JP6630457B2 - Cathode, membrane electrode assembly and battery - Google Patents
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Description
本発明は、カソード、膜電極接合体及び電池に関する。 The present invention relates to a cathode, a membrane electrode assembly, and a battery.
現在、燃料電池の電極用触媒としては、白金触媒が使用されている。しかしながら、白金の埋蔵量は限られていること、固体高分子形燃料電池(PEFC)においては白金の使用によってコストが高くなること等、解決すべき問題が多い。特に、PEFCのカソードにおいては、十分な発電性能及び耐久性を得るために多量の白金触媒が必要とされるという問題がある。また、白金触媒は一酸化炭素、二酸化硫黄、一酸化窒素、二酸化窒素等のガスが吸着することで被毒されやすいという問題がある。このため、白金触媒を使用しない又は白金触媒の使用量を低減する代替技術の開発が進められている。 Currently, platinum catalysts are used as electrode catalysts for fuel cells. However, there are many problems to be solved, such as the limited amount of platinum reserve, and the use of platinum in a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) increases the cost. Particularly, in the cathode of the PEFC, there is a problem that a large amount of a platinum catalyst is required to obtain sufficient power generation performance and durability. In addition, the platinum catalyst has a problem that it is easily poisoned by adsorbing gases such as carbon monoxide, sulfur dioxide, nitrogen monoxide, and nitrogen dioxide. For this reason, the development of alternative technologies that do not use a platinum catalyst or reduce the amount of platinum catalyst used has been promoted.
例えば、特許文献1には、触媒とアイオノマーとを含む層Aと、触媒とアイオノマーとを含む層Bとが積層された電極構造体であり、層Aに含まれる触媒は70重量%以上が炭素触媒であり、層Bに含まれる触媒は70重量%以上が白金担持カーボン触媒である、燃料電池用カソード電極構造体が記載されている。
For example,
また、特許文献2には、電解質層と、当該電解質層の厚み方向一方側に配置され、燃料が供給される燃料側電極と、当該電解質層の厚み方向他方側に配置され、酸素が供給される酸素側電極と、当該電解質層および当該酸素側電極の間に配置され、当該電解質層を通過した燃料を分解する燃料分解層とを備える燃料電池が記載されている。 Further, in Patent Document 2, an electrolyte layer, a fuel-side electrode disposed on one side in the thickness direction of the electrolyte layer and supplied with fuel, and a fuel-side electrode disposed on the other side in the thickness direction of the electrolyte layer are supplied with oxygen. A fuel cell includes an oxygen-side electrode, and a fuel decomposition layer disposed between the electrolyte layer and the oxygen-side electrode and decomposing fuel that has passed through the electrolyte layer.
しかしながら、従来、燃料電池のカソードの耐久性は十分なものではなかった。 However, conventionally, the durability of the cathode of the fuel cell has not been sufficient.
本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、優れた耐久性を有するカソード、膜電極接合体及び電池を提供することをその目的の一つとする。 The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a cathode, a membrane electrode assembly, and a battery having excellent durability.
上記課題を解決するための本発明の一実施形態に係るカソードは、電解質膜を含む電池のカソードであって、0.3mg/cm2以上、9.0mg/cm2以下の炭素触媒を含む第一の層と、前記電池において前記電解質膜と前記第一の層との間に配置される、0.002mg/cm2以上、0.190mg/cm2以下の白金を含む第二の層と、を含む。本発明によれば、優れた耐久性を有するカソードが提供される。 A cathode according to an embodiment of the present invention for solving the above-described problem is a cathode of a battery including an electrolyte membrane, and includes a carbon catalyst having a carbon catalyst of 0.3 mg / cm 2 or more and 9.0 mg / cm 2 or less. and one layer, the disposed between the electrolyte membrane and the first layer in the battery, 0.002 mg / cm 2 or more, a second layer containing 0.190mg / cm 2 or less of platinum, including. According to the present invention, a cathode having excellent durability is provided.
前記炭素触媒は、鉄を含み、窒素雰囲気下での熱重量分析において測定される200℃から1200℃までの重量減少率12.0重量%以下を示し、前記鉄のK吸収端のX線吸収微細構造分析において下記(a)及び/又は(b):(a)7110eVの規格化吸光度に対する7130eVの規格化吸光度の比が7.0以上である;、(b)7110eVの規格化吸光度に対する7135eVの規格化吸光度の比が7.0以上である;を示す炭素構造を含むこととしてもよい。 The carbon catalyst contains iron, exhibits a weight loss rate of 12.0% by weight or less from 200 ° C. to 1200 ° C. measured by thermogravimetric analysis under a nitrogen atmosphere, and shows an X-ray absorption at the K absorption edge of the iron. In the microstructure analysis, the following (a) and / or (b): (a) the ratio of the normalized absorbance of 7130 eV to the normalized absorbance of 7110 eV is 7.0 or more; (b) 7135 eV of the normalized absorbance of 7110 eV Is a normalized absorbance ratio of 7.0 or more;
前記炭素触媒は、全細孔容積に対するメソ孔容積の割合が20%以上であることとしてもよい。前記炭素触媒は、誘導結合プラズマ質量分析により測定される鉄の含有量が0.01重量%以上であることとしてもよい。前記炭素触媒は、燃焼法による元素分析で測定される窒素原子含有量1.0重量%以上を示すこととしてもよい。前記炭素触媒は、燃焼法による元素分析で測定される、炭素原子含有量に対する窒素原子含有量の割合1.1%以上を示すこととしてもよい。前記炭素触媒は、鉄と、鉄以外の金属とを含むこととしてもよい。前記炭素触媒は、BET法で測定される比表面積が800m2/g以上であることとしてもよい。 The ratio of the mesopore volume to the total pore volume of the carbon catalyst may be 20% or more. The carbon catalyst may have an iron content of 0.01% by weight or more as measured by inductively coupled plasma mass spectrometry. The carbon catalyst may have a nitrogen atom content of 1.0% by weight or more measured by elemental analysis by a combustion method. The carbon catalyst may exhibit a ratio of a nitrogen atom content to a carbon atom content of 1.1% or more as measured by elemental analysis by a combustion method. The carbon catalyst may include iron and a metal other than iron. The carbon catalyst may have a specific surface area measured by a BET method of 800 m 2 / g or more.
前記第一の層は、電解質材料を含み、前記第一の層の重量から前記電解質材料の重量を減じて得られる残重量に対する前記電解質材料の重量の比が0.30以上であることとしてもよい。前記第二の層は、電解質材料を含み、前記第二の層の重量から前記電解質材料の重量を減じて得られる残重量に対する前記電解質材料の重量の比が0.05以上であることとしてもよい。前記第一の層における前記炭素触媒の含有量に対する、前記第二の層における前記白金の含有量の割合が20.00重量%以下であることとしてもよい。前記第一の層及び/又は前記第二の層は、EW値が300以上、1100以下の電解質材料を含むこととしてもよい。 The first layer may include an electrolyte material, and the ratio of the weight of the electrolyte material to the remaining weight obtained by subtracting the weight of the electrolyte material from the weight of the first layer may be 0.30 or more. Good. The second layer contains an electrolyte material, and the ratio of the weight of the electrolyte material to the remaining weight obtained by subtracting the weight of the electrolyte material from the weight of the second layer may be 0.05 or more. Good. The ratio of the content of the platinum in the second layer to the content of the carbon catalyst in the first layer may be 20.00% by weight or less. The first layer and / or the second layer may include an electrolyte material having an EW value of 300 or more and 1100 or less.
上記課題を解決するための本発明の一実施形態に係る膜電極接合体は、前記いずれかのカソードと、アノードと、前記カソードと前記アノードとの間に配置される電解質膜とを含む。本発明によれば、優れた耐久性を有する膜電極接合体が提供される。 A membrane electrode assembly according to one embodiment of the present invention for solving the above problems includes any one of the cathodes, an anode, and an electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode. According to the present invention, a membrane electrode assembly having excellent durability is provided.
上記課題を解決するための本発明の一実施形態に係る電池は、前記いずれかのカソード又は前記膜電極接合体を含む。本発明によれば、優れた耐久性を有する電池が提供される。前記電池は、燃料電池であることとしてもよい。 A battery according to one embodiment of the present invention for solving the above problems includes any one of the cathodes or the membrane electrode assembly. According to the present invention, a battery having excellent durability is provided. The battery may be a fuel cell.
本発明によれば、優れた耐久性を有するカソード、膜電極接合体及び電池が提供される。 According to the present invention, a cathode, a membrane electrode assembly, and a battery having excellent durability are provided.
以下に、本発明の一実施形態に係るカソード、膜電極接合体及び電池について説明する。なお、本発明は本実施形態で示す例に限られない。 Hereinafter, a cathode, a membrane electrode assembly, and a battery according to an embodiment of the present invention will be described. Note that the present invention is not limited to the example shown in the present embodiment.
本実施形態に係るカソードは、電解質膜を含む電池のカソードであって、0.3mg/cm2以上、9.0mg/cm2以下の炭素触媒を含む第一の層と、当該電池において当該電解質膜と当該第一の層との間に配置される、0.002mg/cm2以上、0.190mg/cm2以下の白金を含む第二の層と、を含む。 The cathode according to the present embodiment is a cathode of a battery including an electrolyte membrane, and includes a first layer including a carbon catalyst of 0.3 mg / cm 2 or more and 9.0 mg / cm 2 or less; It is disposed between the membrane and the first layer, containing 0.002 mg / cm 2 or more, a second layer containing 0.190mg / cm 2 or less of platinum,.
本実施形態に係る膜電極接合体(以下、「MEA」という。)は、本実施形態に係るカソードと、アノードと、当該カソードと当該アノードとの間に配置される電解質膜とを含む。本実施形態に係る電池は、本実施形態に係るカソード又は本実施形態に係るMEAを含む。 The membrane electrode assembly (hereinafter, referred to as “MEA”) according to the embodiment includes the cathode according to the embodiment, an anode, and an electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode. The battery according to the embodiment includes the cathode according to the embodiment or the MEA according to the embodiment.
本発明の発明者らは、優れた耐久性を有するカソード、MEA及び電池を実現するための技術的手段について鋭意検討を重ねた結果、カソードが、特定の範囲内の量で炭素触媒を含む第一の層と、当該第一の層と、当該MEA又は電池の電解質膜との間に配置される、特定の範囲内の量で白金を含む第二の層とを含むことによって、優れた耐久性が達成されることを独自に見出した。 The inventors of the present invention have intensively studied technical means for realizing a cathode, an MEA and a battery having excellent durability, and as a result, it has been found that the cathode contains a carbon catalyst in an amount within a specific range. Excellent durability by including one layer, the first layer, and a second layer containing platinum in an amount within a specific range, disposed between the MEA or the electrolyte membrane of the battery. Has uniquely found that sexuality is achieved.
図1には、本実施形態の一例に係るMEA1について、その断面を示す。なお、本明細書においては、主に図1に示す例を参照しながら本実施形態を説明するが、図1は、あくまでもMEA1の構造を概念的に示すものであって、本発明は、図1に示される当該MEA1、及び当該MEA1を構成する要素の大きさ、形状、位置関係等の具体的な態様に限定されない。
FIG. 1 shows a cross section of an
図1に示すように、MEA1は、一対のガス拡散層30,50と、当該一対のガス拡散層30,50の間に配置される電解質膜20と、一方の当該ガス拡散層30と、当該電解質膜20との間に配置されるカソード10と、他方の当該ガス拡散層50と、当該電解質膜20との間に配置されるアノード40と、を含む。
As shown in FIG. 1, the
すなわち、カソード10は、MEA1又は電池において、電解質膜20とガス拡散層30との間に配置される。カソード10は、炭素触媒を含む第一の層(以下、「CC層」という。)11と、白金を含む第二の層(以下、「Pt層」という。)12とを含む。すなわち、カソード10は、触媒を含む触媒層を含み、当該触媒層は、CC層11とPt層12とを含む。
That is, the
カソード10において、CC層11とPt層12とは積層されているが、後述のとおり、当該CC層11とPt層12との間に他の層が含まれていてもよい。CC層11は、MEA1又は電池において、ガス拡散層30とPt層12との間に配置される。すなわち、カソード10は、MEA1又は電池においてガス拡散層30とPt層12との間に配置される位置にCC層11を含む。Pt層12は、MEA1又は電池において、電解質膜20とCC層11との間に配置される。すなわち、カソード10は、MEA1又は電池において電解質膜20とCC層11との間に配置される位置にPt層12を含む。
In the
CC層11は、特定の範囲内の量で、酸素還元反応を触媒する活性(以下、「酸素還元活性」という。)を有する炭素触媒を含む。すなわち、CC層11は、0.3mg/cm2以上、9.0mg/cm2以下の炭素触媒を含む。CC層11の炭素触媒含有量(mg/cm2)は、当該CC層11の単位面積(1cm2)あたり、当該CC層11に含まれる炭素触媒の重量(mg)である。したがって、CC層11の炭素触媒含有量(mg/cm2)は、当該CC層11に含まれる炭素触媒の重量(mg)を、当該CC層11の面積(図1に示す例では、ガス拡散層30の表面30aに対向する、CC層11の表面11bの面積)(cm2)で除することにより得られる。
The
CC層11の炭素触媒含有量は、0.3mg/cm2以上、9.0mg/cm2以下の範囲内であれば特に限られないが、例えば、0.4mg/cm2以上、9.0mg/cm2以下であってもよく、0.5mg/cm2以上、9.0mg/cm2以下であってもよく、0.5mg/cm2以上、8.0mg/cm2以下であってもよく、0.7mg/cm2以上、8.0mg/cm2以下であってもよい。
The carbon catalyst content of the
CC層11の炭素触媒含有量が上述の範囲内であることにより、例えば、当該CC層11内のガス拡散効率を維持しつつ、優れた触媒活性及び耐久性を達成することができる。
When the carbon catalyst content of the
CC層11は、他の触媒を含んでもよいが、当該CC層11に含まれる触媒は、主に炭素触媒で構成されることが好ましい。CC層11における触媒含有量(CC層11が炭素触媒に加えて他の触媒を含む場合には、当該炭素触媒の含有量と当該他の触媒の含有量との合計)に対する、炭素触媒含有量の割合は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、50重量%以上であることとしてもよく、70重量%以上であることが好ましく、90重量%以上であることがより好ましく、95重量%以上であることが特に好ましい。
Although the
なお、カソード10における特定の触媒の含有量は、例えば、当該特定の触媒が、担体(例えば、カーボン担体)と、当該担体に担持された触媒成分(例えば、白金等の金属触媒)とから構成される場合、当該触媒成分の含有量である。
In addition, the content of the specific catalyst in the
CC層11に含まれる他の触媒は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、白金含有触媒、金含有触媒、ルテニウム含有触媒、ロジウム含有触媒、パラジウム含有触媒、イリジウム含有触媒、マンガン含有触媒及びセリウム含有触媒からなる群より選択される1以上であることとしてもよい。なお、CC層11が白金含有触媒を含む場合、当該白金含有触媒は、Pt層12に含まれる白金含有触媒と同一のものであってもよいし、異なるものであってもよい。
Other catalysts contained in the
CC層11は、白金を含まないこととしてもよい。CC層11は、金を含まないこととしてもよい。CC層11は、ルテニウムを含まないこととしてもよい。CC層11は、ロジウムを含まないこととしてもよい。CC層11は、パラジウムを含まないこととしてもよい。CC層11は、イリジウムを含まないこととしてもよい。CC層11は、マンガンを含まないこととしてもよい。CC層11は、セリウムを含まないこととしてもよい。CC層11は、炭素触媒以外の触媒を含まないこととしてもよい。
The
CC層11は、触媒以外の成分を含むこととしてもよい。すなわち、CC層11は、例えば、電解質材料を含む。電解質材料は、プロトン伝導性を有する材料であれば特に限られないが、例えば、アイオノマー及びイオン液体からなる群より選択される1以上であることが好ましい。アイオノマーは、例えば、パーフルオロカーボン材料及びハイドロカーボン材料からなる群より選択される1以上であることが好ましい。パーフルオロカーボン材料は、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーであることが好ましい。パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーは、ポリテトラフルオロエチレン骨格とスルホン酸基とを有するパーフルオロカーボン材料である。ハイドロカーボン材料は、例えば、ハイドロカーボンスルホン酸系ポリマーであることが好ましい。ハイドロカーボンスルホン酸系ポリマーは、ハイドロカーボン骨格とスルホン酸基とを有するハイドロカーボン材料である。
The
具体的に、電解質材料としては、例えば、NAFION(登録商標)、AQUIVION(登録商標)、ACIPLEX(登録商標)及びFLEMION(登録商標)からなる群より選択される1以上が好ましく使用される。 Specifically, as the electrolyte material, for example, one or more selected from the group consisting of NAFION (registered trademark), AQUISION (registered trademark), ACIPLEX (registered trademark), and FLEMION (registered trademark) are preferably used.
CC層11に含まれる電解質材料のEW値は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、300以上、1100以下であることとしてもよい。この場合、電解質材料のEW値は、400以上、1100以下であることが好ましく、500以上、1100以下であることが特に好ましい。なお、電解質材料のEW値は、等価質量(Equivalent Weight)であり、スルホン酸基1モルあたりの乾燥状態の当該電解質材料のグラム数である。
The EW value of the electrolyte material contained in the
CC層11の重量から電解質材料の重量を減じて得られる残重量に対する、当該CC層11に含まれる電解質材料の重量の比(=CC層11に含まれる電解質材料の重量/(CC層11の重量−CC層11に含まれる電解質材料の重量))(以下、CC層11について「電解質材料比」という。)は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、0.30以上であることとしてもよい。この場合、CC層11の電解質材料比は、0.40以上であることが好ましく、0.50以上であることがより好ましく、0.60以上であることが特に好ましい。
The ratio of the weight of the electrolyte material included in the
なお、例えば、CC層11が炭素触媒と電解質材料とから構成される場合には、当該CC層11の上記残重量は当該炭素触媒の重量であるため、当該CC層11の電解質材料比は、当該炭素触媒の重量に対する当該電解質材料の重量の比である。また、例えば、CC層11が炭素触媒と電解質材料と他の成分とから構成される場合には、当該CC層11の上記残重量は当該炭素触媒の重量と当該他の成分の重量との合計(すなわち、電解質材料以外の成分の重量の合計)であるため、当該CC層11の電解質材料比は、当該炭素触媒の重量と当該他の成分の重量との合計に対する、当該電解質材料の重量の比である。
In addition, for example, when the
CC層11の電解質材料比の上限値は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、当該電解質材料比は、例えば、1.70以下であることとしてもよく、1.60以下であることが好ましく、1.50以下であることがより好ましい。
The upper limit of the electrolyte material ratio of the
CC層11の電解質材料比は、上述した下限値の各々と、上述した上限値の各々とを任意に組み合わせて特定してもよい。具体的に、CC層11の電解質材料比は、例えば、0.30以上、1.70以下であることとしてもよく、0.40以上、1.60以下であることが好ましく、0.50以上、1.50以下であることがより好ましく、0.60以上、1.50以下であることが特に好ましい。
The electrolyte material ratio of the
CC層11の電解質材料比が上述の範囲内であることにより、例えば、当該CC層11内のガス拡散効率を維持しつつ、優れた触媒活性及び耐久性を達成することができる。
When the electrolyte material ratio of the
CC層11の重量(例えば、CC層11が炭素触媒と、電解質材料と、さらに他の成分とから構成される場合には、当該炭素触媒の重量と当該電解質材料の重量と当該他の成分の重量との合計)に対する、当該CC層11に含まれる炭素触媒の重量と電解質材料の重量との合計の割合は、本発明の効果が得られる範囲内であれば特に限られないが、例えば、50重量%以上であることとしてもよく、70重量%以上であることが好ましく、80重量%以上であることがより好ましく、90重量%以上であることが特に好ましい。
Weight of the CC layer 11 (for example, when the
CC層11は、炭素触媒以外に他の導電性材料を含んでもよい。他の導電性材料は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、導電性炭素材料、導電性セラミックス、酸化チタン、酸化スズ、ニオブをドープした酸化スズ、及びアンチモンをドープした酸化スズからなる群より選択される1以上であることが好ましく、導電性炭素材料であることが特に好ましい。導電性炭素材料は、導電性を有する炭素材料であれば特に限られないが、例えば、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンファイバー、カーボンフィブリル、フラーレン及びグラフェンからなる群より選択される1種以上であることとしてもよい。導電性セラミックスは、導電性を有するセラミックスであれば特に限られないが、例えば、アルミナ、シリカ及びコージライトからなる群より選択される1以上であることが好ましい。
The
CC層11は、保水性材料を含んでもよい。保水性材料は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えばシリカであることが好ましい。CC層11は、炭素触媒以外の導電性材料を含まないこととしてもよい。また、CC層11は、炭素触媒以外の炭素材料を含まないこととしてもよい。また、CC層11は、保水性材料を含まないこととしてもよい。
The
CC層11の重量から電解質材料の重量を減じて得られる残重量(例えば、CC層11が、炭素触媒と、電解質材料と、他の導電性材料と、保水性材料とから構成される場合には、当該炭素触媒の重量と、当該他の導電性材料の重量と、当該保水性材料の重量との合計)に対する、当該CC層11に含まれる炭素触媒の重量の割合は、本発明の効果が得られる範囲内であれば特に限られないが、例えば、50重量%以上であることとしてもよく、60重量%以上であることが好ましく、70重量%以上であることがより好ましく、80重量%以上であることが特に好ましい。
The remaining weight obtained by subtracting the weight of the electrolyte material from the weight of the CC layer 11 (for example, when the
CC層11の厚みは、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、1μm以上、100μm以下であることとしてもよく、3μm以上、80μm以下であることが好ましく、5μm以上、60μm以下であることが特に好ましい。
The thickness of the
Pt層12は、白金含有触媒を含む。白金含有触媒は、白金及び/又は白金合金を含む触媒であれば特に限られない。すなわち、白金含有触媒は、例えば、白金粒子及び/又は白金合金粒子を含む。白金含有触媒は、担体と、当該担体に担持された白金粒子及び/又は白金合金粒子とを含むこととしてもよい。
The
この場合、担体は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、炭素材料、セラミックス(例えば、アルミナ、シリカ及びコージライトからなる群より選択される1以上)、酸化チタン、酸化スズ、ニオブをドープした酸化スズ及びアンチモンをドープした酸化スズからなる群より選択される1以上であることとしてもよく、炭素材料であることが好ましい。 In this case, the carrier is not particularly limited as long as the effects of the present invention can be obtained. For example, a carbon material, ceramics (for example, one or more selected from the group consisting of alumina, silica, and cordierite), titanium oxide, oxide It may be at least one selected from the group consisting of tin, niobium-doped tin oxide, and antimony-doped tin oxide, and is preferably a carbon material.
炭素材料は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、導電性炭素材料であることが好ましく、具体的には、例えば、カーボンブラック(例えば、ケッチェンブラック及び/又はバルカン)、カーボンナノチューブ、炭素繊維、黒鉛、酸化黒鉛、グラフェン及び活性炭からなる群より選択される1以上であることが好ましい。白金含有触媒は、担体を含有しない、白金粒子及び/又は白金合金粒子であることとしてもよい。 The carbon material is not particularly limited as long as the effects of the present invention can be obtained, but is preferably a conductive carbon material. Specifically, for example, carbon black (for example, Ketjen black and / or Vulcan), carbon It is preferably at least one selected from the group consisting of nanotubes, carbon fibers, graphite, graphite oxide, graphene, and activated carbon. The platinum-containing catalyst may be a carrier-free platinum particle and / or platinum alloy particle.
白金合金は、白金と他の金属との合金であれば特に限られないが、例えば、白金と、ニッケル、コバルト、ルテニウム、パラジウム、ニオブ及び鉄からなる群より選択される1以上との合金であることが好ましい。 The platinum alloy is not particularly limited as long as it is an alloy of platinum and another metal, and is, for example, an alloy of platinum and one or more selected from the group consisting of nickel, cobalt, ruthenium, palladium, niobium, and iron. Preferably, there is.
白金含有触媒は、白金及び白金合金以外の金属から構成されるコアと、当該コアを被覆する白金及び/又は白金合金から構成されるシェルとを含むコアシェル型触媒であってもよい。白金含有触媒は、白金及び白金合金以外の金属から構成される基材(例えば、ウィスカ)と、当該基材に積層された白金及び/又は白金合金とを含むナノ構造薄膜(NSTF)型触媒であってもよい。白金含有触媒は、白金及び又は白金合金から構成されるナノフレーム構造を含む触媒であってもよい。 The platinum-containing catalyst may be a core-shell catalyst including a core made of a metal other than platinum and a platinum alloy, and a shell made of platinum and / or a platinum alloy covering the core. The platinum-containing catalyst is a nanostructured thin film (NSTF) type catalyst including a substrate (for example, whisker) composed of a metal other than platinum and a platinum alloy, and platinum and / or a platinum alloy laminated on the substrate. There may be. The platinum-containing catalyst may be a catalyst including a nanoframe structure composed of platinum and / or a platinum alloy.
そして、Pt層12は、特定の範囲内の量で白金を含む。すなわち、Pt層12は、0.002mg/cm2以上、0.190mg/cm2以下の白金を含む。Pt層12の白金含有量(mg/cm2)は、当該Pt層12の単位面積(1cm2)あたり、当該Pt層12に含まれる白金の重量(mg)である。したがって、Pt層12の白金含有量(mg/cm2)は、当該Pt層12に含まれる白金の重量(mg)を、当該Pt層12の面積(図1に示す例では、ガス拡散層30に向いた電解質膜20の表面20bに対向する、Pt層12の表面12aの面積)(cm2)で除することにより得られる。なお、Pt層12に含まれる白金の重量は、例えば、当該Pt層12の白金含有触媒が、担体と、当該担体に担持された白金とを含む場合は、当該白金の重量であり、当該白金含有触媒が白金合金を含む場合には、当該白金合金に含まれる白金の重量である。
The
Pt層12の白金含有量は、0.002mg/cm2以上、0.190mg/cm2以下の範囲内であれば特に限られないが、例えば、0.003mg/cm2以上、0.190mg/cm2以下であってもよく、0.003mg/cm2以上、0.170mg/cm2以下であってもよく、0.003mg/cm2以上、0.150mg/cm2以下であってもよい。
Platinum content of
Pt層12の白金含有量が上述の範囲内であることにより、例えば、カソード10の触媒活性を、当該Pt層12の白金含有触媒に大きく依存させることなく、優れた触媒活性及び耐久性を達成することができる。
When the platinum content of the
Pt層12は、他の触媒を含んでもよいが、当該Pt層12に含まれる触媒は、主に白金で構成されることが好ましい。Pt層12の触媒含有量(Pt層12が、担体と、当該担体に担持された白金とから構成される白金含有触媒に加えて、他の触媒を含む場合には、当該白金含有触媒の白金の含有量と当該他の触媒の含有量との合計)に対する、当該Pt層12の白金含有量の割合は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、25重量%以上であることとしてもよく、50重量%以上であることが好ましく、75重量%以上であることがより好ましく、90重量%以上であることが特に好ましい。
The
Pt層12に含まれる他の触媒は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、炭素触媒、金含有触媒、ルテニウム含有触媒、ロジウム含有触媒、パラジウム含有触媒、イリジウム含有触媒、マンガン含有触媒及びセリウム含有触媒からなる群より選択される1以上であることとしてもよい。なお、Pt層12が炭素触媒を含む場合、当該炭素触媒は、酸素還元活性を有するものであれば特に限られず、CC層11に含まれる炭素触媒と同一のものであってもよいし、異なるものであってもよい。
Other catalysts contained in the
Pt層12は、炭素触媒を含まないこととしてもよい。Pt層12は、金を含まないこととしてもよい。Pt層12は、ルテニウムを含まないこととしてもよい。Pt層12は、ロジウムを含まないこととしてもよい。Pt層12は、パラジウムを含まないこととしてもよい。Pt層12は、イリジウムを含まないこととしてもよい。Pt層12は、マンガンを含まないこととしてもよい。Pt層12は、セリウムを含まないこととしてもよい。Pt層12は、白金含有触媒以外の触媒を含まないこととしてもよい。
The
Pt層12は、触媒以外の成分を含むこととしてもよい。すなわち、Pt層12は、例えば、電解質材料を含む。電解質材料は、プロトン伝導性を有する材料であれば特に限られないが、例えば、アイオノマー及びイオン液体からなる群より選択される1以上であることが好ましい。アイオノマーは、例えば、パーフルオロカーボン材料及びハイドロカーボン材料からなる群より選択される1以上であることが好ましい。パーフルオロカーボン材料は、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーであることが好ましい。ハイドロカーボン材料は、例えば、ハイドロカーボンスルホン酸系ポリマーであることが好ましい。
The
具体的に、電解質材料としては、例えば、NAFION(登録商標)、AQUIVION(登録商標)、ACIPLEX(登録商標)及びFLEMION(登録商標)からなる群より選択される1以上が好ましく使用される。 Specifically, as the electrolyte material, for example, one or more selected from the group consisting of NAFION (registered trademark), AQUISION (registered trademark), ACIPLEX (registered trademark), and FLEMION (registered trademark) are preferably used.
Pt層12に含まれる電解質材料のEW値は、本発明の効果が得られれば特に限られず、例えば、300以上、1100以下であることとしてもよい。この場合、電解質材料のEW値は、400以上、1100以下であることが好ましく、500以上、1100以下であることが特に好ましい。
The EW value of the electrolyte material contained in the
Pt層12の重量から電解質材料の重量を減じて得られる残重量に対する、当該Pt層12に含まれる電解質材料の重量の比(=Pt層12に含まれる電解質材料の重量/(Pt層12の重量−Pt層12に含まれる電解質材料の重量))(以下、Pt層12について「電解質材料比」という。)は、本発明の効果が得られれば特に限られず、例えば、0.05以上であることとしてもよい。この場合、Pt層12の電解質材料比は、0.10以上であることが好ましく、0.15以上であることが特に好ましい。
The ratio of the weight of the electrolyte material contained in the
なお、例えば、Pt層12が白金含有触媒と電解質材料とから構成される場合には、当該Pt層12の上記残重量は当該白金含有触媒の重量(白金含有触媒が、担体と、当該担体に担持された白金とから構成される場合には、当該担体の重量と、当該白金の重量との合計)であるため、当該Pt層12の電解質材料比は、当該白金含有触媒の重量に対する当該電解質材料の重量の比である。また、例えば、Pt層12が白金含有触媒と電解質材料と他の成分とから構成される場合には、当該Pt層12の上記残重量は当該白金含有触媒の重量と当該他の成分の重量との合計(すなわち、電解質材料以外の成分の重量の合計)であるため、当該Pt層12の電解質材料比は、当該白金含有触媒の重量と当該他の触媒の重量との合計に対する、当該白金含有触媒の重量の比である。
For example, when the
Pt層12の電解質材料比の上限値は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、当該電解質材料比は、例えば、1.40以下であることとしてもよく、1.30以下であることが好ましく、1.20以下であることがより好ましく、1.10以下であることが特に好ましい。
The upper limit of the electrolyte material ratio of the
Pt層12の電解質材料比は、上述した下限値の各々と、上述した上限値の各々とを任意に組み合わせて特定してもよい。具体的に、Pt層12の電解質材料比は、例えば、0.05以上、1.40以下であることとしてもよく、0.05以上、1.30以下であることが好ましく、0.10以上、1.20以下であることがより好ましく、0.15以上、1.10以下であることが特に好ましい。
The electrolyte material ratio of the
Pt層12の電解質材料比が上述の範囲内であることにより、例えば、当該Pt層12内のガス拡散効率を維持しつつ、優れた触媒活性及び耐久性を達成することができる。
When the electrolyte material ratio of the
Pt層12の重量(例えば、Pt層が白金含有触媒と、電解質材料と、さらに他の成分とから構成される場合には、当該白金含有触媒の重量と当該電解質材料の重量と当該他の成分の重量との合計)に対する、当該Pt層12に含まれる白金含有触媒の重量と電解質材料の重量との合計の割合は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、20重量%以上であることとしてもよく、40重量%以上であることが好ましく、60重量%以上であることがより好ましく、80重量%以上であることが特に好ましい。
Weight of the Pt layer 12 (for example, when the Pt layer is composed of a platinum-containing catalyst, an electrolyte material, and other components, the weight of the platinum-containing catalyst, the weight of the electrolyte material, and the other components) The total ratio of the weight of the platinum-containing catalyst and the weight of the electrolyte material contained in the
Pt層12は、白金含有触媒以外に他の導電性材料を含んでもよい。他の導電性材料は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、導電性炭素材料、導電性セラミックス、酸化チタン、酸化スズ、ニオブをドープした酸化スズ、及びアンチモンをドープした酸化スズからなる群より選択される1以上であることが好ましく、導電性炭素材料であることが特に好ましい。導電性炭素材料は、導電性を有する炭素材料であれば特に限られないが、例えば、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンファイバー、カーボンフィブリル、フラーレン及びグラフェンからなる群より選択される1種以上であることとしてもよい。導電性セラミックスは、導電性を有するセラミックスであれば特に限られないが、例えば、アルミナ、シリカ及びコージライトからなる群より選択される1以上であることが好ましい。
The
Pt層12は、保水性材料を含んでもよい。保水性材料は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えばシリカであることが好ましい。Pt層12は、炭素触媒以外の炭素材料を含まないこととしてもよい。Pt層12は、白金含有触媒以外の導電性材料を含まないこととしてもよい。また、Pt層12は、保水性材料を含まないこととしてもよい。
The
Pt層12の重量から電解質材料の重量を減じて得られる残重量(例えば、Pt層12が、白金含有触媒と、電解質材料と、他の導電性材料と、保水性材料とから構成される場合には、当該白金含有触媒の重量と、当該他の導電性材料の重量と、当該保水性材料の重量との合計)に対する、当該Pt層12に含まれる白金含有触媒の重量の割合は、本発明の効果が得られる範囲内であれば特に限られないが、例えば、20重量%以上であることとしてもよく、40重量%以上であることが好ましく、60重量%以上であることがより好ましく、80重量%以上であることが特に好ましい。
The remaining weight obtained by subtracting the weight of the electrolyte material from the weight of the Pt layer 12 (for example, when the
Pt層12の厚みは、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、0.1μm以上、50μm以下であることとしてもよく、0.5μm以上、20μm以下であることが好ましく、1μm以上、10μm以下であることが特に好ましい。
The thickness of the
カソード10において、CC層11とPt層12とは触媒の組成が異なる。すなわち、CC層11が上述したいずれかの下限値(mg/cm2)以上の量で炭素触媒を含む場合、Pt層12の炭素触媒含有量は、当該下限値未満であることとしてもよい。Pt層12が上述したいずれかの下限値(mg/cm2)以上の量で白金を含む場合、CC層11の白金含有量は、当該下限値未満であることとしてもよい。
In the
CC層11の触媒含有量に対する、当該CC層11の炭素触媒含有量の割合が上述したいずれかの下限値(重量%)以上である場合、Pt層12の触媒含有量に対する、当該Pt層12の炭素触媒含有量の割合は当該下限値未満であることとしてもよい。Pt層12の触媒含有量に対する、当該Pt層12の白金含有量の割合が上述したいずれかの下限値(重量%)以上である場合、CC層11の触媒含有量に対する、当該CC層11の白金含有量の割合は当該下限値未満であることとしてもよい。
When the ratio of the carbon catalyst content of the
カソード10の触媒は主に、炭素触媒及び白金で構成されることが好ましい。すなわち、カソード10の触媒含有量(例えば、カソード10がCC層11とPt層12とから構成される場合には、当該CC層11の触媒含有量と当該Pt層12の触媒含有量との合計)に対する、当該カソード10の炭素触媒含有量と白金含有量との合計の割合は、例えば、50重量%以上であることとしてもよく、80重量%以上であることが好ましく、90重量%以上であることが特に好ましい。
The catalyst of the
カソード10の炭素触媒は主に、CC層11の炭素触媒で構成されることが好ましい。すなわち、カソード10の炭素触媒含有量(例えば、CC層11及びPt層12がいずれも炭素触媒を含む場合には、当該CC層11の炭素触媒含有量と当該Pt層12の炭素触媒含有量との合計)に対する、CC層11の炭素触媒含有量の割合は、例えば、50重量%以上であることとしてもよく、80重量%以上であることが好ましく、90重量%以上であることが特に好ましい。
It is preferable that the carbon catalyst of the
カソード10の白金は主に、Pt層12の白金で構成されることが好ましい。すなわち、カソード10の白金含有量(例えば、CC層11及びPt層12がいずれも白金を含む場合には、当該CC層11の白金含有量と当該Pt層12の白金含有量との合計)に対する、Pt層12の白金含有量の割合は、例えば、10重量%以上であることとしてもよく、30重量%以上であることが好ましく、50重量%以上であることが特に好ましい。
The platinum of the
カソード10の酸素還元活性は主に、CC層11に含まれる炭素触媒により発揮されることが好ましい。すなわち、カソード10の白金含有量は、当該カソード10の酸素還元活性が、当該カソード10の白金含有触媒に大きく依存しない程度に抑えられることが好ましい。白金は炭素触媒に比べて被毒されやすいため、カソード10の酸素還元活性が白金含有触媒に大きく依存する場合、当該白金含有触媒が被毒されることによって電池の性能が急激に低下してしまう。これに対し、カソード10の酸素還元活性が主に炭素触媒により発揮され、白金含有触媒に大きく依存しない場合には、当該白金含有触媒が被毒されても、電池の性能の急激な低下は回避される。
It is preferable that the oxygen reduction activity of the
この点、CC層11における炭素触媒の含有量(mg/cm2)に対する、Pt層12における白金の含有量(mg/cm2)の割合(以下、「Pt/CC割合」という。)は、例えば、20.00重量%以下であることとしてもよい。
In this regard, the ratio of the platinum content (mg / cm 2 ) in the
この場合、カソード10のPt/CC割合は、7.00重量%以下であることが好ましく、4.80重量%以下であることがより好ましく、3.80重量%以下であることがより一層好ましく、2.80重量%以下であることが特に好ましい。
In this case, the Pt / CC ratio of
カソード10のPt/CC割合の下限値は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、当該Pt/CC割合は、例えば、0.10重量%以上であることとしてもよく、0.15重量%以上であることが好ましい。
The lower limit of the Pt / CC ratio of the
Pt/CC割合は、上述した下限値の各々と、上述した上限値の各々とを任意に組み合わせて、規定することができる。具体的に、カソード10のPt/CC割合は、例えば、0.10重量%以上、20.00重量%以下であることとしてもよく、0.15重量%以上、7.00重量%以下であることが好ましく、0.15重量%以上、4.80重量%以下であることがより好ましく、0.15重量%以上、3.80重量%以下であることがより一層好ましく、0.15重量%以上、2.80重量%以下であることが特に好ましい。
The Pt / CC ratio can be defined by arbitrarily combining each of the above-described lower limits and each of the above-described upper limits. Specifically, the Pt / CC ratio of the
カソード10において、Pt層12の厚みは、CC層11の厚みより小さいこととしてもよい。すなわち、CC層11の厚み(μm)に対する、Pt層12の厚み(μm)の割合は、例えば、1%以上、99%以下であることとしてもよく、2%以上、75%以下であることが好ましく、2%以上、50%以下であることが特に好ましい。
In the
なお、図1の例において、CC層11の厚みは、当該CC層11の電解質膜20方向(すなわち、Pt層12方向)を向いた表面11aと、当該CC層11のガス拡散層30方向を向いた表面11bとの距離であり、Pt層12の厚みは、当該Pt層12の電解質膜20方向を向いた表面12aと、当該Pt層12のガス拡散層30方向(すなわち、CC層11方向)を向いた表面12bとの距離である。
In the example of FIG. 1, the thickness of the
Pt層12は、CC層11の電解質膜20方向を向いた表面11aの一部又は全部を覆っている。この点、Pt層12は、CC層11の電解質膜20方向を向いた表面11aの面積の30%以上を覆っていることとしてもよく、70%以上を覆っていることが好ましく、90%以上を覆っていることが特に好ましい。
The
カソード10は、CC層11と、当該CC層11に積層されたPt層12とを含むが、当該CC層11とPt層12との間、当該CC層11とガス拡散層30との間、及び当該Pt層12と電解質膜12との間、からなる群より選択される1以上の位置に配置される、他の層をさらに含んでもよい。ただし、カソード10の触媒層は、主にCC層11及びPt層12から構成されることが好ましい。
The
カソード10の触媒層の厚み(例えば、カソード10の触媒層が、CC層11と、Pt層12と、他の層とから構成される場合には、当該CC層11の厚みと、当該Pt層12の厚みと、当該他の層の厚みとの合計)に対する、CC層11の厚みとPt層12の厚みとの合計の割合は、例えば、50%以上であることとしてもよく、70%以上であることが好ましく、90%以上であることが特に好ましい。
The thickness of the catalyst layer of the cathode 10 (for example, when the catalyst layer of the
CC層11が上述した特定の範囲内の量(mg/cm2)で炭素触媒を含む場合、カソード10は、当該CC層11とPt層12との間、当該CC層11とガス拡散層30との間、及び当該Pt層12と電解質膜12との間、からなる群より選択される1以上の位置に配置される、炭素触媒含有量が当該特定の範囲外である他の層を含まないこととしてもよい。
When the
Pt層12が上述した特定の範囲内の量(mg/cm2)で白金を含む場合、カソード10は、当該CC層11とPt層12との間、当該CC層11とガス拡散層30との間、及び当該Pt層12と電解質膜12との間、からなる群より選択される1以上の位置に配置される、白金含有量が当該特定の範囲外である他の層を含まないこととしてもよい。
When the
カソード10は、CC層11とPt層12との間、CC層11とガス拡散層30との間、及びPt層12と電解質膜12との間、からなる群より選択される1以上の位置に配置される、触媒を含む他の層(例えば、触媒と電解質材料とを含む他の層)を含まないこととしてもよい。
The
カソード10は、CC層11とPt層12との間、CC層11とガス拡散層30との間、及びPt層12と電解質膜12との間、からなる群より選択される1以上の位置に配置される、触媒を含まない他の層(例えば、電解質材料を含み、触媒を含まない他の層)を含まないこととしてもよい。
The
カソード10は、CC層11とPt層12との間、CC層11とガス拡散層30との間、及びPt層12と電解質膜12との間、からなる群より選択される1以上の位置に配置される、他の層(例えば、電解質材料を含む他の層)を含まないこととしてもよい。すなわち、この場合、カソード10の触媒層は、CC層11とPt層12とから構成される。
The
カソード10において、CC層11とPt層12との距離は小さいことが好ましい。すなわち、CC層11とPt層12との距離(例えば、図1に示す例において、CC層11の電解質膜20方向を向いた表面11aと、Pt層12のガス拡散層30方向を向いた表面12bとの距離)は、例えば、20μm以下であることとしてもよく、10μm以下であることが好ましく、5μm以下であることが特に好ましい。
In the
CC層11とPt層12とは接していることが好ましい。すなわち、CC層11の電解質膜20方向を向いた表面11aと、Pt層12のガス拡散層30方向を向いた表面12bとは接していることが好ましい。
It is preferable that the
カソード10は、基材上に配置されていてもよい。この場合、基材上に配置されたカソード10は、上記いずれかの特定の範囲内の量で炭素触媒を含むCC層11と、当該CC層11と当該基材との間に配置され又は当該CC層11に対して当該基材の反対側に配置された、上記いずれかの特定の範囲内の量で白金を含むPt層12とを含む。すなわち、この場合、基材と、当該基材上に配置されたカソード10とを含むカソード構造体が形成される。
The
基材は、カソード10を含むMEA1又は電池の製造を可能とするものであれば特に限られないが、例えば、電解質膜20、ガス拡散層30、又は転写用基材であることが好ましい。
The substrate is not particularly limited as long as it enables the manufacture of the
具体的に、ガス拡散層30上に配置されたカソード10は、CC層11と、当該CC層11に対して当該ガス拡散層30の反対側に配置されたPt層12とを含むこととしてもよい。また、電解質膜20上に配置されたカソード10は、CC層11と、当該CC層11と当該電解質膜20との間に配置されたPt層12とを含むこととしてもよい。また、転写用基材上に配置されたカソード10は、CC層11と、当該CC層11と当該転写用基材との間、又は当該CC層11に対して当該転写用基材の反対側に配置されたPt層12とを含むこととしてもよい。
Specifically, the
なお、カソード10が転写用基材上に配置される場合、例えば、まず当該転写用基材上に当該カソード10が形成され、その後、当該カソード10を含むMEA1又は電池の製造において、当該カソード10は、当該転写用基材から、当該MEA1又は電池に含まれる電解質膜20又はガス拡散層30に転写される。転写用基材は、上述したカソード10の転写を可能とするものであれば特に限られないが、例えば、樹脂フィルム又は金属フィルムであることが好ましい。
When the
カソード10は、CC層11及びPt層12を形成することを含む方法により製造される。CC層11は、炭素触媒を含み流動性を有する組成物(以下、「CC層組成物」という。)の塗布及び乾燥により形成される。Pt層12は、白金含有触媒を含み流動性を有する組成物(以下、「Pt層組成物」という。)の塗布及び乾燥により形成される。
すなわち、例えば、まず基材(例えば、ガス拡散層30又は転写用基材)上にCC層組成物を塗布及び乾燥してCC層11を形成し、次いで、当該CC層11上にPt層組成物を塗布及び乾燥してPt層12を形成する。また、例えば、まず基材(例えば、電解質膜20又は転写用基材)上にPt層組成物を塗布及び乾燥してPt層12を形成し、次いで、当該Pt層12上にCC層組成物を塗布及び乾燥してCC層11を形成する。また、例えば、まず第一の基材(例えば、ガス拡散層30又は転写用基材)上にCC層組成物を塗布及び乾燥してCC層11を形成する一方で、第二の基材(例えば、電解質膜20又は転写用基材)上にPt層組成物を塗布及び乾燥してPt層12を形成し、次いで、当該CC層11と当該Pt層12とが積層されるように、当該第一の基材と当該第二の基材とを圧着してもよい。
That is, for example, first, a CC layer composition is applied on a base material (for example, the
なお、CC層11は、CC層組成物の塗布を1回のみ行うことにより形成してもよいし、CC層組成物の塗布を複数回行うことにより(すなわち、重ね塗りすることにより)形成してもよい。CC層組成物の炭素触媒含有量、及び/又は、当該CC層組成物を塗布する量及び/又は回数は、最終的に形成されるCC層11が、上述した特定の範囲内の量で炭素触媒を含むこととなるように調整される。
Note that the
同様に、Pt層12は、Pt層組成物の塗布を1回のみ行うことにより形成してもよいし、Pt層組成物の塗布を複数回行うことにより形成してもよい。Pt層組成物の白金含有量、及び/又は、当該Pt層組成物を塗布する量及び/又は回数は、最終的に形成されるPt層12が、上述した特定の範囲内の量で白金を含むこととなるように調整される。
Similarly, the
カソード10がCC層11及びPt層12に加えて他の層を含む場合には、当該カソード10の製造方法は、当該他の層を形成することをさらに含む。他の層は、例えば、CC層11及びPt層12と同様に、当該他の層の組成に対応する成分を含み流動性を有する組成物の塗布及び乾燥により形成される。
When the
CC層11の表面11a,11b及びPt層12の表面12a,12bは、これらの形成工程により特定されてもよい。すなわち、例えば、ガス拡散層30の表面30aにCC層組成物を1回又は複数回塗布してCC層11を形成する場合、当該CC層組成物を最後に塗布して形成される表面が、当該CC層11の電解質膜20方向を向いた表面11aである。
The
また、例えば、まずPt層12を形成し、次いで当該Pt層12のガス拡散層30方向の位置にCC層組成物を1回又は複数回塗布してCC層11を形成する場合、当該Pt層12の形成後に最初に当該CC層組成物を塗布して形成された層の当該Pt層12方向を向いた表面が、当該CC層11の電解質膜20方向を向いた表面11aである。
In addition, for example, when the
MEA1は、カソード10と、アノード40と、当該カソード10と当該アノード40との間に配置される電解質膜20とを含む。より具体的に、MEA1は、例えば、一対のガス拡散層30,50と、当該一対のガス拡散層30,50の間に配置される電解質膜20と、一方の当該ガス拡散層30と、当該電解質膜20との間に配置されるカソード10と、他方の当該ガス拡散層50と、当該電解質膜20との間に配置されるアノード40と、を含み、当該カソード10は、CC層11と、当該CC層11と当該電解質膜20との間に配置されるPt層20とを含む。
The
ガス拡散層30,50は、カソード10への空気等のガスの供給や、アノード40への水素等の燃料の供給を可能にする多孔質体であれば特に限られず、燃料電池等の電池に使用される公知のガス拡散層であってもよい。ガス拡散層30,50は、例えば、カーボンペーパー及び/又はカーボンクロスを含むこととしてもよい。
The gas diffusion layers 30 and 50 are not particularly limited as long as they are porous bodies capable of supplying a gas such as air to the
ガス拡散層30,50は、水管理等を目的として、カソード10及び/又はアノード40との間に配置されるマイクロポーラス層を含んでもよい。マイクロポーラス層は本発明の効果が得られれば特に限られず、燃料電池等の電池に含まれるガス拡散層に使用される公知のマイクロポーラス層であってもよい。
The gas diffusion layers 30 and 50 may include a microporous layer disposed between the
電解質膜20は、プロトン伝導性を有するポリマーの膜であれば特に限られず、燃料電池等の電池に使用される公知の電解質膜であってもよいが、アイオノマーの膜であることが好ましい。アイオノマーは、例えば、パーフルオロカーボン材料及びハイドロカーボン材料からなる群より選択される1以上であることが好ましい。パーフルオロカーボン材料は、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーであることが好ましい。ハイドロカーボン材料は、例えば、ハイドロカーボンスルホン酸系ポリマーであることが好ましい。
The
具体的に、電解質膜20としては、例えば、NAFION(登録商標)、AQUIVION(登録商標)、ACIPLEX(登録商標)及びFLEMION(登録商標)からなる群より選択される1以上の膜が好ましく使用される。電解質膜20は、固体高分子電解質膜であることが好ましい。
Specifically, as the
電解質膜20の厚みは、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、1μm以上、100μm以下であることとしてもよく、5μm以上、50μm以下であることが好ましく、8μm以上、30μm以下であることが特に好ましい。
The thickness of the
アノード40は、燃料の酸化反応活性を有する触媒及び/又は燃料の酸化分解能を有する微生物を含むものであれば特に限られない。アノード40に供給される燃料は、例えば、水素、炭化水素化合物(例えば、メタン及び/又はエタン)、アルコール類(例えば、メタノール及び/又はエタノール)、カルボン酸化合物(例えば、ギ酸及び/又は酢酸)、糖類(例えば、グルコース)、窒素含有化合物(例えば、アンモニア及び/又はヒドラジン)、及びその他の有機物(例えば、汚泥又は産業排水に含まれる有機物)からなる群より選択される1以上であることとしてもよい。
The
アノード40の触媒は、例えば、白金含有触媒、ルテニウム含有触媒、ロジウム含有触媒、パラジウム含有触媒、イリジウム含有触媒、ニッケル含有触媒、コバルト含有触媒及び鉄含有触媒からなる群より選択される1以上であることが好ましい。アノード40の微生物は、燃料の酸化分解能を有するものであれば特に限られない。
The catalyst of the
アノード40の触媒含有量は、例えば、0.001mg/cm2以上、0.5mg/cm2以下であることとしてもよく、0.005mg/cm2以上、0.3mg/cm2以下であることが好ましい。
The catalyst content of the
なお、アノード40における触媒の含有量は、例えば、当該アノード40に含まれる触媒が、担体(例えば、カーボン担体)と、当該担体に担持された触媒成分(例えば、白金等の金属触媒)とから構成される場合、当該触媒成分の含有量である。
The content of the catalyst in the
アノード40は、電解質材料を含むこととしてもよい。電解質材料としては、上述したカソード10に含まれるものと同様の電解質材料が好ましく使用される。アノード40の触媒層に含まれる電解質の種類は、カソード10の触媒層(例えば、CC層11及び/又はPt層12)に含まれる電解質と同一であってもよいし、異なっていてもよい。
The
電池は、カソード10又はMEA1を含む。すなわち、電池は、例えば、カソード10と、アノード40とを含む。具体的に、電池は、カソード10と、アノード40と、当該カソード10と当該アノード40との間に配置される電解質膜20とを含むこととしてもよい。
The battery includes the
また、電池は、例えば、一対のセパレータと、当該一対のセパレータの間に配置されるMEA1とを含む。この場合、電池は、単セルを含み、当該単セルは、一対のセパレータと、当該一対のセパレータの間に配置されるMEA1とを含むこととしてもよい。電池は、1以上の単セルを含むこととしてもよい。すなわち、電池は、1つの単セルを含むこととしてもよいし、複数の単セルを含むこととしてもよい。電池は、積層された複数の単セルを含むこととしてもよい。
In addition, the battery includes, for example, a pair of separators and an
セパレータは、耐食性や導電性を有し、本発明の効果が得られるものであれば特に限られず、燃料電池等の電池に使用される公知のセパレータであってもよい。具体的に、セパレータとしては、例えば、耐食性及び導電性を有するカーボンセパレータが好ましく使用される。 The separator is not particularly limited as long as it has corrosion resistance and conductivity and can obtain the effects of the present invention, and may be a known separator used for a battery such as a fuel cell. Specifically, for example, a carbon separator having corrosion resistance and conductivity is preferably used as the separator.
電池は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、例えば、燃料電池(例えば、固体高分子形燃料電池)、空気電池、レドックスフロー電池、又はハロゲン電池であることとしてもよく、燃料電池であることが好ましく、固体高分子形燃料電池(PEFC)であることが特に好ましい。 The battery is not particularly limited as long as the effects of the present invention can be obtained. For example, a fuel cell (for example, a polymer electrolyte fuel cell), an air battery, a redox flow battery, or a halogen battery may be used. It is preferably a battery, and particularly preferably a polymer electrolyte fuel cell (PEFC).
MEA1又は電池において、カソード10のCC層11と、ガス拡散層30との距離は小さいことが好ましい。すなわち、CC層11とガス拡散層30との距離(例えば、図1に示す例において、CC層11のガス拡散層30方向を向いた表面11bと、当該ガス拡散層30の当該電解質膜20方向を向いた表面30aとの距離)は、例えば、20μm以下であることとしてもよく、10μm以下であることが好ましく、5μm以下であることが特に好ましい。
In the
MEA1又は電池において、カソード10のCC層11とガス拡散層30とは接していることが好ましい。すなわち、CC層11のガス拡散層30方向を向いた表面11bと、当該ガス拡散層30の電解質膜20方向を向いた表面30aとは接していることが好ましい。
In the
MEA1又は電池において、カソード10のPt層12と、電解質膜20との距離は小さいことが好ましい。すなわち、Pt層12と電解質膜20との距離(例えば、図1に示す例において、Pt層12の電解質膜20方向を向いた表面12aと、当該電解質膜20の当該Pt層12方向を向いた表面20bとの距離)は、例えば、20μm以下であることとしてもよく、10μm以下であることが好ましく、5μm以下であることが特に好ましい。
In the
MEA1又は電池において、カソード10のPt層12は、電解質膜20と接していることが好ましい。すなわち、Pt層12の電解質膜20方向を向いた表面12aと、当該電解質膜20のガス拡散層30方向を向いた表面20bとは接していてもよい。
In the
CC層11に含まれる炭素触媒は、本発明の効果が得られれば特に限られないが、鉄を含み、窒素雰囲気下での熱重量分析において測定される200℃から1200℃までの重量減少率12.0重量%以下を示し、当該鉄のK吸収端のX線吸収微細構造分析において下記(a)及び/又は(b):(a)7110eVの規格化吸光度に対する7130eVの規格化吸光度の比が7.0以上である;、(b)7110eVの規格化吸光度に対する7135eVの規格化吸光度の比が7.0以上である;を示す炭素構造を含む、特定の炭素触媒であることが特に好ましい。なお、XAFS分析における規格化吸光度とは、吸収端前の吸光度が0に収束し、吸収端後の吸光度が1に収束するように規格化を行った吸光度である。
The carbon catalyst contained in the
本発明の発明者らは、優れた耐久性を有するカソード、MEA、及び電池を実現するための炭素触媒を得る技術的手段について鋭意検討を重ねた結果、鉄を含み、熱重量分析による重量減少率が特定の閾値以下を示す炭素触媒であって、且つ当該鉄のK吸収端のX線吸収微細構造分析において、特定の状態の鉄を多く含む炭素構造を有する炭素触媒が上記優れた耐久性に寄与することを独自に見出した。 The inventors of the present invention have conducted intensive studies on technical means of obtaining a carbon catalyst for realizing a cathode, MEA, and battery having excellent durability, and as a result, it has been found that iron containing iron and a weight loss by thermogravimetric analysis are obtained. A carbon catalyst having a specific rate of not more than a specific threshold value and having a carbon structure containing a large amount of iron in a specific state in the X-ray absorption fine structure analysis of the K absorption edge of the iron has the above-mentioned excellent durability. Has uniquely found that it contributes to
この炭素触媒は、後述するように、その製造時における炭素化の原料に由来する鉄を含む。すなわち、炭素触媒は、炭素化の原料に鉄が含まれていたことに起因して、その内部に当該鉄を含む。このため、炭素触媒が、後述の金属除去処理を経て製造された場合であっても、当該炭素触媒の内部には、原料由来の微量の鉄が残存する。 This carbon catalyst contains iron derived from a raw material for carbonization during its production, as described later. That is, the carbon catalyst contains the iron in the carbonization raw material due to the fact that the raw material contained the iron. For this reason, even when the carbon catalyst is manufactured through the metal removal treatment described below, a trace amount of iron derived from the raw material remains inside the carbon catalyst.
具体的に、例えば、炭素触媒が粒子状である場合、当該炭素触媒を構成する粒子を切断すると、切断により露出した当該粒子の断面に鉄が検出される。この炭素触媒に含まれる鉄は、例えば、誘導結合プラズマ(ICP)発光分光光度法によって検出することができる。 Specifically, for example, when the carbon catalyst is in the form of particles, when the particles constituting the carbon catalyst are cut, iron is detected in the cross section of the particles exposed by the cutting. Iron contained in the carbon catalyst can be detected by, for example, inductively coupled plasma (ICP) emission spectrophotometry.
炭素触媒は、窒素雰囲気下での熱重量分析(以下、「TG」という。)において測定される200℃から1200℃までの重量減少率12.0重量%以下を示す。炭素触媒は、TGによる上記重量減少率が11.0重量%以下を示すことが好ましく、10.0重量%以下を示すことがより好ましく、9.0重量%以下を示すことがより一層好ましく、8.0重量%以下を示すことが特に好ましい。 The carbon catalyst exhibits a weight loss of 12.0% by weight or less from 200 ° C. to 1200 ° C. measured by thermogravimetric analysis (hereinafter referred to as “TG”) under a nitrogen atmosphere. The carbon catalyst preferably has the above-mentioned weight loss rate by TG of 11.0% by weight or less, more preferably 10.0% by weight or less, still more preferably 9.0% by weight or less, It is particularly preferred to show 8.0% by weight or less.
炭素触媒が上記特定の閾値以下の上記重量減少率を示すことは、炭素触媒の優れた耐久性に寄与する。すなわち、窒素雰囲気下のTGにおける炭素触媒の重量減少率が小さいことは、当該炭素触媒が熱的に安定であることを示す。炭素触媒が熱的に安定であることは、例えば、当該炭素触媒の炭素構造を構成する原子間の結合エネルギーが大きいことに起因すると考えられる。このため、熱的に安定な炭素触媒は、電気化学的にも安定となる。そして、電気化学的に安定な炭素触媒は、燃料電池等の用途において、耐久性が高くなる。したがって、窒素雰囲気下のTGにおける重量減少率が小さい炭素触媒は、優れた耐久性を示す。炭素触媒の上記重量減少率の下限値は特に限られないが、当該重量減少率は、1.0重量%以上であることとしてもよい。 The fact that the carbon catalyst exhibits the above-mentioned weight loss rate equal to or less than the above-mentioned specific threshold value contributes to the excellent durability of the carbon catalyst. That is, a small weight reduction rate of the carbon catalyst in the TG under a nitrogen atmosphere indicates that the carbon catalyst is thermally stable. It is considered that the fact that the carbon catalyst is thermally stable is due to, for example, a large bond energy between atoms constituting the carbon structure of the carbon catalyst. Therefore, a thermally stable carbon catalyst is also electrochemically stable. In addition, the electrochemically stable carbon catalyst has high durability in applications such as fuel cells. Therefore, a carbon catalyst having a small weight loss rate in TG under a nitrogen atmosphere exhibits excellent durability. The lower limit of the weight reduction rate of the carbon catalyst is not particularly limited, but the weight reduction rate may be 1.0% by weight or more.
さらに炭素触媒の炭素構造は、鉄のK吸収端のXAFS分析において、(a)7130/7110比7.0以上を示し、(b)7135/7110比7.0以上を示し、又は(a)7130/7110比7.0以上及び(b)7135/7110比7.0以上を示す。炭素触媒の炭素構造の上記7130/7110比及び/又は上記7135/7110比は、8.0以上であることが好ましく、9.0以上であることがより好ましく、10.0以上であることがより一層好ましく、11.0以上であることが特に好ましい。炭素触媒の上記7130/7110比及び7135/7110比の上限値は特に限られないが、当該7130/7110比及び上記7135/7110比は、30.0以下であることとしてもよい。 Further, in the XAFS analysis of the K absorption edge of iron, the carbon structure of the carbon catalyst shows (a) a ratio of 7130/7110 or more, 7.0 (b) a ratio of 7135/7110 or more, or (a) 7130/7110 ratio 7.0 or more and (b) 7135/7110 ratio 7.0 or more. The 7130/7110 ratio and / or the 7135/7110 ratio of the carbon structure of the carbon catalyst are preferably 8.0 or more, more preferably 9.0 or more, and preferably 10.0 or more. Even more preferably, it is particularly preferably 11.0 or more. The upper limits of the 7130/7110 ratio and the 7135/7110 ratio of the carbon catalyst are not particularly limited, but the 7130/7110 ratio and the 7135/7110 ratio may be 30.0 or less.
炭素触媒の炭素構造が、XAFS分析において、上記特定の閾値以上の7130/7110比及び/又は7135/7110比を示すことは、炭素触媒の優れた触媒活性に寄与する。すなわち、鉄のK吸収端のXAFS分析において、当該K吸収端後のピークのエネルギーは、鉄原子の1s軌道の電子がσ結合の反結合性軌道に遷移するエネルギーを示しており、σ結合の結合エネルギーを反映している。一方、K吸収端前のピークは、鉄原子の1s軌道の電子がd軌道に遷移していることを示しており、このことは、鉄原子が非対称な構造を有していることを示している。 The fact that the carbon structure of the carbon catalyst shows a 7130/7110 ratio and / or 7135/7110 ratio in the XAFS analysis that is equal to or higher than the specific threshold value contributes to the excellent catalytic activity of the carbon catalyst. That is, in the XAFS analysis of the K absorption edge of iron, the energy of the peak after the K absorption edge indicates the energy at which the electron in the 1s orbit of the iron atom transits to the antibonding orbit of the σ bond, It reflects the binding energy. On the other hand, the peak before the K absorption edge indicates that the electron in the 1s orbit of the iron atom has transitioned to the d orbit, which indicates that the iron atom has an asymmetric structure. I have.
したがって、7130eV及び7135eVの規格化吸光度が高いということは、鉄原子が、当該7130eV及び7135eVに対応するエネルギーを示す特定の2種の結合を有することを示し、7110eVの規格化吸光度が高いということは、鉄原子が非対称な構造を有することを示す。そして、炭素触媒においては、上記特定の2種の非金属結合を有する鉄原子が、活性点の一つとして機能していると考えられる。したがって、鉄のK吸収端のXAFS分析において上記特定の閾値以上の7130/7110比及び/又は7135/7110比を示す炭素構造を有する炭素触媒は、上記特定の2種の非金属結合を有する鉄原子を比較的多く含むことによって、優れた触媒活性を有する。 Therefore, the fact that the normalized absorbance of 7130 eV and 7135 eV is high indicates that the iron atom has two kinds of specific bonds showing energies corresponding to the 7130 eV and 7135 eV, and that the normalized absorbance of 7110 eV is high. Indicates that the iron atom has an asymmetric structure. Then, in the carbon catalyst, it is considered that the above-mentioned iron atom having the two kinds of nonmetallic bonds functions as one of the active sites. Therefore, a carbon catalyst having a carbon structure exhibiting a 7130/7110 ratio and / or a 7135/7110 ratio that is equal to or higher than the specific threshold in the XAFS analysis of the K absorption edge of iron is an iron having the two specific nonmetallic bonds. By having a relatively large number of atoms, it has excellent catalytic activity.
また、炭素触媒の炭素構造が、鉄のXAFS分析において、上記特定の閾値以上、且つ30.0以下の範囲内の7130/7110比及び/又は7135/7110比を示す場合、炭素触媒においては、鉄原子の上記特定の2種の非金属結合と、上記非対称な構造とが当該範囲に対応する特定のバランスで存在する。この場合、炭素触媒は、上記特定の2種の非金属結合と、上記非対称な構造とを有する鉄原子を含むことによって、優れた触媒活性を有する。 In the case where the carbon structure of the carbon catalyst shows a 7130/7110 ratio and / or 7135/7110 ratio within the range of not less than the above-mentioned specific threshold value and not more than 30.0 in the XAFS analysis of iron, in the carbon catalyst, The two specific nonmetallic bonds of the iron atom and the asymmetric structure exist in a specific balance corresponding to the range. In this case, the carbon catalyst has excellent catalytic activity by including the above two specific nonmetallic bonds and the iron atom having the asymmetric structure.
炭素触媒は、鉄を含み、上記特定の閾値以下の重量減少率を示し、且つ上記特定の閾値以上の7130/7110比及び/又は7135/7110比を示す炭素構造を含むことにより、優れた触媒活性と優れた耐久性とを有する。 The carbon catalyst contains iron, has a weight loss rate of not more than the specific threshold, and has a carbon structure having a 7130/7110 ratio and / or 7135/7110 ratio of not less than the specific threshold. It has activity and excellent durability.
炭素触媒は、上述した重量減少率の閾値の各々と、上述した7130/7110比及び/又は上記7135/7110比の閾値の各々とを任意に組み合わせて、規定することができる。 The carbon catalyst can be defined by arbitrarily combining each of the above-described thresholds of the weight loss rate with each of the above-described thresholds of the 7130/7110 ratio and / or the above-mentioned 7135/7110 ratio.
具体的に、炭素触媒は、例えば、8.0以上の上記7130/7110比及び/又は上記7135/7110比を示す炭素構造を含み、且つ11.0重量%以下の上記重量減少率を示すことが好ましく、9.0以上の上記7130/7110比及び/又は上記7135/7110比を示す炭素構造を含み、且つ10.0重量%以下の上記重量減少率を示すことがより好ましく、10.0以上の上記7130/7110比及び/又は上記7135/7110比を示す炭素構造を含み、且つ9.0重量%以下の上記重量減少率を示すことがより一層好ましく、11.0以上の上記7130/7110比及び/又は上記7135/7110比を示す炭素構造を含み、且つ8.0重量%以下の上記重量減少率を示すことが特に好ましい。 Specifically, the carbon catalyst includes, for example, a carbon structure exhibiting the above 7130/7110 ratio and / or the above 7135/7110 ratio of 8.0 or more, and showing the above weight loss rate of 11.0% by weight or less. More preferably, it contains a carbon structure exhibiting the above 7130/7110 ratio and / or the above 7135/7110 ratio of 9.0 or more, and more preferably shows the above weight loss rate of 10.0% by weight or less. It is even more preferable that the carbon structure having the above 7130/7110 ratio and / or the 7135/7110 ratio is included, and the weight loss ratio is not more than 9.0% by weight, and more preferably 11.0 or more. It is particularly preferable to include a carbon structure exhibiting the 7110 ratio and / or the 7135/7110 ratio and exhibit the weight loss rate of 8.0% by weight or less.
炭素触媒は、全細孔容積に対するメソ孔容積の割合(以下、「メソ孔割合」という。)が20%以上であることとしてもよい。この場合、炭素触媒のメソ孔割合は、25%以上であることが好ましく、30%以上であることが特に好ましい。炭素触媒のメソ孔割合の上限値は特に限られないが、当該メソ孔割合は、例えば、70%以下であることとしてもよく、65%以下であることが好ましい。 In the carbon catalyst, the ratio of the mesopore volume to the total pore volume (hereinafter, “mesopore ratio”) may be 20% or more. In this case, the mesopore ratio of the carbon catalyst is preferably 25% or more, and particularly preferably 30% or more. The upper limit of the mesopore ratio of the carbon catalyst is not particularly limited, but the mesopore ratio may be, for example, 70% or less, and preferably 65% or less.
炭素触媒のメソ孔割合は、上記各下限値と各上限値とを任意に組み合わせて規定することができる。すなわち、炭素触媒のメソ孔割合は、例えば、20%以上、70%以下であることが好ましく、25%以上、65%以下であることがより好ましく、30%以上、65%以下であること特に好ましい。 The mesopore ratio of the carbon catalyst can be determined by arbitrarily combining the above lower limits and the upper limits. That is, the mesopore ratio of the carbon catalyst is, for example, preferably 20% or more and 70% or less, more preferably 25% or more and 65% or less, and particularly preferably 30% or more and 65% or less. preferable.
なお、本実施形態において、メソ孔は、直径が2nm以上、50nm以下の細孔であり、メソ孔容積(cm3/g)は、当該メソ孔の容積の総和である。また、ミクロ孔は、直径が2nm未満の細孔であり、ミクロ孔容積(cm3/g)は、当該ミクロ孔の容積の総和である。また、マクロ孔は、直径が50nm超の細孔であり、マクロ孔容積(cm3/g)は、当該マクロ孔の容積の総和である。そして、全細孔容積(cm3/g)は、ミクロ孔容積と、メソ孔容積と、マクロ孔容積との合計である。 In the present embodiment, the mesopores are pores having a diameter of 2 nm or more and 50 nm or less, and the mesopore volume (cm 3 / g) is the total volume of the mesopores. The micropore is a pore having a diameter of less than 2 nm, and the micropore volume (cm 3 / g) is the total volume of the micropore. The macropores are pores having a diameter of more than 50 nm, and the macropore volume (cm 3 / g) is the total volume of the macropores. The total pore volume (cm 3 / g) is the sum of the micropore volume, the mesopore volume, and the macropore volume.
炭素触媒は、誘導結合プラズマ質量分析(以下、「ICP−MS」という。)により測定される、鉄の含有量が0.01重量%以上であることとしてもよい。この場合、炭素触媒の上記鉄含有量は、0.05重量%以上であることが特に好ましい。 The carbon catalyst may have an iron content of 0.01% by weight or more as measured by inductively coupled plasma mass spectrometry (hereinafter, referred to as “ICP-MS”). In this case, the iron content of the carbon catalyst is particularly preferably 0.05% by weight or more.
なお、炭素触媒のICP−MSによる鉄含有量は、炭素触媒の全重量に対する鉄原子の重量の割合(重量%)として算出される。炭素触媒の上記鉄含有量の上限値は特に限られないが、当該鉄含有量は、10.00重量%以下であることとしてもよい。 The iron content of the carbon catalyst by ICP-MS is calculated as a ratio (weight%) of the weight of iron atoms to the total weight of the carbon catalyst. The upper limit of the iron content of the carbon catalyst is not particularly limited, but the iron content may be 10.00% by weight or less.
炭素触媒は、燃焼法による元素分析で測定される窒素原子含有量1.0重量%以上を示すこととしてもよい。この場合、炭素触媒は、元素分析による窒素原子含有量1.1重量%以上を示すことが好ましく、1.2重量%以上を示すことが特に好ましい。 The carbon catalyst may exhibit a nitrogen atom content of 1.0% by weight or more measured by elemental analysis by a combustion method. In this case, the carbon catalyst preferably has a nitrogen atom content of 1.1% by weight or more, particularly preferably 1.2% by weight or more, as determined by elemental analysis.
炭素触媒が、上記元素分析による窒素原子含有量として上記特定の閾値以上を示すことは、炭素触媒が、比較的多い量の窒素原子を含むことを示している。炭素触媒の元素分析による窒素原子含有量の上限値は特に限られないが、当該元素分析による窒素原子含有量は、10.0重量%以下であることとしてもよい。 The fact that the carbon catalyst shows the nitrogen atom content by the elemental analysis that is equal to or higher than the specific threshold value indicates that the carbon catalyst contains a relatively large amount of nitrogen atoms. Although the upper limit of the nitrogen atom content of the carbon catalyst by elemental analysis is not particularly limited, the nitrogen atom content by the elemental analysis may be 10.0% by weight or less.
炭素触媒は、X線光電子分光法(以下、「XPS」という。)で測定される窒素原子濃度1.0atm%以上を示し、且つ燃焼法による元素分析で測定される窒素原子含有量1.0重量%以上を示すこととしてもよい。 The carbon catalyst has a nitrogen atom concentration of 1.0 atm% or more measured by X-ray photoelectron spectroscopy (hereinafter referred to as “XPS”), and has a nitrogen atom content of 1.0 atm measured by elemental analysis by a combustion method. % By weight or more.
この場合、炭素触媒は、XPSによる窒素原子濃度1.1atm%以上を示し、且つ元素分析による窒素原子含有量1.1重量%以上を示すことが好ましく、XPSによる窒素原子濃度1.2atm%以上を示し、且つ元素分析による窒素原子含有量1.2重量%以上を示すことが特に好ましい。 In this case, the carbon catalyst preferably has a nitrogen atom concentration of 1.1 atm% or more by XPS and a nitrogen atom content of 1.1 wt% or more by elemental analysis, and a nitrogen atom concentration of 1.2 atm% or more by XPS. And a nitrogen atom content of 1.2% by weight or more by elemental analysis is particularly preferred.
炭素触媒が、XPSによる窒素原子濃度として上記特定の閾値以上を示し、且つ上記元素分析による窒素原子含有量として上記特定の閾値以上を示すことは、炭素触媒が、その表層部分(表面から数nmの深さまでの部分)のみならず、その内部(当該表層部分より深い内部)にも当該表層部分と同等の量の窒素原子を含むこと、すなわち、その表層部分から内部にまで比較的均質な炭素構造を有していることを反映している。 The fact that the carbon catalyst shows the nitrogen atom concentration by XPS above the specific threshold and the nitrogen atom content by elemental analysis above the specific threshold indicates that the carbon catalyst has a surface layer portion (a few nm from the surface). As well as its interior (the interior deeper than the surface layer) contains the same amount of nitrogen atoms as the surface layer, that is, a relatively homogeneous carbon from the surface to the interior. It reflects the fact that it has a structure.
そして、炭素触媒が、このように表層部分から内部にまで比較的均質な炭素構造を有することにより、例えば、当該表層部分の活性点が失われた場合であっても、当該表層部分より深い内部の活性点が機能することによって、炭素触媒の触媒活性の低下が効果的に抑制される。 And, since the carbon catalyst has a relatively homogeneous carbon structure from the surface layer portion to the inside in this way, for example, even if the active points of the surface layer portion are lost, the inner portion is deeper than the surface layer portion. By the function of the active point, the decrease in the catalytic activity of the carbon catalyst is effectively suppressed.
炭素触媒のXPSによる窒素原子濃度、及び元素分析による窒素原子含有量の上限値は特に限られないが、当該XPSによる窒素原子濃度は、10.0atm%以下であり、且つ当該元素分析による窒素原子含有量は、10.0重量%以下であることとしてもよい。 The nitrogen atom concentration of the carbon catalyst by XPS and the upper limit of the nitrogen atom content by elemental analysis are not particularly limited, but the nitrogen atom concentration by XPS is 10.0 atm% or less, and the nitrogen atom concentration by the elemental analysis is The content may be 10.0% by weight or less.
炭素触媒は、燃焼法による元素分析で測定される、炭素原子含有量に対する窒素原子含有量の割合(以下、「元素分析によるN/C割合」という。)1.1%以上を示すこととしてもよい。この場合、炭素触媒は、元素分析によるN/C割合1.2%以上を示すことが好ましく、1.3%以上を示すことがより好ましく、1.4%以上を示すことがより好ましく、1.5%以上を示すことが特に好ましい。 The carbon catalyst may have a ratio of nitrogen atom content to carbon atom content (hereinafter, referred to as “N / C ratio by elemental analysis”) of 1.1% or more as measured by elemental analysis by a combustion method. Good. In this case, the carbon catalyst preferably exhibits an N / C ratio of 1.2% or more by elemental analysis, more preferably 1.3% or more, more preferably 1.4% or more, and more preferably 1% or more. It is particularly preferable to show 0.5% or more.
炭素触媒が、上記元素分析によるN/C割合として上記特定の閾値以上を示すことは、炭素触媒が、比較的多い量の窒素原子を含むことを示している。炭素触媒の元素分析によるN/C割合の上限値は特に限られないが、15.0%以下であることとしてもよい。 The fact that the carbon catalyst shows the N / C ratio by the elemental analysis that is equal to or higher than the above-described specific threshold value indicates that the carbon catalyst contains a relatively large amount of nitrogen atoms. The upper limit of the N / C ratio by elemental analysis of the carbon catalyst is not particularly limited, but may be 15.0% or less.
また、炭素触媒は、XPSで測定される、炭素原子濃度に対する窒素原子濃度の割合(以下、「XPSによるN/C割合」という。)1.1%以上を示し、且つ燃焼法による元素分析で測定されるN/C割合1.1%以上を示すこととしてもよい。 In addition, the carbon catalyst shows a ratio of nitrogen atom concentration to carbon atom concentration (hereinafter referred to as “N / C ratio by XPS”) of 1.1% or more as measured by XPS, and is analyzed by elemental analysis using a combustion method. The measured N / C ratio may be 1.1% or more.
この場合、炭素触媒は、XPSによるN/C割合1.2%以上を示し、且つ元素分析によるN/C割合1.2%以上を示すことが好ましく、XPSによるN/C割合1.3%以上を示し、且つ元素分析によるN/C割合1.3%以上を示すことがより好ましく、XPSによるN/C割合1.4%以上を示し、且つ元素分析によるN/C割合1.4%以上を示すことがより一層好ましく、XPSによるN/C割合1.5%以上を示し、且つ元素分析によるN/C割合1.5%以上を示すことが特に好ましい。 In this case, the carbon catalyst preferably shows an N / C ratio of 1.2% or more by XPS, and preferably shows an N / C ratio of 1.2% or more by elemental analysis, and an N / C ratio of 1.3% by XPS. More preferably, the N / C ratio by elemental analysis is 1.3% or more, and the N / C ratio by XPS is 1.4% or more, and the N / C ratio by elemental analysis is 1.4%. It is still more preferable to show the above, and it is particularly preferable to show the N / C ratio of 1.5% or more by XPS and to show the N / C ratio of 1.5% or more by elemental analysis.
炭素触媒が、XPSによるN/C割合として上記特定の閾値以上を示し、且つ元素分析によるN/C割合として上記特定の閾値以上を示すことは、炭素触媒が、その表層部分(表面から数nmの深さまでの部分)のみならず、その内部(当該表層部分より深い内部)にも当該表層部分と同等の量の窒素原子を含むことを反映している。 The fact that the carbon catalyst shows the above-mentioned specific threshold as the N / C ratio by XPS and the above-mentioned specific threshold as the N / C ratio by elemental analysis means that the carbon catalyst has its surface layer portion (a few nm from the surface). Not only the portion up to the depth of the surface layer), but also the inside thereof (the interior deeper than the surface layer portion) reflects the same amount of nitrogen atoms as the surface layer portion.
そして、炭素触媒が、このように表層部分から内部にまで比較的均質な炭素構造を有することにより、例えば、当該表層部分の活性点が失われた場合であっても、当該表層部分より深い内部の活性点が機能することによって、炭素触媒の触媒活性の低下が効果的に抑制される。 And, since the carbon catalyst has a relatively homogeneous carbon structure from the surface layer portion to the inside in this way, for example, even if the active points of the surface layer portion are lost, the inner portion is deeper than the surface layer portion. By the function of the active point, the decrease in the catalytic activity of the carbon catalyst is effectively suppressed.
炭素触媒のXPSによるN/C割合、及び元素分析によるN/C割合の上限値は特に限られないが、当該XPSによるN/C割合は、15.0%以下であり、且つ当該元素分析によるN/C割合は、15.0%以下であることとしてもよい。 The upper limit of the N / C ratio of the carbon catalyst by XPS and the upper limit of the N / C ratio by elemental analysis are not particularly limited, but the N / C ratio by XPS is 15.0% or less, and The N / C ratio may be 15.0% or less.
炭素触媒は、鉄と、鉄以外の金属(以下、「非鉄金属」という。)を含むこととしてもよい。この場合、炭素触媒に含まれる非鉄金属は、上述した炭素触媒の特性が得られるものであれば特に限られないが、遷移金属であることが好ましい。 The carbon catalyst may include iron and a metal other than iron (hereinafter, referred to as “non-ferrous metal”). In this case, the non-ferrous metal contained in the carbon catalyst is not particularly limited as long as the characteristics of the carbon catalyst described above can be obtained, but is preferably a transition metal.
本実施形態において、非鉄金属は、周期表の3族から12族に属する金属であり、周期表の3族から12族の第4周期に属する遷移金属であることが好ましい。具体的に、炭素触媒に含まれる非鉄金属は、例えば、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、ランタノイド(例えば、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)及びガドリニウム(Gd)からなる群より選択される1種以上)及びアクチノイドからなる群、又はSc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、ランタノイド(例えば、Nd、Sm及びGdからなる群より選択される1種以上)及びアクチノイドからなる群より選択される1種以上であることとしてもよい。 In this embodiment, the non-ferrous metal is a metal belonging to Group 3 to Group 12 of the periodic table, and is preferably a transition metal belonging to Group 3 to Group 12 of the periodic table in the fourth period. Specifically, non-ferrous metals contained in the carbon catalyst include, for example, scandium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), cobalt (Co), nickel (Ni), Copper (Cu), zinc (Zn), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), silver (Ag), Lanthanoids (for example, one or more selected from the group consisting of neodymium (Nd), samarium (Sm) and gadolinium (Gd)) and the group consisting of actinides, or Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, lanthanoids (for example, one or more selected from the group consisting of Nd, Sm and Gd) and actinoids It may be Ranaru at least one selected from the group.
また、炭素触媒は、Feと、Ti、Cr、Zn、Nd、Sm及びGdからなる群より選択される1種以上の非鉄金属とを含むことが好ましく、Feと、Cr、Zn及びGdからなる群より選択される1種以上の非鉄金属とを含むことがより好ましい。この場合、炭素触媒は、例えば、Fe及びZnを含むこととしてもよい。 Further, the carbon catalyst preferably contains Fe and at least one non-ferrous metal selected from the group consisting of Ti, Cr, Zn, Nd, Sm and Gd, and comprises Fe, Cr, Zn and Gd. More preferably, it contains one or more non-ferrous metals selected from the group. In this case, the carbon catalyst may include, for example, Fe and Zn.
炭素触媒が非鉄金属として上記特定の遷移金属を含む場合、炭素触媒は、さらに他の遷移金属を含むこととしてもよい。すなわち、例えば、炭素触媒がFeと、Ti、Cr、Zn、Nd、Sm及びGdからなる群より選択される1種以上の第一の非鉄遷移金属を含む場合、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、ランタノイド(例えば、Nd、Sm及びGdからなる群より選択される1種以上)及びアクチノイドからなる群、又はSc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、ランタノイド(例えば、Nd、Sm及びGdからなる群より選択される1種以上)及びアクチノイドからなる群より選択される1種以上であって当該第一の非鉄遷移金属とは異なる第二の非鉄遷移金属をさらに含むこととしてもよい。 When the carbon catalyst contains the specific transition metal as a non-ferrous metal, the carbon catalyst may further contain another transition metal. That is, for example, when the carbon catalyst contains Fe and one or more first non-iron transition metals selected from the group consisting of Ti, Cr, Zn, Nd, Sm, and Gd, Sc, Ti, V, Cr, A group consisting of Mn, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, a lanthanoid (for example, one or more selected from the group consisting of Nd, Sm, and Gd) and an actinoid; Or Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, a lanthanoid (for example, one or more selected from the group consisting of Nd, Sm, and Gd); At least one selected from the group consisting of actinoids and may further include a second non-ferrous transition metal different from the first non-ferrous transition metal.
また炭素触媒は、白金(Pt)を含まないこととしてもよい。この場合、炭素触媒は、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、金(Au)及びオスミウム(Os)からなる群より選択される1種以上を含まないこととしてもよい。 Further, the carbon catalyst may not contain platinum (Pt). In this case, the carbon catalyst is one selected from the group consisting of platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), iridium (Ir), gold (Au), and osmium (Os). The above may not be included.
炭素触媒が、鉄に加えて、後述する炭素化の原料に由来する非鉄金属を含む場合、炭素触媒は、炭素化の原料に当該鉄及び非鉄金属が含まれていたことに起因して、その内部に当該鉄と当該非鉄金属とを含む。すなわち、炭素触媒が、後述の金属除去処理を経て製造された場合においても、炭素触媒の内部には、微量の当該鉄及び非鉄金属が残存する。 When the carbon catalyst contains, in addition to iron, a non-ferrous metal derived from a raw material for carbonization described below, the carbon catalyst contains the iron and the non-ferrous metal in the raw material for carbonization. It contains the iron and the non-ferrous metal. That is, even when the carbon catalyst is manufactured through the metal removal treatment described below, a small amount of the iron and non-ferrous metal remains inside the carbon catalyst.
具体的に、例えば、鉄及び非鉄金属を含む炭素触媒が粒子状である場合、炭素触媒を構成する粒子を切断すると、切断により露出した当該粒子の断面に当該鉄及び非鉄金属が検出される。この炭素触媒に含まれる鉄及び非鉄金属は、例えば、誘導結合プラズマ(ICP)発光分光光度法によって検出することができる。 Specifically, for example, when the carbon catalyst containing an iron and a non-ferrous metal is in the form of particles, when the particles constituting the carbon catalyst are cut, the iron and the non-ferrous metal are detected in the cross section of the particles exposed by the cutting. The iron and non-ferrous metals contained in the carbon catalyst can be detected by, for example, inductively coupled plasma (ICP) emission spectrophotometry.
炭素触媒は、BET法で測定される比表面積が800m2/g以上であることとしてもよい。この場合、窒素ガスを用いたBET法による炭素触媒の比表面積は、1000m2/g以上であることが好ましく、1200m2/g以上であることが特に好ましい。 The carbon catalyst may have a specific surface area measured by the BET method of 800 m 2 / g or more. In this case, the specific surface area of the carbon catalyst obtained by the BET method using nitrogen gas is preferably at least 1000 m 2 / g, particularly preferably at least 1200 m 2 / g.
炭素触媒の比表面積が上記特定の閾値以上であることは、炭素触媒による化学反応の効率化に寄与し、優れた触媒活性に寄与する。炭素触媒の比表面積の上限値は特に限られないが、当該比表面積は、3000m2/g以下であることとしてもよい。 When the specific surface area of the carbon catalyst is equal to or larger than the specific threshold, it contributes to the efficiency of the chemical reaction by the carbon catalyst and contributes to excellent catalytic activity. Although the upper limit of the specific surface area of the carbon catalyst is not particularly limited, the specific surface area may be 3000 m 2 / g or less.
炭素触媒は、それ自身が単独で触媒活性(例えば、酸素還元活性)を有する炭素材料である。この炭素材料は、有機物と鉄とを含む原料の炭素化により得られる炭素化材料である。すなわち、炭素触媒は、有機物及び鉄を含む原料の炭素化材料である。また、炭素触媒が、有機物と鉄と非鉄金属とを含む原料の炭素化により得られる炭素化材料である場合、炭素触媒の炭素構造には当該非鉄金属が含まれるが、炭素触媒の触媒活性は、当該非鉄金属よりも、主に鉄と当該炭素構造自身に含まれる活性点とによるものと考えられる。 The carbon catalyst is a carbon material that has catalytic activity (eg, oxygen reduction activity) by itself. This carbon material is a carbonized material obtained by carbonizing a raw material containing an organic substance and iron. That is, the carbon catalyst is a raw material carbonized material containing an organic substance and iron. Further, when the carbon catalyst is a carbonized material obtained by carbonizing a raw material containing an organic substance, iron, and a non-ferrous metal, the carbon structure of the carbon catalyst includes the non-ferrous metal, but the catalytic activity of the carbon catalyst is It is considered that the non-ferrous metal is mainly due to iron and the active sites contained in the carbon structure itself.
炭素触媒は、有機化合物を実質的に含まないこととしてもよい。すなわち、炭素触媒における有機化合物の含有量は、例えば、5重量%以下であってもよく、1重量%以下であってもよい。 The carbon catalyst may be substantially free of organic compounds. That is, the content of the organic compound in the carbon catalyst may be, for example, 5% by weight or less or 1% by weight or less.
CC層11が上述した特定の炭素触媒を含む場合、Pt層12は当該特定の炭素触媒を含まないこととしてもよい。この場合、Pt層12は、上述した特定の炭素触媒以外の炭素触媒を含んでもよい。
When the
CC層11が上述した特定の炭素触媒を含む場合、カソード10は当該特定の炭素触媒を含む層を含まないこととしてもよい。この場合、カソード10は、上述した特定の炭素触媒以外の炭素触媒を含む層を含んでもよい。
When the
炭素触媒の製造方法は、上述した特性を有する炭素触媒が得られる方法であれば特に限られないが、本実施形態においては、有機物及び鉄を含む原料を加圧下で炭素化することを含む方法について説明する。 The method for producing the carbon catalyst is not particularly limited as long as it is a method capable of obtaining a carbon catalyst having the above-described properties, but in the present embodiment, a method including carbonizing a raw material containing an organic substance and iron under pressure. Will be described.
原料に含まれる有機物は、炭素化できるものであれば特に限られない。すなわち、有機物としては、例えば、高分子量の有機化合物(例えば、熱硬化性樹脂及び/又は熱可塑性樹脂等の樹脂)及び/又は低分子量の有機化合物が使用される。また、有機物としてバイオマスを使用してもよい。 The organic matter contained in the raw material is not particularly limited as long as it can be carbonized. That is, as the organic substance, for example, a high molecular weight organic compound (for example, a resin such as a thermosetting resin and / or a thermoplastic resin) and / or a low molecular weight organic compound are used. In addition, biomass may be used as an organic substance.
有機物としては、窒素含有有機物が好ましく使用される。窒素含有有機物は、その分子内に窒素原子を含む有機化合物を含む有機物であれば特に限られない。炭素触媒が、窒素含有有機物を含む原料の炭素化物である場合、炭素触媒の炭素構造は、窒素原子を含む。 As the organic substance, a nitrogen-containing organic substance is preferably used. The nitrogen-containing organic substance is not particularly limited as long as it contains an organic compound containing a nitrogen atom in its molecule. When the carbon catalyst is a carbonized material containing a nitrogen-containing organic substance, the carbon structure of the carbon catalyst contains a nitrogen atom.
具体的に、有機物としては、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリアクリロニトリル−ポリアクリル酸共重合体、ポリアクリロニトリル−ポリアクリル酸メチル共重合体、ポリアクリロニトリル−ポリメタクリル酸共重合体、ポリアクリロニトリル−ポリメタクリル酸−ポリメタリルスルホン酸共重合体、ポリアクリロニトリル−ポリメタクリル酸メチル共重合体、フェノール樹脂、ポリフルフリルアルコール、フラン、フラン樹脂、フェノールホルムアルデヒド樹脂、メラミン、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、窒素含有キレート樹脂(例えば、ポリアミン型、イミノジ酢酸型、アミノリン酸型及びアミノメチルホスホン酸型からなる群より選択される1種以上)、ポリアミドイミド樹脂、ピロール、ポリピロール、ポリビニルピロール、3−メチルポリピロール、アクリロニトリル、ポリ塩化ビニリデン、チオフェン、オキサゾール、チアゾール、ピラゾール、ビニルピリジン、ポリビニルピリジン、ピリダジン、ピリミジン、ピペラジン、ピラン、モルホリン、イミダゾール、1−メチルイミダゾール、2−メチルイミダゾール、キノキサリン、アニリン、ポリアニリン、コハク酸ジヒドラジド、アジピン酸ジヒドラジド、ポリスルフォン、ポリアミノビスマレイミド、ポリイミド、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ベンゾイミダゾール、ポリベンゾイミダゾール、ポリアミド、ポリエステル、ポリ乳酸、ポリエーテル、ポリエーテルエーテルケトン、セルロース、カルボキシメチルセルロース、リグニン、キチン、キトサン、ピッチ、褐炭、絹、毛、ポリアミノ酸、核酸、DNA、RNA、ヒドラジン、ヒドラジド、尿素、サレン、ポリカルバゾール、ポリビスマレイミド、トリアジン、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸エステル、ポリメタクリル酸エステル、ポリメタクリル酸、ポリウレタン、ポリアミドアミン及びポリカルボジイミドからなる群より選択される1種以上が使用される。 Specifically, as the organic substance, for example, polyacrylonitrile, polyacrylonitrile-polyacrylic acid copolymer, polyacrylonitrile-polymethyl acrylate copolymer, polyacrylonitrile-polymethacrylic acid copolymer, polyacrylonitrile-polymethacrylic acid -Polymethallyl sulfonic acid copolymer, polyacrylonitrile-polymethyl methacrylate copolymer, phenol resin, polyfurfuryl alcohol, furan, furan resin, phenol formaldehyde resin, melamine, melamine resin, epoxy resin, nitrogen-containing chelate resin ( For example, at least one selected from the group consisting of polyamine type, iminodiacetic acid type, aminophosphoric acid type and aminomethylphosphonic acid type), polyamideimide resin, pyrrole, polypyrrole, polyvinylpyrrole, 3 Methylpolypyrrole, acrylonitrile, polyvinylidene chloride, thiophene, oxazole, thiazole, pyrazole, vinylpyridine, polyvinylpyridine, pyridazine, pyrimidine, piperazine, pyran, morpholine, imidazole, 1-methylimidazole, 2-methylimidazole, quinoxaline, aniline, polyaniline , Succinic dihydrazide, adipic dihydrazide, polysulfone, polyaminobismaleimide, polyimide, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, benzimidazole, polybenzimidazole, polyamide, polyester, polylactic acid, polyether, polyetheretherketone, cellulose, carboxymethylcellulose , Lignin, chitin, chitosan, pitch, lignite, silk, wool, polyamid Acid, nucleic acid, DNA, RNA, hydrazine, hydrazide, urea, salen, polycarbazole, polybismaleimide, triazine, polyacrylic acid, polyacrylate, polymethacrylate, polymethacrylic acid, polyurethane, polyamideamine and polycarbodiimide One or more selected from the group consisting of
原料における有機物の含有量は、炭素触媒が得られる範囲であれば特に限られないが、例えば、5質量%以上、90質量%以下であることとしてもよく、好ましくは10質量%以上、80質量%以下である。 The content of the organic substance in the raw material is not particularly limited as long as the carbon catalyst can be obtained. For example, the content may be 5% by mass or more and 90% by mass or less, preferably 10% by mass or more and 80% by mass or less. % Or less.
炭素化の原料に含まれる鉄としては、当該鉄の単体及び/又は当該鉄の化合物が使用される。鉄化合物としては、例えば、鉄の塩、鉄の酸化物、鉄の水酸化物、鉄の窒化物、鉄の硫化物、鉄の炭化物及び鉄の錯体からなる群より選択される1種以上を使用することとしてもよい。 As the iron contained in the raw material for carbonization, a simple substance of the iron and / or a compound of the iron is used. As the iron compound, for example, at least one selected from the group consisting of iron salts, iron oxides, iron hydroxides, iron nitrides, iron sulfides, iron carbides, and iron complexes It may be used.
原料における鉄の含有量は、炭素触媒が得られる範囲であれば特に限られないが、例えば、0.001質量%以上、90質量%以下であることとしてもよく、0.002質量%以上、80質量%以下であることが好ましい。 The iron content in the raw material is not particularly limited as long as the carbon catalyst can be obtained, but may be, for example, 0.001% by mass or more and 90% by mass or less, and 0.002% by mass or more. It is preferably at most 80% by mass.
炭素化の原料は、非鉄金属をさらに含むこととしてもよい。この場合、有機物と鉄と非鉄金属とを含む原料が加圧下で炭素化される。炭素触媒が、有機物と鉄と非鉄金属とを含む原料の炭素化により得られる炭素化材料である場合、炭素触媒は、当該鉄及び非鉄金属を含む。原料に含まれる非鉄金属は、上述した炭素触媒の特性が得られるものであれば特に限られないが、遷移金属であることが好ましい。 The raw material for carbonization may further include a non-ferrous metal. In this case, a raw material containing an organic substance, iron, and a non-ferrous metal is carbonized under pressure. When the carbon catalyst is a carbonized material obtained by carbonizing a raw material containing an organic substance, iron, and a non-ferrous metal, the carbon catalyst contains the iron and the non-ferrous metal. The non-ferrous metal contained in the raw material is not particularly limited as long as the above-described properties of the carbon catalyst can be obtained, but is preferably a transition metal.
本実施形態において、非鉄金属は、周期表の3族から12族に属する金属であり、周期表の3族から12族の第4周期に属する遷移金属であることが好ましい。具体的に、原料に含まれる非鉄金属は、例えば、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、ランタノイド(例えば、Nd、Sm及びGdからなる群より選択される1種以上)及びアクチノイドからなる群、又はSc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、ランタノイド(例えば、Nd、Sm及びGdからなる群より選択される1種以上)及びアクチノイドからなる群より選択される1種以上であることとしてもよい。 In this embodiment, the non-ferrous metal is a metal belonging to Group 3 to Group 12 of the periodic table, and is preferably a transition metal belonging to Group 3 to Group 12 of the periodic table in the fourth period. Specifically, the non-ferrous metals contained in the raw materials include, for example, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, lanthanoid ( For example, one or more selected from the group consisting of Nd, Sm and Gd) and the group consisting of actinides, or Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo , Ag, lanthanoid (for example, one or more selected from the group consisting of Nd, Sm, and Gd) and one or more selected from the group consisting of actinoids.
また、原料は、Feと、Ti、Cr、Zn、Nd、Sm及びGdからなる群より選択される1種以上の非鉄金属を含むことが好ましく、Feと、Cr、Zn及びGdからなる群より選択される1種以上の非鉄金属とを含むことがより好ましい。この場合、原料は、Fe及びZnを含むこととしてもよい。 Further, the raw material preferably contains Fe and one or more non-ferrous metals selected from the group consisting of Ti, Cr, Zn, Nd, Sm and Gd, and more preferably from the group consisting of Fe, Cr, Zn and Gd. More preferably, it comprises one or more selected non-ferrous metals. In this case, the raw material may include Fe and Zn.
原料が鉄に加えて、非鉄金属として上記特定の遷移金属を含む場合、当該原料は、さらに他の遷移金属を含むこととしてもよい。すなわち、例えば、原料がFeと、Ti、Cr、Zn、Nd、Sm及びGdからなる群より選択される1種以上の第一の非鉄遷移金属を含む場合、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、ランタノイド(例えば、Nd、Sm及びGdからなる群より選択される1種以上)及びアクチノイドからなる群、又はSc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、ランタノイド(例えば、Nd、Sm及びGdからなる群より選択される1種以上)及びアクチノイドからなる群より選択される1種以上であって当該第一の非鉄遷移金属とは異なる第二の非鉄遷移金属をさらに含むこととしてもよい。 When the raw material contains the above-mentioned specific transition metal as a non-ferrous metal in addition to iron, the raw material may further contain another transition metal. That is, for example, when the raw material contains Fe and one or more first non-ferrous transition metals selected from the group consisting of Ti, Cr, Zn, Nd, Sm, and Gd, Sc, Ti, V, Cr, Mn , Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, a lanthanoid (for example, one or more selected from the group consisting of Nd, Sm, and Gd) and a group consisting of actinoids Or Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, lanthanoid (for example, one or more selected from the group consisting of Nd, Sm, and Gd) And at least one selected from the group consisting of actinides and a second non-ferrous transition metal different from the first non-ferrous transition metal.
また原料は、白金(Pt)を含まないこととしてもよい。この場合、原料は、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、金(Au)及びオスミウム(Os)からなる群より選択される1種以上を含まないこととしてもよい。 The raw material may not contain platinum (Pt). In this case, the raw material is at least one selected from the group consisting of platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), iridium (Ir), gold (Au), and osmium (Os). May not be included.
原料に含まれる非鉄金属としては、当該非鉄金属の単体及び/又は当該非鉄金属の化合物が使用される。非鉄金属の化合物としては、例えば、非鉄金属の塩、非鉄金属の酸化物、非鉄金属の水酸化物、非鉄金属の窒化物、非鉄金属の硫化物、非鉄金属の炭化物及び非鉄金属の錯体からなる群より選択される1種以上を使用することとしてもよい。 As the non-ferrous metal contained in the raw material, a simple substance of the non-ferrous metal and / or a compound of the non-ferrous metal is used. Examples of the non-ferrous metal compound include a non-ferrous metal salt, a non-ferrous metal oxide, a non-ferrous metal hydroxide, a non-ferrous metal nitride, a non-ferrous metal sulfide, a non-ferrous metal carbide, and a non-ferrous metal complex. One or more selected from the group may be used.
原料における非鉄金属の含有量(2種以上の非鉄金属を使用する場合には、当該2種以上の非鉄金属の含有量の合計)は、炭素触媒が得られる範囲であれば特に限られないが、例えば、1質量%以上、90質量%以下であることとしてもよく、2質量%以上、80質量%以下であることが好ましい。 The content of the non-ferrous metal in the raw material (when two or more non-ferrous metals are used, the total content of the two or more non-ferrous metals) is not particularly limited as long as the carbon catalyst can be obtained. For example, it may be 1% by mass or more and 90% by mass or less, and preferably 2% by mass or more and 80% by mass or less.
炭素化は、加圧下で、原料を加熱して、当該原料が炭素化される温度(以下、「炭素化温度」という。)で保持することにより行う。炭素化温度は、原料が炭素化される温度であれば特に限られず、例えば、300℃以上である。すなわち、この場合、有機物を含む原料は、加圧下、300℃以上の温度で炭素化される。 Carbonization is performed by heating a raw material under pressure and maintaining the raw material at a temperature at which the raw material is carbonized (hereinafter, referred to as “carbonization temperature”). The carbonization temperature is not particularly limited as long as the raw material is carbonized, and is, for example, 300 ° C. or higher. That is, in this case, the raw material containing an organic substance is carbonized at a temperature of 300 ° C. or more under pressure.
また、炭素化温度は、例えば、700℃以上であることとしてもよく、900℃以上であることが好ましく、1000℃以上であることがより好ましく、1100℃以上であることが特に好ましい。炭素化温度の上限値は、特に限られないが、当該炭素化温度は、例えば、3000℃以下である。 Further, the carbonization temperature may be, for example, 700 ° C. or higher, preferably 900 ° C. or higher, more preferably 1000 ° C. or higher, and particularly preferably 1100 ° C. or higher. Although the upper limit of the carbonization temperature is not particularly limited, the carbonization temperature is, for example, 3000 ° C. or less.
炭素化温度までの昇温速度は、例えば、0.5℃/分以上、300℃/分以下である。炭素化温度で原料を保持する時間は、例えば、1秒以上、24時間以下であり、好ましくは、5分以上、24時間以下である。炭素化は、窒素雰囲気等の不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。すなわち、炭素化は、例えば、窒素ガス等の不活性ガスの流通下で行うことが好ましい。 The heating rate up to the carbonization temperature is, for example, 0.5 ° C./min or more and 300 ° C./min or less. The time for holding the raw material at the carbonization temperature is, for example, 1 second or more and 24 hours or less, and preferably 5 minutes or more and 24 hours or less. The carbonization is preferably performed in an inert gas atmosphere such as a nitrogen atmosphere. That is, carbonization is preferably performed, for example, under the flow of an inert gas such as nitrogen gas.
炭素化を行う雰囲気の圧力は、大気圧より大きい圧力であれば特に限られないが、例えば、ゲージ圧で0.05MPa以上の圧力である。すなわち、この場合、有機物を含む原料は、ゲージ圧0.05MPa以上の圧力下で炭素化される。 The pressure of the atmosphere in which carbonization is performed is not particularly limited as long as it is higher than the atmospheric pressure. For example, the pressure is 0.05 MPa or more as a gauge pressure. That is, in this case, the raw material containing the organic substance is carbonized under a gauge pressure of 0.05 MPa or more.
さらに、炭素化を行う雰囲気の圧力は、ゲージ圧で、0.10MPa以上であることとしてもよく、0.15MPa以上であることとしてもよく、0.20MPa以上であることとしてもよい。 Further, the pressure of the atmosphere for carbonization may be a gauge pressure of 0.10 MPa or more, 0.15 MPa or more, or 0.20 MPa or more.
炭素触媒の製造方法は、上記炭素化により得られる炭素化材料にさらなる処理を施すことをさらに含むこととしてもよい。すなわち、例えば、炭素化材料に金属除去処理を施すこととしてもよい。この場合、炭素触媒の製造方法は、有機物を含む原料は加圧下で炭素化することと、次いで、当該炭素化により得られた炭素化材料に金属除去処理を施すことと、を含む。金属除去処理は、炭素化材料に含まれる原料由来の金属の量を低減する処理である。金属除去処理は、例えば、酸による洗浄処理及び/又は電解処理である。 The method for producing a carbon catalyst may further include performing a further treatment on the carbonized material obtained by the carbonization. That is, for example, a metal removal treatment may be performed on the carbonized material. In this case, the method for producing a carbon catalyst includes carbonizing a raw material containing an organic substance under pressure, and then performing a metal removal treatment on a carbonized material obtained by the carbonization. The metal removal treatment is a treatment for reducing the amount of metal derived from the raw material contained in the carbonized material. The metal removal treatment is, for example, a cleaning treatment with an acid and / or an electrolytic treatment.
次に、本実施形態に係る具体的な実施例について説明する。 Next, a specific example according to the present embodiment will be described.
[触媒調製例1]
1.0gのポリアクリロニトリル(PAN)と、1.0gの2−メチルイミダゾールと、6.0gの塩化亜鉛(ZnCl2)と、0.18gの塩化鉄(III)六水和物(FeCl3・6H2O)と、30gのジメチルホルムアミドとを混合した。得られた混合物から乾燥により溶媒を除去した。乾燥した混合物を大気中で加熱して、250℃で不融化を行った。不融化後の混合物を、窒素雰囲気中、0.90MPaのゲージ圧力下、1300℃で加熱保持することにより、炭素化を行った。
[Catalyst Preparation Example 1]
1.0 g of polyacrylonitrile (PAN), 1.0 g of 2-methylimidazole, 6.0 g of zinc chloride (ZnCl 2 ), and 0.18 g of iron (III) chloride hexahydrate (FeCl 3. 6H 2 O) and 30 g of dimethylformamide. The solvent was removed from the resulting mixture by drying. The dried mixture was heated in the air to infusibilize at 250 ° C. The mixture after infusibilization was carbonized by heating and holding at 1300 ° C. in a nitrogen atmosphere under a gauge pressure of 0.90 MPa.
炭素化により得られた炭素化材料に希塩酸を加え、撹拌した。その後、炭素化材料を含有する懸濁液を、ろ過膜を使用してろ過し、ろ液が中性になるまで蒸留水で炭素化材料を洗浄した。こうして酸洗浄による金属除去処理を行った。 Dilute hydrochloric acid was added to the carbonized material obtained by carbonization, followed by stirring. Thereafter, the suspension containing the carbonized material was filtered using a filtration membrane, and the carbonized material was washed with distilled water until the filtrate became neutral. Thus, a metal removal treatment by acid cleaning was performed.
微粉砕機によって、金属除去処理後の炭素化材料を、その粒子径の中央値が1μm以下になるまで粉砕した。こうして、粉砕後の炭素化材料を、触媒調製例1の炭素触媒として得た。 The carbonized material after the metal removal treatment was pulverized by a fine pulverizer until the median particle diameter became 1 μm or less. Thus, the pulverized carbonized material was obtained as the carbon catalyst of Catalyst Preparation Example 1.
[触媒調製例2]
0.90MPaに代えて0.20MPaのゲージ圧力下で炭素化を行ったこと以外は上述の触媒調製例1と同様にして、触媒調製例2の炭素触媒を得た。
[Catalyst Preparation Example 2]
A carbon catalyst of Catalyst Preparation Example 2 was obtained in the same manner as in Catalyst Preparation Example 1 except that carbonization was performed under a gauge pressure of 0.20 MPa instead of 0.90 MPa.
[触媒調製例3]
不融化前に、0.018gの塩化クロム六水和物(CrCl3・6H2O)をさらに含む混合物を調製し、当該混合物を不融化したこと以外は上述の触媒調製例1と同様にして、触媒調製例3の炭素触媒を得た。
[Catalyst Preparation Example 3]
Before infusible, to prepare a mixture further comprising chromium chloride hexahydrate 0.018g (CrCl 3 · 6H 2 O ), the mixture except for infusibilized in the same manner as in Catalyst Preparation Example 1 above Thus, a carbon catalyst of Catalyst Preparation Example 3 was obtained.
[触媒調製例4]
不融化前に、0.06gのホウ酸(B(HO)3)をさらに含む混合物を調製し、当該混合物を不融化したこと以外は上述の触媒調製例1と同様にして、触媒調製例4の炭素触媒を得た。
[Catalyst Preparation Example 4]
Before infusibilization, a mixture further containing 0.06 g of boric acid (B (HO) 3 ) was prepared, and in the same manner as in the above catalyst preparation example 1 except that the mixture was made infusible, catalyst preparation example 4 Was obtained.
[触媒調製例5]
1.0gに代えて2.0gの2−メチルイミダゾールを用いたこと以外は上述の触媒調製例1と同様にして、触媒調製例5の炭素触媒を得た。
[Catalyst Preparation Example 5]
A carbon catalyst of Catalyst Preparation Example 5 was obtained in the same manner as in Catalyst Preparation Example 1 except that 2.0 g of 2-methylimidazole was used instead of 1.0 g.
[触媒調製例6]
不融化前に、0.075gの硝酸ガドリニウム六水和物(Gd(NO3)3・6H2O)をさらに含む混合物を調製し、当該混合物を不融化したこと以外は上述の触媒調製例1と同様にして、触媒調製例6の炭素触媒を得た。
[Catalyst Preparation Example 6]
Before infusibilization, a mixture further containing 0.075 g of gadolinium nitrate hexahydrate (Gd (NO 3 ) 3 .6H 2 O) was prepared, and the above catalyst preparation example 1 was performed except that the mixture was infusibilized. In the same manner as in the above, a carbon catalyst of Catalyst Preparation Example 6 was obtained.
[比較調製例1]
1.0gのポリアクリロニトリル(PAN)と、1.0gの2−メチルイミダゾールと、6.0gの塩化亜鉛(ZnCl2)と、0.18gの塩化鉄(III)六水和物(FeCl3・6H2O)と、30gのジメチルホルムアミドとを混合した。得られた混合物から乾燥により溶媒を除去した。乾燥した混合物を大気中で加熱して、250℃で不融化を行った。不融化後の混合物を、窒素雰囲気中、常圧下、1300℃で加熱保持することにより、炭素化を行った。
[Comparative Preparation Example 1]
1.0 g of polyacrylonitrile (PAN), 1.0 g of 2-methylimidazole, 6.0 g of zinc chloride (ZnCl 2 ), and 0.18 g of iron (III) chloride hexahydrate (FeCl 3. 6H 2 O) and 30 g of dimethylformamide. The solvent was removed from the resulting mixture by drying. The dried mixture was heated in the air to infusibilize at 250 ° C. The mixture after infusibilization was carbonized by heating and maintaining the mixture at 1300 ° C. under a normal pressure in a nitrogen atmosphere.
炭素化により得られた炭素化材料に希塩酸を加え、撹拌した。その後、炭素化材料を含有する懸濁液を、ろ過膜を使用してろ過し、ろ液が中性になるまで蒸留水で炭素化材料を洗浄した。こうして酸洗浄による金属除去処理を行った。 Dilute hydrochloric acid was added to the carbonized material obtained by carbonization, followed by stirring. Thereafter, the suspension containing the carbonized material was filtered using a filtration membrane, and the carbonized material was washed with distilled water until the filtrate became neutral. Thus, a metal removal treatment by acid cleaning was performed.
微粉砕機によって、金属除去処理後の炭素化材料を、その粒子径の中央値が1μm以下になるまで粉砕した。こうして粉砕後の炭素化材料を、比較調製例1の炭素触媒として得た。 The carbonized material after the metal removal treatment was pulverized by a fine pulverizer until the median particle diameter became 1 μm or less. Thus, the pulverized carbonized material was obtained as the carbon catalyst of Comparative Preparation Example 1.
[比較調製例2]
1300℃に代えて1000℃で炭素化を行ったこと以外は上述の比較調製例1と同様にして、比較調製例2の炭素触媒を得た。
[Comparative Preparation Example 2]
A carbon catalyst of Comparative Preparation Example 2 was obtained in the same manner as in Comparative Preparation Example 1 except that carbonization was performed at 1000 ° C. instead of 1300 ° C.
[比較調製例3]
1300℃に代えて800℃で炭素化を行ったこと以外は上述の比較調製例1と同様にして、比較調製例3の炭素触媒を得た。
[Comparative Preparation Example 3]
A carbon catalyst of Comparative Preparation Example 3 was obtained in the same manner as in Comparative Preparation Example 1 except that carbonization was performed at 800 ° C instead of 1300 ° C.
[比較調製例4]
窒素気流下、トルエン280mLが入ったフラスコにアクリロニトリル56.35質量部を加え溶解させた後、2,2’−アゾビスイソブチロニトリル0.75質量部を加えた。60℃に昇温撹拌し、3.5時間反応させ、白色沈殿が発生したのを確認した後、反応を終了した。反応物にテトラヒドロフランを加え、ろ過し、ろ物をテトラヒドロフランにて洗浄、ろ過乾燥を行うことで、ポリアクリロニトリル粒子を得た。
[Comparative Preparation Example 4]
Under a nitrogen stream, 56.35 parts by mass of acrylonitrile was added and dissolved in a flask containing 280 mL of toluene, and 0.75 parts by mass of 2,2′-azobisisobutyronitrile was added. The mixture was heated to 60 ° C. and stirred, and reacted for 3.5 hours. After confirming that a white precipitate was generated, the reaction was completed. Tetrahydrofuran was added to the reaction product, the mixture was filtered, and the residue was washed with tetrahydrofuran, filtered and dried to obtain polyacrylonitrile particles.
得られたポリアクリロニトリル粒子を190℃から徐々に昇温し、230℃で、1時間空気中で熱処理することにより、ポリアクリロニトリル粒子の不融化体を得た。得られた不融化体に対し、鉄原子が0.3質量%の組成になるよう塩化鉄(II)四水和物を担持し、得られたポリアクリロニトリルの不融化体−塩化鉄(II)四水和物組成物を窒素気流下600℃で5時間熱処理を行った後、ボールミルによる分散処理を施した。次に、アンモニア気流下800℃で1時間、1000℃で1時間アンモニア気流下、熱処理(賦活処理)を行うことで粒子状の炭素触媒(比較調製例4の炭素触媒)を得た。 The obtained polyacrylonitrile particles were gradually heated from 190 ° C., and heat-treated at 230 ° C. for 1 hour in the air to obtain an infusible polyacrylonitrile particle. Iron (II) chloride tetrahydrate is supported on the obtained infusible material so that the composition of iron atoms becomes 0.3% by mass, and the obtained infusible material of polyacrylonitrile-iron (II) chloride The tetrahydrate composition was subjected to a heat treatment at 600 ° C. for 5 hours in a nitrogen stream, and then subjected to a dispersion treatment using a ball mill. Next, a heat treatment (activation treatment) was performed in an ammonia gas flow at 800 ° C. for 1 hour and at 1000 ° C. for 1 hour to obtain a particulate carbon catalyst (the carbon catalyst of Comparative Preparation Example 4).
[熱重量分析]
示差熱天秤(TG−DTA2020SA、ブルカー・エイエックスエス株式会社製)を用い、窒素雰囲気下でのTGにより、炭素触媒の重量減少率を測定した。すなわち、炭素触媒10mgを入れたアルミナ製容器を装置に設置し、次いで、常温にて窒素(200mL/分)を流した状態で当該装置を1時間保持した。その後、昇温速度10℃/分で、常温から1200℃まで炭素触媒を加熱し、200℃から1200℃までの重量減少率を測定した。炭素触媒に吸着した水等の影響を除去するため、200℃における炭素触媒の重量から、1200℃における当該炭素触媒の重量を減じて得られる差分を、当該200℃における炭素触媒の重量で除した値に100を乗じることにより、炭素触媒の重量減少率(重量%)を得た。
[Thermogravimetric analysis]
Using a differential thermal balance (TG-DTA2020SA, manufactured by Bruker AXS Corporation), the weight loss rate of the carbon catalyst was measured by TG under a nitrogen atmosphere. That is, an alumina container containing 10 mg of the carbon catalyst was placed in the apparatus, and then the apparatus was held for 1 hour at room temperature while flowing nitrogen (200 mL / min). Thereafter, the carbon catalyst was heated from normal temperature to 1200 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C./min, and the weight loss rate from 200 ° C. to 1200 ° C. was measured. To remove the influence of water and the like adsorbed on the carbon catalyst, the difference obtained by subtracting the weight of the carbon catalyst at 1200 ° C from the weight of the carbon catalyst at 200 ° C was divided by the weight of the carbon catalyst at 200 ° C. By multiplying the value by 100, the weight loss rate (% by weight) of the carbon catalyst was obtained.
ここで、図2には、触媒調製例1、及び比較調製例2,4で得られた炭素触媒のTGによる重量減少率の測定結果を示す。図2において、横軸は温度(℃)を示し、縦軸はTG重量減少率(%)を示す。 Here, FIG. 2 shows the measurement results of the weight loss rate by TG of the carbon catalysts obtained in Catalyst Preparation Example 1 and Comparative Preparation Examples 2 and 4. In FIG. 2, the horizontal axis indicates temperature (° C.), and the vertical axis indicates TG weight reduction rate (%).
[X線吸収微細構造分析]
炭素触媒に含まれる鉄のK吸収端のXAFS分析を行った。すなわち、あいちシンクロトロン光センター(愛知県、日本)のビームラインBL5S1を用いて、硬X線によるXAFS分析を行った(Ring:1.2GeV/300.0mA〜300.3mA、モノクロメータ:Si(111)、ビームサイズ:0.50mm×0.30mm、光子数:1010個@7000eV、分解能(E/ΔE):7000@12keV)。
[X-ray absorption fine structure analysis]
XAFS analysis of the K absorption edge of iron contained in the carbon catalyst was performed. That is, using the beamline BL5S1 of the Aichi Synchrotron Light Center (Aichi, Japan), XAFS analysis by hard X-ray was performed (Ring: 1.2 GeV / 300.0 mA to 300.3 mA, monochromator: Si ( 111), beam size: 0.50 mm × 0.30 mm, number of photons: 10 10 @ 7000 eV, resolution (E / ΔE): 7000 @ 12 keV).
具体的に、エッジジャンプ(吸収端前後での吸光度の差)が1になるように量を調節した炭素触媒を円筒に詰め、圧縮して作製した試料を透過法により測定した。ただし、エッジジャンプが1となるときに吸収端(原子の軌道に束縛されている電子を最低の非占有状態に励起させるためのエネルギー(吸収端エネルギー))後の吸光度が4を超える場合は、吸収端後の吸光度が4を超えない範囲でエッジジャンプが最大となるように炭素触媒の量を調節した。また、エッジジャンプが1となる量では嵩が少なく測定に適さない場合は、炭素触媒に窒化ほう素(BN)を加えて得られた混合物を円筒に詰めた。なお、測定範囲は6813eV〜8213eVであり、ステップ幅は0.32eVであり、測定時間は0.06秒/pointであった。 Specifically, a carbon catalyst adjusted in an amount such that an edge jump (difference in absorbance before and after the absorption edge) was 1 was packed in a cylinder, and a sample prepared by compression was measured by a transmission method. However, when the absorbance after the absorption edge (energy for exciting electrons bound to the orbit of an atom to the lowest unoccupied state (absorption edge energy)) when the edge jump becomes 1, exceeds 4, The amount of the carbon catalyst was adjusted so that the edge jump was maximized in a range where the absorbance after the absorption edge did not exceed 4. When the amount at which the edge jump was 1 was too small to be suitable for measurement, the mixture obtained by adding boron nitride (BN) to the carbon catalyst was packed in a cylinder. The measurement range was 6813 eV to 8213 eV, the step width was 0.32 eV, and the measurement time was 0.06 seconds / point.
分析においては、一般的なXAFS解析ソフトの一つである「Athena」を用いた。(Athena Demeter 0.9.24、copyright 2006−2015 Bruce Ravel using Ifeffit 1.2.12 copyright 2008 Matt Newville、Univ of Chicago)。 In the analysis, "Athena" which is one of general XAFS analysis software was used. (Athena Demeter 0.9.24, copyright 2006-2015 Bruce Rave using Iffit 1.2.12 copyright 2008 Matt Newville, Univ of Chicago).
規格化は、解析ソフト「Athena」の「Main window」おける「Normalization and background removal parameters」欄に次の数値を入力することにより行った。E0:吸光度の1階微分が最大となった時のエネルギー。Normalization order:3。Pre−edge range:−150 to −30。Normalization range:150 to 1000。Flatten normalized data:On。ただし、条件はデフォルトから変更しなかった。なお、規格化は、吸収端前と吸収端後のバックグラウンドをそれぞれの領域において測定データの中央を通るように引けていれば、特に限定されるものではない。 The normalization was performed by inputting the following numerical values in the “Normalization and background removal parameters” field in the “Main window” of the analysis software “Athena”. E 0 : energy when the first derivative of the absorbance is maximum. Normalization order: 3. Pre-edge range: -150 to -30. Normalization range: 150 to 1000. Flatten normalized data: On. However, the conditions were not changed from the default. The normalization is not particularly limited as long as the background before the absorption edge and the background after the absorption edge are drawn so as to pass through the center of the measurement data in each region.
ここで、図3には、触媒調製例1、比較調製例1,2,4で得られた炭素触媒、及び比較のために平均粒子径が150μmである粉末状のα鉄(鉄粉、和光純薬工業株式会社製)のXAFSスペクトルを示す。図3において、横軸はエネルギー(eV)を示し、縦軸は規格化吸光度を示す。 Here, FIG. 3 shows the carbon catalysts obtained in Catalyst Preparation Example 1, Comparative Preparation Examples 1, 2 and 4, and powdery α-iron (iron powder, Japanese powder) having an average particle diameter of 150 μm for comparison. 2 shows an XAFS spectrum of K.K. In FIG. 3, the horizontal axis indicates energy (eV), and the vertical axis indicates normalized absorbance.
[BET比表面積、ミクロ孔容積、メソ孔容積、マクロ孔容積]
炭素触媒の比表面積、ミクロ孔容積、メソ孔容積及びマクロ孔容積を、比表面積・細孔分布測定装置(Tristar 3000、株式会社島津製作所製)を用いて測定した。
[BET specific surface area, micro pore volume, meso pore volume, macro pore volume]
The specific surface area, micropore volume, mesopore volume, and macropore volume of the carbon catalyst were measured using a specific surface area / pore distribution measuring device (Tristar 3000, manufactured by Shimadzu Corporation).
すなわち、まず、0.1gの炭素触媒を、100℃、6.7×10−2Paで、3時間保持することにより、当該炭素触媒に吸着している水分を取り除いた。次いで、BET法により、77Kにおける窒素吸着等温線から、炭素触媒の比表面積(m2/g)を得た。なお、77Kにおける窒素吸着等温線は、77Kの温度で、窒素ガスの圧力の変化に伴う、炭素材料への窒素吸着量の変化を測定して得た。 That is, first, 0.1 g of the carbon catalyst was held at 100 ° C. and 6.7 × 10 −2 Pa for 3 hours to remove water adsorbed on the carbon catalyst. Next, the specific surface area (m 2 / g) of the carbon catalyst was obtained from the nitrogen adsorption isotherm at 77 K by the BET method. The nitrogen adsorption isotherm at 77K was obtained by measuring a change in the amount of nitrogen adsorbed on the carbon material with a change in the pressure of the nitrogen gas at a temperature of 77K.
一方、温度77Kにおける窒素吸着等温線から、BJH法によりマクロ孔容積及びメソ孔容積(cm3/g)を得た。また、温度77Kにおける窒素吸着等温線のP/P0=0.98の点(Pは、平衡時の圧力を示し、P0は、飽和蒸気圧(77Kの窒素では1.01×105Pa)を示す。)での吸着量により全細孔容積(cm3/g)を得た。さらに、全細孔容積から、マクロ孔容積とメソ孔容積との合計を減じることにより、ミクロ孔容積(cm3/g)を算出した。そして、メソ孔容積(cm3/g)を全細孔容積(cm3/g)で除して得られた値に100を乗じてメソ孔割合(%)を算出した。 On the other hand, the macropore volume and the mesopore volume (cm 3 / g) were obtained from the nitrogen adsorption isotherm at a temperature of 77 K by the BJH method. Further, the point of P / P 0 = 0.98 of the nitrogen adsorption isotherm at a temperature of 77 K (P indicates the pressure at equilibrium, and P 0 indicates the saturated vapor pressure (1.01 × 10 5 Pa for nitrogen at 77 K) ) Indicates the total pore volume (cm 3 / g). Furthermore, the micropore volume (cm 3 / g) was calculated by subtracting the sum of the macropore volume and the mesopore volume from the total pore volume. Then, the value obtained by dividing the mesopore volume (cm 3 / g) by the total pore volume (cm 3 / g) was multiplied by 100 to calculate the mesopore ratio (%).
なお、BJH法は、Barrett, Joyner, Halendaによって提唱されたメソ孔の分布を得る代表的な方法である(E P Barrett, L G Joyner and P P Halenda, J Am Chem Soc, 73, 373, (1951))。 The BJH method is a typical method for obtaining the distribution of mesopores proposed by Barrett, Joyner, and Halenda (EP Barrett, LG Joyner and PP Halenda, J Am Chem Soc, 73, 373, (1951)). .
[誘導結合プラズマ質量分析]
ICP−MSにより、炭素触媒の鉄含有量を測定した。すなわち、25mgの炭素触媒を、大気雰囲気下、800℃で、3時間加熱保持することにより、当該炭素触媒中の非金属成分を取り除いた。その後、炭素触媒を濃塩酸5mL中に浸漬することにより、当該炭素触媒に含まれている金属を溶解させた。その後、全重量が25gとなるように蒸留水を加えて希釈し、金属溶液を得た。そして、得られた金属溶液の鉄原子濃度を、シーケンシャル形プラズマ発光分析装置(ICP−8100、株式会社島津製作所製)を用いて測定した。
[Inductively coupled plasma mass spectrometry]
The iron content of the carbon catalyst was measured by ICP-MS. That is, non-metal components in the carbon catalyst were removed by heating and holding 25 mg of the carbon catalyst at 800 ° C. for 3 hours in an air atmosphere. Thereafter, the metal contained in the carbon catalyst was dissolved by immersing the carbon catalyst in 5 mL of concentrated hydrochloric acid. Thereafter, distilled water was added to dilute the mixture to a total weight of 25 g to obtain a metal solution. Then, the iron atom concentration of the obtained metal solution was measured using a sequential plasma emission spectrometer (ICP-8100, manufactured by Shimadzu Corporation).
そして、金属溶液の鉄原子濃度(mg/g)に当該金属溶液の重量(25g)を乗じて得られた値を、炭素触媒の重量(25mg)で除して得られた値に100を乗じて、当該炭素触媒の鉄含有量(重量%)を算出した。 Then, the value obtained by multiplying the iron atom concentration (mg / g) of the metal solution by the weight (25 g) of the metal solution is divided by the weight (25 mg) of the carbon catalyst, and multiplied by 100. Thus, the iron content (% by weight) of the carbon catalyst was calculated.
[X線光電子分光法]
炭素触媒をXPSにより解析した。すなわち、X線光電子分光装置(AXIS NOVA、KRATOS社製)を用いて、炭素触媒の表面における炭素原子、窒素原子及び酸素原子の内殻準位からの光電子スペクトルを測定した。X線源にはAlKα線(10mA、15kV、Pass energy 40eV)を用いた。得られた光電子スペクトルにおいては、炭素原子の1s軌道に由来するC1sピークのピークトップが284.5eVに位置するよう結合エネルギーの補正を行った。
[X-ray photoelectron spectroscopy]
The carbon catalyst was analyzed by XPS. That is, using an X-ray photoelectron spectrometer (AXIS NOVA, manufactured by KRATOS), the photoelectron spectrum from the core level of carbon, nitrogen and oxygen atoms on the surface of the carbon catalyst was measured. AlKα radiation (10 mA, 15 kV,
得られた光電子スペクトルから、窒素原子濃度(atm%)、炭素原子濃度(atm%)、及び酸素原子濃度(atm%)を得た。また、窒素原子濃度(atm%)を炭素原子濃度(atm%)で除して得られた値に100を乗じて、XPSによるN/C割合(%)を算出した。 From the obtained photoelectron spectrum, a nitrogen atom concentration (atm%), a carbon atom concentration (atm%), and an oxygen atom concentration (atm%) were obtained. The N / C ratio (%) by XPS was calculated by multiplying the value obtained by dividing the nitrogen atom concentration (atm%) by the carbon atom concentration (atm%) by 100.
[元素分析]
炭素触媒の燃焼法による元素分析を行った。すなわち、有機微量元素分析装置(2400II、パーキンエルマー株式会社)を用いて、炭素触媒の窒素含有量を燃焼法により測定した。ヘリウムをキャリアガスとして用い、2mgの炭素触媒を、燃焼管温度980℃、還元管温度640℃の条件で分析した。そして、炭素触媒に含まれていた窒素原子の重量を、当該炭素触媒の全重量で除した値に100を乗じて、当該炭素触媒の窒素原子含有量(重量%)を算出した。
[Elemental analysis]
Elemental analysis of carbon catalyst by combustion method was performed. That is, the nitrogen content of the carbon catalyst was measured by a combustion method using an organic trace element analyzer (2400II, Perkin Elmer Co., Ltd.). Using helium as a carrier gas, 2 mg of the carbon catalyst was analyzed under the conditions of a combustion tube temperature of 980 ° C and a reduction tube temperature of 640 ° C. Then, the value obtained by dividing the weight of the nitrogen atoms contained in the carbon catalyst by the total weight of the carbon catalyst was multiplied by 100 to calculate the nitrogen atom content (% by weight) of the carbon catalyst.
同様に、炭素触媒に含まれていた炭素原子の重量及び水素の重量をそれぞれ当該炭素触媒の全重量で除した値に100を乗じて、炭素原子含有量(重量%)及び水素原子含有量(重量%)を算出した。さらに、窒素原子含有量(重量%)を炭素原子含有量(重量%)で除した値に100を乗じて、元素分析によるN/C割合(%)を算出した。 Similarly, the value obtained by dividing the weight of the carbon atom and the weight of hydrogen contained in the carbon catalyst by the total weight of the carbon catalyst is multiplied by 100 to obtain the carbon atom content (% by weight) and the hydrogen atom content (%). % By weight). Furthermore, the value obtained by dividing the nitrogen atom content (% by weight) by the carbon atom content (% by weight) was multiplied by 100 to calculate the N / C ratio (%) by elemental analysis.
[触媒活性]
炭素触媒の触媒活性を、回転リングディスク電極装置(RRDE-3A回転リングディスク電極装置ver.1.2、ビー・エー・エス株式会社製)と、デュアル電気化学アナライザー(CHI700C、株式会社ALS社製)とを用いて評価した。すなわち、まず炭素触媒を含む作用電極を有する、三極式の回転リングディスク電極装置を作製した。具体的に、炭素触媒5mgと、5%ナフィオン(登録商標)(シグマアルドリッチ社製、ナフィオン 過フッ素化イオン交換樹脂、5%溶液(整理番号:510211))50μLと、水400μLと、イソプロピルアルコール100μLとを混合してスラリーを調製した。次いで、このスラリーに超音波処理を10分行い、その後、ホモジナイザー処理を2分行った。そして、得られたスラリーを、炭素触媒の塗布量が0.1mg/cm2となるように、作用電極(RRDE-3A用リングディスク電極 白金リング−金ディスク電極 ディスク直径4mm、ビー・エー・エス株式会社製)に塗布し、乾燥することにより、当該炭素触媒を含む作用電極を作製した。
[Catalytic activity]
The catalytic activity of the carbon catalyst was measured using a rotating ring disk electrode device (RRDE-3A rotating ring disk electrode device ver. 1.2, manufactured by BAS Co., Ltd.) and a dual electrochemical analyzer (CHI700C, manufactured by ALS Co., Ltd.). ) And were evaluated. That is, first, a three-electrode rotating ring disk electrode device having a working electrode containing a carbon catalyst was manufactured. Specifically, 5 mg of carbon catalyst, 50 μL of 5% Nafion (registered trademark) (Nafion perfluorinated ion exchange resin, manufactured by Sigma-Aldrich Co., Ltd., 5% solution (arrangement number: 510211)), 400 μL of water, and 100 μL of isopropyl alcohol Was mixed to prepare a slurry. Next, this slurry was subjected to an ultrasonic treatment for 10 minutes, and then subjected to a homogenizer treatment for 2 minutes. The working slurry (ring disk electrode for RRDE-3A, platinum ring-gold disk electrode, disk diameter 4 mm, BAS) was applied to the obtained slurry so that the coating amount of the carbon catalyst was 0.1 mg / cm 2. Co., Ltd.) and dried to produce a working electrode containing the carbon catalyst.
また対極としては白金電極(Ptカウンター電極23cm、ビー・エー・エス株式会社製)を使用し、参照極としては可逆式水素電極(RHE)(溜め込み式可逆水素電極、株式会社イーシーフロンティア製)を用いた。こうして、炭素触媒を含む作用電極、対極としての白金電極、及び参照極としての可逆式水素電極(RHE)を有する回転リングディスク電極装置を得た。また、電解液としては、0.1M過塩素酸水溶液を用いた。 A platinum electrode (Pt counter electrode 23 cm, manufactured by BS Co., Ltd.) was used as a counter electrode, and a reversible hydrogen electrode (RHE) (reservoir type reversible hydrogen electrode, manufactured by EC Frontier Co., Ltd.) was used as a reference electrode. Using. Thus, a rotating ring disk electrode device having a working electrode containing a carbon catalyst, a platinum electrode as a counter electrode, and a reversible hydrogen electrode (RHE) as a reference electrode was obtained. Further, a 0.1 M aqueous solution of perchloric acid was used as the electrolytic solution.
そして、上記回転リングディスク電極装置を用いた触媒活性を測定した。すなわち、炭素触媒を含む作用電極を有する、三極式の回転リングディスク電極装置を用いた窒素雰囲気下におけるリニアスイープボルタンメトリ(N2−LSV)及び酸素雰囲気下におけるリニアスイープボルタンメトリ(O2−LSV)を実施した。 Then, the catalytic activity using the rotating ring disk electrode device was measured. That is, linear sweep voltammetry (N 2 -LSV) under nitrogen atmosphere and linear sweep voltammetry (O 2 ) under oxygen atmosphere using a three-electrode rotating ring disk electrode device having a working electrode containing a carbon catalyst. 2- LSV) was performed.
N2−LSVにおいては、まず窒素バブリングを10分行い、電解液内の酸素を除去した。その後、電極を回転速度1600rpmで回転させ、掃引速度20mV/secで電位掃引した時の電流密度を電位の関数として記録した。 In N 2 -LSV, nitrogen bubbling was first performed for 10 minutes to remove oxygen in the electrolytic solution. Thereafter, the electrode was rotated at a rotation speed of 1600 rpm, and the current density when the potential was swept at a sweep speed of 20 mV / sec was recorded as a function of the potential.
O2−LSVにおいては、さらにその後、酸素バブリングを10分行い、電解液内を飽和酸素で満たした。その後、電極を回転速度1600rpmで回転させ、掃引速度20mV/secで電位掃引した時の電流密度を電位の関数として記録した(O2−LSV)。そして、O2−LSVからN2−LSVを差し引いて、酸素還元ボルタモグラムを得た。なお、得られた酸素還元ボルタモグラムにおいて、還元電流が負の値、酸化電流が正の値となるように数値に符号を付した。 In the case of O 2 -LSV, oxygen bubbling was further performed for 10 minutes, and the inside of the electrolytic solution was filled with saturated oxygen. Thereafter, the electrode was rotated at a rotation speed of 1600 rpm, and the current density when the potential was swept at a sweep speed of 20 mV / sec was recorded as a function of the potential (O 2 -LSV). Then, N 2 -LSV was subtracted from O 2 -LSV to obtain an oxygen reduction voltammogram. In addition, in the obtained oxygen reduction voltammograms, numerals were assigned such that the reduction current was a negative value and the oxidation current was a positive value.
こうして得られた酸素還元ボルタモグラムから、炭素触媒の耐久性試験開始時の触媒活性を示す指標の一つとして、0.7V(vs.NHE)の電圧を印加した時の電流密度i0.7(mA/cm2)を記録した。 From the oxygen reduction voltammogram thus obtained, as one of the indexes indicating the catalytic activity at the start of the durability test of the carbon catalyst, the current density i 0.7 ( 0.7 V (vs. NHE) when a voltage of 0.7 V (vs. NHE) was applied) mA / cm 2 ) was recorded.
[実施例1]
炭素触媒を含むCC層を作製した。すなわち、まず、触媒調製例1において調製された炭素触媒0.25gと、EW値が700であるアイオノマーの5重量%溶液3.5gと、ボール25gとをポットに投入し、200rpm、50分間ボールミルで混合することにより、均一に分散された当該炭素触媒を含むスラリー状のCC層組成物を得た。
[Example 1]
A CC layer containing a carbon catalyst was produced. That is, first, 0.25 g of the carbon catalyst prepared in Catalyst Preparation Example 1, 3.5 g of a 5% by weight solution of an ionomer having an EW value of 700, and 25 g of a ball were put into a pot, and ball milled at 200 rpm for 50 minutes. To obtain a slurry-like CC layer composition containing the carbon catalyst uniformly dispersed.
得られたスラリー状のCC層組成物を、ガス拡散層(“29BC”、SGLカーボン社製)(2.3cm×2.3cm)の面積5cm2の領域上に、炭素触媒の含有量が2.5mg/cm2になるように塗布して乾燥させることにより、当該ガス拡散層上に、炭素触媒を含み、電解質材料比が0.7であるCC層を形成した。 The obtained slurry CC layer composition was placed on a 5 cm 2 area of a gas diffusion layer (“29BC”, manufactured by SGL Carbon) (2.3 cm × 2.3 cm) with a carbon catalyst content of 2%. By coating and drying to a concentration of 0.5 mg / cm 2 , a CC layer containing a carbon catalyst and having an electrolyte material ratio of 0.7 was formed on the gas diffusion layer.
また、白金を含むPt層を作製した。すなわち、白金含有触媒としての、カーボン担体と当該カーボン担体に担持された白金粒子とを含む白金担持カーボン(以下、「Pt/C」という。)(UNPC40−II、石福金属興業社製)0.25gと、EW値が700であるアイオノマーの5重量%溶液3.5gと、蒸留水2.5gと、ボール25gとをポットに投入し、200rpm、50分間ボールミルで混合することにより、均一に分散された当該Pt/Cを含み、電解質材料比が0.7であるスラリー状のPt層組成物を得た。 Further, a Pt layer containing platinum was produced. That is, platinum-supported carbon (hereinafter, referred to as “Pt / C”) containing a carbon carrier and platinum particles supported on the carbon carrier as a platinum-containing catalyst (UNPC40-II, manufactured by Ishifuku Metal Industries) 0 .25 g, 3.5 g of a 5% by weight solution of an ionomer having an EW value of 700, 2.5 g of distilled water, and 25 g of a ball are put into a pot, and mixed with a ball mill at 200 rpm for 50 minutes to be uniformly mixed. A slurry-like Pt layer composition containing the dispersed Pt / C and having an electrolyte material ratio of 0.7 was obtained.
得られたスラリー状のPt層組成物を、固体高分子電解質膜(NAFION(登録商標)211、Dupont社製)(2.3cm×2.3cm)の面積5cm2の領域上に、白金の含有量が0.050mg/cm2になるように塗布して乾燥させることにより、当該固体高分子電解質膜上に、白金を含み、電解質材料比が0.7であるPt層を形成した。 The obtained slurry-like Pt layer composition was coated on a 5 cm 2 area of a solid polymer electrolyte membrane (NAFION (registered trademark) 211, manufactured by Dupont) (2.3 cm × 2.3 cm) with a platinum content. The Pt layer containing platinum and having an electrolyte material ratio of 0.7 was formed on the solid polymer electrolyte membrane by coating and drying so that the amount became 0.050 mg / cm 2 .
なお、Pt/Cとしては、当該Pt/Cの重量に対する、当該Pt/Cに含まれる白金の重量の割合が40重量%のものを用いた。Pt層における白金の含有量は、当該Pt層中のPt/Cに含まれる白金の重量を、当該Pt層の面積で除して算出された。CC層の面積及びPt層の面積はいずれも5cm2であり、したがって、当該CC層とPt層とから構成されるカソードの触媒層の面積もまた5cm2であった。 The Pt / C used was such that the ratio of the weight of platinum contained in the Pt / C to the weight of the Pt / C was 40% by weight. The platinum content in the Pt layer was calculated by dividing the weight of platinum contained in Pt / C in the Pt layer by the area of the Pt layer. Both the area of the CC layer and the area of the Pt layer were 5 cm 2. Therefore, the area of the catalyst layer of the cathode composed of the CC layer and the Pt layer was also 5 cm 2 .
一方、アノードを作製した。すなわち、0.5gのPt/Cと、5重量%NAFION(登録商標)溶液(Aldrich社製)10gと、蒸留水2gと、ボール25gとをポットに投入し、200rpm、50分間ボールミルで混合することにより、スラリー状のアノード組成物を調製した。このスラリー状のアノード組成物を、ガス拡散層の面積5cm2の領域上に、Pt/Cの含有量が0.3mg/cm2となるように塗布して乾燥させることにより、当該ガス拡散層上に、Pt/Cを含む触媒層から構成されるアノードを形成した。 On the other hand, an anode was produced. That is, 0.5 g of Pt / C, 10 g of a 5% by weight NAFION (registered trademark) solution (manufactured by Aldrich), 2 g of distilled water, and 25 g of a ball are put into a pot, and mixed with a ball mill at 200 rpm for 50 minutes. Thereby, a slurry-like anode composition was prepared. The slurry-type anode composition is applied onto a region having an area of 5 cm 2 of the gas diffusion layer so that the Pt / C content becomes 0.3 mg / cm 2, and dried, whereby the gas diffusion layer is formed. An anode composed of a catalyst layer containing Pt / C was formed thereon.
そして、一対のガス拡散層と、当該一対のガス拡散層の間に配置される固体高分子電解質膜と、一方の当該ガス拡散層と、当該固体高分子電解質膜との間に配置されるカソードと、他方の当該ガス拡散層と、当該固体高分子電解質膜との間に配置されるアノードと、を含むMEA、及び当該MEAを含む単セルを作製した。 And, a pair of gas diffusion layers, a solid polymer electrolyte membrane disposed between the pair of gas diffusion layers, and a cathode disposed between one of the gas diffusion layers and the solid polymer electrolyte membrane And an anode disposed between the other gas diffusion layer and the solid polymer electrolyte membrane, and a single cell including the MEA.
すなわち、一方のガス拡散層上に形成されたCC層と、固体高分子電解質膜上に形成されたPt層とが接するように、且つ当該固体高分子電解質膜のPt層が形成されていない表面と、他方のガス拡散層上に形成されたアノードとが接するように、150℃、1MPaの条件で、当該固体高分子膜を一対のガス拡散層で挟んで3分間圧着することにより、MEAを作製した。次いで、MEAに、当該MEAを挟むよう一対のガスケットを貼り付け、さらに当該一対のガスケットに、当該一対のガスケットを挟むよう一対のセパレータで挟むことにより、燃料電池の単セルを作製した。 That is, the CC layer formed on one gas diffusion layer is in contact with the Pt layer formed on the solid polymer electrolyte membrane, and the surface of the solid polymer electrolyte membrane on which the Pt layer is not formed. By pressing the solid polymer membrane between a pair of gas diffusion layers at 150 ° C. and 1 MPa so that the anode formed on the other gas diffusion layer is in contact with the anode, the MEA is pressed. Produced. Next, a single cell of a fuel cell was manufactured by attaching a pair of gaskets to the MEA so as to sandwich the MEA and further sandwiching the pair of gaskets with the pair of separators so as to sandwich the pair of gaskets.
その後、上述のようにして作製した単セルを燃料電池自動評価システム(株式会社東陽テクニカ製)に設置し、発電試験を行った。発電試験においては、まず単セルに対して、背圧20kPaでカソードに相対湿度50%空気(酸素)を2.0L/分で供給し、アノードに相対湿度50%水素を0.2L/分で供給し、セル温度を55℃に設定して、開回路電圧を5分間測定した。その後、セル電流密度を1.5A/cm2から0A/cm2まで変化させる間、各電流密度を3分間保持して、当該各電流密度におけるセル電圧を測定した。この発電試験において、耐久性試験開始時の触媒活性を示す指標の一つとして、電流密度0.2A/cm2で観測される電位(mV)を、初期電位BOL(Beginning Of Life)として記録した。 Thereafter, the unit cell prepared as described above was installed in a fuel cell automatic evaluation system (manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.), and a power generation test was performed. In the power generation test, air (oxygen) having a relative humidity of 50% was supplied to the cathode at a back pressure of 20 kPa at a rate of 2.0 L / min, and hydrogen of a relative humidity of 50% was supplied to the anode at a rate of 0.2 L / min. The supply was performed, the cell temperature was set to 55 ° C., and the open circuit voltage was measured for 5 minutes. Then, while changing the cell current density from 1.5 A / cm 2 to 0 A / cm 2 , each current density was held for 3 minutes, and the cell voltage at each current density was measured. In this power generation test, a potential (mV) observed at a current density of 0.2 A / cm 2 was recorded as an initial potential BOL (Beginning Of Life) as one of the indexes indicating the catalyst activity at the start of the durability test. .
次いで、被毒試験を行った。すなわち、まず単セルに対して、背圧20kPaでカソードに相対湿度50%空気(酸素)を2.0L/分で供給し、アノードに相対湿度50%水素を0.2L/分で供給し、セル温度を55℃に設定して、電流密度0.3A/cm2を30分保持した。その後、背圧20kPaでカソードに10ppmの二酸化硫黄を含む乾燥空気(酸素)を0.2L/分で供給し、アノードに相対湿度50%水素を0.2L/分で供給し、セル温度を55℃に設定して、電流密度0.3A/cm2を90分保持した。さらに、背圧20kPaでカソードに相対湿度50%空気(酸素)を2.0L/分で供給し、アノードに相対湿度50%水素を0.2L/分で供給し、セル温度を55℃に設定して、電流密度0.3A/cm2を30分保持した。 Next, a poisoning test was performed. That is, first, to the single cell, at a back pressure of 20 kPa, air (oxygen) at a relative humidity of 50% is supplied to the cathode at 2.0 L / min, and hydrogen at a relative humidity of 50% is supplied to the anode at a rate of 0.2 L / min. The cell temperature was set to 55 ° C., and the current density was maintained at 0.3 A / cm 2 for 30 minutes. Thereafter, at a back pressure of 20 kPa, dry air (oxygen) containing 10 ppm of sulfur dioxide was supplied to the cathode at a rate of 0.2 L / min, hydrogen was supplied to the anode at a relative humidity of 50% at a rate of 0.2 L / min, and the cell temperature was raised to 55 L / min. C., and the current density was maintained at 0.3 A / cm 2 for 90 minutes. Further, at a back pressure of 20 kPa, air (oxygen) of 50% relative humidity is supplied to the cathode at 2.0 L / min, hydrogen of 50% relative humidity is supplied to the anode at 0.2 L / min, and the cell temperature is set to 55 ° C. Then, the current density was maintained at 0.3 A / cm 2 for 30 minutes.
その後、電流保持試験(耐久性試験)を行った。すなわち、単セルに対して、背圧70kPaでカソードに飽和加湿空気(酸素)を2.0L/分で供給し、アノードに飽和加湿水素を0.5L/分で供給し、セル温度を75℃に設定して、電流密度を0.5A/cm2で一定に保ち、この状態を100時間保持した。 Thereafter, a current holding test (durability test) was performed. That is, for a single cell, at a back pressure of 70 kPa, saturated humidified air (oxygen) is supplied to the cathode at 2.0 L / min, and saturated humidified hydrogen is supplied to the anode at 0.5 L / min. , The current density was kept constant at 0.5 A / cm 2 , and this state was maintained for 100 hours.
さらに、上記100時間の耐久性試験を終了した直後に、再び発電試験を行い、当該発電試験において電流密度0.2A/cm2で観測される電位(mV)を、耐久性試験終了後の触媒活性を示す指標の一つである電位EOL(End Of Life)として記録した。 Further, immediately after the end of the durability test for 100 hours, a power generation test was performed again, and the potential (mV) observed at a current density of 0.2 A / cm 2 in the power generation test was changed to the catalyst after the end of the durability test. It was recorded as a potential EOL (End Of Life) which is one of the indices indicating the activity.
そして、耐久性試験開始時の発電試験において電流密度0.2A/cm2で観測された電位BOL(mV)から、当該耐久性試験後の発電試験において電流密度0.2A/cm2で観測されたEOL電位(mV)を減じて得られた値を、100時間の当該耐久性試験による電位低下量(BOL−EOL)(mV)として得た。 Then, the potential was observed at a current density of 0.2 A / cm 2 in the power generation test at the start of the durability test BOL (mV), was observed at a current density of 0.2 A / cm 2 in the power generation test after the durability test The value obtained by reducing the EOL potential (mV) was obtained as a potential decrease (BOL-EOL) (mV) in the durability test for 100 hours.
[実施例2]
Pt層における白金の含有量を0.020mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 2]
A cathode, an MEA, and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the content of platinum in the Pt layer was changed to 0.020 mg / cm 2 , and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.
[実施例3]
Pt層における白金の含有量を0.005mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 3]
A cathode, an MEA, and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the content of platinum in the Pt layer was changed to 0.005 mg / cm 2 , and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.
[実施例4]
Pt層における白金の含有量を0.100mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 4]
A cathode, an MEA, and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the platinum content in the Pt layer was set to 0.100 mg / cm 2 , and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.
[実施例5]
CC層における炭素触媒の含有量を1.0mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 5]
A cathode, an MEA, and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the content of the carbon catalyst in the CC layer was changed to 1.0 mg / cm 2 , and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed. .
[実施例6]
CC層における炭素触媒の含有量を1.0mg/cm2とし、Pt層における白金の含有量を0.020mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 6]
A cathode, an MEA and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the content of the carbon catalyst in the CC layer was 1.0 mg / cm 2 and the content of platinum in the Pt layer was 0.020 mg / cm 2. Then, a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.
[実施例7]
CC層における炭素触媒の含有量を1.0mg/cm2とし、Pt層における白金の含有量を0.005mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 7]
A cathode, an MEA and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the content of the carbon catalyst in the CC layer was 1.0 mg / cm 2 and the content of platinum in the Pt layer was 0.005 mg / cm 2. Then, a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.
[実施例8]
CC層における炭素触媒の含有量を6.0mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
Example 8
A cathode, an MEA and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the content of the carbon catalyst in the CC layer was 6.0 mg / cm 2 , and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed. .
[実施例9]
CC層の電解質材料比を0.9とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 9]
A cathode, an MEA, and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the electrolyte material ratio of the CC layer was set to 0.9, and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.
[実施例10]
CC層の電解質材料比を0.9とし、Pt層における白金の含有量を0.020mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
Example 10
A cathode, an MEA, and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the electrolyte material ratio of the CC layer was 0.9 and the platinum content in the Pt layer was 0.020 mg / cm 2 , and a power generation test was performed. A poisoning test and a durability test were performed.
[実施例11]
Pt層の電解質材料比を0.5とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 11]
A cathode, an MEA, and a single cell were prepared and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed in the same manner as in Example 1 except that the electrolyte material ratio of the Pt layer was set to 0.5.
[実施例12]
Pt層の電解質材料比を0.5とし、Pt層における白金の含有量を0.020mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 12]
A cathode, an MEA and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the electrolyte material ratio of the Pt layer was set to 0.5 and the platinum content in the Pt layer was set to 0.020 mg / cm 2 , and a power generation test was performed. A poisoning test and a durability test were performed.
[実施例13]
Pt層の電解質材料比を0.2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
Example 13
A cathode, an MEA, and a single cell were prepared and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed in the same manner as in Example 1 except that the electrolyte material ratio of the Pt layer was set to 0.2.
[実施例14]
Pt層の電解質材料比を0.2とし、Pt層における白金の含有量を0.020mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 14]
A cathode, an MEA and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the electrolyte material ratio of the Pt layer was set to 0.2 and the platinum content in the Pt layer was set to 0.020 mg / cm 2 , and a power generation test was performed. A poisoning test and a durability test were performed.
[実施例15]
炭素触媒として、触媒調製例2で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 15]
A cathode, an MEA, and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the carbon catalyst prepared in Catalyst Preparation Example 2 was used as the carbon catalyst, and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed. .
[実施例16]
炭素触媒として、触媒調製例3で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 16]
A cathode, an MEA and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the carbon catalyst prepared in Catalyst Preparation Example 3 was used as the carbon catalyst, and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed. .
[実施例17]
炭素触媒として、触媒調製例4で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 17]
A cathode, an MEA, and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the carbon catalyst prepared in Catalyst Preparation Example 4 was used as the carbon catalyst, and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed. .
[実施例18]
炭素触媒として、触媒調製例5で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 18]
A cathode, an MEA, and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the carbon catalyst prepared in Catalyst Preparation Example 5 was used as a carbon catalyst, and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed. .
[実施例19]
炭素触媒として、触媒調製例6で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 19]
A cathode, an MEA and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the carbon catalyst prepared in Catalyst Preparation Example 6 was used as the carbon catalyst, and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed. .
[実施例20]
Pt/Cとして、当該Pt/Cの重量に対する、当該Pt/Cに含まれる白金の重量の割合が20重量%のもの(UNPC20−II、石福金属興業社製)を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 20]
Examples of Pt / C were as follows except that the ratio of the weight of platinum contained in the Pt / C to the weight of the Pt / C was 20% by weight (UNPC20-II, manufactured by Ishifuku Metal Industries). Similarly to 1, a cathode, an MEA, and a single cell were prepared, and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.
[実施例21]
Pt層の電解質材料比を1.2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 21]
A cathode, an MEA, and a single cell were prepared and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed in the same manner as in Example 1 except that the electrolyte material ratio of the Pt layer was set to 1.2.
[実施例22]
Pt層の電解質材料比を0.1とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 22]
A cathode, an MEA, and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the electrolyte material ratio of the Pt layer was set to 0.1, and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.
[実施例23]
CC層の電解質材料比を0.5とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Example 23]
A cathode, an MEA, and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the electrolyte material ratio of the CC layer was set to 0.5, and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.
[比較例1]
Pt層における白金の含有量を0.200mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 1]
A cathode, an MEA, and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the platinum content in the Pt layer was set to 0.200 mg / cm 2 , and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.
[比較例2]
Pt層における白金の含有量を0.001mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 2]
A cathode, an MEA, and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the content of platinum in the Pt layer was changed to 0.001 mg / cm 2 , and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.
[比較例3]
Pt層における白金の含有量を0.001mg/cm2とし、CC層における炭素触媒の含有量を1.0mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 3]
A cathode, an MEA and a single cell were produced in the same manner as in Example 1 except that the platinum content in the Pt layer was 0.001 mg / cm 2 and the carbon catalyst content in the CC layer was 1.0 mg / cm 2. Then, a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.
[比較例4]
Pt層を作製しなかった(カソードがPt層を含まなかった)以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 4]
Except that the Pt layer was not prepared (the cathode did not contain the Pt layer), a cathode, an MEA and a single cell were prepared and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed in the same manner as in Example 1. .
[比較例5]
Pt層を作製せず(カソードがPt層を含まず)、CC層における炭素触媒の含有量を1.0mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 5]
A cathode, an MEA and a single cell were produced in the same manner as in Example 1 except that the Pt layer was not produced (the cathode did not contain the Pt layer) and the content of the carbon catalyst in the CC layer was changed to 1.0 mg / cm 2. Then, a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.
[比較例6]
CC層を作製せず(カソードがCC層を含まず)、Pt層における白金の含有量を0.100mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 6]
A cathode, an MEA and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the CC layer was not prepared (the cathode did not include the CC layer), and the platinum content in the Pt layer was 0.100 mg / cm 2. , A power generation test, a poisoning test, and a durability test.
[比較例7]
CC層を作製しなかった(カソードがCC層を含まなかった)以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 7]
Except that the CC layer was not prepared (the cathode did not include the CC layer), a cathode, an MEA, and a single cell were prepared and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed in the same manner as in Example 1. .
[比較例8]
CC層を作製せず(カソードがCC層を含まず)、Pt層における白金の含有量を0.020mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 8]
A cathode, an MEA and a single cell were produced in the same manner as in Example 1 except that the CC layer was not produced (the cathode did not contain the CC layer), and the platinum content in the Pt layer was 0.020 mg / cm 2. , A power generation test, a poisoning test, and a durability test.
[比較例9]
CC層における炭素触媒の含有量を10.0mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 9]
A cathode, an MEA, and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the content of the carbon catalyst in the CC layer was 10.0 mg / cm 2 , and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed. .
[比較例10]
CC層における炭素触媒の含有量を10.0mg/cm2とし、Pt層における白金の含有量を0.020mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 10]
A cathode, an MEA and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the content of the carbon catalyst in the CC layer was 10.0 mg / cm 2 and the content of the platinum in the Pt layer was 0.020 mg / cm 2. Then, a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.
[比較例11]
CC層における炭素触媒の含有量を0.2mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 11]
A cathode, an MEA, and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the content of the carbon catalyst in the CC layer was changed to 0.2 mg / cm 2 , and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed. .
[比較例12]
CC層における炭素触媒の含有量を0.2mg/cm2とし、Pt層における白金の含有量を0.020mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 12]
A cathode, an MEA and a single cell were produced in the same manner as in Example 1 except that the content of the carbon catalyst in the CC layer was 0.2 mg / cm 2 and the content of platinum in the Pt layer was 0.020 mg / cm 2. Then, a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed.
[比較例13]
炭素触媒として、比較調製例1で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 13]
A cathode, an MEA and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the carbon catalyst prepared in Comparative Preparation Example 1 was used as a carbon catalyst, and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed. .
[比較例14]
炭素触媒として、比較調製例2で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 14]
A cathode, an MEA, and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the carbon catalyst prepared in Comparative Preparation Example 2 was used, and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed. .
[比較例15]
炭素触媒として、比較調製例3で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 15]
A cathode, an MEA, and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the carbon catalyst prepared in Comparative Preparation Example 3 was used as the carbon catalyst, and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed. .
[比較例16]
炭素触媒として、比較調製例4で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
[Comparative Example 16]
A cathode, an MEA, and a single cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that the carbon catalyst prepared in Comparative Preparation Example 4 was used as the carbon catalyst, and a power generation test, a poisoning test, and a durability test were performed. .
[結果]
図4Aには、触媒調製例1〜6(図中、「例1」〜「例6」)及び比較調製例1〜4(図中、「比較1」〜「比較4」)で得られた炭素触媒について、TGによる重量減少率(重量%)と、XAFSによる7110eV、7130eV及び7135eVの規格化吸光度、7130/7110比及び7135/7110比と、酸素還元活性の指標である電流密度i0.7(mA/cm2)と、を評価した結果を示す。
[result]
FIG. 4A shows catalyst preparation examples 1 to 6 (“Example 1” to “Example 6” in the figure) and Comparative Preparation Examples 1 to 4 (“
図4Bには、触媒調製例1〜6及び比較調製例1〜4で得られた炭素触媒について、BET比表面積(m2/g)と、ミクロ孔容積(cm3/g)と、メソ孔容積(cm3/g)と、マクロ孔容積(cm3/g)と、メソ孔割合(%)と、ICP−MSによる鉄含有量(重量%)と、XPSによる炭素原子濃度(atm%)、酸素原子濃度(atm%)、窒素原子濃度(atm%)及びN/C割合(%)と、元素分析(燃焼法)による炭素原子含有量(重量%)、水素原子含有量(重量%)、窒素原子含有量(重量%)及びN/C割合(%)と、を評価した結果を示す。 FIG. 4B shows the BET specific surface area (m 2 / g), the micropore volume (cm 3 / g), and the mesopores of the carbon catalysts obtained in Catalyst Preparation Examples 1 to 6 and Comparative Preparation Examples 1 to 4. Volume (cm 3 / g), macropore volume (cm 3 / g), mesopore ratio (%), iron content by ICP-MS (% by weight), and carbon atom concentration by XPS (atm%) , Oxygen atom concentration (atm%), nitrogen atom concentration (atm%) and N / C ratio (%), carbon atom content (% by weight), hydrogen atom content (% by weight) by elemental analysis (combustion method) And the results of evaluation of nitrogen atom content (% by weight) and N / C ratio (%) are shown.
図4Aに示すように、比較調製例2,3,4の炭素触媒のTGによる重量減少率は、12.5重量%以上であった。また、比較調製例1の炭素触媒のXAFSによる7130/7110比及び7135/7110比は、6.4以下であった。そして、比較調製例2の炭素触媒の酸素還元活性を示す電流密度i0.7は、−2.0mA/cm2であったが、比較調製例1,3,4の炭素触媒のそれは、−0.1mA/cm2〜−0.9mA/cm2に過ぎなかった。
As shown in FIG. 4A, the weight reduction rate by TG of the carbon catalysts of Comparative Preparation Examples 2, 3, and 4 was 12.5% by weight or more. The
これに対し、触媒調製例1〜6の炭素触媒は、TGによる重量減少率が7.3重量%以下であり、且つXAFSによる7130/7110比及び7135/7110比は、いずれも13.8以上であった。そして、触媒調製例1〜6の炭素触媒の酸素還元活性を示す電流密度i0.7は、−1.2mA/cm2〜−1.4mA/cm2に達した。 On the other hand, in the carbon catalysts of Catalyst Preparation Examples 1 to 6, the weight reduction rate by TG was 7.3% by weight or less, and the 7130/7110 ratio and 7135/7110 ratio by XAFS were all 13.8 or more. Met. Then, the current density i 0.7 showing the oxygen reduction activity of the carbon catalyst of Catalyst Preparation Example 1-6 was reached -1.2mA / cm 2 ~-1.4mA / cm 2.
図4Bに示すように、触媒調製例1〜6の炭素触媒のBET比表面積は、1440m2/g以上であり、ミクロ孔容積は0.40cm3/g〜0.52cm3/gであり、メソ孔容積は0.26cm3/g〜0.50cm3/gであり、マクロ孔容積は0.01cm3/g〜0.02cm3/gであり、メソ孔割合は、36%以上であった。 As shown in FIG. 4B, BET specific surface area of the carbon catalyst of Catalyst Preparation Example 1-6 is a 1440m 2 / g or more, the micropore volume was 0.40cm 3 /g~0.52cm 3 / g, mesopore volume was 0.26cm 3 /g~0.50cm 3 / g, the macropore volume was 0.01cm 3 /g~0.02cm 3 / g, mesopores ratio, a 36% or more Was.
触媒調製例1〜6の炭素触媒のICP−MSによる鉄含有量は0.21重量%〜0.30重量%であった。触媒調製例1〜6の炭素触媒のXPSによる炭素原子濃度は84.75atm%〜90.74atm%であり、酸素原子濃度は7.24atm%〜13.65atm%であり、窒素原子濃度は1.42atm%〜1.91atm%であり、N/C割合は1.60%〜2.14%であった。特に、触媒調製例1〜6の炭素触媒のXPSによる酸素原子濃度は、比較調製例1〜4の炭素触媒のそれ(3.01atm%〜5.85atm%)に比べて大きかった。 The iron content of the carbon catalysts of Catalyst Preparation Examples 1 to 6 by ICP-MS was 0.21% by weight to 0.30% by weight. The carbon atom concentration by XPS of the carbon catalysts of Catalyst Preparation Examples 1 to 6 was 84.75 atm% to 90.74 atm%, the oxygen atom concentration was 7.24 atm% to 13.65 atm%, and the nitrogen atom concentration was 1. It was 42 atm% to 1.91 atm%, and the N / C ratio was 1.60% to 2.14%. In particular, the oxygen atom concentration by XPS of the carbon catalysts of Catalyst Preparation Examples 1 to 6 was higher than that of the carbon catalysts of Comparative Preparation Examples 1 to 4 (3.01 atm% to 5.85 atm%).
触媒調製例1〜6の炭素触媒の元素分析による窒素原子含有量は87.30重量%〜98.62重量%であり、水素原子含有量は0.43重量%〜1.74重量%であり、窒素原子含有量は1.47重量%〜1.98重量%であり、N/C割合は1.58%〜2.18%であった。 The nitrogen content of the carbon catalysts of Catalyst Preparation Examples 1 to 6 by elemental analysis was 87.30% to 98.62% by weight, and the hydrogen atom content was 0.43% to 1.74% by weight. , The nitrogen atom content was 1.47% by weight to 1.98% by weight, and the N / C ratio was 1.58% to 2.18%.
図5には、実施例1〜23、及び比較例1〜16で製造されたカソードについて、CC層に含まれる炭素触媒に関する条件、Pt層に含まれる白金に関する条件、及び当該カソードを含む電池の発電試験及び耐久性試験の結果を示す。 FIG. 5 shows, for the cathodes manufactured in Examples 1 to 23 and Comparative Examples 1 to 16, the conditions relating to the carbon catalyst contained in the CC layer, the conditions relating to the platinum contained in the Pt layer, and the cell containing the cathode. The results of a power generation test and a durability test are shown.
具体的に、炭素触媒については、触媒調製例1〜6及び比較調製例1〜4のいずれで作製されたものか(図中、「例1」〜「例6」は触媒調製例1〜6を示し、「比較例1」〜「比較4」は比較調製例1〜4を示す。)、CC層における含有量(図中の「触媒含有量(mg/cm2)」)、及びCC層における電解質材料比を示し、白金については、Pt/C(図中、「Pt/担体」)の重量に対する当該Pt/Cに含まれる当該白金の重量の割合(図中、「Pt/(Pt/担体))(重量%)、Pt層における含有量(図中、「触媒含有量(mg−Pt/cm2)」)、及びPt層における電解質材料比を示し、発電試験及び耐久性試験については、BOL(mV)、EOL(mV)及び電位低下量(図中、「BOL−EOL」)(mV)を示す。 Specifically, regarding the carbon catalyst, which of catalyst preparation examples 1 to 6 and comparative preparation examples 1 to 4 was used (in the figure, “Example 1” to “Example 6” are catalyst preparation examples 1 to 6). the indicated "Comparative example 1" to "Comparative 4" indicates the Comparative preparation examples 1-4.), the amount contained in the CC layer (in Figure "catalyst content (mg / cm 2)"), and CC layer In the case of platinum, the ratio of the weight of the platinum contained in the Pt / C to the weight of Pt / C (“Pt / carrier” in the figure) (“Pt / (Pt / Carrier)) (% by weight), the content in the Pt layer (“catalyst content (mg-Pt / cm 2 )” in the figure), and the electrolyte material ratio in the Pt layer. , BOL (mV), EOL (mV) and the amount of potential decrease (“BOL-EOL” in the figure) (mV ).
図5に示すように、炭素触媒の含有量が1.0mg/cm2〜6.0mg/cm2であるCC層と、白金の含有量が0.005mg/cm2〜0.100mg/cm2であるPt層とから構成されるカソードを用いた実施例1〜23については、発電試験において700.2mV〜760.6mVの初期電位(BOL)が達成され、その後の被毒試験を含む耐久性試験における電位低下量(BOL−EOL)は27.4mV〜58.0mVに抑えられた。すなわち、実施例1〜23においては、高い初期電位が達成されたことに加えて、顕著に優れた耐久性が達成された。 As shown in FIG. 5, the CC layer the content of the carbon catalyst is 1.0mg / cm 2 ~6.0mg / cm 2 , the content of platinum 0.005mg / cm 2 ~0.100mg / cm 2 In Examples 1 to 23 using a cathode composed of a Pt layer, which is a Pt layer, an initial potential (BOL) of 700.2 mV to 760.6 mV was achieved in the power generation test, and the durability including the subsequent poisoning test was achieved. The amount of potential decrease (BOL-EOL) in the test was suppressed to 27.4 mV to 58.0 mV. That is, in Examples 1 to 23, in addition to achieving a high initial potential, remarkably excellent durability was achieved.
これに対し、Pt層の白金含有量が0.200mg/cm2であった比較例1、Pt層の白金含有量が0.001mg/cm2であった比較例2,3、Pt層を含まないカソードを用いた比較例4,5、CC層を含まないカソードを用いた比較例6〜8、CC層の炭素触媒含有量が10.0mg/cm2であった比較例9,10、CC層の炭素触媒含有量が0.2mg/cm2であった比較例11,12、比較調製例1〜4の炭素触媒を用いた比較例13〜16については、発電試験の初期電位(BOL)は446.8mV〜716.4mVであり、耐久性試験における電位低下量(BOL−EOL)は66.9mV〜251.5mVであった。すなわち、比較例1〜16で示された耐久性は、実施例1〜23のそれより低く、必ずしも高い初期電位が達成されなかった。
In contrast, Comparative Example platinum content of Pt layer was 0.200 mg /
本発明に係るカソード、MEA、及び電池は、優れた耐久性を有することが確認された。また、上述のとおり、耐久性試験は被毒試験に続いて行われたことから、本発明に係るカソード、MEA及び電池は、優れた耐被毒性をも有することが確認された。さらに、発電試験の結果より、本発明に係るカソード、MEA及び電池は、優れた発電性能も有することが確認された。
It was confirmed that the cathode, the MEA, and the battery according to the present invention had excellent durability. In addition, as described above, the durability test was performed following the poisoning test, and thus it was confirmed that the cathode, the MEA, and the battery according to the present invention also had excellent poisoning resistance. Furthermore, from the results of the power generation test, it was confirmed that the cathode, the MEA, and the battery according to the present invention also had excellent power generation performance.
Claims (14)
0.3mg/cm2以上、9.0mg/cm2以下の炭素触媒を含む第一の層と、
前記電池において前記電解質膜と前記第一の層との間に配置される、0.002mg/cm2以上、0.190mg/cm2以下の白金を含む第二の層と、
を含み、
前記炭素触媒は、鉄を含み、
窒素雰囲気下での熱重量分析において測定される200℃から1200℃までの重量減少率12.0重量%以下を示し、
前記鉄のK吸収端のX線吸収微細構造分析において下記(a)及び/又は(b):
(a)7110eVの規格化吸光度に対する7130eVの規格化吸光度の比が7.0以上である;、
(b)7110eVの規格化吸光度に対する7135eVの規格化吸光度の比が7.0以上である;
を示す炭素構造を含む、カソード。 A cathode of a battery including an electrolyte membrane,
A first layer containing a carbon catalyst of 0.3 mg / cm 2 or more and 9.0 mg / cm 2 or less;
Wherein disposed between the electrolyte membrane and the first layer in the battery, 0.002 mg / cm 2 or more, a second layer containing 0.190mg / cm 2 or less of platinum,
Only including,
The carbon catalyst includes iron,
Shows a weight loss rate of 12.0% by weight or less from 200 ° C. to 1200 ° C. measured by thermogravimetric analysis under a nitrogen atmosphere,
In the X-ray absorption fine structure analysis of the K absorption edge of the iron, the following (a) and / or (b):
(A) the ratio of the normalized absorbance of 7130 eV to the normalized absorbance of 7110 eV is 7.0 or more;
(B) the ratio of the normalized absorbance of 7135 eV to the normalized absorbance of 7110 eV is 7.0 or more;
A cathode comprising a carbon structure that exhibits:
前記第一の層の重量から前記電解質材料の重量を減じて得られる残重量に対する前記電解質材料の重量の比が0.30以上である、請求項1乃至7のいずれかに記載のカソード。 The first layer includes an electrolyte material,
The cathode according to any one of claims 1 to 7 , wherein a ratio of a weight of the electrolyte material to a remaining weight obtained by subtracting a weight of the electrolyte material from a weight of the first layer is 0.30 or more.
前記第二の層の重量から前記電解質材料の重量を減じて得られる残重量に対する前記電解質材料の重量の比が0.05以上である、請求項1乃至8のいずれかに記載のカソード。 The second layer includes an electrolyte material,
The cathode according to any one of claims 1 to 8 , wherein a ratio of a weight of the electrolyte material to a remaining weight obtained by subtracting a weight of the electrolyte material from a weight of the second layer is 0.05 or more.
14. The battery according to claim 13 , which is a fuel cell.
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