JP6675705B2 - Anode electrode catalyst, electrode catalyst layer using the catalyst, membrane electrode assembly, and fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、アノード電極触媒、特に燃料電池(PEFC)に用いられるアノード電極触媒、および当該触媒を用いる電極触媒層、膜電極接合体及び燃料電池に関するものである。   The present invention relates to an anode catalyst, particularly an anode catalyst used for a fuel cell (PEFC), and an electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, and a fuel cell using the catalyst.

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(以下、PEFCとも略記する)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、PEFC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 (hereinafter abbreviated as PEFC) using a proton-conducting solid polymer membrane is different from other types of fuel cells such as a solid oxide fuel cell and a molten carbonate fuel cell. Operates at lower temperatures in comparison. For this reason, PEFC is expected as a stationary power supply and a power source for mobile bodies such as automobiles, and its practical use has also begun.

このような燃料電池の電極には、一般的に、触媒特性に優れる触媒金属であるPt(白金)やPt合金に代表される貴金属粒を触媒担体上に担持した触媒が用いられている。但し、こうした貴金属粒子を用いた触媒は高価なため、燃料電池の高価格要因となっている。このため、貴金属粒子を用いた触媒の持つ触媒活性(HOR活性やORR活性等)を最大限引き出すことで、燃料電池の高性能化、ひいては触媒に用いる触媒金属である貴金属の使用量を低減して、燃料電池の低コスト化が可能な技術の開発が求められている。   In general, a catalyst in which noble metal particles typified by Pt (platinum) or a Pt alloy, which is a catalyst metal having excellent catalytic properties, is supported on a catalyst carrier is used for an electrode of such a fuel cell. However, such a catalyst using noble metal particles is expensive, which causes a high price of the fuel cell. Therefore, by maximizing the catalytic activity (HOR activity, ORR activity, etc.) of the catalyst using the noble metal particles, the performance of the fuel cell is improved and the amount of the noble metal used as the catalyst metal for the catalyst is reduced. Therefore, there is a demand for the development of a technology capable of reducing the cost of a fuel cell.

さらに、燃料電池のアノード電極触媒への要求性能としては、(1)発電性能の面からは、運転条件全域で高いHOR(水素酸化反応)活性が求められる。また(2)耐久性の面からは、起動時のカソード電極のカーボン担体の耐食性を保持するために、低いORR(酸素還元反応)活性が求められる。燃料電池のアノード及びカソード側での下記電極反応に示すように、これは、起動時には、アノード電極側に供給される燃料ガス(例えば、Hガス)に空気(特にOガス)が混在するため、アノード電極の中で電池反応が起こる。これによりカソード電極側では、アノード電極側から供給されるはずのプロトンが足りなくなり、カソード電極の中から触媒担体であるカーボンを酸化してプロトンを供給することになり、カソード電極の触媒担体であるカーボンが劣化する。そこで、起動時のアノード電極触媒のORR活性が低いとカソード電極の触媒担体であるカーボンの耐食性が向上することから、上記(2)の要求性能として、アノード電極触媒の低いORR(酸素還元反応)活性が求められるものである。 Further, as the required performance of the anode electrode catalyst of the fuel cell, (1) From the viewpoint of power generation performance, a high HOR (hydrogen oxidation reaction) activity is required in all operating conditions. (2) From the viewpoint of durability, low ORR (oxygen reduction reaction) activity is required in order to maintain the corrosion resistance of the carbon support of the cathode electrode at the time of startup. As shown in the following electrode reaction on the anode and cathode sides of the fuel cell, this is because at the time of startup, air (particularly O 2 gas) is mixed with fuel gas (eg, H 2 gas) supplied to the anode electrode side. Therefore, a battery reaction occurs in the anode electrode. As a result, on the cathode electrode side, the protons supposed to be supplied from the anode electrode side run short, and the protons are supplied by oxidizing the carbon that is the catalyst carrier from the cathode electrode, which is the catalyst carrier for the cathode electrode. Carbon deteriorates. Therefore, if the ORR activity of the anode electrode catalyst at the time of startup is low, the corrosion resistance of carbon, which is the catalyst carrier of the cathode electrode, is improved. Therefore, the required performance of the above (2) is that the anode electrode catalyst has a low ORR (oxygen reduction reaction). Activity is required.

(ここで、HORは、水素酸化反応、HERは、水素発生反応、ORRは酸素還元反応、OERは酸素発生反応を示す。発電時には、各反応が矢印の右側に向かって進行し、HOR、ORRが進行する。)
上記要求性能に対して、特許文献1には、0.7〜3mmol/gの親水基が結合された炭素粉末担体上に、平均粒径3.5〜8nmであり、CO吸着による白金比表面積が40〜100m/gである白金粒子が担持されてなるPEFC用触媒が提案されている。これによれば、初期活性(初期発電特性)に優れ、耐久性も良好なPEFC用触媒が提供できるというものである。
(Here, HOR indicates a hydrogen oxidation reaction, HER indicates a hydrogen generation reaction, ORR indicates an oxygen reduction reaction, and OER indicates an oxygen generation reaction. During power generation, each reaction proceeds toward the right side of the arrow, and HOR, ORR Progresses.)
With respect to the required performance, Patent Document 1 discloses that a carbon powder carrier having a hydrophilic group of 0.7 to 3 mmol / g has an average particle size of 3.5 to 8 nm and a platinum specific surface area by CO adsorption. A catalyst for PEFC supporting platinum particles having a particle size of 40 to 100 m 2 / g has been proposed. According to this, a catalyst for PEFC having excellent initial activity (initial power generation characteristics) and excellent durability can be provided.

特開2010−124001号公報JP 2010-12401 A

しかしながら、特許文献1では、担体上に平均粒径3.5〜8nmの白金粒子を担持しているが、白金粒子が担体上で凝集しているため比表面積が40〜100m/gと小さく、触媒活性が十分でないという問題があった。 However, in Patent Document 1, although platinum particles having an average particle size of 3.5 to 8 nm are supported on the carrier, the specific surface area is as small as 40 to 100 m 2 / g because the platinum particles are aggregated on the carrier. However, there is a problem that the catalytic activity is not sufficient.

したがって、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、触媒担体上で触媒金属粒子が凝集することなく、比表面積が大きく、触媒活性(特に高いHOR活性及び低いORR活性)に優れるアノード電極触媒を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and has an anode having a large specific surface area and excellent catalytic activity (particularly high HOR activity and low ORR activity) without aggregation of catalytic metal particles on a catalyst carrier. An object is to provide an electrode catalyst.

本発明の他の目的は、上記アノード電極触媒を用いてなる、発電性能に優れるアノード電極触媒層、膜電極接合体及び燃料電池を提供することである。   Another object of the present invention is to provide an anode electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, and a fuel cell which are excellent in power generation performance, using the above-mentioned anode electrode catalyst.

本発明者らは、上記の問題を解決すべく、鋭意研究を行った結果、以下の知見を見出したものである。即ち、触媒担体上に触媒金属を配置し、該触媒金属の比表面積、又はXAFS(X線吸収微細構造)による該触媒金属の配位数、又は該触媒金属の粒径が所定値を有するアノード電極触媒が上記課題を解決することを見出し、本発明を完成するに至ったものである。   The present inventors have conducted intensive studies to solve the above-mentioned problems, and as a result, have found the following findings. That is, an anode in which a catalyst metal is disposed on a catalyst carrier and the specific surface area of the catalyst metal or the coordination number of the catalyst metal by XAFS (X-ray absorption fine structure) or the particle size of the catalyst metal has a predetermined value The inventors have found that an electrocatalyst solves the above problems, and have completed the present invention.

本発明によれば、触媒担体上に配置される触媒金属は、凝集を起こすことなく高い比表面積を発現し得ることで、触媒活性(高いHOR活性及び低いORR活性)に優れたアノード電極触媒を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the catalyst metal arrange | positioned on a catalyst support | carrier can express the high specific surface area, without causing aggregation, and the anode electrode catalyst excellent in the catalytic activity (high HOR activity and low ORR activity) is obtained. Can be provided.

また、本発明によれば、触媒担体上に配置される触媒金属は、凝集を起こさない小さい配位数で構成されているので高い比表面積を発現でき、触媒活性(高いHOR活性及び低いORR活性)に優れたアノード電極触媒を提供できる。   Further, according to the present invention, the catalyst metal disposed on the catalyst carrier is constituted by a small coordination number that does not cause aggregation, so that a high specific surface area can be exhibited, and the catalytic activity (high HOR activity and low ORR activity) can be exhibited. ) Can be provided.

更に、本発明によれば、触媒担体上に配置される触媒金属は、凝集を起こさない小さい粒径を有するので高い比表面積を発現でき、触媒活性(高いHOR活性及び低いORR活性)に優れたアノード電極触媒を提供できる。   Further, according to the present invention, the catalyst metal disposed on the catalyst carrier has a small particle size that does not cause aggregation, and thus can exhibit a high specific surface area, and has excellent catalytic activity (high HOR activity and low ORR activity). An anode electrode catalyst can be provided.

本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池の基本構成を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic sectional view showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell according to one embodiment of the present invention. 触媒金属粒子として白金粒子を用いた際の単位白金表面積当たりのORR活性と白金の電気化学的な比表面積の関係を示す図面である。4 is a drawing showing the relationship between ORR activity per unit platinum surface area and platinum's electrochemical specific surface area when platinum particles are used as catalytic metal particles. 触媒金属粒子として白金粒子を用いた際の単位白金質量当たりのORR活性と白金の電気化学的な比表面積の関係を示す図面である。3 is a drawing showing the relationship between ORR activity per unit platinum mass and electrochemical specific surface area of platinum when platinum particles are used as catalytic metal particles. 市販の白金担持カーボン触媒(田中貴金属工業製、TEC10E50E)18.6mgと、触媒金属粒子として白金粒子を用いて得られた触媒実施例の触媒10.4mgをそれぞれ秤量し、水19mLおよびイソプロパノール6mLの混合液に分散させ、これにナフィオン溶液(DE521CS、5wt%、アルドリッチ製)100μL加えて触媒インクを調製した。その後、1時間以上超音波分散を行った。調製した触媒インク10μLを研磨済みのグラッシーカーボン電極(直径φ5.0mm、北斗電工製)に塗布し、60℃の乾燥機中で10分間乾燥した。得られた電極の表面塗布状態は顕微鏡観察により確認し、触媒層の塗り残し、はみ出しのない電極を評価に用いた。18.6 mg of a commercially available platinum-supported carbon catalyst (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo TEC10E50E) and 10.4 mg of the catalyst of the catalyst example obtained using platinum particles as the catalyst metal particles were weighed, and 19 mL of water and 6 mL of isopropanol were weighed. The mixture was dispersed in a mixed solution, and 100 μL of Nafion solution (DE521CS, 5 wt%, manufactured by Aldrich) was added thereto to prepare a catalyst ink. Thereafter, ultrasonic dispersion was performed for 1 hour or more. 10 μL of the prepared catalyst ink was applied to a polished glassy carbon electrode (φ5.0 mm, manufactured by Hokuto Denko) and dried in a dryer at 60 ° C. for 10 minutes. The surface coating state of the obtained electrode was confirmed by microscopic observation, and an electrode having no coating remaining on the catalyst layer and no protrusion was used for evaluation.

電気化学測定は通常の三室型セル(ミックラボ製)で行った。電解質溶液は0.1Mの過塩素酸(Ultrapur、関東化学製)を用いた。対極はPt線、参照極は可逆水素電極(RHE)とした。電位制御はHZ−5000(北斗電工製)を用いて行った。回転電極(RDE)装置はHR−301(北斗電工製)を用いた。セル温度は外部循環方式の恒温槽(CHL300、YAMATO製)を用いて25℃(±1℃)に制御した。COストリッピングの測定には1%COのArバランスガス(太陽日酸製)を使用した。全ての計測はドラフト内で実施した。   Electrochemical measurements were performed in a normal three-chamber cell (Mick Lab). The electrolyte solution used was 0.1 M perchloric acid (Ultrapur, manufactured by Kanto Chemical). The counter electrode was a Pt line, and the reference electrode was a reversible hydrogen electrode (RHE). The potential control was performed using HZ-5000 (manufactured by Hokuto Denko). HR-301 (manufactured by Hokuto Denko) was used as a rotating electrode (RDE) device. The cell temperature was controlled at 25 ° C. (± 1 ° C.) using an external circulation type thermostat (CHL300, manufactured by YAMATO). For the measurement of CO stripping, an Ar balance gas (manufactured by Taiyo Nissin) of 1% CO was used. All measurements were performed in a draft.

電極の前処理として0〜1.2V(RHE)の範囲を100mV/sで20サイクル走査した後、サイクリックボルタンメトリー(結果を図3に示す)や対流ボルタンメトリー等の測定を行った。COストリッピングの測定では、1%COガスが飽和した電解質溶液中で、電極を400rpmで回転させながら0.05V(RHE)に30分間保持した。この条件においてCO吸着量が飽和に達することを確認した。溶液中のCOガスを窒素で完全に置換した後、0.05V(RHE)から1.2V(RHE)まで、20mV/sで3サイクルのCV計測を行った。2サイクル目と3サイクル目のCVはきれいに重なって観察された。1サイクル目と2サイクル目以降の応答電流の差よりCOストリッピングピークの電気量を算出し、COによるPtの最大被覆率が0.68になると仮定し、換算係数285.6μC・cmPt−2を適用して電気化学的に活性な表面積を算出した。電気化学的面積(ECA)はこれを白金量で割り付けることで算出した(図3(a))。
図3(a)のCOストリッピングの結果を基に算出した値から、白金粒子の比表面積は290m/gであることが分かった。この値は、白金粒子を球と仮定した場合、平均粒子径が1nm以下であることを意味する(図3(B))。 XAFS(X線吸収微細構造解析)によって算出された触媒金属(Pt)原子の平均配位数と触媒金属(Pt)粒子の平均粒径との関係および実施例の触媒をXAFS測定した結果を示す図面である。結果から得られた実施例の平均配位数は3.3であった。 触媒としてカーボン担体に担持された状態の白金粒子についての水素の吸脱着から計測される電気化学的な比表面積の測定方法により、電気化学測定における3サイクル目のCV(サイクリックボルタンメトリー)を示すグラフを示す図面である。 ケッチェンブラック担体に白金錯体を担持し、これを300℃で1時間の真空加熱処理して錯体を還元して得た実施例1の金属担持炭素材料の試料であるPtクラスタ/kBについてのTEM写真を示す。 ジニトロジアンミン白金錯体を水素化ホウ素ナトリウムで還元して得られた比較例2の金属担持炭素材料の試料であるPt粒子/kBについてのTEM写真を示す。 製造例1の試料から熱処理して得た実施例1の試料(Ptクラスタ/kB)、ブランク(ケッチェンブラックのみ)、比較例1の試料(TEC10E50E)を空気雰囲気下で測定したXRDパターンを示す図面である。 実施例1及び比較例1〜2につき、ORR活性の測定方法に従って得られた電流−電圧曲線を表す図面である。 実施例1及び比較例1〜2につき、水素吸脱着により得られたCV曲線を表す図面である。 実施例1及び比較例1につき、水素酸化反応(HOR)活性の測定方法に従って得られた電流−電圧曲線を表す図面である。
After performing 20 cycles of scanning in the range of 0 to 1.2 V (RHE) at 100 mV / s as electrode pretreatment, measurements such as cyclic voltammetry (results are shown in FIG. 3) and convective voltammetry were performed. In the measurement of CO stripping, the electrode was kept at 0.05 V (RHE) for 30 minutes while rotating the electrode at 400 rpm in an electrolyte solution saturated with 1% CO gas. Under these conditions, it was confirmed that the CO adsorption amount reached saturation. After completely replacing the CO gas in the solution with nitrogen, CV measurement was performed from 0.05 V (RHE) to 1.2 V (RHE) at 20 mV / s for three cycles. The CVs of the second and third cycles were clearly overlapped. The amount of electricity at the CO stripping peak is calculated from the difference between the response currents after the first cycle and the second and subsequent cycles. Assuming that the maximum coverage of Pt by CO is 0.68, the conversion coefficient is 285.6 μC · cmPt −2. Was applied to calculate the electrochemically active surface area. The electrochemical area (ECA) was calculated by assigning this to the amount of platinum (FIG. 3 (a)).
From the value calculated based on the result of the CO stripping in FIG. 3A, it was found that the specific surface area of the platinum particles was 290 m 2 / g. This value means that the average particle diameter is 1 nm or less, assuming that the platinum particles are spherical (FIG. 3B). 2 shows the relationship between the average coordination number of catalytic metal (Pt) atoms calculated by XAFS (X-ray absorption fine structure analysis) and the average particle size of catalytic metal (Pt) particles, and the results of XAFS measurement of the catalysts of the examples. It is a drawing. The average coordination number of the example obtained from the result was 3.3. Graph showing CV (cyclic voltammetry) at the third cycle in electrochemical measurement by a method of measuring an electrochemical specific surface area measured from hydrogen adsorption and desorption of platinum particles supported on a carbon support as a catalyst. FIG. TEM for Pt cluster / kB, which is a sample of the metal-supported carbon material of Example 1 obtained by supporting a platinum complex on a Ketjen black carrier and subjecting the complex to reduction by vacuum heating at 300 ° C. for 1 hour. A photograph is shown. 4 shows a TEM photograph of Pt particles / kB, which is a sample of a metal-supported carbon material of Comparative Example 2 obtained by reducing a dinitrodiammine platinum complex with sodium borohydride. The XRD pattern which measured the sample of Example 1 (Pt cluster / kB), the blank (only Ketjen black), and the sample of Comparative Example 1 (TEC10E50E) obtained by heat-treating the sample of Production Example 1 in an air atmosphere is shown. It is a drawing. 1 is a drawing showing a current-voltage curve obtained according to a method for measuring ORR activity in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. 3 is a drawing showing CV curves obtained by hydrogen adsorption and desorption for Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. 1 is a diagram showing a current-voltage curve obtained in Example 1 and Comparative Example 1 according to a method for measuring a hydrogen oxidation reaction (HOR) activity.

以下、適宜図面を参照しながら、本発明のアノード電極触媒の一実施形態、並びにこれを使用した触媒層、膜電極接合体(MEA)および燃料電池の一実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明は、以下の実施形態のみには制限されない。なお、各図面は説明の便宜上誇張されて表現されており、各図面における各構成要素の寸法比率が実際とは異なる場合がある。また、本発明の実施の形態を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 the anode electrode catalyst of the present invention, and a catalyst layer, a membrane electrode assembly (MEA), and a fuel cell 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 are described with reference to the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals in the description of the drawings, and overlapping description will be omitted.

また、本明細書において、範囲を示す「X〜Y」は「X以上Y以下」を意味し、「重量」と「質量」、「重量%」と「質量%」及び「重量部」と「質量部」は同義語として扱う。また、特記しない限り、操作および物性等の測定は室温(20〜25℃)/相対湿度40〜50%の条件で測定する。   In this specification, “X to Y” indicating a range means “X or more and Y or less”, “weight” and “mass”, “weight%” and “mass%”, and “weight part” and “weight part”. Parts by mass "are treated as synonyms. 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%.

[燃料電池]
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。
[Fuel cell]
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)の基本構成を示す概略断面図である。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 sectional view showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) according to one embodiment of the present invention. The PEFC 1 has a solid polymer electrolyte membrane 2 and a pair of catalyst layers (anode catalyst layer 3a and cathode catalyst layer 3c) sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 2. The laminate of the solid polymer electrolyte membrane 2 and the catalyst layers (3a, 3c) is further sandwiched by a pair of gas diffusion layers (GDL) (anode gas diffusion layer 4a and cathode gas diffusion layer 4c). In this manner, the solid polymer electrolyte membrane 2, the pair of catalyst layers (3a, 3c) and the pair of gas diffusion layers (4a, 4c) constitute a membrane electrode assembly (MEA) 10 in a stacked state.

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, the recesses (spaces between the separator and the MEA generated due to the uneven shape of the separator) viewed from the MEA side of the separators (5a, 5c) are provided with 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ガス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 gas 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(MEA)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 (MEA) 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、本実施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)]
本実施形態の触媒(本明細書中では、「電極触媒」とも称する)は、触媒担体および前記触媒担体に担持される触媒金属粒子とを含む。アノード電極側に用いる触媒を、アノード電極触媒といい、カソード電極側に用いる触媒を、カソード電極触媒という。また、特に断らない限り、単に触媒、或いは電極触媒といった場合には、アノード電極触媒とカソード電極触媒の双方を指すものとする。ここで、本実施形態に係るアノード電極触媒は、触媒担体と、前記触媒担体に担持される触媒金属粒子とを含むものであって、前記触媒金属粒子が(a)COストリッピングで計測される電気化学的な比表面積が280m/g以上である、(b)XAFS(X線吸収微細構造)によって測定された触媒金属の平均配位数が4以下である、(c)平均粒径が1nm以下であるとの要件のうち1つ以上を満たす。
[Catalyst (electrocatalyst)]
The catalyst of the present embodiment (also referred to as “electrocatalyst” in the present specification) includes a catalyst carrier and catalyst metal particles supported on the catalyst carrier. The catalyst used on the anode electrode side is called an anode electrode catalyst, and the catalyst used on the cathode electrode side is called a cathode electrode catalyst. Unless otherwise specified, the term “catalyst” or “electrocatalyst” means both the anode electrode catalyst and the cathode electrode catalyst. Here, the anode electrode catalyst according to the present embodiment includes a catalyst carrier and catalyst metal particles supported on the catalyst carrier, and the catalyst metal particles are measured by (a) CO stripping. (B) the average coordination number of the catalyst metal measured by XAFS (X-ray absorption fine structure) is 4 or less, and (c) the average particle size is 280 m 2 / g or more. At least one of the requirements of 1 nm or less is satisfied.

本発明者らは、特許文献1の触媒では、担体上に平均粒径3.5〜8nmの白金粒子を担持しているが、白金粒子が担体上で凝集しているため比表面積が40〜100m/gと小さく、触媒活性(高いHOR活性化び低いORR活性)が十分でないことを見出した。これに対して本発明者らは、触媒金属粒子が、上記(a)〜(c)のうち1つ以上の要件を満たすことで、白金粒子が担体上で凝集を起こすことなく高い比表面積を発現し得ることで、触媒活性(高いHOR活性及び低いORR活性)を向上できることを見出した。 The present inventors support platinum particles having an average particle size of 3.5 to 8 nm on the carrier in the catalyst of Patent Document 1, but have a specific surface area of 40 to 40 because the platinum particles are aggregated on the carrier. It was found that the catalytic activity (high HOR activation and low ORR activity) was not sufficient, being as small as 100 m 2 / g. On the other hand, the present inventors have realized that the catalyst metal particles satisfy one or more of the above-mentioned requirements (a) to (c), and thus the platinum particles have a high specific surface area without causing aggregation on the support. It has been found that by being able to express, catalytic activity (high HOR activity and low ORR activity) can be improved.

このうち、ORR活性と白金の電気化学的な比表面積の関係を測定した図面を図2に示す。図2(a)は、触媒金属粒子として白金粒子を用いた際の単位白金表面積当たりのORR活性と白金の電気化学的な比表面積の関係を示す図面である。図2(b)は、触媒金属粒子として白金粒子を用いた際の単位白金質量当たりのORR活性と白金の電気化学的な比表面積の関係を示す図面である。図2(a)(b)より、白金の比表面積90m/g以下(粒子径3.1nm以上)の範囲では、比表面積の低下(粒子径の増大)に伴い単位白金表面積当たりのORR活性が増大する反面、白金の比表面積が低下するために、単位白金質量当たりのORR活性は低下することがわかる。一方、白金の比表面積90m/g以上(粒子径3.1nm以下)で120m/g以下(粒子径2.3nm以上)の範囲では、白金の比表面積の増大(粒子径の低下)する効果以上に単位白金表面積当たりのORR活性が低下するため、単位白金質量当たりのORR活性は、白金の比表面積が60m/g以上90m/g以下の単位白金質量当たりのORR活性とほぼ同じであることがわかる。しかし、これらの関係は単なる経験則であり、物理的な根拠は不明であるため、白金の比表面積120m/gを超えて更に増大(粒子径2.3nmより更に低下)した際の単位白金質量当たりのORR活性については、全く予見し得ないものである。また、単位白金質量あたりのHOR活性と白金の比表面積の関係については、これまでほとんど調べられたことがなかった。しかるに、本発明者らは、比表面積120m/gを遥かに超えた所定値まで増大(粒子径を2.3nmより遥かに小さい所定値まで微粒化)することで、起動時のカソード電極のカーボン担体の耐食性を保持し得る低いORR活性を実現し得ることを見出した。その結果、燃料電池の耐久性の向上に大いに貢献し得ることができる。更に、比表面積120m/gを遥かに超えた所定値まで増大(粒子径を2.3nmより遥かに小さい所定値まで微粒化)することで、運転条件全域で高いHOR活性を実現し得ることを見出した。その結果、燃料電池の発電性能の向上に大いに貢献し得ることができる。また、触媒金属粒子として白金粒子を用いた際の粒子径と平均配位数との関係に着目し、上記(b)の要件を満足することによっても、燃料電池の耐久性と発電性能を向上し得ることを見出したものである。なお、図2は、文献(H.A.Gasteiger et al.,Applied Catalysis B:Environmental 56(2005)9−35)に基づくものである。但し、図2(a)(b)の2つのグラフの縦軸の「活性」は、酸素還元反応(ORR)活性を示しており、その測定方法は記載されている文献にあるが、基本的には本明細書で説明している測定方法とほぼ同じである。本明細書との違いは電位走査速度が10mV/sではなく、20mV/sであり。電位走査範囲が0→1.0V(RHE)であることぐらいである。以下、電極触媒につき、各構成要件ごとに説明する。 FIG. 2 shows a drawing in which the relationship between the ORR activity and the electrochemical specific surface area of platinum was measured. FIG. 2A is a graph showing the relationship between ORR activity per unit platinum surface area and electrochemical specific surface area of platinum when platinum particles are used as catalyst metal particles. FIG. 2 (b) is a drawing showing the relationship between ORR activity per unit platinum mass and electrochemical specific surface area of platinum when platinum particles are used as catalyst metal particles. 2 (a) and 2 (b), when the specific surface area of platinum is 90 m 2 / g or less (particle diameter of 3.1 nm or more), ORR activity per unit platinum surface area is accompanied by a decrease in specific surface area (increase in particle diameter). On the other hand, the ORR activity per unit mass of platinum decreases because the specific surface area of platinum decreases. On the other hand, when the specific surface area of platinum is 90 m 2 / g or more (particle diameter 3.1 nm or less) and 120 m 2 / g or less (particle diameter 2.3 nm or more), the specific surface area of platinum increases (particle diameter decreases). Since the ORR activity per unit platinum surface area decreases more than the effect, the ORR activity per unit platinum mass is almost the same as the ORR activity per unit platinum mass whose specific surface area of platinum is 60 m 2 / g or more and 90 m 2 / g or less. It can be seen that it is. However, these relations are merely empirical rules, and the physical basis is unknown, so that the unit platinum when the specific surface area of platinum exceeds 120 m 2 / g and further increases (particle diameter further decreases from 2.3 nm) The ORR activity per mass is completely unpredictable. Further, the relationship between the HOR activity per unit mass of platinum and the specific surface area of platinum has not been investigated so far. However, the present inventors increased the specific surface area to a predetermined value far exceeding 120 m 2 / g (the particle diameter was reduced to a predetermined value much smaller than 2.3 nm), and thereby the cathode electrode at the time of startup was increased. It has been found that a low ORR activity capable of maintaining the corrosion resistance of the carbon support can be realized. As a result, it can greatly contribute to the improvement of the durability of the fuel cell. Further, by increasing the specific surface area to a predetermined value far exceeding 120 m 2 / g (the particle diameter is reduced to a predetermined value far smaller than 2.3 nm), a high HOR activity can be realized over the entire operating conditions. Was found. As a result, it can greatly contribute to improving the power generation performance of the fuel cell. Focusing on the relationship between the particle diameter and the average coordination number when platinum particles are used as the catalyst metal particles, and by satisfying the above requirement (b), the durability and power generation performance of the fuel cell are improved. It is found that it can do. FIG. 2 is based on the literature (HA Gasteiger et al., Applied Catalysis B: Environmental 56 (2005) 9-35). However, the “activity” on the vertical axis of the two graphs in FIGS. 2 (a) and 2 (b) indicates the oxygen reduction reaction (ORR) activity. Is almost the same as the measurement method described in this specification. The difference from this specification is that the potential scanning speed is 20 mV / s instead of 10 mV / s. The potential scanning range is about 0 → 1.0V (RHE). Hereinafter, the electrode catalyst will be described for each component.

(触媒担体)
触媒担体は、触媒成分である触媒金属粒子を担持するためのる導電性の担体、および触媒成分である触媒金属粒子と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。
(Catalyst carrier)
The catalyst carrier functions as a conductive carrier for supporting catalyst metal particles as a catalyst component, and as an electron conduction path involved in transfer of electrons between the catalyst metal particles as a catalyst component and other members. I do.

触媒担体としては、触媒成分である触媒金属粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、充分な電子伝導性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであることが好ましい。具体的には、主成分がカーボンである触媒担体として、ケッチェンブラック(高導電性カーボンブラック)、(オイル)ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック、ランプブラック等のカーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子(カーボン担体)が挙げられる。なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、「実質的に炭素原子からなる」とは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されうることを意味する。   The catalyst carrier may have a specific surface area for supporting catalyst metal particles as a catalyst component in a desired dispersed state and may have sufficient electron conductivity, and the main component is carbon. Is preferred. Specifically, as a catalyst carrier whose main component is carbon, carbon black such as Ketjen black (highly conductive carbon black), (oil) furnace black, channel black, acetylene black, thermal black, lamp black, activated carbon, Examples include carbon particles (carbon carrier) made of coke, natural graphite, artificial graphite, and the like. Here, “the main component is carbon” means that a carbon atom is contained as a main component, and is a concept that includes both of a carbon atom only and a substantially carbon atom. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, "consisting substantially of carbon atoms" means that mixing of impurities of about 2 to 3% by mass or less is permissible.

触媒担体のBET比表面積は、触媒成分である触媒金属粒子を高分散担持させるのに充分な比表面積であればよいが、好ましくは20〜1600m/g、より好ましくは80〜1200m/gである。触媒担体の比表面積がかような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散性と触媒成分の有効利用率とのバランスが適切に制御されうる。 The BET specific surface area of the catalyst carrier may be a specific surface area sufficient to highly disperse and support catalytic metal particles as a catalyst component, but is preferably 20 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to 1200 m 2 / g. It is. When the specific surface area of the catalyst carrier is within such a range, the balance between the dispersibility of the catalyst component on the catalyst carrier and the effective utilization rate of the catalyst component can be appropriately controlled.

触媒担体のサイズについても特に限定されないが、担持の簡便さ、触媒利用率、触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒径を5〜200nm程度、好ましくは10〜100nm程度とするとよい。   Although the size of the catalyst carrier is not particularly limited, the average particle diameter is about 5 to 200 nm, preferably 10 to 20 nm, from the viewpoint of simplicity of loading, catalyst utilization, and controlling the thickness of the catalyst layer in an appropriate range. The thickness is preferably about 100 nm.

なお、本明細書において、電極触媒の「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、触媒粉末約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、これの全質量から、同面積のテフロン(登録商標)(基材)質量を差し引いた塗布層の正味の質量約0.03〜0.04gを試料質量として用いる。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 electrode catalyst is measured by a nitrogen adsorption method. Specifically, about 0.04 to 0.07 g of the catalyst powder 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 a 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.

(カソード電極触媒用の触媒金属粒子)
本実施形態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。このうち、カソード電極触媒で使用できる触媒成分である触媒金属粒子は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒金属が使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属およびこれらの合金などから選択されうる。
(Catalyst metal particles for cathode electrode catalyst)
The catalytic metal that can be used in the present embodiment has a function of catalyzing an electrochemical reaction. Among them, the catalyst metal particles, which are the catalyst components that can be used in the cathode electrode catalyst, are not particularly limited as long as they have a catalytic action on the oxygen reduction reaction, and known catalyst metals can be used. Specifically, it can be selected from metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof. .

これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。すなわち、触媒金属は、白金であるまたは白金と白金以外の金属成分を含むことが好ましく、白金または白金含有合金であることがより好ましい。このような触媒金属は、高い活性を発揮できる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金の含有量を30〜90原子%とし、白金と合金化する金属の含有量を10〜70原子%とするのがよい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、カソード電極触媒に用いられる触媒成分の触媒金属粒子は、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。本実施形態では、アノード電極触媒用およびカソード電極触媒用の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような本実施形態の作用効果を奏するように、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 particles of the catalyst component used for the cathode electrode catalyst 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. In the present embodiment, the catalyst component for the anode electrode catalyst and the catalyst component for the cathode electrode catalyst need not be the same, and may be appropriately selected so as to exhibit the above-described effects of the present embodiment.

カソード電極触媒用の触媒成分である触媒金属粒子の形状や大きさは、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。カソード電極触媒用の触媒成分である触媒金属粒子の形状としては、例えば、粒状、鱗片状、層状などのものが使用できるが、粒状であることが特に好ましい。この際、カソード電極触媒用の触媒金属粒子の平均粒径は、好ましくは1〜30nm、より好ましくは3nm〜30nm、特に好ましくは3nm〜10nmであることが好ましい。カソード電極触媒用の触媒金属粒子の平均粒径がかような範囲内の値であると、電気化学反応が進行する有効電極面積に関連する触媒利用率と担持の簡便さとのバランスが適切に制御されうる。上記した特定の空孔分布を有する担体を用いる場合には、触媒金属の平均粒径が3nm以上であれば、触媒金属がミクロ孔及び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、本実施形態における「カソード電極触媒用の触媒金属粒子の平均粒径」は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過形電子顕微鏡像より調べられる触媒成分であ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 catalytic metal particles as the catalyst component for the cathode electrode catalyst are not particularly limited, and the same shape and size as those of known catalyst components can be adopted. As the shape of the catalyst metal particles as the catalyst component for the cathode electrode catalyst, for example, particles, flakes, layers and the like can be used, but the particles are particularly preferable. At this time, the average particle diameter of the catalyst metal particles for the cathode electrode catalyst is preferably 1 to 30 nm, more preferably 3 to 30 nm, and particularly preferably 3 to 10 nm. When the average particle size of the catalytic metal particles for the cathode electrode catalyst is within such a range, the balance between the catalyst utilization rate related to the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds and the simplicity of loading is appropriately controlled. Can be done. When using a carrier having the above-described specific pore distribution, if the average particle size of the catalyst metal is 3 nm or more, the catalyst metal is relatively firmly supported in the micropores and the mesopores, and in the catalyst layer. Contact with the electrolyte is more effectively suppressed and 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 for the cathode electrode catalyst” in the present embodiment is determined from the crystallite diameter determined from the half width of the diffraction peak of the catalyst component in the X-ray diffraction and the transmission electron microscope image. It can be measured as the average value of the particle diameter of the catalyst metal particles as the catalyst component.

カソード電極触媒において、触媒担体に担持されてなる触媒金属粒子の担持量は、カソード電極触媒の全量に対して、好ましくは10〜80質量%、より好ましくは30〜70質量%である。カソード電極触媒用の触媒金属粒子の担持量がかような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散度と触媒性能とのバランスが適切に制御されうる。なお、カソード電極触媒における触媒成分である触媒金属粒子の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって測定されうる。   In the cathode electrode catalyst, the amount of the catalyst metal particles supported on the catalyst carrier is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 30 to 70% by mass, based on the total amount of the cathode electrode catalyst. When the supported amount of the catalyst metal particles for the cathode electrode catalyst is within such a range, the balance between the degree of dispersion of the catalyst component on the catalyst carrier and the catalyst performance can be appropriately controlled. The amount of the catalytic metal particles, which is a catalytic component, in the cathode electrode catalyst can be measured by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).

(アノード電極触媒用の触媒成分)
本実施形態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。このうち、アノード電極触媒で使用できる触媒成分である触媒金属粒子は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであって、下記(a)〜(c)の要件のうち1つ以上を満足するものが使用できる。即ち、アノード電極触媒に用いられる触媒金属粒子は、(a)COストリッピングで計測される電気化学的な比表面積が280m/g以上である、(b)XAFSによって測定された触媒金属の平均配位数が4以下である、(c)平均粒径が1nm以下である、とする要件のうち1つ以上を満たすものである。以下、要件ごとに説明する。
(Catalyst component for anode electrode catalyst)
The catalytic metal that can be used in the present embodiment has a function of catalyzing an electrochemical reaction. Among these, the catalytic metal particles that are the catalyst components that can be used in the anode electrode catalyst have a catalytic action on the oxidation reaction of hydrogen and satisfy one or more of the following requirements (a) to (c): Things can be used. That is, the catalytic metal particles used for the anode electrode catalyst have (a) an electrochemical specific surface area of at least 280 m 2 / g measured by CO stripping, and (b) an average of the catalytic metal measured by XAFS. It satisfies at least one of the requirements that the coordination number is 4 or less and (c) the average particle size is 1 nm or less. Hereinafter, each requirement will be described.

まず、本実施形態のアノード電極触媒で使用できる触媒成分としては、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金属が使用できる。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、オスミウム等の金属およびこれらの合金などから選択されうる。   First, the catalyst component that can be used in the anode electrode catalyst of the present embodiment is not particularly limited as long as it has a catalytic action on the hydrogen oxidation reaction, and a known catalyst metal can be used. Specifically, it can be selected from metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, and alloys thereof.

これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。すなわち、触媒金属は、白金であるまたは白金と白金以外の金属成分を含むことが好ましく、白金または白金含有合金であることがより好ましい。このような触媒金属は、高い活性を発揮できる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金の含有量を30〜90原子%とし、白金と合金化する金属の含有量を10〜70原子%とするのがよい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、アノード電極触媒に用いられる触媒成分の触媒金属粒子は、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。本実施形態では、アノード電極触媒用およびカソード電極触媒用の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような本実施形態の作用効果を奏するように、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 particles of the catalyst component used for the anode electrode catalyst 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. In the present embodiment, the catalyst component for the anode electrode catalyst and the catalyst component for the cathode electrode catalyst need not be the same, and may be appropriately selected so as to exhibit the above-described effects of the present embodiment.

アノード電極触媒用の触媒成分である触媒金属粒子の形状は、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状が採用されうる。アノード電極触媒用の触媒成分である触媒金属粒子の形状としては、例えば、粒状、鱗片状、層状などのものが使用できるが、粒状であることが特に好ましい。またアノード電極触媒用の触媒金属粒子の平均粒径は、前記(c)の要件を満足する必要があり、これについては、以下に詳しく説明する。   The shape of the catalytic metal particles that are the catalyst component for the anode electrode catalyst is not particularly limited, and the same shape as a known catalyst component can be adopted. As the shape of the catalyst metal particles which are the catalyst components for the anode electrode catalyst, for example, particles, flakes, layers and the like can be used, but the particles are particularly preferable. The average particle size of the catalytic metal particles for the anode electrode catalyst must satisfy the requirement (c), which will be described in detail below.

アノード電極触媒において、触媒担体に担持されてなる触媒金属粒子の担持量は、アノード電極触媒の全量に対して、好ましくは10〜80質量%、より好ましくは30〜70質量%である。アノード電極触媒用の触媒金属粒子の担持量がかような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散度と触媒性能とのバランスが適切に制御されうる。なお、アノード電極触媒における触媒成分である触媒金属粒子の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって測定されうる。   In the anode electrode catalyst, the amount of the catalyst metal particles supported on the catalyst carrier is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 30 to 70% by mass, based on the total amount of the anode electrode catalyst. When the amount of the catalytic metal particles for the anode electrode catalyst is within such a range, the balance between the degree of dispersion of the catalyst component on the catalyst carrier and the catalytic performance can be appropriately controlled. The amount of the catalytic metal particles, which is a catalytic component, in the anode electrode catalyst can be measured by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).

前記触媒金属粒子は、前記触媒金属粒子を担持させる担体材料に対して、好ましくは0.01〜50wt%、より好ましくは0.01〜15wt%の濃度範囲内で担持する。ここで前記触媒金属粒子を担持させる担体材料は、上記したようにカーボン材料、または、前記カーボン材料に官能基もしくは配位子などが導入されている場合、これらの官能基または配位子などが導入されたカーボン材料でありうる。担持されている触媒金属粒子が0.01wt%以上であれば、触媒金属粒子の機能を十分に得ることができる。一方、担持されている触媒金属粒子が50wt%以下である場合には、カーボン材料の細孔機能を維持し、高いBET表面積が得られうる。   The catalyst metal particles are preferably loaded in a concentration range of 0.01 to 50% by weight, more preferably 0.01 to 15% by weight, based on the carrier material on which the catalyst metal particles are loaded. Here, the carrier material for supporting the catalyst metal particles is a carbon material as described above, or, when a functional group or a ligand is introduced into the carbon material, these functional groups or ligands are included. It can be an introduced carbon material. When the amount of the supported catalyst metal particles is 0.01 wt% or more, the function of the catalyst metal particles can be sufficiently obtained. On the other hand, when the amount of the supported catalyst metal particles is 50% by weight or less, the pore function of the carbon material is maintained, and a high BET surface area can be obtained.

≪前記(a)の要件について≫
前記(a)の要件を満足する触媒金属粒子は、COストリッピングで計測される電気化学的な比表面積が280m/g以上である。これにより、触媒担体上に配置される触媒金属粒子は、凝集を起こすことなく、比表面積が広がるために、優れた触媒活性、とりわけ触媒金属の単位白金質量あたりのHOR活性が向上するという効果がある。更に比表面積が広がる効果以上に、触媒金属の単位白金面積当たりのORR活性が低下するため、単位白金質量あたりのORR活性を低下し得るという効果も併せ持つ優れたアノード電極触媒を提供できる。
<< About the requirement of the above (a) >>
The catalytic metal particles satisfying the requirement (a) have an electrochemical specific surface area measured by CO stripping of 280 m 2 / g or more. As a result, the catalytic metal particles disposed on the catalyst carrier have a large specific surface area without causing agglomeration, so that excellent catalytic activity, in particular, HOR activity per unit platinum mass of the catalytic metal is improved. is there. Furthermore, since the ORR activity per unit platinum area of the catalyst metal is reduced more than the effect of increasing the specific surface area, it is possible to provide an excellent anode electrode catalyst which also has the effect of reducing the ORR activity per unit platinum mass.

COストリッピングで計測される電気化学的な比表面積は、以下の方法により測定することができる。但し、「水素の吸脱着から計測される電気化学的な比表面積」が測定できるものであれば、以下の方法に何ら制限されるものではない。   The electrochemical specific surface area measured by CO stripping can be measured by the following method. However, the method is not limited to the following method as long as the “electrochemical specific surface area measured from the adsorption and desorption of hydrogen” can be measured.

まず、触媒一定量(担体に担持される触媒金属粒子の担持量が触媒全量に対し、3.9wt%の場合は10.4mg)を水19mL、イソプロパノール6mLに分散させて分散液を作製する。この分散液にNafion溶液(DE521CS、5wt%、アルドリッチ製)を100μL加えて触媒インクを調製する。その後、1時間以上超音波分散を行う。調製した触媒インク10μLを研磨済みのグラッシーカーボン電極(直径(φ)5.0mm、北斗電工製)に塗布し、60℃の乾燥機中で10分間乾燥する。電極の表面塗布状態は顕微鏡観察により確認し、触媒層の塗り残し、はみ出しのない電極を評価に用いる。   First, a dispersion is prepared by dispersing a predetermined amount of the catalyst (10.4 mg when the amount of the catalytic metal particles supported on the carrier is 3.9 wt% with respect to the total amount of the catalyst) in 19 mL of water and 6 mL of isopropanol. A catalyst ink is prepared by adding 100 μL of a Nafion solution (DE521CS, 5 wt%, manufactured by Aldrich) to this dispersion. Thereafter, ultrasonic dispersion is performed for 1 hour or more. 10 μL of the prepared catalyst ink is applied to a polished glassy carbon electrode (diameter (φ) 5.0 mm, manufactured by Hokuto Denko) and dried in a dryer at 60 ° C. for 10 minutes. The surface coating state of the electrode is confirmed by microscopic observation, and an electrode having no remaining catalyst layer and no protrusion is used for evaluation.

電気化学測定は通常の三室型セル(ミックラボ製)で行った。電解質溶液は0.1Mの過塩素酸(関東化学製、Ultrapur)を用いる。対極はPt線、参照極はRHE(可逆水素電極)とする。電位制御はHZ−5000(北斗電工製)を用いて行う。回転電極(RDE)装置はHR−301(北斗電工製)を用いた。セル温度は外部循環方式の恒温槽(CHL300、YAMATO製)を用いて25℃(±1℃)に制御する。COを用いた測定には1体積%COのArバランスガス(太陽日酸製)を使用する。全ての計測はドラフト内で実施する。   Electrochemical measurements were performed in a normal three-chamber cell (Mick Lab). As the electrolyte solution, 0.1 M perchloric acid (Ultrapur, manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) is used. The counter electrode is a Pt line, and the reference electrode is a RHE (reversible hydrogen electrode). The potential control is performed using HZ-5000 (manufactured by Hokuto Denko). HR-301 (manufactured by Hokuto Denko) was used as a rotating electrode (RDE) device. The cell temperature is controlled at 25 ° C. (± 1 ° C.) using an external circulation type thermostat (CHL300, manufactured by YAMATO). For measurement using CO, an Ar balance gas (manufactured by Taiyo Nissin) of 1% by volume CO is used. All measurements will be performed in the draft.

電極の前処理として0V(RHE)から1.2V(RHE)までの範囲を100mVs−1で20サイクル走査した後、サイクリックボルタンメトリーや対流ボルタンメトリー等の測定を行う。1体積%COガスが飽和した電解質溶液中で、電極を400rpmで回転させながら0.05V(RHE)に30分間保持する。この条件においてCO吸着量が飽和に達することを確認する。溶液中のCOガスを窒素で完全に置換した後、0.05V(RHE)から1.2V(RHE)まで、20mVs−1で3サイクルのCV(サイクリックボルタモグラム)計測を行う。2サイクル目以降のCVはきれいに重なって観察される。1サイクル目と2サイクル以降のCVの差よりCOストリッピングピークの電気量を算出し、換算係数285.6μCcmPt−2を適用して電気化学的に活性な表面積を算出する。ECA(電気化学的有効表面積)は、算出した表面積を触媒金属粒子の担持量で割り付けることで算出することができる。 As a pretreatment of the electrode, a range from 0 V (RHE) to 1.2 V (RHE) is scanned at 100 mVs −1 for 20 cycles, and then measurement such as cyclic voltammetry and convection voltammetry is performed. The electrode is kept at 0.05 V (RHE) for 30 minutes while rotating the electrode at 400 rpm in an electrolyte solution saturated with 1% by volume CO gas. Under these conditions, it is confirmed that the CO adsorption amount reaches saturation. After completely replacing the CO gas in the solution with nitrogen, three cycles of CV (cyclic voltammogram) measurement are performed from 0.05 V (RHE) to 1.2 V (RHE) at 20 mVs- 1 . The CVs after the second cycle are clearly overlapped and observed. The amount of electricity at the CO stripping peak is calculated from the difference between the CVs after the first cycle and the second and subsequent cycles, and the electrochemically active surface area is calculated by applying a conversion coefficient of 285.6 μCcmPt- 2 . The ECA (electrochemically effective surface area) can be calculated by assigning the calculated surface area to the supported amount of the catalyst metal particles.

上記測定方法で得られたCV曲線の具体例(触媒金属粒子としてPt粒子を用いた実施例及び比較例)を図3(a)に示す。また上記測定方法で得られた比表面積と、下記数式(1)から算出した実施例及び比較例で用いたPt粒子の直径(=平均粒径)(m)との関係を図3(b)に示す。   FIG. 3A shows a specific example of the CV curve obtained by the above measurement method (Examples and Comparative Examples using Pt particles as catalyst metal particles). FIG. 3B shows the relationship between the specific surface area obtained by the above-described measurement method and the diameter (= average particle diameter) (m) of the Pt particles used in the examples and comparative examples calculated from the following equation (1). Shown in

前記(a)の要件を満たす触媒金属(Pt)粒子は、COストリッピングで計測される電気化学的な比表面積が280m/g以上、好ましくは280m/g以上930m/g以下である。より好ましくは280m/g以上560m/g以下である。触媒金属(Pt)粒子の比表面積を280m/g以上としたのは、図3(b)に示すように、触媒金属粒子として白金粒子を用いた実施例及び比較例から求めたグラフから、平均粒径1nm以下の領域の比表面積が280m/g以上となるためである。なお、図3(b)の実施例及び比較例から求めたグラフから、比較例(従来例)の平均粒径2nm以下の領域の比表面積125m/g以上であればよいといえる。また比表面積の上限値である930m/gは、白金原子1個の直径が約0.3nmなので、比表面積は最大でも930m/gであることによる。また好ましい範囲の上限値の560m/gは、白金原子が4個または6個で構成される白金粒子(平均配位数3または4)の直径は約0.5nmである、かかる構成が望ましいことから、比表面積は560m/gを規定したものである。但し、当該比表面積560m/gを超える場合でも十分に本発明の作用効果を奏し得ることは言うまでもない。ここで、例えば、前記触媒金属がPtである場合、平均粒径3nmの粒子に含まれるPt原子数は約612個であり、平均粒径1nmの粒子に含まれるPt原子数は約10個である。 The catalytic metal (Pt) particles satisfying the requirement (a) have an electrochemical specific surface area measured by CO stripping of 280 m 2 / g or more, preferably 280 m 2 / g or more and 930 m 2 / g or less. . More preferably, it is 280 m 2 / g or more and 560 m 2 / g or less. The specific surface area of the catalyst metal (Pt) particles was set to 280 m 2 / g or more, as shown in FIG. 3B, from the graphs obtained from Examples and Comparative Examples using platinum particles as catalyst metal particles. This is because the specific surface area of the region having an average particle diameter of 1 nm or less becomes 280 m 2 / g or more. From the graphs obtained from the example and the comparative example in FIG. 3B, it can be said that the specific surface area of the comparative example (conventional example) having an average particle diameter of 2 nm or less should be 125 m 2 / g or more. 930 m 2 / g, which is the upper limit of the specific surface area, is because the diameter of one platinum atom is about 0.3 nm, so that the specific surface area is at most 930 m 2 / g. The upper limit of 560 m 2 / g of the preferred range is such that the diameter of platinum particles (average coordination number 3 or 4) composed of 4 or 6 platinum atoms is about 0.5 nm. For this reason, the specific surface area is defined as 560 m 2 / g. However, it goes without saying that even when the specific surface area exceeds 560 m 2 / g, the effects of the present invention can be sufficiently exhibited. Here, for example, when the catalyst metal is Pt, the number of Pt atoms contained in the particles having an average particle diameter of 3 nm is about 612, and the number of Pt atoms contained in the particles having an average particle diameter of 1 nm is about 10. is there.

≪前記(b)の要件について≫
前記(b)の要件を満足する触媒金属粒子では、XAFS(X線吸収微細構造解析)によって測定された触媒金属(Pt)原子の平均配位数が4以下である。かかる構成を有することで、触媒担体上に配置される触媒金属粒子は、凝集を起こさない小さい配位数で構成されているので高い比表面積を発現することができる。更に平均粒径1nm以下(概ね0.5nm程度)の微粒化を実現することもできる(図4参照)。これにより、触媒活性、とりわけ高いHOR活性及び低いORR活性を向上させることができる優れたアノード電極触媒を提供できる。
<< About the requirement of (b) above >>
In the catalytic metal particles satisfying the requirement (b), the average coordination number of catalytic metal (Pt) atoms measured by XAFS (X-ray absorption fine structure analysis) is 4 or less. With such a configuration, the catalyst metal particles arranged on the catalyst carrier are configured with a small coordination number that does not cause aggregation, and thus can exhibit a high specific surface area. Further, it is also possible to realize atomization with an average particle diameter of 1 nm or less (about 0.5 nm) (see FIG. 4). Thereby, it is possible to provide an excellent anode electrode catalyst capable of improving the catalytic activity, especially the high HOR activity and the low ORR activity.

XAFS(X線吸収微細構造解析)によって測定された触媒金属原子の平均配位数として好ましくは3〜4の範囲である(図4参照)。   The average coordination number of the catalytic metal atom measured by XAFS (X-ray absorption fine structure analysis) is preferably in the range of 3 to 4 (see FIG. 4).

図4は、触媒金属粒子として白金粒子を用いた際の実施例及び比較例につき、XAFS(X線吸収微細構造解析)によって測定された触媒金属(Pt)原子の平均配位数と触媒金属(Pt)粒子の平均粒径の関係を示す図面である。また、図中に各例の触媒金属(Pt)粒子の配位構造(分子構造モデル)を示す。   FIG. 4 shows the average coordination number of catalytic metal (Pt) atoms and the catalytic metal (Pt) atoms measured by XAFS (X-ray absorption fine structure analysis) for Examples and Comparative Examples in which platinum particles were used as catalytic metal particles. It is a figure which shows the relationship of the average particle diameter of Pt) particle | grains. In the figures, the coordination structure (molecular structure model) of the catalyst metal (Pt) particles of each example is shown.

図4に示すように、実施例に用いた触媒金属(Pt)粒子では、XAFSによって測定された触媒金属(Pt)原子の平均配位数が4以下、具体的には3.3であり、この際の触媒金属(Pt)粒子の平均粒径は概ね0.45〜0.55nmである。   As shown in FIG. 4, in the catalytic metal (Pt) particles used in the examples, the average coordination number of the catalytic metal (Pt) atoms measured by XAFS is 4 or less, specifically 3.3, At this time, the average particle diameter of the catalyst metal (Pt) particles is approximately 0.45 to 0.55 nm.

なお、XAFS(X線吸収微細構造解析)による触媒金属原子の平均配位子数および触媒金属粒子の平均粒径の測定は、後述の実施例に記載の方法で求めることができる。   The measurement of the average number of ligands of the catalytic metal atom and the average particle size of the catalytic metal particles by XAFS (X-ray absorption fine structure analysis) can be determined by the method described in Examples described later.

≪前記(c)の要件について≫
前記(c)の要件を満足する触媒金属粒子は、平均粒径が1nm以下である。かかる構成を有することで、触媒担体上に配置される触媒金属粒子は、凝集を起こさない小さい粒径を有するので高い比表面積を発現することができる。これにより、触媒活性、とりわけ高いHOR活性及び低いORR活性を向上させることができる優れたアノード電極触媒を提供できる。触媒金属原子の平均粒径として好ましくは0.3nm以上1nm以下、より好ましくは0.5nm以上1nm以下の範囲である。ここで、触媒金属粒子の平均粒径の測定方法は、上記(a)の要件である、COストリッピングで得られた比表面積を用いて、触媒金属粒子を球と仮定し、直径に変換し、下記数式(2)より算出する。得られた触媒金属の直径を、触媒金属粒子の平均粒径の値として採用するものとする。
<< About the requirement of the above (c) >>
The catalyst metal particles satisfying the requirement (c) have an average particle size of 1 nm or less. With this configuration, the catalyst metal particles disposed on the catalyst carrier have a small particle size that does not cause agglomeration, and thus can exhibit a high specific surface area. Thereby, it is possible to provide an excellent anode electrode catalyst capable of improving the catalytic activity, especially the high HOR activity and the low ORR activity. The average particle diameter of the catalytic metal atoms is preferably in the range of 0.3 nm to 1 nm, more preferably in the range of 0.5 nm to 1 nm. Here, the method of measuring the average particle diameter of the catalytic metal particles is as follows: the catalytic metal particles are assumed to be spherical and converted into diameters using the specific surface area obtained by CO stripping, which is the requirement of the above (a). , Calculated by the following equation (2). The diameter of the obtained catalyst metal is adopted as the value of the average particle diameter of the catalyst metal particles.

但し、前記(c)の要件を満足する触媒金属粒子が、平均粒径1nm以下であることの測定方法は、上記に示した通りであるが、触媒金属粒子の平均粒径が1nm以下である根拠としては、以下の4つの測定データもその根拠と成り得るものである。4つ目は、上記に示した測定方法である。   However, the method for measuring that the average particle diameter of the catalytic metal particles satisfying the requirement (c) is 1 nm or less is as described above, but the average particle diameter of the catalytic metal particles is 1 nm or less. As grounds, the following four measurement data can also be grounds. The fourth is the measurement method described above.

1.TEM観察結果から:比較例では観察される1〜2m程度の粒子が観察されないこと(図6(a)(b)参照)。TEMの測定方法は、実施例に記載の方法により行うことができる。   1. From the TEM observation result: No particles of about 1 to 2 m observed in the comparative example are observed (see FIGS. 6A and 6B). The TEM can be measured by the method described in Examples.

2.XRD観察結果から:粒子径が計算できないほど白金のピークが小さく、幅広いこと(図7参照)。XRDの測定方法は、実施例に記載の方法により行うことができる。   2. From the XRD observation results: The peak of platinum is so small that the particle size cannot be calculated, and is broad (see FIG. 7). XRD can be measured by the method described in Examples.

3.XAFS観察結果から:XAFSで計測される配位数から予測される粒子径が1nm以下となること(図4参照)。XAFSの測定方法は、実施例に記載の方法により行うことができる。   3. From the XAFS observation result: The particle diameter predicted from the coordination number measured by XAFS is 1 nm or less (see FIG. 4). XAFS can be measured by the method described in Examples.

4.COストリッピングによる電気化学的表面積の測定結果から:表面積から球を仮定して、直径を計算すると1nm以下となること。COストリッピングによる電気化学的表面積の測定方法は上記した通りであり、詳しくは上記(a)の要件での説明を参照のこと。   4. From the measurement of the electrochemical surface area by CO stripping: Assuming a sphere from the surface area, the calculated diameter should be less than 1 nm. The method for measuring the electrochemical surface area by CO stripping is as described above, and for details, see the explanation under the requirement (a).

≪(d)の要件について≫
本実施形態では、上記(a)〜(c)の要件うちの1つ以上、好ましくは2つ以上の要件を満足することに加えて、以下の(d)の要件を満足するのが望ましい。上記(a)〜(c)の要件うち2つ以上の要件を満足する場合には、各要件の持つ効果を相乗的ないし複合的に向上させることができる点で優れている。(d)の要件としては、前記触媒金属粒子は、相対的な単位白金質量当たりの酸素還元反応活性が、水素の吸脱着から計測される電気化学的な比表面積が60〜90m/gの範囲の触媒金属粒子の0.75以下である。かかる構成を満足することで回転電極法にて計測される酸素の限界電流密度が従来の2/3程度に減少するためである。かかる観点から、前記触媒金属粒子は、相対的な単位白金質量当たりの酸素還元反応活性が、水素の吸脱着から計測される電気化学的な比表面積が60〜90m/gの範囲の触媒金属粒子の0.65以下の範囲であるのが好ましい。これは、後述する触媒(特に触媒金属)の製造方法により触媒金属(Pt)の粒子径が1nm以下に出来たので、酸素還元反応の反応メカニズムが変化したためである。即ち、粒子径が大きい触媒金属(Pt)では4電子還元反応が進むが、粒子径が1nm以下になると2電子還元反応の割合が急増することにより、酸素の限界電流密度が通常の2/3程度に減少する。結果的に比表面積の増大以上に触媒金属(Pt)の単位表面積あたりの酸素還元反応(ORR)活性が急低下するために、単位白金質量あたりの酸素還元反応活性も粒子径が1nm以下の領域になると急激に低下しはじめる(図8、9参照のこと)。このように上記(d)要件を満足することで、優れた触媒活性、とりわけ単位面積、更には単位質量あたりのORR活性が急低下する効果がある。更に比表面積が広がるために触媒金属の単位質量あたりのHOR活性が向上するという効果も併せ持つ優れたアノード電極触媒を提供できる。
要件 (d) requirements≫
In the present embodiment, in addition to satisfying one or more, preferably two or more of the above requirements (a) to (c), it is desirable to satisfy the following requirement (d). When two or more of the above requirements (a) to (c) are satisfied, it is excellent in that the effects of each requirement can be synergistically or compositely improved. As a requirement of (d), the catalytic metal particles have an oxygen reduction reaction activity per unit mass of platinum, and an electrochemical specific surface area of 60 to 90 m 2 / g measured from hydrogen adsorption and desorption. 0.75 or less of the range of catalytic metal particles. By satisfying such a configuration, the limiting current density of oxygen measured by the rotating electrode method is reduced to about 2/3 of the conventional value. From such a viewpoint, the catalyst metal particles have a catalytic activity in which the relative oxygen reduction reaction activity per unit mass of platinum is 60 to 90 m 2 / g in terms of electrochemical specific surface area measured from the adsorption and desorption of hydrogen. Preferably it is in the range of 0.65 or less of the particles. This is because the reaction mechanism of the oxygen reduction reaction was changed because the particle diameter of the catalyst metal (Pt) was reduced to 1 nm or less by a method for producing a catalyst (particularly, a catalyst metal) described later. That is, the catalyst metal (Pt) having a large particle diameter undergoes a four-electron reduction reaction, but when the particle diameter becomes 1 nm or less, the ratio of the two-electron reduction reaction sharply increases. To a degree. As a result, the oxygen reduction reaction (ORR) activity per unit surface area of the catalytic metal (Pt) is rapidly reduced more than the specific surface area is increased. Therefore, the oxygen reduction reaction activity per unit platinum mass has a particle diameter of 1 nm or less. At which point it begins to drop sharply (see FIGS. 8 and 9). By satisfying the above requirement (d), an excellent catalytic activity, particularly an effect of rapidly decreasing the ORR activity per unit area and per unit mass can be obtained. Further, it is possible to provide an excellent anode electrode catalyst having an effect of improving the HOR activity per unit mass of the catalyst metal because the specific surface area is increased.

上記(d)の要件において、「水素の吸脱着から計測される電気化学的な比表面積」、即ち、電極触媒として触媒担体に担持された状態の触媒(Pt)粒子についての水素の吸脱着から計測される電気化学的な比表面積は、以下の方法により測定することができる。但し、「水素の吸脱着から計測される電気化学的な比表面積」が測定できるものであれば、以下の方法に何ら制限されるものではない。   In the above requirement (d), the “electrochemical specific surface area measured from the adsorption and desorption of hydrogen”, that is, from the adsorption and desorption of hydrogen on the catalyst (Pt) particles supported on the catalyst carrier as an electrode catalyst The electrochemical specific surface area to be measured can be measured by the following method. However, the method is not limited to the following method as long as the “electrochemical specific surface area measured from the adsorption and desorption of hydrogen” can be measured.

まず、触媒一定量(担体に担持される触媒金属粒子の担持量が触媒全量に対し、3.9wt%の場合は10.4mg)を水19mL、イソプロパノール6mLに分散させて分散液を作製する。この分散液にNafion溶液(DE521CS、5wt%、アルドリッチ製)を100μL加えて触媒インクを調製する。その後、1時間以上超音波分散を行う。調製した触媒インク10μLを研磨済みのグラッシーカーボン電極(φ5.0mm、北斗電工製)に塗布し、60℃の乾燥機中で10分間乾燥する。電極の表面塗布状態は顕微鏡観察により確認し、触媒層の塗り残し、はみ出しのない電極を評価に用いる。   First, a dispersion is prepared by dispersing a predetermined amount of the catalyst (10.4 mg when the amount of the catalytic metal particles supported on the carrier is 3.9 wt% with respect to the total amount of the catalyst) in 19 mL of water and 6 mL of isopropanol. A catalyst ink is prepared by adding 100 μL of a Nafion solution (DE521CS, 5 wt%, manufactured by Aldrich) to this dispersion. Thereafter, ultrasonic dispersion is performed for 1 hour or more. 10 μL of the prepared catalyst ink is applied to a polished glassy carbon electrode (φ5.0 mm, manufactured by Hokuto Denko) and dried in a dryer at 60 ° C. for 10 minutes. The surface coating state of the electrode is confirmed by microscopic observation, and an electrode having no remaining catalyst layer and no protrusion is used for evaluation.

電気化学測定は、通常の三室型セル(ミックラボ製)で行う。電解質溶液は0.1Mの過塩素酸(関東化学製、Ultrapur)を用いる。対極はPt線、参照極はRHEとした。電位制御はHZ−5000(北斗電工製)を用いて行う。回転電極(RDE)装置はHR−301(北斗電工製)を用いる。セル温度は外部循環方式の恒温槽(CHL300、YAMATO製)を用いて25℃(±1℃)に制御する。   The electrochemical measurement is performed in a usual three-chamber cell (manufactured by Mick Lab). As the electrolyte solution, 0.1 M perchloric acid (Ultrapur, manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) is used. The counter electrode was a Pt line, and the reference electrode was RHE. The potential control is performed using HZ-5000 (manufactured by Hokuto Denko). The rotating electrode (RDE) device uses HR-301 (manufactured by Hokuto Denko). The cell temperature is controlled at 25 ° C. (± 1 ° C.) using an external circulation type thermostat (CHL300, manufactured by YAMATO).

電解液に窒素ガスを供給し、窒素雰囲気にしておく。走査速度100mVs−1で0〜1.2V(RHE)の範囲を20回走査する。その後、走査速度50mVs−1で0〜1.2V(RHE)の範囲を3回走査する。計測したCVの水素吸着波から電気量Qを求める。ここでは3サイクル目のCVを適用する。そこで、図5には、電気化学測定における3サイクル目のCV(サイクリックボルタンメトリー)(3サイクル目の電圧(電位)と電流の関係)を示すグラフを示す。また、水素吸着波、電気二重層、水素発生電流直前に現れる極大までの電位で囲まれた網掛け部分を時間積分する。 Nitrogen gas is supplied to the electrolytic solution to keep it in a nitrogen atmosphere. A range of 0 to 1.2 V (RHE) is scanned 20 times at a scanning speed of 100 mVs -1 . Thereafter, scanning is performed three times in a range of 0 to 1.2 V (RHE) at a scanning speed of 50 mVs -1 . Obtaining electricity quantity Q H from the hydrogen adsorption wave of the measured CV. Here, the third cycle CV is applied. Therefore, FIG. 5 is a graph showing CV (cyclic voltammetry) at the third cycle (relationship between voltage (potential) and current at the third cycle) in electrochemical measurement. In addition, a hatched portion surrounded by a hydrogen adsorption wave, an electric double layer, and a potential up to a maximum appearing immediately before a hydrogen generation current is integrated over time.

・以下の式に従い、計測したCVの水素吸着波から電気量Qから白金微粒子の電気化学的に活性な表面積aを算出する。 - in accordance with the following equation to calculate the electrochemically active surface area a of the platinum particles from the quantity of electricity Q H from the hydrogen adsorption wave of the measured CV.

換算係数2.1CmPt −2は白金多結晶電極での値だが、一般的にナノ微粒子に対しても適用可能である。 The conversion coefficient 2.1 Cm Pt -2 is a value for a platinum polycrystalline electrode, but is generally applicable to nanoparticles.

・以下の式に従い、aをGCディスク電極上に担持した白金質量wで規格化し、ECAを得る。   According to the following formula, a is normalized by the mass w of platinum supported on the GC disk electrode, and ECA is obtained.

次に、上記(d)の要件において、本実施形態の触媒金属粒子の「相対的な単位白金質量当たりの酸素還元反応活性」は、以下の方法により測定することができる。但し、前記触媒金属粒子の「相対的な単位白金質量当たりの酸素還元活性」が測定できるものであれば、以下の方法に何ら制限されるものではない。   Next, in the above requirement (d), the “relative oxygen reduction reaction activity per unit platinum mass” of the catalytic metal particles of the present embodiment can be measured by the following method. However, the method is not limited to the following method as long as the “oxygen reduction activity per unit platinum mass of the catalytic metal particles” can be measured.

まず、触媒一定量(担体に担持される触媒金属粒子の担持量が触媒全量に対し、3.9wt%の場合は10.4mg)を水19mL、イソプロパノール6mLに分散させて分散液を作製する。この分散液にNafion溶液(DE521CS、5wt%、アルドリッチ製)を100μL加えて触媒インクを調製する。その後、1時間以上超音波分散を行う。調製した触媒インク10μLを研磨済みのグラッシーカーボン電極(直径φ5.0mm、北斗電工製)に塗布し、60℃の乾燥機中で10分間乾燥する。電極の表面塗布状態は顕微鏡観察により確認し、触媒層の塗り残し、はみ出しのない電極を評価に用いる。   First, a dispersion is prepared by dispersing a predetermined amount of the catalyst (10.4 mg when the amount of the catalytic metal particles supported on the carrier is 3.9 wt% with respect to the total amount of the catalyst) in 19 mL of water and 6 mL of isopropanol. A catalyst ink is prepared by adding 100 μL of a Nafion solution (DE521CS, 5 wt%, manufactured by Aldrich) to this dispersion. Thereafter, ultrasonic dispersion is performed for 1 hour or more. 10 μL of the prepared catalyst ink is applied to a polished glassy carbon electrode (φ5.0 mm, manufactured by Hokuto Denko) and dried in a dryer at 60 ° C. for 10 minutes. The surface coating state of the electrode is confirmed by microscopic observation, and an electrode having no remaining catalyst layer and no protrusion is used for evaluation.

電気化学測定は、通常の三室型セル(ミックラボ製)で行う。電解質溶液は0.1Mの過塩素酸(関東化学製、Ultrapur)を用いる。対極はPt線、参照極はRHEとする。電位制御はHZ−5000(北斗電工製)を用いて行う。回転電極(RDE)装置はHR−301(北斗電工製)を用いる。セル温度は外部循環方式の恒温槽(CHL300、YAMATO製)を用いて25℃(±1℃)に制御する。   The electrochemical measurement is performed in a usual three-chamber cell (manufactured by Mick Lab). As the electrolyte solution, 0.1 M perchloric acid (Ultrapur, manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) is used. The counter electrode is a Pt line, and the reference electrode is RHE. The potential control is performed using HZ-5000 (manufactured by Hokuto Denko). The rotating electrode (RDE) device uses HR-301 (manufactured by Hokuto Denko). The cell temperature is controlled at 25 ° C. (± 1 ° C.) using an external circulation type thermostat (CHL300, manufactured by YAMATO).

電解液に酸素ガスを供給し、酸素雰囲気にしておく。走査速度100mVs−1で0〜1.2V(RHE)の範囲を5回走査する。その後、電極を1600rpmで回転させながら、走査速度10mVs−1で開始電位0.2V(RHE)から終了電位1.2V(RHE)まで走査する。同様のことを窒素雰囲気でも行う。事前に、保持電位0.5V(RHE)、周波数1000Hz、AC振幅15mVで30秒間、交流インピーダンス計測を実施し、溶液抵抗を把握しておく。 Oxygen gas is supplied to the electrolytic solution to keep it in an oxygen atmosphere. A range of 0 to 1.2 V (RHE) is scanned five times at a scanning speed of 100 mVs -1 . Thereafter, while rotating the electrode at 1600 rpm, scanning is performed from a start potential of 0.2 V (RHE) to an end potential of 1.2 V (RHE) at a scanning speed of 10 mVs -1 . The same is performed in a nitrogen atmosphere. In advance, an AC impedance measurement is performed for 30 seconds at a holding potential of 0.5 V (RHE), a frequency of 1000 Hz, and an AC amplitude of 15 mV to grasp the solution resistance.

酸素雰囲気で得られた応答電流から窒素雰囲気で得られた応答電流を差し引き、溶液抵抗による電位補正を行う。下記に示す簡易的なKoutecky−Levich式;   The response current obtained in the nitrogen atmosphere is subtracted from the response current obtained in the oxygen atmosphere, and the potential is corrected by the solution resistance. A simple Koutecky-Levich equation shown below:

(ここで、iは実際の応答電流、iは活性化支配電流、iは限界電流を示す。)で物質移動の影響を補正し、触媒本来の活性である活性化支配電流iを算出する。 (Where, i is the actual response current, i k is activated dominant current, i L denotes the limiting current.) To correct the effects of mass transfer, the activation dominant current i k is a catalyst intrinsic activity calculate.

上記(d)の要件において、水素の吸脱着から計測される電気化学的な比表面積が60m/g以上90m/g以下の範囲の触媒金属(Pt)粒子を基準としたのは、従来技術によると電気化学的な比表面積が60m/g以上90m/g以下の範囲の触媒金属(Pt)粒子の単位触媒金属(Pt)質量当たりの酸素還元活性が最も高く、ほぼ同じような値であるということがわかっている。したがって、60m/g以上90m/g以下の範囲で多少の酸素還元活性の違いはあると言えるが、60m/g以上90m/g以下の範囲のいずれにおいても、酸素還元反応活性が0.75以下である規定したものである。なお、電気化学的な比表面積が60m/g以上90m/g以下を基準としたのは、上記した通り、従来技術から、触媒金属(Pt)単位質量当たりの酸素還元活性がこの比表面積の範囲で最大値を示すためである。 In the above requirement (d), the catalyst metal (Pt) particles having an electrochemical specific surface area of 60 m 2 / g or more and 90 m 2 / g or less measured based on the adsorption and desorption of hydrogen are used as a reference. According to the technology, the catalytic oxygen (Pt) particles having an electrochemical specific surface area in a range of 60 m 2 / g or more and 90 m 2 / g or less have the highest oxygen reduction activity per unit catalytic metal (Pt) mass, and are almost the same. I know it is a value. Therefore, it can be said that there is little difference in the oxygen reduction activity in the range 60 m 2 / g or more 90m 2 / g, in any of 60 m 2 / g or more 90m 2 / g or less in the range, the oxygen reduction reaction activity It is specified that it is 0.75 or less. The electrochemical specific surface area of 60 m 2 / g or more and 90 m 2 / g or less is based on the oxygen reduction activity per unit mass of catalytic metal (Pt) from the prior art as described above. This is for showing the maximum value in the range of.

(アノード電極触媒の製造方法)
本実施形態によるアノード電極触媒は、以下の段階を有する方法によって製造される。(a)触媒担体で使用する細孔を有する炭素材料を準備する段階である。(b)前記炭素材料に金属錯体を導入する段階である。(c)前記金属錯体を導入した炭素材料を熱処理するか、または水素と接触させることによって金属錯体を還元し、触媒金属粒子が担持されたアノード電極触媒である金属担持炭素材料を得る段階である。
(Method for producing anode electrode catalyst)
The anode electrode catalyst according to the present embodiment is manufactured by a method having the following steps. (A) This is a step of preparing a carbon material having pores to be used as a catalyst carrier. (B) introducing a metal complex into the carbon material. (C) heat-treating the carbon material into which the metal complex has been introduced, or reducing the metal complex by bringing the carbon material into contact with hydrogen to obtain a metal-supported carbon material which is an anode electrode catalyst supporting catalyst metal particles. .

一般に、触媒担体で使用する炭素材料にナノサイズの金属粒子を導入する方法としては、Pt(NO(NHやHPtClなどの金属錯体を水素化ホウ素ナトリウムなどの還元剤を利用して還元する方法が用いられている。しかしながら、このような方法では平均粒径が3nm以下の触媒金属粒子の粒径を制御して作製することは容易ではない。 Generally, as a method for introducing nano-sized metal particles into a carbon material used for a catalyst carrier, a metal complex such as Pt (NO 2 ) 2 (NH 3 ) 2 or H 2 PtCl 6 is reduced with sodium borohydride or the like. A reduction method using an agent has been used. However, in such a method, it is not easy to control and produce the catalyst metal particles having an average particle diameter of 3 nm or less.

一方で本実施形態の方法によれば、はじめに触媒担体で使用する炭素材料に触媒金属を錯体として導入することで、触媒金属を原子レベルで炭素材料の表面に担持させる。その後熱処理または水素に接触させることで、触媒金属原子を配位子から脱離させる。脱離した触媒金属原子は、複数の原子が寄り集まって(シンタリング)数原子〜数十原子程度のナノクラスターを形成しうる。そのため、触媒金属を高分散で触媒担体で使用する炭素材料に導入することができ、さらに水素化ホウ素ナトリウムなどの還元剤を用いて触媒金属を還元する場合と比較して触媒金属原子が過度に凝集することを抑制することができる。また、製造段階での煩雑な操作を回避できる利点がある。   On the other hand, according to the method of the present embodiment, the catalyst metal is first introduced as a complex into the carbon material used for the catalyst carrier, so that the catalyst metal is supported on the surface of the carbon material at the atomic level. Thereafter, the catalyst metal atom is eliminated from the ligand by heat treatment or contact with hydrogen. The desorbed catalytic metal atoms may form a nanocluster of several atoms to several tens of atoms by a plurality of atoms gathering (sintering). Therefore, the catalyst metal can be introduced into the carbon material used in the catalyst carrier in a highly dispersed state, and the catalyst metal atoms are excessively increased as compared with the case where the catalyst metal is reduced using a reducing agent such as sodium borohydride. Aggregation can be suppressed. In addition, there is an advantage that a complicated operation in a manufacturing stage can be avoided.

(触媒担体で使用する細孔を有する炭素材料を準備する段階(a))
触媒担体で使用する炭素材料の入手経路については特に制限はない。商業的に入手可能な商品を用いてもよいし、自ら調製してもよい。例えば、市販のケッチェンブラック(高導電性カーボンブラック)、(オイル)ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック、ランプブラック等のカーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などのカーボン材料を用いてもよい。本実施形態では、発電特性などの観点から、高導電性カーボンブラックであるケッチェンブラックを用いるのが望ましいといえる。
(Step (a) of preparing a carbon material having pores used in a catalyst carrier)
There is no particular limitation on the route of obtaining the carbon material used in the catalyst carrier. Commercially available products may be used, or they may be prepared by themselves. For example, carbon materials such as commercially available Ketjen black (highly conductive carbon black), (oil) furnace black, channel black, acetylene black, thermal black, lamp black, etc., activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite, etc. May be used. In the present embodiment, it can be said that it is desirable to use Ketjen Black, which is a highly conductive carbon black, from the viewpoint of power generation characteristics and the like.

(触媒担体で使用する炭素材料に金属錯体を導入する段階(b))
前記(a)で準備した炭素材料(例えば、ケッチェンブラック(高導電性カーボンブラック)等のカーボンブラックなどのカーボン材料)に金属錯体を導入する方法も特に制限されない。例えば(i)炭素材料をリン化合物と反応させてリン配位子を有する炭素材料を得る段階と、前記リン配位子を有する炭素材料を金属化合物と反応させて、前記リン配位子に金属を配位させる段階と、を含む方法;または、(ii)炭素材料と金属錯体とを反応させる方法;が挙げられる。
(Step (b) of Introducing Metal Complex into Carbon Material Used in Catalyst Support)
The method of introducing the metal complex into the carbon material prepared in (a) (for example, a carbon material such as carbon black such as Ketjen black (highly conductive carbon black)) is not particularly limited. For example, (i) reacting a carbon material with a phosphorus compound to obtain a carbon material having a phosphorus ligand, and reacting the carbon material having a phosphorus ligand with a metal compound to form a metal on the phosphorus ligand. And (ii) a method of reacting a carbon material with a metal complex.

以下、上記(i)、(ii)の方法について説明する。   Hereinafter, the methods (i) and (ii) will be described.

(i)前記(a)で準備した炭素材料をリン化合物と反応させてリン配位子を有する炭素材料を得る段階(b1)と、前記リン配位子を有する炭素材料を金属化合物と反応させて、前記リン配位子に金属を配位させる段階(b2)と、を含む方法
この方法では、はじめに前記炭素材料にリン配位子を導入し、次いでリン配位子に触媒となる金属を含む金属錯体を導入して反応させる。この反応は、金属錯体の配位子が配位力の強いリン配位子と置き換わる配位子交換反応によって進行しうる。その結果、金属原子にリン配位子が配位した錯体として担持させることができる。
(I) reacting the carbon material prepared in (a) with a phosphorus compound to obtain a carbon material having a phosphorus ligand (b1), and reacting the carbon material having a phosphorus ligand with a metal compound And (b2) coordinating a metal to the phosphorus ligand. In this method, a phosphorus ligand is first introduced into the carbon material, and then a metal serving as a catalyst is added to the phosphorus ligand. The resulting metal complex is introduced and reacted. This reaction can proceed by a ligand exchange reaction in which a ligand of the metal complex is replaced with a phosphorus ligand having a strong coordination force. As a result, it can be supported as a complex in which a phosphorus ligand is coordinated to a metal atom.

この際、用いられるリン配位子を導入するためのリン化合物としては、特に制限されないが、好ましくは下記化学式で表されるリン化合物が好ましく用いられうる。   At this time, the phosphorus compound for introducing the phosphorus ligand to be used is not particularly limited, but a phosphorus compound represented by the following chemical formula is preferably used.

式中、PhおよびPhは同一であっても異なっていてもよく、置換または非置換のフェニル基であり、Xは、ハロゲン原子である。ハロゲン原子としては、Cl、Brが好ましく、Clがより好ましい。PhまたはPhの置換基としては、特に制限されないが、例えば炭素数1〜8のアルキル基、アルコキシ基、ハロゲン化アルキル基である。 In the formula, Ph 1 and Ph 2 may be the same or different and are a substituted or unsubstituted phenyl group, and X is a halogen atom. As the halogen atom, Cl and Br are preferable, and Cl is more preferable. The substituent of Ph 1 or Ph 2 is not particularly limited, and is, for example, an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, an alkoxy group, or a halogenated alkyl group.

前記リン化合物の例としては、クロロジフェニルホスフィン、クロロビス(3,5−ジメチルフェニル)ホスフィン、クロロビス(4−メトキシフェニル)ホスフィン、クロロビス[4−(トリフルオロメチル)フェニル]ホスフィン、クロロジ(p−トリル)ホスフィン、ビス(3,5−ジ−tert−ブチル−4−メトキシフェニル)クロロホスフィン、クロロビス[3,5−ビス(トリフルオロメチル)フェニル]ホスフィンなどが挙げられる。上記のようなリン化合物を用いると、配位子としてPPhPhを有する錯体が導入されうる。 Examples of the phosphorus compound include chlorodiphenylphosphine, chlorobis (3,5-dimethylphenyl) phosphine, chlorobis (4-methoxyphenyl) phosphine, chlorobis [4- (trifluoromethyl) phenyl] phosphine, chlorodi (p-tolyl) ) Phosphine, bis (3,5-di-tert-butyl-4-methoxyphenyl) chlorophosphine, chlorobis [3,5-bis (trifluoromethyl) phenyl] phosphine and the like. When a phosphorus compound as described above is used, a complex having PPh 1 Ph 2 as a ligand can be introduced.

前記炭素材料とリン化合物とを反応させる条件についても特に制限されない。好ましくは、あらかじめ真空加熱乾燥させて放冷した炭素材料と、リン化合物とを、窒素置換しながら、好ましくはアミン存在下で反応させる。反応温度、反応時間については特に制限されない。好ましくは、はじめに前記炭素材料に溶媒に溶解させたアミンを含浸させ、これにリン化合物を、例えば−100〜10℃、好ましくは−100〜5℃で少しずつ添加して混合する。その後、反応溶液の温度を、例えば0〜100℃、好ましくは10〜30℃に上昇させ、攪拌しながら反応させる。反応温度を上昇させた後の反応時間は、好ましくは0.5〜72時間であり、より好ましくは2〜24時間であり、さらに好ましくは12〜24時間である。   The conditions under which the carbon material is reacted with the phosphorus compound are not particularly limited. Preferably, the carbon material, which has been cooled in advance by heating under vacuum and left to cool, is reacted with the phosphorus compound while replacing with nitrogen, preferably in the presence of an amine. The reaction temperature and reaction time are not particularly limited. Preferably, first, the carbon material is impregnated with an amine dissolved in a solvent, and a phosphorus compound is added little by little at -100 to 10C, preferably -100 to 5C, and mixed. Thereafter, the temperature of the reaction solution is raised to, for example, 0 to 100 ° C, preferably 10 to 30 ° C, and the reaction is performed with stirring. The reaction time after raising the reaction temperature is preferably 0.5 to 72 hours, more preferably 2 to 24 hours, and further preferably 12 to 24 hours.

この際、溶媒としては、特に限定されないが、非プロトン性極性溶媒が好ましく用いられうる。非プロトン性極性溶媒としては、例えば、テトラヒドロフラン(THF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ヘキサメチルリン酸トリアミド(HMPT)、ジメチルホルムアミド(DMF)、アセトン、アセトニトリルなどが挙げられる。中でも、THFが好ましい。   At this time, the solvent is not particularly limited, but an aprotic polar solvent can be preferably used. Examples of the aprotic polar solvent include tetrahydrofuran (THF), dimethylsulfoxide (DMSO), hexamethylphosphoric triamide (HMPT), dimethylformamide (DMF), acetone, and acetonitrile. Among them, THF is preferable.

アミンとしては、3級アミンを用いることが好ましい。3級アミンとしては、特に制限されないが、例えば、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリ−n−プロピルアミン、トリイソプロピルアミン、トリ−n−ブチルアミン、ジエチルメチルアミン(N,N−ジエチルメチルアミン)、ジメチルエチルアミン(N,N−ジメチルエチルアミン)などが挙げられる。中でも、トリエチルアミンが好ましい。   It is preferable to use a tertiary amine as the amine. Although it does not specifically limit as a tertiary amine, For example, trimethylamine, triethylamine, tri-n-propylamine, triisopropylamine, tri-n-butylamine, diethylmethylamine (N, N-diethylmethylamine), dimethylethylamine ( N, N-dimethylethylamine) and the like. Among them, triethylamine is preferable.

リン化合物の使用量も特に制限されないが、好ましくは、炭素材料1gに対して0.1〜50mmolであり、より好ましくは1〜20mmolである。上記範囲であれば、反応が効率的に進行しうる。   The amount of the phosphorus compound to be used is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 50 mmol, more preferably 1 to 20 mmol, per 1 g of the carbon material. Within the above range, the reaction can proceed efficiently.

リン配位子を有する炭素材料を得た後、好ましくはこれを洗浄して真空加熱乾燥した後、金属錯体と反応させる。用いられる金属錯体についても特に制限されない。好ましい白金錯体としては、例えば、(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)、(2,2’−ビピリジン)ジクロロ白金(II)、(エチレンジアミン)ヨード白金ダイマー、ジクロロ(1,10−フェナントロリン)白金(II)、ジクロロ(エチレンジアミン)白金(II)、ジクロロビス(ジメチルスルフィド)白金(II)、ジクロロビス(エチレンジアミン)白金(II)、トリクロロ(エチレン)白金(II)酸塩(例えばトリクロロ(エチレン)白金(II)酸カリウム)、ヘキサヒドロキシ白金(IV)酸塩(例えばヘキサヒドロキシ白金(IV)酸ナトリウム)、cis−ビス(アセトニトリル)ジクロロ白金(II)、cis−ジアンミンテトラクロロ白金(IV)、cis−ジクロロビス(ピリジン)白金(II)、cis−ジアンミン白金(II)ジクロリド、cis−ジクロロビス(ジエチルスルフィド)白金(II)、cis−ジクロロビス(トリエチルホスフィン)白金(II)、cis−ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)白金(II)、cis−ビス(ベンゾニトリル)ジクロロ白金(II)、trans−ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)白金(II)、trans−ジクロロビス(トリエチルホスフィン)白金(II)、エチレンビス(トリフェニルホスフィン)白金(0)、ジアミンジニトリト白金(II)、白金(0)−1,3−ジビニル−1,1,3,3−テトラメチルジシロキサン錯体、白金(0)−2,4,6,8−テトラメチル−2,4,6,8−テトラビニルシクロテトラシロキサン錯体、白金(II)アセチルアセトナート、硝酸テトラアンミン白金(II)、ジクロロ(1,2−ジアミノシクロヘキサン)白金(II)、ジクロロ(1,5−シクロオクタジエン)白金(II)、ジクロロ(ジシクロペンタジエニル)白金(II)、テトラアンミン白金(II)クロリド、テトラキス(トリフェニルホスフィン)白金(0)、トリメチル(メチルシクロペンタジエニル)白金(IV)、ビス(トリ−tert−ブチルホスフィン)白金(0)、ヘキサクロロ白金(IV)酸塩(例えばヘキサクロロ白金(IV)酸カリウム、ヘキサクロロ白金(IV)酸テトラブチルアンモニウム)、ヨウ化白金、塩化白金、などが挙げられる。   After a carbon material having a phosphorus ligand is obtained, it is preferably washed, dried under vacuum and then reacted with a metal complex. The metal complex used is not particularly limited. Preferred platinum complexes include, for example, (1,5-cyclooctadiene) dimethylplatinum (II), (2,2′-bipyridine) dichloroplatinum (II), (ethylenediamine) iodoplatinum dimer, dichloro (1,10- Phenanthroline) platinum (II), dichloro (ethylenediamine) platinum (II), dichlorobis (dimethylsulfide) platinum (II), dichlorobis (ethylenediamine) platinum (II), trichloro (ethylene) platinum (II) (for example, trichloro (ethylene) ) Potassium platinum (II)), hexahydroxyplatinate (IV) (eg, sodium hexahydroxyplatinate (IV)), cis-bis (acetonitrile) dichloroplatinum (II), cis-diamminetetrachloroplatinum (IV) , Cis-dichlorobis (pyridine) Gold (II), cis-diammineplatinum (II) dichloride, cis-dichlorobis (diethylsulfide) platinum (II), cis-dichlorobis (triethylphosphine) platinum (II), cis-dichlorobis (triphenylphosphine) platinum (II) Cis-bis (benzonitrile) dichloroplatinum (II), trans-dichlorobis (triphenylphosphine) platinum (II), trans-dichlorobis (triethylphosphine) platinum (II), ethylenebis (triphenylphosphine) platinum (0) , Diaminedinitritoplatinum (II), platinum (0) -1,3-divinyl-1,1,3,3-tetramethyldisiloxane complex, platinum (0) -2,4,6,8-tetramethyl- 2,4,6,8-tetravinylcyclotetrasiloxane complex, white (II) acetylacetonate, tetraammineplatinum (II) nitrate, dichloro (1,2-diaminocyclohexane) platinum (II), dichloro (1,5-cyclooctadiene) platinum (II), dichloro (dicyclopentadienyl) Platinum (II), tetraammineplatinum (II) chloride, tetrakis (triphenylphosphine) platinum (0), trimethyl (methylcyclopentadienyl) platinum (IV), bis (tri-tert-butylphosphine) platinum (0) And hexachloroplatinate (IV) (eg, potassium hexachloroplatinate (IV), tetrabutylammonium hexachloroplatinate (IV)), platinum iodide, platinum chloride, and the like.

好ましいパラジウム錯体としては、例えば、塩化パラジウム、クロロ(1,5−シクロオクタジエン)メチルパラジウム(II)、ジクロロ(1,5−シクロオクタジエン)パラジウム(II)、ビシクロ([2.2.1]ヘプタ−2,5−ジエン)ジクロロパラジウム(II)、(エチレンジアミン)パラジウム(II)クロリドなどが挙げられる。   Preferred palladium complexes include, for example, palladium chloride, chloro (1,5-cyclooctadiene) methylpalladium (II), dichloro (1,5-cyclooctadiene) palladium (II), bicyclo ([2.2.1 Hepta-2,5-diene) dichloropalladium (II), (ethylenediamine) palladium (II) chloride and the like.

前記リン配位子を有する炭素材料と金属錯体とを反応させる条件についても特に制限されない。好ましくは、前記リン配位子を有する炭素材料と金属錯体とを窒素雰囲気中で撹拌または還流しながら反応させる。反応温度は、例えば0〜150℃であり、好ましくは20〜100℃である。反応時間は、例えば、0.5〜72時間であり、好ましくは1〜12時間である。   The conditions under which the carbon material having the phosphorus ligand is reacted with the metal complex are not particularly limited. Preferably, the carbon material having the phosphorus ligand is reacted with the metal complex while stirring or refluxing in a nitrogen atmosphere. The reaction temperature is, for example, 0 to 150 ° C, preferably 20 to 100 ° C. The reaction time is, for example, 0.5 to 72 hours, preferably 1 to 12 hours.

金属錯体の使用量も特に制限されないが、好ましくは、リン配位子1モルに対して0.001〜10モルであり、より好ましくは0.01〜5モルである。上記範囲であれば、反応が効率的に進行しうる。反応後、濾過、洗浄し、真空加熱乾燥して、アノード電極触媒である金属担持炭素材料を得ることができる。導入されたリン配位子に対する金属錯体の導入率は、誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析と31P−NMR測定から見積もることができる。 The amount of the metal complex used is not particularly limited, but is preferably 0.001 to 10 mol, more preferably 0.01 to 5 mol, per 1 mol of the phosphorus ligand. Within the above range, the reaction can proceed efficiently. After the reaction, the mixture is filtered, washed, and dried by heating under vacuum to obtain a metal-supported carbon material that is an anode electrode catalyst. The introduction ratio of the metal complex to the introduced phosphorus ligand can be estimated from inductively coupled plasma (ICP) emission spectroscopy and 31 P-NMR measurement.

(ii)炭素材料と金属錯体とを反応させる方法
この方法では、金属錯体を直接炭素材料に導入して反応させる。導入する金属錯体の配位子の配位力によっては、導入する金属錯体の配位子の一以上が脱離したり、溶媒分子と置換されうる。
(Ii) Method of reacting a carbon material with a metal complex In this method, the metal complex is directly introduced into the carbon material and reacted. Depending on the coordination force of the ligand of the metal complex to be introduced, one or more of the ligands of the metal complex to be introduced can be eliminated or replaced with a solvent molecule.

前記炭素材料と金属錯体とを反応させる条件についても特に制限されない。好ましくは、あらかじめ真空加熱乾燥させて放冷した炭素材料と、金属錯体とを溶媒中で撹拌または還流しながら反応させる。反応温度、反応時間については特に制限されない。反応温度は、例えば0〜100℃、好ましくは10〜30℃である。反応時間は、例えば0.5〜72時間であり、好ましくは2〜24時間である。   The conditions under which the carbon material reacts with the metal complex are not particularly limited. Preferably, the carbon material which has been dried by heating under vacuum in advance and allowed to cool is reacted with the metal complex while stirring or refluxing in a solvent. The reaction temperature and reaction time are not particularly limited. The reaction temperature is, for example, 0 to 100 ° C, preferably 10 to 30 ° C. The reaction time is, for example, 0.5 to 72 hours, preferably 2 to 24 hours.

溶媒としては、金属錯体が溶解するものであれば特に制限されず、上記(i)の方法と同様の溶媒が用いられうる。   The solvent is not particularly limited as long as it dissolves the metal complex, and the same solvent as in the method (i) can be used.

用いる金属錯体としても、特に制限されないが、例えば、下記化学式2で表される金属錯体が好ましく用いられうる。   Although the metal complex to be used is not particularly limited, for example, a metal complex represented by the following chemical formula 2 can be preferably used.

式中、Mは8〜10族の金属から選択され、
式中、R、Rはそれぞれ独立して水素原子、置換もしくは非置換の炭素数1〜10のアルキル基、または置換もしくは非置換の炭素数6〜18のアリール基であり、
およびLは単座配位子であり、それぞれ独立して、アセトニトリル、ベンゾニトリル、THF、ジエチルスルフィド、ジメチルスルフィド、およびピリジン、トリフェニルホスフィン、トリ−tert−ブチルホスフィン、エチレン、シクロペンタジエニルアニオン、メチルシクロペンタジエニルアニオン、ペンタメチルシクロペンタジエニルアニオン、シアン化物イオン(CN)からなる群から選択される;または、
およびLは連結して二座配位子を形成し、前記二座配位子は、ジシクロペンタジエン、1,5−シクロオクタジエン、ノルボナジエン、2,2’−ビピリジン、1,10−フェナントロリン、エチレンジアミン、N,N,N’N’−テトラメチルエチレンジアミン、およびtrans,trans−ジベンジリデンアセトン、ビス(ジフェニルホスフィノ)メタン、エチレンビス(ジフェニルホスフィン)、1,3−ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパン、1,4−ビス(ジフェニルホスフィノ)ブタン、1,2−ビス(ジフェニルホスフィノ)ベンゼン、1,2−ビス(ジメチルホスフィノ)エタン、1,1′−ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセンからなる群から選択される。
Wherein M is selected from a group 8-10 metal;
In the formula, R 1 and R 2 are each independently a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 18 carbon atoms,
L 1 and L 2 are monodentate ligands, each independently being acetonitrile, benzonitrile, THF, diethyl sulfide, dimethyl sulfide, and pyridine, triphenylphosphine, tri-tert-butylphosphine, ethylene, cyclopentadiene Selected from the group consisting of enyl anion, methylcyclopentadienyl anion, pentamethylcyclopentadienyl anion, cyanide ion (CN ); or
L 1 and L 2 are linked to form a bidentate ligand, wherein the bidentate ligand is dicyclopentadiene, 1,5-cyclooctadiene, norbonadiene, 2,2′-bipyridine, 1,10 -Phenanthroline, ethylenediamine, N, N, N'N'-tetramethylethylenediamine, and trans, trans-dibenzylideneacetone, bis (diphenylphosphino) methane, ethylenebis (diphenylphosphine), 1,3-bis (diphenylphosphine) Fino) propane, 1,4-bis (diphenylphosphino) butane, 1,2-bis (diphenylphosphino) benzene, 1,2-bis (dimethylphosphino) ethane, 1,1′-bis (diphenylphosphino) ) Is selected from the group consisting of ferrocene.

ここで、アルキル基は、直鎖であっても、分岐であってもよい。アルキル基の置換基も特に制限されないが、例えば、水酸基、カルボキシル基、アミノ基、シアノ基、ハロゲン原子などが挙げられる。アルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、などが挙げられる。アリール基としては、具体的には、フェニル基、ビフェニリル基、ナフチル基などが挙げられ、アリール基の置換基も特に制限されないが、例えばハロゲン原子、炭素数1〜8のアルキル基、アルコキシ基、ハロゲン化アルキル基などが挙げられる。   Here, the alkyl group may be linear or branched. The substituent of the alkyl group is not particularly limited, and examples thereof include a hydroxyl group, a carboxyl group, an amino group, a cyano group, and a halogen atom. Specific examples of the alkyl group include methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, isobutyl, sec-butyl, tert-butyl, pentyl, isopentyl, neopentyl, hexyl, and heptyl. Octyl group, nonyl group, decyl group and the like. Specific examples of the aryl group include a phenyl group, a biphenylyl group, and a naphthyl group, and the substituent of the aryl group is not particularly limited. For example, a halogen atom, an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, an alkoxy group, And a halogenated alkyl group.

中でも、R、Rがアルキル基である金属錯体は、アルキル基が協奏的に脱離することで金属錯体が還元されやすく、好適である。特に、(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)、(1,5−シクロオクタジエン)ジメチルパラジウム(II)などが好ましく用いられうる。 Among them, a metal complex in which R 1 and R 2 are an alkyl group is preferable because the alkyl group is eliminated in a concerted manner so that the metal complex is easily reduced. In particular, (1,5-cyclooctadiene) dimethylplatinum (II), (1,5-cyclooctadiene) dimethylpalladium (II) and the like can be preferably used.

金属錯体の使用量も特に制限されないが、好ましくは、炭素材料に対して、例えば0.01〜100wt%であり、より好ましくは0.01〜30wt%である。上記範囲であれば、反応が効率的に進行しうる。   The amount of the metal complex to be used is not particularly limited, but is preferably, for example, 0.01 to 100 wt%, more preferably 0.01 to 30 wt%, based on the carbon material. Within the above range, the reaction can proceed efficiently.

反応後、濾過、洗浄し、真空加熱乾燥して、アノード電極触媒である金属担持炭素材料を得ることができる。金属錯体の導入率は、誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析から見積もることができる。   After the reaction, the mixture is filtered, washed, and dried by heating under vacuum to obtain a metal-supported carbon material that is an anode electrode catalyst. The introduction rate of the metal complex can be estimated from inductively coupled plasma (ICP) emission spectroscopy.

(金属錯体を導入した炭素材料を熱処理するかまたは水素に接触させて触媒金属粒子が担持されたアノード電極触媒である金属担持炭素材料を得る段階(c))
上記の段階(b)で作製した金属錯体を導入した炭素材料を熱処理するか、または水素に接触させることで、金属錯体が還元され、0価の金属となる。そして、この0価の金属が凝集して平均粒径が1nm以下である触媒金属粒子(触媒金属クラスター)となる。該触媒金属粒子(触媒金属クラスター)では、1nm以下の粒子が全粒子数の50%以上となる。本実施形態の方法によれば、はじめに触媒金属を錯体として導入するため、触媒金属粒子を高分散で担持させることができる。また、還元剤を用いて触媒金属粒子を得る方法と比較して穏やかに反応が進行しうるため、所定の粒径を有し、粒径がそろった触媒金属粒子を有するアノード電極触媒である金属担持炭素材料が得られうる。
(Step (c) of heat-treating the carbon material into which the metal complex is introduced or bringing the carbon material into contact with hydrogen to obtain a metal-supported carbon material that is an anode electrode catalyst on which catalytic metal particles are supported)
By heat-treating or bringing the carbon material into which the metal complex prepared in the above step (b) has been introduced into contact with hydrogen, the metal complex is reduced to a zero-valent metal. Then, the zero-valent metal aggregates to form catalyst metal particles (catalyst metal clusters) having an average particle size of 1 nm or less. In the catalytic metal particles (catalytic metal clusters), particles of 1 nm or less account for 50% or more of the total number of particles. According to the method of the present embodiment, the catalyst metal is first introduced as a complex, so that the catalyst metal particles can be supported with high dispersion. In addition, since the reaction can proceed gently as compared with a method of obtaining catalytic metal particles using a reducing agent, a metal which is an anode electrode catalyst having a predetermined particle diameter and having uniform particle diameters is used. A supported carbon material can be obtained.

熱処理または水素と接触させる処理によって平均粒径が1nm以下であり、更に1nm以下の粒子が全粒子数の50%以上である触媒金属粒子が生成する機構は明らかではないが、例えば、上記の化学式2で表される金属錯体の場合、加熱によって、下記式のような機構で平均粒径が1nm以下であり、1nm以下の粒子が全粒子数の50%以上である金属粒子(金属クラスター)が生じうると考えられる。   The mechanism by which heat treatment or treatment with hydrogen causes the average particle size to be 1 nm or less, and furthermore, the formation of catalytic metal particles in which 1 nm or less particles are 50% or more of the total number of particles is not clear. In the case of the metal complex represented by 2, by heating, metal particles (metal clusters) having an average particle size of 1 nm or less and 50% or more of the total number of particles are 1 nm or less by a mechanism such as the following formula. It is considered possible.

熱処理の方法は特に制限されない。例えば、金属錯体を導入した炭素材料を真空加熱乾燥した後、好ましくは不活性ガス雰囲気下で加熱する。熱処理の温度は、例えば100〜400℃であり、好ましくは150〜400℃であり、より好ましくは200〜350℃であり、さらに好ましくは200〜300℃である。熱処理の温度が100℃以上であれば金属錯体が効率的に分解され、平均粒径1nm以下の触媒金属粒子が生成されうる。また、熱処理の温度が400℃以下であれば、触媒金属粒子が過度に大きくなることを抑制できる。そのため平均粒径が1nm以下である触媒金属粒子(金属クラスター)が効率的に得られる。このとき、該触媒金属粒子(触媒金属クラスター)は、1nm以下の粒子が全粒子数の50%以上ものが効率的に得られる。熱処理の時間は、例えば、0.1〜10時間であり、より好ましくは0.5〜2時間である。上記範囲であれば本実施形態の触媒金属粒子(触媒金属クラスター)が安定して得られうる。なお、上記熱処理は、複数回行ってもよい。   The heat treatment method is not particularly limited. For example, after the carbon material into which the metal complex has been introduced is dried by heating under vacuum, it is preferably heated under an inert gas atmosphere. The temperature of the heat treatment is, for example, 100 to 400 ° C, preferably 150 to 400 ° C, more preferably 200 to 350 ° C, and further preferably 200 to 300 ° C. When the temperature of the heat treatment is 100 ° C. or higher, the metal complex is efficiently decomposed, and catalytic metal particles having an average particle size of 1 nm or less can be generated. Further, when the temperature of the heat treatment is 400 ° C. or lower, it is possible to suppress the catalyst metal particles from becoming excessively large. Therefore, catalytic metal particles (metal clusters) having an average particle size of 1 nm or less can be efficiently obtained. At this time, as for the catalyst metal particles (catalyst metal clusters), particles having a size of 1 nm or less can be efficiently obtained as 50% or more of the total number of particles. The time of the heat treatment is, for example, 0.1 to 10 hours, and more preferably 0.5 to 2 hours. Within the above range, the catalyst metal particles (catalyst metal clusters) of the present embodiment can be stably obtained. Note that the heat treatment may be performed plural times.

また、上記の化学式2で表される金属錯体の場合、水素処理によって、下記式のような機構で平均粒径が1nm以下であり、1nm以下の粒子が全粒子数の50%以上である触媒金属粒子(触媒金属クラスター)が生じうると考えられる。   Further, in the case of the metal complex represented by the above chemical formula 2, the catalyst having an average particle diameter of 1 nm or less and 50% or more of the total number of particles is 1 nm or less by a mechanism such as the following equation by hydrogen treatment. It is believed that metal particles (catalytic metal clusters) can occur.

水素処理の条件も特に制限されない。例えば、金属錯体を導入した炭素材料を真空加熱乾燥した後、窒素などの不活性ガスを導入する。その後、水素ガスを、例えば10〜1000cc/min、好ましくは20〜200cc/minで流通させて、例えば0〜150℃、好ましくは20〜100℃の温度で、例えば、0.1〜10時間、より好ましくは0.5〜5時間、水素と接触させる。水素と接触させるときの温度が0℃以上、または水素と接触させる時間が0.1時間以上であれば金属錯体が効率的に分解され、触媒金属粒子が生成されうる。また、水素と接触させるときの温度が150℃以下、または水素と接触させる時間が10時間以下であれば、触媒金属粒子が過度に大きくなることを抑制できる。そのため上記の条件であれは適当な粒径を有し、粒径のばらつきが少ない触媒金属粒子(触媒金属クラスター)が効率的に得られうる。なお、上記水素処理は、同じ温度、または異なる温度で複数回行ってもよい。例えば温度を段階的に上げながら複数回の水素処理を行ってもよい。水素処理を複数回行う場合は、水素と接触させる時間の合計が上記範囲であることが好ましい。また、少なくとも1回の水素処理において、水素と接触させるときの温度が上記範囲であることが好ましい。なお、後述するように金属錯体を導入した炭素材料の水素吸脱着測定のサイクル中に水素に接触し、徐々に金属錯体を生成する場合もある。このような場合は上記の水素処理に代えて、水素吸脱着測定のサイクルを水素と接触させる工程として行ってもよい。1例を示せば、例えば、1,5−シクロオクタジエンジメチル白金錯体は25℃で30分間水素と接触させれば金属(Pt)に還元される。この際の温度条件は25℃〜100℃であればよいし、水素処理時間(水素と接触させる時間)も6分〜10時間でよいといえる。   The conditions for the hydrogen treatment are not particularly limited. For example, a carbon material into which a metal complex has been introduced is dried by heating under vacuum, and then an inert gas such as nitrogen is introduced. Thereafter, a hydrogen gas is passed at, for example, 10 to 1000 cc / min, preferably 20 to 200 cc / min, and at a temperature of, for example, 0 to 150 ° C., preferably 20 to 100 ° C., for example, 0.1 to 10 hours. More preferably, it is contacted with hydrogen for 0.5 to 5 hours. If the temperature at the time of contacting with hydrogen is 0 ° C. or more, or the time of contacting with hydrogen is 0.1 hour or more, the metal complex can be efficiently decomposed and catalytic metal particles can be generated. In addition, when the temperature at the time of contacting with hydrogen is 150 ° C. or less, or the time at which the catalyst is contacted with hydrogen is 10 hours or less, it is possible to suppress the catalyst metal particles from becoming excessively large. Therefore, under the above conditions, catalyst metal particles (catalyst metal clusters) having an appropriate particle size and having a small variation in particle size can be efficiently obtained. Note that the hydrogen treatment may be performed a plurality of times at the same temperature or different temperatures. For example, the hydrogen treatment may be performed a plurality of times while increasing the temperature stepwise. When the hydrogen treatment is performed a plurality of times, the total time of contact with hydrogen is preferably within the above range. Further, in at least one hydrogen treatment, the temperature when contacting with hydrogen is preferably within the above range. As described later, the carbon material into which the metal complex has been introduced may come into contact with hydrogen during the cycle of hydrogen absorption / desorption measurement to gradually generate the metal complex. In such a case, instead of the above-described hydrogen treatment, a cycle of hydrogen adsorption / desorption measurement may be performed as a step of contacting with hydrogen. As an example, for example, 1,5-cyclooctadiene dimethylplatinum complex is reduced to metal (Pt) by contacting with hydrogen at 25 ° C. for 30 minutes. It can be said that the temperature condition at this time may be 25 ° C. to 100 ° C., and the hydrogen treatment time (time for contact with hydrogen) may be 6 minutes to 10 hours.

上記製造方法で得られたアノード電極触媒である触媒金属粒子(金属担持炭素材料)は、触媒金属を高活性な状態で担体(炭素材料)に担持できる。また、触媒金属粒子を数原子〜数十原子程度の触媒金属クラスタとすることで触媒金属の使用量を低減できる。そのため、触媒金属の質量当たりの活性が向上した触媒材料が得られうる。そのため、上記製造方法で得られた触媒金属粒子(金属担持炭素材料)は、燃料電池用アノード電極触媒に好適に用いることができる。   The catalytic metal particles (metal-carrying carbon material), which is the anode electrode catalyst obtained by the above-described production method, can support the catalytic metal on the carrier (carbon material) in a highly active state. Further, the amount of the catalyst metal can be reduced by forming the catalyst metal particles into a catalyst metal cluster of several atoms to several tens of atoms. Therefore, a catalyst material having improved activity per mass of the catalyst metal can be obtained. Therefore, the catalytic metal particles (metal-supported carbon material) obtained by the above production method can be suitably used for an anode electrode catalyst for a fuel cell.

以上が本実施形態の特徴部分の説明である。以下、本実施形態のその他の構成要件につき、説明する。   The above is the description of the characteristic portions of the present embodiment. Hereinafter, other components of the present embodiment will be described.

(単位触媒塗布面積当たりの触媒金属含有量)
本実施形態において、単位触媒塗布面積当たりの触媒金属含有量(mg/cm)は、十分な触媒の担体上での分散度、発電性能が得られる限り特に制限されず、例えば、0.01〜1mg/cmである。ただし、触媒金属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である。本実施形態では。触媒金属が高い比表面積を持つことから、高価な触媒金属の担持量を低減しつつ、触媒活性を向上させることができる。更に上記した特定の空孔分布を有する担体を用いる場合には、当該担体の空孔構造を制御することにより、触媒重量あたりの活性を向上させることができるため、更に触媒金属の使用量を低減することが可能となる。
(Catalyst metal content per unit catalyst application area)
In the present embodiment, the catalyst metal content (mg / cm 2 ) per unit catalyst application area is not particularly limited as long as a sufficient degree of catalyst dispersion and power generation performance can be obtained. 11 mg / cm 2 . However, when the catalyst metal 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 and platinum alloys has been a factor in the 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 between 0.02 and 0.4 mg / cm 2 . In the present embodiment. Since the catalytic metal has a high specific surface area, the catalytic activity can be improved while reducing the amount of the expensive catalytic metal carried. Further, when a carrier having the above-described specific pore distribution is used, the activity per catalyst weight can be improved by controlling the pore structure of the carrier, thereby further reducing the amount of catalyst metal used. It is possible to do.

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

また、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、電極触媒(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質量%、より好ましくは20〜70質量%とするのがよい。担持量が前記範囲であれば、十分な触媒成分である金属触媒粒子の触媒担体上での分散度、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 mass, more preferably 20 to 70% by mass, based on the total amount of the electrode catalyst (that is, the carrier and the catalyst metal). It is good to be mass%. It is preferable that the loading amount is in the above range, since the degree of dispersion of the metal catalyst particles, which is a sufficient catalyst component, on the catalyst carrier, the improvement in power generation performance, the economic advantage, and the catalyst activity per unit weight can be achieved.

[触媒層]
上述したように、本実施形態の電極触媒、特にアノード電極触媒は、高い触媒活性を発揮できる、即ち、触媒反応を促進できる。したがって、本実施形態の電極触媒は、燃料電池用の電極触媒層、特にアノード電極触媒層に好適に使用できる。すなわち、本実施形態は、本実施形態の電極触媒、および電極触媒を含む燃料電池用電極触媒層をも提供する。
[Catalyst layer]
As described above, the electrode catalyst of the present embodiment, in particular, the anode electrode catalyst can exhibit high catalytic activity, that is, can promote the catalytic reaction. Therefore, the electrode catalyst of the present embodiment can be suitably used for an electrode catalyst layer for a fuel cell, particularly, an anode electrode catalyst layer. That is, the present embodiment also provides the electrode catalyst of the present embodiment and an electrode catalyst layer for a fuel cell including the electrode catalyst.

本実施形態の触媒層内では、電極触媒は電解質で被覆されているが、電解質は、触媒担体のメソ孔、さらにはミクロ孔内には侵入しない。このため、担体表面の触媒金属は電解質と接触するが、空孔(メソ孔及びミクロ孔)内部に担持された触媒金属は電解質と非接触状態である。メソ孔及びミクロ孔内の触媒金属が、電解質と非接触状態で酸素ガスと水との三相界面を形成することにより、触媒金属の反応活性面積を増大できる。   In the catalyst layer of the present embodiment, the electrode catalyst is coated with an electrolyte, but the electrolyte does not enter the mesopores or the micropores of the catalyst carrier. Therefore, the catalyst metal on the surface of the carrier comes into contact with the electrolyte, but the catalyst metal supported inside the pores (mesopores and micropores) is not in contact with the electrolyte. The catalytic metal in the mesopores and micropores forms a three-phase interface between oxygen gas and water in a non-contact state with the electrolyte, thereby increasing the reaction active area of the catalytic metal.

本実施形態の電極触媒は、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、アノード触媒層で使用されることが好ましい。これにより、触媒活性として高いHOR活性と低いORR活性を兼ね備えることで、高い発電性能を有するアノード触媒層を提供できるためである。更に、上記したようなメソ孔及びミクロ孔を有する電極触媒は、カソード触媒層で特に使用されることが好ましい。上述したようなメソ孔及びミクロ孔を有する電極触媒は、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、電極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。   The electrode catalyst of the present embodiment may be present in either the cathode catalyst layer or the anode catalyst layer, but is preferably used in the anode catalyst layer. Thereby, by combining high HOR activity and low ORR activity as catalyst activities, an anode catalyst layer having high power generation performance can be provided. Further, the electrode catalyst having mesopores and micropores as described above is preferably used particularly in the cathode catalyst layer. The electrode catalyst having mesopores and micropores as described above can effectively utilize the electrode catalyst without forming contact with the electrolyte by forming a three-phase interface with water. It is because it forms.

電解質は、特に制限されないが、イオン伝導性の高分子電解質であることが好ましい。上記高分子電解質は、燃料極側の触媒金属粒子周辺で発生したプロトンを伝達する役割を果たすことから、プロトン伝導性高分子とも呼ばれる。   The electrolyte is not particularly limited, but is preferably an ion-conductive polymer electrolyte. The polymer electrolyte is also called a proton conductive polymer because it plays a role in transmitting protons generated around the catalyst metal particles on the fuel electrode side.

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

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

炭化水素系電解質として、具体的には、スルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホス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。なお、上述したイオン交換樹脂は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよい。   Specific examples of the hydrocarbon-based electrolyte include sulfonated polyethersulfone (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, phosphonated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, and sulfonated poly. Examples include ether ether ketone (S-PEEK) and sulfonated polyphenylene (S-PPP). 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. In addition, only one kind of the above-mentioned ion exchange resin may be used alone, or two or more kinds may be used in combination. Further, the present invention is not limited to only the above-described materials, and other materials may be used.

プロトンの伝達を担う高分子電解質においては、プロトンの伝導度が重要となる。ここで、高分子電解質のEWが大きすぎる場合には触媒層全体でのイオン伝導性が低下する。したがって、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1500g/eq.以下の高分子電解質を含み、より好ましくは1200g/eq.以下の高分子電解質を含み、特に好ましくは1000g/eq.以下の高分子電解質を含む。   In a polymer electrolyte responsible for proton transmission, proton conductivity is important. Here, if the EW of the polymer electrolyte is too large, the ionic conductivity of the entire catalyst layer decreases. Therefore, the catalyst layer of the present embodiment preferably contains a polymer electrolyte having a low EW. Specifically, the catalyst layer of the present embodiment preferably has an EW of 1500 g / eq. It contains the following polymer electrolyte, more preferably 1200 g / eq. The following polymer electrolyte is contained, and particularly preferably 1000 g / eq. Including the following polymer electrolytes.

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

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%以下の領域に用いることが好ましい。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。流路内ガスの相対湿度が90%以下の領域に用いる高分子電解質、すなわちEWが最も低い高分子電解質のEWとしては、900g/eq.以下であることが望ましい。これにより、上述の効果がより確実、顕著なものとなる。   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. It is preferable to use this region. By adopting such a material arrangement, the resistance value is reduced irrespective of the current density region, and the battery performance can be improved. The polymer electrolyte used in the region where the relative humidity of the gas in the flow path is 90% or less, that is, the EW of the polymer electrolyte having the lowest EW is 900 g / eq. It is desirable that: As a result, the above-described effects are more certain and significant.

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、電極触媒(特に触媒金属粒子)と高分子電解質との間に、電極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、電極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電極触媒(特に触媒金属粒子)表面へ輸送することが可能となる。これにより、電極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電極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電極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 a liquid proton conductive material between the electrode catalyst (particularly, the catalyst metal particles) and the polymer electrolyte, which can connect the electrode catalyst and the polymer electrolyte in a state capable of conducting protons. By introducing the liquid proton conductive material, a proton transport path through the liquid proton conductive material is secured between the electrode catalyst and the polymer electrolyte, so that protons required for power generation can be efficiently transferred to the electrode catalyst (particularly, the catalyst). Metal particles) can be transported to the surface. As a result, the utilization efficiency of the electrode catalyst is improved, so that the amount of the electrode catalyst used can be reduced while maintaining the power generation performance. The liquid proton conductive material only needs to be interposed between the electrode catalyst and the polymer electrolyte, and the pores (secondary pores) between the porous carriers in the catalyst layer and the pores (micropores) in the porous carrier are formed. Holes or mesopores: primary holes).

液体プロトン伝導材としては、イオン伝導性を有し、電極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 exert a function of forming a proton transport path between the electrode 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、電極触媒(特に触媒金属粒子)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、電極触媒と高分子電解質との非接触状態を保持しながら、電極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 electrode catalyst (particularly, catalytic metal particles) 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 filled between the electrode catalyst and the polymer electrolyte (liquid conductive material holding portion) while maintaining the non-contact state between the electrode catalyst and the polymer electrolyte. It is possible to intervene, and a proton transport route by water between them 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電極触媒とを溶液中に分散させることが望ましいが、電極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 electrode catalyst in a solution when preparing the catalyst ink. An ionic liquid may be added when is applied to the catalyst layer substrate.

本実施形態の電極触媒では、電極触媒の高分子電解質と接触している総面積が、この電極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ものとなっている。   In the electrode catalyst of the present embodiment, the total area of the electrode catalyst in contact with the polymer electrolyte is smaller than the total area of the electrode 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、電極触媒−高分子電解質界面と電極触媒−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、電極触媒−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、電極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。   The comparison of these areas is based on, for example, the capacity of the electric double layer formed at the electrode catalyst-polymer electrolyte interface and the electrode catalyst-liquid proton conductive material interface when the liquid conductive material holding portion is filled with the liquid proton conductive material. By determining the magnitude relationship of 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 electrode catalyst-electrolyte interface is changed at the catalyst-liquid proton conductive material interface. If it is smaller than the capacity, the contact area of the electrode catalyst with the electrolyte is smaller than the area exposed to the liquid conductive material holding portion.

ここで、電極触媒−電解質界面、電極触媒−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、電極触媒−電解質間及び電極触媒−液体プロトン伝導材間の接触面積の大小関係について説明する。すなわち、電極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 for measuring the electric double layer capacity formed at the electrode catalyst-electrolyte interface and the electrode catalyst-liquid proton conductive material interface, in other words, the contact area between the electrode catalyst and the electrolyte and between the electrode catalyst and the liquid proton conductive material. The magnitude relation will be described. That is, a method of determining the magnitude relationship between the contact area of the electrode catalyst with the electrolyte and the exposed area of the liquid conductive material holding section will be described.

すなわち、本形態の触媒層においては、
(1)電極触媒−高分子電解質(C−S)
(2)電極触媒−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) Electrode catalyst-polymer electrolyte (CS)
(2) Electrode 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(電極触媒−高分子電解質界面の電気二重層容量)及びCdlC−L(電極触媒−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 (electrode catalyst - electric double layer capacity of the polymer electrolyte interface) and Cdl C-L (electrode The electric double layer capacity at the catalyst-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.

さらに電極触媒(特に触媒金属)を失活させること、例えば、Ptを触媒金属粒子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粒子表面上に吸着させることによる電極触媒(特に触媒金属)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、電極触媒(特に触媒金属)の寄与、つまり上記(1)及び(2)を分離することができる。   Further, deactivation of an electrode catalyst (particularly, a catalyst metal), for example, when Pt is used as catalyst metal particles, by supplying a CO gas to an electrode to be measured to adsorb CO on the surface of the Pt particles. Due to the deactivation of the electrode catalyst (particularly the catalyst metal), its contribution to the electric double layer capacity can be separated. In such a state, the electric double layer capacity under the high humidification and low humidification conditions was measured by the same method as described above, and from these comparisons, the contribution of the electrode catalyst (particularly, the catalyst metal), that is, the above (1) and (2) can be separated.

以上により、上記(1)〜(4)全ての寄与を分離することができ、電極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 (1) to (4) can be separated, and the electric double layer capacity formed at the interface between the electrode 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、電極触媒(特に触媒金属)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、電極触媒(特に触媒金属)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. In addition, the measured value (C) in the deactivated / highly humidified state of the electrode catalyst (particularly the catalyst metal) is the electric double layer capacity formed at the interface of (3) and (4), and the electrode catalyst (particularly the catalyst metal) is deactivated. The measured value (D) in the low humidification 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、電極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 electrode 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.

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

(触媒層の製造方法)
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)
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、担体(本明細書では、「多孔質担体」または「導電性多孔質担体」とも称する)を準備する。具体的には、上記担体の製造方法で説明したように、作製すればよい。これにより、特定の空孔分布(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担体以上であるおよび/または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)を有する空孔が担体内に形成できる。また、市販のケッチェンブラック(高導電性カーボンブラック)、(オイル)ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック、ランプブラック等のカーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などのカーボン材料を用いてもよい。更に上記アノード電極触媒の製造方法の中で説明したように、触媒担体で使用する細孔を有する炭素材料として、上記した構造的な特徴を有するミクロポーラス炭素材料を作製してもよい。   First, a carrier (also referred to herein as a “porous carrier” or a “conductive porous carrier”) is prepared. Specifically, the carrier may be produced as described in the method for producing the carrier. Thereby, the specific pore distribution (having micropores and mesopores and the pore volume of the micropores is not less than 0.3 cc / g carrier and / or the mode radius of the pore distribution of the micropores is not more than 0. Voids having a diameter of 3 nm or more and less than 1 nm can be formed in the carrier. In addition, carbon materials such as commercially available Ketjen Black (highly conductive carbon black), (oil) furnace black, channel black, acetylene black, thermal black, lamp black, etc., activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite, etc. May be used. Further, as described in the method for producing the anode electrode catalyst, a microporous carbon material having the above-described structural characteristics may be produced as the carbon material having pores used in the catalyst carrier.

次いで、多孔質担体に触媒金属粒子を担持させて、電極触媒粉末とする。この場合、金属触媒粒子が特定の比表面積、または平均配位数、または平均粒径を有するアノード電極触媒については、上記したアノード電極触媒の製造方法等により作製することができる。カソード電極触媒については、上記したアノード電極触媒の製造方法を適用することができるほか、多孔質担体への触媒金属粒子の担持は、公知の方法で行うことができる。例えば、含浸法、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。   Next, the catalyst metal particles are supported on the porous carrier to obtain an electrode catalyst powder. In this case, the anode electrode catalyst in which the metal catalyst particles have a specific specific surface area, an average coordination number, or an average particle diameter can be manufactured by the above-described method for manufacturing an anode electrode catalyst. As for the cathode electrode catalyst, the above-described method for producing an anode electrode catalyst can be applied, and the supporting of the catalytic metal particles on the porous carrier can be performed 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.

続いて、電極触媒粉末、高分子電解質、および溶剤を含む触媒インクを作製する。溶剤としては、特に制限されず、触媒層を形成するのに使用される通常の溶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。これらの溶剤は、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。   Subsequently, a catalyst ink containing an electrode catalyst powder, a polymer electrolyte, and a 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.

触媒インクを構成する溶剤の量は、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を合わせた固形分の濃度が、電極触媒インク中、1〜50質量%、より好ましくは5〜30質量%程度とするのが好ましい。   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 the solid content including the catalyst powder and the polymer electrolyte is preferably 1 to 50% by mass, more preferably 5 to 30% by mass 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、本実施形態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、触媒インクの全質量に対して、好ましくは5〜20質量%である。   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 embodiment. For example, the additive amount of each additive is preferably 5 to 20% by mass based on the total mass of the 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.

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)
本実施形態によれば、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並びに前記アノード触媒層3a及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、アノード触媒層が上記に記載した実施形態の触媒層である。そのため、本実施形態の膜電極接合体でも、上記した本実施形態のアノード触媒層の持つ優れた作用効果により優れた電池性能を有効に発現させることができる。
(Membrane electrode assembly)
According to the present embodiment, 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 fuel cell membrane electrode assembly having a pair of gas diffusion layers (4a, 4c) sandwiching the cathode catalyst layer 3c. And in this membrane electrode assembly, the anode catalyst layer is the catalyst layer of the embodiment described above. Therefore, also in the membrane electrode assembly of the present embodiment, excellent battery performance can be effectively exhibited by the excellent operation and effect of the anode catalyst layer of the present embodiment described above.

また、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、カソード触媒層には、上記した特定の空孔分布を有する担体を用いるのが好ましい。ただし、上記した特定の空孔分布を有する担体は、アノード触媒層に用いてもよいし、カソード触媒層およびアノード触媒層の双方に用いてもよいなど、特に制限されるものではない。 Considering the necessity of improving the proton conductivity and the transport characteristics (gas diffusivity) of the reaction gas (particularly, O 2 ), the above-described carrier having the specific pore distribution is used for the cathode catalyst layer. Is preferred. However, the carrier having the above-described specific pore distribution may be used for the anode catalyst layer, or may be used for both the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, and is not particularly limited.

本実施形態によれば、上記形態の膜電極接合体を有する燃料電池が提供される。すなわち、本実施形態は、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。そのため、本実施形態の燃料電池でも、上記した本実施形態のアノード触媒層の持つ優れた作用効果により優れた電池性能を有効に発現させることができる点で優れている。   According to the present embodiment, there is provided a fuel cell having the membrane electrode assembly of the above embodiment. That is, the present embodiment 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. Therefore, the fuel cell of the present embodiment is also excellent in that excellent cell performance can be effectively exhibited by the above-described excellent operation and effect of the anode catalyst layer of the present 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、本実施形態はアノード電極触媒、及びこれを用いたアノード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アノード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, this embodiment is characterized by the anode electrode catalyst and the anode catalyst layer using the same. Therefore, specific configurations of members other than the anode 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.

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

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

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

ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を含むことが好ましい。撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。   The gas diffusion layer preferably contains a water repellent for the purpose of further increasing the water repellency and preventing the flooding phenomenon and the like. Examples of the water repellent include, but are not particularly limited to, fluorine-based high-molecular 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 are 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を使用できる。或いは、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 method can be used in which a catalyst layer is transferred or applied to a solid polymer electrolyte membrane by hot pressing and then dried, and then a gas diffusion layer is joined thereto. Alternatively, two gas diffusion electrodes (GDE) are prepared by coating the catalyst layer on one side of the base material layer in advance and drying it if the microporous layer side of the gas diffusion layer is not included. Then, the gas diffusion electrode can be joined to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane by hot press, and the application and joining conditions of the hot press and the like depend on the type of polymer electrolyte in the solid polymer electrolyte membrane and the catalyst layer. (Perfluorosulfonic acid type or hydrocarbon type).

(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、触媒活性および耐久性に優れるアノード電極触媒及びこれを用いたアノード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 PEFC and the membrane electrode assembly described above use an anode electrode catalyst having excellent catalytic activity and durability and an anode catalyst layer using the same. 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。   The PEFC of this embodiment and the fuel cell stack using the same can be mounted, for example, as a drive power source in a vehicle.

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

実施例1
(a)アノード電極触媒の製造段階:触媒担体の準備
アノード電極触媒の触媒担体として、ケッチェンブラック(kBとも称する)(ライオン株式会社製、商品名ケッチェンブラックEC600JD、平均粒径34.0nm、BET比表面積1270m/g、全細孔の占める容積:1.80cm/g、ミクロ細孔の占める容積:0.50cm/g、メソ細孔の占める容積:1.30cm/g)を準備した。
Example 1
(A) Production stage of anode electrode catalyst: preparation of catalyst carrier As a catalyst carrier of the anode electrode catalyst, Ketjen Black (also referred to as kB) (manufactured by Lion Corporation, trade name Ketjen Black EC600JD, average particle size of 34.0 nm, BET specific surface area 1270 m 2 / g, volume occupied by all pores: 1.80 cm 3 / g, volume occupied by micropores: 0.50 cm 3 / g, volume occupied by mesopores: 1.30 cm 3 / g) Was prepared.

(b)アノード電極触媒の製造段階:金属錯体を導入した触媒担体)
上記で準備したkBについて、アセトニトリル中で(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)と反応させ、下記式のようなPt錯体を導入した炭素材料を得た。
(B) Production step of anode electrode catalyst: catalyst carrier into which metal complex is introduced)
The kB prepared above was reacted with (1,5-cyclooctadiene) dimethylplatinum (II) in acetonitrile to obtain a carbon material into which a Pt complex represented by the following formula was introduced.

具体的には、100mlの二口フラスコにマグネチックスターラーバーと上記で準備したkB0.5gとを入れ、シリコンゴム製セプタムと三方コックとを取り付け、150℃に加熱してkBを6時間真空加熱乾燥した。乾燥後、フラスコを室温まで放冷した後に恒温槽を用いてフラスコを25℃に保持した。続いて、あらかじめ調製した(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)/アセトニトリル溶液25.5ml(Pt:0.765mmol)をシリンジを用いてセプタムから注入し、10分間撹拌した。次にフラスコに冷却器を取り付け、110℃に設定したオイルバスで加熱して還流を6時間行った。なお、(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)/アセトニトリル溶液は、以下のように調製したものを用いた。100mlの二口ナス型フラスコにマグネチックスターラーバーを入れ、(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)を300.2mg加えた。次に、脱水アセトニトリル(和光純薬工業株式会社製)を30ml加え、数分間撹拌して(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)を溶解させて(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)/アセトニトリル溶液を調製した。   Specifically, a magnetic stir bar and 0.5 g of kB prepared above were put into a 100 ml two-necked flask, a silicon rubber septum and a three-way cock were attached, and the mixture was heated to 150 ° C. to heat kB under vacuum for 6 hours. Dried. After drying, the flask was allowed to cool to room temperature, and then the flask was kept at 25 ° C. using a thermostat. Subsequently, 25.5 ml (Pt: 0.765 mmol) of a previously prepared (1,5-cyclooctadiene) dimethylplatinum (II) / acetonitrile solution was injected from the septum using a syringe, and the mixture was stirred for 10 minutes. Next, a condenser was attached to the flask, and the flask was heated in an oil bath set at 110 ° C. and refluxed for 6 hours. The (1,5-cyclooctadiene) dimethylplatinum (II) / acetonitrile solution used was prepared as follows. A magnetic stirrer bar was put into a 100 ml two-necked eggplant type flask, and 300.2 mg of (1,5-cyclooctadiene) dimethylplatinum (II) was added. Next, 30 ml of dehydrated acetonitrile (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added, and the mixture was stirred for several minutes to dissolve (1,5-cyclooctadiene) dimethylplatinum (II) and (1,5-cyclooctadiene). A dimethylplatinum (II) / acetonitrile solution was prepared.

6時間還流した後、反応溶液を0.1μmのメンブレンフィルター(ADVANTEC社製H010A047A、φ=47mm)を用いて濾過し、その後、50mlのアセトニトリル(和光純薬工業株式会社製)を用いて洗浄した。洗浄した試料をマグネチックスターラーバーと共に200mlの二口フラスコに入れ、三方コックとガラス栓とを取り付けて100℃で6時間真空加熱乾燥した。   After refluxing for 6 hours, the reaction solution was filtered using a 0.1 μm membrane filter (H010A047A manufactured by ADVANTEC, φ = 47 mm), and then washed using 50 ml of acetonitrile (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). . The washed sample was put into a 200 ml two-necked flask together with a magnetic stirrer bar, attached with a three-way cock and a glass stopper, and dried by heating under vacuum at 100 ° C. for 6 hours.

(c)熱処理してアノード電極触媒である金属担持炭素材料を得る段階:Ptクラスタ/kBの調製)
上記で得られた1,5−シクロオクタジエンジメチル白金錯体が吸着したkBをガラス管に入れ、ターボモレキュラーポンプを用いてガラス管内を減圧下(1.0×10−4Pa)としたまま、当該ガラス管Cを室温から300℃まで5℃/分で昇温させ、その後300℃で1時間保持した。その後、ガラス管を室温まで自然放冷し、ガラス管から試料を取り出した。得られた試料をPtクラスタ/kBとする。
(C) Step of heat-treating to obtain metal-supported carbon material as an anode electrode catalyst: Preparation of Pt cluster / kB)
The kB to which the 1,5-cyclooctadiene dimethylplatinum complex obtained above was adsorbed is put into a glass tube, and the inside of the glass tube is kept under reduced pressure (1.0 × 10 −4 Pa) using a turbo molecular pump. The temperature of the glass tube C was increased from room temperature to 300 ° C. at a rate of 5 ° C./min, and then maintained at 300 ° C. for 1 hour. Thereafter, the glass tube was naturally cooled to room temperature, and a sample was taken out of the glass tube. The obtained sample is defined as Pt cluster / kB.

得られたPtクラスタ/kB試料のICP分析値は、Pt:3.9wt%であった。また、BET比表面積:1190m/gであった。 The ICP analysis value of the obtained Pt cluster / kB sample was Pt: 3.9 wt%. Further, the BET specific surface area was 1190 m 2 / g.

実施例2
(a)アノード電極触媒の製造段階:触媒担体の準備)
アノード電極触媒の触媒担体として、実施例1と同様のケッチェンブラック(kB)を準備した。
Example 2
(A) Production stage of anode electrode catalyst: preparation of catalyst carrier)
The same Ketjen black (kB) as in Example 1 was prepared as a catalyst carrier for the anode electrode catalyst.

(b)アノード電極触媒の製造段階の別態様:金属錯体を導入した触媒担体)
上記で準備したkBについて、ジフェニルホスフィン配位子を導入し、その後ジフェニルホスフィン配位子を導入したkBをアセトニトリル中で(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)と反応させ、下記式のようなPt錯体を導入した炭素材料を得た。
(B) Another embodiment of the production stage of the anode electrode catalyst: a catalyst carrier into which a metal complex has been introduced)
With respect to the kB prepared above, a diphenylphosphine ligand is introduced, and then the kB into which the diphenylphosphine ligand is introduced is reacted with (1,5-cyclooctadiene) dimethylplatinum (II) in acetonitrile to obtain the following formula: Thus, a carbon material into which a Pt complex was introduced was obtained.

具体的には、50mlの二口ナス型フラスコにマグネチックスターラーバーと上記で準備したkB300mgとを入れ、フラスコの口にそれぞれシリコンゴム製セプタムと三方コックとを取り付けた。スターラーバーを用いて撹拌しながら150℃に加熱してkBを6時間真空加熱乾燥した。乾燥後、フラスコを室温まで放冷した。次に乾燥させたkBの入ったフラスコを減圧した状態で、あらかじめ調製したTHF/トリエチルアミン溶液20mlをシリンジを用いてセプタムから注入して室温で10分間撹拌した。ここで、THF/トリエチルアミン溶液は、窒素置換した50mlの二口ナス型フラスコに脱水THF(和光純薬工業株式会社製)25mlとトリエチルアミン(和光純薬工業株式会社製)0.536gを加えて室温で数分間撹拌して調製したものを用いた。続いて恒温槽を用いてフラスコを0℃に冷却して30分間撹拌後、フラスコ内に窒素を1atmになるまでパージしてから、クロロジフェニルホスフィン(和光純薬工業株式会社製)0.788gをシリンジを用いてフラスコ内に加えて10分間撹拌した。その後、恒温槽の温度を25℃に設定し、25℃に達してからさらに15時間撹拌して反応させた。その後、メンブレンフィルター(0.1μm、ADVANTEC社製T010A047A)で濾過し、さらに150mlのTHFでよく洗浄した。次いで試料を2000mlのイオン交換水中で30分間撹拌して良く洗浄し、メンブレンフィルター(0.1μm、ADVANTEC社製H010A047A)で濾過した後、試料を150℃で6時間減圧乾燥させた。この試料をP/Kbと表す。   Specifically, a magnetic stir bar and 300 mg of kB prepared above were placed in a 50 ml two-necked eggplant type flask, and a silicone rubber septum and a three-way cock were attached to the mouths of the flask, respectively. The mixture was heated to 150 ° C. while stirring using a stirrer bar, and the kB was dried by heating under vacuum for 6 hours. After drying, the flask was allowed to cool to room temperature. Next, with the flask containing the dried kB under reduced pressure, 20 ml of a THF / triethylamine solution prepared in advance was injected from a septum using a syringe, followed by stirring at room temperature for 10 minutes. Here, the THF / triethylamine solution was added to 25 ml of dehydrated THF (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 0.536 g of triethylamine (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) in a 50 ml two-necked eggplant-shaped flask purged with nitrogen. Was used for several minutes with stirring. Subsequently, the flask was cooled to 0 ° C. using a thermostat and stirred for 30 minutes. After purging the flask with nitrogen to 1 atm, 0.788 g of chlorodiphenylphosphine (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added. The mixture was added into the flask using a syringe and stirred for 10 minutes. Thereafter, the temperature of the thermostat was set to 25 ° C., and after the temperature reached 25 ° C., the mixture was further stirred for 15 hours to react. Thereafter, the mixture was filtered through a membrane filter (0.1 μm, T010A047A manufactured by ADVANTEC), and further washed well with 150 ml of THF. Next, the sample was stirred well in 2000 ml of ion-exchanged water for 30 minutes, washed well, filtered through a membrane filter (0.1 μm, H010A047A manufactured by ADVANTEC), and then dried under reduced pressure at 150 ° C. for 6 hours. This sample is designated as P / Kb.

シュレンク管に上記で調製したP/kBを120mgとマグネチックスターラーバーとを入れ、シュレンク管の口にシリコンゴム製セプタムを取り付けた。スターラーバーを用いて撹拌しながらkB−Pを150℃で6時間真空加熱乾燥し、その後室温まで放冷した。続いて乾燥したkB−Pの入ったシュレンク管を減圧した状態で、あらかじめ調製した(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)/アセトニトリル溶液4.8ml(Pt:1.5mmol/(1g−ZTC−P))をシリンジを用いてセプタムから注入し、10分間撹拌した。なお、(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)/アセトニトリル溶液は、20mlの一口ナス型フラスコに(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)(アルドリッチ社製)を60mg加えてフラスコ内を窒素置換し、脱水アセトニトリル(和光純薬工業株式会社製)を4.8ml加えて室温で数分間撹拌して調製したものを用いた。   120 mg of P / kB prepared above and a magnetic stir bar were put into a Schlenk tube, and a silicon rubber septum was attached to the mouth of the Schlenk tube. The kB-P was dried by heating under vacuum at 150 ° C. for 6 hours while stirring using a stir bar, and then allowed to cool to room temperature. Subsequently, 4.8 ml of a previously prepared (1,5-cyclooctadiene) dimethylplatinum (II) / acetonitrile solution (Pt: 1.5 mmol / (1 g) was prepared under reduced pressure in the Schlenk tube containing the dried kB-P. -ZTC-P)) was injected from the septum using a syringe and stirred for 10 minutes. The (1,5-cyclooctadiene) dimethylplatinum (II) / acetonitrile solution was prepared by adding 60 mg of (1,5-cyclooctadiene) dimethylplatinum (II) (manufactured by Aldrich) to a 20 ml one-necked eggplant type flask. The inside of the flask was replaced with nitrogen, 4.8 ml of dehydrated acetonitrile (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added, and the mixture was prepared by stirring at room temperature for several minutes.

次にシュレンク管に還流冷却管を取り付けて100℃に加熱したオイルバスでフラスコを加熱し、12時間還流した。12時間後、還流を止めてシュレンク管を放冷してから、反応溶液を0.1μmのメンブレンフィルター(ADVANTEC社製H010A047A、直径φ=47mm)を用いて濾過し、その後、50mlのアセトニトリル(和光純薬工業株式会社製)、続いて50mlのジエチルエーテルを用いて洗浄した。洗浄した試料を100℃で6時間真空加熱乾燥した。   Next, a reflux condenser was attached to the Schlenk tube, and the flask was heated in an oil bath heated to 100 ° C. and refluxed for 12 hours. After 12 hours, the reflux was stopped and the Schlenk tube was allowed to cool. Then, the reaction solution was filtered using a 0.1 μm membrane filter (H010A047A manufactured by ADVANTEC, diameter φ = 47 mm), and then 50 ml of acetonitrile (sum Subsequently, the substrate was washed with 50 ml of diethyl ether. The washed sample was dried under vacuum at 100 ° C. for 6 hours.

(c)熱処理してアノード電極触媒である金属担持炭素材料を得る段階:P−Ptクラスタ/kBの調製)
上記で得られた試料をガラス管に入れ、ターボモレキュラーポンプを用いてガラス管内を減圧下(1.0×10−4Pa)としたまま、当該ガラス管Cを室温から300℃まで5℃/分で昇温させ、その後300℃で1時間保持した。その後、ガラス管を室温まで自然放冷し、ガラス管から試料を取り出した。得られた試料をP−Ptクラスタ/kBと表す。
(C) Step of heat-treating to obtain metal-supported carbon material as anode electrode catalyst: preparation of P-Pt cluster / kB)
The sample obtained above was placed in a glass tube, and the inside of the glass tube was kept under reduced pressure (1.0 × 10 −4 Pa) using a turbo molecular pump, and the glass tube C was cooled from room temperature to 300 ° C. at 5 ° C. / The temperature was raised in minutes, and then maintained at 300 ° C. for 1 hour. Thereafter, the glass tube was naturally cooled to room temperature, and a sample was taken out of the glass tube. The resulting sample is designated as P-Pt cluster / kB.

得られたP−Ptクラスタ/kB試料についても、ICP分析から、試料中に含まれるリン、Pt量がわかる。また、P−Ptクラスタ/kB試料の分析から、BET比表面積を求めることができる。   Also for the obtained P-Pt cluster / kB sample, the amounts of phosphorus and Pt contained in the sample can be determined from the ICP analysis. Further, the BET specific surface area can be determined from the analysis of the P-Pt cluster / kB sample.

比較例1
(Pt担持炭素材料の準備)
カーボン担体にPt粒子が担持されたアノード電極触媒である市販のPt担持炭素材料(田中貴金属工業株式会社製、商品名TEC10E50E)を準備した。この試料をTEC10E50Eと表す。またTEC10E50Eは、(a)水素の吸脱着で計測される白金の電気化学的な比表面積は83m/gであり、平均粒径は2.3nmであった。更に、TEC10E50Eに担持されるPt粒子は、(d)相対的な単位白金質量当たりのORR活性が、水素の吸脱着から計測される電気化学的な比表面積が60〜90m/gの範囲のPt粒子の1であった。
Comparative Example 1
(Preparation of Pt-supported carbon material)
A commercially available Pt-supported carbon material (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., trade name: TEC10E50E), which is an anode electrode catalyst in which Pt particles are supported on a carbon carrier, was prepared. This sample is designated as TEC10E50E. In TEC10E50E, (a) the electrochemical specific surface area of platinum measured by adsorption and desorption of hydrogen was 83 m 2 / g, and the average particle size was 2.3 nm. Furthermore, the Pt particles supported on TEC10E50E have (d) an ORR activity per unit mass of platinum having an electrochemical specific surface area of 60 to 90 m 2 / g measured from hydrogen adsorption and desorption. It was one of the Pt particles.

比較例2
(Pt粒子/kBの調製)
錯体を担持させたkBと比較するため、一般的な方法を用いてkBにPtナノ粒子を担持させた。200mlの二口フラスコにマグネチックスターラーバーとkB0.5gとを入れ、シリコンゴム製セプタムと三方コックとを取り付け、150℃に加熱してkBを6時間真空加熱乾燥した。乾燥後、恒温槽を用いてフラスコを0℃に冷却した。ジアンミンジニトロ白金[Pt(NO(NH]の0.089wt%水溶液35mlと、還元剤水溶液である水素化ホウ素ナトリウムの0.0105wt%の水溶液350mlとをそれぞれ調製し、0℃に冷却した。続いて、0℃に冷却したkBに0℃のジアンミンジニトロ白金水溶液30mlを真空含浸し、0℃に冷却して減圧雰囲気のままで30分間撹拌した。次に、反応溶液を0.1μmのメンブレンフィルター(ADVANTEC社製H010A047A、直径φ=47mm)を用いて濾過し、試料をイオン交換水で良く洗浄した。この試料を500mlフラスコに加えて恒温槽でフラスコを0℃に冷却し、0℃に冷却した0.0105wt%の水素化ホウ素ナトリウム溶液350mlを加えて0℃で20分間撹拌することによりジアンミンジニトロ白金[Pt(NO(NH]を還元して白金ナノ粒子を生成させた。反応溶液を0.1μmのメンブレンフィルター(ADVANTEC社製H010A047A、直径φ=47mm)を用いて濾過し、試料をイオン交換水でよく洗浄した後、150℃で6時間減圧乾燥した。この試料をPt粒子/kBと表す。Pt粒子/kB(Pt担持炭素材料)試料中に白金は4.7wt%であった。BET比表面積は1000m/gであった。
Comparative Example 2
(Preparation of Pt particles / kB)
For comparison with the complex-supported kB, Pt nanoparticles were supported on the kB using a general method. A magnetic stirrer bar and 0.5 g of kB were put in a 200 ml two-necked flask, a septum made of silicon rubber and a three-way cock were attached, and the mixture was heated to 150 ° C. and dried by vacuum heating kB for 6 hours. After drying, the flask was cooled to 0 ° C. using a thermostat. 35 ml of a 0.089 wt% aqueous solution of diammine dinitroplatinum [Pt (NO 2 ) 2 (NH 3 ) 2 ] and 350 ml of a 0.0105 wt% aqueous solution of sodium borohydride, which is an aqueous solution of a reducing agent, were prepared. And cooled. Subsequently, the kB cooled to 0 ° C. was impregnated with 30 ml of a 0 ° C. aqueous solution of diamine dinitroplatinum in vacuo, cooled to 0 ° C., and stirred for 30 minutes in a reduced pressure atmosphere. Next, the reaction solution was filtered using a 0.1 μm membrane filter (H010A047A manufactured by ADVANTEC, diameter φ = 47 mm), and the sample was thoroughly washed with ion-exchanged water. This sample was added to a 500 ml flask, the flask was cooled to 0 ° C. in a thermostat, 350 ml of a 0.0105 wt% sodium borohydride solution cooled to 0 ° C. was added, and the mixture was stirred at 0 ° C. for 20 minutes to obtain diammine dinitroplatinum. [Pt (NO 2 ) 2 (NH 3 ) 2 ] was reduced to produce platinum nanoparticles. The reaction solution was filtered using a 0.1 μm membrane filter (H010A047A manufactured by ADVANTEC, diameter φ = 47 mm). The sample was thoroughly washed with ion-exchanged water, and then dried under reduced pressure at 150 ° C. for 6 hours. This sample is designated as Pt particles / kB. Pt was 4.7 wt% in the Pt particles / kB (Pt-supported carbon material) sample. The BET specific surface area was 1000 m 2 / g.

下記表1に上記で準備した市販の担体(kB)、実施例1及び比較例2で調製した試料の窒素吸脱着測定の結果から算出したBET比表面積、細孔構造を示す。ここで、VTotal、Vmicro、およびVmesoは、それぞれ、全細孔の占める容積、ミクロ細孔の占める容積、およびメソ細孔の占める容積を表す。 Table 1 below shows the BET specific surface area and the pore structure calculated from the results of nitrogen adsorption and desorption measurement of the commercially available carrier (kB) prepared above and the samples prepared in Example 1 and Comparative Example 2. Here, V Total , V micro , and V meso represent the volume occupied by all pores, the volume occupied by micropores, and the volume occupied by mesopores, respectively.

なお、上記で準備した市販の担体(kB)、実施例1及び比較例2で調製した炭素材料のBET比表面積の測定は、日本ベル製BELSORP miniを用いて行い、−196℃の温度で、多点法で行った。   The BET specific surface area of the commercially available carrier (kB) prepared above and the carbon materials prepared in Example 1 and Comparative Example 2 was measured using BELSORP mini manufactured by Nippon Bell, and at a temperature of -196 ° C. Performed by the multipoint method.

また、誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析法によりリンおよび白金の含有量を測定した。ここで、リンおよび白金の含有量は、試料をアルカリ融解により分解し溶液化した後、エスアイアイナノテクノロジー社製誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析装置を用いて測定した値を用いた。白金の含有量を表1に示す。   The contents of phosphorus and platinum were measured by inductively coupled plasma (ICP) emission spectroscopy. Here, as the content of phosphorus and platinum, a value measured using an inductively coupled plasma (ICP) emission spectrophotometer manufactured by SII Nanotechnology Co., Ltd. after decomposing a sample by alkali melting to form a solution was used. Table 1 shows the platinum content.

表中、比表面積(m/g)は、BET比表面積(m/g)(P/P=0.01〜0.05でプロット)を表す。Vtotal(cm/g)は、全細孔容積(cm/g)(P/P=0.96の窒素吸着量から算出)を表す。Vmicro(cm/g)は、ミクロ孔容積(cm/g)(DR法により算出)を表す。Vmeso(cm/g)は、メソ孔容積(cm/g)(Vmeso=Vtotal−Vmicro)を表す。 In the table, the specific surface area (m 2 / g) represents the BET specific surface area (m 2 / g) (plotted at P / P 0 = 0.01 to 0.05). V total (cm 3 / g) represents the total pore volume (cm 3 / g) (calculated from the nitrogen adsorption amount of P / P 0 = 0.96). V micro (cm 3 / g) represents the micropore volume (cm 3 / g) (calculated by the DR method). V meso (cm 3 / g) represents the mesopore volume (cm 3 / g) (V meso = V total −V micro ).

各実施例1〜2で調製した金属錯体を導入した炭素材料についてTEM観察を行った。更に、触媒担体、比較例2で調製したPt粒子/kBについてもTEM観察を行った。   TEM observation was performed on the carbon material into which the metal complex prepared in each of Examples 1 and 2 was introduced. Further, TEM observation was also performed on the catalyst carrier and the Pt particles / kB prepared in Comparative Example 2.

透過型電子顕微鏡(TEM)観察は、日本電子株式会社製透過型電子顕微鏡JEM−2010を用い、加速電圧200kVにて観察した。TEM観察に際しては、試料にエタノールを少量加えてから超音波処理することで懸濁させ、懸濁液をマイクログリッド(応研商事株式会社製:普及品タイプB)に微量滴下した後、40℃で30分間減圧乾燥し、TEM用観察試料とした。   Transmission electron microscope (TEM) observation was performed at an acceleration voltage of 200 kV using a transmission electron microscope JEM-2010 manufactured by JEOL Ltd. At the time of TEM observation, a small amount of ethanol was added to the sample, and the sample was suspended by ultrasonic treatment. The suspension was added dropwise to a microgrid (manufactured by Oken Shoji Co., Ltd .: popular product type B). It dried under reduced pressure for 30 minutes, and was set as the observation sample for TEM.

実施例1で調製した金属錯体を導入した炭素材料、更に触媒担体、及び比較例2で調製したPt粒子/kBのTEM写真から、以下のことが確認できる。比較例2の試料のTEM写真では、試料の異なるいずれの領域からも平均粒径1〜3nmの白金粒子が確認できる。しかしながら、実施例1の試料では、Pt担持量が3.9wt%と比較例2の4.7wt%と比較してほぼ同じであるにもかかわらず、kB粒子上にPt(金属錯体)は観察されなかった。このことから、実施例1の試料ではPt(金属錯体)が凝集せずにkB担体(空孔内部ないし表面)に均一に高分散していると考えられる。   The following can be confirmed from the carbon material into which the metal complex prepared in Example 1 was introduced, the catalyst support, and the TEM photograph of Pt particles / kB prepared in Comparative Example 2. In the TEM photograph of the sample of Comparative Example 2, platinum particles having an average particle size of 1 to 3 nm can be confirmed from any of the different regions of the sample. However, in the sample of Example 1, Pt (metal complex) was observed on the kB particles even though the amount of Pt carried was almost the same as 3.9 wt% as compared with 4.7 wt% of Comparative Example 2. Was not done. From this, it is considered that in the sample of Example 1, Pt (metal complex) is uniformly and highly dispersed in the kB carrier (inside or inside the pore) without aggregation.

(COストリッピングで計測される電気化学的な比表面積の測定)
実施例1及び比較例1〜2につき、COストリッピングで計測される電気化学的な比表面積を測定した。
(Measurement of electrochemical specific surface area measured by CO stripping)
With respect to Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, the electrochemical specific surface area measured by CO stripping was measured.

図3(a)は、実施例1のPtクラスタ/kB試料(図中、実施例と表記)及び比較例1(図中、TEC10E50Eと表記)の試料につき、COストリッピングで計測される電気化学的な比表面積の測定方法に従って得られた電流と電位の関係を表す図面である。COストリッピングの測定には1%COのArバランスガス(太陽日酸製)を使用した。全ての計測はドラフト内で実施した。電極の前処理として0〜1.2V(RHE)の範囲を100mV/sで20サイクル走査した後、サイクリックボルタンメトリー(結果を図3に示す)や対流ボルタンメトリー等の測定を行った。COストリッピングの測定では、1%COガスが飽和した電解質溶液中で、電極を400rpmで回転させながら0.05V(RHE)に30分間保持した。この条件においてCO吸着量が飽和に達することを確認した。溶液中のCOガスを窒素で完全に置換した後、0.05V(RHE)から1.2V(RHE)まで、20mV/sで3サイクルのCV計測を行った。2サイクル目と3サイクル目のCVはきれいに重なって観察された。1サイクル目と2サイクル目以降の応答電流の差よりCOストリッピングピークの電気量を算出し、COによるPtの最大被覆率が0.68になると仮定し、換算係数285.6μC・cmPt−2を適用して電気化学的に活性な表面積を算出した。電気化学的面積(ECA)はこれを白金量で割り付けることで算出した。図3(b)は、実施例1及び比較例1の試料(図中表記は図3(a)と同様)を用いて、COストリッピングで計測される電気化学的な比表面積の測定方法に従って得られた白金粒子の比表面積(m/g)と、当該白金粒子の平均粒径(nm)との関係を表す図面である。即ち、COストリッピングで計測される実施例1及び比較例1の電流値(i、単位;mAμg−1)と電位(E、単位;VvsRHE)との関係が図3(a)のグラフであり、この電流値iから算出した白金の電気化学的な比表面積(S、単位;m−1)とPt平均粒径(D、単位;nm)との関係が右のグラフに示されている。ここで、白金の電気化学的な比表面積S(m/g)=6/((白金の密度ρ(g/m)×(白金原子の直径(平均粒径)D(m))の式より、白金の電気化学的な比表面積(S、単位;m−1)から白金粒子の平均粒径(D、単位;nm)を算出している。なお、図3(b)中の実施例(実施例1の試料)及びTEC10E50E(比較例1の試料)の各測定点をプロットした丸印の横の数字は、測定点ごとの白金の電気化学的な比表面積を表す。 FIG. 3A shows the electrochemical measurements of the Pt cluster / kB sample of Example 1 (denoted as Example in the figure) and the sample of Comparative Example 1 (denoted as TEC10E50E in the figure) by CO stripping. 4 is a drawing showing a relationship between current and potential obtained according to a typical method for measuring specific surface area. For the measurement of CO stripping, an Ar balance gas (manufactured by Taiyo Nissin) of 1% CO was used. All measurements were performed in a draft. After performing 20 cycles of scanning in the range of 0 to 1.2 V (RHE) at 100 mV / s as electrode pretreatment, measurements such as cyclic voltammetry (results are shown in FIG. 3) and convective voltammetry were performed. In the measurement of CO stripping, the electrode was kept at 0.05 V (RHE) for 30 minutes while rotating the electrode at 400 rpm in an electrolyte solution saturated with 1% CO gas. Under these conditions, it was confirmed that the CO adsorption amount reached saturation. After completely replacing the CO gas in the solution with nitrogen, CV measurement was performed from 0.05 V (RHE) to 1.2 V (RHE) at 20 mV / s for three cycles. The CVs of the second and third cycles were clearly overlapped. The amount of electricity at the CO stripping peak is calculated from the difference between the response currents after the first cycle and the second and subsequent cycles. Assuming that the maximum coverage of Pt by CO is 0.68, the conversion coefficient is 285.6 μC · cmPt −2. Was applied to calculate the electrochemically active surface area. The electrochemical area (ECA) was calculated by assigning this to the amount of platinum. FIG. 3B shows the electrochemical specific surface area measured by CO stripping using the samples of Example 1 and Comparative Example 1 (the notation in the figure is the same as that of FIG. 3A). It is a drawing showing the relationship between the specific surface area (m 2 / g) of the obtained platinum particles and the average particle size (nm) of the platinum particles. That is, FIG. 3A is a graph showing the relationship between the current value (i, unit: mA μg −1 ) and the potential (E, unit: VvsRHE) of Example 1 and Comparative Example 1 measured by CO stripping. The relationship between the electrochemical specific surface area (S, unit; m 2 g −1 ) of platinum calculated from the current value i and the average Pt particle size (D, unit: nm) is shown in the graph on the right. I have. Here, the electrochemical specific surface area of platinum S (m 2 / g) = 6 / ((density of platinum ρ (g / m 3 ) × (diameter (average particle size) of platinum atoms D (m))) The average particle size (D, unit; nm) of the platinum particles is calculated from the electrochemical specific surface area (S, unit: m 2 g −1 ) of the platinum from the formula (FIG. 3B). The numbers next to the circles plotting the respective measurement points of the Example (sample of Example 1) and TEC10E50E (sample of Comparative Example 1) indicate the electrochemical specific surface area of platinum at each measurement point.

図3(b)より、実施例1及び比較例1から求めた白金の比表面積(S)とPt平均粒径(D)との関係を示すグラフから、Pt平均粒径1nm以下の領域では、白金の比表面積が280m/g以上となることがわかる。また、図3(b)の白金の比表面積とPt平均粒径との関係を示すグラフから、比表面積121m/gの比較例1のPt平均粒径(約2.3nm程度)よりも小さいPt平均粒径2nm以下の領域の比表面積125m/g以上であれば本発明の作用効果を十分に奏し得る可能性があることもわかる(示唆されている)。 From FIG. 3 (b), a graph showing the relationship between the specific surface area (S) of platinum and the Pt average particle size (D) obtained from Example 1 and Comparative Example 1 shows that in the region where the Pt average particle size is 1 nm or less. It can be seen that the specific surface area of platinum is 280 m 2 / g or more. Also, from the graph showing the relationship between the specific surface area of platinum and the average particle diameter of Pt in FIG. 3B, the average particle diameter of Pt is smaller than that of Comparative Example 1 having a specific surface area of 121 m 2 / g (about 2.3 nm). It is also understood that if the specific surface area is 125 m 2 / g or more in a region having a Pt average particle diameter of 2 nm or less, the effect of the present invention may be sufficiently exerted (suggested).

ここで、COストリッピングで計測される電気化学的な比表面積は、以下の測定(算出)方法(条件)に従って行った。   Here, the electrochemical specific surface area measured by CO stripping was measured according to the following measurement (calculation) method (condition).

まず実施例1及び比較例1の試料につき触媒一定量(担体に担持されるPt粒子の担持量が触媒全量に対し、3.9wt%の場合は10.4mg)を水19mL、イソプロパノール6mLに分散させて分散液を作製した。この分散液にNafion溶液(DE521CS、5wt%、アルドリッチ社製)を100μL加えて触媒インクを調製した。その後、1時間以上超音波分散を行った。調製した触媒インク10μLを研磨済みのグラッシーカーボン電極(直径φ5.0mm、北斗電工製)に塗布し、60℃の乾燥機中で10分間乾燥した。電極の表面塗布状態は顕微鏡観察により確認し、触媒層の塗り残し、はみ出しのない電極を評価に用いた。   First, for the samples of Example 1 and Comparative Example 1, a fixed amount of the catalyst (10.4 mg when the amount of Pt particles supported on the carrier is 3.9 wt% based on the total amount of the catalyst) is dispersed in 19 mL of water and 6 mL of isopropanol. Thus, a dispersion was prepared. 100 μL of a Nafion solution (DE521CS, 5 wt%, manufactured by Aldrich) was added to the dispersion to prepare a catalyst ink. Thereafter, ultrasonic dispersion was performed for 1 hour or more. 10 μL of the prepared catalyst ink was applied to a polished glassy carbon electrode (φ5.0 mm, manufactured by Hokuto Denko) and dried in a dryer at 60 ° C. for 10 minutes. The surface coating state of the electrode was confirmed by microscopic observation, and an electrode having no coating on the catalyst layer and no protrusion was used for evaluation.

電気化学測定は、通常の三室型セル(株式会社ミックラボ製)で行った。電解質溶液は0.1Mの過塩素酸(関東化学株式会社製、Ultrapur)を用いた。対極はPt線、参照極はRHEとした。電位制御はHZ−5000(北斗電工株式会社製)を用いて行った。回転電極(RDE)装置はHR−301(北斗電工株式会社製)を用いた。セル温度は外部循環方式の恒温槽(CHL300、YAMATO製)を用いて25℃(±1℃)に制御した。COを用いた測定には1体積%COのArバランスガス(太陽日酸株式会社製)を使用した。全ての計測はドラフト内で実施した。   The electrochemical measurement was performed using a normal three-chamber cell (Mick Lab Co., Ltd.). As the electrolyte solution, 0.1 M perchloric acid (Ultrapur, manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) was used. The counter electrode was a Pt line, and the reference electrode was RHE. The potential control was performed using HZ-5000 (manufactured by Hokuto Denko KK). HR-301 (manufactured by Hokuto Denko KK) was used as a rotating electrode (RDE) device. The cell temperature was controlled at 25 ° C. (± 1 ° C.) using an external circulation type thermostat (CHL300, manufactured by YAMATO). For measurement using CO, an Ar balance gas (manufactured by Taiyo Nissin Co., Ltd.) of 1% by volume CO was used. All measurements were performed in a draft.

電極の前処理として0V(RHE)〜1.2V(RHE)の範囲を100mVs−1で20サイクル走査した後、サイクリックボルタンメトリーや対流ボルタンメトリー等の測定を行った。1体積%COガスが飽和した電解質溶液中で、電極を400rpmで回転させながら0.05V(RHE)に30分間保持した。この条件においてCO吸着量が飽和に達することを確認した。溶液中のCOガスを窒素で完全に置換した後、0.05V(RHE)から1.2V(RHE)まで、20mVs−1で3サイクルのCV計測を行った。2サイクル目以降のCVはきれいに重なって観察された。1サイクル目と2サイクル以降のCVの差よりCOストリッピングピークの電気量を算出し、換算係数285.6μCcmPt−2を適用して電気化学的に活性な表面積を算出した。ECAはこれを触媒担持量で割り付けることで算出した。 As a pretreatment of the electrode, a range of 0 V (RHE) to 1.2 V (RHE) was scanned at 100 mVs -1 for 20 cycles, and then measurements such as cyclic voltammetry and convection voltammetry were performed. The electrode was maintained at 0.05 V (RHE) for 30 minutes while rotating the electrode at 400 rpm in an electrolyte solution saturated with 1% by volume CO gas. Under these conditions, it was confirmed that the CO adsorption amount reached saturation. After completely replacing the CO gas in the solution with nitrogen, three cycles of CV measurement were performed at 0.05 mV (RHE) to 1.2 V (RHE) at 20 mVs- 1 . CVs from the second cycle onward were clearly overlapped and observed. The amount of electricity at the CO stripping peak was calculated from the difference between the CVs at the first cycle and the second and subsequent cycles, and the electrochemically active surface area was calculated by applying a conversion coefficient of 285.6 μCcmPt- 2 . ECA was calculated by assigning this to the amount of catalyst carried.

(XAFSによって測定された触媒金属の平均配位数及び触媒金属粒子の平均粒径)
次いで、実施例1の試料について、XAFS(X線吸収微細構造解析)測定を行った。
(Average coordination number of catalyst metal and average particle diameter of catalyst metal particles measured by XAFS)
Next, the sample of Example 1 was subjected to XAFS (X-ray absorption fine structure analysis) measurement.

XAFS測定は、透過型conventionalXAFSを用い、試料は吸着水を取り除くために事前に100℃で真空加熱乾燥を6時間行い、アルゴン雰囲気グローブボックス内で乾燥した試料約100mgからペレットを作製した。作製したペレットはXAFS用測定用試料セルにセットしてからセルを閉じ込め、測定装置にセットした。測定は室温にてヘリウム雰囲気下で行った。   In the XAFS measurement, a transmission-type conventional XAFS was used. The sample was subjected to vacuum heating and drying at 100 ° C. for 6 hours in advance to remove the adsorbed water, and pellets were prepared from about 100 mg of the sample dried in an argon atmosphere glove box. The prepared pellet was set in a measurement sample cell for XAFS, then the cell was confined, and set in a measurement device. The measurement was performed at room temperature in a helium atmosphere.

実施例1で調製した試料のXAFS測定結果から、それぞれの吸収端微細構造(XANES)及び広域X線吸収微細構造(EXAFS)(フーリエ変換した動径分布関数)を観察した。   From the XAFS measurement results of the sample prepared in Example 1, the respective absorption edge fine structure (XANES) and wide area X-ray absorption fine structure (EXAFS) (Fourier transformed radial distribution function) were observed.

実施例1の試料について、測定した広域X線吸収微細構造(EXAFS)を解析し、白金の配位元素種および平均配位数を求めた。白金の平均配位数は、EXAFSデータをフーリエ変換して得られた動径分布関数からPt−Pt結合を抽出し、逆フーリエ変換後にカーブフィッティングを行って算出した。標準試料としてPt箔(配位数12)を用いた。   With respect to the sample of Example 1, the measured wide area X-ray absorption fine structure (EXAFS) was analyzed, and the coordinating element species and the average coordination number of platinum were determined. The average coordination number of platinum was calculated by extracting a Pt-Pt bond from a radial distribution function obtained by Fourier-transforming EXAFS data, performing inverse Fourier transform, and performing curve fitting. Pt foil (coordination number 12) was used as a standard sample.

さらに、白金粒子(白金クラスター)に含まれる白金原子の平均配位数から、下記のように白金粒子の平均粒径を算出した。   Further, from the average coordination number of platinum atoms contained in the platinum particles (platinum cluster), the average particle size of the platinum particles was calculated as follows.

Pt格子定数:0.39231nm、Pt金属結合半径:0.14nm、単位格子(fcc)の一辺:0.67nmとして、下記に示す単位格子1(原子個数63個)、単位格子2(原子個数14)、正八面体クラスタ(原子個数6)、正四面体クラスタ(原子個数4)の格子体積をそれぞれ算出して球相当直径を求め、白金粒子の粒径とした。併せて、上記の単位格子1、2、正八面体クラスタ、正四面体クラスタを構成する白金原子の平均配位数をそれぞれ算出した。そして、白金原子の平均配位数と白金粒子の平均粒径との関係を図4にプロットした。ここで1個の白金原子(平均配位数0)の粒径は、原子半径×2=0.28nmとした。このようにして求めた白金原子の平均配位数と白金粒子の平均粒径との関係を利用して、実施例1、2及び比較例1、2の試料から得られた白金原子の平均配位数に対応する金属粒子の平均粒径を見積もる(算出する)ことができる。   Pt lattice constant: 0.39231 nm, Pt metal bond radius: 0.14 nm, one side of unit lattice (fcc): 0.67 nm, unit lattice 1 (63 atoms), unit lattice 2 (14 atoms) shown below ), The octahedral cluster (6 atoms), and the lattice volume of the tetrahedral cluster (4 atoms) were calculated to determine the equivalent spherical diameter, which was taken as the particle diameter of the platinum particles. In addition, the average coordination number of platinum atoms constituting the unit cells 1, 2, octahedral cluster, and tetrahedral cluster was calculated. FIG. 4 plots the relationship between the average coordination number of platinum atoms and the average particle size of platinum particles. Here, the particle diameter of one platinum atom (average coordination number 0) was set to atomic radius × 2 = 0.28 nm. By utilizing the relationship between the average coordination number of platinum atoms and the average particle size of platinum particles thus obtained, the average coordination of platinum atoms obtained from the samples of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 was used. The average particle size of the metal particles corresponding to the order can be estimated (calculated).

実施例1の試料では、白金原子の平均配位数(Pt−Pt)は4.0以下、具体的には約3.3であり、これは図4を参照すると、平均粒径0.65nm以下の金属(白金)粒子に相当する。このような大きさの金属(Pt)粒子はTEMで観測することは難しい(図6(a)参照)。   In the sample of Example 1, the average coordination number of platinum atoms (Pt-Pt) is 4.0 or less, specifically, about 3.3. Referring to FIG. It corresponds to the following metal (platinum) particles. It is difficult to observe metal (Pt) particles having such a size by TEM (see FIG. 6A).

(TEM観察結果;実施例の金属担持炭素材料の試料のPt粒子が平均粒径1nm以下であることの補強データ)
実施例1及び比較例2の試料につきTEM観察を行った。このうち、図6(a)には、実施例1の(b)段階で調製した試料を(c)段階で300℃で1時間の真空加熱処理(熱処理)を行って得た金属担持炭素材料の試料であるPtクラスタ/kBについてのTEM写真を示す。図6(b)には、比較例2で調製した試料であるPt粒子/kBについてのTEM写真を示す。実施例1及び比較例2の試料のTEM観察結果から、実施例1の(b)段階で調製した試料を(c)段階で300℃で熱処理して得た金属担持炭素材料の試料Ptクラスタ/kBのTEM写真において、試料の異なる領域を観察した結果、以下のことが確認された。Ptクラスタ/kB試料ではkB粒子の内部に1nmに満たない大きさのPt粒子が高分散している。そのため、1nmより大きいPt粒子は、試料の異なるいずれの領域からも観察できなかった。更に高精度なTEM装置をもってしても、kB粒子の内部に高分散している1nm以下(概ね平均粒径0.45〜0.55nm)のPt粒子についても、試料の異なるいずれの領域からも観察することはできなかった。一方、比較例2の試料であるPt粒子/kBではkB粒子の内部に1〜3nm程度の大きさの白金粒子が分散していることが、試料の異なるいずれの領域からも多く観察された。即ち、実施例のように試料の異なるいずれの領域からもPt粒子が全く観察されない現象は認められなかった。
(TEM Observation Results; Reinforcement Data for Pt Particles of Sample of Metal-Supported Carbon Material of Example Having Average Particle Diameter of 1 nm or Less)
TEM observation was performed on the samples of Example 1 and Comparative Example 2. FIG. 6A shows the metal-supported carbon material obtained by subjecting the sample prepared in the step (b) of Example 1 to a vacuum heat treatment (heat treatment) at 300 ° C. for 1 hour in the step (c). 10 shows a TEM photograph of Pt cluster / kB, which is a sample of FIG. FIG. 6B shows a TEM photograph of Pt particles / kB, which is a sample prepared in Comparative Example 2. From the results of the TEM observation of the samples of Example 1 and Comparative Example 2, the sample prepared in the step (b) of the example 1 was heat-treated at 300 ° C. in the step (c). As a result of observing different regions of the sample in the kB TEM photograph, the following was confirmed. In the Pt cluster / kB sample, Pt particles having a size of less than 1 nm are highly dispersed inside the kB particles. Therefore, Pt particles larger than 1 nm could not be observed from any of the different regions of the sample. Even with a high-precision TEM device, Pt particles of 1 nm or less (approximately 0.45 to 0.55 nm in average diameter) highly dispersed inside the kB particles can be obtained from any of the different regions of the sample. It could not be observed. On the other hand, in the Pt particles / kB, which is the sample of Comparative Example 2, it was observed from many different regions of the sample that platinum particles having a size of about 1 to 3 nm were dispersed inside the kB particles. That is, the phenomenon that Pt particles were not observed at all from different regions of the sample as in the example was not observed.

(XRD結果;実施例の金属担持炭素材料の試料のPt粒子が平均粒径1nm以下であることの補強データ)
<X線回折(XRD)測定>
上記で得られた実施例1の試料(Ptクラスタ/kB)、ブランク(ケッチェンブラックのみ)、比較例1の市販の白金担持カーボン触媒(田中貴金属工業製、TEC10E50E)についてX線回折測定を行った。X線回折測定は、島津製作所製XRD−6100を用いて行い、線源はCu−Kα、電圧30kV、電流20mAで行った。結果を図7に示す。
(XRD result; reinforcing data that the Pt particles of the sample of the metal-supported carbon material of the example have an average particle diameter of 1 nm or less)
<X-ray diffraction (XRD) measurement>
X-ray diffraction measurements were performed on the sample of Example 1 (Pt cluster / kB), blank (Ketjen black only), and the commercially available platinum-supported carbon catalyst of Comparative Example 1 (TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Kogyo) obtained above. Was. X-ray diffraction measurement was performed using XRD-6100 manufactured by Shimadzu Corporation, and the radiation source was Cu-Kα, voltage 30 kV, and current 20 mA. FIG. 7 shows the results.

図7より、比較例1の試料(図中、TEC10E50Eと表記)のXRDパターンでは、40°付近に白金由来のピークが観測された。しかしながら、実施例1の試料(図中、単に実施例と表記)のXRDパターンでは、40°付近にピークが観察されず、ブランクと同様のパターンを示した。この結果より、実施例1に担持された白金粒子は、比較例1の試料(TEC10E50E)の白金粒子と比較して、非常に微細であることが示唆された。   7, in the XRD pattern of the sample of Comparative Example 1 (denoted as TEC10E50E in the figure), a peak derived from platinum was observed at around 40 °. However, in the XRD pattern of the sample of Example 1 (simply referred to as an example in the figure), no peak was observed at around 40 °, and a pattern similar to that of the blank was shown. This result suggested that the platinum particles supported in Example 1 were extremely fine as compared with the platinum particles of the sample of Comparative Example 1 (TEC10E50E).

(電極触媒の酸素還元反応(ORR)活性評価)
実施例1及び比較例1〜2につき、酸素還元反応(ORR)活性を測定した。また他の実施例及び比較例についても酸素還元反応(ORR)活性を測定した。
(Evaluation of oxygen reduction reaction (ORR) activity of electrode catalyst)
For Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, the oxygen reduction reaction (ORR) activity was measured. The oxygen reduction reaction (ORR) activity was also measured for other examples and comparative examples.

図8は、実施例1(図中、実施例と表記)及び比較例1〜2につき、酸素還元反応活性の測定方法に従って得られた電流−電圧曲線を表す図面である。即ち、酸素還元反応(ORR)活性で計測される実施例1及び従来例1〜2につき、それぞれの電流値(i、単位;mAcm)と電圧(E、単位;VvsRHE)の関係を表すグラフである。 FIG. 8 is a drawing showing a current-voltage curve obtained in accordance with the method for measuring the oxygen reduction reaction activity in Example 1 (indicated as an example in the figure) and Comparative Examples 1 and 2. That is, a graph showing the relationship between each current value (i, unit: mAcm 2 ) and voltage (E, unit; VvsRHE) for Example 1 and Conventional Examples 1 and 2 measured by oxygen reduction reaction (ORR) activity. It is.

また、酸素還元反応(ORR)活性の測定方法に従って、実施例1(図中、実施例と表記)及び比較例1〜2の試料のPt量、i、ECAを測定した。ここで示すECAは水素の吸脱着波から求めた値である(図9)。実施例と比較例2では触媒重量に対する白金量が5wt%以下と小さいために、この方法ではECAを求めることができなかった。結果を表2に示す。また他の実施例及び比較例の試料のグラッシーカーボン電極上のPt量、iについても測定した。 Further, according to the method for measuring the oxygen reduction reaction (ORR) activity, the Pt amount, i k , and ECA of the samples of Example 1 (described as Example in the figure) and Comparative Examples 1 and 2 were measured. ECA shown here is a value obtained from the adsorption / desorption wave of hydrogen (FIG. 9). In Examples and Comparative Example 2, the amount of platinum with respect to the weight of the catalyst was as small as 5 wt% or less, so that ECA could not be obtained by this method. Table 2 shows the results. The amount of Pt on the sample of the glassy carbon electrodes of the other examples and comparative examples were also measured i k.

表2から、実施例の0.85V(RHE)における単位白金質量あたりの活性化支配電流が比較例1、2に比べて著しく小さいことがわかる。単位白金質量あたりの活性化支配電流はECAと単位白金表面積あたりの活性化支配電流の積であるため、単位白金質量あたりの活性化支配電流が小さいということはECAまたは単位白金表面積当たりの活性化支配電流が小さいこと意味する。ここで実施例のECAは比較例1に比べて、著しく大きいことはXRDデータ、TEM像、COストリッピング結果より、既に明らかであるため、単位白金表面積当たりの活性化支配電流が著しく小さいことがわかる。単位白金表面積当たりの活性化支配電流が著しく低下した要因のひとつに反応電子数の低下が考えられる。図8から、実施例の拡散限界電流は比較例1と2に比べて明らかに小さい。拡散限界電流(i)は次のLevich式に表わされる。 From Table 2, it can be seen that the activation dominant current per unit platinum mass at 0.85 V (RHE) in the example is significantly smaller than in Comparative Examples 1 and 2. Since the activation dominant current per unit platinum mass is the product of ECA and the activation dominant current per unit platinum surface area, the fact that the activation dominant current per unit platinum mass is small means that the activation per ECA or unit platinum surface area is small. It means that the dominant current is small. Here, it is already clear from the XRD data, the TEM image, and the CO stripping result that the ECA of the example is significantly larger than that of the comparative example 1. Therefore, the activation dominant current per unit platinum surface area is extremely small. Recognize. One of the factors that caused the activation dominant current per unit platinum surface area to decrease significantly is considered to be a decrease in the number of reactive electrons. From FIG. 8, the diffusion limit current of the example is clearly smaller than those of Comparative Examples 1 and 2. The diffusion limit current (i L ) is represented by the following Levich equation.

ここで、nは反応電子数、Fはファラデー定数、Aは電極の幾何面積、cは反応物のバルク濃度、Dは反応物の拡散係数、νは溶液の動粘度、ωは角速度である。   Here, n is the number of reaction electrons, F is the Faraday constant, A is the geometric area of the electrode, c is the bulk concentration of the reactant, D is the diffusion coefficient of the reactant, ν is the kinematic viscosity of the solution, and ω is the angular velocity.

同じ測定条件で実験を行っているので、c、D、ν、ωは同じ値であり、電極についても同じ電極を用いて、かつ触媒インクの塗り残しとはみ出しはないので、Aも同じ値であり、Fは定数であるため、拡散限界電流が低下する原因は反応電子数の低下にあると推定できる。拡散限界電流が約−6mA/cmから−4mA/cmと約3割低下しているので、平均の反応電子数は4から3以下(0.75以下)に減っていると推定できる。反応電子数が減ると、取り出せる電流値も比例して小さくなるために、取り出せる電流も0.75以下となるはずである。 Since the experiment was carried out under the same measurement conditions, c, D, ν, and ω were the same value, and the same value was used for the electrodes. Since F is a constant, it can be assumed that the cause of the decrease in the diffusion limit current is a decrease in the number of reactive electrons. Since the diffusion limit current is reduced by about 30% from about −6 mA / cm 2 to −4 mA / cm 2, it can be estimated that the average number of reactive electrons is reduced from 4 to 3 or less (0.75 or less). When the number of reactive electrons decreases, the current value that can be taken out also decreases proportionally, so that the current that can be taken out should be 0.75 or less.

なお、表2中のPt量(μg)は、実施例1及び比較例1〜2の試料(電極触媒)中の触媒金属(Pt)担持率を予めICPで測定し、電極触媒(Pt/C)重量に触媒金属(Pt)担持率を掛けたものである。i(Ag−1at0.85Vvs.RHE)では、以下に示すORR活性を算出する際に求めたものである。ここで、iは物質輸送の影響補正した活性化支配電流である。比較例2は比較例1よりPt粒子の平均粒径が小さいので、比表面積が広がっているにもかかわらず、酸素還元活性の質量比活性(単位質量当たりの酸素還元活性)が比較例1の約76%に低下しているが、この程度の活性低下はすでに公知の範囲内であることを示している。このことから、少なくとも実施例1の触媒金属粒子は、相対的な単位質量当たりの酸素還元反応活性が、水素の吸脱着から計測される電気化学的な比表面積が60〜90m/gの範囲の触媒金属粒子の0.75以下であることが確認できた。 The amount of Pt (μg) in Table 2 was obtained by measuring the catalyst metal (Pt) loading rate in the samples (electrode catalysts) of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 by ICP in advance, ) Weight multiplied by catalyst metal (Pt) loading. In i k (Ag -1 at0.85Vvs.RHE), those obtained when calculating the ORR activity shown below. Here, ik is the activation dominant current corrected for the effect of mass transport. In Comparative Example 2, since the average particle size of the Pt particles was smaller than that of Comparative Example 1, the mass specific activity (oxygen reduction activity per unit mass) of the oxygen reduction activity was higher than that of Comparative Example 1 even though the specific surface area was widened. Although it has dropped to about 76%, this indicates that the reduction in activity is already within the known range. From this, at least the catalytic metal particles of Example 1 have a relative oxygen reduction reaction activity per unit mass of an electrochemical specific surface area of 60 to 90 m 2 / g measured from hydrogen adsorption and desorption. It was confirmed that the particle size of the catalyst metal particles was 0.75 or less.

図8及び表2から以下のことがわかる。実施例1では比較例1〜2に比して、単位白金質量当たりのORR活性が大幅に低下しており、2電子反応の割合増加により拡散限界電流密度が低下している。このことから、触媒金属(Pt)粒子径を1nm以下まで小さくすると急激に単位白金質量当たりのORR活性を低下させることが出来ることがわかる。また、他の実施例及び比較例の測定結果からも、実施例1及び比較例1〜2と同様の結果が確認できた。   The following can be seen from FIG. 8 and Table 2. In Example 1, the ORR activity per unit mass of platinum was significantly reduced as compared with Comparative Examples 1 and 2, and the diffusion limit current density was reduced due to the increase in the rate of the two-electron reaction. From this, it can be seen that reducing the catalyst metal (Pt) particle diameter to 1 nm or less can rapidly reduce the ORR activity per unit platinum mass. Also, from the measurement results of the other Examples and Comparative Examples, the same results as those of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were confirmed.

ここで、酸素還元反応活性は、以下の測定方法に従って行った。   Here, the oxygen reduction reaction activity was measured according to the following measurement method.

まず実施例1及び比較例1〜2につき触媒一定量(担体に担持されるPt粒子の担持量が触媒全量に対し、3.9wt%の場合は10.4mg)を水19mL、イソプロパノール6mLに分散させて分散液を作製した。この分散液にNafion溶液(DE521CS、5wt%、アルドリッチ製)を100μL加えて触媒インクを調製した。その後、1時間以上超音波分散を行った。調製した触媒インク10μLを研磨済みのグラッシーカーボン電極(直径φ5.0mm、北斗電工製)に塗布し、60℃の乾燥機中で10分間乾燥した。電極の表面塗布状態は顕微鏡観察により確認し、触媒層の塗り残し、はみ出しのない電極を評価に用いた。   First, in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, a fixed amount of the catalyst (10.4 mg when the amount of Pt particles supported on the carrier is 3.9 wt% based on the total amount of the catalyst) is dispersed in 19 mL of water and 6 mL of isopropanol. Thus, a dispersion was prepared. 100 μL of a Nafion solution (DE521CS, 5 wt%, manufactured by Aldrich) was added to the dispersion to prepare a catalyst ink. Thereafter, ultrasonic dispersion was performed for 1 hour or more. 10 μL of the prepared catalyst ink was applied to a polished glassy carbon electrode (φ5.0 mm, manufactured by Hokuto Denko) and dried in a dryer at 60 ° C. for 10 minutes. The surface coating state of the electrode was confirmed by microscopic observation, and an electrode having no coating on the catalyst layer and no protrusion was used for evaluation.

電気化学測定は、通常の三室型セル(ミックラボ製)で行った。電解質溶液は0.1Mの過塩素酸(関東化学製、Ultrapur)を用いた。対極はPt線、参照極はRHEとした。電位制御はHZ−5000(北斗電工製)を用いて行った。回転ディスク電極(RDE)装置はHR−301(北斗電工製)を用いた。セル温度は外部循環方式の恒温槽(CHL300、YAMATO製)を用いて25℃(±1℃)に制御した。   Electrochemical measurements were performed in a normal three-chamber cell (Mick Lab). As the electrolyte solution, 0.1 M perchloric acid (Ultrapur, manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) was used. The counter electrode was a Pt line, and the reference electrode was RHE. The potential control was performed using HZ-5000 (manufactured by Hokuto Denko). HR-301 (manufactured by Hokuto Denko) was used as a rotating disk electrode (RDE) device. The cell temperature was controlled at 25 ° C. (± 1 ° C.) using an external circulation type thermostat (CHL300, manufactured by YAMATO).

電解液に酸素ガスを供給し、酸素雰囲気にしておく。走査速度100mVs−1で0V(RHE)〜1.2V(RHE)の範囲を5回走査する。その後、電極を1600rpmで回転させながら、走査速度10mVs−1で開始電位0.2V(RHE)から終了電位1.2V(RHE)まで走査する。同様のことを窒素雰囲気でも行う。事前に、保持電位0.5V(RHE)、周波数1000Hz、AC振幅15mVで30秒間、交流インピーダンス計測を実施し、溶液抵抗を把握しておく。 Oxygen gas is supplied to the electrolytic solution to keep it in an oxygen atmosphere. Scanning is performed five times in a range of 0 V (RHE) to 1.2 V (RHE) at a scanning speed of 100 mVs -1 . Thereafter, while rotating the electrode at 1600 rpm, scanning is performed from a start potential of 0.2 V (RHE) to an end potential of 1.2 V (RHE) at a scanning speed of 10 mVs -1 . The same is performed in a nitrogen atmosphere. In advance, an AC impedance measurement is performed for 30 seconds at a holding potential of 0.5 V (RHE), a frequency of 1000 Hz, and an AC amplitude of 15 mV to grasp the solution resistance.

酸素雰囲気で得られた応答電流から窒素雰囲気で得られた応答電流を差し引き、溶液抵抗による電位補正を行う。下記に示す簡易的なKoutecky−Levich式;   The response current obtained in the nitrogen atmosphere is subtracted from the response current obtained in the oxygen atmosphere, and the potential is corrected by the solution resistance. A simple Koutecky-Levich equation shown below:

(ここで、iは実際の応答電流、iは活性化支配電流、iは拡散限界電流を示す。)で物質移動の影響を補正し、触媒本来の活性である活性化支配電流iを算出する。 (Here, i actual response current, i k is activated dominant current, i L is the diffusion limiting current showing a.) In correcting the effects of mass transfer, activation dominant current i k is a catalyst intrinsic activity Is calculated.

(電極触媒の水素酸化反応(HOR)活性評価)
実施例1及び比較例1につき、水素酸化反応(HOR)活性を測定した。また他の実施例及び比較例についても酸素還元反応(ORR)活性を測定した。
(Evaluation of hydrogen oxidation reaction (HOR) activity of electrode catalyst)
For Example 1 and Comparative Example 1, the hydrogen oxidation reaction (HOR) activity was measured. The oxygen reduction reaction (ORR) activity was also measured for other examples and comparative examples.

図10は、実施例1(図中、実施例と表記)及び比較例1につき、水素酸化反応(HOR)活性の測定方法に従って得られた電流−電圧曲線を表す図面である。即ち、水素酸化反応(HOR)活性で計測される実施例1及び従来例1につき、それぞれの電流値(i、単位;mAcm)と電圧(E、単位;VvsRHE)の関係を表すグラフである。 FIG. 10 is a drawing showing a current-voltage curve obtained according to the method for measuring the hydrogen oxidation reaction (HOR) activity in Example 1 (shown as Example in the figure) and Comparative Example 1. That is, it is a graph showing the relationship between each current value (i, unit: mAcm 2 ) and voltage (E, unit; VvsRHE) for Example 1 and Conventional Example 1 measured by hydrogen oxidation reaction (HOR) activity. .

また、水素酸化反応(HOR)活性の測定方法に従って、実施例1及び比較例1の試料のPt量、iを測定した。結果を表3に示す。また他の実施例及び比較例の試料のPt量、iについても測定した。 Further, according to the measurement method of the hydrogen oxidation reaction (HOR) activity, Pt amount of the sample of Example 1 and Comparative Example 1 were measured i k. Table 3 shows the results. The Pt content of samples of other examples and comparative examples were also measured i k.

なお、表3中のPt量(μg)は、実施例1及び比較例1の試料(電極触媒)中の触媒金属(Pt)担持率を予めICPで測定し、電極触媒(Pt)重量に触媒金属(Pt)担持率を掛けたものである。i(0.02Vvs.RHE/mAμgPt −1)は、以下に示すHOR活性を算出する際に求めたものであり、物質輸送の影響補正した活性化支配電流である。 The amount of Pt (μg) in Table 3 is obtained by measuring the catalyst metal (Pt) loading rate in the sample (electrode catalyst) of Example 1 and Comparative Example 1 by ICP in advance, and adding the catalyst to the weight of the electrode catalyst (Pt). It is obtained by multiplying the metal (Pt) carrying rate. i k (0.02Vvs.RHE / mAμg Pt -1 ) are those obtained when calculating the HOR activity below is the effect corrected activation dominated current mass transport.

図10及び表3から以下のことがわかる。比較例1(TEC10E50E)に比べてPt量を1/20程度(0.16/3.44)に減らした実施例1(Ptクラスタ/kB)の水素酸化反応(HOR)活性は、電極面積当たりの電流値が同程度である。よって、単位質量当たりのHOR活性が高いことがわかる。以上のことから、本実施形態は、アノード電極触媒に粒子径の小さい触媒金属(白金)を用いることを特徴としている。そして、実施例1が比較例1に比して触媒金属(白金)の平均粒径が小さいことから(図3(b)、図4等参照)、図10及び表3の結果と合わせて、本実施形態では、水素酸化反応(HOR)活性を向上させることができる(高くすることができる)ことが確認できた。また、他の実施例及び比較例の測定結果からも、実施例1及び比較例1〜2と同様の結果が確認できた。   The following can be seen from FIG. 10 and Table 3. The hydrogen oxidation reaction (HOR) activity of Example 1 (Pt cluster / kB) in which the amount of Pt was reduced to about 1/20 (0.16 / 3.44) as compared with Comparative Example 1 (TEC10E50E) was per electrode area. Are about the same. Therefore, it is understood that the HOR activity per unit mass is high. From the above, the present embodiment is characterized in that a catalyst metal (platinum) having a small particle diameter is used for the anode electrode catalyst. Since the average particle size of the catalyst metal (platinum) in Example 1 is smaller than that in Comparative Example 1 (see FIG. 3B and FIG. 4), the results shown in FIG. In this embodiment, it was confirmed that the hydrogen oxidation reaction (HOR) activity can be improved (can be increased). Also, from the measurement results of the other Examples and Comparative Examples, the same results as those of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were confirmed.

なお、水素酸化反応(HOR)活性の測定方法は、上記した酸素還元反応(ORR)活性の測定方法と基本的に同じである。違いは(1)電解液が酸素雰囲気ではなく、水素雰囲気であること;(2)また電位走査範囲が−0.05V→0.2Vvs.RHEであること;(3)電位走査速度は50mV/sであることである。よって、水素酸化反応(HOR)活性の具体的な測定方法は省略する。   The method for measuring the hydrogen oxidation reaction (HOR) activity is basically the same as the method for measuring the oxygen reduction reaction (ORR) activity described above. The difference is that (1) the electrolytic solution is not an oxygen atmosphere but a hydrogen atmosphere; (2) the potential scanning range is -0.05 V → 0.2 V vs. (3) The potential scanning speed is 50 mV / s. Therefore, a specific method for measuring the hydrogen oxidation reaction (HOR) activity is omitted.

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)。
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).

Claims (11)

担体と、前記担体に担持される触媒金属粒子とを含むアノード電極触媒であって、
前記触媒金属粒子は、白金のみからなる粒状の白金触媒粒子であり、XAFS(X線吸収微細構造)によって測定された前記触媒金属粒子の平均配位数が4以下、かつ、平均粒子径が0.55nm以下で構成されることを特徴とするアノード電極触媒。
A carrier, an anode electrode catalyst comprising catalyst metal particles supported on the carrier,
The catalytic metal particles are granular platinum catalyst particles composed of platinum alone, XAFS average coordination number of the catalytic metal particles as measured by (X-ray absorption fine structure) of 4 or less, and an average particle diameter of 0 An anode electrode catalyst comprising a thickness of .55 nm or less.
前記電極触媒のBET比表面積が、1000m/g担体以上であることを特徴とする請求項1に記載のアノード電極触媒。 The BET specific surface area of the electrode catalyst, an anode electrode catalyst according to claim 1, characterized in that 1000 m 2 / g carrier or more. 担体と、前記担体に担持される触媒金属粒子とを含むアノード電極触媒であって、
前記触媒金属粒子が、白金のみからなる粒状の白金触媒粒子であり、下記(a)〜(b)の要件を満足することを特徴とするアノード電極触媒:
(a)COストリッピングで計測される電気化学的な比表面積が280m/g以上である;
(b)XAFS(X線吸収微細構造)によって測定された前記触媒金属粒子の平均配位数が4以下、かつ、平均粒子径が0.55nm以下で構成されるものである。
A carrier, an anode electrode catalyst comprising catalyst metal particles supported on the carrier,
The anode electrode catalyst, wherein the catalyst metal particles are granular platinum catalyst particles made of only platinum and satisfy the following requirements (a) to (b):
(A) the electrochemical specific surface area measured by CO stripping is 280 m 2 / g or more;
(B) the average coordination number of the catalytic metal particles measured by XAFS (X-ray absorption fine structure) of 4 or less, and one in which the average particle size is composed of the following 0.55 nm.
前記触媒金属粒子は、当該触媒金属粒子を担持させる担体材料に対して、0.01〜15wt%の濃度範囲で担持されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のアノード電極触媒。   The said catalyst metal particle is carried in the density | concentration range of 0.01-15 wt% with respect to the support material which supports the said catalyst metal particle, The Claims any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. Anode catalyst. 触媒塗布面積当たりの触媒金属含有量は、0.01〜1mg/cmであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のアノード電極触媒。 Catalytic metal content of the catalyst per application area, the anode electrode catalyst according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a 0.01 to 1 mg / cm 2. 前記触媒金属粒子は、相対的な単位質量当たりの酸素還元反応活性が、水素の吸脱着から計測される電気化学的な比表面積が60〜90m/gの範囲の触媒金属粒子の0.75以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のアノード電極触媒。 The catalytic metal particles have a relative oxygen reduction reaction activity per unit mass of 0.75 of the catalytic metal particles having an electrochemical specific surface area of 60 to 90 m 2 / g measured from hydrogen adsorption and desorption. The anode electrode catalyst according to any one of claims 1 to 5, wherein: 前記担体が、カーボン担体であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のアノード電極触媒   The anode support according to any one of claims 1 to 6, wherein the support is a carbon support. 請求項1〜7のいずれか1項に記載のアノード電極触媒および電解質を含むことを特徴とする燃料電池用アノード電極触媒層。   An anode electrode catalyst layer for a fuel cell, comprising the anode electrode catalyst according to any one of claims 1 to 7 and an electrolyte. 請求項8に記載の燃料電池用アノード電極触媒層を含むことを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。   A membrane electrode assembly for a fuel cell, comprising the anode electrode catalyst layer for a fuel cell according to claim 8. 請求項9に記載の燃料電池用膜電極接合体を含むことを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising the fuel cell membrane electrode assembly according to claim 9. 請求項1〜7に記載のアノード電極触媒の製造方法であって、(a)触媒担体として使用する細孔を有する炭素材料を準備する段階と、(b)前記炭素材料を非プロトン性溶媒中でリン化合物を反応させてリン配位子を有する炭素材料を得て、前記リン配位子を有する炭素材料を白金化合物と反応させて、前記リン配位子に白金を配位させる段階または、前記炭素材料を非プロトン性溶媒中で、下記化学式2
(式中、Mは白金であり
式中、R、Rはそれぞれ独立して水素原子、置換もしくは非置換の炭素数1〜10のアルキル基、または置換もしくは非置換の炭素数6〜18のアリール基であり、
およびLは単座配位子であり、それぞれ独立して、アセトニトリル、ベンゾニトリル、THF、ジエチルスルフィド、ジメチルスルフィド、およびピリジン、トリフェニルホスフィン、トリ−tert−ブチルホスフィン、エチレン、シクロペンタジエニルアニオン、メチルシクロペンタジエニルアニオン、ペンタメチルシクロペンタジエニルアニオン、シアン化物イオン(CN)からなる群から選択される;または、
およびLは連結して二座配位子を形成し、前記二座配位子は、ジシクロペンタジエン、1,5−シクロオクタジエン、ノルボルナジエン、2,2’−ビピリジン、1,10−フェナントロリン、エチレンジアミン、N,N,N’N’−テトラメチルエチレンジアミン、およびtrans,trans−ジベンジリデンアセトン、ビス(ジフェニルホスフィノ)メタン、エチレンビス(ジフェニルホスフィン)、1,3−ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパン、1,4−ビス(ジフェニルホスフィノ)ブタン、1,2−ビス(ジフェニルホスフィノ)ベンゼン、1,2−ビス(ジメチルホスフィノ)エタン、1,1′−ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセンからなる群から選択される。)
で表される白金錯体と反応させる段階と、(c)前記白金錯体を導入した炭素材料を熱処理するか、または、水素と接触させることによって白金錯体を還元し、触媒金属粒子である白金触媒粒子が担持されたアノード電極触媒である白金担持炭素材料を得る段階と、を有するアノード電極触媒の製造方法。
The method for producing an anode electrode catalyst according to claim 1, wherein (a) preparing a carbon material having pores to be used as a catalyst carrier; and (b) disposing the carbon material in an aprotic solvent. Obtaining a carbon material having a phosphorus ligand by reacting a phosphorus compound at, reacting the carbon material having a phosphorus ligand with a platinum compound, and coordinating platinum to the phosphorus ligand, or The carbon material is prepared in an aprotic solvent by the following chemical formula 2
( Where M is platinum ,
In the formula, R 1 and R 2 are each independently a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 18 carbon atoms,
L 1 and L 2 are monodentate ligands, each independently being acetonitrile, benzonitrile, THF, diethyl sulfide, dimethyl sulfide, and pyridine, triphenylphosphine, tri-tert-butylphosphine, ethylene, cyclopentadiene Selected from the group consisting of enyl anion, methylcyclopentadienyl anion, pentamethylcyclopentadienyl anion, cyanide ion (CN ); or
L 1 and L 2 are linked to form a bidentate ligand, wherein the bidentate ligand is dicyclopentadiene, 1,5-cyclooctadiene, norbornadiene, 2,2′-bipyridine, 1,10 -Phenanthroline, ethylenediamine, N, N, N'N'-tetramethylethylenediamine, and trans, trans-dibenzylideneacetone, bis (diphenylphosphino) methane, ethylenebis (diphenylphosphine), 1,3-bis (diphenylphosphine) Fino) propane, 1,4-bis (diphenylphosphino) butane, 1,2-bis (diphenylphosphino) benzene, 1,2-bis (dimethylphosphino) ethane, 1,1′-bis (diphenylphosphino) ) Is selected from the group consisting of ferrocene. )
Reacting with a platinum complex represented by the following formula: and (c) heat-treating the carbon material into which the platinum complex has been introduced, or reducing the platinum complex by bringing the carbon material into contact with hydrogen to form platinum catalyst particles that are catalytic metal particles. Obtaining a platinum- carrying carbon material that is an anode electrocatalyst supported by a catalyst.
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