JP6672622B2 - Electrode catalyst layer for fuel cell, method for producing the same, and membrane electrode assembly using the catalyst layer, fuel cell, and vehicle - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池(PEFC)に用いられる電極触媒層およびその製造方法、ならびに当該触媒層を用いる膜電極接合体、燃料電池および車両に関するものである。   The present invention relates to an electrode catalyst layer used for a fuel cell (PEFC) and a method for producing the same, and a membrane electrode assembly using the catalyst layer, a fuel cell, and a vehicle.

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 using a proton-conducting solid polymer membrane operates at a lower temperature than other types of fuel cells, such as a solid oxide fuel cell and a molten carbonate fuel cell. 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.

このような固体高分子形燃料電池には、一般的に、Pt(白金)やPt合金に代表される高価な金属触媒が用いられており、このような燃料電池の高価格要因となっている。このため、貴金属触媒の使用量を低減して、燃料電池の低コスト化が可能であり、かつ、発電性能に優れた触媒の製造技術の開発が求められている。   Such a polymer electrolyte fuel cell generally uses an expensive metal catalyst typified by Pt (platinum) or a Pt alloy, which causes a high price of such a fuel cell. . For this reason, there has been a demand for the development of a catalyst manufacturing technique that can reduce the amount of the noble metal catalyst used, reduce the cost of the fuel cell, and have excellent power generation performance.

例えば、特許文献1は、触媒担体および前記触媒担体に担持される触媒金属からなる電極触媒およびこれを用いた燃料電池用電極触媒層を開示している。特許文献1に記載の触媒は、半径が1nm未満の空孔および半径1nm以上の空孔を有し、前記半径が1nm未満の空孔の空孔容積は0.3cc/g担体以上あり、かつ触媒金属は前記半径1nm以上の空孔の内部に担持されていることを特徴とする。   For example, Patent Literature 1 discloses a catalyst carrier, an electrode catalyst made of a catalyst metal supported on the catalyst carrier, and an electrode catalyst layer for a fuel cell using the same. The catalyst described in Patent Document 1 has pores having a radius of less than 1 nm and pores having a radius of 1 nm or more, and the pores having a radius of less than 1 nm have a pore volume of 0.3 cc / g carrier or more, and The catalyst metal is supported inside the pores having a radius of 1 nm or more.

国際公開第2014/175098号International Publication No. 2014/175098

特許文献1に記載の多孔質で高比表面積な触媒担体を用いた電極触媒によれば、ガスの輸送パスを確保することができ、高温高湿下において発電性能に優れ且つガス輸送抵抗の低い膜電極接合体を得ることができる。しかしながら、本発明者らは、特許文献1に記載のような触媒担体が高比表面積である触媒を電極触媒層に用いても、低湿度環境下において十分な発電性能が得られない場合があることを見出した。   According to the electrode catalyst using the porous and high specific surface area catalyst carrier described in Patent Document 1, a gas transport path can be secured, and the power generation performance is excellent under high temperature and high humidity and the gas transport resistance is low. A membrane electrode assembly can be obtained. However, the present inventors may not be able to obtain sufficient power generation performance under a low-humidity environment even when a catalyst carrier having a high specific surface area as described in Patent Document 1 is used for an electrode catalyst layer. I found that.

本発明は上記事情を鑑みてなされた。すなわち、本発明は、低湿度環境下(例えば、40%RH)において優れた発電性能を得ることができる電極触媒層を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances. That is, an object of the present invention is to provide an electrode catalyst layer capable of obtaining excellent power generation performance under a low humidity environment (for example, 40% RH).

本発明者らは、上記の問題を解決すべく、鋭意研究を行った。その結果、高比表面積(BET比表面積が1000(m/g担体)超)の触媒担体を用いた電極触媒を含み、スルホン酸基密度が所定値以上である燃料電池用電極触媒層により上記課題が解決できることを見出し、本発明の完成に至った。 The present inventors have intensively studied to solve the above problems. As a result, the fuel cell electrode catalyst layer containing a catalyst carrier having a high specific surface area (BET specific surface area exceeding 1000 (m 2 / g carrier)) and having a sulfonic acid group density of not less than a predetermined value contains the electrode catalyst. They found that the problem could be solved, and completed the present invention.

本発明によれば、高比表面積(BET比表面積が1000(m/g担体)超)の触媒担体を用いた電極触媒を含み、低湿度環境下(例えば、40%RH)において優れた発電性能を得ることができる電極触媒層を提供することができる。これは、電極触媒層が高密度のスルホン酸基を有することにより、触媒層中のプロトン濃度および親水性が高まり、低湿度での電極触媒層の有効表面積が向上するためであると考えられる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it contains the electrode catalyst using the catalyst support of high specific surface area (BET specific surface area is more than 1000 (m < 2 > / g support)), and has excellent power generation under low humidity environment (for example, 40% RH). An electrode catalyst layer that can obtain performance can be provided. This is considered to be because the proton concentration and hydrophilicity in the catalyst layer are increased and the effective surface area of the electrode catalyst layer at low humidity is improved when the electrode catalyst layer has a high-density sulfonic acid group.

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. 本発明の電極触媒層に好適に用いられる、一実施形態に係る触媒(a)および(c)の形状・構造を示す概略断面説明図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic sectional explanatory view showing the shapes and structures of catalysts (a) and (c) according to one embodiment, which are suitably used for an electrode catalyst layer of the present invention. 本発明の電極触媒層に好適に用いられる、一実施形態に係る触媒(b)の形状・構造を示す概略断面説明図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional explanatory view showing the shape and structure of a catalyst (b) according to one embodiment, which is suitably used for the electrode catalyst layer of the present invention.

本発明の一側面は、触媒担体および前記触媒担体に担持される触媒金属からなる触媒、ならびに高分子電解質を含む燃料電池用電極触媒層であって、前記触媒担体のBET比表面積が1000(m/g担体)超であり、前記高分子電解質がスルホン酸基を含み、前記スルホン酸基の密度が0.26(mmol/cc触媒層)以上である、燃料電池用電極触媒層に関する。なお、本明細書では、「燃料電池用電極触媒層」を「電極触媒層」または「触媒層」とも、「触媒担体」を「担体」とも、また、「触媒」を「電極触媒」とも称する。「/g担体」は、「担体1g当たり」を意味する。「/cc触媒層」は、「触媒層の単位体積(1cm)当たり」を意味する。 One aspect of the present invention is a fuel cell electrode catalyst layer including a catalyst carrier, a catalyst comprising a catalyst metal supported on the catalyst carrier, and a polymer electrolyte, wherein the catalyst carrier has a BET specific surface area of 1000 (m 2 / g carrier), wherein the polymer electrolyte contains sulfonic acid groups and the density of the sulfonic acid groups is 0.26 (mmol / cc catalyst layer) or more. In this specification, the “electrode catalyst layer for fuel cells” is also referred to as an “electrode catalyst layer” or a “catalyst layer”, the “catalyst carrier” is also referred to as a “carrier”, and the “catalyst” is also referred to as an “electrocatalyst”. . “/ G carrier” means “per 1 g of carrier”. “/ Cc catalyst layer” means “per unit volume (1 cm 3 ) of catalyst layer”.

本発明にかかる燃料電池用電極触媒層によれば、低湿度環境下(例えば、40%RH)において優れた発電性能を得ることができる。本発明の技術的範囲を制限するものではないが、これは、以下のメカニズムによるものと推測される。   According to the fuel cell electrode catalyst layer of the present invention, excellent power generation performance can be obtained in a low humidity environment (for example, 40% RH). Although not limiting the technical scope of the present invention, this is presumed to be due to the following mechanism.

本発明者らは、触媒および高分子電解質(アイオノマー)を含む燃料電池用電極触媒層において、触媒が電解質と接触しない場合であっても、水により三相界面を形成することによって、触媒を有効に利用できることを見出した。したがって、多孔質で比表面積の大きな触媒担体を電極触媒に用いることにより、電解質が進入できない比較的大きな空孔に触媒金属を収納し、酸素等のガスに比して触媒表面に吸着し易い電解質が触媒金属と接触することを抑えることができる。これにより触媒表面の反応活性面積が減少することを防止し、さらに、水により三相界面を形成することによって、触媒を有効に利用できることを見出した。特許文献1に記載の触媒では、さらに、比較的小さい空孔が大容積で存在する触媒担体を用いることでガスの輸送パスを確保し、ガス輸送性を向上させている。なお、本明細書中では、半径が1nm未満の空孔を「ミクロ孔」とも称する。また、本明細書中では、半径1nm以上の空孔を「メソ孔」とも称する。   The present inventors have found that in a fuel cell electrode catalyst layer containing a catalyst and a polymer electrolyte (ionomer), even when the catalyst does not come into contact with the electrolyte, the catalyst is made effective by forming a three-phase interface with water. I found that it can be used. Therefore, by using a porous catalyst carrier having a large specific surface area for the electrode catalyst, the catalyst metal is stored in relatively large pores through which the electrolyte cannot enter, and the electrolyte is easily adsorbed on the catalyst surface as compared with a gas such as oxygen. Can be prevented from coming into contact with the catalyst metal. Thus, the present inventors have found that the reaction active area on the catalyst surface is prevented from decreasing, and that the catalyst can be effectively used by forming a three-phase interface with water. Further, in the catalyst described in Patent Document 1, a gas transport path is secured by using a catalyst carrier in which relatively small holes exist in a large volume, and gas transportability is improved. In this specification, pores having a radius of less than 1 nm are also referred to as “micropores”. Further, in this specification, pores having a radius of 1 nm or more are also referred to as “mesopores”.

一方、特許文献1に記載のような比表面積が大きい触媒担体を電極触媒に用いた場合であっても、低湿度環境下(例えば、40%RH)において十分な発電性能が得られないときがあるという課題を本発明者らは見出した。これに対し、本発明者らは鋭意研究を行ったところ、燃料電池用電極触媒層のスルホン酸基密度を所定値以上とすることにより上記課題が解決できることを見出した。本発明者らは、この理由を以下のように推測した。すなわち、メソ孔内部に触媒金属が担持された場合、上記のように、ガス(酸素等)/水/触媒金属、の三相界面により触媒反応が進行すると考えられる。しかしながら、低湿度環境下(例えば、40%RH)では三相界面反応においてプロトン輸送に必要な水が不足してメソ孔内部に担持された触媒金属が十分有効に利用されず、触媒金属の有効表面積が低下すると推測した。しかしながら、上記のように電池用電極触媒層がスルホン酸基を高密度で有すると、低湿度環境下であってもスルホン酸基由来のプロトン濃度を高くすることができると考えられる。さらに、高密度のスルホン酸基の存在により、電池用電極触媒層の親水性が高くなり、触媒層内の含水率を向上できると考えられる。以上の理由により、スルホン酸基密度が所定値以上である電池用電極触媒層を用いることにより、低湿度環境下であってもメソ孔内の触媒金属による反応が進行するのに十分な水が確保され、三相界面反応が効率的に進行し、高い発電性能が得られるものと推測される。   On the other hand, even when a catalyst carrier having a large specific surface area as described in Patent Document 1 is used for an electrode catalyst, sufficient power generation performance may not be obtained in a low humidity environment (for example, 40% RH). The present inventors have found that there is a problem. On the other hand, the present inventors have conducted intensive studies and found that the above problem can be solved by setting the sulfonic acid group density of the fuel cell electrode catalyst layer to a predetermined value or more. The present inventors presumed the reason for this as follows. That is, when the catalytic metal is supported inside the mesopores, it is considered that the catalytic reaction proceeds at the three-phase interface of gas (such as oxygen) / water / catalytic metal as described above. However, in a low-humidity environment (for example, 40% RH), the water required for proton transport is insufficient in the three-phase interface reaction, and the catalyst metal supported inside the mesopores is not sufficiently used. It was assumed that the surface area would decrease. However, when the electrode catalyst layer for a battery has a sulfonic acid group at a high density as described above, it is considered that the concentration of protons derived from the sulfonic acid group can be increased even in a low humidity environment. Further, it is considered that the presence of the high-density sulfonic acid group increases the hydrophilicity of the battery electrode catalyst layer, and can improve the water content in the catalyst layer. For the above reasons, by using a battery electrode catalyst layer having a sulfonic acid group density equal to or higher than a predetermined value, sufficient water for the reaction by the catalyst metal in the mesopores to proceed even in a low humidity environment. It is presumed that the three-phase interface reaction proceeds efficiently and high power generation performance is obtained.

以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態のみには限定されない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. Note that the present invention is not limited to only the following embodiments.

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 the present 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%.

以下、適宜図面を参照しながら、本発明の触媒層の一実施形態、その製造方法、並びにこれを使用した膜電極接合体(MEA)、燃料電池および車両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 layer of the present invention, a method for manufacturing the same, and a membrane electrode assembly (MEA), a fuel cell, and a vehicle using the same 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.

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。本形態の燃料電池は、耐久性に優れ、かつ高い発電性能を発揮できる。   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. The fuel cell of the present embodiment is excellent in durability and can exhibit high power generation performance.

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。PEFC1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(CCM)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 (CCM) 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). ing. 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.

PEFC1において、MEA10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MEA10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、PEFC1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 illustrated as being located at both ends of the MEA 10 illustrated. 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 arranged between the separator (5a, 5c) and the solid polymer electrolyte membrane 2 or between the PEFC 1 and another PEFC adjacent thereto. In FIG. 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MEA10と接触している。これにより、MEA10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、PEFC1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. Thereby, an electrical connection with the MEA 10 is ensured. In addition, a concave portion (a space between the separator and the MEA generated due to the uneven shape of the separator) viewed from the MEA side of the separator (5a, 5c) is a gas for flowing gas during operation of the PEFC1. Functions as a 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、PEFC1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 concave portion viewed from the side opposite to the MEA side of the separators (5a, 5c) serves as a refrigerant flow path 7 for flowing a refrigerant (for example, water) for cooling the PEFC during operation of the PEFC1. . 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、本発明のMEAを有する燃料電池は、優れた発電性能を発揮する。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、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用である。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 MEA of the present invention as described above exhibits excellent power generation performance. 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. Further, 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。本発明の電解質膜−電極接合体は、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。   The application of the fuel cell is not particularly limited, but is preferably applied to a vehicle. The electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention 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.

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(電極触媒)]
本発明かかる燃料電池用電極触媒層は、触媒担体および前記触媒担体に担持される触媒金属からなる触媒、ならびに高分子電解質を含む。触媒担体はBET比表面積が1000(m/g担体)超であれば特に制限されないが、好ましくは、後述のように半径1nm以上の空孔(メソ孔)を有する。より好ましくは、触媒担体は半径が1nm未満の空孔(ミクロ孔)を有する。
[Catalyst (electrocatalyst)]
The fuel cell electrode catalyst layer according to the present invention includes a catalyst carrier, a catalyst comprising a catalyst metal supported on the catalyst carrier, and a polymer electrolyte. The catalyst carrier is not particularly limited as long as it has a BET specific surface area of more than 1000 (m 2 / g carrier), but preferably has pores (mesopores) having a radius of 1 nm or more as described later. More preferably, the catalyst support has pores (micropores) having a radius of less than 1 nm.

(触媒金属担持後の)触媒のBET比表面積[担体1gあたりの触媒のBET比表面積(m/g担体)]は、実質的に担体のBET比表面積と同等である。(触媒金属担持後の)触媒のBET比表面積は、特に制限されないが、好ましくは1000m/g担体超であり、より好ましくは1000m/g担体超3000m/g担体以下であり、特に好ましくは1100〜1800m/g担体である。上記したような比表面積であれば、十分なメソ孔及びミクロ孔を確保できるため、ガス輸送を行うのに十分なミクロ孔(より低いガス輸送抵抗)を確保しつつ、メソ孔により多くの触媒金属を格納(担持)した触媒となる。また、かような触媒であれば、触媒層での電解質と触媒金属とを物理的に離すことができる(触媒金属と電解質との接触をより有効に抑制・防止できる)。ゆえに、触媒金属の活性をより有効に利用できる。加えて、ミクロ孔がガスの輸送パスとして作用して、水により三相界面をより顕著に形成して、触媒活性をより向上できる。 The BET specific surface area of the catalyst (after supporting the catalyst metal) [the BET specific surface area of the catalyst per 1 g of the support (m 2 / g support)] is substantially equal to the BET specific surface area of the support. BET specific surface area of the (catalyst after metal loading) catalyst is not particularly limited, preferably 1000 m 2 / g carrier greater, more preferably not more than 1000 m 2 / g carrier ultra 3000 m 2 / g carrier, especially preferably Is 1100 to 1800 m 2 / g carrier. With the specific surface area as described above, sufficient mesopores and micropores can be secured, so that more catalysts can be stored in the mesopores while securing sufficient micropores (lower gas transport resistance) for gas transport. The catalyst contains (supports) the metal. Further, with such a catalyst, the electrolyte and the catalyst metal in the catalyst layer can be physically separated (contact between the catalyst metal and the electrolyte can be more effectively suppressed and prevented). Therefore, the activity of the catalyst metal can be used more effectively. In addition, the micropores act as a gas transport path, and the three-phase interface is more significantly formed by water, so that the catalytic activity can be further improved.

なお、本明細書において、触媒および触媒担体の「BET比表面積(m/g担体)」は、窒素吸着法により測定される。詳細には、試料 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、島津製作所株式会社製電子天秤(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/P0)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 the present specification, the “BET specific surface area (m 2 / g carrier)” of the catalyst and the catalyst carrier 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 a relative pressure (P / P0) range of about 0.00 to 0.45, and the BET specific surface area is calculated from the slope and intercept.

触媒は、触媒の粒子の表面または空孔の表面に酸性基を有することが好ましい。本発明の一実施形態では、触媒の酸性基の量が0.2(mmol/g担体)以上である燃料電池用電極触媒層が提供される。該酸性基は、電離してプロトンを放出しうる官能基であれば特に制限されないが、ヒドロキシル基、ラクトン基、およびカルボキシル基からなる群より選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。担体がカーボンを含む場合、酸性基は、好ましくはヒドロキシル基、ラクトン基、またはカルボキシル基を含み、担体が金属酸化物を含む場合、酸性基は、好ましくはヒドロキシル基を含む。このような酸性基は親水性基であり、触媒表面を親水性にすることができ、電極触媒層の含水性をより向上し得る。   The catalyst preferably has an acidic group on the surface of the catalyst particles or on the surface of the pores. In one embodiment of the present invention, there is provided an electrode catalyst layer for a fuel cell, wherein the amount of the acidic group of the catalyst is 0.2 (mmol / g carrier) or more. The acidic group is not particularly limited as long as it is a functional group capable of releasing a proton upon ionization, but preferably contains at least one selected from the group consisting of a hydroxyl group, a lactone group, and a carboxyl group. When the carrier contains carbon, the acidic group preferably contains a hydroxyl group, a lactone group, or a carboxyl group, and when the carrier contains a metal oxide, the acidic group preferably contains a hydroxyl group. Such an acidic group is a hydrophilic group, can make the catalyst surface hydrophilic, and can further improve the water content of the electrode catalyst layer.

触媒の担体当たりの酸性基量は、好ましくは0.25mmol/g担体以上であり、より好ましくは0.3mmol/g担体以上である。なお、酸性基の量の上限値は特に制限されないが、カーボン耐久性の観点から、3.0mmol/g担体以下であることが好ましく、2.5mmol/g担体以下であることがより好ましい。   The amount of acidic groups per carrier of the catalyst is preferably 0.25 mmol / g carrier or more, more preferably 0.3 mmol / g carrier or more. The upper limit of the amount of the acidic group is not particularly limited, but is preferably 3.0 mmol / g carrier or less, and more preferably 2.5 mmol / g carrier or less, from the viewpoint of carbon durability.

当該酸性基の量は、アルカリ化合物を用いた滴定法により測定することができ、具体的には、以下の方法により測定することができる。   The amount of the acidic group can be measured by a titration method using an alkali compound, and specifically, can be measured by the following method.

(酸性基量の測定)
まず、2.5gの酸性基を有する触媒粉末を1Lの温純水にて洗浄、乾燥する。乾燥後、酸性基を有する触媒に含まれるカーボン量が0.25gとなるよう計量し、55mlの水と10分間攪拌後、2分間超音波分散を行う。次に、この触媒分散液を窒素ガスにてパージしたグローブボックスへ移動させ、窒素ガスを10分間バブリングする。そして、触媒分散液に0.1Mの塩基水溶液を過剰に投入し、この塩基性溶液に対して0.1Mの塩酸にて中和滴定を行ない、中和点から官能基量を定量する。ここで、塩基水溶液は、NaOH、NaCO、NaHCOの3種類を用い、それぞれについて中和滴定作業を行う。これは使用する塩基毎に中和される官能基の種類が異なるからであり、NaOHの場合はカルボキシル基、ラクトン基、ヒドロキシル基と、NaCOの場合はカルボキシル基、ラクトン基と、NaHCOの場合はカルボキシル基と中和反応するからである。そして、これら滴定で投入した3種類の塩基種類と量、および消費した塩酸量の結果により、酸性基の量を算出する。尚、中和点の確認には、pHメーターを使用し、NaOHの場合はpH7.0、NaCOの場合はpH8.5、NaHCOの場合はpH4.5を中和点とする。これにより、触媒に付加しているカルボキシル基、ラクトン基、およびヒドロキシル基の総量を求める。
(Measurement of amount of acidic group)
First, 2.5 g of a catalyst powder having an acidic group is washed with 1 L of warm pure water and dried. After drying, the amount of carbon contained in the catalyst having an acidic group is weighed so as to be 0.25 g, stirred with 55 ml of water for 10 minutes, and then subjected to ultrasonic dispersion for 2 minutes. Next, this catalyst dispersion liquid is moved to a glove box purged with nitrogen gas, and nitrogen gas is bubbled for 10 minutes. Then, an excess of a 0.1 M aqueous base solution is added to the catalyst dispersion, and neutralization titration is performed on the basic solution with 0.1 M hydrochloric acid, and the amount of the functional group is determined from the neutralization point. Here, as the aqueous base solution, three kinds of NaOH, Na 2 CO 3 and NaHCO 3 are used, and a neutralization titration operation is performed for each of them. This is because the types of functional groups to be neutralized are different for each base used. In the case of NaOH, a carboxyl group, a lactone group, and a hydroxyl group are used. In the case of Na 2 CO 3 , a carboxyl group, a lactone group, and This is because in the case of 3, a neutralization reaction occurs with the carboxyl group. Then, the amount of the acidic group is calculated from the results of the type and amount of the three bases charged in the titration and the amount of the consumed hydrochloric acid. In order to confirm the neutralization point, a pH meter is used, and the neutralization point is set to pH 7.0 for NaOH, pH 8.5 for Na 2 CO 3 , and pH 4.5 for NaHCO 3 . Thus, the total amount of the carboxyl group, lactone group, and hydroxyl group added to the catalyst is determined.

燃料電池用電極触媒層の触媒は、下記(a)〜(c):
(a)触媒は半径が1nm未満の空孔および半径1nm以上の空孔を有し、前記半径が1nm未満の空孔の空孔容積は0.3cc/g担体以上であり、かつ触媒金属は前記半径1nm以上の空孔の内部に担持されている;
(b)触媒は半径が1nm以上5nm未満の空孔を有し、該空孔の空孔容積は0.8cc/g担体以上であり、かつ触媒金属の比表面積は60m/g担体以下である;
(c)触媒は半径が1nm未満の空孔および半径1nm以上の空孔を有し、前記半径が1nm未満の空孔の空孔分布のモード半径が0.3nm以上1nm未満であり、かつ触媒金属は前記半径1nm以上の空孔の内部に担持されている、
の少なくとも一を満たすことが好ましい。なお、本明細書では、上記(a)を満たす触媒を「触媒(a)」と、上記(b)を満たす触媒を「触媒(b)」と、上記(c)を満たす触媒を「触媒(c)」と、も称する。
The catalyst of the electrode catalyst layer for a fuel cell includes the following (a) to (c):
(A) The catalyst has pores with a radius of less than 1 nm and pores with a radius of 1 nm or more, the pore volume of the pores with a radius of less than 1 nm is 0.3 cc / g carrier or more, and the catalyst metal is Carried inside the pores having a radius of 1 nm or more;
(B) The catalyst has pores having a radius of 1 nm or more and less than 5 nm, the pore volume of the pores is 0.8 cc / g carrier or more, and the specific surface area of the catalyst metal is 60 m 2 / g carrier or less. is there;
(C) the catalyst has pores with a radius of less than 1 nm and pores with a radius of 1 nm or more, and the mode radius of the pore distribution of the pores with a radius of less than 1 nm is 0.3 nm or more and less than 1 nm; The metal is supported inside the pores having a radius of 1 nm or more.
It is preferable that at least one of the following is satisfied. In this specification, a catalyst satisfying the above (a) is referred to as “catalyst (a)”, a catalyst satisfying the above (b) is referred to as “catalyst (b)”, and a catalyst satisfying the above (c) is referred to as “catalyst ( c) ".

以下、上記好ましい形態である触媒(a)〜(c)について詳述する。   Hereinafter, the catalysts (a) to (c) which are the preferred embodiments will be described in detail.

(触媒(a)および(c))
触媒(a)は、触媒担体および前記触媒担体に担持される触媒金属からなり、下記構成(a−1)〜(a−3)を満たす:
(a−1)前記触媒は半径が1nm未満の空孔(一次空孔)および半径1nm以上の空孔(一次空孔)を有する;
(a−2)前記半径が1nm未満の空孔の空孔容積は0.3cc/g担体以上である;および
(a−3)前記触媒金属は前記半径1nm以上の空孔の内部に担持されている。
(Catalysts (a) and (c))
The catalyst (a) comprises a catalyst carrier and a catalyst metal supported on the catalyst carrier, and satisfies the following structures (a-1) to (a-3):
(A-1) the catalyst has pores with a radius of less than 1 nm (primary pores) and pores with a radius of 1 nm or more (primary pores);
(A-2) the pore volume of the pores having a radius of less than 1 nm is not less than 0.3 cc / g carrier; and (a-3) the catalyst metal is supported inside the pores having a radius of 1 nm or more. ing.

また、触媒(c)は、触媒担体および前記触媒担体に担持される触媒金属からなり、下記構成(a−1)、(c−1)および(a−3)を満たす:
(a−1)前記触媒は半径が1nm未満の空孔および半径1nm以上の空孔を有する;
(c−1)前記半径が1nm未満の空孔の空孔分布のモード半径が0.3nm以上1nm未満である;および
(a−3)前記触媒金属は前記半径1nm以上の空孔の内部に担持されている。
The catalyst (c) comprises a catalyst carrier and a catalyst metal supported on the catalyst carrier, and satisfies the following constitutions (a-1), (c-1) and (a-3):
(A-1) the catalyst has pores with a radius of less than 1 nm and pores with a radius of 1 nm or more;
(C-1) the mode radius of the pore distribution of the pores having a radius of less than 1 nm is 0.3 nm or more and less than 1 nm; and (a-3) the catalyst metal is contained in the pores having a radius of 1 nm or more. It is carried.

上述したように、本発明者らは、触媒金属が電解質と接触しない場合であっても、水により三相界面を形成することによって、触媒金属を有効に利用できることを見出した。このため、上記触媒(a)及び(c)について、上記(a−3)触媒金属を電解質が進入できないメソ孔内部に担持する構成をとることによって、触媒活性を向上できる。一方、触媒金属を電解質が進入できないメソ孔内部に担持する場合には、酸素等のガスの輸送距離が増大してガス輸送性が低下するため、十分な触媒活性を引き出せずに、高負荷条件では触媒性能が低下してしまう。これに対して、上記(a−2)電解質や触媒金属がほとんどまたは全く進入できないミクロ孔の空孔容積を十分確保するまたは上記(c−1)ミクロ孔のモード径を大きく設定することによって、ガスの輸送パスを十分確保できる。ゆえに、メソ孔内の触媒金属に酸素等のガスを効率よく輸送できる、すなわち、ガス輸送抵抗を低減できる。当該構成により、ガス(例えば、酸素)がミクロ孔内を通過して(ガス輸送性が向上して)、ガスを効率よく、触媒金属と接触させることができる。したがって、触媒(a)及び(c)を触媒層に使用する場合には、ミクロ孔が大容積で存在するため、メソ孔に存在する触媒金属の表面に当該ミクロ孔(パス)を介して反応ガスを輸送できるため、ガス輸送抵抗をより低減できる。ゆえに、触媒(a)及び(c)を含む触媒層は、より高い触媒活性を発揮できる、すなわち、触媒反応をより促進できる。このため、触媒(a)及び(c)を用いた触媒層を有する膜電極接合体および燃料電池は、発電性能をさらに向上できる。   As described above, the present inventors have found that even when the catalyst metal does not contact the electrolyte, the catalyst metal can be effectively used by forming a three-phase interface with water. For this reason, the catalyst activity of the catalysts (a) and (c) can be improved by adopting a configuration in which the catalyst metal (a-3) is supported inside the mesopores into which the electrolyte cannot enter. On the other hand, when the catalyst metal is supported inside the mesopores into which the electrolyte cannot enter, the transport distance of the gas such as oxygen is increased, and the gas transportability is reduced. In such a case, the catalyst performance is reduced. On the other hand, the above (a-2) by securing a sufficient pore volume of the micropores into which the electrolyte or the catalyst metal can hardly enter, or by setting the mode diameter of the (c-1) micropores large, A sufficient gas transport path can be secured. Therefore, a gas such as oxygen can be efficiently transported to the catalytic metal in the mesopores, that is, the gas transport resistance can be reduced. With this configuration, the gas (for example, oxygen) passes through the micropores (gas transportability is improved), and the gas can be efficiently contacted with the catalyst metal. Therefore, when the catalysts (a) and (c) are used for the catalyst layer, since the micropores are present in a large volume, the surface of the catalyst metal present in the mesopores reacts via the micropores (passes). Since gas can be transported, gas transport resistance can be further reduced. Therefore, the catalyst layer containing the catalysts (a) and (c) can exhibit higher catalytic activity, that is, can further promote the catalytic reaction. For this reason, the membrane electrode assembly and the fuel cell having the catalyst layers using the catalysts (a) and (c) can further improve the power generation performance.

図2は、触媒(a)及び(c)の形状・構造を示す概略断面説明図である。図2に示されるように、触媒(a)及び(c)20は、触媒金属22および触媒担体23からなる。また、触媒20は、半径が1nm未満の空孔(ミクロ孔)25および半径1nm以上の空孔(メソ孔)24を有する。ここで、触媒金属22は、メソ孔24の内部に担持される。また、触媒金属22は、少なくとも一部がメソ孔24の内部に担持されていればよく、一部が触媒担体23表面にされていてもよい。しかし、触媒層での電解質と触媒金属の接触を防ぐという観点からは、実質的にすべての触媒金属22がメソ孔24の内部に担持されることが好ましい。ここで、「実質的にすべての触媒金属」とは、十分な触媒活性を向上できる量であれば特に制限されない。「実質的にすべての触媒金属」は、全触媒金属において、好ましくは50重量%以上(上限:100重量%)、より好ましくは80重量%以上(上限:100重量%)の量で存在する。   FIG. 2 is a schematic sectional explanatory view showing the shapes and structures of the catalysts (a) and (c). As shown in FIG. 2, the catalysts (a) and (c) 20 are composed of a catalyst metal 22 and a catalyst carrier 23. The catalyst 20 has pores (micropores) 25 with a radius of less than 1 nm and pores (mesopores) 24 with a radius of 1 nm or more. Here, the catalyst metal 22 is supported inside the mesopores 24. Further, the catalyst metal 22 may be at least partially supported inside the mesopores 24, and may be partially supported on the surface of the catalyst carrier 23. However, from the viewpoint of preventing contact between the electrolyte and the catalyst metal in the catalyst layer, it is preferable that substantially all of the catalyst metal 22 be supported inside the mesopores 24. Here, “substantially all catalytic metals” are not particularly limited as long as the catalytic activity can be sufficiently improved. "Substantially all catalytic metals" are present in an amount of preferably at least 50% by weight (upper limit: 100% by weight), more preferably at least 80% by weight (upper limit: 100% by weight), based on all the catalytic metals.

本明細書において、「触媒金属がメソ孔の内部に担持される」ことは、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て確認できる。   In the present specification, "the catalytic metal is supported inside the mesopores" can be confirmed using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM).

また、(触媒金属担持後の触媒の)半径1nm未満の空孔(ミクロ孔)の空孔容積は0.3cc/g担体以上であるおよび/または(触媒金属担持後の触媒の)ミクロ孔の空孔分布のモード半径(最頻度径)が0.3nm以上1nm未満である。好ましくは、ミクロ孔の空孔容積は0.3cc/g担体以上でありかつミクロ孔の空孔分布のモード半径が0.3nm以上1nm未満である。ミクロ孔の空孔容積および/またはモード径が上記したような範囲にあれば、ガス輸送を行うのに十分なミクロ孔が確保でき、ガス輸送抵抗が小さい。このため、当該ミクロ孔(パス)を介して十分量のガスをメソ孔に存在する触媒金属の表面に輸送できるため、高い触媒活性を発揮できる、即ち、触媒反応を促進できる。また、ミクロ孔内には電解質(アイオノマー)や液体(例えば、水)が侵入できず、ガスのみを選択的に通す(ガス輸送抵抗を低減できる)。ガス輸送性の向上効果を考慮すると、より好ましくは、ミクロ孔の空孔容積は、0.3〜2cc/g担体であり、0.4〜1.5cc/g担体であることが特に好ましい。また、より好ましくは、ミクロ孔の空孔分布のモード半径は、0.4〜1nmであり、0.4〜0.8nmであることが特に好ましい。なお、本明細書では、半径1nm未満の空孔の空孔容積を単に「ミクロ孔の空孔容積」とも称する。同様にして、本明細書では、ミクロ孔の空孔分布のモード半径を単に「ミクロ孔のモード径」とも称する。   Further, the pore volume of the pores (micropores) having a radius of less than 1 nm (of the catalyst after supporting the catalyst metal) is 0.3 cc / g carrier or more and / or the pore volume of the micropores (of the catalyst after supporting the catalyst metal). The mode radius (most frequent diameter) of the pore distribution is 0.3 nm or more and less than 1 nm. Preferably, the pore volume of the micropores is at least 0.3 cc / g carrier and the mode radius of the pore distribution of the micropores is at least 0.3 nm and less than 1 nm. If the pore volume and / or mode diameter of the micropores are in the above ranges, micropores sufficient for gas transport can be secured, and gas transport resistance is low. For this reason, a sufficient amount of gas can be transported to the surface of the catalytic metal present in the mesopores through the micropores (passes), so that high catalytic activity can be exhibited, that is, the catalytic reaction can be promoted. In addition, an electrolyte (ionomer) or a liquid (for example, water) cannot enter the micropore, and only gas is selectively passed (gas transport resistance can be reduced). In consideration of the effect of improving gas transportability, the pore volume of the micropores is more preferably 0.3 to 2 cc / g carrier, and particularly preferably 0.4 to 1.5 cc / g carrier. More preferably, the mode radius of the pore distribution of the micropores is 0.4 to 1 nm, and particularly preferably 0.4 to 0.8 nm. In this specification, the pore volume of pores having a radius of less than 1 nm is also simply referred to as “micropore pore volume”. Similarly, in the present specification, the mode radius of the pore distribution of the micropores is also simply referred to as “the micropore mode diameter”.

触媒(a)または(c)における半径1nm以上5nm未満の空孔(メソ孔)の空孔容積は、特に制限されないが、0.4cc/g担体以上、より好ましくは0.4〜3cc/g担体であり、特に好ましくは0.4〜1.5cc/g担体である。空孔容積が上記したような範囲にあれば、メソ孔により多くの触媒金属を格納(担持)でき、触媒層での電解質と触媒金属とを物理的に離す(触媒金属と電解質との接触をより有効に抑制・防止できる)。ゆえに、触媒金属の活性をより有効に利用できる。また、多くのメソ孔の存在により、触媒反応をより効果的に促進できる。加えて、ミクロ孔がガスの輸送パスとして作用して、水により三相界面をより顕著に形成して、触媒活性をより向上できる。なお、本明細書では、半径1nm以上の空孔の空孔容積を単に「メソ孔の空孔容積」とも称する。   The pore volume of pores (mesopores) having a radius of 1 nm or more and less than 5 nm in the catalyst (a) or (c) is not particularly limited, but is 0.4 cc / g or more carrier, more preferably 0.4 to 3 cc / g. A carrier, particularly preferably 0.4 to 1.5 cc / g carrier. If the pore volume is within the above range, more catalyst metal can be stored (supported) in the mesopores, and the electrolyte and the catalyst metal in the catalyst layer are physically separated (contact between the catalyst metal and the electrolyte is prevented). It can be more effectively suppressed and prevented). Therefore, the activity of the catalyst metal can be used more effectively. Further, the presence of many mesopores can promote the catalytic reaction more effectively. In addition, the micropores act as a gas transport path, and the three-phase interface is more significantly formed by water, so that the catalytic activity can be further improved. In this specification, the pore volume of pores having a radius of 1 nm or more is simply referred to as “pore volume of mesopores”.

触媒(a)または(c)における半径1nm以上の空孔(メソ孔)の空孔分布のモード半径(最頻度径)は、特に制限されないが、1〜5nm、より好ましくは1〜4nmであり、特に好ましくは1〜3nmであることが好ましい。上記したようなメソ孔の空孔分布のモード径であれば、メソ孔内により十分量の触媒金属を格納(担持)でき、触媒層での電解質と触媒金属とを物理的に離す(触媒金属と電解質との接触をより有効に抑制・防止できる)。ゆえに、触媒金属の活性をより有効に利用できる。また、大容積のメソ孔の存在により、触媒反応をより効果的に促進できる。加えて、ミクロ孔がガスの輸送パスとして作用して、水により三相界面をより顕著に形成して、触媒活性をより向上できる。なお、本明細書では、メソ孔の空孔分布のモード半径を単に「メソ孔のモード径」とも称する。   The mode radius (mode frequency) of the pore distribution of pores (mesopores) having a radius of 1 nm or more in the catalyst (a) or (c) is not particularly limited, but is 1 to 5 nm, and more preferably 1 to 4 nm. Particularly preferably, it is 1 to 3 nm. With the mode diameter of the pore distribution of the mesopores described above, a sufficient amount of the catalyst metal can be stored (supported) in the mesopores, and the electrolyte and the catalyst metal in the catalyst layer are physically separated (catalyst metal The contact between the electrolyte and the electrolyte can be more effectively suppressed or prevented). Therefore, the activity of the catalyst metal can be used more effectively. In addition, the presence of the large volume of mesopores can promote the catalytic reaction more effectively. In addition, the micropores act as a gas transport path, and the three-phase interface is more significantly formed by water, so that the catalytic activity can be further improved. In this specification, the mode radius of the pore distribution of the mesopores is also simply referred to as “mode radius of the mesopores”.

本明細書において、「ミクロ孔の空孔の半径(nm)」は、窒素吸着法(MP法)により測定される空孔の半径を意味する。また、「ミクロ孔の空孔分布のモード半径(nm)」は、窒素吸着法(MP法)により得られる微分細孔分布曲線においてピーク値(最大頻度)をとる点の空孔半径を意味する。ここで、ミクロ孔の空孔半径の下限は、窒素吸着法により測定可能な下限値、すなわち、0.42nm以上である。同様にして、「メソ孔の空孔の半径(nm)」は、窒素吸着法(DH法)により測定される空孔の半径を意味する。また、「メソ孔の空孔分布のモード半径(nm)」は、窒素吸着法(DH法)により得られる微分細孔分布曲線においてピーク値(最大頻度)をとる点の空孔半径を意味する。ここで、メソ孔の空孔半径の上限は、特に制限されないが、5nm以下である。   In the present specification, “pore radius (nm) of micropores” means the radius of pores measured by a nitrogen adsorption method (MP method). Further, “mode radius (nm) of the pore distribution of micropores” means the pore radius of a point having a peak value (maximum frequency) in a differential pore distribution curve obtained by a nitrogen adsorption method (MP method). . Here, the lower limit of the pore radius of the micropore is a lower limit value that can be measured by the nitrogen adsorption method, that is, 0.42 nm or more. Similarly, “the radius of the pores of the mesopores (nm)” means the radius of the pores measured by the nitrogen adsorption method (DH method). The “mode radius of pore distribution of mesopores (nm)” means the pore radius of a point having a peak value (maximum frequency) in a differential pore distribution curve obtained by a nitrogen adsorption method (DH method). . Here, the upper limit of the pore radius of the mesopores is not particularly limited, but is 5 nm or less.

本明細書において、「ミクロ孔の空孔容積」は、触媒に存在する半径1nm未満のミクロ孔の総容積を意味し、担体1gあたりの容積(cc/g担体)で表される。「ミクロ孔の空孔容積(cc/g担体)」は、窒素吸着法(MP法)によって求めた微分細孔分布曲線の下部の面積(積分値)として算出される。同様にして、「メソ孔の空孔容積」は、触媒に存在する半径1nm以上5nm未満のメソ孔の総容積を意味し、担体1gあたりの容積(cc/g担体)で表される。「メソ孔の空孔容積(cc/g担体)」は、窒素吸着法(DH法)によって求めた微分細孔分布曲線の下部の面積(積分値)として算出される。   In the present specification, the “pore volume of micropores” means the total volume of micropores having a radius of less than 1 nm existing in the catalyst, and is represented by a volume per 1 g of carrier (cc / g carrier). The “pore volume of micropores (cc / g carrier)” is calculated as the area (integral value) under the differential pore distribution curve obtained by the nitrogen adsorption method (MP method). Similarly, the “pore volume of mesopores” refers to the total volume of mesopores having a radius of 1 nm or more and less than 5 nm existing in the catalyst, and is represented by a volume per 1 g of carrier (cc / g carrier). The “pore volume of mesopores (cc / g carrier)” is calculated as the area under the differential pore distribution curve (integral value) obtained by the nitrogen adsorption method (DH method).

本明細書において、「微分細孔分布」とは、細孔径を横軸に、触媒中のその細孔径に相当する細孔容積を縦軸にプロットした分布曲線である。すなわち、窒素吸着法(ミクロ孔の場合にはMP法;メソ孔の場合にはDH法)により得られる触媒の空孔容積をVとし、空孔直径をDとした際の、差分空孔容積dVを空孔直径の対数差分d(logD)で割った値(dV/d(logD))を求める。そして、このdV/d(logD)を各区分の平均空孔直径に対してプロットすることにより微分細孔分布曲線が得られる。差分空孔容積dVとは、測定ポイント間の空孔容積の増加分をいう。   In this specification, the “differential pore distribution” is a distribution curve in which the pore diameter is plotted on the horizontal axis and the pore volume corresponding to the pore diameter in the catalyst is plotted on the vertical axis. That is, when the pore volume of the catalyst obtained by the nitrogen adsorption method (MP method for micropores; DH method for mesopores) is V, and the pore diameter is D, the differential pore volume A value (dV / d (logD)) is obtained by dividing dV by the logarithmic difference d (logD) of the pore diameter. Then, a differential pore distribution curve is obtained by plotting this dV / d (logD) against the average pore diameter of each section. The difference pore volume dV refers to an increase in the pore volume between measurement points.

ここで、窒素吸着法(MP法)によるミクロ孔の半径及び空孔容積の測定方法は、特に制限されず、例えば、「吸着の科学」(第2版 近藤精一、石川達雄、安部郁夫 共著、丸善株式会社)、「燃料電池の解析手法」(高須芳雄、吉武優、石原達己 編、化学同人)、R. Sh. Mikhail, S. Brunauer, E. E. Bodor J.Colloid Interface Sci.,26, 45(1968)等の公知の文献に記載される方法が採用できる。本明細書では、窒素吸着法(MP法)によるミクロ孔の半径及び空孔容積は、R. Sh. Mikhail, S. Brunauer, E. E. Bodor J.Colloid Interface Sci.,26, 45(1968)に記載される方法によって、測定された値である。   Here, the method for measuring the radius and the pore volume of the micropores by the nitrogen adsorption method (MP method) is not particularly limited. For example, “Science of adsorption” (Second Edition, Seiichi Kondo, Tatsuo Ishikawa, Ikuo Abe) , Maruzen Co., Ltd.), “Analysis Techniques for Fuel Cells” (edited by Yoshio Takasu, Yu Yoshitake and Tatsumi Ishihara, Chemical Doujin), Sh. Mikhal, S.M. Brunauer, E .; E. FIG. Body J .; Colloid Interface Sci. , 26, 45 (1968). In the present specification, the radius and the pore volume of the micropore by the nitrogen adsorption method (MP method) are described in R.E. Sh. Mikhal, S.M. Brunauer, E .; E. FIG. Body J .; Colloid Interface Sci. , 26, 45 (1968).

また、窒素吸着法(DH法)によるメソ孔の半径及び空孔容積の測定方法もまた、特に制限されず、例えば、「吸着の科学」(第2版 近藤精一、石川達雄、安部郁夫 共著、丸善株式会社)や「燃料電池の解析手法」(高須芳雄、吉武優、石原達己 編、化学同人)、D. Dollion, G. R. Heal : J. Appl. Chem., 14, 109 (1964)等の公知の文献に記載される方法が採用できる。本明細書では、窒素吸着法(DH法)によるメソ孔の半径及び空孔容積は、D. Dollion, G. R. Heal : J. Appl. Chem., 14, 109 (1964) に記載される方法によって、測定された値である。   The method for measuring the radius and pore volume of mesopores by the nitrogen adsorption method (DH method) is also not particularly limited. For example, "Science of adsorption" (Second Edition, Seiichi Kondo, Tatsuo Ishikawa, Ikuo Abe) And Maruzen Co., Ltd.) and “Analysis Methods for Fuel Cells” (edited by Yoshio Takasu, Yu Yoshitake and Tatsumi Ishihara, Chemical Doujin), Dollion, G .; R. Heal: J.A. Appl. Chem. , 14, 109 (1964). In this specification, the radius of mesopores and the pore volume according to the nitrogen adsorption method (DH method) are described in D.E. Dollion, G .; R. Heal: J.A. Appl. Chem. , 14, 109 (1964).

上記したような特定の空孔分布を有する触媒の製造方法は、特に制限されないが、通常、担体の空孔分布(ミクロ孔及びメソ孔)を上記したような空孔分布とすることが重要である。具体的には、ミクロ孔及びメソ孔を有し、かつミクロ孔の空孔容積が0.3cc/g担体以上である担体の製造方法としては、特開2010−208887号公報(米国特許出願公開第2011/318254号明細書、以下同様)や国際公開第2009/75264号(米国特許出願公開第2011/058308号明細書、以下同様)などの公報に記載される方法が好ましく使用される。また、ミクロ孔及びメソ孔を有し、かつミクロ孔の空孔分布のモード半径が0.3nm以上1nm未満である担体の製造方法としては、特開2010−208887号公報や国際公開第2009/75264号などの公報に記載される方法が好ましく使用される。   The method for producing a catalyst having a specific pore distribution as described above is not particularly limited, but usually, it is important that the pore distribution (micropores and mesopores) of the carrier be the above-described pore distribution. is there. Specifically, as a method for producing a carrier having micropores and mesopores, and having a pore volume of the micropores of 0.3 cc / g or more, JP-A-2010-208888 (US Patent Application Publication) The methods described in publications such as U.S. Patent No. 2011/318254, hereinafter the same) and WO 2009/75264 (U.S. Patent Application Publication No. 2011/058308, the same hereinafter) are preferably used. Further, as a method for producing a carrier having micropores and mesopores, and having a mode radius of pore distribution of the micropores of 0.3 nm or more and less than 1 nm, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-208887 and International Publication No. A method described in a gazette such as 75264 is preferably used.

(触媒(b))
触媒(b)は、触媒担体および前記触媒担体に担持される触媒金属からなり、下記構成(b−1)〜(b−3)を満たす:
(b−1)半径が1nm以上5nm未満の空孔を有する;
(b−2)半径が1nm以上5nm未満の空孔の空孔容積は0.8cc/g担体以上である;および
(b−3)触媒金属の比表面積は60m/g担体以下である。
(Catalyst (b))
The catalyst (b) comprises a catalyst carrier and a catalyst metal supported on the catalyst carrier, and satisfies the following structures (b-1) to (b-3):
(B-1) vacancies having a radius of 1 nm or more and less than 5 nm;
(B-2) The pore volume of the pores having a radius of 1 nm or more and less than 5 nm is 0.8 cc / g carrier or more; and (b-3) the specific surface area of the catalytic metal is 60 m 2 / g carrier or less.

上記(b−1)〜(b−3)の構成を有する触媒によれば、特に高湿度環境下において、触媒の空孔内が水で満たされることが抑制された上で、反応ガスの輸送に寄与する空孔が十分に確保される。その結果、ガス輸送性に優れた触媒を提供することができる。詳細には、ガス輸送に有効なメソ孔の容積が十分確保され、さらに、触媒金属の比表面積を小さくすることで、特に高湿度環境下において、触媒金属が担持されたメソ孔内に保持される水の量を十分減らすことができる。ゆえに、メソ孔内が水で満たされることが抑制されるため、メソ孔内の触媒金属に酸素等のガスをより効率よく輸送することができる。すなわち、触媒におけるガス輸送抵抗をより低減することができる。その結果、本実施形態の触媒(b)は、触媒反応が促進され、より高い触媒活性を発揮することができる。このため、本実施形態の触媒(b)を用いた触媒層を有する膜電極接合体および燃料電池は、特に高湿度環境下において、発電性能をさらに向上できる。   According to the catalyst having the above-mentioned constitutions (b-1) to (b-3), particularly in a high-humidity environment, the inside of the pores of the catalyst is prevented from being filled with water, and the reaction gas is transported. Is sufficiently secured. As a result, a catalyst excellent in gas transportability can be provided. In detail, the volume of the mesopores effective for gas transport is sufficiently ensured, and further, by reducing the specific surface area of the catalyst metal, particularly in a high humidity environment, the catalyst metal is held in the mesopores supported. Water can be reduced sufficiently. Therefore, since the filling of the mesopores with water is suppressed, a gas such as oxygen can be more efficiently transported to the catalyst metal in the mesopores. That is, the gas transport resistance of the catalyst can be further reduced. As a result, the catalyst (b) of the present embodiment promotes the catalytic reaction, and can exhibit higher catalytic activity. For this reason, the membrane electrode assembly having the catalyst layer using the catalyst (b) of the present embodiment and the fuel cell can further improve the power generation performance especially in a high humidity environment.

図3は、触媒(b)の形状・構造を示す概略断面説明図である。図3に示されるように、触媒20’は、触媒金属22’および触媒担体23’からなる。また、触媒20’は、半径1nm以上5nm未満の空孔(メソ孔)24’を有する。ここで、触媒金属22’は、主としてメソ孔24’の内部に担持される。また、触媒金属22’は、少なくとも一部がメソ孔24’の内部に担持されていればよく、一部が触媒担体23’表面に担持されていてもよい。しかし、触媒層での電解質(電解質ポリマー、アイオノマー)と触媒金属の接触を防ぎ、触媒活性を向上させるという観点からは、実質的にすべての触媒金属22’がメソ孔24’の内部に担持されることが好ましい。触媒金属が電解質と接触すると、触媒金属表面の面積比活性が減少する。これに対し、上記構成により、電解質が触媒担体23’のメソ孔24’内に入り込まないようにすることができ、触媒金属22’と電解質とが物理的に分離される。そして、水により三相界面を形成することができる結果、触媒活性が向上する。ここで、「実質的にすべての触媒金属」とは、十分な触媒活性を向上できる量であれば特に制限されない。「実質的にすべての触媒金属」は、全触媒金属において、好ましくは50重量%以上(上限:100重量%)、より好ましくは80重量%以上(上限:100重量%)の量で存在する。   FIG. 3 is a schematic sectional explanatory view showing the shape and structure of the catalyst (b). As shown in FIG. 3, the catalyst 20 'includes a catalyst metal 22' and a catalyst carrier 23 '. Further, the catalyst 20 'has vacancies (mesopores) 24' having a radius of 1 nm or more and less than 5 nm. Here, the catalyst metal 22 'is mainly supported inside the mesopores 24'. Further, the catalyst metal 22 ′ may be at least partially supported inside the mesopores 24 ′, and may be partially supported on the surface of the catalyst carrier 23 ′. However, from the viewpoint of preventing the contact between the electrolyte (electrolyte polymer, ionomer) and the catalyst metal in the catalyst layer and improving the catalyst activity, substantially all of the catalyst metal 22 'is supported inside the mesopores 24'. Preferably. When the catalytic metal contacts the electrolyte, the area specific activity of the catalytic metal surface decreases. On the other hand, with the above configuration, the electrolyte can be prevented from entering the mesopores 24 'of the catalyst carrier 23', and the catalyst metal 22 'and the electrolyte are physically separated. Then, a three-phase interface can be formed by water, so that the catalytic activity is improved. Here, “substantially all catalytic metals” are not particularly limited as long as the catalytic activity can be sufficiently improved. "Substantially all catalytic metals" are present in an amount of preferably at least 50% by weight (upper limit: 100% by weight), more preferably at least 80% by weight (upper limit: 100% by weight), based on all the catalytic metals.

触媒(b)における半径1nm以上5nm未満の空孔(メソ孔)の空孔容積は0.8cc/g担体以上である。メソ孔の空孔容積は、好ましくは0.8〜3cc/g担体であり、0.9〜2cc/g担体であることがより好ましい。空孔容積が上記したような範囲にあれば、反応ガスの輸送に寄与する空孔が多く確保されるため、反応ガスの輸送抵抗を低減することができる。したがって、メソ孔内に格納される触媒金属の表面に反応ガスが速やかに輸送されるため、触媒金属が有効に利用される。さらに、メソ孔の容積が上記範囲にあれば、メソ孔内に触媒金属を格納(担持)でき、触媒層での電解質と触媒金属とを物理的に分離することができる(触媒金属と電解質との接触をより有効に抑制・防止できる)。このように、メソ孔内の触媒金属と、電解質との接触が抑制される上記態様であれば、担体表面に担持される触媒金属の量が多い時と比較して、触媒の活性をより有効に利用できる。   The pore volume of pores (mesopores) having a radius of 1 nm or more and less than 5 nm in the catalyst (b) is 0.8 cc / g carrier or more. The pore volume of the mesopores is preferably 0.8 to 3 cc / g carrier, and more preferably 0.9 to 2 cc / g carrier. If the pore volume is in the above range, a large number of pores contributing to the transport of the reaction gas are secured, so that the transport resistance of the reaction gas can be reduced. Therefore, the reaction gas is quickly transported to the surface of the catalyst metal stored in the mesopores, so that the catalyst metal is effectively used. Furthermore, if the volume of the mesopores is in the above range, the catalyst metal can be stored (supported) in the mesopores, and the electrolyte and the catalyst metal in the catalyst layer can be physically separated (the catalyst metal and the electrolyte). Contact can be more effectively suppressed and prevented). In this manner, in the above-described embodiment in which the contact between the catalyst metal in the mesopores and the electrolyte is suppressed, the activity of the catalyst is more effective than when the amount of the catalyst metal supported on the carrier surface is large. Available to

また、触媒(b)において、触媒金属(触媒成分)は、比表面積が60m/g担体以下である。触媒金属の比表面積は、好ましくは5〜60m/g担体であり、より好ましくは5〜50m/g担体であり、更に好ましくは15〜50m/g担体であり、特に好ましくは25〜45m/g担体である。触媒金属の表面は親水性であり、水が保持されやすくなる。メソ孔内に水が過度に保持されると、ガスの輸送経路が狭くなり、かつ、水中の反応ガスの拡散速度は遅いため、ガスの輸送性が低下する。これに対し、触媒金属の比表面積を上記範囲のように比較的小さくすることにより、特に高湿度環境下において、触媒金属の表面に吸着する水の量を減らすことができる。したがって、特に高湿度環境下において、反応ガスの輸送抵抗を低減させることができ、触媒金属が有効に利用される。なお、本発明における「触媒金属の比表面積」は、例えば、Journal of Electroanalytical Chemistry 693 (2013) 34−41等に記載される方法によって測定できる。本明細書では、「触媒金属の比表面積」は、以下の方法によって測定された値を採用する。 In the catalyst (b), the catalyst metal (catalyst component) has a specific surface area of 60 m 2 / g carrier or less. The specific surface area of the catalyst metal is preferably 5 to 60 m 2 / g support, more preferably 5 to 50 m 2 / g support, further preferably 15 to 50 m 2 / g support, and particularly preferably 25 to 50 m 2 / g support. 45 m 2 / g carrier. The surface of the catalyst metal is hydrophilic, and water is easily retained. If water is excessively retained in the mesopores, the gas transport path becomes narrow, and the diffusion rate of the reaction gas in the water is low, so that the gas transportability decreases. On the other hand, by making the specific surface area of the catalyst metal relatively small as in the above range, it is possible to reduce the amount of water adsorbed on the surface of the catalyst metal particularly in a high humidity environment. Therefore, especially in a high humidity environment, the transport resistance of the reaction gas can be reduced, and the catalytic metal is effectively used. The “specific surface area of the catalytic metal” in the present invention can be measured by, for example, a method described in Journal of Electroanalytical Chemistry 693 (2013) 34-41. In the present specification, the “specific surface area of the catalytic metal” employs a value measured by the following method.

なお、上記の触媒金属の比表面積は、例えば担体表面に担持される触媒金属の量を少なくすることによって小さくすることができる。   The specific surface area of the catalyst metal can be reduced by, for example, reducing the amount of the catalyst metal supported on the support surface.

(触媒金属の比表面積の測定方法)
カソード触媒層について、サイクリックボルタンメトリーによる電気化学的有効表面積(ECA:Electrochemical surface area)を求める。ここで、対向するアノードには、測定温度において飽和するよう加湿した水素ガスを流通させ、これを参照極および対極として用いる。カソードには同様に加湿した窒素ガスを流通させておき、測定を開始する直前に、カソード入口および出口のバルブを閉じ、窒素ガスを封入する。この状態で、電気化学測定装置(北斗電工(株)製、型番:HZ−5000)を用いて下記条件にて測定する。
(Method of measuring specific surface area of catalyst metal)
For the cathode catalyst layer, an electrochemically effective surface area (ECA) is determined by cyclic voltammetry. Here, a hydrogen gas humidified so as to be saturated at the measurement temperature is passed through the opposed anode, and this is used as a reference electrode and a counter electrode. Similarly, a humidified nitrogen gas is allowed to flow through the cathode. Immediately before the measurement is started, valves at the cathode inlet and outlet are closed and nitrogen gas is sealed. In this state, measurement is performed under the following conditions using an electrochemical measurement device (manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd., model number: HZ-5000).

上記したような特定の空孔容積を有する触媒の製造方法は、特に制限されないが、担体のメソ孔容積を上記したような空孔分布とすることが重要である。具体的には、メソ孔を有し、かつメソ孔の空孔容積が0.8cc/g担体以上である担体の製造方法としては、特開2010−208887号公報(米国特許出願公開第2011/318254号明細書、以下同様)、国際公開第2009/75264号(米国特許出願公開第2011/058308号明細書、以下同様)などの公報に記載される方法が好ましく使用される。   The method for producing a catalyst having a specific pore volume as described above is not particularly limited, but it is important that the mesopore volume of the carrier has a pore distribution as described above. Specifically, as a method for producing a carrier having mesopores and a pore volume of the mesopores of 0.8 cc / g or more, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-208888 (US Patent Application Publication No. 2011/2011) 318254 (hereinafter the same) and WO 2009/75264 (U.S. Patent Application Publication No. 2011/058308, the same applies hereinafter) are preferably used.

担体のBET比表面積が1000m/g担体超であればその材質は特に制限されないが、充分な電子伝導性を有するものが好ましい。好ましくは、主成分がカーボンである。具体的には、カーボンブラック(ケッチェンブラック(登録商標)、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)、活性炭などからなるカーボン粒子が挙げられる。「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念であり、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。「実質的に炭素原子からなる」とは、2〜3重量%程度以下の不純物の混入が許容されうることを意味する。 The material is not particularly limited as long as the BET specific surface area of the support is more than 1000 m 2 / g, but a material having sufficient electron conductivity is preferable. Preferably, the main component is carbon. Specific examples include carbon particles made of carbon black (Ketjen Black (registered trademark), oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, acetylene black, etc.), activated carbon, and the like. "The main component is carbon" means that a carbon atom is included as a main component, and is a concept that includes both of only a carbon atom and substantially consisting of a carbon atom. May be included. The expression "consisting substantially of carbon atoms" means that impurities of about 2 to 3% by weight or less can be mixed.

より好ましくは、担体内部に所望の空孔領域を形成し易いことから、特開2010−208887号公報や国際公開第2009/75264号等の公報に記載される方法によって製造される担体を使用する。   More preferably, a carrier manufactured by a method described in JP 2010-20887A or WO 2009/75264 is used because a desired pore region is easily formed inside the carrier. .

上記カーボン材料の他、Sn(錫)やTi(チタン)などの多孔質金属、さらには導電性金属酸化物なども担体として使用可能である。これらの担体を複数組み合わせて用いてもよい。   In addition to the above carbon materials, porous metals such as Sn (tin) and Ti (titanium), and conductive metal oxides can also be used as carriers. These carriers may be used in combination.

担体のBET比表面積は、1000(m/g担体)超であれば特に制限されない。BET比表面積が1000(m/g担体)以下の触媒担体では、比較的大きな空孔に触媒金属を収納して電解質との接触を抑えることが困難になる場合がある。担体のBET比表面積は、好ましくは1000(m/g担体)超3000(m/g担体)以下、より好ましくは1100〜2000(m/g担体)である。上記したような比表面積であれば、十分なメソ孔及びミクロ孔を確保できるため、ガス輸送を行うのに十分なミクロ孔(より低いガス輸送抵抗)を確保しつつ、メソ孔内により多くの触媒金属を格納(担持)できる。また、触媒層での電解質と触媒金属とを物理的に離す(触媒金属と電解質との接触をより有効に抑制・防止できる)。ゆえに、触媒金属の活性をより有効に利用できる。また、多くのミクロ孔及びメソ孔の存在により、本発明による作用・効果をさらに顕著に発揮して、触媒反応をより効果的に促進できる。また、触媒担体上での触媒金属の分散性と有効利用率とのバランスが適切に制御できる。加えて、ミクロ孔がガスの輸送パスとして作用して、水により三相界面をより顕著に形成して、触媒活性をより向上できる。 The BET specific surface area of the support is not particularly limited as long as it exceeds 1000 (m 2 / g support). In the case of a catalyst support having a BET specific surface area of 1000 (m 2 / g support) or less, it may be difficult to store the catalyst metal in relatively large pores to suppress contact with the electrolyte. The BET specific surface area of the support is preferably more than 1000 (m 2 / g support) and 3000 (m 2 / g support) or less, more preferably 1100 to 2000 (m 2 / g support). If the specific surface area is as described above, sufficient mesopores and micropores can be ensured. Therefore, while ensuring sufficient micropores (lower gas transport resistance) to perform gas transport, more mesopores and The catalyst metal can be stored (supported). Further, the electrolyte and the catalyst metal in the catalyst layer are physically separated from each other (the contact between the catalyst metal and the electrolyte can be more effectively suppressed and prevented). Therefore, the activity of the catalyst metal can be used more effectively. In addition, due to the presence of many micropores and mesopores, the function and effect of the present invention are more remarkably exhibited, and the catalytic reaction can be more effectively promoted. Further, the balance between the dispersibility of the catalyst metal on the catalyst carrier and the effective utilization rate can be appropriately controlled. In addition, the micropores act as a gas transport path, and the three-phase interface is more significantly formed by water, so that the catalytic activity can be further improved.

なお、本発明においては、BET比表面積が1000(m/g担体)を超えるものである限り、必ずしも上記したような粒状の多孔質担体を用いる必要はない。 In the present invention, as long as the BET specific surface area exceeds 1000 (m 2 / g carrier), it is not always necessary to use the granular porous carrier as described above.

すなわち、担体として、非多孔質の導電性担体やガス拡散層を構成する炭素繊維から成る不織布やカーボンペーパー、カーボンクロスなども挙げられる。このとき、触媒金属をこれら非多孔質の導電性担体に担持したり、膜電極接合体のガス拡散層を構成する炭素繊維から成る不織布やカーボンペーパー、カーボンクロスなどに直接付着させたりすることも可能である。   That is, examples of the carrier include a non-porous conductive carrier, a nonwoven fabric made of carbon fibers constituting a gas diffusion layer, carbon paper, and carbon cloth. At this time, the catalyst metal may be supported on these non-porous conductive carriers, or may be directly adhered to a nonwoven fabric made of carbon fibers, carbon paper, carbon cloth, etc. constituting the gas diffusion layer of the membrane / electrode assembly. It is possible.

本発明で使用できる触媒金属は、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。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 that can be used in the present invention 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. Specifically, metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, copper, silver, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof Can be selected from

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、本願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 the present application. 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.

触媒金属(触媒成分)の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状および大きさが採用されうる。形状としては、例えば、粒状、鱗片状、層状などのものが使用できるが、好ましくは粒状である。この際、触媒金属(触媒金属粒子)の平均粒径(直径)は、特に制限されないが、2.5nm超、より好ましくは3〜30nm、特に好ましくは3nm超10nm以下であることが好ましい。触媒金属の平均粒径が3nm以上であれば、触媒金属がメソ孔内に比較的強固に担持され、触媒層内で電解質と接触するのをより有効に抑制・防止される。また、ミクロ孔が触媒金属で塞がれずに残存し、ガスの輸送パスがより良好に確保されて、ガス輸送抵抗をより低減できる。また、電位変化による溶出を防止し、経時的な性能低下をも抑制できる。このため、触媒活性をより向上できる、すなわち、触媒反応をより効率的に促進できる。一方、触媒金属粒子の平均粒径が30nm以下であれば、担体のメソ孔内部に触媒金属を簡便な方法で担持することができ、触媒金属の電解質被覆率を低減することができる。なお、本発明における「触媒金属粒子の平均粒径」は、X線回折における触媒金属成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過型電子顕微鏡(TEM)より調べられる触媒金属粒子の粒子径の平均値として測定されうる。   The shape and size of the catalyst metal (catalyst component) are not particularly limited, and the same shape and size as those of known catalyst components can be adopted. As the shape, for example, a granular shape, a scale-like shape, a layered shape and the like can be used, but a granular shape is preferable. At this time, the average particle diameter (diameter) of the catalyst metal (catalyst metal particles) is not particularly limited, but is preferably more than 2.5 nm, more preferably 3 to 30 nm, particularly preferably more than 3 nm and 10 nm or less. When the average particle size of the catalyst metal is 3 nm or more, the catalyst metal is relatively firmly supported in the mesopores, and the contact with the electrolyte in the catalyst layer is more effectively suppressed or prevented. In addition, the micropores remain without being blocked by the catalyst metal, and the gas transport path is better secured, so that the gas transport resistance can be further reduced. In addition, elution due to a potential change can be prevented, and a decrease in performance over time can be suppressed. Therefore, the catalytic activity can be further improved, that is, the catalytic reaction can be more efficiently promoted. On the other hand, when the average particle diameter of the catalyst metal particles is 30 nm or less, the catalyst metal can be supported inside the mesopores of the carrier by a simple method, and the electrolyte coverage of the catalyst metal can be reduced. The “average particle size of the catalytic metal particles” in the present invention refers to the crystallite diameter determined from the half width of the diffraction peak of the catalytic metal component in X-ray diffraction, or the catalytic metal particles determined by a transmission electron microscope (TEM). Can be measured as the average value of the particle diameters.

担体における触媒金属の担持量(担持率とも称する場合がある)は、触媒(つまり、担体および触媒金属)の全量に対して、好ましくは10〜80重量%、より好ましくは20〜70重量%とするのがよい。担持量が前記範囲であれば、十分な触媒金属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 metal carried on the carrier (sometimes referred to as the carrying ratio) is preferably 10 to 80% by weight, more preferably 20 to 70% by weight, based on the total amount of the catalyst (that is, the carrier and the catalyst metal). Good to do. It is preferable that the loading amount is in the above-mentioned range since sufficient dispersibility of the catalyst metal on the carrier, improvement in power generation performance, economic advantages, and catalytic activity per unit weight can be achieved.

燃料電池用電極触媒層において、単位触媒塗布面積当たりの触媒金属含有量(mg/cm)(触媒金属の「単位触媒塗布面積当たりの含有量」を、「目付量」とも称する。)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ない。目付量は、例えば、0.01〜1mg/cmである。ただし、触媒が白金または白金含有合金を含む場合、単位触媒塗布面積当たりの白金含有量が0.5mg/cm以下であることが好ましい。白金(Pt)や白金合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。下限値は発電性能が得られる限り特に制限されず、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であり、さらに好ましくは0.02〜0.3mg/cmである。本発明にかかる燃料電池用電極触媒層は触媒重量あたりの活性が高く、高価な触媒の使用量を低減することが可能となる。 In the fuel cell electrode catalyst layer, the catalyst metal content per unit catalyst application area (mg / cm 2 ) (the “content per unit catalyst application area” of the catalyst metal is also referred to as “basis weight”) is as follows: There is no particular limitation as long as a sufficient degree of dispersion of the catalyst on the carrier and power generation performance can be obtained. The basis weight is, for example, 0.01 to 1 mg / cm 2 . However, when the catalyst contains platinum or a platinum-containing alloy, 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 (Pt) and platinum alloys 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 is not particularly limited as long as power generation performance is obtained, and is, for example, 0.01 mg / cm 2 or more. More preferably, the platinum content is 0.02 to 0.4 mg / cm 2 , even more preferably 0.02 to 0.3 mg / cm 2 . The fuel cell electrode catalyst layer according to the present invention has a high activity per weight of the catalyst, and the amount of expensive catalyst used can be reduced.

なお、本明細書において、「単位触媒塗布面積当たりの触媒金属(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金属(白金)含有量(mg/cm)」に調節することも当業者であれば容易に可能であり、例えばスラリーの組成(触媒濃度)と塗布量を制御することで量を調整することができる。 In addition, in the present specification, inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP) is used for measurement (confirmation) of the “catalyst metal (platinum) content per unit catalyst application area (mg / cm 2 )”. A person skilled in the art can easily adjust the desired “content of catalyst metal (platinum) per unit catalyst application area (mg / cm 2 )”. For example, the composition of the slurry (catalyst concentration) and the application amount Can be adjusted to control the amount.

[触媒層]
本発明の燃料電池用電極触媒層(触媒層)は、カソード触媒層またはアノード触媒層のいずれに存在してもいてもよいが、カソード触媒層で使用されることが好ましい。上述したように、本発明の燃料電池用電極触媒層は、電解質と接触しなくても、水との三相界面を形成することによって、触媒を有効に利用できるが、カソード触媒層で水が形成するからである。
[Catalyst layer]
The fuel cell electrode catalyst layer (catalyst layer) of the present invention may be present in either the cathode catalyst layer or the anode catalyst layer, but is preferably used in the cathode catalyst layer. As described above, the fuel cell electrode catalyst layer of the present invention can effectively utilize the catalyst by forming a three-phase interface with water without contact with the electrolyte. It is because it forms.

本発明の燃料電池用電極触媒層は、イオン伝導性の高分子電解質を含む。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。また、本発明の燃料電池用電極触媒層に用いる高分子電解質は、イオン交換基としてスルホン酸基を含む。高分子電解質に含まれるスルホン酸基により、電池用電極触媒層の親水性が高くなり、含水率を向上できると考えられる。また、燃料電池用電極触媒層の単位体積当たりのスルホン酸基当量(スルホン酸基の密度)を所定値以上とすることにより、スルホン酸基由来のプロトン濃度を高くすることができると考えられる。   The fuel cell electrode catalyst layer of the present invention contains 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. Further, the polymer electrolyte used for the fuel cell electrode catalyst layer of the present invention contains a sulfonic acid group as an ion exchange group. It is considered that the sulfonic acid group contained in the polymer electrolyte increases the hydrophilicity of the battery electrode catalyst layer, and can improve the water content. Further, it is considered that the proton concentration derived from the sulfonic acid group can be increased by setting the sulfonic acid group equivalent (unit density of the sulfonic acid group) per unit volume of the fuel cell electrode catalyst layer to a predetermined value or more.

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。   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.

スルホン酸基を含む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、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、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 fluorinated polymer electrolyte containing a sulfonic acid group include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation), Flemion (registered trademark, Asahi Glass Co., Ltd.) Perfluorocarbon sulfonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, polyvinylidene fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid polymer, and the like. 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.

スルホン酸基を含む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アルキル、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(S−PEEK)、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 containing a sulfonic acid group include sulfonated polyethersulfone (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, and sulfonated polyetherether. Ketone (S-PEEK), sulfonated polyphenylene (S-PPP) and the like can be mentioned. 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種のみを単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料を用いてもよい。   In addition, only one kind of the above-mentioned ion exchange resins 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.

このほか、燃料電池用電極触媒層には、スルホン酸基を含む高分子電解質と併用して、スルホン酸基を含まない高分子電解質を、本発明の目的効果を損なわない範囲で任意の割合で用いてもよい。スルホン酸基を含まない高分子電解質としては、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル等が挙げられる。スルホン酸基を含まない高分子電解質を併用する場合、燃料電池用電極触媒層に含まれる高分子電解質全体に対して、スルホン酸基を含まない高分子電解質の割合は、例えば0を超えて20重量%(乾燥重量)である。   In addition, the fuel cell electrode catalyst layer is used in combination with a polymer electrolyte containing a sulfonic acid group, and a polymer electrolyte containing no sulfonic acid group at an arbitrary ratio within a range that does not impair the effects of the present invention. May be used. Examples of the polymer electrolyte containing no sulfonic acid group include a perfluorocarbon phosphonic acid-based polymer, an ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, and a phosphonated polybenzimidazole alkyl. When a polymer electrolyte containing no sulfonic acid group is used in combination, the ratio of the polymer electrolyte containing no sulfonic acid group to the entire polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer for a fuel cell is, for example, more than 0 to 20%. % By weight (dry weight).

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、本形態の触媒層は、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、本形態の触媒層は、好ましくはEWが1000g/mol未満の高分子電解質を含み、より好ましくは900g/mol未満の高分子電解質を含み、特に好ましくは800g/mol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 of the present embodiment preferably contains a polymer electrolyte having a low EW. Specifically, the catalyst layer of the present embodiment preferably contains a polymer electrolyte having an EW of less than 1000 g / mol, more preferably contains a polymer electrolyte of less than 900 g / mol, and particularly preferably has a high EW of 800 g / mol or less. Contains molecular electrolyte.

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400g/mol以上であることが好ましく、より好ましくは500g/mol以上である。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当量あたりのイオン交換膜の乾燥重量であり、「g/mol」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 400 g / mol or more, more preferably 500 g / mol 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 ion exchange membrane per equivalent of the ion exchange group, and is expressed in units of “g / mol”.

本発明の燃料電池用電極触媒層では、EWが異なる2種類以上の高分子電解質を用いてもよい。この場合、高分子電解質全体としてのEWが上記数値範囲内であることが好ましい。   In the fuel cell electrode catalyst layer of the present invention, two or more types of polymer electrolytes having different EWs may be used. In this case, it is preferable that the EW of the polymer electrolyte as a whole is within the above numerical range.

スルホン酸基を含む高分子電解質と併用してスルホン酸基を含まない高分子電解質を用いる場合、上記EWの数値は、プロトン伝導性を有する交換基中、スルホン酸基についての当量重量である。スルホン酸基を含む高分子電解質と併用してスルホン酸基を含まない高分子電解質を用いる場合、後述の数式1において用いられるEWの数値としても、プロトン伝導性を有する交換基中、スルホン酸基についての当量重量である。   When a polymer electrolyte containing no sulfonic acid group is used in combination with a polymer electrolyte containing a sulfonic acid group, the value of EW is the equivalent weight of the sulfonic acid group in the proton-conductive exchange group. When a polymer electrolyte containing no sulfonic acid group is used in combination with a polymer electrolyte containing a sulfonic acid group, the EW value used in Formula 1 described below is also used as the sulfonic acid group in the proton-conductive exchange group. Is the equivalent weight for

EWの異なる複数の高分子電解質を用いる場合や、スルホン酸基を含む高分子電解質と併用してスルホン酸基を含まない高分子電解質を用いる場合、下記数式1に用いられるEWの値は、以下のように算出される。すなわち、スルホン酸基1当量あたりの、燃料電池用電極触媒層に含まれる高分子電解質全体の乾燥重量として算出される。例えば、EW=700である高分子電解質(1)1重量部に対し、EW=1000である高分子電解質(2)を2重量部となる量で併用する場合、下記数式1に用いられるEWの値は(700×1/3)+(1000×2/3)=900である。   When a plurality of polymer electrolytes having different EWs are used, or when a polymer electrolyte containing no sulfonic acid group is used in combination with a polymer electrolyte containing a sulfonic acid group, the value of EW used in the following formula 1 is as follows: It is calculated as follows. That is, it is calculated as the dry weight of the entire polymer electrolyte contained in the fuel cell electrode catalyst layer per sulfonic acid group equivalent. For example, when 2 parts by weight of the polymer electrolyte (2) having the EW = 1000 is used in combination with 1 part by weight of the polymer electrolyte (1) having the EW = 700, The value is (700 × 1 /) + (1000 × 2) = 900.

また、触媒層は、EWが異なる2種類以上の高分子電解質を発電面内に含み、この際、高分子電解質のうち最もEWが低い高分子電解質が流路内ガスの相対湿度が90%以下の領域に用いてもよい。このような材料配置を採用することにより、電流密度領域によらず、抵抗値が小さくなって、電池性能の向上を図ることができる。   Further, the catalyst layer includes two or more types of polymer electrolytes having different EWs in the power generation surface. At this time, the polymer electrolyte having the lowest EW among the polymer electrolytes has a relative humidity of the gas in the flow passage of 90% or less. Region may be used. By adopting such a material arrangement, the resistance value is reduced irrespective of the current density region, and the battery performance can be improved.

さらに、EWが最も低い高分子電解質を冷却水の入口と出口の平均温度よりも高い領域に用いることが望ましい。これによって、電流密度領域によらず、抵抗値が小さくなって、電池性能のさらなる向上を図ることができる。   Further, it is desirable to use the polymer electrolyte having the lowest EW in a region higher than the average temperature of the inlet and outlet of the cooling water. Thereby, the resistance value is reduced regardless of the current density region, and the battery performance can be further improved.

さらには、燃料電池システムの抵抗値を小さくするとする観点から、EWが最も低い高分子電解質は、流路長に対して燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方のガス供給口から3/5以内の範囲の領域に用いることが望ましい。   Furthermore, from the viewpoint of reducing the resistance value of the fuel cell system, the polymer electrolyte having the lowest EW is within 3/5 of the flow path length from at least one of the gas supply ports of the fuel gas and the oxidizing gas. It is desirable to use it in the area of the range.

本形態の触媒層は、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(ミクロ孔またはメソ孔:一次空孔)内に配置されうる。   The catalyst layer of the present embodiment 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 between the porous carriers in the catalyst layer (secondary pores) and the pores in the porous carrier (micropores) Alternatively, they can be arranged in mesopores (primary pores).

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.

触媒の高分子電解質と接触している総面積が、この触媒が液体伝導材保持部に露出している総面積よりも小さいことが好ましい。   It is preferable that the total area of the catalyst in contact with the polymer electrolyte is smaller than the total area of the catalyst exposed to the liquid conductive material holding portion.

これら面積の比較は、例えば、上記液体伝導材保持部に液体プロトン伝導材を満たした状態で、触媒−高分子電解質界面と触媒−液体プロトン伝導材界面に形成される電気二重層の容量の大小関係を求めることによって行うことができる。すなわち、電気二重層容量は、電気化学的に有効な界面の面積に比例するため、触媒−電解質界面に形成される電気二重層容量が触媒−液体プロトン伝導材界面に形成される電気二重層容量より小さければ、触媒の電解質との接触面積が液体伝導材保持部への露出面積よりも小さいことになる。   These areas are compared, for example, when the liquid conductive material holding part is filled with the liquid proton conductive material, and the capacity of the electric double layer formed at the catalyst-polymer electrolyte interface and the catalyst-liquid proton conductive material interface is larger or smaller. This can be done by asking for a relationship. That is, since the electric double layer capacity is proportional to the area of the electrochemically effective interface, the electric double layer capacity formed at the catalyst-electrolyte interface is changed to the electric double layer capacity formed at the catalyst-liquid proton conductive material interface. If it is smaller, the contact area of the catalyst with the electrolyte is smaller than the exposed area of the liquid conductive material holding portion.

ここで、触媒−電解質界面、触媒−液体プロトン伝導材界面にそれぞれ形成される電気二重層容量の測定方法、言い換えると、触媒−電解質間及び触媒−液体プロトン伝導材間の接触面積の大小関係(触媒の電解質との接触面積と液体伝導材保持部への露出面積の大小関係の判定方法)について説明する。   Here, a method of measuring the electric double layer capacity formed at each of the catalyst-electrolyte interface and the catalyst-liquid proton conductive material interface, in other words, the size relationship between the contact areas between the catalyst and the electrolyte and between the catalyst and the liquid proton conductive material ( A method of determining the magnitude relationship between the contact area of the catalyst with the electrolyte and the exposed area of the liquid conductive material holding portion) will be described.

すなわち、本形態の触媒層においては、
(1)触媒−高分子電解質(C−S)
(2)触媒−液体プロトン伝導材(C−L)
(3)多孔質担体−高分子電解質(Cr−S)
(4)多孔質担体−液体プロトン伝導材(Cr−L)
の4種の界面が電気二重層容量(Cdl)として寄与し得る。
That is, in the catalyst layer of the present embodiment,
(1) Catalyst-polymer electrolyte (CS)
(2) Catalyst-liquid proton conductive material (CL)
(3) Porous carrier-polymer electrolyte (Cr-S)
(4) Porous carrier-liquid proton conductive material (Cr-L)
Can contribute as electric double layer capacitance (Cdl).

電気二重層容量は、上記したように、電気化学的に有効な界面の面積に正比例するため、CdlC−S(触媒−高分子電解質界面の電気二重層容量)及びCdlC−L(触媒−液体プロトン伝導材界面の電気二重層容量)を求めればよい。そして、電気二重層容量(Cdl)に対する上記4種の界面の寄与については、以下のようにして分離することができる。 Electric double layer capacitor, as described above, since that is directly proportional to the area of the electrochemically active surface, Cdl C-S (catalytic - electric double layer capacity of the polymer electrolyte interface) and Cdl C-L (catalytic - The electric double layer capacity at the liquid proton conductive material interface may be determined. The contribution of the above four types of interfaces to the electric double layer capacitance (Cdl) can be separated as follows.

まず、例えば100%RHのような高加湿条件、及び10%RH以下のような低加湿条件下において、電気二重層容量をそれぞれ計測する。なお、電気二重層容量の計測手法としては、サイクリックボルタンメトリーや電気化学インピーダンス分光法などを挙げることができる。これらの比較から、液体プロトン伝導材(この場合は「水」)の寄与、すなわち上記(2)及び(4)を分離することができる。   First, the electric double layer capacity is measured under high humidification conditions such as 100% RH and low humidification conditions such as 10% RH or less. In addition, as a measuring method of the electric double layer capacitance, cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy, and the like can be given. From these comparisons, the contribution of the liquid proton conducting material (in this case, “water”), that is, the above (2) and (4) can be separated.

さらに触媒を失活させること、例えば、Ptを触媒として用いた場合には、測定対象の電極にCOガスを供給してCOをPt表面上に吸着させることによる触媒の失活によって、その電気二重層容量への寄与を分離することができる。このような状態で、前述のように高加湿及び低加湿条件における電気二重層容量を同様の手法で計測し、これらの比較から、触媒の寄与、つまり上記(1)及び(2)を分離することができる。   Further, when the catalyst is deactivated, for example, when Pt is used as the catalyst, the electric energy is reduced by deactivating the catalyst by supplying CO gas to the electrode to be measured and adsorbing CO on the Pt surface. The contribution to the overlay capacitance can be separated. In such a state, the electric double layer capacity under the high humidification and low humidification conditions is measured by the same method as described above, and the contribution of the catalyst, that is, the above (1) and (2) are separated from these comparisons. be able to.

以上により、上記(1)〜(4)全ての寄与を分離することができ、触媒と高分子電解質及び液体プロトン伝導材両界面に形成される電気二重層容量を求めることができる。   As described above, all the contributions of the above (1) to (4) can be separated, and the capacity of the electric double layer formed at the interface between the catalyst, the polymer electrolyte, and the liquid proton conductive material can be obtained.

すなわち、高加湿状態における測定値(A)が上記(1)〜(4)の全界面に形成される電気二重層容量、低加湿状態における測定値(B)が上記(1)及び(3)の界面に形成される電気二重層容量になる。また、触媒失活・高加湿状態における測定値(C)が上記(3)及び(4)の界面に形成される電気二重層容量、触媒失活・低加湿状態における測定値(D)が上記(3)の界面に形成される電気二重層容量になる。   That is, the measured value (A) in the high humidification state is the electric double layer capacity formed at all the interfaces (1) to (4), and the measurement value (B) in the low humidification state is (1) and (3). Becomes the electric double layer capacitance formed at the interface of. The measured value (C) in the catalyst deactivated / high humidified state is the electric double layer capacity formed at the interface between (3) and (4), and the measured value (D) in the catalyst deactivated / low humidified state is The electric double layer capacitance formed at the interface of (3).

したがって、AとCの差が(1)及び(2)の界面に形成される電気二重層容量、BとDの差が(1)の界面に形成される電気二重層容量ということになる。そして、これら値の差、(A−C)−(B−D)を算出すれば、(2)の界面に形成される電気二重層容量を求めることができる。なお、触媒の高分子電解質との接触面積や、伝導材保持部への露出面積については、上記の他には、例えば、TEM(透過型電子顕微鏡)トモグラフィなどによっても求めることができる。   Therefore, the difference between A and C is the electric double layer capacitance formed at the interface of (1) and (2), and the difference between B and D is the electric double layer capacitance formed at the interface of (1). Then, by calculating the difference between these values, (AC)-(BD), the electric double layer capacitance formed at the interface of (2) can be obtained. The contact area of the catalyst with the polymer electrolyte and the exposed area of the conductive material holding portion can be determined by, for example, TEM (transmission electron microscope) tomography in addition to the above.

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.

触媒層の厚み(乾燥膜厚)は、好ましくは0.05〜30μm、より好ましくは1〜15μm、さらに好ましくは3μm以上10μm未満である。なお、上記厚みは、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、カソード触媒層及びアノード触媒層の厚みは、同じであってもあるいは異なってもよい。   The thickness (dry film thickness) of the catalyst layer is preferably 0.05 to 30 μm, more preferably 1 to 15 μm, and still more preferably 3 μm or more and less than 10 μm. The above thickness is applied to both the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer. However, the thicknesses of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer may be the same or different.

本発明にかかる燃料電池用電極触媒層は、触媒層の単位体積当たりのスルホン酸基当量(スルホン酸基の密度)が0.26(mmol/cc触媒層)以上である。かようなスルホン酸基密度が高い電極触媒層を燃料電池用電極接合体に用いることにより、高比表面積の触媒担体を用いた場合であっても、低湿度環境下(例えば、40%RH)において優れた発電性能を得ることができる。   The electrode catalyst layer for a fuel cell according to the present invention has a sulfonic acid group equivalent (density of sulfonic acid group) per unit volume of the catalyst layer of 0.26 (mmol / cc catalyst layer) or more. By using such an electrode catalyst layer having a high sulfonic acid group density for an electrode assembly for a fuel cell, even when a catalyst carrier having a high specific surface area is used, the catalyst can be used in a low humidity environment (for example, 40% RH). In this case, excellent power generation performance can be obtained.

本明細書において、燃料電池用電極触媒層のスルホン酸基密度は、以下の式により算出される値である。   In this specification, the sulfonic acid group density of the fuel cell electrode catalyst layer is a value calculated by the following equation.

上記数式1に示す通り、燃料電池用電極触媒層のスルホン酸基密度は、触媒金属目付量、触媒金属担持率、高分子電解質/触媒担体の重量比(IC)、触媒層の厚さ、および高分子電解質のEWを任意に設定することにより制御できる。例えば、燃料電池用電極触媒層のスルホン酸基密度を高くするためには、高分子電解質/触媒担体の重量比(IC)において高分子電解質の割合を高くしたり、EWの低い高分子電解質を燃料電池用電極触媒層の調製に用いたりすればよい。高分子電解質/触媒担体の重量比(IC)において高分子電解質の割合を高くしたり、EWの低い高分子電解質を用いたりすることにより、触媒金属目付量を低くして高価な貴金属の使用量を抑えつつ、低湿度環境下において優れた発電性能を得ることができる。   As shown in the above formula 1, the sulfonic acid group density of the electrode catalyst layer for a fuel cell includes a catalyst metal weight, a catalyst metal loading, a polymer electrolyte / catalyst carrier weight ratio (IC), a catalyst layer thickness, It can be controlled by arbitrarily setting the EW of the polymer electrolyte. For example, in order to increase the sulfonic acid group density of the fuel cell electrode catalyst layer, the ratio of the polymer electrolyte in the polymer electrolyte / catalyst carrier weight ratio (IC) is increased, or the polymer electrolyte having a low EW is used. It may be used for preparing an electrode catalyst layer for a fuel cell. By increasing the proportion of the polymer electrolyte in the polymer electrolyte / catalyst carrier weight ratio (IC) or by using a polymer electrolyte with a low EW, the catalyst metal weight per unit area is reduced and the amount of expensive noble metal used , And excellent power generation performance can be obtained in a low humidity environment.

低湿度環境下(例えば、40%RH)での発電性能の観点から、燃料電池用電極触媒層のスルホン酸基密度は、0.30(mmol/cc触媒層)を超えることが好ましい。より好ましくは、スルホン酸基密度は、0.35(mmol/cc触媒層)以上であり、さらに好ましくは0.4(mmol/cc触媒層)以上である。スルホン酸基密度の上限は特に制限されないが、高湿度環境での発電性能の観点から、例えば0.75(mmol/cc触媒層)以下である。   From the viewpoint of power generation performance under a low humidity environment (for example, 40% RH), the sulfonic acid group density of the fuel cell electrode catalyst layer preferably exceeds 0.30 (mmol / cc catalyst layer). More preferably, the sulfonic acid group density is at least 0.35 (mmol / cc catalyst layer), even more preferably at least 0.4 (mmol / cc catalyst layer). Although the upper limit of the sulfonic acid group density is not particularly limited, it is, for example, 0.75 (mmol / cc catalyst layer) or less from the viewpoint of power generation performance in a high humidity environment.

なお、燃料電池用電極触媒層のスルホン酸基密度は、元素分析によって分析することもできる。元素分析手法としては、例えばICP−AES(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy, 誘電結合プラズマ発光分光分析法)、フッ素NMR (Nuclear Magnetic Resonance, 核磁気共鳴法)などが挙げられる。燃料電池用電極触媒層のスルホン酸基密度について、上記数式1で算出される値と分析値とに誤差がある場合、本発明におけるスルホン酸基密度としては数式1で算出される値を採用する。   The sulfonic acid group density of the fuel cell electrode catalyst layer can be analyzed by elemental analysis. Examples of the elemental analysis method include ICP-AES (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy, Inductively Coupled Plasma Emission Spectroscopy), Fluorine NMR (Nuclear Magnetic Resonance, Nuclear Magnetic Resonance) and the like. Regarding the sulfonic acid group density of the fuel cell electrode catalyst layer, when there is an error between the value calculated by the above formula 1 and the analysis value, the value calculated by the formula 1 is adopted as the sulfonic acid group density in the present invention. .

(触媒層の製造方法)
本発明の燃料電池用電極触媒層は、好ましくは、EWが900g/mol未満である高分子電解質を、触媒担体に対して0.9以上の重量比で含む触媒インクを用いて製造する。すなわち、本発明の一側面では、触媒担体および前記触媒担体に担持される触媒金属からなる触媒、ならびに高分子電解質を含む燃料電池用電極触媒層の製造方法であって、前記触媒担体に対する前記高分子電解質の重量比が0.9以上となる割合で前記触媒と前記高分子電解質とを含む触媒インクを調製する工程を含み、前記触媒担体のBET比表面積が1000(m/g担体)超であり、前記高分子電解質のEW(Equivalent Weight)が900g/mol未満である、製造方法を提供する。ただし、本発明にかかる燃料電池用電極触媒層の製造方法が、上記の方法に制限されるものではない。以下、触媒層を製造するための好ましい実施形態を記載するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみには限定されない。また、触媒層の各構成要素の材質などの諸条件については、上述した通りであるため、ここでは説明を省略する。
(Method for producing catalyst layer)
The electrode catalyst layer for a fuel cell of the present invention is preferably produced by using a catalyst ink containing a polymer electrolyte having an EW of less than 900 g / mol in a weight ratio of 0.9 or more to a catalyst carrier. That is, according to one aspect of the present invention, there is provided a method for producing a catalyst carrier and a catalyst comprising a catalyst metal supported on the catalyst carrier, and a fuel cell electrode catalyst layer including a polymer electrolyte, wherein A step of preparing a catalyst ink containing the catalyst and the polymer electrolyte in such a ratio that the weight ratio of the molecular electrolyte is 0.9 or more, wherein the BET specific surface area of the catalyst carrier exceeds 1000 (m 2 / g carrier) Wherein the polymer electrolyte has an EW (Equivalent Weight) of less than 900 g / mol. However, the method for producing the fuel cell electrode catalyst layer according to the present invention is not limited to the above-described method. Hereinafter, preferred embodiments for producing a catalyst layer will be described, but the technical scope of the present invention is not limited to only the following embodiments. In addition, since various conditions such as the material of each component of the catalyst layer are as described above, the description is omitted here.

まず、上記のBET比表面積が1000(m/g担体)を超える触媒担体(本明細書では、「多孔質担体」とも称する)を準備する。 First, a catalyst support having a BET specific surface area of more than 1000 (m 2 / g support) (also referred to as “porous support” in this specification) is prepared.

次いで、多孔質担体に触媒金属を担持させて、触媒粉末とする。多孔質担体への触媒金属の担持は公知の方法で行うことができる。例えば、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法が使用できる。なお、触媒金属の平均粒径を所望の範囲とするために、触媒金属を担体に担持させた後、還元雰囲気下で加熱処理を行ってもよい。このとき、加熱処理温度は、300〜1200℃の範囲であると好ましく、500〜1150℃の範囲であるとより好ましく、700〜1000℃の範囲であると特に好ましい。また、還元雰囲気とは、触媒金属の粒成長に寄与するものであれば特に制限されないが、還元性ガスと不活性ガスとの混合雰囲気下で行うことが好ましい。還元性ガスは、特に制限されないが、水素(H)ガスが好ましい。また、不活性ガスは、特に制限されないが、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)、及び窒素(N)などが使用できる。上記不活性ガスは、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合ガスの形態で使用されてもよい。また、加熱処理時間は、0.1〜2時間であると好ましく、0.5〜1.5時間であるとより好ましい。 Next, a catalyst metal is supported on the porous carrier to obtain a catalyst powder. The catalytic metal can be supported on the porous carrier by a known method. For example, known methods such as an impregnation method, a liquid phase reduction supporting method, an evaporation to dryness method, a colloid adsorption method, a spray pyrolysis method, and a reverse micelle (microemulsion method) can be used. In order to keep the average particle size of the catalyst metal in a desired range, after the catalyst metal is supported on a carrier, heat treatment may be performed in a reducing atmosphere. At this time, the heat treatment temperature is preferably in the range of 300 to 1200 ° C, more preferably in the range of 500 to 1150 ° C, and particularly preferably in the range of 700 to 1000 ° C. Further, the reducing atmosphere is not particularly limited as long as it contributes to the grain growth of the catalytic metal, but it is preferable to perform the reducing atmosphere in a mixed atmosphere of a reducing gas and an inert gas. The reducing gas is not particularly limited, but is preferably a hydrogen (H 2 ) gas. The inert gas is not particularly limited, but helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), nitrogen (N 2 ), and the like can be used. The inert gas may be used alone or in the form of a mixture of two or more gases. Further, the heat treatment time is preferably from 0.1 to 2 hours, more preferably from 0.5 to 1.5 hours.

触媒粉末は、酸性基を付与するため、酸化性溶液で処理してもよい。酸化性溶液で処理することによって、担体に酸性基を付与することができ、担体の親水性を上げることができるすなわち、本発明の一実施形態は、触媒担体および触媒担体に担持される触媒金属からなる触媒を酸化性溶液で処理し、触媒に酸性基を付与する工程を含む。   The catalyst powder may be treated with an oxidizing solution to provide acidic groups. By treating with an oxidizing solution, an acidic group can be imparted to the support and the hydrophilicity of the support can be increased. That is, one embodiment of the present invention provides a catalyst support and a catalyst metal supported on the catalyst support. Treating the catalyst with an oxidizing solution to give an acidic group to the catalyst.

使用する酸化性溶液としては、硫酸、硝酸、亜リン酸、過マンガン酸カリウム、過酸化水素、塩酸、塩素酸、次亜塩素酸、クロム酸などの水溶液が好ましい。なお、この酸化性溶液処理は、触媒を酸化性溶液に1回以上接触させることによって行われる。複数回の酸化性溶液処理を行う場合は、処理ごとに溶液の種類を変更してもよい。酸化性溶液処理の条件としては、上記酸化剤を0.1〜10.0mol/L含む水溶液が好ましく、溶液に触媒を浸漬することが好ましい。浸漬時間は、1〜10時間が好ましく、処理温度は50〜90℃が好ましい。窒素吸着量に対する水蒸気吸着量の体積比または担体の酸性基量は、触媒のBET比表面積、酸化性溶液の種類、濃度、処理時間、処理温度を調節することで制御することができる。   The oxidizing solution used is preferably an aqueous solution of sulfuric acid, nitric acid, phosphorous acid, potassium permanganate, hydrogen peroxide, hydrochloric acid, chloric acid, hypochlorous acid, chromic acid, or the like. This oxidizing solution treatment is performed by bringing the catalyst into contact with the oxidizing solution at least once. When performing the oxidizing solution treatment a plurality of times, the type of the solution may be changed for each treatment. As the conditions for the oxidizing solution treatment, an aqueous solution containing the oxidizing agent in an amount of 0.1 to 10.0 mol / L is preferable, and it is preferable to immerse the catalyst in the solution. The immersion time is preferably 1 to 10 hours, and the treatment temperature is preferably 50 to 90 ° C. The volume ratio of the amount of water vapor adsorbed to the amount of nitrogen adsorbed or the amount of acidic group of the carrier can be controlled by adjusting the BET specific surface area of the catalyst, the type of oxidizing solution, the concentration, the treatment time, and the treatment temperature.

得られた触媒粉末、高分子電解質および溶媒を含む触媒インクを作製する。溶媒としては、特に制限されず、触媒層を形成するのに使用される通常の溶媒が同様にして使用できる。具体的には、水道水、純水、イオン交換水、蒸留水等の水、シクロヘキサノール、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、sec−ブタノール、イソブタノール、及びtert−ブタノール等の炭素数1〜4の低級アルコール、プロピレングリコール、ベンゼン、トルエン、キシレンなどが挙げられる。これらの他にも、酢酸ブチルアルコール、ジメチルエーテル、エチレングリコール、などが溶媒として用いられてもよい。これらの溶媒は、1種を単独で使用してもあるいは2種以上の混合液の状態で使用してもよい。好ましくは、高分子電解質の分散性の観点から、溶媒としては、5〜45重量%の濃度で上記炭素数1〜4の低級アルコールを含む水溶液を用いる。なお、触媒インクにおいて、触媒粉末や高分子電解質は、溶媒に溶解していてもよいが、溶解していない部分があってもよい。   A catalyst ink containing the obtained catalyst powder, polymer electrolyte and solvent is prepared. The solvent is not particularly limited, and a common solvent used for forming a catalyst layer can be used in the same manner. Specifically, tap water, pure water, ion-exchanged water, water such as distilled water, cyclohexanol, methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, sec-butanol, isobutanol, tert-butanol, etc. And lower alcohols having 1 to 4 carbon atoms, propylene glycol, benzene, toluene, xylene and the like. Besides these, butyl acetate, dimethyl ether, ethylene glycol, and the like may be used as the solvent. These solvents may be used alone or in a mixture of two or more. Preferably, from the viewpoint of the dispersibility of the polymer electrolyte, an aqueous solution containing the lower alcohol having 1 to 4 carbon atoms at a concentration of 5 to 45% by weight is used as the solvent. In the catalyst ink, the catalyst powder and the polymer electrolyte may be dissolved in the solvent, but may not be dissolved.

触媒インクは、触媒層のスルホン酸基密度の観点から、好ましくは、触媒粉末中の触媒担体に対して重量比が0.9以上となる割合で高分子電解質を含む。より好ましくは、触媒担体に対する高分子電解質の重量比は1.0以上であり、さらに好ましくは1.1以上である。触媒担体に対する高分子電解質の重量比について、上限は特に制限されないが、高湿度環境での発電性能の観点から、例えば2.0以下である。   From the viewpoint of the sulfonic acid group density of the catalyst layer, the catalyst ink preferably contains the polymer electrolyte at a ratio of 0.9 or more to the catalyst carrier in the catalyst powder. More preferably, the weight ratio of the polymer electrolyte to the catalyst carrier is 1.0 or more, and still more preferably 1.1 or more. The upper limit of the weight ratio of the polymer electrolyte to the catalyst carrier is not particularly limited, but is, for example, 2.0 or less from the viewpoint of power generation performance in a high humidity environment.

触媒インクを構成する溶媒の量は、電解質を完全に溶解できる量であれば特に制限されない。具体的には、触媒粉末および高分子電解質などの溶媒以外の成分の濃度が、電極触媒インク中、1〜50重量%とするのが好ましく、より好ましくは5〜30重量%程度である。   The amount of the solvent constituting the catalyst ink is not particularly limited as long as the solvent can completely dissolve the electrolyte. Specifically, the concentration of components other than the solvent such as the catalyst powder and the polymer electrolyte is preferably 1 to 50% by weight, and more preferably about 5 to 30% by weight in the electrode catalyst ink.

なお、撥水剤、分散剤、増粘剤、造孔剤等の添加剤を使用する場合には、触媒インクにこれらの添加剤を添加すればよい。この際、添加剤の添加量は、本発明の上記効果を妨げない程度の量であれば特に制限されない。例えば、添加剤の添加量は、それぞれ、電極触媒インクの全重量に対して、好ましくは5〜20重量%である。   When additives such as a water repellent, a dispersant, a thickener, and a pore former are used, these additives may be added to the catalyst ink. At this time, the amount of the additive to be added is not particularly limited as long as the amount does not hinder the effect of the present invention. For example, the amount of each additive is preferably 5 to 20% by weight based on the total weight of the electrode catalyst ink.

次に、基材の表面に触媒インクを塗布する。基材への塗布方法は、特に制限されず、公知の方法を使用できる。具体的には、スプレー(スプレー塗布)法、ガリバー印刷法、ダイコーター法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法など、公知の方法を用いて行うことができる。   Next, a catalyst ink is applied to the surface of the substrate. The method of coating the substrate is not particularly limited, and a known method can be used. Specifically, it can be performed using a known method such as a spray (spray coating) method, a gulliver printing method, a die coater method, a screen printing method, a doctor blade method, and the like.

触媒インクの塗布は、乾燥後の触媒層の厚みが、好ましくは0.05〜30μm、より好ましくは1〜15μm、さらに好ましくは3μm以上10μm未満となるように塗布する。なお、上記厚みは、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、カソード触媒層及びアノード触媒層の厚みは、同じであってもあるいは異なってもよい。   The catalyst ink is applied so that the thickness of the catalyst layer after drying is preferably 0.05 to 30 μm, more preferably 1 to 15 μm, and still more preferably 3 μm or more and less than 10 μm. The above thickness is applied to both the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer. However, the thicknesses of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer may be the same or different.

この際、触媒インクを塗布する基材としては、固体高分子電解質膜(電解質層)やガス拡散基材(ガス拡散層)を使用することができる。かような場合には、固体高分子電解質膜(電解質層)またはガス拡散基材(ガス拡散層)の表面に触媒層を形成した後、得られた積層体をそのまま膜電極接合体の製造に利用することができる。あるいは、基材としてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)[テフロン(登録商標)]シート等の剥離可能な基材を使用し、基材上に触媒層を形成した後に基材から触媒層部分を剥離することにより、触媒層を得てもよい。   At this time, a solid polymer electrolyte membrane (electrolyte layer) or a gas diffusion substrate (gas diffusion layer) can be used as a substrate on which the catalyst ink is applied. In such a case, after forming a catalyst layer on the surface of a solid polymer electrolyte membrane (electrolyte layer) or a gas diffusion substrate (gas diffusion layer), the obtained laminate is directly used for production of a membrane electrode assembly. Can be used. Alternatively, a peelable substrate such as a polytetrafluoroethylene (PTFE) [Teflon (registered trademark)] sheet is used as a substrate, and after forming a catalyst layer on the substrate, the catalyst layer portion is peeled from the substrate. Thereby, a catalyst layer may be obtained.

最後に、触媒インクの塗布層(膜)を、空気雰囲気下あるいは不活性ガス雰囲気下、室温〜150℃で、1〜60分間、乾燥する。これにより、触媒層が形成される。   Finally, the coating layer (film) of the catalyst ink is dried at room temperature to 150 ° C. for 1 to 60 minutes under an air atmosphere or an inert gas atmosphere. Thereby, a catalyst layer is formed.

[膜電極接合体、燃料電池、車両]
本発明のさらなる実施形態によれば、上記燃料電池用電極触媒層を含む、燃料電池用膜電極接合体が提供される。すなわち、固体高分子電解質膜2、前記電解質膜の一方の側に配置されたカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の側に配置されたアノード触媒層と、前記電解質膜2ならびに前記アノード触媒層3aおよび前記カソード触媒層3cを挟持する一対のガス拡散層(4a,4c)とを有する燃料電池用膜電極接合体が提供される。そしてこの膜電極接合体において、前記カソード触媒層およびアノード触媒層の少なくとも一方が上記に記載した実施形態の触媒層である。
[Membrane electrode assembly, fuel cell, vehicle]
According to a further embodiment of the present invention, there is provided a fuel cell membrane electrode assembly including the fuel cell electrode catalyst layer. That is, the solid polymer electrolyte membrane 2, the cathode catalyst layer arranged on one side of the electrolyte membrane, the anode catalyst layer arranged on the other side of the electrolyte membrane, the electrolyte membrane 2 and the anode catalyst layer There is provided a membrane electrode assembly for a fuel cell, comprising a pair of gas diffusion layers (4a, 4c) sandwiching the cathode catalyst layer 3c. In this membrane electrode assembly, at least one of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer is the catalyst layer of the embodiment described above.

ただし、プロトン伝導性の向上および反応ガス(特にO)の輸送特性(ガス拡散性)の向上の必要性を考慮すると、少なくともカソード触媒層が上記に記載した実施形態の触媒層であることが好ましい。ただし、上記形態に係る触媒層は、アノード触媒層として用いてもよいし、カソード触媒層およびアノード触媒層双方として用いてもよいなど、特に制限されるものではない。 However, considering the necessity of improving the proton conductivity and the transport characteristics (gas diffusivity) of the reaction gas (particularly O 2 ), at least the cathode catalyst layer may be the catalyst layer of the embodiment described above. preferable. However, the catalyst layer according to the above embodiment is not particularly limited, and may be used as an anode catalyst layer or as both a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer.

本発明のさらなる実施形態によれば、上記形態の膜電極接合体を含む燃料電池が提供される。すなわち、本発明の一実施形態は、上記形態の膜電極接合体を挟持する一対のアノードセパレータおよびカソードセパレータを有する燃料電池である。   According to a further embodiment of the present invention, there is provided a fuel cell including the membrane electrode assembly according to the above aspect. That is, one embodiment of the present invention is a fuel cell having a pair of an anode separator and a cathode separator sandwiching the membrane electrode assembly of the above-described embodiment.

以下、図1を参照しつつ、上記実施形態の触媒層を用いたPEFC1の構成要素について説明する。ただし、本発明は触媒層に特徴を有するものである。よって、燃料電池を構成する触媒層以外の部材の具体的な形態については、従来公知の知見を参照しつつ、適宜、改変が施されうる。   Hereinafter, the components of the PEFC 1 using the catalyst layer of the above embodiment will be described with reference to FIG. However, the present invention is characterized by the catalyst layer. Therefore, specific configurations of members other than the catalyst layer constituting the fuel cell can be appropriately modified with reference to conventionally known knowledge.

(電解質膜)
電解質膜は、例えば、図1に示す形態のように固体高分子電解質膜2から構成される。この固体高分子電解質膜2は、PEFC1の運転時にアノード触媒層3a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3c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2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 2 as shown in FIG. The solid polymer electrolyte membrane 2 has a function of selectively transmitting protons generated in the anode catalyst layer 3a to the cathode catalyst layer 3c along the thickness direction during the operation of the PEFC 1. Further, the solid polymer electrolyte membrane 2 also has a function as a partition wall 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2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、先に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 2 is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to. For example, the fluorine-based polymer electrolyte or the hydrocarbon-based polymer electrolyte described above as the polymer electrolyte can be used. At this time, it is not always necessary to use the same polymer electrolyte as that used for the catalyst layer.

(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 compounds 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.

(膜電極接合体の製造方法)
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、固体高分子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、ガス拡散層の微多孔質層側(微多孔質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 membrane electrode assembly)
The method for producing the membrane / electrode assembly is not particularly limited, and a conventionally known method can be used. For example, a catalyst layer is transferred or applied to a solid polymer electrolyte membrane by a hot press and dried, and then a gas diffusion layer is bonded to the solid polymer electrolyte membrane. If it is not contained, two gas diffusion electrodes (GDE) are prepared by applying a catalyst layer on one side of the substrate layer in advance and drying, and hot-pressing the gas diffusion electrodes on both sides of the solid polymer electrolyte membrane. The application and bonding conditions such as hot pressing may be appropriately determined depending on the type of polymer electrolyte (perfluorosulfonic acid or hydrocarbon) in the solid polymer electrolyte membrane or the catalyst layer. Adjust it.

(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 membrane electrode assemblies are stacked via a separator and connected in series may be formed so that the fuel cell can exhibit a desired voltage. 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や膜電極接合体は発電性能および耐久性に優れる。   The above-mentioned PEFC and the membrane electrode assembly use a catalyst layer excellent in power generation performance and durability. Therefore, the PEFC and the 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。本発明の一実施形態は、上記の燃料電池を含む車両が提供される。   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. According to one embodiment of the present invention, there is provided a vehicle including the above fuel cell.

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

(比較例1)
BET比表面積が720m/g担体であるケッチェンブラック(登録商標)EC300J(ケッチェンブラックインターナショナル株式会社製)(担体A)を準備した。
(Comparative Example 1)
Ketjen Black (registered trademark) EC300J (manufactured by Ketjen Black International) (support A) having a BET specific surface area of 720 m 2 / g carrier was prepared.

担体Aを用い、これに触媒金属として平均粒径(直径)が2.5nmの白金(Pt)を担持率が50重量%となるように担持させて、触媒粉末A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、白金を担体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50重量%の触媒粉末Aを得た。   Using a carrier A, platinum (Pt) having an average particle size (diameter) of 2.5 nm as a catalyst metal was carried thereon so that the carrying ratio became 50% by weight, to obtain a catalyst powder A. 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 and 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 carrier A. Then, by filtering and drying, a catalyst powder A having a loading of 50% by weight was obtained.

このようにして得られた触媒粉末Aについて、ミクロ孔及びメソ孔の空孔容積、ミクロ孔及びメソ孔のモード半径、BET比表面積、ならびに酸性基量を測定した。その結果、ミクロ孔の空孔容積が0.23cc/g担体;メソ孔の空孔容積が0.30cc/g担体;BET比表面積が720m/g担体;および酸性基量が0.42mmol/g担体であった。触媒粉末Aでは、メソ孔またはミクロ孔のモード半径は明確に検出されなかった。 For the catalyst powder A thus obtained, the pore volume of micropores and mesopores, the mode radius of micropores and mesopores, the BET specific surface area, and the amount of acidic groups were measured. As a result, the pore volume of the micropores was 0.23 cc / g carrier; the pore volume of the mesopores was 0.30 cc / g carrier; the BET specific surface area was 720 m 2 / g carrier; and the amount of acidic group was 0.42 mmol / g. g carrier. In catalyst powder A, mesopore or micropore mode radii were not clearly detected.

高分子電解質としてのフッ素系高分子電解質(Nafion(登録商標)D2020,EW=1100g/mol、DuPont社製)と触媒粉末Aとを、高分子電解質と触媒担体との重量比が1.0となるよう混合した。さらに、溶媒として40重量%ノルマルプロピルアルコール溶液を固形分率(Pt+カーボン担体+アイオノマー)が15重量%となるよう添加して、カソード触媒インクを調製した。   A fluorine-based polymer electrolyte (Nafion (registered trademark) D2020, EW = 1100 g / mol, manufactured by DuPont) and a catalyst powder A as a polymer electrolyte, and the weight ratio of the polymer electrolyte to the catalyst carrier was 1.0. And mixed. Further, a 40% by weight normal propyl alcohol solution was added as a solvent so that the solid content ratio (Pt + carbon carrier + ionomer) became 15% by weight to prepare a cathode catalyst ink.

担体として、ケッチェンブラック(登録商標)(粒径:30〜60nm)を用い、これに触媒金属として平均粒径2.5nmの白金(Pt)を担持率が50重量%となるように担持させて、触媒粉末を得た。この触媒粉末と、高分子電解質としてのアイオノマー分散液(Nafion(登録商標)D2020,EW=1100g/mol、DuPont社製)とをカーボン担体とアイオノマーの重量比が1.3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(50重量%)を固形分率(Pt+カーボン担体+アイオノマー)が5重量%となるよう添加して、アノード触媒インクを調製した。   Ketjen Black (registered trademark) (particle size: 30 to 60 nm) is used as a carrier, and platinum (Pt) having an average particle size of 2.5 nm is supported thereon as a catalyst metal so that the loading ratio is 50% by weight. Thus, a catalyst powder was obtained. This catalyst powder and an ionomer dispersion liquid (Nafion (registered trademark) D2020, EW = 1100 g / mol, manufactured by DuPont) as a polymer electrolyte were mixed so that the weight ratio of the carbon carrier to the ionomer was 1.3. Further, a normal propyl alcohol solution (50% by weight) was added as a solvent so that the solid content (Pt + carbon carrier + ionomer) was 5% by weight to prepare an anode catalyst ink.

次に、高分子電解質膜(Dupont社製、NAFION NR211、厚み:25μm)の両面の周囲にガスケット(帝人Dupont社製、テオネックス、厚み:25μm(接着層:10μm))を配置した。電解質膜片面にアノード触媒インクをスプレー塗布法により塗布した。スプレー塗布を行うステージを60℃に1分間保つことでアノード触媒インクを乾燥してアノード触媒層を形成した。別途、スクリーン印刷で転写基材(PTFE)にカソード触媒インクを5cm×2cmのサイズに塗布した。その後、80℃で15分間、カソード触媒インクを乾燥し、高分子電解質膜の片面の露出部にホットプレスにて転写し(転写条件:150℃、0.8MPa、10分)、電極触媒層(カソード触媒層)を形成した(触媒層厚さ:11μm)。以上により、膜触媒層接合体(1)(CCM(1))を得た。カソード触媒層の白金目付量は0.35mg/cmであり、スルホン酸基密度は0.29mmol/cc触媒層である。 Next, a gasket (Teonex, Teijin, Teijin Dupont, thickness: 25 μm (adhesive layer: 10 μm)) was arranged around both sides of the polymer electrolyte membrane (NAFION NR211, thickness: 25 μm, manufactured by Dupont). An anode catalyst ink was applied to one surface of the electrolyte membrane by a spray coating method. The anode catalyst ink was dried by maintaining the stage for performing the spray coating at 60 ° C. for 1 minute to form an anode catalyst layer. Separately, a cathode catalyst ink was applied to a transfer base material (PTFE) to a size of 5 cm × 2 cm by screen printing. Thereafter, the cathode catalyst ink was dried at 80 ° C. for 15 minutes, and transferred to an exposed portion of one surface of the polymer electrolyte membrane by hot pressing (transfer conditions: 150 ° C., 0.8 MPa, 10 minutes), and the electrode catalyst layer ( A cathode catalyst layer) was formed (catalyst layer thickness: 11 μm). Thus, a membrane / catalyst layer assembly (1) (CCM (1)) was obtained. The platinum basis weight of the cathode catalyst layer was 0.35 mg / cm 2 , and the sulfonic acid group density was 0.29 mmol / cc catalyst layer.

(比較例2)
カソード触媒インクの高分子電解質と触媒担体との重量比を1.2に変更した以外は比較例1と同様にして、膜触媒層接合体(2)(CCM(2))を得た。膜触媒層接合体(2)におけるカソード触媒層の白金目付量は0.35mg/cmであり、スルホン酸基密度は0.35mmol/cc触媒層である。
(Comparative Example 2)
A membrane catalyst layer assembly (2) (CCM (2)) was obtained in the same manner as in Comparative Example 1, except that the weight ratio between the polymer electrolyte and the catalyst carrier in the cathode catalyst ink was changed to 1.2. The platinum basis weight of the cathode catalyst layer in the membrane catalyst layer assembly (2) is 0.35 mg / cm 2 , and the sulfonic acid group density is 0.35 mmol / cc catalyst layer.

(比較例3)
国際公開第2009/75264号に記載の方法により、炭素材料1を作製した。得られた炭素材料1を、アルゴンガスの雰囲気下で、1800℃で5分間、加熱して、担体Bを作製した。
(Comparative Example 3)
The carbon material 1 was produced by the method described in WO 2009/75264. The obtained carbon material 1 was heated at 1800 ° C. for 5 minutes in an atmosphere of argon gas to prepare a carrier B.

このようにして得られた担体BについてのBET比表面積は、1200m/g担体であった。 The BET specific surface area of the carrier B thus obtained was 1200 m 2 / g carrier.

担体Bを用い、これに触媒金属として平均粒径(直径)が3.2nm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B−1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429g(白金含有量:19.7g)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、白金を担体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。その後、水素雰囲気において、温度900℃に1時間保持し、触媒粉末B−1を得た。   Using a support B, platinum (Pt) having an average particle diameter (diameter) of 3.2 nm was supported as a catalyst metal on the support B such that the loading ratio was 30% by weight, to obtain a catalyst powder B-1. That is, 46 g of the carrier A was immersed in 429 g (platinum content: 19.7 g) of a dinitrodiammineplatinic 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 carrier A. Then, by filtering and drying, a catalyst powder having a loading of 30% by weight was obtained. Thereafter, the temperature was kept at 900 ° C. for 1 hour in a hydrogen atmosphere to obtain a catalyst powder B-1.

このようにして得られた触媒粉末B−1について、ミクロ孔及びメソ孔の空孔容積、ミクロ孔及びメソ孔のモード半径、BET比表面積、ならびに酸性基量を測定した。その結果、ミクロ孔の空孔容積が0.69cc/g担体;メソ孔の空孔容積が0.80cc/g担体;ミクロ孔のモード半径が0.75nm;メソ孔のモード半径が1.66nm;BET比表面積が1230m/g担体;および酸性基量は検出限界以下であった。触媒粉末B−1において、メソ孔の内部に触媒金属が担持されていることを電子顕微鏡にて確認した。 For the catalyst powder B-1 thus obtained, the pore volume of micropores and mesopores, the mode radius of micropores and mesopores, the BET specific surface area, and the amount of acidic groups were measured. As a result, the pore volume of the micropores was 0.69 cc / g carrier; the pore volume of the mesopores was 0.80 cc / g carrier; the mode radius of the micropores was 0.75 nm; and the mode radius of the mesopores was 1.66 nm. A carrier having a BET specific surface area of 1230 m 2 / g; and the amount of acidic groups was below the detection limit. It was confirmed with an electron microscope that the catalyst metal was supported inside the mesopores in the catalyst powder B-1.

触媒粉末Aに代えて触媒粉末B−1を用い、カソード触媒インクの高分子電解質と触媒担体との重量比を0.9に、カソード触媒層厚さを15μmに変更した以外は比較例1と同様にして、膜触媒層接合体(3)(CCM(3))を得た。膜触媒層接合体(3)におけるカソード触媒層の白金目付量は0.15mg/cmであり、スルホン酸基密度は0.19mmol/cc触媒層である。 Comparative Example 1 except that the catalyst powder B was used instead of the catalyst powder A, the weight ratio between the polymer electrolyte and the catalyst carrier of the cathode catalyst ink was changed to 0.9, and the thickness of the cathode catalyst layer was changed to 15 μm. Similarly, a membrane catalyst layer assembly (3) (CCM (3)) was obtained. The platinum basis weight of the cathode catalyst layer in the membrane catalyst layer assembly (3) is 0.15 mg / cm 2 , and the sulfonic acid group density is 0.19 mmol / cc catalyst layer.

(比較例4)
カソード触媒インクの高分子電解質と触媒担体との重量比を0.6に変更した以外は比較例3と同様にして、膜触媒層接合体(4)(CCM(4))を得た。膜触媒層接合体(4)におけるカソード触媒層の白金目付量は0.15mg/cmであり、スルホン酸基密度は0.13mmol/cc触媒層である。
(Comparative Example 4)
A membrane catalyst layer assembly (4) (CCM (4)) was obtained in the same manner as in Comparative Example 3, except that the weight ratio between the polymer electrolyte and the catalyst carrier in the cathode catalyst ink was changed to 0.6. In the membrane catalyst layer assembly (4), the cathode catalyst layer had a platinum basis weight of 0.15 mg / cm 2 and a sulfonic acid group density of 0.13 mmol / cc catalyst layer.

(比較例5)
カソード触媒インクにおける高分子電解質を、フッ素系高分子電解質(EW=700g/mol)に変更した以外は比較例4と同様にして、膜触媒層接合体(5)(CCM(5))を得た。膜触媒層接合体(5)におけるカソード触媒層の白金目付量は0.15mg/cmであり、スルホン酸基密度は0.20mmol/cc触媒層である。
(Comparative Example 5)
A membrane catalyst layer assembly (5) (CCM (5)) was obtained in the same manner as in Comparative Example 4, except that the polymer electrolyte in the cathode catalyst ink was changed to a fluorine-based polymer electrolyte (EW = 700 g / mol). Was. The cathode catalyst layer in the membrane catalyst layer assembly (5) has a platinum basis weight of 0.15 mg / cm 2 and a sulfonic acid group density of 0.20 mmol / cc catalyst layer.

(実施例1)
カソード触媒インクの高分子電解質と触媒担体との重量比を0.9に変更した以外は比較例5と同様にして、膜触媒層接合体(6)(CCM(6))を得た。膜触媒層接合体(6)におけるカソード触媒層の白金目付量は0.15mg/cmであり、スルホン酸基密度は0.30mmol/cc触媒層である。
(Example 1)
A membrane catalyst layer assembly (6) (CCM (6)) was obtained in the same manner as in Comparative Example 5, except that the weight ratio between the polymer electrolyte and the catalyst carrier in the cathode catalyst ink was changed to 0.9. The cathode catalyst layer in the membrane / catalyst layer assembly (6) had a platinum basis weight of 0.15 mg / cm 2 and a sulfonic acid group density of 0.30 mmol / cc catalyst layer.

(実施例2)
担体Bを用い、これに触媒金属として平均粒径(直径)が3.2nmの白金(Pt)を担持率が50重量%となるように担持させて、触媒粉末B−2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、白金を担体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50重量%の触媒粉末を得た。その後、水素雰囲気において、温度900℃に1時間保持し、触媒粉末B−2を得た。
(Example 2)
Using a carrier B, platinum (Pt) having an average particle diameter (diameter) of 3.2 nm as a catalyst metal was supported on the carrier B such that the loading ratio became 50% by weight, to obtain a catalyst powder B-2. 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 carrier A. Then, by filtering and drying, a catalyst powder having a loading rate of 50% by weight was obtained. Thereafter, the temperature was maintained at 900 ° C. for 1 hour in a hydrogen atmosphere to obtain catalyst powder B-2.

このようにして得られた触媒粉末B−2について、ミクロ孔及びメソ孔の空孔容積、ミクロ孔及びメソ孔のモード半径、BET比表面積、ならびに酸性基量を測定した。その結果、ミクロ孔の空孔容積が0.71cc/g担体;メソ孔の空孔容積が0.91cc/g担体;ミクロ孔のモード半径が0.75nm;メソ孔のモード半径が1.64nm;BET比表面積が1190m/g担体;および酸性基量は検出限界以下であった。触媒粉末B−2において、メソ孔の内部に触媒金属が担持されていることを電子顕微鏡にて確認した。 For the catalyst powder B-2 thus obtained, the pore volume of micropores and mesopores, the mode radius of micropores and mesopores, the BET specific surface area, and the amount of acidic groups were measured. As a result, the pore volume of the micropore was 0.71 cc / g carrier; the pore volume of the mesopore was 0.91 cc / g carrier; the mode radius of the micropore was 0.75 nm; and the mode radius of the mesopore was 1.64 nm. A carrier having a BET specific surface area of 1190 m 2 / g; and an amount of acidic group was below the detection limit. In the catalyst powder B-2, it was confirmed by an electron microscope that the catalyst metal was supported inside the mesopores.

触媒粉末B−1に代えて触媒粉末B−2を用い、カソード触媒インクの調製に溶媒として10重量%イソプロパノール水溶液を用い、カソード触媒インクの高分子電解質と触媒担体との重量比を1.3に、カソード触媒層厚さを8μmに変更した以外は実施例1と同様にして、膜触媒層接合体(7)(CCM(7))を得た。膜触媒層接合体(7)におけるカソード触媒層の白金目付量は0.20mg/cmであり、スルホン酸基密度は0.46mmol/cc触媒層である。 The catalyst powder B-2 was used in place of the catalyst powder B-1, a 10% by weight aqueous solution of isopropanol was used as a solvent for the preparation of the cathode catalyst ink, and the weight ratio of the polymer electrolyte to the catalyst carrier of the cathode catalyst ink was 1.3. Then, a membrane catalyst layer assembly (7) (CCM (7)) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the cathode catalyst layer was changed to 8 μm. The cathode catalyst layer in the membrane / catalyst layer assembly (7) had a basis weight of platinum of 0.20 mg / cm 2 and a sulfonic acid group density of 0.46 mmol / cc catalyst layer.

(実施例3)
触媒粉末B−2について、酸性基付加のための酸化性溶液処理を行った。触媒粉末B−2を、3.0mol/Lの硝酸水溶液中で、80℃で6時間浸漬させた後、濾過、乾燥し、酸性基を有する触媒粉末B−3を得た。
(Example 3)
The catalyst powder B-2 was subjected to an oxidizing solution treatment for adding an acidic group. The catalyst powder B-2 was immersed in a 3.0 mol / L aqueous nitric acid solution at 80 ° C. for 6 hours, and then filtered and dried to obtain a catalyst powder B-3 having an acidic group.

このようにして得られた触媒粉末B−3について、ミクロ孔及びメソ孔の空孔容積、ミクロ孔及びメソ孔のモード半径、BET比表面積、ならびに酸性基量を測定した。その結果、ミクロ孔の空孔容積が0.80cc/g担体;メソ孔の空孔容積が1.10cc/g担体;ミクロ孔のモード半径が0.75nm;メソ孔のモード半径が1.64nm;BET比表面積が1260m/g担体;および酸性基量は0.32mmol/g担体であった。 For the catalyst powder B-3 thus obtained, the pore volume of micropores and mesopores, the mode radius of micropores and mesopores, the BET specific surface area, and the amount of acidic groups were measured. As a result, the pore volume of the micropores was 0.80 cc / g carrier; the pore volume of the mesopores was 1.10 cc / g carrier; the mode radius of the micropores was 0.75 nm; and the mode radius of the mesopores was 1.64 nm. A BET specific surface area of 1260 m 2 / g carrier; and an acidic group content of 0.32 mmol / g carrier.

触媒粉末B−2に代えて触媒粉末B−3を用い、カソード触媒インクの調製に溶媒として40重量%イソプロパノール水溶液を用い、カソード触媒インクの高分子電解質と触媒担体との重量比を1.2に変更した以外は実施例2と同様にして、膜触媒層接合体(8)(CCM(8))を得た。膜触媒層接合体(8)におけるカソード触媒層の白金目付量は0.20mg/cmであり、スルホン酸基密度は0.43mmol/cc触媒層である。 The catalyst powder B-3 was used in place of the catalyst powder B-2, a 40% by weight aqueous solution of isopropanol was used as a solvent for preparing the cathode catalyst ink, and the weight ratio between the polymer electrolyte and the catalyst carrier of the cathode catalyst ink was 1.2. Was obtained in the same manner as in Example 2 except that the membrane catalyst layer assembly (8) (CCM (8)) was obtained. The cathode catalyst layer in the membrane / catalyst layer assembly (8) had a platinum basis weight of 0.20 mg / cm 2 and a sulfonic acid group density of 0.43 mmol / cc catalyst layer.

実験1:発電性能の評価
膜触媒層接合体(1)〜(8)について、下記評価条件下、IR補正後の電圧が0.9Vである時の電流密度(mA/cmPt)を測定し、発電性能評価を行った。結果を下記表1に示す。
Experiment 1: Evaluation of power generation performance For the membrane catalyst layer assemblies (1) to (8), the current density (mA / cm 2 Pt) when the voltage after IR correction was 0.9 V was measured under the following evaluation conditions. Then, the power generation performance was evaluated. The results are shown in Table 1 below.

上記表1から、本発明の電極触媒層を使用したCCMは、発電性能に優れることが分かる。また、比較例4、比較例5および実施例1の比較から、触媒担体に対する前記高分子電解質の重量比を0.9以上とし、EWが900g/mol未満の高分子電解質を用いることで、スルホン酸基密度が高くなることが分かる。また、これにより、低湿度環境下においても発電性能に優れた電極触媒層を製造できることが分かる。   Table 1 shows that the CCM using the electrode catalyst layer of the present invention has excellent power generation performance. Also, from the comparison of Comparative Example 4, Comparative Example 5, and Example 1, it was found that the weight ratio of the polymer electrolyte to the catalyst carrier was 0.9 or more, and the polymer electrolyte having an EW of less than 900 g / mol was used. It turns out that an acid group density becomes high. In addition, it can be seen that an electrode catalyst layer having excellent power generation performance can be manufactured even in a low humidity environment.

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、
5、…セパレータ、
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…膜電極接合体(MEA)、
20,20’…触媒、
22,22’…触媒金属、
23,23’…担体(触媒担体)、
24,24’…メソ孔、
25…ミクロ孔。
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,
5. Separator,
5a: anode separator,
5c: cathode separator,
6a: anode gas flow path,
6c: cathode gas flow path,
7 ... refrigerant channel,
10 ... membrane electrode assembly (MEA),
20, 20 '... catalyst,
22, 22 ': catalytic metal,
23, 23 '... carrier (catalyst carrier),
24, 24 '... mesopore,
25 ... Micropore.

Claims (11)

触媒担体および前記触媒担体に担持される触媒金属からなる触媒、ならびに高分子電解質を含む燃料電池用電極触媒層であって、
前記触媒担体のBET比表面積が1000(m/g担体)超であり、
前記高分子電解質がスルホン酸基を含み、
前記スルホン酸基の密度が0.26(mmol/cc触媒層)以上であり、
前記触媒が、下記(b)を満たす、燃料電池用電極触媒層:
(b)前記触媒は半径が1nm以上5nm未満の空孔を有し、該空孔の空孔容積は0.8(cc/g担体)以上であり、かつ前記触媒金属の比表面積は60(m/g担体)以下(但し、30(m /g担体)以下を除く。)である。
A catalyst comprising a catalyst carrier and a catalyst metal supported on the catalyst carrier, and a fuel cell electrode catalyst layer containing a polymer electrolyte,
The catalyst support having a BET specific surface area of more than 1000 (m 2 / g support);
The polymer electrolyte contains a sulfonic acid group,
The density of the sulfonic acid group is 0.26 (mmol / cc catalyst layer) or more;
An electrode catalyst layer for a fuel cell, wherein the catalyst satisfies the following (b):
(B) The catalyst has pores having a radius of 1 nm or more and less than 5 nm, the pore volume of the pores is 0.8 (cc / g carrier) or more, and the specific surface area of the catalyst metal is 60 ( m 2 / g carrier) or less (excluding 30 (m 2 / g carrier) or less) .
前記触媒金属の比表面積が、40〜60(/g担体である、請求項1に記載の燃料電池用電極触媒層。 The specific surface area of the catalyst metal, 40 to 60 is (m 2 / g carrier), a fuel cell electrode catalyst layer according to claim 1. 前記触媒金属の比表面積が、30超〜45/g担体である、請求項1に記載の燃料電池用電極触媒層。 The specific surface area of the catalyst metal, 30 is an ultra ~45 (m 2 / g carrier), a fuel cell electrode catalyst layer according to claim 1. 前記スルホン酸基の密度が、0.30〜0.75(mmol/cc触媒層)である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池用電極触媒層。 The electrode catalyst layer for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the density of the sulfonic acid group is 0.30 to 0.75 (mmol / cc catalyst layer). 前記スルホン酸基の密度が、0.35〜0.75(mmol/cc触媒層)である、請求項1〜のいずれか1項に記載の燃料電池用電極触媒層。 The fuel cell electrode catalyst layer according to any one of claims 1 to 4 , wherein the density of the sulfonic acid group is 0.35 to 0.75 (mmol / cc catalyst layer). 前記触媒の酸性基の量が0.2(mmol/g担体)以上である、請求項1〜のいずれか1項に記載の燃料電池用電極触媒層。 The electrode catalyst layer for a fuel cell according to any one of claims 1 to 5 , wherein the amount of the acidic group of the catalyst is 0.2 (mmol / g carrier) or more. 前記触媒が、下記(a)または(c)の少なくとも一を満たす、請求項1〜のいずれか1項に記載の燃料電池用電極触媒層:
(a)前記触媒は半径が1nm未満の空孔および半径1nm以上の空孔を有し、前記半径が1nm未満の空孔の空孔容積は0.3(cc/g担体)以上であり、かつ前記触媒金属は前記半径1nm以上の空孔の内部に担持されている;
(c)前記触媒は半径が1nm未満の空孔および半径1nm以上の空孔を有し、前記半径が1nm未満の空孔の空孔分布のモード半径が0.3nm以上1nm未満であり、かつ前記触媒金属は前記半径1nm以上の空孔の内部に担持されている。
The fuel cell electrode catalyst layer according to any one of claims 1 to 6 , wherein the catalyst satisfies at least one of the following (a) or (c):
(A) the catalyst has pores having a radius of less than 1 nm and pores having a radius of 1 nm or more, and the pores having a radius of less than 1 nm have a pore volume of 0.3 (cc / g carrier) or more; And the catalyst metal is supported inside the pores having a radius of 1 nm or more;
(C) the catalyst has pores with a radius of less than 1 nm and pores with a radius of 1 nm or more; the mode radius of the pore distribution of the pores with a radius of less than 1 nm is 0.3 nm or more and less than 1 nm; The catalyst metal is supported inside the pores having a radius of 1 nm or more.
請求項1〜のいずれか1項に記載の燃料電池用電極触媒層を含む、燃料電池用膜電極接合体。 A membrane electrode assembly for a fuel cell, comprising the electrode catalyst layer for a fuel cell according to any one of claims 1 to 7 . 請求項に記載の燃料電池用膜電極接合体を含む燃料電池。 A fuel cell comprising the fuel cell membrane electrode assembly according to claim 8 . 請求項に記載の燃料電池を含む車両。 A vehicle comprising the fuel cell according to claim 9 . 触媒担体および前記触媒担体に担持される触媒金属からなる触媒、ならびに高分子電解質を含む燃料電池用電極触媒層の製造方法であって、
前記触媒担体に対する前記高分子電解質の重量比が0.9以上となる割合で前記触媒と前記高分子電解質とを含む触媒インクを調製する工程を含み、
前記触媒担体のBET比表面積が1000(m/g担体)超であり、
触媒金属目付量が、0.01〜1mg/cmであり、
触媒金属担持率が、触媒の全量に対して、10〜80重量%であり、
高分子電解質/触媒担体の重量比(IC)が、0.9以上であり、
触媒層の厚さが、0.05〜30μmであり、
前記高分子電解質のEW(Equivalent Weight)が900g/mol未満であり、
前記触媒が、下記(b)を満たす、燃料電池用電極触媒層の製造方法:
(b)前記触媒は半径が1nm以上5nm未満の空孔を有し、該空孔の空孔容積は0.8(cc/g担体)以上であり、かつ前記触媒金属の比表面積は60(m/g担体)以下(但し、30(m /g担体)以下を除く。)である。
A catalyst comprising a catalyst carrier and a catalyst metal supported on the catalyst carrier, and a method for producing a fuel cell electrode catalyst layer comprising a polymer electrolyte,
Preparing a catalyst ink containing the catalyst and the polymer electrolyte at a ratio where the weight ratio of the polymer electrolyte to the catalyst carrier is 0.9 or more,
The catalyst support having a BET specific surface area of more than 1000 (m 2 / g support);
The catalyst metal weight is 0.01 to 1 mg / cm 2 ,
The catalyst metal loading is 10 to 80% by weight based on the total amount of the catalyst,
The polymer electrolyte / catalyst support weight ratio (IC) is 0.9 or more;
The thickness of the catalyst layer is 0.05 to 30 μm,
The polymer electrolyte has an EW (Equivalent Weight) of less than 900 g / mol,
A method for producing a fuel cell electrode catalyst layer, wherein the catalyst satisfies the following (b):
(B) The catalyst has pores having a radius of 1 nm or more and less than 5 nm, the pore volume of the pores is 0.8 (cc / g carrier) or more, and the specific surface area of the catalyst metal is 60 ( m 2 / g carrier) or less (excluding 30 (m 2 / g carrier) or less) .
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