JP6862792B2 - Method of manufacturing electrode catalyst - Google Patents

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本発明は、電極触媒の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing an electrode catalyst.

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、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。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。 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. 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(MEA)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炭素担体、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 (MEA) as described above, the reaction formulas described below are described below according to the polarity of both electrodes (cathode and anode) sandwiching the polymer electrolyte membrane. The electrode reaction indicated by 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 carbon 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 external circuit. It reaches the cathode side electrode catalyst layer through. 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、電極触媒層の電極触媒の活性の向上が重要な鍵となる。例えば、特許文献1には、カーボンの酸化を促進させる触媒粒子A(例えば、酸化コバルト粒子)が担持されてなるカーボン粒子を加熱処理させてなるカーボン担体が開示されている。特許文献1にはまた、上記触媒粒子Aによって凹状のくぼみが表面に形成されたカーボン粒子を担体として、上述した電気化学的反応を触媒する触媒粒子B(例えば、白金粒子)が担持されてなる燃料電池用電極触媒が開示されている。 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. For example, Patent Document 1 discloses a carbon carrier obtained by heat-treating carbon particles on which catalyst particles A (for example, cobalt oxide particles) that promote carbon oxidation are supported. Patent Document 1 also supports catalyst particles B (for example, platinum particles) that catalyze the above-mentioned electrochemical reaction using carbon particles having concave dents formed on the surface of the catalyst particles A as a carrier. Electrode catalysts for fuel cells are disclosed.

特開2006−187744号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-187744

特許文献1には、上記カーボン担体が、高い触媒活性を長期に亘り安定して示すことが所望される燃料電池用電極触媒として有用であることが記載されている。また、特許文献1に記載の燃料電池用電極触媒では、触媒粒子A(例えば、酸化コバルト粒子)によってカーボン粒子表面に形成された凹状のくぼみ内に、上述した電気化学的反応を触媒する触媒粒子B(例えば、白金粒子)が担持されている。これにより、触媒粒子Bを高分散担持できると記載されている。 Patent Document 1 describes that the carbon carrier is useful as an electrode catalyst for a fuel cell, which is desired to stably exhibit high catalytic activity for a long period of time. Further, in the electrode catalyst for a fuel cell described in Patent Document 1, the catalyst particles that catalyze the above-mentioned electrochemical reaction in the concave recess formed on the surface of the carbon particles by the catalyst particles A (for example, cobalt oxide particles). B (for example, platinum particles) is carried. It is described that the catalyst particles B can be supported in a highly dispersed manner.

このように、特許文献1に記載のカーボン担体を用いることで、高い触媒活性を長期に亘り示す燃料電池用電極触媒を得ることができる。しかしながら、特許文献1の実施例では、凹状のくぼみが表面に形成されたカーボン担体を得るため、第1の工程として、酸化コバルト(触媒粒子A)が担持されてなるカーボン粒子を準備している。その後、酸化コバルト(触媒粒子A)をカーボン担体(カーボン粒子)から除去し、カーボン担体に改めて白金(触媒粒子B)を担持している。かような手法においては、カーボン担体(カーボン粒子)への金属粒子の担持工程を複数回含むため、プロセスコストの観点からは改善の余地が残されている。 As described above, by using the carbon carrier described in Patent Document 1, it is possible to obtain an electrode catalyst for a fuel cell that exhibits high catalytic activity for a long period of time. However, in the embodiment of Patent Document 1, in order to obtain a carbon carrier having a concave recess formed on the surface, carbon particles on which cobalt oxide (catalyst particles A) are supported are prepared as a first step. .. Then, cobalt oxide (catalyst particles A) is removed from the carbon carrier (carbon particles), and platinum (catalyst particles B) is supported on the carbon carrier again. In such a method, since the step of supporting the metal particles on the carbon carrier (carbon particles) is included a plurality of times, there is room for improvement from the viewpoint of process cost.

したがって、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、高活性な電極触媒を低いコストで得られる、電極触媒の製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for producing an electrode catalyst, which can obtain a highly active electrode catalyst at a low cost.

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、白金含有触媒金属が炭素担体に担持された電極触媒前駆体を、所定の条件で加熱することを含む製造方法により上記課題が解決されることを見出し、本発明の解決に至った。 The present inventors have conducted diligent research in order to solve the above problems. As a result, it has been found that the above-mentioned problems can be solved by a production method including heating an electrode catalyst precursor in which a platinum-containing catalyst metal is supported on a carbon carrier under predetermined conditions, and the present invention has been solved.

本発明によれば、高活性な電極触媒を低いコストで得られる。本発明では、水素の酸化反応または酸素の還元反応を促進させる触媒金属があらかじめ担持された電極触媒前駆体を加熱処理に供するため、金属粒子の担持を複数回行う必要が無く、プロセスコストが抑えられる。また、かような電極触媒前駆体を所定条件で加熱することで、触媒金属が炭素担体に適度に埋没した、高活性な電極触媒が得られると考えられる。 According to the present invention, a highly active electrode catalyst can be obtained at low cost. In the present invention, since the electrode catalyst precursor on which the catalyst metal that promotes the oxidation reaction of hydrogen or the reduction reaction of oxygen is supported in advance is subjected to the heat treatment, it is not necessary to support the metal particles a plurality of times, and the process cost is suppressed. Be done. Further, it is considered that by heating such an electrode catalyst precursor under predetermined conditions, a highly active electrode catalyst in which the catalyst metal is appropriately embedded in the carbon carrier can be obtained.

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. 実施例1において得られた電極触媒の電子顕微鏡像である。It is an electron microscope image of the electrode catalyst obtained in Example 1. 比較例1において得られた電極触媒の電子顕微鏡像である。It is an electron microscope image of the electrode catalyst obtained in Comparative Example 1.

[電極触媒の製造方法]
本発明の一実施形態は、白金含有触媒金属が炭素担体に担持された電極触媒前駆体を準備すること、および前記電極触媒前駆体を酸素含有雰囲気下で加熱して、当該電極触媒前駆体の重量を、0%を超えて10%未満の割合で減少させることを含む、電極触媒の製造方法に関する。
[Manufacturing method of electrode catalyst]
In one embodiment of the present invention, an electrode catalyst precursor in which a platinum-containing catalyst metal is supported on a carbon carrier is prepared, and the electrode catalyst precursor is heated in an oxygen-containing atmosphere to obtain the electrode catalyst precursor. The present invention relates to a method for producing an electrode catalyst, which comprises reducing the weight by a rate of more than 0% and less than 10%.

本発明の別の実施形態は、白金含有触媒金属が炭素担体に担持された電極触媒前駆体を準備すること、および前記電極触媒前駆体を、酸素含有雰囲気下で以下の関係式3を満たす温度で加熱することを含む、電極触媒の製造方法に関する。 Another embodiment of the present invention is to prepare an electrode catalyst precursor in which a platinum-containing catalyst metal is supported on a carbon carrier, and to prepare the electrode catalyst precursor at a temperature at which the following relational expression 3 is satisfied in an oxygen-containing atmosphere. The present invention relates to a method for producing an electrode catalyst, which comprises heating with.

Figure 0006862792
Figure 0006862792

ただし、上記関係式3において、Theat(℃)は前記加熱における温度を表し;Tcarbon(℃)は前記炭素担体の燃焼温度を表す。 However, in the above equation 3, T heat (℃) represents the temperature in the heating; T carbon (℃) represents the combustion temperature of the carbon support.

上記手法によれば、水素の酸化反応または酸素の還元反応を促進させる触媒金属があらかじめ担持された電極触媒前駆体を加熱処理に供しているため、金属粒子の担持を複数回行う必要が無い。このため、電極触媒を低いコストで製造可能である。 According to the above method, since the electrode catalyst precursor on which the catalyst metal that promotes the oxidation reaction of hydrogen or the reduction reaction of oxygen is supported in advance is subjected to the heat treatment, it is not necessary to support the metal particles a plurality of times. Therefore, the electrode catalyst can be manufactured at low cost.

また、上記手法によれば、高活性な電極触媒を得ることができる。本発明の技術的範囲を制限するものでは無いが、これは、以下のメカニズムによるものと推測される。 Further, according to the above method, a highly active electrode catalyst can be obtained. The technical scope of the present invention is not limited, but it is presumed that this is due to the following mechanism.

白金含有触媒金属が炭素担体に担持された電極触媒前駆体を上記条件で加熱することで、白金含有触媒金属と接触している部分において炭素担体の酸化分解が進行し、触媒金属が炭素担体に適度に埋没した構造の電極触媒を得ることができる。これにより、触媒金属のシンタリングが防止された、すなわち触媒金属が高分散担持された電極触媒となる。特に、かような構造の電極触媒は、触媒金属を固体高分子形燃料電池に利用した場合において、以下の観点から利点がある。 By heating the electrode catalyst precursor in which the platinum-containing catalyst metal is supported on the carbon carrier under the above conditions, oxidative decomposition of the carbon carrier proceeds in the portion in contact with the platinum-containing catalyst metal, and the catalyst metal becomes a carbon carrier. An electrode catalyst having an appropriately buried structure can be obtained. As a result, sintering of the catalyst metal is prevented, that is, the electrode catalyst in which the catalyst metal is highly dispersed and supported is obtained. In particular, an electrode catalyst having such a structure has advantages from the following viewpoints when the catalyst metal is used in a polymer electrolyte fuel cell.

従来、固体高分子形燃料電池における電気化学反応が進行するためには、プロトンパスとしての高分子電解質(アイオノマー)と、反応触媒としての触媒金属とが接触していることが必要であると考えられてきた。しかしながら、本発明者らは、電極触媒および高分子電解質(アイオノマー)を含む燃料電池用電極触媒層において、電極触媒が高分子電解質と接触しない場合であっても、水により三相界面を形成することによって、電極触媒を有効に利用できることを見出した。ここで、高分子電解質は触媒金属表面に吸着し易い性質を有しているため、高分子電解質によって触媒金属への反応ガスのアクセスが阻害され得る。したがって、触媒金属が炭素担体に適度に埋没した構造の電極触媒を固体高分子形燃料電池の燃料電池用電極触媒層に用いることにより、高分子電解質が触媒金属と接触することを抑えることができる。これにより触媒金属表面の反応活性面積が減少することを防止し、さらに、水により三相界面を形成することによって、電極触媒を有効に利用できると考えられる。 Conventionally, in order for the electrochemical reaction in a polymer electrolyte fuel cell to proceed, it is considered necessary that the polymer electrolyte (ionomer) as a proton path and the catalyst metal as a reaction catalyst are in contact with each other. Has been done. However, in the electrode catalyst layer for a fuel cell containing the electrode catalyst and the polymer electrolyte (ionomer), the present inventors form a three-phase interface with water even when the electrode catalyst does not come into contact with the polymer electrolyte. By doing so, it was found that the electrode catalyst can be effectively used. Here, since the polymer electrolyte has a property of being easily adsorbed on the surface of the catalyst metal, the access of the reaction gas to the catalyst metal can be hindered by the polymer electrolyte. Therefore, by using an electrode catalyst having a structure in which the catalyst metal is appropriately embedded in the carbon carrier for the fuel cell electrode catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell, it is possible to prevent the polymer electrolyte from coming into contact with the catalyst metal. .. It is considered that this prevents the reactive area of the catalyst metal surface from decreasing, and further, by forming a three-phase interface with water, the electrode catalyst can be effectively used.

一方、本発明の範囲を超えて加熱処理を過剰に行うと、却って触媒活性が低下する。これは、白金含有触媒金属は、特許文献1に記載の酸化コバルト等よりも炭素担体の分解活性が高いことに起因すると推測される。すなわち、本発明の範囲を超えて加熱処理を過剰に行うと、白金含有触媒金属と接触している部分における炭素担体の加熱処理における酸化分解が過度に進行し、触媒金属と炭素担体との接触面積の低下により電子伝達パスが狭小化するのではないかと考えられる。また、かような炭素担体の酸化分解が過度に進行した電極触媒では、触媒金属が炭素担体に完全に埋没してしまい、これによって触媒金属への反応ガスのアクセス性や、水による三相界面の形成が不十分となると考えられる。 On the other hand, if the heat treatment is excessively performed beyond the scope of the present invention, the catalytic activity is rather lowered. It is presumed that this is because the platinum-containing catalyst metal has a higher decomposition activity of the carbon carrier than the cobalt oxide and the like described in Patent Document 1. That is, if the heat treatment is excessively performed beyond the scope of the present invention, the oxidative decomposition in the heat treatment of the carbon carrier at the portion in contact with the platinum-containing catalyst metal proceeds excessively, and the contact between the catalyst metal and the carbon carrier It is considered that the electron transfer path is narrowed due to the decrease in area. Further, in such an electrode catalyst in which oxidative decomposition of the carbon carrier has progressed excessively, the catalyst metal is completely buried in the carbon carrier, whereby the accessibility of the reaction gas to the catalyst metal and the three-phase interface with water Is considered to be insufficiently formed.

以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態のみには限定されない。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. The present invention is not limited to the following embodiments. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation and may differ from the actual ratios.

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%RHの条件で行う。 In the present specification, "X to Y" indicating a range means "X or more and Y or less". Unless otherwise specified, operations and physical properties are measured under the conditions of room temperature (20 to 25 ° C.) / relative humidity of 40 to 50% RH.

本発明において使用する白金含有触媒金属が炭素担体に担持された電極触媒前駆体(以下、「白金含有触媒金属が炭素担体に担持された電極触媒前駆体」を、単に「電極触媒前駆体」とも称する)は特に制限されない。電極触媒前駆体は、例えば後述の手法等により白金含有触媒金属を炭素担体に担持して調製してもよく、または、市販品を用いてもよい。かような市販品としては、例えばTEC10V30E、TEC10V40E、TEC10V50E(以上、TANAKAホールディングス株式会社製)等が例示できるが、これらに限定されない。 An electrode catalyst precursor in which a platinum-containing catalyst metal used in the present invention is supported on a carbon carrier (hereinafter, "an electrode catalyst precursor in which a platinum-containing catalyst metal is supported on a carbon carrier" is also simply referred to as an "electrode catalyst precursor". (Referred to as) is not particularly limited. The electrode catalyst precursor may be prepared by supporting a platinum-containing catalyst metal on a carbon carrier by, for example, a method described later, or a commercially available product may be used. Examples of such commercially available products include, but are not limited to, TEC10V30E, TEC10V40E, TEC10V50E (all manufactured by TANAKA Holdings, Inc.) and the like.

本発明で使用できる白金含有触媒金属は、電気的化学反応の触媒作用をする機能を有する。例えば、燃料電池のアノード触媒層に用いられる触媒金属であれば、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の白金含有触媒金属が同様にして使用できる。また、燃料電池のカソード触媒層に用いられる触媒金属であれば、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の白金含有触媒金属が同様にして使用できる。 The platinum-containing catalytic metal that can be used in the present invention has a function of catalyzing an electrochemical reaction. For example, as long as it is a catalyst metal used for the anode catalyst layer of a fuel cell, there is no particular limitation as long as it has a catalytic action on the oxidation reaction of hydrogen, and a known platinum-containing catalyst metal can be used in the same manner. Further, as long as the catalyst metal is used for the cathode catalyst layer of the fuel cell, there is no particular limitation as long as it has a catalytic action on the reduction reaction of oxygen, and a known platinum-containing catalyst metal can be used in the same manner.

本発明では、白金を含有する触媒金属が用いられる。白金含有触媒金属は、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などに優れるという利点を有する。白金含有触媒金属(以下、「白金含有触媒金属」を単に「触媒金属」とも称する。)は実質的に白金原子からなるものであっても、白金原子と非白金金属原子からなる白金含有合金であってもよい。なお、上記の「実質的に白金原子からなる」とは、触媒金属を構成する原子のうち、白金原子の含有量が90原子%を超えるものを指し、好ましくは白金原子の含有量が99原子%以上(上限:100原子%)である。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金の含有量を30〜90原子%とし、白金と合金化する金属の含有量を10〜70原子%とするのがよい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。非白金金属原子としては、より具体的には、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、およびアルミニウム等から選択される1種以上が例示できる。 In the present invention, a catalyst metal containing platinum is used. The platinum-containing catalytic metal has advantages such as excellent catalytic activity, toxicity resistance to carbon monoxide and the like, and heat resistance. A platinum-containing catalytic metal (hereinafter, "platinum-containing catalytic metal" is also simply referred to as "catalytic metal") is a platinum-containing alloy composed of platinum atoms and non-platinum metal atoms, even if it is substantially composed of platinum atoms. There may be. The above-mentioned "substantially composed of platinum atoms" refers to atoms having a platinum atom content of more than 90 atomic% among the atoms constituting the catalyst metal, preferably having a platinum atom content of 99 atoms. % Or more (upper limit: 100 atomic%). The composition of the alloy depends on the type of metal to be alloyed, but the content of platinum is preferably 30 to 90 atomic%, and the content of metal to be alloyed with platinum is preferably 10 to 70 atomic%. In addition, 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. Some of them are formed, and any of them may be used in the present application. More specifically, non-platinum metal atoms include ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, copper, silver, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum. One or more selected from the above can be exemplified.

炭素担体は、触媒金属を担持するための担体、および触媒金属と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。本明細書において「炭素担体」は、主成分として炭素原子を含むものをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3重量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。 The carbon carrier functions as a carrier for supporting the catalyst metal and as an electron conduction path involved in the transfer of electrons between the catalyst metal and other members. In the present specification, the term "carbon carrier" refers to a carrier containing a carbon atom as a main component, and is a concept including both a carbon atom and a substantially carbon atom. In some cases, elements other than carbon atoms may be contained in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, the fact that it is substantially composed of carbon atoms means that impurities of about 2 to 3% by weight or less can be mixed.

炭素担体としては、具体的には、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、Vulcan(登録商標))、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(登録商標);黒鉛化ブラックパール(登録商標);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;人造黒鉛などを挙げることができる。また、炭素担体として、ナノサイズの帯状グラフェンが3次元状に規則的に連結した構造を有するゼオライト鋳型炭素(ZTC)も挙げることができる。 Specific examples of the carbon carrier include carbon blacks such as acetylene black, channel black, oil furnace black, gas furnace black (for example, Vulcan (registered trademark)), lamp black, thermal black, and Ketjen black (registered trademark). Black Pearl®; Graphitized acetylene black; Graphitized channel black; Graphitized oil furnace black; Graphitized gas furnace black; Graphitized lamp black; Graphitized thermal black; Graphitized Ketjen black®; Graphitized black pearl (registered trademark); carbon nanotubes; carbon nanofibers; carbon nanohorns; carbon fibrils; activated carbon; coke; natural graphite; artificial graphite and the like. Further, as the carbon carrier, zeolite template carbon (ZTC) having a structure in which nano-sized band-shaped graphene is regularly linked in a three-dimensional manner can also be mentioned.

炭素担体のBET比表面積は、好ましくは10m/g担体以上800m/g担体未満であり、より好ましくは20〜700m/g担体であり、更に好ましくは50〜600m/g担体である。このようなBET比表面積であれば、炭素担体に十分な触媒金属を担持(高分散)しつつ、加熱処理により触媒金属が炭素担体に過度に埋没することを防止できる。なお、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。 The BET specific surface area of the carbon carrier is preferably 10 m 2 / g carrier or more and less than 800 m 2 / g carrier, more preferably 20 to 700 m 2 / g carrier, and further preferably 50 to 600 m 2 / g carrier. .. With such a BET specific surface area, it is possible to prevent the catalyst metal from being excessively embedded in the carbon carrier by heat treatment while supporting (highly dispersing) a sufficient catalyst metal on the carbon carrier. The "BET specific surface area (m 2 / g carrier)" of the carrier is measured by the nitrogen adsorption method.

また、炭素担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、一次平均粒子径が5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするのがよい。なお、「担体の平均粒子径」は、X線回折(XRD)における担体粒子の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過型電子顕微鏡(TEM)により調べられる担体の粒子径の平均値として測定されうる。本明細書では、「担体の平均粒子径」は、統計上有意な数(例えば、少なくとも200個、好ましくは少なくとも300個)のサンプルについて透過型電子顕微鏡像より調べられる担体粒子の粒子径の平均値である。ここで、「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 size of the carbon carrier is not particularly limited, but the primary average particle size is 5 to 200 nm from the viewpoint of ease of carrying, catalyst utilization, and control of the thickness of the electrode catalyst layer within an appropriate range. It is preferably about 10 to 100 nm. The "average particle size of the carrier" is the average crystallite diameter obtained from the half-value width of the diffraction peak of the carrier particles in X-ray diffraction (XRD) and the average particle size of the carrier examined by a transmission electron microscope (TEM). Can be measured as a value. In the present specification, the "average particle size of the carrier" is the average particle size of the carrier particles examined from a transmission electron microscope image for a statistically significant number of samples (for example, at least 200, preferably at least 300). The value. Here, the "particle size" means the maximum distance among the distances between any two points on the contour line of the particles.

炭素担体への触媒金属の担持は公知の方法で行うことができ、特に制限されない。例えば、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法が使用できる。また、白金含有合金を担持する場合は、白金イオンおよび非白金金属イオンを順次炭素担体上に担持してもよい。あるいは、白金前駆体および非白金金属前駆体を含む混合液を調製し、この混合液に還元剤を添加し、白金前駆体由来の白金イオンおよび非白金金属前駆体由来の非白金金属イオンを同時に炭素担体上に担持してもよい。炭素担体への触媒金属の担持手法の一例として、液相還元担持法による担持を以下に詳述するが、担持方法を以下に限定するものではない。 The catalyst metal can be supported on the carbon carrier by a known method, and is not particularly limited. For example, known methods such as an impregnation method, a liquid phase reduction-supporting method, an evaporation to dryness method, a colloidal adsorption method, a spray pyrolysis method, and a reverse micelle (microemulsion method) can be used. When a platinum-containing alloy is supported, platinum ions and non-platinum metal ions may be sequentially supported on a carbon carrier. Alternatively, a mixed solution containing a platinum precursor and a non-platinum metal precursor is prepared, a reducing agent is added to the mixed solution, and platinum ions derived from the platinum precursor and non-platinum metal ions derived from the non-platinum metal precursor are simultaneously added to the mixed solution. It may be carried on a carbon carrier. As an example of the method for supporting the catalyst metal on the carbon carrier, the support by the liquid phase reduction support method will be described in detail below, but the support method is not limited to the following.

まず、白金前駆体を溶媒に添加して、白金前駆体含有液を調製する。ここで、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してもよい。 First, a platinum precursor is added to a solvent to prepare a platinum precursor-containing liquid. Here, 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.

上記白金前駆体含有液の調製に使用する溶媒は、特に制限されず、使用する白金前駆体の種類によって適宜選択される。なお、上記白金前駆体含有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。均一に混合できるという観点から、白金前駆体含有液は溶液の形態であることが好ましい。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、白金前駆体を十分に溶解する(白金を効率よくイオン化する)という観点から、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、単独で使用してもあるいは2種以上の混合物の形態で使用してもよい。 The solvent used for preparing the platinum precursor-containing liquid is not particularly limited, and is appropriately selected depending on the type of platinum precursor used. The form of the platinum precursor-containing liquid is not particularly limited, and includes a solution, a dispersion liquid, and a suspension. From the viewpoint of uniform mixing, the platinum precursor-containing liquid is preferably in the form of a solution. 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 platinum precursor (ionizing platinum efficiently). The solvent may be used alone or in the form of a mixture of two or more.

白金前駆体含有液における白金前駆体の濃度は、特に制限されないが、金属換算で0.1〜50質量%であることが好ましく、より好ましくは0.5〜45質量%である。 The concentration of the platinum precursor in the platinum precursor-containing liquid is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 50% by mass, more preferably 0.5 to 45% by mass in terms of metal.

次に、上記白金前駆体含有液に炭素担体および還元剤を添加し、白金前駆体由来の白金イオンを炭素担体上で還元、担持して、白金担持前駆粒子を製造する。ここで、炭素担体および還元剤の白金前駆体含有液への添加順序は特に制限されないが、白金粒子の炭素担体上への分散のしやすさなどを考慮すると、炭素担体をまず白金前駆体含有液に添加した後、還元剤を添加することが好ましい。 Next, a carbon carrier and a reducing agent are added to the platinum precursor-containing liquid, and platinum ions derived from the platinum precursor are reduced and supported on the carbon carrier to produce platinum-supported precursor particles. Here, the order in which the carbon carrier and the reducing agent are added to the platinum precursor-containing liquid is not particularly limited, but the carbon carrier first contains the platinum precursor in consideration of the ease of dispersion of the platinum particles on the carbon carrier. It is preferable to add the reducing agent after adding to the liquid.

炭素担体の白金前駆体含有液への添加量は、特に制限されないが、担体の全量に対して、0.1〜70重量%となるように調節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、触媒金属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。より好ましくは0.5〜60重量%、さらにより好ましくは2〜50重量%である。 The amount of the carbon carrier added to the platinum precursor-containing liquid is not particularly limited, but is preferably adjusted to be 0.1 to 70% by weight based on the total amount of the carrier. It is preferable to set the loading concentration in such a range because the aggregation of the catalyst metals can be suppressed and the increase in the thickness of the electrode catalyst layer can be suppressed. It is more preferably 0.5 to 60% by weight, and even more preferably 2 to 50% by weight.

白金前駆体含有液に炭素担体を添加した後、撹拌してもよい。これにより、白金前駆体および炭素担体を均一に混合するため、触媒金属粒子を炭素担体上に均一に分散可能である。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0〜50℃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く、通常、1〜60分である。 After adding the carbon carrier to the platinum precursor-containing liquid, the mixture may be stirred. As a result, the platinum precursor and the carbon carrier are uniformly mixed, so that the catalyst metal particles can be uniformly dispersed on the carbon carrier. 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. The stirring time may be appropriately set so that dispersion is sufficiently performed, and is usually 1 to 60 minutes.

また、還元剤としては、特に制限されず、従来と同様の還元剤が使用できる。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。なお、上記還元剤のうち、クエン酸三ナトリウム二水和物は凝集防止剤としても作用しうる。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。還元剤の添加形態は特に制限されず、そのまま白金前駆体含有液に添加しても、または予め溶媒に溶解した還元剤溶液の形態で、白金前駆体含有液に添加してもよい。溶液の形態であると、容易に均一に混合できるため、好ましい。 The reducing agent is not particularly limited, and the same reducing agent as before can be used. For example, formic acid such as ethanol, methanol, propanol, formic acid, sodium formate and potassium formate, citrate such as formaldehyde, sodium thiosulfate, citric acid, sodium citrate, trisodium citrate, sodium borohydride (NaBH 4). ) And hydrazine (N 2 H 4 ) and the like can be used. Of the above reducing agents, trisodium citrate dihydrate can also act as an anti-aggregation agent. These may be in the form of hydrates. Further, two or more types may be mixed and used. The form of addition of the reducing agent is not particularly limited, and the reducing agent may be added to the platinum precursor-containing solution as it is, or may be added to the platinum precursor-containing solution in the form of a reducing agent solution previously dissolved in a solvent. The solution form is preferable because it can be easily and uniformly mixed.

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(金属換算)に対して、好ましくは5〜90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 5 to 90 mol with respect to 1 mol (metal equivalent) 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.

白金前駆体の還元反応条件は、白金イオン等の触媒金属イオンを十分炭素担体上に還元、担持できる条件であれば特に制限されない。例えば、還元反応温度は、溶媒の沸点付近(溶媒沸点±10℃、より好ましくは溶媒沸点±5℃)であることが好ましい。または、還元反応温度は、好ましくは40〜150℃、より好ましくは60〜100℃である。また、還元反応時間は、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が、好ましくは0.5〜30時間、より好ましくは1〜8時間である。このような条件であれば、触媒金属を炭素担体により高分散・担持できる。 The reduction reaction conditions of the platinum precursor are not particularly limited as long as the catalytic metal ions such as platinum ions can be sufficiently reduced and supported on the carbon carrier. For example, the reduction reaction temperature is preferably near the boiling point of the solvent (solvent boiling point ± 10 ° C., more preferably solvent boiling point ± 5 ° C.). Alternatively, the reduction reaction temperature is preferably 40 to 150 ° C, more preferably 60 to 100 ° C. The reduction reaction time is not particularly limited as long as the platinum precursor and the reducing agent can be uniformly mixed, but is preferably 0.5 to 30 hours, more preferably 1 to 8 hours. Under such conditions, the catalyst metal can be highly dispersed and supported by a carbon carrier.

上記還元反応により、触媒金属イオンが炭素担体上に還元、担持され、電極触媒前駆体粒子含有液が得られる。ここで、必要であれば、電極触媒前駆体粒子を反応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、電極触媒前駆体粒子を濾過、乾燥すればよい。なお、必要であれば、電極触媒前駆体粒子を濾過した後に、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、電極触媒前駆体粒子を乾燥してもよい。ここで、電極触媒前駆体粒子の乾燥は、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。 By the above reduction reaction, the catalyst metal ion is reduced and supported on the carbon carrier, and an electrode catalyst precursor particle-containing liquid is obtained. Here, if necessary, the electrode catalyst precursor particles may be isolated from the reaction solution. Here, the isolation method is not particularly limited, and the electrode catalyst precursor particles may be filtered and dried. If necessary, the electrode catalyst precursor particles 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 electrode catalyst precursor particles may be dried after filtration or washing. Here, the electrode catalyst precursor particles 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.

なお、触媒金属の平均粒径を所望の範囲とするために、触媒金属を担体に担持させた後、電極触媒前駆体を還元雰囲気下でアニール処理を行ってもよい。このとき、アニール処理温度は、300〜1200℃の範囲であると好ましく、500〜1150℃の範囲であるとより好ましく、700〜1000℃の範囲であると特に好ましい。また、還元雰囲気とは、触媒金属の粒成長に寄与するものであれば特に制限されないが、還元性ガスと不活性ガスとの混合雰囲気下で行うことが好ましい。還元性ガスは、特に制限されないが、水素(H)ガスが好ましい。また、不活性ガスは、特に制限されないが、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)、及び窒素(N)などが使用できる。上記不活性ガスは、単独で使用してもあるいは2種以上の混合ガスの形態で使用してもよい。また、加熱処理時間は、0.1〜2時間であると好ましく、0.5〜1.5時間であるとより好ましい。 In order to keep the average particle size of the catalyst metal in a desired range, the catalyst metal may be supported on a carrier and then the electrode catalyst precursor may be annealed in a reducing atmosphere. At this time, the annealing treatment temperature is preferably in the range of 300 to 1200 ° C., more preferably in the range of 500 to 1150 ° C., and particularly preferably in the range of 700 to 1000 ° C. The reducing atmosphere is not particularly limited as long as it contributes to the grain growth of the catalyst metal, but it is preferably performed in a mixed atmosphere of the reducing gas and the inert gas. The reducing gas is not particularly limited, but hydrogen (H 2 ) gas is preferable. 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 kinds. The heat treatment time is preferably 0.1 to 2 hours, more preferably 0.5 to 1.5 hours.

電極触媒前駆体における白金含有触媒金属の平均粒径(直径)は特に制限されないが、例えば、1〜30nmであり、好ましくは2nm以上10nm未満であり、さらに好ましくは3nmを超えて10nm未満である。白金含有触媒金属の平均粒径(直径)を上記範囲とすることで、触媒金属の比表面積を確保しつつ、複雑な工程を必要とせずに白金含有触媒金属を炭素担体に適度に埋没させ得る。なお、白金含有触媒金属の平均粒子径(直径)は、以下のようにして測定される値である。まず、n個の粒子を透過型電子顕微鏡(TEM)で観察し、各粒子の投影面積よりその面積が真円であった場合の粒子径(等価円直径)を逆算して、各粒子の粒子径(d(nm))を測定する。このようにして得られた粒子の粒子径(d(nm))を用いて、下記式(A)によって、粒子の平均粒子径(nm)を算出する。なお、粒子の測定数(n)は、特に制限されないが、統計学的に有意差のない数であることが好ましく、例えば少なくとも300個である。 The average particle size (diameter) of the platinum-containing catalyst metal in the electrode catalyst precursor is not particularly limited, but is, for example, 1 to 30 nm, preferably 2 nm or more and less than 10 nm, and more preferably more than 3 nm and less than 10 nm. .. By setting the average particle size (diameter) of the platinum-containing catalyst metal in the above range, the platinum-containing catalyst metal can be appropriately embedded in the carbon carrier without requiring a complicated process while ensuring the specific surface area of the catalyst metal. .. The average particle size (diameter) of the platinum-containing catalyst metal is a value measured as follows. First, n particles are observed with a transmission electron microscope (TEM), and the particle diameter (equivalent circle diameter) when the area is a perfect circle is calculated back from the projected area of each particle, and the particles of each particle are calculated. The diameter (d (nm)) is measured. Using the particle size (d (nm)) of the particles thus obtained, the average particle size (nm) of the particles is calculated by the following formula (A). The number of particles (n) measured is not particularly limited, but is preferably a number that does not have a statistically significant difference, and is, for example, at least 300.

Figure 0006862792
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また、触媒活性のさらなる向上の観点から、電極触媒前駆体において、触媒金属と炭素担体との合計重量に対する触媒金属の重量比(触媒金属の担持率、金属換算)は、好ましくは5〜45重量%である。より好ましくは、電極触媒前駆体において、触媒金属の担持率(金属換算)は、10〜35重量%である。触媒金属の担持量がかような範囲内の値であると、炭素担体上での触媒成分の分散度と触媒性能とのバランスが適切に制御されうる。なお、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。 From the viewpoint of further improving the catalytic activity, the weight ratio of the catalyst metal to the total weight of the catalyst metal and the carbon carrier (supporting ratio of the catalyst metal, metal conversion) is preferably 5 to 45 weight in the electrode catalyst precursor. %. More preferably, in the electrode catalyst precursor, the loading ratio (metal equivalent) of the catalyst metal is 10 to 35% by weight. When the amount of the catalyst metal supported is a value within such a range, the balance between the dispersity of the catalyst component on the carbon carrier and the catalyst performance can be appropriately controlled. The amount of the catalyst metal carried can be examined by a conventionally known method 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.

本発明に係る方法では、以上のように準備した電極触媒前駆体を酸素含有雰囲気下で加熱(加熱処理)する。これによって、電極触媒前駆体の重量を減少させる。本発明の一実施形態では、電極触媒前駆体の重量が、0%を超えて10%未満の割合で減少するように、上記加熱を行う。本発明の別の実施形態では、上記関係式3を満たす温度で加熱を行う。以上のような条件で電極触媒前駆体を加熱することで、白金含有触媒金属と接触している部分において炭素担体の酸化分解が進行し、触媒金属が炭素担体に適度に埋没した構造の電極触媒を得ることができる。これにより、高活性の電極触媒を得ることができる。 In the method according to the present invention, the electrode catalyst precursor prepared as described above is heated (heat-treated) in an oxygen-containing atmosphere. This reduces the weight of the electrode catalyst precursor. In one embodiment of the present invention, the heating is performed so that the weight of the electrode catalyst precursor is reduced by more than 0% and less than 10%. In another embodiment of the present invention, heating is performed at a temperature satisfying the above relational expression 3. By heating the electrode catalyst precursor under the above conditions, oxidative decomposition of the carbon carrier proceeds in the portion in contact with the platinum-containing catalyst metal, and the catalyst metal is appropriately embedded in the carbon carrier. Can be obtained. Thereby, a highly active electrode catalyst can be obtained.

本発明に係る方法では、上記の電極触媒前駆体の加熱処理を酸素(分子状酸素)含有雰囲気下で行う。酸素(分子状酸素)含有雰囲気下で加熱処理を行うことで、白金含有触媒金属と接触している炭素担体表面において酸化分解が進行する。加熱処理は、酸素に加え、ヘリウム、アルゴン、窒素等の酸素以外の気体を含む雰囲気下で行ってもよい。加熱処理における雰囲気の酸素含有量は、酸化分解反応促進の観点から、例えば1〜80体積%であり、好ましくは5体積%を超えて50体積%以下であり、より好ましくは10体積%を超えて40体積%以下である。好ましい一実施形態では、上記の加熱は、空気雰囲気下で行う。 In the method according to the present invention, the heat treatment of the electrode catalyst precursor is performed in an oxygen (molecular oxygen) -containing atmosphere. By performing the heat treatment in an oxygen (molecular oxygen) -containing atmosphere, oxidative decomposition proceeds on the surface of the carbon carrier in contact with the platinum-containing catalyst metal. The heat treatment may be performed in an atmosphere containing a gas other than oxygen such as helium, argon, and nitrogen in addition to oxygen. From the viewpoint of promoting the oxidative decomposition reaction, the oxygen content of the atmosphere in the heat treatment is, for example, 1 to 80% by volume, preferably more than 5% by volume and 50% by volume or less, and more preferably more than 10% by volume. 40% by volume or less. In one preferred embodiment, the heating is performed in an air atmosphere.

加熱処理は従来公知の機器を用いて行えばよく、特に制限されないが、例えば、オーブン、ファーネス、低温乾燥機等を用いて行えばよい。 The heat treatment may be carried out by using a conventionally known device and is not particularly limited, but may be carried out by using, for example, an oven, a furnace, a low temperature dryer or the like.

一実施形態では、加熱処理による電極触媒前駆体の重量減少の割合は0%を超えて10%未満である。好ましくは加熱において電極触媒前駆体の重量を6%以上10%未満の割合で減少させる。より好ましくは、加熱において電極触媒前駆体の重量を6%を超えて10%未満の割合で減少させる。上記のような重量減少の割合で加熱処理を行うことで、特に高活性な電極触媒を得ることができる。なお、本明細書において電極触媒前駆体の重量減少の割合(重量減少率)は、実施例に記載の手法により算出された値である。 In one embodiment, the rate of weight loss of the electrode catalyst precursor by heat treatment is more than 0% and less than 10%. Preferably, the weight of the electrode catalyst precursor is reduced by 6% or more and less than 10% in heating. More preferably, the weight of the electrode catalyst precursor is reduced by more than 6% and less than 10% by heating. A particularly highly active electrode catalyst can be obtained by performing the heat treatment at the rate of weight reduction as described above. In the present specification, the rate of weight loss (weight loss rate) of the electrode catalyst precursor is a value calculated by the method described in the examples.

一実施形態では、電極触媒前駆体の加熱処理は炭素担体の燃焼温度(Tcarbon)未満で行う。これにより、炭素担体が燃焼により消失することを防止できる。すなわち、本発明の一実施形態は加熱における温度が、炭素担体の燃焼温度未満である。なお、炭素担体の燃焼温度は、実施例に記載のように、加熱処理を行う雰囲気下で炭素担体の熱重量分析を行うことにより、示差熱分析(DTA)の発熱ピーク温度として求めることができる。電極触媒の活性の観点から、好ましい一実施形態では、以下の関係式2を満たす温度で上記加熱を行う: In one embodiment, the heat treatment of the electrode catalyst precursor is carried out below the combustion temperature (T carbon) of the carbon carrier. This makes it possible to prevent the carbon carrier from disappearing due to combustion. That is, in one embodiment of the present invention, the temperature during heating is lower than the combustion temperature of the carbon carrier. The combustion temperature of the carbon carrier can be determined as the exothermic peak temperature of the differential thermal analysis (DTA) by performing thermogravimetric analysis of the carbon carrier in an atmosphere where heat treatment is performed, as described in Examples. .. From the viewpoint of the activity of the electrode catalyst, in one preferred embodiment, the heating is performed at a temperature satisfying the following relational expression 2.

Figure 0006862792
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ただし、上記関係式2において、Theat(℃)は前記加熱における温度を表し;Tcarbon(℃)は前記炭素担体の燃焼温度を表す。 However, in the above equation 2, T heat (℃) represents the temperature in the heating; T carbon (℃) represents the combustion temperature of the carbon support.

一実施形態では、得られる電極触媒の活性の観点から、炭素担体の燃焼温度(Tcarbon)から150℃を引いた温度を下限として、当該下限温度以上の温度で電極触媒前駆体の加熱処理を行う。すなわち、当該実施形態では、以下の関係式1を満たす温度で上記加熱を行う: In one embodiment, from the viewpoint of the activity of the obtained electrode catalyst, the electrode catalyst precursor is heat-treated at a temperature equal to or higher than the lower limit temperature, with a temperature obtained by subtracting 150 ° C. from the combustion temperature (T carbon) of the carbon carrier as the lower limit. Do. That is, in the embodiment, the heating is performed at a temperature satisfying the following relational expression 1.

Figure 0006862792
Figure 0006862792

ただし、上記関係式1において、Theat(℃)は前記加熱における温度を表し;Tcarbon(℃)は前記炭素担体の燃焼温度を表す。 However, in the above equation 1, T heat (℃) represents the temperature in the heating; T carbon (℃) represents the combustion temperature of the carbon support.

より好ましくは、炭素担体の燃焼温度(Tcarbon)から130℃を引いた温度を下限として、当該下限温度以上の温度で電極触媒前駆体の加熱処理を行う。すなわち、当該実施形態では、以下の関係式1aを満たす温度で上記加熱を行う: More preferably, the electrode catalyst precursor is heat-treated at a temperature equal to or higher than the lower limit temperature, with the temperature obtained by subtracting 130 ° C. from the combustion temperature (T carbon) of the carbon carrier as the lower limit. That is, in the embodiment, the heating is performed at a temperature satisfying the following relational expression 1a:

Figure 0006862792
Figure 0006862792

ただし、上記関係式1aにおいて、Theat(℃)およびTcarbon(℃)は、上記関係式1と同様である。 However, in the above relational expression 1a, The heat (° C.) and T carbon (° C.) are the same as those in the above relational expression 1.

一実施形態では、上記関係式3を満たす温度で加熱を行う。特に高活性な電極触媒を得ることができるという観点から、より好ましい実施形態では、下記関係式3aを満たす温度で電極触媒前駆体の加熱を行う。 In one embodiment, heating is performed at a temperature that satisfies the above relational expression 3. In a more preferable embodiment, the electrode catalyst precursor is heated at a temperature satisfying the following relational expression 3a from the viewpoint that a particularly highly active electrode catalyst can be obtained.

Figure 0006862792
Figure 0006862792

ただし、上記関係式3aにおいて、Theat(℃)およびTcarbon(℃)は、上記関係式3と同様である。 However, in the above relational expression 3a, Heat (° C.) and T carbon (° C.) are the same as those in the above relational expression 3.

さらに好ましい実施形態では、下記関係式3bを満たす温度で電極触媒前駆体の加熱を行う。 In a more preferred embodiment, the electrode catalyst precursor is heated at a temperature satisfying the following relational expression 3b.

Figure 0006862792
Figure 0006862792

ただし、上記関係式3bにおいて、Theat(℃)およびTcarbon(℃)は、上記関係式3と同様である。 However, in the above relational expression 3b, Heat (° C.) and T carbon (° C.) are the same as those in the above relational expression 3.

例えば、炭素担体としてVulcan(登録商標)を用いる場合は、電極触媒前駆体の加熱は、200〜320℃の範囲内の温度で行ってもよく、好ましい一実施形態では、280〜320℃の範囲内の温度で行う。 For example, when Vulcan® is used as the carbon carrier, the electrode catalyst precursor may be heated at a temperature in the range of 200 to 320 ° C., and in one preferred embodiment, in the range of 280 to 320 ° C. Perform at the temperature inside.

加熱処理時は減圧や加圧してもよいが、加熱処理時の雰囲気圧力は、例えば0.05〜0.5MPaの範囲内であってもよく、好ましくは大気圧である。 The pressure may be reduced or pressurized during the heat treatment, but the atmospheric pressure during the heat treatment may be, for example, in the range of 0.05 to 0.5 MPa, preferably atmospheric pressure.

上記加熱温度での必要な加熱時間は、特に制限されないが、例えば、電極触媒前駆体重量が定常状態となるのに必要な時間を熱重量分析により求めることで決定されてもよい。より具体的には、加熱処理の時間は、例えば、0.5時間を超えて24時間以内であり、好ましくは1〜7時間であり、より好ましくは1時間を超えて5時間未満である。加熱処理時間を上記範囲内とすることで、所望の減少率で電極触媒前駆体の重量を減少させつつ、加熱時間の長期化による生産コストの増加を抑えることができる。 The required heating time at the above heating temperature is not particularly limited, but may be determined, for example, by determining the time required for the electrode catalyst precursor weight to become a steady state by thermogravimetric analysis. More specifically, the heat treatment time is, for example, more than 0.5 hours and less than 24 hours, preferably 1 to 7 hours, and more preferably more than 1 hour and less than 5 hours. By setting the heat treatment time within the above range, it is possible to reduce the weight of the electrode catalyst precursor at a desired reduction rate and suppress an increase in production cost due to a long heating time.

加熱処理時の昇温速度もまた特に制限されないが、好ましくは5〜30℃/分である。昇温速度を5℃/分以上とすることにより、温度制御がしやすくなり、オーバーシュート(一時的に目標値よりも高い温度になってしまう現象)による副反応を防止し得る。昇温速度を30℃/分以下とすることにより、副反応を防止し、加熱処理工程が過度に長期化することを防止し得る、という利点がある。上記観点から、加熱処理時の昇温速度は、より好ましくは10〜20℃/分である。 The rate of temperature rise during the heat treatment is also not particularly limited, but is preferably 5 to 30 ° C./min. By setting the temperature rise rate to 5 ° C./min or more, temperature control becomes easy, and side reactions due to overshoot (a phenomenon in which the temperature temporarily becomes higher than the target value) can be prevented. By setting the heating rate to 30 ° C./min or less, there is an advantage that side reactions can be prevented and the heat treatment step can be prevented from being excessively lengthened. From the above viewpoint, the rate of temperature rise during the heat treatment is more preferably 10 to 20 ° C./min.

上記本発明の方法によって製造される電極触媒では、触媒金属が炭素担体上に高分散する。また、固体高分子形燃料電池(PEFC)に利用した場合、高分子電解質が触媒金属と接触することを抑えることができ、触媒金属の電気化学的に有効な表面積を確保することができる。このため、本発明に係る製造方法で得られる電極触媒は、家庭用や移動体駆動用の電源などより高性能が求められる燃料電池用途により好適に適用できる。すなわち、本発明の方法によって製造される電極触媒を触媒層に有する膜電極接合体および燃料電池は、発電性能に優れる。 In the electrode catalyst produced by the method of the present invention, the catalyst metal is highly dispersed on the carbon carrier. Further, when it is used for a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), it is possible to prevent the polymer electrolyte from coming into contact with the catalyst metal, and it is possible to secure an electrochemically effective surface area of the catalyst metal. Therefore, the electrode catalyst obtained by the production method according to the present invention can be suitably applied to fuel cell applications that require higher performance, such as power sources for home use and mobile body driving. That is, the membrane electrode assembly and the fuel cell having the electrode catalyst produced by the method of the present invention in the catalyst layer are excellent in power generation performance.

すなわち、本発明の一実施形態では、本発明の方法によって製造される電極触媒を含む触媒層を備える膜電極接合体(MEA)および燃料電池を提供する。以下では、本発明の一実施形態に係る電極触媒を含む触媒層を備える膜電極接合体(MEA)および燃料電池、ならびにこれらの製造方法を説明する。 That is, one embodiment of the present invention provides a membrane electrode assembly (MEA) and a fuel cell comprising a catalyst layer containing an electrode catalyst produced by the method of the present invention. Hereinafter, a membrane electrode assembly (MEA) and a fuel cell including a catalyst layer containing an electrode catalyst according to an embodiment of the present invention, and a method for producing these will be described.

[電解質膜−電極接合体(MEA)]
本発明の方法によって製造される電極触媒は、電解質膜−電極接合体(MEA)に好適に使用できる。すなわち、本発明は、本発明に係る電極触媒を含む電解質膜−電極接合体(MEA)、特に燃料電池用電解質膜−電極接合体(MEA)をも提供する。本発明に係る電解質膜−電極接合体(MEA)は、高い発電性能(特に面積比活性)を発揮できる。
[Electrolyte Membrane-Electrode Assembly (MEA)]
The electrode catalyst produced by the method of the present invention can be suitably used for an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA). That is, the present invention also provides an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) containing the electrode catalyst according to the present invention, particularly an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) for a fuel cell. The electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) according to the present invention can exhibit high power generation performance (particularly area specific activity).

本発明の電解質膜−電極接合体(MEA)は、従来の電極触媒に代えて、本発明に係る製造方法で得られる電極触媒(触媒)を用いる以外は、同様の構成を適用できる。以下に、本発明のMEAの好ましい形態を説明するが、本発明は下記形態に限定されない。 The electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention can be applied with the same configuration except that the electrode catalyst (catalyst) obtained by the production method according to the present invention is used instead of the conventional electrode catalyst. Hereinafter, preferred forms of MEA of the present invention will be described, but the present invention is not limited to the following forms.

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、前記カソード触媒層およびアノード触媒層の少なくとも一方に本発明の電極触媒を使用する。 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 present invention is used for at least one of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer.

(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、以下の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 following 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.

(触媒層)
触媒層は、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード触媒層では水素の酸化反応が進行し、カソード触媒層では酸素の還元反応が進行する。ここで、本発明の電極触媒は、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。酸素還元活性の向上の必要性を考慮すると、少なくともカソード触媒層に本発明の電極触媒を使用することが好ましい。ただし、上記形態に係る触媒層は、アノード触媒層として用いてもよいし、カソード触媒層およびアノード触媒層双方として用いてもよいなど、特に制限されるものではない。
(Catalyst layer)
The catalyst layer is a layer in which the battery reaction actually proceeds. Specifically, the oxidation reaction of hydrogen proceeds in the anode catalyst layer, and the reduction reaction of oxygen proceeds in the cathode catalyst layer. Here, the electrode catalyst of the present invention may be present in either the cathode catalyst layer or the anode catalyst layer. Considering the necessity of improving the oxygen reduction activity, it is preferable to use the electrode catalyst of the present invention at least in the cathode catalyst layer. However, the catalyst layer according to the above embodiment is not particularly limited, for example, it may be used as an anode catalyst layer, or may be used as both a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer.

触媒層は、本発明に係る電極触媒および電解質を含む。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 catalyst layer contains the electrode catalyst and electrolyte according to the present invention. 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アルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(S−PEEK)、スルホン化ポリフェニレン(S−PPP)などが挙げられる。原料が安価で製造工程が簡便であり、かつ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系高分子電解質が好ましく用いられる。なお、上述したイオン交換樹脂は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよい。 Specific examples of the hydrocarbon-based electrolyte include sulfonated polyether sulfone (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, phosphorylated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, and sulfonated poly. Ether Etherketone (S-PEEK), sulfonated polyphenylene (S-PPP) and the like can be mentioned. 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. 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。一方、EWが小さすぎる場合には、親水性が高すぎて、水の円滑な移動が困難となる。かような観点から、高分子電解質のEWは600以上であることが好ましい。なお、EW(Equivalent Weight)は、プロトン伝導性を有する交換基の当量重量を表している。当量重量は、イオン交換基1当量あたりのイオン交換膜の乾燥重量であり、「g/eq」の単位で表される。 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 this 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. 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 ion exchange membrane per equivalent of the ion exchange group, and is expressed in units of "g / eq".

また、触媒層は、EWが異なる2種類以上の高分子電解質を発電面内に含み、この際、高分子電解質のうち最もEWが低い高分子電解質が流路内ガスの相対湿度が90%以下の領域に用いることが好ましい。このような材料配置を採用することにより、電流密度領域によらず、抵抗値が小さくなって、電池性能の向上を図ることができる。流路内ガスの相対湿度が90%以下の領域に用いる高分子電解質、すなわちEWが最も低い高分子電解質のEWとしては、900g/eq.以下であることが望ましい。これにより、上述の効果がより確実、顕著なものとなる。 Further, the catalyst layer contains two or more kinds of polymer electrolytes having different EWs in the power generation surface, and at this time, the polymer electrolyte having the lowest EW among the polymer electrolytes has a relative humidity of 90% or less of the gas in the flow path. It is preferable to use it in the area of. By adopting such a material arrangement, the resistance value becomes small regardless of the current density region, and the battery performance can be improved. The EW of the polymer electrolyte used in the region where the relative humidity of the gas in the flow path is 90% or less, that is, the polymer electrolyte having the lowest EW, is 900 g / eq. It is desirable that it is as follows. As a result, the above-mentioned effect becomes more certain and remarkable.

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

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

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.

(ガス拡散層)
ガス拡散層(アノードガス拡散層、カソードガス拡散層)は、セパレータのガス流路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, cathode gas diffusion layer) has a function of promoting diffusion of gas (fuel gas or oxidant gas) supplied through the gas flow path of the separator into the catalyst layer, and electron conduction. It has a function as a path.

ガス拡散層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 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.

[燃料電池]
上述した電解質膜−電極接合体(MEA)は、燃料電池に好適に使用できる。すなわち、本発明は、本発明の電解質膜−電極接合体(MEA)を用いてなる燃料電池をも提供する。本発明の燃料電池は、高い発電性能(特に質量比活性)および耐久性を発揮できる。
[Fuel cell]
The electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) described above can be suitably used for a fuel cell. That is, the present invention also provides a fuel cell using the electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention. The fuel cell of the present invention can exhibit high power generation performance (particularly mass ratio activity) and durability.

ここで、燃料電池は、膜電極接合体(電解質膜−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。本発明の燃料電池は、耐久性に優れ、かつ高い発電性能を発揮できる。 Here, the fuel cell includes a membrane electrode assembly (electrolyte membrane-electrode assembly, MEA), an anode-side separator having a fuel gas flow path through which the fuel gas flows, and a cathode having an oxidant gas flow path through which the oxidant gas flows. It has a pair of separators including a side separator. The fuel cell of the present invention has excellent durability and can exhibit high power generation performance.

以下、適宜図面を参照しながら、本発明に係る電極触媒を使用した触媒層を有する膜電極接合体(MEA)および燃料電池の一実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明は、以下の実施形態のみには制限されない。なお、各図面は説明の便宜上誇張されて表現されており、各図面における各構成要素の寸法比率が実際とは異なる場合がある。また、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明した場合では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, an embodiment of a membrane electrode assembly (MEA) having a catalyst layer using the electrode catalyst according to the present invention and a fuel cell 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.

図1は、本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池(PEFC)1の基本構成を示す概略図である。PEFC1は、まず、固体高分子電解質膜2と、これを挟持する一対の触媒層(アノード触媒層3aおよびカソード触媒層3c)とを有する。そして、固体高分子電解質膜2と触媒層(3a、3c)との積層体はさらに、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、積層された状態で電解質膜−電極接合体(MEA)10を構成する。 FIG. 1 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 electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) 10 in a laminated state. To do.

PEFC1において、MEA10はさらに、一対のセパレータ(アノードセパレータ5aおよびカソードセパレータ5c)により挟持されている。図1において、セパレータ(5a、5c)は、図示したMEA10の両端に位置するように図示されている。ただし、複数のMEAが積層されてなる燃料電池スタックでは、セパレータは、隣接するPEFC(図示せず)のためのセパレータとしても用いられるのが一般的である。換言すれば、燃料電池スタックにおいてMEAは、セパレータを介して順次積層されることにより、スタックを構成することとなる。なお、実際の燃料電池スタックにおいては、セパレータ(5a、5c)と固体高分子電解質膜2との間や、PEFC1とこれと隣接する他のPEFCとの間にガスシール部が配置されるが、図1ではこれらの記載を省略する。 In PEFC1, the MEA10 is further sandwiched by a pair of separators (anode separator 5a and cathode separator 5c). In FIG. 1, separators (5a, 5c) are shown so as to be located at both ends of the illustrated MEA10. 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. In FIG. 1, these descriptions are omitted.

セパレータ(5a、5c)は、例えば、厚さ0.5mm以下の薄板にプレス処理を施すことで図1に示すような凹凸状の形状に成形することにより得られる。セパレータ(5a、5c)のMEA側から見た凸部はMEA10と接触している。これにより、MEA10との電気的な接続が確保される。また、セパレータ(5a、5c)のMEA側から見た凹部(セパレータの有する凹凸状の形状に起因して生じるセパレータとMEAとの間の空間)は、PEFC1の運転時にガスを流通させるためのガス流路として機能する。具体的には、アノードセパレータ5aのガス流路6aには燃料ガス(例えば、水素など)を流通させ、カソードセパレータ5cのガス流路6cには酸化剤ガス(例えば、空気など)を流通させる。 The separators (5a, 5c) can be obtained, for example, by pressing a thin plate having a thickness of 0.5 mm or less to form an uneven shape as shown in FIG. The convex portion of the separator (5a, 5c) seen from the MEA side is in contact with the MEA10. 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 gas for flowing gas during the operation of PEFC1. Functions as a 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、PEFC1の運転時にPEFCを冷却するための冷媒(例えば、水)を流通させるための冷媒流路7とされる。さらに、セパレータには通常、マニホールド(図示せず)が設けられる。このマニホールドは、スタックを構成した際に各セルを連結するための連結手段として機能する。かような構成とすることで、燃料電池スタックの機械的強度が確保されうる。 On the other hand, the recesses of the separators (5a, 5c) viewed 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. .. 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1に示す実施形態においては、セパレータ(5a、5c)は凹凸状の形状に成形されている。ただし、セパレータは、かような凹凸状の形態のみに限定されるわけではなく、ガス流路および冷媒流路の機能を発揮できる限り、平板状、一部凹凸状などの任意の形態であってもよい。 In the embodiment shown in FIG. 1, the separators (5a, 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.

(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.

上記のような燃料電池は、優れた発電性能を発揮する。ここで、燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では固体高分子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、固体高分子形燃料電池(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 as described above exhibits excellent power generation performance. Here, the type of the fuel cell is not particularly limited, and in the above description, the polymer electrolyte fuel cell has been described as an example, but in addition to this, an alkaline fuel cell and a direct methanol 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。 The application of the fuel cell is not particularly limited, but it is preferably applied to the 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.

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

(電極触媒前駆体の準備)
炭素担体としてVulcan(登録商標) XC72(キャボット社製、BET比表面積:220(m/g担体)、一次平均粒子径:37nm)を用いて、平均粒径(直径)3.4nmの白金を担持率10重量%となるように担持して、電極触媒前駆体を得た。すなわち、白金濃度4.6質量%のジニトロジアンミン白金硝酸水溶液(白金前駆体含有液)1000g(白金含有量:46g)に46gの炭素担体を浸漬させ攪拌後、還元剤として100%エタノールを100ml添加した。この溶液を沸点で7時間、攪拌、混合し、白金を炭素担体に担持させた。そして、濾過、乾燥することにより、担持率が10重量%の粉末を得た。その後、水素雰囲気において、温度900℃に1時間保持することによってアニール処理を行い、電極触媒前駆体を得た。
(Preparation of electrode catalyst precursor)
Using Vulcan® XC72 (manufactured by Cabot, BET specific surface area: 220 (m 2 / g carrier), primary average particle size: 37 nm) as a carbon carrier, platinum having an average particle size (diameter) of 3.4 nm was used. An electrode catalyst precursor was obtained by supporting the product so as to have a loading ratio of 10% by weight. That is, 46 g of a carbon carrier is immersed in 1000 g (platinum content: 46 g) of a dinitrodiammine platinum nitric acid aqueous solution (platinum precursor-containing liquid) having a platinum concentration of 4.6% by mass, and after stirring, 100 ml of 100% ethanol is added as a reducing agent. did. The solution was stirred and mixed at boiling point for 7 hours to support platinum on a carbon carrier. Then, it was filtered and dried to obtain a powder having a loading ratio of 10% by weight. Then, in a hydrogen atmosphere, the temperature was maintained at 900 ° C. for 1 hour to perform an annealing treatment to obtain an electrode catalyst precursor.

熱重量分析により炭素担体の燃焼温度(DTAにおける発熱ピーク温度、Tcarbon)を求めたところ、387℃であった。なお、熱重量分析は、以下の条件にて行った。
方法 TG−DTA
昇温速度 5℃/分
ガス雰囲気 空気
測定試料を白金パンに入れて計測した。
The combustion temperature of the carbon carrier (exothermic peak temperature in DTA, T carbon ) was determined by thermogravimetric analysis and found to be 387 ° C. The thermogravimetric analysis was performed under the following conditions.
Method TG-DTA
Temperature rise rate 5 ° C / min Gas atmosphere Air measurement The sample was placed in a platinum pan and measured.

(実施例1)
上記の電極触媒前駆体を用いて、空気雰囲気(大気圧)において、300℃で2時間、電気炉内で加熱処理をし、空冷して電極触媒1を得た(昇温速度:10℃/分)。電極触媒1の電子顕微鏡像を図2Aに示す。加熱前後における重量減少率は8%であった。なお、加熱前後における重量減少率は、以下の式により求めた。
(Example 1)
Using the above-mentioned electrode catalyst precursor, heat treatment was performed in an electric furnace at 300 ° C. for 2 hours in an air atmosphere (atmospheric pressure), and air cooling was performed to obtain electrode catalyst 1 (heating rate: 10 ° C./). Minutes). An electron microscope image of the electrode catalyst 1 is shown in FIG. 2A. The weight loss rate before and after heating was 8%. The weight loss rate before and after heating was calculated by the following formula.

Figure 0006862792
Figure 0006862792

(実施例2)
実施例1における加熱温度を250℃(昇温速度:10℃/分)に変更した以外は実施例1と同様に電極触媒前駆体の加熱処理をし、電極触媒2を得た。加熱前後における重量減少率は6%であった。
(Example 2)
The electrode catalyst precursor was heat-treated in the same manner as in Example 1 except that the heating temperature in Example 1 was changed to 250 ° C. (heating rate: 10 ° C./min) to obtain an electrode catalyst 2. The weight loss rate before and after heating was 6%.

(比較例1)
上記の電極触媒前駆体を加熱処理せずに、25℃で保管していたものを比較電極触媒1として用いた。比較電極触媒1の電子顕微鏡像を図2Bに示す。図2Aと比較して、図2Bでは、白点状の触媒金属粒子が炭素担体上に露出していることが分かる。
(Comparative Example 1)
The above-mentioned electrode catalyst precursor that had been stored at 25 ° C. without heat treatment was used as the comparative electrode catalyst 1. An electron microscope image of the comparative electrode catalyst 1 is shown in FIG. 2B. Compared with FIG. 2A, in FIG. 2B, it can be seen that the white spot-shaped catalytic metal particles are exposed on the carbon carrier.

(比較例2)
実施例1における加熱温度を330℃(昇温速度:10℃/分)に変更した以外は実施例1と同様に電極触媒前駆体の加熱処理をし、比較電極触媒2を得た。加熱前後における重量減少率は10%であった。
(Comparative Example 2)
The electrode catalyst precursor was heat-treated in the same manner as in Example 1 except that the heating temperature in Example 1 was changed to 330 ° C. (heating rate: 10 ° C./min) to obtain a comparative electrode catalyst 2. The weight loss rate before and after heating was 10%.

上記にて得られた電極触媒1〜2および比較電極触媒1〜2について、下記方法にしたがって、比表面積(m/g Pt)および面積比活性(μA/cm Pt)を測定した。結果を下記表に示す。 The specific surface area (m 2 / g Pt) and area specific activity (μA / cm 2 Pt) of the electrode catalysts 1 and 2 and the comparative electrode catalysts 1 and 2 obtained above were measured according to the following methods. The results are shown in the table below.

[白金の電気化学的表面積(cm Pt)の測定]
実施例および比較例の電極触媒を、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(RDE、幾何面積:0.19cm)上に、回転ディスク電極の単位面積当たりの白金担持量が34μg/cmとなるように、ナフィオン(登録商標)(ナフィオン(登録商標)の塗布量=10μg/cm)と共に、均一に塗布し、性能評価用RDE電極を作製した。
[Measurement of electrochemical surface area (cm 2 Pt) of platinum]
The electrode catalysts of Examples and Comparative Examples are placed on a rotating disk electrode (RDE, geometric area: 0.19 cm 2 ) composed of a glassy carbon disk having a diameter of 5 mm, respectively, and the amount of platinum carried per unit area of the rotating disk electrode. There so that the 34 [mu] g / cm 2, with Nafion® (Nafion (registered trademark) coating amount = 10 [mu] g / cm 2), was uniformly applied to prepare a RDE electrode performance evaluation.

各実施例及び比較例の性能評価用RDE電極に対して、電気化学計測装置を用い、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、各電極触媒における白金の電気化学的表面積(cm Pt)を算出した。 The performance evaluation RDE electrodes of Examples and Comparative Examples, using an electrochemical measuring apparatus, in N 2 gas at 25 ° C. in 0.1M perchloric acid saturated with respect to the reversible hydrogen electrode (RHE) Cyclic voltammetry was performed at a scanning rate of 50 mVs -1 over a potential range of 0.05 to 1.2 V. The electrochemical surface area (cm 2 Pt) of platinum in 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.

[面積比活性の測定]
実施例及び比較例の性能評価用RDE電極に対して、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、電位走査によりに得られた電流から、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記白金の電気化学的表面積(cm Pt)で除した値を面積比活性(μA/cmPt)とした。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。
[Measurement of area specific activity]
For the performance evaluation RDE electrodes of Examples and Comparative Examples, a speed of 10 mV / s from 0.2 V to 1.2 V in 0.1 M perchloric acid at 25 ° C. saturated with oxygen using an electrochemical measuring device. The potential was scanned at. 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 electrochemical surface area (cm 2 Pt) of the platinum was taken as the area specific activity (μA / cm 2 Pt). The method using the Koutecky-Levich equation is described in, for example, Electrochemistry Vol. 79, No. 2, p. 116-121 (2011) (Convection Voltamogram (1) Oxygen Reduction (RRDE)), "4 Analysis of Oxygen Reduction Reaction on Pt / C Catalyst".

Figure 0006862792
Figure 0006862792

上記表に示す通り、本発明に係る製造方法により得られた電極触媒は高い触媒活性(面積比活性)を有することが分かる。なお、比較電極触媒2は電気化学的表面積の測定値が安定せず、触媒活性を計測することができなかった。これは、比較電極触媒2では、触媒金属が炭素担体内に過度に埋没されたためではないかと考えられる。 As shown in the above table, it can be seen that the electrode catalyst obtained by the production method according to the present invention has high catalytic activity (area specific activity). The measured value of the electrochemical surface area of the comparative electrode catalyst 2 was not stable, and the catalytic activity could not be measured. It is considered that this is because the catalyst metal is excessively embedded in the carbon carrier in the comparative electrode catalyst 2.

1…固体高分子形燃料電池(PEFC)、
2…固体高分子電解質膜、
3…触媒層、
3a…アノード触媒層、
3c…カソード触媒層、
4a…アノードガス拡散層、
4c…カソードガス拡散層、
5a…アノードセパレータ、
5c…カソードセパレータ、
6a…アノードガス流路、
6c…カソードガス流路、
7…冷媒流路、
10…電解質膜−電極接合体(MEA)。
1 ... 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).

Claims (2)

白金含有触媒金属が炭素担体に担持された電極触媒前駆体を準備すること、および
前記電極触媒前駆体を酸素含有雰囲気下で加熱して、当該電極触媒前駆体の重量を、6%以上10%未満の割合で減少させることを含む、電極触媒の製造方法。
An electrode catalyst precursor in which a platinum-containing catalyst metal is supported on a carbon carrier is prepared, and the electrode catalyst precursor is heated in an oxygen-containing atmosphere to reduce the weight of the electrode catalyst precursor by 6% or more and 10%. A method for producing an electrode catalyst, which comprises reducing at a rate of less than.
前記加熱において、前記電極触媒前駆体の重量を、6%を超えて10%未満の割合で減少させる、請求項1に記載の電極触媒の製造方法。 The method for producing an electrode catalyst according to claim 1, wherein the weight of the electrode catalyst precursor is reduced by more than 6% and less than 10% in the heating.
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