JP7094075B2 - Carbon material for catalyst carrier, catalyst for polymer electrolyte fuel cell, catalyst layer for polymer electrolyte fuel cell, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Description

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

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

アノード側のセパレータには、水素等の還元性ガスが導入される。還元性ガスは、アノード側のガス拡散層を経由し、アノードに導入される。アノードは、触媒成分と、触媒成分を担持する触媒担体と、プロトン伝導性を有する電解質材料(アイオノマー)とを含む。触媒担体は、多孔質炭素材料で構成されることが多い。触媒成分上では、還元性ガスの酸化反応が起こり、プロトンと電子が生成される。例えば、還元性ガスが水素ガスとなる場合、以下の酸化反応が起こる。
→2H+2e (E=0V)
A reducing gas such as hydrogen is introduced into the separator on the anode side. The reducing gas is introduced into the anode via the gas diffusion layer on the anode side. The anode includes a catalyst component, a catalyst carrier supporting the catalyst component, and an electrolyte material (ionomer) having proton conductivity. The catalyst carrier is often composed of a porous carbon material. On the catalyst component, an oxidation reaction of the reducing gas occurs, and protons and electrons are generated. For example, when the reducing gas becomes hydrogen gas, the following oxidation reaction occurs.
H 2 → 2H + + 2e- (E 0 = 0V)

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

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

カソード側のセパレータには、酸素ガスあるいは空気等の酸化性ガスが導入される。酸化性ガスは、カソード側のガス拡散層を経由し、カソードに導入される。カソードは、触媒成分と、触媒成分を担持する触媒担体と、プロトン伝導性を有する電解質材料(アイオノマー)とを含む。触媒担体は、多孔質炭素材料で構成されることが多い。触媒成分上では、酸化性ガスの還元反応が起こり、水が生成される。例えば、酸化性ガスが酸素ガスあるいは空気となる場合、以下の還元反応が起こる。
+4H+4e→2HO (E=1.23V)
Oxidizing gas such as oxygen gas or air is introduced into the separator on the cathode side. The oxidizing gas is introduced into the cathode via the gas diffusion layer on the cathode side. The cathode includes a catalyst component, a catalyst carrier supporting the catalyst component, and an electrolyte material (ionomer) having proton conductivity. The catalyst carrier is often composed of a porous carbon material. On the catalyst component, a reduction reaction of the oxidizing gas occurs and water is produced. For example, when the oxidizing gas becomes oxygen gas or air, the following reduction reaction occurs.
O 2 + 4H + + 4e- → 2H 2 O (E 0 = 1.23V)

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

ところで、近年、触媒成分の利用率、すなわち触媒利用率のさらなる向上が強く求められていた。触媒利用率が高いほど、固体高分子形燃料電池に必要な触媒成分の量を低減することができ、ひいては、固体高分子形燃料電池の低コスト化、高性能化を図ることができるからである。従来では、例えば特許文献1に開示されているように、触媒担体となる炭素材料、すなわち触媒担体用炭素材料の細孔構造、及び表面の極性に着目して、触媒利用率の向上が試みられている。 By the way, in recent years, there has been a strong demand for further improvement in the utilization rate of catalyst components, that is, the utilization rate of catalysts. This is because the higher the catalyst utilization rate, the less the amount of catalyst components required for the polymer electrolyte fuel cell, and the lower the cost and higher performance of the polymer electrolyte fuel cell. be. Conventionally, as disclosed in Patent Document 1, for example, an attempt has been made to improve the catalyst utilization rate by focusing on the pore structure of the carbon material used as the catalyst carrier, that is, the carbon material for the catalyst carrier, and the polarity of the surface. ing.

国際公開第2014/129597号International Publication No. 2014/1259597

しかし、触媒担体用炭素材料の細孔構造及び表面の極性は、触媒利用率を高めるための要素の一種ではあるものの、触媒利用率を支配する要素ではなかった。すなわち、これらの値を所望の範囲内の値に調整しても、触媒利用率にバラ付きが生じる場合があった。 However, although the pore structure and surface polarity of the carbon material for the catalyst carrier are one of the factors for increasing the catalyst utilization rate, they are not the factors that control the catalyst utilization rate. That is, even if these values are adjusted to values within a desired range, the catalyst utilization rate may vary.

ところで、触媒利用率が高いことは、より多くの触媒成分が電極反応(すなわち、上述した酸化反応及び還元反応)に寄与することを意味する。そして、より多くの触媒成分が電極反応に寄与するためには、触媒成分を担持する触媒担体用炭素材料に電解質材料がなるべく均一に被覆している必要がある。触媒担体用炭素材料に電解質材料を均一に被覆させることで、より多くの触媒成分を電解質材料に接触させることができるからである。そして、触媒担体用炭素材料に電解質材料が均一に被覆するためには、触媒担体用炭素材料が電解質材料に対して高い親和性を有することが必要である。 By the way, a high catalyst utilization means that more catalyst components contribute to the electrode reaction (that is, the above-mentioned oxidation reaction and reduction reaction). In order for more catalyst components to contribute to the electrode reaction, the carbon material for the catalyst carrier that supports the catalyst components needs to be coated with the electrolyte material as uniformly as possible. This is because by uniformly coating the carbon material for the catalyst carrier with the electrolyte material, more catalyst components can be brought into contact with the electrolyte material. In order for the carbon material for the catalyst carrier to be uniformly coated with the carbon material for the catalyst carrier, it is necessary that the carbon material for the catalyst carrier has a high affinity for the electrolyte material.

このため、近年、触媒利用率を支配するための要素として、触媒担体用炭素材料の電解質材料に対する親和性が着目されている。しかし、電解質材料に対する親和性は、電解質材料の種類によって変動することが多い。すなわち、触媒担体用炭素材料が特定の電解質材料に対して高い親和性を示す場合であっても、その触媒担体用炭素材料が他の電解質材料に対しても高い親和性を示すとは限らない。 For this reason, in recent years, attention has been paid to the affinity of carbon materials for catalyst carriers with respect to electrolyte materials as an element for controlling the catalyst utilization rate. However, the affinity for the electrolyte material often varies depending on the type of the electrolyte material. That is, even if the carbon material for a catalyst carrier shows a high affinity for a specific electrolyte material, the carbon material for a catalyst carrier does not necessarily show a high affinity for other electrolyte materials. ..

このため、複数種類の電解質材料に対する親和性を定量的に評価する技術、すなわち、電解質材料に対する親和性を汎用的かつ定量的に評価する技術が強く求められていた。 Therefore, there has been a strong demand for a technique for quantitatively evaluating the affinity for a plurality of types of electrolyte materials, that is, a technique for evaluating the affinity for an electrolyte material in a general-purpose and quantitative manner.

しかし、このような技術は何ら提案されていなかった。なお、電解質材料の被覆状態を観察する技術は提案されている。この技術では、触媒層中の電解質材料をRuで染色し、FIB(集束イオンビーム)により触媒層を薄片化する。そして、薄片化された触媒層をTEM-EDXで分析することで、元素分布マップを作成する。そして、このマップ中、Ruが濃化した領域に電解質材料が存在すると評価する。しかし、この技術は、あくまで電解質材料に対する親和性を定性的に評価するだけである。 However, no such technique has been proposed. A technique for observing the coating state of the electrolyte material has been proposed. In this technique, the electrolyte material in the catalyst layer is dyed with Ru, and the catalyst layer is sliced by FIB (focused ion beam). Then, an element distribution map is created by analyzing the flaked catalyst layer with TEM-EDX. Then, in this map, it is evaluated that the electrolyte material exists in the region where Ru is concentrated. However, this technique only qualitatively evaluates the affinity for electrolyte materials.

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、電解質材料に対する親和性を汎用的かつ定量的に評価することが可能な、新規かつ改良された試験方法を提供し、ひいては、固体高分子形燃料電池の特性をさらに向上させることが可能な触媒担体用炭素材料等を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and the object of the present invention is new and improved so that the affinity for the electrolyte material can be evaluated universally and quantitatively. It is an object of the present invention to provide a test method, and by extension, to provide a carbon material for a catalyst carrier capable of further improving the characteristics of a polymer electrolyte fuel cell.

本発明者は、上記課題を解決するために、電解質材料に対する親和性を汎用的かつ定量的に評価する技術について鋭意検討した。上述したように、触媒担体用炭素材料の電解質材料に対する親和性は、電解質材料の種類によって変動することが多い。そこで、本発明者は、まず、これらの電解質材料のモデルとなるモデル樹脂について鋭意検討した。この結果、本発明者は、ポリエチレングリコールに着目した。ポリエチレングリコールは、電解質材料と同様にその構造中に極性部位を持つ。さらに、ポリエチレングリコールは、分子量の大きさとその分布を制御した合成が可能である。このため、ポリエチレングリコールの分子量分布を適切に調整することで、各種の電解質材料に類似する吸着特性(具体的には、触媒担体用炭素材料に対する吸着特性)を示すと推察される。そして、本発明者は、ポリエチレングリコールを用いた樹脂吸着量評価試験、いわゆるポリエチレングリコール樹脂吸着量評価試験を行った。 In order to solve the above problems, the present inventor has diligently studied a technique for evaluating the affinity for an electrolyte material in a general-purpose and quantitative manner. As described above, the affinity of the carbon material for the catalyst carrier with respect to the electrolyte material often varies depending on the type of the electrolyte material. Therefore, the present inventor first diligently studied a model resin as a model for these electrolyte materials. As a result, the present inventor focused on polyethylene glycol. Polyethylene glycol, like the electrolyte material, has polar moieties in its structure. Furthermore, polyethylene glycol can be synthesized by controlling the size and distribution of the molecular weight. Therefore, it is presumed that by appropriately adjusting the molecular weight distribution of polyethylene glycol, the adsorption characteristics (specifically, the adsorption characteristics for the carbon material for the catalyst carrier) similar to those of various electrolyte materials are exhibited. Then, the present inventor conducted a resin adsorption amount evaluation test using polyethylene glycol, a so-called polyethylene glycol resin adsorption amount evaluation test.

この樹脂吸着量評価試験では、まず、ポリエチレングリコール樹脂、触媒担体用炭素材料、及び水を含む混合液を、95~100℃の範囲で1~10時間撹拌する(第1の工程)。ついで、混合液からポリエチレングリコール樹脂が付着した触媒担体用炭素材料を分離する(第2の工程)。ついで、ポリエチレングリコール樹脂が付着した触媒担体用炭素材料の質量から第1の工程で使用した触媒担体用炭素材料の質量を減算することで、樹脂吸着量を測定する(第3の工程)。ついで、樹脂吸着量と、第1の工程で使用した触媒担体用炭素材料の質量とに基づいて、樹脂吸着率W、すなわちポリエチレングリコールの吸着率を算出する(第4の工程)。 In this resin adsorption amount evaluation test, first, a mixed solution containing a polyethylene glycol resin, a carbon material for a catalyst carrier, and water is stirred in the range of 95 to 100 ° C. for 1 to 10 hours (first step). Then, the carbon material for the catalyst carrier to which the polyethylene glycol resin is attached is separated from the mixture (second step). Then, the amount of resin adsorbed is measured by subtracting the mass of the carbon material for the catalyst carrier used in the first step from the mass of the carbon material for the catalyst carrier to which the polyethylene glycol resin is attached (third step). Then, the resin adsorption rate W, that is, the adsorption rate of polyethylene glycol is calculated based on the amount of resin adsorbed and the mass of the carbon material for the catalyst carrier used in the first step (fourth step).

つぎに、本発明者は、樹脂吸着率Wに影響を与えるパラメータについて鋭意検討した。電解質材料の質量平均分子量は、概ね数万以上である。このような電解質材料が毛鞠状になった場合、その直径は10nm以上となる。一方、触媒担体用炭素材料粒子の表面には、直径が3nm未満の細孔、すなわちミクロ孔が形成される場合がある。しかし、電解質材料粒子(毛鞠状の粒子)は、このような微細な細孔内には入り込めない。このため、電解質材料は、触媒担体用炭素材料粒子の外表面、すなわち、ミクロ孔を除いた部分の表面に付着することになる。 Next, the present inventor diligently studied the parameters that affect the resin adsorption rate W. The mass average molecular weight of the electrolyte material is generally tens of thousands or more. When such an electrolyte material becomes temari-shaped, its diameter is 10 nm or more. On the other hand, pores having a diameter of less than 3 nm, that is, micropores may be formed on the surface of the carbon material particles for the catalyst carrier. However, the electrolyte material particles (temari-shaped particles) cannot enter into such fine pores. Therefore, the electrolyte material adheres to the outer surface of the carbon material particles for the catalyst carrier, that is, the surface of the portion excluding the micropores.

そこで、本発明者は、触媒担体用炭素材料粒子の外表面の凹凸形状に着目した。触媒担体用炭素材料粒子に形成される凹凸が多いほど、ポリエチレングリコールとの接触面積が大きくなるからである。具体的には、本発明者は、直径3~10nmのメソ孔の比容積V3-10(mL/g)に着目した。なお、直径の上限を10nmとしたのは、直径が10nmを超えるメソ孔(及びマクロ孔)は、ポリエチレングリコールとの接触面積にそれほど影響を与えないと考えられるからである。 Therefore, the present inventor paid attention to the uneven shape of the outer surface of the carbon material particles for the catalyst carrier. This is because the more irregularities formed on the carbon material particles for the catalyst carrier, the larger the contact area with polyethylene glycol. Specifically, the present inventor focused on the specific volume V 3-10 (mL / g) of the mesopores having a diameter of 3 to 10 nm. The upper limit of the diameter is set to 10 nm because it is considered that the mesopores (and macropores) having a diameter of more than 10 nm do not affect the contact area with polyethylene glycol so much.

この結果、本発明者は、比容積V3-10(mL/g)と樹脂吸着率Wとの間に高い正の相関があることがわかった。すなわち、メソ孔の比容積V3-10(mL/g)を調整することで、樹脂吸着率Wを所望の値に調整できることがわかった。 As a result, the present inventor found that there is a high positive correlation between the specific volume V 3-10 (mL / g) and the resin adsorption rate W. That is, it was found that the resin adsorption rate W can be adjusted to a desired value by adjusting the specific volume V 3-10 (mL / g) of the mesopores.

さらに、本発明者は、比容積V3-10(mL/g)を調整する技術として、賦活処理に着目した。まず、本発明者は、触媒担体用炭素材料に一般的に適用される賦活処理を触媒担体用炭素材料に施したが、比容積V3-10(mL/g)はほとんど変動しなかった。そこで、本発明者は、さらに反応性の高い賦活条件で触媒担体用炭素材料を賦活処理した。この結果、比容積V3-10(mL/g)が変動した。したがって、本発明者は、比容積V3-10(mL/g)を調整する技術として、反応性の高い賦活処理を見出した。 Furthermore, the present inventor has focused on activation treatment as a technique for adjusting the specific volume V 3-10 (mL / g). First, the present inventor applied an activation treatment generally applied to a carbon material for a catalyst carrier to the carbon material for a catalyst carrier, but the specific volume V 3-10 (mL / g) hardly changed. Therefore, the present inventor activated the carbon material for the catalyst carrier under more reactive activation conditions. As a result, the specific volume V 3-10 (mL / g) fluctuated. Therefore, the present inventor has found a highly reactive activation treatment as a technique for adjusting the specific volume V 3-10 (mL / g).

そして、本発明者は、樹脂吸着率W及び比容積V3-10(mL/g)が異なる複数種類の触媒担体用炭素材料を作成した。さらに、複数種類の電解質材料を準備した。そして、これらを用いて固体高分子形燃料電池を作製し、固体高分子形燃料電池の特性を評価した。この結果、樹脂吸着率W及び比容積V3-10(mL/g)がある範囲内の値となる場合、電解質材料の種類が変動しても、固体高分子形燃料電池の特性(具体的には、発電性能)が良好になることが判明した。したがって、樹脂吸着率W及び比容積V3-10(mL/g)がある範囲内の値となる触媒担体用炭素材料は、様々な種類の電解質材料に対する親和性が高い。そして、このような触媒担体用炭素材料を用いた固体高分子形燃料電池は、電解質材料の種類が変動しても、触媒利用率が高くなる。すなわち、固体高分子形燃料電池の特性が向上する。 Then, the present inventor prepared a plurality of types of carbon materials for catalyst carriers having different resin adsorption rates W and specific volumes V 3-10 (mL / g). In addition, multiple types of electrolyte materials were prepared. Then, a polymer electrolyte fuel cell was produced using these, and the characteristics of the polymer electrolyte fuel cell were evaluated. As a result, when the resin adsorption rate W and the specific volume V 3-10 (mL / g) are within a certain range, the characteristics of the polymer electrolyte fuel cell (specifically) even if the type of electrolyte material changes. It was found that the power generation performance) was improved. Therefore, a carbon material for a catalyst carrier having a resin adsorption rate W and a specific volume V 3-10 (mL / g) within a certain range has high affinity for various types of electrolyte materials. Further, in the polymer electrolyte fuel cell using such a carbon material for a catalyst carrier, the catalyst utilization rate becomes high even if the type of the electrolyte material changes. That is, the characteristics of the polymer electrolyte fuel cell are improved.

すなわち、ポリエチレングリコール樹脂吸着量評価試験を行うことで、樹脂吸着率W及び比容積V3-10(mL/g)が所望の範囲内の値(具体的な範囲は後述する)となる触媒担体用炭素材料を特定することができる。そして、このような触媒担体用炭素材料は、各種の電解質材料に対する親和性が高い。したがって、樹脂吸着率W及び比容積V3-10(mL/g)は、電解質材料に対する親和性を汎用的に特定するパラメータとなりうる。 That is, by conducting the polyethylene glycol resin adsorption amount evaluation test, the catalyst carrier having the resin adsorption rate W and the specific volume V 3-10 (mL / g) within the desired ranges (specific ranges will be described later). Carbon material can be specified. And, such a carbon material for a catalyst carrier has a high affinity for various electrolyte materials. Therefore, the resin adsorption rate W and the specific volume V 3-10 (mL / g) can be parameters that generally specify the affinity for the electrolyte material.

このように、本発明者は、電解質材料に対する親和性を汎用的かつ定量的に評価する試験方法として、ポリエチレングリコール樹脂吸着量評価試験を見出した。さらに、本発明者は、電解質材料に対する親和性を汎用的に特定するパラメータ(すなわち、触媒利用率を支配しうるパラメータ)として、樹脂吸着率W及び比容積V3-10(mL/g)を見出した。 As described above, the present inventor has found a polyethylene glycol resin adsorption amount evaluation test as a general-purpose and quantitative test method for evaluating the affinity for an electrolyte material. Furthermore, the present inventor has set the resin adsorption rate W and the specific volume V 3-10 (mL / g) as parameters that generically specify the affinity for the electrolyte material (that is, parameters that can control the catalyst utilization rate). I found it.

さらに、本発明者は、樹脂吸着率W(言い換えれば、電解質材料に対する親和性)に影響を与える他のパラメータについて検討した。電解質材料は一般的にプロトンを乖離する官能基を有し、この官能基は極性を持つ。本発明者は、触媒担体用炭素材料の表面に極性がある場合、その極性の程度を制御することで、電解質材料との親和性を高めることが可能と推察した。そこで、本発明者は、触媒担体用炭素材料の表面の極性についてさらに検討を進めた。この結果、本発明者は、触媒担体用炭素材料の酸素含有率及び窒素含有率が電解質材料に対する親和性に影響を与えることを見出した。なお、酸素含有率は、触媒担体用炭素材料が有する酸素含有官能基の数に対応する。窒素含有率は、触媒担体用炭素材料が有する含窒素官能基の数に対応する。すなわち、電解質材料に対する親和性は、触媒担体用炭素材料が有する酸素含有官能基及び含窒素官能基の数に影響を受ける。 Furthermore, the present inventor investigated other parameters that affect the resin adsorption rate W (in other words, the affinity for the electrolyte material). Electrolyte materials generally have a functional group that dissociates protons, and this functional group has polarity. The present inventor speculates that when the surface of the carbon material for a catalyst carrier has polarity, it is possible to enhance the affinity with the electrolyte material by controlling the degree of the polarity. Therefore, the present inventor further studied the polarity of the surface of the carbon material for the catalyst carrier. As a result, the present inventor has found that the oxygen content and the nitrogen content of the carbon material for the catalyst carrier affect the affinity for the electrolyte material. The oxygen content corresponds to the number of oxygen-containing functional groups contained in the carbon material for the catalyst carrier. The nitrogen content corresponds to the number of nitrogen-containing functional groups contained in the carbon material for the catalyst carrier. That is, the affinity for the electrolyte material is influenced by the number of oxygen-containing functional groups and nitrogen-containing functional groups of the carbon material for the catalyst carrier.

また、触媒担体用炭素材料は、触媒成分が担持される面をある程度有する必要がある。さらに、触媒担体用炭素材料には、耐久性も要求される。本発明者は、これらの知見に基づいて、本発明に想到した。即ち、本発明者は、触媒を担持するために必要な面積を表す指標としてBET比表面積に着目し、その好適な範囲を見出した。また、本発明者は、耐久性、即ち、耐酸化消耗性を高めるためにラマン分光法によるGバンドの半値幅△Gに着目し、その好適な範囲を見出した。Gバンドは炭素材料の結晶質部分の格子振動によるラマン効果であり、その半値幅は結晶子の大きさに対応する。耐酸化消耗性を高めることは結晶子サイズが大きいことに相当するため、△Gにより触媒担体用炭素材料の耐酸化消耗性を調整できると推察される。 Further, the carbon material for the catalyst carrier needs to have a surface on which the catalyst component is supported to some extent. Further, the carbon material for the catalyst carrier is also required to have durability. The present inventor came up with the present invention based on these findings. That is, the present inventor focused on the BET specific surface area as an index representing the area required for supporting the catalyst, and found a suitable range thereof. In addition, the present inventor has focused on the half-value width of the G band ΔG by Raman spectroscopy in order to enhance durability, that is, oxidative wear resistance, and has found a suitable range thereof. The G band is the Raman effect due to the lattice vibration of the crystalline part of the carbon material, and its half width corresponds to the size of the crystallite. Since increasing the oxidative wear resistance corresponds to a large crystallite size, it is presumed that ΔG can adjust the oxidative wear resistance of the carbon material for the catalyst carrier.

本発明のある観点によれば、固体高分子形燃料電池用の触媒成分を担持可能な触媒担体用炭素材料であって、質量平均分子量が4000であるポリエチレングリコール樹脂を用いたポリエチレングリコール樹脂吸着量評価試験により算出される樹脂吸着率Wが30~100質量%であり、窒素吸着等温線をBJH(Barrett,Joyner,Hallender)解析することで得られる直径3~10nmのメソ孔の比容積V3-10(mL/g)が1.0~2.0mL/gであり、BET法で評価されるBET比表面積SBET(m/g)が500~1500m/gであり、ラマン分光法により測定されるGバンドの半値幅△Gが30~70cm-1であることを特徴とする触媒担体用炭素材料が提供される。
According to a certain aspect of the present invention, the amount of polyethylene glycol resin adsorbed using a polyethylene glycol resin having a mass average molecular weight of 4000 , which is a carbon material for a catalyst carrier capable of supporting a catalyst component for a solid polymer fuel cell. The resin adsorption rate W calculated by the evaluation test is 30 to 100% by mass, and the specific volume V3 of the mesopores having a diameter of 3 to 10 nm obtained by BJH (Barrett, Joiner, Hallender) analysis of the nitrogen adsorption isotherm. -10 (mL / g) is 1.0 to 2.0 mL / g, and the BET specific surface area SBET (m 2 / g) evaluated by the BET method is 500 to 1500 m 2 / g, and Raman spectroscopy. Provided is a carbon material for a catalyst carrier, characterized in that the half-value width ΔG of the G band measured by is 30 to 70 cm -1 .

ここで、酸素含有率Omassが0.2~1.0質量%であってもよい。 Here, the oxygen content O mass may be 0.2 to 1.0% by mass.

さらに、窒素含有率Nmassが0.25~1.5質量%であってもよい。 Further, the nitrogen content N mass may be 0.25 to 1.5% by mass.

さらに、酸素含有率Omassが0.2~1.0質量%であり、かつ、窒素含有率Nmassが0.25~1.5質量%であってもよい。 Further, the oxygen content O mass may be 0.2 to 1.0% by mass, and the nitrogen content N mass may be 0.25 to 1.5% by mass.

さらに、樹脂吸着率Wが40~90質量%であってもよい。 Further, the resin adsorption rate W may be 40 to 90% by mass.

本発明の他の観点によれば、上記の触媒担体用炭素材料と、触媒担体用炭素材料に担持された触媒成分と、を含むことを特徴とする、固体高分子形燃料電池用触媒が提供される。 According to another aspect of the present invention, there is provided a catalyst for a solid polymer fuel cell, which comprises the above-mentioned carbon material for a catalyst carrier and a catalyst component supported on the carbon material for a catalyst carrier. Will be done.

ここで、触媒担持率が10~80質量%であってもよい。 Here, the catalyst loading ratio may be 10 to 80% by mass.

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

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

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

以上説明したように本発明に係る評価試験は、電解質材料に対する親和性を汎用的かつ定量的に評価することができる。さらに、本発明に係る触媒担体用炭素材料は、固体高分子形燃料電池の特性を向上させることができる。 As described above, the evaluation test according to the present invention can evaluate the affinity for the electrolyte material in a general-purpose and quantitative manner. Further, the carbon material for a catalyst carrier according to the present invention can improve the characteristics of a polymer electrolyte fuel cell.

本発明の実施形態に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the schematic structure of the fuel cell which concerns on embodiment of this invention.

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

<1.ポリエチレングリコール樹脂吸着量評価試験>
上述したように、本発明者は、触媒担体用炭素材料の電解質材料に対する親和性を汎用的かつ定量的に評価する評価試験として、ポリエチレングリコールを用いた樹脂吸着量評価試験、いわゆるポリエチレングリコール樹脂吸着量評価試験に想到した。そこで、まず、樹脂吸着量評価試験について説明する。
<1. Polyethylene glycol resin adsorption amount evaluation test>
As described above, the present inventor has conducted a resin adsorption amount evaluation test using polyethylene glycol, a so-called polyethylene glycol resin adsorption, as an evaluation test for evaluating the affinity of a carbon material for a catalyst carrier with an electrolyte material in a general-purpose and quantitative manner. I came up with a quantity evaluation test. Therefore, first, the resin adsorption amount evaluation test will be described.

(1-1.第1の工程)
本実施形態に係る樹脂吸着量評価試験は、触媒担体用炭素材料のポリエチレングリコールに対する親和性を評価する試験であり、第1~第4の工程に区分される。第1の工程では、ポリエチレングリコール樹脂、触媒担体用炭素材料、及び水を含む混合液を、95~100℃の範囲で1~10時間撹拌する。このように、本実施形態に係る樹脂吸着量評価試験では、各種の電解質材料のモデルとなる樹脂として、ポリエチレングリコールを使用する。ポリエチレングリコールは、各種の電解質材料に類似する吸着特性を示すと推察されるからである。ただし、本発明者がポリエチレングリコールについてさらに詳細に検討したところ、ポリエチレングリコールの質量平均分子量が非常に重要であることがわかった。具体的には、ポリエチレングリコールの質量平均分子量は、1000~20000であることが好ましい。ポリエチレングリコールの質量平均分子量を1000~20000とすることで、評価結果の信頼性がより高くなる。具体的には、本実施形態では、樹脂吸着率Wが30~100質量%となる触媒担体用炭素材料が選択される。そして、ポリエチレングリコールの質量平均分子量が1000~20000となる場合、当該選択された触媒担体用炭素材料は、より安定して高い特性(具体的には、発電性能)を示す。すなわち、当該選択された触媒担体用炭素材料は、各種の電解質材料に対する親和性が安定して高くなる。
(1-1. First step)
The resin adsorption amount evaluation test according to the present embodiment is a test for evaluating the affinity of the carbon material for a catalyst carrier with polyethylene glycol, and is classified into the first to fourth steps. In the first step, the mixture containing the polyethylene glycol resin, the carbon material for the catalyst carrier, and water is stirred in the range of 95 to 100 ° C. for 1 to 10 hours. As described above, in the resin adsorption amount evaluation test according to the present embodiment, polyethylene glycol is used as a resin as a model for various electrolyte materials. This is because polyethylene glycol is presumed to exhibit adsorption properties similar to those of various electrolyte materials. However, when the present inventor examined polyethylene glycol in more detail, it was found that the mass average molecular weight of polyethylene glycol is very important. Specifically, the mass average molecular weight of polyethylene glycol is preferably 1000 to 20000. By setting the mass average molecular weight of polyethylene glycol to 1000 to 20000, the reliability of the evaluation result becomes higher. Specifically, in the present embodiment, a carbon material for a catalyst carrier having a resin adsorption rate W of 30 to 100% by mass is selected. When the mass average molecular weight of polyethylene glycol is 1000 to 20000, the selected carbon material for a catalyst carrier exhibits more stable and high characteristics (specifically, power generation performance). That is, the selected carbon material for the catalyst carrier has a stable and high affinity for various electrolyte materials.

また、第1の工程では、混合液を水の沸点あるいはそれに近い温度(95~100℃)まで加熱し、撹拌する。すなわち、第1の工程では、ポリエチレングリコールが触媒担体用炭素材料に吸着しにくい環境下での樹脂吸着率Wを算出する。このような処理を行うことで、評価結果の信頼性がより高くなる。 In the first step, the mixed solution is heated to the boiling point of water or a temperature close to it (95 to 100 ° C.) and stirred. That is, in the first step, the resin adsorption rate W in an environment in which polyethylene glycol is difficult to be adsorbed on the carbon material for the catalyst carrier is calculated. By performing such processing, the reliability of the evaluation result becomes higher.

(1-2.第2の工程)
第2の工程では、混合液からポリエチレングリコール樹脂が付着した触媒担体用炭素材料を分離する。分離の方法は特に問われないが、例えばろ過等で分離を行ってもよい。
(1-2. Second step)
In the second step, the carbon material for the catalyst carrier to which the polyethylene glycol resin is attached is separated from the mixture. The method of separation is not particularly limited, but separation may be performed by, for example, filtration or the like.

(1-3.第3の工程)
第3の工程では、ポリエチレングリコール樹脂が付着した触媒担体用炭素材料の質量から第1の工程で使用した触媒担体用炭素材料の質量を減算することで、樹脂吸着量を測定する。すなわち、樹脂吸着量評価試験では、樹脂吸着量に基づいて、触媒担体用炭素材料のポリエチレングリコールに対する親和性を評価する。
(1-3. Third step)
In the third step, the amount of resin adsorbed is measured by subtracting the mass of the carbon material for the catalyst carrier used in the first step from the mass of the carbon material for the catalyst carrier to which the polyethylene glycol resin is attached. That is, in the resin adsorption amount evaluation test, the affinity of the carbon material for the catalyst carrier with respect to polyethylene glycol is evaluated based on the resin adsorption amount.

(1-4.第4の工程)
第4の工程では、樹脂吸着量と、第1の工程で使用した触媒担体用炭素材料の質量とに基づいて、樹脂吸着率W、すなわちポリエチレングリコールの吸着率を算出する。具体的には、樹脂吸着率Wは、樹脂吸着量を第1の工程で使用した触媒担体用炭素材料の質量で除算することで得られる。
(1-4. Fourth step)
In the fourth step, the resin adsorption rate W, that is, the adsorption rate of polyethylene glycol is calculated based on the amount of resin adsorbed and the mass of the carbon material for the catalyst carrier used in the first step. Specifically, the resin adsorption rate W can be obtained by dividing the resin adsorption amount by the mass of the carbon material for the catalyst carrier used in the first step.

樹脂吸着率Wは、電解質材料に対する親和性を評価するパラメータの1つである。本実施形態では、樹脂吸着率Wが30~100質量%となる触媒担体用炭素材料が選択される。 The resin adsorption rate W is one of the parameters for evaluating the affinity for the electrolyte material. In the present embodiment, a carbon material for a catalyst carrier having a resin adsorption rate W of 30 to 100% by mass is selected.

<2.触媒担体用炭素材料の構成>
つぎに、本実施形態に係る触媒担体用炭素材料について説明する。本実施形態に係る触媒担体用炭素材料は、少なくとも以下の要件(a)~(d)を満たす。
(a)上記樹脂吸着量評価試験により算出される樹脂吸着率Wが30~100質量%である。
(b)窒素吸着等温線をBJH解析することで得られる直径3~10nmのメソ孔の比容積V3-10(mL/g)が1.0~2.0mL/gである。
(c)BET法で評価されるBET比表面積SBET(m/g)が500~1500m/gである。
(d)ラマン分光法により測定されるGバンドの半値幅△Gが30~70cm-1である。
<2. Composition of carbon materials for catalyst carriers>
Next, the carbon material for the catalyst carrier according to the present embodiment will be described. The carbon material for a catalyst carrier according to this embodiment satisfies at least the following requirements (a) to (d).
(A) The resin adsorption rate W calculated by the resin adsorption amount evaluation test is 30 to 100% by mass.
(B) The specific volume V 3-10 (mL / g) of the mesopores having a diameter of 3 to 10 nm obtained by BJH analysis of the nitrogen adsorption isotherm is 1.0 to 2.0 mL / g.
(C) The BET specific surface area S BET (m 2 / g) evaluated by the BET method is 500 to 1500 m 2 / g.
(D) The half-value width ΔG of the G band measured by Raman spectroscopy is 30 to 70 cm -1 .

(2-1.要件(a)について)
要件(a)は、触媒担体用炭素材料の電解質材料に対する親和性を規定する要件の1つである。樹脂吸着率Wが30質量%未満となる場合、触媒担体用炭素材料の電解質材料に対する親和性が低すぎて、触媒担体用炭素材料に電解質材料が十分に被覆しない。このため、電極反応に寄与しない触媒成分の数が増える。すなわち、触媒利用率が低下する。一方、樹脂吸着率Wが100質量%を超える場合、触媒担体用炭素材料の電解質材料に対する親和性が高すぎて、触媒担体用炭素材料に電解質材料が過剰に被覆する。この場合、ガス(具体的には、還元性ガス及び酸化性ガス。特に、酸化性ガス。)が電解質材料の層を透過しにくくなる。すなわち、電解質材料中の触媒成分にガスが到達しにくくなる。したがって、この場合にも、電極反応に寄与しない触媒成分の数が増える。すなわち、触媒利用率が低下する。樹脂吸着率Wは、40~90質量%であることが好ましい。なお、「触媒利用率」は、触媒層中触媒成分の総数と、電極反応に利用される触媒成分の数との比である。実験では、触媒成分の目付け量が同じであり、かつ燃料電池の特性が高くなった場合、触媒利用率が高くなったと言える。
(2-1. About requirement (a))
The requirement (a) is one of the requirements that defines the affinity of the carbon material for the catalyst carrier for the electrolyte material. When the resin adsorption rate W is less than 30% by mass, the affinity of the carbon material for the catalyst carrier with respect to the electrolyte material is too low, and the carbon material for the catalyst carrier is not sufficiently coated with the electrolyte material. Therefore, the number of catalyst components that do not contribute to the electrode reaction increases. That is, the catalyst utilization rate decreases. On the other hand, when the resin adsorption rate W exceeds 100% by mass, the affinity of the carbon material for the catalyst carrier with the electrolyte material is too high, and the carbon material for the catalyst carrier is excessively coated with the electrolyte material. In this case, the gas (specifically, a reducing gas and an oxidizing gas, particularly an oxidizing gas) becomes difficult to permeate through the layer of the electrolyte material. That is, it becomes difficult for the gas to reach the catalyst component in the electrolyte material. Therefore, in this case as well, the number of catalyst components that do not contribute to the electrode reaction increases. That is, the catalyst utilization rate decreases. The resin adsorption rate W is preferably 40 to 90% by mass. The "catalyst utilization rate" is the ratio of the total number of catalyst components in the catalyst layer to the number of catalyst components used in the electrode reaction. In the experiment, it can be said that the catalyst utilization rate is high when the weight of the catalyst components is the same and the characteristics of the fuel cell are high.

樹脂吸着率Wは、上述したように、樹脂吸着量評価試験により測定可能である。また、樹脂吸着率Wは、要件(b)のパラメータである比容積V3-10(mL/g)との間に高い正の相関がある。したがって、比容積V3-10(mL/g)を調整することで、樹脂吸着率Wを30~100質量%とすることができる。 As described above, the resin adsorption rate W can be measured by the resin adsorption amount evaluation test. Further, the resin adsorption rate W has a high positive correlation with the specific volume V 3-10 (mL / g), which is the parameter of the requirement (b). Therefore, by adjusting the specific volume V 3-10 (mL / g), the resin adsorption rate W can be set to 30 to 100% by mass.

(2-2.要件(b)について)
要件(b)も、触媒担体用炭素材料の電解質材料に対する親和性を規定する要件の1つである。比容積V3-10(mL/g)が1.0mL/g未満となる場合、触媒担体用炭素材料の電解質材料に対する親和性が低すぎて、触媒担体用炭素材料に電解質材料が十分に被覆しない。このため、電極反応に寄与しない触媒成分の数が増える。すなわち、触媒利用率が低下する。一方、比容積V3-10(mL/g)が2.0mL/gを超える場合、触媒担体用炭素材料の電解質材料に対する親和性が高すぎて、触媒担体用炭素材料に電解質材料が過剰に被覆する。この場合、ガスが電解質材料の層を透過しにくくなる。すなわち、電解質材料中の触媒成分にガスが到達しにくくなる。したがって、この場合にも、電極反応に寄与しない触媒成分の数が増える。すなわち、触媒利用率が低下する。比容積V3-10(mL/g)は、好ましくは1.35~1.95(mL/g)である。
(2-2. About requirement (b))
The requirement (b) is also one of the requirements that defines the affinity of the carbon material for the catalyst carrier for the electrolyte material. When the specific volume V 3-10 (mL / g) is less than 1.0 mL / g, the affinity of the carbon material for the catalyst carrier with the electrolyte material is too low, and the carbon material for the catalyst carrier is sufficiently coated with the electrolyte material. do not do. Therefore, the number of catalyst components that do not contribute to the electrode reaction increases. That is, the catalyst utilization rate decreases. On the other hand, when the specific volume V 3-10 (mL / g) exceeds 2.0 mL / g, the affinity of the carbon material for the catalyst carrier with the electrolyte material is too high, and the electrolyte material is excessive in the carbon material for the catalyst carrier. Cover. In this case, it becomes difficult for the gas to permeate the layer of the electrolyte material. That is, it becomes difficult for the gas to reach the catalyst component in the electrolyte material. Therefore, in this case as well, the number of catalyst components that do not contribute to the electrode reaction increases. That is, the catalyst utilization rate decreases. The specific volume V 3-10 (mL / g) is preferably 1.35 to 1.95 (mL / g).

ここで、比容積V3-10(mL/g)は、窒素吸着等温線をBJH解析することで得られる。窒素吸着等温線は、窒素ガスの液体窒素温度での窒素吸着測定によって得られる。また、BJH解析は、メソ孔解析の一手法である。すなわち、メソ孔解析の手法は様々であるが、本発明者がこれらの手法について検討したところ、BJH解析により得られる比容積V3-10(mL/g)は、樹脂吸着率Wとの相関が最も高かった。 Here, the specific volume V 3-10 (mL / g) is obtained by BJH analysis of the nitrogen adsorption isotherm. The nitrogen adsorption isotherm is obtained by measuring nitrogen adsorption at the liquid nitrogen temperature of nitrogen gas. BJH analysis is a method of mesopore analysis. That is, there are various methods for mesopore analysis, but when the present inventor examined these methods, the specific volume V 3-10 (mL / g) obtained by BJH analysis correlates with the resin adsorption rate W. Was the highest.

したがって、樹脂吸着率W及び比容積V3-10(mL/g)は、電解質材料に対する親和性に寄与するパラメータである。すなわち、樹脂吸着率W及び比容積V3-10(mL/g)が上述した範囲内の値となる場合、触媒担体用炭素材料の電解質材料に対する親和性が汎用的に高くなる。具体的には、触媒担体用炭素材料を用いた固体高分子形燃料電池は、電解質材料の種類が変動しても高い特性(具体的には、発電性能)を有する。 Therefore, the resin adsorption rate W and the specific volume V 3-10 (mL / g) are parameters that contribute to the affinity for the electrolyte material. That is, when the resin adsorption rate W and the specific volume V 3-10 (mL / g) are within the above-mentioned ranges, the affinity of the carbon material for the catalyst carrier with the electrolyte material is generally high. Specifically, the polymer electrolyte fuel cell using the carbon material for the catalyst carrier has high characteristics (specifically, power generation performance) even if the type of the electrolyte material fluctuates.

ここで、比容積V3-10(mL/g)を調整する方法としては、例えば賦活処理が挙げられる。賦活処理の種類は特に問われず、炭素材料の分子構造に欠陥を与える処理であればどのような処理であってもよい。賦活処理の例としては、炭素材料を水蒸気、二酸化炭素などのガス、もしくはこれらのガスを含んだ不活性ガスを流通させた環境下で炭素材料を加熱する処理等が挙げられる。 Here, as a method for adjusting the specific volume V 3-10 (mL / g), for example, activation treatment can be mentioned. The type of activation treatment is not particularly limited, and any treatment may be used as long as it is a treatment that causes defects in the molecular structure of the carbon material. Examples of the activation treatment include a treatment in which the carbon material is heated in an environment in which a gas such as steam or carbon dioxide or an inert gas containing these gases is circulated.

ただし、触媒担体用炭素材料に一般的に適用される賦活処理を触媒担体用炭素材料に施しても、比容積V3-10(mL/g)はほとんど変動しない。すなわち、比容積V3-10(mL/g)を変動させるには、反応性の高い賦活処理を行う必要がある。 However, even if the activation treatment generally applied to the carbon material for the catalyst carrier is applied to the carbon material for the catalyst carrier, the specific volume V 3-10 (mL / g) hardly changes. That is, in order to change the specific volume V 3-10 (mL / g), it is necessary to carry out a highly reactive activation treatment.

具体的には、水蒸気を用いた賦活処理では、水蒸気の温度を1050℃以上とする必要がある。温度の好ましい範囲は、1200~1500℃程度である。賦活処理の時間は、例えば0.1~1.0時間であればよい。賦活処理の温度及び時間によって比容積V3-10(mL/g)を調整することができる。なお、通常の賦活処理では、水蒸気の温度は850~1000℃程度である。 Specifically, in the activation treatment using steam, the temperature of steam needs to be 1050 ° C. or higher. The preferred range of temperature is about 1200 to 1500 ° C. The activation treatment time may be, for example, 0.1 to 1.0 hour. The specific volume V 3-10 (mL / g) can be adjusted by the temperature and time of the activation treatment. In the normal activation treatment, the temperature of steam is about 850 to 1000 ° C.

また、二酸化炭素を用いた賦活処理では、二酸化炭素の温度は1150℃以上とする必要がある。温度の好ましい範囲は、1200~1500℃程度である。賦活処理の時間は、例えば0.1~1.0時間であればよい。賦活処理の温度及び時間によって比容積V3-10(mL/g)を調整することができる。なお、通常の賦活処理では、二酸化炭素の温度は、900~1000℃程度である。 Further, in the activation treatment using carbon dioxide, the temperature of carbon dioxide needs to be 1150 ° C. or higher. The preferred range of temperature is about 1200 to 1500 ° C. The activation treatment time may be, for example, 0.1 to 1.0 hour. The specific volume V 3-10 (mL / g) can be adjusted by the temperature and time of the activation treatment. In the normal activation treatment, the temperature of carbon dioxide is about 900 to 1000 ° C.

従来は、賦活処理を行うにあたって、水蒸気及び二酸化炭素の温度を上記の範囲まで上げることは行われていなかった。その理由は、通常の賦活処理は、炭素材料に主にミクロ孔を導入することを目的として行われており、また、上記の高温で炭素材料を処理すると炭素の消耗割合が高い為コストアップとなってしまうため、このような高温で賦活処理を行うことは想定されていなかったからである。なお、本実施形態では、仮に炭素材料の賦活処理に要するコストが増大したとしても、結果として得られる触媒担体用炭素材料は、触媒利用率を大きく向上させることができる。したがって、固体高分子形燃料電池全体で見れば大きなコストダウンに繋がることになる。 Conventionally, the temperature of water vapor and carbon dioxide has not been raised to the above range in the activation treatment. The reason is that the usual activation treatment is mainly performed for the purpose of introducing micropores into the carbon material, and when the carbon material is treated at the above high temperature, the carbon consumption rate is high, so the cost increases. This is because it was not expected that the activation treatment would be performed at such a high temperature. In the present embodiment, even if the cost required for the activation treatment of the carbon material increases, the resulting carbon material for the catalyst carrier can greatly improve the catalyst utilization rate. Therefore, the cost of the polymer electrolyte fuel cell as a whole will be greatly reduced.

また、上記のように反応性の高い賦活処理を行うことで、市販の無多孔質の炭素材料も本実施形態で好適な触媒担体用炭素材料とすることができる。なお、このような無多孔質炭素材料を出発物質とする場合、まず通常の賦活処理を行って炭素材料にミクロ孔を導入した後に、反応性の高い賦活処理を行うことが好ましい。 Further, by performing the highly reactive activation treatment as described above, a commercially available non-porous carbon material can also be a suitable carbon material for a catalyst carrier in the present embodiment. When such a non-porous carbon material is used as a starting material, it is preferable to first perform a normal activation treatment to introduce micropores into the carbon material, and then perform a highly reactive activation treatment.

(2-3.要件(c)について)
要件(c)は、触媒成分が担持される面(具体的には、表面積)を確保するための要件である。BET比表面積が500m/g未満であると触媒成分を十分に担持するための表面積が不足し、十分な発電性能を発揮し得ない場合が生じる可能性がある。一方、BET比表面積が1500m/gを超える場合、触媒担体用炭素材料の欠陥部位が多くなる。したがって、触媒担体用炭素材料それ自体の強度が低下し、燃料電池用の触媒として使用できなくなる可能性がある。BET比表面積は、好ましくは1100~1300m/gである。
(2-3. Requirements (c))
The requirement (c) is a requirement for securing a surface (specifically, a surface area) on which the catalyst component is supported. If the BET specific surface area is less than 500 m 2 / g, the surface area for sufficiently supporting the catalyst component may be insufficient, and sufficient power generation performance may not be exhibited. On the other hand, when the BET specific surface area exceeds 1500 m 2 / g, the number of defective portions of the carbon material for the catalyst carrier increases. Therefore, the strength of the carbon material itself for the catalyst carrier is lowered, and there is a possibility that the carbon material itself cannot be used as a catalyst for a fuel cell. The BET specific surface area is preferably 1100 to 1300 m 2 / g.

(2-4.要件(d)について)
要件(d)は、触媒担体用炭素材料の耐久性を確保するための要件である。Gバンドの半値幅△Gが30cm-1より小さい場合、触媒担体用炭素材料の結晶性が高くなり過ぎて触媒成分を担持させる工程で触媒金属を高分散に担持させ難くなる可能性がある。一方、Gバンドの半値幅△Gが70cm-1を超える場合、起動・停止といった負荷変動の繰返しに対する十分な耐久性が得られない可能性がある。Gバンドの半値幅△Gは、好ましくは35~50cm-1である。
(2-4. About requirement (d))
The requirement (d) is a requirement for ensuring the durability of the carbon material for the catalyst carrier. When the half-value width ΔG of the G band is smaller than 30 cm -1 , the crystallinity of the carbon material for the catalyst carrier becomes too high, and it may be difficult to support the catalyst metal in a highly dispersed manner in the step of supporting the catalyst component. On the other hand, when the half-value width ΔG of the G band exceeds 70 cm -1 , sufficient durability against repeated load fluctuations such as start / stop may not be obtained. The full width at half maximum ΔG of the G band is preferably 35 to 50 cm -1 .

Gバンドの半値幅△Gを上述した範囲内の値とする方法としては、例えば黒鉛化処理が挙げられる。黒鉛化処理では、触媒担体用炭素材料を1600℃以上の高温環境に曝す。炭素材料を黒鉛化処理することで、炭素材料を構成する結晶子が大きく成長する。この結果、炭素材料のGバンドの半値幅が上述した範囲内の値となりうる。加熱温度が1600℃未満となる場合、結晶子の成長が少なくなる場合がある。この結果、Gバンドの半値幅△Gが70cm-1を超えることが多くなる。 As a method for setting the half-value width ΔG of the G band to a value within the above-mentioned range, for example, graphitization treatment can be mentioned. In the graphitization treatment, the carbon material for the catalyst carrier is exposed to a high temperature environment of 1600 ° C. or higher. By graphitizing the carbon material, the crystals constituting the carbon material grow significantly. As a result, the half width of the G band of the carbon material can be a value within the above range. When the heating temperature is less than 1600 ° C., the growth of crystallites may be reduced. As a result, the half-value width ΔG of the G band often exceeds 70 cm -1 .

なお、原料となる炭素材料の種類によっては、1600~1800℃程度の加熱温度では黒鉛化が十分に進まない可能性がある。また、加熱温度が2200℃を超える場合、結晶子が過剰に成長し、Gバンドの半値幅が30cm-1より小さくなる場合が多くなる。このため、黒鉛化処理の加熱処理は、1900~2200℃であることが好ましい。 Depending on the type of carbon material used as a raw material, graphitization may not proceed sufficiently at a heating temperature of about 1600 to 1800 ° C. Further, when the heating temperature exceeds 2200 ° C., the crystallites grow excessively, and the half width of the G band is often smaller than 30 cm -1 . Therefore, the heat treatment of the graphitization treatment is preferably 1900 to 2200 ° C.

触媒担体用炭素材料は、さらに以下の要件(e)及び(f)のうち、少なくとも一方を満たしていることが好ましく、両方満たしていることが更に好ましい。いずれも、触媒担体用炭素材料の電解質材料に対する親和性に寄与するパラメータである。
(e)酸素含有率Omassが0.2~1.0質量%である。
(f)窒素含有率Nmassが0.25~1.5質量%である。
The carbon material for the catalyst carrier preferably further satisfies at least one of the following requirements (e) and (f), and more preferably both. Both are parameters that contribute to the affinity of the carbon material for the catalyst carrier with the electrolyte material.
(E) Oxygen content O mass is 0.2 to 1.0% by mass.
(F) The nitrogen content N mass is 0.25 to 1.5% by mass.

酸素含有率Omassは、触媒担体用炭素材料の総質量に対する酸素原子の質量%であり、触媒担体用炭素材料が有する酸素含有官能基の数に対応する。窒素含有率Nmassは、触媒担体用炭素材料の総質量に対する窒素原子の質量%であり、触媒担体用炭素材料が有する含窒素官能基の数に対応する。すなわち、電解質材料に対する親和性は、触媒担体用炭素材料が有する酸素含有官能基及び含窒素官能基の数に影響を受ける。要件(e)、(f)のうち、少なくとも一方が満たされる場合、触媒担体用炭素材料の電解質材料に対する親和性がさらに向上する。具体的には、触媒担体用炭素材料を用いた固体高分子形燃料電池の特性がさらに向上する。酸素含有率Omassは、好ましくは0.23~0.86質量%である。窒素含有率Nmassは、好ましくは0.30~1.45質量%である。 The oxygen content O mass is the mass% of the oxygen atom with respect to the total mass of the carbon material for the catalyst carrier, and corresponds to the number of oxygen-containing functional groups contained in the carbon material for the catalyst carrier. The nitrogen content N mass is the mass% of the nitrogen atom with respect to the total mass of the carbon material for the catalyst carrier, and corresponds to the number of nitrogen-containing functional groups contained in the carbon material for the catalyst carrier. That is, the affinity for the electrolyte material is influenced by the number of oxygen-containing functional groups and nitrogen-containing functional groups of the carbon material for the catalyst carrier. When at least one of the requirements (e) and (f) is satisfied, the affinity of the carbon material for the catalyst carrier with the electrolyte material is further improved. Specifically, the characteristics of the polymer electrolyte fuel cell using the carbon material for the catalyst carrier are further improved. The oxygen content O mass is preferably 0.23 to 0.86% by mass. The nitrogen content N mass is preferably 0.30 to 1.45% by mass.

ここで、酸素含有率Omassを調整する処理(以下、このような処理を「酸素導入処理」とも称する)としては、触媒担体用炭素材料を酸化処理した後に不活性雰囲気または真空中で熱処理する処理が挙げられる。酸化処理は、触媒担体用炭素材料に酸素含有官能基を導入できる方法であれば特に制限されない。酸化処理の例としては、触媒担体用炭素材料を硝酸、過酸化水素などで処理する方法が挙げられる。他の例としては、触媒担体用炭素材料を発煙硝酸と塩素酸カリ(KClO)で酸化するBrodie法、触媒担体用炭素材料を濃硫酸、濃硝酸及び塩素酸カリ(KClO)(あるいは過塩素酸カリ(KClO))で酸化するStaudenmaier法、触媒担体用炭素材料を濃硫酸、硝酸ナトリウム(NaNO)及び過マンガン酸カリ(KMnO)で酸化するHummers,Offeman法、HNO処理、HClO処理、NaClO処理、酸素プラズマ処理、オゾン処理等が挙げられる。不活性雰囲気としては、窒素、アルゴン、ヘリウム等が好適に用いられる。熱処理の温度及び時間は、酸化処理の強さの程度に応じて調整すればよい。熱処理の温度は、例えば700~1500℃であってもよく、熱処理の時間は、例えば0.5~10時間であってもよい。酸化処理によって触媒担体用炭素材料に酸素含有官能基を導入することができ、酸化処理後の熱処理によって、不要な酸素含有官能基を除去することができる。したがって、酸化処理の強度(例えば、酸濃度等)、熱処理の温度及び時間によって、酸素含有率Omassを調整することができる。 Here, as the treatment for adjusting the oxygen content O mass (hereinafter, such treatment is also referred to as “oxygen introduction treatment”), the carbon material for the catalyst carrier is oxidized and then heat-treated in an inert atmosphere or in vacuum. Processing is mentioned. The oxidation treatment is not particularly limited as long as it is a method capable of introducing an oxygen-containing functional group into the carbon material for the catalyst carrier. Examples of the oxidation treatment include a method of treating a carbon material for a catalyst carrier with nitric acid, hydrogen peroxide, or the like. Other examples include the Brodie method in which the carbon material for the catalyst carrier is oxidized with fuming nitric acid and potassium chlorate (KClO 3 ), and the carbon material for the catalyst carrier is concentrated sulfuric acid, concentrated nitric acid and potassium chlorate (KClO 3 ) (or excess). Staudenmaier method to oxidize with potassium chlorate (KClO 4 )), Hummers, Offeman method to oxidize carbon material for catalyst carrier with concentrated sulfuric acid, sodium nitrate (NaNO 3 ) and potassium permanganate (KMnO 4 ), HNO 3 treatment, Examples thereof include HClO 4 treatment, NaClO 4 treatment, oxygen plasma treatment, ozone treatment and the like. As the inert atmosphere, nitrogen, argon, helium or the like is preferably used. The temperature and time of the heat treatment may be adjusted according to the degree of the strength of the oxidation treatment. The heat treatment temperature may be, for example, 700 to 1500 ° C., and the heat treatment time may be, for example, 0.5 to 10 hours. Oxygen-containing functional groups can be introduced into the carbon material for the catalyst carrier by the oxidation treatment, and unnecessary oxygen-containing functional groups can be removed by the heat treatment after the oxidation treatment. Therefore, the oxygen content O mass can be adjusted by the strength of the oxidation treatment (for example, acid concentration, etc.), the temperature and time of the heat treatment.

また、窒素含有率Nmassを調整する処理(以下、このような処理を「窒素導入処理」とも称する)としては、例えば、窒素ガス雰囲気下で触媒担体用炭素材料を含窒素化合物とともに熱処理する処理が挙げられる。
ここで、含窒素化合物は、触媒担体用炭素材料に含窒素官能基を導入することができる化合物であれば特に制限されない。含窒素化合物の例としては、メラミン、ヘキサメチレンテトラミン等の含窒素複素環式化合物等が上げられる。含窒素複素環式化合物の他の例として、ピロール、イミダゾール、ピラゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、チアゾール、ピラゾリン及びこれらの誘導体等の5員環型の化合物や、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジン、テトラジン、ウラシル及びこれらの誘導体等の6員環型の化合物や、インドール、イソインドール、ベンゾイミダゾール、プリン、キサンチン、インダゾール、ベンゾオキサゾール、ベンゾチアゾール及びこれらの誘導体等の5員環+6員環型の化合物や、キノリン、キノキサリン、キナゾリン、シンノリン、プテリジン及びこれらの誘導体等の6員環+6員環型の化合物等を挙げることができ、更には、テトラフェニルポルフィリン、フタロシアニン、フェナジン、フェノチアジン、アクリジン、タクリン、メラニン等の多環型の化合物等が挙げられる。また、熱処理の温度は、例えば600~1200℃であってもよく、熱処理の時間は、例えば0.5~10時間であってもよい。熱処理の温度及び時間によって、窒素含有率Nmassを調整することができる。
Further, as a treatment for adjusting the nitrogen content N mass (hereinafter, such treatment is also referred to as “nitrogen introduction treatment”), for example, a treatment in which a carbon material for a catalyst carrier is heat-treated together with a nitrogen-containing compound in a nitrogen gas atmosphere. Can be mentioned.
Here, the nitrogen-containing compound is not particularly limited as long as it is a compound capable of introducing a nitrogen-containing functional group into the carbon material for the catalyst carrier. Examples of the nitrogen-containing compound include nitrogen-containing heterocyclic compounds such as melamine and hexamethylenetetramine. Other examples of nitrogen-containing heterocyclic compounds include 5-membered cyclic compounds such as pyrrole, imidazole, pyrazole, oxazole, isooxazole, thiazole, pyrazoline and derivatives thereof, pyridine, pyrazine, pyrimidine, pyridazine, triazine, etc. 6-membered ring-type compounds such as tetrazine, uracil and their derivatives, and 5-membered + 6-membered ring-type compounds such as indol, isoindole, benzoimidazole, purine, xanthin, indazole, benzoxazole, benzothiazole and their derivatives. Examples thereof include 6-membered ring + 6-membered ring-type compounds such as quinoline, quinoxalin, quinazoline, cinnoline, pteridine and derivatives thereof, and further, tetraphenylporphyrin, phthalocyanine, phenazine, phenothiazine, acridin and taclin. , Polycyclic compounds such as melanin and the like. The heat treatment temperature may be, for example, 600 to 1200 ° C., and the heat treatment time may be, for example, 0.5 to 10 hours. The nitrogen content N mass can be adjusted by the temperature and time of the heat treatment.

窒素導入処理の他の例としては、触媒担体用炭素材料をアンモニアガス中で熱処理した後に不活性雰囲気または真空中で熱処理する処理が挙げられる。触媒担体用炭素材料をアンモニアガス中で熱処理することで、触媒担体用炭素材料に含窒素官能基を導入することができ、その後の熱処理によって不要な含窒素官能基を除去することができる。アンモニアガス中の熱処理の温度は、例えば500~1000℃であってもよく、熱処理の時間は、例えば0.5~10時間であってもよい。不活性雰囲気または真空中で行う熱処理の温度は、例えば700~1100℃であってもよく、熱処理の時間は、例えば0.5~10時間であってもよい。不活性雰囲気としては、窒素、アルゴン、ヘリウム等が好適に用いられる。 Another example of the nitrogen introduction treatment includes a treatment in which the carbon material for a catalyst carrier is heat-treated in ammonia gas and then heat-treated in an inert atmosphere or in vacuum. By heat-treating the carbon material for the catalyst carrier in ammonia gas, nitrogen-containing functional groups can be introduced into the carbon material for the catalyst carrier, and unnecessary nitrogen-containing functional groups can be removed by the subsequent heat treatment. The temperature of the heat treatment in the ammonia gas may be, for example, 500 to 1000 ° C., and the time of the heat treatment may be, for example, 0.5 to 10 hours. The temperature of the heat treatment performed in an inert atmosphere or vacuum may be, for example, 700 to 1100 ° C., and the time of the heat treatment may be, for example, 0.5 to 10 hours. As the inert atmosphere, nitrogen, argon, helium or the like is preferably used.

なお、窒素導入処理は、酸素導入処理の後に行ってもよい。これにより、酸素含有官能基の少なくとも一部(あるいは全部)を含窒素官能基に置換することができる。 The nitrogen introduction treatment may be performed after the oxygen introduction treatment. Thereby, at least a part (or all) of the oxygen-containing functional group can be replaced with the nitrogen-containing functional group.

また、酸素含有率Omass及び窒素含有率Nmassは、例えば不活性ガス融解熱伝導方式の分析機器を用いて測定することができる。 Further, the oxygen content O mass and the nitrogen content N mass can be measured by using, for example, an inert gas fusion heat conduction type analytical instrument.

<3.触媒担体用炭素材料の製造方法>
つぎに、触媒担体用炭素材料の製造方法について説明する。まず、触媒担体用炭素材料の出発物質を準備する。触媒担体用炭素材料の出発物質は、化学的に安定な炭素材料であることが好ましい。炭素材料の好ましい例としては、カーボンブラックが挙げられる。炭素材料は、他の種類の炭素材料、例えば、黒鉛、炭素繊維、活性炭等、これらの粉砕物、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等の炭素化合物等であってもよい。また、炭素材料は、これらの2種類以上の混合物であってもよい。
<3. Manufacturing method of carbon material for catalyst carrier>
Next, a method for producing a carbon material for a catalyst carrier will be described. First, a starting material for a carbon material for a catalyst carrier is prepared. The starting material of the carbon material for the catalyst carrier is preferably a chemically stable carbon material. Preferred examples of carbon materials include carbon black. The carbon material may be another type of carbon material, for example, graphite, carbon fiber, activated carbon or the like, pulverized products thereof, carbon nanofibers, carbon nanotubes or the like, or the like. Further, the carbon material may be a mixture of two or more of these.

ついで、上述した賦活処理、黒鉛化処理、酸素導入処理、及び窒素導入処理を適宜組み合わせて行う。そして、処理後の炭素材料について、上述した樹脂吸着量評価試験を行うことで、樹脂吸着率Wを測定する。そして、樹脂吸着率Wが30質量%未満となる場合、賦活処理をさらに行う。これにより、要件(a)~(d)、好ましくは(e)、(f)を満たす触媒担体用炭素材料を作製する。 Then, the above-mentioned activation treatment, graphitization treatment, oxygen introduction treatment, and nitrogen introduction treatment are appropriately combined. Then, the resin adsorption rate W is measured by performing the above-mentioned resin adsorption amount evaluation test on the treated carbon material. Then, when the resin adsorption rate W is less than 30% by mass, the activation treatment is further performed. As a result, a carbon material for a catalyst carrier that satisfies the requirements (a) to (d), preferably (e) and (f) is produced.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

なお、触媒層60における触媒担持率は特に制限されないが、10~80質量%であることが好ましい。ここで、触媒担持率は、触媒(すなわち、触媒担体用炭素材料に触媒成分を担持させた粒子)の総質量に対する触媒成分の質量%である。触媒担持率がこの範囲内の値となる場合、触媒利用率がさらに高くなる。なお、触媒担持率が10質量%未満となる場合、固体高分子形燃料電池1を実用に耐えるようにするために触媒層60を厚くする必要が生じうる。一方、触媒担持率が80質量%を超える場合、触媒凝集が起こりやすくなる。また、触媒層60が薄くなりすぎて、フラッディングが起こる可能性が生じる。 The catalyst loading ratio in the catalyst layer 60 is not particularly limited, but is preferably 10 to 80% by mass. Here, the catalyst loading ratio is the mass% of the catalyst component with respect to the total mass of the catalyst (that is, the particles in which the catalyst component is supported on the carbon material for the catalyst carrier). When the catalyst loading rate is within this range, the catalyst utilization rate is further increased. When the catalyst loading ratio is less than 10% by mass, it may be necessary to thicken the catalyst layer 60 in order to make the polymer electrolyte fuel cell 1 practically usable. On the other hand, when the catalyst loading ratio exceeds 80% by mass, catalyst aggregation is likely to occur. In addition, the catalyst layer 60 becomes too thin, which may cause flooding.

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

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

<5.固体高分子形燃料電池の製造方法>
固体高分子形燃料電池1の製造方法は特に制限されず、従来と同様の製造方法であればよい。ただし、カソード側の触媒担体には本実施形態に係る触媒担体用炭素材料を用いることが好ましい。
<5. Manufacturing method of polymer electrolyte fuel cell >
The manufacturing method of the polymer electrolyte fuel cell 1 is not particularly limited, and any conventional manufacturing method may be used. However, it is preferable to use the carbon material for the catalyst carrier according to the present embodiment as the catalyst carrier on the cathode side.

<1.炭素材料の準備>
触媒担体用炭素材料の出発物質として、ライオン社製のケッチェンブラックEC600JD(以下、「EJ」と略記する。)、新日鐵住金化学社製エスカーボンMCND(以下、「MC」と略記する。)、及び東海カーボン社製トーカブラック#4500(以下、「TC」と略記する。)を用意した。
<1. Preparation of carbon material >
As a starting material for the carbon material for the catalyst carrier, Ketjen Black EC600JD manufactured by Lion Co., Ltd. (hereinafter abbreviated as "EJ") and Scarbon MCND manufactured by Nippon Steel & Sumitomo Metal Chemical Co., Ltd. (hereinafter abbreviated as "MC"). ) And Tokai Carbon Co., Ltd. Talker Black # 4500 (hereinafter abbreviated as "TC") were prepared.

<2.パラメータの測定>
(2-1.樹脂吸着率Wの測定)
ポリエチレングリコール(関東化学社製ポリエチレングリコール4000、質量平均分子量4000)を0.50質量%溶解した蒸留水100mLに触媒担体用炭素材料1.00gを投入し、十分に分散させた。ついで、超音波分散機(エスエムテー社製UH-50)で5分間さらに分散処理した。これにより、混合液を作製した。ついで、混合液を100℃にセットしたオイルバスで加熱しながら磁気回転子で5時間撹拌した(第1の工程)。ついで、分散液を60℃まで急冷した。ついで、分散液を樹脂製メンブレンフィルターで濾過することで、触媒担体用炭素材料を分離した(第2の工程)。ついで、触媒担体用炭素材料をビーカーに採り、500mLの蒸留水を加えて分散させ、触媒担体用炭素材料を洗浄した。分散液を再び濾過した後、触媒担体用炭素材料を90℃で5時間真空乾燥した。ついで、触媒担体用炭素材料(この触媒担体用炭素材料には、ポリエチレングリコールが付着している)の質量を測定した。ついで、測定値から第1の工程で使用した触媒担体用炭素材料の質量1.00gを減算することで、樹脂吸着量を測定した(第3の工程)。ついで、樹脂吸着量を第1の工程で使用した触媒担体用炭素材料の質量1.00gで除算することで、樹脂吸着率Wを算出した。例えば、第3の工程で得られた測定値が1.54gであれば、樹脂吸着率Wは54質量%である。なお、触媒担体用炭素材料「E30」(表1参照)の樹脂吸着率Wに関しては、上述したポリエチレングリコール4000の他、質量平均分子量が1000(和光純薬工業株式会社製ポリエチレングリコール1000)、20000(和光純薬工業株式会社製ポリエチレングリコール20000)となるポリエチレングリコールを用いて樹脂吸着率Wを算出した。
<2. Parameter measurement>
(2-1. Measurement of resin adsorption rate W)
1.00 g of a carbon material for a catalyst carrier was added to 100 mL of distilled water in which 0.50 mass% of polyethylene glycol (polyethylene glycol 4000 manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., mass average molecular weight 4000) was dissolved, and the mixture was sufficiently dispersed. Then, it was further dispersed for 5 minutes with an ultrasonic disperser (UH-50 manufactured by SMT). As a result, a mixed solution was prepared. Then, the mixture was stirred with a magnetic rotor for 5 hours while heating in an oil bath set at 100 ° C. (first step). Then, the dispersion was rapidly cooled to 60 ° C. Then, the dispersion liquid was filtered through a resin membrane filter to separate the carbon material for the catalyst carrier (second step). Then, the carbon material for the catalyst carrier was taken in a beaker, 500 mL of distilled water was added and dispersed, and the carbon material for the catalyst carrier was washed. After filtering the dispersion again, the carbon material for the catalyst carrier was vacuum dried at 90 ° C. for 5 hours. Then, the mass of the carbon material for the catalyst carrier (polyethylene glycol was attached to the carbon material for the catalyst carrier) was measured. Then, the amount of resin adsorbed was measured by subtracting the mass of 1.00 g of the carbon material for the catalyst carrier used in the first step from the measured value (third step). Then, the resin adsorption rate W was calculated by dividing the amount of resin adsorbed by the mass of the carbon material for the catalyst carrier used in the first step of 1.00 g. For example, if the measured value obtained in the third step is 1.54 g, the resin adsorption rate W is 54% by mass. Regarding the resin adsorption rate W of the carbon material "E30" for catalyst carriers (see Table 1), in addition to the above-mentioned polyethylene glycol 4000, the mass average molecular weight is 1000 (polyethylene glycol 1000 manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 20000. The resin adsorption rate W was calculated using polyethylene glycol (polyethylene glycol 20000 manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.).

(2-2.比容積V3-10の測定)
触媒担体用炭素材料の試料約50mg測り採り、これを90℃で2時間真空乾燥した。得られた乾燥後の試料を自動ガス吸着測定装置(マイクロトラックベル社製、BELSORP-MAX)にセットし、液体窒素温度における窒素ガスの吸着等温線を測定した。ついで、付属の解析ソフトのBJH解析により、比容積(mL/g)を算出した。
(2-2. Measurement of specific volume V 3-10 )
A sample of about 50 mg of a carbon material for a catalyst carrier was weighed and vacuum dried at 90 ° C. for 2 hours. The obtained dried sample was set in an automatic gas adsorption measuring device (BELSORP-MAX manufactured by Microtrac Bell), and the adsorption isotherm of nitrogen gas at the liquid nitrogen temperature was measured. Then, the specific volume (mL / g) was calculated by BJH analysis of the attached analysis software.

(2-3.BET比表面積SBETの測定)
触媒担体用炭素材料の試料約50mgを測り採り、これを90℃で2時間真空乾燥した。得られた乾燥後の試料を自動ガス吸着測定装置(マイクロトラックベル社製、BELSORP-MAX)にセットし、液体窒素温度において窒素ガスの吸着等温線を測定した。ついで、付属の解析ソフトのBET解析により、BET比表面積(m/g)を算出した。
(2-3. Measurement of BET specific surface area S BET )
A sample of about 50 mg of a carbon material for a catalyst carrier was weighed and vacuum dried at 90 ° C. for 2 hours. The obtained dried sample was set in an automatic gas adsorption measuring device (BELSORP-MAX manufactured by Microtrac Bell), and the adsorption isotherm of nitrogen gas was measured at the liquid nitrogen temperature. Then, the BET specific surface area (m 2 / g) was calculated by BET analysis of the attached analysis software.

(2-4.Gバンドの半値幅の測定)
触媒担体用炭素材料の試料約3mgを測り採り、レーザラマン分光光度計(日本分光(株)製、NRS-7100型)にセットした。ついで、励起レーザー532nm、レーザーパワー100mW(試料照射パワー:0.1mW)、顕微配置:Backscattering、スリット:100μm×100μm、対物レンズ:×100、スポット径:1μm、露光時間:30sec、観測波数:3200~750cm-1、積算回数:2回の測定条件でGバンドの半値幅(cm-1)を測定した。
(2-4. Measurement of half width of G band)
A sample of about 3 mg of a carbon material for a catalyst carrier was measured and set in a laser Raman spectrophotometer (NRS-7100 type manufactured by JASCO Corporation). Next, the excitation laser 532 nm, laser power 100 mW (sample irradiation power: 0.1 mW), microscopic arrangement: Backscattering, slit: 100 μm × 100 μm, objective lens: × 100, spot diameter: 1 μm, exposure time: 30 sec, observed wave number: 3200. The half-value width (cm -1 ) of the G band was measured under the measurement conditions of ~ 750 cm -1 and the number of integrations: 2 times.

(2-5.酸素含有率Omass及び窒素含有率Nmassの測定)
分析装置としてLECO製RH402型を用い、C、H、O、Nの通常の不活性ガス融解熱伝導方式を適用して酸素含有率Omass及び窒素含有率Nmass(質量%)を測定した。
(2-5. Measurement of oxygen content O mass and nitrogen content N mass )
Using the LECO RH402 type as an analyzer, the oxygen content O mass and the nitrogen content N mass (mass%) were measured by applying the usual inert gas fusion heat conduction method of C, H, O and N.

<3.実験例1>
(3-1.触媒担体用炭素材料の作製)
実験例1では、以下の賦活処理、黒鉛化処理、酸素導入処理、及び窒素導入処理のいずれか1種以上を組み合わせて行うことで、触媒担体用炭素材料を作製した。
<3. Experimental Example 1>
(3-1. Preparation of carbon material for catalyst carrier)
In Experimental Example 1, a carbon material for a catalyst carrier was produced by performing any one or more of the following activation treatment, graphitization treatment, oxygen introduction treatment, and nitrogen introduction treatment in combination.

(3-1-1.二酸化炭素を用いた賦活処理(CO賦活処理))
COフロー雰囲気中で、触媒担体用炭素材料を900~1600℃の温度で、0.2~4時間加熱した。例えば、EJを900℃で3時間CO賦活処理した場合には、CO賦活処理後のEJを「EJ-C09/30」と表記する。また、EJを1400℃で0.2時間CO賦活処理した場合には、CO賦活処理後のEJを「EJ-C14/02」と表記する。
(3-1-1. Activation treatment using carbon dioxide (CO 2 activation treatment))
The carbon material for the catalyst carrier was heated at a temperature of 900 to 1600 ° C. for 0.2 to 4 hours in a CO 2 flow atmosphere. For example, when the EJ is subjected to CO 2 activation treatment at 900 ° C. for 3 hours, the EJ after the CO 2 activation treatment is referred to as "EJ-C09 / 30". When the EJ is subjected to CO 2 activation treatment at 1400 ° C. for 0.2 hours, the EJ after the CO 2 activation treatment is referred to as "EJ-C14 / 02".

なお、TCは非多孔質炭素であるため、触媒担体用炭素材料としてTCを使用する場合には、通常のCO賦活処理の後に、上述したCO賦活処理を行った。ここで、通常のCO賦活処理では、COフロー雰囲気中で、触媒担体用炭素材料を900~1100℃の温度で4時間加熱した。例えば、TCを1000℃で2時間CO賦活処理した後、1300℃で0.3時間CO賦活処理した場合には、CO賦活処理後のTCを「TC-C10/20-C13/03」と表記する。 Since TC is a non-porous carbon, when TC is used as a carbon material for a catalyst carrier, the above-mentioned CO 2 activation treatment is performed after the usual CO 2 activation treatment. Here, in the normal CO 2 activation treatment, the carbon material for the catalyst carrier was heated at a temperature of 900 to 1100 ° C. for 4 hours in a CO 2 flow atmosphere. For example, when the TC is subjected to CO 2 activation treatment at 1000 ° C. for 2 hours and then CO 2 activation treatment at 1300 ° C. for 0.3 hours, the TC after the CO 2 activation treatment is referred to as “TC-C10 / 20-C13 / 03”. It is written as.

(3-1-2.水蒸気を用いた賦活処理(HO賦活処理))
アルゴンガスを90℃に保持した蒸留水中に通した。ついで、得られた加湿アルゴンガスを1200~1400℃に保持した触媒担体用炭素材料に5時間接触させた。例えば、EJを1200℃で5時間HO賦活処理した場合には、HO賦活処理後のEJを「EJ-H12/05」と表記する。
(3-1-2. Activation treatment using steam ( H2O activation treatment))
Argon gas was passed through distilled water maintained at 90 ° C. Then, the obtained humidified argon gas was brought into contact with a carbon material for a catalyst carrier kept at 1200 to 1400 ° C. for 5 hours. For example, when the EJ is subjected to the H2O activation treatment at 1200 ° C. for 5 hours, the EJ after the H2O activation treatment is referred to as "EJ-H12 / 05".

(3-1-3.黒鉛化処理)
触媒担体用炭素材料を黒鉛化炉(進成電炉社製タンマン型黒鉛化炉)にセットし、アルゴンガス流通下で1600~2300℃の温度で1時間熱処理した。例えば、EJを1800℃で黒鉛化処理した場合、黒鉛化処理後のEJを「EJ18」と表記する。
(3-1-3. Graphitization treatment)
The carbon material for the catalyst carrier was set in a graphitization furnace (Tanman type graphitization furnace manufactured by Shinsei Electric Furnace Co., Ltd.) and heat-treated at a temperature of 1600 to 2300 ° C. for 1 hour under an argon gas flow. For example, when the EJ is graphitized at 1800 ° C., the EJ after the graphitization treatment is referred to as “EJ18”.

(3-1-4.酸素導入処理(硝酸処理))
触媒担体用炭素材料1.0gを69質量%の硝酸水溶液200mLに投入し、充分に撹拌した。次いで、分散液を90℃のオイルバスで2時間加温処理した。以上の工程により酸化処理を行った。ついで、分散液をアルゴンガス雰囲気中で600~1400℃の温度で1時間熱処理した。なお、一部の触媒担体用炭素材料には酸化処理のみを行った。例えば、EJ18を酸化処理した場合には、酸化処理後のEJ18を「EJ18-NA」と表記する。また、EJ18に酸化処理を行った後、700℃で熱処理した場合、熱処理後のEJ18を「EJ18-NA07」と表記する。
(3-1-4. Oxygen introduction treatment (nitric acid treatment))
1.0 g of a carbon material for a catalyst carrier was put into 200 mL of a 69 mass% nitric acid aqueous solution, and the mixture was sufficiently stirred. Then, the dispersion was heated in an oil bath at 90 ° C. for 2 hours. Oxidation treatment was performed by the above steps. Then, the dispersion was heat-treated in an argon gas atmosphere at a temperature of 600 to 1400 ° C. for 1 hour. In addition, only the oxidation treatment was performed on some carbon materials for catalyst carriers. For example, when the EJ18 is oxidized, the EJ18 after the oxidation treatment is referred to as "EJ18-NA". Further, when the EJ18 is oxidized and then heat-treated at 700 ° C., the heat-treated EJ18 is referred to as "EJ18-NA07".

(3-1-5.窒素導入処理(メラミン処理))
触媒担体用炭素材料1.0gを入れた反応容器にメラミン(関東化学社製、一般試薬)を4.0g投入し、これらを混合した。ついで、窒素ガス流通下で当該混合物を毎分3℃の速度で昇温した。ついで、窒素ガス流通下で混合物を600~1300℃で1時間熱処理した。以上の工程により、窒素導入処理を行った。例えば、EJ18に1000℃で窒素導入処理を行った場合には、熱処理後のEJ18を「EJ18-ML10」と表記する。
(3-1-5. Nitrogen introduction treatment (melamine treatment))
4.0 g of melamine (general reagent manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) was put into a reaction vessel containing 1.0 g of a carbon material for a catalyst carrier, and these were mixed. The mixture was then heated at a rate of 3 ° C. per minute under nitrogen gas flow. The mixture was then heat treated at 600-1300 ° C. for 1 hour under nitrogen gas flow. Through the above steps, nitrogen introduction treatment was performed. For example, when nitrogen is introduced into EJ18 at 1000 ° C., the EJ18 after heat treatment is referred to as "EJ18-ML10".

なお、上述したように、実験例1では、上記の賦活処理、黒鉛化処理、酸素導入処理、及び窒素導入処理のいずれか1種以上を組み合わせて行うことで、触媒担体用炭素材料を作製した。触媒担体用炭素材料を表記する記号は、各処理を行った順で表記される。例えば、「EJ18-C12/02-NA09-ML11」と表記される触媒担体用炭素材料は、以下の工程により作製される。すなわち、まず、EJを1800℃で黒鉛化処理することで、EJ-18を得る。ついで、EJ-18を1200℃で0.2時間CO賦活処理することで、EJ18-C12/02を得る。ついで、EJ18-C12/02に酸化処理を行う。ついで、酸化処理後のEJ18-C12/02を900℃で熱処理する。これにより、EJ18-C12/02-NA09を得る。ついで、EJ18-C12/02-NA09に1100℃で窒素導入処理を行う。これにより、EJ18-C12/02-NA09-ML11を得る。 As described above, in Experimental Example 1, a carbon material for a catalyst carrier was produced by performing any one or more of the above activation treatment, graphitization treatment, oxygen introduction treatment, and nitrogen introduction treatment in combination. .. The symbol indicating the carbon material for the catalyst carrier is expressed in the order in which each treatment is performed. For example, the carbon material for a catalyst carrier described as "EJ18-C12 / 02-NA09-ML11" is produced by the following steps. That is, first, EJ-18 is obtained by graphitizing the EJ at 1800 ° C. Then, EJ-18 is subjected to CO 2 activation treatment at 1200 ° C. for 0.2 hours to obtain EJ18-C12 / 02. Then, EJ18-C12 / 02 is subjected to an oxidation treatment. Then, the oxidation-treated EJ18-C12 / 02 is heat-treated at 900 ° C. As a result, EJ18-C12 / 02-NA09 is obtained. Then, nitrogen introduction treatment is performed on EJ18-C12 / 02-NA09 at 1100 ° C. As a result, EJ18-C12 / 02-NA09-ML11 is obtained.

(3-2.固体高分子形燃料電池の作製)
(3-2-1.白金担持処理)
上記3-1.で作製された触媒担体用炭素材料を蒸留水中に分散させた。ついで、分散液にホルムアルデヒドを加え、分散液を40℃に設定したウォーターバスにセットした。分散液の温度がウォーターバスと同じ40℃になった後、分散液を撹拌しながら分散液中にジニトロジアミンPt錯体硝酸水溶液をゆっくりと注ぎ入れた。ついで、約2時間撹拌を続けた。ついで、分散液を濾過し、得られた固形物を洗浄した。このようにして得られた固形物を90℃で真空乾燥した後、乳鉢で粉砕した。ついで、粉砕物を水素雰囲気中150℃で1時間熱処理した。以上の工程により、触媒担体用炭素材料にPt粒子を担持させた。すなわち、Pt触媒(触媒担体用炭素材料にPt粒子が担持されたもの)を作製した。なお、触媒担持率は、40質量%とした。触媒担持率は、誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP-AES: Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry)により確認した。
(3-2. Manufacture of polymer electrolyte fuel cell)
(3-2-1. Platinum-supported treatment)
Above 3-1. The carbon material for the catalyst carrier prepared in 1 was dispersed in distilled water. Then, formaldehyde was added to the dispersion, and the dispersion was set in a water bath set at 40 ° C. After the temperature of the dispersion became 40 ° C., which was the same as that of the water bath, the dinitrodiamine Pt complex nitric acid aqueous solution was slowly poured into the dispersion while stirring the dispersion. Then, stirring was continued for about 2 hours. Then, the dispersion was filtered and the obtained solid matter was washed. The solid thus obtained was vacuum dried at 90 ° C. and then pulverized in a mortar. Then, the pulverized product was heat-treated at 150 ° C. for 1 hour in a hydrogen atmosphere. Through the above steps, Pt particles were supported on the carbon material for the catalyst carrier. That is, a Pt catalyst (a carbon material for a catalyst carrier on which Pt particles are supported) was prepared. The catalyst loading ratio was 40% by mass. The catalyst coverage was confirmed by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP-AES: Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscopy).

(3-2-2.塗布インクの調整)
電解質材料としてDupont社製ナフィオンDE2020(登録商標:Nafion;パースルホン酸系イオン交換樹脂)を用意した。ついで、Pt触媒及びナフィオンDE2020を、Ar雰囲気下で触媒担体用炭素材料の質量に対してナフィオンDE2020の固形分の質量が1.25倍となる割合で混合した。ついで、混合物を軽く撹拌した。ついで、超音波でPt触媒を解砕した。ついで、Pt触媒とナフィオンDE2020とを合わせた合計の固形分濃度が1.1質量%となるように混合物にエタノールを加えた。以上の工程により、塗布インクを作製した。
(3-2-2. Adjustment of coated ink)
Nafion DE2020 (registered trademark: Nafion; persulfonic acid-based ion exchange resin) manufactured by DuPont was prepared as an electrolyte material. Then, the Pt catalyst and Nafion DE2020 were mixed in an Ar atmosphere at a ratio where the mass of the solid content of Nafion DE2020 was 1.25 times the mass of the carbon material for the catalyst carrier. The mixture was then lightly stirred. Then, the Pt catalyst was crushed by ultrasonic waves. Then, ethanol was added to the mixture so that the total solid content concentration of the Pt catalyst and Nafion DE2020 was 1.1% by mass. A coating ink was produced by the above steps.

(3-2-3.触媒層の作製)
塗布インクにさらにエタノールを加え、白金濃度が0.5質量%となるスプレー用インクを作製した。ついで、白金の触媒層単位面積当たりの質量(以下、「白金目付量という。)が0.2mg/cmとなるようにスプレー条件を調節し、上記スプレー用インクをテフロン(登録商標)シート上にスプレーした。ついで、塗布層をアルゴン中120℃で60分間乾燥した。以上の工程により、触媒層を作製した。
(3-2-3. Preparation of catalyst layer)
Ethanol was further added to the coated ink to prepare an ink for spraying having a platinum concentration of 0.5% by mass. Then, the spray conditions were adjusted so that the mass per unit area of the catalyst layer of platinum (hereinafter referred to as "platinum basis weight") was 0.2 mg / cm 2 , and the spray ink was applied onto a Teflon (registered trademark) sheet. Then, the coating layer was dried in argon at 120 ° C. for 60 minutes. A catalyst layer was prepared by the above steps.

(3-2-4.MEAの作製)
ナフィオン膜(Dupont社製NR211)から一辺6cmの正方形状の電解質膜を切り出した。また、テフロン(登録商標)シート上に形成された触媒層からカッターナイフで一辺2.5cmの正方形状の触媒層を2つ切り出した。一方の触媒層はアノード用の触媒層となり、他方の触媒層はカソード用の触媒層となる。
(3-2-4. Preparation of MEA)
A square electrolyte membrane having a side of 6 cm was cut out from a Nafion membrane (NR211 manufactured by DuPont). Further, two square catalyst layers having a side of 2.5 cm were cut out from the catalyst layer formed on the Teflon (registered trademark) sheet with a cutter knife. One catalyst layer is a catalyst layer for an anode, and the other catalyst layer is a catalyst layer for a cathode.

ついで、アノード及びカソード用の触媒層の間に、各触媒層が電解質膜の中心部を挟んでそれぞれ接すると共に互いにずれが無いように電解質膜を挟み込んだ。ついで、積層体を120℃、100kg/cmで10分間プレスした。ついで、積層体を室温まで冷却した。ついで、積層体の各触媒層からテフロンシートのみを注意深く剥ぎ取った。以上の工程により、アノード及びカソードとなる触媒層が電解質膜に定着した触媒層-電解質膜接合体を作製した。 Then, between the anode and the catalyst layers for the cathode, each catalyst layer was in contact with each other with the central portion of the electrolyte membrane interposed therebetween, and the electrolyte membrane was sandwiched so as not to be displaced from each other. Then, the laminate was pressed at 120 ° C. and 100 kg / cm 2 for 10 minutes. The laminate was then cooled to room temperature. Then, only the Teflon sheet was carefully peeled off from each catalyst layer of the laminate. Through the above steps, a catalyst layer-electrolyte membrane conjugate in which the catalyst layer serving as the anode and the cathode is fixed to the electrolyte membrane was produced.

次に、カーボンペーパー(SGLカーボン社製35BC)から一辺2.5cmの大きさの正方形状カーボンペーパーを2つ切り出した。これらのカーボンペーバーをガス拡散層として使用した。すなわち、これらの正方形状カーボンペーパーの間に、アノード及びカソードとなる各触媒層とこれらの正方形状カーボンペーパーとの間にずれが無いように、上記触媒層-電解質膜接合体を挟んだ。ついで、積層体を120℃、50kg/cmで10分間プレスした。以上の工程により、MEAを作製した。 Next, two square carbon papers having a side of 2.5 cm were cut out from carbon paper (35BC manufactured by SGL Carbon Co., Ltd.). These carbon paver was used as a gas diffusion layer. That is, the catalyst layer-electrolyte film junction was sandwiched between these square carbon papers so that there would be no deviation between the catalyst layers serving as the anode and the cathode and these square carbon papers. Then, the laminate was pressed at 120 ° C. and 50 kg / cm 2 for 10 minutes. MEA was produced by the above steps.

なお、作製された各MEA中の触媒金属成分、触媒担体用炭素材料、及び電解質材料の目付け量については、以下の工程で確認した。すなわち、プレス前の触媒層付テフロンシートの質量とプレス後に剥がしたテフロンシートの質量との差からナフィオン膜(電解質膜)に定着させた触媒層の質量を測定した。ついで、測定値及び触媒層中の各成分の質量比に基づいて、各成分の目付け量を算出した。 The amount of the catalyst metal component, the carbon material for the catalyst carrier, and the electrolyte material in each of the produced MEAs was confirmed in the following steps. That is, the mass of the catalyst layer fixed on the Nafion membrane (electrolyte membrane) was measured from the difference between the mass of the Teflon sheet with the catalyst layer before pressing and the mass of the Teflon sheet peeled off after pressing. Then, the basis weight of each component was calculated based on the measured value and the mass ratio of each component in the catalyst layer.

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

カソードに空気、アノードに純水素を、ガス利用率がそれぞれ40%と70%となるように供給した。それぞれのガス圧は、セル下流に設けられた背圧弁で圧力調整し、0.2MPa(出口側圧力)に設定した。セル温度は80℃に設定した。ここで、燃料電池に供給する空気と純水素は、それぞれ加湿器を通過した後に、燃料電池に供給されるようにした。したがって、空気及び純水素は、加湿機中の水温に相当する飽和水蒸気を伴って燃料電池に供給される。この際の加湿状態を加湿器の温度で制御することで、空気及び純水素の相対湿度を30%に調整した。そして、このような環境下での発電性能を評価した。 Air was supplied to the cathode and pure hydrogen was supplied to the anode so that the gas utilization rates were 40% and 70%, respectively. Each gas pressure was adjusted by a back pressure valve provided downstream of the cell and set to 0.2 MPa (outlet side pressure). The cell temperature was set to 80 ° C. Here, the air and pure hydrogen supplied to the fuel cell are supplied to the fuel cell after passing through the humidifier, respectively. Therefore, air and pure hydrogen are supplied to the fuel cell with saturated steam corresponding to the water temperature in the humidifier. By controlling the humidification state at this time with the temperature of the humidifier, the relative humidity of air and pure hydrogen was adjusted to 30%. Then, the power generation performance in such an environment was evaluated.

具体的には、カソードに空気、アノードに純水素をそれぞれ供給しつつ、燃料電池の負荷を徐々に増やし、燃料電池を1000mA/cmにおいて1時間運転した。ついで、電流密度を50mA/cmに固定し、燃料電池をさらに1時間運転した。その後のセル端子間電圧を出力電圧として記録した。この値に基づいて、燃料電池の発電性能を評価した。具体的には、以下の基準で発電性能を評価した。 Specifically, while supplying air to the cathode and pure hydrogen to the anode, the load on the fuel cell was gradually increased, and the fuel cell was operated at 1000 mA / cm 2 for 1 hour. Then, the current density was fixed at 50 mA / cm 2 , and the fuel cell was operated for another hour. The voltage between the cell terminals after that was recorded as the output voltage. Based on this value, the power generation performance of the fuel cell was evaluated. Specifically, the power generation performance was evaluated based on the following criteria.

0.70V未満:×(不合格)
0.70V以上0.80V未満:○(合格)
0.80V以上0.90V未満:◎(良)
0.90V以上:◎◎(優良)
Less than 0.70V: × (Fail)
0.70V or more and less than 0.80V: ○ (pass)
0.80V or more and less than 0.90V: ◎ (good)
0.90V or higher: ◎◎ (excellent)

(3-4.耐久性能試験)
空気及び純水素の加湿状態がセル温度80℃で飽和加湿状態となるように加湿器を制御した。ついで、出力電圧一定の測定モードで、セル端子間電圧を1.0Vに1.5秒間保持した。次いでセル端子間電圧を1.35Vに上昇させて1.5秒間保持した。ついで、セル端子間電圧を1.0Vに戻した。以上のサイクルを3000回繰り返した。その後、上述した発電性能試験を行い、出力電圧を測定した。
(3-4. Durability performance test)
The humidifier was controlled so that the humidified state of air and pure hydrogen became a saturated humidified state at a cell temperature of 80 ° C. Then, in the measurement mode in which the output voltage was constant, the voltage between the cell terminals was maintained at 1.0 V for 1.5 seconds. Next, the voltage between the cell terminals was increased to 1.35 V and held for 1.5 seconds. Then, the voltage between the cell terminals was returned to 1.0V. The above cycle was repeated 3000 times. After that, the power generation performance test described above was performed, and the output voltage was measured.

そして、耐久試験前の出力電圧に対する耐久試験後の出力電圧の比率を出力維持率と定義した。そして、主力維持率を耐久性の評価指標とした。すなわち、出力維持率が80%以上である場合を合格とし、出力維持率が80%に満たない場合を不合格とした。 Then, the ratio of the output voltage after the endurance test to the output voltage before the endurance test was defined as the output retention rate. Then, the main maintenance rate was used as an evaluation index for durability. That is, the case where the output maintenance rate is 80% or more is regarded as a pass, and the case where the output maintenance rate is less than 80% is regarded as a failure.

そして、発電性能及び耐久性能を総合判定した。すなわち、発電性能、若しくは、耐久性能が不合格であれば、総合判定は不合格(×)、耐久性能が合格であれば、発電性能の○、◎、◎◎の結果を総合判定結果とした。結果を表1~3に示す。なお、表1~3中、下線が引かれた値は、要件(a)~(f)を満たしていない値である。要件(e)、(f)については、要件(e)、(f)の範囲を超える値に下線を引いた。 Then, the power generation performance and the durability performance were comprehensively judged. That is, if the power generation performance or the durability performance is unacceptable, the comprehensive judgment is unacceptable (×), and if the durability performance is acceptable, the results of ○, ◎, ◎◎ of the power generation performance are taken as the comprehensive judgment result. .. The results are shown in Tables 1 to 3. The underlined values in Tables 1 to 3 are values that do not satisfy the requirements (a) to (f). For requirements (e) and (f), values beyond the range of requirements (e) and (f) are underlined.

Figure 0007094075000001
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Figure 0007094075000002
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Figure 0007094075000003
Figure 0007094075000003

<4.実験例2>
実験例2では、表4に示す触媒担体用炭素材料を用いたこと、及び塗布インクの調整にDupont社製ナフィオンDE2021(登録商標:Nafion;パースルホン酸系イオン交換樹脂。DE2020とはスルホン酸基濃度が異なる)を使用したことを除き、実験例1と同様の処理を行った。結果を表4に示す。なお、DE2021とDE2020は、モノマー構造は同一で、主鎖に対するスルホン酸を含む側鎖の量が異なる樹脂である。すなわち、DE2021とDE2020は、高分子の単位質量当たりの乖離プロトン量が異なる樹脂である。
<4. Experimental Example 2>
In Experimental Example 2, the carbon material for the catalyst carrier shown in Table 4 was used, and Nafion DE2021 manufactured by DuPont (registered trademark: Nafion; persulfonic acid-based ion exchange resin. DE2020 is a sulfonic acid group) was used for adjusting the coating ink. The same treatment as in Experimental Example 1 was carried out except that (concentrations differed) were used. The results are shown in Table 4. DE2021 and DE2020 are resins having the same monomer structure but different amounts of side chains containing sulfonic acid with respect to the main chain. That is, DE2021 and DE2020 are resins having different amounts of dissociated protons per unit mass of the polymer.

Figure 0007094075000004
Figure 0007094075000004

<5.考察>
実験例1、2により、以下の点が確認できた。要件(a)~(d)が満たされる場合、良好な判定結果が得られた。したがって、要件(a)~(d)を満たす触媒担体用炭素材料は、電解質材料に対する親和性が高い。すなわち、このような触媒担体用炭素材料を用いた固体高分子形燃料電池は、触媒利用率が高い。ここで、要件(c)、(d)は電解質材料に対する親和性にあまり寄与しないと考えられることから、要件(a)、(b)が電解質材料に対する親和性に大きく寄与する。さらに、実験例2によれば、要件(a)、(b)が満たされる場合、電解質材料が変動しても良好な判定結果が得られた。したがって、樹脂吸着率W及び比容積V3-10(mL/g)は、電解質材料に対する親和性を汎用的に特定するパラメータとなりうる。
<5. Consideration>
The following points were confirmed by Experimental Examples 1 and 2. When the requirements (a) to (d) were satisfied, good determination results were obtained. Therefore, the carbon material for the catalyst carrier that satisfies the requirements (a) to (d) has a high affinity for the electrolyte material. That is, the polymer electrolyte fuel cell using such a carbon material for a catalyst carrier has a high catalyst utilization rate. Here, since the requirements (c) and (d) are considered to not contribute much to the affinity for the electrolyte material, the requirements (a) and (b) greatly contribute to the affinity for the electrolyte material. Further, according to Experimental Example 2, when the requirements (a) and (b) are satisfied, good judgment results are obtained even if the electrolyte material fluctuates. Therefore, the resin adsorption rate W and the specific volume V 3-10 (mL / g) can be parameters that generally specify the affinity for the electrolyte material.

さらに、樹脂吸着率Wと比容積V3-10(mL/g)とは高い正の相関がある。したがって、比容積V3-10(mL/g)を調整することで、樹脂吸着率Wを所望の値に調整することができる。さらに、比容積V3-10(mL/g)は、通常の賦活処理では調整できず、高い反応性の賦活処理によってはじめて調整可能となる。さらに、樹脂吸着率Wは、樹脂吸着量評価試験によって特定可能である。すなわち、樹脂吸着量評価試験を行うことで、樹脂吸着率W及び比容積V3-10(mL/g)を所望の範囲内の値とすることができる。したがって、樹脂吸着量評価試験は、電解質材料に対する親和性を汎用的かつ定量的に評価する試験となる。 Furthermore, there is a high positive correlation between the resin adsorption rate W and the specific volume V 3-10 (mL / g). Therefore, the resin adsorption rate W can be adjusted to a desired value by adjusting the specific volume V 3-10 (mL / g). Furthermore, the specific volume V 3-10 (mL / g) cannot be adjusted by a normal activation treatment, but can be adjusted only by a highly reactive activation treatment. Further, the resin adsorption rate W can be specified by the resin adsorption amount evaluation test. That is, by conducting the resin adsorption amount evaluation test, the resin adsorption rate W and the specific volume V 3-10 (mL / g) can be set to values within a desired range. Therefore, the resin adsorption amount evaluation test is a general-purpose and quantitative evaluation test for the affinity for the electrolyte material.

さらに、触媒担体用炭素材料「E30」では、ポリエチレングリコールの質量平均分子量を変更して樹脂吸着率Wを算出したが、質量平均分子量が1000~20000で変動しても樹脂吸着率Wに大きな変動はなかった。したがって、質量平均分子量が1000~20000となる場合に、樹脂吸着率Wと比容積V3-10(mL/g)とが高い相関を示すと言える。すなわち、評価結果の信頼性がより高くなる。 Further, in the carbon material "E30" for a catalyst carrier, the resin adsorption rate W was calculated by changing the mass average molecular weight of polyethylene glycol, but even if the mass average molecular weight fluctuates between 1000 and 20000, the resin adsorption rate W greatly fluctuates. There was no. Therefore, it can be said that the resin adsorption rate W and the specific volume V 3-10 (mL / g) show a high correlation when the mass average molecular weight is 1000 to 20000. That is, the reliability of the evaluation result becomes higher.

さらに、要件(e)、(f)の一方がさらに満たされる場合、判定結果がさらに良好となり、要件(e)、(f)の両方がさらに満たされる場合、判定結果がさらに良好となった。したがって、酸素含有率Omass及び窒素含有率Nmassも電解質材料に対する親和性を汎用的に特定するパラメータとなりうる。 Further, when one of the requirements (e) and (f) is further satisfied, the determination result is further improved, and when both the requirements (e) and (f) are further satisfied, the determination result is further improved. Therefore, the oxygen content O mass and the nitrogen content N mass can also be parameters for universally specifying the affinity for the electrolyte material.

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

1 固体高分子形燃料電池
10、20 セパレータ
30、40 ガス拡散層
50、60 触媒層
70 電解質膜
1 Polymer electrolyte fuel cell 10, 20 Separator 30, 40 Gas diffusion layer 50, 60 Catalyst layer 70 Electrolyte membrane

Claims (10)

固体高分子形燃料電池用の触媒成分を担持可能な触媒担体用炭素材料であって、
質量平均分子量が4000であるポリエチレングリコール樹脂を用いたポリエチレングリコール樹脂吸着量評価試験により算出される樹脂吸着率Wが30~100質量%であり、
窒素吸着等温線をBJH解析することで得られる直径3~10nmのメソ孔の比容積V3-10(mL/g)が1.0~2.0mL/gであり、
BET法で評価されるBET比表面積SBET(m/g)が500~1500m/gであり、
ラマン分光法により測定されるGバンドの半値幅△Gが30~70cm-1であることを特徴とする触媒担体用炭素材料。
A carbon material for a catalyst carrier capable of supporting a catalyst component for a polymer electrolyte fuel cell.
The resin adsorption rate W calculated by the polyethylene glycol resin adsorption amount evaluation test using the polyethylene glycol resin having a mass average molecular weight of 4000 is 30 to 100% by mass.
The specific volume V 3-10 (mL / g) of the mesopores having a diameter of 3 to 10 nm obtained by BJH analysis of the nitrogen adsorption isotherm is 1.0 to 2.0 mL / g.
The BET specific surface area S BET (m 2 / g) evaluated by the BET method is 500 to 1500 m 2 / g.
A carbon material for a catalyst carrier, characterized in that the half-value width ΔG of the G band measured by Raman spectroscopy is 30 to 70 cm -1 .
酸素含有率Omassが0.2~1.0質量%であることを特徴とする、請求項1記載の触媒担体用炭素材料。 The carbon material for a catalyst carrier according to claim 1, wherein the oxygen content O mass is 0.2 to 1.0% by mass. 窒素含有率Nmassが0.25~1.5質量%であることを特徴とする、請求項1または2記載の触媒担体用炭素材料。 The carbon material for a catalyst carrier according to claim 1 or 2, wherein the nitrogen content N mass is 0.25 to 1.5% by mass. 酸素含有率Omassが0.2~1.0質量%であり、かつ、窒素含有率Nmassが0.25~1.5質量%であることを特徴とする、請求項1~3のいずれか1項に記載の触媒担体用炭素材料。 Any of claims 1 to 3, wherein the oxygen content O mass is 0.2 to 1.0 mass% and the nitrogen content N mass is 0.25 to 1.5 mass%. The carbon material for a catalyst carrier according to item 1. 前記樹脂吸着率Wが40~90質量%であることを特徴とする、請求項1~4のいずれか1項に記載の触媒担体用炭素材料。 The carbon material for a catalyst carrier according to any one of claims 1 to 4, wherein the resin adsorption rate W is 40 to 90% by mass. 請求項1~5のいずれか1項に記載の触媒担体用炭素材料と、
前記触媒担体用炭素材料に担持された触媒成分と、を含むことを特徴とする、固体高分子形燃料電池用触媒。
The carbon material for a catalyst carrier according to any one of claims 1 to 5.
A catalyst for a polymer electrolyte fuel cell, which comprises a catalyst component supported on the carbon material for a catalyst carrier.
触媒担持率が10~80質量%であることを特徴とする、請求項6記載の固体高分子形燃料電池用触媒。 The catalyst for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 6, wherein the catalyst loading ratio is 10 to 80% by mass. 請求項6または7に記載の固体高分子形燃料電池用触媒を含むことを特徴とする、固体高分子形燃料電池用触媒層。 A catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, which comprises the catalyst for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 6 or 7. 請求項8記載の固体高分子形燃料電池用触媒層を含むことを特徴とする、固体高分子形燃料電池。 The polymer electrolyte fuel cell according to claim 8, further comprising the catalyst layer for the polymer electrolyte fuel cell. 前記固体高分子形燃料電池は、前記固体高分子形燃料電池用触媒層をカソード側の触媒層として含むことを特徴とする、請求項9記載の固体高分子形燃料電池。 The solid polymer fuel cell according to claim 9, wherein the polymer electrolyte fuel cell includes the catalyst layer for the polymer electrolyte fuel cell as a cathode-side catalyst layer.
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