JP6661976B2 - Electrode catalyst, catalyst layer using the electrode catalyst, and fuel cell - Google Patents

Electrode catalyst, catalyst layer using the electrode catalyst, and fuel cell Download PDF

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Description

本発明は電極触媒、特に燃料電池に用いられる電極触媒、ならびに当該電極触媒を用いる触媒層、および燃料電池に関するものである。   The present invention relates to an electrode catalyst, particularly an electrode catalyst used for a fuel cell, a catalyst layer using the electrode catalyst, and a fuel cell.

プロトン伝導性固体高分子膜を用いた固体高分子形燃料電池(PEFC)は、例えば、固体酸化物形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池など、他のタイプの燃料電池と比較して低温で作動する。このため、固体高分子形燃料電池は、定置用電源や、自動車などの移動体用動力源として期待されており、その実用も開始されている。   A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) using a proton-conducting solid polymer membrane has a lower temperature than other types of fuel cells, such as a solid oxide fuel cell and a molten carbonate fuel cell. Operate. For this reason, polymer electrolyte fuel cells are expected as stationary power sources and power sources for mobile bodies such as automobiles, and their practical use has been started.

PEFCの構成は、一般的には、膜−電極接合体(MEA)をセパレータで挟持した構造となっている。MEAは、一般的には、ガス拡散層、カソード触媒層、固体高分子電解質膜、アノード触媒層、およびガス拡散層が積層した構造を有する。   The structure of a PEFC generally has a structure in which a membrane-electrode assembly (MEA) is sandwiched between separators. The MEA generally has a structure in which a gas diffusion layer, a cathode catalyst layer, a solid polymer electrolyte membrane, an anode catalyst layer, and a gas diffusion layer are stacked.

MEAでは、以下のような電気化学的反応が進行する。まず、アノード(燃料極)側に供給された燃料ガスに含まれる水素が、触媒により酸化され、プロトンおよび電子となる。次に、生成したプロトンは、アノード側触媒層に含まれる高分子電解質、さらにアノード側触媒層と接触している固体高分子電解質膜を通り、カソード(空気極)側触媒層に達する。また、アノード側触媒層で生成した電子は、アノード側触媒層を構成している導電性担体、さらにアノード側触媒層の固体高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、ガスセパレータおよび外部回路を通してカソード側触媒層に達する。そして、カソード側触媒層に達したプロトンおよび電子はカソード側触媒層に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する。燃料電池では、上述した電気化学的反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。触媒層に用いられる触媒は、通常、白金や白金合金などの触媒金属をカーボン担体に担持してなる。   In the MEA, the following electrochemical reaction proceeds. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode (fuel electrode) side is oxidized by the catalyst to become protons and electrons. Next, the generated protons reach the cathode (air electrode) side catalyst layer through the polymer electrolyte contained in the anode side catalyst layer and further through the solid polymer electrolyte membrane in contact with the anode side catalyst layer. The electrons generated in the anode-side catalyst layer are converted into a conductive carrier constituting the anode-side catalyst layer, a gas diffusion layer in contact with a different side of the anode-side catalyst layer from the solid polymer electrolyte membrane, and a gas separator. And an external circuit to reach the cathode-side catalyst layer. Then, the protons and electrons that have reached the cathode side catalyst layer react with oxygen contained in the oxidizing gas supplied to the cathode side catalyst layer to generate water. In a fuel cell, electricity can be extracted to the outside through the above-described electrochemical reaction. The catalyst used for the catalyst layer is generally formed by supporting a catalyst metal such as platinum or a platinum alloy on a carbon carrier.

燃料電池の長時間の連続運転や起動停止などさまざまな原因によってアノードおよびカソードの電位は大きく変化する。例えば、起動停止状態では、アノードガス流路およびカソードガス流路の双方に空気(O)が含まれている状態であり、起動時にHをアノードに供給すると、Hが供給された部分とHが到達していない部分との間に電位差が発生する。この電位差により、対極であるカソードがHの供給を強いられ、カソード側のHの供給部分が高電位に曝される。このような電位の変化により、カーボンを主成分とする触媒担体の腐食が発生する。それによって、電極性能が経時的に低下し、燃料電池の性能が劣化する主な原因となっている。 The potentials of the anode and the cathode greatly change due to various causes such as long-time continuous operation and start / stop of the fuel cell. For example, in a start-stop state is a state in which both of the anode gas passage and the cathode gas passage contains air (O 2), is supplied with H 2 to the anode at startup, H 2 is supplied portion a potential difference is generated between the with H 2 does not reach portions. Due to this potential difference, the cathode serving as the counter electrode is forced to supply H + , and the H + supply portion on the cathode side is exposed to a high potential. Such a change in potential causes corrosion of the catalyst carrier containing carbon as a main component. As a result, the electrode performance deteriorates with time, which is a main cause of deterioration of the performance of the fuel cell.

このため、高電位に曝された場合であっても、触媒担体が安定であることが求められる。特許文献1では、導電性ダイヤモンドは、グラファイトよりも広い電位窓を有するため、触媒層が高電位となった場合であってもカーボンが変質しにくく、燃料電池の触媒担体として使用することができるとしている。   Therefore, the catalyst carrier is required to be stable even when exposed to a high potential. In Patent Literature 1, conductive diamond has a wider potential window than graphite, so that carbon is hardly deteriorated even when the catalyst layer has a high potential, and can be used as a catalyst carrier for a fuel cell. And

また、アノード側においても燃料電池の作動中に供給される燃料(H)が欠乏する水素スタベーションによって、カーボンを主成分とする触媒担体の腐食が発生する。 Also, on the anode side, corrosion of the catalyst carrier containing carbon as a main component occurs due to hydrogen starvation in which fuel (H 2 ) supplied during operation of the fuel cell is deficient.

特開2010−199063号公報JP 2010-199063 A

燃料電池は、上述したように移動体用駆動源や定置用電源として検討されているが、これらの用途に適用されるためには、長期間に渡る耐久性に加え、高い導電性が求められる。しかしながら、特許文献1では、導電性ダイヤモンドとは導電性が1000Ωcm以下のものを指すと記載されているのみであり、導電性ダイヤモンドを燃料電池用の触媒担体として用いた場合に十分な導電性が確保されるかという観点での検討はなされていない。   Fuel cells have been studied as driving sources and stationary power sources for moving bodies as described above, but in order to be applied to these applications, high conductivity is required in addition to long-term durability. . However, Patent Document 1 only describes that conductive diamond refers to those having a conductivity of 1000 Ωcm or less, and when conductive diamond is used as a catalyst carrier for a fuel cell, sufficient conductivity is not obtained. No consideration has been given as to whether it will be secured.

上記事情に鑑み、本発明は、導電性を確保しつつ、長期間にわたる耐久性も確保された電極触媒を提供することを目的とする。   In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide an electrode catalyst that has long-term durability while ensuring conductivity.

本発明の電極触媒は、導電性ダイヤモンドを電極触媒担体として用い、該導電性ダイヤモンドが特定のピークエリア比および/またはピーク強度比を有する点に特徴を有する。   The electrode catalyst of the present invention is characterized in that conductive diamond is used as an electrode catalyst carrier, and the conductive diamond has a specific peak area ratio and / or peak intensity ratio.

本発明によれば、導電性を確保しつつ、長期間にわたる耐久性も確保された電極触媒を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electrocatalyst which has ensured electroconductivity and the durability over a long period of time can be provided.

本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池の基本構成を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic sectional view showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell according to one embodiment of the present invention. 実施例1の透過型電子顕微鏡(TEM)写真である。3 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of Example 1. 実施例の耐久性試験の結果を示す図である。It is a figure showing the result of the endurance test of an example.

第一実施形態の電極触媒(本明細書中では、「触媒」とも称する)は、触媒担体として導電性ダイヤモンドを用い、該導電性ダイヤモンドに触媒金属が担持されてなる。ここで、導電性ダイヤモンドは、以下の(1)および(2)の少なくとも一方を満たす。(1)ラマン分光スペクトルで測定されるsp2軌道由来のピークエリアに対するsp3軌道由来のピークエリアの比が0を超えて0.2以下である。(2)ラマン分光スペクトルで測定されるsp2軌道由来のピーク強度に対するsp3軌道由来のピーク強度の比が0を超えて0.8以下である。   The electrode catalyst of the first embodiment (also referred to as “catalyst” in the present specification) uses conductive diamond as a catalyst carrier, and a catalyst metal is supported on the conductive diamond. Here, the conductive diamond satisfies at least one of the following (1) and (2). (1) The ratio of the peak area derived from the sp3 orbit to the peak area derived from the sp2 orbit measured in the Raman spectrum is more than 0 and not more than 0.2. (2) The ratio of the peak intensity derived from the sp3 orbit to the peak intensity derived from the sp2 orbit measured in the Raman spectrum is more than 0 and not more than 0.8.

以下、ラマン分光スペクトルで測定されるsp2軌道由来のピークエリアに対するsp3軌道由来のピークエリアの比(sp3軌道由来のピークエリア/sp2軌道由来のピークエリア)を単にピークエリア比とも称する。また、ラマン分光スペクトルで測定されるsp2軌道由来のピーク強度に対するsp3軌道由来のピーク強度の比(sp3軌道由来のピーク強度/sp2軌道由来のピーク強度)を単にピーク強度比とも称する。   Hereinafter, the ratio of the peak area derived from the sp3 orbit to the peak area derived from the sp2 orbit measured by Raman spectroscopy (peak area derived from the sp3 orbit / peak area derived from the sp2 orbit) is also simply referred to as peak area ratio. The ratio of the peak intensity derived from the sp3 orbital to the peak intensity derived from the sp2 orbital measured in the Raman spectroscopy spectrum (peak intensity derived from the sp3 orbital / peak intensity derived from the sp2 orbital) is also simply referred to as peak intensity ratio.

上記構成を有する触媒によれば、導電性および耐久性に優れた電極触媒を提供することができる。   According to the catalyst having the above configuration, an electrode catalyst having excellent conductivity and durability can be provided.

特許文献1では、燃料電池の電極触媒担体として導電性ダイヤモンドを用いうることが記載されている。ここで、特許文献1では、「導電性ダイヤモンドライクカーボンとは、ダイヤモンド結合(炭素同士のSP混成軌道結合)とグラファイト結合(炭素同士のSP混成軌道結合)の両方の結合が混在しているアモルファス構造をとるカーボンのうち、導電性が1000Ωcm以下のものをいう。」と記載されている。このため、特許文献1でいうところの導電性ダイヤモンドは非常に広範な範囲を規定している。実際、特許文献1では、導電性ダイヤモンドの特性について、詳細は検討されておらず、実施例において用いた導電性ダイヤモンドは平均粒径0.03μmのダイヤモンドライクカーボン粉末と記載されているのみで、具体的特性は何ら記載されていない。また、特許文献1においては、グラファイトとダイヤモンドの中間の性質を有するダイヤモンドライクカーボンは、「成膜時」にダイヤモンドライクカーボンを構成する炭素原子のSP混成軌道結合とSP混成軌道結合の比率を調整することで、導電性を調節することができると記載されている。しかしながら、特許文献1には、ダイヤモンドライクカーボンのSP混成軌道結合とSP混成軌道結合の比率において具体的にどのような比率のものがよいか一切記載がなく、また、実施例等で用いた触媒における具体的比率の記載も一切ない。 Patent Literature 1 discloses that conductive diamond can be used as an electrode catalyst carrier for a fuel cell. Here, in Patent Document 1, “conductive diamond-like carbon is a mixture of both diamond bonds (SP 3 hybrid orbital bonds between carbons) and graphite bonds (SP 2 hybrid orbital bonds between carbons). Of carbon having an amorphous structure, which has a conductivity of 1000 Ωcm or less. ” For this reason, the conductive diamond referred to in Patent Document 1 defines a very wide range. In fact, Patent Document 1 does not discuss the details of the properties of conductive diamond, and only describes the conductive diamond used in the examples as diamond-like carbon powder having an average particle size of 0.03 μm. No specific properties are described. Further, in Patent Document 1, diamond-like carbon having a property intermediate between graphite and diamond is a ratio of SP 2 hybrid orbital bond and SP 3 hybrid orbital bond of carbon atoms constituting diamond-like carbon at “at the time of film formation”. It is described that the conductivity can be adjusted by adjusting. However, Patent Literature 1 does not disclose at all what specific ratio is preferable in the ratio of SP 2 hybrid orbital coupling to SP 3 hybrid orbital coupling of diamond-like carbon. There is no description of the specific ratio of the catalyst used.

一方、従来触媒担体として汎用されているケッチェンブラックのような炭素材料(sp3軌道由来のピークエリア=0)は、導電性は高いものの、長時間の連続運転や起動停止などによって触媒担体の腐食が起きうる。本発明者は、導電性ダイヤモンドの中でも、ダイヤモンドの性質が比較的弱く、グラファイトの性質が比較的強い構造であれば、上記課題を解決できると推論した。上記推論に基づいてさらに鋭意検討した結果、導電性ダイヤモンドのピークエリア比が0を超えて0.2以下および/またはピーク強度比が0を超えて0.8以下であれば、導電性および耐久性をバランスよく両立できることを見出した。   On the other hand, carbon materials such as Ketjen Black, which has been widely used as a conventional catalyst carrier (peak area derived from sp3 orbital = 0), have high conductivity, but the corrosion of the catalyst carrier due to long-time continuous operation or start / stop is caused. Can occur. The present inventor has inferred that, among conductive diamonds, the above problem can be solved by a structure having relatively weak diamond properties and relatively strong graphite properties. As a result of further studies based on the above inference, it has been found that if the peak area ratio of the conductive diamond is more than 0 and 0.2 or less and / or the peak intensity ratio is more than 0 and 0.8 or less, the conductivity and It was found that the characteristics could be balanced.

本実施形態の電極触媒によると、高い導電性と耐久性を有する。ゆえに、本発明の触媒を用いた触媒層および燃料電池は、発電性能に優れ、高い耐久性を有する。   According to the electrode catalyst of the present embodiment, it has high conductivity and durability. Therefore, the catalyst layer and the fuel cell using the catalyst of the present invention are excellent in power generation performance and have high durability.

以下、適宜図面を参照しながら、本発明の触媒の一実施形態、並びにこれを使用した触媒層、膜電極接合体(MEA)および燃料電池の一実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明は、以下の実施形態のみには制限されない。なお、各図面は説明の便宜上誇張されて表現されており、各図面における各構成要素の寸法比率が実際とは異なる場合がある。また、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明した場合では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   Hereinafter, an embodiment of a catalyst of the present invention, and a catalyst layer, a membrane electrode assembly (MEA) and a fuel cell using the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to only the following embodiments. Each drawing is exaggerated for convenience of explanation, and the dimensional ratio of each component in each drawing may be different from the actual one. In addition, in the case where the embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings, the same elements will be denoted by the same reference symbols in the description of the drawings, and redundant description will be omitted.

また、本明細書において、範囲を示す「X〜Y」は「X以上Y以下」を意味する。また、特記しない限り、操作および物性等の測定は室温(20〜25℃)/相対湿度40〜50%の条件で測定する。   In this specification, “X to Y” indicating a range means “X or more and Y or less”. Unless otherwise specified, the operation and measurement of physical properties are performed under the conditions of room temperature (20 to 25 ° C.) / Relative humidity of 40 to 50%.

[電極触媒]
本実施形態の電極触媒は、触媒担体として導電性ダイヤモンドを用い、該導電性ダイヤモンドが以下の(1)および(2)の少なくとも一方を満たす;(1)ピークエリア比が0を超えて0.2以下である、(2)ピーク強度比が0を超えて0.8以下である。ピークエリア比が0.2を超える、または、ピーク強度比が0.8を超えると、電極触媒の導電性が顕著に低下する。一方で、導電性ダイヤモンドを触媒担体として用いる、すなわち、sp3結合を有する触媒(ピーク強度比およびピークエリア比が0を超える)とすることで、耐久性が顕著に向上する。好適には、導電性ダイヤモンドが(1)および(2)を満たすことが好ましい。
[Electrode catalyst]
The electrode catalyst of the present embodiment uses conductive diamond as a catalyst carrier, and the conductive diamond satisfies at least one of the following (1) and (2); (1) the peak area ratio exceeds 0 to 0.1. (2) The peak intensity ratio is more than 0 and not more than 0.8. When the peak area ratio exceeds 0.2 or the peak intensity ratio exceeds 0.8, the conductivity of the electrode catalyst is significantly reduced. On the other hand, by using conductive diamond as a catalyst carrier, that is, by using a catalyst having an sp3 bond (the peak intensity ratio and the peak area ratio exceed 0), the durability is significantly improved. Preferably, the conductive diamond satisfies (1) and (2).

導電性ダイヤモンドのピークエリア比は、好ましくは、耐久性の観点からは、0.01以上である。また、導電性ダイヤモンドのピークエリア比は、より好ましくは0.02以上0.15以下である。導電性ダイヤモンドのピークエリア比を上記のように、グラファイト結合に上記割合でダイヤモンド結合を有する構造とすることで、より十分な導電性を有し、かつ耐久性もより高い電極触媒が得られる。   The peak area ratio of the conductive diamond is preferably 0.01 or more from the viewpoint of durability. The peak area ratio of the conductive diamond is more preferably 0.02 or more and 0.15 or less. As described above, by making the peak area ratio of the conductive diamond into the structure having the diamond bond in the graphite bond in the above ratio, an electrode catalyst having more sufficient conductivity and higher durability can be obtained.

導電性ダイヤモンドのピーク強度比は、好ましくは、耐久性の観点からは、0.01以上である。また、導電性ダイヤモンドのピーク強度比は、より好ましくは0.02以上0.75以下である。導電性ダイヤモンドのピーク強度比を上記のように、グラファイト結合にわずかにダイヤモンド結合を有する構造とすることで、十分な導電性を有し、かつ耐久性も高い電極触媒が得られる。   The peak intensity ratio of the conductive diamond is preferably 0.01 or more from the viewpoint of durability. Further, the peak intensity ratio of the conductive diamond is more preferably 0.02 or more and 0.75 or less. By setting the peak intensity ratio of the conductive diamond to a structure having a slight diamond bond to the graphite bond as described above, an electrode catalyst having sufficient conductivity and high durability can be obtained.

sp3軌道由来のピークは、ラマン散乱分析で1290〜1350cm−1付近に観測されるダイヤモンド結合に起因するシャープなピークである。また、sp2軌道由来のピークは、ラマン散乱分析で1580cm−1付近に観測されるグラファイト結合(炭素原子の六角格子内振動)に起因するピークである。 The peak derived from the sp3 orbit is a sharp peak due to diamond bonding, which is observed around 1290 to 1350 cm -1 by Raman scattering analysis. The peak derived from the sp2 orbital is a peak due to a graphite bond (vibration in a hexagonal lattice of carbon atoms) observed near 1580 cm -1 by Raman scattering analysis.

本明細書において、ピークエリア比およびピーク強度比は、実施例に記載の装置、条件、およびソフトウェアを用いて、sp3軌道由来のピークエリア/ピーク強度およびsp2軌道由来のピークエリア/ピーク強度を測定する。そして、この値を基にピークエリア比およびピーク強度比を算出した値を採用する。また、いわゆるDバンドと、sp3軌道由来のピークとは、重複する部分があるが、上記ソフトウェアにより明確に分離することができる。   In the present specification, the peak area ratio and the peak intensity ratio are obtained by measuring the peak area / peak intensity derived from the sp3 orbit and the peak area / peak intensity derived from the sp2 orbit using the apparatus, conditions, and software described in the examples. I do. Then, a value obtained by calculating the peak area ratio and the peak intensity ratio based on this value is adopted. Further, the so-called D band and the peak derived from the sp3 orbit have an overlapping portion, but can be clearly separated by the software.

本実施形態の導電性ダイヤモンドの比抵抗は、1Ω・cm以下であることが好ましい。導電性ダイヤモンドの比抵抗がかような値であることで、十分な導電性を確保することができる。導電性ダイヤモンドの比抵抗は、0.8Ω・cm以下であることがより好ましく、0.6Ω・cm以下であることがさらに好ましい。なお、比抵抗は低ければ低いほど好ましいため、その下限は0Ω・cmである。比抵抗は、実施例の粉末比抵抗に記載の方法により測定された値を採用する。   The specific resistance of the conductive diamond of the present embodiment is preferably 1 Ω · cm or less. When the specific resistance of the conductive diamond is such a value, sufficient conductivity can be secured. The specific resistance of the conductive diamond is more preferably 0.8 Ω · cm or less, further preferably 0.6 Ω · cm or less. Note that the lower the specific resistance, the better. Therefore, the lower limit is 0 Ω · cm. As the specific resistance, a value measured by the method described in “Powder specific resistance” in Examples is adopted.

触媒担体としての導電性ダイヤモンドのピークエリア比、ピーク強度比および比抵抗は、触媒金属担持前の導電性ダイヤモンドのピークエリア比、ピーク強度比および比抵抗と実質的に同一であることから、製造段階で導電性ダイヤモンドのピークエリア比、ピーク強度比および比抵抗がわかる場合には、その値を採用する。または、電極触媒において、白金等の触媒金属を王水等の酸などで溶出させることによって触媒担体のみを得、該触媒担体のピークエリア比、ピーク強度比および比抵抗を測定してもよい。   Since the peak area ratio, peak intensity ratio and specific resistance of the conductive diamond as the catalyst carrier are substantially the same as the peak area ratio, peak intensity ratio and specific resistance of the conductive diamond before supporting the catalytic metal, the production is performed. If the peak area ratio, peak intensity ratio and specific resistance of the conductive diamond are known at the stage, the values are adopted. Alternatively, in the electrode catalyst, a catalyst metal such as platinum may be eluted with an acid such as aqua regia to obtain only the catalyst carrier, and the peak area ratio, peak intensity ratio and specific resistance of the catalyst carrier may be measured.

導電性ダイヤモンドとは、ダイヤモンドライクカーボンとも称され、実施例に記載のラマン分光スペクトルにおいてsp3結合およびsp2結合を有するカーボンのうち導電性を有するものを指す。また、導電性ダイヤモンドは、アモルファス構造をとることが好ましい。なお、「アモルファス構造をとる」とは、全てがアモルファス構造を有するものに限定されず、アモルファス構造以外に部分的にグラファイト構造などを有するものも含む。ここで、導電性を有するとは、後述の実施例に記載の方法により測定した粉末比抵抗が、1000Ω・cm以下であることを指す。   The conductive diamond is also referred to as diamond-like carbon, and refers to carbon having electrical conductivity among carbons having an sp3 bond and an sp2 bond in a Raman spectroscopic spectrum described in Examples. Further, the conductive diamond preferably has an amorphous structure. Note that “having an amorphous structure” is not limited to an amorphous structure, but also includes a partially graphite structure in addition to the amorphous structure. Here, having conductivity means that the powder specific resistance measured by the method described in Examples described later is 1000 Ω · cm or less.

触媒担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに充分な比表面積であればよいが、好ましくは10m/g以上、より好ましくは20〜200m/gである。触媒における触媒担体のBET比表面積は、製造段階の触媒担体のBET比表面積、または触媒より触媒金属を除去して測定したBET比表面積である。 The BET specific surface area of the catalyst carrier may be a specific surface area sufficient to allow the catalyst component to be highly dispersed and supported, but is preferably 10 m 2 / g or more, more preferably 20 to 200 m 2 / g. The BET specific surface area of the catalyst carrier in the catalyst is the BET specific surface area of the catalyst carrier in the production stage or the BET specific surface area measured by removing the catalyst metal from the catalyst.

なお、本明細書において、「BET比表面積」は、窒素吸着法により測定される。詳細には、サンプル 約0.04〜0.07gを精秤し、試料管に封入する。この試料管を真空乾燥器で90℃×数時間予備乾燥し、測定用サンプルとする。秤量には、株式会社島津製作所製電子天秤(AW220)を用いる。なお、塗布シートの場合には、これの全重量から、同面積のテフロン(登録商標)(基材)重量を差し引いた塗布層の正味の重量約0.03〜0.04gを試料重量として用いる。次に、下記測定条件にて、BET比表面積を測定する。吸着・脱着等温線の吸着側において、相対圧(P/P)約0.00〜0.45の範囲から、BETプロットを作成することで、その傾きと切片からBET比表面積を算出する。 In this specification, the “BET specific surface area” is measured by a nitrogen adsorption method. Specifically, about 0.04 to 0.07 g of a sample is precisely weighed and sealed in a sample tube. This sample tube is pre-dried at 90 ° C. for several hours in a vacuum dryer to obtain a sample for measurement. An electronic balance (AW220) manufactured by Shimadzu Corporation is used for weighing. In the case of a coated sheet, the net weight of the coated layer obtained by subtracting the Teflon (registered trademark) (base material) weight of the same area from the total weight of the coated sheet is used as the sample weight. . Next, the BET specific surface area is measured under the following measurement conditions. On the adsorption side of the adsorption / desorption isotherm, a BET plot is created from the range of the relative pressure (P / P 0 ) of about 0.00 to 0.45, and the BET specific surface area is calculated from its slope and intercept.

また、触媒担体の大きさは、特に限定されない。担持の容易さ、触媒利用率、電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、触媒担体の平均粒径(直径)が好ましくは5〜2000nm、より好ましくは10〜200nm、特に好ましくは20〜100nm程度とするのがよい。「触媒担体の平均粒径」の値としては、特に言及のない限り、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。また、「粒子径(直径)」とは、粒子の中心を通りかつ粒子の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離を意味するものとする。   The size of the catalyst carrier is not particularly limited. From the viewpoint of controlling the ease of loading, the catalyst utilization, and the thickness of the electrode catalyst layer in an appropriate range, the average particle diameter (diameter) of the catalyst carrier is preferably 5 to 2000 nm, more preferably 10 to 200 nm, Particularly preferably, the thickness is about 20 to 100 nm. Unless otherwise specified, the value of the “average particle size of the catalyst carrier” is observed in several to several tens of fields using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). The value calculated as the average value of the particle diameters of the particles is adopted. Further, the “particle diameter (diameter)” means the maximum distance among any two points passing through the center of the particle and on the outline of the particle.

触媒金属は、電気的化学反応の触媒作用をする機能を有する。アノード触媒層に用いられる触媒金属は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、カソード触媒層に用いられる触媒金属もまた、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。触媒金属としては、具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、銅、銀、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属およびこれらの合金などから選択されうる。   The catalytic metal has a function of catalyzing an electrochemical reaction. The catalyst metal used for the anode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action on the oxidation reaction of hydrogen, and a known catalyst can be used in the same manner. The catalyst metal used for the cathode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action on the oxygen reduction reaction, and a known catalyst can be used in the same manner. Specific examples of the catalyst metal include metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, copper, silver, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum. And alloys thereof.

これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。すなわち、触媒金属は、白金であるまたは白金と白金以外の金属成分を含むことが好ましく、白金または白金含有合金であることがより好ましい。このような触媒金属は、高い活性を発揮できる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金の含有量を30〜90原子%とし、白金と合金化する金属の含有量を10〜70原子%とするのがよい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本明細書ではいずれであってもよい。この際、アノード触媒層に用いられる触媒金属およびカソード触媒層に用いられる触媒金属は、上記の中から適宜選択されうる。本明細書では、特記しない限り、アノード触媒層用およびカソード触媒層用の触媒金属についての説明は、両者について同様の定義である。しかしながら、アノード触媒層およびカソード触媒層の触媒金属は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択されうる。   Among them, those containing at least platinum are preferably used in order to improve catalytic activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance, and the like. That is, the catalyst metal is preferably platinum or contains platinum and a metal component other than platinum, and more preferably platinum or a platinum-containing alloy. Such a catalytic metal can exhibit high activity. Although the composition of the alloy depends on the type of the metal to be alloyed, the content of platinum is preferably 30 to 90 atomic%, and the content of the metal to be alloyed with platinum is preferably 10 to 70 atomic%. Note that an alloy is generally a metal element obtained by adding one or more metal elements or non-metal elements, and is a general term for an alloy having metallic properties. The alloy structure includes eutectic alloys, which are so-called mixtures in which the component elements are separate crystals, those in which the component elements are completely dissolved and in solid solution, and those in which the component elements are intermetallic compounds or compounds of metals and nonmetals. Some of them are formed, and any of them may be used in this specification. At this time, the catalyst metal used for the anode catalyst layer and the catalyst metal used for the cathode catalyst layer can be appropriately selected from the above. In this specification, unless otherwise specified, the description of the catalyst metal for the anode catalyst layer and the catalyst metal for the cathode catalyst layer has the same definition for both. However, the catalyst metal of the anode catalyst layer and the catalyst metal of the cathode catalyst layer do not need to be the same, and can be appropriately selected so as to exert the above-described desired action.

また、担体における触媒の担持量(担持率とも称する場合がある)は、触媒担体(つまり、担体および触媒)の全量に対して、好ましくは5〜80重量%、より好ましくは10〜60重量%とするのがよい。担持量が前記範囲であれば、十分な触媒成分の担体上での分散度、発電性能の向上、経済上での利点、単位重量あたりの触媒活性が達成できるため好ましい。   The amount of the catalyst carried on the carrier (sometimes referred to as the carrying ratio) is preferably 5 to 80% by weight, more preferably 10 to 60% by weight, based on the total amount of the catalyst carrier (that is, the carrier and the catalyst). It is good to do. It is preferable that the loading amount is in the above-mentioned range since sufficient dispersion of the catalyst component on the carrier, improvement of power generation performance, economical advantage, and catalytic activity per unit weight can be achieved.

電極触媒の製造方法は特に限定されるものではないが、ピークエリア比が0を超えて0.2以下である、および/または、ピークエリア比が0を超えて0.8以下である、導電性ダイヤモンド(触媒担体)に、金属触媒前駆体を担持させて製造することが好ましい。   The method for producing the electrode catalyst is not particularly limited, but the peak area ratio is more than 0 and 0.2 or less, and / or the peak area ratio is more than 0 and 0.8 or less. It is preferable that the metal catalyst precursor is supported on a crystalline diamond (catalyst carrier).

特定のピークエリア比、および/または、ピーク強度比を有する触媒担体の製造方法は、特に限定されるものではないが、いわゆる爆轟法による得ることができる。   The method for producing the catalyst carrier having a specific peak area ratio and / or peak intensity ratio is not particularly limited, but can be obtained by a so-called detonation method.

爆轟法とは、爆薬組成物を炭素原料として、通常密閉容器内もしくは水中等で爆発させることにより合成する方法である。このような爆轟法は、例えば、特開2005−289677号公報など、研磨剤などに使用されるナノダイヤモンドの製造法として公知であるが、爆轟法によれば、ナノダイヤモンド以外に、完全なダイヤモンド構造を有していない炭素分が存在しうる。本発明においては、完全なダイヤモンド構造を有していない炭素分から、上記ピークエリア比またはピーク強度比を有する導電性ダイヤモンドを選択することができる。また、爆轟法において、爆轟時の圧力を低くする、衝撃波が伝達しにくい容器内の箇所からサンプリングする、爆轟のエネルギーを小さくする(火薬の量を少なくする等)、衝撃波が伝わりにくくなるようサンプルを配置するなどによって、導電性ダイヤモンドを選択的に形成させることができる。   The detonation method is a method of synthesizing an explosive composition as a carbon raw material by explosion in a closed container or in water or the like. Such a detonation method is known as a method for producing nanodiamond used for abrasives and the like, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-289677. There may be carbon components that do not have a perfect diamond structure. In the present invention, a conductive diamond having the above-mentioned peak area ratio or peak intensity ratio can be selected from a carbon content not having a complete diamond structure. In addition, in the detonation method, the pressure at the time of detonation is reduced, sampling from a place in the container where shock waves are difficult to transmit, the energy of the detonation is reduced (reducing the amount of explosives), the shock wave is difficult to transmit The conductive diamond can be selectively formed by arranging a sample so as to be suitable.

密閉容器の大きさは、特に限定は無いが、合成ダイヤモンドの回収等の容易さ等から、例えば爆薬100g〜200gに対して、5〜50リッター程度、より好ましくは10〜30リッター程度の爆発に耐えうる容器が好ましい。具体的には、密閉容器として、特開2005−289677号公報の図1に記載の密閉容器などを用いることができる。密閉容器を使用する場合には、爆轟に際して、雰囲気が実質的に酸素を含まないようにすれば、炭素分の酸化反応を抑制できるため、収率を向上することができる。このような雰囲気を得るには、例えば、窒素ガスやアルゴンガス、炭酸ガスなどの不活性ガスで置換すればよい。   Although the size of the closed container is not particularly limited, for example, for explosives of 100 g to 200 g, the explosive is preferably about 5 to 50 liters, more preferably about 10 to 30 liters, for ease of recovery of synthetic diamond and the like. A tolerable container is preferred. Specifically, the closed container shown in FIG. 1 of JP-A-2005-289677 can be used as the closed container. In the case of using a closed container, when the atmosphere is substantially free of oxygen during the detonation, the oxidation reaction of carbon can be suppressed, so that the yield can be improved. In order to obtain such an atmosphere, for example, the atmosphere may be replaced with an inert gas such as a nitrogen gas, an argon gas, or a carbon dioxide gas.

爆発は通常の爆薬の爆発と同様に、雷管や導爆線を用いて起爆すればよい。この際、伝爆薬を用いてもよい。   The explosion can be initiated using a detonator or detonating wire, just like a normal explosive. At this time, an explosive may be used.

爆薬組成物における爆薬成分としては、爆速6,000m/s以上のものが好ましく、7,000m/s以上のものが好ましく、通常現在使用されているものは爆速10,000m/s以下程度である。   The explosive component in the explosive composition preferably has an explosion speed of 6,000 m / s or more, more preferably 7,000 m / s or more, and those currently used generally have an explosion speed of about 10,000 m / s or less. .

爆薬成分としては、ニトロ基を含む化合物、好ましくはニトロ基を3個以上含む化合物、例えば、芳香族ニトロ化合物(好ましくはアミノ基又は/及びメチル基で置換されていてもよいトリ又はテトラニトロベンゼン)、ニトロアミン(好ましくはC3〜C6アルキル(3〜6ニトロ)アミン)、硝酸エステルが挙げられる。具体的には、トリニトロトルエン(TNT)、トリニトロベンゼン(TNB)、トリメチレントリニトロアミン(RDX)、テトラメチレンテトラニトロアミン(HMX)、テトラニトロメチルアニリン(テトリル)、トリアミノトリニトロベンゼン(TATB)、ジアミノトリニトロベンゼン(DATB)、ヘキサニトロスチルベン(HNS)、ヘキサニトロアゾベンゼン(HNAB)、ヘキサニトロジフェニルアミン(HNDP)、ピクリン酸、ピクリン酸アンモニウム、ベンゾトリアゾール(TACOT)、エチレンジニトラミン(EDNA)、ニトログアニジン(NQ)やペンタエリスリトールテトラナイトレート(PETN)およびこれらの混合爆薬であるペントライト、サイクロトール、オクトールなどが挙げられる。これらは単独で用いても、2種類以上併用してもよい。   As the explosive component, a compound containing a nitro group, preferably a compound containing three or more nitro groups, for example, an aromatic nitro compound (preferably tri- or tetranitrobenzene optionally substituted with an amino group and / or a methyl group) , Nitroamines (preferably C3-C6 alkyl (3-6 nitro) amines), and nitrates. Specifically, trinitrotoluene (TNT), trinitrobenzene (TNB), trimethylenetrinitroamine (RDX), tetramethylenetetranitroamine (HMX), tetranitromethylaniline (tetrile), triaminotrinitrobenzene (TATB) , Diaminotrinitrobenzene (DATB), hexanitrostilbene (HNS), hexanitroazobenzene (HNAB), hexanitrodiphenylamine (HNDP), picric acid, ammonium picrate, benzotriazole (TACOT), ethylene dinitramine (EDNA), Examples include nitroguanidine (NQ), pentaerythritol tetranitrate (PETN), and mixed explosives such as pentolite, cyclotol, and octol. These may be used alone or in combination of two or more.

爆薬成分としては、粉体状のトリニトロトルエン(TNT)、トリメチレントリニトロアミン(RDX)、テトラメチレンテトラニトロアミン(HMX)などのニトロ基を3個以上含む化合物や、ペンタエリスリトールテトラナイトレート(ペンスリット)のような硝酸エステルが、担体の得やすさ(ピークエリア比/ピーク強度比の制御のしやすさ)、性能面、取扱上の安全性の観点から好ましい。これらの爆薬は単独で用いても2種以上併用してもよい。粉末状の爆薬成分の粒径は10〜200μmの範囲、好ましくは30〜120μmの範囲である。粒径の異なる複数の爆薬成分を混合して使用することも可能である。   Examples of the explosive component include compounds containing three or more nitro groups such as powdery trinitrotoluene (TNT), trimethylenetrinitroamine (RDX) and tetramethylenetetranitroamine (HMX), and pentaerythritol tetranitrate ( A nitrate ester such as a pen slit is preferred from the viewpoints of the easiness of obtaining the carrier (easiness of controlling the peak area ratio / peak intensity ratio), performance, and safety in handling. These explosives may be used alone or in combination of two or more. The particle size of the powder explosive component is in the range of 10 to 200 μm, preferably in the range of 30 to 120 μm. It is also possible to use a mixture of a plurality of explosive components having different particle sizes.

また、爆薬組成物には、爆薬成分の他、特開2005−289677号に記載の高分子結合剤を用いてもよい。高分子結合剤としては、ポリブタジエン系(ポリブタジエン:密度0.91g/cc、酸素バランス−3.23g)、ポリウレタン系(ポリウレタン:密度1.50g/cc、酸素バランス−2.13g)、ポリエーテル系(ポリエチレングリコール:密度1.12g/cc、酸素バランス−1.78g)等の高分子物質、グリシジルアジドポリマ(GAP:密度1.29g/cc、酸素バランス−1.21g、爆発熱2500kJ/kg)等のアジドポリマ、ポリニトラトメチルメチルオキセタン(polyNIMMO:密度1.26g/cc、酸素バランス−1.14g、爆発熱818kJ/kg)等のオキセタンポリマおよびポリグリシジルナイトレート(polyGLYN:密度1.46g/cc、酸素バランス−0.61g、爆発熱2661kJ/kg)等のオキシランポリマを挙げることができる。尚、爆発熱は反応物質と爆発生成物質の生成エネルギーの差で定義される。   Further, in the explosive composition, a polymer binder described in JP-A-2005-289677 may be used in addition to the explosive component. Examples of the polymer binder include polybutadiene (polybutadiene: density 0.91 g / cc, oxygen balance-3.23 g), polyurethane (polyurethane: density 1.50 g / cc, oxygen balance-2.13 g), polyether-based (Polyethylene glycol: density 1.12 g / cc, oxygen balance -1.78 g), etc., glycidyl azide polymer (GAP: density 1.29 g / cc, oxygen balance -1.21 g, explosion heat 2500 kJ / kg) Oxetane polymers such as azido polymer, polynitratomethylmethyloxetane (polyNIMMO: density 1.26 g / cc, oxygen balance -1.14 g, heat of explosion 818 kJ / kg) and polyglycidyl nitrate (polyGLYN: density 1.46 g / cc, oxygen balance -0.61g, explosion 2661kJ / kg) oxirane polymers, and the like can be given. The heat of explosion is defined as the difference between the energy generated by the reactant and the energy generated by the explosion.

爆薬組成物の密度は1.4g/cc以上であることが好ましい。爆薬組成物の爆轟圧は、比較的低い方が好ましく、15〜35GPaであることが好ましい。   The explosive composition preferably has a density of at least 1.4 g / cc. The detonation pressure of the explosive composition is preferably relatively low, and more preferably 15 to 35 GPa.

爆轟法により得られた残渣中には、容器の残骸や導線・ワイヤなどの爆破瓦礫を含むことがある。そのような場合には、爆轟工程で得られた残渣から瓦礫を除去して、導電性ダイヤモンドを回収する工程を設けることが好ましい。得られた残渣においてサンプルを数点採取し、各サンプルにおいてラマン分光スペクトルを測定し、所望のピークエリア比/ピーク強度比を有する導電性ダイヤモンドを選択することによって、触媒担体を得ることができる。   The debris obtained by the detonation method may include debris from containers and blast debris such as wires and wires. In such a case, it is preferable to provide a step of removing rubble from the residue obtained in the detonation step and collecting the conductive diamond. A catalyst carrier can be obtained by collecting several samples of the obtained residue, measuring the Raman spectrum of each sample, and selecting a conductive diamond having a desired peak area ratio / peak intensity ratio.

触媒担体に、金属触媒前駆体を担持させる方法は特に限定されるものではないが、具体的には、触媒担体の表面に触媒金属を析出させることが好ましい。例えば、触媒金属の前駆体溶液に、触媒担体を浸漬した後、還元する方法が好ましく使用される。   The method for supporting the metal catalyst precursor on the catalyst carrier is not particularly limited, but specifically, it is preferable to deposit the catalyst metal on the surface of the catalyst carrier. For example, a method of immersing a catalyst carrier in a precursor solution of a catalyst metal and then reducing the catalyst carrier is preferably used.

ここで、触媒金属の前駆体としては、特に制限されず、使用される触媒金属の種類によって適宜選択される。具体的には、上記白金等の触媒金属の塩化物、硝酸塩、硫酸塩、塩化物、酢酸塩およびアミン化合物などが例示できる。より具体的には、塩化白金(ヘキサクロロ白金酸六水和物)、塩化パラジウム、塩化ロジウム、塩化ルテニウムなどの塩化物、硝酸パラジウム、硝酸ロジウム、硝酸イリジウムなどの硝酸塩、硫酸パラジウム、硫酸ロジウムなどの硫酸塩、酢酸ロジウムなどの酢酸塩、ジニトロジアンミン白金硝酸、ジニトロジアンミンパラジウムなどのアンミン化合物などが好ましく、例示される。また、触媒金属の前駆体溶液の調製に使用される溶媒は、触媒金属の前駆体を溶解できるものであれば特に制限されず、使用される触媒金属の前駆体の種類によって適宜選択される。具体的には、水、酸、アルカリ、有機溶媒などが挙げられる。触媒金属の前駆体溶液中の触媒金属の前駆体の濃度は、特に制限されないが、金属換算で0.1〜50重量%であることが好ましく、より好ましくは0.5〜20重量%である。触媒金属の前駆体溶液に触媒担体を浸漬する際は、担体内部まで溶液が浸漬されやすいように減圧処理を行うことが好ましい。   Here, the precursor of the catalytic metal is not particularly limited, and is appropriately selected depending on the type of the catalytic metal used. Specific examples include chlorides, nitrates, sulfates, chlorides, acetates and amine compounds of the above-mentioned catalyst metals such as platinum. More specifically, chlorides such as platinum chloride (hexachloroplatinic acid hexahydrate), palladium chloride, rhodium chloride, ruthenium chloride, nitrates such as palladium nitrate, rhodium nitrate and iridium nitrate, palladium sulfate, rhodium sulfate and the like Sulfates, acetates such as rhodium acetate and the like, and ammine compounds such as dinitrodiammineplatinum nitrate and dinitrodiamminepalladium are preferable and exemplified. The solvent used for preparing the catalyst metal precursor solution is not particularly limited as long as it can dissolve the catalyst metal precursor, and is appropriately selected depending on the type of the catalyst metal precursor to be used. Specifically, water, acid, alkali, organic solvent and the like can be mentioned. The concentration of the catalyst metal precursor in the catalyst metal precursor solution is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 50% by weight, more preferably 0.5 to 20% by weight in terms of metal. . When the catalyst carrier is immersed in the catalyst metal precursor solution, it is preferable to perform a reduced pressure treatment so that the solution is easily immersed inside the carrier.

還元剤としては、水素、ヒドラジン、ホウ素化水素ナトリウム、チオ硫酸ナトリウム、クエン酸、クエン酸ナトリウム、L−アスコルビン酸、水素化ホウ素ナトリウム、ホルムアルデヒド、メタノール、エタノール、エチレン、一酸化炭素等が挙げられる。なお、水素などの常温でガス状の物質は、バブリングで供給することもできる。還元剤の量は、上記触媒金属の前駆体を触媒金属に還元できる量であれば特に制限されず、公知の量を同様にして適用できる。   Examples of the reducing agent include hydrogen, hydrazine, sodium borohydride, sodium thiosulfate, citric acid, sodium citrate, L-ascorbic acid, sodium borohydride, formaldehyde, methanol, ethanol, ethylene, carbon monoxide and the like. . Note that a gaseous substance at normal temperature such as hydrogen can be supplied by bubbling. The amount of the reducing agent is not particularly limited as long as the precursor of the catalyst metal can be reduced to the catalyst metal, and a known amount can be similarly applied.

析出条件は、触媒金属が触媒担体に析出できる条件であれば特に制限されない。例えば、析出温度は、溶媒の沸点付近の温度、より好ましくは室温〜100℃であることが好ましい。また、析出時間は、1〜10時間、より好ましくは2〜8時間であることが好ましい。なお、上記析出工程は、必要であれば、撹拌・混合しながら行ってもよい。   The precipitation conditions are not particularly limited as long as the catalyst metal can be deposited on the catalyst carrier. For example, the deposition temperature is preferably a temperature near the boiling point of the solvent, more preferably room temperature to 100 ° C. Further, the deposition time is preferably 1 to 10 hours, more preferably 2 to 8 hours. The precipitation step may be performed with stirring and mixing, if necessary.

これにより、触媒金属の前駆体が触媒金属に還元されて、触媒金属が触媒担体に析出(担持)する。   As a result, the precursor of the catalyst metal is reduced to the catalyst metal, and the catalyst metal is deposited (supported) on the catalyst carrier.

[燃料電池]
本発明の他の実施形態は、第一実施形態の電極触媒を含む触媒層および燃料電池である。第一実施形態の電極触媒は、導電性が高いとともに長時間使用してもその性能の低下が少ない。このため、第一実施形態の電極触媒を用いた触媒層および燃料電池は、発電性能に優れ、また、高い発電性能が維持される。
[Fuel cell]
Another embodiment of the present invention is a catalyst layer including the electrode catalyst of the first embodiment and a fuel cell. The electrocatalyst of the first embodiment has high conductivity and its performance does not decrease much even when used for a long time. For this reason, the catalyst layer and the fuel cell using the electrode catalyst of the first embodiment have excellent power generation performance and maintain high power generation performance.

燃料電池は、膜電極接合体(MEA)と、燃料ガスが流れる燃料ガス流路を有するアノード側セパレータと酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有するカソード側セパレータとからなる一対のセパレータとを有する。   The fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA), and a pair of separators including an anode-side separator having a fuel gas flow path through which a fuel gas flows and a cathode-side separator having an oxidizing gas flow path through which an oxidizing gas flows. Have.

図1は、本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池(PEFC)1の基本構成を示す概略図である。PEFC 1は、まず、固体高分子電解質膜2と、これを挟持する一対の触媒層(アノード触媒層3aおよびカソード触媒層3c)とを有する。そして、固体高分子電解質膜2と触媒層(3a、3c)との積層体はさらに、一対のガス拡散層(GDL)(アノードガス拡散層4aおよびカソードガス拡散層4c)により挟持されている。このように、固体高分子電解質膜2、一対の触媒層(3a、3c)および一対のガス拡散層(4a、4c)は、積層された状態で膜電極接合体(MEA)10を構成する。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 1 according to one embodiment of the present invention. The PEFC 1 has a solid polymer electrolyte membrane 2 and a pair of catalyst layers (anode catalyst layer 3a and cathode catalyst layer 3c) sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 2. The laminate of the solid polymer electrolyte membrane 2 and the catalyst layers (3a, 3c) is further sandwiched by a pair of gas diffusion layers (GDL) (anode gas diffusion layer 4a and cathode gas diffusion layer 4c). In this manner, the solid polymer electrolyte membrane 2, the pair of catalyst layers (3a, 3c) and the pair of gas diffusion layers (4a, 4c) constitute a membrane electrode assembly (MEA) 10 in a stacked state.

PEFC 1において、MEA 10はさらに、一対のセパレータ(アノードセパレータ5aおよびカソードセパレータ5c)により挟持されている。図1において、セパレータ(5a、5c)は、図示したMEA 10の両端に位置するように図示されている。ただし、複数のMEAが積層されてなる燃料電池スタックでは、セパレータは、隣接するPEFC(図示せず)のためのセパレータとしても用いられるのが一般的である。換言すれば、燃料電池スタックにおいてMEAは、セパレータを介して順次積層されることにより、スタックを構成することとなる。なお、実際の燃料電池スタックにおいては、セパレータ(5a、5c)と固体高分子電解質膜2との間や、PEFC 1とこれと隣接する他のPEFCとの間にガスシール部が配置されるが、図1ではこれらの記載を省略する。   In the PEFC 1, the MEA 10 is further sandwiched by a pair of separators (anode separator 5a and cathode separator 5c). In FIG. 1, the separators (5a, 5c) are shown as being located at both ends of the MEA 10 shown. However, in a fuel cell stack in which a plurality of MEAs are stacked, the separator is generally used also as a separator for an adjacent PEFC (not shown). In other words, in the fuel cell stack, the MEAs are sequentially stacked with the separator interposed therebetween, thereby forming a stack. In an actual fuel cell stack, a gas seal portion is disposed between the separator (5a, 5c) and the solid polymer electrolyte membrane 2, or between the PEFC 1 and another PEFC adjacent thereto. 1, these descriptions are omitted.

セパレータ(5a、5c)は、例えば、厚さ0.5mm以下の薄板にプレス処理を施すことで図1に示すような凹凸状の形状に成形することにより得られる。セパレータ(5a、5c)のMEA側から見た凸部はMEA 10と接触している。これにより、MEA 10との電気的な接続が確保される。また、セパレータ(5a、5c)のMEA側から見た凹部(セパレータの有する凹凸状の形状に起因して生じるセパレータとMEAとの間の空間)は、PEFC 1の運転時にガスを流通させるためのガス流路として機能する。具体的には、アノードセパレータ5aのガス流路6aには燃料ガス(例えば、水素など)を流通させ、カソードセパレータ5cのガス流路6cには酸化剤ガス(例えば、空気など)を流通させる。   The separators (5a, 5c) are obtained, for example, by pressing a thin plate having a thickness of 0.5 mm or less to form an uneven shape as shown in FIG. The protrusions of the separators (5a, 5c) viewed from the MEA side are in contact with the MEA 10. As a result, an electrical connection with the MEA 10 is ensured. In addition, the concave portion (the space between the separator and the MEA generated due to the uneven shape of the separator) as viewed from the MEA side of the separator (5a, 5c) is used to allow gas to flow during operation of the PEFC 1. Functions as a gas flow path. Specifically, a fuel gas (for example, hydrogen) flows through the gas flow path 6a of the anode separator 5a, and an oxidizing gas (for example, air) flows through the gas flow path 6c of the cathode separator 5c.

一方、セパレータ(5a、5c)のMEA側とは反対の側から見た凹部は、PEFC 1の運転時にPEFCを冷却するための冷媒(例えば、水)を流通させるための冷媒流路7とされる。さらに、セパレータには通常、マニホールド(図示せず)が設けられる。このマニホールドは、スタックを構成した際に各セルを連結するための連結手段として機能する。かような構成とすることで、燃料電池スタックの機械的強度が確保されうる。   On the other hand, the recesses viewed from the side opposite to the MEA side of the separators (5a, 5c) serve as a coolant flow path 7 for flowing a coolant (for example, water) for cooling the PEFC 1 during operation of the PEFC 1. You. Further, the separator is usually provided with a manifold (not shown). This manifold functions as connecting means for connecting the cells when a stack is formed. With such a configuration, the mechanical strength of the fuel cell stack can be ensured.

なお、図1に示す実施形態においては、セパレータ(5a、5c)は凹凸状の形状に成形されている。ただし、セパレータは、かような凹凸状の形態のみに限定されるわけではなく、ガス流路および冷媒流路の機能を発揮できる限り、平板状、一部凹凸状などの任意の形態であってもよい。   Note that, in the embodiment shown in FIG. 1, the separators (5a, 5c) are formed in an uneven shape. However, the separator is not limited to only such a concavo-convex form, as long as the function of the gas flow path and the refrigerant flow path can be exhibited, a flat form, an arbitrary form such as a partially concavo-convex shape. Is also good.

上記のような、第一実施形態の電極触媒を有する燃料電池は、優れた発電性能および耐久性を発揮する。ここで、燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では高分子電解質形燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、高分子電解質形燃料電池(PEFC)が好ましく挙げられる。また、燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求される自動車などの移動体用電源として用いられることが特に好ましい。   The fuel cell having the electrode catalyst of the first embodiment as described above exhibits excellent power generation performance and durability. Here, the type of the fuel cell is not particularly limited, and in the above description, the polymer electrolyte fuel cell has been described as an example. In addition, an alkaline fuel cell, a direct methanol fuel cell And a micro fuel cell. Among them, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is preferred because it is compact and can achieve high density and high output. In addition, the fuel cell is useful as a stationary power supply in addition to a power supply for a mobile body such as a vehicle having a limited mounting space. Above all, it is particularly preferable to use it as a power source for a mobile body such as an automobile that requires a high output voltage after a relatively long operation stop.

燃料電池を運転する際に用いられる燃料は特に限定されない。例えば、水素、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、第2級ブタノール、第3級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどが用いられうる。なかでも、高出力化が可能である点で、水素やメタノールが好ましく用いられる。   The fuel used when operating the fuel cell is not particularly limited. For example, hydrogen, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, secondary butanol, tertiary butanol, dimethyl ether, diethyl ether, ethylene glycol, diethylene glycol and the like can be used. Among them, hydrogen and methanol are preferably used because high output can be achieved.

また、燃料電池の適用用途は特に限定されるものではないが、車両に適用することが好ましい。本実施形態の燃料電池は、発電性能および耐久性に優れ、小型化が実現可能である。このため、本発明の燃料電池は、車載性の点から、車両に該燃料電池を適用した場合、特に有利である。したがって、本発明の他の実施形態は、上記燃料電池を有する車両である。   The application of the fuel cell is not particularly limited, but is preferably applied to a vehicle. The fuel cell of this embodiment is excellent in power generation performance and durability, and can be downsized. For this reason, the fuel cell of the present invention is particularly advantageous when the fuel cell is applied to a vehicle from the viewpoint of vehicle mounting. Therefore, another embodiment of the present invention is a vehicle having the above fuel cell.

以下、本形態の燃料電池を構成する部材について簡単に説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみに制限されない。   Hereinafter, members constituting the fuel cell of the present embodiment will be briefly described, but the technical scope of the present invention is not limited to only the following embodiments.

[触媒層]
触媒層は、上記実施形態の電極触媒および(高分子)電解質を含む。本実施形態の電極触媒は耐久性が高く、十分な導電性を有し、触媒層に適用した場合であっても、高耐久性および十分な導電性が担保される。
[Catalyst layer]
The catalyst layer contains the electrode catalyst of the above embodiment and a (polymer) electrolyte. The electrode catalyst of this embodiment has high durability and sufficient conductivity, and high durability and sufficient conductivity are ensured even when applied to the catalyst layer.

ここで、触媒層は、カソード触媒層およびアノード触媒層のいずれであってもよいが、上記実施形態の電極触媒は、少なくともアノード触媒層に用いられることが好ましい。アノード側では触媒の反応速度が速いため、触媒金属、特に白金の使用量を低減することができる。しかしながら、少量の触媒金属の使用においては、触媒担体の劣化により触媒金属量が減少すると、わずかな減少量でも顕著な性能低下となる。第一実施形態の電極触媒は耐久性が高いので、第一実施形態の電極触媒をアノード触媒層に適用することで、アノード触媒層における触媒劣化による顕著な性能低下を抑制することができる。   Here, the catalyst layer may be either a cathode catalyst layer or an anode catalyst layer, but the electrode catalyst of the above embodiment is preferably used at least for the anode catalyst layer. Since the reaction speed of the catalyst is high on the anode side, the amount of the catalytic metal, particularly platinum, can be reduced. However, when a small amount of catalyst metal is used, if the amount of catalyst metal is reduced due to deterioration of the catalyst carrier, even a small decrease in the amount of catalyst metal significantly reduces the performance. Since the electrode catalyst of the first embodiment has high durability, by applying the electrode catalyst of the first embodiment to the anode catalyst layer, it is possible to suppress a significant decrease in performance due to catalyst deterioration in the anode catalyst layer.

本形態において、単位触媒塗布面積当たりの触媒含有量(mg/cm)は、十分な触媒の担体上での分散度、発電性能が得られる限り特に制限されず、例えば、0.01〜1mg/cmである。また、単位触媒塗布面積当たりの白金含有量は、0.5mg/cm以下であることが好ましい。白金に代表される高価な貴金属触媒の使用は燃料電池の高価格要因となっている。したがって、高価な白金の使用量(白金含有量)を上記範囲まで低減し、コストを削減することが好ましい。白金含有量の下限値は発電性能が得られる限り特に制限されないが、例えば、0.01mg/cm以上である。より好ましくは、当該白金含有量は0.02〜0.4mg/cmである。 In the present embodiment, the catalyst content (mg / cm 2 ) per unit catalyst application area is not particularly limited as long as a sufficient degree of dispersion of the catalyst on the carrier and power generation performance can be obtained, and for example, 0.01 to 1 mg. / Cm 2 . Further, the platinum content per unit catalyst application area is preferably 0.5 mg / cm 2 or less. The use of expensive noble metal catalysts typified by platinum has become a factor of high cost of fuel cells. Therefore, it is preferable to reduce the amount of expensive platinum used (platinum content) to the above range to reduce costs. The lower limit of the platinum content is not particularly limited as long as power generation performance can be obtained, and is, for example, 0.01 mg / cm 2 or more. More preferably, the platinum content is between 0.02 and 0.4 mg / cm 2 .

なお、本明細書において、「単位触媒塗布面積当たりの触媒(白金)含有量(mg/cm)」の測定(確認)には、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)を用いる。所望の「単位触媒塗布面積当たりの触媒(白金)含有量(mg/cm)」にせしめる方法も当業者であれば容易に行うことができ、スラリーの組成(触媒濃度)と塗布量を制御することで含有量を調整することができる。 In the present specification, inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP) is used to measure (confirm) the “catalyst (platinum) content per unit catalyst application area (mg / cm 2 )”. A person skilled in the art can easily carry out a method of obtaining a desired “content of catalyst (platinum) per unit catalyst application area (mg / cm 2 )” by controlling the composition of the slurry (catalyst concentration) and the application amount. By doing so, the content can be adjusted.

高分子電解質は、特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうる。高分子電解質は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質と炭化水素系高分子電解質とに大別される。   The polymer electrolyte is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to. Polymer electrolytes are roughly classified into fluorine-based polymer electrolytes and hydrocarbon-based polymer electrolytes depending on the type of ion exchange resin that is a constituent material.

フッ素系高分子電解質を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。耐熱性、化学的安定性、耐久性、機械強度に優れるという観点からは、これらのフッ素系高分子電解質が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質が用いられる。   Examples of the ion exchange resin constituting the fluoropolymer electrolyte include, for example, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) and the like. Perfluorocarbon sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride-par Fluorocarbon sulfonic acid polymers and the like can be mentioned. From the viewpoint of excellent heat resistance, chemical stability, durability and mechanical strength, these fluorine-based polymer electrolytes are preferably used, and particularly preferably a fluorine-based polymer electrolyte composed of a perfluorocarbonsulfonic acid-based polymer. Is used.

炭化水素系電解質として、具体的には、スルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾール、ホスホン化ポリベンズイミダゾール、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(SPEEK)、スルホン化ポリフェニレン(S−PPP)などが挙げられる。原料が安価で製造工程が簡便であり、かつ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系高分子電解質が好ましく用いられる。   Specific examples of the hydrocarbon-based electrolyte include sulfonated polyethersulfone (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole, phosphonated polybenzimidazole, sulfonated polystyrene, and sulfonated polyetherether. Ketone (SPEEK), sulfonated polyphenylene (S-PPP), and the like. From the viewpoint of production that the raw materials are inexpensive, the production process is simple, and the selectivity of the material is high, these hydrocarbon-based polymer electrolytes are preferably used.

なお、上述したイオン交換樹脂は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよい。   In addition, only one kind of the above-mentioned ion exchange resin may be used alone, or two or more kinds may be used in combination. Further, the present invention is not limited to only the above-described materials, and other materials may be used.

プロトンの伝達を担う高分子電解質においては、プロトンの伝導度が重要となる。ここで、高分子電解質のEWが大きすぎる場合には触媒層全体でのイオン伝導性が低下する。したがって、触媒層は、EWの小さい高分子電解質を含むことが好ましい。具体的には、触媒層は、好ましくはEWが1500g/eq.以下の高分子電解質を含み、より好ましくは1200g/eq.以下の高分子電解質を含む。   In a polymer electrolyte responsible for proton transmission, proton conductivity is important. Here, if the EW of the polymer electrolyte is too large, the ionic conductivity of the entire catalyst layer decreases. Therefore, the catalyst layer preferably contains a polymer electrolyte having a low EW. Specifically, the catalyst layer preferably has an EW of 1500 g / eq. It contains the following polymer electrolyte, more preferably 1200 g / eq. Including the following polymer electrolytes.

一方、EWが小さすぎる場合には、親水性が高すぎて、水の円滑な移動が困難となる。かような観点から、高分子電解質のEWは600以上であることが好ましい。なお、EW(Equivalent Weight)は、プロトン伝導性を有する交換基の当量重量を表している。当量重量は、イオン交換基1当量あたりの高分子電解質の乾燥重量であり、「g/eq」の単位で表される。   On the other hand, if the EW is too small, the hydrophilicity is too high, and it is difficult to smoothly move water. From such a viewpoint, the EW of the polymer electrolyte is preferably 600 or more. In addition, EW (Equivalent Weight) represents the equivalent weight of an exchange group having proton conductivity. The equivalent weight is a dry weight of the polymer electrolyte per equivalent of the ion exchange group, and is expressed in units of “g / eq”.

触媒層は、触媒と高分子電解質との間に、触媒と高分子電解質とをプロトン伝導可能な状態に連結しうる液体プロトン伝導材を含んでもよい。液体プロトン伝導材が導入されることによって、触媒と高分子電解質との間に、液体プロトン伝導材を介したプロトン輸送経路が確保され、発電に必要なプロトンを効率的に触媒表面へ輸送することが可能となる。これにより、触媒の利用効率が向上するため、発電性能を維持しながら触媒の使用量を低減することが可能となる。この液体プロトン伝導材は触媒と高分子電解質との間に介在していればよく、触媒層内の多孔質担体間の空孔(二次空孔)や多孔質担体内の空孔(メソ孔等:一次空孔)内に配置されうる。   The catalyst layer may include, between the catalyst and the polymer electrolyte, a liquid proton conductive material capable of connecting the catalyst and the polymer electrolyte in a state capable of conducting protons. The introduction of the liquid proton conducting material ensures a proton transport path between the catalyst and the polymer electrolyte via the liquid proton conducting material, and efficiently transports protons required for power generation to the catalyst surface. Becomes possible. As a result, the utilization efficiency of the catalyst is improved, so that the usage amount of the catalyst can be reduced while maintaining the power generation performance. The liquid proton conductive material only needs to be interposed between the catalyst and the polymer electrolyte. The pores (secondary pores) between the porous carriers in the catalyst layer and the pores (mesopores) in the porous carrier are required. Etc .: primary vacancies).

液体プロトン伝導材としては、イオン伝導性を有し、触媒と高分子電解質と間のプロトン輸送経路を形成する機能を発揮しうる限り、特に限定されることはない。具体的には水、プロトン性イオン液体、過塩素酸水溶液、硝酸水溶液、ギ酸水溶液、酢酸水溶液などを挙げることができる。   The liquid proton conductive material is not particularly limited as long as it has ion conductivity and can exhibit a function of forming a proton transport path between the catalyst and the polymer electrolyte. Specific examples include water, protic ionic liquid, aqueous perchloric acid, aqueous nitric acid, aqueous formic acid, and aqueous acetic acid.

液体プロトン伝導材として水を使用する場合には、発電を開始する前に少量の液水か加湿ガスにより触媒層を湿らせることによって、触媒層内に液体プロトン伝導材としての水を導入することができる。また、燃料電池の作動時における電気化学反応によって生じた生成水を液体プロトン伝導材として利用することもできる。したがって、燃料電池の運転開始の状態においては、必ずしも液体プロトン伝導材が保持されている必要はない。例えば、触媒と電解質との表面距離を、水分子を構成する酸素イオン径である0.28nm以上とすることが望ましい。このような距離を保持することによって、触媒と高分子電解質との非接触状態を保持しながら、触媒と高分子電解質の間(液体伝導材保持部)に水(液体プロトン伝導材)を介入させることができ、両者間の水によるプロトン輸送経路が確保されることになる。   If water is used as the liquid proton conducting material, introduce water as the liquid proton conducting material into the catalyst layer by wetting the catalyst layer with a small amount of liquid water or humidified gas before starting power generation. Can be. Further, water generated by an electrochemical reaction during the operation of the fuel cell can be used as a liquid proton conductive material. Therefore, it is not always necessary to hold the liquid proton conductive material when the fuel cell starts operating. For example, it is desirable that the surface distance between the catalyst and the electrolyte be 0.28 nm or more, which is the diameter of oxygen ions constituting water molecules. By maintaining such a distance, water (liquid proton conductive material) is interposed between the catalyst and the polymer electrolyte (liquid conductive material holding portion) while maintaining the non-contact state between the catalyst and the polymer electrolyte. Thus, a proton transport path by water between the two can be secured.

イオン性液体など、水以外のものを液体プロトン伝導材として使用する場合には、触媒インク作製時に、イオン性液体と高分子電解質と触媒とを溶液中に分散させることが望ましいが、触媒を触媒層基材に塗布する際にイオン性液体を添加してもよい。   When using a substance other than water, such as an ionic liquid, as the liquid proton conductive material, it is desirable to disperse the ionic liquid, the polymer electrolyte, and the catalyst in the solution when preparing the catalyst ink. An ionic liquid may be added when applying to the layer substrate.

触媒層には、必要に応じて、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体などの撥水剤、界面活性剤などの分散剤、グリセリン、エチレングリコール(EG)、ポリビニルアルコール(PVA)、プロピレングリコール(PG)などの増粘剤、造孔剤等の添加剤が含まれていても構わない。   If necessary, a water repellent such as polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, a dispersant such as a surfactant, glycerin, ethylene glycol (EG) ), Polyvinyl alcohol (PVA), propylene glycol (PG), and other thickening agents, and additives such as pore-forming agents.

触媒層の膜厚(乾燥膜厚)は、好ましくは0.05〜30μm、より好ましくは1〜20μm、さらに好ましくは2〜15μmである。なお、上記は、カソード触媒層およびアノード触媒層双方に適用される。しかしながら、カソード触媒層およびアノード触媒層は、同じであってもあるいは異なってもよい。   The thickness (dry thickness) of the catalyst layer is preferably 0.05 to 30 μm, more preferably 1 to 20 μm, and still more preferably 2 to 15 μm. Note that the above applies to both the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer. However, the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer may be the same or different.

本発明の電極触媒は、電気伝導性に優れるため、触媒層全体の抵抗も小さくすることができる。好適には、触媒層の比抵抗は、10Ω・cm以下であり(下限は0Ω・cm)、より好ましくは0.05〜10Ω・cmである。   Since the electrode catalyst of the present invention has excellent electric conductivity, the resistance of the entire catalyst layer can be reduced. Preferably, the specific resistance of the catalyst layer is 10 Ω · cm or less (the lower limit is 0 Ω · cm), and more preferably 0.05 to 10 Ω · cm.

[電解質膜−電極接合体(MEA)]
MEAは、電解質膜、上記電解質膜の両面に順次形成されるアノード触媒層およびアノードガス拡散層ならびにカソード触媒層およびカソードガス拡散層から構成される。
[Electrolyte membrane-electrode assembly (MEA)]
The MEA includes an electrolyte membrane, an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer, and a cathode catalyst layer and a cathode gas diffusion layer which are sequentially formed on both surfaces of the electrolyte membrane.

電解質膜を構成する電解質は、特に制限されないが、イオン伝導性の高分子電解質であることが好ましい。上記高分子電解質は、燃料極側の触媒活物質周辺で発生したプロトンを伝達する役割を果たすことから、プロトン伝導性高分子とも呼ばれる。   The electrolyte constituting the electrolyte membrane is not particularly limited, but is preferably an ion-conductive polymer electrolyte. The polymer electrolyte plays a role of transmitting protons generated around the catalyst active material on the fuel electrode side, and is therefore also called a proton conductive polymer.

(電解質膜)
電解質膜は、例えば、固体高分子電解質膜から構成される。この固体高分子電解質膜は、例えば、燃料電池(PEFC等)の運転時にアノード触媒層で生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード触媒層へと選択的に透過させる機能を有する。また、固体高分子電解質膜は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
(Electrolyte membrane)
The electrolyte membrane is composed of, for example, a solid polymer electrolyte membrane. The solid polymer electrolyte membrane has, for example, a function of selectively transmitting protons generated in the anode catalyst layer to the cathode catalyst layer along the film thickness direction during operation of a fuel cell (PEFC or the like). Further, the solid polymer electrolyte membrane also has a function as a partition for preventing the fuel gas supplied to the anode side and the oxidizing gas supplied to the cathode side from being mixed.

固体高分子電解質膜を構成する電解質材料としては特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、上記触媒層にて高分子電解質として説明したフッ素系高分子電解質や炭化水素系高分子電解質を同様にして用いることができる。この際、触媒層に用いた高分子電解質と必ずしも同じものを用いる必要はない。   The electrolyte material constituting the solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to. For example, a fluorine-based polymer electrolyte or a hydrocarbon-based polymer electrolyte described as a polymer electrolyte in the catalyst layer can be used in the same manner. At this time, it is not always necessary to use the same polymer electrolyte as that used for the catalyst layer.

電解質膜の厚さは、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定すればよく、特に制限されない。電解質膜の厚さは、通常は5〜300μm程度である。電解質膜の厚さがかような範囲内の値であると、製膜時の強度や使用時の耐久性および使用時の出力特性のバランスが適切に制御されうる。   The thickness of the electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained fuel cell, and is not particularly limited. The thickness of the electrolyte membrane is usually about 5 to 300 μm. When the thickness of the electrolyte membrane is within such a range, the balance between the strength during film formation, the durability during use, and the output characteristics during use can be appropriately controlled.

(ガス拡散層)
ガス拡散層(アノードガス拡散層4a、カソードガス拡散層4c)は、セパレータのガス流路(6a、6c)を介して供給されたガス(燃料ガスまたは酸化剤ガス)の触媒層(3a、3c)への拡散を促進する機能、および電子伝導パスとしての機能を有する。
(Gas diffusion layer)
The gas diffusion layers (anode gas diffusion layer 4a, cathode gas diffusion layer 4c) are formed of catalyst layers (3a, 3c) of gas (fuel gas or oxidizing gas) supplied through gas flow paths (6a, 6c) of the separator. ) And a function as an electron conduction path.

ガス拡散層(4a、4c)の基材を構成する材料は特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性および多孔質性を有するシート状材料が挙げられる。基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。基材の厚さがかような範囲内の値であれば、機械的強度とガスおよび水などの拡散性とのバランスが適切に制御されうる。   The material constituting the base material of the gas diffusion layers (4a, 4c) is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to. For example, a conductive and porous sheet material such as a carbon woven fabric, a paper-like paper body, a felt, and a nonwoven fabric may be used. The thickness of the substrate may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, and may be about 30 to 500 μm. When the thickness of the base material is within such a range, the balance between mechanical strength and diffusibility of gas, water, and the like can be appropriately controlled.

ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を含むことが好ましい。撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。   The gas diffusion layer preferably contains a water repellent for the purpose of further increasing the water repellency and preventing the flooding phenomenon and the like. Examples of the water repellent include, but are not particularly limited to, fluorine-based high-molecular materials such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). Examples include a molecular material, polypropylene, and polyethylene.

また、撥水性をより向上させるために、ガス拡散層は、撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層(マイクロポーラス層;MPL、図示せず)を基材の触媒層側に有するものであってもよい。   In order to further improve the water repellency, the gas diffusion layer is provided with a carbon particle layer (microporous layer; MPL, not shown) made of an aggregate of carbon particles containing a water repellent on the catalyst layer side of the substrate. You may have.

カーボン粒子層に含まれるカーボン粒子は特に限定されず、カーボンブラック、グラファイト、膨張黒鉛などの従来公知の材料が適宜採用されうる。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく用いられうる。カーボン粒子の平均粒径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。   The carbon particles contained in the carbon particle layer are not particularly limited, and conventionally known materials such as carbon black, graphite, and expanded graphite can be appropriately used. Among them, carbon blacks such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black can be preferably used because of their excellent electron conductivity and large specific surface area. The average particle size of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. As a result, a high drainage property can be obtained by the capillary force, and the contact with the catalyst layer can be improved.

カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられうる。   Examples of the water repellent used in the carbon particle layer include the same water repellents as described above. Among them, a fluorine-based polymer material can be preferably used because it is excellent in water repellency, corrosion resistance during an electrode reaction, and the like.

カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、撥水性および電子伝導性のバランスを考慮して、重量比で90:10〜40:60(カーボン粒子:撥水剤)程度とするのがよい。なお、カーボン粒子層の厚さについても特に制限はなく、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。   The mixing ratio between the carbon particles and the water repellent in the carbon particle layer is about 90:10 to 40:60 (carbon particles: water repellent) by weight in consideration of the balance between water repellency and electron conductivity. Is good. The thickness of the carbon particle layer is not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the water repellency of the obtained gas diffusion layer.

(電解質膜−電極接合体の製造方法)
電解質膜−電極接合体の作製方法としては、特に制限されず、従来公知の方法を使用できる。例えば、電解質膜に触媒層をホットプレスで転写または塗布し、これを乾燥したものに、ガス拡散層を接合する方法や、ガス拡散層のマイクロポーラス層側(マイクロポーラス層を含まない場合には、基材層の片面)に触媒層を予め塗布して乾燥することによりガス拡散電極(GDE)を2枚作製し、固体高分子電解質膜の両面にこのガス拡散電極をホットプレスで接合する方法を使用することができる。ホットプレス等の塗布、接合条件は、固体高分子電解質膜や触媒層内の高分子電解質の種類(パ−フルオロスルホン酸系や炭化水素系)によって適宜調整すればよい。
(Method of manufacturing electrolyte membrane-electrode assembly)
The method for producing the electrolyte membrane-electrode assembly is not particularly limited, and a conventionally known method can be used. For example, the catalyst layer is transferred or applied to the electrolyte membrane by hot pressing and dried, and then the gas diffusion layer is joined to the electrolyte membrane, or the microporous layer side of the gas diffusion layer (when the microporous layer is not included, A method in which two gas diffusion electrodes (GDE) are prepared by applying a catalyst layer in advance on one side of the base material layer and drying, and joining the gas diffusion electrodes to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane by hot pressing. Can be used. The application and bonding conditions of hot pressing or the like may be appropriately adjusted depending on the type of polymer electrolyte (perfluorosulfonic acid or hydrocarbon) in the solid polymer electrolyte membrane or the catalyst layer.

[セパレータ]
セパレータは、固体高分子形燃料電池などの燃料電池の単セルを複数個直列に接続して燃料電池スタックを構成する際に、各セルを電気的に直列に接続する機能を有する。また、セパレータは、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却剤を互に分離する隔壁としての機能も有する。これらの流路を確保するため、上述したように、セパレータのそれぞれにはガス流路および冷却流路が設けられていることが好ましい。セパレータを構成する材料としては、緻密カーボングラファイト、炭素板などのカーボンや、ステンレスなどの金属など、従来公知の材料が適宜制限なく採用できる。セパレータの厚さやサイズ、設けられる各流路の形状やサイズなどは特に限定されず、得られる燃料電池の所望の出力特性などを考慮して適宜決定できる。
[Separator]
The separator has a function of electrically connecting each cell in series when a plurality of single cells of a fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell are connected in series to form a fuel cell stack. Further, the separator also has a function as a partition for separating the fuel gas, the oxidizing gas, and the coolant from each other. In order to secure these flow paths, as described above, it is preferable that each of the separators is provided with a gas flow path and a cooling flow path. As a material for forming the separator, conventionally known materials such as dense carbon graphite, carbon such as a carbon plate, and metal such as stainless steel can be appropriately used without any limitation. The thickness and size of the separator, the shape and size of each flow path provided, and the like are not particularly limited, and can be appropriately determined in consideration of the desired output characteristics of the obtained fuel cell.

燃料電池の製造方法は、特に制限されることなく、燃料電池の分野において従来公知の知見が適宜参照されうる。   The method for manufacturing the fuel cell is not particularly limited, and conventionally known knowledge in the field of the fuel cell can be appropriately referred to.

さらに、燃料電池が所望する電圧を発揮できるように、セパレータを介して電解質膜−電極接合体を複数積層して直列に繋いだ構造の燃料電池スタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。   Further, a fuel cell stack having a structure in which a plurality of electrolyte membrane-electrode assemblies are stacked via a separator and connected in series so that the fuel cell can exhibit a desired voltage may be formed. The shape and the like of the fuel cell are not particularly limited, and may be appropriately determined so as to obtain desired cell characteristics such as a desired voltage.

上述したPEFCや電解質膜−電極接合体は、発電性能および耐久性に優れる触媒層を用いている。したがって、当該PEFCや電解質膜−電極接合体は発電性能および耐久性に優れる。   The above-described PEFC and the electrolyte membrane-electrode assembly use a catalyst layer excellent in power generation performance and durability. Therefore, the PEFC and the electrolyte membrane-electrode assembly are excellent in power generation performance and durability.

本実施形態のPEFCやこれを用いた燃料電池スタックは、例えば、車両に駆動用電源として搭載されうる。   The PEFC of this embodiment and the fuel cell stack using the same can be mounted, for example, as a drive power source in a vehicle.

本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。なお、特記しない限りは、各操作は、室温(25℃)/相対湿度40〜50%の条件で行われる。   The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples. Unless otherwise specified, each operation is performed under the conditions of room temperature (25 ° C.) / Relative humidity of 40 to 50%.

(ラマン分光スペクトルの測定)
ラマンス分光ペクトルの測定は以下の装置・条件で行った。
(Measurement of Raman spectrum)
The measurement of the Raman spectroscopy spectrum was performed with the following apparatus and conditions.

測定装置:Renishaw社 inViaラマンマイクロスコープ
照射レーザー波長:325nm(He−Cdレーザー)
対物レンズ:x40NU
レーザーパワー:5%
積算:1回
スペクトル範囲:−432.53cm−1〜3203.72cm−1
グレーティング:2400l/mm(UV)
照射時間:40s
解析に用いたソフトウェア:WiRE ver.4.0(inVia搭載)。
Measuring device: Renishaw inVia Raman microscope Irradiation laser wavelength: 325 nm (He-Cd laser)
Objective lens: x40NU
Laser power: 5%
Integration: 1 time Spectral range: -432.53 cm -1 to 3203.72 cm -1
Grating: 2400 l / mm (UV)
Irradiation time: 40s
Software used for analysis: WiRE ver. 4.0 (inVia mounted).

カーブフィッティングは、スペクトルの画面上でピーク位置を任意で指定することにより自動的に行った。視認により実測スペクトルとシミュレーションスペクトルの誤差が大きいときはピーク数を加除あるいは位置の移動を行って誤差が小さくなるまで繰り返した。   The curve fitting was automatically performed by arbitrarily specifying a peak position on the spectrum screen. When the error between the actually measured spectrum and the simulated spectrum was large by visual recognition, the number of peaks was added or the position was moved, and the process was repeated until the error became small.

参考例1〜3
特開2005−289677号の実施例1に記載の爆薬組成物を特開2005−289677号の[0039]に記載のように起爆させた後、爆轟残渣を数点サンプリングし、各サンプルを水洗し、乾燥した。その後、各サンプルについて塩酸で金属不純物を溶解させ、沈殿物を濾過した。濾紙に残ったサンプルを水洗し、乾燥させ、各サンプルを得た。
Reference Examples 1-3
After detonating the explosive composition described in Example 1 of JP-A-2005-289677 as described in [0039] of JP-A-2005-289677, several detonation residues were sampled, and each sample was washed with water. And dried. Thereafter, metal impurities were dissolved in each sample with hydrochloric acid, and the precipitate was filtered. The sample remaining on the filter paper was washed with water and dried to obtain each sample.

このようにして得られた各サンプルを下記ラマン分光スペクトルの測定に沿ってスペクトルを測定した。この中から、導電性ダイヤモンドA〜Cを得た。   The spectrum of each of the samples thus obtained was measured according to the following Raman spectroscopy. From among these, conductive diamonds A to C were obtained.

導電性ダイヤモンドAは、ピークエリア比が0.02、ピーク強度比が0.07であり、平均粒径(直径)は、約40nm、BET比表面積は、約50m/gであった。 The conductive diamond A had a peak area ratio of 0.02 and a peak intensity ratio of 0.07, an average particle diameter (diameter) of about 40 nm, and a BET specific surface area of about 50 m 2 / g.

導電性ダイヤモンドBは、ピークエリア比が0.14、ピーク強度比が0.59であり、平均粒径(直径)は、約65nm、BET比表面積は、約50m/gであった。 The conductive diamond B had a peak area ratio of 0.14 and a peak intensity ratio of 0.59, an average particle diameter (diameter) of about 65 nm, and a BET specific surface area of about 50 m 2 / g.

導電性ダイヤモンドCは、ピークエリア比が0.21、ピーク強度比が0.91であった。   The conductive diamond C had a peak area ratio of 0.21 and a peak intensity ratio of 0.91.

参考例4
ケッチェンブラックEC300J(ケッチェンブラックインターナショナル)(担体D)を電気炉内にて窒素雰囲気下で、2000℃、1時間焼成し、グラファイト化ケッチェンブラック(担体E)を得た。
Reference example 4
Ketjen Black EC300J (Ketjen Black International) (Carrier D) was baked in an electric furnace under a nitrogen atmosphere at 2000 ° C. for 1 hour to obtain a graphitized Ketjen Black (Carrier E).

実施例1
上記で得られた導電性ダイヤモンドAを用い、これに触媒金属として平均粒径3nm超5nm以下の白金(Pt)を担持率が30重量%となるように担持させて、触媒粉末を得た。すなわち、白金濃度4.6質量%のジニトロジアンミン白金硝酸溶液を1000g(白金含有量:46g)に担体Aを46g浸漬させ攪拌後、還元剤として100%エタノールを100ml添加した。この溶液を沸点で7時間、攪拌、混合し、白金を導電性ダイヤモンドAに担持させた。そして、濾過、乾燥することにより、担持率が30重量%の触媒粉末を得た。
Example 1
Using the conductive diamond A obtained above, platinum (Pt) having an average particle diameter of more than 3 nm and 5 nm or less as a catalyst metal was supported on the conductive diamond A at a loading of 30% by weight to obtain a catalyst powder. That is, 46 g of the carrier A was immersed in 1000 g (platinum content: 46 g) of a dinitrodiammineplatinum nitric acid solution having a platinum concentration of 4.6% by mass, stirred, and then 100 ml of 100% ethanol as a reducing agent was added. This solution was stirred and mixed at the boiling point for 7 hours, and platinum was supported on the conductive diamond A. Then, by filtering and drying, a catalyst powder having a loading of 30% by weight was obtained.

図2は、実施例1で得られた触媒の透過型電子顕微鏡(TEM)写真である。図1に示されるように、均一な導電性ダイヤモンドの格子像となっており、グラファイト層とダイヤモンド層の明確な境界は確認できなかった。なお、図2の写真における黒い像は、触媒(Pt)である。   FIG. 2 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the catalyst obtained in Example 1. As shown in FIG. 1, a uniform lattice image of the conductive diamond was obtained, and a clear boundary between the graphite layer and the diamond layer could not be confirmed. The black image in the photograph of FIG. 2 is the catalyst (Pt).

(評価方法および結果)
<耐久性試験>
実施例1で得られた触媒粉末を担体量として10mg(触媒として約14.29mg)、水19mlおよびイソプロピルアルコール6ml、およびアイオノマ分散液(Nafion(登録商標)D521、DuPont社製)100μlを混合し、氷水で冷やしながら超音波を60分間照射した。
(Evaluation method and results)
<Durability test>
The catalyst powder obtained in Example 1 was mixed with 10 mg of a carrier (about 14.29 mg as a catalyst), 19 ml of water and 6 ml of isopropyl alcohol, and 100 μl of an ionomer dispersion (Nafion (registered trademark) D521, manufactured by DuPont). Ultrasonic waves were irradiated for 60 minutes while cooling with ice water.

上記で得られたインク10μlをアルミナ(Φ0.05μm)で鏡面研磨したAu電極上に塗布、乾燥させ電極を作製した。   10 μl of the ink obtained above was applied onto an Au electrode mirror-polished with alumina (φ0.05 μm) and dried to prepare an electrode.

対極にPt線、参照電極には可逆水素電極(RHE)を使用した。電解液は、0.1M 過塩素酸(HClO)を用い、Nで飽和させた。測定は60℃で行なった。 A Pt line was used as a counter electrode, and a reversible hydrogen electrode (RHE) was used as a reference electrode. Electrolyte with 0.1M perchloric acid (HClO 4), was saturated with N 2. The measurement was performed at 60 ° C.

電気二重層の電流値(Idl(μA))の算出は、以下のようにして行った。測定実施前に、0.5Vで10秒保持し、その後0.02〜1.2V間を100mV/sで5サイクルさせた。その後、1.0〜1.5Vの電位範囲を0.5V/sの電位掃引速度で上昇(1秒)下降(1秒)し、これを1サイクル(2秒/サイクル)として電位サイクル試験を行った。CV評価は、0.02〜1.2V間を走査速度を50mV/sで3サイクルさせて行った。CV評価は、サイクルが0、100、200、500、1000、2000、3000および4000サイクルのときに行った。電気二重層の電流値(Idl(μA))は、触媒を含まないものは0.2Vにおける酸化および還元電流の和から求め、触媒を含むものは0.35〜0.6Vにおける極小(酸化電流)および極大値(還元電流)の和から求めた。   The calculation of the current value (Idl (μA)) of the electric double layer was performed as follows. Before performing the measurement, the voltage was maintained at 0.5 V for 10 seconds, and then the cycle between 0.02 and 1.2 V was performed at 100 mV / s for 5 cycles. Thereafter, the potential range of 1.0 to 1.5 V is raised (1 second) and lowered (1 second) at a potential sweep rate of 0.5 V / s, and this is taken as one cycle (2 seconds / cycle) to perform a potential cycle test. went. The CV evaluation was performed by performing three cycles between 0.02 and 1.2 V at a scanning speed of 50 mV / s. CV evaluation was performed when the cycle was 0, 100, 200, 500, 1000, 2000, 3000 and 4000 cycles. The electric current value (Idl (μA)) of the electric double layer was obtained from the sum of the oxidation and reduction currents at 0.2 V for those not containing a catalyst, and the minimum value (oxidation current) at 0.35 to 0.6 V for those containing a catalyst. ) And the maximum value (reduction current).

参考例1で得られた導電性ダイヤモンドA、参考例2で得られた導電性ダイヤモンドB、担体Dとして、ケッチェンブラックEC300J(ケッチェンブラックインターナショナル)、および参考例4で得られた担体Eについても同様に耐久性試験を行った。それぞれの0サイクルにおける電気二重層電流で規格化し、電位サイクル回数に対する電気二重層電流の変化(Normalized Idl)をまとめた。 The conductive diamond A obtained in Reference Example 1, the conductive diamond B obtained in Reference Example 2, Ketjen Black EC300J (Ketjen Black International) as the support D, and the support E obtained in Reference Example 4 Was similarly subjected to a durability test. The change in the electric double layer current (Normalized I dl ) with respect to the number of potential cycles was summarized by normalizing the electric double layer current in each of the 0 cycles.

結果を図3に示す。   The results are shown in FIG.

図3の結果より、実施例1の触媒、ならびに導電性ダイヤモンドAおよびBは、4000サイクルもの長期に渡り、反応面積がほとんど変化せず、ゆえに、長期にわたる耐久性に優れると言える。したがって、車両用など長期にわたり電池性能が維持される必要がある用途において非常に有利であることがわかる。特に、反応面積の減少が顕著な性能低下となりうるアノード触媒層に適用されると、その効果が顕著に発揮されることがわかる。また、実施例1の触媒と、導電性ダイヤモンドAとの結果が同様の結果となったことから、触媒の劣化は触媒担体の劣化に実質的に起因するものであることがわかる。   From the results shown in FIG. 3, it can be said that the catalyst of Example 1 and the conductive diamonds A and B hardly change their reaction area for as long as 4000 cycles, and therefore have excellent long-term durability. Therefore, it can be seen that the present invention is very advantageous in an application in which battery performance needs to be maintained for a long time, such as for a vehicle. In particular, when applied to an anode catalyst layer in which a reduction in the reaction area can cause a significant decrease in performance, it can be seen that the effect is remarkably exhibited. Further, since the results of the catalyst of Example 1 and the conductive diamond A were similar, it can be seen that the deterioration of the catalyst was substantially caused by the deterioration of the catalyst carrier.

(評価方法および結果)
<導電性評価(触媒層)>
参考例で得られた導電性ダイヤモンドAまたは導電性ダイヤンモンドBと、高分子電解質としてのアイオノマ分散液(Nafion(登録商標)D2020、EW=1100g/eq、DuPont社製)とを触媒担体とアイオノマの重量比が0.9となるよう混合した。さらに、溶媒としてノルマルプロピルアルコール溶液(40重量%)を固形分率(Pt+触媒担体+アイオノマ)が7重量%となるよう添加して、触媒インクを調製した。
(Evaluation method and results)
<Evaluation of conductivity (catalyst layer)>
Conductive diamond A or conductive diamond B obtained in Reference Example, and an ionomer dispersion liquid (Nafion (registered trademark) D2020, EW = 1100 g / eq, manufactured by DuPont) as a polymer electrolyte were used as a catalyst carrier and ionomer. Were mixed so that the weight ratio became 0.9. Furthermore, a catalyst ink was prepared by adding a normal propyl alcohol solution (40% by weight) as a solvent so that the solid content (Pt + catalyst carrier + ionomer) became 7% by weight.

PTFEシートに触媒インクをスプレー塗布法により厚さ1.7μmに塗布した。スプレー塗布を行うステージを60℃に1分間保つことで触媒インクを乾燥し、電極触媒層を得た。触媒層に、中心2本の距離が1cmである、平衡した4本のPt線を接触させ、下記条件により電気化学インピーダンス法(EIS)により触媒層の抵抗を測定した。   The catalyst ink was applied to the PTFE sheet to a thickness of 1.7 μm by a spray coating method. The catalyst ink was dried by maintaining the stage for performing the spray coating at 60 ° C. for 1 minute to obtain an electrode catalyst layer. Four equilibrium Pt wires having a distance of two centers of 1 cm were brought into contact with the catalyst layer, and the resistance of the catalyst layer was measured by an electrochemical impedance method (EIS) under the following conditions.

温度:25℃
湿度:dry(dry Air雰囲気下)
周波数範囲:10〜0.1kHz
重畳電圧:5mV
バイアス電圧:0V。
Temperature: 25 ° C
Humidity: dry (under dry Air atmosphere)
Frequency range: 10-0.1kHz
Superimposed voltage: 5 mV
Bias voltage: 0V.

その結果、導電性ダイヤモンドAを用いた触媒層の比抵抗は、1.6Ω・cm、導電性ダイヤンモンドBを用いた触媒層の比抵抗は、8.2Ω・cmであった。   As a result, the specific resistance of the catalyst layer using the conductive diamond A was 1.6 Ω · cm, and the specific resistance of the catalyst layer using the conductive diamond B was 8.2 Ω · cm.

<導電性評価(粉末比抵抗)>
JIS K1469:2003の電気抵抗率に準じて、上記で得られた導電性ダイヤモンドの比抵抗を測定した。
<Conductivity evaluation (powder specific resistance)>
The specific resistance of the conductive diamond obtained above was measured according to the electrical resistivity of JIS K1469: 2003.

その結果、導電性ダイヤモンドAの比抵抗は、0.1Ω・cm未満、導電性ダイヤモンドBの比抵抗は0.6Ω・cmであった。また、導電性ダイヤモンドCの比抵抗は、760Ω・cmであった。したがって、導電性ダイヤモンドAおよびBの比抵抗は、導電性ダイヤモンドCの比抵抗と比較して顕著に小さいものであった。   As a result, the specific resistance of the conductive diamond A was less than 0.1 Ω · cm, and the specific resistance of the conductive diamond B was 0.6 Ω · cm. The specific resistance of the conductive diamond C was 760 Ω · cm. Therefore, the specific resistance of the conductive diamonds A and B was significantly smaller than the specific resistance of the conductive diamond C.

なお、電極触媒の導電性は、導電性担体の導電性に依存するため、上記においては導電性ダイヤモンド(担体)の導電性を測定した。   Since the conductivity of the electrode catalyst depends on the conductivity of the conductive carrier, the conductivity of the conductive diamond (carrier) was measured in the above.

1…固体高分子形燃料電池(PEFC)、
2…固体高分子電解質膜、
3…触媒層、
3a…アノード触媒層、
3c…カソード触媒層、
4a…アノードガス拡散層、
4c…カソードガス拡散層、
5a…アノードセパレータ、
5c…カソードセパレータ、
6a…アノードガス流路、
6c…カソードガス流路、
7…冷媒流路、
10…電解質膜−電極接合体(MEA)。
1: Solid polymer fuel cell (PEFC),
2. Solid polymer electrolyte membrane,
3 ... catalyst layer,
3a: anode catalyst layer,
3c: cathode catalyst layer,
4a: anode gas diffusion layer,
4c: cathode gas diffusion layer,
5a: anode separator,
5c: cathode separator,
6a: anode gas flow path,
6c: cathode gas flow path,
7 ... refrigerant channel,
10. Electrolyte membrane-electrode assembly (MEA).

Claims (8)

ラマン分光スペクトルで測定されるsp2軌道由来のピークエリアに対するsp3軌道由来のピークエリアの比が0を超えて0.2以下である導電性ダイヤモンド、および該導電性ダイヤモンドに担持された触媒金属からなる、電極触媒。   The conductive diamond has a ratio of the peak area derived from the sp3 orbital to the peak area derived from the sp2 orbital measured by Raman spectroscopy, which is more than 0 and 0.2 or less, and a catalytic metal supported on the conductive diamond. , Electrocatalyst. ラマン分光スペクトルで測定されるsp2軌道由来のピーク強度に対するsp3軌道由来のピーク強度の比が0を超えて0.8以下である導電性ダイヤモンド、および該導電性ダイヤモンドに担持された触媒金属からなる、電極触媒。   The conductive diamond has a ratio of the peak intensity derived from the sp3 orbital to the peak intensity derived from the sp2 orbital measured by Raman spectroscopy, being more than 0 and not more than 0.8, and a catalytic metal supported on the conductive diamond. , Electrocatalyst. ラマン分光スペクトルで測定されるsp2軌道由来のピーク強度に対するsp3軌道由来のピーク強度比が0を超えて0.8以下である導電性ダイヤモンド、および触媒金属が担持されてなる、請求項1に記載の電極触媒。   The conductive diamond having a ratio of a peak intensity derived from an sp3 orbital to a peak intensity derived from an sp2 orbital measured by a Raman spectroscopy spectrum being more than 0 and 0.8 or less, and a catalyst metal are supported. Electrocatalyst. 前記導電性ダイヤモンドの比抵抗が1Ω・cm以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電極触媒。   The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 3, wherein the specific resistance of the conductive diamond is 1 Ω · cm or less. 前記触媒金属が白金であるまたは白金と白金以外の金属成分を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電極触媒。   The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 4, wherein the catalyst metal is platinum or contains platinum and a metal component other than platinum. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の電極触媒および電解質を含む触媒層。   A catalyst layer comprising the electrode catalyst according to claim 1 and an electrolyte. 請求項6に記載の触媒層を含む燃料電池。   A fuel cell comprising the catalyst layer according to claim 6. 前記触媒層をアノード触媒層側に用いる、請求項7に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 7, wherein the catalyst layer is used on an anode catalyst layer side.
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