JP5055788B2 - Electrocatalyst - Google Patents

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Description

本発明は、電極触媒、好ましくは電解質膜−電極接合体(CCM)、特に燃料電池用電解質膜−電極接合体に使用される電極触媒、前記電気触媒を含むカソード触媒層および/またはアノード触媒層を有する電解質膜−電極接合体(CCM)、特に燃料電池用電解質膜−電極接合体、および当該電解質膜−電極接合体を有する燃料電池、特に固体電解質型燃料電池に関するものである。より詳細には、本発明は、導電性材料に触媒粒子を担持させてなる電極触媒中の導電性材料(特に、カーボン担体)の腐食を抑制・防止できる電極触媒、好ましくは電解質膜−電極接合体(CCM)、特に燃料電池用電解質膜−電極接合体に使用される電極触媒、前記電気触媒を含むカソード触媒層および/またはアノード触媒層を有する電解質膜−電極接合体(CCM)、特に燃料電池用電解質膜−電極接合体、および当該電解質膜−電極接合体を有する燃料電池、特に固体電解質型燃料電池に関するものである。   The present invention relates to an electrode catalyst, preferably an electrolyte membrane-electrode assembly (CCM), particularly an electrode catalyst used in an electrolyte membrane-electrode assembly for a fuel cell, a cathode catalyst layer and / or an anode catalyst layer containing the electrocatalyst. The present invention relates to an electrolyte membrane-electrode assembly (CCM) having, in particular, an electrolyte membrane-electrode assembly for a fuel cell, and a fuel cell having the electrolyte membrane-electrode assembly, particularly a solid electrolyte fuel cell. More specifically, the present invention relates to an electrode catalyst that can suppress / prevent corrosion of a conductive material (particularly, a carbon support) in an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on a conductive material, preferably an electrolyte membrane-electrode junction. Body (CCM), in particular, an electrode catalyst for use in an electrolyte membrane-electrode assembly for a fuel cell, an electrolyte membrane-electrode assembly (CCM) having a cathode catalyst layer and / or an anode catalyst layer containing the electrocatalyst, particularly a fuel The present invention relates to an electrolyte membrane-electrode assembly for a battery, and a fuel cell having the electrolyte membrane-electrode assembly, particularly a solid oxide fuel cell.

近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子型燃料電池は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。固体高分子型燃料電池の構成は、一般的には、電解質膜−電極接合体を、ガス拡散層さらにはセパレータで挟持した構造となっている。電解質膜−電極接合体は、高分子電解質膜が一対の電極触媒層により挟持されてなるものである。   In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. In particular, the polymer electrolyte fuel cell is expected as a power source for electric vehicles because it operates at a relatively low temperature. In general, the polymer electrolyte fuel cell has a structure in which an electrolyte membrane-electrode assembly is sandwiched between a gas diffusion layer and a separator. The electrolyte membrane-electrode assembly is obtained by sandwiching a polymer electrolyte membrane between a pair of electrode catalyst layers.

このような電解質膜−電極接合体を有する固体高分子型燃料電池では、以下のような電気化学的反応が進行する。まず、アノード側に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒成分により酸化され、プロトンおよび電子となる(2H→4H+4e)。次に、生成したプロトンは、電極触媒層に含まれる固体高分子電解質、さらに電極触媒層と接触している高分子電解質膜を通り、カソード側電極触媒層に達する。また、アノード側電極触媒層で生成した電子は、電極触媒層を構成している導電性材料、さらに電極触媒層の高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通してカソード側電極触媒層に達する。そして、カソード側電極触媒層に達したプロトンおよび電子はカソード側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する(O+4H+4e→2HO)。燃料電池では、上述した電気化学的反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。 In the polymer electrolyte fuel cell having such an electrolyte membrane-electrode assembly, the following electrochemical reaction proceeds. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode side is oxidized by the catalyst component to become protons and electrons (2H 2 → 4H + + 4e ). Next, the generated protons pass through the solid polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane in contact with the electrode catalyst layer, and reach the cathode side electrode catalyst layer. In addition, the electrons generated in the anode-side electrode catalyst layer are composed of a conductive material constituting the electrode catalyst layer, a gas diffusion layer in contact with a side of the electrode catalyst layer different from the polymer electrolyte membrane, a separator, and an external circuit. To reach the cathode side electrocatalyst layer. The protons and electrons that have reached the cathode-side electrode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode side to generate water (O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O). In the fuel cell, electricity can be taken out through the above-described electrochemical reaction.

従来の電極触媒層に含まれる電極触媒では、通常、カソード側電極触媒層およびアノード側電極触媒層ともに白金または白金合金等の触媒金属を微細化して、カーボンブラック等の比表面積の大きい担体に高分散担持させた電極触媒が用いられている。このような電極触媒は、触媒金属表面の電極反応面積が大きいため、触媒活性を高くすることができる。しかしながら、カソード側の酸素還元反応は活性化エネルギーが大きく、カソードに過電圧(抵抗)が生じ、0.8V以上の貴電位環境となった場合や、起動停止/連続運転を繰返すうちに、触媒成分である白金の溶出やカーボン担体の腐食が発生する。特に、カソード側では、アノード側で水素から得たプロトンがカソード側に供給される酸素と結合して水を生成するため、C+2HO→CO+4H+4e等の二酸化炭素を生成する反応が進行すると考えられる。このようにして生じた二酸化炭素により、導電性材料の腐食が起こり、担体表面に担持される触媒金属も遊離・凝集し、結果として触媒活性の低下や電池性能の低下を引き起こす。一方、アノード側では燃料不足が起こった場合、所望の電流密度を保つために燃料の酸化反応に代わって水の電気分解や導電性材料の酸化が発生するため、カソードの場合と同様にアノードにおいても導電性材料が腐食・消失し、触媒金属の遊離・凝集が起こる。 In the electrode catalyst included in the conventional electrode catalyst layer, the cathode side electrode catalyst layer and the anode side electrode catalyst layer are usually refined to a catalyst metal such as platinum or a platinum alloy so as to be high in a carrier having a large specific surface area such as carbon black. A dispersion-supported electrode catalyst is used. Since such an electrode catalyst has a large electrode reaction area on the surface of the catalytic metal, the catalytic activity can be increased. However, the oxygen reduction reaction on the cathode side has a large activation energy, and an overvoltage (resistance) is generated at the cathode, resulting in a noble potential environment of 0.8 V or more, or when the start / stop / continuous operation is repeated. The elution of platinum and the corrosion of the carbon support occur. In particular, on the cathode side, protons obtained from hydrogen on the anode side combine with oxygen supplied to the cathode side to generate water, so that carbon dioxide such as C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e is generated. Is considered to progress. The carbon dioxide generated in this way causes corrosion of the conductive material, and the catalytic metal supported on the surface of the carrier is also liberated and aggregated, resulting in a decrease in catalytic activity and a decrease in battery performance. On the other hand, when fuel shortage occurs on the anode side, water electrolysis or conductive material oxidation occurs in place of the fuel oxidation reaction to maintain the desired current density. However, the conductive material corrodes and disappears, and the catalyst metal is liberated and agglomerated.

このため、導電性材料の腐食を防止して寿命特性を向上する手段について様々な検討がなされている。例えば、担体として使用するカーボンブラックをあらかじめ高温で熱処理して結晶化度を上げて高耐食性の黒鉛化度を高める方法が採られ、熱処理温度が高いほど耐食性が向上するとし、熱処理されたカーボンブラックの結晶化度が規定されている(特許文献1〜4)。また、加熱処理する際に、触媒担持カーボンに黒鉛化を促進する物質を混合して低い熱処理温度でカーボンの黒鉛化を行い、かつ黒鉛化の前または後で水蒸気等による賦活処理を行なって、寿命が長くしかも触媒貴金属を高分散状態に担持した触媒もある(特許文献5)。
特開2000−268828号公報 特開2001−357857号公報 特開2002−15745号公報 特開2003−36859号公報 特開2000−273351号公報
For this reason, various studies have been made on means for preventing corrosion of conductive materials and improving life characteristics. For example, carbon black used as a carrier is preheated at a high temperature to increase the degree of crystallinity and increase the graphitization degree with high corrosion resistance. The higher the heat treatment temperature, the better the corrosion resistance. The degree of crystallinity is defined (Patent Documents 1 to 4). In addition, when the heat treatment is performed, the catalyst-supporting carbon is mixed with a substance that promotes graphitization to perform graphitization of the carbon at a low heat treatment temperature, and an activation treatment with water vapor or the like is performed before or after graphitization, There is also a catalyst having a long life and carrying a catalyst noble metal in a highly dispersed state (Patent Document 5).
JP 2000-268828 A JP 2001-357857 A JP 2002-15745 A JP 2003-36859 A JP 2000-273351 A

上記特許文献1〜4に記載するように、カーボンブラックの腐食を防止して寿命特性を向上するためにカーボンブラックを熱処理する方法では、熱処理温度が高いほどカーボンブラックの耐食性は向上する方向にある。しかしながら、同時にカーボンブラックのBET比表面積は減少する傾向にあり、カーボンブラック上に担持された白金微粒子はカーボンブラックの熱処理温度が高いほど粒子径が大きくかつ分散度が低下し、触媒活性が低下して燃料電池の発電セル電圧が低くなる。また、上記特許文献5の方法でカーボンの黒鉛化を行うと、黒鉛化の前または後で水蒸気等による賦活処理を行う必要があり、操作が煩雑である。   As described in Patent Documents 1 to 4, in the method of heat treating carbon black in order to prevent the corrosion of carbon black and improve the life characteristics, the corrosion resistance of carbon black tends to be improved as the heat treatment temperature is higher. . However, at the same time, the BET specific surface area of carbon black tends to decrease, and the platinum fine particles supported on the carbon black have a larger particle size and lower dispersibility as the heat treatment temperature of the carbon black is higher, resulting in lower catalytic activity. As a result, the power generation cell voltage of the fuel cell is lowered. Further, when carbon is graphitized by the method of Patent Document 5, it is necessary to perform activation treatment with water vapor or the like before or after graphitization, and the operation is complicated.

また、上記特許文献1〜5では、いずれも導電性材料上に担持される触媒成分の担持状態については何ら検討が行なわれていなかった。本発明者は、導電性材料上の触媒成分の担持状態を調べたところ、以下のようなことが分かった。すなわち、図1A上段に示されるように、触媒成分が凝集する部分や逆に担体表面が多く露出する部分が存在し、全体として触媒成分が不均一に担体上に担持するが、このような場合には、図1A下段に示されるように、水が担体表面が多く露出する部分と接触しやすいため、この部分では上記したような反応が起きて、二酸化炭素による導電性材料の腐食/劣化が起こる。ゆえに、このような電極触媒を使用した触媒層を有する燃料電池では、起動停止/連続運転を繰り返すうちに触媒活性の低下や電池性能の低下が起こるという問題があった。また、図1B上段に示されるように、触媒粒子径のバラツキの大きい部分が存在していたりする場合もあった。このような場合には、図1B下段に示されるように、粒子径の小さい触媒成分が多く存在する部分と水とが接触して、このような部分にはやはり上記したような反応が起きて、二酸化炭素による導電性材料の腐食/劣化が起こるため、このような電極触媒を使用した触媒層を有する燃料電池では、起動停止/連続運転を繰り返すうちに触媒活性の低下や電池性能の低下が起こるという問題があった。   In any of the above Patent Documents 1 to 5, no investigation has been made on the supported state of the catalyst component supported on the conductive material. The inventor examined the supported state of the catalyst component on the conductive material and found the following. That is, as shown in the upper part of FIG. 1A, there are a part where the catalyst component aggregates and a part where the surface of the carrier is exposed, and the catalyst component is supported unevenly on the carrier as a whole. As shown in the lower part of FIG. 1A, since water easily comes into contact with a portion where the surface of the carrier is exposed, the reaction described above takes place in this portion, and corrosion / deterioration of the conductive material due to carbon dioxide occurs. Occur. Therefore, in a fuel cell having a catalyst layer using such an electrode catalyst, there has been a problem that the catalyst activity and the cell performance are lowered while the start / stop / continuous operation is repeated. In addition, as shown in the upper part of FIG. 1B, there may be a portion where the variation in the catalyst particle diameter is large. In such a case, as shown in the lower part of FIG. 1B, a portion where a large amount of the catalyst component having a small particle diameter is present comes into contact with water, and the reaction described above occurs in such a portion. Since the conductive material is corroded / deteriorated by carbon dioxide, in a fuel cell having a catalyst layer using such an electrode catalyst, the catalytic activity and the cell performance may be degraded while the start / stop / continuous operation is repeated. There was a problem that happened.

したがって、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、導電性材料の腐食/劣化を抑制・防止でき、これにより耐久性に優れ、長期にわたり高い触媒活性を示す電極触媒を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and can provide an electrode catalyst that can suppress / prevent corrosion / deterioration of a conductive material, thereby having excellent durability and high catalytic activity over a long period of time. With the goal.

また、本発明の他の目的は、カーボン腐食や触媒成分の溶出、導電性材料の劣化などの劣化要因やエンドプレートの締め付け圧力があっても、電極触媒層の構造(特に、空孔構造)を維持して、ガスの拡散性や生成水の排出性を良好に保持できる電極触媒を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a structure of the electrode catalyst layer (especially, a pore structure) even when there are deterioration factors such as carbon corrosion, elution of catalyst components, deterioration of conductive materials, and tightening pressure of the end plate. It is to provide an electrode catalyst that can maintain the gas diffusibility and the generated water discharge well.

本発明者は、上記の問題を解決すべく、鋭意研究を行った結果、導電性材料(特にカーボン担体)上に担持した触媒成分の担持状態を一定の間隔に存在するように規定することにより、担体の耐腐食性を向上できることを見出し、これにより本発明を完成した。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor has specified that the supported state of the catalyst component supported on the conductive material (particularly the carbon support) is present at a constant interval. The present inventors have found that the corrosion resistance of the carrier can be improved, thereby completing the present invention.

すなわち、上記目的は、導電性材料に触媒粒子を担持させてなる電極触媒において、導電性材料に担持した触媒粒子の平均粒子径をXとした場合、ある任意の触媒粒子Aに対して、隣接する3つ以上の触媒粒子のそれぞれの重心が触媒粒子Aの重心と0.5X〜2Xの距離の範囲になるように、触媒粒子が導電性材料に担持されていることを特徴とする電極触媒によって達成される。   That is, the above object is that an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on a conductive material is adjacent to an arbitrary catalyst particle A, where X is the average particle diameter of the catalyst particles supported on the conductive material. An electrode catalyst characterized in that the catalyst particles are supported on a conductive material such that the center of gravity of each of the three or more catalyst particles is in the range of 0.5X to 2X from the center of gravity of the catalyst particle A. Achieved by:

本発明によれば、触媒粒子を一定の分散状態になるように導電性材料上に担持させることにより、導電性材料と水の共存下、高電位状態で起こる導電性材料の腐食を抑制・防止でき、本発明の電極触媒は耐久性に優れ、長期にわたり高い触媒活性を示す。このため、このような電極触媒をカソードおよび/またはアノード触媒層に用いたCCMを有する燃料電池は、起動停止/連続運転中の触媒層、特にカソード触媒層の導電性材料(特に、カーボン担体)の腐食を有効に防止/抑制できる。   According to the present invention, catalyst particles are supported on a conductive material so as to be in a certain dispersed state, thereby suppressing / preventing corrosion of the conductive material that occurs in a high potential state in the presence of the conductive material and water. In addition, the electrode catalyst of the present invention is excellent in durability and exhibits high catalytic activity over a long period of time. Therefore, a fuel cell having a CCM using such an electrode catalyst as a cathode and / or an anode catalyst layer has a catalyst layer during start / stop / continuous operation, particularly a conductive material of the cathode catalyst layer (particularly, a carbon support). Can be effectively prevented / suppressed.

本発明の第一は、導電性材料に触媒粒子を担持させてなる電極触媒において、導電性材料に担持した触媒粒子の平均粒子径をXとした場合、ある任意の触媒粒子Aに対して、隣接する3つ以上の触媒粒子のそれぞれの重心が触媒粒子Aの重心と0.5X〜2Xの距離の範囲になるように、触媒粒子が導電性材料に担持されていることを特徴とする電極触媒を提供するものである。したがって、本発明の電極触媒は、図2上段に示されるように、触媒粒子が一定の間隔で導電性材料上に高分散して存在する。このため、図2下段に示されるように、本発明の電極触媒では、カソード触媒層側で水が生成しても、触媒粒子が水と導電性材料との接触、即ち、C+2HO→CO+4H+4eの反応を有効に抑制・防止できる。同時に、アノード側においても、燃料不足時に所望の電流密度を保つための燃料の酸化反応をも有効に抑制・防止できる。したがって、本発明の電極触媒を、カソードおよび/またはアノード触媒層、特にカソード触媒層に使用した燃料電池は、耐久性に優れ、起動停止/連続運転を繰り返し行なった後であっても、触媒活性の低下を抑制でき、ゆえに長期にわたり優れた電池性能を維持することができる。上記利点に加えて、本発明の電極触媒は、上述したように導電性材料の腐食/劣化が有意に抑制/防止されるので、カーボン腐食や触媒成分の溶出、導電性材料の劣化などの劣化要因やエンドプレートの締め付け圧力により、電極触媒層の構造(特に、空孔構造)が損なわれることなく、電極触媒層の構造(特に、空孔構造)が良好に維持され、ガスの拡散性や生成水の排出性を良好に保持できる。 In the first aspect of the present invention, in an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on a conductive material, when X is the average particle diameter of the catalyst particles supported on the conductive material, An electrode characterized in that the catalyst particles are supported on a conductive material such that the center of gravity of each of the three or more adjacent catalyst particles is in the range of 0.5X to 2X from the center of gravity of the catalyst particle A. A catalyst is provided. Therefore, in the electrode catalyst of the present invention, as shown in the upper part of FIG. 2, the catalyst particles are present in a highly dispersed state on the conductive material at regular intervals. For this reason, as shown in the lower part of FIG. 2, in the electrode catalyst of the present invention, even when water is generated on the cathode catalyst layer side, the catalyst particles are in contact with water and the conductive material, that is, C + 2H 2 O → CO The reaction of 2 + 4H + + 4e can be effectively suppressed / prevented. At the same time, on the anode side, it is possible to effectively suppress / prevent the fuel oxidation reaction for maintaining a desired current density when the fuel is insufficient. Therefore, the fuel cell using the electrode catalyst of the present invention for the cathode and / or anode catalyst layer, particularly the cathode catalyst layer is excellent in durability and has catalytic activity even after repeated start / stop / continuous operation. Can be suppressed, and therefore excellent battery performance can be maintained over a long period of time. In addition to the advantages described above, the electrode catalyst of the present invention significantly suppresses / prevents the corrosion / deterioration of the conductive material as described above, so that deterioration such as carbon corrosion, elution of catalyst components, and deterioration of the conductive material is caused. The structure of the electrode catalyst layer (especially the pore structure) is not impaired by the factors and end plate clamping pressure, and the structure of the electrode catalyst layer (especially the pore structure) is maintained well. Good discharge of generated water can be maintained.

以下、本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

本発明では、導電性材料に担持した触媒粒子の平均粒子径をXとした場合、ある任意の触媒粒子Aに対して隣接する3つ以上の触媒粒子のそれぞれの重心が、触媒粒子Aの重心と0.5X〜2Xの距離の範囲になるように、触媒粒子が導電性材料に担持されている、換言すると、ある任意の触媒粒子Aの重心からの距離が0.5X〜2Xの距離の範囲に3つ以上の触媒粒子の重心を置くように、触媒粒子群を導電性材料上に担持させることが必須の構成要件である。この際、隣接する3つ以上の触媒粒子のそれぞれの重心と触媒粒子Aの重心との距離が2Xを超えると、図1Aに示されるように、触媒粒子間が開きすぎ、導電性材料表面の曝露面積が大きくなりすぎて、導電性材料表面と水が接触する可能性が高くなり、この部分では特に、高電位の状態にさらされる運転条件下で導電性材料の腐食/劣化が著しく生じるため好ましくない。一方、隣接する3つ以上の触媒粒子のそれぞれの重心と触媒粒子Aの重心との距離が0.5X未満であると、触媒粒子同士の接触が増えるため、燃料ガス/酸化剤ガスと電極触媒と電解質との三相界面が小さくなり、触媒活性が低下するため好ましくない。本発明において、隣接する3つ以上の触媒粒子のそれぞれの重心と触媒粒子Aの重心との距離(Y)は、導電性材料に担持した触媒粒子の平均粒子径をXに対して、下記式を満足することが好ましい。   In the present invention, when the average particle diameter of the catalyst particles supported on the conductive material is X, the center of gravity of each of the three or more catalyst particles adjacent to a certain arbitrary catalyst particle A is the center of gravity of the catalyst particle A. The catalyst particles are supported on the conductive material so that the distance ranges from 0.5X to 2X. In other words, the distance from the center of gravity of any given catalyst particle A is 0.5X to 2X. It is an essential constituent requirement that the catalyst particle group is supported on the conductive material so that the center of gravity of three or more catalyst particles is placed in the range. At this time, if the distance between the center of gravity of each of the three or more adjacent catalyst particles and the center of gravity of the catalyst particle A exceeds 2X, as shown in FIG. Because the exposed area becomes too large, the surface of the conductive material is likely to come into contact with water, especially in this area where the conductive material is significantly corroded / degraded under operating conditions exposed to high potential conditions. It is not preferable. On the other hand, if the distance between the center of gravity of each of the three or more adjacent catalyst particles and the center of gravity of the catalyst particle A is less than 0.5X, the contact between the catalyst particles increases, so the fuel gas / oxidant gas and the electrode catalyst This is not preferable because the three-phase interface between the electrolyte and the electrolyte becomes small and the catalytic activity is lowered. In the present invention, the distance (Y) between the center of gravity of each of the three or more adjacent catalyst particles and the center of gravity of the catalyst particle A is expressed by the following formula with respect to the average particle diameter of the catalyst particles carried on the conductive material as X. Is preferably satisfied.

なお、本明細書において、「隣接する3つ以上の触媒粒子のそれぞれの重心と触媒粒子Aの重心との距離」は、導電性材料上に担持される各触媒粒子の分散状態を示す指標である。このため、各触媒粒子の粒径が同じであるとした場合には、例えば、図3Bに示されるように、触媒粒子A(図3B中の真ん中の円)と隣接する4個の触媒粒子の各円周が触媒粒子Aの円周と接する場合には、隣接する触媒粒子の重心と触媒粒子Aの重心との距離(Y)は1.0Xとなる。また、図3Aのように触媒粒子Aと隣接する4個の触媒粒子の重心が触媒粒子Aの円周上に存在する場合には、当該距離(Y)は、0.5Xであると記載される。さらに、図3Dのように、触媒粒子Aの重心と、当該触媒粒子Aの重心との距離が、触媒粒子Aの粒径の2倍である場合には、当該距離(Y)は、2.0Xであると記載される。なお、図3では、触媒粒子を球状と仮定しているため、重心と中心が同じである。また、図3から明らかなように、隣接する触媒粒子の重心と触媒粒子Aの重心との距離(Y)が0.5X〜2Xの距離の範囲である場合の、触媒粒子の占有率(単位格子当たりの触媒粒子が占める面積の割合(%))は14.9〜81.0%である。   In this specification, “the distance between the center of gravity of each of the three or more adjacent catalyst particles and the center of gravity of the catalyst particle A” is an index indicating the dispersion state of each catalyst particle supported on the conductive material. is there. Therefore, when the particle diameters of the catalyst particles are the same, for example, as shown in FIG. 3B, the catalyst particles A (the middle circle in FIG. 3B) and the four catalyst particles adjacent to each other When each circumference is in contact with the circumference of the catalyst particle A, the distance (Y) between the center of gravity of the adjacent catalyst particles and the center of gravity of the catalyst particles A is 1.0X. When the center of gravity of the four catalyst particles adjacent to the catalyst particle A exists on the circumference of the catalyst particle A as shown in FIG. 3A, the distance (Y) is described as 0.5X. The Furthermore, as shown in FIG. 3D, when the distance between the center of gravity of the catalyst particle A and the center of gravity of the catalyst particle A is twice the particle size of the catalyst particle A, the distance (Y) is 2. It is described as 0X. In FIG. 3, since the catalyst particles are assumed to be spherical, the center of gravity and the center are the same. As is clear from FIG. 3, the catalyst particle occupancy (unit) when the distance (Y) between the center of gravity of the adjacent catalyst particles and the center of gravity of the catalyst particles A is in the range of 0.5X to 2X. The ratio (%) of the area occupied by the catalyst particles per lattice is 14.9 to 81.0%.

この際、「触媒粒子の平均粒径」は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径あるいは透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒粒子100〜1000個の粒子径の平均値により測定することができる。ただし、本明細書では、「触媒粒子の平均粒子径X」は、透過型電子顕微鏡(TEM)像より調べられる触媒粒子100個の粒子径の平均値とする。   In this case, the “average particle diameter of the catalyst particles” is a crystallite diameter obtained from the half width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction or a particle diameter of 100 to 1000 catalyst particles examined from a transmission electron microscope image. The average value can be measured. However, in this specification, “the average particle diameter X of the catalyst particles” is an average value of the particle diameters of 100 catalyst particles examined from a transmission electron microscope (TEM) image.

また、本発明においては、導電性材料に担持した触媒粒子の平均粒子径がXであり、触媒粒子が直径Xの球形と仮定した場合、1gあたりの触媒粒子が導電性材料を占有する面積S1、1gあたりの導電性材料の表面積S2(ただし、S2は、孔径X以下の細孔内における表面積を除くものとする)、電極触媒中の触媒成分の質量分率G1及び電極触媒中の導電性材料の質量分率G2が、式:(S1・G1)/(S2・G2)=0.2〜1.35を満たすことが好ましい。このような割合で触媒粒子が導電性材料を被覆する場合には、電極触媒は、十分な導電性材料の腐食の抑制/防止効果および十分な触媒活性を同時に達成できる。これに対して、式:(S1・G1)/(S2・G2)の値が0.2未満であると、導電性材料表面に占める触媒粒子の面積が小さいため、導電性材料の露出面積が大きくなり、導電性材料の腐食劣化を起こしやすくなる場合がある。一方、(S1・G1)/(S2・G2)が1.35を超えると、導電性材料表面を触媒粒子が埋め尽くすあるいは積層し、触媒粒子の利用率が低下する可能性がある。式:(S1・G1)/(S2・G2)の値は、好ましくは0.2〜1.0、最も好ましくは0.2〜0.8である。   In the present invention, when the average particle diameter of the catalyst particles carried on the conductive material is X and the catalyst particles are assumed to be spherical with a diameter X, the area S1 where the catalyst particles per 1 g occupy the conductive material. Surface area S2 of the conductive material per gram (where S2 excludes the surface area in the pores having a pore diameter X or less), the mass fraction G1 of the catalyst component in the electrode catalyst, and the conductivity in the electrode catalyst The mass fraction G2 of the material preferably satisfies the formula: (S1 · G1) / (S2 · G2) = 0.2 to 1.35. When the catalyst particles cover the conductive material at such a ratio, the electrode catalyst can simultaneously achieve a sufficient effect of inhibiting / preventing corrosion of the conductive material and a sufficient catalytic activity. On the other hand, if the value of the formula: (S1 · G1) / (S2 · G2) is less than 0.2, the area of the catalyst particles occupying the surface of the conductive material is small. In some cases, the conductive material is likely to corrode and deteriorate. On the other hand, if (S1 · G1) / (S2 · G2) exceeds 1.35, the surface of the conductive material is filled or laminated with the catalyst material, which may reduce the utilization rate of the catalyst particles. The value of the formula: (S1 · G1) / (S2 · G2) is preferably 0.2 to 1.0, most preferably 0.2 to 0.8.

本明細書において、「式:(S1・G1)/(S2・G2)の値」は、触媒粒子により導電性材料が被覆される割合を示す指標であり、この値が小さいということは導電性材料表面に占める触媒粒子の面積が小さい、即ち、導電性材料表面の曝露面積が大きいことを意味する。なお、上記式において、S1は、1gあたりの触媒粒子が導電性材料を占有する面積であり、例えば、平均粒子径a(nm)の触媒粒子が1g中にb(個)ある場合には、S1=(aπ/4)×bである。ここで、触媒粒子として白金粒子を使用した場合の、平均粒子径X(nm)と白金粒子1g当たりの導電性材料の占有面積(S1:m/g)を測定したところ、図4に示されるような結果が得られた。これから、白金粒子の平均粒子径(X)が大きくなるほど、S1は小さくなることが分かる。図4は、平均粒子径X(nm)(横軸)に対するS1(m/g)(縦軸)をプロットしたものである。また、S2は、導電性材料のBET面積である。また、例えば、30質量%の白金粒子を導電性材料に担持させた場合には、G1=0.3、G2=0.7となる。 In the present specification, “value of formula: (S1 · G1) / (S2 · G2)” is an index indicating the ratio of the conductive material covered with the catalyst particles, and the fact that this value is small means that the conductivity is low. This means that the area of the catalyst particles on the surface of the material is small, that is, the exposed area of the surface of the conductive material is large. In the above formula, S1 is an area in which the catalyst particles per 1 g occupy the conductive material. For example, when 1 g of catalyst particles having an average particle diameter a (nm) is b (pieces), S1 = (a 2 π / 4) × b. Here, when platinum particles were used as the catalyst particles, the average particle diameter X (nm) and the area occupied by the conductive material per 1 g of platinum particles (S1: m 2 / g) were measured and shown in FIG. The result was obtained. From this, it can be seen that S1 decreases as the average particle diameter (X) of the platinum particles increases. FIG. 4 is a plot of S1 (m 2 / g) (vertical axis) against average particle diameter X (nm) (horizontal axis). S2 is the BET area of the conductive material. For example, when 30% by mass of platinum particles are supported on a conductive material, G1 = 0.3 and G2 = 0.7.

触媒粒子の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒粒子と同様の形状及び大きさが使用できる。例えば、触媒粒子は、略粒状や楕円状なども包含する。この際、触媒粒子の平均粒子径Xは、小さいほど電気化学反応が進行する有効電極面積が増加するため酸素還元活性も高くなり好ましいが、実際には平均粒子径が小さすぎると却って酸素還元活性が低下する現象が見られる。従って、触媒粒子の平均粒子径Xは、1〜10nm、より好ましくは2〜8nm、最も好ましくは3〜5nmの粒状であることが好ましい。担持の容易さや触媒成分の溶出しやすさという観点から1nm以上であることが好ましく、触媒の比表面積(即ち、触媒活性)や、上記したような触媒粒子の導電性材料上の分散状態(即ち、導電性材料の腐食/劣化の抑制)の観点から10nm以下であることが好ましい。特に、触媒粒子の平均粒子径が大きい場合には、触媒粒子間の間隔が大きくなるため、導電性材料、例えばカーボン材料を用いた場合、カーボン担体表面と水との接触が起き易く、運転条件下においては、著しいカーボン腐食を生じる可能性があるため好ましくない。   The shape and size of the catalyst particles are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst particles can be used. For example, the catalyst particles include substantially granular shapes and elliptical shapes. At this time, the smaller the average particle diameter X of the catalyst particles, the higher the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds, and the higher the oxygen reduction activity. However, in practice, if the average particle diameter is too small, the oxygen reduction activity There is a phenomenon that decreases. Therefore, the average particle diameter X of the catalyst particles is preferably 1 to 10 nm, more preferably 2 to 8 nm, and most preferably 3 to 5 nm. From the viewpoint of easy loading and elution of the catalyst component, it is preferably 1 nm or more. The specific surface area of the catalyst (that is, catalytic activity) and the dispersion state of the catalyst particles as described above on the conductive material (that is, From the viewpoint of (suppression of corrosion / deterioration of conductive material), it is preferably 10 nm or less. In particular, when the average particle diameter of the catalyst particles is large, the interval between the catalyst particles becomes large. Therefore, when a conductive material, for example, a carbon material is used, contact between the carbon support surface and water easily occurs, and the operating conditions Below, it is not preferable because significant carbon corrosion may occur.

また、本発明では、導電性材料に担持した触媒粒子の粒子径のバラツキ(分布)が0.75X〜1.5Xの範囲であることが好ましい。触媒粒子の粒子径のバラツキがこのような範囲であると、触媒粒子の溶出や再結晶化、さらには導電性材料上に適宜担持された触媒粒子によって導電性材料と水との接触を有効に抑制・防止できるため、導電性材料の劣化を有効に抑制・防止できる。これに対して、触媒粒子のバラツキが上記範囲に入っていない場合には、触媒粒子の溶出が起こる運転条件下においては、小さい粒子は溶出し、電解質膜中や大きな粒子の表面に再析出してしまう場合がある。また、このように大きな粒子の表面に再析出した場合には、触媒の比表面積が低下するため、触媒の比活性の低下を引き起こす可能性がある。また、溶出した粒子が膜中に析出した場合には、膜の劣化を促進する原因となる可能性があるためやはり好ましくない。さらに、触媒粒子のバラツキがこの範囲に入っていない場合には、触媒粒子の間隔が大きくなる可能性が大きく、導電性材料と水との接触が起こり易くなる場合がある。   In the present invention, it is preferable that the variation (distribution) of the particle diameter of the catalyst particles supported on the conductive material is in the range of 0.75X to 1.5X. When the variation in the particle diameter of the catalyst particles is within such a range, the catalyst particles are effectively eluted and recrystallized, and further, the contact between the conductive material and water is effectively achieved by the catalyst particles appropriately supported on the conductive material. Since it can be suppressed / prevented, deterioration of the conductive material can be effectively suppressed / prevented. On the other hand, when the variation of the catalyst particles is not within the above range, the small particles are eluted under the operating conditions in which the catalyst particles are eluted, and re-deposited in the electrolyte membrane or on the surface of the large particles. May end up. Further, when re-deposited on the surface of such a large particle, the specific surface area of the catalyst is reduced, which may cause a reduction in the specific activity of the catalyst. Further, when the eluted particles are deposited in the film, it may cause a deterioration of the film, which is not preferable. Furthermore, when the variation of the catalyst particles is not within this range, there is a high possibility that the interval between the catalyst particles becomes large, and the conductive material and water may easily come into contact with each other.

本発明において、触媒層を構成する触媒粒子は、カソード触媒層に用いられる場合には、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、アノード触媒層に用いられる触媒粒子もまた、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びこれらの合金等などから選択され、好ましくは、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、鉄、クロム、及びマンガン等の金属、及びこれらの合金が好ましく使用される。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金が30〜90原子%、合金化する金属が10〜70原子%とするのがよい。カソード触媒をして合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者が適宜選択できるが、白金が30〜90原子%、合金化する他の金属が10〜70原子%とすることが好ましい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、カソード触媒層に用いられる触媒粒子及びアノード触媒層に用いられる触媒粒子は、上記の中から適宜選択できる。以下の説明では、特記しない限り、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒粒子についての説明は、両者について同様の定義であり、一括して、「触媒粒子」と称する。しかしながら、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒粒子は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択される。   In the present invention, when the catalyst particles constituting the catalyst layer are used in the cathode catalyst layer, any known catalyst can be used in the same manner as long as it has a catalytic action in the oxygen reduction reaction. Also, the catalyst particles used in the anode catalyst layer are not particularly limited as long as they have a catalytic action in the oxidation reaction of hydrogen, and known catalysts can be used in the same manner. Specifically, selected from platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof, and the like Preferably, metals such as platinum, palladium, rhodium, ruthenium, iridium, cobalt, nickel, iron, chromium and manganese, and alloys thereof are preferably used. Among these, those containing at least platinum are preferably used in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance, and the like. The composition of the alloy is preferably 30 to 90 atomic% for platinum and 10 to 70 atomic% for the metal to be alloyed, depending on the type of metal to be alloyed. The composition of the alloy when the alloy is used as a cathode catalyst varies depending on the type of metal to be alloyed and can be appropriately selected by those skilled in the art, but platinum is 30 to 90 atomic%, and other metals to be alloyed are 10 It is preferable to set it to -70 atomic%. In general, an alloy is a generic term for a metal element having one or more metal elements or non-metal elements added and having metallic properties. The alloy structure consists of a eutectic alloy, which is a mixture of the component elements as separate crystals, a component element completely melted into a solid solution, and a component element composed of an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. There is what is formed, and any may be used in the present application. At this time, the catalyst particles used for the cathode catalyst layer and the catalyst particles used for the anode catalyst layer can be appropriately selected from the above. In the following description, unless otherwise specified, the descriptions of the catalyst particles for the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer have the same definition for both, and are collectively referred to as “catalyst particles”. However, the catalyst particles for the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer do not need to be the same, and are appropriately selected so as to exhibit the desired action as described above.

本発明において、導電性材料としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。具体的には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、トーカブラック等のカーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛等のグラファイト、カーボンナノファイバー、及びカーボンナノチューブなどからなるカーボン粒子が挙げられる。これらのうち、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、トーカブラック、活性炭、グラファイト、カーボンナノファイバー、及びカーボンナノチューブが導電性材料として好ましい。この際、上記導電性材料は、1種を単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。なお、本発明において「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。   In the present invention, the conductive material may be any material as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state and sufficient electronic conductivity as a current collector. Is preferably carbon. Specific examples include carbon particles such as carbon black such as acetylene black, ketjen black, and talker black, graphite such as activated carbon, coke, natural graphite, and artificial graphite, carbon nanofiber, and carbon nanotube. Among these, acetylene black, ketjen black, talker black, activated carbon, graphite, carbon nanofiber, and carbon nanotube are preferable as the conductive material. Under the present circumstances, the said electroconductive material may be used individually by 1 type, or may be used with the form of a 2 or more types of mixture. In the present invention, “the main component is carbon” refers to containing a carbon atom as a main component, and is a concept including both a carbon atom only and a substantially carbon atom. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by mass or less is allowed.

前記導電性材料のBET比表面積は、触媒粒子を高分散担持させるのに十分な比表面積であればよいが、好ましくは30〜500m/g、より好ましくは100〜300m/gとするのがよい。前記比表面積がこのような範囲であれば、導電性材料への触媒粒子および高分子電解質の良好な分散性を維持でき、触媒粒子及び高分子電解質の有効利用率を向上させ、十分な発電性能が達成できる。 The BET specific surface area of the conductive material may be a specific surface area sufficient to carry the catalyst particles in a highly dispersed manner, but is preferably 30 to 500 m 2 / g, more preferably 100 to 300 m 2 / g. Is good. If the specific surface area is in such a range, good dispersibility of the catalyst particles and the polymer electrolyte in the conductive material can be maintained, the effective utilization rate of the catalyst particles and the polymer electrolyte can be improved, and sufficient power generation performance can be achieved. Can be achieved.

また、前記導電性材料の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径が5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするのがよい。   In addition, the size of the conductive material is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the ease of loading, the catalyst utilization, and the thickness of the electrode catalyst layer within an appropriate range, the average particle size is 5 to 200 nm. The thickness is preferably about 10 to 100 nm.

または、導電性材料は、カーボンナノファイバー(CNF)の表面からカーボンを主成分とする突起を成長させた多枝カーボンナノファイバーまたはカーボンナノチューブ(CNT)の表面からカーボンを主成分とする突起を成長させた多枝カーボンナノチューブの少なくとも一方からなる、あるいは上記多枝カーボンナノファイバーまたは多枝カーボンナノチューブの少なくとも一方をさらに含むことが好ましい。この際、上記導電性材料は、1種を単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。従来、電極触媒層は、負荷運転によって導電性材料(特に、カーボン)の腐食、触媒の溶出、電解質の劣化など種々の変化を生じ、特に電極触媒層の空孔構造は、劣化が著しく、ガスの拡散や生成水の排出などに影響を及ぼし、発電機能を著しく低下させる要因になっていた。しかしながら、このように、多枝カーボンナノファイバーおよび/または多枝カーボンナノチューブを導電性材料として使用すると、図5に示すように、突起を成長させた多枝カーボンナノファイバー/多枝カーボンナノチューブを導電性材料として使用した場合は、突起を成長させない2次元系のCNF/CNTを使用した場合に比べると、触媒粒子を多枝カーボンナノファイバー/多枝カーボンナノチューブの分岐した部分にしっかりと担持することができると同時に、以下に詳述するように電極触媒を触媒層に使用する場合にイオン伝導性物質(電解質)との絡みが良いため、触媒層の変形を有意に抑制・防止することができる。また、多枝カーボンナノファイバー/多枝カーボンナノチューブは、(i)従来のCNF/CNTに比べて、比表面積が大きいため、ガスの拡散性や排水性の点で有利である;(ii)通常の突起を成長させないカーボンファイバー等とは異なり、ファイバーの成長方向に対し、垂直に近い角度で突起が成長しているため、触媒粒子の担持が強固に容易に行なえ、表面にしっかりとかつ高密度で触媒粒子を担持できるため、導電性材料自体のカーボン耐食性も高くできる;(iii)従来のCNF/CNTに比べて、比表面積が高くかつ触媒粒子の担持が容易なため、多枝カーボンナノファイバー/多枝カーボンナノチューブに触媒粒子を担持させた電極触媒を含む電極触媒層は優れた性能を発揮できるという利点がある。さらに、多枝カーボンナノファイバー/多枝カーボンナノチューブは、通常の突起を成長させないカーボンファイバー等とは異なり、ファイバーの成長方向に対し、垂直に近い角度で(3次元的な)突起が成長しているため、電極触媒層を電解質膜に転写する際の、膜への食い込みも抑制することが可能である。このため、このような多枝カーボンナノファイバー/多枝カーボンナノチューブを導電性材料に使用した電飾触媒を含む電極触媒層は、その構造をより良好に維持でき、触媒層の劣化や締め付け圧により触媒層が変形した場合であっても、電解質膜を破損することを有効に防止することができる。   Alternatively, the conductive material grows protrusions mainly composed of carbon from the surface of multi-branched carbon nanofibers or carbon nanotubes (CNT) in which protrusions mainly composed of carbon are grown from the surface of carbon nanofibers (CNF). It is preferable that the multi-branched carbon nanotubes include at least one of the multi-branched carbon nanotubes, or at least one of the multi-branched carbon nanofibers or the multi-branched carbon nanotubes. Under the present circumstances, the said electroconductive material may be used individually by 1 type, or may be used with the form of a 2 or more types of mixture. Conventionally, the electrode catalyst layer undergoes various changes such as corrosion of conductive materials (especially carbon), catalyst elution, and electrolyte degradation due to load operation. It has been a factor that significantly reduces the power generation function, affecting the diffusion of water and the discharge of produced water. However, when multi-branched carbon nanofibers and / or multi-branched carbon nanotubes are used as the conductive material in this way, as shown in FIG. 5, the multi-branched carbon nanofibers / multi-branched carbon nanotubes with protrusions grown thereon are electrically conductive. When used as a conductive material, the catalyst particles are more firmly supported on the branched parts of multi-branched carbon nanofibers / multi-branched carbon nanotubes than when two-dimensional CNF / CNT that does not grow protrusions is used. At the same time, as described in detail below, when an electrode catalyst is used in the catalyst layer, the entanglement with the ion conductive material (electrolyte) is good, so that deformation of the catalyst layer can be significantly suppressed / prevented. . In addition, multi-branched carbon nanofibers / multi-branched carbon nanotubes are advantageous in terms of gas diffusibility and drainage because (i) the specific surface area is larger than conventional CNF / CNT; Unlike carbon fiber, etc., which do not grow any protrusions, the protrusions grow at an angle close to the perpendicular to the fiber growth direction, so that the catalyst particles can be supported firmly and easily, and the surface is solid and dense. Since the catalyst particles can be supported by the conductive material itself, the carbon corrosion resistance of the conductive material itself can be increased. (Iii) Compared to the conventional CNF / CNT, the specific surface area is high and the catalyst particles can be easily supported. / An electrode catalyst layer including an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on multi-branched carbon nanotubes has an advantage that excellent performance can be exhibited. Furthermore, unlike multi-branched carbon nanofibers / multi-branched carbon nanotubes, etc., where normal protrusions do not grow, protrusions (three-dimensional) grow at an angle close to perpendicular to the fiber growth direction. Therefore, it is possible to suppress biting into the membrane when transferring the electrode catalyst layer to the electrolyte membrane. For this reason, an electrode catalyst layer including an electrocatalyst using such multi-branched carbon nanofibers / multi-branched carbon nanotubes as a conductive material can maintain its structure better, and the deterioration and tightening pressure of the catalyst layer Even when the catalyst layer is deformed, it is possible to effectively prevent the electrolyte membrane from being damaged.

本発明において、多枝カーボンナノファイバー/多枝カーボンナノチューブを導電性材料に使用する場合の、多枝カーボンナノファイバー/多枝カーボンナノチューブの製造方法は、特に制限されず、通常の炭素の成長方法が使用できる。例えば、カーボンナノファイバー/カーボンナノチューブの表面に、微細なNiやFeなどの、カーボンの気相成長を補助する触媒を担持した後、その触媒を基に化学蒸着法(CVD)などによってカーボンの気相成長を行なうことによって、カーボンナノファイバー/カーボンナノチューブの表面から枝状のカーボンが成長する。または、多枝カーボンナノファイバー/多枝カーボンナノチューブは市販品であってもよい。   In the present invention, the method for producing multi-branched carbon nanofibers / multi-branched carbon nanotubes when using multi-branched carbon nanofibers / multi-branched carbon nanotubes as the conductive material is not particularly limited, and is a normal carbon growth method. Can be used. For example, after a catalyst supporting the vapor phase growth of carbon, such as fine Ni or Fe, is supported on the surface of carbon nanofiber / carbon nanotube, the gas of carbon is vaporized by chemical vapor deposition (CVD) based on the catalyst. By performing phase growth, branch-like carbon grows from the surface of the carbon nanofiber / carbon nanotube. Alternatively, the multi-branched carbon nanofiber / multi-branched carbon nanotube may be a commercially available product.

本発明において、多枝カーボンナノファイバー/多枝カーボンナノチューブを導電性材料に使用する場合の、多枝カーボンナノファイバー/多枝カーボンナノチューブの大きさは、触媒粒子を良好に担持できるものであれば特に制限されないが、例えば、直径が10〜200nm、より好ましくは10〜100nmであり、長さが20nm〜2μm、より好ましくは20〜500nmであるものが好ましく使用される。また、多枝カーボンナノファイバー/多枝カーボンナノチューブの枝と枝との間隔は、触媒粒子を良好に担持できかつ触媒活性について相互に邪魔しない程度で、適宜選択できる。   In the present invention, when multi-branched carbon nanofibers / multi-branched carbon nanotubes are used for the conductive material, the size of the multi-branched carbon nanofibers / multi-branched carbon nanotubes is not limited as long as the catalyst particles can be supported favorably. Although not particularly limited, for example, a material having a diameter of 10 to 200 nm, more preferably 10 to 100 nm, and a length of 20 nm to 2 μm, more preferably 20 to 500 nm is preferably used. Further, the interval between the branches of the multi-branched carbon nanofiber / multi-branched carbon nanotube can be appropriately selected as long as the catalyst particles can be favorably supported and do not interfere with the catalytic activity.

前記導電性材料に触媒粒子が担持された電極触媒において、触媒粒子の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは5〜80質量%、より好ましくは10〜50質量%とするのがよい。前記担持量が上記範囲であると、触媒粒子の導電性材料上で良好に分散でき、発電性能の向上が期待できる。なお、触媒粒子の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって調べることができる。   In the electrode catalyst in which catalyst particles are supported on the conductive material, the supported amount of the catalyst particles is preferably 5 to 80% by mass, more preferably 10 to 50% by mass with respect to the total amount of the electrode catalyst. Good. When the supported amount is in the above range, the catalyst particles can be favorably dispersed on the conductive material, and improvement in power generation performance can be expected. The amount of catalyst particles supported can be examined by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).

また、導電性材料への触媒粒子の担持は公知の方法で行うことができる。例えば、含浸法、溶液還元(液相還元担持)法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法が使用できるが、好ましくは溶液還元法が使用される。以下、本発明の電極触媒を溶液還元法を用いて製造する方法について詳述するが、本発明の電極触媒は下記製法によって製造されるものに限定されない。   Further, the catalyst particles can be supported on the conductive material by a known method. For example, known methods such as impregnation method, solution reduction (liquid phase reduction support) method, evaporation to dryness method, colloid adsorption method, spray pyrolysis method, reverse micelle (microemulsion method) can be used, but preferably solution reduction The method is used. Hereinafter, although the method of manufacturing the electrode catalyst of this invention using a solution reduction method is explained in full detail, the electrode catalyst of this invention is not limited to what is manufactured by the following manufacturing method.

本発明において好ましく使用される溶液還元法としては、上記導電性材料に、還元剤及び触媒粒子の前駆体溶液を加え、所定時間、好ましくは30〜120分間、25〜50℃で攪拌・混合した後、超音波ホモジナイザーなどを使用してさらに所定時間、好ましくは10〜30分間、25〜50℃で良好に分散・混合し、均一な分散液を得た後、分散液を所定時間、好ましくは1〜12時間、60〜95℃で還元処理して、導電性材料上に触媒粒子を担持させる。   As a solution reduction method preferably used in the present invention, a reducing agent and a precursor solution of catalyst particles are added to the conductive material, and the mixture is stirred and mixed at 25 to 50 ° C. for a predetermined time, preferably 30 to 120 minutes. Thereafter, using an ultrasonic homogenizer or the like, further dispersed and mixed for a predetermined time, preferably 10 to 30 minutes, at 25 to 50 ° C. to obtain a uniform dispersion, and then the dispersion is processed for a predetermined time, preferably Reduction treatment is performed at 60 to 95 ° C. for 1 to 12 hours to support the catalyst particles on the conductive material.

上記方法において、還元剤としては、エタノール、メタノール、プロパノール、ギ酸、ギ酸ナトリウムやギ酸カリウムなどのギ酸塩、ホルムアルデヒド、チオ硫酸ナトリウム、クエン酸、水素化ホウ素ナトリウム(NaBH)及びヒドラジン(N)などが使用でき、好ましくは、エタノール、メタノール、プロパノール、ギ酸、ホルムアルデヒド、チオ硫酸ナトリウム、クエン酸、水素化ホウ素ナトリウム及びヒドラジンが使用できる。この際、還元剤の添加量は、下記に詳述する触媒粒子の前駆体を十分還元して導電性材料上に担持できる量であれば特に制限されないが、例えば、担持する触媒金属のモル数に対し、1〜200倍モルの還元剤を投入することが好ましい。 In the above method, as the reducing agent, ethanol, methanol, propanol, formic acid, formate such as sodium formate and potassium formate, formaldehyde, sodium thiosulfate, citric acid, sodium borohydride (NaBH 4 ) and hydrazine (N 2 H 4 ) and the like can be used, and ethanol, methanol, propanol, formic acid, formaldehyde, sodium thiosulfate, citric acid, sodium borohydride and hydrazine can be preferably used. At this time, the amount of the reducing agent added is not particularly limited as long as it is an amount capable of sufficiently reducing the catalyst particle precursor described in detail below and supporting it on the conductive material. In contrast, it is preferable to add 1 to 200 moles of the reducing agent.

また、触媒粒子の前駆体としては、前記した触媒粒子に使用する金属の種類によって適宜選択できる。例えば、触媒粒子に貴金属粒子を使用する場合には、貴金属イオン源としては、例えば、硝酸ロジウム、硝酸パラジウム等の硝酸塩、塩化白金酸、ジニトロジアンミン白金等の硝酸塩、硫酸塩、アンモニウム塩、アミン、テトラアンミン白金、ヘキサアンミン白金等のアンミン塩、炭酸塩、重炭酸塩、塩化白金、塩化パラジウム等の臭化物、塩化物などのハロゲン化物、亜硝酸塩、蓚酸などの無機塩類、ギ酸塩などのカルボン酸塩および水酸化物、アルコキサイド、酸化物などの、水溶液中で貴金属イオンになれる化合物が好ましく挙げられる。これらのうち、貴金属の塩化白金酸やジニトロジアンミン白金の硝酸塩などが好ましく使用される。また、触媒粒子に遷移金属粒子を使用する場合には、例えば、上記遷移金属の硝酸塩、ジニトロジアンミン塩、硫酸塩、アンモニウム塩、アミン、炭酸塩、重炭酸塩、臭化物、塩化物などのハロゲン化物、亜硝酸塩、蓚酸などの無機塩類、ギ酸塩などのカルボン酸塩および水酸化物、アルコキサイド、酸化物などの、水溶液中で遷移金属イオンになれる化合物が好ましく挙げられる。これらのうち、遷移金属のハロゲン化物、特に塩化物、硝酸塩、及びジニトロジアンミン塩が好ましく使用され、硝酸塩が特に好ましい。なお、上記触媒粒子の前駆体は、単独であってもあるいは2種以上の混合物であってもよい。   Further, the precursor of the catalyst particles can be appropriately selected depending on the type of metal used for the catalyst particles. For example, when noble metal particles are used as catalyst particles, examples of the noble metal ion source include nitrates such as rhodium nitrate and palladium nitrate, nitrates such as chloroplatinic acid and dinitrodiammine platinum, sulfates, ammonium salts, amines, Ammine salts such as tetraammineplatinum and hexaammineplatinum, carbonates, bicarbonates, bromides such as platinum chloride and palladium chloride, halides such as chloride, inorganic salts such as nitrite and oxalic acid, carboxylates such as formate And compounds capable of forming noble metal ions in an aqueous solution, such as hydroxides, alkoxides and oxides, are preferred. Of these, noble metals such as chloroplatinic acid and nitrate of dinitrodiammine platinum are preferably used. When transition metal particles are used as catalyst particles, for example, halides such as nitrates, dinitrodiammine salts, sulfates, ammonium salts, amines, carbonates, bicarbonates, bromides, chlorides of the above transition metals. Inorganic salts such as nitrite and succinic acid, carboxylates such as formate and hydroxides, alkoxides, oxides, and the like are preferable compounds that can become transition metal ions in an aqueous solution. Of these, transition metal halides, particularly chlorides, nitrates, and dinitrodiammine salts are preferably used, and nitrates are particularly preferred. The catalyst particle precursor may be a single precursor or a mixture of two or more.

上記方法において、導電性材料の量は、所望の量の触媒粒子が担持さればよく、特に制限されない。   In the above method, the amount of the conductive material is not particularly limited as long as a desired amount of catalyst particles is supported.

また、このようにして得られた分散液は、所定時間、還元処理されるが、上記溶液還元法を用いて導電性材料に触媒粒子を担持する工程において、触媒成分を還元剤で還元処理する際に、一酸化炭素ガスを流入することが好ましい。一酸化炭素ガスを上記混合溶液中にバブリングなどによって流入しながら、触媒粒子の前駆体を還元剤で還元処理して導電性材料上に担持すると、触媒粒子が接近した状態になっても、触媒粒子の前駆体(特に白金)表面に一酸化炭素が付着して粒子同士の凝集を防ぐため、導電性材料に触媒粒子が上記したような所望の分散状態で担持できる。この際、一酸化炭素ガスは、一酸化炭素のみからなってもあるいは窒素、ヘリウム、空気などのガスと混合されて使用されてもよいが、好ましくは窒素中に10〜100体積%の濃度で、より好ましくは空気中に50〜100体積%の濃度で、一酸化炭素を含む混合ガスが使用される。また、一酸化炭素ガスの流入速度は、上記したような効果が達成できれば特に制限されない。   The dispersion thus obtained is subjected to a reduction treatment for a predetermined time. In the step of supporting the catalyst particles on the conductive material using the solution reduction method, the catalyst component is reduced with a reducing agent. At this time, it is preferable to introduce carbon monoxide gas. When carbon monoxide gas is introduced into the above mixed solution by bubbling or the like, the catalyst particle precursor is reduced with a reducing agent and supported on the conductive material. Since carbon monoxide adheres to the surface of the particle precursor (particularly platinum) and prevents aggregation of the particles, the catalyst particles can be supported on the conductive material in the desired dispersion state as described above. At this time, the carbon monoxide gas may be composed of carbon monoxide alone or mixed with a gas such as nitrogen, helium, air, etc., but preferably in a concentration of 10 to 100% by volume in nitrogen. More preferably, a mixed gas containing carbon monoxide at a concentration of 50 to 100% by volume in air is used. Further, the inflow rate of the carbon monoxide gas is not particularly limited as long as the above effects can be achieved.

最後に、上記還元反応が終了した後は、溶液を濾過して固形分を分離し、純水などで線状し、乾燥することによって、導電性材料上に触媒粒子が本発明にかかる分散状態で担持した電極触媒が得られる。   Finally, after the reduction reaction is completed, the solution is filtered to separate the solid content, linearized with pure water or the like, and dried, whereby the catalyst particles are dispersed on the conductive material according to the present invention. The electrode catalyst supported by the above is obtained.

本発明では、上記触媒粒子に加えて、水電解活性を有する触媒が導電性材料上に共存担持されることが好ましい。この際、水電解活性を有する触媒は、触媒粒子とは異なる成分で構成されてなる。また、水電解活性を有する触媒は、本発明の必須の構成要件である、触媒粒子の分散状態を満足する必要はなく、下記に詳述するような効果を奏するものであれば、いずれの分散状態にあってもよい。本発明によると、触媒粒子を一定の条件で担持することにより、導電性材料と水の共存下、高電位状態で起こるカーボン腐食を抑制できる。しかしながら、当該状態によっても、触媒粒子間の空隙部分に水が入り込むことを完全に抑制できない、または燃料ガスや酸化剤ガス中に含まれる水蒸気若しくは酸化剤ガス(特に酸素)が入り込むことにより反応して生成した水の存在を完全に防止/抑制することはできない場合がある。このため、少量の水が触媒粒子間に存在して、導電性材料の腐食が多少なりとも起こる場合がある。このような場合には、上記したように、触媒粒子に加えて、水電解活性を有する触媒を導電性材料上に共存して担持することによって、このような少量の水を効率よく分解して、導電性材料の腐食をより有効に抑制・防止することができる。本発明は、上述したように、触媒粒子が導電性担体上に一定の距離範囲で存在することを主要な特徴とするものであるが、このような場合であっても、図6に示されるように、触媒粒子がほぼ一定の所定の距離で導電性材料上に担持されている(図6上段左)場合はもちろんのこと、触媒粒子が本発明による所定の距離範囲内ではあるがある程度変動した距離を保って(ある程度不均一な分散状態で)導電性材料上に担持されている(図6上段右)場合がありうる。このような場合であっても、水電解活性を有する触媒が導電性材料上に共存担持していれば、水電解活性を有する触媒は、やや距離の離れた各触媒粒子間に存在できる(図6下段参照)。このため、小さな水分子が触媒粒子間に入りこんでも、水電解活性を有する触媒の存在によって、より有効に水の存在を抑制・防止することができる。   In the present invention, in addition to the above catalyst particles, a catalyst having water electrolysis activity is preferably coexistingly supported on the conductive material. At this time, the catalyst having water electrolysis activity is composed of components different from the catalyst particles. Further, the catalyst having water electrolysis activity does not need to satisfy the dispersion state of the catalyst particles, which is an essential constituent element of the present invention, and any dispersion is possible as long as the effects described in detail below are exhibited. It may be in a state. According to the present invention, by supporting the catalyst particles under certain conditions, it is possible to suppress carbon corrosion that occurs in a high potential state in the presence of a conductive material and water. However, even in this state, it is not possible to completely prevent water from entering the voids between the catalyst particles, or the reaction occurs when water vapor or oxidant gas (especially oxygen) contained in the fuel gas or oxidant gas enters. In some cases, it is not possible to completely prevent / suppress the presence of generated water. For this reason, a small amount of water exists between the catalyst particles, and the corrosion of the conductive material may occur to some extent. In such a case, as described above, in addition to the catalyst particles, such a small amount of water can be efficiently decomposed by supporting a catalyst having water electrolysis activity on the conductive material. Thus, corrosion of the conductive material can be more effectively suppressed / prevented. As described above, the present invention is mainly characterized in that the catalyst particles are present in a certain distance range on the conductive support. Even in such a case, the catalyst particles are shown in FIG. Thus, as a matter of course, when the catalyst particles are supported on the conductive material at a substantially constant predetermined distance (the upper left in FIG. 6), the catalyst particles vary within a predetermined distance range according to the present invention. There is a case where it is supported on the conductive material while maintaining the above-mentioned distance (with a somewhat uneven dispersion state) (upper right in FIG. 6). Even in such a case, if the catalyst having water electrolysis activity is supported on the conductive material, the catalyst having water electrolysis activity can be present between the catalyst particles at some distance (see FIG. (Refer to the bottom row of 6). For this reason, even if small water molecules enter between the catalyst particles, the presence of water can be more effectively suppressed / prevented by the presence of the catalyst having water electrolysis activity.

本発明において使用できる水電解活性を有する触媒は、水電解活性を有するものであれば特に制限されないが、例えば、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、イリジウム、ルテニウム、イリジウムとルテニウムとの合金などが挙げられる。これらのうち、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、イリジウムまたはルテニウムが好ましい。特に触媒活性及びカーボン耐食性の観点からは、触媒粒子である白金触媒粒子と、水電解活性が高く、耐溶出性に優れる酸化イリジウムを水電解活性を有する触媒として導電性材料上に共存担持することが好ましい。   The catalyst having water electrolysis activity that can be used in the present invention is not particularly limited as long as it has water electrolysis activity. Examples thereof include iridium oxide, ruthenium oxide, iridium, ruthenium, and an alloy of iridium and ruthenium. Of these, iridium oxide, ruthenium oxide, iridium or ruthenium is preferred. In particular, from the viewpoint of catalyst activity and carbon corrosion resistance, platinum catalyst particles that are catalyst particles and iridium oxide that has high water electrolysis activity and excellent elution resistance should be supported on a conductive material as a catalyst having water electrolysis activity. Is preferred.

水電解活性を有する触媒の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒と同様の形状及び大きさが使用できる。例えば、水電解活性を有する触媒は、略粒状や楕円状なども包含する。この際、粒状である場合の水電解活性を有する触媒の平均粒子径は、特に制限されないが、触媒粒子間に入り込めるように、触媒粒子の平均粒子径より小さいことが好ましい。したがって、水電解活性を有する触媒は、平均粒子径が0.3〜20nm、より好ましくは0.5〜2nmの粒状であることが好ましい。このような範囲であれば、水電解活性を有する触媒は、触媒粒子間に容易に入り込んで、場合によっては導電性材料上に存在してしまう水を効率よく電解できる。   The shape and size of the catalyst having water electrolysis activity are not particularly limited, and the same shape and size as known catalysts can be used. For example, the catalyst having water electrolysis activity includes substantially granular and elliptical shapes. At this time, the average particle diameter of the catalyst having water electrolysis activity in the case of a granular form is not particularly limited, but is preferably smaller than the average particle diameter of the catalyst particles so as to enter between the catalyst particles. Therefore, the catalyst having water electrolysis activity is preferably in the form of particles having an average particle diameter of 0.3 to 20 nm, more preferably 0.5 to 2 nm. If it is such a range, the catalyst which has water electrolysis activity will penetrate | invade between catalyst particles easily, and can electrolyze the water which exists on an electroconductive material depending on the case efficiently.

また、本発明において、水電解活性を有する触媒が前記触媒粒子と導電性材料上で共存担持する場合の、水電解活性を有する触媒の存在割合は、上述したような効果を奏する割合であれば特に制限されない。具体的には、水電解活性を有する触媒は、同一の導電性材料上に存在する触媒粒子に対して、5〜50質量%、より好ましくは5〜33質量%、最も好ましくは10〜20質量%のである。なお、上記水電解活性を有する触媒の量は、例えば、触媒粒子としての白金および水電解活性を有する触媒としてのイリジウムが2:1の質量比(Pt:Ir=2:1)で存在する場合には、50質量%であることとなる。水電解活性を有する触媒がこのような量で存在する場合には、十分な触媒活性を維持したまま、触媒粒子間に入り込んだ水を分解して、導電性材料の腐食を同時に有効に抑制・防止できる。   In the present invention, when the catalyst having water electrolysis activity co-supports on the catalyst particles and the conductive material, the presence ratio of the catalyst having water electrolysis activity is a ratio that exhibits the above-described effects. There is no particular limitation. Specifically, the catalyst having water electrolysis activity is 5 to 50% by mass, more preferably 5 to 33% by mass, and most preferably 10 to 20% by mass with respect to the catalyst particles present on the same conductive material. %. The amount of the catalyst having water electrolysis activity is, for example, when platinum as catalyst particles and iridium as a catalyst having water electrolysis activity are present at a mass ratio of 2: 1 (Pt: Ir = 2: 1). Is 50% by mass. When a catalyst having water electrolysis activity is present in such an amount, the water entering between the catalyst particles is decomposed while maintaining sufficient catalyst activity, and the corrosion of the conductive material is effectively suppressed simultaneously. Can be prevented.

さらに、水電解活性を有する触媒が前記触媒粒子と導電性材料上で共存担持する場合、水電解活性を有する触媒は、上記したような触媒粒子の担持工程前あるいは後のいずれに導電性材料上に担持されてもよいが、好ましくは触媒粒子の担持工程後である。触媒粒子が担持された後の方が、触媒粒子間の隙間に効率よく水電解活性を有する触媒を存在させることができるからである。この際、水電解活性を有する触媒の導電性材料上への担持方法は、特に制限されず、公知の担持方法が同様にしてあるいは修飾して使用できる。例えば、イリジウムやルテニウムを水電解活性を有する触媒として使用する場合には、触媒粒子の担持について上記したような方法が同様にして使用できる。また、酸化イリジウムや酸化ルテニウムを水電解活性を有する触媒として使用する場合には、上記方法に加えて、溶液還元法や加熱酸化法や電析法などが好ましく使用できる。この際、溶液還元法では、例えば、硝酸イリジウムや塩化イリジウムの水溶液をイリジウム前駆体として用い、そこへ、還元剤、例えは、エタノール、メタノール、プロパノール、ギ酸、ホルムアルデヒド、アスコルビン酸、チオ硫酸ナトリウム、クエン酸等の還元剤を混合し、約90℃で4時間加熱攪拌後、ろ過し、乾燥することで、イリジウム前駆体あるいはイリジウムを担持できる。さらに、含酸素雰囲気で150℃〜400℃の間で加熱処理をすることで、酸化イリジウムとして担持することもできる。また、加熱酸化法としては、特に制限されないが、例えば、塩化イリジウム(IrCl・HO)、塩化イリジウム酸(HIrCl・6HO)、及び樹脂酸イリジウムを、水、エタノール、ブタノール等の溶媒に溶解してイリジウム前駆体溶液を調製し、このイリジウム前駆体溶液を、触媒粒子が所定の距離範囲で担持した導電性材料に塗布して、これを酸素雰囲気(例えば、酸素分圧が0.1〜0.5気圧の条件)下で、200〜800℃の温度で、5〜10分間、加熱処理する方法が好ましく使用される。また、電析法としては、特に制限されないが、例えば、イリジウム錯体(例えば、NaIrOの水溶液中に、触媒粒子が所定の距離範囲で担持した導電性材料を浸漬して、酸化イリジウム(IrO)を電着する方法が使用できる。なお、上記方法では、水電解活性を有する触媒として酸化イリジウムを導電性材料上に担持させる方法について詳述したが、酸化ルテニウムなどの他の水電解活性を有する触媒についても同様の方法が使用できる。 Further, when the catalyst having water electrolysis activity is co-supported on the catalyst particles and the conductive material, the catalyst having water electrolysis activity is on the conductive material either before or after the catalyst particle supporting step as described above. However, it is preferably after the catalyst particle supporting step. This is because a catalyst having water electrolysis activity can be efficiently present in the gaps between the catalyst particles after the catalyst particles are supported. At this time, the method for supporting the catalyst having water electrolysis activity on the conductive material is not particularly limited, and a known supporting method can be used in the same manner or after modification. For example, when iridium or ruthenium is used as a catalyst having water electrolysis activity, the above-described method for supporting catalyst particles can be used in the same manner. When iridium oxide or ruthenium oxide is used as a catalyst having water electrolysis activity, a solution reduction method, a heating oxidation method, an electrodeposition method, or the like can be preferably used in addition to the above method. At this time, in the solution reduction method, for example, an aqueous solution of iridium nitrate or iridium chloride is used as an iridium precursor, and a reducing agent such as ethanol, methanol, propanol, formic acid, formaldehyde, ascorbic acid, sodium thiosulfate, A reducing agent such as citric acid is mixed, heated and stirred at about 90 ° C. for 4 hours, filtered, and dried to support the iridium precursor or iridium. Furthermore, it can carry | support as iridium oxide by heat-processing between 150 degreeC-400 degreeC in oxygen-containing atmosphere. Further, the heating oxidation method is not particularly limited. For example, iridium chloride (IrCl 4 · H 2 O), iridium chloride (H 2 IrCl 6 · 6H 2 O), and iridium resin acid are mixed with water, ethanol, An iridium precursor solution is prepared by dissolving in a solvent such as butanol. The iridium precursor solution is applied to a conductive material supported by catalyst particles within a predetermined distance range, and this is applied to an oxygen atmosphere (for example, oxygen content). A method of heat-treating at a temperature of 200 to 800 ° C. for 5 to 10 minutes under a condition of a pressure of 0.1 to 0.5 atm) is preferably used. The electrodeposition method is not particularly limited. For example, an iridium oxide (for example, an iridium oxide (for example, by immersing a conductive material supported by catalyst particles in a predetermined distance range in an aqueous solution of Na 2 IrO 4 ) The method of electrodepositing IrO 2 ) can be used, and in the above method, a method of supporting iridium oxide on a conductive material as a catalyst having water electrolysis activity has been described in detail, but other water electrolysis such as ruthenium oxide is used. The same method can be used for the active catalyst.

このようにして得られた電極触媒は、水の共存下で、高電位状態で起こる導電性材料の腐食を抑制・防止でき、耐久性に優れ、長期にわたり高い触媒活性を示す。このため、本発明の電極触媒は、カソードおよび/またはアノード触媒層に用いることにより得られたCCMは、起動停止/連続運転中の触媒層、特にカソード触媒層の導電性材料(特に、カーボン担体)の腐食を有効に防止/抑制できるため、このような効果が望まれる用途、特に燃料電池用の電解質膜−電極接合体(CCM)に有用である。すなわち、本発明の第二は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の側に配置されたカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の側に配置されたアノード触媒層とを有する、電解質膜−電極接合体であって、本発明の電極触媒がカソード触媒層またはアノード触媒層の少なくとも一方に使用されることを特徴とする電解質膜−電極接合体を提供するものである。また、本発明の第三は、このような電解質膜−電極接合体を用いてなる燃料電池を提供するものである。   The electrode catalyst thus obtained can suppress / prevent corrosion of the conductive material that occurs in a high potential state in the presence of water, has excellent durability, and exhibits high catalytic activity over a long period of time. Therefore, the CCM obtained by using the electrode catalyst of the present invention for the cathode and / or anode catalyst layer is used for the catalyst layer during start / stop / continuous operation, particularly the conductive material of the cathode catalyst layer (particularly the carbon support). ) Can be effectively prevented / suppressed, so that it is useful for applications where such an effect is desired, particularly for an electrolyte membrane-electrode assembly (CCM) for a fuel cell. That is, the second of the present invention is an electrolyte membrane having an electrolyte membrane, a cathode catalyst layer disposed on one side of the electrolyte membrane, and an anode catalyst layer disposed on the other side of the electrolyte membrane. An electrode assembly comprising an electrolyte membrane-electrode assembly, wherein the electrode catalyst of the present invention is used in at least one of a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer. The third aspect of the present invention is to provide a fuel cell using such an electrolyte membrane-electrode assembly.

本発明の電解質膜−電極接合体(CCM)は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の側に配置されたカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の側に配置されたアノード触媒層とを有し、本発明の電極触媒をカソードまたはアノード触媒層の少なくとも一方に用いる。この際、上述したように、カソード側で水を生成するため、本発明の電極触媒は、少なくともカソード触媒層に使用されることが好ましい。   An electrolyte membrane-electrode assembly (CCM) of the present invention comprises an electrolyte membrane, a cathode catalyst layer disposed on one side of the electrolyte membrane, and an anode catalyst layer disposed on the other side of the electrolyte membrane. And the electrode catalyst of the present invention is used for at least one of the cathode and anode catalyst layers. At this time, as described above, in order to generate water on the cathode side, the electrode catalyst of the present invention is preferably used in at least the cathode catalyst layer.

なお、触媒層に本発明の電極触媒を使用しない場合には、当該分野において既知の電極触媒と同様の触媒が使用でき、隣接する3つ以上の触媒粒子のそれぞれの重心と触媒粒子Aの重心との距離に制限がない以外は、上記本発明の電極触媒と同様である。   In addition, when not using the electrode catalyst of this invention for a catalyst layer, the catalyst similar to an electrode catalyst known in the said field | area can be used, and each gravity center of three or more adjacent catalyst particles and the gravity center of the catalyst particle A can be used. It is the same as the electrode catalyst of the present invention, except that there is no limitation on the distance to

本発明において、カソード触媒層/アノード触媒層(以下、単に「触媒層」とも称する)には、電極触媒(触媒粒子が導電性材料に担持したもの)の他に、イオン伝導性物質が含まれる。前記イオン伝導性物質としては、特に限定されず公知のものを用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であればよい。この際使用できるイオン伝導性物質は、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。   In the present invention, the cathode catalyst layer / anode catalyst layer (hereinafter also simply referred to as “catalyst layer”) contains an ion conductive substance in addition to the electrode catalyst (the catalyst particles are supported on the conductive material). . The ion conductive material is not particularly limited, and a known material can be used, but any member having at least high proton conductivity may be used. Ion conductive materials that can be used in this case are broadly classified into fluorine-based electrolytes containing fluorine atoms in all or part of the polymer skeleton and hydrocarbon-based electrolytes not containing fluorine atoms in the polymer skeleton.

前記フッ素系電解質として、具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ゴアセレクト(登録商標、ジャパンゴアテックス株式会社製)、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the fluorine electrolyte include perfluorocarbon sulfonic acids such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Polymer, Gore Select (registered trademark, manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd.), polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylenetetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid Preferable examples include a polymer, an ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, and a polyvinylidene fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid polymer.

前記炭化水素系電解質として、具体的には、ポリスルホンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸等が好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include polysulfone sulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl phosphonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyether ether ketone sulfonic acid, polyphenyl. A suitable example is sulfonic acid.

イオン伝導性物質は、耐熱性、化学的安定性などに優れることから、フッ素原子を含むのが好ましく、なかでも、ナフィオン(Nafion 登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。   The ion conductive substance preferably contains a fluorine atom because of its excellent heat resistance and chemical stability. Among them, Nafion (Nafion registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, Asahi Kasei Corporation) And fluorine electrolytes such as Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.).

本発明のCCMに用いられる電解質膜としては、特に限定されず、触媒層に用いたものと同様の導電性材料からなる高分子電解膜が挙げられる。また、デュポン社製の各種のナフィオン(登録商標)やフレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)に代表されるパーフルオロスルホン酸膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂(ダウエックス、登録商標)、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜など、一般的に市販されている固体高分子型電解質膜、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。前記電解質膜に用いられる高分子電解質と、各触媒層に用いられる高分子電解質とは、同じであっても異なっていてもよいが、各触媒層と電解質膜との密着性を向上させる観点から、同じものを用いるのが好ましい。   The electrolyte membrane used in the CCM of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a polymer electrolyte membrane made of the same conductive material as that used for the catalyst layer. In addition, perfluorosulfonic acid membranes represented by various Nafion (registered trademark) and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) manufactured by DuPont, ion exchange resins (Dawex, registered trademark) manufactured by Dow Chemical Company, Fluorine polymer electrolytes such as ethylene-tetrafluoroethylene copolymer resin membranes, resin membranes based on trifluorostyrene, and hydrocarbon resin membranes having sulfonic acid groups are generally commercially available. A solid polymer electrolyte membrane, a membrane in which a polymer microporous membrane is impregnated with a liquid electrolyte, a membrane in which a porous body is filled with a polymer electrolyte, and the like may be used. The polymer electrolyte used for the electrolyte membrane and the polymer electrolyte used for each catalyst layer may be the same or different from the viewpoint of improving the adhesion between each catalyst layer and the electrolyte membrane. It is preferable to use the same one.

前記電解質膜の厚みとしては、得られるCCMの特性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは5〜300μm、より好ましくは10〜200μm、特に好ましくは15〜100μmである。製膜時の強度やCCM作動時の耐久性の観点から5μm以上であることが好ましく、CCM作動時の出力特性の観点から300μm以下であることが好ましい。   The thickness of the electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained CCM, but is preferably 5 to 300 μm, more preferably 10 to 200 μm, and particularly preferably 15 to 100 μm. From the viewpoint of strength during film formation and durability during CCM operation, it is preferably 5 μm or more, and from the viewpoint of output characteristics during CCM operation, it is preferably 300 μm or less.

また、上記電解質膜としては、上記したようなフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂による膜に加えて、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などから形成された多孔質状の薄膜に、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸したものを使用してもよい。   Further, as the electrolyte membrane, in addition to the above-described fluorine-based polymer electrolyte and a membrane made of a hydrocarbon resin having a sulfonic acid group, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), etc. You may use what formed the porous thin film impregnated with electrolyte components, such as phosphoric acid and an ionic liquid.

本発明のCCMの製造方法は、特に制限されず、上記したようにカソード触媒層および/またはアノード触媒層に本発明の電極触媒を添加する以外は、従来公知の方法と同様の方法が適用できる。例えば、本発明の電極触媒及びイオン伝導性物質から調製された触媒インクを所望の厚さで転写用台紙上に塗布・乾燥することによって、カソード側及びアノード側の触媒層をそれぞれ形成し、さらにこの触媒層が内側にくるように電解質膜を上記触媒層で挟持してホットプレス等により接合した後、転写用台紙を剥がすことによって、CCMが得られる。   The method for producing the CCM of the present invention is not particularly limited, and a method similar to a conventionally known method can be applied except that the electrode catalyst of the present invention is added to the cathode catalyst layer and / or the anode catalyst layer as described above. . For example, a catalyst ink prepared from the electrode catalyst of the present invention and an ion conductive material is applied and dried at a desired thickness on a transfer mount, thereby forming a catalyst layer on the cathode side and the anode side, respectively. The electrolyte membrane is sandwiched between the catalyst layers so that the catalyst layer is on the inside and bonded by hot pressing or the like, and then the transfer mount is peeled off to obtain a CCM.

以下、本発明のCCMの製造方法の好ましい実施態様を説明する。なお、以下の態様は、本発明の好ましい態様を示したものであり、本発明のCCMの製造方法が下記方法に限定されるものではなく、カソード及びアノード触媒層双方に本発明の電極触媒を使用する場合の製法について説明するが、上述したように、本発明の電極触媒をカソード及びアノード触媒層双方に使用する必要はなく、このような場合には、公知の電極触媒を使用すればよい。   Hereinafter, preferred embodiments of the method for producing CCM of the present invention will be described. In addition, the following aspect shows the preferable aspect of this invention, The manufacturing method of CCM of this invention is not limited to the following method, The electrode catalyst of this invention is used for both a cathode and an anode catalyst layer. The production method for use will be described. As described above, it is not necessary to use the electrode catalyst of the present invention for both the cathode and anode catalyst layers. In such a case, a known electrode catalyst may be used. .

まず、電極触媒、イオン伝導性物質及び溶剤を一緒に混合して、カソード/アノード用触媒インクを調製する。ここで、補強材を、カソード触媒層またはアノード触媒層の少なくとも一方にさらに添加することが好ましい。補強材を添加することによって、上記導電性材料の項で述べたのと同様、触媒層の構造をより良好に維持でき、触媒層の劣化や締め付け圧により触媒層が変形した場合であっても、電解質膜を破損することを有効に防止することができる。この際使用できる補強材としては、上記導電性材料で使用されるものと同様のものが使用でき、好ましくはアセチレンブラック、ケッチェンブラック、トーカブラック、活性炭、グラファイト、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー(CNF)の表面からカーボンを主成分とする突起を成長させた多枝カーボンナノファイバーまたはカーボンナノチューブ(CNT)の表面からカーボンを主成分とする突起を成長させた多枝カーボンナノチューブであり、より好ましくはカーボンナノファイバー(CNF)の表面からカーボンを主成分とする突起を成長させた多枝カーボンナノファイバー及びカーボンナノチューブ(CNT)の表面からカーボンを主成分とする突起を成長させた多枝カーボンナノチューブである。特に、多枝カーボンナノファイバー/多枝カーボンナノチューブは、通常の突起を成長させないカーボンファイバー等とは異なり、ファイバーの成長方向に対し、垂直に近い角度で(3次元的な)突起が成長しているため、電極触媒層を電解質膜に転写する際の、膜への食い込みも抑制することが可能であるため、このような多枝カーボンナノファイバー/多枝カーボンナノチューブを補強材として含む電極触媒層は、その構造をより良好に維持でき、触媒層の劣化や締め付け圧により触媒層が変形した場合であっても、電解質膜を破損することを有効に防止することができるため、好ましく使用される。この際、上記補強材は、1種を単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。この場合における電極触媒、イオン伝導性物質、溶剤及びフィラーの添加順序は、特に制限されないが、(ア)電極触媒及びフィラーを混合した後、これにイオン伝導性物質を添加、混合する工程;(イ)電極触媒及びイオン伝導性物質を混合した後、これにフィラーを添加、混合する工程;(ウ)電極触媒、イオン伝導性物質及びフィラーを一緒に添加、混合する工程など、いずれの工程も好ましく使用される。この際、溶剤は、上記いずれの部分で添加されてもよい。   First, an electrode catalyst, an ion conductive material, and a solvent are mixed together to prepare a cathode / anode catalyst ink. Here, it is preferable to further add a reinforcing material to at least one of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer. By adding a reinforcing material, the structure of the catalyst layer can be maintained better as described in the section of the conductive material, and even when the catalyst layer is deformed due to deterioration or clamping pressure of the catalyst layer. It is possible to effectively prevent the electrolyte membrane from being damaged. As the reinforcing material that can be used in this case, the same materials as those used in the conductive material can be used, and preferably acetylene black, ketjen black, talker black, activated carbon, graphite, carbon nanofiber, carbon nanotube, carbon A multi-branched carbon nanofiber in which protrusions mainly composed of carbon are grown from the surface of nanofiber (CNF) or a multi-branch carbon nanotube in which protrusions mainly composed of carbon are grown from the surface of carbon nanotube (CNT). More preferably, a multi-branched carbon nanofiber in which protrusions mainly composed of carbon are grown from the surface of carbon nanofiber (CNF) and a protrusion in which protrusions mainly composed of carbon are grown from the surface of carbon nanotube (CNT). Branched carbon nanochu It is. In particular, multi-branched carbon nanofibers / multi-branched carbon nanotubes have protrusions (three-dimensional) grown at an angle close to perpendicular to the fiber growth direction, unlike carbon fibers that do not grow normal protrusions. Therefore, when the electrode catalyst layer is transferred to the electrolyte membrane, it is possible to suppress biting into the membrane. Therefore, the electrode catalyst layer containing such a multi-branched carbon nanofiber / multi-branched carbon nanotube as a reinforcing material Is preferably used because it can maintain its structure better and can effectively prevent damage to the electrolyte membrane even when the catalyst layer is deformed due to deterioration or tightening pressure of the catalyst layer. . Under the present circumstances, the said reinforcing material may be used individually by 1 type, or may be used with the form of a 2 or more types of mixture. The order of addition of the electrode catalyst, ion conductive material, solvent and filler in this case is not particularly limited, but (a) a step of adding and mixing the ion conductive material after mixing the electrode catalyst and filler; B) Steps of adding and mixing a filler after mixing the electrode catalyst and ion conductive material; (c) Steps of adding and mixing the electrode catalyst, ion conductive material and filler together Preferably used. At this time, the solvent may be added in any of the above portions.

上記方法において、触媒インクに補強材を添加する場合の補強材の添加量は、特に制限されないが、好ましくは、電極触媒中の導電性材料1質量部に対して、0.01〜0.4質量部である。このような範囲であれば、通常の起動停止/連続運転を繰り返し行なった後であっても触媒層の構造を十分維持でき、燃料ガスの拡散性を維持でき、のゆえに優れた触媒活性(発電効率)をも維持できる。より好ましくは、補強材の添加量は、電極触媒中の導電性材料に対して、5〜50質量%、最も好ましくは10〜30質量%である。   In the above method, the amount of the reinforcing material added when the reinforcing material is added to the catalyst ink is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 0.4 with respect to 1 part by mass of the conductive material in the electrode catalyst. Part by mass. Within such a range, even after repeated normal start / stop / continuous operation, the structure of the catalyst layer can be sufficiently maintained and the diffusibility of the fuel gas can be maintained. Efficiency) can also be maintained. More preferably, the addition amount of the reinforcing material is 5 to 50% by mass, and most preferably 10 to 30% by mass with respect to the conductive material in the electrode catalyst.

上記方法において、溶剤としては、特に制限されず、触媒層を形成するのに使用される通常の溶剤が同様にして使用できる。具体的には、水、シクロヘキサノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール等の低級アルコールが使用できる。また、溶剤の使用量もまた、特に制限されず公知と同様の量が使用できるが、触媒インクにおいて、電極触媒は、所望の作用、即ち、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)を触媒する作用を十分発揮できる量であればいずれの量で、使用されてもよい。電極触媒が、触媒インクの全質量に対して、5〜30質量%、より好ましくは9〜20質量%となるような量で存在することが好ましい。   In the said method, it does not restrict | limit especially as a solvent, The normal solvent used for forming a catalyst layer can be used similarly. Specifically, lower alcohols such as water, cyclohexanol, ethanol, 1-propanol and 2-propanol can be used. Also, the amount of solvent used is not particularly limited, and the same amount as known can be used. In the catalyst ink, the electrode catalyst has a desired action, that is, hydrogen oxidation reaction (anode side) and oxygen reduction reaction. Any amount may be used as long as it can sufficiently exert the action of catalyzing (cathode side). It is preferable that the electrode catalyst is present in an amount such that it is 5 to 30% by mass, more preferably 9 to 20% by mass, based on the total mass of the catalyst ink.

本発明の触媒インクは、増粘剤を含んでもよい。増粘剤の使用は、触媒インクが転写用台紙上にうまく塗布できない場合などに有効である。この際使用できる増粘剤は、特に制限されず、公知の増粘剤が使用できるが、例えば、グリセリン、エチレングリコール(EG)、ポリビニルアルコール(PVA)、プロピレングリコール(PG)などが挙げられる。増粘剤を使用する際の、増粘剤の添加量は、本発明の上記効果を妨げない程度の量であれば特に制限されないが、触媒インクの全質量に対して、好ましくは5〜20質量%である。   The catalyst ink of the present invention may contain a thickener. The use of a thickener is effective when the catalyst ink cannot be successfully applied onto a transfer mount. The thickener that can be used in this case is not particularly limited, and a known thickener can be used. Examples thereof include glycerin, ethylene glycol (EG), polyvinyl alcohol (PVA), and propylene glycol (PG). The amount of the thickener added when the thickener is used is not particularly limited as long as it does not interfere with the above effect of the present invention, but is preferably 5 to 20 with respect to the total mass of the catalyst ink. % By mass.

次に、上記で調製されたアノード用及びカソード用触媒インク(以下、一括して、「触媒インク」と称する)を、それぞれ、転写用台紙上に塗布・乾燥して、アノード触媒層及びカソード触媒層を形成する。この際、転写用台紙としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)シート、PET(ポリエチレンテレフタレート)シート、ポリエステルシートなどの公知のシートが使用できる。なお、転写用台紙は、使用する触媒インク(特にインク中のカーボン等の導電性材料)の種類に応じて適宜選択される。また、上記工程において、触媒層の厚みは、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)の触媒作用が十分発揮できる厚みであれば特に制限されず、従来と同様の厚みが使用できる。具体的には、触媒層の厚みは、1〜30μm、より好ましくは1〜20μmである。また、転写用台紙上への触媒インクの塗布方法は、特に制限されず、スクリーン印刷法、沈積法、あるいはスプレー法などの公知の方法が同様にして適用できる。また、塗布された触媒層の乾燥条件もまた、触媒層から溶剤を完全に除去できる条件であれば特に制限されない。具体的には、触媒インクの塗布層(触媒層)を真空乾燥機内にて、室温〜100℃、より好ましくは50〜80℃で、30〜60分間、乾燥する。この際、触媒層の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで、上記塗布・乾燥工程を繰り返す。次に、このようにして作製された触媒層で電解質膜を挟持した後、当該積層についてホットプレスを行なう。この際、ホットプレス条件は、触媒層及び電解質膜が十分密接に接合できる条件であれば特に制限されないが、100〜200℃、より好ましくは110〜170℃で、電極面に対して1〜5MPaのプレス圧力で行なうのが好ましい。これにより電解質膜と触媒層との接合性を高めることができる。ホットプレスを行なった後、転写用台紙を剥がすことにより、触媒層と電解質膜とからなるCCMを得ることができる。   Next, the anode and cathode catalyst inks prepared above (hereinafter collectively referred to as “catalyst inks”) are applied and dried on a transfer mount, respectively, so that the anode catalyst layer and the cathode catalyst are coated. Form a layer. In this case, as the transfer mount, a known sheet such as a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet, a PET (polyethylene terephthalate) sheet, or a polyester sheet can be used. The transfer mount is appropriately selected according to the type of catalyst ink to be used (particularly, a conductive material such as carbon in the ink). In the above step, the thickness of the catalyst layer is not particularly limited as long as it can sufficiently exhibit the catalytic action of the hydrogen oxidation reaction (anode side) and the oxygen reduction reaction (cathode side). Can be used. Specifically, the thickness of the catalyst layer is 1 to 30 μm, more preferably 1 to 20 μm. The method for applying the catalyst ink onto the transfer mount is not particularly limited, and a known method such as a screen printing method, a deposition method, or a spray method can be similarly applied. Also, the drying conditions of the applied catalyst layer are not particularly limited as long as the solvent can be completely removed from the catalyst layer. Specifically, the catalyst ink coating layer (catalyst layer) is dried in a vacuum dryer at room temperature to 100 ° C., more preferably 50 to 80 ° C., for 30 to 60 minutes. At this time, if the thickness of the catalyst layer is not sufficient, the coating and drying process is repeated until a desired thickness is obtained. Next, after sandwiching the electrolyte membrane with the catalyst layer thus produced, hot pressing is performed on the laminate. At this time, the hot press conditions are not particularly limited as long as the catalyst layer and the electrolyte membrane can be joined sufficiently closely, but are 100 to 200 ° C., more preferably 110 to 170 ° C., and 1 to 5 MPa with respect to the electrode surface. It is preferable to carry out at a pressing pressure of. Thereby, the bondability between the electrolyte membrane and the catalyst layer can be enhanced. After performing the hot pressing, the CCM comprising the catalyst layer and the electrolyte membrane can be obtained by removing the transfer mount.

なお、上記では、転写方法することにより、CCMを製造する方法について述べてきたが、本発明のCCMは、直接塗布などの他の方法によって製造されてもよい。このような場合の製造方法は、特に制限されず、公知の直接塗布法が同様にしてあるいは適宜修飾を加えて使用できるが、例えば、以下のような方法が使用できる。上記したような触媒インクを、電解質膜上に直接塗布して、各触媒層が形成される。この際、電解質膜上へのカソード/アノード触媒層の形成条件は、特に制限されず、公知の方法が同様にしてあるいは適宜修飾を加えて使用できる。例えば、触媒インクを電解質膜上に、乾燥後の厚みが5〜20μmになるように、塗布し、真空乾燥機内にてまたは減圧下で、25〜150℃、より好ましくは60〜120℃で、5〜30分間、より好ましくは10〜20分間、乾燥する。なお、上記工程において、触媒層の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで、上記塗布・乾燥工程を繰り返す。   In the above description, the method for producing the CCM by performing the transfer method has been described. However, the CCM of the present invention may be produced by other methods such as direct coating. The production method in such a case is not particularly limited, and a known direct coating method can be used in the same manner or with appropriate modification. For example, the following methods can be used. Each catalyst layer is formed by directly applying the catalyst ink as described above onto the electrolyte membrane. At this time, the conditions for forming the cathode / anode catalyst layer on the electrolyte membrane are not particularly limited, and a known method can be used in the same manner or with appropriate modification. For example, the catalyst ink is applied on the electrolyte membrane so that the thickness after drying is 5 to 20 μm, and is 25 to 150 ° C., more preferably 60 to 120 ° C. in a vacuum dryer or under reduced pressure. Dry for 5 to 30 minutes, more preferably for 10 to 20 minutes. In addition, in the said process, when the thickness of a catalyst layer is not enough, the said application | coating and drying process is repeated until it becomes desired thickness.

なお、本発明によるCCMは、下記に詳述されるように、一般的にガス拡散層をさらに有してもよく、この際、ガス拡散層は、上記方法において、転写用台紙を剥がし、得られた接合体をさらにガス拡散層で挟持することによって、触媒層と電解質膜との接合後にさらに各触媒層に接合することが好ましい。または、触媒層を予めガス拡散層表面上に形成して触媒層−ガス拡散層接合体を製造した後、上記したのと同様にして、この触媒層−ガス拡散層接合体で電解質膜をホットプレスにより挟持・接合することもまた好ましい。   As will be described in detail below, the CCM according to the present invention may generally further include a gas diffusion layer. In this case, the gas diffusion layer is obtained by peeling off the transfer mount in the above method. It is preferable that the joined body is further sandwiched between gas diffusion layers to further join each catalyst layer after joining the catalyst layer and the electrolyte membrane. Alternatively, after the catalyst layer is formed on the surface of the gas diffusion layer in advance to produce the catalyst layer-gas diffusion layer assembly, the electrolyte membrane is heated with this catalyst layer-gas diffusion layer assembly in the same manner as described above. It is also preferable to sandwich and join by pressing.

この際、CCMに用いられるガス拡散層としては、特に限定されず公知のものが同様にして使用でき、例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を基材とするものなどが挙げられる。前記基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。厚さが上記範囲内にあれば、機械的強度、ガスや水などの透過性を十分達成することができる。   At this time, the gas diffusion layer used in the CCM is not particularly limited and can be used in the same manner. For example, the conductive and porous properties such as carbon woven fabric, paper-like paper body, felt, and non-woven fabric are used. The thing which uses the sheet-like material which has as a base material etc. are mentioned. The thickness of the substrate may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm. If the thickness is within the above range, sufficient mechanical strength and permeability such as gas and water can be achieved.

触媒層をガス拡散層表面上に形成する方法は、特に制限されず、スクリーン印刷法、沈積法、スプレー法などの公知の方法が同様にして適用できる。また、触媒層のガス拡散層表面上への形成条件は、特に制限されず、上記したような具体的な形成方法によって従来と同様の条件が適用できる。   The method for forming the catalyst layer on the surface of the gas diffusion layer is not particularly limited, and known methods such as a screen printing method, a deposition method, and a spray method can be similarly applied. Moreover, the formation conditions in particular on the gas diffusion layer surface of a catalyst layer are not restrict | limited, The conditions similar to the past can be applied with the above specific formation methods.

前記ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことを目的として、前記基材に撥水剤を含ませることが好ましい。前記撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。   The gas diffusion layer preferably contains a water repellent in the base material for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon. Although it does not specifically limit as said water repellent, It is fluorine-type, such as a polytetrafluoroethylene (PTFE), a polyvinylidene fluoride (PVDF), a polyhexafluoropropylene, a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). Examples thereof include polymer materials, polypropylene, and polyethylene.

また、撥水性をより向上させるために、前記ガス拡散層は、前記基材上に撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層を有するものであってもよい。   Moreover, in order to improve water repellency more, the said gas diffusion layer may have a carbon particle layer which consists of an aggregate | assembly of the carbon particle containing a water repellent on the said base material.

前記カーボン粒子としては、特に限定されず、カーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などの従来一般的なものであればよい。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく挙げられる。前記カーボン粒子の粒径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。   The carbon particles are not particularly limited, and may be conventional ones such as carbon black, graphite, and expanded graphite. Of these, carbon blacks such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black are preferred because of their excellent electron conductivity and large specific surface area. The particle size of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. Thereby, while being able to obtain the high drainage property by capillary force, it becomes possible to improve contact property with a catalyst layer.

前記カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、前記基材に用いられる上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられる。   Examples of the water repellent used for the carbon particle layer include the same water repellents as those described above used for the substrate. Of these, fluorine-based polymer materials are preferably used because of their excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reaction.

前記カーボン粒子層における、カーボン粒子と撥水剤との混合比は、カーボン粒子が多過ぎると期待するほど撥水性が得られない恐れがあり、撥水剤が多過ぎると十分な電子伝導性が得られない恐れがある。これらを考慮して、カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、質量比で、90:10〜40:60程度とするのがよい。   In the carbon particle layer, the mixing ratio of the carbon particles to the water repellent may be insufficient to obtain water repellency as expected when there are too many carbon particles. If there are too many water repellents, sufficient electron conductivity may be obtained. There is a risk that it will not be obtained. Considering these, the mixing ratio of the carbon particles and the water repellent in the carbon particle layer is preferably about 90:10 to 40:60 in terms of mass ratio.

前記カーボン粒子層の厚さは、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。   The thickness of the carbon particle layer may be appropriately determined in consideration of the water repellency of the obtained gas diffusion layer.

ガス拡散層に撥水剤を含有させる場合には、一般的な撥水処理方法を用いて行えばよい。例えば、ガス拡散層に用いられる基材を撥水剤の分散液に浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させる方法などが挙げられる。   When a water repellent is contained in the gas diffusion layer, a general water repellent treatment method may be used. For example, after immersing the base material used for a gas diffusion layer in the dispersion liquid of a water repellent agent, the method of heat-drying with oven etc. is mentioned.

ガス拡散層において基材上にカーボン粒子層を形成する場合には、カーボン粒子、撥水剤等を、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒などの溶媒中に分散させることによりスラリーを調製し、前記スラリーを基材上に塗布し乾燥、もしくは、前記スラリーを一度乾燥させ粉砕することで粉体にし、これを前記ガス拡散層上に塗布する方法などを用いればよい。その後、マッフル炉や焼成炉を用いて250〜400℃程度で熱処理を施すのが好ましい。   When forming a carbon particle layer on a substrate in a gas diffusion layer, the carbon particles, water repellent, etc. are in a solvent such as water, alcohol solvents such as perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, methanol, ethanol, etc. A slurry is prepared by dispersing in a slurry, and the slurry is applied on a substrate and dried, or the slurry is dried and pulverized to form a powder, and this is applied to the gas diffusion layer. Use it. Then, it is preferable to heat-process at about 250-400 degreeC using a muffle furnace or a baking furnace.

なお、触媒層と電解質膜と、及び好ましくはガス拡散層を含む接合体の製造方法は、上述した方法に限定されない。すなわち、触媒インクを電解質膜上に塗布・乾燥させた後ホットプレスして、触媒層を電解質膜と接合し、得られた接合体をガス拡散層で挟持して、CCMとする方法;触媒インクを、前記ガス拡散層上に塗布・乾燥させて触媒層を形成し、これを電解質膜とホットプレスにより接合する方法、などであってもよく各種公知技術を適宜用いて行えばよい。   In addition, the manufacturing method of the joined body including the catalyst layer, the electrolyte membrane, and preferably the gas diffusion layer is not limited to the method described above. That is, a method in which a catalyst ink is applied and dried on an electrolyte membrane, followed by hot pressing, the catalyst layer is joined to the electrolyte membrane, and the obtained joined body is sandwiched between gas diffusion layers to form a CCM; May be applied and dried on the gas diffusion layer to form a catalyst layer, which may be joined to the electrolyte membrane by hot pressing, or any other known technique may be used as appropriate.

本発明のCCMは、上述した通り、触媒担体として用いられる導電性材料、特にカーボン担体の腐食が起きた後であっても、触媒層の薄層化を抑制・防止することが可能である。また、本発明のCCMでは、導電性材料が劣化/腐食しても、フィラーによりガス流路は確保されているので、触媒層内のガスの良好な拡散性が維持できる。従って、本発明の電解質膜−電極接合体を有する燃料電池は優れた発電効率を発揮できる。したがって、本発明はさらに、本発明のCCMを用いてなる燃料電池を提供するものである。   As described above, the CCM of the present invention can suppress and prevent the catalyst layer from being thinned even after corrosion of the conductive material used as the catalyst carrier, particularly the carbon carrier. Further, in the CCM of the present invention, even if the conductive material is deteriorated / corroded, the gas flow path is secured by the filler, so that good diffusibility of the gas in the catalyst layer can be maintained. Therefore, the fuel cell having the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention can exhibit excellent power generation efficiency. Therefore, the present invention further provides a fuel cell using the CCM of the present invention.

前記燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では固体高分子型燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、リン酸型燃料電池に代表される酸型電解質の燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、固体高分子型燃料電池が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用であるが、特にシステムの起動/停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途で特に好適に使用できる。   The type of the fuel cell is not particularly limited. In the above description, the polymer electrolyte fuel cell has been described as an example, but other than that, typical examples are an alkaline fuel cell and a phosphoric acid fuel cell. Examples thereof include an acid electrolyte fuel cell, a direct methanol fuel cell, and a micro fuel cell. Among these, a polymer electrolyte fuel cell is preferable because it is small in size, and can achieve high density and high output. The fuel cell is useful as a stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. However, the fuel cell is particularly useful for an automobile application in which system start / stop and output fluctuation frequently occur. It can be particularly preferably used.

前記固体高分子型燃料電池は、定置用電源の他、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求されることによるカーボン担体の腐食、および、運転時に高い出力電圧が取り出されることにより高分子電解質の劣化が生じやすい自動車などの移動体用電源として用いられるのが特に好ましい。   The polymer electrolyte fuel cell is useful as a power source for a moving body such as an automobile having a limited mounting space in addition to a stationary power source. In particular, moving bodies such as automobiles that are susceptible to corrosion of the carbon support due to the high output voltage required after a relatively long shutdown, and deterioration of the polymer electrolyte due to the high output voltage being taken out during operation. It is particularly preferred to be used as a power source.

前記燃料電池の構成としては、特に限定されず、従来公知の技術を適宜利用すればよいが、一般的にはCCMをセパレータで挟持した構造を有する。   The configuration of the fuel cell is not particularly limited, and a conventionally known technique may be used as appropriate. Generally, the fuel cell has a structure in which a CCM is sandwiched between separators.

前記セパレータとしては、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、従来公知のものであれば制限なく用いることができる。セパレータは、空気と燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、それらの流路を確保するための流路溝が形成されてもよい。セパレータの厚さや大きさ、流路溝の形状などについては、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。   The separator can be used without limitation as long as it is conventionally known, such as those made of carbon such as dense carbon graphite and a carbon plate, and those made of metal such as stainless steel. The separator has a function of separating air and fuel gas, and a channel groove for securing the channel may be formed. The thickness and size of the separator, the shape of the flow channel, and the like are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of the obtained fuel cell.

また、各触媒層に供給されるガスが外部にリークするのを防止するために、ガスケット層上の触媒層が形成されていない部位にさらにガスシール部が設けられてもよい。前記ガスシール部を構成する材料としては、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリイソブチレンゴム等のゴム材料、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等のフッ素系の高分子材料、ポリオレフィンやポリエステル等の熱可塑性樹脂などが挙げられる。また、ガスシール部の厚さとしては、2mm〜50μm、望ましくは1mm〜100μm程度とすればよい。   Further, in order to prevent the gas supplied to each catalyst layer from leaking to the outside, a gas seal portion may be further provided at a portion where the catalyst layer is not formed on the gasket layer. Examples of the material constituting the gas seal portion include rubber materials such as fluoro rubber, silicon rubber, ethylene propylene rubber (EPDM), polyisobutylene rubber, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoro. Fluorine polymer materials such as propylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and thermoplastic resins such as polyolefin and polyester. The thickness of the gas seal portion may be 2 mm to 50 μm, preferably about 1 mm to 100 μm.

さらに、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、セパレータを介してCCMを複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。   Further, a stack in which a plurality of CCMs are stacked via a separator and connected in series may be formed so that the fuel cell can obtain a desired voltage or the like. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.

本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。   The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.

実施例1
導電性材料として多枝カーボンファイバー(マイクロフェーズ社製:BET比表面積100m/g)1gに、還元剤としてエタノール50ml、触媒粒子原料として白金濃度0.1wt%のジニトロジアンミン白金硝酸塩水溶液1000gを投入し、30分間、25℃で攪拌・混合した後、超音波ホモジナイザーを用いてさらに30分間分散混合した。その後、その分散溶液に10%COガスを200ml/minで30分間バブリング後、COガスをバブリングしながら分散溶液をウォーターバス中で加熱し、85℃〜90℃とした後、2時間保持した。液色は無色透明になるまで還元反応を進行させた後、得られた反応液を濾過した。固形分を分離し、純水にて数回、洗浄した。さらに、80℃において8時間乾燥し、Pt45wt%を得た。
Example 1
As a conductive material, 1 g of multi-branched carbon fiber (manufactured by Microphase: BET specific surface area 100 m 2 / g) is charged with 50 ml of ethanol as a reducing agent and 1000 g of a dinitrodiammine platinum nitrate aqueous solution having a platinum concentration of 0.1 wt% as a catalyst particle raw material. The mixture was stirred and mixed at 25 ° C. for 30 minutes, and then dispersed and mixed for another 30 minutes using an ultrasonic homogenizer. Thereafter, 10% CO gas was bubbled through the dispersion solution at 200 ml / min for 30 minutes, and then the dispersion solution was heated in a water bath while bubbling CO gas to 85 ° C. to 90 ° C. and then held for 2 hours. The reduction reaction was allowed to proceed until the liquid color became colorless and transparent, and then the resulting reaction liquid was filtered. The solid was separated and washed several times with pure water. Furthermore, it dried at 80 degreeC for 8 hours, and obtained Pt45wt%.

このようにして得られたPt担持カーボン粉末(1)について透過型電子顕微鏡(TEM)像を撮影し、図7に示す。   A transmission electron microscope (TEM) image of the Pt-supported carbon powder (1) thus obtained was taken and shown in FIG.

実施例2
導電性材料として多枝カーボンファイバー(マイクロフェーズ社製:BET比表面積100m/g)1gに、還元剤としてエタノール50ml、触媒粒子原料として白金濃度0.1wt%のジニトロジアンミン白金硝酸塩水溶液429gを投入し、30分間、25℃で攪拌・混合した後、超音波ホモジナイザーを用いてさらに30分間分散混合した。その後、その分散溶液に10%COガスを200ml/minで30分間バブリング後、COガスをバブリングしながら分散溶液をウォーターバス中で加熱し、85℃〜90℃とした後、2時間保持した。液色は無色透明になるまで還元反応を進行させた後、得られた反応液を濾過した。固形分を分離し、純水にて数回、洗浄した。さらに、80℃において8時間乾燥し、Pt30wt%担持カーボン粉末(2)を得た。
Example 2
As a conductive material, 1 g of multi-branched carbon fiber (manufactured by Microphase: BET specific surface area of 100 m 2 / g), 50 ml of ethanol as a reducing agent, and 429 g of a dinitrodiammine platinum nitrate aqueous solution having a platinum concentration of 0.1 wt% as a catalyst particle material The mixture was stirred and mixed at 25 ° C. for 30 minutes, and then dispersed and mixed for another 30 minutes using an ultrasonic homogenizer. Thereafter, 10% CO gas was bubbled through the dispersion solution at 200 ml / min for 30 minutes, and then the dispersion solution was heated in a water bath while bubbling CO gas to 85 ° C. to 90 ° C. and then held for 2 hours. The reduction reaction was allowed to proceed until the liquid color became colorless and transparent, and then the resulting reaction liquid was filtered. The solid was separated and washed several times with pure water. Furthermore, it dried at 80 degreeC for 8 hours, and obtained Pt30 wt% carrying | support carbon powder (2).

比較例1
導電性材料としてカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックEC:BET比表面積800m/g)1gに、還元剤としてエタノール50ml、触媒粒子原料として白金濃度0.1wt%のジニトロジアンミン白金硝酸塩水溶液1000gを投入し、30分間、25℃で攪拌混合後、超音波ホモジナイザーを用いてさらに30分間分散混合した。その後、その分散溶液に10%COガスを200ml/minで30分間バブリング後、COガスをバブリングしながら分散溶液をウォーターバス中で加熱し、85℃〜90℃とした後、2時間保持した。液色は無色透明になるまで還元反応を進行させた後、得られた反応液を濾過した。固形分を分離し、純水にて数回、洗浄した。さらに、80℃において8時間乾燥し、Pt45wt%担持カーボン粉末(3)を得た。
Comparative Example 1
Carbon black (Ketjen Black EC manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd .: BET specific surface area 800 m 2 / g) as a conductive material, 1 ml of ethanol as a reducing agent, and dinitrodiammine platinum having a platinum concentration of 0.1 wt% as a catalyst particle raw material After adding 1000 g of nitrate aqueous solution and stirring and mixing at 25 ° C. for 30 minutes, the mixture was dispersed and mixed for 30 minutes using an ultrasonic homogenizer. Thereafter, 10% CO gas was bubbled through the dispersion solution at 200 ml / min for 30 minutes, and then the dispersion solution was heated in a water bath while bubbling CO gas to 85 ° C. to 90 ° C. and then held for 2 hours. The reduction reaction was allowed to proceed until the liquid color became colorless and transparent, and then the resulting reaction liquid was filtered. The solid was separated and washed several times with pure water. Furthermore, it dried at 80 degreeC for 8 hours, and obtained Pt45wt% carrying | support carbon powder (3).

このようにして得られたPt担持カーボン粉末(3)について透過型電子顕微鏡(TEM)像を撮影し、図8に示す。   A transmission electron microscope (TEM) image of the Pt-supported carbon powder (3) thus obtained is taken and shown in FIG.

比較例2
カーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックEC:BET比表面積800m/g)を高温で処理し、グラファイト化したグラファイト化ケッチェンブラック(導電性材料)1gに、還元剤としてエタノール50ml、触媒粒子原料として白金濃度0.1wt%のジニトロジアンミン白金硝酸塩水溶液1000gを投入し、30分間、25℃で攪拌混合後、超音波ホモジナイザーを用いてさらに30分間分散混合した。その後、その分散溶液に10%COガスを200ml/minで30分間バブリング後、COガスをバブリングしながら分散溶液をウォーターバス中で加熱し、85℃〜90℃とした後、2時間保持した。液色は無色透明になるまで還元反応を進行させた後、得られた反応液を濾過した。固形分を分離し、純水にて数回、洗浄した。さらに、80℃において8時間乾燥し、Pt45wt%担持カーボン粉末(4)を得た。
Comparative Example 2
Carbon black (Ketjen Black EC manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd .: BET specific surface area 800 m 2 / g) treated with high temperature and graphitized 1 g of graphitized Ketjen Black (conductive material) with 50 ml of ethanol as a reducing agent Then, 1000 g of a dinitrodiammine platinum nitrate aqueous solution having a platinum concentration of 0.1 wt% was added as a catalyst particle raw material, stirred and mixed at 25 ° C. for 30 minutes, and then dispersed and mixed for 30 minutes using an ultrasonic homogenizer. Thereafter, 10% CO gas was bubbled through the dispersion solution at 200 ml / min for 30 minutes, and then the dispersion solution was heated in a water bath while bubbling CO gas to 85 ° C. to 90 ° C. and then held for 2 hours. The reduction reaction was allowed to proceed until the liquid color became colorless and transparent, and then the resulting reaction liquid was filtered. The solid was separated and washed several times with pure water. Furthermore, it dried at 80 degreeC for 8 hours, and Pt45 wt% carrying | support carbon powder (4) was obtained.

このようにして得られたPt担持カーボン粉末(4)について透過型電子顕微鏡(TEM)像を撮影し、図9に示す。   A transmission electron microscope (TEM) image of the Pt-supported carbon powder (4) thus obtained was taken and shown in FIG.

実施例3:カーボン耐食性評価(高電位試験)(25分間保持後ECA/初期ECA)
上記実施例1,2及び比較例1,2で得られたカーボン粉末について、下記方法に従ってカーボン耐食性を評価した。結果を下記表1に示す。
Example 3: Carbon corrosion resistance evaluation (high potential test) (ECA after holding for 25 minutes / initial ECA)
The carbon corrosion resistance of the carbon powders obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 was evaluated according to the following method. The results are shown in Table 1 below.

<耐食性評価方法>
直径0.5mmの金線コイルを作製し、そのコイルを触媒インクに浸した後、室温にて10分間減圧乾燥を行った。減圧乾燥後、さらに大気圧下80℃にて3時間乾燥させ、評価試料とした。測定には、3電極型電気化学評価セルを用いた。参照電極には水素電極を用い、対極には白金線コイルを取り付けた。作用極に上記手順で作製した評価試料を取り付け、電解液には0.5規定モル濃度の硫酸水溶液を用いた。高電位腐食試験は、印加電圧を1.6V(vs SHE)とし、室温にて実施し、25分後にCVを測定した。CV測定時の掃引電圧範囲は−0.02V〜1.15V(vs SHE)で、掃引速度は50mV/秒であった。また、測定は70℃にて実施した。CV測定後、そのCV線図よりECA(有効表面積)を算出し、25分間保持後ECA/初期ECAによりカーボン耐食性を評価した。
<Corrosion resistance evaluation method>
A gold wire coil having a diameter of 0.5 mm was prepared, and the coil was immersed in catalyst ink, and then dried under reduced pressure at room temperature for 10 minutes. After drying under reduced pressure, the sample was further dried at 80 ° C. under atmospheric pressure for 3 hours to obtain an evaluation sample. For the measurement, a three-electrode electrochemical evaluation cell was used. A hydrogen electrode was used as the reference electrode, and a platinum wire coil was attached to the counter electrode. The evaluation sample produced by the above procedure was attached to the working electrode, and a 0.5 N molar aqueous sulfuric acid solution was used as the electrolyte. The high potential corrosion test was performed at room temperature with an applied voltage of 1.6 V (vs SHE), and CV was measured after 25 minutes. The sweep voltage range during CV measurement was -0.02 V to 1.15 V (vs SHE), and the sweep speed was 50 mV / sec. Moreover, the measurement was implemented at 70 degreeC. After CV measurement, ECA (effective surface area) was calculated from the CV diagram, and after holding for 25 minutes, carbon corrosion resistance was evaluated by ECA / initial ECA.

上記表1から、本発明の電極触媒は、触媒粒子の導伝性材料上の分散状態が本発明による条件を満たしていない比較例の電極触媒に比して、有意に高いカーボン耐食性を示すことが分かる。なお、下記表1における「導電性担体の燃料温度」は、ガラス転移温度(TG)による導電性材料の燃焼温度を示し、カーボン担体(即ち、電極触媒を担持する前の導電性材料そのもの)の腐食耐性(耐酸化性)の指標として使用される。この際、燃焼温度が高いということは、カーボン担体の腐食耐性(耐酸化性)に優れることを意味する。したがって、表1から明らかなように、比較例1、2では、実施例1、2に比して、耐腐食性に優れたカーボン担体を導電性材料として使用しているにもかかわらず、カーボン耐食性に劣るカーボン担体を使用した実施例1、2の電極触媒の方が、カーボン耐食性が向上していることが示される。これから、本発明によるように導電性材料上の触媒粒子の担持状態を最適化することは、カーボン耐食性の向上、ゆえに耐久性に優れ、長期にわたり高い触媒活性を示す電極触媒を得るという点で非常に重要なファクターであると考察される。   From Table 1 above, the electrode catalyst of the present invention exhibits significantly higher carbon corrosion resistance than the electrode catalyst of the comparative example in which the dispersion state of the catalyst particles on the conductive material does not satisfy the conditions according to the present invention. I understand. The “fuel temperature of the conductive carrier” in Table 1 below indicates the combustion temperature of the conductive material due to the glass transition temperature (TG), and the carbon carrier (that is, the conductive material itself before supporting the electrode catalyst). Used as an indicator of corrosion resistance (oxidation resistance). At this time, a high combustion temperature means that the carbon carrier is excellent in corrosion resistance (oxidation resistance). Therefore, as is apparent from Table 1, in Comparative Examples 1 and 2, compared with Examples 1 and 2, the carbon support having excellent corrosion resistance was used as the conductive material. It is shown that the electrode catalysts of Examples 1 and 2 using a carbon support having inferior corrosion resistance have improved carbon corrosion resistance. From this, optimizing the supported state of the catalyst particles on the conductive material as in the present invention is extremely effective in improving the carbon corrosion resistance, and hence obtaining an electrode catalyst having excellent durability and high catalytic activity over a long period of time. It is considered to be an important factor.

本発明の電極触媒は、導電性材料の耐腐食性に優れるため、特に高分子型燃料電池用の電極触媒として有用である。   The electrode catalyst of the present invention is particularly useful as an electrode catalyst for polymer fuel cells because it is excellent in the corrosion resistance of conductive materials.

従来の電極触媒における導電性材料に担持する触媒成分の担持状態を示す図である。It is a figure which shows the support state of the catalyst component carry | supported by the electroconductive material in the conventional electrode catalyst. 従来の電極触媒における導電性材料に担持する触媒成分の担持状態を示す図である。It is a figure which shows the support state of the catalyst component carry | supported by the electroconductive material in the conventional electrode catalyst. 本発明の電極触媒における導電性材料に担持する触媒成分の担持状態を示す図である。It is a figure which shows the support state of the catalyst component carry | supported by the electroconductive material in the electrode catalyst of this invention. 本発明の電極触媒において、「隣接する3つ以上の触媒粒子のそれぞれの重心と触媒粒子Aの重心との距離」を説明するための図である。In the electrode catalyst of this invention, it is a figure for demonstrating "the distance of each gravity center of three or more adjacent catalyst particles, and the gravity center of the catalyst particle A". 平均粒子径X(nm)(横軸)に対するS1(m/g)(縦軸)をプロットした図である。It is the figure which plotted S1 (m < 2 > / g) (vertical axis) with respect to average particle diameter X (nm) (horizontal axis). 本発明の電極触媒において、導電性材料としてカーボンナノファイバー/カーボンナノチューブおよび多枝カーボンナノファイバー/多枝カーボンナノチューブを使用した触媒層を説明する図である。In the electrode catalyst of this invention, it is a figure explaining the catalyst layer which uses carbon nanofiber / carbon nanotube and multi-branch carbon nanofiber / multi-branch carbon nanotube as an electroconductive material. 本発明の電極触媒において水電解活性を有する触媒及び触媒粒子が導電性材料に共存担持する担持状態を示す図である。It is a figure which shows the support state which the catalyst which has water electrolysis activity in the electrode catalyst of this invention, and a catalyst particle co-supported on an electroconductive material. 実施例1で得られたPt担持カーボン粉末(1)の透過型電子顕微鏡(TEM)像である。2 is a transmission electron microscope (TEM) image of the Pt-supported carbon powder (1) obtained in Example 1. FIG. 比較例1で得られたPt担持カーボン粉末(3)の透過型電子顕微鏡(TEM)像である。2 is a transmission electron microscope (TEM) image of the Pt-supported carbon powder (3) obtained in Comparative Example 1. 比較例2で得られたPt担持カーボン粉末(4)の透過型電子顕微鏡(TEM)像である。4 is a transmission electron microscope (TEM) image of the Pt-supported carbon powder (4) obtained in Comparative Example 2.

Claims (16)

導電性材料に触媒粒子を担持させてなる電極触媒において、導電性材料に担持した触媒粒子の平均粒子径をXとした場合、ある任意の触媒粒子Aに対して、隣接する3つ以上の触媒粒子のそれぞれの重心が触媒粒子Aの重心と0.5X〜2Xの距離の範囲になるように、触媒粒子が導電性材料に担持され、
前記触媒粒子は、白金粒子または、白金30〜90原子%およびパラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、鉄、クロム、及びマンガンからなる群より選択される少なくとも1種の合金化する金属10〜70原子%の組成の合金から形成され、および
前記導電性材料は、カーボンナノファイバー(CNF)の表面からカーボンを主成分とする突起を成長させた多枝カーボンナノファイバーまたはカーボンナノチューブ(CNT)の表面からカーボンを主成分とする突起を成長させた多枝カーボンナノチューブの少なくとも一方であることを特徴とする電極触媒。
In an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on a conductive material, when the average particle diameter of the catalyst particles supported on the conductive material is X, three or more catalysts adjacent to any given catalyst particle A The catalyst particles are supported on the conductive material such that the center of gravity of each of the particles is in the range of a distance of 0.5X to 2X from the center of gravity of the catalyst particle A,
The catalyst particles are platinum particles or 30 to 90 atomic% of platinum and at least one alloying metal 10 selected from the group consisting of palladium, rhodium, ruthenium, iridium, cobalt, nickel, iron, chromium, and manganese. A multi-branched carbon nanofiber or carbon nanotube (CNT) formed from an alloy having a composition of ˜70 atomic%, and the conductive material is a carbon nanofiber (CNF) having a carbon-based protrusion grown on the surface thereof. electrode catalyst, wherein the at least one der Turkey from the surface of the multi-vessel carbon nanotubes are grown protrusion composed mainly of carbon.
前記導電性材料に担持した触媒粒子の平均粒子径がXであり、触媒粒子が直径Xの球形と仮定した場合、1gあたりの触媒粒子が導電性材料を占有する面積S1、1gあたりの導電性材料の表面積S2(ただし、S2は、孔径X以下の細孔内における表面積を除くものとする)、電極触媒中の触媒成分の質量分率G1及び電極触媒中の導電性材料の質量分率G2が、下記式:(S1・G1)/(S2・G2)=0.2〜1.35を満たすものである、請求項1に記載の電極触媒。   When the average particle diameter of the catalyst particles carried on the conductive material is X and the catalyst particles are assumed to be spherical with a diameter X, the area S1 where the catalyst particles occupy the conductive material and the conductivity per gram. The surface area S2 of the material (where S2 excludes the surface area in the pores having a pore diameter X or less), the mass fraction G1 of the catalyst component in the electrode catalyst, and the mass fraction G2 of the conductive material in the electrode catalyst The electrode catalyst according to claim 1, which satisfies the following formula: (S1 · G1) / (S2 · G2) = 0.2 to 1.35. 前記導電性材料に担持した触媒粒子の平均粒子径Xが、1nm〜10nmの範囲である、請求項1または2に記載の電極触媒。   The electrode catalyst according to claim 1 or 2, wherein an average particle diameter X of the catalyst particles supported on the conductive material is in the range of 1 nm to 10 nm. 前記導電性材料に担持した触媒粒子の粒子径が0.75X〜1.5Xの範囲である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電極触媒。   The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 3, wherein a particle size of catalyst particles supported on the conductive material is in a range of 0.75X to 1.5X. 電極触媒は、溶液還元法を用いて導電性材料に触媒成分を担持することによって製造される、請求項1〜のいずれか1項に記載の電極触媒。 The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 4 , wherein the electrode catalyst is produced by supporting a catalyst component on a conductive material using a solution reduction method. 溶液還元法を用いて導電性材料に触媒成分を担持する工程において、エタノール、メタノール、プロパノール、ギ酸、ホルムアルデヒド、チオ硫酸ナトリウム、クエン酸、水素化ホウ素ナトリウム及びヒドラジンからなる群より選択される少なくとも1種を触媒粒子の還元剤として用いる、請求項に記載の電極触媒。 In the step of supporting the catalyst component on the conductive material using the solution reduction method, at least one selected from the group consisting of ethanol, methanol, propanol, formic acid, formaldehyde, sodium thiosulfate, citric acid, sodium borohydride, and hydrazine. The electrocatalyst according to claim 5 , wherein the seed is used as a reducing agent for the catalyst particles. 溶液還元法を用いて導電性材料に触媒成分を担持する工程において、触媒成分を還元剤で還元処理する際に、一酸化炭素ガスを流入する、請求項に記載の電極触媒。 The electrode catalyst according to claim 6 , wherein carbon monoxide gas is introduced when the catalyst component is reduced with a reducing agent in the step of supporting the catalyst component on the conductive material using a solution reduction method. 水電解活性を有する触媒がさらに前記導電性材料に前記触媒粒子と共存担持され、前記水電解活性を有する触媒は触媒粒子とは異なる成分で構成されてなる、請求項1〜のいずれか1項に記載の電極触媒。 Catalyst having a water electrolysis activity was further co-supported with the catalyst particles to the conductive material, the catalyst having the water electrolysis activity is formed by a different component than the catalyst particles, any of claims 1-7 1 The electrode catalyst according to item. 前記水電解活性を有する触媒が、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、イリジウムまたはルテニウムの少なくとも1種から形成される、請求項に記載の電極触媒。 The electrode catalyst according to claim 8 , wherein the catalyst having water electrolysis activity is formed from at least one of iridium oxide, ruthenium oxide, iridium, or ruthenium. 水電解活性を有する触媒は、加熱酸化法または電析法によって前記導電性材料に前記触媒粒子と共存担持される、請求項またはに記載の電極触媒。 The electrode catalyst according to claim 8 or 9 , wherein the catalyst having water electrolysis activity is supported on the conductive material together with the catalyst particles by a heating oxidation method or an electrodeposition method. 電解質膜と、前記電解質膜の一方の側に配置されたカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の側に配置されたアノード触媒層とを有する電解質膜−電極接合体であって、請求項1〜10のいずれか1項に記載の電極触媒がカソード触媒層またはアノード触媒層の少なくとも一方に使用されることを特徴とする電解質膜−電極接合体。 2. An electrolyte membrane-electrode assembly comprising an electrolyte membrane, a cathode catalyst layer disposed on one side of the electrolyte membrane, and an anode catalyst layer disposed on the other side of the electrolyte membrane, 10. An electrolyte membrane-electrode assembly, wherein the electrode catalyst according to any one of 10 to 10 is used in at least one of a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer. カソード触媒層またはアノード触媒層の少なくとも一方はさらに補強材を含む、請求項11に記載の電解質膜−電極接合体。 The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 11 , wherein at least one of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer further contains a reinforcing material. 前記補強材は、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、トーカブラック、活性炭、グラファイト、カーボンナノファイバー、及びカーボンナノチューブからなる群より選択される少なくとも1種である、請求項12に記載の電解質膜−電極接合体。 The electrolyte membrane-electrode junction according to claim 12 , wherein the reinforcing material is at least one selected from the group consisting of acetylene black, ketjen black, talker black, activated carbon, graphite, carbon nanofibers, and carbon nanotubes. body. 前記補強材は、カーボンナノファイバー(CNF)の表面からカーボンを主成分とする突起を成長させた多枝カーボンナノファイバーまたはカーボンナノチューブ(CNT)の表面からカーボンを主成分とする突起を成長させた多枝カーボンナノチューブの少なくとも一方を含む、請求項12または13に記載の電解質膜−電極接合体。 In the reinforcing material, protrusions mainly composed of carbon are grown from the surface of multi-branched carbon nanofibers or carbon nanotubes (CNT) in which protrusions mainly composed of carbon are grown from the surface of carbon nanofibers (CNF). The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 12 or 13 , comprising at least one of multi-branched carbon nanotubes. 前記補強材の添加量が、電極触媒中の導電性材料1質量部に対して、0.01〜0.4質量部である、請求項1214のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。 The electrolyte membrane according to any one of claims 12 to 14 , wherein the addition amount of the reinforcing material is 0.01 to 0.4 parts by mass with respect to 1 part by mass of the conductive material in the electrode catalyst. Electrode assembly. 請求項1215のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体を用いてなる燃料電池。 A fuel cell comprising the electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 12 to 15 .
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