理を行い、GDL上にMPLが形成された積層体を作成した。
アノードの触媒層形成用インク
テフロン(登録商標)製ボールを入れたテフロン(登録商標)製のボールミル容器に、SA50BK(Pt担持率50wt%)と、イオン交換水と、5wt%ナフィオンアルコール分散液(SIGMA−ALDRICH社製 商品名「Nafion 5wt.% dispersion」、製品番号「274704」)と、グリセリンと、を入れて混合しアノードの触媒層形成用インクを作成した。なお、このインクについて、N/C=1.2とした。また、SA50BK中のカーボン:イオン交換水:グリセリン=1:6:4(質量比)とした。
アノードの触媒層(CL)
上述のGDL上にMPLにMPLが形成された積層体のMPLの表面に上述のアノードの触媒層形成用インクをバーコート法にて塗布し、塗布膜を形成した。この塗布膜を室温にて30分乾燥させた後、60℃にて1.0時間乾燥することにより、触媒層とした。このようにして、ガス拡散電極であるアノードを作成した。なお、アノードの触媒層のPt担持量は0.3mg/cmとした。
(2) Creation of anode GDL of anode
As GDL, the same carbon paper as the cathode was prepared.
Ink for forming MPL of anode In a ball mill container made of Teflon (registered trademark) containing balls made of Teflon (registered trademark), 1.5 g of carbon powder (trade name "Denka Black" manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) and ion exchange 1.0 g of water and 6.0 g of a surfactant (trade name "Triton" (35 wt% aqueous solution) manufactured by Dow Chemical Co., Ltd.) were added and mixed.
Next, 2.5 g of polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion (trade name "31-JR" manufactured by Mitsui-DuPont Fluorochemicals Co., Ltd.) was placed in a ball mill container and mixed. As a result, an MPL forming ink for the anode was prepared.
Anode MPL
An anode MPL forming ink was applied to one side of the GDL using a bar coder to form a coating film. Then, the coating film was sufficiently dried in a dryer and further heat-bonded to prepare a laminate in which MPL was formed on GDL.
Ink for forming catalyst layer of anode In a Teflon (registered trademark) ball mill container containing Teflon (registered trademark) balls, SA50BK (Pt carrying ratio 50 wt%), ion-exchanged water, and 5 wt% Nafion alcohol dispersion (5 wt% Nafion alcohol dispersion) SIGMA-ALDRICH product name "Nafion 5 wt.% Dispersion", product number "274704") and glycerin were mixed and mixed to prepare an ink for forming a catalyst layer of an anode. For this ink, N / C = 1.2. Further, the carbon: ion-exchanged water: glycerin = 1: 6: 4 (mass ratio) in SA50BK was set.
Anode catalyst layer (CL)
The above-mentioned ink for forming a catalyst layer of the anode was applied to the surface of the MPL of the laminate in which the MPL was formed on the above-mentioned GDL by the bar coating method to form a coating film. The coating film was dried at room temperature for 30 minutes and then dried at 60 ° C. for 1.0 hour to form a catalyst layer. In this way, the anode, which is a gas diffusion electrode, was prepared. The amount of Pt supported by the catalyst layer of the anode was 0.3 mg / cm 2 .

(3)MEAの作成
高分子電解質膜(デュポン社製 商品名「ナフィオンNR212」)を準備した。カソードとアノードとの間にこの高分子電解質膜を配置した積層体を作成し、ホットプレス機により加熱圧着させ、MEAを作成した。なお、加熱圧着の条件は、140℃、5KNにて5分間、更に140℃、25KNにて3分間プレスした。
(3) Preparation of MEA A polymer electrolyte membrane (trade name “Nafion NR212” manufactured by DuPont) was prepared. A laminate in which this polymer electrolyte membrane was arranged between the cathode and the anode was prepared, and heat-pressed with a hot press to prepare MEA. The conditions for heat crimping were as follows: pressing at 140 ° C. and 5 KN for 5 minutes, and further pressing at 140 ° C. and 25 KN for 3 minutes.

<比較例1>
カソードの触媒層について、以下の条件を変更したこと以外は、実施例1と同様の条件・手順にて各々のMEAを作成した。
即ち、カソードの触媒層形成用インクの作成において、
・PtNi/C触媒の代わりに、先に述べたP/C触媒(商品名:「SA−50BK」)
を使用した。
・10wt%ナフィオン水分散液の代わりに5wt%ナフィオンアルコール分散液(デュポン社製 商品名「DE520CS」;1-プロパノール48wt%含有)を使用した。
・Pt担持量と、N/Cとが表1に示す数値となるようにカソードの触媒層形成インクの組成と、当該インクの塗工条件を調節した。
・P/C触媒(商品名:「SA50BH」)中のカーボン:イオン交換水:グリセリン=1:10:1(質量比)とした。
<Comparative example 1>
For the catalyst layer of the cathode, each MEA was prepared under the same conditions and procedures as in Example 1 except that the following conditions were changed.
That is, in the preparation of the ink for forming the catalyst layer of the cathode,
-Instead of the PtNi / C catalyst, the P / C catalyst described above (trade name: "SA-50BK")
It was used.
-A 5 wt% Nafion alcohol dispersion (trade name "DE520CS" manufactured by DuPont; containing 48 wt% 1-propanol) was used instead of the 10 wt% Nafion aqueous dispersion.
-The composition of the cathode catalyst layer forming ink and the coating conditions of the ink were adjusted so that the amount of Pt supported and the N / C were the values shown in Table 1.
-Carbon: ion-exchanged water: glycerin = 1:10: 1 (mass ratio) in the P / C catalyst (trade name: "SA50BH").

<電池性能評価>
実施例1及び比較例1のMEAの電池性能を以下の電池性能評価方法で実施した。
実施例1及び比較例1のMEAを燃料電池単セル評価装置に設置した。
次に、以下の条件でMEA内での発電反応を進行させた。
単セル(MEA)温度を80℃とした。アノードには飽和水蒸気にて加湿した1.0気圧の純水素を利用率が70%となるように流量を調節して供給した。また、カソードには80℃の飽和水蒸気にて加湿した1.0気圧の純酸素を利用率が50%となるように流量を調節して供給した。
単セル(MEA)の評価は、燃料電池単セル評価装置付属の電子負荷装置により電流を制御して行い、電流値を0〜1.0A/cmまで走査して得られる電流−電圧曲線をデータとして取得した。
上記電流−電圧曲線のデータからX軸(電流密度)を対数目盛としてプロットしたグラフを作成し(図示せず)、電圧850mVでの電流密度値(電極の単位面積当たりの電流値)を得た。
<Battery performance evaluation>
The battery performance of MEA of Example 1 and Comparative Example 1 was carried out by the following battery performance evaluation method.
The MEAs of Example 1 and Comparative Example 1 were installed in a fuel cell single cell evaluation device.
Next, the power generation reaction in the MEA was allowed to proceed under the following conditions.
The single cell (MEA) temperature was set to 80 ° C. Pure hydrogen at 1.0 atm humidified with saturated steam was supplied to the anode by adjusting the flow rate so that the utilization rate was 70%. Further, pure oxygen at 1.0 atm humidified with saturated steam at 80 ° C. was supplied to the cathode by adjusting the flow rate so that the utilization rate was 50%.
The single cell (MEA) is evaluated by controlling the current with the electronic load device attached to the fuel cell single cell evaluation device, and scanning the current value from 0 to 1.0 A / cm 2 to obtain a current-voltage curve. Obtained as data.
From the above current-voltage curve data, a graph plotted with the X-axis (current density) as a logarithmic scale was created (not shown), and the current density value (current value per unit area of the electrode) at a voltage of 850 mV was obtained. ..

このようにして得られた電流密度値をカソードの単位面積当たりの白金重量で除することにより、カソードに含有される白金についての単位重量当たり活性(Mass.Act.)として算出し、カソードに含有される触媒の酸素還元能の指標とした。その結果を表1に示す。
なお、表1には、比較例1で得られたMass.Act.を基準(1.0)とした相対値(相対比)として他の実施例及び比較例で得られたMass.Act.を比較した結果を示す。

Figure 2021150249

Figure 2021150249
By dividing the current density value thus obtained by the weight of platinum per unit area of the cathode, it is calculated as the activity per unit weight (Mass.Act.) Of platinum contained in the cathode and contained in the cathode. It was used as an index of the oxygen reducing ability of the catalyst to be produced. The results are shown in Table 1.
In Table 1, the Mass. Act. Mass. Obtained in other Examples and Comparative Examples as a relative value (relative ratio) with reference to (1.0). Act. The result of comparison is shown.
Figure 2021150249

Figure 2021150249

表1に示した結果から、実施例1のMEAは、比較例1のMEAと比較し、高いPt質量活性を有していることが明らかとなった。 From the results shown in Table 1, it was clarified that the MEA of Example 1 had a higher Pt mass activity as compared with the MEA of Comparative Example 1.

本発明の電極用触媒は優れた触媒活性を発揮する。また、本発明の触媒層を含むGDE、CCM、MEA、及び、燃料電池スタックは、PEFCの低コスト化に寄与できる優れた電池特性を発揮する。
従って、本発明は、燃料電池、燃料電池自動車、携帯モバイル等の電機機器産業のみならず、エネファーム、コジェネレーションシステム等に適用することができ、エネルギー産業、環境技術関連の発達に寄与する。
The electrode catalyst of the present invention exhibits excellent catalytic activity. Further, the GDE, CCM, MEA, and the fuel cell stack including the catalyst layer of the present invention exhibit excellent battery characteristics that can contribute to cost reduction of PEFC.
Therefore, the present invention can be applied not only to the electrical equipment industry such as fuel cells, fuel cell vehicles, and mobile mobiles, but also to the energy industry, cogeneration systems, and the like, and contributes to the development of the energy industry and environmental technology.

1・・・カソード、
1A、1B、1C・・・ガス拡散電極(GDE)
1c・・・触媒層(CL)、
1m・・・撥水層(MPL)、
1gd・・・ガス拡散層(GDL)、
2・・・アノード、
2c・・・触媒層(CL)、
2m・・・撥水層(MPL)、
2gd・・・ガス拡散層(GDL)、
3・・・高分子電解質膜(PEM)、
4、5・・・セパレータ
10、11・・・膜・電極接合体(MEA)、
12、13・・・膜・触媒層接合体(CCM)
20・・・PtNi/C触媒、
22・・・担体、
23・・・触媒粒子、
30・・・燃料電池スタック、
P22・・・担体のメソ孔
1 ... Cathode,
1A, 1B, 1C ... Gas diffusion electrode (GDE)
1c ... catalyst layer (CL),
1m ・ ・ ・ Water repellent layer (MPL),
1gd ... Gas diffusion layer (GDL),
2 ... Anode,
2c ... catalyst layer (CL),
2m ・ ・ ・ Water repellent layer (MPL),
2gd ... Gas diffusion layer (GDL),
3 ... Polyelectrolyte membrane (PEM),
4, 5 ... Separator 10, 11 ... Membrane electrode assembly (MEA),
12, 13 ... Membrane-catalyst layer junction (CCM)
20 ... PtNi / C catalyst,
22 ... Carrier,
23 ... catalyst particles,
30 ... Fuel cell stack,
P22: Mesopores of carrier

Claims (14)

細孔径が2〜50nmのメソ孔を有する中空カーボン担体と、前記担体上に担持される複数の触媒粒子と、を含んでおり、
前記触媒粒子がPtNi合金を含んでおり、
前記触媒粒子は、前記担体の前記メソ孔の内部と前記メソ孔の外部の両方に担持されており、
STEM(走査型透過電子顕微鏡)を用いた電子線トモグラフィー計測により得られる三次元再構成画像を利用した前記触媒粒子の粒子径分布の解析を実施した場合に、前記メソ孔の内部に担持された前記触媒粒子の割合が50%以上である、
電極用触媒。
It contains a hollow carbon carrier having mesopores having a pore diameter of 2 to 50 nm, and a plurality of catalyst particles supported on the carrier.
The catalyst particles contain a PtNi alloy and
The catalyst particles are supported both inside the mesopores and outside the mesopores of the carrier.
When the particle size distribution of the catalyst particles was analyzed using a three-dimensional reconstructed image obtained by electron beam tomography measurement using a STEM (scanning transmission electron microscope), the particles were supported inside the mesopores. The proportion of the catalyst particles is 50% or more.
Electrode catalyst.
STEM(走査型透過電子顕微鏡)を用いた電子線トモグラフィー計測により得られる三次元再構成画像を利用した前記触媒粒子の粒子径分布の解析を実施した場合に、前記メソ孔の内部に担持された前記触媒粒子の割合が60%以上である、
請求項1に記載の電極触媒。
When the particle size distribution of the catalyst particles was analyzed using a three-dimensional reconstructed image obtained by electron beam tomography measurement using a STEM (scanning transmission electron microscope), the particles were supported inside the mesopores. The proportion of the catalyst particles is 60% or more.
The electrode catalyst according to claim 1.
STEM(走査型透過電子顕微鏡)を用いた電子線トモグラフィー計測により得られる三次元再構成画像を利用した前記触媒粒子の粒子径分布の解析を実施した場合に、下記式(1)及び(2)の条件を同時に満たしている、請求項1又は2に記載の電極用触媒。
D1<D2・・・(1)
(N1/N2)>1.0・・・(2)
[前記式(1)及び前記式(2)中、
D1は前記担体の前記メソ孔の内部に担持された前記触媒粒子のうち最大頻度を示す粒子の球相当径を示し、
D2は前記担体の前記メソ孔の外部に担持された前記触媒粒子のうち最大頻度を示す粒子球相当径を示し、
N1は前記担体の前記メソ孔の内部に担持された前記触媒粒子のうち最大頻度を示す粒子の頻度を示し、
N2は前記担体の前記メソ孔の外部に担持された前記触媒粒子のうち最大頻度を示す粒子の頻度を示す。]
When the particle size distribution of the catalyst particles is analyzed using the three-dimensional reconstructed image obtained by electron beam tomography measurement using STEM (scanning transmission electron microscope), the following equations (1) and (2) The electrode catalyst according to claim 1 or 2, which simultaneously satisfies the conditions of.
D1 <D2 ... (1)
(N1 / N2)> 1.0 ... (2)
[In the formula (1) and the formula (2),
D1 indicates the sphere-equivalent diameter of the particles showing the maximum frequency among the catalyst particles supported inside the mesopores of the carrier.
D2 indicates a particle sphere equivalent diameter indicating the maximum frequency among the catalyst particles supported on the outside of the mesopores of the carrier.
N1 indicates the frequency of the catalyst particles supported inside the mesopores of the carrier, which indicates the maximum frequency of the catalyst particles.
N2 indicates the frequency of the particles showing the maximum frequency among the catalyst particles supported on the outside of the mesopores of the carrier. ]
前記触媒粒子の表面の少なくとも一部がPt酸化物被膜により被覆されている、
請求項1〜3のうちの何れか1項に記載の電極用触媒。
At least a part of the surface of the catalyst particles is coated with a Pt oxide film.
The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 3.
前記触媒粒子の表面の少なくとも一部がNi酸化物被膜により被覆されている、
請求項1〜4のうちの何れか1項に記載の電極用触媒。
At least a part of the surface of the catalyst particles is coated with a Ni oxide film.
The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 4.
更にPt(0価)からなる第2の触媒粒子が含まれている、
請求項1〜5のうちの何れか1項に記載の電極用触媒。
Further, a second catalyst particle composed of Pt (zero valence) is contained.
The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 5.
更にNi(0価)からなる第3の触媒粒子が含まれている、
請求項1〜5のうちの何れか1項に記載の電極用触媒。
Further, a third catalyst particle made of Ni (zero valence) is contained.
The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 5.
前記中空カーボン担体がケッチェンブラックEC300Jである、
請求項1〜7のうちの何れか1項に記載の電極用触媒。
The hollow carbon carrier is Ketjen Black EC300J.
The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 7.
前記中空カーボン担体のBET比表面積(窒素吸着比表面積)が750〜850m/gである、
請求項8に記載の電極用触媒。
The BET specific surface area (nitrogen adsorption specific surface area) of the hollow carbon carrier is 750 to 850 m 2 / g.
The catalyst for electrodes according to claim 8.
請求項1〜6のうちの何れか1項に記載の電極用触媒が10wt%以上含有されている、
電極用触媒の粉体
The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 6 is contained in an amount of 10 wt% or more.
Electrode catalyst powder
請求項1〜9のうちの何れか1項に記載の電極用触媒が含有されている、
ガス拡散電極形成用組成物。
The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 9 is contained.
Composition for forming a gas diffusion electrode.
請求項1〜9のうちの何れか1項に記載の電極用触媒が含有されているガス拡散電極。 A gas diffusion electrode containing the electrode catalyst according to any one of claims 1 to 9. 請求項11記載のガス拡散電極が含まれている、膜・電極接合体(MEA)。 A membrane-electrode assembly (MEA) comprising the gas diffusion electrode according to claim 11. 請求項12記載の膜・電極接合体(MEA)が含まれている、燃料電池スタック。
A fuel cell stack comprising the membrane-electrode assembly (MEA) of claim 12.
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JP7320159B1 (en) 2022-03-01 2023-08-02 三井金属鉱業株式会社 Electrode catalyst, its manufacturing method, and fuel cell
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