JP5046383B2 - Fuel cell and fuel cell manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池用複合触媒、燃料電池用複合触媒の製造方法、燃料電池用電極触媒層の製造方法及び燃料電池に関する。   The present invention relates to a composite catalyst for a fuel cell, a method for producing a composite catalyst for a fuel cell, a method for producing an electrode catalyst layer for a fuel cell, and a fuel cell.

燃料電池は、電気的に接続された2つの電極に燃料と酸化剤を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。   A fuel cell directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. Unlike thermal power generation, fuel cells are not subject to the Carnot cycle, and thus exhibit high energy conversion efficiency. A fuel cell is usually formed by laminating a plurality of single cells having a basic structure of a membrane / electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes. Among them, a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte membrane has advantages such as easy miniaturization and operation at a low temperature. It is attracting attention as a power source for the body.

水素を燃料、酸素を酸化剤とする固体高分子電解質型燃料電池において、通常発電時、燃料極(アノード)では(1)式の反応が進行する。
2H2 → 4H+ + 4e- ・・・(1)
(1)式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、酸化剤極(カソード)に到達する。そして、(1)式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、プロトン伝導性高分子膜(固体高分子電解質膜)内を燃料極から酸化剤極側に移動する。
In a solid polymer electrolyte fuel cell using hydrogen as a fuel and oxygen as an oxidant, the reaction of formula (1) proceeds at the fuel electrode (anode) during normal power generation.
2H 2 → 4H + + 4e - ··· (1)
The electrons generated by the equation (1) reach the oxidant electrode (cathode) after working with an external load via an external circuit. Then, the proton generated in the formula (1) moves from the fuel electrode to the oxidant electrode side in the proton conductive polymer membrane (solid polymer electrolyte membrane) in a state of being hydrated with water.

一方、酸化剤極では(2)式の反応が進行する。
4H+ + O2 + 4e- → 2H2O ・・・(2)
すなわち、電池全体としては、
2H2 + O2 → 2H2O・・・・(3)
の反応が進行している。
On the other hand, the reaction of the formula (2) proceeds at the oxidant electrode.
4H + + O 2 + 4e → 2H 2 O (2)
That is, as a whole battery,
2H 2 + O 2 → 2H 2 O (3)
The reaction is progressing.

上記式(1)又は(2)の反応を促進させるため、各電極(燃料極、酸化剤極)には、それぞれ電極触媒が備えられる。電極触媒としては、白金や白金合金のような触媒金属粒子等の触媒活性物質を炭素粒子等の導電性材料に担持させたものが一般的である。電極触媒に用いられている白金等の触媒金属は非常に高価な材料であるため、燃料電池の実用化にあたり、利用率を向上させ、少ない白金使用量でも優れた発電性能を示す燃料電池の開発が望まれている。   In order to promote the reaction of the above formula (1) or (2), each electrode (fuel electrode, oxidant electrode) is provided with an electrode catalyst. As the electrode catalyst, a catalyst in which a catalytic active substance such as catalytic metal particles such as platinum or a platinum alloy is supported on a conductive material such as carbon particles is generally used. Since catalytic metals such as platinum used for electrode catalysts are very expensive materials, the development of fuel cells that improve power utilization and show excellent power generation performance even with a small amount of platinum used in the practical use of fuel cells Is desired.

触媒金属の利用率を向上させる方法としては、例えば、触媒金属粒子の微粒子化が挙げられる。触媒金属粒子の粒径を小さくすることによって、触媒金属の使用量は同じでも触媒金属の露出表面積が大きくなり、触媒金属の利用率を高めることができる。しかしながら、微細な触媒金属粒子は分散させることが難しく、非常に凝集しやすいため、微粒子化しても露出表面積を効果的に大きくすることが困難である。カーボン粒子に担持された白金粒子の粒径は、一般的に2〜3nm程度であることが知られている。   As a method for improving the utilization rate of the catalyst metal, for example, the catalyst metal particles can be made fine. By reducing the particle size of the catalyst metal particles, the exposed surface area of the catalyst metal is increased even if the amount of the catalyst metal used is the same, and the utilization rate of the catalyst metal can be increased. However, fine catalyst metal particles are difficult to disperse and very easily aggregated, so that it is difficult to effectively increase the exposed surface area even if the particles are made fine. It is known that the particle size of platinum particles supported on carbon particles is generally about 2 to 3 nm.

上記(1)、(2)の反応は、反応ガス(燃料又は酸化剤)の他、プロトン(H+)及び電子(e-)の授受を行うことができる三相界面において進行する。すなわち、三相界面付近に触媒活性物質を配置させることが、触媒利用率を向上させる上で重要となってくる。
例えば、特許文献1には、固体高分子電解質とカーボン粒子および触媒物質とを含んでなる固体高分子電解質−触媒複合電極であって、触媒物質がカーボン粒子と固体高分子電解質との接触面に主として担持されていることを特徴とする燃料電池用電極が記載されており、該燃料電池用電極の製造方法としては、還元されて触媒物質を生成する触媒原料化合物と固体高分子電解質およびカーボン粒子との混合物を用意し、該混合物中の触媒原料化合物を還元することを特徴とする燃料電池用電極の製造方法が記載されている。特許文献1において、具体的には、上記混合物を塗布し、加熱乾燥した後、還元処理を行うことで、触媒物質を製造している。
The reactions (1) and (2) proceed at a three-phase interface where protons (H + ) and electrons (e ) can be exchanged in addition to the reaction gas (fuel or oxidant). That is, disposing a catalytically active substance in the vicinity of the three-phase interface is important for improving the catalyst utilization rate.
For example, Patent Document 1 discloses a solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode including a solid polymer electrolyte, carbon particles, and a catalyst material, where the catalyst material is on the contact surface between the carbon particles and the solid polymer electrolyte. A fuel cell electrode characterized by being mainly supported is described, and a method for producing the fuel cell electrode includes a catalyst raw material compound, a solid polymer electrolyte, and carbon particles that are reduced to produce a catalyst material Is prepared, and a catalyst raw material compound in the mixture is reduced, and a method for producing a fuel cell electrode is described. In Patent Document 1, specifically, the catalyst material is manufactured by applying the mixture, heating and drying, and then performing a reduction treatment.

また、特許文献2には、触媒物質の凝集を防止可能な電極の製造方法として、還元されて触媒物質を生成する触媒原料化合物と固体高分子電解質との混合物を用意し、該混合物中の触媒原料化合物を化学的に還元する方法が記載されている。特許文献2も、特許文献1同様、実施例においては、触媒原料化合物と固体高分子電解質を含む溶液を塗布し、加熱乾燥したのち、触媒原料化合物の還元処理を行っている。   Patent Document 2 discloses a method for producing an electrode capable of preventing agglomeration of a catalyst material. A mixture of a catalyst raw material compound that is reduced to produce a catalyst material and a solid polymer electrolyte is prepared, and a catalyst in the mixture is prepared. A method for chemically reducing a raw material compound is described. Similarly to Patent Document 1, Patent Document 2 also applies a solution containing a catalyst raw material compound and a solid polymer electrolyte, heats and dries, and then reduces the catalyst raw material compound in the Examples.

特開2000−12040号公報JP 2000-12040 A 再公表WO99/66575号公報Republished WO99 / 66575 特開5−258755号公報JP-A-5-258755

特許文献1や特許文献2のように、触媒原料化合物とプロトン伝導性高分子(固体高分子電解質)を含有する混合物を乾燥させ固化した後、還元処理を行う場合、触媒原料化合物の還元反応が進み難い。ゆえに、充分量の触媒を生成させるためには、触媒原料化合物を過剰に添加する必要がある。また、プロトン伝導性高分子が乾燥した状態では、触媒原料化合物の還元により生成した触媒粒子が凝集し、充分な触媒作用を発現しないおそれがある。すなわち、特許文献1や特許文献2に記載の方法では、触媒利用率を充分に高めることは難しい。   When the reduction treatment is performed after drying and solidifying the mixture containing the catalyst raw material compound and the proton conductive polymer (solid polymer electrolyte) as in Patent Document 1 and Patent Document 2, the reduction reaction of the catalyst raw material compound is performed. It ’s hard to go. Therefore, in order to produce a sufficient amount of catalyst, it is necessary to add an excessive amount of the catalyst raw material compound. Further, when the proton conductive polymer is dried, the catalyst particles generated by the reduction of the catalyst raw material compound may aggregate and may not exhibit sufficient catalytic action. That is, in the methods described in Patent Document 1 and Patent Document 2, it is difficult to sufficiently increase the catalyst utilization rate.

また、特許文献3には、プロトン伝導性高分子の有機溶液中で触媒金属塩を還元して該プロトン伝導性高分子中に触媒金属を析出させてカソード及び/又はアノードを形成する燃料電池の製造方法が記載されている。この方法によれば、各触媒粒子の周囲にプロトン伝導性高分子が付着した状態の複合触媒が得られる。
しかしながら、特許文献3では、触媒金属粒子が単一層構造を有しているため、粒子内部の触媒金属は触媒として機能せず、触媒金属の比表面積(単位重量当りの露出表面積)が小さい。ゆえに、得られる触媒金属の利用率向上効果は充分といえない。
Patent Document 3 discloses a fuel cell in which a catalyst metal salt is reduced in an organic solution of a proton conductive polymer to deposit a catalyst metal in the proton conductive polymer to form a cathode and / or an anode. A manufacturing method is described. According to this method, a composite catalyst in which a proton conductive polymer is attached around each catalyst particle can be obtained.
However, in Patent Document 3, since the catalyst metal particles have a single layer structure, the catalyst metal inside the particles does not function as a catalyst, and the specific surface area (exposed surface area per unit weight) of the catalyst metal is small. Therefore, it cannot be said that the utilization rate improvement effect of the obtained catalyst metal is sufficient.

一方、上述したように、白金等の触媒金属は、通常、炭素粒子のような炭素質担体等の導電性粒子に担持させて用いられているが、このような触媒担持炭素粒子は、触媒層の電子伝導性を高めるという機能を有する一方、腐食されやすく、触媒層の構造を変化させ、発電性能低下の原因となるといわれている。さらには、炭素粒子は過酸化水素生成反応に対する触媒活性を有しており、電極で生成した過酸化水素により、プロトン伝導性高分子膜等が劣化するという問題がある。   On the other hand, as described above, a catalyst metal such as platinum is usually used by being supported on conductive particles such as a carbonaceous carrier such as carbon particles. While it has a function of increasing the electron conductivity of the catalyst, it is said that it is easily corroded, changes the structure of the catalyst layer, and causes a decrease in power generation performance. Furthermore, the carbon particles have a catalytic activity for the hydrogen peroxide generation reaction, and there is a problem that the proton conductive polymer membrane and the like deteriorate due to the hydrogen peroxide generated at the electrode.

そこで、触媒金属粒子を炭素粒子等の担体に担持させることなく、そのまま用いることも提案されている。しかしながら、このような担体レスの触媒金属粒子は、その粒径にもよるが、非常に凝集しやすいため、触媒金属粒子が高分散した触媒層を形成することは非常に難しい。   Accordingly, it has been proposed to use the catalyst metal particles as they are without being supported on a carrier such as carbon particles. However, such carrier-less catalyst metal particles are very easily aggregated depending on the particle size, and it is very difficult to form a catalyst layer in which the catalyst metal particles are highly dispersed.

また、触媒層は、通常、触媒金属粒子を、プロトン伝導性高分子を溶解したプロトン伝導性高分子溶液と混合して得られる触媒インクを用いて形成されるが、粉末状の触媒金属粒子とプロトン伝導性高分子溶液との混合性は低い。従って、プロトン伝導性高分子溶液中に触媒金属粒子を充分に分散させるためには、時間と手間を要し、製造工程の煩雑化を招いている。   The catalyst layer is usually formed using a catalyst ink obtained by mixing catalyst metal particles with a proton conductive polymer solution in which a proton conductive polymer is dissolved. Mixability with proton conducting polymer solution is low. Therefore, in order to fully disperse the catalyst metal particles in the proton conductive polymer solution, it takes time and labor, and the manufacturing process is complicated.

本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、触媒金属の利用率が高い燃料電池用複合触媒及びその製造方法、さらには、該複合触媒を含有する触媒層の製造方法及び該触媒層を備えた燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and a fuel cell composite catalyst having a high utilization rate of a catalyst metal and a method for producing the same, as well as a method for producing a catalyst layer containing the composite catalyst and the catalyst layer. It aims at providing the fuel cell provided with.

本発明の燃料電池は、触媒金属からなる触媒金属シェルと、該触媒金属と異なる金属種からなる金属コアとを有するコア・シェル型触媒金属微粒子(A)の表面に、イオン交換性高分子(B)が付着している燃料電池用複合触媒を含有する触媒層を備え、前記燃料電池用複合触媒が炭素質担体に担持されていないことを特徴とする。The fuel cell of the present invention comprises an ion-exchange polymer (A) on the surface of core / shell type catalyst metal fine particles (A) having a catalyst metal shell made of a catalyst metal and a metal core made of a metal species different from the catalyst metal. A catalyst layer containing the fuel cell composite catalyst to which B) is attached is provided, and the fuel cell composite catalyst is not supported on a carbonaceous support.
上記のような燃料電池用複合触媒を含有する触媒層は、三相界面が効率よく形成されるため、電極性能が高く、また、該複合触媒の触媒金属利用率が高いことから、触媒金属の使用量を低減することが可能である。ゆえに、該触媒層を備える本発明の燃料電池は、優れた発電性能を発現すると共に、コスト削減が可能である。Since the catalyst layer containing the composite catalyst for fuel cells as described above has a three-phase interface efficiently formed, the electrode performance is high and the catalyst metal utilization rate of the composite catalyst is high. The amount used can be reduced. Therefore, the fuel cell of the present invention having the catalyst layer exhibits excellent power generation performance and can reduce the cost.
さらには、前記燃料電池用複合触媒は、触媒金属粒子の凝集が抑制されていることから、炭素質担体に担持させなくても、該触媒金属粒子を高分散状態で触媒層中に存在させることが可能である。本発明の燃料電池では、前記燃料電池用複合触媒が炭素質担体に担持されていないため、炭素質担体の腐食による発電性能の低下や、炭素質担体の触媒作用による過酸化水素の生成を抑制することができる。  Further, since the composite catalyst for fuel cells suppresses aggregation of the catalyst metal particles, the catalyst metal particles should be present in the catalyst layer in a highly dispersed state without being supported on a carbonaceous support. Is possible. In the fuel cell of the present invention, since the composite catalyst for a fuel cell is not supported on a carbonaceous support, it suppresses a decrease in power generation performance due to the corrosion of the carbonaceous support and the generation of hydrogen peroxide due to the catalytic action of the carbonaceous support. can do.

本発明の燃料電池は触媒金属からなる触媒金属シェルと、該触媒金属と異なる金属種からなる金属コアとを有するコア・シェル型触媒金属微粒子(A)の表面に、イオン交換性高分子(B)が付着している燃料電池用複合触媒を含有する触媒層を備え、前記燃料電池用複合触媒が炭素質担体に担持されていない燃料電池の製造方法であって、
水溶性及び/又は有機溶媒可溶性を有し、還元により触媒金属シェルを形成する触媒金属前駆物質(a1)と、前記触媒金属と異なる金属種を含み、且つ、水溶性及び/又は有機溶媒可溶性を有し、還元により金属コアを形成する金属前駆物質(a2)と、イオン交換性高分子(b)と、前記触媒金属前駆物質(a1)、前記金属前駆物質(a2)及び前記イオン交換性高分子(b)を溶解可能な溶媒(c)と、を混合した第一の混合溶液を調製し、前記第一の混合溶液中の前記触媒金属前駆物質(a1)及び前記金属前駆物質(a2)を還元することによって、触媒金属シェルと金属コアとを有するコア・シェル型触媒金属微粒子を析出させ、該コア・シェル型触媒金属微粒子の表面にイオン交換性高分子が付着している燃料電池用複合触媒を調製する工程と、
前記燃料電池用複合触媒が炭素質担体に担持されていない触媒層を形成する工程と、
を備えることを特徴とする製造方法によって製造することができる。
The fuel cell of the present invention comprises an ion-exchange polymer (A) on the surface of core / shell type catalyst metal fine particles (A) having a catalyst metal shell made of a catalyst metal and a metal core made of a metal species different from the catalyst metal. B) comprising a catalyst layer containing a fuel cell composite catalyst to which the fuel cell composite catalyst is attached, wherein the fuel cell composite catalyst is not supported on a carbonaceous carrier,
A catalyst metal precursor (a1) having water solubility and / or organic solvent solubility and forming a catalyst metal shell by reduction; and a metal species different from the catalyst metal, and having water solubility and / or organic solvent solubility. And a metal precursor (a2) that forms a metal core by reduction, an ion-exchange polymer (b), the catalyst metal precursor (a1), the metal precursor (a2), and the high ion-exchange property. A first mixed solution in which a solvent (c) capable of dissolving the molecule (b) is mixed is prepared, and the catalytic metal precursor (a1) and the metal precursor (a2) in the first mixed solution are prepared. For a fuel cell in which core-shell type catalyst metal fine particles having a catalyst metal shell and a metal core are deposited , and an ion-exchange polymer is adhered to the surface of the core-shell type catalyst metal fine particles Compound touch The method comprising the steps of: preparing a,
Forming a catalyst layer in which the composite catalyst for a fuel cell is not supported on a carbonaceous support;
It can manufacture by the manufacturing method characterized by providing .

或いは、本発明の燃料電池は、触媒金属からなる触媒金属シェルと、該触媒金属と異なる金属種からなる金属コアとを有するコア・シェル型触媒金属微粒子(A)の表面に、イオン交換性高分子(B)が付着している燃料電池用複合触媒を含有する触媒層を備え、前記燃料電池用複合触媒が炭素質担体に担持されていない燃料電池の製造方法であって、
水溶性及び/又は有機溶媒可溶性を有し、還元により金属コアを形成する金属前駆物質(a2)と、イオン交換性高分子(b)と、前記金属前駆物質(a2)及び前記イオン交換性高分子(b)を溶解可能な溶媒(c1)と、を混合した第二の混合溶液を調製し、該第二の混合溶液中の前記金属前駆物質(a2)を還元して金属微粒子を析出させた後、水溶性及び/又は有機溶媒可溶性を有し、還元により触媒金属シェルを形成する触媒金属前駆物質(a1)を、該触媒金属前駆物質(a1)及び前記イオン交換性高分子(b)を溶解可能な溶媒(c2)と、該イオン交換性高分子(b)と、前記金属微粒子と混合して第三の混合溶液を調製し、該第三の混合溶液中の触媒金属前駆物質(a1)を還元して前記金属微粒子の表面に触媒金属を析出させ、触媒金属シェルと金属コアとを有するコア・シェル型触媒金属微粒子の表面にイオン交換性高分子が付着している燃料電池用複合触媒を調製する工程と、
前記燃料電池用複合触媒が炭素質担体に担持されていない触媒層を形成する工程と、
を備えることを特徴とする、燃料電池の製造方法によっても製造することができる。
Alternatively, the fuel cell of the present invention has a high ion exchange property on the surface of the core-shell type catalyst metal fine particles (A) having a catalyst metal shell made of a catalyst metal and a metal core made of a metal species different from the catalyst metal. A method for producing a fuel cell comprising a catalyst layer containing a fuel cell composite catalyst to which a molecule (B) is attached, wherein the fuel cell composite catalyst is not supported on a carbonaceous carrier,
Metal precursor (a2) having water solubility and / or organic solvent solubility and forming a metal core by reduction, ion-exchange polymer (b), metal precursor (a2) and high ion-exchange property A second mixed solution in which the solvent (c1) capable of dissolving the molecule (b) is mixed is prepared, and the metal precursor (a2) in the second mixed solution is reduced to precipitate metal fine particles. Thereafter, the catalyst metal precursor (a1) which has water solubility and / or organic solvent solubility and forms a catalyst metal shell by reduction is converted into the catalyst metal precursor (a1) and the ion-exchange polymer (b). Is mixed with the solvent (c2), the ion-exchange polymer (b), and the metal fine particles to prepare a third mixed solution, and the catalyst metal precursor (in the third mixed solution ( a1) is reduced to apply catalytic metal to the surface of the metal fine particles. Out so, a step of preparing a composite catalyst for a fuel cell ion exchange polymer on the surface of the core-shell type catalyst metal fine particles are adhered with the catalyst metal shell and the metal core,
Forming a catalyst layer in which the composite catalyst for a fuel cell is not supported on a carbonaceous support;
It can manufacture also by the manufacturing method of a fuel cell characterized by providing.

以上のように、触媒金属前駆物質や金属前駆物質を溶液中で還元し、析出させる場合、該溶液を攪拌し、これら前駆物質の還元反応を溶液全体において均一に進行させることができる。また、イオン交換性高分子が保護剤として機能し、触媒金属微粒子の成長が制御される。ゆえに、本発明の製造方法によれば、微細且つ均一な触媒金属微粒子を得ることができる。
さらに、本発明の燃料電池の製造方法によれば、触媒金属微粒子(A)の表面にイオン交換性高分子(B)が付着した複合触媒は、溶媒中に分散した分散液の状態で得られることから、必要に応じて溶媒置換等を行い、該分散液を用いることによって、イオン交換性高分子膜の表面に設けられ、且つ、少なくとも触媒金属とイオン交換性高分子とを含有する燃料電池用触媒層を形成することができる。該分散液を用いることによって、従来のように触媒インク調製の際に、触媒金属微粒子とイオン交換性高分子とを溶液中に充分に分散させる工程を省略することができ、燃料電池用触媒層の製造工程の簡略化が可能である。
As described above, when the catalytic metal precursor or the metal precursor is reduced and precipitated in the solution, the solution can be stirred and the reduction reaction of these precursors can proceed uniformly throughout the solution. In addition, the ion exchange polymer functions as a protective agent, and the growth of the catalyst metal fine particles is controlled. Therefore, according to the production method of the present invention, fine and uniform catalytic metal fine particles can be obtained.
Furthermore, according to the method for producing a fuel cell of the present invention, the composite catalyst in which the ion-exchange polymer (B) is adhered to the surface of the catalyst metal fine particles (A) is obtained in the state of a dispersion dispersed in a solvent. Therefore, a fuel cell which is provided on the surface of the ion-exchange polymer membrane by performing solvent substitution or the like as required and using the dispersion liquid and which contains at least a catalyst metal and an ion-exchange polymer A catalyst layer can be formed. By using the dispersion, it is possible to omit the step of sufficiently dispersing the catalyst metal fine particles and the ion-exchange polymer in the solution when preparing the catalyst ink as in the prior art, and the catalyst layer for the fuel cell. The manufacturing process can be simplified.

本発明により提供される燃料電池用複合触媒は、触媒金属の利用率に優れるため、本発明の燃料電池用複合触媒を用いることによって、触媒金属の使用量を低減しつつ、同等又はそれ以上の触媒性能を有する燃料電池用触媒層を得ることが可能である。さらに、本発明によれば、燃料電池用触媒層の製造工程の簡略化が実現できる。従って、本発明によれば、優れた発電性能を有し、且つ、低コストであり、しかも簡便な工程で製造可能な燃料電池を提供することができる。   Since the composite catalyst for a fuel cell provided by the present invention is excellent in the utilization rate of the catalyst metal, the use amount of the catalyst metal is reduced by using the composite catalyst for a fuel cell of the present invention, and the equivalent or more It is possible to obtain a fuel cell catalyst layer having catalytic performance. Furthermore, according to the present invention, the manufacturing process of the fuel cell catalyst layer can be simplified. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a fuel cell that has excellent power generation performance, is low in cost, and can be manufactured by a simple process.

本発明の燃料電池用複合触媒は、触媒金属からなる触媒金属シェルと、該触媒金属と異なる金属種からなる金属コアとを有するコア・シェル型触媒金属微粒子(A)の表面に、イオン交換性高分子(B)が付着していることを特徴とするものである。   The composite catalyst for a fuel cell of the present invention has an ion exchange property on the surface of the core-shell type catalyst metal fine particles (A) having a catalyst metal shell made of a catalyst metal and a metal core made of a metal species different from the catalyst metal. The polymer (B) is attached.

本発明者らは、燃料電池用触媒として一般的に使用されている白金が非常に高価であること、枯渇資源であることを鑑み、その利用率を向上させるべく、白金触媒の微粒子化及び燃料電池の触媒層における白金微粒子の分散性向上を目指し、鋭意検討した。その結果、ポリビニルピロリドン等の水溶性高分子を含む溶液中で、金属塩や金属錯体等の金属前駆物質を還元し、0価の金属原子を析出させることで、微細且つ均一な粒径を有する金属微粒子が分散した分散液が得られるという知見を得た。
そして、金属微粒子の凝集を抑制し、安定な微粒子状態を保持する水溶性高分子として、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂のようなカチオン交換性高分子やアニオン交換性高分子等のイオン交換性高分子を用いることが可能であり、これによってイオン交換性高分子で被覆された金属微粒子が得られることを見出した。
さらに、本発明者らは、白金等の触媒金属の利用率を向上させるため、金属触媒粒子を、コアとなる金属微粒子の表面に触媒金属を被覆させたコア・シェル型の二元系構造とし、本発明を完成させるに至った。具体的には、コア(金)・シェル(白金)型微粒子の表面にパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂が付着した複合触媒が、単分散したコロイド溶液の調製に成功した。
In view of the fact that platinum, which is generally used as a catalyst for fuel cells, is very expensive and is a depleted resource, in order to improve the utilization rate thereof, the fine particles of the platinum catalyst and the fuel are used. We have intensively studied to improve the dispersibility of platinum particles in the catalyst layer of the battery. As a result, in a solution containing a water-soluble polymer such as polyvinylpyrrolidone, a metal precursor such as a metal salt or a metal complex is reduced to precipitate a zero-valent metal atom, thereby having a fine and uniform particle size. The knowledge that a dispersion liquid in which metal fine particles are dispersed is obtained.
As a water-soluble polymer that suppresses aggregation of metal fine particles and maintains a stable fine particle state, an ion-exchange polymer such as a cation exchange polymer such as perfluorocarbon sulfonic acid resin or an anion exchange polymer is used. It has been found that metal fine particles coated with an ion exchange polymer can be obtained.
Furthermore, in order to improve the utilization rate of catalyst metals such as platinum, the present inventors have made a core-shell type binary structure in which the metal catalyst particles are coated with the catalyst metal on the surface of the metal fine particles as the core. The present invention has been completed. Specifically, a composite catalyst in which a perfluorocarbon sulfonic acid resin adheres to the surface of core (gold) / shell (platinum) type fine particles was successfully prepared as a monodispersed colloidal solution.

以下、本発明の燃料電池用複合触媒について詳しく説明していく。
図1に示すように、本発明の燃料電池用複合触媒(以下、単に複合触媒ということがある)は、触媒金属微粒子(A)と、該触媒金属微粒子(A)の表面に付着したイオン交換性高分子(B)とから構成されている。複合触媒を構成する触媒金属微粒子(A)は、核(コア)となる金属微粒子(本実施形態においてはAu)の表面に触媒金属(本実施形態においてはPt)の殻(シェル)が形成されたコア・シェル構造を有している。
Hereinafter, the composite catalyst for a fuel cell of the present invention will be described in detail.
As shown in FIG. 1, the composite catalyst for a fuel cell of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as a composite catalyst) comprises catalyst metal fine particles (A) and ion exchange adhered to the surfaces of the catalyst metal fine particles (A). It consists of a functional polymer (B). In the catalyst metal fine particles (A) constituting the composite catalyst, the shell of the catalyst metal (Pt in this embodiment) is formed on the surface of the metal fine particles (Au in this embodiment) serving as nuclei (core). It has a core-shell structure.

本発明の複合触媒は、触媒金属微粒子(A)の表面に、イオン交換性高分子(B)が付着していることから、燃料電池の触媒層において、触媒金属表面へのイオン伝導パス又は触媒金属表面からのイオン伝導パスが効率良く形成される。ゆえに、本発明の複合触媒を用いて触媒層を形成することによって、電極反応に寄与する触媒金属が増加し、触媒金属の利用率が高まるため、燃料電池の発電性能を向上させることができる。   In the composite catalyst of the present invention, the ion-exchange polymer (B) is attached to the surface of the catalyst metal fine particles (A). Therefore, in the catalyst layer of the fuel cell, the ion conduction path or catalyst to the catalyst metal surface An ion conduction path from the metal surface is efficiently formed. Therefore, by forming the catalyst layer using the composite catalyst of the present invention, the catalytic metal contributing to the electrode reaction is increased and the utilization rate of the catalytic metal is increased, so that the power generation performance of the fuel cell can be improved.

さらに、触媒金属微粒子(A)の表面に付着したイオン交換性高分子(B)がいわゆる保護剤として作用することにより、触媒金属微粒子(A)の凝集が抑制され、安定した分散状態が維持される。すなわち、触媒金属微粒子が凝集し、触媒金属の比表面積(触媒金属微粒子を構成する触媒金属の単位重量当りの露出表面積)が小さくなることによる触媒金属の利用率低下が抑えられる。また、保護剤であるイオン交換性高分子(B)は、複合触媒の製造時における該複合触媒の粒径や構造の制御においても重要な役割を示すと考えられている。   Further, the ion-exchange polymer (B) attached to the surface of the catalyst metal fine particles (A) acts as a so-called protective agent, so that aggregation of the catalyst metal fine particles (A) is suppressed and a stable dispersion state is maintained. The That is, the catalyst metal fine particles are aggregated, and the reduction in the utilization rate of the catalyst metal due to the reduction in the specific surface area of the catalyst metal (the exposed surface area per unit weight of the catalyst metal constituting the catalyst metal fine particles) can be suppressed. The ion-exchange polymer (B), which is a protective agent, is also considered to play an important role in controlling the particle size and structure of the composite catalyst during the production of the composite catalyst.

しかも、本発明の複合触媒は、触媒金属微粒子(A)の微粒子化による触媒金属の比表面積の増大と共に、表面層のみを触媒金属で形成したコア・シェル型構造とすることで触媒金属の使用量を低下させ、さらなる触媒金属の利用率向上を実現可能とした。   In addition, the composite catalyst of the present invention has a core-shell type structure in which only the surface layer is formed of the catalyst metal along with an increase in the specific surface area of the catalyst metal due to the fine formation of the catalyst metal fine particles (A). The amount was reduced to make it possible to further improve the utilization rate of the catalyst metal.

また、本発明の複合触媒は、安定した分散性を有することから、炭素粒子等の担体に担持させなくても、凝集せずに高分散状態を保持することができる。そのため、燃料電池の触媒層において一般的な触媒担体として知られている炭素粒子や炭素繊維等の炭素質担体を用いずに、発電性能を確保した触媒層を形成することが可能である。
従って、本発明の複合触媒を用いることによって、炭素質担体を含有する触媒層を備えた燃料電池において懸念されている問題、例えば、炭素質担体による過酸化水素生成反応の促進や、高電位状態における炭素質担体の腐食による触媒層の多孔質構造の変化及び触媒粒子の脱落等を抑制することが可能である。過酸化水素の生成は、過酸化水素や過酸化水素から生じるラジカル種等によるイオン交換性高分子の劣化を招き、また、触媒層の多孔質構造の変化や触媒粒子の脱落は、触媒層の発電性能の低下を招く。すなわち、本発明によれば、これら炭素質担体の使用に起因する燃料電池の構成部材の劣化や性能低下等が発生せず、耐久性に優れた燃料電池を提供することが可能となる。
In addition, since the composite catalyst of the present invention has a stable dispersibility, it can maintain a highly dispersed state without agglomeration without being supported on a carrier such as carbon particles. Therefore, it is possible to form a catalyst layer that ensures power generation performance without using carbonaceous carriers such as carbon particles and carbon fibers that are known as general catalyst carriers in catalyst layers of fuel cells.
Therefore, by using the composite catalyst of the present invention, there are problems that are concerned in a fuel cell having a catalyst layer containing a carbonaceous carrier, for example, acceleration of hydrogen peroxide generation reaction by the carbonaceous carrier, It is possible to suppress the change in the porous structure of the catalyst layer due to the corrosion of the carbonaceous support and the falling off of the catalyst particles. The generation of hydrogen peroxide causes deterioration of the ion-exchange polymer due to hydrogen peroxide and radical species generated from hydrogen peroxide, and the change in the porous structure of the catalyst layer and the dropping of the catalyst particles are caused by the catalyst layer. The power generation performance is reduced. In other words, according to the present invention, it is possible to provide a fuel cell having excellent durability without causing deterioration of the constituent members of the fuel cell and performance deterioration due to the use of these carbonaceous carriers.

触媒金属微粒子(A)において、シェルを形成する触媒金属としては、燃料電池の電極反応に対して触媒活性を有しているものであれば特に限定されず、Pt,Pd,Ir,Rh,Au,Ru,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Mo,Ag,W,Re,Os等が挙げられる。中でもPt,Pd,Ir,Rh,Au等の貴金属が好適に用いられ、その触媒活性の高さからPtが特に好ましく用いられる。   In the catalyst metal fine particles (A), the catalyst metal that forms the shell is not particularly limited as long as it has catalytic activity for the electrode reaction of the fuel cell, and Pt, Pd, Ir, Rh, Au. , Ru, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag, W, Re, Os, and the like. Of these, noble metals such as Pt, Pd, Ir, Rh, and Au are preferably used, and Pt is particularly preferably used because of its high catalytic activity.

また、触媒金属微粒子(A)において、コアを形成する金属としては、シェルを形成する触媒金属とは異なる金属種であれば特に限定されず、例えば、Pt,Pd,Ir,Rh,Au,Ru,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Mo,Ag,W,Re,Os等を用いることができる。コアは、複数種の金属から構成されていてもよい。   In the catalyst metal fine particles (A), the metal forming the core is not particularly limited as long as it is a metal species different from the catalyst metal forming the shell. For example, Pt, Pd, Ir, Rh, Au, Ru , V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag, W, Re, Os, and the like can be used. The core may be composed of a plurality of types of metals.

シェルを構成する触媒金属とコアを構成する金属の具体的な組み合わせは特に限定されず、触媒金属微粒子(A)の製造方法や、組み合わせて用いるイオン交換性高分子(B)によって、適宜組み合わせればよい。具体的な組み合わせについては、触媒金属微粒子(A)の製造方法と合わせて後述する。   The specific combination of the catalyst metal constituting the shell and the metal constituting the core is not particularly limited, and can be appropriately combined depending on the method for producing the catalyst metal fine particles (A) and the ion-exchange polymer (B) used in combination. That's fine. Specific combinations will be described later together with the method for producing the catalyst metal fine particles (A).

触媒金属微粒子(A)において、金属コアを構成する金属種と触媒金属シェルを構成する触媒金属種のモル比(金属種/触媒金属種)は、特に限定されず、下記のような金属コアの粒径や触媒金属シェルの厚さ等によるが、一般的には、1/4〜1/0.2程度が好ましい。
金属コアの粒径及び触媒金属シェルの厚さは特に限定されず、触媒金属の利用率の他、複合触媒の分散性、電子的効果、立体的効果等を考慮して適宜設定すればよい。コア・シェル構造の安定性や触媒金属の利用率の観点からは、金属コアの粒子径が1〜50nmであることが好ましく、特に1〜10nmであることが好ましい。また、触媒金属シェルの厚さは触媒金属1原子分以上であればよく、触媒金属の利用率の観点からは、触媒金属シェルの厚さが0.3〜5nmであることが好ましく、特に0.3〜1nmであることが好ましい。尚、金属触媒シェルの厚さによっては、触媒金属微粒子(A)は、コアを形成する金属種とシェルを形成する触媒金属種との合金のような特性を呈する場合もある。
In the catalyst metal fine particles (A), the molar ratio (metal species / catalyst metal species) of the metal species constituting the metal core and the catalyst metal species constituting the catalyst metal shell is not particularly limited. Although it depends on the particle diameter, the thickness of the catalyst metal shell, etc., generally, about 1/4 to 1 / 0.2 is preferable.
The particle diameter of the metal core and the thickness of the catalyst metal shell are not particularly limited, and may be set as appropriate in consideration of the dispersibility of the composite catalyst, the electronic effect, the steric effect, etc. in addition to the utilization rate of the catalyst metal. From the viewpoint of the stability of the core / shell structure and the utilization factor of the catalyst metal, the particle diameter of the metal core is preferably 1 to 50 nm, and particularly preferably 1 to 10 nm. The thickness of the catalyst metal shell may be one atom or more for the catalyst metal. From the viewpoint of the utilization rate of the catalyst metal, the thickness of the catalyst metal shell is preferably 0.3 to 5 nm, particularly 0. It is preferably 3 to 1 nm. Depending on the thickness of the metal catalyst shell, the catalyst metal fine particles (A) may exhibit characteristics such as an alloy of the metal species forming the core and the catalyst metal species forming the shell.

尚、本発明の触媒金属微粒子(A)のコア・シェル構造は、金属コアの表面が触媒金属によって完全に被覆されている状態の他、金属コアの表面の一部が露出したような状態も含まれる。また、金属コアや触媒金属シェルを構成する金属は酸化されていてもよい場合もある。
本発明によれば、1〜10nmの粒径を有する触媒金属微粒子(A)を得ることが可能であり、さらには2〜10nmの触媒金属微粒子(A)を得ることができる。また、本発明によれば上記粒径を有する一次粒子が、均一な二次粒子を形成した状態で、或いは、単分散した状態で得ることができる。
The core / shell structure of the catalyst metal fine particles (A) of the present invention is not only in a state where the surface of the metal core is completely covered with the catalyst metal, but also in a state where a part of the surface of the metal core is exposed. included. Moreover, the metal which comprises a metal core or a catalyst metal shell may be oxidized.
According to the present invention, catalyst metal fine particles (A) having a particle diameter of 1 to 10 nm can be obtained, and further, catalyst metal fine particles (A) of 2 to 10 nm can be obtained. Further, according to the present invention, primary particles having the above particle diameter can be obtained in a state where uniform secondary particles are formed or in a monodispersed state.

本発明において、イオン交換性高分子(B)としては、カチオン交換性又はアニオン交換性を有するものであれば特に限定されず、例えば、カチオン交換性高分子膜やアニオン交換性高分子膜を備える固体高分子型燃料電池において電解質膜を構成するカチオン交換性高分子又はアニオン交換性高分子として使用可能なものを用いることができる。イオン交換性高分子は、イオン交換基、具体的には、プロトン解離性基である酸基のようなカチオン交換基、又は、アニオン交換基を有している。このイオン交換基が触媒金属微粒子(A)の表面に吸着し、触媒金属微粒子(A)の分散性を安定に維持する保護剤として作用すると考えられる。また、イオン交換基によりカチオン交換性又はアニオン交換性(B)は、水溶性及び/又は有機溶媒可溶性を示す。
カチオン交換基であるプロトン解離性基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基等が挙げられ、アニオン交換基としてはテトラアルキルアンモニウム塩等が挙げられる。保護剤としての作用が高く、また、コア・シェル型金属微粒子の製造工程において、その粒径やコア・シェル構造の制御に対しても有効であることから、イオン交換基としてスルホン酸基を備えるイオン交換性高分子が好適に用いられる。
In the present invention, the ion exchange polymer (B) is not particularly limited as long as it has a cation exchange property or an anion exchange property, and includes, for example, a cation exchange polymer membrane or an anion exchange polymer membrane. A polymer that can be used as a cation exchange polymer or anion exchange polymer constituting an electrolyte membrane in a solid polymer fuel cell can be used. The ion exchange polymer has an ion exchange group, specifically, a cation exchange group such as an acid group which is a proton dissociable group, or an anion exchange group. It is considered that this ion exchange group is adsorbed on the surface of the catalyst metal fine particles (A) and acts as a protective agent that stably maintains the dispersibility of the catalyst metal fine particles (A). Moreover, the cation exchange property or anion exchange property (B) by an ion exchange group shows water solubility and / or organic solvent solubility.
Examples of the proton-dissociable group that is a cation exchange group include a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, and a phosphate group, and examples of the anion exchange group include a tetraalkylammonium salt. Since it is highly effective as a protective agent and is also effective for controlling the particle size and core / shell structure in the production process of core / shell type metal fine particles, it has a sulfonic acid group as an ion exchange group. An ion exchange polymer is preferably used.

イオン交換性高分子(B)の具体例としては、上記したようなプロトン解離性基を有するもの、例えば、Nafion(商品名)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂のようなフッ素系高分子の他、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレンスルフィド等の炭化水素系高分子にプロトン解離性基等のイオン交換基を導入したものが挙げられ、中でも、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂が好適に用いられる。
イオン交換性高分子(B)の触媒金属微粒子(A)表面への付着は、触媒金属微粒子(A)表面の少なくとも一部においてイオン交換性高分子(B)が付着していればよいが、後述するような製造方法においては、原理的には触媒金属微粒子(A)の表面がイオン交換性高分子(B)に覆われた状態となる。
Specific examples of the ion-exchange polymer (B) include those having a proton-dissociable group as described above, for example, fluorine-based polymers such as perfluorocarbon sulfonic acid resin represented by Nafion (trade name). Other examples include those obtained by introducing an ion exchange group such as a proton-dissociable group into a hydrocarbon polymer such as polyether ketone, polyether ether ketone, and polyethylene sulfide. Among them, perfluorocarbon sulfonic acid resin is preferably used. .
The ion exchange polymer (B) may be attached to the surface of the catalyst metal fine particles (A) as long as the ion exchange polymer (B) is attached to at least a part of the surface of the catalyst metal fine particles (A). In the manufacturing method as described later, in principle, the surface of the catalytic metal fine particles (A) is covered with the ion-exchange polymer (B).

イオン交換性高分子(B)が触媒金属微粒子(A)の表面に付着しているかどうかは、TEM、元素分析、TG、IR等によって確認することが可能である。   Whether or not the ion-exchangeable polymer (B) is attached to the surface of the catalytic metal fine particles (A) can be confirmed by TEM, elemental analysis, TG, IR, or the like.

本発明の複合触媒におけるイオン交換性高分子(B)の割合は、保護安定化と立体障害のバランスの観点から、触媒金属微粒子(A)を構成する全金属(金属コアと触媒金属シェルを構成する全金属)に対する高分子モノマーユニットのモル比で、0.0001〜10であることが好ましく、特に0.001〜1であることが好ましい。このとき、イオン交換性高分子(B)のモル比は、イオン交換性高分子(B)を構成するモノマーユニットを1モルとして換算する。   The ratio of the ion-exchangeable polymer (B) in the composite catalyst of the present invention is such that all metals constituting the catalytic metal fine particles (A) are composed of a metal core and a catalytic metal shell from the viewpoint of the balance between protection and stabilization and steric hindrance. The molar ratio of the polymer monomer unit to the total metal) is preferably 0.0001 to 10, particularly preferably 0.001 to 1. At this time, the molar ratio of the ion-exchangeable polymer (B) is converted based on 1 mol of the monomer unit constituting the ion-exchangeable polymer (B).

本発明の複合触媒の製造方法は特に限定されず、金属塩や金属錯体を還元して0価の金属原子を析出させることにより金属微粒子を得る公知の方法を適用し、イオン交換性高分子(B)を保護剤(安定化剤)として、触媒金属シェルを有するコア・シェル型金属微粒子を製造する方法が挙げられる。
以下、金属コアを形成する金属前駆物質と触媒金属シェルを形成する触媒金属前駆物質とが共存する溶液中で各前駆物質を還元する同時還元法と、金属コアを形成する金属前駆物質を溶液中で還元して金属微粒子を生成させた後、該金属微粒子と触媒金属前駆物質を含む溶液中で該触媒金属前駆物質を還元させ、金属微粒子表面に触媒金属を析出させる逐次還元法を例に、本発明の複合触媒の製造方法について説明する。
The production method of the composite catalyst of the present invention is not particularly limited, and a known method for obtaining metal fine particles by reducing a metal salt or a metal complex to precipitate a zero-valent metal atom is applied, and an ion-exchange polymer ( A method of producing core-shell type metal fine particles having a catalytic metal shell using B) as a protective agent (stabilizer) is mentioned.
Hereinafter, a simultaneous reduction method of reducing each precursor in a solution in which a metal precursor that forms a metal core and a catalyst metal precursor that forms a catalytic metal shell coexist, and a metal precursor that forms a metal core in the solution An example is a sequential reduction method in which after generating metal fine particles by reduction with metal, the catalytic metal precursor is reduced in a solution containing the metal fine particles and the catalytic metal precursor, and the catalytic metal is deposited on the surface of the metal fine particles. A method for producing the composite catalyst of the present invention will be described.

同時還元法は、イオン交換性高分子(b)、金属前駆物質(a2)及び金属触媒前駆物質(a1)を溶解した混合溶液に対して、還元処理を施すことによって、金属イオン及び触媒金属イオンを還元し、金属コアの表面に触媒金属シェルが形成されたコア・シェル型触媒金属微粒子を析出させる方法である。
具体的には、水溶性及び/又は有機溶媒可溶性を有し、還元により触媒金属シェルを形成する触媒金属前駆物質(a1)と、前記触媒金属と異なる金属種を含み、且つ、水溶性及び/又は有機溶媒可溶性を有し、還元により金属コアを形成する金属前駆物質(a2)と、イオン交換性高分子(b)と、前記触媒金属前駆物質(a1)、前記金属前駆物質(a2)及び前記イオン交換性高分子(b)を溶解可能な溶媒(c)と、を混合した第一の混合溶液を調製し、前記第一の混合溶液中の前記触媒金属前駆物質(a1)及び前記金属前駆物質(a2)を還元し、触媒金属シェルと金属コアとを有するコア・シェル型触媒金属微粒子を析出させることによって、複合触媒が前記溶媒(c)に分散した分散液を調製することができる(図2参照)。
In the simultaneous reduction method, metal ions and catalytic metal ions are obtained by subjecting a mixed solution in which the ion-exchangeable polymer (b), the metal precursor (a2) and the metal catalyst precursor (a1) are dissolved to a reduction treatment. In which a core-shell type catalytic metal fine particle having a catalytic metal shell formed on the surface of the metal core is deposited.
Specifically, the catalyst metal precursor (a1) having water solubility and / or organic solvent solubility and forming a catalyst metal shell by reduction, a metal species different from the catalyst metal, and water solubility and / or Alternatively, a metal precursor (a2) that is soluble in an organic solvent and forms a metal core by reduction, an ion-exchange polymer (b), the catalyst metal precursor (a1), the metal precursor (a2), and A first mixed solution is prepared by mixing a solvent (c) capable of dissolving the ion-exchange polymer (b), and the catalyst metal precursor (a1) and the metal in the first mixed solution A dispersion liquid in which the composite catalyst is dispersed in the solvent (c) can be prepared by reducing the precursor (a2) and precipitating core-shell type catalyst metal fine particles having a catalyst metal shell and a metal core. (See Figure 2).

水溶性及び/又は有機溶媒可溶性を有する触媒金属前駆物質(a1)並びに金属前駆物質(a2)としては、それぞれ、触媒金属シェルを形成する触媒金属種の塩及び/又は錯体、金属コアを形成する金属種の塩及び/又は錯体が挙げられる。具体的には、酢酸塩、塩化物、硫酸塩、硝酸塩、スルホン酸塩、リン酸塩或いはこれらの錯体を挙げることができる。組み合わせて使用する触媒金属前駆物質(a1)と金属前駆物質(a2)は、可溶性を有する溶媒が互いに異なっていてもよく、例えば、一方は水溶性を有し他方は有機溶媒可溶性を有していてもよい。後述するように、触媒金属前駆物質(a1)及び金属前駆物質(a2)の還元は、水溶液中にて行うことが好ましいことから、触媒金属前駆物質(a1)及び金属前駆物質(a2)が共に水溶性を有していることが好ましい。   As the catalyst metal precursor (a1) and metal precursor (a2) having water solubility and / or organic solvent solubility, a salt and / or complex of a catalyst metal species that forms a catalyst metal shell and a metal core are formed, respectively. Examples include salts and / or complexes of metal species. Specific examples include acetates, chlorides, sulfates, nitrates, sulfonates, phosphates, and complexes thereof. The catalyst metal precursor (a1) and metal precursor (a2) used in combination may have different solubility solvents, for example, one has water solubility and the other has organic solvent solubility. May be. As will be described later, since the reduction of the catalytic metal precursor (a1) and the metal precursor (a2) is preferably performed in an aqueous solution, both the catalytic metal precursor (a1) and the metal precursor (a2) It is preferable to have water solubility.

触媒金属前駆物質(a1)と金属前駆物質(a2)の比(仕込み量)は特に限定されないが、この仕込み量によってコア・シェル型触媒金属微粒子(A)における触媒金属シェルと金属コアの比率が制御されるため、適宜設定すればよい。一般的には、触媒金属前駆物質(a1)の触媒金属元素に対する金属前駆物質(a2)の金属元素の比率(金属元素/触媒金属元素)が1/10〜1/0.01となるように、特に、1/4〜1/0.2となるように、各前駆物質を仕込むことが好ましい。   The ratio (charge amount) of the catalyst metal precursor (a1) and the metal precursor (a2) is not particularly limited, but the ratio of the catalyst metal shell to the metal core in the core-shell type catalyst metal fine particles (A) depends on the charge amount. Since it is controlled, it may be set as appropriate. Generally, the ratio of the metal element of the metal precursor (a2) to the catalyst metal element of the catalyst metal precursor (a1) (metal element / catalyst metal element) is 1/10 to 1 / 0.01. In particular, it is preferable to charge each precursor so as to be 1/4 to 1 / 0.2.

イオン交換性高分子(b)としては、上記にてイオン交換性高分子(B)として例示したものが挙げられる。上記したように、触媒金属前駆物質(a1)及び金属前駆物質(a2)の還元は、水溶液中にて行うことが好ましいことから、イオン交換性高分子(b)も水溶性を有していることが好ましい。
イオン交換性高分子(b)の仕込み量としては、保護安定化と立体障害のバランスの観点から、触媒金属前駆物質(a1)と金属前駆物質(a2)に含まれる全金属に対する高分子モノマーユニットのモル比で、0.0001〜10であることが好ましく、特に0.001〜1であることが好ましい。このとき、イオン交換性高分子(b)のモル比は、イオン交換性高分子(b)を構成するモノマーユニットを1モルとして換算する。
Examples of the ion exchange polymer (b) include those exemplified above as the ion exchange polymer (B). As described above, since the reduction of the catalytic metal precursor (a1) and the metal precursor (a2) is preferably performed in an aqueous solution, the ion-exchangeable polymer (b) is also water-soluble. It is preferable.
The charged amount of the ion-exchangeable polymer (b) is a polymer monomer unit for all metals contained in the catalytic metal precursor (a1) and the metal precursor (a2) from the viewpoint of the balance between protection and stabilization and steric hindrance. The molar ratio is preferably 0.0001 to 10, particularly preferably 0.001 to 1. At this time, the molar ratio of the ion-exchangeable polymer (b) is converted based on 1 mol of the monomer unit constituting the ion-exchangeable polymer (b).

触媒金属前駆物質(a1)、金属前駆物質(a2)及びイオン交換性高分子(b)を溶解可能な溶媒(c)としては、特に限定されず、また、1種のみからなるものでも、2種以上の混合物でもよい。例えば、水、アルコール、又は水やアルコールと混和性のある有機溶剤を挙げることができる。具体的には、水;メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ヘキシレングリコール、アミルアルコール、アリルアルコール等のアルコール類;酢酸メチルエステル、酢酸エチルエステル等のエステル類、ジエチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、エーテル類;アセトン、メチルエチルケトン、アセチルアセトン等のケトン類;ジオキサン、テトラヒドロフラン、N−メチルピロリドン等が挙げられる。溶媒(c)の種類は、還元処理の方法に応じて選択することが好ましい。   The solvent (c) that can dissolve the catalytic metal precursor (a1), the metal precursor (a2), and the ion-exchangeable polymer (b) is not particularly limited. It may be a mixture of seeds or more. For example, water, alcohol, or an organic solvent miscible with water or alcohol can be used. Specifically, water; alcohols such as methanol, ethanol, propanol, butanol, ethylene glycol, propylene glycol, hexylene glycol, amyl alcohol, and allyl alcohol; esters such as methyl acetate, ethyl acetate, diethyl ether, Ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, ethers; ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, acetylacetone; dioxane, tetrahydrofuran, N-methylpyrrolidone, etc. . The type of the solvent (c) is preferably selected according to the reduction treatment method.

水溶液中で触媒金属前駆物質(a1)及び金属前駆物質(a2)の還元を行うことによって、触媒金属微粒子(A)の粒径の制御が容易となり、且つ、触媒金属微粒子(A)の表面にイオン交換性高分子(B)が付着してなる複合触媒の分散安定性が向上することが可能であることから、溶媒(c)としては水又は水と有機溶媒との混合物が好ましく、特に、水であることが好ましい。
溶媒(c)の使用量は特に限定されず、各成分(a1)、(a2)及び(b)の溶解性に合わせて適宜決めればよいが、金属イオン濃度[(a1)及び(a2)に由来する金属イオンの合計]が触媒金属微粒子(A)の粒子径に影響を与えることを考慮して、一般的には、前記金属イオン濃度を1×10-5mol/l〜1×10-2mol/lとすることが好ましい。
By reducing the catalyst metal precursor (a1) and the metal precursor (a2) in an aqueous solution, the particle size of the catalyst metal fine particles (A) can be easily controlled, and the surface of the catalyst metal fine particles (A) can be controlled. Since the dispersion stability of the composite catalyst formed by adhering the ion exchange polymer (B) can be improved, the solvent (c) is preferably water or a mixture of water and an organic solvent. Water is preferred.
The amount of the solvent (c) used is not particularly limited, and may be appropriately determined according to the solubility of each component (a1), (a2) and (b), but the metal ion concentration [(a1) and (a2)] In general, the total metal ion concentration] affects the particle diameter of the catalyst metal fine particles (A), and the metal ion concentration is generally 1 × 10 −5 mol / l to 1 × 10 −. 2 mol / l is preferable.

触媒金属前駆物質(a1)、金属前駆物質(a2)及びイオン交換性高分子(b)を溶媒(c)に溶解する方法は特に限定されず、一般的な混合攪拌方法を利用することができる。溶媒(c)に各成分(a1)、(a2)及び(b)を同時に添加し、混合してもよいし、予め、各成分(a1)、(a2)及び(b)を溶媒に溶解し、各溶液を混合してもよい(図2参照)。   The method for dissolving the catalytic metal precursor (a1), the metal precursor (a2), and the ion-exchangeable polymer (b) in the solvent (c) is not particularly limited, and a general mixing and stirring method can be used. . The components (a1), (a2) and (b) may be simultaneously added to the solvent (c) and mixed, or the components (a1), (a2) and (b) are dissolved in the solvent in advance. Each solution may be mixed (see FIG. 2).

触媒金属前駆物質(a1)、金属前駆物質(a2)及びイオン交換性高分子(b)の組み合わせは特に限定されないが、触媒金属前駆物質(a1)の溶解により生じる触媒金属イオンと金属前駆物質(a2)の溶解により生じる金属イオンとを、溶媒(c)中で還元し、析出させる際、どの金属種がコアを形成するかは、その金属種の組み合わせ(標準電極電位の大小関係)の他、各金属種とイオン交換性高分子(b)との相互作用の大きさ等に依存する。   The combination of the catalyst metal precursor (a1), the metal precursor (a2), and the ion-exchange polymer (b) is not particularly limited, but the catalyst metal ion and the metal precursor generated by dissolution of the catalyst metal precursor (a1) ( When metal ions generated by dissolution of a2) are reduced and precipitated in the solvent (c), which metal species forms the core depends on the combination of the metal species (relative relationship of standard electrode potential) Depends on the magnitude of interaction between each metal species and the ion-exchange polymer (b).

例えば、パラジウムイオンと金イオンを含有する水溶液において、イオン交換性高分子(b)であるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂は、金よりもパラジウムと強い相互作用を持つと考えられ、まず、金原子が還元され、凝集し、その後、パラジウム原子が金クラスターを核としてその周囲に堆積する。
一方、以上のようなイオン交換性高分子(b)と触媒金属及び金属の相互作用の強さに大きな差がない場合には、標準電極電位が卑な金属種がコアを形成し、標準電極電位が貴な金属種がシェルを形成することになる。つまり、触媒金属よりも標準電極電位が卑な金属種を組み合わせることになる。具体的には、金イオンと白金イオンが共存する溶液に対して、還元処理を行う場合、まず金が還元されてコアを形成し、その後、白金が該コアの周囲に堆積する。
For example, in an aqueous solution containing palladium ions and gold ions, perfluorocarbon sulfonic acid resin, which is an ion-exchange polymer (b), is considered to have a stronger interaction with palladium than gold. And then agglomerate, and then palladium atoms are deposited around the gold clusters as nuclei.
On the other hand, when there is no significant difference in the interaction strength between the ion-exchange polymer (b) and the catalytic metal and the metal as described above, a metal species having a standard electrode potential forms a core, and the standard electrode A metal species having a noble potential forms a shell. That is, a metal species having a lower standard electrode potential than the catalyst metal is combined. Specifically, when a reduction treatment is performed on a solution in which gold ions and platinum ions coexist, gold is first reduced to form a core, and then platinum is deposited around the core.

以上のように、各成分の組み合わせは、触媒金属微粒子(A)のコア・シェル構造に応じて、適宜決定することになる。具体的な組み合わせ(a1、a2、bの順で記載)としては、白金塩及び/又は白金錯体と金塩及び/又は金錯体とパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の組み合わせ、パラジウム塩及び/又はパラジウム錯体と金塩及び/又は金錯体とパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の組み合わせ、白金塩及び/又は白金錯体と金塩及び/又は金錯体とポリエーテルケトンスルホン酸樹脂の組み合わせ、白金塩及び/又は白金錯体とイリジウム塩及び/又はイリジウム錯体とパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の組み合わせ等が挙げられる。
その他組み合わせとして、白金塩及び/又は白金錯体と金塩及び/又は金錯体とパーフルオロカーボンテトラアルキルアンモニウム塩樹脂の組み合わせ、パラジウム塩及び/又はパラジウム錯体と金塩及び/又は金錯体とパーフルオロカーボンテトラアルキルアンモニウム塩樹脂の組み合わせ、白金塩及び/又は白金錯体とイリジウム塩及び/又はイリジウム錯体とパーフルオロカーボンテトラアルキルアンモニウム塩樹脂の組み合わせ等も挙げられる。
As described above, the combination of each component is appropriately determined according to the core / shell structure of the catalytic metal fine particles (A). Specific combinations (described in the order of a1, a2, and b) include platinum salts and / or platinum complexes and gold salts and / or gold complexes and perfluorocarbon sulfonic acid resins, palladium salts and / or palladium complexes. Combination of gold salt and / or gold complex and perfluorocarbon sulfonic acid resin, platinum salt and / or platinum complex and gold salt and / or combination of gold complex and polyether ketone sulfonic acid resin, platinum salt and / or platinum complex and iridium Examples thereof include a combination of a salt and / or iridium complex and a perfluorocarbon sulfonic acid resin.
Other combinations include platinum salt and / or platinum complex and gold salt and / or gold complex and perfluorocarbon tetraalkylammonium salt resin, palladium salt and / or palladium complex and gold salt and / or gold complex and perfluorocarbon tetraalkyl. Combinations of ammonium salt resins, combinations of platinum salts and / or platinum complexes and iridium salts and / or iridium complexes and perfluorocarbon tetraalkylammonium salt resins, and the like are also included.

触媒金属前駆物質(a1)、金属前駆物質(a2)及びイオン交換性高分子(b)を溶媒(c)に溶解して調製した第一の混合溶液は、触媒金属前駆物質(a1)の溶解により生じた触媒金属イオンと、金属前駆物質(a2)の溶解により生じた金属イオンとが共存している。これらのイオンを還元して金属元素を析出させる方法(還元処理)としては、特に限定されず、例えば、水素ガスや水素化ホウ素アルカリ金属塩、水素化ホウ素4級アンモニウム塩、ジボラン、ヒドラジン、アルコール、アルコールアミン等の還元剤を用いる方法の他、光還元(UV光、可視光、放射光など)、超音波還元、マイクロ波還元等が挙げられる。還元処理は複数組み合わせてもよい。また、還元剤存在下、加熱還流してもよい。還元処理は、窒素ガス雰囲気等の不活性雰囲気下で行うことが好ましい。   The first mixed solution prepared by dissolving the catalytic metal precursor (a1), the metal precursor (a2) and the ion exchange polymer (b) in the solvent (c) is a solution of the catalytic metal precursor (a1). The catalyst metal ion generated by the above and the metal ion generated by dissolution of the metal precursor (a2) coexist. The method of reducing these ions to deposit a metal element (reduction treatment) is not particularly limited. For example, hydrogen gas, alkali metal borohydride, quaternary ammonium borohydride, diborane, hydrazine, alcohol In addition to methods using a reducing agent such as alcoholamine, photoreduction (UV light, visible light, radiant light, etc.), ultrasonic reduction, microwave reduction, and the like can be mentioned. A plurality of reduction treatments may be combined. Moreover, you may heat-reflux in presence of a reducing agent. The reduction treatment is preferably performed in an inert atmosphere such as a nitrogen gas atmosphere.

中でも、エタノール等のアルコールやNaBH4等の水素化ホウ素アルカリ金属塩を還元剤として用いる場合、触媒金属微粒子の粒径の制御が容易となる。一方、水溶液中での還元処理によって触媒金属微粒子の粒径の制御が容易になると共に、複合触媒の高い分散安定性が得られることから、NaBH4を還元剤として用い、溶媒(c)として水を用いることが特に好ましい。
NaBH4を還元剤とする場合、還元処理温度を−5℃〜80℃、特に0〜30℃とすることが好ましく、滴下するNaBH4溶液の濃度を当量で0.001mmol/l〜0.1mmol/lとすることが好ましい。また、溶液中におけるBaBH4の濃度の急激な上昇を防ぐため、ゆっくりと滴下することが好ましく、具体的には、5ml/15分程度の速度で滴下することが好ましい。
In particular, when an alcohol such as ethanol or an alkali metal borohydride such as NaBH 4 is used as the reducing agent, the particle size of the catalyst metal fine particles can be easily controlled. On the other hand, the reduction treatment in an aqueous solution makes it easy to control the particle diameter of the catalyst metal fine particles and provides high dispersion stability of the composite catalyst. Therefore, NaBH 4 is used as the reducing agent and water as the solvent (c). It is particularly preferable to use
When NaBH 4 is used as the reducing agent, the reduction treatment temperature is preferably −5 ° C. to 80 ° C., particularly preferably 0 to 30 ° C., and the concentration of the NaBH 4 solution added dropwise is 0.001 mmol / l to 0.1 mmol in terms of equivalent. / L is preferable. Further, in order to prevent a rapid increase in the concentration of BaBH 4 in the solution, it is preferable to drop it slowly, and specifically, it is preferable to drop it at a rate of about 5 ml / 15 minutes.

還元処理によって析出した触媒金属微粒子(A)に、保護剤であるイオン交換性高分子(B)が化学的及び/又は物理的に吸着し、本願の複合触媒が得られる。得られた複合触媒は、そのまま、溶媒(c)に分散した分散液として用いることもできるし、ウルトラフィルター等を用いてろ過し、必要に応じて洗浄、溶媒置換した分散液としたり、分散液を乾燥させることによって粉末状とすることもできる。また、複合触媒の分散液は、適宜、減圧蒸留や溶剤の添加により固形分や粘度の調整を行ってよい。   The ion-exchange polymer (B) as a protective agent is chemically and / or physically adsorbed on the catalyst metal fine particles (A) deposited by the reduction treatment, and the composite catalyst of the present application is obtained. The obtained composite catalyst can be used as it is as a dispersion dispersed in the solvent (c), or filtered using an ultrafilter or the like, and washed or solvent-dispersed as necessary. It can also be made into powder by drying. The dispersion of the composite catalyst may be appropriately adjusted for solid content and viscosity by distillation under reduced pressure or addition of a solvent.

次に、逐次還元法について説明する。逐次還元法は、まず、イオン交換性高分子(b)及び金属前駆物質(a2)を溶解した混合溶液に対して還元処理を施して金属コアとなる金属微粒子を形成し、続いて、該金属微粒子が分散し且つイオン交換性高分子(b)が溶解している溶液に、触媒金属前駆物質(a1)を添加し、該溶液に対して還元処理を施して触媒金属イオンを還元することで、金属コアの表面に触媒金属シェルが形成されたコア・シェル型触媒金属微粒子を析出させる方法である。
具体的には、水溶性及び/又は有機溶媒可溶性を有し、還元により金属コアを形成する金属前駆物質(a2)と、イオン交換性高分子(b)と、前記金属前駆物質(a2)及び前記イオン交換性高分子(b)を溶解可能な溶媒(c1)と、を混合した第二の混合溶液を調製し、該第二の混合溶液中の前記金属前駆物質(a2)を還元して金属微粒子を析出させた後、水溶性及び/又は有機溶媒可溶性を有し、還元により触媒金属シェルを形成する触媒金属前駆物質(a1)を、該触媒金属前駆物質(a1)及び前記イオン交換性高分子(b)を溶解可能な溶媒(c2)と、該イオン交換性高分子(b)と、前記金属微粒子と混合して第三の混合溶液を調製し、該第三の混合溶液中の触媒金属前駆物質(a1)を還元して前記金属微粒子の表面に触媒金属を析出させることによって、複合触媒が前記溶媒(c2)に分散した分散液を調製することができる(図3参照)。
Next, the sequential reduction method will be described. In the successive reduction method, first, a mixed solution in which the ion-exchange polymer (b) and the metal precursor (a2) are dissolved is subjected to a reduction treatment to form metal fine particles to be a metal core, and then the metal A catalyst metal precursor (a1) is added to a solution in which fine particles are dispersed and an ion-exchange polymer (b) is dissolved, and the solution is subjected to a reduction treatment to reduce the catalyst metal ions. In this method, core-shell type catalyst metal fine particles having a catalyst metal shell formed on the surface of the metal core are deposited.
Specifically, a metal precursor (a2) that has water solubility and / or organic solvent solubility and forms a metal core by reduction, an ion-exchangeable polymer (b), the metal precursor (a2), and A second mixed solution in which the solvent (c1) capable of dissolving the ion-exchange polymer (b) is mixed is prepared, and the metal precursor (a2) in the second mixed solution is reduced. After the metal fine particles are deposited, the catalyst metal precursor (a1) which has water solubility and / or organic solvent solubility and forms a catalyst metal shell by reduction is converted into the catalyst metal precursor (a1) and the ion exchange property. A solvent (c2) capable of dissolving the polymer (b), the ion-exchange polymer (b), and the metal fine particles are mixed to prepare a third mixed solution, and in the third mixed solution, The surface of the metal fine particles by reducing the catalyst metal precursor (a1) By precipitating the catalyst metals, can be prepared a dispersion composite catalyst is dispersed in the solvent (c2) (see FIG. 3).

水溶性及び/又は有機溶媒可溶性を有する触媒金属前駆物質(a1)、金属前駆物質(a2)、イオン交換性高分子(b)としては、上記同時還元法において例示したものと同様であり、また、これらの仕込み量も、触媒金属前駆物質(a1)の添加時期が異なるだけで同時還元法と同様でよい。   The catalytic metal precursor (a1), metal precursor (a2), and ion-exchange polymer (b) having water solubility and / or organic solvent solubility are the same as those exemplified in the simultaneous reduction method, and These charge amounts may be the same as those in the simultaneous reduction method except that the catalyst metal precursor (a1) is added at different times.

また、金属前駆物質(a2)及びイオン交換性高分子(b)を溶解可能な溶媒(c1)、触媒金属前駆物質(a1)及びイオン交換性高分子(b)を溶解可能な溶媒(c2)としても、同時還元法同様、1種のみからなるものでも、2種以上の混合物でもよく、同時還元法において例示したような溶剤から選択して用いることができるが、中でも水溶液、特に水が好ましい。溶媒(c1)及び(c2)の種類は、それぞれ、金属前駆物質(a2)の還元処理方法、触媒金属前駆物質(a1)還元処理方法に応じて選択することが好ましい。
溶媒(c1)及び(c2)の使用量は特に限定されず、各成分(a1)、(a2)及び(b)の溶解性に合わせて適宜決めればよいが、金属イオン濃度[(a1)及び(a2)に由来する金属イオンの合計]が触媒金属微粒子(A)の粒子径に影響を与えることを考慮して、一般的には、金属イオン濃度を1×10-5mol/l〜1×10-2mol/lとすることが好ましい。
Further, a solvent (c1) capable of dissolving the metal precursor (a2) and the ion exchange polymer (b), a solvent (c2) capable of dissolving the catalyst metal precursor (a1) and the ion exchange polymer (b). As in the simultaneous reduction method, it may be composed of only one kind or a mixture of two or more kinds, and can be selected and used from the solvents exemplified in the simultaneous reduction method. . The types of the solvents (c1) and (c2) are preferably selected according to the reduction treatment method for the metal precursor (a2) and the reduction treatment method for the catalyst metal precursor (a1), respectively.
The amount of the solvent (c1) and (c2) used is not particularly limited, and may be appropriately determined according to the solubility of each component (a1), (a2) and (b), but the metal ion concentration [(a1) and Considering that the total of metal ions derived from (a2) affects the particle diameter of the catalyst metal fine particles (A), the metal ion concentration is generally 1 × 10 −5 mol / l to 1 It is preferable to set it as x10 <-2 > mol / l.

金属前駆物質(a2)及びイオン交換性高分子(b)を溶媒(c1)に溶解する方法、触媒金属前駆物質(a1)、イオン交換性高分子(b)、及び金属前駆物質(a2)の還元により得られる金属微粒子を溶媒(c2)に溶解、分散する方法は特に限定されず、一般的な混合攪拌方法を利用することができる。各成分と各溶媒を同時に混合してもよいし、予め、各成分を溶媒に溶解及び/又は分散させ、得られた各溶液を混合してもよい(図3参照)。
さらに、触媒金属前駆物質(a1)及び金属前駆物質(a2)それぞれの還元方法も同時還元法と同様とすることができる。
Method of dissolving metal precursor (a2) and ion-exchange polymer (b) in solvent (c1), catalyst metal precursor (a1), ion-exchange polymer (b), and metal precursor (a2) The method for dissolving and dispersing the metal fine particles obtained by the reduction in the solvent (c2) is not particularly limited, and a general mixing and stirring method can be used. Each component and each solvent may be mixed simultaneously, or each component may be previously dissolved and / or dispersed in a solvent and the resulting solutions may be mixed (see FIG. 3).
Furthermore, the reduction methods of the catalytic metal precursor (a1) and the metal precursor (a2) can be the same as the simultaneous reduction method.

金属前駆物質(a2)と、イオン交換性高分子(b)と、溶媒(c1)とを混合した第二の混合溶液中には、金属前駆物質(a2)の溶解により金属イオンが生じており、還元処理を施すことによって、金属元素が析出、凝集し、金属微粒子が得られる。このとき、イオン交換性高分子(b)が保護剤として作用するため、金属微粒子の粒径が制御され、且つ、金属微粒子の凝集が抑制される。得られる金属微粒子の表面にはイオン交換性高分子(b)が化学的及び/又は物理的に付着している(図3参照)。   In the second mixed solution obtained by mixing the metal precursor (a2), the ion-exchange polymer (b), and the solvent (c1), metal ions are generated due to dissolution of the metal precursor (a2). By applying the reduction treatment, the metal elements are precipitated and aggregated, and metal fine particles are obtained. At this time, since the ion-exchange polymer (b) acts as a protective agent, the particle size of the metal fine particles is controlled, and aggregation of the metal fine particles is suppressed. The ion-exchange polymer (b) is chemically and / or physically attached to the surface of the obtained metal fine particles (see FIG. 3).

イオン交換性高分子(b)が付着した金属微粒子は、溶媒(c1)中に分散した状態で得られる。この金属微粒子が分散した溶液に、触媒金属前駆物質(a1)を添加、還元してもよいが、金属前駆物質(a2)の還元処理の残留した還元剤、未反応原料や副生成物の除去等のため、必要に応じて、ウルトラフィルター等を用いて該金属微粒子をろ過、洗浄し、溶媒置換[好ましくは、イオン交換性高分子(b)と触媒金属前駆物質(a1)を溶解可能な溶媒(c2)に置換]を行ってもよい。
このように溶媒置換を行う場合、溶媒(c1)は触媒金属前駆物質(a1)に対して可溶性を有していなくてもよいが、溶媒置換を行わない場合には、溶媒(c1)として触媒金属前駆物質(a1)を溶解可能な溶剤、すなわち、金属前駆物質(a2)、イオン交換性高分子(b)及び触媒金属前駆物質(a1)を溶解可能であり、溶媒(c1)及び溶媒(c2)として利用可能な溶剤を用いることが好ましい。ただし、触媒金属前駆物質(a1)と共に、該触媒金属前駆物質(a1)を溶解可能な溶剤を添加することで、溶媒(c2)としてもよい。
The metal fine particles to which the ion exchange polymer (b) is attached are obtained in a state of being dispersed in the solvent (c1). The catalyst metal precursor (a1) may be added and reduced to the solution in which the metal fine particles are dispersed, but the reducing agent remaining after the reduction treatment of the metal precursor (a2), unreacted raw materials and by-products are removed. Therefore, if necessary, the metal fine particles are filtered and washed using an ultra filter or the like, and solvent replacement [preferably, the ion-exchangeable polymer (b) and the catalyst metal precursor (a1) can be dissolved. Substitution in solvent (c2)] may be performed.
When solvent substitution is carried out in this way, the solvent (c1) may not be soluble in the catalyst metal precursor (a1). However, when solvent substitution is not carried out, the catalyst is used as the solvent (c1). A solvent capable of dissolving the metal precursor (a1), that is, the metal precursor (a2), the ion-exchange polymer (b), and the catalyst metal precursor (a1) can be dissolved, and the solvent (c1) and the solvent ( It is preferable to use a solvent that can be used as c2). However, the solvent (c2) may be obtained by adding a solvent capable of dissolving the catalyst metal precursor (a1) together with the catalyst metal precursor (a1).

次に、イオン交換性高分子(b)が付着した金属微粒子と、溶媒(c2)と、触媒金属前駆物質(a1)を混合した第三の混合溶液を調製し、該第三の混合溶液中の触媒金属前駆物質(a1)を還元する。その結果、前記金属微粒子の表面に触媒金属が析出し、該金属微粒子をコア、触媒金属をシェルとしたコア・シェル型金属触媒微粒子(A)の表面にイオン交換性高分子(b)が付着した複合触媒を得ることができる。   Next, a third mixed solution is prepared by mixing the metal fine particles to which the ion-exchange polymer (b) is adhered, the solvent (c2), and the catalytic metal precursor (a1), and in the third mixed solution The catalytic metal precursor (a1) is reduced. As a result, the catalyst metal is deposited on the surface of the metal fine particles, and the ion-exchange polymer (b) adheres to the surface of the core-shell type metal catalyst fine particles (A) having the metal fine particles as the core and the catalyst metal as the shell. Thus obtained composite catalyst can be obtained.

上記のように、逐次還元法においては、コアとなる金属微粒子を形成させたのち、該金属微粒子が分散した溶液に、触媒金属シェルを形成する触媒金属前駆物質を添加、還元することで、金属コアとなる該金属微粒子表面に触媒金属を析出させる。従って、逐次還元法においては、イオン交換性高分子(b)と各金属前駆物質との相互作用の強弱や、各金属前駆物質の金属種の標準電極電位の貴・卑等を必ずしも考慮する必要はない。ゆえに、逐次還元法は、同時還元法に比べて、触媒金属前駆物質(a1)、金属前駆物質(a2)及びイオン交換性高分子(b)の組み合わせの自由度が高いといえる。
例えば、触媒金属前駆物質(a1)と金属前駆物質(a2)の具体的な組み合わせ(a1、a2の順で記載)としては、白金塩及び/又は白金錯体と金塩及び/又は金錯体の組み合わせ、白金塩及び/又は白金錯体とルテニウム塩及び/又はルテニウム錯体の組み合わせ、白金塩及び/又は白金錯体とパラジウム塩及び/又はパラジウム錯体の組み合わせ、白金塩及び/又は白金錯体と銀塩及び/又は銀錯体の組み合わせ、白金塩及び/又は白金錯体と銅塩及び/又は銅錯体の組み合わせ等が挙げられる。
As described above, in the successive reduction method, after forming the metal fine particles as the core, the catalyst metal precursor that forms the catalyst metal shell is added to the solution in which the metal fine particles are dispersed, and the metal is reduced. A catalytic metal is deposited on the surface of the metal fine particles to be the core. Therefore, in the successive reduction method, it is necessary to always consider the strength of the interaction between the ion-exchange polymer (b) and each metal precursor, and the nobility of the standard electrode potential of the metal species of each metal precursor. There is no. Therefore, it can be said that the sequential reduction method has a higher degree of freedom in the combination of the catalytic metal precursor (a1), the metal precursor (a2), and the ion-exchangeable polymer (b) than the simultaneous reduction method.
For example, as a specific combination of the catalytic metal precursor (a1) and the metal precursor (a2) (described in the order of a1 and a2), a combination of a platinum salt and / or a platinum complex and a gold salt and / or a gold complex A combination of a platinum salt and / or a platinum complex and a ruthenium salt and / or a ruthenium complex, a combination of a platinum salt and / or a platinum complex and a palladium salt and / or a palladium complex, a platinum salt and / or a platinum complex and a silver salt and / or The combination of a silver complex, the combination of a platinum salt and / or a platinum complex, and a copper salt and / or a copper complex etc. are mentioned.

逐次還元法により得られた複合触媒は、同時還元法により得られた複合触媒同様、そのまま、溶媒(c2)に分散した分散液として用いることもできるし、ウルトラフィルター等を用いてろ過し、必要に応じて洗浄、溶媒置換した分散液としたり、さらに乾燥することによって粉末状とすることもできる。また、複合触媒の分散液は、適宜、減圧蒸留や溶剤の添加により固形分や粘度の調整を行ってよい。   As with the composite catalyst obtained by the simultaneous reduction method, the composite catalyst obtained by the sequential reduction method can be used as it is as a dispersion dispersed in the solvent (c2), or filtered using an ultrafilter or the like. Depending on the above, it can be made into a dispersion by washing and solvent substitution, or by further drying. The dispersion of the composite catalyst may be appropriately adjusted for solid content and viscosity by distillation under reduced pressure or addition of a solvent.

同時還元法及び逐次還元法のように、攪拌・対流が可能な溶液中で金属を還元、析出させる場合、溶液全体で均一に反応が進行するため、微細で、均一な触媒金属微粒子が得られる。つまり、過剰な前駆物質を用いずに、且つ、均一な粒度分布を有する触媒金属微粒子を効率良く作製することができる。
尚、本発明において、各微粒子の粒径は、TEM、XRD、CO吸着、小角X線等により測定することができる。
When the metal is reduced and deposited in a solution that can be stirred and convected, as in the simultaneous reduction method and the sequential reduction method, the reaction proceeds uniformly throughout the solution, so that fine and uniform catalytic metal particles can be obtained. . That is, catalyst metal fine particles having a uniform particle size distribution can be efficiently produced without using an excessive precursor.
In the present invention, the particle size of each fine particle can be measured by TEM, XRD, CO adsorption, small-angle X-ray, or the like.

本発明の複合触媒は、燃料電池の触媒層に好適に用いることができる。以下、本発明の複合触媒を含有する触媒層を備えた燃料電池について説明する。尚、ここではカチオン交換性高分子膜であるプロトン伝導性高分子膜を備えた燃料電池を例に説明するが、本発明の燃料電池は、アニオン交換性高分子膜を備えた構成とすることもできる。
燃料電池に備えられる単セルの一例(断面図)を図4に示す。図4において、単セル100は、プロトン伝導性高分子膜(以下、単に電解質膜ということがある)1の一面側に燃料極(アノード)2、及び酸化剤極(カソード)3が設けられた膜・電極接合体6を有している。燃料極2は電解質膜1に近い側から燃料極側触媒層4a、燃料極側ガス拡散層5aがこの順序で積層して構成されている。酸化剤極3も同様に電解質膜1に近い側から酸化剤極側触媒層4b、酸化剤極側ガス拡散層5bがこの順序で積層して構成されている。
尚、本実施形態において、各電極(燃料極、酸化剤極)は、共に、触媒層とガス拡散層とが積層した構造を有しているが、触媒層のみからなる単層構造であってもよいし、触媒層とガス拡散層の他に機能層を設けた構造でもよい。
The composite catalyst of the present invention can be suitably used for a catalyst layer of a fuel cell. Hereinafter, a fuel cell provided with a catalyst layer containing the composite catalyst of the present invention will be described. In addition, although the fuel cell provided with the proton conductive polymer membrane which is a cation exchange polymer membrane is demonstrated here as an example, the fuel cell of this invention shall be set as the structure provided with the anion exchange polymer membrane. You can also.
An example (cross-sectional view) of a single cell provided in the fuel cell is shown in FIG. In FIG. 4, a single cell 100 is provided with a fuel electrode (anode) 2 and an oxidant electrode (cathode) 3 on one side of a proton conductive polymer membrane (hereinafter sometimes referred to simply as an electrolyte membrane) 1. A membrane / electrode assembly 6 is provided. The fuel electrode 2 is formed by laminating a fuel electrode side catalyst layer 4a and a fuel electrode side gas diffusion layer 5a in this order from the side close to the electrolyte membrane 1. Similarly, the oxidant electrode 3 is formed by laminating the oxidant electrode side catalyst layer 4b and the oxidant electrode side gas diffusion layer 5b in this order from the side close to the electrolyte membrane 1.
In this embodiment, each electrode (fuel electrode, oxidant electrode) has a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated, but has a single-layer structure composed of only the catalyst layer. Alternatively, a structure in which a functional layer is provided in addition to the catalyst layer and the gas diffusion layer may be used.

この膜・電極接合体6は、二つのセパレータ7a、7bで狭持され、単セル100が構成される。各セパレータ7a、7bの片面には、反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)の流路を形成する溝が設けられており、これらの溝と燃料極2、酸化剤極3の外面とで燃料ガス流路8a、酸化剤ガス流路8bが画成されている。燃料ガス流路8aは、燃料極2に燃料ガス(水素を含む又は水素を発生させる気体)を供給するための流路であり、酸化剤ガス流路8bは、酸化剤極3に酸化剤ガス(酸素を含む又は酸素を発生させる気体)を供給するための流路である。
燃料電池には、複数の単セルが直列及び/又は並列接続されて搭載される。
The membrane / electrode assembly 6 is sandwiched between two separators 7 a and 7 b to form a single cell 100. On one side of each of the separators 7a and 7b, grooves for forming a flow path of the reaction gas (fuel gas and oxidant gas) are provided. The fuel is formed by these grooves and the outer surfaces of the fuel electrode 2 and the oxidant electrode 3. A gas flow path 8a and an oxidant gas flow path 8b are defined. The fuel gas channel 8 a is a channel for supplying a fuel gas (a gas containing hydrogen or generating hydrogen) to the fuel electrode 2, and the oxidant gas channel 8 b is an oxidant gas to the oxidant electrode 3. It is a flow path for supplying (a gas containing or generating oxygen).
In the fuel cell, a plurality of single cells are mounted in series and / or connected in parallel.

本発明の複合触媒は、触媒層に含有させて電極触媒として使用することができる。既述したように、本発明の複合触媒は、電極反応に対して触媒活性を有する触媒金属微粒子(A)の表面にイオン交換性高分子(B)が付着していることから、電極反応を活性化する電極触媒としての機能を有すると共に、該電極触媒表面に接触するイオン伝導パスを形成することができる。従って、本発明の複合触媒を用いることによって、触媒層における三相界面を効率良く形成することができる。   The composite catalyst of the present invention can be used in the catalyst layer as an electrode catalyst. As described above, the composite catalyst of the present invention has an electrode reaction because the ion-exchange polymer (B) is attached to the surface of the catalytic metal fine particles (A) having catalytic activity for the electrode reaction. It has a function as an electrode catalyst to be activated and can form an ion conduction path in contact with the surface of the electrode catalyst. Therefore, the three-phase interface in the catalyst layer can be efficiently formed by using the composite catalyst of the present invention.

また、本発明の複合触媒は溶媒に分散した状態で得ることができる。この複合触媒分散液は、従来の触媒インクと同様にして用いることが可能であるため、従来のように、イオン交換性高分子溶液に、粉末状の触媒粒子を分散させる手間を省くことができ、且つ、プロトン伝導性高分子と触媒微粒子との分散性に優れた触媒層を形成することが可能である。すなわち、本発明により得られる複合触媒分散液を用いることによって、触媒層の製造工程の簡易化と共に、触媒層の性能向上が可能である。
複合触媒分散液には、必要に応じて、プロトン伝導性高分子(イオン交換性高分子)の他、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の撥水性樹脂、導電性粒子等を加えてもよい。但し、既述したが、導電性粒子として炭素粒子や炭素繊維等の炭素質粒子を用いる場合、炭素質粒子の腐食による発電性能低下や過酸化水素生成による電解質膜の劣化等の問題が発生しやすい。本発明の複合触媒は、分散性が高く、担体に担持させなくても凝集せずにその分散性を維持することが可能であることから、炭素質担体に担持させずに触媒層を形成することが好ましい。炭素質担体に担持させずに触媒層に含有させることによって燃料電池の耐久性を向上させることが可能である。
The composite catalyst of the present invention can be obtained in a state dispersed in a solvent. Since this composite catalyst dispersion can be used in the same manner as conventional catalyst inks, it is possible to save time and effort to disperse powdered catalyst particles in an ion-exchange polymer solution as in the past. In addition, it is possible to form a catalyst layer having excellent dispersibility between the proton conductive polymer and the catalyst fine particles. That is, by using the composite catalyst dispersion obtained by the present invention, the catalyst layer production process can be simplified and the performance of the catalyst layer can be improved.
In addition to the proton conductive polymer (ion exchange polymer), a water repellent resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE), conductive particles, and the like may be added to the composite catalyst dispersion as necessary. However, as described above, when carbonaceous particles such as carbon particles and carbon fibers are used as the conductive particles, problems such as deterioration in power generation performance due to corrosion of the carbonaceous particles and deterioration of the electrolyte membrane due to hydrogen peroxide generation may occur. Cheap. Since the composite catalyst of the present invention has high dispersibility and can maintain the dispersibility without agglomeration without being supported on a carrier, the catalyst layer is formed without being supported on a carbonaceous carrier. It is preferable. The durability of the fuel cell can be improved by including it in the catalyst layer without being supported on the carbonaceous support.

複合触媒の分散液は、上記したように、そのまま、或いは、必要に応じて、減圧蒸留や溶液添加による固形分や粘度の調整、成分の添加を行い、触媒インクとして用いることができる。このような触媒インクによる触媒層の形成は、一般的な方法に準じて行うことができる。例えば、触媒インクを電解質膜又はガス拡散層シートに塗布、乾燥することで、電解質膜表面又はガス拡散層表面に触媒層を形成することができる。或いは、転写基材表面に触媒インクを塗布、乾燥して触媒転写シートを作製し、電解質膜表面又はガス拡散層表面に触媒層を転写する方法でもよい。   As described above, the composite catalyst dispersion liquid can be used as a catalyst ink as it is or after adjustment of solid content and viscosity and addition of components by distillation under reduced pressure or addition of a solution as necessary. Formation of the catalyst layer with such a catalyst ink can be performed according to a general method. For example, the catalyst layer can be formed on the surface of the electrolyte membrane or the gas diffusion layer by applying the catalyst ink to the electrolyte membrane or the gas diffusion layer sheet and drying. Alternatively, a method may be used in which catalyst ink is applied to the surface of the transfer substrate and dried to prepare a catalyst transfer sheet, and the catalyst layer is transferred to the electrolyte membrane surface or the gas diffusion layer surface.

触媒インクの塗布方法は、特に限定されず、インクジェット法やスプレー法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法、スクリーン印刷法等、一般的な方法を用いることができる。
触媒インクの乾燥方法は特に限定されず、減圧乾燥、加熱乾燥、減圧乾燥と加熱乾燥の併用等が挙げられる。加熱温度は、触媒インクの溶媒に応じて調節すればよい。尚、触媒インクの塗布対象(電解質膜、ガス拡散層シート、転写基材等)を加熱しながら、触媒インクを塗布することで、触媒インクの塗布と乾燥を同時に行ってもよい。
The method for applying the catalyst ink is not particularly limited, and general methods such as an inkjet method, a spray method, a doctor blade method, a gravure printing method, a die coating method, and a screen printing method can be used.
The drying method of the catalyst ink is not particularly limited, and examples thereof include vacuum drying, heat drying, combined use of vacuum drying and heat drying. The heating temperature may be adjusted according to the solvent of the catalyst ink. The catalyst ink may be applied and dried at the same time by applying the catalyst ink while heating the catalyst ink application target (electrolyte film, gas diffusion layer sheet, transfer substrate, etc.).

また、触媒インクにガス発泡性の造孔剤を添加し、触媒インク塗布後、熱処理又はpH処理等により造孔剤を発泡させることによって、多孔質構造の触媒層を形成することができる。ガス発泡性の造孔剤としては、触媒層の造孔剤として一般的なもの、例えば、CeCO3等を用いることができる。 Moreover, a porous catalyst layer can be formed by adding a gas-foaming pore-forming agent to the catalyst ink, and foaming the pore-forming agent by heat treatment or pH treatment after applying the catalyst ink. As the gas foaming pore-forming agent, a material generally used as the pore-forming agent for the catalyst layer, such as CeCO 3, can be used.

さらには、本発明の複合触媒は、分散性が高く、また、触媒金属微粒子とイオン交換性高分子を高分散状態で含有する分散液として得ることができることから、カーボンナノチューブやカーボンナノホーン、導電性高分子等、ナノスケールの導電性担体に塗布して使用することも可能である。カーボンナノチューブやカーボンナノホーンは炭素質材料であり、触媒層に含有させることによって上記したような炭素質担体による問題が生じるものの、触媒層のガス拡散性向上効果等を有しているため、触媒微粒子の担体として注目されている。しかしながら、従来は、触媒粒子を高分散させた溶液の調製が困難であったため、カーボンナノチューブやカーボンナノホーンに触媒微粒子を高分散状態で担持させることが難しかった。これに対して、本発明によれば、触媒微粒子が凝集せずに安定に分散した分散液を得ることができるため、カーボンナノチューブやカーボンナノホーンに触媒微粒子を高分散状態で担持させることが可能である。   Furthermore, since the composite catalyst of the present invention is highly dispersible and can be obtained as a dispersion containing catalyst metal fine particles and an ion-exchange polymer in a highly dispersed state, carbon nanotubes, carbon nanohorns, conductive It is also possible to apply it to a nanoscale conductive carrier such as a polymer. Although carbon nanotubes and carbon nanohorns are carbonaceous materials and contain the above-mentioned problems due to the carbonaceous support when they are contained in the catalyst layer, they have the effect of improving the gas diffusibility of the catalyst layer, etc. It is attracting attention as a carrier. However, conventionally, since it was difficult to prepare a solution in which catalyst particles are highly dispersed, it is difficult to support catalyst fine particles in a highly dispersed state on carbon nanotubes or carbon nanohorns. On the other hand, according to the present invention, a dispersion in which catalyst fine particles are stably dispersed without agglomeration can be obtained, so that the catalyst fine particles can be supported in a highly dispersed state on carbon nanotubes or carbon nanohorns. is there.

本発明の燃料電池の触媒層においては、上記触媒金属微粒子(A)のシェルを形成する触媒金属種又はコアを形成する金属種の種類、触媒金属微粒子(A)の粒径、複合触媒におけるイオン交換性高分子(B)と触媒金属微粒子(A)比率等を、触媒層の厚さ方向及び/又は触媒層の面方向で変化させた形態とすることもできる。   In the catalyst layer of the fuel cell of the present invention, the catalyst metal species forming the shell of the catalyst metal fine particles (A) or the type of metal species forming the core, the particle size of the catalyst metal fine particles (A), the ions in the composite catalyst The ratio of the exchangeable polymer (B) to the catalyst metal fine particles (A) may be changed in the thickness direction of the catalyst layer and / or the surface direction of the catalyst layer.

本発明の燃料電池において、電解質膜(プロトン伝導性高分子膜)としては、一般的に燃料電池の電解質膜として用いられているものを特に制限することなく使用することができ、例えば、ナフィオン(商品名、デュポン社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂に代表されるフッ素系高分子電解質を含むものや、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド等の炭化水素系高分子にプロトン解離性基を導入した炭化水素系高分子電解質を含むもの等が挙げられる。   In the fuel cell of the present invention, as an electrolyte membrane (proton conductive polymer membrane), those generally used as an electrolyte membrane of a fuel cell can be used without particular limitation. For example, Nafion ( Products containing fluorine-based polymer electrolytes such as perfluorocarbon sulfonic acid resin (trade name, manufactured by DuPont), and hydrocarbon polymers such as polyether ether ketone, polyether ketone, polyether sulfone, and polyphenylene sulfide And those containing a hydrocarbon polymer electrolyte into which a proton dissociable group is introduced.

ガス拡散層シートとしては、触媒層に効率良くガスを供給することができるガス拡散性、導電性、及びガス拡散層を構成する材料として要求される強度を有するもの、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔質体や、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅及びその合金、銀、アルミ合金、亜鉛合金、鉛合金、チタン、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス、金、白金等の金属から構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等の導電性多孔質体を用いることができる。導電性多孔質体の厚さは、50〜500μm程度であることが好ましい。   The gas diffusion layer sheet has gas diffusibility, conductivity, and a strength required as a material constituting the gas diffusion layer, for example, carbon paper, carbon cloth, which can efficiently supply gas to the catalyst layer. Carbonaceous porous bodies such as carbon felt, titanium, aluminum, copper, nickel, nickel-chromium alloy, copper and its alloys, silver, aluminum alloy, zinc alloy, lead alloy, titanium, niobium, tantalum, iron, stainless steel A conductive porous body such as a metal mesh or a metal porous body made of metal such as gold or platinum can be used. The thickness of the conductive porous body is preferably about 50 to 500 μm.

ガス拡散層シートは、上記したような導電性多孔質体の単層からなるものであってもよいが、触媒層に面する側に撥水層を設けることもできる。撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものである。撥水層は、必ずしも必要なものではないが、触媒層及び電解質膜内の水分量を適度に保持しつつ、ガス拡散層の排水性を高めることができる上に、触媒層とガス拡散層間の電気的接触を改善することができるという利点がある。   The gas diffusion layer sheet may be composed of a single layer of the conductive porous body as described above, but a water repellent layer may be provided on the side facing the catalyst layer. The water-repellent layer usually has a porous structure containing conductive particles such as carbon particles and carbon fibers, water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE), and the like. The water-repellent layer is not always necessary, but it can improve the drainage of the gas diffusion layer while maintaining an appropriate amount of water in the catalyst layer and the electrolyte membrane. There is an advantage that electrical contact can be improved.

撥水層を導電性多孔質体上に形成する方法は特に限定されない。例えば、炭素粒子等の導電性粉粒体と撥水性樹脂、及び必要に応じてその他の成分を、エタノール、プロパノール、プロピレングリコール等の有機溶剤、水又はこれらの混合物等の溶剤と混合した撥水層インクを、導電性多孔質体の少なくとも触媒層に面する側に塗布し、その後、乾燥及び/又は焼成すればよい。撥水層インクを導電性多孔質体に塗布する方法としては、例えば、スクリーン印刷法、スプレー法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等が挙げられる。   The method for forming the water repellent layer on the conductive porous body is not particularly limited. For example, water repellent obtained by mixing conductive particles such as carbon particles, water repellent resin, and other components as necessary with an organic solvent such as ethanol, propanol, propylene glycol, water or a mixture thereof. The layer ink may be applied to at least the side of the conductive porous body facing the catalyst layer, and then dried and / or fired. Examples of the method for applying the water repellent layer ink to the conductive porous body include a screen printing method, a spray method, a doctor blade method, a gravure printing method, and a die coating method.

また、導電性多孔質体は、触媒層と面する側に、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性樹脂をバーコーター等によって含浸塗布することによって、触媒層内の水分がガス拡散層の外へ効率良く排出されるように加工してもよい。   In addition, the conductive porous body is formed by impregnating and applying a water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene to the side facing the catalyst layer with a bar coater, etc. You may process so that it may be discharged well.

電解質膜、触媒層及びガス拡散層の積層は、例えば、上記したように触媒層を形成した電解質膜とガス拡散層とを、触媒層を挟みこむようにして重ねあわせ、加熱圧着する方法や、触媒層を形成したガス拡散層と高分子電解質膜とを、触媒層を挟みこむようにして重ね合わせ、加熱圧着する方法、等が挙げられる。電解質膜‐触媒層間、触媒層‐ガス拡散層シート間の加熱圧着による接合は、一般的な方法に準じて行うことができる。   The lamination of the electrolyte membrane, the catalyst layer, and the gas diffusion layer may be performed by, for example, a method in which the electrolyte membrane on which the catalyst layer is formed and the gas diffusion layer are overlapped with the catalyst layer sandwiched, and the thermocompression bonding is performed. For example, a gas diffusion layer and a polymer electrolyte membrane formed on each other may be overlapped with a catalyst layer interposed therebetween, and may be subjected to thermocompression bonding. Joining by means of thermocompression bonding between the electrolyte membrane-catalyst layer and between the catalyst layer-gas diffusion layer sheet can be performed according to a general method.

上記のようにして電解質膜に一対の電極(触媒層とガス拡散層)を設けた膜・電極接合体は、さらにセパレータで挟持され単セル(図4参照)を形成することができる。セパレータとしては、例えば、炭素繊維を高濃度に含有し、樹脂との複合材からなるカーボンセパレータや、金属材料を用いた金属セパレータ等を用いることができる。金属セパレータとしては、耐腐食性に優れた金属材料からなるものや、表面をカーボンや耐腐食性に優れた金属材料等で被覆し、耐腐食性を高めるコーティングが施されたもの等が挙げられる。   The membrane / electrode assembly in which the electrolyte membrane is provided with a pair of electrodes (catalyst layer and gas diffusion layer) as described above can be further sandwiched by a separator to form a single cell (see FIG. 4). As the separator, for example, a carbon separator containing a high concentration of carbon fiber and made of a composite material with a resin, a metal separator using a metal material, or the like can be used. Examples of the metal separator include those made of a metal material excellent in corrosion resistance, and those coated with a coating that enhances the corrosion resistance by coating the surface with carbon or a metal material excellent in corrosion resistance. .

(参考例1:金微粒子の製造)
容量100mlのガラス製二口ナス型フラスコ中で、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の水溶液(商品名Nafion。パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂濃度11.4wt%)0.28gと、イオン交換水14mlとを混合し、0.5時間攪拌した。続いて、HAuCl4・4H2O水溶液(1.66×10-2M)1.0mlを添加し、フラスコ内を窒素置換して1時間攪拌し、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂と金イオンをよく馴染ませた。その後、攪拌下、NaBH40.007gを含有するイオン交換水10mlをゆっくりと滴下し、金イオンを還元させ金微粒子(Nafion−金微粒子)を析出させた。反応液は、ウルトラフィルターを用いて、純水に溶媒置換し、未反応イオン、NaBH4、Clなどの不純物を除去した。
得られた金微粒子は、平均粒径が4.0±1.5nmだった。また、得られた金微粒子のTEM写真と粒度分布を図9の(9−A)、UV−Visスペクトル測定の結果を図6及び図8に示す。尚、粒度分布は、TEM像中の粒子200個の粒径により測定した(以下同じ)。
(Reference Example 1: Production of gold fine particles)
In a glass two-necked eggplant type flask having a capacity of 100 ml, 0.28 g of an aqueous solution of a perfluorocarbon sulfonic acid resin (trade name Nafion, perfluorocarbon sulfonic acid resin concentration 11.4 wt%) and 14 ml of ion-exchanged water were mixed. Stir for 0.5 hour. Subsequently, 1.0 ml of HAuCl 4 .4H 2 O aqueous solution (1.66 × 10 −2 M) was added, the inside of the flask was purged with nitrogen, and the mixture was stirred for 1 hour, and the perfluorocarbon sulfonic acid resin and gold ions were well conditioned. I didn't. Thereafter, 10 ml of ion-exchanged water containing 0.007 g of NaBH 4 was slowly added dropwise with stirring to reduce gold ions and precipitate gold fine particles (Nafion-gold fine particles). The reaction solution was subjected to solvent replacement with pure water using an ultrafilter to remove impurities such as unreacted ions, NaBH 4 , and Cl .
The obtained gold fine particles had an average particle size of 4.0 ± 1.5 nm. Moreover, the TEM photograph and particle size distribution of the obtained gold fine particles are shown in FIG. 9 (9-A), and the results of UV-Vis spectrum measurement are shown in FIG. 6 and FIG. The particle size distribution was measured by the particle size of 200 particles in the TEM image (the same applies hereinafter).

(参考例2:白金微粒子の製造)
容量100mlのガラス製二口ナス型フラスコ中で、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の水溶液(商品名Nafion。パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂濃度11.4wt%)0.28gと、イオン交換水14mlとを混合し、0.5時間攪拌した。続いて、H2PtCl6・6H2O水溶液(1.66×10-2M)1.0mlを添加し、フラスコ内を窒素置換して1時間攪拌し、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂と白金イオンをよく馴染ませた。その後、攪拌下、NaBH40.007gを含有するイオン交換水10mlをゆっくりと滴下し、白金イオンを還元させ白金微粒子(Nafion−白金微粒子)を析出させた。反応液は、ウルトラフィルターを用いて、純水に溶媒置換し、未反応イオン、NaBH4、Clなどの不純物を除去した。
得られた白金微粒子は、平均粒径が4.5±0.8nmだった。また、得られた白金微粒子のTEM写真と粒度分布を図9の(9−B)に示す。
(Reference Example 2: Production of platinum fine particles)
In a glass two-necked eggplant type flask having a capacity of 100 ml, 0.28 g of an aqueous solution of a perfluorocarbon sulfonic acid resin (trade name Nafion, perfluorocarbon sulfonic acid resin concentration 11.4 wt%) and 14 ml of ion-exchanged water were mixed. Stir for 0.5 hour. Subsequently, 1.0 ml of H 2 PtCl 6 .6H 2 O aqueous solution (1.66 × 10 −2 M) was added, the inside of the flask was purged with nitrogen, and the mixture was stirred for 1 hour. I got used to it. Thereafter, 10 ml of ion-exchanged water containing 0.007 g of NaBH 4 was slowly added dropwise with stirring to reduce platinum ions and precipitate platinum fine particles (Nafion-platinum fine particles). The reaction solution was subjected to solvent replacement with pure water using an ultrafilter to remove impurities such as unreacted ions, NaBH 4 , and Cl .
The obtained platinum fine particles had an average particle diameter of 4.5 ± 0.8 nm. Further, a TEM photograph and particle size distribution of the obtained platinum fine particles are shown in (9-B) of FIG.

(参考例3:パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂−Au/PtのUV-Visスペクトル測定)
パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の水溶液(商品名Nafion。パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂濃度11.4wt%)0.28gと、イオン交換水14mlと、HAuCl4・4H2O水溶液(1.66×10-2M)1.0mlと、H2PtCl6・6H2O水溶液(1.66×10-2M)1.0mlと混合した。得られた混合溶液について、UV−Visスペクトル測定を行った。
図6、図8及び図10に示す(金イオン/白金イオン)ように、320nmにAuCl4 -に帰属されるピーク、400nmにPtCl6 2-に帰属される小さなショルダーが観察された。また、520nmのAu微粒子のプラズモン吸収は、イオンのみ(AuとPt)の場合観察されなかった。
(Reference Example 3: Measurement of UV-Vis spectrum of perfluorocarbon sulfonic acid resin-Au + / Pt + )
0.28 g of an aqueous solution of a perfluorocarbon sulfonic acid resin (trade name Nafion, 11.4 wt% perfluorocarbon sulfonic acid concentration), 14 ml of ion-exchanged water, an aqueous solution of HAuCl 4 .4H 2 O (1.66 × 10 −2 M ) 1.0 ml and H 2 PtCl 6 .6H 2 O aqueous solution (1.66 × 10 −2 M) 1.0 ml. About the obtained mixed solution, UV-Vis spectrum measurement was performed.
As shown in FIGS. 6, 8, and 10 (gold ion / platinum ion), a peak attributed to AuCl 4 at 320 nm and a small shoulder attributed to PtCl 6 2− were observed at 400 nm. Also, plasmon absorption of 520 nm Au fine particles was not observed in the case of ions only (Au + and Pt + ).

(実施例1:逐次還元法による複合触媒の製造)
下記方法によりサンプル1−1〜1−3の複合触媒を製造した。
まず、容量100mlのガラス製の二口ナス型フラスコ中で、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の水溶液(商品名Nafion。パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂濃度11.4wt%)0.28gと、イオン交換水14mlとを混合し、0.5時間攪拌した。続いて、表1に示す量のHAuCl4・4H2O水溶液(1.66×10-2M)を添加し、フラスコ内を窒素置換して1時間攪拌し、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂と金イオンをよく馴染ませた。
その後、攪拌下、NaBH40.007gを含有するイオン交換水10mlをゆっくりと滴下し、さらに1時間攪拌し、金イオンを還元させ金微粒子を析出させた。反応液は、ウルトラフィルターを用いて、純水に溶媒置換し、未反応イオン、NaBH4、Clなどの不純物を除去した。
(Example 1: Production of composite catalyst by sequential reduction method)
Samples 1-1 to 1-3 were produced by the following method.
First, in a 100 ml glass two-necked eggplant-shaped flask, 0.28 g of an aqueous solution of perfluorocarbon sulfonic acid resin (trade name Nafion, perfluorocarbon sulfonic acid resin concentration 11.4 wt%) and 14 ml of ion-exchanged water were added. Mix and stir for 0.5 hour. Subsequently, an HAuCl 4 .4H 2 O aqueous solution (1.66 × 10 −2 M) of the amount shown in Table 1 was added, the inside of the flask was purged with nitrogen, and the mixture was stirred for 1 hour, and the perfluorocarbon sulfonic acid resin and the gold ion I got used to it.
Thereafter, 10 ml of ion-exchanged water containing 0.007 g of NaBH 4 was slowly added dropwise with stirring, and the mixture was further stirred for 1 hour to reduce gold ions and precipitate gold fine particles. The reaction solution was subjected to solvent replacement with pure water using an ultrafilter to remove impurities such as unreacted ions, NaBH 4 , and Cl .

次に、表1に示す量の、H2PtCl6・6H2O水溶液(1.66×10-2M)を添加し、フラスコ内を窒素置換して0.5時間攪拌した。その後、攪拌下、表1に示す量のNaBH4を含有するイオン交換水10mlをゆっくりと滴下し、さらに1時間攪拌し、白金イオンを還元させて金微粒子表面に白金を析出させ、コア(金)・シェル(白金)型触媒金属微粒子の表面にパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂が付着した複合触媒を製造した。反応液は、ウルトラフィルターを用いて純水に溶媒置換し、未反応イオン、NaBH4、Clなどの不純物を除去した。
尚、実施例1の各サンプルにおいて、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の仕込み量は、HAuCl4・4H2O(金前駆物質)に含まれる金とH2PtCl6・6H2O(白金前駆物質)に含まれる白金の合計量(モル)に対して1となるようにした。
Next, an H 2 PtCl 6 .6H 2 O aqueous solution (1.66 × 10 −2 M) in an amount shown in Table 1 was added, and the atmosphere in the flask was replaced with nitrogen, followed by stirring for 0.5 hours. Thereafter, under stirring, 10 ml of ion-exchanged water containing the amount of NaBH 4 shown in Table 1 was slowly added dropwise, and further stirred for 1 hour to reduce platinum ions to deposit platinum on the surface of the gold fine particles, and the core (gold ) -A composite catalyst having a perfluorocarbon sulfonic acid resin adhered to the surface of shell (platinum) type catalyst metal fine particles was produced. The reaction solution was subjected to solvent replacement with pure water using an ultrafilter to remove impurities such as unreacted ions, NaBH 4 , and Cl .
In each sample of Example 1, the amount of perfluorocarbon sulfonic acid resin charged was gold contained in HAuCl 4 .4H 2 O (gold precursor) and H 2 PtCl 6 .6H 2 O (platinum precursor). It was set to 1 with respect to the total amount (mol) of platinum contained.

各サンプル1−1〜1−3で得られた複合触媒の平均粒径をあわせて表1に示す。また、各サンプルのTEM写真と粒度分布を図5、UV−Visスペクトルを図6に示す。
また、各サンプルの原子吸光測定を行い、金と白金のモル比(調製後)を測定した。
図6により、実施例1により得られたサンプル1−2及びサンプル1−3の複合触媒は、金微粒子特有の表面プラズモンが消失していることから、表面が白金で覆われていると考えられる。一方、サンプル1−1の複合触媒は、白金の仕込み比が低かったためか、金微粒子特有の表面プラズモンが観察され、複合触媒の表面の一部に金のコアが露出していたと考えられる。
Table 1 shows the average particle diameters of the composite catalysts obtained in Samples 1-1 to 1-3. Moreover, the TEM photograph and particle size distribution of each sample are shown in FIG. 5, and the UV-Vis spectrum is shown in FIG.
Moreover, atomic absorption measurement of each sample was performed, and the molar ratio of gold and platinum (after preparation) was measured.
According to FIG. 6, the surface of the composite catalyst of Sample 1-2 and Sample 1-3 obtained in Example 1 is considered to be covered with platinum because the surface plasmon peculiar to the gold fine particles has disappeared. . On the other hand, in the composite catalyst of Sample 1-1, the surface plasmon peculiar to the gold fine particles was observed because of the low charge ratio of platinum, and it is considered that the gold core was exposed on a part of the surface of the composite catalyst.

(実施例2:同時還元法による複合触媒の製造)
下記方法によりサンプル2−1〜2−3の複合触媒を製造した。
容量100mlのガラス製二口ナス型フラスコ中で、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の水溶液(商品名Nafion。パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂濃度11.4wt%)0.28gと、イオン交換水38mlとを混合し、0.5時間攪拌した。続いて、表2に示す量のHAuCl4・4H2O水溶液(1.66×10-2M)とH2PtCl6・6H2O水溶液(1.66×10-2M)とを添加し、フラスコ内を窒素置換して1時間攪拌し、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂と金イオン及び白金イオンをよく馴染ませた。
その後、攪拌下、NaBH40.007gを含有するイオン交換水10mlをゆっくりと滴下し、さらに1時間攪拌し、金イオン及び白金イオンを還元させ、コア(金)・シェル(白金)型触媒金属微粒子の表面にパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂が付着した複合触媒を製造した。反応液は、ウルトラフィルターを用いて純水に溶媒置換し、未反応イオン、NaBH4、Clなどの不純物を除去した。
尚、実施例2の各サンプルにおいて、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の仕込み量は、HAuCl4・4H2O(金前駆物質)に含まれる金とH2PtCl6・6H2O(白金前駆物質)に含まれる白金の合計量(モル)に対して1となるようにした。
(Example 2: Production of composite catalyst by simultaneous reduction method)
Samples 2-1 to 2-3 were prepared by the following method.
In a glass two-necked eggplant-shaped flask having a capacity of 100 ml, 0.28 g of an aqueous solution of perfluorocarbon sulfonic acid resin (trade name Nafion. Perfluorocarbon sulfonic acid resin concentration 11.4 wt%) and 38 ml of ion-exchanged water were mixed. Stir for 0.5 hour. Subsequently, HAUCl 4 .4H 2 O aqueous solution (1.66 × 10 −2 M) and H 2 PtCl 6 .6H 2 O aqueous solution (1.66 × 10 −2 M) in the amounts shown in Table 2 were added. The flask was purged with nitrogen and stirred for 1 hour, so that the perfluorocarbon sulfonic acid resin, gold ions and platinum ions were well adapted.
Thereafter, 10 ml of ion-exchanged water containing 0.007 g of NaBH 4 is slowly added dropwise with stirring, and the mixture is further stirred for 1 hour to reduce gold ions and platinum ions, and the core (gold) / shell (platinum) type catalyst metal. A composite catalyst having a perfluorocarbon sulfonic acid resin adhered to the surface of the fine particles was produced. The reaction solution was subjected to solvent replacement with pure water using an ultrafilter to remove impurities such as unreacted ions, NaBH 4 , and Cl .
In each sample of Example 2, the amount of perfluorocarbon sulfonic acid resin charged was gold contained in HAuCl 4 .4H 2 O (gold precursor) and H 2 PtCl 6 .6H 2 O (platinum precursor). It was set to 1 with respect to the total amount (mol) of platinum contained.

各サンプル2−1〜2−3で得られた複合触媒の平均粒径をあわせて表2に示す。また、各サンプルのTEM写真と粒度分布を図7、UV−Visスペクトルを図8に示す。
また、各サンプルの原子吸光測定を行い、金と白金のモル比(調製後)を測定した。
図8により、実施例2により得られた各サンプルの複合触媒は、金微粒子特有の表面プラズモンが消失していることから、表面が白金で覆われていると考えられる。
Table 2 shows the average particle diameters of the composite catalysts obtained in Samples 2-1 to 2-3. Moreover, the TEM photograph and particle size distribution of each sample are shown in FIG. 7, and the UV-Vis spectrum is shown in FIG.
Moreover, atomic absorption measurement of each sample was performed, and the molar ratio of gold and platinum (after preparation) was measured.
According to FIG. 8, the composite catalyst of each sample obtained in Example 2 is considered to be covered with platinum because the surface plasmon peculiar to the gold fine particles has disappeared.

(実施例3:逐次還元法による複合触媒の製造)
容量2000mlのガラス製の二口ナス型フラスコ中で、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の水溶液(商品名Nafion。パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂濃度11.4wt%)11gと、イオン交換水1820mlとを混合し、30分間攪拌した。続いて、HAuCl4・4H2O水溶液(1.66×10-2M)16mlを添加し、フラスコ内を窒素置換して3時間攪拌し、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂と金イオンをよく馴染ませた。その後、攪拌下、NaBH4を0.013mmol含有するイオン交換水10mlをゆっくりと滴下し、さらに1間攪拌し、金イオンを還元させ金微粒子を析出させた。反応液は、ウルトラフィルターを用いて、純水に溶媒置換し、未反応イオン、NaBH4、Clなどの不純物を除去した。
(Example 3: Production of composite catalyst by sequential reduction method)
In a glass two-necked eggplant-shaped flask having a capacity of 2000 ml, 11 g of an aqueous solution of perfluorocarbon sulfonic acid resin (trade name Nafion, perfluorocarbon sulfonic acid resin concentration 11.4 wt%) and 1820 ml of ion-exchanged water were mixed. Stir for minutes. Subsequently, 16 ml of HAuCl 4 .4H 2 O aqueous solution (1.66 × 10 −2 M) was added, the inside of the flask was purged with nitrogen, and the mixture was stirred for 3 hours, so that the perfluorocarbon sulfonic acid resin and the gold ion were well conditioned. . Thereafter, 10 ml of ion-exchanged water containing 0.013 mmol of NaBH 4 was slowly added dropwise with stirring, and the mixture was further stirred for 1 hour to reduce gold ions and precipitate gold fine particles. The reaction solution was subjected to solvent replacement with pure water using an ultrafilter to remove impurities such as unreacted ions, NaBH 4 , and Cl .

次に、H2PtCl6・6H2O水溶液(1.66×10-2M)64mlを添加し、フラスコ内を窒素置換して3時間攪拌した。その後、攪拌下、NaBH4を0.013mmol含有するイオン交換水10mlをゆっくりと滴下し、さらに1時間攪拌し、白金イオンを還元させて金微粒子表面に白金を析出させ、コア(金)・シェル(白金)型触媒金属微粒子の表面にパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂が付着した複合触媒を製造した。反応液は、ウルトラフィルターを用いて、純水に溶媒置換し、未反応イオン、NaBH4、Clなどの不純物を除去し、さらに、固形分濃度2.4wt%まで濃縮した。 Next, 64 ml of a H 2 PtCl 6 .6H 2 O aqueous solution (1.66 × 10 −2 M) was added, and the atmosphere in the flask was replaced with nitrogen, followed by stirring for 3 hours. Thereafter, 10 ml of ion-exchanged water containing 0.013 mmol of NaBH 4 is slowly added dropwise with stirring, and the mixture is further stirred for 1 hour to reduce platinum ions and deposit platinum on the surface of the gold fine particles. A composite catalyst in which perfluorocarbon sulfonic acid resin was adhered to the surface of (platinum) type catalyst metal fine particles was produced. The reaction solution was subjected to solvent replacement with pure water using an ultrafilter to remove impurities such as unreacted ions, NaBH 4 , and Cl , and further concentrated to a solid content concentration of 2.4 wt%.

得られた複合触媒の平均粒径、金と白金のモル比(仕込み比及び調製後)を表3に示す。また、得られた複合触媒のUV−Visスペクトルを図10、TEM写真と粒度分布を図11(11−B)に示す。尚、図10及び図11(11−A)には、実施例3の複合触媒の製造過程で得られた金微粒子の表面にパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂が付着した粒子のUV−Visスペクトル及びTEM写真と粒度分布を示す。
図10より、実施例3で得られた複合触媒は、金微粒子特有の表面プラズモンが消失していることから、表面が白金で覆われていると考えられる。
Table 3 shows the average particle diameter of the obtained composite catalyst and the molar ratio of gold and platinum (charge ratio and after preparation). Moreover, the UV-Vis spectrum of the obtained composite catalyst is shown in FIG. 10, and the TEM photograph and the particle size distribution are shown in FIG. 11 (11-B). 10 and 11 (11-A) show the UV-Vis spectrum and TEM photograph of the particles with the perfluorocarbon sulfonic acid resin adhered to the surface of the gold fine particles obtained in the production process of the composite catalyst of Example 3. And the particle size distribution.
From FIG. 10, it can be considered that the surface of the composite catalyst obtained in Example 3 is covered with platinum because the surface plasmon peculiar to the gold fine particles has disappeared.

(実施例4:同時還元法による複合触媒の製造)
容量2000mlのガラス製二口ナス型フラスコ中で、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の水溶液(商品名Nafion。パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂濃度11.4wt%)11gと、イオン交換水1820mlとを混合し、30分間攪拌した。続いて、HAuCl4・4H2O水溶液(1.66×10-2M)16mlとH2PtCl6・6H2O水溶液(1.66×10-2M)64mlとを添加し、フラスコ内を窒素置換して3時間攪拌し、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂と金イオン及び白金イオンをよく馴染ませた。その後、攪拌下、NaBH4を0.013mmol含有するイオン交換水5mlをゆっくりと滴下し、さらに1時間攪拌し、金イオン及び白金イオンを還元させ、コア(金)・シェル(白金)型触媒金属微粒子の表面にパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂が付着した複合触媒を製造した。反応液は、ウルトラフィルターを用いて純水に溶媒置換し、未反応イオン、NaBH4、Clなどの不純物を除去し、さらに、固形分濃度3.0wt%まで濃縮した。
(Example 4: Production of composite catalyst by simultaneous reduction method)
In a glass two-necked eggplant-shaped flask having a capacity of 2000 ml, 11 g of an aqueous solution of perfluorocarbon sulfonic acid resin (trade name Nafion, perfluorocarbon sulfonic acid resin concentration 11.4 wt%) and 1820 ml of ion-exchanged water are mixed for 30 minutes. Stir. Subsequently, 16 ml of an aqueous solution of HAuCl 4 .4H 2 O (1.66 × 10 −2 M) and 64 ml of an aqueous solution of H 2 PtCl 6 .6H 2 O (1.66 × 10 −2 M) were added. After purging with nitrogen, the mixture was stirred for 3 hours, and the perfluorocarbon sulfonic acid resin, gold ion, and platinum ion were mixed well. Then, 5 ml of ion-exchanged water containing 0.013 mmol of NaBH 4 is slowly added dropwise with stirring, and the mixture is further stirred for 1 hour to reduce gold ions and platinum ions, and the core (gold) / shell (platinum) type catalytic metal. A composite catalyst having a perfluorocarbon sulfonic acid resin adhered to the surface of the fine particles was produced. The reaction solution was subjected to solvent replacement with pure water using an ultrafilter to remove impurities such as unreacted ions, NaBH 4 , and Cl , and further concentrated to a solid content concentration of 3.0 wt%.

得られた複合触媒の平均粒径、金と白金のモル比(仕込み比及び調製後)を表3に示す。また、得られた複合触媒のUV−Visスペクトルを図10、TEM写真と粒度分布を図11(11−C)に示す。
図10より、実施例4で得られた複合触媒は、金微粒子特有の表面プラズモンが消失していることから、表面が白金で覆われていると考えられる。
また、図11より実施例3と実施例4で得られた複合触媒を比較すると、同時還元法により製造した実施例4の方が、逐次還元法により製造した実施例3よりも粒径が小さいことがわかる。
Table 3 shows the average particle diameter of the obtained composite catalyst and the molar ratio of gold and platinum (charge ratio and after preparation). Further, FIG. 10 shows a UV-Vis spectrum of the obtained composite catalyst, and FIG. 11 (11-C) shows a TEM photograph and a particle size distribution.
From FIG. 10, it can be considered that the surface of the composite catalyst obtained in Example 4 is covered with platinum because the surface plasmon peculiar to the gold fine particles has disappeared.
Moreover, comparing the composite catalysts obtained in Example 3 and Example 4 from FIG. 11, Example 4 produced by the simultaneous reduction method has a smaller particle size than Example 3 produced by the sequential reduction method. I understand that.

本発明の複合触媒の構造を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the structure of the composite catalyst of this invention. 同時還元法による複合触媒の製造方法を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing method of the composite catalyst by a simultaneous reduction method. 逐次還元法による複合触媒の製造方法を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing method of the composite catalyst by a sequential reduction method. 本発明の燃料電池に備えられる単セルの一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the single cell with which the fuel cell of this invention is equipped. 実施例1で得られた複合触媒のTEM写真と粒径分布である。2 is a TEM photograph and particle size distribution of the composite catalyst obtained in Example 1. FIG. 実施例1で得られた複合触媒並びに参考例1及び参考例3で得られた粒子のUV−Visスペクトル測定の結果である。It is a result of UV-Vis spectrum measurement of the composite catalyst obtained in Example 1 and the particles obtained in Reference Example 1 and Reference Example 3. 実施例2で得られた複合触媒のTEM写真と粒径分布である。2 is a TEM photograph and particle size distribution of the composite catalyst obtained in Example 2. 実施例2で得られた複合触媒並びに参考例1及び参考例3で得られた粒子のUV−Visスペクトル測定の結果である。It is a result of the UV-Vis spectrum measurement of the composite catalyst obtained in Example 2 and the particles obtained in Reference Example 1 and Reference Example 3. 参考例1及び参考例2で得られた粒子のTEM写真と粒径分布である。2 is a TEM photograph and particle size distribution of particles obtained in Reference Example 1 and Reference Example 2. 実施例3及び実施例4で得られた複合触媒並びに参考例1及び参考例3で得られた粒子のUV−Visスペクトル測定の結果である。It is the result of the UV-Vis spectrum measurement of the composite catalyst obtained in Example 3 and Example 4, and the particle | grains obtained in Reference Example 1 and Reference Example 3. 実施例3及び実施例4で得られた複合触媒のTEM写真と粒径分布である。4 is a TEM photograph and particle size distribution of the composite catalyst obtained in Example 3 and Example 4.

符号の説明Explanation of symbols

1…電解質膜
2…燃料極
3…酸化剤極
4…触媒層(4a:燃料極側触媒層、4b:酸化剤極側触媒層)
5…ガス拡散層(5a:燃料極側ガス拡散層、5b:酸化剤極側ガス拡散層)
6…膜・電極接合体
7…セパレータ(7a:燃料極側セパレータ、7b:酸化剤極側セパレータ)
8…反応ガス流路(8a:燃料ガス流路、8b:酸化剤ガス流路)
100…単セル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrolyte membrane 2 ... Fuel electrode 3 ... Oxidant electrode 4 ... Catalyst layer (4a: Fuel electrode side catalyst layer, 4b: Oxidant electrode side catalyst layer)
5. Gas diffusion layer (5a: fuel electrode side gas diffusion layer, 5b: oxidant electrode side gas diffusion layer)
6 ... Membrane / electrode assembly 7 ... Separator (7a: fuel electrode side separator, 7b: oxidant electrode side separator)
8 ... reactive gas flow path (8a: fuel gas flow path, 8b: oxidant gas flow path)
100 ... Single cell

Claims (3)

触媒金属からなる触媒金属シェルと、該触媒金属と異なる金属種からなる金属コアとを有するコア・シェル型触媒金属微粒子(A)の表面に、イオン交換性高分子(B)が付着している燃料電池用複合触媒を含有する触媒層を備え、
前記燃料電池用複合触媒が炭素質担体に担持されていないことを特徴とする、燃料電池。
The ion-exchangeable polymer (B) is attached to the surface of the core-shell type catalyst metal fine particles (A) having a catalyst metal shell made of a catalyst metal and a metal core made of a metal species different from the catalyst metal. Comprising a catalyst layer containing a composite catalyst for a fuel cell;
Wherein the fuel cell composite catalyst is not supported on a carbonaceous carrier, a fuel cell.
触媒金属からなる触媒金属シェルと、該触媒金属と異なる金属種からなる金属コアとを有するコア・シェル型触媒金属微粒子(A)の表面に、イオン交換性高分子(B)が付着している燃料電池用複合触媒を含有する触媒層を備え、前記燃料電池用複合触媒が炭素質担体に担持されていない燃料電池の製造方法であって、The ion-exchangeable polymer (B) is attached to the surface of the core-shell type catalyst metal fine particles (A) having a catalyst metal shell made of a catalyst metal and a metal core made of a metal species different from the catalyst metal. A method for producing a fuel cell comprising a catalyst layer containing a fuel cell composite catalyst, wherein the fuel cell composite catalyst is not supported on a carbonaceous carrier,
水溶性及び/又は有機溶媒可溶性を有し、還元により触媒金属シェルを形成する触媒金属前駆物質(a1)と、前記触媒金属と異なる金属種を含み、且つ、水溶性及び/又は有機溶媒可溶性を有し、還元により金属コアを形成する金属前駆物質(a2)と、イオン交換性高分子(b)と、前記触媒金属前駆物質(a1)、前記金属前駆物質(a2)及び前記イオン交換性高分子(b)を溶解可能な溶媒(c)と、を混合した第一の混合溶液を調製し、前記第一の混合溶液中の前記触媒金属前駆物質(a1)及び前記金属前駆物質(a2)を還元し、触媒金属シェルと金属コアとを有するコア・シェル型触媒金属微粒子を析出させ、該コア・シェル型触媒金属微粒子の表面にイオン交換性高分子が付着している燃料電池用複合触媒を調製する工程と、A catalyst metal precursor (a1) having water solubility and / or organic solvent solubility and forming a catalyst metal shell by reduction; and a metal species different from the catalyst metal, and having water solubility and / or organic solvent solubility. And a metal precursor (a2) that forms a metal core by reduction, an ion-exchange polymer (b), the catalyst metal precursor (a1), the metal precursor (a2), and the high ion-exchange property. A first mixed solution in which a solvent (c) capable of dissolving the molecule (b) is mixed is prepared, and the catalytic metal precursor (a1) and the metal precursor (a2) in the first mixed solution are prepared. Catalyst for fuel cell, in which core-shell type catalyst metal fine particles having a catalyst metal shell and a metal core are deposited, and an ion-exchange polymer is attached to the surface of the core-shell type catalyst metal fine particles To prepare And,
前記燃料電池用複合触媒が炭素質担体に担持されていない触媒層を形成する工程と、Forming a catalyst layer in which the composite catalyst for a fuel cell is not supported on a carbonaceous support;
を備えることを特徴とする、燃料電池の製造方法。A method for producing a fuel cell, comprising:
触媒金属からなる触媒金属シェルと、該触媒金属と異なる金属種からなる金属コアとを有するコア・シェル型触媒金属微粒子(A)の表面に、イオン交換性高分子(B)が付着している燃料電池用複合触媒を含有する触媒層を備え、前記燃料電池用複合触媒が炭素質担体に担持されていない燃料電池の製造方法であって、The ion-exchangeable polymer (B) is attached to the surface of the core-shell type catalyst metal fine particles (A) having a catalyst metal shell made of a catalyst metal and a metal core made of a metal species different from the catalyst metal. A method for producing a fuel cell comprising a catalyst layer containing a fuel cell composite catalyst, wherein the fuel cell composite catalyst is not supported on a carbonaceous carrier,
水溶性及び/又は有機溶媒可溶性を有し、還元により金属コアを形成する金属前駆物質(a2)と、イオン交換性高分子(b)と、前記金属前駆物質(a2)及び前記イオン交換性高分子(b)を溶解可能な溶媒(c1)と、を混合した第二の混合溶液を調製し、該第二の混合溶液中の前記金属前駆物質(a2)を還元して金属微粒子を析出させた後、水溶性及び/又は有機溶媒可溶性を有し、還元により触媒金属シェルを形成する触媒金属前駆物質(a1)を、該触媒金属前駆物質(a1)及び前記イオン交換性高分子(b)を溶解可能な溶媒(c2)と、該イオン交換性高分子(b)と、前記金属微粒子と混合して第三の混合溶液を調製し、該第三の混合溶液中の触媒金属前駆物質(a1)を還元して前記金属微粒子の表面に触媒金属を析出させ、触媒金属シェルと金属コアとを有するコア・シェル型触媒金属微粒子の表面にイオン交換性高分子が付着している燃料電池用複合触媒を調製する工程と、Metal precursor (a2) having water solubility and / or organic solvent solubility and forming a metal core by reduction, ion-exchange polymer (b), metal precursor (a2) and high ion-exchange property A second mixed solution in which the solvent (c1) capable of dissolving the molecule (b) is mixed is prepared, and the metal precursor (a2) in the second mixed solution is reduced to precipitate metal fine particles. Thereafter, the catalyst metal precursor (a1) which has water solubility and / or organic solvent solubility and forms a catalyst metal shell by reduction is converted into the catalyst metal precursor (a1) and the ion-exchange polymer (b). Is mixed with the solvent (c2), the ion-exchange polymer (b), and the metal fine particles to prepare a third mixed solution, and the catalyst metal precursor (in the third mixed solution ( a1) is reduced to apply catalytic metal to the surface of the metal fine particles. Out so, a step of preparing a composite catalyst for a fuel cell ion exchange polymer on the surface of the core-shell type catalyst metal fine particles are adhered with the catalyst metal shell and the metal core,
前記燃料電池用複合触媒が炭素質担体に担持されていない触媒層を形成する工程と、Forming a catalyst layer in which the composite catalyst for a fuel cell is not supported on a carbonaceous support;
を備えることを特徴とする、燃料電池の製造方法。A method for producing a fuel cell, comprising:
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