JP6846210B2 - Electrode catalyst and membrane electrode assembly and fuel cell using the electrode catalyst - Google Patents

Electrode catalyst and membrane electrode assembly and fuel cell using the electrode catalyst Download PDF

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Description

本発明は、電極触媒ならびに当該電極触媒を用いる膜電極接合体および燃料電池に関する。 The present invention relates to an electrode catalyst, a membrane electrode assembly using the electrode catalyst, and a fuel cell.

近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源や定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子形燃料電池(PEFC)は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。 In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, fuel cells that operate even at room temperature and can obtain high output density have been attracting attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of the electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. In particular, polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) are expected as power sources for electric vehicles because they operate at relatively low temperatures.

固体高分子形燃料電池の構成は、一般的には、電解質膜−電極接合体(MEA)を、セパレータで挟持した構造となっている。電解質膜−電極接合体は、高分子電解質膜が一対の電極触媒層およびガス拡散性の電極(ガス拡散層;GDL)により挟持されてなるものである。 The structure of a polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) is sandwiched between separators. The electrolyte membrane-electrode assembly is formed by sandwiching a polymer electrolyte membrane between a pair of electrode catalyst layers and a gas diffusible electrode (gas diffusion layer; GDL).

上記したような電解質膜−電極接合体を有する固体高分子形燃料電池では、固体高分子電解質膜を挟持する両電極(カソードおよびアノード)において、その極性に応じて以下に記す反応式で示される電極反応を進行させ、電気エネルギーを得ている。まず、アノード(負極)側に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒成分により酸化され、プロトンおよび電子となる(2H→4H+4e:反応1)。次に、生成したプロトンは、電極触媒層に含まれる固体高分子電解質、さらに電極触媒層と接触している固体高分子電解質膜を通り、カソード(正極)側電極触媒層に達する。また、アノード側電極触媒層で生成した電子は、電極触媒層を構成している導電性担体、さらに電極触媒層の固体高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通してカソード側電極触媒層に達する。そして、カソード側電極触媒層に達したプロトンおよび電子はカソード側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する(O+4H+4e→2HO:反応2)。燃料電池では、上述した電気化学的反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。 In a polymer electrolyte fuel cell having an electrolyte membrane-electrode assembly as described above, both electrodes (cathode and anode) sandwiching the solid polymer electrolyte membrane are represented by the reaction formulas described below according to their polarities. The electrode reaction is advanced to obtain electrical energy. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode (negative electrode) side is oxidized by the catalyst component to become protons and electrons (2H 2 → 4H + + 4e : reaction 1). Next, the generated protons pass through the solid polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane in contact with the electrode catalyst layer, and reach the cathode (positive electrode) side electrode catalyst layer. Further, the electrons generated in the electrode catalyst layer on the anode side are the conductive carrier constituting the electrode catalyst layer, the gas diffusion layer in contact with the side different from the solid polymer electrolyte film of the electrode catalyst layer, the separator, and the outside. It reaches the cathode side electrode catalyst layer through the circuit. Then, the protons and electrons that reach the cathode side electrode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode side to generate water (O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O: Reaction 2). .. In a fuel cell, electricity can be taken out to the outside through the above-mentioned electrochemical reaction.

ここで、発電性能を向上させるためには、電極触媒層中の電極触媒の活性向上が重要な鍵となる。従来、活性の観点から、白金が電極触媒の触媒金属として多く用いられてきた。しかしながら、白金は、非常に高価であり、資源的にも稀少な金属であるため、活性を維持しつつ、触媒粒子に占める白金含有量を低減した白金合金系触媒の開発が求められている。 Here, in order to improve the power generation performance, improving the activity of the electrode catalyst in the electrode catalyst layer is an important key. Conventionally, platinum has been widely used as a catalyst metal for electrode catalysts from the viewpoint of activity. However, since platinum is a very expensive metal and is a rare metal in terms of resources, it is required to develop a platinum alloy-based catalyst in which the platinum content in the catalyst particles is reduced while maintaining the activity.

このような白金合金系触媒として、特許文献1には、半径1〜10nmのメソ孔の空孔分布のモード半径が2.5〜10nmであり、メソ孔内に合金微粒子が担持されてなる触媒が開示されている。 As such a platinum alloy-based catalyst, Patent Document 1 describes a catalyst in which the mode radius of the pore distribution of mesopores having a radius of 1 to 10 nm is 2.5 to 10 nm, and alloy fine particles are supported in the mesopores. Is disclosed.

国際公開第2014/060646号International Publication No. 2014/060646

特許文献1の白金合金系触媒においては、さらなる活性向上の余地があった。そこで本発明は、合金微粒子が触媒担体に担持されてなる電極触媒において、よりいっそう触媒活性を向上させうる手段を提供することを目的とする。 In the platinum alloy-based catalyst of Patent Document 1, there was room for further improvement in activity. Therefore, an object of the present invention is to provide a means capable of further improving the catalytic activity in an electrode catalyst in which alloy fine particles are supported on a catalyst carrier.

本発明者らは、上記の問題を解決すべく、鋭意研究を行った。その結果、合金微粒子を含む触媒成分が触媒担体に担持されてなる電極触媒の構成を工夫することにより上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors have conducted diligent research in order to solve the above problems. As a result, they have found that the above problems can be solved by devising the configuration of the electrode catalyst in which the catalyst component containing the alloy fine particles is supported on the catalyst carrier, and have completed the present invention.

すなわち、本発明に係る電極触媒は、白金および白金以外の金属成分からなる合金微粒子を含む触媒成分が触媒担体に担持されてなる構成を有する。当該触媒担体は、半径が1nm以上であるメソ孔を有し、当該メソ孔の空孔分布のモード半径は1nm以上2.5nm未満である。また、当該合金微粒子の少なくとも一部は上記メソ孔内に担持されている。そして、上記合金微粒子の格子定数の実測値Q[Å]は、下記数式1により算出されるベガード則に沿った格子定数の理論値P[Å]よりも小さい(すなわち、Q<Pである)点に特徴がある: That is, the electrode catalyst according to the present invention has a configuration in which a catalyst component containing alloy fine particles composed of platinum and a metal component other than platinum is supported on a catalyst carrier. The catalyst carrier has mesopores having a radius of 1 nm or more, and the mode radius of the pore distribution of the mesopores is 1 nm or more and less than 2.5 nm. Further, at least a part of the alloy fine particles is supported in the mesopores. Then, the measured value Q [Å] of the lattice constant of the alloy fine particles is smaller than the theoretical value P [Å] of the lattice constant according to Vegard's law calculated by the following mathematical formula 1 (that is, Q <P). Characterized by points:

Figure 0006846210
Figure 0006846210

本発明によれば、触媒金属に含まれる合金微粒子におけるPt原子間の距離が短縮する結果、隣接する金属原子の間のd軌道の重なりが増加することによりdバンドセンターが低下することにより、電極触媒の活性をよりいっそう向上させることが可能となる。 According to the present invention, as a result of shortening the distance between Pt atoms in the alloy fine particles contained in the catalyst metal, the d-orbital overlap between adjacent metal atoms increases and the d-band center decreases, resulting in an electrode. It is possible to further improve the activity of the catalyst.

本発明の一実施形態に係る電極触媒の形状・構造を示す概略断面説明図である。It is a schematic cross-sectional explanatory view which shows the shape and structure of the electrode catalyst which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池の基本構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the basic structure of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on one Embodiment of this invention.

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

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

[電極触媒(触媒)]
本発明の一形態は、白金および白金以外の金属成分からなる合金微粒子を含む触媒成分が触媒担体に担持されてなる電極触媒に関する。ここで、触媒担体は、半径が1nm以上であるメソ孔を有し、前記メソ孔の空孔分布のモード半径が1nm以上2.5nm未満である。また、合金微粒子の少なくとも一部は前記メソ孔内に担持されている。そして、合金微粒子の格子定数の実測値Q[Å]は、下記数式1により算出されるベガード則に沿った格子定数の理論値P[Å]よりも小さい点に特徴がある。
[Electrode catalyst (catalyst)]
One embodiment of the present invention relates to an electrode catalyst in which a catalyst component containing alloy fine particles composed of platinum and a metal component other than platinum is supported on a catalyst carrier. Here, the catalyst carrier has mesopores having a radius of 1 nm or more, and the mode radius of the pore distribution of the mesopores is 1 nm or more and less than 2.5 nm. Further, at least a part of the alloy fine particles is supported in the mesopores. The measured value Q [Å] of the lattice constant of the alloy fine particles is smaller than the theoretical value P [Å] of the lattice constant according to Vegard's law calculated by the following mathematical formula 1.

Figure 0006846210
Figure 0006846210

なお、本明細書中、白金以外の金属成分を単に「非白金金属」とも称する。また、メソ孔の空孔分布のモード半径を単に「メソ孔のモード径」とも称する。 In addition, in this specification, a metal component other than platinum is also simply referred to as "non-platinum metal". Further, the mode radius of the pore distribution of the mesopore is also simply referred to as "mode diameter of the mesopore".

図1は、本形態に係る触媒の形状・構造を示す概略断面説明図である。図1に示されるように、本形態に係る電極触媒20は、触媒金属(合金微粒子)22および触媒担体23からなる。また、電極触媒20は、半径1nm以上であるメソ孔24を有する。この際、メソ孔のモード径は1nm以上2.5nm未満である。また、図1に示す形態において、触媒金属(合金微粒子)22は実質的に白金および白金以外の金属成分からなっており、その少なくとも一部は上記メソ孔内に担持されている。ここで「実質的に」とは、触媒金属中、80重量%以上、より好ましくは90重量%以上、さらに好ましくは95重量%以上、特に好ましくは98重量%以上(上限100重量%)が白金および白金以外の金属成分からなる合金微粒子からなることを指す。なお、触媒金属(合金微粒子)22は、その少なくとも一部がメソ孔24の内部に担持されていればよく、一部が担体23の表面に担持されていてもよい。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional explanatory view showing the shape and structure of the catalyst according to this embodiment. As shown in FIG. 1, the electrode catalyst 20 according to this embodiment is composed of a catalyst metal (alloy fine particles) 22 and a catalyst carrier 23. Further, the electrode catalyst 20 has a mesopore 24 having a radius of 1 nm or more. At this time, the mode diameter of the mesopore is 1 nm or more and less than 2.5 nm. Further, in the form shown in FIG. 1, the catalyst metal (alloy fine particles) 22 is substantially composed of platinum and a metal component other than platinum, and at least a part thereof is supported in the mesopores. Here, "substantially" means platinum in the catalyst metal in an amount of 80% by weight or more, more preferably 90% by weight or more, still more preferably 95% by weight or more, and particularly preferably 98% by weight or more (upper limit 100% by weight). And it is composed of alloy fine particles composed of metal components other than platinum. At least a part of the catalyst metal (alloy fine particles) 22 may be supported inside the mesopores 24, and a part of the catalyst metal (alloy fine particles) 22 may be supported on the surface of the carrier 23.

「合金微粒子がメソ孔内に担持されている」ことは、以下の手順によって確認することができる。すなわち、走査型電子顕微鏡(Scanning electron microscopy;SEM)および透過型電子顕微鏡(Transmission electron microscopy;TEM)を用いて、触媒粒子表面に露出した触媒金属粒子およびメソ孔内の触媒金属粒子を特定する。各粒子についてEDX(エネルギー分散型X線分光法)を用いて、金属成分の含有モル比率を測定し、白金および非白金金属からなる合金微粒子であることを確認する。 It can be confirmed by the following procedure that "alloy fine particles are supported in the mesopores". That is, a scanning electron microscope (SEM) and a transmission electron microscope (TEM) are used to identify the catalyst metal particles exposed on the surface of the catalyst particles and the catalyst metal particles in the mesopores. EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) is used for each particle to measure the molar content ratio of the metal component, and confirm that the particles are alloy fine particles composed of platinum and non-platinum metal.

また、メソ孔内に担持される合金微粒子における白金以外の金属成分に対する白金の含有モル比(以下、「メソ孔内に担持される合金微粒子における白金以外の金属成分に対する白金の含有モル比」を単に「白金の含有モル比」とも称する)は、好ましくは1.0〜10.0である。白金の含有モル比をかような範囲内とすることで、触媒活性が顕著に向上する。白金の含有モル比は、触媒活性の観点から、1.0〜9.0であることが好ましく、1.5〜4.0であることがより好ましい。なお、「メソ孔内に担持される合金微粒子における白金以外の金属成分に対する白金の含有モル比」の値は、メソ孔内の触媒金属粒子を10〜50個特定し、各粒子についてEDX(エネルギー分散型X線分光法)を用いて、金属成分の含有モル比率を小数点第2位まで測定した後、平均含有モル比率を算出することで求めた値を採用する。この際、平均含有モル比率は小数点第2位まで求め、小数点第2位を四捨五入する。 Further, the molar ratio of platinum to the metal component other than platinum in the alloy fine particles supported in the mesopores (hereinafter, "the molar ratio of platinum to the metal component other than platinum in the alloy fine particles supported in the mesopores" is given. (Simply also referred to as “platinum content molar ratio”) is preferably 1.0 to 10.0. By setting the molar ratio of platinum to such a range, the catalytic activity is remarkably improved. From the viewpoint of catalytic activity, the molar ratio of platinum is preferably 1.0 to 9.0, and more preferably 1.5 to 4.0. The value of "the molar ratio of platinum to metal components other than platinum in the alloy fine particles supported in the mesopores" specifies 10 to 50 catalytic metal particles in the mesopores, and EDX (energy) is used for each particle. Dispersive X-ray spectroscopy) is used to measure the molar ratio of metal components to the second decimal place, and then the value obtained by calculating the average molar ratio is adopted. At this time, the average molar ratio is obtained up to the second decimal place, and the second decimal place is rounded off.

ここで、白金の含有モル比は、非白金金属を担持する際の非白金金属前駆体の仕込み量、非白金金属担持前のメソ孔に担持されている白金粒子の粒子径、非白金金属担持前の担体の親水化度、非白金金属担持前の担体のメソ孔の大きさ、または脱泡処理の実施などによって制御することができる。非白金金属前駆体の仕込み量が多いほど、白金の含有モル比が小さくなる。メソ孔に担持されている白金粒子の粒子径が大きいほど、白金粒子と非白金金属の合金化が促進され、白金の含有モル比が小さくなる。非白金金属担持前の担体の親水化度が高いほど、非白金金属前駆体液のメソ孔への導入が促進されやすく、白金粒子と非白金金属の合金化が促進され、白金の含有モル比が小さくなる。非白金金属担持前の担体のメソ孔の大きさが大きいほど、非白金金属前駆体液のメソ孔への導入が促進されやすく、白金粒子と非白金金属の合金化が促進され、白金の含有モル比が小さくなる。また、必要に応じて脱泡処理をすると非白金金属前駆体液のメソ孔への導入が促進されやすく、白金粒子と非白金金属の合金化が促進され、白金の含有モル比が小さくなる。さらに、メソ孔に担持されている白金粒子の粒子径の制御は、後述するように、白金粒子担持後に熱処理を行って白金粒子を成長させる;白金金属を担持する際の白金金属前駆体の仕込み量などによって制御することができる。 Here, the molar ratio of platinum is the amount of the non-platinum metal precursor charged when supporting the non-platinum metal, the particle size of the platinum particles supported in the mesopores before the non-platinum metal is supported, and the non-platinum metal supported. It can be controlled by the degree of hydrophilicity of the previous carrier, the size of the mesopores of the carrier before supporting the non-platinum metal, or the defoaming treatment. The larger the amount of the non-platinum metal precursor charged, the smaller the molar ratio of platinum. The larger the particle size of the platinum particles supported in the mesopores, the more the alloying of the platinum particles and the non-platinum metal is promoted, and the smaller the molar ratio of platinum is. The higher the degree of hydrophilicity of the carrier before supporting the non-platinum metal, the easier it is to promote the introduction of the non-platinum metal precursor solution into the mesopores, the more the alloying of the platinum particles and the non-platinum metal is promoted, and the molar ratio of platinum is increased. It becomes smaller. The larger the mesopore size of the carrier before supporting the non-platinum metal, the easier it is to promote the introduction of the non-platinum metal precursor solution into the mesopores, the alloying of the platinum particles and the non-platinum metal is promoted, and the platinum-containing molars. The ratio becomes smaller. Further, if defoaming treatment is performed as necessary, the introduction of the non-platinum metal precursor liquid into the mesopores is easily promoted, the alloying of the platinum particles and the non-platinum metal is promoted, and the molar ratio of platinum is reduced. Further, the particle size of the platinum particles supported in the mesopores is controlled by performing heat treatment after supporting the platinum particles to grow the platinum particles; the preparation of the platinum metal precursor when supporting the platinum metal. It can be controlled by the amount or the like.

また、メソ孔内の合金微粒子の平均粒径(直径)は、好ましくは2.0nm以上、より好ましくは2.0nm以上30.0nm以下、さらに好ましくは3.0nm以上10.0nm以下である。メソ孔内の合金微粒子の平均粒径を2.0nm以上とすることで、触媒活性がより向上する。これは、メソ孔内に担持される合金微粒子における非白金金属の比率が向上し、所望の非白金金属含有比を有する触媒が得られやすいためであると考えられる。また、メソ孔内の合金微粒子の平均粒径が2.0nm以上であれば、合金微粒子がメソ孔内に比較的強固に担持され、触媒層内で電解質と接触するのをより有効に抑制・防止される。また、電位変化による溶出を防止し、経時的な性能低下をも抑制できる。このため、触媒活性をより向上できる、すなわち、触媒反応をより効率的に促進できる。また、メソ孔内の合金微粒子の平均粒径が30.0nm以下であれば、担体のメソ孔内部に合金微粒子を簡便な方法で担持することができ、合金微粒子の電解質被覆率を低減することができる。 The average particle size (diameter) of the alloy fine particles in the mesopores is preferably 2.0 nm or more, more preferably 2.0 nm or more and 30.0 nm or less, and further preferably 3.0 nm or more and 10.0 nm or less. By setting the average particle size of the alloy fine particles in the mesopores to 2.0 nm or more, the catalytic activity is further improved. It is considered that this is because the ratio of the non-platinum metal in the alloy fine particles supported in the mesopores is improved, and a catalyst having a desired non-platinum metal content ratio can be easily obtained. Further, when the average particle size of the alloy fine particles in the mesopores is 2.0 nm or more, the alloy fine particles are supported relatively firmly in the mesopores, and contact with the electrolyte in the catalyst layer is more effectively suppressed. Be prevented. In addition, elution due to a change in potential can be prevented, and deterioration in performance over time can be suppressed. Therefore, the catalytic activity can be further improved, that is, the catalytic reaction can be promoted more efficiently. Further, when the average particle size of the alloy fine particles in the mesopores is 30.0 nm or less, the alloy fine particles can be supported inside the mesopores of the carrier by a simple method, and the electrolyte coverage of the alloy fine particles can be reduced. Can be done.

なお、本発明における「メソ孔内の合金微粒子の平均粒径」は、以下のようにして算出された値を採用する:すなわち、走査型電子顕微鏡(Scanning electron microscopy;SEM)および透過型電子顕微鏡(Transmission electron microscopy ;TEM)を用いて、触媒粒子表面に露出した触媒金属およびメソ孔内の触媒金属を特定する。メソ孔内の触媒金属を10〜50個特定し、各粒子について粒径(直径)を小数点第2位まで取得し、平均値を算出する。この際、平均値は、小数点第2位まで求め、小数点第2位を四捨五入して小数点第1位まで求める。 The "average particle size of the alloy fine particles in the mesopores" in the present invention adopts a value calculated as follows: That is, a scanning electron microscope (SEM) and a transmission electron microscope. (Transmission electron microscope; TEM) is used to identify the catalytic metal exposed on the surface of the catalytic particles and the catalytic metal in the mesopores. 10 to 50 catalyst metals in the mesopores are specified, the particle size (diameter) of each particle is obtained to the second decimal place, and the average value is calculated. At this time, the average value is obtained up to the second decimal place, and the second decimal place is rounded off to obtain the first decimal place.

本形態に係る電極触媒において、触媒担体は半径が1nm以上であるメソ孔を有し、前記メソ孔の空孔分布のモード半径(最頻度径)は、1nm以上2.5nm未満であり、1nm以上2nm以下であることが好ましい。本明細書においては、半径が1nm以上の空孔をメソ孔とするため、メソ孔のモード径も当然に1nm以上となる。また、触媒担体のメソ孔の空孔分布のモード半径が2.5nm未満であることで、メソ孔内部に電解質(電解質ポリマー)がより侵入しにくいため、触媒活性が顕著に向上する。 In the electrode catalyst according to the present embodiment, the catalyst carrier has mesopores having a radius of 1 nm or more, and the mode radius (most frequent diameter) of the pore distribution of the mesopores is 1 nm or more and less than 2.5 nm, and is 1 nm. It is preferably 2 nm or more and 2 nm or less. In the present specification, since the pores having a radius of 1 nm or more are defined as mesopores, the mode diameter of the mesopores is naturally 1 nm or more. Further, when the mode radius of the pore distribution of the mesopores of the catalyst carrier is less than 2.5 nm, the electrolyte (electrolyte polymer) is less likely to penetrate into the mesopores, so that the catalytic activity is remarkably improved.

また、触媒担体のメソ孔の空孔分布のモード半径は、メソ孔内の合金微粒子の平均粒径に対して0.6以下であることが好ましく、0.1〜0.6であることがより好ましい。かような関係を満たすことで、合金微粒子と触媒担体の空孔内壁面との距離が縮まり、水が存在しうる空間がより減少する(すなわち、合金微粒子表面に吸着する水の量を減らすことができる)。また、水が空孔内壁面の相互作用を受け、水が空孔内壁面に保持されやすくなる。よって、金属酸化物の形成反応がより遅くなり、金属酸化物がより形成されにくくなる。その結果、合金微粒子表面の失活がより抑制され、高い触媒活性をより発揮できる(すなわち、触媒反応をより促進できる)。また、触媒金属が空孔(メソ孔)内に比較的強固に担持され、触媒層内で電解質と接触するのをより有効に抑制・防止される。また、電位変化による溶出を防止し、経時的な性能低下をも抑制できる。このため、触媒活性をより向上できる(すなわち、触媒反応をより効率的に促進できる)。 Further, the mode radius of the pore distribution of the mesopores of the catalyst carrier is preferably 0.6 or less, preferably 0.1 to 0.6, with respect to the average particle size of the alloy fine particles in the mesopores. More preferred. By satisfying such a relationship, the distance between the alloy fine particles and the inner wall surface of the pores of the catalyst carrier is shortened, and the space in which water can exist is further reduced (that is, the amount of water adsorbed on the surface of the alloy fine particles is reduced. Can be done). In addition, water is interacted with the inner wall surface of the hole, and the water is easily retained on the inner wall surface of the hole. Therefore, the formation reaction of the metal oxide becomes slower, and the formation of the metal oxide becomes more difficult. As a result, the deactivation of the surface of the alloy fine particles is further suppressed, and high catalytic activity can be exhibited (that is, the catalytic reaction can be further promoted). Further, the catalyst metal is supported relatively firmly in the pores (mesopores), and contact with the electrolyte in the catalyst layer is more effectively suppressed / prevented. In addition, elution due to a change in potential can be prevented, and deterioration in performance over time can be suppressed. Therefore, the catalytic activity can be further improved (that is, the catalytic reaction can be promoted more efficiently).

触媒担体における半径1nm以上、2.5nm未満の空孔(メソ孔)の空孔容積は、特に制限されないが、0.4cc/g担体以上であることが好ましい。空孔容積が上記したような範囲にあれば、メソ孔により多くの触媒金属を格納(担持)でき、触媒層内で電解質と触媒金属とを物理的に離すことができる(触媒金属と電解質との接触をより有効に抑制・防止できる)。ゆえに、触媒金属の活性をより有効に利用できる。また、多くのメソ孔の存在により、触媒反応をより効果的に促進できる。なお、本明細書では、半径1nm以上、2.5nm未満の空孔の空孔容積を単に「メソ孔の空孔容積」とも称する。メソ孔の空孔容積は、より好ましくは0.4〜3cc/g担体であり、特に好ましくは0.4〜1.5cc/g担体である。 The pore volume of the pores (mesopores) having a radius of 1 nm or more and less than 2.5 nm in the catalyst carrier is not particularly limited, but is preferably 0.4 cc / g or more. When the pore volume is within the above range, more catalyst metal can be stored (supported) in the mesopores, and the electrolyte and the catalyst metal can be physically separated in the catalyst layer (catalyst metal and electrolyte). Contact can be suppressed / prevented more effectively). Therefore, the activity of the catalytic metal can be utilized more effectively. Also, the presence of many mesopores can promote the catalytic reaction more effectively. In addition, in this specification, the pore volume of a hole having a radius of 1 nm or more and less than 2.5 nm is also simply referred to as “the pore volume of a mesopore”. The pore volume of the mesopores is more preferably 0.4 to 3 cc / g carrier, and particularly preferably 0.4 to 1.5 cc / g carrier.

「メソ孔の空孔の半径(nm)」は、窒素吸着法(DH法)により測定される空孔の半径を意味する。また、「メソ孔の空孔分布のモード半径(nm)」は、窒素吸着法(DH法)により得られる微分細孔分布曲線においてピーク値(最大頻度)をとる点の空孔半径を意味する。触媒担体のメソ孔の空孔の半径(nm)は、DH法を適用することによって測定することができる。 "Radius of pores of mesopores (nm)" means the radius of pores measured by the nitrogen adsorption method (DH method). The "mode radius (nm) of the pore distribution of mesopores" means the radius of the pores at the point where the peak value (maximum frequency) is taken in the differential pore distribution curve obtained by the nitrogen adsorption method (DH method). .. The radius (nm) of the mesopores of the catalyst carrier can be measured by applying the DH method.

「メソ孔の空孔容積」は、触媒担体に存在する半径1nm以上、2.5nm未満のメソ孔の総容積を意味し、担体1gあたりの容積(cc/g担体)で表される。「メソ孔の空孔容積(cc/g担体)」は、窒素吸着法(DH法)によって求めた微分細孔分布曲線の下部の面積(積分値)として算出される。触媒担体の空孔容積は、DH法を適用することによって測定することができる。 The “pore volume of the mesopores” means the total volume of the mesopores having a radius of 1 nm or more and less than 2.5 nm existing in the catalyst carrier, and is represented by the volume per 1 g of the carrier (cc / g carrier). The "pore volume of mesopores (cc / g carrier)" is calculated as the lower area (integral value) of the differential pore distribution curve obtained by the nitrogen adsorption method (DH method). The pore volume of the catalyst carrier can be measured by applying the DH method.

「微分細孔分布」とは、細孔径を横軸に、触媒担体中のその細孔径に相当する細孔容積を縦軸にプロットした分布曲線である。すなわち、窒素吸着法(DH法)により得られる触媒担体の空孔容積をVとし、空孔直径をDとした際の、差分空孔容積dVを空孔直径の対数差分d(logD)で割った値(dV/d(logD))を求める。そして、このdV/d(logD)を各区分の平均空孔直径に対してプロットすることにより微分細孔分布曲線が得られる。差分空孔容積dVとは、測定ポイント間の空孔容積の増加分をいう。本明細書において、窒素吸着法(DH法)によるメソ孔の半径および空孔容積の測定方法は、特に制限されず、例えば、「吸着の科学」(第2版近藤精一、石川達雄、安部郁夫共著、丸善株式会社)や「燃料電池の解析手法」(高須芳雄、吉武優、石原達己編、化学同人)、D.Dollion,G.R.Heal:J.Appl.Chem.,14,109(1964)等の公知の文献に記載される方法が採用できる。 The "differential pore distribution" is a distribution curve in which the pore diameter is plotted on the horizontal axis and the pore volume corresponding to the pore diameter in the catalyst carrier is plotted on the vertical axis. That is, when the pore volume of the catalyst carrier obtained by the nitrogen adsorption method (DH method) is V and the pore diameter is D, the difference pore volume dV is divided by the logarithmic difference d (logD) of the pore diameter. The value (dV / d (logD)) is obtained. Then, the differential pore distribution curve is obtained by plotting this dV / d (logD) with respect to the average pore diameter of each division. The differential pore volume dV refers to an increase in the pore volume between measurement points. In the present specification, the method for measuring the radius of the mesopore and the volume of the pores by the nitrogen adsorption method (DH method) is not particularly limited, and for example, "Science of adsorption" (2nd edition Seiichi Kondo, Tatsuo Ishihara, Abe). Co-authored by Ikuo, Maruzen Co., Ltd.) and "Analysis Method of Fuel Cell" (Yoshio Takasu, Masaru Yoshitake, Tatsumi Ishihara, Kagaku-Dojin), D.I. Dollion, G.M. R. Health: J.M. Apple. Chem. , 14, 109 (1964) and the like described in known literature can be adopted.

本明細書では、窒素吸着法(DH法)によるメソ孔の半径および空孔容積は、D.Dollion,G.R.Heal:J.Appl.Chem.,14,109(1964)に記載される方法によって、測定された値である。 In the present specification, the radius and the pore volume of the mesopores by the nitrogen adsorption method (DH method) are referred to as D.I. Dollion, G.M. R. Health: J.M. Apple. Chem. , 14, 109 (1964).

触媒担体のBET比表面積(m/g担体)は、特に制限されないが、600m/g担体以上であることが好ましく、600〜3000m/g担体であることがより好ましく、1100〜1800m/g担体であることがさらに好ましい。上記したような比表面積であれば、メソ孔により多くの合金粒子を格納(担持)できる。また、触媒層での電解質と合金微粒子とを物理的に離し、合金微粒子と電解質との接触をより有効に抑制・防止できる。ゆえに、合金微粒子の触媒活性をより有効に利用できる。 The BET specific surface area (m 2 / g carrier) of the catalyst carrier is not particularly limited, but is preferably 600 m 2 / g carrier or more, more preferably 600 to 3000 m 2 / g carrier, and 1100 to 1800 m 2 It is more preferably a / g carrier. With the specific surface area as described above, more alloy particles can be stored (supported) in the mesopores. Further, the electrolyte and the alloy fine particles in the catalyst layer can be physically separated from each other, and the contact between the alloy fine particles and the electrolyte can be more effectively suppressed / prevented. Therefore, the catalytic activity of the alloy fine particles can be used more effectively.

なお、本明細書において、触媒担体の「BET比表面積(m/g担体)」は、窒素吸着法により測定される。より詳細には、触媒担体粉末約0.04〜0.07gを精秤し、試料管に封入する。この試料管を真空乾燥器で90℃×数時間予備乾燥し、測定用サンプルとする。秤量には、株式会社島津製作所製の電子天秤(AW220)を用いる。なお、塗布シートの場合には、これの全重量から、同面積のテフロン(登録商標)(基材)重量を差し引いた塗布層の正味の重量約0.03〜0.04gを試料重量として用いる。次に、下記測定条件にて、BET比表面積を測定する。吸着・脱着等温線の吸着側において、相対圧(P/P0)約0.00〜0.45の範囲から、BETプロットを作成することで、その傾きと切片からBET比表面積を算出する。 In the present specification, the "BET specific surface area (m 2 / g carrier)" of the catalyst carrier is measured by the nitrogen adsorption method. More specifically, about 0.04 to 0.07 g of catalyst carrier powder is precisely weighed and sealed in a sample tube. This sample tube is pre-dried in a vacuum dryer at 90 ° C. for several hours to prepare a sample for measurement. An electronic balance (AW220) manufactured by Shimadzu Corporation is used for weighing. In the case of a coating sheet, the net weight of the coating layer, which is obtained by subtracting the weight of Teflon (registered trademark) (base material) of the same area from the total weight of the coating sheet, is used as the sample weight of about 0.03 to 0.04 g. .. Next, the BET specific surface area is measured under the following measurement conditions. By creating a BET plot from the range of relative pressure (P / P0) of about 0.00 to 0.45 on the adsorption side of the adsorption / desorption isotherm, the BET specific surface area is calculated from the slope and intercept.

Figure 0006846210
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(触媒金属(合金微粒子))
触媒金属は、電気的化学反応の触媒作用をする機能を有する金属成分であり、本発明に係る電極触媒において、触媒金属は白金と白金以外の金属成分との合金微粒子を含む形態で触媒担体に担持されている。
(Catalyst metal (alloy fine particles))
The catalyst metal is a metal component having a function of catalyzing an electrochemical reaction, and in the electrode catalyst according to the present invention, the catalyst metal is used as a catalyst carrier in a form containing alloy fine particles of platinum and a metal component other than platinum. It is supported.

非白金金属としては、特に制限されないが、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、銅、銀、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム、亜鉛、ジルコニウム等が挙げられる。非白金金属は、特に制限されないが、触媒活性、後述する金属間化合物やL1構造の形成しやすさなどの観点から、遷移金属であることが好ましい。ここで、遷移金属とは、第3族元素から第12族元素を指し、遷移金属の種類もまた、特に制限されない。触媒活性、金属間化合物やL1構造の形成しやすさなどの観点から、遷移金属は、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)およびジルコニウム(Zr)からなる群より選択されることが好ましい。中でも、コバルト(Co)であることが好ましい。このように、遷移金属のなかでも白金(Pt)と金属間化合物を形成する金属原子を含有することで、活性が高くなる。上記遷移金属は、白金(Pt)と金属間化合物を形成しやすいため、白金の使用量を低減しつつも、より高い面積比活性(単位面積当たりの活性)を達成できる。なお、上記遷移金属は、単独で白金と合金化されても、あるいは2種以上が白金と合金化されても、いずれでもよい。 The non-platinum metal is not particularly limited, but is limited to ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, copper, silver, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, zinc and zirconium. And so on. Non-platinum metal is not particularly limited, catalytic activity, from the viewpoint of forming easiness of intermetallic compounds and L1 2 structure to be described later, is preferably a transition metal. Here, the transition metal refers to a group 3 element to a group 12 element, and the type of the transition metal is also not particularly limited. Catalytic activity, in view of the intermetallic compound or L1 2 structure formation easiness of the transition metal, vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), copper It is preferably selected from the group consisting of (Cu), zinc (Zn) and zirconium (Zr). Of these, cobalt (Co) is preferable. As described above, the activity is increased by containing the metal atom forming the intermetallic compound with platinum (Pt) among the transition metals. Since the transition metal easily forms an intermetallic compound with platinum (Pt), it is possible to achieve higher area specific activity (activity per unit area) while reducing the amount of platinum used. The transition metal may be alloyed with platinum alone, or two or more of them may be alloyed with platinum.

ここで、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがある。 Here, an alloy is generally a general term for a metal element to which one or more kinds of metal elements or non-metal elements are added and which has metallic properties. The structure of the alloy includes a eutectic alloy, which is a mixture in which the component elements are separate crystals, a solid solution in which the component elements are completely fused, and a compound in which the component elements are intermetallic compounds or compounds of metals and non-metals. There are things that are forming.

触媒金属としての活性をより高めることができることから、電極触媒中の合金微粒子が、内部構造として白金原子および白金以外の金属原子が規則正しく配列した金属間化合物構造を有することが好ましい。金属間化合物構造を有することは、X線回折(X−ray diffraction)(XRD)パターンにおいて、金属間化合物特有のピークの存在によって検出することができる。また、電極触媒中の合金微粒子の結晶構造について特に制限はないが、触媒活性に優れるという観点からは、面心立方格子構造であることが好ましい。 Since the activity as a catalyst metal can be further enhanced, it is preferable that the alloy fine particles in the electrode catalyst have an intermetallic compound structure in which platinum atoms and metal atoms other than platinum are regularly arranged as an internal structure. Having an intermetallic compound structure can be detected by the presence of peaks peculiar to intermetallic compounds in the X-ray diffraction (XRD) pattern. The crystal structure of the alloy fine particles in the electrode catalyst is not particularly limited, but a face-centered cubic lattice structure is preferable from the viewpoint of excellent catalytic activity.

さらに、電極触媒中の合金微粒子がL1構造を有し、L1構造の規則度(Extent of ordering)が30〜100%であることが好ましい。上記構成を有する合金微粒子は、少ない白金含有量であっても、高い活性を発揮できる。L1構造の規則度は、40〜100%であることが好ましく、45〜100%であることがより好ましく、47〜95%であることがさらにより好ましい。これにより、電極触媒の活性(特に面積比活性)をより向上できる。 Further comprising alloy particles in the electrocatalyst is an L1 2 structure, it is preferable degree of order of the L1 2 structure (Extent of ordering) is 30 to 100%. The alloy fine particles having the above structure can exhibit high activity even with a small platinum content. Rules of the L1 2 structure is preferably 40 to 100%, more preferably 45 to 100%, even more preferably it is 47-95%. Thereby, the activity of the electrode catalyst (particularly the area ratio activity) can be further improved.

「L1構造の規則度(Extent of ordering)(%)」は、J.Mater.Chem.,2004,14,1454−1460に記載される方法を基に求めることができ、本明細書においては、X線回折(X−ray diffraction)(XRD)パターンの最大強度のピーク面積(Ia)と、金属間化合物に特有のピーク面積(Ib)との比として定義される。具体的には、「L1構造の規則度(Extent of ordering)(%)」は、下記方法によって測定される値である。 "Rules of the L1 2 structure (Extent of ordering) (%)" is, J. Mater. Chem. , 2004, 14, 1454-1460, and in the present specification, the peak area (Ia) of the maximum intensity of the X-ray diffraction (XRD) pattern. , Defined as the ratio to the peak area (Ib) peculiar to intermetallic compounds. Specifically, "rules of the L1 2 structure (Extent of ordering) (%)" is a value measured by the following methods.

<L1構造の規則度(Extent of ordering)の測定方法>
触媒粒子を、下記条件によりX線回折(X−ray diffraction)(XRD)を行い、XRDパターンを得る。得られたXRDパターンにおいて、2θ値が39〜41°の範囲に観測されるピーク面積(Ia)および31〜34°の範囲に観測されるピーク面積(Ib)を測定する。ここで、2θ値が39〜41°の範囲に観測されるピークは、白金部分もしくは合金部分の(111)由来のピークである。また、2θ値が31〜34°の範囲に観測されるピークは、合金微粒子のL1構造に固有のピークである。
<Measurement method of degree of order of the L1 2 structure (Extent of ordering)>
The catalyst particles are subjected to X-ray diffraction (XRD) under the following conditions to obtain an XRD pattern. In the obtained XRD pattern, the peak area (Ia) in which the 2θ value is observed in the range of 39 to 41 ° and the peak area (Ib) observed in the range of 31 to 34 ° are measured. Here, the peak observed in the range of 2θ value in the range of 39 to 41 ° is the peak derived from (111) of the platinum portion or the alloy portion. Also, peak 2θ value is observed in the range of 31 to 34 ° is the inherent peak L1 2 structure of the alloy particles.

Figure 0006846210
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上記ピーク面積Ia及びIbを用いて、下記数式により、L1構造の規則度を算出する。 Using the peak areas Ia and Ib, the following equation to calculate the degree of order of the L1 2 structure.

Figure 0006846210
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上記数式において、Xは、合金微粒子を構成する非白金金属に特有の値である。具体的には、Xは、下記表に示される値である。 In the above formula, X is a value peculiar to the non-platinum metal constituting the alloy fine particles. Specifically, X is a value shown in the table below.

Figure 0006846210
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ここで、合金の組成とその格子定数との関係を表す経験則として、ベガード則(Vegard則)が知られている。これは、合金の構成金属のそれぞれのモル分率と単体の格子定数とを用いた加重平均値として当該合金の格子定数が得られるというものである。例えば、ベガード則によれば、金属原子Aと金属原子Bとからなる合金の格子定数aは、当該合金における金属原子Aのモル分率および金属原子Bのモル分率をNおよびNとし、金属原子A単体の格子定数および金属原子B単体の格子定数をそれぞれaおよびaとしたときに、a=N+Nにより算出されることになる。 Here, Vegard's law is known as an empirical rule for expressing the relationship between the composition of an alloy and its lattice constant. This means that the lattice constant of the alloy can be obtained as a weighted average value using the mole fraction of each of the constituent metals of the alloy and the lattice constant of a single substance. For example, according to the Vegard law, the lattice constant a of the alloy consisting of a metal atom A and the metal atom B is the molar fraction of the metal atoms A in the alloy and the mole fraction of metal atoms B and N A and N B , When the lattice constant of the metal atom A alone and the lattice constant of the metal atom B alone are a A and a B , respectively, it is calculated by a = N A a A + N B a B.

合金における格子定数の実測値は、上述したベガード則に沿った値となるか、場合によってはこれよりも大きい値となるのが一般的である。これに対し、本発明にかかる電極触媒を構成する触媒金属の合金微粒子は、ベガード則に沿った格子定数よりも小さい格子定数を有する点に特徴がある。すなわち、本形態に係る電極触媒では、触媒金属に含まれる合金微粒子の格子定数の実測値Q[Å]が、下記数式1により算出されるベガード則に沿った格子定数Pの理論値[Å]よりも小さい点に特徴があるのである。 The measured value of the lattice constant in the alloy is generally a value in accordance with the above-mentioned Vegard's law, or in some cases, a value larger than this. On the other hand, the alloy fine particles of the catalyst metal constituting the electrode catalyst according to the present invention are characterized in that they have a lattice constant smaller than the lattice constant according to Vegard's law. That is, in the electrode catalyst according to the present embodiment, the measured value Q [Å] of the lattice constant of the alloy fine particles contained in the catalyst metal is the theoretical value [Å] of the lattice constant P according to Vegard's law calculated by the following mathematical formula 1. It is characterized by being smaller than.

Figure 0006846210
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本形態に係る電極触媒によれば、このようにベガード則による理論値Pよりも小さい格子定数を有することで、よりいっそう触媒活性を向上させることが可能となることが本発明者らによって見出された。なお、格子定数の実測値Qとしては、後述する実施例の欄に記載の手法により測定した値を採用するものとする。また、PとQとの関係は、上述したようにQ<Pを満たせば特に制限はないが、格子定数の実測値Qが理論値Pに対してどの程度圧縮されているかを示す下記数式によって算出される圧縮率の値が、好ましくは−0.1%以下(すなわち、Q≦0.999P)であり、より好ましくは−0.2%以下(すなわち、Q≦0.998P)であり、さらに好ましくは−0.3%以下(すなわち、Q≦0.997P)であり、特に好ましくは−0.4%以下(すなわち、Q≦0.996P)である。圧縮率の値がこのような範囲内の値であることで、触媒活性に特に優れた電極触媒が提供されうる。一方、圧縮率の値の下限値について特に制限はないが、製造の容易性の観点から、通常は−2.0%以上(すなわち、Q≧0.98P)であればよい。 According to the electrode catalyst according to the present embodiment, the present inventors have found that it is possible to further improve the catalytic activity by having a lattice constant smaller than the theoretical value P according to Vegard's law. Was done. As the measured value Q of the lattice constant, the value measured by the method described in the column of Examples described later shall be adopted. Further, the relationship between P and Q is not particularly limited as long as Q <P is satisfied as described above, but the following formula indicates how much the measured value Q of the lattice constant is compressed with respect to the theoretical value P. The calculated compression ratio value is preferably −0.1% or less (that is, Q ≦ 0.999P), more preferably −0.2% or less (that is, Q ≦ 0.998P). More preferably, it is −0.3% or less (that is, Q ≦ 0.997P), and particularly preferably −0.4% or less (that is, Q ≦ 0.996P). When the value of the compressibility is within such a range, an electrode catalyst having particularly excellent catalytic activity can be provided. On the other hand, the lower limit of the value of the compressibility is not particularly limited, but from the viewpoint of ease of manufacture, it may usually be −2.0% or more (that is, Q ≧ 0.98P).

Figure 0006846210
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ここで、上述したような構成を有することによって触媒活性の向上が見られるメカニズムについては完全に明らかとはなっていない。ただし、格子定数が小さくなることはPt原子間の距離が短縮していることを意味することから、隣接する金属原子の間のd軌道の重なりが増加することによりdバンドセンターが低下することが触媒活性の向上に寄与しているものと考えられる。すなわち、dバンドセンターの低下によってカソードにおける反応物質である酸素原子の2p軌道と触媒金属原子のd軌道との共有結合のうちの反結合軌道が下方シフトすることによりその占有が増加する。その結果、酸素原子と触媒金属原子との結合力が低下し、これにより酸素原子と触媒金属原子との間の相互作用が最適化されることで、触媒活性が向上しているものと推測される。なお、このメカニズムはあくまでも推測に基づくものであり、本発明の技術的範囲は当該メカニズムによって何ら影響を受けることはない。 Here, the mechanism by which the catalytic activity is improved by having the above-mentioned configuration has not been completely clarified. However, since the smaller lattice constant means that the distance between Pt atoms is shortened, the d-band center may decrease due to the increase in the overlap of d-orbitals between adjacent metal atoms. It is considered that it contributes to the improvement of catalytic activity. That is, the decrease in the d-band center causes the antibonding orbital of the covalent bond between the 2p orbital of the oxygen atom, which is a reactant at the cathode, and the d-orbital of the catalytic metal atom to shift downward, thereby increasing its occupancy. As a result, it is presumed that the binding force between the oxygen atom and the catalytic metal atom is reduced, which optimizes the interaction between the oxygen atom and the catalytic metal atom, thereby improving the catalytic activity. To. It should be noted that this mechanism is based on speculation to the last, and the technical scope of the present invention is not affected by the mechanism.

本形態に係る電極触媒においては、メソ孔内に白金および非白金金属からなる合金微粒子が担持されている。ただし、メソ孔以外の部位に合金微粒子が存在していてもよい。電極触媒全体に存在する触媒金属の組成は、特に制限されない。触媒活性などの観点から、電極触媒全体に存在する触媒金属の組成は、非白金金属1モルに対して、白金が1.0〜10.0モルであることが好ましく、1.0〜9.0モルであることがより好ましく、1.5〜4.0モルであることが特に好ましい。このような組成であれば、白金の含有量を低減しつつ、高い触媒活性を示すことができ、燃料電池の低コスト化が可能となる。なお、電極触媒全体に存在する触媒金属の組成は、ICP−MS(誘導結合プラズマ質量分析装置)により測定することができる。 In the electrode catalyst according to this embodiment, alloy fine particles made of platinum and non-platinum metal are supported in the mesopores. However, alloy fine particles may be present in a portion other than the mesopores. The composition of the catalyst metal present in the entire electrode catalyst is not particularly limited. From the viewpoint of catalytic activity and the like, the composition of the catalyst metal present in the entire electrode catalyst is preferably 1.0 to 10.0 mol of platinum with respect to 1 mol of non-platinum metal, and 1.0 to 9. It is more preferably 0 mol, and particularly preferably 1.5 to 4.0 mol. With such a composition, it is possible to exhibit high catalytic activity while reducing the platinum content, and it is possible to reduce the cost of the fuel cell. The composition of the catalyst metal present in the entire electrode catalyst can be measured by ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometer).

電極触媒は、上記合金微粒子とともに、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、銅、銀、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の他の触媒成分の単体または合金をさらに含んでいてもよい。 The electrode catalyst includes the above alloy fine particles and other alloy particles such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, copper, silver, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum. It may further contain a single catalyst component or an alloy.

合金微粒子の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状および大きさが採用されうる。形状としては、例えば、粒状、鱗片状、層状などのものが使用できるが、好ましくは粒状である。 The shape and size of the alloy fine particles are not particularly limited, and the same shape and size as those of known catalyst components can be adopted. As the shape, for example, granular, scaly, layered, etc. can be used, but granular is preferable.

電極触媒において、触媒金属の担持濃度(担持量、担持率とも称する場合がある)は、特に制限されないが、触媒担体の全量100重量%に対して、好ましくは2〜70重量%とすることが好ましい。担持濃度をこのような範囲にすることで、触媒粒子同士の凝集が抑制され、また、電極触媒層の厚さの増加を抑制できるため好ましい。触媒金属の担持濃度は、より好ましくは5〜60重量%、さらに好ましくは10〜60重量%である。なお、触媒金属の担持量は、誘導結合プラズマ発光分析(ICP atomic emission spectrometry)や誘導結合プラズマ質量分析(ICP mass spectrometry)、蛍光X線分析(XRF)等の、従来公知の方法によって調べることができる。 In the electrode catalyst, the supported concentration of the catalyst metal (also referred to as the supported amount or the supported ratio) is not particularly limited, but is preferably 2 to 70% by weight with respect to 100% by weight of the total amount of the catalyst carrier. preferable. It is preferable to set the loading concentration in such a range because the aggregation of the catalyst particles can be suppressed and the increase in the thickness of the electrode catalyst layer can be suppressed. The supported concentration of the catalyst metal is more preferably 5 to 60% by weight, still more preferably 10 to 60% by weight. The amount of the catalyst metal carried can be examined by conventionally known methods such as inductively coupled plasma emission spectrometry (ICP atomic emission spectrometry), inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP mass spectrum spectrum), and fluorescent X-ray analysis (XRF). it can.

(触媒担体)
触媒担体の材質は、メソ孔を有し、メソ孔のモード径が1nm以上2.5nm未満となる空孔を担体の内部に形成することができ、触媒成分をメソ孔内部に分散状態で担持させるのに充分な比表面積と充分な電子伝導性とを有するものであれば特に制限されない。好ましくは、主成分がカーボンである。好適には、特開2010−208887号公報(米国特許出願公開第2011/318254号明細書)や国際公開第2009/075264号(米国特許出願公開第2011/058308号明細書)などの公報に記載される方法を用いて製造された担体を出発原料として、これに白金および非白金金属を担持したものを電極触媒とすることが好ましい。その他、主成分がカーボンであるものとして具体的に、アセチレンブラック、チャンネルブラック、オイルファーネスブラック、ガスファーネスブラック(例えば、バルカン)、ランプブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラック(登録商標)などのカーボンブラック;ブラックパール(登録商標);黒鉛化アセチレンブラック;黒鉛化チャンネルブラック;黒鉛化オイルファーネスブラック;黒鉛化ガスファーネスブラック;黒鉛化ランプブラック;黒鉛化サーマルブラック;黒鉛化ケッチェンブラック;黒鉛化ブラックパール;カーボンナノチューブ;カーボンナノファイバー;カーボンナノホーン;カーボンフィブリル;活性炭;コークス;天然黒鉛;人造黒鉛などを出発原料の例として挙げることができる。「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念であり、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。「実質的に炭素原子からなる」とは、2〜3重量%程度以下の不純物の混入が許容されうることを意味する。
(Catalyst carrier)
The material of the catalyst carrier has mesopores, and pores having a mode diameter of 1 nm or more and less than 2.5 nm can be formed inside the carrier, and the catalyst component is supported inside the mesopores in a dispersed state. It is not particularly limited as long as it has a sufficient specific surface area and sufficient electron conductivity. Preferably, the main component is carbon. Preferably, it is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-2088887 (US Patent Application Publication No. 2011/318254) and International Publication No. 2009/075264 (US Patent Application Publication No. 2011/058308). It is preferable to use a carrier produced by the above method as a starting material, and a catalyst on which platinum and a non-platinum metal are supported is used as an electrode catalyst. In addition, carbon blacks such as acetylene black, channel black, oil furnace black, gas furnace black (for example, Balkan), lamp black, thermal black, and Ketjen black (registered trademark) are specifically considered to be carbon as the main component. Black Pearl®; Graphite acetylene black; Graphite channel black; Graphite oil furnace black; Graphite gas furnace black; Graphite lamp black; Graphite thermal black; Graphite Ketjen black; Graphite black pearl ; Carbon nanotubes; carbon nanofibers; carbon nanohorns; carbon fibrils; activated carbon; coke; natural graphite; artificial graphite and the like can be mentioned as examples of starting materials. "The main component is carbon" means that a carbon atom is contained as a main component, and is a concept including both a carbon atom and a substantially carbon atom, and an element other than the carbon atom is included. It may be included. "Substantially composed of carbon atoms" means that contamination of about 2 to 3% by weight or less of impurities can be tolerated.

上記カーボン材料の他、Sn(錫)やTi(チタン)などの多孔質金属、さらには導電性金属酸化物なども担体として使用可能である。 In addition to the above carbon materials, porous metals such as Sn (tin) and Ti (titanium), and conductive metal oxides can also be used as carriers.

担体の平均粒径(直径)は20〜100nmであることが好ましい。かような範囲であれば、担体に上記空孔構造を設けた場合であっても機械的強度が維持され、かつ、触媒層を適切な範囲で制御することができる。「担体の平均粒径」の値としては、特に言及のない限り、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。また、「粒子径」とは、粒子の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離を意味するものとする。 The average particle size (diameter) of the carrier is preferably 20 to 100 nm. Within such a range, the mechanical strength can be maintained even when the carrier is provided with the pore structure, and the catalyst layer can be controlled within an appropriate range. Unless otherwise specified, the value of the "average particle size of the carrier" is observed in several to several tens of fields using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). A value calculated as the average value of the particle diameters of the particles shall be adopted. Further, the "particle size" means the maximum distance among the distances between arbitrary two points on the contour line of the particles.

[電極触媒の製造方法]
電極触媒の製造方法は特に限定されるものではないが、白金粒子を触媒担体に担持して白金粒子担持担体を得た後、当該白金粒子担持担体に対して非白金金属を担持・合金化することが好ましい。
[Manufacturing method of electrode catalyst]
The method for producing the electrode catalyst is not particularly limited, but after platinum particles are supported on a catalyst carrier to obtain a platinum particle-supporting carrier, a non-platinum metal is supported and alloyed with respect to the platinum particle-supporting carrier. Is preferable.

また、メソ孔内の白金粒子に対して非白金金属を効率的に合金化し、格子定数を短縮させるために、非白金金属を接触させる前の触媒担体に対して熱処理および親水化処理を行うことが好ましい。 Further, in order to efficiently alloy the non-platinum metal with the platinum particles in the mesopores and shorten the lattice constant, heat treatment and hydrophilization treatment are performed on the catalyst carrier before contacting the non-platinum metal. Is preferable.

以下、好適な電極触媒の製造方法について説明する。なお、以下の記載は製造方法の一例であって、本発明に係る電極触媒の製造方法は以下に記載の方法に限定されない。 Hereinafter, a method for producing a suitable electrode catalyst will be described. The following description is an example of the manufacturing method, and the manufacturing method of the electrode catalyst according to the present invention is not limited to the method described below.

本発明の一形態において、電極触媒の製造方法は、担体および白金前駆体を含む溶液に還元剤を添加して白金粒子担持担体を調製する工程(1)と、白金粒子担持担体および非白金金属前駆体を混合し、さらに合金化処理を施す工程(2)と、を含み、白金粒子担持担体に対して熱処理および親水化処理を施す工程(A)をさらに含む。ここで、工程(A)は、メソ孔内の非白金金属の合金化を促進するという観点から、工程(1)の後、工程(2)の前に行うことが好ましい。すなわち、電極触媒の製造方法の好適な形態は、担体および白金前駆体を含む混合液に還元剤を添加して白金粒子担持担体を調製する工程(1)と、白金粒子担持担体に対して熱処理および親水化処理を施す工程(A)と、熱処理および親水化処理された白金粒子担持担体に非白金金属前駆体を混合し、さらに合金化処理を施す工程(2)と、をこの順に含む、電極触媒の製造方法である。 In one embodiment of the present invention, the method for producing an electrode catalyst includes a step (1) of adding a reducing agent to a solution containing a carrier and a platinum precursor to prepare a platinum particle-supporting carrier, and a platinum particle-supporting carrier and a non-platinum metal. It further includes a step (2) of mixing the precursors and further performing an alloying treatment, and further includes a step (A) of heat-treating and hydrophilizing the platinum particle-supported carrier. Here, the step (A) is preferably performed after the step (1) and before the step (2) from the viewpoint of promoting the alloying of the non-platinum metal in the mesopores. That is, suitable forms of the method for producing an electrode catalyst include a step (1) of adding a reducing agent to a mixed solution containing a carrier and a platinum precursor to prepare a platinum particle-supporting carrier, and a heat treatment on the platinum particle-supporting carrier. In this order, the step (A) of performing the hydrophilization treatment and the step (2) of mixing the non-platinum metal precursor with the heat-treated and hydrophilized platinum particle-supported carrier and further performing the alloying treatment are included. This is a method for producing an electrode catalyst.

以下、各工程について説明する。 Hereinafter, each step will be described.

工程(1)
工程(1)は、担体および白金前駆体を含む混合液に還元剤を添加して白金粒子担持担体を調製する工程である。
Process (1)
The step (1) is a step of preparing a platinum particle-supporting carrier by adding a reducing agent to the mixed solution containing the carrier and the platinum precursor.

まず、担体を準備する。上記したような特定の空孔分布を有する電極触媒の製造にあたっては、通常、担体のメソ孔分布を上記したような空孔分布とすることが重要である。このため用いられる担体としては、半径1nm以上のメソ孔を有し、かつ、そのメソ孔のモード径が1nm以上2.5nm未満である担体を用いることが好ましい。メソ孔を有する担体を、本明細書では、「多孔質担体」とも称する。かような担体は、具体的には、特開2010−208887号公報(米国特許出願公開第2011/318254号明細書)や国際公開第2009/075264号(米国特許出願公開第2011/058308号明細書)などの公報に記載される方法を参酌して製造することができる。これにより、特定の空孔分布を有する空孔(半径1nm以上のメソ孔を有し、かつ、そのメソ孔のモード径が1nm以上2.5nm未満である)を担体に形成できる。 First, the carrier is prepared. In the production of an electrode catalyst having a specific pore distribution as described above, it is usually important to make the mesopore distribution of the carrier the pore distribution as described above. Therefore, as the carrier used, it is preferable to use a carrier having mesopores having a radius of 1 nm or more and a mode diameter of the mesopores of 1 nm or more and less than 2.5 nm. Carriers with mesopores are also referred to herein as "porous carriers". Specific examples of such carriers include Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-2088887 (US Patent Application Publication No. 2011/318254) and International Publication No. 2009/075264 (US Patent Application Publication No. 2011/058308). It can be manufactured in consideration of the method described in the publication such as the book). Thereby, pores having a specific pore distribution (having mesopores having a radius of 1 nm or more and the mode diameter of the mesopores being 1 nm or more and less than 2.5 nm) can be formed on the carrier.

用いられる担体のBET比表面積は、好ましくは600〜3000m/g、より好ましくは1000〜1800m/gである。上記したような比表面積であれば、十分なメソ孔を確保できるため、メソ孔内により多くの合金粒子を格納(担持)できる。また、触媒層での電解質と合金粒子とを物理的に離し、合金粒子と電解質との接触をより有効に抑制・防止できる。ゆえに、合金粒子の活性をより有効に利用できる。また、触媒担体上での触媒成分の分散性と触媒成分の有効利用率とのバランスが適切に制御できる。 The BET specific surface area of the carrier used is preferably 600 to 3000 m 2 / g, more preferably 1000 to 1800 m 2 / g. With the specific surface area as described above, sufficient mesopores can be secured, so that more alloy particles can be stored (supported) in the mesopores. Further, the electrolyte and the alloy particles in the catalyst layer can be physically separated from each other, and the contact between the alloy particles and the electrolyte can be more effectively suppressed / prevented. Therefore, the activity of the alloy particles can be utilized more effectively. In addition, the balance between the dispersibility of the catalyst component on the catalyst carrier and the effective utilization rate of the catalyst component can be appropriately controlled.

用いられる担体のメソ空孔の空孔分布のモード半径(最頻度径)は、1nm以上2.5nm未満であり、1nm以上2nm以下であることが好ましい。用いられる担体の半径1nm以上2.5nm未満の空孔(メソ孔)の空孔容積は、特に制限されないが、0.6cc/g担体以上であることが好ましく、より好ましくは0.6〜3cc/g担体であり、特に好ましくは0.6〜1.5cc/g担体である。 The mode radius (most frequent diameter) of the pore distribution of the mesopores of the carrier used is 1 nm or more and less than 2.5 nm, and preferably 1 nm or more and 2 nm or less. The pore volume of the pores (mesopores) having a radius of 1 nm or more and less than 2.5 nm of the carrier used is not particularly limited, but is preferably 0.6 cc / g or more, and more preferably 0.6 to 3 cc. It is a / g carrier, particularly preferably 0.6 to 1.5 cc / g carrier.

また、上記特定の空孔を有する担体にさらに熱処理を行ったものを担体として用いてもよい。かような熱処理を行うことで、熱処理前の担体の非晶質な部分が除去されるため、担体のメソ孔のモード径が大きくなり、非白金金属前駆体液のメソ孔への導入が促進されやすく、白金粒子と非白金金属の合金化が促進されるため、好ましい。 Further, a carrier having the above-mentioned specific pores that has been further heat-treated may be used as the carrier. By performing such a heat treatment, the amorphous portion of the carrier before the heat treatment is removed, so that the mode diameter of the mesopores of the carrier becomes large, and the introduction of the non-platinum metal precursor liquid into the mesopores is promoted. It is preferable because it is easy and the alloying of platinum particles and non-platinum metal is promoted.

具体的には、上記熱処理における担体の熱処理温度は1300℃を超えて1880℃以下であることが好ましく、1380〜1880℃であることがより好ましく、1400〜1860℃であることがさらに好ましい。熱処理における昇温速度は、100〜1000℃/時間であることが好ましく、300〜800℃/時間であることが特に好ましい。熱処理時間(所定の熱処理温度での保持時間)は、1〜10分であることが好ましく、2〜8分であることが特に好ましい。なお、熱処理は、アルゴンガスや窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下で行うことができる。 Specifically, the heat treatment temperature of the carrier in the above heat treatment is preferably more than 1300 ° C. and 1880 ° C. or lower, more preferably 1380 to 1880 ° C., and even more preferably 1400 to 1860 ° C. The rate of temperature rise in the heat treatment is preferably 100 to 1000 ° C./hour, and particularly preferably 300 to 800 ° C./hour. The heat treatment time (holding time at a predetermined heat treatment temperature) is preferably 1 to 10 minutes, and particularly preferably 2 to 8 minutes. The heat treatment can be performed in an atmosphere of an inert gas such as argon gas or nitrogen gas.

白金前駆体としては、特に制限されないが、白金塩および白金錯体が使用できる。より具体的には、塩化白金酸(典型的にはその六水和物;H[PtCl]・6HO)、ジニトロジアンミン白金等の硝酸塩、硫酸塩、アンモニウム塩、アミン、テトラアンミン白金およびヘキサアンミン白金等のアンミン塩、炭酸塩、重炭酸塩、塩化白金等のハロゲン化物、亜硝酸塩、シュウ酸などの無機塩類、ギ酸塩などのカルボン酸塩ならびに水酸化物、アルコキサイドなどを使用することができる。なお、上記白金前駆体は、1種を単独で使用してもあるいは2種以上の混合物として使用されてもよい。 The platinum precursor is not particularly limited, but a platinum salt and a platinum complex can be used. More specifically, chloroplatinic acid (typically its hexahydrate; H 2 [PtCl 6 ], 6H 2 O), nitrates such as dinitrodiammine platinum, sulfates, ammonium salts, amines, tetraammine platinum and Use ammine salts such as hexaammine platinum, carbonates, bicarbonates, halides such as platinum chloride, inorganic salts such as nitrites and oxalic acid, carboxylates such as formates, hydroxides, and alcoholides. Can be done. The platinum precursor may be used alone or as a mixture of two or more.

担体および白金前駆体を含む混合液を調製する際に用いられる溶媒は、特に制限されず、使用される白金前駆体の種類によって適宜選択される。なお、上記混合液の形態は特に制限されず、溶液、分散液および懸濁液を包含する。具体的には、水、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール等の有機溶媒、酸、アルカリなどが挙げられる。これらのうち、白金のイオン化合物を十分に溶解する観点から、水が好ましく、純水または超純水を用いることが特に好ましい。上記溶媒は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。 The solvent used when preparing the mixed solution containing the carrier and the platinum precursor is not particularly limited, and is appropriately selected depending on the type of the platinum precursor used. The form of the mixed solution is not particularly limited, and includes a solution, a dispersion, and a suspension. Specific examples thereof include organic solvents such as water, methanol, ethanol, 1-propanol and 2-propanol, acids and alkalis. Of these, water is preferable, and pure water or ultrapure water is particularly preferable, from the viewpoint of sufficiently dissolving the ionic compound of platinum. The solvent may be used alone or in the form of a mixture of two or more.

担体および白金前駆体の混合液中の含有重量比は、白金担持量を考慮して適宜設定されるが、担体:白金=1:0.02〜2.3とすることが好ましい。 The weight ratio of the carrier and the platinum precursor in the mixed solution is appropriately set in consideration of the amount of platinum supported, but it is preferably carrier: platinum = 1: 0.02 to 2.3.

担体および白金前駆体を含む混合液の調製方法は特に制限されない。例えば、白金前駆体を溶媒に溶解した後、これに担体を添加する;担体を溶媒に添加した後、白金前駆体を添加する;担体および白金前駆体を溶媒に添加する;白金前駆体および担体をそれぞれ別々に溶媒に添加した後、これらを混合する;のいずれの方法を使用してもよい。白金前駆体が均一に担体を被覆することができるので、白金前駆体を溶媒に溶解した後、これに担体を添加することが好ましい。白金前駆体を溶媒に溶解させる際の白金濃度は特に限定されるものではないが、溶解後の溶液に対して、白金濃度は0.1〜50重量%であることが好ましく、0.5〜20重量%であることがより好ましい。 The method for preparing the mixed solution containing the carrier and the platinum precursor is not particularly limited. For example, the platinum precursor is dissolved in a solvent and then a carrier is added to it; the carrier is added to the solvent and then the platinum precursor is added; the carrier and the platinum precursor are added to the solvent; the platinum precursor and the carrier Are added to the solvent separately and then mixed; any method may be used. Since the platinum precursor can uniformly coat the carrier, it is preferable to dissolve the platinum precursor in a solvent and then add the carrier to the solvent. The platinum concentration when the platinum precursor is dissolved in the solvent is not particularly limited, but the platinum concentration is preferably 0.1 to 50% by weight, preferably 0.5 to 50% by weight, based on the dissolved solution. More preferably, it is 20% by weight.

また、上記混合液は、均一に混合するために、撹拌することが好ましい。ここで、撹拌条件は、特に均一に混合できる条件であれば特に制限されない。例えば、スターラーやホモジナイザなどの適当な攪拌機を用いる、あるいは、超音波分散装置など超音波を印加することによって、均一に分散混合できる。また、撹拌温度は、好ましくは0〜50℃、より好ましくは5〜40℃である。また、撹拌時間としては分散が十分に行われるように適宜設定すればよい。 Moreover, it is preferable to stir the above-mentioned mixed solution in order to mix them uniformly. Here, the stirring conditions are not particularly limited as long as they can be mixed uniformly. For example, uniform dispersion and mixing can be performed by using an appropriate stirrer such as a stirrer or a homogenizer, or by applying ultrasonic waves such as an ultrasonic disperser. The stirring temperature is preferably 0 to 50 ° C, more preferably 5 to 40 ° C. Further, the stirring time may be appropriately set so that the dispersion is sufficiently performed.

還元剤としては、例えば、エタノール、メタノール、プロパノール、ギ酸、ギ酸ナトリウムやギ酸カリウムなどのギ酸塩、ホルムアルデヒド、チオ硫酸ナトリウム、クエン酸、クエン酸ナトリウム、クエン酸三ナトリウムなどのクエン酸塩、水素化ホウ素ナトリウム(NaBH)およびヒドラジン(N)などが使用できる。これらは水和物の形態になっていてもよい。また、2種類以上を混合して使用してもよい。また、還元剤は還元剤溶液の形態で添加してもよい。 Examples of the reducing agent include ethanol, methanol, propanol, formic acid, formic acid such as sodium formate and potassium formate, citrate such as formaldehyde, sodium thiosulfate, citrate, sodium citrate and trisodium citrate, and borohydride. Sodium borohydride (NaBH 4 ), hydrazine (N 2 H 4 ) and the like can be used. These may be in the form of hydrates. Further, two or more types may be mixed and used. Further, the reducing agent may be added in the form of a reducing agent solution.

還元剤の添加量としては、白金イオンを還元させるのに十分な量であれば特に制限されない。具体的には、還元剤の添加量は、白金イオン1モルに対して、好ましくは1〜200モルであり、より好ましくは1.5〜100モルである。このような量であれば、白金イオンを十分還元できる。なお、2種以上の還元剤を用いる場合には、これらの合計の添加量が上記範囲であることが好ましい。 The amount of the reducing agent added is not particularly limited as long as it is sufficient to reduce the platinum ions. Specifically, the amount of the reducing agent added is preferably 1 to 200 mol, more preferably 1.5 to 100 mol, with respect to 1 mol of platinum ions. With such an amount, platinum ions can be sufficiently reduced. When two or more kinds of reducing agents are used, the total addition amount of these agents is preferably in the above range.

還元剤を添加後、撹拌することが好ましい。これにより、白金前駆体および還元剤が均一に混合するため、均一な還元反応が可能になる。ここで、撹拌条件は、特に均一に混合できる条件であれば特に制限されない。例えば、スターラーやホモジナイザなどの適当な攪拌機を用いる、あるいは、超音波分散装置など超音波を印加することによって、均一に分散混合できる。また、撹拌温度は、好ましくは0℃〜溶液沸点である。また、撹拌時間は、白金前駆体および還元剤を均一に混合できる時間であれば特に制限されない。 It is preferable to stir after adding the reducing agent. As a result, the platinum precursor and the reducing agent are uniformly mixed, so that a uniform reduction reaction is possible. Here, the stirring conditions are not particularly limited as long as they can be mixed uniformly. For example, uniform dispersion and mixing can be performed by using an appropriate stirrer such as a stirrer or a homogenizer, or by applying ultrasonic waves such as an ultrasonic disperser. The stirring temperature is preferably 0 ° C. to the boiling point of the solution. The stirring time is not particularly limited as long as the platinum precursor and the reducing agent can be uniformly mixed.

上記還元反応により、白金粒子担持担体が得られる。 A platinum particle-supporting carrier is obtained by the above reduction reaction.

また、必要であれば、得られた白金粒子担持担体を溶液から単離してもよい。ここで、単離方法は、特に制限されず、白金粒子担持担体を濾過し、乾燥すればよい。なお、必要であれば、白金粒子担持担体を濾過した後に、洗浄(例えば、水洗)を行ってもよい。また、上記濾過ならびに必要であれば洗浄工程は、繰り返し行ってもよい。また、濾過または洗浄後、白金粒子担持担体を乾燥してもよい。ここで、白金粒子担持担体の乾燥は、空気中で行ってもよく、また減圧下で行ってもよい。また、乾燥温度は特に限定されないが、例えば、10〜100℃、好ましくは室温(25℃)〜80℃程度の範囲で行うことができる。また、乾燥時間もまた、特に限定されないが、例えば、1〜60時間、好ましくは5〜50時間程度の範囲で行うことができる。 If necessary, the obtained platinum particle-supporting carrier may be isolated from the solution. Here, the isolation method is not particularly limited, and the platinum particle-supporting carrier may be filtered and dried. If necessary, the platinum particle-supporting carrier may be filtered and then washed (for example, washed with water). Moreover, the above-mentioned filtration and washing step may be repeated if necessary. Further, the platinum particle-supporting carrier may be dried after filtration or washing. Here, the platinum particle-supporting carrier may be dried in air or under reduced pressure. The drying temperature is not particularly limited, but can be, for example, in the range of 10 to 100 ° C., preferably room temperature (25 ° C.) to 80 ° C. The drying time is also not particularly limited, but can be, for example, in the range of 1 to 60 hours, preferably about 5 to 50 hours.

また、工程(1)においては、混合液中の白金濃度、担体の浸漬時間、還元条件等を適宜設定することで、担体への白金担持量を制御することができる。 Further, in the step (1), the amount of platinum carried on the carrier can be controlled by appropriately setting the platinum concentration in the mixed solution, the immersion time of the carrier, the reduction conditions, and the like.

工程(A)
工程(A)は、工程(1)で得られた白金粒子担持担体に対して熱処理および親水化処理を施す工程である。このような熱処理により、得られる合金微粒子の格子定数を理論値よりも短縮させることが可能となる。また、親水化処理により、非白金金属前駆体のメソ孔への導入が促進され、メソ孔内の触媒粒子が均一に合金化した合金粒子を形成することができ、触媒活性を向上させることができる。
Process (A)
The step (A) is a step of heat-treating and hydrophilizing the platinum particle-supporting carrier obtained in the step (1). By such a heat treatment, the lattice constant of the obtained alloy fine particles can be shortened from the theoretical value. Further, the hydrophilization treatment promotes the introduction of the non-platinum metal precursor into the mesopores, and the catalyst particles in the mesopores can form alloy particles uniformly alloyed, thereby improving the catalytic activity. it can.

熱処理条件は特に制限されないが、例えば、熱処理温度は、好ましくは500〜1200℃であり、より好ましくは700〜1100℃である。また、熱処理時間は、好ましくは0.1〜3時間であり、より好ましくは0.1〜1.5時間である。なお、熱処理工程は、空気雰囲気下や不活性ガス雰囲気下で行われてもよいが、水素雰囲気下で行われることが好ましい。 The heat treatment conditions are not particularly limited, but for example, the heat treatment temperature is preferably 500 to 1200 ° C, more preferably 700 to 1100 ° C. The heat treatment time is preferably 0.1 to 3 hours, more preferably 0.1 to 1.5 hours. The heat treatment step may be performed in an air atmosphere or an inert gas atmosphere, but is preferably performed in a hydrogen atmosphere.

担体の親水化処理としては、特開2012−124001号公報に記載のように、担体に親水基を導入する方法などが挙げられる。該親水基としては、ヒドロキシル基、ラクトン基、およびカルボキシル基からなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。 Examples of the hydrophilic treatment of the carrier include a method of introducing a hydrophilic group into the carrier as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-124001. The hydrophilic group is preferably at least one selected from the group consisting of a hydroxyl group, a lactone group, and a carboxyl group.

親水基の導入量は、メソ孔内の合金組成が適切な範囲となるように適宜設定されるが、0.01〜5.0mmol/gであることが好ましく、0.1〜3.0mmol/gであることがより好ましい。なお、親水基の定量は、滴定法を用い、具体的には、特開2012−124001号公報の段落「0025」に記載の方法により、詳細には下記の通りである。 The amount of the hydrophilic group introduced is appropriately set so that the alloy composition in the mesopores is in an appropriate range, but is preferably 0.01 to 5.0 mmol / g, preferably 0.1 to 3.0 mmol / g. It is more preferably g. The quantification of hydrophilic groups is carried out by a titration method, specifically by the method described in paragraph "0025" of JP2012-124001A, and the details are as follows.

親水基の量は、以下のような滴定法により測定する。すなわち、まず、2.5gのサンプルを1Lの温純水にて洗浄、乾燥する。乾燥後、サンプルに含まれるカーボン量が0.25gとなるよう計量し、55mlの水と10分間攪拌後、2分間超音波分散を行う。次に、この分散液を窒素ガスにてパージしたグローブボックスへ移動させ、窒素ガスを10分間バブリングする。そして、分散液に0.1Mの塩基水溶液を過剰に投入し、この塩基性溶液に対して0.1Mの塩酸にて中和滴定を行ない、中和点から官能基量を定量する。ここで、塩基水溶液は、NaOH、NaCO、NaHCOの3種類を用い、それぞれについて中和滴定作業を行っている。これは使用する塩基毎に中和される官能基の種類が異なるからであり、NaOHの場合はカルボキシル基、ラクトン基、ヒドロキシル基と、NaCOの場合はカルボキシル基、ラクトン基と、NaHCOの場合はカルボキシル基と中和反応するからである。そして、これら滴定で投入した3種類の塩基種類と量、および消費した塩酸量の結果により、親水基の量を算出する。なお、中和点の確認には、pHメーターを使用し、NaOHの場合はpH7.0、NaCOの場合はpH8.5、NaHCOの場合はpH4.5を中和点とする。これにより、カルボキシル基、ラクトン基、およびヒドロキシル基の総量を求める。 The amount of hydrophilic groups is measured by the following titration method. That is, first, 2.5 g of the sample is washed and dried with 1 L of warm pure water. After drying, the sample is weighed so that the amount of carbon contained in the sample is 0.25 g, and after stirring with 55 ml of water for 10 minutes, ultrasonic dispersion is performed for 2 minutes. Next, the dispersion is moved to a glove box purged with nitrogen gas and the nitrogen gas is bubbled for 10 minutes. Then, a 0.1 M base aqueous solution is excessively added to the dispersion, and the basic solution is neutralized and titrated with 0.1 M hydrochloric acid to quantify the amount of functional groups from the neutralization point. Here, aqueous base, NaOH, using three types of Na 2 CO 3, NaHCO 3, and subjected to neutralization titration tasks for each. This is because the type of functional group neutralized differs depending on the base used. In the case of NaOH, the carboxyl group, lactone group, and hydroxyl group, and in the case of Na 2 CO 3 , the carboxyl group, lactone group, and NaHCO This is because the case of 3 undergoes a neutralization reaction with the carboxyl group. Then, the amount of hydrophilic groups is calculated from the results of the three types and amounts of the three types of bases added by these titrations and the amount of hydrochloric acid consumed. Note that the confirmation of the neutralization point, using a pH meter, in the case of NaOH pH 7.0, in the case of Na 2 CO 3 pH 8.5, in the case of NaHCO 3 and the neutral point of pH 4.5. As a result, the total amount of the carboxyl group, the lactone group, and the hydroxyl group is determined.

親水基の導入は、担体を酸化性溶液に接触させることで行うことができる。酸化性溶液としては、硫酸、硝酸、亜リン酸、過マンガン酸カリウム、過酸化水素、塩酸、塩素酸、次亜塩素酸、クロム酸等の溶液が挙げられる。中でも、親水基を導入しやすいことから、硫酸あるいは硝酸の少なくとも1種を用いることが好ましい。この酸化性溶液処理は、担体を酸化性溶液に1回接触させる場合のみならず、複数回繰り返し行っても良い。また、複数回の酸処理を行う場合には、処理ごとに溶液の種類を変更しても良い。 The introduction of the hydrophilic group can be carried out by contacting the carrier with an oxidizing solution. Examples of the oxidizing solution include solutions of sulfuric acid, nitric acid, phosphite, potassium permanganate, hydrogen peroxide, hydrochloric acid, chloric acid, hypochlorous acid, chromic acid and the like. Above all, it is preferable to use at least one of sulfuric acid and nitric acid because it is easy to introduce a hydrophilic group. This oxidizing solution treatment is not limited to the case where the carrier is brought into contact with the oxidizing solution once, but may be repeated a plurality of times. Further, when the acid treatment is performed a plurality of times, the type of the solution may be changed for each treatment.

酸化性溶液の濃度は、0.1〜10.0mol/Lとするのが好ましく、溶液に担体を混合(浸漬)するのが好ましい。混合の担体分散液は、均一に混合するために、撹拌することが好ましい。ここで、撹拌条件は、特に均一に混合できる条件であれば特に制限されない。例えば、スターラーやホモジナイザなどの適当な攪拌機を用いる、あるいは、超音波分散装置など超音波を印加することによって、均一に分散混合できる。また、撹拌温度は、好ましくは0〜50℃、より好ましくは5〜40℃である。また、撹拌時間としては分散が十分に行われるように適宜設定すればよい。 The concentration of the oxidizing solution is preferably 0.1 to 10.0 mol / L, and the carrier is preferably mixed (immersed) in the solution. The mixed carrier dispersion is preferably agitated in order to mix uniformly. Here, the stirring conditions are not particularly limited as long as they can be mixed uniformly. For example, uniform dispersion and mixing can be performed by using an appropriate stirrer such as a stirrer or a homogenizer, or by applying ultrasonic waves such as an ultrasonic disperser. The stirring temperature is preferably 0 to 50 ° C, more preferably 5 to 40 ° C. Further, the stirring time may be appropriately set so that the dispersion is sufficiently performed.

次いで、上記分散液を加熱することが好ましく、加熱により親水基の導入が促進される。ここで、加熱条件は、担体に親水基を付与できる条件であれば特に制限されない。例えば、加熱温度が、好ましくは50〜100℃であり、より好ましくは60〜95℃である。加熱時間は、0.5〜3時間が好ましい。 Next, it is preferable to heat the dispersion liquid, and the heating promotes the introduction of hydrophilic groups. Here, the heating conditions are not particularly limited as long as they can impart hydrophilic groups to the carrier. For example, the heating temperature is preferably 50 to 100 ° C, more preferably 60 to 95 ° C. The heating time is preferably 0.5 to 3 hours.

ここで、必要であれば、親水化処理後の白金担持担体を分散液から単離してもよい。ここで、単離方法は、特に制限されず、白金担持担体を濾過し、乾燥すればよい。なお、必要であれば、白金担持担体を濾過した後に、洗浄(例えば、水洗)を行ってもよい。また、上記濾過ならびに必要であれば洗浄工程は、繰り返し行ってもよい。また、濾過または洗浄後、白金担持担体を乾燥してもよい。ここで、白金担持担体の乾燥は、空気中で行ってもよく、また減圧下で行ってもよい。また、乾燥温度は特に限定されないが、例えば、10〜100℃、好ましくは室温(25℃)〜80℃程度の範囲で行うことができる。また、乾燥時間もまた、特に限定されないが、例えば、1〜60時間、好ましくは5〜50時間程度の範囲で行うことができる。 Here, if necessary, the platinum-supported carrier after the hydrophilization treatment may be isolated from the dispersion. Here, the isolation method is not particularly limited, and the platinum-supported carrier may be filtered and dried. If necessary, the platinum-supported carrier may be filtered and then washed (for example, washed with water). Moreover, the above-mentioned filtration and washing step may be repeated if necessary. Alternatively, the platinum-supported carrier may be dried after filtration or washing. Here, the platinum-supported carrier may be dried in air or under reduced pressure. The drying temperature is not particularly limited, but can be, for example, in the range of 10 to 100 ° C., preferably room temperature (25 ° C.) to 80 ° C. The drying time is also not particularly limited, but can be, for example, in the range of 1 to 60 hours, preferably about 5 to 50 hours.

また、親水化処理後の白金担持担体の分散液をそのまま、工程(2)に用いてもよい。この場合、該分散液に水酸化ナトリウムなどのアルカリを添加してpH調整(好ましくは、pH1〜5に調整)を行うことが好ましい。 Further, the dispersion liquid of the platinum-supported carrier after the hydrophilic treatment may be used as it is in the step (2). In this case, it is preferable to add an alkali such as sodium hydroxide to the dispersion to adjust the pH (preferably, adjust the pH to 1 to 5).

工程(2)
工程(2)は、熱処理および親水化処理が施された白金粒子担持担体に非白金金属前駆体を混合し、さらに合金化処理を施す工程である。
Process (2)
The step (2) is a step of mixing a non-platinum metal precursor with a platinum particle-supported carrier that has been heat-treated and hydrophilized, and further alloying the platinum particles.

非白金金属前駆体としては、非白金金属塩および非白金金属錯体が使用できる。より具体的には、非白金金属の、硝酸塩、硫酸塩、アンモニウム塩、アミン、炭酸塩、重炭酸塩、臭化物および塩化物などのハロゲン化物、亜硝酸塩、シュウ酸などの無機塩類、ギ酸塩などのカルボン酸塩ならびに水酸化物、アルコキサイド、酸化物などを用いることができる。つまり、非白金金属が、純水などの溶媒中で金属イオンになれる化合物が好ましく挙げられる。これらのうち、非白金金属の塩としては、ハロゲン化物(特に塩化物)、硫酸塩、硝酸塩がより好ましい。非白金金属前駆体としては、具体的には、塩化ルテニウム、硝酸ルテニウム、ルテニウム酸ナトリウム、ルテニウム酸カリウム、塩化イリジウム、硝酸イリジウム、ヘキサアンミンイリジウム水酸化物、塩化イリジウム、塩化イリジウム酸アンモニウム、塩化イリジウム酸カリウム、塩化ロジウム、硝酸ロジウム、塩化パラジウム、硝酸パラジウム、ジニトロジアンミンパラジウム、塩化鉄、硫酸コバルト、塩化コバルト、水酸化コバルト等が挙げられる。なお、上記非白金金属前駆体は、1種を単独で使用してもあるいは2種以上の混合物として使用されてもよい。また、非白金金属前駆体は、水和物の形態であってもよい。 As the non-platinum metal precursor, a non-platinum metal salt and a non-platinum metal complex can be used. More specifically, non-platinum metals such as nitrates, sulfates, ammonium salts, amines, carbonates, bicarbonates, halides such as bromides and chlorides, inorganic salts such as nitrites and oxalates, formates, etc. Nitrite and hydroxides, alcoholides, oxides and the like can be used. That is, a compound in which a non-platinum metal can become a metal ion in a solvent such as pure water is preferably mentioned. Of these, as the salt of the non-platinum metal, a halide (particularly chloride), a sulfate, and a nitrate are more preferable. Specific examples of the non-platinum metal precursor include ruthenium chloride, ruthenium nitrate, sodium ruthenium, potassium ruthenium, iridium chloride, iridium nitrate, hexaammine iridium hydroxide, iridium chloride, ammonium iridium chloride, and iridium chloride. Examples thereof include potassium acid acid, ruthenium chloride, ruthenium nitrate, palladium chloride, palladium nitrate, dinitrodiammine palladium, iron chloride, cobalt sulfate, cobalt chloride and cobalt hydroxide. The non-platinum metal precursor may be used alone or as a mixture of two or more. The non-platinum metal precursor may also be in the form of a hydrate.

非白金金属前駆体は、非白金金属前駆体液として白金粒子担持担体と混合してもよい。非白金金属前駆体液に用いられる溶媒としては、上記工程(1)の欄に挙げた溶媒と同様である。非白金金属前駆体液の非白金金属濃度は0.1〜50重量%であることが好ましく、0.5〜20重量%であることがより好ましい。 The non-platinum metal precursor may be mixed with a platinum particle-supporting carrier as a non-platinum metal precursor liquid. The solvent used for the non-platinum metal precursor liquid is the same as the solvent listed in the column of the above step (1). The non-platinum metal concentration of the non-platinum metal precursor liquid is preferably 0.1 to 50% by weight, more preferably 0.5 to 20% by weight.

白金粒子担持担体を、上記非白金金属前駆体に混合(浸漬)することで、白金および非白金金属を担持した担体を調製することができる。 By mixing (immersing) the platinum particle-supporting carrier with the non-platinum metal precursor, a carrier carrying platinum and a non-platinum metal can be prepared.

ここで、親水化処理された白金粒子担持担体および非白金金属前駆体の混合方法は特に制限されない。例えば、非白金金属前駆体液に白金粒子担持担体を混合(浸漬)する;親水化処理された白金粒子担持担体の溶媒分散液と、非白金金属前駆体(または非白金金属前駆体液)とを混合する;のいずれの方法を使用してもよい。 Here, the method of mixing the hydrophilized platinum particle-supporting carrier and the non-platinum metal precursor is not particularly limited. For example, a platinum particle-supporting carrier is mixed (immersed) in a non-platinum metal precursor solution; a solvent dispersion of the hydrophilized platinum particle-supporting carrier and a non-platinum metal precursor (or non-platinum metal precursor solution) are mixed. Any method may be used.

親水化処理された白金粒子担持担体および非白金金属前駆体液の混合重量比は、非白金金属担持量を考慮して適宜設定されるが、白金粒子担持担体:非白金金属=1:0.05〜2とすることが好ましい。 The mixed weight ratio of the hydrophilized platinum particle-supporting carrier and the non-platinum metal precursor solution is appropriately set in consideration of the amount of the non-platinum metal supported, but the platinum particle-supporting carrier: non-platinum metal = 1: 0.05. It is preferably set to ~ 2.

また、熱処理および親水化処理された白金粒子担持担体および非白金金属前駆体液の混合の後、均一に混合し、非白金金属を均一に担持するために、撹拌することが好ましい。ここで、撹拌条件は、特に均一に混合できる条件であれば特に制限されない。例えば、スターラーやホモジナイザなどの適当な攪拌機を用いる、あるいは、超音波分散装置など超音波を印加することによって、均一に分散混合できる。また、撹拌温度は、好ましくは0〜50℃、より好ましくは5〜40℃である。また、撹拌時間としては分散が十分に行われるように適宜設定すればよい。 Further, it is preferable that the platinum particle-supporting carrier and the non-platinum metal precursor solution that have been heat-treated and hydrophilized are mixed, and then uniformly mixed and stirred in order to uniformly support the non-platinum metal. Here, the stirring conditions are not particularly limited as long as they can be mixed uniformly. For example, uniform dispersion and mixing can be performed by using an appropriate stirrer such as a stirrer or a homogenizer, or by applying ultrasonic waves such as an ultrasonic disperser. The stirring temperature is preferably 0 to 50 ° C, more preferably 5 to 40 ° C. Further, the stirring time may be appropriately set so that the dispersion is sufficiently performed.

また、非白金金属前駆体の白金粒子担持担体上への付着を確実とするために、熱処理および親水化処理された白金粒子担持担体および非白金金属前駆体の混合液、または非白金前駆体液に還元剤を加えてもよい。還元剤としては、例えば、エタノール、メタノール、プロパノール、ギ酸、ギ酸ナトリウムやギ酸カリウムなどのギ酸塩、ホルムアルデヒド、チオ硫酸ナトリウム、クエン酸、クエン酸ナトリウム、クエン酸三ナトリウムなどのクエン酸塩、水素化ホウ素ナトリウム(NaBH)およびヒドラジン(N)などが使用できる。これらは水和物の形態になっていてもよい。また、2種類以上を混合して使用してもよい。また、還元剤は還元剤溶液の形態で添加してもよい。 Further, in order to ensure that the non-platinum metal precursor adheres to the platinum particle-supporting carrier, the mixture of the platinum particle-supporting carrier and the non-platinum metal precursor that has been heat-treated and hydrophilized, or the non-platinum precursor liquid A reducing agent may be added. Examples of the reducing agent include ethanol, methanol, propanol, formic acid, formic acid such as sodium formate and potassium formate, citrate such as formaldehyde, sodium thiosulfate, citrate, sodium citrate and trisodium citrate, and borohydride. Sodium borohydride (NaBH 4 ), hydrazine (N 2 H 4 ) and the like can be used. These may be in the form of hydrates. Further, two or more types may be mixed and used. Further, the reducing agent may be added in the form of a reducing agent solution.

還元剤の添加量としては、非白金金属前駆体を還元させるのに十分な量であれば特に制限されない。具体的には、還元剤の添加量は、非白金金属前駆体1モルに対して、好ましくは1〜20モルであり、より好ましくは1.5〜10モルである。このような量であれば、非白金金属前駆体を十分還元できる。なお、2種以上の還元剤を用いる場合には、これらの合計の添加量が上記範囲であることが好ましい。 The amount of the reducing agent added is not particularly limited as long as it is sufficient to reduce the non-platinum metal precursor. Specifically, the amount of the reducing agent added is preferably 1 to 20 mol, more preferably 1.5 to 10 mol, with respect to 1 mol of the non-platinum metal precursor. With such an amount, the non-platinum metal precursor can be sufficiently reduced. When two or more kinds of reducing agents are used, the total addition amount of these agents is preferably in the above range.

工程(2)においては、非白金金属前駆体液の非白金金属濃度、非白金金属前駆体の浸漬時間等を適宜設定することで、担体への非白金金属担持量を制御することができる。 In the step (2), the amount of the non-platinum metal supported on the carrier can be controlled by appropriately setting the non-platinum metal concentration of the non-platinum metal precursor liquid, the immersion time of the non-platinum metal precursor, and the like.

上記処理により、白金および非白金金属が担持された担体を得ることができる。 By the above treatment, a carrier on which platinum and a non-platinum metal are supported can be obtained.

ここで、必要であれば、白金および非白金金属担持担体を分散液から単離してもよい。ここで、単離方法は、特に制限されず、白金および非白金金属担持担体を濾過し、乾燥すればよい。なお、必要であれば、白金および非白金金属担持担体を濾過した後に、洗浄(例えば、水洗)を行ってもよい。また、上記濾過ならびに必要であれば洗浄工程は、繰り返し行ってもよい。また、濾過または洗浄後、白金および非白金金属担持担体を乾燥してもよい。ここで、白金および非白金金属担持担体の乾燥は、空気中で行ってもよく、また減圧下で行ってもよい。また、乾燥温度は特に限定されないが、例えば、10〜100℃、好ましくは室温(25℃)〜80℃程度の範囲で行うことができる。また、乾燥時間もまた、特に限定されないが、例えば、1〜60時間、好ましくは5〜50時間程度の範囲で行うことができる。 Here, if necessary, platinum and non-platinum metal-supported carriers may be isolated from the dispersion. Here, the isolation method is not particularly limited, and platinum and non-platinum metal-supporting carriers may be filtered and dried. If necessary, the platinum and non-platinum metal-supporting carriers may be filtered and then washed (for example, washed with water). Moreover, the above-mentioned filtration and washing step may be repeated if necessary. In addition, the platinum and non-platinum metal-supported carriers may be dried after filtration or washing. Here, the platinum and non-platinum metal-supported carriers may be dried in air or under reduced pressure. The drying temperature is not particularly limited, but can be, for example, in the range of 10 to 100 ° C., preferably room temperature (25 ° C.) to 80 ° C. The drying time is also not particularly limited, but can be, for example, in the range of 1 to 60 hours, preferably about 5 to 50 hours.

次いで、合金化処理を行う。 Next, an alloying treatment is performed.

合金化処理の具体的な方法は特に制限されず、公知の手法が適宜採用されうる。例えば、熱処理を行う方法等が挙げられる。熱処理条件は合金化が進行する条件であれば特に限定されるものではないが、例えば、熱処理温度は、600〜1200℃であることが好ましく、800〜1200℃であることがより好ましい。また熱処理時間は、0.5〜10時間であることが好ましく、1〜4時間であることがより好ましい。また、熱処理雰囲気は、特に制限されないが、熱処理は、合金(白金及び非白金金属)の酸化を抑制防止するため、非酸化性雰囲気下で行うことが好ましい。非酸化性雰囲気下としては、不活性ガス雰囲気または還元性ガス雰囲気が挙げられる。ここで、不活性ガスは、特に制限されないが、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)、及び窒素(N)などが使用できる。上記不活性ガスは、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合ガスの形態で使用されてもよい。また、還元性ガス雰囲気は、還元性ガスが含まれていれば特に制限されないが、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気であることがより好ましい。ここで、還元性ガスは、特に制限されないが、水素(H)ガス、一酸化炭素(CO)ガスが好ましい。 The specific method of the alloying treatment is not particularly limited, and a known method can be appropriately adopted. For example, a method of performing heat treatment and the like can be mentioned. The heat treatment conditions are not particularly limited as long as the alloying proceeds, but for example, the heat treatment temperature is preferably 600 to 1200 ° C., more preferably 800 to 1200 ° C. The heat treatment time is preferably 0.5 to 10 hours, more preferably 1 to 4 hours. The heat treatment atmosphere is not particularly limited, but the heat treatment is preferably performed in a non-oxidizing atmosphere in order to suppress and prevent oxidation of the alloy (platinum and non-platinum metal). Examples of the non-oxidizing atmosphere include an inert gas atmosphere and a reducing gas atmosphere. Here, the inert gas is not particularly limited, but helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), nitrogen (N 2 ) and the like can be used. The inert gas may be used alone or in the form of a mixed gas of two or more. The reducing gas atmosphere is not particularly limited as long as it contains a reducing gas, but a mixed gas atmosphere of a reducing gas and an inert gas is more preferable. Here, the reducing gas is not particularly limited, but hydrogen (H 2 ) gas and carbon monoxide (CO) gas are preferable.

上記合金化処理後に、さらに熱処理を行ってもよい。当該熱処理によって、触媒中の合金粒子のL1構造の規則度を30〜100%にまで増加させうる。なお、熱処理条件を選択することで、L1構造の規則度を制御することができる。 After the alloying treatment, further heat treatment may be performed. By the heat treatment, may the rules of the L1 2 structure of the alloy particles in the catalyst is increased to 30 to 100%. Note that by selecting the heat treatment conditions, it is possible to control the degree of order of the L1 2 structure.

熱処理条件は、規則度を30〜100%にまで増加できる条件であれば特に制限されないが、熱処理の温度および時間の制御が重要である。 The heat treatment conditions are not particularly limited as long as the regularity can be increased to 30 to 100%, but control of the heat treatment temperature and time is important.

具体的には、熱処理温度が350〜450℃である場合には、好ましくは120分を超える時間、さらに好ましくは240分以上、熱処理を行うことが好ましい。 Specifically, when the heat treatment temperature is 350 to 450 ° C., it is preferable to perform the heat treatment for a time exceeding 120 minutes, more preferably 240 minutes or more.

なお、上記熱処理温度での熱処理時間の上限は、触媒粒子が担体に担持する状態を維持できる温度であれば特に制限されず、触媒粒子の粒径や種類によって適宜選択される。例えば、熱処理時間は、通常、36時間以下、好ましくは24時間以下、より好ましくは10時間以下、さらにより好ましくは5時間以下である。 The upper limit of the heat treatment time at the heat treatment temperature is not particularly limited as long as it can maintain the state in which the catalyst particles are supported on the carrier, and is appropriately selected depending on the particle size and type of the catalyst particles. For example, the heat treatment time is usually 36 hours or less, preferably 24 hours or less, more preferably 10 hours or less, and even more preferably 5 hours or less.

熱処理温度が350〜450℃である場合の、熱処理雰囲気は、特に制限されないが、熱処理は、合金(白金及び非白金金属)の酸化を抑制防止するため、非酸化性雰囲気下で行うことが好ましい。ここで、非酸化性雰囲気は上記合金化処理の欄での記載と同様の定義であるため、ここでは説明を省略する。また、還元性ガス雰囲気は、還元性ガスが含まれていれば特に制限されないが、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気であることがより好ましい。また、不活性ガスに含有される還元性ガスの濃度も、特に制限されないが、不活性ガス中の還元性ガスの含有量が、好ましくは10〜100体積%、より好ましくは50〜100体積%である。このような濃度であれば、合金(白金及び非白金金属)の酸化を十分抑制・防止できる。上記のうち、熱処理は、還元性ガス雰囲気で行われることが好ましい。このような条件であれば、触媒粒子径の増大を抑えつつ、得られる触媒粒子(合金粒子)の規則度を30〜100%により有効に制御できる。 When the heat treatment temperature is 350 to 450 ° C., the heat treatment atmosphere is not particularly limited, but the heat treatment is preferably performed in a non-oxidizing atmosphere in order to suppress and prevent oxidation of the alloy (platinum and non-platinum metal). .. Here, since the non-oxidizing atmosphere has the same definition as the description in the above-mentioned alloying treatment column, the description thereof is omitted here. The reducing gas atmosphere is not particularly limited as long as it contains a reducing gas, but a mixed gas atmosphere of a reducing gas and an inert gas is more preferable. The concentration of the reducing gas contained in the inert gas is also not particularly limited, but the content of the reducing gas in the inert gas is preferably 10 to 100% by volume, more preferably 50 to 100% by volume. Is. With such a concentration, oxidation of alloys (platinum and non-platinum metals) can be sufficiently suppressed / prevented. Of the above, the heat treatment is preferably performed in a reducing gas atmosphere. Under such conditions, the regularity of the obtained catalyst particles (alloy particles) can be effectively controlled by 30 to 100% while suppressing the increase in the catalyst particle size.

また、熱処理温度が450℃を超え750℃以下である場合には、10分以上、より好ましくは20分以上、熱処理を行うことが好ましい。なお、上記熱処理温度での熱処理時間の上限は、触媒粒子が担体に担持する状態を維持できる温度であれば特に制限されず、触媒粒子の粒径や種類によって適宜選択される。例えば、熱処理時間は、通常、36時間以下、好ましくは24時間以下、より好ましくは10時間以下、さらにより好ましくは5時間以下である。 When the heat treatment temperature is more than 450 ° C. and 750 ° C. or lower, it is preferable to perform the heat treatment for 10 minutes or more, more preferably 20 minutes or more. The upper limit of the heat treatment time at the heat treatment temperature is not particularly limited as long as it can maintain the state in which the catalyst particles are supported on the carrier, and is appropriately selected depending on the particle size and type of the catalyst particles. For example, the heat treatment time is usually 36 hours or less, preferably 24 hours or less, more preferably 10 hours or less, and even more preferably 5 hours or less.

熱処理温度が450℃を超え750℃以下である場合の、熱処理雰囲気は、特に制限されないが、熱処理は、合金(白金及び非白金金属)の酸化を抑制防止するために、非酸化性雰囲気下で行うことが好ましい。ここで、非酸化性雰囲気は上記合金化処理の欄での記載と同様の定義であるため、ここでは説明を省略する。上記のうち、熱処理は、不活性ガス雰囲気または還元性ガス雰囲気で行われることが好ましい。上記条件であれば、触媒粒子径の増大を抑えつつ、得られる触媒粒子(合金粒子)の規則度を30〜100%により有効に制御できる。 When the heat treatment temperature is more than 450 ° C. and 750 ° C. or lower, the heat treatment atmosphere is not particularly limited, but the heat treatment is performed in a non-oxidizing atmosphere in order to suppress and prevent oxidation of the alloy (platinum and non-platinum metal). It is preferable to do so. Here, since the non-oxidizing atmosphere has the same definition as the description in the above-mentioned alloying treatment column, the description thereof is omitted here. Of the above, the heat treatment is preferably carried out in an inert gas atmosphere or a reducing gas atmosphere. Under the above conditions, the regularity of the obtained catalyst particles (alloy particles) can be effectively controlled by 30 to 100% while suppressing the increase in the catalyst particle size.

さらに、熱処理温度が750℃を超える場合には、還元性ガス雰囲気下で、10〜45分間、より好ましくは20〜40分間、熱処理を行うことが好ましい。または、熱処理温度が750℃を超える場合には、不活性ガス雰囲気下で、10〜120分間、より好ましくは30〜100分間、特に好ましくは45分を超えて90分以下の時間、熱処理を行うことが好ましい。 Further, when the heat treatment temperature exceeds 750 ° C., it is preferable to perform the heat treatment in a reducing gas atmosphere for 10 to 45 minutes, more preferably 20 to 40 minutes. Alternatively, when the heat treatment temperature exceeds 750 ° C., the heat treatment is performed in an inert gas atmosphere for 10 to 120 minutes, more preferably 30 to 100 minutes, particularly preferably more than 45 minutes and 90 minutes or less. Is preferable.

なお、上記熱処理温度の上限は、触媒粒子が担体に担持する状態を維持できる温度であれば特に制限されず、触媒粒子の粒径や種類によって適宜選択される。また、熱処理時の温度及び時間に比例して、規則度は上昇するものの、シンタリングにより粒子径の増大を引き起こす傾向にある。上記点を考慮すると、例えば、熱処理温度は、1000℃以下でありうる。このような条件であれば、触媒粒子径の増大は抑えつつ、さらに得られる触媒粒子(合金粒子)の担体上での凝集も抑制できる。上記において、「不活性ガス雰囲気」および「還元性ガス雰囲気」は、上記合金化処理の欄での記載と同様の定義であるため、ここでは説明を省略する。上記条件であれば、触媒粒子径の増大を抑えつつ、得られる触媒粒子(合金粒子)の規則度を30〜100%により有効に制御できる。 The upper limit of the heat treatment temperature is not particularly limited as long as it can maintain the state in which the catalyst particles are supported on the carrier, and is appropriately selected depending on the particle size and type of the catalyst particles. Further, although the regularity increases in proportion to the temperature and time during the heat treatment, there is a tendency for the particle size to increase due to sintering. Considering the above points, for example, the heat treatment temperature can be 1000 ° C. or lower. Under such conditions, it is possible to suppress an increase in the catalyst particle size and further suppress the aggregation of the obtained catalyst particles (alloy particles) on the carrier. In the above, the "inert gas atmosphere" and the "reducing gas atmosphere" have the same definitions as those described in the section of alloying treatment, and thus the description thereof will be omitted here. Under the above conditions, the regularity of the obtained catalyst particles (alloy particles) can be effectively controlled by 30 to 100% while suppressing the increase in the catalyst particle size.

上記より、本発明の好ましい形態によれば、合金化処理後の熱処理が、(a)還元性ガス雰囲気または不活性ガス雰囲気下で、350〜450℃の温度で、120分を超える時間行われる;(b)還元性ガス雰囲気または不活性ガス雰囲気下で、450℃を超え750℃以下の温度で、10分以上行われる;(c)不活性ガス雰囲気下で、750℃を超える温度で、10〜120分の時間行われる;または(d)還元性ガス雰囲気下で、750℃を超える温度で、10〜45分の時間行われる。 From the above, according to the preferred embodiment of the present invention, the heat treatment after the alloying treatment is carried out in (a) a reducing gas atmosphere or an inert gas atmosphere at a temperature of 350 to 450 ° C. for a time exceeding 120 minutes. (B) Performed for 10 minutes or more in a reducing gas atmosphere or an inert gas atmosphere at a temperature of more than 450 ° C. and 750 ° C. or less; (c) In an inert gas atmosphere, at a temperature of more than 750 ° C. It is carried out for 10 to 120 minutes; or (d) under a reducing gas atmosphere at a temperature above 750 ° C. for 10 to 45 minutes.

[燃料電池]
本発明の他の実施形態は、第一実施形態の電極触媒を含む膜電極接合体および燃料電池である。第一実施形態の電極触媒の電極触媒は、少ない白金含有量であっても、高い活性(面積比活性(単位面積当たりの活性)、質量比活性(質量当たりの活性))を発揮できる。このため、第一実施形態の電極触媒を触媒層に用いた膜電極接合体および燃料電池は、発電性能に優れる。
[Fuel cell]
Another embodiment of the present invention is a membrane electrode assembly and a fuel cell containing the electrode catalyst of the first embodiment. The electrode catalyst of the electrode catalyst of the first embodiment can exhibit high activity (area specific activity (activity per unit area), mass ratio activity (activity per unit area)) even with a small platinum content. Therefore, the membrane electrode assembly and the fuel cell using the electrode catalyst of the first embodiment as the catalyst layer are excellent in power generation performance.

燃料電池は、膜電極接合体(MEA)と、燃料ガスが流れる燃料ガス流路を有するアノード側セパレータと酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有するカソード側セパレータとからなる一対のセパレータとを有する。本形態の燃料電池は、耐久性に優れ、かつ高い発電性能を発揮できる。 A fuel cell comprises a membrane electrode assembly (MEA) and a pair of separators including an anode-side separator having a fuel gas flow path through which fuel gas flows and a cathode-side separator having an oxidant gas flow path through which oxidant gas flows. Have. The fuel cell of this embodiment has excellent durability and can exhibit high power generation performance.

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

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

セパレータ(5a、5c)は、例えば、厚さ0.5mm以下の薄板にプレス処理を施すことで図2に示すような凹凸状の形状に成形することにより得られる。セパレータ(5a、5c)のMEA側から見た凸部はMEA 10と接触している。これにより、MEA 10との電気的な接続が確保される。また、セパレータ(5a、5c)のMEA側から見た凹部(セパレータの有する凹凸状の形状に起因して生じるセパレータとMEAとの間の空間)は、PEFC 1の運転時にガスを流通させるためのガス流路として機能する。具体的には、アノードセパレータ5aのガス流路6aには燃料ガス(例えば、水素など)を流通させ、カソードセパレータ5cのガス流路6cには酸化剤ガス(例えば、空気など)を流通させる。 The separators (5a, 5c) can be obtained, for example, by pressing a thin plate having a thickness of 0.5 mm or less to form a concavo-convex shape as shown in FIG. The convex portion of the separator (5a, 5c) seen from the MEA side is in contact with the MEA 10. This ensures an electrical connection with the MEA 10. Further, the recesses (the space between the separator and the MEA caused by the uneven shape of the separator) seen from the MEA side of the separators (5a, 5c) are for circulating gas during the operation of PEFC 1. Functions as a gas flow path. Specifically, a fuel gas (for example, hydrogen) is circulated in the gas flow path 6a of the anode separator 5a, and an oxidant gas (for example, air) is circulated in the gas flow path 6c of the cathode separator 5c.

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

なお、図2に示す実施形態においては、セパレータ(5a、5c)は凹凸状の形状に成形されている。ただし、セパレータは、かような凹凸状の形態のみに限定されるわけではなく、ガス流路および冷媒流路の機能を発揮できる限り、平板状、一部凹凸状などの任意の形態であってもよい。 In the embodiment shown in FIG. 2, the separators (5a and 5c) are formed into an uneven shape. However, the separator is not limited to such an uneven shape, and may be any shape such as a flat plate shape or a partially uneven shape as long as the functions of the gas flow path and the refrigerant flow path can be exhibited. May be good.

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

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

また、燃料電池の適用用途は特に限定されるものではないが、車両に適用することが好ましい。本発明の電解質膜−電極接合体は、発電性能および耐久性に優れ、小型化が実現可能である。このため、本発明の燃料電池は、車載性の点から、車両に該燃料電池を適用した場合、特に有利である。したがって、本発明は、本発明の燃料電池を有する車両を提供する。 The application of the fuel cell is not particularly limited, but it is preferably applied to a vehicle. The electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention is excellent in power generation performance and durability, and can be miniaturized. Therefore, the fuel cell of the present invention is particularly advantageous when the fuel cell is applied to a vehicle from the viewpoint of in-vehicle performance. Therefore, the present invention provides a vehicle having the fuel cell of the present invention.

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

[電解質膜−電極接合体(MEA)]
MEAは、電解質膜、上記電解質膜の両面に順次形成されるアノード触媒層およびアノードガス拡散層ならびにカソード触媒層およびカソードガス拡散層から構成される。そしてこの電解質膜−電極接合体において、カソード触媒層およびアノード触媒層の少なくとも一方に第一実施形態の電極触媒が使用される。
[Electrolyte Membrane-Electrode Assembly (MEA)]
The MEA is composed of an electrolyte membrane, an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer, and a cathode catalyst layer and a cathode gas diffusion layer, which are sequentially formed on both surfaces of the electrolyte membrane. Then, in this electrolyte membrane-electrode assembly, the electrode catalyst of the first embodiment is used for at least one of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer.

(触媒層)
触媒層は、電極触媒および電解質を含む。
(Catalyst layer)
The catalyst layer contains an electrode catalyst and an electrolyte.

触媒層内では、触媒は電解質で被覆されているが、電解質は、触媒(担体)のメソ孔内には侵入しない。このため、担体表面の合金微粒子は電解質と接触するが、メソ孔内部に担持された合金微粒子は電解質と非接触状態である。メソ孔内の合金微粒子が、電解質と非接触状態で酸素ガスと水との三相界面を形成することにより、合金微粒子の反応活性面積を確保できる。 In the catalyst layer, the catalyst is coated with an electrolyte, but the electrolyte does not penetrate into the mesopores of the catalyst (carrier). Therefore, the alloy fine particles on the surface of the carrier come into contact with the electrolyte, but the alloy fine particles supported inside the mesopores are in a non-contact state with the electrolyte. The reaction active area of the alloy fine particles can be secured by forming the three-phase interface between oxygen gas and water in the mesopores in a non-contact state with the electrolyte.

第一実施形態の電極触媒は、カソード触媒層またはアノード触媒層のいずれに存在してもいてもよいが、カソード触媒層で使用されることが好ましい。上述したように、第一実施形態の触媒は、電解質と接触しなくても、水との三相界面を形成することによって、触媒を有効に利用できるが、カソード触媒層で水が形成するからである。 The electrode catalyst of the first embodiment may be present in either the cathode catalyst layer or the anode catalyst layer, but is preferably used in the cathode catalyst layer. As described above, the catalyst of the first embodiment can effectively utilize the catalyst by forming a three-phase interface with water without contacting with the electrolyte, but water is formed in the cathode catalyst layer. Is.

本形態において、単位触媒塗布面積当たりの触媒含有量(mg/cm)は、十分な触媒の担体上での分散度、発電性能が得られる限り特に制限されず、例えば、0.01〜1mg/cmである。また、単位触媒塗布面積当たりの白金含有量は、0.5mg/cm以下であることが好ましい。合金粒子を構成する白金に代表される高価な貴金属触媒の使用は燃料電池の高価格要因となっている。したがって、高価な白金の使用量(白金含有量)を上記範囲まで低減し、コストを削減することが好ましい。白金含有量の下限値は発電性能が得られる限り特に制限されないが、例えば、0.01mg/cm以上である。より好ましくは、当該白金含有量は0.02〜0.4mg/cmである。本形態では、担体の空孔構造を制御することにより、高い活性を有する合金粒子を使用し、かつ、触媒重量あたりの活性を向上させることができるため、高価な触媒の使用量を低減することが可能となる。 In the present embodiment, the catalyst content (mg / cm 2 ) per unit catalyst coating area is not particularly limited as long as sufficient dispersity of the catalyst on the carrier and power generation performance can be obtained, and is, for example, 0.01 to 1 mg. / Cm 2 . The platinum content per unit catalyst coating area is preferably 0.5 mg / cm 2 or less. The use of expensive precious metal catalysts such as platinum, which constitutes alloy particles, is a factor in the high price of fuel cells. Therefore, it is preferable to reduce the amount of expensive platinum used (platinum content) to the above range to reduce the cost. The lower limit of the platinum content is not particularly limited as long as the power generation performance can be obtained, but is, for example, 0.01 mg / cm 2 or more. More preferably, the platinum content is 0.02 to 0.4 mg / cm 2 . In this embodiment, by controlling the pore structure of the carrier, alloy particles having high activity can be used and the activity per catalyst weight can be improved, so that the amount of expensive catalyst used can be reduced. Is possible.

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

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

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

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

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

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

プロトンの伝達を担う高分子電解質においては、プロトンの伝導度が重要となる。ここで、高分子電解質のEWが大きすぎる場合には触媒層全体でのイオン伝導性が低下する。したがって、本形態の触媒層は、EWの小さい高分子電解質を含むことが好ましい。具体的には、本形態の触媒層は、好ましくはEWが1500g/eq.以下の高分子電解質を含み、より好ましくは1200g/eq.以下の高分子電解質を含み、特に好ましくは1000g/eq.以下の高分子電解質を含む。 Proton conductivity is important in polymer electrolytes that are responsible for proton transfer. Here, if the EW of the polymer electrolyte is too large, the ionic conductivity of the entire catalyst layer decreases. Therefore, the catalyst layer of the present embodiment preferably contains a polymer electrolyte having a small EW. Specifically, the catalyst layer of this embodiment preferably has an EW of 1500 g / eq. It contains the following polymeric electrolytes, more preferably 1200 g / eq. It contains the following polymeric electrolytes, particularly preferably 1000 g / eq. It contains the following polymer electrolytes.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

(合成例1)
国際公開第2009/075264号に記載の方法により、担体Aを作製した。得られた担体AのBET比表面積は1570m/gであり、メソ孔の空孔分布のモード半径は1.2nmであり、メソ孔の空孔容積は0.73cc/gであった。
(Synthesis Example 1)
Carrier A was prepared by the method described in WO 2009/075264. The BET specific surface area of the obtained carrier A was 1570 m 2 / g, the mode radius of the pore distribution of the mesopores was 1.2 nm, and the pore volume of the mesopores was 0.73 cc / g.

(合成例2)
上記の合成例1で作製した担体Aを、アルゴン雰囲気下で1800℃まで加熱した後、この温度で8分間保持することにより、担体Bを作製した。得られた担体BのBET比表面積は1200m/gであり、メソ孔の空孔分布のモード半径は1.65nmであり、メソ孔の空孔容積は0.63cc/gであった。
(Synthesis Example 2)
The carrier A prepared in Synthesis Example 1 above was heated to 1800 ° C. under an argon atmosphere and then held at this temperature for 8 minutes to prepare a carrier B. The BET specific surface area of the obtained carrier B was 1200 m 2 / g, the mode radius of the pore distribution of the mesopores was 1.65 nm, and the pore volume of the mesopores was 0.63 cc / g.

(実施例1)
1.白金粒子担持担体の作製
白金濃度4.6重量%のジニトロジアンミン白金硝酸溶液1000g(白金含有量:8g)に、担体Aを19g浸漬させ、撹拌後、還元剤として100%エタノールを100mL添加した。この溶液を沸点(約95℃)で7時間、撹拌、混合し、白金を担体Aに担持させた。そして、濾過、乾燥することにより白金粒子担持担体を得た。この白金粒子担持担体における白金の担持濃度(担持量)は、担体100重量%に対して、29重量%であった。なお、白金の担持濃度(担持量)については、ICP分析により測定した。
(Example 1)
1. 1. Preparation of Platinum Particle-Supported Carrier 19 g of Carrier A was immersed in 1000 g (platinum content: 8 g) of a dinitrodiammine platinum nitric acid solution having a platinum concentration of 4.6 wt%, and after stirring, 100 mL of 100% ethanol was added as a reducing agent. This solution was stirred and mixed at boiling point (about 95 ° C.) for 7 hours to support platinum on carrier A. Then, it was filtered and dried to obtain a platinum particle-supporting carrier. The supported concentration (supported amount) of platinum in this platinum particle-supported carrier was 29% by weight with respect to 100% by weight of the carrier. The supported concentration (supported amount) of platinum was measured by ICP analysis.

2.熱処理工程
上記1.で得られた白金粒子担持担体に対して、水素雰囲気下、温度900℃にて1時間の熱処理を施した。
2. Heat treatment process 1. The platinum particle-supporting carrier obtained in 1 above was heat-treated in a hydrogen atmosphere at a temperature of 900 ° C. for 1 hour.

3.親水化処理工程
3.0mol/Lの硝酸水溶液20Lに、上記2.で熱処理を施された白金粒子担持担体20gを添加し、撹拌後、撹拌を維持しながら、80℃にて2時間加熱した。その後、室温まで冷却することにより、熱処理および親水化処理された白金粒子担持担体を得た(親水基結合量1.2mmol/g)。
3. 3. Hydrophilization treatment step 2. To 20 L of a 3.0 mol / L nitric acid aqueous solution. 20 g of the platinum particle-supporting carrier heat-treated in 1 was added, and after stirring, the mixture was heated at 80 ° C. for 2 hours while maintaining the stirring. Then, it cooled to room temperature to obtain a platinum particle-supporting carrier which had been heat-treated and hydrophilized (hydrophilic group bond amount 1.2 mmol / g).

4.コバルト合金化工程
塩化コバルト水溶液60g(コバルト濃度0.66重量%、コバルト含有量0.4g、pH2)に、上記3.で得られた親水化処理後の白金粒子担持担体の10gを浸漬し、室温にて1時間、スターラーで撹拌・混合した。次いで、この溶液を60℃にて乾燥させることにより、コバルト金属前駆体がさらに担持された白金粒子担持担体を得た。最後に、100体積%水素ガス中、1000℃にて2時間の合金化処理を施すことで、本実施例の電極触媒(1)を製造した。この電極触媒(1)における触媒金属(合金微粒子)の担持濃度(担持量)は、担体100重量%に対して、32.3重量%(Pt:29.7重量%、Co:2.6重量%、Pt:Co=77.5:22.5(原子%))であった。なお、本実施例の触媒において、合金微粒子の少なくとも一部がメソ孔内に担持されていることを確認した。
4. Cobalt alloying step To 60 g of cobalt chloride aqueous solution (cobalt concentration 0.66% by weight, cobalt content 0.4 g, pH 2), the above 3. 10 g of the platinum particle-supporting carrier obtained in the above-mentioned hydrophilization treatment was immersed, and the mixture was stirred and mixed with a stirrer at room temperature for 1 hour. Then, the solution was dried at 60 ° C. to obtain a platinum particle-supported carrier on which a cobalt metal precursor was further supported. Finally, the electrode catalyst (1) of this example was produced by subjecting it to an alloying treatment at 1000 ° C. for 2 hours in 100% by volume hydrogen gas. The supported concentration (supported amount) of the catalyst metal (alloy fine particles) in the electrode catalyst (1) was 32.3% by weight (Pt: 29.7% by weight, Co: 2.6% by weight) with respect to 100% by weight of the carrier. %, Pt: Co = 77.5: 22.5 (atomic%)). In the catalyst of this example, it was confirmed that at least a part of the alloy fine particles was supported in the mesopores.

(実施例2)
担体Aに代えて担体Bを用い、かつ、白金およびコバルトの担持量を変化させたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、本実施例の電極触媒(2)を製造した。なお、この電極触媒(2)における触媒金属(合金微粒子)の担持濃度(担持量)は、担体100重量%に対して、30.8重量%(Pt:26.4重量%、Co:4.4重量%、Pt:Co=64.4:35.6(原子%))であった。なお、本実施例の触媒において、合金微粒子の少なくとも一部がメソ孔内に担持されていることを確認した。
(Example 2)
The electrode catalyst (2) of this example was produced by the same method as in Example 1 described above except that the carrier B was used instead of the carrier A and the supported amounts of platinum and cobalt were changed. The supported concentration (supported amount) of the catalyst metal (alloy fine particles) in the electrode catalyst (2) was 30.8% by weight (Pt: 26.4% by weight, Co: 4.) with respect to 100% by weight of the carrier. 4% by weight, Pt: Co = 64.4: 35.6 (atomic%)). In the catalyst of this example, it was confirmed that at least a part of the alloy fine particles was supported in the mesopores.

(実施例3)
白金およびコバルトの担持量を変化させたこと以外は、上述した実施例2と同様の手法により、得られた電極触媒を、さらに100体積%水素ガス中、1100℃にて2時間の合金化処理を実施することで、本実施例の電極触媒(3)を製造した。なお、この電極触媒(3)における触媒金属(合金微粒子)の担持濃度(担持量)は、担体100重量%に対して、56.3重量%(Pt:49.5重量%、Co:6.8重量%、Pt:Co=68.7:31.3(原子%))であった。なお、本実施例の触媒において、合金微粒子の少なくとも一部がメソ孔内に担持されていることを確認した。
(Example 3)
The electrode catalyst obtained by the same method as in Example 2 described above was further alloyed in 100% by volume hydrogen gas at 1100 ° C. for 2 hours except that the supported amounts of platinum and cobalt were changed. By carrying out the above, the electrode catalyst (3) of this example was produced. The supported concentration (supported amount) of the catalyst metal (alloy fine particles) in the electrode catalyst (3) was 56.3% by weight (Pt: 49.5% by weight, Co: 6.) with respect to 100% by weight of the carrier. 8% by weight, Pt: Co = 68.7: 31.3 (atomic%)). In the catalyst of this example, it was confirmed that at least a part of the alloy fine particles was supported in the mesopores.

(比較例1)
触媒担体としてケッチェンブラック(ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製)を用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、本比較例の比較電極触媒(1)を製造した。なお、この比較電極触媒(1)における触媒金属(合金微粒子)の担持濃度(担持量)は、担体100重量%に対して、50.9重量%(Pt:45.8重量%、Co:5.1重量%、Pt:Co=73.1:26.9(原子%))であった。
(Comparative Example 1)
The comparative electrode catalyst (1) of this Comparative Example was produced by the same method as in Example 1 described above except that Ketjen Black (manufactured by Lion Specialty Chemicals Co., Ltd.) was used as the catalyst carrier. The supported concentration (supported amount) of the catalyst metal (alloy fine particles) in the comparative electrode catalyst (1) was 50.9% by weight (Pt: 45.8% by weight, Co: 5) with respect to 100% by weight of the carrier. .1% by weight, Pt: Co = 73.1: 26.9 (atomic%)).

(比較例2)
触媒担体としてアセチレンブラックを用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、本比較例の比較電極触媒(2)を製造した。なお、この比較電極触媒(2)における触媒金属(合金微粒子)の担持濃度(担持量)は、担体100重量%に対して、52.5重量%(Pt:47.9重量%、Co:4.6重量%、Pt:Co=75.9:24.1(原子%))であった。
(Comparative Example 2)
The comparative electrode catalyst (2) of this Comparative Example was produced by the same method as in Example 1 described above except that acetylene black was used as the catalyst carrier. The supported concentration (supported amount) of the catalyst metal (alloy fine particles) in the comparative electrode catalyst (2) was 52.5% by weight (Pt: 47.9% by weight, Co: 4) with respect to 100% by weight of the carrier. It was .6% by weight, Pt: Co = 75.9: 24.1 (atomic%)).

(比較例3)
触媒担体としてブラックパール(キャボット社製)を用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、本比較例の比較電極触媒(3)を製造した。なお、この比較電極触媒(3)における触媒金属(合金微粒子)の担持濃度(担持量)は、担体100重量%に対して、51.2重量%(Pt:47.0重量%、Co:4.2重量%、Pt:Co=77.2:22.8(原子%))であった。
(Comparative Example 3)
The comparative electrode catalyst (3) of this Comparative Example was produced by the same method as in Example 1 described above except that Black Pearl (manufactured by Cabot Corporation) was used as the catalyst carrier. The supported concentration (supported amount) of the catalyst metal (alloy fine particles) in the comparative electrode catalyst (3) was 51.2% by weight (Pt: 47.0% by weight, Co: 4) with respect to 100% by weight of the carrier. .2% by weight, Pt: Co = 77.2: 22.8 (atomic%)).

(比較例4)
触媒担体として黒鉛化ケッチェンブラックを用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、本比較例の比較電極触媒(4)を製造した。なお、この比較電極触媒(4)における触媒金属(合金微粒子)の担持濃度(担持量)は、担体100重量%に対して、32.5重量%(Pt:29.2重量%、Co:3.3重量%、Pt:Co=72.8:27.2(原子%))であった。
(Comparative Example 4)
The comparative electrode catalyst (4) of this comparative example was produced by the same method as in Example 1 described above except that graphitized Ketjen black was used as the catalyst carrier. The supported concentration (supported amount) of the catalyst metal (alloy fine particles) in the comparative electrode catalyst (4) was 32.5% by weight (Pt: 29.2% by weight, Co: 3) with respect to 100% by weight of the carrier. It was .3% by weight, Pt: Co = 72.8: 27.2 (atomic%)).

(電極触媒を構成する合金微粒子の格子定数の測定)
上記の各実施例および各比較例で得られた電極触媒を構成する合金微粒子の格子定数を、粉末X線回折測定法により測定した。具体的には、2θ=68〜72°の領域において観測される(220)面に相当するピークのピーク位置(°)から、下記に示すブラッグの式より面間隔を算出し、格子定数に変換することで算出した。
(Measurement of lattice constant of alloy fine particles constituting the electrode catalyst)
The lattice constants of the alloy fine particles constituting the electrode catalysts obtained in each of the above Examples and Comparative Examples were measured by a powder X-ray diffraction measurement method. Specifically, from the peak position (°) of the peak corresponding to the (220) plane observed in the region of 2θ = 68 to 72 °, the plane spacing is calculated from Bragg's equation shown below and converted to a lattice constant. It was calculated by doing.

ブラッグの式:2dsinθ=nλ
(d:格子面間隔、θ:X線入射角、λ:X線入射波長、n:整数)
なお、電極触媒(1)〜(3)を構成する合金微粒子はいずれも、面心立方格子構造を有していることを、この粉末X線回折測定法による格子定数の測定の際に併せて確認した。
Bragg's equation: 2dsinθ = nλ
(D: lattice spacing, θ: X-ray incident angle, λ: X-ray incident wavelength, n: integer)
It should be noted that all of the alloy fine particles constituting the electrode catalysts (1) to (3) have a face-centered cubic lattice structure at the time of measuring the lattice constant by this powder X-ray diffraction measurement method. confirmed.

得られた格子定数の実測値を、ベガード則に沿った格子定数(理論値)とともに、下記の表2に示す。また、実測値から理論値を減算した値(この値が負であれば本発明の範囲内の触媒である)と、下記数式に従って算出した圧縮率の値も併せて下記の表2に示す。 The measured values of the obtained lattice constants are shown in Table 2 below together with the lattice constants (theoretical values) according to Vegard's law. In addition, the value obtained by subtracting the theoretical value from the measured value (if this value is negative, the catalyst is within the range of the present invention) and the value of the compression ratio calculated according to the following formula are also shown in Table 2 below.

Figure 0006846210
Figure 0006846210

(電極触媒をカソードに用いた場合の酸素還元活性の評価)
<性能評価用回転電極(RDE)の作製>
上記の各実施例および各比較例で得られた電極触媒を、それぞれ、直径5mmのグラッシーカーボンディスクにより構成される回転ディスク電極(幾何面積:0.19cm)上に白金の単位面積当たりの担持量が34μg/cmとなるように均一にNafionとともに分散担持し、性能評価用電極を作製した。
(Evaluation of oxygen reduction activity when an electrode catalyst is used as a cathode)
<Manufacturing of rotating electrode (RDE) for performance evaluation>
The electrode catalysts obtained in each of the above Examples and Comparative Examples are supported on a rotating disk electrode (geometric area: 0.19 cm 2 ) composed of a glassy carbon disk having a diameter of 5 mm, respectively, per unit area of platinum. An electrode for performance evaluation was prepared by uniformly dispersing and supporting with Nafion so that the amount was 34 μg / cm 2.

<面積比活性(RDE)の測定>
各実施例および各比較例について上記で作製した性能評価用回転電極(RDE)に対して、Nガスで飽和した25℃の0.1M過塩素酸中において、可逆水素電極(RHE)に対して0.05〜1.2Vの電位範囲で、50mVs−1の走査速度でサイクリックボルタンメトリーを行った。得られたボルタモグラムの0.05〜0.4Vに現れる水素吸着ピークの面積より、各電極触媒の電気化学的表面積(cm)を算出した。
<Measurement of area specific activity (RDE)>
For each Example and Evaluation rotating electrode prepared above for Comparative Examples (RDE), in a 0.1M perchlorate of 25 ° C. saturated with N 2 gas, to a reversible hydrogen electrode (RHE) Cyclic voltammetry was performed at a scanning speed of 50 mVs -1 in the potential range of 0.05 to 1.2 V. The electrochemical surface area (cm 2 ) of each electrode catalyst was calculated from the area of the hydrogen adsorption peak appearing at 0.05 to 0.4 V of the obtained voltammogram.

次に、電気化学計測装置を用い、酸素で飽和した25℃の0.1M過塩素酸中で、0.2Vから1.2Vまで速度10mV/sで電位走査を行った。さらに、電位走査により得られた電流から、物質移動(酸素拡散)の影響をKoutecky−Levich式を用いて補正した上で、0.9Vでの電流値を抽出した。そして、得られた電流値を上述の電気化学的表面積で除した値を面積比活性(μAcm−2)とした。なお、Koutecky−Levich式を用いた方法は、例えば、Electrochemistry Vol.79,No.2,p.116−121(2011)(対流ボルタモグラム(1)酸素還元(RRDE))の「4 Pt/C触媒上での酸素還元反応の解析」に記載されている。 Next, using an electrochemical measuring device, potential scanning was performed from 0.2 V to 1.2 V at a speed of 10 mV / s in 0.1 M perchloric acid at 25 ° C. saturated with oxygen. Further, from the current obtained by the potential scanning, the influence of mass transfer (oxygen diffusion) was corrected using the Koutecky-Levich equation, and then the current value at 0.9 V was extracted. Then, the value obtained by dividing the obtained current value by the above-mentioned electrochemical surface area was defined as the area specific activity (μAcm- 2 ). The method using the Koutecky-Levich equation is described in, for example, Electrochemistry Vol. 79, No. 2, p. It is described in "4 Analysis of oxygen reduction reaction on Pt / C catalyst" of 116-121 (2011) (convection voltammogram (1) oxygen reduction (RRDE)).

各触媒の製造条件、物性および評価結果を下記の表2に示す。 The production conditions, physical characteristics and evaluation results of each catalyst are shown in Table 2 below.

Figure 0006846210
Figure 0006846210

以上の結果より、実施例1〜3の電極触媒を用いたMEAは、比較例1〜4の触媒を用いたMEAよりも顕著に高い面積比活性を示した。 From the above results, the MEA using the electrode catalysts of Examples 1 to 3 showed significantly higher area specific activity than the MEA using the catalysts of Comparative Examples 1 to 4.

1…固体高分子形燃料電池(PEFC)、
2…固体高分子電解質膜、
3…触媒層、
3a…アノード触媒層、
3c…カソード触媒層、
4a…アノードガス拡散層、
4c…カソードガス拡散層、
5a…アノードセパレータ、
5c…カソードセパレータ、
6a…アノードガス流路、
6c…カソードガス流路、
7…冷媒流路、
10…電解質膜−電極接合体(MEA)、
20…電極触媒、
22…触媒金属(合金微粒子)、
23…触媒担体、
24…メソ孔。
1 ... Polymer electrolyte fuel cell (PEFC),
2 ... Solid polymer electrolyte membrane,
3 ... catalyst layer,
3a ... Anode catalyst layer,
3c ... Cathode catalyst layer,
4a ... Anode gas diffusion layer,
4c ... Cathode gas diffusion layer,
5a ... Anode separator,
5c ... Cathode separator,
6a ... Anode gas flow path,
6c ... Cathode gas flow path,
7 ... Refrigerant flow path,
10 ... Electrolyte membrane-electrode assembly (MEA),
20 ... Electrode catalyst,
22 ... Catalyst metal (alloy fine particles),
23 ... Catalyst carrier,
24 ... Meso hole.

Claims (7)

白金および白金以外の金属成分からなる合金微粒子を含む触媒成分が触媒担体に担持されてなる電極触媒であって、
前記触媒担体は、半径が1nm以上であるメソ孔を有し、前記メソ孔の空孔分布のモード半径が1nm以上2.5nm未満であり、
前記合金微粒子の少なくとも一部が前記メソ孔内に担持され、
前記合金微粒子が面心立方格子構造を有し、かつ、
前記合金微粒子の格子定数の実測値Q[Å]が、下記数式1により算出されるベガード則に沿った格子定数の理論値P[Å]よりも小さいことを特徴とする、電極触媒:
Figure 0006846210
An electrode catalyst in which a catalyst component containing alloy fine particles composed of platinum and a metal component other than platinum is supported on a catalyst carrier.
The catalyst carrier has mesopores having a radius of 1 nm or more, and the mode radius of the pore distribution of the mesopores is 1 nm or more and less than 2.5 nm.
At least a part of the alloy fine particles is supported in the mesopores,
The alloy fine particles have a face-centered cubic lattice structure and
The electrode catalyst: The measured value Q [Å] of the lattice constant of the alloy fine particles is smaller than the theoretical value P [Å] of the lattice constant according to Vegard's law calculated by the following mathematical formula 1.
Figure 0006846210
下記数式によって算出される圧縮率の値が−0.2%以下である、請求項1に記載の電極触媒。
Figure 0006846210
The electrode catalyst according to claim 1, wherein the value of the compression ratio calculated by the following formula is −0.2% or less.
Figure 0006846210
前記圧縮率の値が−2.0%以上である、請求項に記載の電極触媒。 The electrode catalyst according to claim 2 , wherein the value of the compressibility is −2.0% or more. メソ孔内に担持される前記合金微粒子における白金以外の金属成分に対する白金の含有モル比が、1.5〜4.0である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電極触媒。 The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 3, wherein the molar ratio of platinum to a metal component other than platinum in the alloy fine particles supported in the mesopores is 1.5 to 4.0. 前記白金以外の金属成分がコバルト(Co)である、請求項1〜のいずれか1項に記載の電極触媒。 The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 4 , wherein the metal component other than platinum is cobalt (Co). 請求項1〜のいずれか1項に記載の電極触媒および電解質を含む、膜電極接合体。 A membrane electrode assembly comprising the electrode catalyst and electrolyte according to any one of claims 1 to 5. 請求項に記載の膜電極接合体を含む、燃料電池。 A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 6.
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