JP6814339B2 - Carbon material for catalyst carrier, catalyst layer for polymer electrolyte fuel cell, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Carbon material for catalyst carrier, catalyst layer for polymer electrolyte fuel cell, and polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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Description

本発明は、触媒担体用炭素材料、固体高分子形燃料電池用触媒層、及び固体高分子形燃料電池に関する。 The present invention relates to a carbon material for a catalyst carrier, a catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, and a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池の一種である固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に配置される一対の触媒層と、各触媒層の外側に配置されるガス拡散層と、各ガス拡散層の外側に配置されるセパレータとを備える。一対の触媒層のうち、一方の触媒層は固体高分子形燃料電池のアノードとなり、他方の触媒層は固体高分子形燃料電池のカソードとなる。なお、通常の固体高分子形燃料電池では、所望の出力を得るために、上記構成要素を有する単位セルが複数個スタックされている。 A polymer electrolyte fuel cell, which is a type of fuel cell, has a pair of catalyst layers arranged on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, a gas diffusion layer arranged outside each catalyst layer, and each gas diffusion layer. It is provided with a separator arranged on the outside. Of the pair of catalyst layers, one catalyst layer serves as the anode of the polymer electrolyte fuel cell, and the other catalyst layer serves as the cathode of the polymer electrolyte fuel cell. In a normal polymer electrolyte fuel cell, a plurality of unit cells having the above components are stacked in order to obtain a desired output.

アノード側のセパレータには、水素等の還元性ガスを導入される。アノード側のガス拡散層は、還元性ガスを拡散させた後、アノードに導入する。アノードは、触媒成分と、触媒成分を担持する触媒担体と、プロトン伝導性を有する電解質材料とを含む。触媒成分上では、還元性ガスの酸化反応が起こり、プロトンと電子が生成される。例えば、還元性ガスが水素ガスとなる場合、以下の酸化反応が起こる。
→2H+2e (E=0V)
A reducing gas such as hydrogen is introduced into the separator on the anode side. The gas diffusion layer on the anode side is introduced into the anode after diffusing the reducing gas. The anode includes a catalyst component, a catalyst carrier supporting the catalyst component, and an electrolyte material having proton conductivity. On the catalyst component, an oxidation reaction of the reducing gas occurs to generate protons and electrons. For example, when the reducing gas becomes hydrogen gas, the following oxidation reaction occurs.
H 2 → 2H + + 2e (E 0 = 0V)

この酸化反応で生じたプロトンは、アノード内の電解質材料、及び固体高分子電解質膜を通ってカソードに導入される。また、電子は、触媒担体、ガス拡散層、及びセパレータを通って外部回路に導入される。この電子は、外部回路で仕事をした後、カソード側のセパレータに導入される。そして、この電子は、カソード側のセパレータ、カソード側のガス拡散層を通ってカソードに導入される。 The protons generated in this oxidation reaction are introduced into the cathode through the electrolyte material in the anode and the solid polymer electrolyte membrane. In addition, electrons are introduced into an external circuit through a catalyst carrier, a gas diffusion layer, and a separator. After working in an external circuit, these electrons are introduced into the separator on the cathode side. Then, these electrons are introduced into the cathode through the separator on the cathode side and the gas diffusion layer on the cathode side.

固体高分子形電解質膜は、プロトン伝導性を有する電解質材料で構成されている。固体高分子電解質膜は、上記酸化反応で生成したプロトンをカソードに導入する。 The polymer electrolyte membrane is composed of an electrolyte material having proton conductivity. In the solid polymer electrolyte membrane, the protons generated by the above oxidation reaction are introduced into the cathode.

カソード側のセパレータには、酸素ガスあるいは空気等の酸化性ガスが導入される。カソード側のガス拡散層は、酸化性ガスを拡散させた後、カソードに導入する。カソードは、触媒成分と、触媒成分を担持する触媒担体と、プロトン伝導性を有する電解質材料とを含む。触媒成分上では、酸化性ガスの還元反応が起こり、水が生成される。例えば、酸化性ガスが酸素ガスあるいは空気となる場合、以下の還元反応が起こる。
+4H+4e→2HO (E=1.23V)
Oxidizing gas such as oxygen gas or air is introduced into the separator on the cathode side. The gas diffusion layer on the cathode side is introduced into the cathode after diffusing the oxidizing gas. The cathode includes a catalyst component, a catalyst carrier supporting the catalyst component, and an electrolyte material having proton conductivity. On the catalyst component, a reduction reaction of the oxidizing gas occurs to generate water. For example, when the oxidizing gas becomes oxygen gas or air, the following reduction reaction occurs.
O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (E 0 = 1.23V)

還元反応で生じた水は、未反応の酸化性ガスとともに燃料電池の外部に排出される。このように、固体高分子形燃料電池では、酸化反応と還元反応とのエネルギー差(電位差)を利用して発電する。言い換えれば、酸化反応で生じた電子が外部回路で仕事を行う。 The water generated in the reduction reaction is discharged to the outside of the fuel cell together with the unreacted oxidizing gas. As described above, in the polymer electrolyte fuel cell, power is generated by utilizing the energy difference (potential difference) between the oxidation reaction and the reduction reaction. In other words, the electrons generated by the oxidation reaction do the work in the external circuit.

従って、固体高分子形燃料電池では、各セパレータのガス流路からアノードあるいはカソード内部の触媒成分まで還元性ガスあるいは酸化性ガスが移動できるガス拡散経路が分断されることなく形成されていることが重要である。さらに、アノードの触媒成分上で発生したプロトンが固体高分子電解質膜を通ってカソードの触媒成分まで移動できるプロトン伝導経路も分断されることなく形成されていることも重要である。さらに、アノードの触媒成分上で発生した電子が外部回路を通ってカソードの触媒成分まで移動できる電子伝導経路も分断されることなく形成されていることも重要である。これらの経路が分断されていると、固体高分子形燃料電池から効率よく電流を取り出すことができない。 Therefore, in the polymer electrolyte fuel cell, the gas diffusion path through which the reducing gas or the oxidizing gas can move from the gas flow path of each separator to the anode or the catalyst component inside the cathode is formed without interruption. is important. Furthermore, it is also important that the proton conduction path in which the protons generated on the catalyst component of the anode can move through the solid polymer electrolyte membrane to the catalyst component of the cathode is also formed without interruption. Furthermore, it is also important that the electron conduction path through which the electrons generated on the catalyst component of the anode can move to the catalyst component of the cathode through the external circuit is also formed without interruption. If these paths are disrupted, current cannot be efficiently extracted from the polymer electrolyte fuel cell.

このため、触媒層では、ガス拡散経路を構成する気孔、プロトン伝導経路を構成する電解質材料、及び電子伝導経路を構成する触媒担体がそれぞれ連続したネットワークを形成していることが重要となる。 Therefore, in the catalyst layer, it is important that the pores forming the gas diffusion path, the electrolyte material forming the proton conduction path, and the catalyst carrier forming the electron conduction path form a continuous network.

特許第4799897号Patent No. 4799897 特許第5358408号Patent No. 5358408 特開第2007−220414号公報JP-A-2007-220414 特許第5213499号Patent No. 5213499 特表2008−501211号公報Japanese Patent Publication No. 2008-501211 国際公開第2014/185498号International Publication No. 2014/185498 国際公開第2010/047415号International Publication No. 2010/047415 特許5650542号Patent No. 5650542 特開平6−194174号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-194174

ところで、固体高分子形燃料電池の触媒成分には、Pt等の非常に高価な貴金属が用いられている。このため、触媒利用率を高くするための様々な試みがなされている。触媒利用率が上げれば、固体高分子形燃料電池の性能を下げずに触媒成分の使用量を少なくすることができるからである。 By the way, a very expensive precious metal such as Pt is used as a catalyst component of a polymer electrolyte fuel cell. Therefore, various attempts have been made to increase the catalyst utilization rate. This is because if the catalyst utilization rate is increased, the amount of the catalyst component used can be reduced without deteriorating the performance of the polymer electrolyte fuel cell.

具体的には、従来では、ガス拡散経路を構成する気孔ネットワークと、プロトン伝導経路を構成する電解質材料ネットワークと、電子伝導経路を構成する触媒担体ネットワークとの接触部分(いわゆる三相界面)に存在する触媒成分上で電極反応(上記還元反応及び酸化反応のいずれか)が起こると考えられていた。したがって、従来では、三相界面と触媒成分との接触面積をなるべく増やすことが重要であると考えられていた。さらに、これらのネットワークがなるべく連続的に形成されていることが重要であると考えられていた。これらのネットワークが分断されると、三相界面が減少してしまうからである。 Specifically, conventionally, it exists at the contact portion (so-called three-phase interface) between the pore network constituting the gas diffusion path, the electrolyte material network forming the proton conduction path, and the catalyst carrier network forming the electron conduction path. It was thought that an electrode reaction (either the reduction reaction or the oxidation reaction) would occur on the catalyst component. Therefore, conventionally, it has been considered important to increase the contact area between the three-phase interface and the catalyst component as much as possible. Furthermore, it was considered important that these networks were formed as continuously as possible. This is because if these networks are divided, the three-phase interface will decrease.

このため、触媒成分の利用率を高めるために、触媒成分を微粒子化することが提案されている。触媒成分を微粒子化することで、触媒成分の単位質量当りの表面積が増える。このため、三相界面と触媒成分との接触面積が増大する。 Therefore, in order to increase the utilization rate of the catalyst component, it has been proposed to make the catalyst component into fine particles. By making the catalyst component into fine particles, the surface area of the catalyst component per unit mass increases. Therefore, the contact area between the three-phase interface and the catalyst component increases.

この方法によれば、1〜3nm程度まで微粒子化された触媒粒子を少量用いた場合に、初期の発電性能が向上する。したがって、発電の初期では、触媒成分の利用率が高くなっていると言える。しかし、微粒子化された触媒粒子は、燃料電池動作中の電位変動によって溶出や析出を繰り返す。この結果、触媒成分が肥大化するか、あるいは触媒層外へ溶出する場合があった。この結果、触媒利用率が下がってしまう。 According to this method, the initial power generation performance is improved when a small amount of catalyst particles finely divided to about 1 to 3 nm is used. Therefore, it can be said that the utilization rate of the catalyst component is high in the initial stage of power generation. However, the finely divided catalyst particles repeatedly elute and precipitate due to potential fluctuations during fuel cell operation. As a result, the catalyst component may be enlarged or eluted outside the catalyst layer. As a result, the catalyst utilization rate decreases.

したがって、触媒成分が電位変動に耐えるためには、触媒成分がある程度の粒径を有している必要がある。例えば、触媒成分が白金となる場合、電位変動に耐えうる触媒成分の大きさは、3〜7nm程度であると考えられている。このため、従来では、このような粒径を有する触媒成分の利用率を高めるための様々な試みがなされている。 Therefore, in order for the catalyst component to withstand the potential fluctuation, the catalyst component needs to have a certain particle size. For example, when the catalyst component is platinum, the size of the catalyst component that can withstand potential fluctuations is considered to be about 3 to 7 nm. Therefore, conventionally, various attempts have been made to increase the utilization rate of the catalyst component having such a particle size.

例えば、特許文献1に開示された技術では、触媒成分を担持していないガス拡散炭素材料を主成分として凝集してなるガス拡散炭素材料凝集相をカソード側の触媒層内に分散させる。この技術によれば、ガス拡散炭素材料凝集相によって気孔ネットワークを連続的に形成することができる。したがって、特にカソード側の触媒利用率の向上が期待できる。 For example, in the technique disclosed in Patent Document 1, a gas-diffused carbon material-aggregated phase formed by aggregating a gas-diffused carbon material that does not support a catalyst component as a main component is dispersed in a catalyst layer on the cathode side. According to this technique, a stomatal network can be continuously formed by the gas diffusion carbon material aggregated phase. Therefore, it can be expected that the catalyst utilization rate on the cathode side will be improved.

また、特許文献2に開示された技術では、触媒層中に電解質材料で覆われた粒子状媒体を添加する。この技術では、電解質材料による触媒担体の過剰な被覆が抑制されるので、触媒担体同士の導通が確保される。すなわち、三相界面を形成する観点からは、電解質材料と触媒担体との接触面積はある程度確保する必要があるが、接触面積が過剰に大きくなると、触媒担体同士の接触面積が低減してしまう。すなわち、触媒担体ネットワークが分断されてしまう。特許文献2に開示された技術では、電解質材料による触媒担体の過剰な被覆が抑制されるので、触媒担体ネットワークの分断が抑制される。また、触媒担体表面の細孔が電解質材料によって閉塞されにくくなるので、気孔ネットワークの分断が抑制される。したがって、触媒利用率の向上が期待できる。 Further, in the technique disclosed in Patent Document 2, a particulate medium covered with an electrolyte material is added to the catalyst layer. In this technique, excessive coating of the catalyst carrier by the electrolyte material is suppressed, so that conduction between the catalyst carriers is ensured. That is, from the viewpoint of forming the three-phase interface, it is necessary to secure a contact area between the electrolyte material and the catalyst carrier to some extent, but if the contact area becomes excessively large, the contact area between the catalyst carriers is reduced. That is, the catalyst carrier network is disrupted. In the technique disclosed in Patent Document 2, excessive coating of the catalyst carrier by the electrolyte material is suppressed, so that the disruption of the catalyst carrier network is suppressed. Further, since the pores on the surface of the catalyst carrier are less likely to be blocked by the electrolyte material, the disruption of the pore network is suppressed. Therefore, improvement in catalyst utilization rate can be expected.

しかし、特許文献1、2に開示された技術では、ガス拡散炭素材料あるいは粒子状媒体といった特殊な材料を触媒層内に含める必要があった。このため、固体高分子形燃料電池の製造コストが増大するという問題があった。また、これらの技術によっても依然として触媒利用率を十分に高くすることができなかった。 However, in the techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2, it is necessary to include a special material such as a gas diffusion carbon material or a particulate medium in the catalyst layer. Therefore, there is a problem that the manufacturing cost of the polymer electrolyte fuel cell increases. Moreover, even with these techniques, the catalyst utilization rate could not be sufficiently increased.

特許文献3、4には、低加湿環境下での触媒利用率を高める技術が開示されている。すなわち、電解質材料がプロトンを安定して伝導するためには、電解質材料がある程度の湿潤状態に保持されている必要がある。このため、固体高分子形燃料電池を含むシステムでは、加湿器が設置されていることが多い。この加湿器によって還元性ガス及び酸化性ガスが加湿される。そして、加湿されたガスが固体高分子形燃料電池内に導入される。しかし、低コストのシステムでは、加湿器が省略される場合がある。この場合、触媒層内を湿潤状態に保つ必要がある。このため、特許文献3、4に開示された技術では、表面に微細孔が形成された触媒担体を使用する。これらに開示された技術によれば、触媒担体に形成された微細孔が水分を保持することができるので、電解質材料の湿潤状態を維持することができる。なお、ここでの水分は、例えば上記還元反応によって生じた水分である。この結果、電解質材料ネットワークの分断が抑制されるので、触媒利用率の向上が期待できる。 Patent Documents 3 and 4 disclose a technique for increasing the catalyst utilization rate in a low humidification environment. That is, in order for the electrolyte material to stably conduct protons, the electrolyte material needs to be kept in a wet state to some extent. For this reason, a humidifier is often installed in a system including a polymer electrolyte fuel cell. The reducing gas and the oxidizing gas are humidified by this humidifier. Then, the humidified gas is introduced into the polymer electrolyte fuel cell. However, in low cost systems, the humidifier may be omitted. In this case, it is necessary to keep the inside of the catalyst layer wet. Therefore, in the techniques disclosed in Patent Documents 3 and 4, a catalyst carrier having fine pores formed on the surface is used. According to the techniques disclosed in these, since the micropores formed in the catalyst carrier can retain water, the wet state of the electrolyte material can be maintained. The water content here is, for example, the water content generated by the reduction reaction. As a result, the disruption of the electrolyte material network is suppressed, and an improvement in the catalyst utilization rate can be expected.

特許文献3、4に記載された技術では、低加湿環境下という限られた条件の下では、触媒利用率の向上が期待できる。しかし、高加湿条件下では、酸化性ガスには加湿器からの水分の他、還元反応によって生じた水分が含まれている。酸化性ガスに含まれる水分は、酸化性ガスの流動方向の下流側で特に多くなる。このように、酸化性ガスには、多くの水分が含まれている。したがって、触媒担体間の気孔が水分によって閉塞し、気孔ネットワークが分断される場合があった。このような現象は、フラッディングとも称される。さらに、微細孔が水分によって完全に閉塞され、微細孔内の触媒成分が電極反応に使用されなくなる場合もあった。したがって、特許文献3、4に開示された技術では、特に高加湿環境下でのカソード側の触媒利用率が大きく減少してしまうという問題があった。 The techniques described in Patent Documents 3 and 4 can be expected to improve the catalyst utilization rate under the limited conditions of a low humidification environment. However, under high humidification conditions, the oxidizing gas contains not only the water from the humidifier but also the water generated by the reduction reaction. The water content in the oxidizing gas is particularly large on the downstream side in the flow direction of the oxidizing gas. As described above, the oxidizing gas contains a large amount of water. Therefore, the pores between the catalyst carriers may be blocked by water, and the pore network may be disrupted. Such a phenomenon is also called flooding. Further, the micropores may be completely blocked by water, and the catalyst component in the micropores may not be used for the electrode reaction. Therefore, the techniques disclosed in Patent Documents 3 and 4 have a problem that the catalyst utilization rate on the cathode side is significantly reduced, particularly in a highly humid environment.

特許文献5に開示された技術では、触媒成分と三相界面との接触面積をなるべく増やすという観点から、ナノオーダーの細孔に電解質材料を入りこませる。電解質材料をナノオーダーの細孔に入り込ませることによって、ナノオーダーの細孔に存在する触媒成分が電解質材料に接触しやすくなる。すなわち、触媒成分と三相界面との接触面積が増大する。しかし、この技術によっても、触媒利用率はさほど大きくならなかった。この理由として、触媒成分が電解質材料によって覆われてしまうので、触媒成分とガスとの接触面積が小さくなってしまうと考えられる。この結果、触媒成分上での電極反応が阻害されると考えられる。特に、カソード側の触媒成分がこの影響を受けやすい。 In the technique disclosed in Patent Document 5, the electrolyte material is inserted into the nano-order pores from the viewpoint of increasing the contact area between the catalyst component and the three-phase interface as much as possible. By allowing the electrolyte material to enter the nano-order pores, the catalyst component existing in the nano-order pores becomes easy to come into contact with the electrolyte material. That is, the contact area between the catalyst component and the three-phase interface increases. However, even with this technology, the catalyst utilization rate did not increase so much. It is considered that the reason for this is that the catalyst component is covered with the electrolyte material, so that the contact area between the catalyst component and the gas becomes small. As a result, it is considered that the electrode reaction on the catalyst component is inhibited. In particular, the catalyst component on the cathode side is susceptible to this effect.

特許文献6には、002面の結晶子径Lcが1.5nm以下である特殊なメソポーラスカーボンからなる触媒担体用炭素材料が提案されている。この触媒担体用炭素材料を用いることで、触媒利用率を向上することができる。しかし、この触媒担体用炭素材料は、銀アセチリドなどをナノスケールで爆発させて得られる特殊な炭素材料であり、製造コストが非常に大きいという問題があった。さらに、この触媒担体用炭素材料は、結晶子がランダムに配置されているので、耐久性が十分でないという問題もあった。 Patent Document 6 proposes a carbon material for a catalyst carrier made of a special mesoporous carbon having a crystallite diameter Lc on the 002 surface of 1.5 nm or less. By using this carbon material for a catalyst carrier, the catalyst utilization rate can be improved. However, this carbon material for a catalyst carrier is a special carbon material obtained by exploding silver acetylide or the like on a nanoscale, and has a problem that the production cost is very high. Further, the carbon material for the catalyst carrier has a problem that the durability is not sufficient because the crystallites are randomly arranged.

特許文献7には、BET評価による比表面積が1000m/g以上4000m/g以下で、tプロット解析による直径2nm以下のミクロ孔比表面積Smicroと全比表面積Stotalの比Smicro/Stotalが0.5以上(Sout/Stotalが0.5未満と同義)であることを特徴とする触媒担体用炭素材料が提案されている。このような触媒担体用炭素材料は、水を蓄える性質を有するため低加湿条件での発電特性が優れる特徴を有している。 In Patent Document 7, the specific surface area of 1000 m 2 / g or more and 4000 m 2 / g or less as evaluated by BET, and the ratio S micro / S of the micropore specific surface area S micro and the total specific surface area S catalyst of 2 nm or less by t-plot analysis A carbon material for a catalyst carrier has been proposed, characterized in that the total is 0.5 or more (synonymous with S out / S total is less than 0.5). Since such a carbon material for a catalyst carrier has a property of storing water, it has a feature of excellent power generation characteristics under low humidification conditions.

ところで、固体高分子形燃料電池の単セル電圧は、開放電圧で1.0V程度である。力ソードの電位がこの値未満であれば、触媒の担体として用いた炭素材料が電気化学的に酸化し炭酸ガスとして消耗すること(担体炭素材料の劣化)を実質的にほぼ無視することができる。しかしながら、実際の運転条件下、例えば燃料電池の起動・停止時等においてはカソードの電位が1.0V以上にまで上昇することがある。すなわち、アノードの電極内で水素と酸素が混合すると、このアノードの電極内で水素が酸化される水素酸化反応と酸素が還元される酸素還元反応とが起こり、局部電池が形成される。アノードの電極内で酸素還元反応を生じる部位の電位は酸素還元電位(約1V)になるため、電解質を介して対面する対極、つまりカソードの電位は、アノード内の酸素還元電位に更に電池電圧を加えた電位に上昇することとなり、力ソードの電位が1.0V以上、場合によっては1.5V程度に上昇することが観測される。このようなアノードの電極における水素と酸素の混合は、力ソードの電極の酸素が固体高分子電解質膜を透過してアノードの電極に到達することにより生じるものである。この現象は、酸素透過性の高いフッ素系膜を使用する限り、定置型燃料電池用途であっても、また、燃料電池自動車用途であっても、原理的に不可避である。 By the way, the single cell voltage of the polymer electrolyte fuel cell is about 1.0 V at the open circuit voltage. If the potential of the force sword is less than this value, the carbon material used as the carrier of the catalyst is electrochemically oxidized and consumed as carbon dioxide gas (deterioration of the carrier carbon material) can be substantially ignored. .. However, under actual operating conditions, for example, when the fuel cell is started or stopped, the cathode potential may rise to 1.0 V or higher. That is, when hydrogen and oxygen are mixed in the electrode of the anode, a hydrogen oxidation reaction in which hydrogen is oxidized and an oxygen reduction reaction in which oxygen is reduced occur in the electrode of the anode, and a local battery is formed. Since the potential of the part where the oxygen reduction reaction occurs in the electrode of the anode becomes the oxygen reduction potential (about 1V), the opposite electrode facing through the electrolyte, that is, the potential of the cathode further adds the battery voltage to the oxygen reduction potential in the anode. It will rise to the added potential, and it is observed that the potential of the force sword rises to 1.0 V or more, and in some cases to about 1.5 V. The mixing of hydrogen and oxygen in the electrode of the anode is caused by the oxygen of the electrode of the force sword permeating through the solid polymer electrolyte membrane and reaching the electrode of the anode. This phenomenon is unavoidable in principle, whether it is used for a stationary fuel cell or a fuel cell vehicle, as long as a fluorine-based film having high oxygen permeability is used.

このようにカソードの電位が1.0V以上となる場合、力ソードの高電位によりC+O→COの反応式で表される触媒担体用炭素材料の酸化が発生し、触媒担体用炭素材料が劣化して消耗する。この結果、触媒金属粒子が担体から脱落し有効に機能する触媒量が減少して発電性能が低下する。あるいは、担体の消耗による触媒層の薄肉化と細孔の潰れによりガス供給障害が発生し、これに起因してやはり発電性能が低下する。また、触媒金属である白金の高電位酸化による触媒金属の失活等も発生することがあり、やはり発電性能が低下する。従って、実際の使用環境下では、起動−停止が繰り返し行われ、力ソードはその都度1.0V以上の電圧に曝されることになり、これが長期に亘り繰り返されると、このような電位変動の回数に応じて触媒担体用炭素材料の消耗による発電性能の低下が進行する。 When the potential of the cathode is 1.0 V or higher in this way, the high potential of the force sword causes oxidation of the carbon material for the catalyst carrier represented by the reaction formula of C + O 2 → CO 2 , and the carbon material for the catalyst carrier becomes Deteriorates and wears out. As a result, the catalyst metal particles fall off from the carrier, the amount of the catalyst that functions effectively decreases, and the power generation performance deteriorates. Alternatively, the catalyst layer is thinned due to the consumption of the carrier and the pores are crushed, resulting in a gas supply failure, which also reduces the power generation performance. In addition, deactivation of the catalyst metal due to high potential oxidation of platinum, which is the catalyst metal, may occur, and the power generation performance also deteriorates. Therefore, in an actual usage environment, start-stop is repeated, and the force sword is exposed to a voltage of 1.0 V or more each time, and when this is repeated for a long period of time, such potential fluctuations occur. Depending on the number of times, the power generation performance deteriorates due to the consumption of the carbon material for the catalyst carrier.

特許文献7で提案されている炭素材料は、このような酸化消耗を抑制するための処理が何らなされていなかった。従って、特許文献7の触媒担体用炭素材料は耐久性が低いという課題があった。また、特許文献7の触媒担体用炭素材料に耐久性を付与する目的で、酸化消耗を抑制するための処理、例えば不活性雰囲気下で1600℃以上の熱処理を行うと、比表面積が低下する。本発明者らが調査したところ、その面積低下の大きな要因は、ミクロ孔比表面積の低下である。すなわち、高温の熱処理によってミクロ孔がつぶれ、比表面積が低下したと考えられる。従って、特許文献7の触媒担体炭素材料に単純に酸化消耗を抑制する処理を行うと特許文献7の特徴である「ミクロ孔比表面積Smicroと全比表面積Stotalの比Smicro/Stotalが0.5以上」を維持することが難しくなる。さらに、比表面積も大幅に低下するので、初期性能は必ずしも満足できるものではなく、特に触媒利用率が低くなる。その結果、熱処理前に有していた優れた低負荷領域の特性が消失してしまう課題があった。 The carbon material proposed in Patent Document 7 has not been subjected to any treatment for suppressing such oxidative consumption. Therefore, the carbon material for the catalyst carrier of Patent Document 7 has a problem of low durability. Further, for the purpose of imparting durability to the carbon material for a catalyst carrier of Patent Document 7, a treatment for suppressing oxidative consumption, for example, a heat treatment at 1600 ° C. or higher in an inert atmosphere reduces the specific surface area. According to the investigation by the present inventors, the major factor of the decrease in the area is the decrease in the micropore specific surface area. That is, it is considered that the micropores were crushed by the high temperature heat treatment and the specific surface area was reduced. Therefore, when the catalyst carrier carbon material of Patent Document 7 is simply treated to suppress oxidative consumption, the characteristic of Patent Document 7, "Micropore specific surface area S micro and total specific surface area S total ratio S micro / S total, is obtained. It becomes difficult to maintain "0.5 or more". Further, since the specific surface area is also significantly reduced, the initial performance is not always satisfactory, and the catalyst utilization rate is particularly low. As a result, there is a problem that the characteristics of the excellent low load region possessed before the heat treatment are lost.

このような特許文献7が有する課題に対して特許文献8や特許文献9では、燃料電池の寿命特性を向上させる触媒担体用炭素材料の製造方法として、炭素材料を高比表面積化する賦活処理と、炭素材料を高黒鉛化する高温熱処理を組み合わせる方法が提案されている。一般に、高黒鉛化処理を施すとグラフェンが成長・発達し、グラフェンの積層秩序が発達することにより耐酸化消耗性が向上するが、高黒鉛化処理によってミクロ孔がつぶれ、比表面積の低下、またはミクロ孔比表面積の低下を招く。比表面積が低下した炭素材料、もしくはミクロ孔比表面積が低下した炭素材料は、触媒成分を担持するときに触媒成分が吸着できるグラフェンエッジ部分が少なくなるため、高い担持率で触媒成分を担持すると触媒成分が凝集し、触媒成分の粒子径が粗大化したり、触媒成分の分散性が低下する傾向が強くなる。これを防ぐために炭素材料をあらかじめわずかに酸化消耗させる「賦活処理」を行い、比表面積やミクロ孔比表面積を増大させる。特許文献8や特許文献9では、このような賦活処理と高黒鉛化処理を組み合わせ、高比表面積で耐酸化消耗性を両立する炭素材料の製造方法を提案し、黒鉛化度が高い比表面積700m/g未満の炭素材料の製造方法を例示している。このような方法で製造された炭素材料を燃料電池の触媒担体用炭素材料として用いると、初期性能を維持し、極めて高い耐久性を有する。しかし、高黒鉛化処理によって低下した比表面積の影響により初期性能は必ずしも満足できるものではなく、特に触媒利用率が低いという問題があった。 In response to the problems of Patent Document 7, Patent Document 8 and Patent Document 9 describe an activation treatment for increasing the specific surface area of a carbon material as a method for producing a carbon material for a catalyst carrier that improves the life characteristics of a fuel cell. , A method of combining high-temperature heat treatment for making carbon materials highly graphite has been proposed. In general, when graphene treatment is applied, graphene grows and develops, and graphene stacking order develops to improve oxidative consumption resistance. However, graphene treatment causes micropores to collapse, reducing the specific surface area, or It causes a decrease in the micropore specific surface area. A carbon material having a reduced specific surface area or a carbon material having a reduced micropore specific surface area has fewer graphene edge portions on which the catalyst component can be adsorbed when the catalyst component is supported. Therefore, when the catalyst component is supported at a high loading ratio, the catalyst is used. The components tend to aggregate, the particle size of the catalyst component becomes coarse, and the dispersibility of the catalyst component tends to decrease. In order to prevent this, a "activation treatment" is performed in advance to slightly oxidize and consume the carbon material to increase the specific surface area and the micropore specific surface area. Patent Document 8 and Patent Document 9 propose a method for producing a carbon material having a high specific surface area and oxidative wear resistance by combining such an activation treatment and a high graphitization treatment, and have a high specific surface area of 700 m. A method for producing a carbon material of less than 2 / g is illustrated. When the carbon material produced by such a method is used as the carbon material for the catalyst carrier of the fuel cell, the initial performance is maintained and the durability is extremely high. However, the initial performance is not always satisfactory due to the influence of the specific surface area reduced by the high graphitization treatment, and there is a problem that the catalyst utilization rate is particularly low.

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、高価な材料を用いなくても触媒利用率を向上させることができ、加湿条件に関わらず触媒利用率を向上させることができ、高い耐久性を有し、かつ、低コストで作製可能な、新規かつ改良された触媒担体用炭素材料、触媒層、及び固体高分子形燃料電池を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is that the catalyst utilization rate can be improved without using an expensive material, and the catalyst is used regardless of humidification conditions. To provide a new and improved carbon material for a catalyst carrier, a catalyst layer, and a polymer electrolyte fuel cell, which can improve the utilization rate, have high durability, and can be manufactured at low cost. It is in.

本発明者は、上記課題を解決するために、カソード側の触媒担体を構成する炭素材料、すなわち、カソード側の触媒担体用炭素材料に着目した。上述したように、主にカソード側の触媒利用率が低くなるからである。この結果、本発明者は、以下の知見を得た。 In order to solve the above problems, the present inventor has focused on a carbon material constituting a catalyst carrier on the cathode side, that is, a carbon material for a catalyst carrier on the cathode side. As described above, this is mainly because the catalyst utilization rate on the cathode side is low. As a result, the present inventor has obtained the following findings.

1)触媒担体用炭素材料の耐久性を高めるためには、炭素材料を高黒鉛化することが有効である。すなわち、固体高分子形燃料電池の触媒担体として一般的に使用される炭素材料は、複数の結晶子が多数配列された構造を有する。各結晶子は、複数の縮合多環芳香族骨格(以下、「グラフェン」とも称する)が積層された構造を有している。炭素材料の酸化消耗は、グラフェンの端部の炭素(以下、「エッジ炭素」とも称する)が酸化され、COとなることで生じる。従って、エッジ炭素を減らすことが、炭素材料における酸化消耗の抑制に直結する。そこで、炭素材料を高黒鉛化する。高黒鉛化処理によって、グラフェンが成長・発達し、グラフェンの積層秩序が発達する。つまり、高黒鉛化によって、触媒担体用炭素材料を構成する結晶子を大きく成長させることができるので、エッジ炭素を減らすことができ、ひいては、触媒担体用炭素材料の耐久性が高まる。高黒鉛化処理は、例えば、不活性雰囲気下で1600℃以上の熱処理を施すことによって行われる。また、炭素材料の黒鉛化度は、例えばラマン分光法によって測定されるGバンドの半値幅で評価可能である。 1) In order to increase the durability of the carbon material for the catalyst carrier, it is effective to make the carbon material highly graphitized. That is, a carbon material generally used as a catalyst carrier for a polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a large number of a plurality of crystallites are arranged. Each crystallite has a structure in which a plurality of condensed polycyclic aromatic skeletons (hereinafter, also referred to as “graphene”) are laminated. Oxidative consumption of carbon material occurs when carbon at the end of graphene (hereinafter, also referred to as “edge carbon”) is oxidized to CO 2 . Therefore, reducing edge carbon is directly linked to the suppression of oxidative consumption in carbon materials. Therefore, the carbon material is made highly graphite. Graphene grows and develops by the high graphitization treatment, and the graphene stacking order develops. That is, by increasing the graphite, the crystallites constituting the carbon material for the catalyst carrier can be greatly grown, so that the edge carbon can be reduced, and the durability of the carbon material for the catalyst carrier is enhanced. The graphitization treatment is performed, for example, by performing a heat treatment at 1600 ° C. or higher in an inert atmosphere. Further, the degree of graphitization of the carbon material can be evaluated by, for example, the half width of the G band measured by Raman spectroscopy.

2)上述したように、電解質材料と触媒成分の接触を増やした場合、触媒利用率がそれほど大きくならない。この理由として、触媒成分が電解質材料に覆われることが考えられる。触媒成分が電解質材料に覆われると、触媒成分とガスとの接触面積が小さくなってしまう。この結果、触媒成分上での電極反応が阻害される。 2) As described above, when the contact between the electrolyte material and the catalyst component is increased, the catalyst utilization rate does not increase so much. The reason for this is considered to be that the catalyst component is covered with the electrolyte material. When the catalyst component is covered with the electrolyte material, the contact area between the catalyst component and the gas becomes small. As a result, the electrode reaction on the catalyst component is inhibited.

そこで、本発明者は、触媒成分と電解質材料との接触をなるべく避けるために、触媒成分を炭素材料の細孔中に担持させることを考えた。具体的には、本発明者は、高黒鉛化した炭素材料を従来よりも非常に強く賦活した。この結果、炭素材料の比表面積を極めて大きく(具体的には700m/g超まで)、特に、炭素材料の外部比表面積を極めて大きく(具体的には、300m/g超まで)することに成功した。ここで、外部比表面積は、窒素吸着等温線のtプロット解析によって求められる外部比表面積に相当し、炭素材料の全比表面積のうち、ミクロ孔(直径2nm以下の細孔)比表面積以外の比表面積である。 Therefore, the present inventor has considered supporting the catalyst component in the pores of the carbon material in order to avoid contact between the catalyst component and the electrolyte material as much as possible. Specifically, the present inventor activated the highly graphitized carbon material much stronger than before. As a result, the specific surface area of the carbon material should be extremely large (specifically, up to over 700 m 2 / g), and in particular, the external specific surface area of the carbon material should be extremely large (specifically, up to over 300 m 2 / g). succeeded in. Here, the external specific surface area corresponds to the external specific surface area obtained by t-plot analysis of the nitrogen adsorption isotherm, and is the ratio of the total specific surface area of the carbon material other than the specific surface area of micropores (pores having a diameter of 2 nm or less). The surface area.

本発明者は、賦活処理によって炭素材料が中空構造になったために、外部比表面積が極めて大きくなったと考えた。すなわち、賦活の初期では、結晶子間の隙間の非晶質部分や結晶子を構成するグラフェンのエッジが優先的に削られる。これにより、炭素材料の表面に細孔が形成される。その後、さらに賦活が進行すると、炭素材料の内部に存在する非晶質部分が削られる。これにより、中空構造の炭素材料が作製される。炭素材料の中空部分と外部表面との間は細孔で連結される。中空となった炭素材料は、比表面積の分母である「炭素材料の質量」が極めて小さくなるので、外部比表面積が増大する。 The present inventor considered that the external specific surface area became extremely large because the carbon material became a hollow structure by the activation treatment. That is, in the initial stage of activation, the amorphous portion of the gap between the crystallites and the edge of graphene constituting the crystallites are preferentially scraped. As a result, pores are formed on the surface of the carbon material. After that, when the activation further progresses, the amorphous portion existing inside the carbon material is scraped off. As a result, a carbon material having a hollow structure is produced. The hollow portion of the carbon material and the outer surface are connected by pores. In the hollow carbon material, the "mass of the carbon material", which is the denominator of the specific surface area, becomes extremely small, so that the external specific surface area increases.

そして、このような炭素材料に触媒成分を担持させたところ、触媒利用率が大きく向上した。本発明者は、この理由を以下のように考えている。すなわち、中空部分を有する炭素材料に触媒成分を担持させた場合、触媒成分は、細孔及び中空部分の壁面にも担持される。電解質材料は、細孔及び中空部分内には侵入出来ないので、電解質材料で覆われる触媒成分の数が減少する。従来では、電解質材料に接触する触媒成分だけが還元反応に使用されると考えられていた。この考えによれば、細孔及び中空部分の壁面に担持された触媒成分は電解質材料と接触していないので還元反応に使用されていないはずである。それにもかかわらず、触媒利用率が向上した。したがって、細孔及び中空部分の壁面に担持された触媒成分も還元反応に使用されていることになる。 Then, when the catalyst component was supported on such a carbon material, the catalyst utilization rate was greatly improved. The present inventor considers this reason as follows. That is, when the catalyst component is supported on the carbon material having the hollow portion, the catalyst component is also supported on the pores and the wall surface of the hollow portion. Since the electrolyte material cannot penetrate into the pores and hollow portions, the number of catalyst components covered by the electrolyte material is reduced. Conventionally, it has been considered that only the catalytic component in contact with the electrolyte material is used in the reduction reaction. According to this idea, the catalyst component supported on the wall surface of the pores and the hollow portion should not be used in the reduction reaction because it is not in contact with the electrolyte material. Nevertheless, the catalyst utilization rate has improved. Therefore, the catalyst component supported on the wall surface of the pores and the hollow portion is also used in the reduction reaction.

そして、細孔及び中空部分の壁面には、グラフェンのエッジ部分が露出していると考えられる。そして、グラフェンのエッジ部分を構成する炭素原子(以下、このような炭素原子を「エッジ炭素原子」とも称する)には、賦活処理によって親水基が導入されている。このため、本発明者は、この親水基が水分の吸着点になっていると考えた。すなわち、細孔及び中空部分の壁面は高い親水性を有しており、細孔及び中空部分の壁面には、水分が高密度で吸着する。そして、細孔及び中空部分の壁面に担持された触媒成分は、この水分に接触している。そして、電解質材料中のプロトンは、細孔及び中空部分の壁面に吸着した水分を通って触媒成分に到達する。そして、触媒成分上で還元反応が起こる。このように、本発明者は、細孔及び中空部分の壁面に吸着した水分が電解質材料の代わりにプロトン伝導体になると考えた。すなわち、本発明者は、これらの水分がプロトン伝導経路になると考えた。また、賦活処理によって細孔及び中空部分の親水性が高くなるので、低加湿環境下であっても電解質材料を湿潤状態に維持することができる。 Then, it is considered that the edge portion of graphene is exposed on the wall surface of the pores and the hollow portion. Then, a hydrophilic group is introduced into the carbon atom (hereinafter, such a carbon atom is also referred to as "edge carbon atom") constituting the edge portion of graphene by the activation treatment. Therefore, the present inventor considered that this hydrophilic group serves as an adsorption point for water. That is, the wall surfaces of the pores and the hollow portion have high hydrophilicity, and water is adsorbed on the wall surfaces of the pores and the hollow portion at a high density. Then, the catalyst component supported on the wall surface of the pores and the hollow portion is in contact with the water content. Then, the protons in the electrolyte material reach the catalyst component through the water adsorbed on the wall surfaces of the pores and the hollow portion. Then, a reduction reaction occurs on the catalyst component. As described above, the present inventor considered that the water adsorbed on the wall surface of the pores and the hollow portion becomes a proton conductor instead of the electrolyte material. That is, the present inventor considered that these waters serve as a proton conduction path. Further, since the hydrophilicity of the pores and the hollow portion is increased by the activation treatment, the electrolyte material can be maintained in a wet state even in a low humidification environment.

なお、賦活処理及び黒鉛化処理を行う順番は特に制限されないが、賦活処理を黒鉛化処理の前に行うことが好ましい。黒鉛化処理を先に行うと、結晶子が大きく成長するので、賦活処理によって削られる部分が少なくなる。このため、炭素材料が賦活されにくくなり、ひいては、所望の外部比表面積を得ることが難しくなる可能性がある。これに対し、賦活処理を先に行うことで、炭素材料を容易に賦活することができる。このため、所望の外部比表面積を有する炭素材料を容易に作製することができる。また、賦活処理の制御も容易となる。 The order in which the activation treatment and the graphitization treatment are performed is not particularly limited, but it is preferable that the activation treatment is performed before the graphitization treatment. If the graphitization treatment is performed first, the crystallites grow large, so that the portion scraped by the activation treatment is reduced. Therefore, it may be difficult to activate the carbon material, and it may be difficult to obtain a desired external specific surface area. On the other hand, the carbon material can be easily activated by performing the activation treatment first. Therefore, a carbon material having a desired external specific surface area can be easily produced. In addition, the activation process can be easily controlled.

3)上記賦活処理だけでも炭素材料の親水性を十分高くすることができるが、さらに親水化処理をおこなってもよい。これにより、炭素材料の表面の親水性をさらに高めることができる。 3) The hydrophilicity of the carbon material can be sufficiently increased only by the above activation treatment, but the hydrophilicity treatment may be further performed. This makes it possible to further increase the hydrophilicity of the surface of the carbon material.

4)高加湿環境下でのフラッディングを抑制するという観点からは、外部比表面積は、全比表面積に対してある程度の割合となっている必要がある。全比表面積に対して外部比表面積が小さすぎると、水分を保持しやすい細孔が炭素材料の表面に多く形成されることになる。この結果、炭素材料の周囲に水分が溜まりやすくなり、ひいては、フラッディングが生じうる。 4) From the viewpoint of suppressing flooding in a highly humid environment, the external specific surface area needs to be a certain ratio to the total specific surface area. If the external specific surface area is too small with respect to the total specific surface area, many pores that easily retain water will be formed on the surface of the carbon material. As a result, water tends to accumulate around the carbon material, which may lead to flooding.

外部比表面積を評価する手法として、tプロット解析が知られている。しかし、従来のtプロット解析では、燃料電池で求められる高い耐久性を有する程度に高度に黒鉛化処理された炭素材料のミクロ孔を正確に判別できない可能性があった。tプロット解析では、ミクロ孔がなるべく少ない炭素材料を標準物質として使用する必要がある。しかし、従来の標準物質は、高度に高黒鉛化された炭素材料よりもミクロ孔の存在割合が高い場合が生じた。このため、従来のtプロット解析では、高度に黒鉛化処理された炭素材料のミクロ孔を正確に判別することができない問題が生じた。本発明者は、このような炭素材料のミクロ孔を判別できる方法を鋭意検討した。この結果、本発明者は、炭素材料を2600℃以上で熱処理することで得た炭素材料を標準物質として使用することに想到した。このような標準物質の表面には、ミクロ孔がほとんど存在しない。したがって、この標準物質を用いてtプロット解析を行うことで、黒鉛化処理された炭素材料のミクロ孔を正確に判別することが可能になる。本発明者は、これらの知見により本発明に想到するに至った。 As a method for evaluating the external specific surface area, t-plot analysis is known. However, in the conventional t-plot analysis, there is a possibility that the micropores of the carbon material that has been highly graphitized to the extent that it has the high durability required for a fuel cell cannot be accurately discriminated. In the t-plot analysis, it is necessary to use a carbon material having as few micropores as possible as a standard material. However, conventional standard materials sometimes have a higher proportion of micropores than highly graphitized carbon materials. For this reason, the conventional t-plot analysis has a problem that the micropores of the highly graphitized carbon material cannot be accurately discriminated. The present inventor has diligently studied a method capable of discriminating such micropores in a carbon material. As a result, the present inventor has come up with the idea of using the carbon material obtained by heat-treating the carbon material at 2600 ° C. or higher as a standard substance. There are almost no micropores on the surface of such a standard material. Therefore, by performing t-plot analysis using this standard substance, it is possible to accurately discriminate the micropores of the graphitized carbon material. The present inventor has come up with the present invention based on these findings.

本発明のある観点によれば、固体高分子形燃料電池用の触媒成分を担持可能な触媒担体用炭素材料であって、ラマン分光法により測定されるGバンドの半値幅が30cm−1超65cm−1未満であり、BET法で評価されるBET比表面積SBET(m/g)が700m/g超3000m/g未満であり、tプロット解析で評価される全比表面積Stotalと外部比表面積Soutとの比Sout/Stotalが、0.3超であり、tプロット解析で評価される外部比表面積Soutが300m/g超であることを特徴とする触媒担体用炭素材料が提供される。 According to a certain aspect of the present invention, it is a carbon material for a catalyst carrier capable of supporting a catalyst component for a solid polymer fuel cell, and the half-value width of the G band measured by Raman spectroscopy is 30 cm -1 more than 65 cm. less than -1, BET specific surface area S BET to be evaluated by the BET method (m 2 / g) is less than 700 meters 2 / g ultra 3000 m 2 / g, a total specific surface area S total is evaluated at t plot analysis the ratio S out / S total of the external specific surface area S out is at greater than 0.3, catalyst support, wherein the external specific surface area S out which is evaluated at t plot analysis is 300 meters 2 / g than Carbon material is provided.

ここで、BET法で評価されるBET比表面積SBET(m/g)が700m/g超1300m/g未満であってもよい。 Here, BET specific surface area S BET to be evaluated by the BET method (m 2 / g) may be less than 700 meters 2 / g Ultra 1300 m 2 / g.

また、tプロット解析で評価されるミクロ孔比表面積Smicro(m/g)が、250m/g超700m/g未満であってもよい。 Also, t plot analysis at Rated micropore specific surface area S micro (m 2 / g) it is, 250m 2 / g may be less than ultra 700m 2 / g.

ここで、tプロット解析は、2600℃以上で熱処理された炭素材料を標準物質として使用して行われてもよい。 Here, the t-plot analysis may be performed using a carbon material heat-treated at 2600 ° C. or higher as a standard substance.

また、tプロット解析で評価される外部比表面積Soutが300m/g超であってもよい。 Further, the external specific surface area S out evaluated by the t-plot analysis may be more than 300 m 2 / g.

本発明の他の観点によれば、触媒成分と、触媒成分を担持する上記の触媒担体用炭素材料と、を含むことを特徴とする、固体高分子形燃料電池用触媒層が提供される。 According to another aspect of the present invention, there is provided a catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, which comprises a catalyst component and the above-mentioned carbon material for a catalyst carrier that supports the catalyst component.

ここで、触媒担持率が30質量%以上80質量%未満であってもよい。 Here, the catalyst loading ratio may be 30% by mass or more and less than 80% by mass.

本発明の他の観点によれば、上記の触媒層を含むことを特徴とする、固体高分子形燃料電池が提供される。 According to another aspect of the present invention, there is provided a polymer electrolyte fuel cell, which comprises the above-mentioned catalyst layer.

ここで、固体高分子形燃料電池は、触媒層をカソード側の触媒層として含んでいてもよい。 Here, the polymer electrolyte fuel cell may include a catalyst layer as a catalyst layer on the cathode side.

以上説明したように本発明によれば、Gバンドの半値幅が30cm−1超65cm−1未満となるので、固体高分子形燃料電池の耐久性を高めることができる。さらに、BET比表面積SBET(m/g)が700m/g超3000m/g未満となるので、炭素材料の表面に多数の細孔が形成されている。したがって、より多くの触媒成分を細孔内に担持させることができる。さらに、tプロット解析で評価される外部比表面積Soutが300m/g超である。したがって、細孔の壁面のみならず、中空部分の壁面にも触媒成分を担持させることができる。そして、細孔及び中空部分の壁面には、エッジ炭素原子が露出しているので、これらの壁面の親水性が高くなっている。したがって、これらの触媒成分にもプロトンが到達する。これらの結果、細孔及び中空部分の壁面に担持された多くの触媒成分を還元反応に使用することができる。さらに、これらの触媒成分は、電解質材料によって覆われにくいので、より確実に還元反応に使用することができる。したがって、触媒成分の利用率が向上する。さらに、本発明に係る炭素材料は、親水性が高いので、低加湿環境下であっても電解質材料を湿潤状態に維持することができる。さらに、全比表面積Stotalと外部比表面積Soutとの比Sout/Stotalが、0.3超であるので、高加湿環境下であってもフラッディングが起こりにくい。以上により、本発明に係る炭素材料は、高価な材料を用いなくても触媒利用率を向上させることができ、加湿条件に関わらず触媒利用率を向上させることができ、かつ、高い耐久性を有する。さらに、本発明の炭素材料は、特許文献6のような特殊な工程によらず作製可能なので、低コストで作製可能である。 As described above, according to the present invention, the half-value width of the G band is 30 cm -1 and more than 65 cm -1 , so that the durability of the polymer electrolyte fuel cell can be improved. Further, since the BET specific surface area S BET (m 2 / g) is 700 meters 2 / g Ultra 3000m less than 2 / g, a large number of pores are formed on the surface of the carbon material. Therefore, more catalyst components can be supported in the pores. Further, the external specific surface area S out evaluated by the t-plot analysis is more than 300 m 2 / g. Therefore, the catalyst component can be supported not only on the wall surface of the pores but also on the wall surface of the hollow portion. Since edge carbon atoms are exposed on the wall surfaces of the pores and the hollow portion, the hydrophilicity of these wall surfaces is high. Therefore, protons also reach these catalyst components. As a result, many catalytic components supported on the walls of the pores and hollow portions can be used in the reduction reaction. Furthermore, since these catalyst components are not easily covered by the electrolyte material, they can be used more reliably in the reduction reaction. Therefore, the utilization rate of the catalyst component is improved. Further, since the carbon material according to the present invention has high hydrophilicity, the electrolyte material can be maintained in a wet state even in a low humidification environment. Furthermore, the total specific surface area S total and ratio S out / S total of the external specific surface area S out is because it is greater than 0.3, less likely flooding even under high humidification environment occurs. As described above, the carbon material according to the present invention can improve the catalyst utilization rate without using an expensive material, can improve the catalyst utilization rate regardless of the humidification conditions, and has high durability. Have. Further, since the carbon material of the present invention can be produced without a special process as in Patent Document 6, it can be produced at low cost.

(a)出発物質である炭素材料を模式的に示す断面図である。(b)本実施形態に係る賦活により中空部分が形成された炭素材料を模式的に示す断面図である。(A) It is sectional drawing which shows typically the carbon material which is a starting material. (B) It is sectional drawing which shows typically the carbon material which hollow part was formed by the activation which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る触媒担体用炭素材料に触媒成分を担持させた様子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the state that the catalyst component was supported on the carbon material for a catalyst carrier which concerns on this embodiment. 本実施形態のtプロット解析で得られるグラフの一例である。This is an example of a graph obtained by the t-plot analysis of the present embodiment. 本発明の実施形態に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the schematic structure of the fuel cell which concerns on embodiment of this invention.

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the drawings, components having substantially the same functional configuration are designated by the same reference numerals, so that duplicate description will be omitted.

<1.触媒担体用炭素材料の構成>
まず、本実施形態に係る触媒担体用炭素材料の構成について説明する。本実施形態に係る触媒担体用炭素材料は、主にカソード側の触媒層に使用される。
<1. Composition of carbon materials for catalyst carriers>
First, the composition of the carbon material for the catalyst carrier according to the present embodiment will be described. The carbon material for a catalyst carrier according to this embodiment is mainly used for the catalyst layer on the cathode side.

(1−1.用語の定義)
本実施形態における「細孔」は、マクロ孔、メソ孔、及びミクロ孔のいずれかである。これらの孔の分類は、IUPACの分類に従うものとする。
(1-1. Definition of terms)
The "pore" in this embodiment is any of a macropore, a mesopore, and a micropore. The classification of these holes shall be in accordance with the IUPAC classification.

また、「触媒利用率」は、触媒層中触媒成分の総数と、電極反応に利用される触媒成分の数との比である。実験では、触媒成分の目付け量が同じであり、かつ燃料電池の特性が高くなった場合、触媒利用率が高くなったと言える。 The "catalyst utilization rate" is the ratio of the total number of catalyst components in the catalyst layer to the number of catalyst components used in the electrode reaction. In the experiment, it can be said that the catalyst utilization rate is high when the basis weight of the catalyst components is the same and the characteristics of the fuel cell are high.

(1−2.ラマン)
ラマン分光法により触媒担体用炭素材料のGバンドを測定した場合、Gバンドの半値幅(△G)は30cm−1超65m−1未満となる。Gバンドの半値幅(△G)は、好ましくは50cm−1超65m−1未満となる。ここで、Gバンドは、ラマン分光スペクトルの1550〜1650cm−1の範囲で検出されるバンドである。
(1-2. Raman)
When the G band of the carbon material for the catalyst carrier is measured by Raman spectroscopy, the half width (ΔG) of the G band is more than 30 cm -1 and less than 65 m -1 . The full width at half maximum (ΔG) of the G band is preferably more than 50 cm -1 and less than 65 m -1 . Here, the G band is a band detected in the range of 1550 to 1650 cm -1 in the Raman spectroscopic spectrum.

Gバンドの半値幅がこの範囲内の値となる場合、触媒担体用炭素材料の黒鉛化度が高くなる。このため、触媒担体用炭素材料は、固体高分子形二次電池の起動停止を繰り返しても、酸化消耗しにくくなる。すなわち、触媒担体用炭素材料の耐久性が向上する。 When the half width of the G band is within this range, the degree of graphitization of the carbon material for the catalyst carrier is high. Therefore, the carbon material for the catalyst carrier is less likely to be oxidatively consumed even if the solid polymer type secondary battery is repeatedly started and stopped. That is, the durability of the carbon material for the catalyst carrier is improved.

一方、Gバンドの半値幅が30cm−1以下となる場合、細孔が少なくなるので、細孔内に担持される触媒成分の数が少なくなってしまう。また、エッジ炭素原子数が減少し、ミクロ孔が潰れてしまう可能性が高くなる。また、Gバンドの半値幅が65m−1以上となる場合、耐久性が期待できない。 On the other hand, when the half width of the G band is 30 cm -1 or less, the number of pores is reduced, so that the number of catalyst components supported in the pores is reduced. In addition, the number of edge carbon atoms decreases, and the possibility that micropores are crushed increases. Further, when the half width of the G band is 65 m -1 or more, durability cannot be expected.

なお、触媒担体用炭素材料のGバンドの半値幅を上記範囲内に調整する方法としては、例えば、触媒担体用炭素材料の原料となる炭素材料を黒鉛化処理する処理が挙げられる。具体的には、炭素材料を1600℃以上の高温環境に曝す。炭素材料を黒鉛化処理することで、炭素材料を構成する結晶子が大きく成長する。この結果、炭素材料のGバンドの半値幅が上述した範囲内の値となりうる。黒鉛化処理の加熱処理は、好ましくは、1800〜2400℃である。加熱温度が1600℃以下となる場合、結晶子の成長が少なく、エッジ炭素が多くなる場合がある。この結果、Gバンドの半値幅が65cm−1以上となることが多くなる。一方、Gバンドの半値幅が2400℃を超える場合、結晶子が過剰に成長し、Gバンドの半値幅が30cm−1以下となる場合が多くなる。なお、黒鉛化処理を過剰に行った結果、Gバンドの半値幅が30cm−1以下となった場合であっても、その後に行われる賦活処理によって、Gバンドの半値幅を上述した範囲内の値に調整することができる。 As a method of adjusting the half price width of the G band of the carbon material for the catalyst carrier within the above range, for example, a treatment of graphitizing the carbon material which is a raw material of the carbon material for the catalyst carrier can be mentioned. Specifically, the carbon material is exposed to a high temperature environment of 1600 ° C. or higher. By graphitizing the carbon material, the crystallites constituting the carbon material grow significantly. As a result, the half width of the G band of the carbon material can be a value within the above range. The heat treatment of the graphitization treatment is preferably 1800 to 2400 ° C. When the heating temperature is 1600 ° C. or lower, the growth of crystallites may be small and the amount of edge carbon may be large. As a result, the half width of the G band is often 65 cm -1 or more. On the other hand, when the half width of the G band exceeds 2400 ° C., the crystallites grow excessively, and the half width of the G band often becomes 30 cm -1 or less. Even if the half-value width of the G band is 30 cm -1 or less as a result of excessive graphitization treatment, the half-value width of the G band is within the above-mentioned range by the subsequent activation treatment. Can be adjusted to a value.

(1−3.BET比表面積)
BET法で評価されるBET比表面積SBET(m/g)が700m/g超3000m/g未満となる。好ましくは、BET比表面積SBET(m/g)が700m/g超1300m/g未満となる。BET比表面積SBETがこの範囲内の値となる場合、触媒担体用炭素原子の表面に多数の細孔が形成されるので、より多くの触媒成分を細孔内に担持させることができる。BET比表面積SBETが700m/g以下となる場合、触媒担体用炭素材料に触媒成分を担持させる工程、あるいは固体高分子形燃料電池の運転中に触媒担体用炭素材料同士が凝集しやすくなる。この場合、触媒利用率が低下する傾向がある。一方、SBET(m/g)が3000m/g以上となる場合、触媒担体用炭素材料の機械的強度が低下する。この結果、触媒層がつぶれやすくなり、触媒層内にガスが拡散しにくくなる。また、SBET(m/g)が1300m/g以上となる場合、耐久性との両立が難しくなる可能性がある。具体的には、SBET(m/g)が1300m/g以上となる場合、ラマン分光法により測定されるGバンドの半値幅が30cm−1超65cm−1未満に制御することが難しくなる可能性がある。
(1-3. BET specific surface area)
BET specific surface area S BET to be evaluated by the BET method (m 2 / g) is 700 meters 2 / g Ultra 3000m less than 2 / g. Preferably, BET specific surface area S BET (m 2 / g) is 700 meters 2 / g Ultra 1300m less than 2 / g. When the BET specific surface area S BET is within this range, a large number of pores are formed on the surface of the carbon atom for the catalyst carrier, so that more catalyst components can be supported in the pores. When the BET specific surface area S BET is 700 m 2 / g or less, the carbon materials for the catalyst carrier are likely to aggregate with each other during the step of supporting the catalyst component on the carbon material for the catalyst carrier or during the operation of the polymer electrolyte fuel cell. .. In this case, the catalyst utilization rate tends to decrease. On the other hand, when SBET (m 2 / g) is 3000 m 2 / g or more, the mechanical strength of the carbon material for the catalyst carrier decreases. As a result, the catalyst layer is easily crushed, and the gas is less likely to diffuse into the catalyst layer. Further, when SBET (m 2 / g) is 1300 m 2 / g or more, it may be difficult to achieve both durability and durability. Specifically, when the SBET (m 2 / g) is 1300 m 2 / g or more, it is difficult to control the half width of the G band measured by Raman spectroscopy to less than 30 cm -1 and 65 cm -1. There is a possibility of becoming.

(1−4.外部比表面積の割合)
tプロット解析で評価される全比表面積Stotal(m/g)と外部比表面積Sout(m/g)との比Sout/Stotalが、0.3超である。ここで、外部比表面積は、外部表面、すなわち触媒担体用炭素材料の外部に面する部分の比表面積を意味する。Sout/Stotalが、0.3超となる場合、高加湿環境下でのフラッディングを抑制することができる。一方、Sout/Stotalが0.3以下となる場合、水分がたまりやすい細孔(例えば、ミクロ孔)の数が多くなる。この場合、細孔が水分で閉塞されやすくなる。細孔が水分で閉塞されると、細孔内に担持された触媒成分が水没してしまう。そして、細孔が水分で閉塞されると、細孔内に担持された触媒成分が水没してしまう。そして、細孔内に担持された触媒成分が水没してしまうと、酸化性ガスがこの触媒成分に到達することができなくなってしまう。また、触媒担体用炭素材料の周囲に水分が溜まりやすくなるので、気孔ネットワークが水分で分断されやすくなる。これらの結果、触媒利用率が低下する。
(1-4. Ratio of external specific surface area)
The ratio S out / S total between the total specific surface area S total (m 2 / g) and the external specific surface area S out (m 2 / g) evaluated by the t-plot analysis is more than 0.3. Here, the external specific surface area means the specific surface area of the outer surface, that is, the portion of the carbon material for the catalyst carrier facing the outside. When S out / Total is more than 0.3, flooding in a highly humid environment can be suppressed. On the other hand, when S out / Total is 0.3 or less, the number of pores (for example, micropores) in which water tends to accumulate increases. In this case, the pores are easily blocked by water. When the pores are blocked with water, the catalyst component supported in the pores is submerged. Then, when the pores are closed with water, the catalyst component supported in the pores is submerged. Then, if the catalyst component supported in the pores is submerged in water, the oxidizing gas cannot reach this catalyst component. In addition, since water tends to accumulate around the carbon material for the catalyst carrier, the pore network is easily divided by the water. As a result, the catalyst utilization rate decreases.

ここでtプロット解析は、窒素ガスの液体窒素温度での窒素吸着測定によって得られる窒素吸着等温線の解析評価法の一種である。すなわち、tプロット解析は、測定試料と同種の材料であって、ミクロ孔が存在しない標準物質の窒素吸着等温線を基準にして、測定試料の窒素吸着等温線の直線性からのずれを解析する比較プロットの一種である(日本化学会編 コロイド化学I(株)東京化学同人1995年発行)。 Here, t-plot analysis is a kind of analysis evaluation method of nitrogen adsorption isotherm obtained by measuring nitrogen adsorption at liquid nitrogen temperature of nitrogen gas. That is, the t-plot analysis analyzes the deviation of the nitrogen adsorption isotherm of the measurement sample from the linearity based on the nitrogen adsorption isotherm of the standard substance which is the same material as the measurement sample and has no micropores. This is a type of comparative plot (edited by the Chemical Society of Japan, Colloidal Chemistry I, Tokyo Chemical Co., Ltd., published in 1995).

ミクロ孔比表面積は、tプロット解析では、測定試料の全比表面積と外部比表面積の差として得られる。ここで、外部比表面積は、測定試料の外部に面する部分の比表面積を意味する。ミクロ孔を有する測定試料のtプロット解析では、以下の傾向が見られる。すなわち、ごく低圧では、窒素ガスは、ミクロ孔の表面を含んだ測定試料の全表面(すなわち、ミクロ孔の表面、及びミクロ孔以外の外部表面)に吸着する。このため、t(すなわち、吸着厚み)の小さい領域では吸着量がミクロ孔を持たない標準物質に対して上方にずれる。すなわち、tプロットの傾きが標準物質に対して大きくなる。この傾きから、測定試料の全比表面積が算出される。 The micropore specific surface area is obtained as the difference between the total specific surface area and the external specific surface area of the measurement sample in the t-plot analysis. Here, the external specific surface area means the specific surface area of the portion of the measurement sample facing the outside. In the t-plot analysis of the measurement sample having micropores, the following tendency is observed. That is, at a very low pressure, the nitrogen gas is adsorbed on the entire surface of the measurement sample including the surface of the micropores (that is, the surface of the micropores and the outer surface other than the micropores). Therefore, in the region where t (that is, the adsorption thickness) is small, the adsorption amount shifts upward with respect to the standard substance having no micropores. That is, the slope of the t-plot becomes larger than that of the standard substance. From this slope, the total specific surface area of the measurement sample is calculated.

そして、ミクロ孔のポアフィリングが終了すると、窒素ガスの吸着はミクロ孔以外の外部表面に対してのみ進行する。したがって、吸着厚みの大きな領域ではtプロットの傾きが小さくなる。この傾きから、測定試料の外部比表面積(測定試料のミクロ孔を除いた外部表面の表面積)が算出される。そのため、ミクロ孔を有する測定試料のtプロットは、上に凸の形状となる。一方、測定試料にミクロ孔が無い場合は、tプロットは、原点を通る一本の直線となる。図3に一例を示す。図3の横軸は窒素ガスの吸着厚み(nm)を示し、縦軸は窒素ガスの吸着量(molg−1やcm(STP)g−1など)を示す。tプロットLは上に凸の形状となっており、傾きの大きなtプロットL1と、傾きの小さいtプロットL2とに区分される。tプロットL1は、ミクロ孔への吸着を反映したグラフとなっている。一方、tプロットL2は、窒素ガスのミクロ孔以外の外部表面への吸着を反映したグラフとなっている。したがって、tプロットL2の傾きから、測定試料の外部比表面積が求まり、窒素吸着等温線L1の傾きから、測定試料の全比表面積が求まる。そして、これらの差からミクロ孔の表面積が求まる。なお、tプロットL2の切片(Y)から、ミクロ孔の容積も求まる。 Then, when the pore filling of the micropores is completed, the adsorption of nitrogen gas proceeds only to the outer surface other than the micropores. Therefore, the slope of the t-plot becomes small in the region where the adsorption thickness is large. From this slope, the external specific surface area of the measurement sample (the surface area of the outer surface excluding the micropores of the measurement sample) is calculated. Therefore, the t-plot of the measurement sample having micropores has an upwardly convex shape. On the other hand, when the measurement sample has no micropores, the t-plot is a straight line passing through the origin. An example is shown in FIG. The horizontal axis of FIG. 3 shows the adsorption thickness (nm) of nitrogen gas, and the vertical axis shows the adsorption amount of nitrogen gas (molg -1 or cm 3 (STP) g -1 etc.). The t-plot L has an upwardly convex shape, and is divided into a t-plot L1 having a large inclination and a t-plot L2 having a small inclination. The t-plot L1 is a graph that reflects the adsorption to the micropores. On the other hand, the t-plot L2 is a graph that reflects the adsorption of nitrogen gas on an external surface other than the micropores. Therefore, the external specific surface area of the measurement sample can be obtained from the slope of the t-plot L2, and the total specific surface area of the measurement sample can be obtained from the slope of the nitrogen adsorption isotherm L1. Then, the surface area of the micropores can be obtained from these differences. The volume of the micropores can also be obtained from the intercept (Y) of the t-plot L2.

ところで、本発明者らが本発明の検討を進める過程で、上述した黒鉛化処理を行った測定試料を準備した。そして、本発明者は、一般的に公開されている標準物質の窒素吸着等温線を用いて測定試料のtプロット解析を試みた。この結果、測定試料の窒素吸着等温線が下に凸の形状になる場合があるという問題が生じた。この場合、測定試料が本実施形態の触媒担体用炭素材料の条件を満たすかどうかを判定できない。 By the way, in the process of proceeding with the study of the present invention by the present inventors, a measurement sample subjected to the above-mentioned graphitization treatment was prepared. Then, the present inventor tried t-plot analysis of the measurement sample using the nitrogen adsorption isotherm of the standard substance which is generally open to the public. As a result, there is a problem that the nitrogen adsorption isotherm of the measurement sample may have a downwardly convex shape. In this case, it cannot be determined whether or not the measurement sample satisfies the condition of the carbon material for the catalyst carrier of the present embodiment.

本発明者は、この原因は、一般に公開されている炭素材料の標準物質には、本実施形態で使用される触媒担体用炭素材料よりも多くの微細なミクロ孔が存在することであると推定した。そして、本発明者は、測定試料(あるいは測定試料と同種の試料)を不活性雰囲気下、2600℃以上の温度で熱処理することによってミクロ孔を極力少なくした炭素材料を作製し、これを標準物質とした。ここで、同種の試料とは、測定試料と同様の物性を示す材料を意味する。同様の試料は、例えば炭素材料であれば、炭素材料であり、より好ましくは、炭素材料の種類を同一にすることである。すなわち、カーボンブラックであればカーボンブラック、活性炭であれば活性炭である。さらに好ましくは、銘柄、ロットまで同一にすることである。これにより、本発明者は、上記の問題を解決した。すなわち、この標準物質を用いて上述した測定試料のtプロット解析を行ったところ、上に凸の窒素吸着等温線を得ることに成功した。従って、触媒担体用炭素材料として使用可能な炭素材料を判別するためのtプロット解析では、まず、測定試料を不活性雰囲気下、2600℃以上の温度で熱処理することで標準物質を作製する。そして、この標準物質を用いて、tプロット解析を行えば良い。このような標準物質では、ミクロ孔は、無視できる程度に少なくなる。このため、tプロット解析を正しく行うことができる。なお、熱処理の時間は特に制限されない。熱処理の時間が長いほどミクロ孔の数が少なくなるので、所望の窒素吸着等温線が得られるようになるまで、熱処理を行えば良い。 The present inventor presumes that the cause of this is that the publicly available standard material of carbon material has more fine micropores than the carbon material for catalyst carrier used in the present embodiment. did. Then, the present inventor prepares a carbon material having as few micropores as possible by heat-treating the measurement sample (or a sample of the same type as the measurement sample) at a temperature of 2600 ° C. or higher in an inert atmosphere, and uses this as a standard substance. And said. Here, the same type of sample means a material showing the same physical properties as the measurement sample. A similar sample is, for example, a carbon material if it is a carbon material, and more preferably, the same type of carbon material is used. That is, if it is carbon black, it is carbon black, and if it is activated carbon, it is activated carbon. More preferably, the brand and lot are the same. As a result, the present inventor has solved the above problem. That is, when the t-plot analysis of the above-mentioned measurement sample was performed using this standard substance, it was successful to obtain an upwardly convex nitrogen adsorption isotherm. Therefore, in the t-plot analysis for discriminating a carbon material that can be used as a carbon material for a catalyst carrier, first, a standard substance is prepared by heat-treating the measurement sample at a temperature of 2600 ° C. or higher in an inert atmosphere. Then, t-plot analysis may be performed using this standard substance. With such reference materials, the micropores are negligibly reduced. Therefore, the t-plot analysis can be performed correctly. The heat treatment time is not particularly limited. Since the number of micropores decreases as the heat treatment time becomes longer, the heat treatment may be performed until a desired nitrogen adsorption isotherm can be obtained.

(1−5.ミクロ孔比表面積の大きさ)
tプロット解析で評価されるミクロ孔比表面積Smicroが250m/g超700m/g未満であることが好ましい。ミクロ孔比表面積Smicroがこの範囲内の値となる場合、触媒担持の際に触媒成分が吸着しやすいグラフェンのエッジ部分が多く存在するため、触媒成分の担持性が高まる。また、グラフェンのエッジ部分に親水基が存在するのでプロトン伝導経路になる吸着水が多く存在する。すなわち、触媒利用率を高くすることができる。
(1-5. Size of micropore specific surface area)
It is preferable micropore specific surface area S micro evaluated at t plot analysis is less than 250 meters 2 / g Ultra 700m 2 / g. When the micropore specific surface area Micro is within this range, the supportability of the catalyst component is enhanced because there are many edge portions of graphene on which the catalyst component is easily adsorbed when the catalyst is supported. In addition, since hydrophilic groups are present at the edge of graphene, there is a large amount of adsorbed water that serves as a proton conduction path. That is, the catalyst utilization rate can be increased.

一方、ミクロ孔比表面積Smicroが250m/g以下の場合、触媒担持の際に触媒成分が吸着しやすいグラフェンエッジ部分が少なくなる。このため、高い担持率で触媒成分を担持すると触媒成分が凝集し、触媒成分の粒子径が粗大化したり、触媒成分の分散性が低下する可能性がある。また、グラフェンのエッジ部分に存在する親水基が少なくなるので、プロトン伝導経路となる吸着水が少なくなる可能性がある。すなわち、触媒利用率が低下する可能性がある。ミクロ孔比表面積Smicroが700m/g以上の場合、耐久性との両立が難しくなる可能性がある。具体的には、ミクロ孔比表面積Smicroが700m/g以上となる場合、ラマン分光法により測定されるGバンドの半値幅が30cm−1超65cm−1未満に制御することが難しくなる可能性がある。 On the other hand, when the micropore specific surface area S micro is 250 m 2 / g or less, the graphene edge portion where the catalyst component is easily adsorbed when the catalyst is supported is reduced. Therefore, if the catalyst component is supported at a high loading rate, the catalyst component may aggregate, the particle size of the catalyst component may become coarse, or the dispersibility of the catalyst component may decrease. In addition, since the number of hydrophilic groups present at the edge portion of graphene is reduced, the amount of adsorbed water serving as a proton conduction path may be reduced. That is, the catalyst utilization rate may decrease. When the micropore specific surface area S micro is 700 m 2 / g or more, it may be difficult to achieve both durability. Specifically, when the micropore specific surface area S micro is 700 m 2 / g or more, it may be difficult to control the half width of the G band measured by Raman spectroscopy to less than 30 cm -1 and more than 65 cm -1. There is sex.

(1−6.外部比表面積の大きさ)
tプロット解析で評価される外部比表面積Soutが300m/g超である。この場合、触媒担体用炭素材料は、中空部分を有する。すなわち、触媒担体用炭素材料は、中空構造となっているので、比表面積の分母である「炭素材料の質量」が極めて小さくなる。このため、外部比表面積Soutが300m/g超となる。また、触媒担体用炭素材料の表面に形成された細孔のうち、一部の細孔は中空部分に連結される。また、細孔及び中空部分は、賦活処理によって形成されるので、細孔及び中空部分の表面は高い親水性を有する。すなわち、細孔及び中空部分の表面には、グラフェンのエッジ炭素原子が露出しており、これらのエッジ炭素原子には、賦活処理により親水基が導入されている。このため、細孔及び中空部分の表面は高い親水性を有する。したがって、細孔及び中空部分の表面には、水分が高密度で吸着している。そして、このような触媒担体用炭素材料に触媒成分を担持させた場合、触媒担体用炭素材料の外部表面のみならず、細孔及び中空部分の表面にも触媒成分が担持される。そして、細孔及び中空部分の表面に吸着している水分によってプロトンが触媒成分に伝導されるので、これらの触媒成分を還元反応に使用することができる。さらに、これらの触媒成分は、電解質材料によって覆われにくいので、より確実に還元反応に使用することができる。したがって、触媒成分の利用率が向上する。
(1-6. Size of external specific surface area)
The external specific surface area S out evaluated by t-plot analysis is more than 300 m 2 / g. In this case, the carbon material for the catalyst carrier has a hollow portion. That is, since the carbon material for the catalyst carrier has a hollow structure, the "mass of the carbon material", which is the denominator of the specific surface area, becomes extremely small. Therefore, the external specific surface area S out becomes more than 300 m 2 / g. Further, among the pores formed on the surface of the carbon material for the catalyst carrier, some of the pores are connected to the hollow portion. Further, since the pores and the hollow portion are formed by the activation treatment, the surface of the pores and the hollow portion has high hydrophilicity. That is, the edge carbon atoms of graphene are exposed on the surfaces of the pores and the hollow portion, and hydrophilic groups are introduced into these edge carbon atoms by activation treatment. Therefore, the surfaces of the pores and hollow portions have high hydrophilicity. Therefore, water is adsorbed at high density on the surfaces of the pores and hollow portions. When the catalyst component is supported on such a carbon material for a catalyst carrier, the catalyst component is supported not only on the outer surface of the carbon material for the catalyst carrier but also on the surfaces of the pores and the hollow portion. Then, since protons are conducted to the catalyst components by the water adsorbed on the surfaces of the pores and the hollow portion, these catalyst components can be used in the reduction reaction. Furthermore, since these catalyst components are not easily covered by the electrolyte material, they can be used more reliably in the reduction reaction. Therefore, the utilization rate of the catalyst component is improved.

さらに、細孔及び中空部分の表面は高い親水性を有するので、触媒担体用炭素材料は、低加湿環境下であっても、電解質材料を湿潤状態に維持することができる。さらに、触媒層中で触媒成分が凝集しにくくなる。 Further, since the surfaces of the pores and the hollow portion have high hydrophilicity, the carbon material for the catalyst carrier can keep the electrolyte material in a wet state even in a low humidification environment. Further, the catalyst component is less likely to aggregate in the catalyst layer.

一方、外部比表面積Soutが300m/g以下となる場合、細孔及び中空部分が小さくなるので、中空部分の表面に担持される触媒成分の数が少なくなる。さらに、細孔及び中空部分の親水性も低下するので、これらの表面に吸着する水分の密度も小さくなる。このため、プロトン伝導抵抗が大きくなる。これらの結果、触媒利用率が低下する。さらに、触媒成分を触媒担体用炭素材料に高密度で担持させようとした場合に、触媒成分が凝集しやすくなる。このため、固体高分子形燃料電池を長時間運転した場合、触媒利用率が低下しやすくなる。 On the other hand, when the external specific surface area S out is 300 m 2 / g or less, the pores and the hollow portion become small, so that the number of catalyst components supported on the surface of the hollow portion decreases. Furthermore, since the hydrophilicity of the pores and hollow portions is also reduced, the density of water adsorbed on these surfaces is also reduced. Therefore, the proton conduction resistance increases. As a result, the catalyst utilization rate decreases. Further, when the catalyst component is supported on the carbon material for the catalyst carrier at a high density, the catalyst component tends to aggregate. Therefore, when the polymer electrolyte fuel cell is operated for a long time, the catalyst utilization rate tends to decrease.

外部比表面積Soutの好ましい範囲は400m/g超となる。この場合、より多くの触媒成分を細孔及び中空部分の表面に担持させることができる。さらに、プロトン伝導抵抗も著しく低下する。これらの結果、触媒利用率が著しく向上する。 The preferable range of the external specific surface area S out is more than 400 m 2 / g. In this case, more catalyst components can be supported on the surfaces of the pores and hollow portions. In addition, the proton conduction resistance is significantly reduced. As a result, the catalyst utilization rate is significantly improved.

なお、特許文献6では、メソ孔の比表面積(m/g)をDH(Dollimore−Heal)法により解析している。そして、特許文献6に開示された炭素材料では、この方法により評価されたメソ孔の比表面積が400m/g以上となっている。これに対し、本実施形態では、外部比表面積をtプロット法により解析する。tプロット法では、ミクロ孔以外の部分を外部表面として外部比表面積を測定するので、一見すると両者は類似している。ミクロ孔以外の部分には、メソ孔も含まれるからである。しかし、本発明者らが検討した結果では、DH法でメソ孔の比表面積が大きい場合においても触媒利用率が低くなる場合があることが判明した。DH法で算出される細孔径は、細孔がシリンダー形状と仮定しているため、スリット状の細孔などが含まれる場合、実際の炭素材料構造を反映できないことが原因と推定される。これに対し、tプロット解析では、細孔のない基準物質の吸着挙動との差で外部比表面積を算出するため、細孔の形状によらず実際の構造に反映した値を得ることができる。実際、後述する比較例に示されるとおり、特許文献6に開示された炭素材料では、確かにDH法で算出されたメソ孔の比表面積が400m/g以上となるが、tプロットで算出される外部比表面積は300m/gよりも非常に小さくなる。 In Patent Document 6, the specific surface area (m 2 / g) of the mesopores is analyzed by the DH (Dollimore-Heal) method. In the carbon material disclosed in Patent Document 6, the specific surface area of the mesopores evaluated by this method is 400 m 2 / g or more. On the other hand, in the present embodiment, the external specific surface area is analyzed by the t-plot method. In the t-plot method, the external specific surface area is measured with the portion other than the micropores as the outer surface, so that the two are similar at first glance. This is because the portion other than the micropores also includes the mesopores. However, as a result of the examination by the present inventors, it was found that the catalyst utilization rate may be low even when the specific surface area of the mesopores is large by the DH method. Since the pore diameter calculated by the DH method is assumed to be a cylinder shape, it is presumed that the cause is that the actual carbon material structure cannot be reflected when slit-shaped pores or the like are included. On the other hand, in the t-plot analysis, since the external specific surface area is calculated by the difference from the adsorption behavior of the reference substance having no pores, a value reflected in the actual structure can be obtained regardless of the shape of the pores. In fact, as shown in the comparative example described later, in the carbon material disclosed in Patent Document 6, the specific surface area of the mesopores calculated by the DH method is certainly 400 m 2 / g or more, but it is calculated by the t plot. The external specific surface area is much smaller than 300 m 2 / g.

触媒担体用炭素材料の外部比表面積を300m/g超とする方法としては、例えば、出発物質である炭素材料を従来よりも非常に強く賦活する方法が挙げられる。賦活処理の種類は特に制限されず、炭素材料の分子構造に欠陥を与える処理であればどのような処理であってもよい。賦活処理の例としては、炭素材料を酸素、空気、水蒸気、二酸化炭素などのガス、もしくはこれらのガスを含んだ不活性ガスを流通させた環境下で加熱する処理等が挙げられる。これにより、中空構造を有する触媒担体用炭素材料を作製することができる。以下、図1に基づいて、賦活処理によって炭素材料に中空部分が形成される様子を説明する。 Examples of the method of setting the external specific surface area of the carbon material for the catalyst carrier to more than 300 m 2 / g include a method of activating the carbon material as a starting material much stronger than before. The type of activation treatment is not particularly limited, and any treatment may be used as long as it causes defects in the molecular structure of the carbon material. Examples of the activation treatment include a treatment in which a carbon material is heated in an environment in which a gas such as oxygen, air, water vapor, or carbon dioxide, or an inert gas containing these gases is circulated. Thereby, a carbon material for a catalyst carrier having a hollow structure can be produced. Hereinafter, a state in which a hollow portion is formed in the carbon material by the activation treatment will be described with reference to FIG.

図1(a)は、出発物質である炭素材料110を模式的に示す断面図である。炭素材料110の表面には、複数の細孔110aが形成されている。炭素材料110に賦活処理を施すと、賦活の初期では、結晶子間の隙間の非晶質部分や結晶子を構成するグラフェンのエッジが優先的に削られる。そして、炭素材料110の表面全体が減肉されながら細孔110aの底部が炭素材料110の中心側に進行する。その後、細孔110aの底部が炭素材料の内部に存在する非晶質部分に到達する。そして、さらに賦活が進行すると、この非晶質部分が優先的に削られる。この結果、図1(b)に示される触媒担体用炭素材料110Aが作製される。触媒担体用炭素材料110Aは、中空部分110bを有しており、細孔110aは、中空部分110bと外部表面110eとを連結している。さらに、細孔110aの壁面110c及び中空部分110bの壁面110dは高い親水性を有する。 FIG. 1A is a cross-sectional view schematically showing a carbon material 110 as a starting material. A plurality of pores 110a are formed on the surface of the carbon material 110. When the carbon material 110 is subjected to the activation treatment, the amorphous portion of the gap between the crystallites and the edge of graphene constituting the crystallites are preferentially scraped at the initial stage of activation. Then, the bottom portion of the pore 110a advances toward the center side of the carbon material 110 while the entire surface of the carbon material 110 is thinned. After that, the bottom of the pore 110a reaches the amorphous portion existing inside the carbon material. Then, as the activation further progresses, this amorphous portion is preferentially scraped. As a result, the carbon material 110A for the catalyst carrier shown in FIG. 1B is produced. The carbon material 110A for the catalyst carrier has a hollow portion 110b, and the pores 110a connect the hollow portion 110b and the outer surface 110e. Further, the wall surface 110c of the pore 110a and the wall surface 110d of the hollow portion 110b have high hydrophilicity.

図2は、触媒担体用炭素材料110Aに触媒成分120を担持させた様子を示す。触媒成分120は、触媒担体用炭素材料110Aの外部表面110eのみならず、細孔110aの壁面110c及び中空部分110bの壁面110dにも担持される。なお、図2には、中空部分110bの壁面110dに担持される触媒成分120を示した。 FIG. 2 shows a state in which the catalyst component 120 is supported on the carbon material 110A for the catalyst carrier. The catalyst component 120 is supported not only on the outer surface 110e of the carbon material 110A for the catalyst carrier, but also on the wall surface 110c of the pores 110a and the wall surface 110d of the hollow portion 110b. Note that FIG. 2 shows the catalyst component 120 supported on the wall surface 110d of the hollow portion 110b.

なお、上記賦活処理だけでも炭素材料の親水性を十分高くすることができるが、さらに親水化処理をおこなってもよい。これにより、炭素材料の表面の親水性をさらに高めることができる。親水化処理の種類は特に制限されず、炭素材料の親水性を高める処理であればどのような処理であってもよい。親水化処理の例としては、炭素材料を加熱した硝酸水溶液内に浸漬させる処理等が挙げられる。 Although the hydrophilicity of the carbon material can be sufficiently increased only by the above activation treatment, the hydrophilicity treatment may be further performed. This makes it possible to further increase the hydrophilicity of the surface of the carbon material. The type of the hydrophilic treatment is not particularly limited, and any treatment may be used as long as it is a treatment for increasing the hydrophilicity of the carbon material. Examples of the hydrophilic treatment include a treatment in which a carbon material is immersed in a heated nitric acid aqueous solution.

(1−7.触媒担体用炭素材料の種類)
触媒担体用炭素材料の種類は、化学的に安定な炭素材料であることが好ましい。触媒担体用炭素材料の好ましい例としては、カーボンブラックが挙げられる。触媒担体用炭素材料は、他の種類の炭素材料、例えば、黒鉛、炭素繊維、活性炭等、これらの粉砕物、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等の炭素化合物等であってもよい。また、触媒担体用炭素材料は、これらの2種類以上の混合物であってもよい。
(1-7. Types of carbon materials for catalyst carriers)
The type of carbon material for the catalyst carrier is preferably a chemically stable carbon material. A preferable example of the carbon material for a catalyst carrier is carbon black. The carbon material for the catalyst carrier may be another type of carbon material, for example, graphite, carbon fiber, activated carbon or the like, pulverized products thereof, carbon nanofibers, carbon nanotubes or the like or the like. Further, the carbon material for the catalyst carrier may be a mixture of two or more of these.

<2.触媒担体用炭素材料の製造方法>
次に、触媒担体用炭素材料の製造方法について説明する。まず、出発物質となる炭素材料を準備する。ここで、炭素材料は、化学的に安定な炭素材料であることが好ましい。炭素材料の好ましい例としては、カーボンブラックが挙げられる。炭素材料は、他の種類の炭素材料、例えば、黒鉛、炭素繊維、活性炭等、これらの粉砕物、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等の炭素化合物等であってもよい。また、炭素材料は、これらの2種類以上の混合物であってもよい。
<2. Method for manufacturing carbon material for catalyst carrier>
Next, a method for producing a carbon material for a catalyst carrier will be described. First, a carbon material as a starting material is prepared. Here, the carbon material is preferably a chemically stable carbon material. A preferable example of the carbon material is carbon black. The carbon material may be another type of carbon material, for example, graphite, carbon fiber, activated carbon or the like, pulverized products thereof, carbon nanofibers, carbon nanotubes or the like or the like. Further, the carbon material may be a mixture of two or more of these.

ついで、炭素材料を賦活処理する。賦活処理の種類は特に制限されず、炭素材料の分子構造に欠陥を与える処理であればどのような処理であってもよい。賦活処理の例としては、炭素材料を酸素、空気、水蒸気、二酸化炭素などのガス、もしくはこれらのガスを含んだ不活性ガスを流通させた環境下で加熱する処理等が挙げられる。賦活処理は、外部比表面積を300m/g超となるまで行えば良い。 Then, the carbon material is activated. The type of activation treatment is not particularly limited, and any treatment may be used as long as it causes defects in the molecular structure of the carbon material. Examples of the activation treatment include a treatment in which a carbon material is heated in an environment in which a gas such as oxygen, air, water vapor, or carbon dioxide, or an inert gas containing these gases is circulated. The activation treatment may be carried out until the external specific surface area exceeds 300 m 2 / g.

ついで、炭素材料に黒鉛化処理を行う。具体的には、炭素材料を1600℃以上の高温環境に曝す。炭素材料を黒鉛化処理することで、炭素材料を構成する結晶子が大きく成長する。この結果、炭素材料のGバンドの半値幅が上述した範囲内の値となりうる。黒鉛化処理の加熱処理は、好ましくは、1800〜2400℃である。黒鉛化処理は、Gバンドの半値幅が30cm−1超65m−1未満となるまで行えばよい。 Then, the carbon material is graphitized. Specifically, the carbon material is exposed to a high temperature environment of 1600 ° C. or higher. By graphitizing the carbon material, the crystallites constituting the carbon material grow significantly. As a result, the half width of the G band of the carbon material can be a value within the above range. The heat treatment of the graphitization treatment is preferably 1800 to 2400 ° C. The graphitization treatment may be performed until the half width of the G band is more than 30 cm -1 and less than 65 m -1 .

ついで、上述した各パラメータ、すなわち、Gバンドの半値幅、BET比表面積SBET(m/g)、及びSout/Stotal、及び外部比表面積Soutを測定する。そして、これらのパラメータが上述した範囲内の値となる炭素材料を触媒担体用炭素材料として選択する。なお、触媒担体用炭素材料の親水性をさらに高めたい場合(具体的には、例えば、固体高分子形燃料電池の特性をさらに高めたい場合)、追加で親水化処理を行えば良い。親水化処理の種類は特に制限されず、炭素材料の親水性を高める処理であればどのような処理であってもよい。親水化処理の例としては、炭素材料を加熱した硝酸水溶液内に浸漬させる処理等が挙げられる。以上の工程により、触媒担体用炭素材料を作製する。 Then, each of the above-mentioned parameters, that is, the half width of the G band, the BET specific surface area SBET (m 2 / g), and the Out / Total , and the external specific surface area S out are measured. Then, a carbon material in which these parameters have values within the above-mentioned range is selected as the carbon material for the catalyst carrier. If it is desired to further enhance the hydrophilicity of the carbon material for the catalyst carrier (specifically, for example, if it is desired to further enhance the characteristics of the polymer electrolyte fuel cell), an additional hydrophilic treatment may be performed. The type of the hydrophilic treatment is not particularly limited, and any treatment may be used as long as it is a treatment for increasing the hydrophilicity of the carbon material. Examples of the hydrophilic treatment include a treatment in which a carbon material is immersed in a heated nitric acid aqueous solution. By the above steps, a carbon material for a catalyst carrier is produced.

<3.固体高分子形燃料電池の構成>
本実施形態に係る触媒担体用炭素材料は、例えば図4に示す固体高分子形燃料電池1に適用可能である。固体高分子形燃料電池1は、セパレータ10、20、ガス拡散層30、40、触媒層50、60、及び電解質膜70を備える。
<3. Composition of polymer electrolyte fuel cell>
The carbon material for a catalyst carrier according to the present embodiment can be applied to, for example, the polymer electrolyte fuel cell 1 shown in FIG. The polymer electrolyte fuel cell 1 includes separators 10 and 20, gas diffusion layers 30 and 40, catalyst layers 50 and 60, and an electrolyte membrane 70.

セパレータ10は、アノード側のセパレータであり、水素等の還元性ガスをガス拡散層30に導入する。セパレータ20は、カソード側のセパレータであり、酸素ガス、空気等の酸化性ガスをガス拡散凝集相に導入する。セパレータ10、20の種類は特に問われず、従来の燃料電池、例えば固体高分子形燃料電池で使用されるセパレータであればよい。 The separator 10 is a separator on the anode side, and a reducing gas such as hydrogen is introduced into the gas diffusion layer 30. The separator 20 is a separator on the cathode side, and introduces an oxidizing gas such as oxygen gas or air into the gas diffusion-aggregated phase. The types of the separators 10 and 20 are not particularly limited, and any separator used in a conventional fuel cell, for example, a polymer electrolyte fuel cell may be used.

ガス拡散層30は、アノード側のガス拡散層であり、セパレータ10から供給された還元性ガスを拡散させた後、触媒層50に供給する。ガス拡散層40は、カソード側のガス拡散層であり、セパレータ20から供給された酸化性ガスを拡散させた後、触媒層60に供給する。ガス拡散層30、40の種類は特に問われず、従来の燃料電池、例えば固体高分子形燃料電池に使用されるガス拡散層であればよい。ガス拡散層30、40の例としては、カーボンクロスやカーボンペーパー等の多孔質炭素材料、金属メッシュや金属ウール等の多孔質金属材料等が挙げられる。なお、ガス拡散層30、40の好ましい例としては、ガス拡散層のセパレータ側の層が繊維状炭素材料を主成分とするガス拡散繊維層となり、触媒層側の層がカーボンブラックを主成分とするマイクロポア層となる2層構造のガス拡散層が挙げられる。 The gas diffusion layer 30 is a gas diffusion layer on the anode side, and after diffusing the reducing gas supplied from the separator 10, it is supplied to the catalyst layer 50. The gas diffusion layer 40 is a gas diffusion layer on the cathode side, and after diffusing the oxidizing gas supplied from the separator 20, it is supplied to the catalyst layer 60. The types of the gas diffusion layers 30 and 40 are not particularly limited, and any gas diffusion layer used in a conventional fuel cell, for example, a polymer electrolyte fuel cell may be used. Examples of the gas diffusion layers 30 and 40 include porous carbon materials such as carbon cloth and carbon paper, and porous metal materials such as metal mesh and metal wool. As a preferable example of the gas diffusion layers 30 and 40, the layer on the separator side of the gas diffusion layer is a gas diffusion fiber layer containing a fibrous carbon material as a main component, and the layer on the catalyst layer side is mainly composed of carbon black. An example is a gas diffusion layer having a two-layer structure that serves as a micropore layer.

触媒層50は、いわゆるアノードである。触媒層50内では、還元性ガスの酸化反応が起こり、プロトンと電子が生成される。例えば、還元性ガスが水素ガスとなる場合、以下の酸化反応が起こる。
→2H+2e (E=0V)
The catalyst layer 50 is a so-called anode. In the catalyst layer 50, an oxidation reaction of the reducing gas occurs to generate protons and electrons. For example, when the reducing gas becomes hydrogen gas, the following oxidation reaction occurs.
H 2 → 2H + + 2e (E 0 = 0V)

酸化反応によって生じたプロトンは、触媒層50、及び電解質膜70を通って触媒層60に到達する。酸化反応によって生じた電子は、触媒層50、ガス拡散層30、及びセパレータ10を通って外部回路に到達する。電子は、外部回路内で仕事をした後、セパレータ20に導入される。その後、電子は、セパレータ20、ガス拡散層40を通って触媒層60に到達する。 The protons generated by the oxidation reaction reach the catalyst layer 60 through the catalyst layer 50 and the electrolyte membrane 70. The electrons generated by the oxidation reaction reach the external circuit through the catalyst layer 50, the gas diffusion layer 30, and the separator 10. The electrons are introduced into the separator 20 after working in an external circuit. After that, the electrons reach the catalyst layer 60 through the separator 20 and the gas diffusion layer 40.

アノードとなる触媒層50の構成は特に制限されない。すなわち、触媒層50の構成は、従来のアノードと同様の構成であってもよいし、触媒層60と同様の構成であってもよいし、触媒層60よりもさらに親水性が高い構成であってもよい。 The configuration of the catalyst layer 50 serving as the anode is not particularly limited. That is, the structure of the catalyst layer 50 may be the same as that of the conventional anode, the same as that of the catalyst layer 60, or the structure having higher hydrophilicity than that of the catalyst layer 60. You may.

触媒層60は、いわゆるカソードである。触媒層60内では、酸化性ガスの還元反応が起こり、水が生成される。例えば、酸化性ガスが酸素ガスあるいは空気となる場合、以下の還元反応が起こる。酸化反応で発生した水は、未反応の酸化性ガスとともに燃料電池1の外部に排出される。
+4H+4e→2HO (E=1.23V)
The catalyst layer 60 is a so-called cathode. In the catalyst layer 60, a reduction reaction of the oxidizing gas occurs to generate water. For example, when the oxidizing gas becomes oxygen gas or air, the following reduction reaction occurs. The water generated in the oxidation reaction is discharged to the outside of the fuel cell 1 together with the unreacted oxidizing gas.
O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (E 0 = 1.23V)

このように、燃料電池1では、酸化反応と還元反応とのエネルギー差(電位差)を利用して発電する。言い換えれば、酸化反応で生じた電子が外部回路で仕事を行う。 As described above, in the fuel cell 1, power is generated by utilizing the energy difference (potential difference) between the oxidation reaction and the reduction reaction. In other words, the electrons generated by the oxidation reaction do the work in the external circuit.

触媒層60には、本実施形態に係る触媒担体用炭素材料が含まれていることが好ましい。すなわち、触媒層60は、本実施形態に係る触媒担体用炭素材料と、電解質材料と、触媒成分とを含む。これにより、触媒層60内の触媒利用率を高めることができ、ひいては、固体高分子形燃料電池1の触媒利用率を高めることができる。 The catalyst layer 60 preferably contains the carbon material for the catalyst carrier according to the present embodiment. That is, the catalyst layer 60 includes a carbon material for a catalyst carrier according to the present embodiment, an electrolyte material, and a catalyst component. As a result, the catalyst utilization rate in the catalyst layer 60 can be increased, and by extension, the catalyst utilization rate of the polymer electrolyte fuel cell 1 can be increased.

なお、触媒層60における触媒担持率は特に制限されないが、30質量%以上80質量%未満であることが好ましい。ここで、触媒担持率は、触媒担持粒子(触媒担体用炭素材料に触媒成分を担持させた粒子)の総質量に対する触媒成分の質量%であることが好ましい。この場合、触媒利用率がさらに高くなる。なお、触媒担持率が30質量%未満となる場合、固体高分子形燃料電池1を実用に耐えるようにするために触媒層60を厚くする必要が生じうる。一方、触媒担持率が80質量%以上となる場合、触媒凝集が起こりやすくなる。また、触媒層60が薄くなりすぎて、フラッディングが起こる可能性が生じる。 The catalyst loading ratio in the catalyst layer 60 is not particularly limited, but is preferably 30% by mass or more and less than 80% by mass. Here, the catalyst-supporting ratio is preferably the mass% of the catalyst component with respect to the total mass of the catalyst-supporting particles (particles in which the catalyst component is supported on the carbon material for the catalyst carrier). In this case, the catalyst utilization rate becomes even higher. When the catalyst loading ratio is less than 30% by mass, it may be necessary to thicken the catalyst layer 60 in order to make the polymer electrolyte fuel cell 1 practically usable. On the other hand, when the catalyst loading ratio is 80% by mass or more, catalyst aggregation is likely to occur. In addition, the catalyst layer 60 becomes too thin, which may cause flooding.

触媒層60における電解質材料の質量I(g)と触媒担体用炭素材料の質量C(g)との質量比I/Cは特に制限されないが、0.5超5.0未満であることが好ましい。この場合、気孔ネットワークと電解質材料ネットワークとが両立でき、触媒利用率が高くなる。一方、質量比I/Cが0.5以下となる場合、電解質材料ネットワークが貧弱になり、プロトン伝導抵抗が高くなる傾向にある。質量比I/Cが5.0以上となる場合、電解質材料によって気孔ネットワークが分断される可能性がある。いずれの場合にも、触媒利用率が低下する可能性がある。 The mass ratio I / C of the mass I (g) of the electrolyte material and the mass C (g) of the carbon material for the catalyst carrier in the catalyst layer 60 is not particularly limited, but is preferably more than 0.5 and less than 5.0. .. In this case, the pore network and the electrolyte material network can be compatible with each other, and the catalyst utilization rate becomes high. On the other hand, when the mass ratio I / C is 0.5 or less, the electrolyte material network tends to be poor and the proton conduction resistance tends to be high. When the mass ratio I / C is 5.0 or more, the pore network may be disrupted by the electrolyte material. In either case, the catalyst utilization rate may decrease.

また、触媒層60の厚さは特に制限されないが、5μm超20μm未満であることが好ましい。この場合、触媒層60内に酸化性ガスが拡散しやすく、かつ、フラッディングが生じにくくなる。触媒層60の厚さが5μm以下となる場合、フラッディングが生じやすくなる。触媒層60の厚さが20μm以上となる場合、触媒層60内で酸化性ガスが拡散しにくくなり、電解質膜70近傍の触媒成分が働きにくくなる。すなわち、触媒利用率が低下する可能性がある。 The thickness of the catalyst layer 60 is not particularly limited, but is preferably more than 5 μm and less than 20 μm. In this case, the oxidizing gas easily diffuses into the catalyst layer 60, and flooding is less likely to occur. When the thickness of the catalyst layer 60 is 5 μm or less, flooding is likely to occur. When the thickness of the catalyst layer 60 is 20 μm or more, the oxidizing gas is less likely to diffuse in the catalyst layer 60, and the catalyst component in the vicinity of the electrolyte membrane 70 is less likely to work. That is, the catalyst utilization rate may decrease.

電解質膜70は、プロトン伝導性を有する電解質材料で構成されている。電解質膜70は、上記酸化反応で生成したプロトンをカソードである触媒層60に導入する。ここで、電解質材料の種類は特に問われず、従来の燃料電池、例えば固体高分子形燃料電池で使用される電解質材料であればよい。好適な例は固体高分子形燃料電池で使用される電解質材料、すなわち、電解質樹脂である。電解質樹脂としては、例えば、リン酸基、スルホン酸基等を導入した高分子、例えば、パーフルオロスルホン酸ポリマーやベンゼンスルホン酸が導入されたポリマー等が挙げられる。もちろん、本実施形態に係る電解質材料は他の種類の電解質材料であってもよい。このような電解質材料としては、例えば、無機系、無機−有機ハイブリッド系等の電解質材料等が挙げられる。なお、燃料電池1は、常温〜150℃の範囲内で作動する燃料電池であってもよい。 The electrolyte membrane 70 is made of an electrolyte material having proton conductivity. The electrolyte membrane 70 introduces the protons generated in the oxidation reaction into the catalyst layer 60 which is a cathode. Here, the type of the electrolyte material is not particularly limited, and any electrolyte material used in a conventional fuel cell, for example, a polymer electrolyte fuel cell may be used. A suitable example is an electrolyte material used in a polymer electrolyte fuel cell, that is, an electrolyte resin. Examples of the electrolyte resin include polymers into which a phosphoric acid group, a sulfonic acid group and the like have been introduced, for example, a perfluorosulfonic acid polymer and a polymer into which a benzenesulfonic acid has been introduced. Of course, the electrolyte material according to this embodiment may be another kind of electrolyte material. Examples of such an electrolyte material include an inorganic material, an inorganic-organic hybrid type, and the like. The fuel cell 1 may be a fuel cell that operates in the range of room temperature to 150 ° C.

<4.固体高分子形燃料電池の製造方法>
固体高分子形燃料電池1の製造方法は特に制限されず、従来と同様の製造方法であればよい。ただし、カソード側の触媒担体には本実施形態に係る触媒担体用炭素材料を用いることが好ましい。
<4. Manufacturing method of polymer electrolyte fuel cell>
The manufacturing method of the polymer electrolyte fuel cell 1 is not particularly limited, and any manufacturing method similar to the conventional one may be used. However, it is preferable to use the carbon material for the catalyst carrier according to the present embodiment as the catalyst carrier on the cathode side.

<1.炭素材料の準備>
出発物質となる炭素材料として、MCND(新日鉄住金化学株式会社製エスカーボン)、EC300(ライオン株式会社製ケッチェンブラックEC300)、EC600JD(ライオン株式会社製ケッチェンブラックEC600JD)の3種の炭素材料を準備した。
<1. Preparation of carbon material >
Three types of carbon materials are used as starting materials: MCND (S-Carbon manufactured by Nippon Steel & Sumikin Chemical Co., Ltd.), EC300 (Ketchen Black EC300 manufactured by Lion Corporation), and EC600JD (Ketchen Black EC600JD manufactured by Lion Corporation). Got ready.

<2.パラメータの測定方法>
(2−1.ラマン)
ラマンスペクトルの測定は、NRS−7100型(日本分光(株)製)を用いた。測定条件は、励起レーザー波長:532nm、レーザーパワー:100mW(試料照射パワー:0.1mW)、顕微配置:Backscattering、スリット寸法:100μm×100μm、対物レンズ:×100、スポット径:1μm、露光時間:30sec、観測波数:3200〜750cm−1、積算回数:2回とした。そして、Gバンドと呼ばれる1550〜1650cm−1の範囲のピーク強度の半値幅(△G)を算出した。
<2. Parameter measurement method>
(2-1. Raman)
The Raman spectrum was measured using NRS-7100 type (manufactured by JASCO Corporation). The measurement conditions are excitation laser wavelength: 532 nm, laser power: 100 mW (sample irradiation power: 0.1 mW), microscopic arrangement: Backscattering, slit size: 100 μm × 100 μm, objective lens: × 100, spot diameter: 1 μm, exposure time: The number of observed waves was set to 30 sec, 3,000 to 750 cm -1 , and the number of integrations was set to 2. Then, the half width (ΔG) of the peak intensity in the range of 1550 to 1650 cm -1 called the G band was calculated.

(2−2.BET比表面積)
BET比表面積は、マイクロトラック・ベル社製のBELSORPminiを用いて行った。具体的には、自動比表面積測定装置に120℃で真空乾燥した測定試料を設置し、窒素ガスを用いて吸着等温線を作成した。そして、付属のソフトBELMasterを用いてBET比表面積(SBET)を算出した。
(2-2. BET specific surface area)
The BET specific surface area was determined using BELSORPmini manufactured by Microtrac Bell. Specifically, a measurement sample vacuum-dried at 120 ° C. was placed in an automatic specific surface area measuring device, and an adsorption isotherm was created using nitrogen gas. Then, the BET specific surface area (S BET ) was calculated using the attached software BELMaster.

(2−3.tプロット解析及びDH(Dollimore−Heal)解析)
標準物質として、アルゴン気流中2600℃で2時間熱処理したケッチェンブラックEC600JD(ライオン製)を用意した。そして、この標準物質の窒素吸着等温線をマイクロトラック・ベル社製のBELSORPminiを用いて測定した。この窒素吸着等温線をBELSORPminiに付属のソフトBELMasterの基準データとして登録した。測定物質の窒素吸着等温線をBELSORPminiを用いて測定し、BELMasterを用いて標準試料を基準データとしてtプロット解析、およびDH解析を行った。tプロット解析では、tプロット法により全比表面積Stotal(m/g)、ミクロ孔比表面積Smicro、外部比表面積Sout(m/g)を算出(すなわち、解析)した。DH解析では、DH法によりメソ孔の比表面積(m/g)を算出(すなわち、解析)した。
(2-3. T plot analysis and DH (Dollimore-Heal) analysis)
As a standard substance, Ketjen Black EC600JD (manufactured by Lion) heat-treated at 2600 ° C. for 2 hours in an argon stream was prepared. Then, the nitrogen adsorption isotherm of this standard substance was measured using BELSORPmini manufactured by Microtrac Bell. This nitrogen adsorption isotherm was registered as reference data of the software BELMaster attached to BELSORPmini. The nitrogen adsorption isotherm of the substance to be measured was measured using BELSORPmini, and t-plot analysis and DH analysis were performed using the standard sample as reference data using BELMaster. In the t-plot analysis, the total specific surface area Total (m 2 / g), the micropore specific surface area S micro , and the external specific surface area S out (m 2 / g) were calculated (that is, analyzed) by the t-plot method. In the DH analysis, the specific surface area (m 2 / g) of the mesopores was calculated (that is, analyzed) by the DH method.

<3.実施例1>
(3−1.炭素材料)
出発物質となる炭素材料として、EC300を準備した。
<3. Example 1>
(3-1. Carbon material)
EC300 was prepared as a carbon material as a starting material.

(3−2.賦活処理)
炭素材料にHO賦活処理を行った。具体的には、アルゴンガスを90℃に保持した蒸留水中に通した。ついで、得られた加湿アルゴンガスを950℃に保持した炭素材料に2時間接触させた。
(3-2. Activation process)
It has been of H 2 O activation treatment to a carbon material. Specifically, argon gas was passed through distilled water maintained at 90 ° C. Then, the obtained humidified argon gas was brought into contact with a carbon material kept at 950 ° C. for 2 hours.

(3−3.黒鉛化処理)
賦活処理を行った炭素材料をアルゴン気流中で2時間、1800℃で保持することで、黒鉛化処理を行った。以上の工程により、実施例1に係る触媒担体用炭素材料を作製した。
(3-3. Graphitization treatment)
The activated carbon material was held in an argon air stream for 2 hours at 1800 ° C. to perform graphitization treatment. Through the above steps, the carbon material for the catalyst carrier according to Example 1 was prepared.

(3−4.白金担持処理)
塩化白金酸水溶液中に、触媒担体用炭素材料を分散した。ついで、分散液を50℃に保温し、分散液を撹拌しながら過酸化水素水を加えた。次いで、分散液にNa水溶液を添加することで、触媒前駆体を得た。この触媒前駆体を濾過、水洗、乾燥した後に100%H気流中、300℃で3時間、還元処理を行った。以上の工程により、白金が触媒担持粒子の総質量に対して50質量%担持された触媒担持粒子を作製した。
(3-4. Platinum-supported treatment)
A carbon material for a catalyst carrier was dispersed in an aqueous solution of chloroplatinic acid. Then, the dispersion was kept warm at 50 ° C., and hydrogen peroxide solution was added while stirring the dispersion. Next, a catalyst precursor was obtained by adding an aqueous Na 2 S 2 O 4 solution to the dispersion. The catalyst precursor is filtered, washed with water, 100% H 2 gas stream after drying for 3 hours at 300 ° C., was subjected to reduction treatment. Through the above steps, catalyst-supported particles in which platinum was supported in an amount of 50% by mass based on the total mass of the catalyst-supported particles were produced.

(3−5.塗布インクの調整)
触媒担持粒子を容器に取り、これに5質量%ナフィオン溶液(デュポン製DE521)を触媒担体用炭素材料1質量部に対して、ナフィオンが1.5質量部の比率になるように加えた。ついで、分散液を軽く撹拌した。その後、超音波で触媒担持粒子を粉砕した。その後、さらに分散液を撹拌することで、塗布インクを得た。
(3-5. Adjustment of applied ink)
The catalyst-supported particles were placed in a container, and a 5 mass% Nafion solution (DE521 manufactured by DuPont) was added thereto so that the ratio of Nafion to 1 part by mass of the carbon material for the catalyst carrier was 1.5 parts by mass. Then, the dispersion was lightly stirred. Then, the catalyst-supported particles were pulverized by ultrasonic waves. Then, the dispersion liquid was further stirred to obtain a coating ink.

(3−6.触媒層の作製)
得られた塗布インクをテフロン(登録商標)シートにスプレーした後、アルゴン中80℃で10分間、続いてアルゴン中120℃で60分間乾燥することで、触媒層を作製した。触媒層の白金目付け量は、0.10mg/cmとした。ここで、白金目付け量は以下の工程で測定した。まず、作製したテフロンシート及び触媒層を3cm角の正方形に切り取り、テフロンシート及び触媒層の総質量を測定した。ついで、触媒層をスクレーパーで剥ぎ取った後のテフロンシート質量を測定した。ついで、先の質量と後の質量の差分から触媒層質量を算出した。ついで、触媒インク中の固形分中の白金が占める割合から白金の目付け量を計算により求めた。
(3-6. Preparation of catalyst layer)
The obtained coating ink was sprayed on a Teflon (registered trademark) sheet and then dried in argon at 80 ° C. for 10 minutes, and then dried in argon at 120 ° C. for 60 minutes to prepare a catalyst layer. The platinum basis weight of the catalyst layer was 0.10 mg / cm 2 . Here, the platinum basis weight was measured in the following steps. First, the prepared Teflon sheet and catalyst layer were cut into 3 cm square squares, and the total mass of the Teflon sheet and catalyst layer was measured. Then, the mass of the Teflon sheet after the catalyst layer was scraped off with a scraper was measured. Then, the catalyst layer mass was calculated from the difference between the first mass and the second mass. Then, the basis weight of platinum was calculated from the ratio of platinum in the solid content in the catalyst ink.

(3−8.MEAの作製)
次に、作製した触媒層を用いてMEA(膜電極複合体)を作製した。具体的には、ナフィオン膜(デュポン社製N112)をカッターナイフで6cm角の正方形に切り取り、テフロンシート上に塗布された触媒層を、カッターナイフで2.5cm角の正方形に切り取った。これらの触媒層をアノードおよびカソードとしてナフィオン膜の中心部にずれが無いようにはさむことで積層体を作製した。ついで、積層体を120℃、100kg/cmで10分間プレスした。プレス後の積層体を室温まで冷却した後、アノード、カソード共にテフロンシートのみを注意深くはがした。これにより、アノードおよびカソードの触媒層をナフィオン膜に定着させた。
(3-8. Preparation of MEA)
Next, MEA (membrane electrode composite) was prepared using the prepared catalyst layer. Specifically, the Nafion membrane (N112 manufactured by DuPont) was cut into a 6 cm square with a cutter knife, and the catalyst layer applied on the Teflon sheet was cut into a 2.5 cm square with a cutter knife. A laminate was prepared by sandwiching these catalyst layers as anodes and cathodes so that the central portion of the naphthion membrane was not displaced. Then, the laminate was pressed at 120 ° C. and 100 kg / cm 2 for 10 minutes. After cooling the pressed laminate to room temperature, only the Teflon sheet was carefully peeled off for both the anode and cathode. As a result, the catalyst layers of the anode and the cathode were fixed to the Nafion film.

次にガス拡散層として市販のカーボンクロス(E−TEK社製LT1200W)をカッターナイフで2.5cm角の正方形に切り取った。ついで、切り取ったカーボンクロスをアノードとカソードにずれが無いように積層することで、積層体を作製した。ついで、積層体を120℃、50kg/cmで10分間プレスすることで、MEAを作成した。なお、プレス前の触媒層付テフロンシートの重量とプレス後にはがしたテフロンシートの重量との差から定着した触媒層の重量を求め、触媒層の組成の質量比より白金目付け量を算出し、0.10mg/cmであることを確認した。 Next, a commercially available carbon cloth (LT1200W manufactured by E-TEC) was cut into a 2.5 cm square as a gas diffusion layer with a cutter knife. Then, the cut carbon cloth was laminated so that the anode and the cathode did not deviate from each other to prepare a laminated body. Then, the laminate was pressed at 120 ° C. and 50 kg / cm 2 for 10 minutes to prepare MEA. The weight of the fixed catalyst layer was obtained from the difference between the weight of the Teflon sheet with the catalyst layer before pressing and the weight of the Teflon sheet peeled off after pressing, and the platinum coating amount was calculated from the mass ratio of the composition of the catalyst layer. It was confirmed that it was 0.10 mg / cm 2 .

(3−9.燃料電池発電性能試験)
作製したMEAをそれぞれセルに組み込み、燃料電池測定装置を用いて燃料電池の性能を評価した。具体的には、以下の評価を行った。
(3-9. Fuel cell power generation performance test)
Each of the produced MEAs was incorporated into a cell, and the performance of the fuel cell was evaluated using a fuel cell measuring device. Specifically, the following evaluations were made.

まず、「高加湿」条件下での性能評価を行った。カソードに空気、アノードに純水素を、ガス利用率がそれぞれ30%と60%となるように供給した。それぞれのガス圧は、セル下流に設けられた背圧弁で圧力調整し、0.1MPaに設定した。セル温度は80℃に設定した。また、燃料電池に供給する空気と純水素をそれぞれ80℃に保温された蒸留水に通す(すなわち、バブリングを行う)ことで、加湿した。そして、加湿したガスをセルに供給した。このような条件でセルにガスを供給した後、セル電圧が0.6Vになるまで電流密度を徐々に増加してセル電圧を0.6Vで60分間固定した。その後、セル電圧を0.85Vに固定し、60分経過後の電流密度を発電性能として記録した。 First, the performance was evaluated under "highly humidified" conditions. Air was supplied to the cathode and pure hydrogen was supplied to the anode so that the gas utilization rates were 30% and 60%, respectively. The pressure of each gas was adjusted by a back pressure valve provided downstream of the cell and set to 0.1 MPa. The cell temperature was set to 80 ° C. Further, the air supplied to the fuel cell and pure hydrogen were each passed through distilled water kept at 80 ° C. (that is, bubbling) to humidify the fuel cell. Then, the humidified gas was supplied to the cell. After supplying gas to the cell under such conditions, the current density was gradually increased until the cell voltage reached 0.6 V, and the cell voltage was fixed at 0.6 V for 60 minutes. After that, the cell voltage was fixed at 0.85 V, and the current density after 60 minutes was recorded as the power generation performance.

発電性能結果は、比較例1の発電性能試験で得られた電流密度を基準とし、基準より低い電流密度の場合は×、基準より電流密度が0%超20%以下の範囲で高い場合は○、基準より電流密度が20%超の範囲で高い場合は◎とした。 The power generation performance result is based on the current density obtained in the power generation performance test of Comparative Example 1. If the current density is lower than the standard, it is ×, and if the current density is higher than the standard in the range of more than 0% and 20% or less, it is ○. If the current density is higher than the standard in the range of more than 20%, it is marked with ⊚.

次に、「低加湿」条件下での性能評価を行った。カソードに空気、アノードに純水素を、ガス利用率がそれぞれ30%と60%となるように供給した。それぞれのガス圧は、セル下流に設けられた背圧弁で圧力調整し、0.1MPaに設定した。セル温度は80℃に設定した。また、燃料電池に供給する空気と純水素をそれぞれ50℃に保温された蒸留水に通す(すなわち、バブリングを行う)ことで、加湿した。そして、加湿したガスをセルに供給した。このような条件でセルにガスを供給した後、セル電圧が0.6Vになるまで電流密度を徐々に増加してセル電圧を0.6Vで60分間固定した。その後、セル電圧を0.85Vに固定し、30分経過後の電流密度を発電性能として記録した。 Next, performance evaluation was performed under "low humidification" conditions. Air was supplied to the cathode and pure hydrogen was supplied to the anode so that the gas utilization rates were 30% and 60%, respectively. The pressure of each gas was adjusted by a back pressure valve provided downstream of the cell and set to 0.1 MPa. The cell temperature was set to 80 ° C. Further, the air supplied to the fuel cell and pure hydrogen were each passed through distilled water kept at 50 ° C. (that is, bubbling) to humidify the fuel cell. Then, the humidified gas was supplied to the cell. After supplying gas to the cell under such conditions, the current density was gradually increased until the cell voltage reached 0.6 V, and the cell voltage was fixed at 0.6 V for 60 minutes. After that, the cell voltage was fixed at 0.85 V, and the current density after 30 minutes was recorded as the power generation performance.

発電性能結果は、比較例1の発電性能試験で得られた電流密度を基準とし、基準より低い電流密度の場合は×、基準より電流密度が0%超20%以下の範囲で高い場合は○、基準より電流密度が20%超の範囲で高い場合は◎とした。 The power generation performance result is based on the current density obtained in the power generation performance test of Comparative Example 1. If the current density is lower than the standard, it is ×, and if the current density is higher than the standard in the range of more than 0% and 20% or less, it is ○. If the current density is higher than the standard in the range of more than 20%, it is marked with ⊚.

(3−10.燃料電池耐久性能試験)
発電性能のいずれかが○または、◎の評価であったセルについては、発電性能試験の後に耐久性能試験を行った。耐久性能試験は、以下の工程で行った。すなわち、発電性能試験の後、カソードガスをArに変更し、十分にガス置換を行った。ここで、アルゴンガスは、80℃に保温された蒸留水に通す(すなわち、バブリングを行う)ことで、加湿した。ついで、ポテンショスタットを用いて、水素ガスが流通するアノードを基準としてカソードを0.6Vに4秒保持する処理、1.3Vに4秒保持する処理を200回繰り返した。その後、カソードガスを空気に置換し、燃料電池性能評価試験の条件で、発電性能試験を行った。ここで、空気は、50℃に保温された蒸留水に通す(すなわち、バブリングを行う)ことで、加湿した。電位変動前の電流密度を基準として、電位変動後の電流密度が50%超の場合、評価を○とし、50%以下の場合、評価を×とした。
(3-10. Fuel cell durability performance test)
For cells whose power generation performance was evaluated as ○ or ◎, a durability performance test was conducted after the power generation performance test. The durability performance test was carried out in the following steps. That is, after the power generation performance test, the cathode gas was changed to Ar, and the gas was sufficiently replaced. Here, the argon gas was humidified by passing it through distilled water kept at 80 ° C. (that is, bubbling). Then, using a potentiostat, a process of holding the cathode at 0.6 V for 4 seconds and a process of holding the cathode at 1.3 V for 4 seconds with reference to the anode through which hydrogen gas flows were repeated 200 times. After that, the cathode gas was replaced with air, and a power generation performance test was conducted under the conditions of the fuel cell performance evaluation test. Here, the air was humidified by passing it through distilled water kept at 50 ° C. (that is, bubbling). Based on the current density before the potential fluctuation, when the current density after the potential fluctuation was more than 50%, the evaluation was evaluated as ◯, and when it was 50% or less, the evaluation was evaluated as x.

実施例1の触媒担体用炭素材料は、本実施形態の全ての要件を満たしてした。そして、高加湿発電性能試験の結果は○、低加湿発電性能試験の結果は○、燃料電池耐久性能試験の結果は○であった。結果を表1にまとめて示す。 The carbon material for the catalyst carrier of Example 1 satisfied all the requirements of this embodiment. The result of the high humidification power generation performance test was ○, the result of the low humidification power generation performance test was ○, and the result of the fuel cell durability performance test was ○. The results are summarized in Table 1.

<4.実施例2>
賦活処理としてCO2賦活処理を行ったことを除き、実施例1と同様の処理を行った。ここで、ここで、実施例2では、CO賦活処理として以下の処理を行った。具体的には、100体積%のCOガスを1050℃で保持した炭素材料に2時間接触させた。実施例2の触媒担体用炭素材料は、本実施形態の全ての要件を満たしていた。特に、実施例2の外部比表面積は400m/g超であった。このため、高加湿発電性能試験の結果は◎、低加湿発電性能試験の結果は◎、燃料電池耐久性能試験の結果は○であった。結果を表1にまとめて示す。
<4. Example 2>
The same treatment as in Example 1 was carried out except that the CO2 activation treatment was carried out as the activation treatment. Here, in Example 2, the following treatment was performed as the CO 2 activation treatment. Specifically, 100% by volume of CO 2 gas was brought into contact with a carbon material held at 1050 ° C. for 2 hours. The carbon material for the catalyst carrier of Example 2 satisfied all the requirements of this embodiment. In particular, the external specific surface area of Example 2 was more than 400 m 2 / g. Therefore, the result of the high humidification power generation performance test was ⊚, the result of the low humidification power generation performance test was ◎, and the result of the fuel cell durability performance test was ◯. The results are summarized in Table 1.

<5.実施例3>
出発物質となる炭素材料としてEC600JDを用いたこと、黒鉛化処理を賦活処理の先に行ったこと、賦活処理としてO賦活処理を行ったことを除き、実施例1と同様の処理を行った。ここで、実施例3では、O賦活処理として、以下の処理を行った。具体的には、アルゴンガスで希釈した1体積%Oガスを、950℃に保持した炭素材料に6時間接触させた。実施例3の触媒担体用炭素材料は、本実施形態の全ての要件を満たしていた。そして、高加湿発電性能試験の結果は○、低加湿発電性能試験の結果は○、燃料電池耐久性能試験の結果は○であった。結果を表1にまとめて示す。
<5. Example 3>
The same treatment as in Example 1 was carried out except that EC600JD was used as the starting material carbon material, the graphitization treatment was performed before the activation treatment, and the O 2 activation treatment was performed as the activation treatment. .. Here, in Example 3, the following treatment was performed as the O 2 activation treatment. Specifically, 1 vol% O 2 gas diluted with argon gas, was contacted for 6 hours to the carbon material held in the 950 ° C.. The carbon material for the catalyst carrier of Example 3 satisfied all the requirements of this embodiment. The result of the high humidification power generation performance test was ○, the result of the low humidification power generation performance test was ○, and the result of the fuel cell durability performance test was ○. The results are summarized in Table 1.

<6.実施例4>
出発物質となる炭素材料としてEC600JDを用いたこと、黒鉛化処理をHO賦活処理の先に行ったこと、賦活処理後に親水化処理を行ったことを除き、実施例1と同様の処理を行った。ここで、実施例4では、HO賦活処理の温度を900℃とし、処理時間を6時間とした。また、親水化処理として、以下の処理を行った。すなわち。炭素材料を濃硝酸(比重1.38)中に浸漬し、100℃で2時間保持した。ついで、濃硝酸を十分な水で希釈した後、炭素材料の分散液を濾過した。ついで、炭素材料の蒸留水洗浄を濾液のpHが5.5以上になるまで繰り返した。得られた炭素材料を110℃で真空乾燥した。以上の工程により、触媒担体用炭素材料を得た。実施例4の触媒担体用炭素材料は、本実施形態の全ての要件を満たしていた。特に、実施例4の外部比表面積は400m/g超であった。このため、高加湿発電性能試験の結果は○、低加湿発電性能試験の結果は◎、燃料電池耐久性能試験の結果は○であった。結果を表1にまとめて示す。
<6. Example 4>
For the use of EC600JD as the carbon material serving as a starting material, it was subjected to graphitization treatment in the previous H 2 O activation treatment, except that went to hydrophilization treatment after the activation treatment, the same treatment as in Example 1 went. Here, in Example 4, the temperature of the H 2 O activation treatment and 900 ° C., processing time was 6 hours. Further, as the hydrophilic treatment, the following treatment was performed. That is. The carbon material was immersed in concentrated nitric acid (specific gravity 1.38) and kept at 100 ° C. for 2 hours. Then, after diluting concentrated nitric acid with sufficient water, the dispersion liquid of the carbon material was filtered. Then, washing of the carbon material with distilled water was repeated until the pH of the filtrate became 5.5 or more. The obtained carbon material was vacuum dried at 110 ° C. Through the above steps, a carbon material for a catalyst carrier was obtained. The carbon material for the catalyst carrier of Example 4 satisfied all the requirements of this embodiment. In particular, the external specific surface area of Example 4 was more than 400 m 2 / g. Therefore, the result of the high humidification power generation performance test was ○, the result of the low humidification power generation performance test was ⊚, and the result of the fuel cell durability performance test was ○. The results are summarized in Table 1.

<7.実施例5>
出発物質となる炭素材料としてEC600JDを用いたこと、賦活処理としてCO賦活処理を行ったこと、黒鉛化処理の温度を1900℃としたこと、黒鉛化処理後に親水化処理を行ったことを除き、実施例1と同様の処理を行った。ここで、実施例5では、CO賦活処理として以下の処理を行った。具体的には、100体積%のCOガスを1050℃で保持した炭素材料に2時間接触させた。また、親水化処理は実施例4と同様とした。実施例5の触媒担体用炭素材料は、本実施形態の全ての要件を満たしていた。特に、実施例5の外部比表面積は400m/g超であった。このため、高加湿発電性能試験の結果は○、低加湿発電性能試験の結果は◎、燃料電池耐久性能試験の結果は○であった。結果を表1にまとめて示す。
<7. Example 5>
Except that EC600JD was used as the starting material carbon material, CO 2 activation treatment was performed as activation treatment, the graphitization treatment temperature was set to 1900 ° C, and hydrophilic treatment was performed after graphitization treatment. , The same treatment as in Example 1 was performed. Here, in Example 5, the following treatment was performed as the CO 2 activation treatment. Specifically, 100% by volume of CO 2 gas was brought into contact with a carbon material held at 1050 ° C. for 2 hours. The hydrophilic treatment was the same as in Example 4. The carbon material for the catalyst carrier of Example 5 satisfied all the requirements of this embodiment. In particular, the external specific surface area of Example 5 was more than 400 m 2 / g. Therefore, the result of the high humidification power generation performance test was ○, the result of the low humidification power generation performance test was ⊚, and the result of the fuel cell durability performance test was ○. The results are summarized in Table 1.

<8.実施例6>
出発物質となる炭素材料としてEC600JDを用いたこと、黒鉛化処理を賦活処理の先に行ったこと、賦活処理としてCO賦活処理を行ったことを除き、実施例1と同様の処理を行った。ここで、実施例3では、CO賦活処理として以下の処理を行った。具体的には、100体積%のCOガスを1050℃で保持した炭素材料に2時間接触させた。実施例6の触媒担体用炭素材料は、本実施形態の全ての要件を満たしていた。特に、実施例6の外部比表面積は400m/g超であった。このため、高加湿発電性能試験の結果は◎、低加湿発電性能試験の結果は◎、燃料電池耐久性能試験の結果は○であった。結果を表1にまとめて示す。
<8. Example 6>
The same treatment as in Example 1 was carried out except that EC600JD was used as the starting material carbon material, the graphitization treatment was performed before the activation treatment, and the CO 2 activation treatment was performed as the activation treatment. .. Here, in Example 3, the following treatment was performed as the CO 2 activation treatment. Specifically, 100% by volume of CO 2 gas was brought into contact with a carbon material held at 1050 ° C. for 2 hours. The carbon material for the catalyst carrier of Example 6 satisfied all the requirements of this embodiment. In particular, the external specific surface area of Example 6 was more than 400 m 2 / g. Therefore, the result of the high humidification power generation performance test was ⊚, the result of the low humidification power generation performance test was ◎, and the result of the fuel cell durability performance test was ◯. The results are summarized in Table 1.

<9.比較例1>
出発物質となる炭素材料として、MCND(新日鉄住金化学株式会社製エスカーボン)を使用した。そして、炭素材料に実施例1と同様の黒鉛化処理を行った。黒鉛化処理の温度は2000℃とした。この結果得られた触媒担体用炭素材料を用いて実施例1と同様の評価を行った。比較例1では、DH法により評価されたメソ孔の比表面積は確かに400m/g以上となったが、外部比表面積Soutは300m/gよりも非常に小さく、かつ、Sout/Stotalは0.3よりも非常に小さくなった。そして、比較例1では、高加湿発電性能試験及び低加湿発電性能試験の結果は良好であった。このため、比較例1で得られた電流密度を燃料電池発電性能試験の基準値とした。しかし、炭素材料を2000℃で黒鉛化処理したにもかかわらず、燃料電池耐久性能試験では、50%以下に電流密度が低下した。すなわち、燃料電池耐久性能試験の結果は×であった。この理由として、外部比表面積Soutは300m/gよりも非常に小さく、かつ、Sout/Stotalは0.3よりも非常に小さくなったことが考えられる。結果を表1にまとめて示す。
<9. Comparative Example 1>
MCND (S Carbon manufactured by Nippon Steel & Sumikin Chemical Co., Ltd.) was used as the starting material carbon material. Then, the carbon material was subjected to the same graphitization treatment as in Example 1. The temperature of the graphitization treatment was 2000 ° C. The same evaluation as in Example 1 was performed using the carbon material for the catalyst carrier obtained as a result. In Comparative Example 1, the specific surface area of the mesopores evaluated by the DH method was certainly 400 m 2 / g or more, but the external specific surface area S out was much smaller than 300 m 2 / g and S out /. S total has become much smaller than 0.3. Then, in Comparative Example 1, the results of the high humidification power generation performance test and the low humidification power generation performance test were good. Therefore, the current density obtained in Comparative Example 1 was used as the reference value for the fuel cell power generation performance test. However, despite the graphitization treatment of the carbon material at 2000 ° C., the current density decreased to 50% or less in the fuel cell durability performance test. That is, the result of the fuel cell durability performance test was x. It is considered that the reason for this is that the external specific surface area S out is much smaller than 300 m 2 / g and the S out / total is much smaller than 0.3. The results are summarized in Table 1.

<10.比較例2>
出発物質となる炭素材料としてEC300を使用した。この炭素材料に実施例1と同様の黒鉛化処理を行った。ついで、炭素材料に実施例4と同様の親水化処理を行った。この結果得られた触媒担体用炭素材料を用いて実施例1と同様の評価を行った。比較例2では、SBETが700m/g以下、外部比表面積Soutが300m/g以下、Sout/Stotalが0.3以下であった。そして、高加湿発電性能試験の結果は×、低加湿発電性能試験の結果は×であった。比較例2では、SBETが700m/g以下、外部比表面積Soutが300m/g以下、Sout/Stotalが0.3以下であったため、触媒利用率が低くなったと推定される。結果を表1にまとめて示す。
<10. Comparative Example 2>
EC300 was used as the starting material carbon material. This carbon material was subjected to the same graphitization treatment as in Example 1. Then, the carbon material was subjected to the same hydrophilization treatment as in Example 4. The same evaluation as in Example 1 was performed using the carbon material for the catalyst carrier obtained as a result. In Comparative Example 2, the SBET was 700 m 2 / g or less, the external specific surface area S out was 300 m 2 / g or less, and the Out / Total was 0.3 or less. The result of the high humidification power generation performance test was ×, and the result of the low humidification power generation performance test was ×. In Comparative Example 2, it is estimated that the catalyst utilization rate was low because the SBET was 700 m 2 / g or less, the external specific surface area S out was 300 m 2 / g or less, and the S out / total was 0.3 or less. .. The results are summarized in Table 1.

<11.比較例3>
出発物質となる炭素材料としてEC300を使用した。この炭素材料に実施例1と同様のHO賦活処理を行った。この結果得られた触媒担体用炭素材料を用いて実施例1と同様の評価を行った。比較例3では、Gバンドの半値幅が65cm−1以上となっていた。そして、そして、高加湿発電性能試験の結果は×、低加湿発電性能試験の結果は○であった。ただし、燃料電池耐久性能試験の結果は×であった。比較例3では、Gバンドの半値幅が65cm−1以上となっていたため、耐久性が不足したと推定される。結果を表1にまとめて示す。
<11. Comparative Example 3>
EC300 was used as the starting material carbon material. Similar H 2 O activation treatment as in Example 1 to the carbon material was carried out. The same evaluation as in Example 1 was performed using the carbon material for the catalyst carrier obtained as a result. In Comparative Example 3, the half width of the G band was 65 cm -1 or more. And then, the result of the high humidification power generation performance test was ×, and the result of the low humidification power generation performance test was ○. However, the result of the fuel cell durability performance test was x. In Comparative Example 3, since the half width of the G band was 65 cm -1 or more, it is presumed that the durability was insufficient. The results are summarized in Table 1.

<12.比較例4>
出発物質となる炭素材料としてEC300を使用した。この炭素材料にCO賦活処理を行った。ここで、比較例4では、CO賦活処理として以下の処理を行った。具体的には、100体積%のCOガスを900℃で保持した炭素材料に2時間接触させた。この結果得られた触媒担体用炭素材料を用いて実施例1と同様の評価を行った。比較例4では、SBETが700m/g以下、外部比表面積Soutが300m/g以下であった。そして、高加湿発電性能試験の結果は×、低加湿発電性能試験の結果は×であった。比較例4では、SBETが700m/g以下、外部比表面積Soutが300m/g以下であったため、触媒利用率が低くなったと推定される。結果を表1にまとめて示す。
<12. Comparative Example 4>
EC300 was used as the starting material carbon material. This carbon material was subjected to CO 2 activation treatment. Here, in Comparative Example 4, the following treatment was performed as the CO 2 activation treatment. Specifically, 100% by volume of CO 2 gas was brought into contact with a carbon material held at 900 ° C. for 2 hours. The same evaluation as in Example 1 was performed using the carbon material for the catalyst carrier obtained as a result. In Comparative Example 4, the SBET was 700 m 2 / g or less, and the external specific surface area S out was 300 m 2 / g or less. The result of the high humidification power generation performance test was ×, and the result of the low humidification power generation performance test was ×. In Comparative Example 4, since the SBET was 700 m 2 / g or less and the external specific surface area S out was 300 m 2 / g or less, it is estimated that the catalyst utilization rate was low. The results are summarized in Table 1.

<13.比較例5>
出発物質となる炭素材料としてEC600JDを使用した。この炭素材料に実施例1と同様の黒鉛化処理を行った。この結果得られた触媒担体用炭素材料を用いて実施例1と同様の評価を行った。比較例5では、SBETが700m/g以下、外部比表面積Soutが300m/g以下であった。そして、高加湿発電性能試験の結果は×、低加湿発電性能試験の結果は×であった。比較例5では、SBETが700m/g以下、外部比表面積Soutが300m/g以下であったため、触媒利用率が低くなったと推定される。結果を表1にまとめて示す。
<13. Comparative Example 5>
EC600JD was used as the starting material carbon material. This carbon material was subjected to the same graphitization treatment as in Example 1. The same evaluation as in Example 1 was performed using the carbon material for the catalyst carrier obtained as a result. In Comparative Example 5, the SBET was 700 m 2 / g or less, and the external specific surface area S out was 300 m 2 / g or less. The result of the high humidification power generation performance test was ×, and the result of the low humidification power generation performance test was ×. In Comparative Example 5, since the SBET was 700 m 2 / g or less and the external specific surface area S out was 300 m 2 / g or less, it is estimated that the catalyst utilization rate was low. The results are summarized in Table 1.

<14.比較例6>
出発物質となる炭素材料としてEC600JDを使用した。この炭素材料に実施例1と同様の黒鉛化処理を行った後、HO賦活処理を行った。ただし、比較例6では、HO賦活処理の温度を850℃とし、処理時間を3時間とした。この結果得られた触媒担体用炭素材料を用いて実施例1と同様の評価を行った。比較例6では、SBETが700m/g以下、外部比表面積Soutが300m/g未満であった。比較例6では、賦活処理の温度が低かった(すなわち、賦活処理が弱かった)ために、SBET及び外部比表面積Soutが上記の値になったと推定される。そして、高加湿発電性能試験の結果は×、低加湿発電性能試験の結果は×であった。比較例6では、SBETが700m/g以下、外部比表面積Soutが300m/g以下であったため、触媒利用率が低下したと考えられる。
<14. Comparative Example 6>
EC600JD was used as the starting material carbon material. After the same graphitization treatment as in Example 1 to the carbon material, it was performed of H 2 O activation treatment. However, in Comparative Example 6, the temperature of the H 2 O activation treatment with 850 ° C., was 3 hours treatment time. The same evaluation as in Example 1 was performed using the carbon material for the catalyst carrier obtained as a result. In Comparative Example 6, the SBET was 700 m 2 / g or less, and the external specific surface area S out was less than 300 m 2 / g. In Comparative Example 6, it is estimated that the SBET and the external specific surface area S out became the above values because the temperature of the activation treatment was low (that is, the activation treatment was weak). The result of the high humidification power generation performance test was ×, and the result of the low humidification power generation performance test was ×. In Comparative Example 6, since the SBET was 700 m 2 / g or less and the external specific surface area S out was 300 m 2 / g or less, it is considered that the catalyst utilization rate was lowered.

Figure 0006814339
Figure 0006814339

<15.触媒担持率に関する検証>
触媒担持率を30〜80質量%の範囲内で10質量%刻みで変化させた他は比較例2、比較例5、実施例1、実施例5と同様の処理を行うことで、複数種類の触媒担持粒子を作製した。そして、透過型電子顕微鏡を用いて触媒担持粒子を50万倍で観察し、触媒成分(すなわち、白金粒子)の凝集の有無を確認した。
<15. Verification of catalyst loading rate>
By performing the same treatment as in Comparative Example 2, Comparative Example 5, Example 1, and Example 5 except that the catalyst loading ratio was changed in the range of 30 to 80% by mass in increments of 10% by mass, a plurality of types were used. Catalyst-supported particles were prepared. Then, the catalyst-supported particles were observed at a magnification of 500,000 using a transmission electron microscope to confirm the presence or absence of aggregation of the catalyst component (that is, platinum particles).

この結果、比較例2および比較例5の触媒担持粒子では、触媒担持率が30〜50質量%となる場合、触媒成分の凝集は認められなかった。しかし、触媒担持率が60質量%となった場合に、触媒成分の凝集が認められた。これに対し、実施例1および実施例5の触媒担持粒子では、触媒担持率が30〜70質量%となる場合、触媒成分の凝集が認められなかったが、触媒担持率が80質量%となる場合、若干の凝集が認められた。この結果、触媒担持率は30質量%以上80質量%未満が好ましいことがわかった。 As a result, in the catalyst-supported particles of Comparative Example 2 and Comparative Example 5, aggregation of the catalyst component was not observed when the catalyst-supporting ratio was 30 to 50% by mass. However, when the catalyst loading ratio was 60% by mass, aggregation of the catalyst components was observed. On the other hand, in the catalyst-supporting particles of Examples 1 and 5, when the catalyst-supporting ratio was 30 to 70% by mass, aggregation of the catalyst components was not observed, but the catalyst-supporting ratio was 80% by mass. In the case, some aggregation was observed. As a result, it was found that the catalyst loading ratio is preferably 30% by mass or more and less than 80% by mass.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to such examples. It is clear that a person having ordinary knowledge in the field of technology to which the present invention belongs can come up with various modifications or modifications within the scope of the technical ideas described in the claims. , These are also naturally understood to belong to the technical scope of the present invention.

1 固体高分子形燃料電池
10、20 セパレータ
30、40 ガス拡散層
50、60 触媒層
70 電解質膜

1 Polymer electrolyte fuel cell 10, 20 Separator 30, 40 Gas diffusion layer 50, 60 Catalyst layer 70 Electrolyte membrane

Claims (9)

固体高分子形燃料電池用の触媒成分を担持可能な触媒担体用炭素材料であって、
ラマン分光法により測定されるGバンドの半値幅が30cm−1超65cm−1未満であり、
BET法で評価されるBET比表面積SBET(m/g)が700m/g超3000m/g未満であり、
tプロット解析で評価される全比表面積Stotalと外部比表面積Soutとの比Sout/Stotalが、0.3超であり、
tプロット解析で評価される外部比表面積Soutが300m/g超であることを特徴とする触媒担体用炭素材料。
A carbon material for a catalyst carrier capable of supporting a catalyst component for a polymer electrolyte fuel cell.
Half width of G band as measured by Raman spectroscopy is less than 30 cm -1 super 65cm -1,
BET specific surface area S BET to be evaluated by the BET method (m 2 / g) is less than 700 meters 2 / g Ultra 3000 m 2 / g,
The ratio S out / S total between the total specific surface area Total and the external specific surface area S out evaluated by the t-plot analysis is more than 0.3.
A carbon material for a catalyst carrier, characterized in that the external specific surface area S out evaluated by t-plot analysis is more than 300 m 2 / g.
BET法で評価されるBET比表面積SBET(m/g)が700m/g超1300m/g未満であることを特徴とする、請求項1記載の触媒担体用炭素材料。 Wherein the BET specific surface area S BET to be evaluated by the BET method (m 2 / g) is less than 700 meters 2 / g Ultra 1300 m 2 / g, a carbon material for a catalyst carrier of claim 1, wherein. tプロット解析で評価されるミクロ孔比表面積Smicro(m/g)が、250m/g超700m/g未満であることを特徴とする、請求項1または2に記載の触媒担体用炭素材料。 t plot analysis at Rated micropore specific surface area S micro (m 2 / g), characterized in that it is less than 250 meters 2 / g Ultra 700 meters 2 / g, for catalyst carrier according to claim 1 or 2 Carbon material. 前記tプロット解析は、2600℃以上で熱処理された炭素材料を標準物質として使用して行われることを特徴とする、請求項1〜3の何れか1項に記載の触媒担体用炭素材料。 The carbon material for a catalyst carrier according to any one of claims 1 to 3, wherein the t-plot analysis is performed using a carbon material heat-treated at 2600 ° C. or higher as a standard substance. tプロット解析で評価される外部比表面積Soutが400m/g超であることを特徴とする、請求項1〜4の何れか1項に記載の触媒担体用炭素材料。 The carbon material for a catalyst carrier according to any one of claims 1 to 4, wherein the external specific surface area S out evaluated by t-plot analysis is more than 400 m 2 / g. 触媒成分と、
前記触媒成分を担持する請求項1〜5のいずれか1項に記載の触媒担体用炭素材料と、を含むことを特徴とする、固体高分子形燃料電池用触媒層。
With the catalyst component
A catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, which comprises the carbon material for a catalyst carrier according to any one of claims 1 to 5, which carries the catalyst component.
触媒担持率が30質量%以上80質量%未満であることを特徴とする、請求項6記載の固体高分子形燃料電池用触媒層。 The catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 6, wherein the catalyst loading ratio is 30% by mass or more and less than 80% by mass. 請求項6または7に記載の触媒層を含むことを特徴とする、固体高分子形燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising the catalyst layer according to claim 6 or 7. 前記固体高分子形燃料電池は、前記触媒層をカソード側の触媒層として含むことを特徴とする、請求項8記載の固体高分子形燃料電池。
The polymer electrolyte fuel cell according to claim 8, wherein the polymer electrolyte fuel cell includes the catalyst layer as a catalyst layer on the cathode side.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023277596A1 (en) * 2021-06-30 2023-01-05 주식회사 더카본스튜디오 Porous carbon support, method for manufacturing porous carbon support, and fuel cell catalyst using same
KR20230004329A (en) * 2021-06-30 2023-01-06 주식회사 더카본스튜디오 Porous Carbon Support, Manufacturing Method Using the Same and Catalyst for Fuel Cell Using the Same

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019172478A (en) * 2018-03-27 2019-10-10 トクラス株式会社 Activated carbon, method for producing activated carbon, filtration cartridge, and water purification device
JP7006497B2 (en) 2018-05-11 2022-02-10 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell catalyst layer and its manufacturing method
JP7110842B2 (en) * 2018-09-07 2022-08-02 日本製鉄株式会社 Carbon material for polymer electrolyte fuel cell catalyst carrier, catalyst layer for polymer electrolyte fuel cell fuel cell, and polymer electrolyte fuel cell

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006061813A (en) * 2004-08-26 2006-03-09 Mitsubishi Rayon Co Ltd CATALYST FOR LIQUID-PHASE OXIDATIVE-REACTION, ITS PREPARING METHOD, AND MANUFACTURING METHOD OF alpha, beta-UNSATURATED ALDEHYDE OR alpha, beta-UNSATURATED CARBOXYLIC ACID
WO2006057387A1 (en) * 2004-11-26 2006-06-01 The University Of Tokyo Biocell
US9017837B2 (en) * 2008-02-19 2015-04-28 Cabot Corporation High surface area graphitized carbon and processes for making same
JP5213499B2 (en) * 2008-04-01 2013-06-19 新日鐵住金株式会社 Fuel cell
WO2013033847A1 (en) * 2011-09-07 2013-03-14 The Governors Of The University Of Alberta N-doped carbon materials
CN104289256B (en) * 2013-07-18 2016-08-17 中国科学院大连化学物理研究所 A kind of preparation method of electrocatalyst for fuel cell carrier
EP3064472B1 (en) * 2013-10-31 2021-02-17 Zeon Corporation Carbon nanotubes
WO2015141810A1 (en) * 2014-03-19 2015-09-24 新日鐵住金株式会社 Supporting carbon material for solid polymer fuel cell and catalyst metal particle-supporting carbon material
CA2974935C (en) * 2015-02-18 2019-08-20 Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation Catalyst-carrier carbon material, solid-polymer fuel cell catalyst, solid-polymer fuel cell, and method for manufacturing catalyst-carrier carbon material
JP2017073310A (en) * 2015-10-08 2017-04-13 新日鐵住金株式会社 Catalyst layer for fuel cell, and fuel cell

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023277596A1 (en) * 2021-06-30 2023-01-05 주식회사 더카본스튜디오 Porous carbon support, method for manufacturing porous carbon support, and fuel cell catalyst using same
KR20230004329A (en) * 2021-06-30 2023-01-06 주식회사 더카본스튜디오 Porous Carbon Support, Manufacturing Method Using the Same and Catalyst for Fuel Cell Using the Same
KR102534521B1 (en) * 2021-06-30 2023-05-26 주식회사 더카본스튜디오 Porous Carbon Support, Manufacturing Method Using the Same and Catalyst for Fuel Cell Using the Same

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