WO2015147309A1 - 電極用触媒の製造方法、電極用触媒、ガス拡散電極形成用組成物、ガス拡散電極、膜・電極接合体(mea)及び燃料電池スタック - Google Patents

電極用触媒の製造方法、電極用触媒、ガス拡散電極形成用組成物、ガス拡散電極、膜・電極接合体(mea)及び燃料電池スタック Download PDF

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聖祟 永森
智照 水崎
卓也 椿
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing an electrode catalyst.
  • the present invention also provides an electrode catalyst obtained by the method for producing an electrode catalyst, a composition for forming a gas diffusion electrode containing the electrode catalyst, a gas diffusion electrode, a membrane / electrode assembly (MEA), and a fuel cell. Regarding the stack.
  • a so-called solid polymer fuel cell (Polymer Electrolyte Fuel Cell: hereinafter referred to as “PEFC” as necessary) has an operating temperature of about room temperature to about 80 ° C.
  • PEFC can employ an inexpensive general-purpose plastic or the like as a member constituting the fuel cell main body, so that the weight can be reduced.
  • PEFC can reduce the thickness of the solid polymer electrolyte membrane, can reduce electric resistance, and can reduce power generation loss relatively easily.
  • PEFC has many advantages, it can be applied to fuel cell vehicles, household cogeneration systems, and the like.
  • Non-Patent Document 1 an electrode catalyst in which platinum (Pt) or a platinum (Pt) alloy as an electrode catalyst component is supported on carbon as a carrier.
  • Patent Document 3 it has been disclosed that an electrode catalyst for PEFC is not desirable as an electrode catalyst when the chlorine content contained in the electrode catalyst is 100 ppm or more (for example, Patent Document 3). For that reason, if the chlorine content contained in the electrode catalyst is 100 ppm or more, sufficient catalytic activity as an electrode catalyst for a fuel cell cannot be obtained, corrosion of the catalyst layer occurs, It is disclosed that the lifetime is shortened.
  • a PEFC has a membrane electrode assembly in which electrodes are bonded to both surfaces of an electrolyte membrane, and a part of protons of acid groups contained in the electrolyte in the catalyst layer included in the electrode are exchanged with phosphonium ions. It has been proposed (for example, Patent Document 1).
  • the counter anion of the phosphonium ion is a compound that does not contain a halogen element. For this reason, it is disclosed that if the halogen element remains in the electrode, the battery performance is lowered.
  • Patent Document 2 a PEFC including a membrane / electrode assembly (MEA) in which electrodes including a catalyst layer are bonded to both surfaces of an electrolyte membrane has been proposed (for example, Patent Document 2).
  • Pd and Pt which are catalyst components of Pd / Pt particles contained in the catalyst layer of PEFC, are derived from halides.
  • the method for producing Pd / Pt particles described in Patent Document 2 employs a halogen-free compound as an ion exchange solution used when producing Pd and Pt.
  • Patent Document 2 discloses that halogen ions should be avoided because they degrade battery performance.
  • Patent Document 2 exemplifies warm water cleaning as a dehalogenation ion processing method.
  • Patent Document 3 a method for producing platinum (Pt) or platinum (Pt) alloy powder containing less than 100 ppm of chlorine as a catalyst component of an electrode catalyst has been proposed (for example, Patent Document 3).
  • the following method is disclosed as a method for producing the platinum (Pt) or platinum (Pt) alloy powder. That is, as a starting material, after forming a melt of a chlorine-free platinum compound and a chlorine-free alloying element, heat until it gives an oxide of this melt, cool the oxide, dissolve in water A preparation method through a process of reducing the oxide formed is disclosed.
  • Patent Document 5 disclose a core-shell catalyst having a configuration in which palladium is used as a constituent element of the core portion and platinum is used as a constituent element of the shell portion. Potassium is exemplified.
  • the core-shell catalyst adopting palladium as the constituent element of the core portion and platinum as the constituent element of the shell portion includes chlorine such as a chloride salt of platinum (Pt) and a chloride salt of palladium (Pd).
  • a material containing (Cl) seed is often used as a raw material. The reason is considered to be that the chloride salts of platinum (Pt) and palladium (Pd) are easily available, easy to handle in the production conditions, and the raw material cost is relatively low. Therefore, in the case of a core-shell catalyst, it is difficult to respond by actively adopting a compound containing no halogen element (especially chlorine) as a starting material in order to exhibit sufficient catalytic activity.
  • JP 2009-238560 A Patent No. 5358997 JP 2008-293737 A (Japanese Patent No. 5169025) JP 2003-129102 A (Patent No. 4286499) Special table 2011-526655 gazette JP 2013-215701 A
  • an electrode catalyst having a so-called core-shell structure a metal chloride salt such as platinum (Pt) or palladium (Pd) is used as a raw material. It is important to study a manufacturing process of an electrode catalyst that can reliably and sufficiently reduce the content of chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst.
  • a method for producing an electrode catalyst having a core-shell structure capable of reliably and sufficiently reducing the content of chlorine (Cl) species by a relatively simple technique has not been sufficiently studied so far. There was still room for improvement.
  • Patent Document 1 describes that battery performance is degraded when a halogen element remains in an electrode.
  • Patent Document 1 merely describes hot water cleaning or the like as a method for removing a halogen element, and does not describe specific measures.
  • a halogen compound is used as a raw material for an electrode catalyst. In particular, when no dehalogenation treatment (washing) is performed, or a halogen compound is not used as a raw material for an electrode catalyst, washing with acid and water is performed. The case of having done is only disclosed.
  • the present invention has been made in view of such technical circumstances, and even if an electrode catalyst precursor containing a relatively high concentration of chlorine (Cl) species is used as a raw material for an electrode catalyst, a comparison is made. It is an object of the present invention to provide a method for producing an electrode catalyst capable of reliably and sufficiently reducing the content of chlorine species by a simple and convenient operation.
  • the present invention also provides an electrode catalyst obtained by the method for producing an electrode catalyst, a composition for forming a gas diffusion electrode, a gas diffusion electrode, a membrane / electrode assembly (MEA) containing the electrode catalyst, And it aims at providing a fuel cell stack.
  • MEA membrane / electrode assembly
  • the present inventors have found the following findings in an electrode catalyst having a core-shell structure, and have completed the present invention. That is, the inventors of the present invention have developed a catalyst precursor for an electrode having a relatively high concentration of chlorine (Cl) species measured by ultrapure water and fluorescent X-ray (XRF) analysis (for example, a concentration of 6000 ppm or more). It was found that the content of chlorine (Cl) species in the obtained electrode catalyst can be surely and sufficiently reduced by subjecting the liquid containing the solution to filtration and washing under certain conditions, and the present invention has been completed. It was. More specifically, the present invention includes the following technical matters.
  • the present invention (1) Production of an electrode catalyst having a core-shell structure including a support, a core part formed on the support, and a shell part formed so as to cover at least a part of the surface of the core part A method, Step (1): a first chlorine which is manufactured using a material containing a chlorine (Cl) species and has a predetermined concentration of chlorine (Cl) species measured by X-ray fluorescence (XRF) analysis
  • XRF X-ray fluorescence
  • JIS K0552 JIS standard test method
  • the content of chlorine (Cl) species in the product electrode catalyst can be reliably and sufficiently reduced by a relatively simple operation. That is, in the production method of the present invention, the liquid obtained by dispersing the electrode catalyst precursor in ultrapure water is repeatedly washed so as to be equal to or lower than a preset value of electrical conductivity, and the washing treatment is performed. Relatively simple operations such as once drying the filtered material obtained through the process and then redispersing it again in ultrapure water, and changing the liquid temperature when performing these washing treatments and redispersion treatments. By combining these, the content of chlorine (Cl) species in the electrode catalyst as a product can be reliably and sufficiently reduced.
  • the content of chlorine (Cl) species can be reliably and sufficiently reduced, so that the obtained electrode catalyst can sufficiently reduce the catalytic activity caused by the influence of the chlorine (Cl) species. It can be easily prevented.
  • the production method of the present invention is a comparison of conditions that do not use a reagent for removing chlorine and conditions that can be easily cleaned and removed with ultrapure water at a relatively low concentration even when using an acid or the like. It is also possible to manufacture the electrode catalyst under clean conditions. Therefore, from this viewpoint, the production method of the present invention is suitable for mass production of the electrode catalyst, and is also suitable for reduction of production cost.
  • a chlorine (Cl) species refers to a chemical species containing chlorine as a constituent element.
  • the chemical species containing chlorine include chlorine atoms (Cl), chlorine molecules (Cl 2 ), chlorinated ions (Cl—), chlorine radicals (Cl ⁇ ), polyatomic chlorine ions, chlorine compounds (X -Cl and the like, where X is a counter ion).
  • the concentration of chlorine (Cl) species is measured by X-ray fluorescence (XRF) analysis.
  • XRF X-ray fluorescence
  • a value obtained by measuring a chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst by a fluorescent X-ray (XRF) analysis method is a concentration of the chlorine (Cl) species.
  • the concentration of the chlorine (Cl) species is the concentration of chlorine atoms converted to chlorine element contained in the electrode catalyst.
  • the present invention provides (2) The method for producing an electrode catalyst according to (1), wherein the concentration of the first chlorine (Cl) species is 6000 ppm.
  • concentration of the first chlorine (Cl) species is 6000 ppm.
  • the numerical value of the concentration of the first chlorine (Cl) species is supported by the result of a comparative example described later.
  • the present invention also provides: (3) The method for producing an electrode catalyst according to (1) or (2), wherein the first set value is a value selected from a range of 100 ⁇ S / cm or less.
  • the electrode catalyst precursor (I) used in the first step is Step (P1): Second chlorine which is manufactured using a material containing chlorine (Cl) species, and has a predetermined concentration of chlorine (Cl) species measured by X-ray fluorescence (XRF) analysis
  • the electrode catalyst precursor (PI) having a concentration of (Cl) species or more is added to ultrapure water to prepare a P1 liquid in which the electrode catalyst precursor (PI) is dispersed in ultrapure water.
  • washing is repeated until the electrical conductivity ⁇ measured by the above is equal to or lower than a preset value of the first P1, and the obtained electrode catalyst precursor (PII) is dispersed in ultrapure water to The second P2 step to be prepared; A pretreatment including a step (P3); a P3 step of drying the P2 liquid, (1) A method for producing an electrode catalyst according to any one of (3) is provided.
  • the dispersion obtained after the P2 step is once dried in the P3 step, and then dispersed again in ultrapure water in the first step (so-called reslurry), so that The present inventors have found that chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst precursor can be surely reduced.
  • the present inventors have held the state in which the electrode catalyst precursor powder is dispersed and held in ultrapure water (or thereafter). Although there is a part that is not sufficiently cleaned despite being in the state of being filtered and washed with ultrapure water (for example, a part of the fine pore surface of the powder that is not in contact with ultrapure water). I think. Then, in the step P3, the inventors once dried the dispersion obtained after the step P2, and then obtained powder of the electrode catalyst precursor in the first step. It is considered that by reslurry using pure water, at least a part of the portion that could not be contacted with the ultrapure water in the previous step is newly contacted with the ultrapure water and cleaned.
  • the present invention provides (5) The method for producing an electrode catalyst according to (4), wherein the concentration of the second chlorine (Cl) species is 6000 ppm.
  • the present invention also provides: (6) The method for producing an electrode catalyst according to (4) or (5), wherein the preset value of the first P1 is a value selected from a range of 100 ⁇ S / cm or less.
  • the present invention provides (7) Step (3);
  • the electrode catalyst according to any one of (1) to (6), further comprising a third step of drying the second liquid obtained after the second step A manufacturing method is provided.
  • the present invention also provides: (8) Step (4);
  • the electrode catalyst precursor (III) obtained after the third step is added to ultrapure water, and the electrode catalyst precursor (III) is dispersed in ultrapure water.
  • the method for producing an electrode catalyst according to (7) further comprising a fourth step of preparing a third liquid.
  • the dispersion obtained after the second step is once dried in the third step, and then dispersed again in ultrapure water in the fourth step (so-called reslurry), thereby ensuring more reliability.
  • the present inventors have found that the chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst precursor can be reduced. That is, the same effect as that obtained by the reslurry described in the description of the case where the first step is performed through the P3 step can be obtained.
  • Step (5) After the fourth step, the electrode catalyst precursor (III) contained in the third liquid is filtered and washed using ultrapure water having a temperature of 60 ° C. or higher and a boiling point or lower. Then, the washing is repeated until the electric conductivity ⁇ of the filtrate obtained after washing is equal to or lower than a preset second set value, and the obtained electrode catalyst precursor (IV) is dispersed in ultrapure water.
  • the present invention also provides: (10) The method for producing an electrode catalyst according to (9), wherein the second set value is a value selected from a range of 100 ⁇ S / cm or less.
  • the present invention provides (11) Step (7); Between the step (5) and the drying step of the step (6), (9) or (10) further including a seventh step of holding the fourth liquid at a preset temperature of at least one step set in a range of 60 ° C. or higher and a boiling point or lower for a preset holding time.
  • the manufacturing method of the catalyst for electrodes as described in 1) is provided.
  • the present invention also provides: (12) Step (1 ′): An aqueous solution in which at least one acid selected from the group consisting of sulfuric acid and nitric acid is added to ultrapure water as the electrode catalyst precursor (I 0 ) before the first step. (1) to (11), further comprising a step of dispersing in a range of 10 to 95 ° C. and holding at a preset temperature set in advance in a range of 10 to 95 ° C. for a preset holding time.
  • a method for producing an electrode catalyst is provided.
  • the shell portion contains at least one metal of platinum (Pt) and a platinum (Pt) alloy
  • the core portion includes at least one selected from the group consisting of palladium (Pd), palladium (Pd) alloy, platinum (Pt) alloy, gold (Au), nickel (Ni), and nickel (Ni) alloy.
  • the present invention provides (14) The method for producing an electrode catalyst according to (13), wherein platinum (Pt) chloride is used as a metal raw material constituting the shell portion.
  • the shell part is formed so as to cover at least part of the surface of the core part, and the second part is formed so as to cover at least part of the surface of the first shell part.
  • the present invention provides (16) The method for producing an electrode catalyst according to (15), wherein platinum (Pt) chloride is used as a metal raw material constituting the second shell portion.
  • the present invention also provides: (17) An electrode catalyst obtained by the method for producing an electrode catalyst according to any one of (1) to (16) is provided.
  • the present invention provides (18) Provided is a gas diffusion electrode forming composition containing an electrode catalyst obtained by the method for producing an electrode catalyst according to any one of (1) to (16).
  • the present invention also provides: (19) Provided is a gas diffusion electrode containing an electrode catalyst obtained by the method for producing an electrode catalyst according to any one of (1) to (16).
  • a membrane-electrode assembly (MEA) including the gas diffusion electrode according to (19) is provided.
  • the present invention also provides: (21) Provided is a fuel cell stack including the membrane-electrode assembly (MEA) according to (20).
  • an electrode catalyst precursor containing a relatively high concentration (for example, a concentration of 6000 ppm or more) of chlorine (Cl) species is used as a raw material for the electrode catalyst.
  • a relatively high concentration for example, a concentration of 6000 ppm or more
  • an electrode catalyst in which the content of chlorine (Cl) species is reliably and sufficiently reduced can be obtained by a relatively simple operation. That is, in the production method of the present invention, the liquid obtained by dispersing the electrode catalyst precursor in ultrapure water is repeatedly washed so as to be equal to or lower than a preset value of electrical conductivity, and the washing treatment is performed.
  • Relatively simple operations such as once drying the filtered material obtained through the process and then redispersing it again in ultrapure water, and changing the liquid temperature when performing these washing treatments and redispersion treatments.
  • the content of chlorine (Cl) species in the electrode catalyst as a product can be reliably and sufficiently reduced.
  • the content of chlorine (Cl) species can be reliably and sufficiently reduced, so that the obtained electrode catalyst can sufficiently reduce the catalytic activity caused by the influence of the chlorine (Cl) species.
  • a method for producing an electrode catalyst that can be easily prevented can be provided.
  • the conditions for not using a reagent for removing chlorine and the conditions for easily washing and removing with ultrapure water at a relatively low concentration even when an acid or the like is used are relatively. It is also possible to manufacture the electrode catalyst under clean conditions. Therefore, the production method of the present invention is suitable for mass production of electrode catalysts, and can provide a method for producing electrode catalysts suitable for reducing production costs.
  • an electrode catalyst obtained by the above-described method for producing an electrode catalyst, in which the concentration of chlorine (Cl) species is sufficiently reduced, a composition for forming a gas diffusion electrode comprising the electrode catalyst, a gas A diffusion electrode, a membrane-electrode assembly (MEA), and a fuel cell stack can be provided.
  • 3 is a flowchart showing a preferred embodiment of a manufacturing process of an electrode catalyst manufacturing method including the first to third steps of the electrode catalyst manufacturing method of the present invention. It is the flowchart which showed suitable one Embodiment of the manufacturing process of the manufacturing method of the catalyst for electrodes including the pre-processing process of the manufacturing method of the catalyst for electrodes of this invention.
  • 6 is a flowchart showing a preferred embodiment of a manufacturing process of an electrode catalyst manufacturing method including the fourth to sixth steps of the electrode catalyst manufacturing method of the present invention. 6 is a flowchart showing a preferred embodiment of a manufacturing process of an electrode catalyst manufacturing method including the fourth to seventh steps of the electrode catalyst manufacturing method of the present invention.
  • the method for producing an electrode catalyst of the present invention is produced using a material containing a step (1); a chlorine (Cl) species, and measured by a fluorescent X-ray (XRF) analysis method.
  • An electrode catalyst precursor (I) having a first chlorine (Cl) species concentration (for example, a concentration of 6000 ppm or more) having a predetermined concentration is added to ultrapure water, and this electrode catalyst precursor is added.
  • (I) is filtered and washed, and washing is repeated until the electrical conductivity ⁇ measured by the JIS standard test method (JIS K0552) of the filtrate obtained after the washing is equal to or lower than a preset first set value.
  • the obtained electrode catalyst precursor (II) is dispersed in ultrapure water to prepare a second liquid. Characterized in that it comprises a second step, the.
  • FIG. 1 is a flowchart showing each operation of a preferred embodiment of the production process of the method for producing an electrode catalyst including the first to third steps.
  • a first liquid containing the electrode catalyst precursor (I) is prepared.
  • the electrode catalyst precursor (I) contained in the first liquid is washed with ultrapure water to prepare a second liquid containing the electrode catalyst precursor (II).
  • each step will be described.
  • the method for producing an electrode catalyst of the present invention includes a first step.
  • a first liquid containing ultrapure water and a predetermined electrode catalyst precursor is prepared.
  • Ultra pure water used in the first step included in the method for producing an electrode catalyst of the present invention is a specific resistance R represented by the following general formula (1) (JIS standard test method (JIS K0552)).
  • the reciprocal of the electrical conductivity measured by (1) is water having 3.0 M ⁇ ⁇ cm or more.
  • “ultra pure water” preferably has a water quality equivalent to “A3” defined in JIS K0557 “water used in water / drainage tests” or a clean water quality higher than that.
  • the said ultrapure water will not be specifically limited if it is the water which has the electrical conductivity which satisfy
  • ultrapure water produced using the ultrapure water production equipment “Milli-Q Series” (Merck Co., Ltd.) and “Elix UV Series” (Nihon Millipore Co., Ltd.) be able to.
  • the electrode catalyst does not contain impurities such as chlorine (Cl) species.
  • R represents specific resistance
  • represents electrical conductivity measured by JIS standard test method (JIS K0552).
  • the electrode catalyst precursor (I) used in the first step is a first chlorine (Cl) species in which the concentration of chlorine (Cl) species measured by fluorescent X-ray (XRF) analysis is preset. Is satisfied (for example, 6000 ppm) or more.
  • the chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst precursor (I) is derived from a catalyst component and a treatment liquid that are raw materials for the electrode catalyst.
  • the electrode catalyst obtained by the conventional method for producing an electrode catalyst using a material containing chlorine (Cl) species is usually fluorescent X-ray (unless the chlorine (Cl) species are removed).
  • the concentration of the chlorine (Cl) species measured by the XRF) analysis method is relatively high (for example, the concentration of the first chlorine (Cl) species is 6000 ppm) that is equal to or higher than the concentration of the first chlorine (Cl) species. ing.
  • an electrode catalyst (in the present invention, an electrode catalyst precursor) obtained by a conventional method for producing an electrode catalyst using a material containing chlorine (Cl) species is The concentration of the chlorine (Cl) species measured by the above analysis method is 6000 ppm or more (see the results of comparative examples described later). That is, the electrode catalyst precursor (I) used in the first step corresponds to an electrode catalyst obtained by a conventionally employed method for producing an electrode catalyst.
  • the electrode catalyst precursor (I) is produced by supporting the catalyst components (core part 4 and shell part 5) of the electrode catalyst on the carrier 2.
  • the method for producing the electrode catalyst precursor is not particularly limited as long as the catalyst component of the electrode catalyst 1 can be supported on the carrier 2.
  • an impregnation method in which the carrier 2 is brought into contact with a solution containing the catalyst component of the electrode catalyst 1 and the carrier 2 is impregnated with the catalyst component, and a reducing agent is added to the solution containing the catalyst component of the electrode catalyst 1.
  • Electrochemical deposition methods such as liquid phase reduction method, underpotential deposition (UPD) method, chemical reduction method, reduction deposition method using adsorbed hydrogen, surface leaching method of alloy catalyst, displacement plating method, sputtering method, vacuum deposition method, etc.
  • the employed manufacturing method can be exemplified.
  • the method for producing an electrode catalyst of the present invention includes a second step.
  • the electrode catalyst precursor (I) contained in the first liquid is washed with ultrapure water to prepare a second liquid containing the electrode catalyst precursor (II).
  • the electrode catalyst precursor (I) contained in the first liquid prepared in the first step is filtered and washed using ultrapure water.
  • the chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst precursor (I) are removed by filtering and washing the first liquid. As a result, the concentration of the electrode catalyst precursor (I) contained in the chlorine (Cl) species is greatly reduced.
  • the ultrapure water used for cleaning the first liquid may be the same as the ultrapure water used in the first step.
  • the electrode catalyst precursor (I) is washed until the electrical conductivity ⁇ of the filtrate obtained after washing is equal to or lower than a preset first set value.
  • the first set value is a reference for the concentration of chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst precursor (I).
  • the concentration of chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst precursor (I) is reduced by determining whether or not the electrical conductivity ⁇ of the filtrate obtained after washing is equal to or lower than the first set value. It can be determined whether or not it is made.
  • the electrode catalyst precursor (I) is repeatedly washed until it becomes equal to or lower than the first set value. If the electrical conductivity ⁇ of the filtrate obtained after washing is not more than the first set value, most of the chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst precursor (I) are removed. When the electrical conductivity ⁇ of the filtrate obtained after washing is equal to or lower than the first set value, washing of the electrode catalyst precursor (I) is completed. The concentration of chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst precursor after completion of the cleaning is greatly reduced.
  • the electrode catalyst precursor after completion of cleaning is defined as an electrode catalyst precursor (II).
  • the liquid in which the electrode catalyst precursor (II) is dispersed in ultrapure water becomes the second liquid. By drying the second liquid, an electrode catalyst precursor (II) is obtained.
  • the obtained electrode catalyst precursor (II) may be used as an electrode catalyst, or may be used as an electrode catalyst precursor in a third step or the like provided after the second step. Good.
  • the filtration washing method in the second step is not particularly limited as long as it does not impair the core / shell structure of the electrode catalyst of the present invention.
  • Examples of the filtration washing method include natural filtration and vacuum filtration using a filter paper or a membrane filter.
  • the first set value can be appropriately set according to the concentration of chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst.
  • the first set value is preferably a value selected from a range of 100 ⁇ S / cm or less. Furthermore, the first set value is more preferably a value selected from a range of 10 ⁇ S / cm or less.
  • the concentration of the chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst precursor (II) can be easily reduced to less than 6000 ppm, further 5000 ppm or less, and 2000 This is preferable because it can be easily reduced to a level of ⁇ 4000 ppm.
  • FIG. 2 is a flowchart showing each operation of a preferred embodiment of the pretreatment process.
  • the pretreatment step is manufactured using a step (P1); a material containing a chlorine (Cl) species and measured by chlorine (Cl) measured by X-ray fluorescence (XRF) analysis.
  • a step (P1) a material containing a chlorine (Cl) species and measured by chlorine (Cl) measured by X-ray fluorescence (XRF) analysis.
  • Catalyst catalyst precursor (PI) having a relatively high concentration (for example, the concentration of the second chlorine (Cl) species is 6000 ppm) higher than the concentration of the second chlorine (Cl) species set in advance.
  • Step (P2) The electrode catalyst precursor (PI) contained in the P1 liquid is washed with ultrapure water, and the filtrate obtained after washing is subjected to JIS standard test method (JIS K0552). Washing is repeated until the electrical conductivity ⁇ measured by the above is equal to or lower than a preset value of the first P1, and the obtained electrode catalyst precursor (PII) is dispersed in ultrapure water to The second P2 step to be prepared; Step (P3); including a step of drying the P2 liquid.
  • JIS standard test method JIS K0552
  • the concentration of the second chlorine (Cl) species set in advance is usually set higher than the concentration of the first chlorine (Cl) species set in the first step.
  • the concentration of the first chlorine (Cl) species and the concentration of the second chlorine (Cl) species are chlorine (Cl) contained in the electrode catalyst precursor. ) It is preset according to the concentration of the seed and the manufacturing process.
  • the filtration washing method in the second step P2 is the same as the filtration washing method in the second step.
  • the set value of P1 in the P2 step is preferably a value selected from a range of 100 ⁇ S / cm or less, and more preferably 10 ⁇ S / cm or less.
  • the drying method in the third step P3 is the same as the drying method in the third step described later.
  • the first set value set in advance is usually equal to or lower than the set value of P1 or lower than the set value of P1 set in the preprocessing process.
  • the amount of chlorine (Cl) species removed by washing in the first step (and second step) is larger than that in the pretreatment step, and the concentration of chlorine (Cl) species is increased.
  • the first set value may be set higher than the P1 set value.
  • the electrode catalyst precursor (PI) By subjecting the electrode catalyst precursor (PI) to a pretreatment step, chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst precursor (PI) are removed.
  • the electrode catalyst precursor (PII) in which the concentration of the chlorine (Cl) species is reduced is used as the electrode catalyst precursor (I) in the first step.
  • Such electrode catalyst precursor (I) is subjected to the first step.
  • each operation is performed using the electrode catalyst precursor (I) obtained through the steps (P1) to (P3) as a starting material.
  • a pretreatment step is provided before the first step to further increase the concentration of chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst precursor (I). Can be reduced.
  • the dispersion obtained after the P2 step is once dried in the P3 step and then dispersed again in ultrapure water in the first step (so-called reslurry.
  • chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst precursor can be more reliably reduced.
  • the method for producing an electrode catalyst of the present invention includes a third step.
  • the third step is a step of drying the second liquid obtained after the second step.
  • the conditions for drying the second liquid are not particularly limited as long as the drying liquid has a drying temperature and a drying time capable of obtaining the electrode catalyst contained in the second liquid.
  • the drying temperature is 20 to 90 ° C.
  • the drying time is 0.5 to 48.0 hours.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a preferred embodiment of a method for producing an electrode catalyst including the fourth to sixth steps.
  • the method for producing an electrode catalyst of the present invention includes a fourth step.
  • the electrode catalyst obtained after the third step is regarded as the electrode catalyst precursor (II).
  • a third liquid is prepared by adding the electrode catalyst precursor (II) to ultrapure water. Chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst precursor (II) are removed by contact with ultrapure water. The concentration of chlorine (Cl) species in the electrode catalyst precursor (II) further decreases.
  • the electrode catalyst precursor obtained in the fourth step is referred to as electrode catalyst precursor (III).
  • the dispersion obtained after the second step is once dried in the third step and then dispersed again in ultrapure water in the fourth step (so-called reslurry.
  • chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst precursor can be more reliably reduced.
  • the method for producing an electrode catalyst of the present invention includes a fifth step.
  • the electrode catalyst (III) contained in the third liquid is filtered and washed using ultrapure water having a temperature of 60 ° C. or higher and a boiling point or lower. Chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst (III) are removed by contact with ultrapure water having a temperature of 60 ° C. or higher and a boiling point or lower.
  • ultrapure water having a temperature of 60 ° C. or higher and a boiling point or lower is used as ultrapure water, chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst (III) are more effectively removed. can do.
  • the electrode catalyst precursor (III) is repeatedly washed until it becomes equal to or lower than the second set value. If the electrical conductivity ⁇ of the filtrate obtained after washing is not more than the second set value, most of the chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst precursor (III) are removed. When the electrical conductivity ⁇ of the filtrate obtained after washing becomes equal to or lower than the second set value, washing of the electrode catalyst precursor (III) is completed. The concentration of chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst precursor after completion of the cleaning is greatly reduced.
  • the electrode catalyst precursor after completion of the cleaning is defined as an electrode catalyst precursor (IV).
  • the liquid in which the electrode catalyst precursor (IV) is dispersed in ultrapure water is the fourth liquid.
  • the second set value can be appropriately set according to the concentration of chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst.
  • the second set value is preferably a value selected from a range of 100 ⁇ S / cm or less. Furthermore, the second set value is more preferably a value selected from a range of 10 ⁇ S / cm or less.
  • the concentration of the chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst precursor (IV) can be easily reduced to less than 6000 ppm, further 5000 ppm or less, and 2000 This is preferable because it can be easily reduced to a level of ⁇ 4000 ppm.
  • the method for producing an electrode catalyst of the present invention includes a sixth step.
  • the sixth step is a step of obtaining the electrode catalyst precursor (IV) by drying the fourth liquid.
  • the obtained electrode catalyst precursor (IV) is used as an electrode catalyst.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a preferred embodiment of a method for producing an electrode catalyst including the fourth to seventh steps.
  • the method for producing an electrode catalyst of the present invention includes a seventh step.
  • the seventh step includes a step of holding the fourth liquid at a predetermined temperature for a predetermined time between the fifth step and the sixth step.
  • the fourth liquid is maintained at a preset temperature of at least one step set in advance in the range of 60 ° C. or higher and the boiling point or lower (preferably 80 to 95 ° C.).
  • the chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst precursor (IV) are effectively removed by maintaining the fourth liquid in the range of 60 ° C. or higher and the boiling point or lower (preferably 80 to 95 ° C.).
  • the set temperature may be set in multiple stages. By making the set temperature multistage, the removal amount of the chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst precursor (IV) can be controlled.
  • the holding temperature is not particularly limited as long as it is in the range of 60 ° C. or higher and the boiling point or lower (preferably 80 to 95 ° C.), but the chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst precursor (IV) is not limited. It is set as appropriate depending on the concentration, the presence / absence of pretreatment, and the number of repeated filtration and washing using ultrapure water.
  • the holding time is ultrapure water that is contained in the electrode catalyst precursor (IV), but the chlorine (Cl) species is 60 ° C. or higher and the boiling point or lower (preferably 80 to 95 ° C.) in the fourth liquid. There is no particular limitation as long as the time is sufficient to be removed after contact with.
  • the fourth liquid was held at a predetermined temperature for a predetermined time between the fifth step and the sixth step, so that it was contained in the electrode catalyst precursor (IV).
  • Chlorine (Cl) species are completely removed.
  • species measured by the fluorescent X ray (XRF) analysis method in the catalyst precursor for electrodes falls significantly.
  • the electrode catalyst obtained in the seventh and sixth steps is referred to as electrode catalyst (V).
  • the concentration of the chlorine (Cl) species can be easily reduced to less than 6000 ppm, and further easily reduced to a level of 5000 ppm or less, and further to a level of 2000 to 4000 ppm, whereby the electrode catalyst precursor (V ) Is an electrode catalyst of the present invention.
  • the method for producing an electrode catalyst of the present invention includes a first ′ step which is an acid treatment step.
  • the first 'step is performed before the first step.
  • the electrode catalyst precursor (I 0 ) is used instead of the electrode catalyst precursor (I).
  • This electrode catalyst precursor (I 0 ) is dispersed in an aqueous solution in which at least one acid selected from the group consisting of sulfuric acid and nitric acid is added to ultrapure water to prepare a first liquid. Further, the first liquid is held at a preset temperature of at least one step in a range of 10 to 95 ° C. (preferably 20 to 90 ° C.) for a preset holding time.
  • the set temperature may be set in multiple stages within a range of 10 to 95 ° C. (preferably 20 to 90 ° C.). By making the set temperature multistage, the removal amount of the chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst precursor (I 0 ) can be controlled.
  • the holding time is such that the chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst precursor (I 0 ) is in the range of 10 to 95 ° C. (preferably 20 to 90 ° C.) in the first liquid. There is no particular limitation as long as it is sufficiently removed by contact with the acid contained in water.
  • the electrode catalyst precursor (I 0 ) contained in the first' liquid is regarded as the electrode catalyst precursor (I) used in the first step.
  • Such electrode catalyst precursor (I) is subjected to the first step.
  • each operation is performed using the electrode catalyst precursor (I) obtained through the first 'step as a starting material.
  • an acid treatment step is provided before the first step, and the concentration of chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst precursor (I) is further increased. Can be reduced.
  • the manufacturing method of the electrode catalyst of this invention providing the 1 'process which is an acid treatment process before a 1st process has big technical significance.
  • chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst precursor can be reduced.
  • the concentration of chlorine (Cl) species measured by fluorescent X-ray (XRF) analysis can be easily reduced to less than 6000 ppm, and further 5000 ppm or less, Further, it is easily reduced to a level of 2000 to 4000 ppm.
  • the concentration of chlorine (Cl) species measured by the fluorescent X-ray (XRF) analysis method is less than 6000 ppm, more preferably 5000 ppm or less, more preferably Since it is reduced to a level of 2000 to 4000 ppm, the catalytic activity required for the electrode catalyst can be sufficiently exerted, and the problem of corrosion of the catalyst layer can be avoided.
  • Table 1 includes the steps included in the method for producing an electrode catalyst of the present invention, the electrode catalyst precursor included in the liquid obtained in each step (ultra pure water + electrode catalyst precursor), and the final The product electrode catalyst was summarized.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a preferred embodiment of electrode catalyst 1 (core-shell catalyst) obtained by the method for producing an electrode catalyst of the present invention.
  • the electrode catalyst 1 obtained by the method for producing an electrode catalyst includes a carrier 2 and catalyst particles 3 having a so-called “core-shell structure” supported on the carrier 2.
  • the catalyst particle 3 includes a core portion 4 and a shell portion 5 formed so as to cover at least a part of the surface of the core portion 4.
  • the catalyst particles 3 have a so-called “core / shell structure” including a core portion 4 and a shell portion 5 formed on the core portion 4.
  • the electrode catalyst 1 has catalyst particles 3 supported on a carrier 2, and the catalyst particles 3 have a core portion 4 as a core and a shell portion 5 as a shell.
  • covers the surface of is provided. Further, the constituent element (chemical composition) of the core part 4 and the constituent element (chemical composition) of the shell part 5 are different.
  • the electrode catalyst 1 is not particularly limited as long as the shell portion 5 is formed on at least a part of the surface of the core portion 4 of the catalyst particles 3.
  • the electrode catalyst 1 is preferably in a state in which substantially the entire surface of the core portion 4 is covered by the shell portion 5.
  • the electrode catalyst 1 is in a state where a part of the surface of the core part 4 is covered with the shell part 5 and the surface of the core part 4 is partially exposed.
  • the electrode catalyst only needs to have a shell portion formed on at least a part of the surface of the core portion.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing another preferred embodiment (electrode catalyst 1A) of the electrode catalyst (core-shell catalyst) of the present invention.
  • the electrode catalyst 1 ⁇ / b> A of the present invention covers the core portion 4, the shell portion 5 a that covers a part of the surface of the core portion 4, and a part of the other surface of the core portion 4. It has the catalyst particle 3a comprised from the shell part 5b.
  • Such a core part 4 becomes the core part exposed surface 4s. That is, as shown in FIG.
  • the catalyst particles 3 a included in the electrode catalyst 1 ⁇ / b> A are in a state where the surface of the core portion 4 is partially exposed (for example, within a range where the effects of the present invention can be obtained) 4s which are a part of the surface of the core part 4 shown by FIG. 7 may be exposed.
  • a shell part 5a is partially formed on a part of the surface of the core part 4, and a shell part 5b is partially formed on a part of the other surface. May be.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing another preferred embodiment (electrode catalyst 1B) of the electrode catalyst (core-shell catalyst) of the present invention.
  • the electrode catalyst 1 ⁇ / b> B of the present invention has a catalyst particle 3 composed of a core portion 4 and a shell portion 5 that covers substantially the entire surface of the core portion 4.
  • the shell part 5 may have a two-layer structure including a first shell part 6 and a second shell part 7. That is, the catalyst particle 3 has a so-called “core / shell structure” including the core portion 4 and the shell portion 5 (the first shell portion 6 and the second shell portion 7) formed on the core portion 4.
  • the electrode catalyst 1B has catalyst particles 3 supported on a carrier 2, the catalyst particles 3 have a core portion 4 as a core, and the first shell portion 6 and the second shell portion 7 become shell portions 5.
  • the core portion 4 has a structure in which substantially the entire surface is covered.
  • the constituent element (chemical composition) of the core part 4, the constituent element (chemical composition) of the first shell part 6, and the constituent element (chemical composition) of the second shell part 7 have different structures.
  • the shell portion 5 included in the electrode catalyst 1 ⁇ / b> B of the present invention may further include another shell portion. From the viewpoint of obtaining the effect of the present invention more reliably, it is preferable that the electrode catalyst 1B is in a state in which substantially the entire surface of the core portion 4 is covered with the shell portion 5 as shown in FIG.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing another preferred embodiment (electrode catalyst 1C) of the electrode catalyst (core-shell catalyst) of the present invention.
  • the electrode catalyst 1 ⁇ / b> C of the present invention covers the core portion 4, the shell portion 5 a that covers a part of the surface of the core portion 4, and a part of the other surface of the core portion 4.
  • the catalyst particle 3a is composed of a shell portion 5b.
  • the shell part 5a may have a two-layer structure including a first shell part 6a and a second shell part 7a.
  • the shell portion 5b may have a two-layer structure including a first shell portion 6b and a second shell portion 7b.
  • the catalyst particle 3a includes a core part 4, a shell part 5a formed on the core part 4 (first shell part 6a and second shell part 7a), and a shell part 5b formed on the core part 4 ( The first shell portion 6b and the second shell portion 7b).
  • the shell portion 5b constituting the catalyst particle 3a shown in FIG. 9 there is a first shell portion 6b that is not covered by the second shell portion 7b.
  • the first shell portion 6b that is not covered by the second shell portion 7b becomes the first shell portion exposed surface 6s.
  • it is preferable that substantially the entire area of the first shell part 6a is covered with the second shell part 7a.
  • a part of the surface of the first shell portion 6b is covered with the shell portion 5b constituting the catalyst particle 3a, and the first shell portion 6b
  • the surface may be partially exposed (for example, a state where a part 6s of the surface of the first shell portion 6b shown in FIG. 9 is exposed).
  • the electrode catalyst 1 is formed on the carrier 2 with the core portion 4 and the shell portion 5 in a state where substantially the entire surface of the core portion 4 is covered by the shell portion 5.
  • a state in which a “composite” and a “composite of the core part 4 and the shell part 5 in a state where a part of the surface of the core part 4 is covered by the shell part 5” may be mixed.
  • the electrode catalyst of the present invention has the electrode catalysts 1 and 1A shown in FIGS. 6 and 7 and the electrode catalyst 1B shown in FIGS. 1C may be mixed.
  • the electrode catalyst of the present invention is in a state where the shell portion 5a and the shell portion 5b are mixed with respect to the same core portion 4 as shown in FIG. Good. Furthermore, the electrode catalyst of the present invention may be in a state in which only the shell part 5a is present with respect to the same core part 4 within the range in which the effects of the present invention can be obtained. There may be a state in which only the shell portion 5b exists (none of the states is shown).
  • the electrode catalyst of the present invention includes, on the carrier 2, in addition to at least one of the electrode catalysts 1, 1A, 1B, 1C, A state in which “particles composed only of the core portion not covered with the shell portion 5” are supported (not shown) may be included. Furthermore, within the range where the effects of the present invention can be obtained, the electrode catalyst of the present invention includes “particles consisting only of constituent elements of the shell portion 5 in addition to at least one of the electrode catalysts 1, 1A, 1B, 1C”. "May not be in contact with the core portion 4 and may be supported on the carrier 2 (not shown).
  • the electrode catalyst of the present invention includes, in addition to at least one of the electrode catalysts 1, 1A, 1B, 1C, “a core portion not covered with the shell portion 5. A state in which “only four particles” and “particles composed only of the constituent elements of the shell portion 5” are independently carried on the carrier 2 may be included.
  • the average particle size of the core part 4 is preferably 2 to 40 nm, more preferably 4 to 20 nm, and particularly preferably 5 to 15 nm.
  • a preferable range is suitably set by the design concept of the electrode catalyst.
  • the thickness of the shell part 5 is the metal element that constitutes the shell part 5. Is a thickness corresponding to twice the diameter of one atom of this metal element (when approximating a sphere).
  • the thickness corresponds to.
  • the thickness is preferably 1 to 10 nm, and more preferably 2 to 5 nm.
  • the thickness of the first shell part 6 and the second shell part 7 depends on the electrode catalyst of the present invention.
  • a preferable range is appropriately set according to the design concept.
  • a noble metal such as platinum (Pt) which is a metal element contained in the second shell portion 7
  • the second shell portion 7 is composed of one atom. It is preferable that it is a layer (one atomic layer).
  • the thickness of the second shell portion 7 is one kind of metal element constituting the second shell portion 7, the diameter of one atom of the metal element (one atom is regarded as a sphere) A thickness equivalent to about twice the case).
  • the second shell part 7 is a layer composed of one or more kinds of atoms (two or more kinds of atoms are the core part 4. It is preferable that the thickness corresponds to one atomic layer formed side by side in the surface direction.
  • the thickness of the second shell portion 7 is set to 1.0 to 5.0 nm. It is preferable that In order to further improve the durability of the electrode catalyst, the thickness of the second shell portion 7 is preferably set to 2.0 to 10.0 nm.
  • the “average particle diameter” refers to an average value of the diameters of particles composed of an arbitrary number of particle groups, as observed with an electron micrograph.
  • the support 2 is not particularly limited as long as it can support the catalyst particles 3 that are a composite composed of the core portion 4 and the shell portion 5 which are the catalyst components of the electrode catalyst 1 and has a large surface area. Furthermore, it is preferable that the support
  • Carrier 2 is glassy carbon (GC), fine carbon, carbon black, graphite, carbon fiber, activated carbon, pulverized product of activated carbon, carbon nanofiber, carbon nanotube, etc., or glass or ceramics material such as oxide. It can be adopted as appropriate.
  • a carbon-based material is preferable from the viewpoint of adsorptivity with the core portion 4 and the BET specific surface area of the carrier 2.
  • conductive carbon is preferable, and as the conductive carbon, conductive carbon black is particularly preferable. Examples of the conductive carbon black include trade names “Ketjen Black EC300J”, “Ketjen Black EC600”, “Carbon EPC” and the like (manufactured by Lion Chemical Co., Ltd.).
  • the component which comprises the core part 4 will not be specifically limited if it is a component coat
  • FIG. As in the electrode catalysts 1 and 1A shown in FIGS. 6 and 7, when the shell portion 5 adopts a single layer structure instead of the above two-layer structure, a noble metal can be adopted for the core portion 4.
  • the core part 4 constituting the catalyst particles 3, 3 a of the electrode catalyst 1, 1 ⁇ / b> A has palladium (Pd), palladium (Pd) alloy, platinum (Pt) alloy, gold (Au), nickel ( Ni) and at least one metal selected from the group consisting of nickel (Ni) alloys are included.
  • the palladium (Pd) alloy is not particularly limited as long as it is a combination of palladium (Pd) and another metal capable of forming an alloy.
  • a two-component palladium (Pd) alloy that is a combination of palladium (Pd) and another metal, or a three-component or more palladium (Pd) that is a combination of palladium (Pd) and two or more other metals.
  • Alloy examples of the two-component palladium (Pd) alloy include gold palladium (PdAu), silver palladium (PdAg), copper palladium (PdCu), and the like.
  • the ternary palladium (Pd) alloy include gold and silver palladium (PdAuAg).
  • the platinum (Pt) alloy is not particularly limited as long as it is a combination of platinum (Pt) and another metal capable of forming an alloy.
  • a two-component platinum (Pt) alloy that is a combination of platinum (Pt) and another metal, or a three-component or more platinum (Pt) that is a combination of platinum (Pt) and two or more other metals.
  • Alloy Specifically, nickel platinum (PtNi), cobalt platinum (PtCo), etc. can be illustrated as a binary platinum (Pt) alloy.
  • the nickel (Ni) alloy is not particularly limited as long as it is an alloy that is a combination of nickel (Ni) and another metal capable of forming an alloy.
  • a two-component nickel (Ni) alloy that is a combination of nickel (Ni) and another metal, or a three-component or more nickel (Ni) that is a combination of nickel (Ni) and two or more other metals ) Alloy.
  • tungsten nickel (NiW) etc. can be illustrated as a binary nickel (Ni) alloy.
  • the shell portion 5 contains at least one metal of platinum (Pt) and a platinum (Pt) alloy.
  • the platinum (Pt) alloy is not particularly limited as long as it is an alloy that is a combination of platinum (Pt) and another metal capable of forming an alloy.
  • a two-component platinum (Pt) alloy that is a combination of platinum (Pt) and another metal, or a three-component or more platinum (Pt) that is a combination of platinum (Pt) and two or more other metals.
  • Alloy Specifically, nickel platinum (PtNi), cobalt platinum (PtCo), platinum ruthenium (PtRu), platinum molybdenum (PtMo), platinum titanium (PtTi), etc. are exemplified as the binary platinum (Pt) alloy. Can do.
  • a platinum ruthenium (PtRu) alloy may be used in order to give the shell portion 5 poisoning resistance to carbon monoxide (CO).
  • the core portion 4 is preferably a metal containing a metal element other than platinum (Pt) or palladium (Pd), a metal compound, and a mixture of a metal and a metal compound, and a metal element other than a noble metal. More preferably, it is a metal, a metal compound, and a mixture of a metal and a metal compound.
  • the supported amount of platinum (Pt) contained in the shell part 5 is 5 to 20% by mass, preferably 8 to 16% by mass, based on the weight of the electrode catalyst 1. It is preferable that the supported amount of platinum (Pt) is 5% by mass or more because the catalytic activity as the electrode catalyst can be sufficiently exerted, and the supported amount of platinum (Pt) is 20% by mass or less. It is preferable from the viewpoint.
  • the first shell part 6 is composed of palladium (Pd), palladium (Pd) alloy, platinum (Pt). It is preferable that at least one metal selected from the group consisting of an alloy, gold (Au), nickel (Ni), and nickel (Ni) alloy is included, and that palladium (Pd) alone is included. Is more preferable. From the viewpoint of obtaining higher and easier catalytic activity of the electrode catalysts 1B and 1C, the first shell portion 6 is more preferably composed of palladium (Pd) alone as a main component (50 wt% or more), More preferably, it is composed only of palladium (Pd) alone.
  • the second shell portion 7 preferably contains at least one metal of platinum (Pt) and a platinum (Pt) alloy, and more preferably contains platinum (Pt) alone. From the viewpoint of easily obtaining the catalyst activities of the electrode catalysts 1B and 1C more easily, the second shell portion 7 is preferably composed of platinum (Pt) alone as a main component (50 wt% or more). (Pt) It is more preferable that it is composed only of a single substance.
  • the electrode catalyst obtained by the method for producing an electrode catalyst of the present invention uses an electrode catalyst precursor having a chlorine (Cl) species concentration of 6000 ppm or more measured by fluorescent X-ray (XRF) analysis. Even if it is a case, it has a technical feature in that the concentration of the chlorine (Cl) species is reduced by passing through at least step (1) and step (2) of the method for producing an electrode catalyst.
  • the method for producing an electrode catalyst of the present invention uses chlorine (Cl) when a catalyst precursor for an electrode having a chlorine (Cl) species concentration of 6000 ppm or more measured by X-ray fluorescence (XRF) analysis is used as a raw material. ) It is possible to easily provide a catalyst for an electrode in which the concentration of the seed is reduced to 5000 ppm or less, and further to a level of 2000 to 4000 ppm.
  • the chlorine (Cl) species is measured by fluorescent X-ray (XRF) analysis.
  • a value obtained by measuring the chlorine (Cl) species contained in the electrode catalyst obtained by the method for producing an electrode catalyst by a fluorescent X-ray (XRF) analysis method is the concentration of the chlorine (Cl) species.
  • the concentration of the chlorine (Cl) species is the concentration of chlorine atoms converted to chlorine element contained in the electrode catalyst.
  • a fluorescent X-ray (XRF) analysis method irradiates a sample containing an element A with primary X-rays, generates fluorescent X-rays of the element A, and measures the intensity of the fluorescent X-rays relating to the element A, thereby Is a method for quantitative analysis of the element A contained in.
  • XRF fluorescent X-ray
  • FP method fundamental parameter method of theoretical calculation may be employed.
  • the FP method utilizes the fact that the intensity of each fluorescent X-ray (XRF) can be theoretically calculated if the type and composition of the elements contained in the sample are all known.
  • the FP method estimates a composition that matches the X-ray fluorescence (XRF) of each element obtained by measuring the sample.
  • the X-ray fluorescence (XRF) analysis method is a general-purpose fluorescence X such as an energy dispersive X-ray fluorescence (XRF) analyzer, a scanning X-ray fluorescence (XRF) analyzer, and a multi-element simultaneous X-ray fluorescence (XRF) analyzer. This is done by using a line (XRF) analyzer.
  • the X-ray fluorescence (XRF) analyzer includes software, and performs experimental data processing on the relationship between the intensity of the fluorescent X-ray (XRF) of the element A and the concentration of the element A by the software.
  • the software is not particularly limited as long as it is generally adopted in a fluorescent X-ray (XRF) analysis method.
  • fluorescent X-ray (XRF) analyzer examples include, for example, a wavelength dispersion type fully automatic fluorescent X-ray analyzer (trade name: Axios “Axios”) (manufactured by Spectris Co., Ltd.).
  • the electrode catalyst obtained by the method for producing an electrode catalyst of the present invention has a chlorine (Cl) species concentration measured by fluorescent X-ray (XRF) analysis of less than 6000 ppm, preferably 5000 ppm or less, more preferably 2000 to The level is reduced to 4000 ppm (when a catalyst precursor for an electrode having a chlorine (Cl) species concentration of 6000 ppm or more is used). It is preferable that the concentration of the chlorine (Cl) species is 4000 ppm or less because sufficient catalytic activity can be easily exerted as an electrode catalyst, the catalyst layer is not corroded, and the battery life is not shortened.
  • XRF fluorescent X-ray
  • the electrode catalyst production method of the present invention may use an electrode catalyst precursor with a reduced concentration of chlorine (Cl) species as a raw material for the electrode catalyst after the pretreatment step. it can.
  • the manufacturing method of the electrode catalyst of the present invention can be used even if the concentration of chlorine (Cl) species is less than 6000 ppm as the electrode catalyst raw material. It is preferable to use an electrode catalyst precursor having a lower concentration of chlorine (Cl) species because the work for removing chlorine (Cl) species and the amount of ultrapure water used can be reduced.
  • the X-ray fluorescence (XRF) analysis method is performed as follows, for example. (1) Measuring device / wavelength dispersion type fully automatic X-ray fluorescence analyzer Axios (manufactured by Spectris) (2) Measurement conditions and analysis software: “UniQuant5” (semi-quantitative software using FP (four peak method) method) -XRF measurement room atmosphere: helium (normal pressure) (3) Measurement procedure (i) The sample container containing the sample is placed in the XRF sample chamber. (ii) Replace the XRF sample chamber with helium gas.
  • FIG. 10 shows a gas diffusion electrode forming composition containing the electrode catalyst of the present invention, a gas diffusion electrode produced using this gas diffusion electrode forming composition, and a membrane / electrode assembly comprising this gas diffusion electrode
  • FIG. 1 is a schematic view showing a preferred embodiment of a fuel cell stack including MEA) and this membrane-electrode assembly (MEA).
  • the fuel cell stack S shown in FIG. 10 has a configuration in which a membrane / electrode assembly (MEA) 400 is used as one unit cell and a plurality of the unit cells are stacked.
  • MEA membrane / electrode assembly
  • the fuel cell stack S has a membrane / electrode assembly (MEA) 400 including an anode 200a, a cathode 200b, and an electrolyte membrane 300 disposed between these electrodes.
  • MEA membrane / electrode assembly
  • the fuel cell stack S has a configuration in which the membrane / electrode assembly (MEA) is sandwiched between the separator 100a and the separator 100b.
  • the gas diffusion electrode forming composition, the gas diffusion electrode 200a and the gas diffusion electrode 200b, and the membrane / electrode assembly (MEA) 400, which are members of the fuel cell stack S including the electrode catalyst of the present invention, will be described.
  • the electrode catalyst 1 can be used as a so-called catalyst ink component to form the gas diffusion electrode forming composition of the present invention.
  • the composition for forming a gas diffusion electrode of the present invention is characterized by containing the above-mentioned electrode catalyst.
  • the composition for forming a gas diffusion electrode contains the electrode catalyst and an ionomer solution as main components.
  • the ionomer solution contains water, alcohol, and a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity.
  • the mixing ratio of water and alcohol in the ionomer solution may be any ratio that provides a viscosity suitable for applying the gas diffusion electrode forming composition to the electrode.
  • alcohol is added to 100 parts by weight of water. It is preferable to contain 0.1 to 50.0 parts by weight.
  • the alcohol contained in the ionomer solution is preferably a monohydric alcohol or a polyhydric alcohol. Examples of the monohydric alcohol include methanol, ethanol, propanol, butanol and the like. Examples of the polyhydric alcohol include dihydric alcohols and trihydric alcohols.
  • Examples of the dihydric alcohol include ethylene glycol, diethylene glycol, tetraethylene glycol, propylene glycol, 1,3-butanediol, and 1,4-butanediol.
  • Examples of the trihydric alcohol include glycerin.
  • the alcohol contained in the ionomer solution may be a single type or a combination of two or more types of alcohol.
  • an additive such as a surfactant can be appropriately contained in the ionomer solution as necessary.
  • the ionomer solution contains a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity as a binder component in order to improve adhesion to the gas diffusion layer that is a member constituting the gas diffusion electrode.
  • the polymer electrolyte is not particularly limited, and examples thereof include known perfluorocarbon resins having a sulfonic acid group and a carboxylic acid group.
  • polymer electrolytes having hydrogen ion conductivity Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) It can be illustrated.
  • the gas diffusion electrode forming composition can be prepared by mixing an electrode catalyst and an ionomer solution, crushing, and stirring.
  • the composition for forming a gas diffusion electrode can be prepared using a pulverizing mixer such as a ball mill or an ultrasonic disperser.
  • the pulverization conditions and the stirring conditions when operating the pulverization mixer can be appropriately set according to the mode of the gas diffusion electrode forming composition.
  • Each composition of the electrode catalyst, water, alcohol, and polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity contained in the gas diffusion electrode forming composition has a good dispersion state of the electrode catalyst, and the electrode catalyst is gas diffused. It is necessary to set so that the entire catalyst layer of the electrode can be widely spread and the power generation performance of the fuel cell can be improved.
  • 0.1 to 2.0 parts by weight of polymer electrolyte, 0.01 to 2.0 parts by weight of alcohol, and 2.0 to 20.0 parts by weight of water with respect to 1.0 part by weight of the electrode catalyst It is preferable that More preferably, it is 0.3 to 1.0 part by weight of polymer electrolyte, 0.1 to 2.0 parts by weight of alcohol, and 5.0 to 6.0 parts by weight of water with respect to 1.0 part by weight of the electrode catalyst. It is preferable.
  • the coating film made of the gas diffusion electrode forming composition is preferable because it does not spread too much on the gas diffusion electrode, and the coating made of the gas diffusion electrode forming composition It is preferable because the film can form a coating film having an appropriate and uniform thickness.
  • the weight of the polymer electrolyte is a weight in a dry state and does not include a solvent in the polymer electrolyte solution, and the weight of water is a weight including water contained in the polymer electrolyte solution.
  • the gas diffusion electrodes (200a, 200b) of the present invention include a gas diffusion layer 220 and an electrode catalyst layer 240 laminated on at least one surface of the gas diffusion layer 220.
  • the electrode catalyst layer 240 included in the gas diffusion electrodes (200a, 200b) contains the electrode catalyst 1 described above.
  • the gas diffusion electrode 200 of the present invention can be used as an anode and also as a cathode. In FIG. 10, for convenience, the upper gas diffusion electrode 200 is an anode 200a, and the lower gas diffusion electrode 200 is a cathode 200b.
  • the electrode catalyst layer 240 is a layer in which, in the anode 200a, a chemical reaction is performed in which the hydrogen gas sent from the gas diffusion layer 220 is dissociated into hydrogen ions by the action of the electrode catalyst 1 included in the electrode catalyst layer 240. It is. Further, the electrode catalyst layer 240 is an electrode in which the electrode catalyst layer 240 includes air (oxygen gas) sent from the gas diffusion layer 220 and hydrogen ions moving from the anode through the electrolyte membrane in the cathode 200b. It is a layer in which a chemical reaction is performed by the action of the catalyst 1 for use.
  • the electrode catalyst layer 240 is formed using the gas diffusion electrode forming composition.
  • the electrode catalyst layer 240 has a large surface area so that the reaction between the electrode catalyst 1 and the hydrogen gas or air (oxygen gas) sent from the gas diffusion layer 220 can be sufficiently performed.
  • the electrode catalyst layer 240 is preferably formed so as to have a uniform thickness throughout. The thickness of the electrode catalyst layer 240 may be appropriately adjusted and is not limited, but is preferably 2 to 200 ⁇ m.
  • the gas diffusion layer 220 provided in the gas diffusion electrode 200 includes hydrogen gas introduced from the outside of the fuel cell stack S into a gas flow path formed between the separator 100a and the gas diffusion layer 220a, the separator 100b, This is a layer provided for diffusing air (oxygen gas) introduced into the gas flow path formed between the gas diffusion layers 220b into each electrode catalyst layer 240.
  • the gas diffusion layer 220 has a role of supporting the electrode catalyst layer 240 on the gas diffusion electrode 200 and immobilizing it on the surface of the gas diffusion electrode 200.
  • the gas diffusion layer 220 has a role of increasing contact between the electrode catalyst 1 included in the electrode catalyst layer 240 and hydrogen gas or air (oxygen gas).
  • the gas diffusion layer 220 has a function of allowing the hydrogen gas or air (oxygen gas) supplied from the gas diffusion layer 220 to pass through well and reaching the electrode catalyst layer 240. Therefore, the gas diffusion layer 220 has a water repellent property so that the pore structure, which is a microstructure in the gas diffusion layer 220, is not blocked by the water generated in the electrode catalyst 1 and the cathode 200b. It is preferable to have. For this reason, the gas diffusion layer 220 has a water repellent component such as polyethylene terephthalate (PTFE).
  • PTFE polyethylene terephthalate
  • the member that can be used for the gas diffusion layer 220 is not particularly limited, and a known member used for the gas diffusion layer of the fuel cell electrode can be used.
  • a known member used for the gas diffusion layer of the fuel cell electrode can be used.
  • carbon paper, carbon paper as a main raw material, and carbon powder, ion-exchanged water as optional components, and a secondary material made of polyethylene terephthalate dispersion as a binder are applied to carbon paper.
  • the thickness of the gas diffusion layer can be appropriately set depending on the size of the fuel cell and the like, and is not particularly limited. However, in order to shorten the reaction gas diffusion distance, a thin one is preferable. On the other hand, since it is also required to have mechanical strength in the coating and assembling processes, for example, those having a thickness of about 50 to 300 ⁇ m are usually used.
  • the gas diffusion electrode 200a and the gas diffusion electrode 200b may include an intermediate layer (not shown) between the gas diffusion layer 220 and the electrode catalyst layer 240.
  • the gas diffusion electrode 200a and the gas diffusion electrode 200b have a three-layer structure including a gas diffusion layer, an intermediate layer, and a catalyst layer.
  • the method for producing a gas diffusion electrode comprises a composition for forming a gas diffusion electrode comprising an electrode catalyst 1 having a catalyst component supported on a carrier, a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity, and an ionomer solution of water and alcohol. And a step of drying the gas diffusion layer 220 coated with the gas diffusion electrode forming composition to form an electrode catalyst layer 240.
  • What is important in the process of applying the gas diffusion electrode forming composition onto the gas diffusion layer 220 is to uniformly apply the gas diffusion electrode forming composition onto the gas diffusion layer 220.
  • a coating film made of the gas diffusion electrode forming composition having a uniform thickness is formed on the gas diffusion layer 220.
  • the coating amount of the gas diffusion electrode forming composition can be appropriately set depending on the usage form of the fuel cell. From the viewpoint of the cell performance of the fuel cell equipped with the gas diffusion electrode, platinum contained in the electrode catalyst layer 240 is used.
  • the amount of the active metal such as 0.1 to 0.5 (mg / cm 2 ) is preferable.
  • the coating film of the gas diffusion electrode forming composition applied to the gas diffusion layer 220 is dried to obtain the gas diffusion layer 220.
  • An electrode catalyst layer 240 is formed thereon.
  • the coating film of the gas diffusion electrode forming composition present on the gas diffusion layer 220 is an electrode catalyst containing an electrode catalyst and a polymer electrolyte.
  • Layer 240 is formed.
  • the membrane-electrode assembly 400 (hereinafter referred to as MEA) of the present invention is an anode 200a and a cathode 200b that are gas diffusion electrodes 200 using the electrode catalyst 1 and an electrolyte that partitions these electrodes. 300.
  • the membrane / electrode assembly (MEA) 400 can be manufactured by laminating the anode 200a, the electrolyte 300, and the cathode 200b in this order, and then pressing them.
  • the separator 100a (anode side) is attached to the outside of the anode 200a of the obtained membrane-electrode assembly (MEA) 400, and the separator 100b (cathode side) is attached to the outside of the cathode 200b.
  • One unit cell (single cell).
  • the unit cell (unit cell) is integrated to form a fuel cell stack S.
  • the fuel cell system is completed by attaching and assembling peripheral devices to the fuel cell stack S.
  • an electrode catalyst was produced by the following process.
  • the raw material of the electrode catalyst used was as follows. ⁇ Carbon black powder: Trade name “Ketjen Black EC300” (Ketjen Black International) ⁇ Sodium tetrachloropalladium (II) ⁇ Palladium nitrate ⁇ Potassium chloroplatinate
  • Platinum (Pt) coating on palladium (core) By dripping a potassium chloroplatinate aqueous solution containing platinum (Pt) equivalent to twice the substance amount ratio with respect to the coated copper into a solution containing copper-palladium-supported carbon coated with palladium on palladium. The copper (Cu) in the copper-palladium supported carbon was replaced with platinum (Pt).
  • Step (P1) The powder of platinum-palladium-supported carbon particles in which copper (Cu) of the copper-palladium-supported carbon obtained as described above is replaced with platinum (Pt) is converted into ultrapure water without drying.
  • a dispersed P1 liquid was prepared.
  • (I) was obtained.
  • Example 1 [First step] 5.0 g of the obtained pretreated electrode catalyst precursor 1 was weighed and placed in a container. Next, 1000 mL of ultrapure water was added to the vessel, and the pretreated electrode catalyst precursor 1 was reslurried. The resulting aqueous dispersion was kept at room temperature (25 ° C.) and held for about 240 minutes with stirring. . [Second to third steps] Using ultrapure water, insoluble components contained in the dispersion were filtered off and washed.
  • Example 1 The electrode catalyst obtained in Example 1 was designated as Catalyst 1.
  • Example 2 [Fourth step] 5.0 g of the catalyst 1 obtained in Production Example 1 was weighed and placed in a container. Next, 1000 (mL) of ultrapure water was added to the vessel, and the aqueous dispersion obtained by reslurrying the catalyst 1 was kept at room temperature (25 ° C.) and held for 240 minutes with stirring. [Steps 5 to 6] An electrode catalyst was obtained in the same manner as in the second to third steps of Example 1 except that the temperature of the ultrapure water used for washing in the second step was 80 ° C. The electrode catalyst obtained in Example 2 was designated as Catalyst 2. The catalyst 2 was subjected to the same ICP analysis as in Example 1, and the platinum loading and palladium loading shown in Table 2 were measured.
  • Example 3 In Example 2, the electrode catalyst-ultra pure water dispersion (iv) obtained in the fifth step is held at 90 ° C. for about 240 minutes between the fifth step and the sixth step.
  • An electrode catalyst was obtained in the same manner as in Example 2 except that the above step was performed.
  • the electrode catalyst obtained in Example 3 was designated as Catalyst 3.
  • the catalyst 3 was subjected to the same ICP analysis as in Example 1, and the platinum loading and palladium loading shown in Table 2 were measured.
  • Example 4 In Example 1, the electrode catalyst precursor 1 was kept at room temperature (25 ° C.) in a 0.05 M sulfuric acid aqueous solution and held for about 60 minutes with stirring before the first step. Washing was repeated until the electrical conductivity of the filtrate obtained after the above treatment was 10 ⁇ S / cm or less, and the obtained filtrate was dispersed in ultrapure water. Next, the dispersion was filtered, and the obtained filtrate was dried at 70 ° C. in air for about 24 hours. An electrode catalyst was obtained in the same manner as in Example 1 except for the above steps. The electrode catalyst obtained in Example 4 was designated as Catalyst 4. The catalyst 4 was subjected to the same ICP analysis as in Example 1, and the platinum loading and palladium loading shown in Table 2 were measured.
  • Example 5 the electrode catalyst precursor 2 was used instead of the electrode catalyst precursor 1, and an electrode catalyst was prepared by the following procedure. That is, in Example 1, the electrode catalyst precursor 2 was kept at room temperature (25 ° C.) in a 1.0 M sulfuric acid aqueous solution and held for about 60 minutes with stirring before the first step. Washing was repeated until the electrical conductivity of the filtrate obtained after the above treatment was 10 ⁇ S / cm or less, and the obtained filtrate was dispersed in ultrapure water. Next, the dispersion was filtered, and the obtained filtrate was dried at 70 ° C. in air for about 24 hours. Thereafter, it was treated with an aqueous oxalic acid solution (0.3 M) at 90 ° C.
  • Example 5 An electrode catalyst was obtained in the same manner as in Example 1 except for the above steps.
  • the electrode catalyst obtained in Example 5 was designated as Catalyst 5.
  • the catalyst 5 was subjected to the same ICP analysis as in Example 1, and the platinum loading and palladium loading shown in Table 2 were measured.
  • the sample for measuring the electrode catalyst was placed in an XRF sample container attached to the wavelength dispersion type fluorescent X-ray measurement apparatus.
  • An XRF sample container containing a measurement sample of the electrode catalyst is placed in the XRF sample chamber, and the XRF sample chamber is replaced with helium gas. Thereafter, fluorescent X-ray measurement was performed under a helium gas atmosphere (normal pressure).
  • the software used was “UniQuant5”, an analysis software for wavelength dispersive X-ray fluorescence spectrometers.
  • the measurement conditions are set to “UQ5 application” in accordance with the analysis software “UniQuant5”, the main component of the electrode catalyst measurement sample is “carbon (component element of electrode catalyst carrier)”, and the sample analysis result display
  • the calculation mode is set so that the format is “element”.
  • the measurement result was analyzed by analysis software “UniQuant5” to calculate the concentration of chlorine (Cl) species.
  • the measurement results are shown in Table 2.
  • the concentration of the chlorine (Cl) species in the electrode catalyst precursor is 6000 ppm (the concentration of the first chlorine (Cl) species or the second chlorine (Cl).
  • the electrode catalyst can be easily reduced by greatly reducing the chlorine (Cl) seed to less than 6000 ppm, further less than 5000 ppm, and further to a level of about 2000 ppm to about 4000 ppm.
  • the method for producing an electrode catalyst of the present invention chlorine (Cl) can be obtained by a relatively simple operation even when an electrode catalyst precursor having a high concentration of chlorine (Cl) species is used. It is possible to obtain an electrode catalyst in which the seed content is surely and sufficiently reduced. Moreover, the manufacturing method of the electrode catalyst of the present invention can simplify the manufacturing process and reduce the manufacturing cost. Accordingly, the present invention is a method for producing an electrode catalyst that can be applied not only to the electrical equipment industry such as fuel cells, fuel cell vehicles, and portable mobiles, but also to energy farms, cogeneration systems, and the like. Contributes to technology-related development.

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Abstract

高濃度の塩素を含有している電極用触媒前駆体を原料として用いても簡易な操作により、塩素(Cl)種の含有量が十分に低減された電極用触媒を得ることができる電極用触媒の製造方法の提供。 担体上に形成されるコア部とコア部の表面の少なくとも一部を覆うように形成されるシェル部とを含むコア・シェル構造を有する電極用触媒の製造方法であり、工程(1);塩素(Cl)種を含む材料を使用して製造され、蛍光X線分析法により測定される塩素(Cl)種の濃度が第1の塩素(Cl)種の濃度以上の電極用触媒前駆体(I)を、超純水に添加させた第1の液を調製する第1の工程と、工程(2);超純水を用いて、電極用触媒前駆体(I)をろ過洗浄し、得られるろ液の電気伝導率ρが第1の設定値以下となるまで洗浄し、得られる電極用触媒前駆体(II)を超純水に分散させた第2の液を調製する第2の工程とを含む。

Description

電極用触媒の製造方法、電極用触媒、ガス拡散電極形成用組成物、ガス拡散電極、膜・電極接合体(MEA)及び燃料電池スタック
 本発明は、電極用触媒の製造方法に関する。また、本発明は、上記電極用触媒の製造方法により得られた電極用触媒、当該電極用触媒を含むガス拡散電極形成用組成物、ガス拡散電極、膜・電極接合体(MEA)、燃料電池スタックに関する。
 いわゆる固体高分子形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:以下、必要に応じて「PEFC」という)は、作動温度が室温から80℃程度である。また、PEFCは、燃料電池本体を構成する部材に安価な汎用プラスチック等を採用することができるので、軽量化が可能となる。さらに、PEFCは、固体高分子電解質膜の薄膜化が可能であり、電気抵抗を小さくすることができ、発電ロスを比較的容易に少なくすることができる。このようにPEFCは、多くの利点を有しているので、燃料電池自動車、家庭用コジェネレーションシステム等への応用が可能となっている。
 PEFC用の電極用触媒としては、担体であるカーボンに電極触媒成分である白金(Pt)又は白金(Pt)合金が担持された電極用触媒が提案されている(例えば、非特許文献1)。
 従来、PEFC用の電極用触媒について、当該電極用触媒に含まれる塩素含有量が100ppm以上であると、電極用触媒として望ましくないことが開示されている(例えば、特許文献3)。その理由について、電極用触媒に含まれる塩素含有量が100ppm以上であると、燃料電池用の電極用触媒として十分な触媒活性を得ることができないこと、触媒層の腐食が発生し、燃料電池の寿命が短縮してしまうことが開示されている。
 そこで、電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体を備え、電極が備えている触媒層内電解質に含まれている酸基のプロトンの一部がホスホニウムイオンで交換されているPEFCが提案されている(例えば、特許文献1)。上記PEFCにおいて、上記ホスホニウムイオンの対アニオンは、ハロゲン元素を含まない化合物となっている。この理由ついて、ハロゲン元素が電極内に残留すると電池性能を低下させることが開示されている。
 また、電解質膜の両面に触媒層を含む電極が接合された膜・電極接合体(MEA)を備えたPEFCが提案されている(例えば、特許文献2)。このPEFCの触媒層に含まれるPd/Pt粒子の触媒成分であるPd及びPtは、ハロゲン化物に由来している。
 このため、特許文献2に記載されたPd/Pt粒子の製造方法は、Pd及びPtを作製する際に使用するイオン交換液として、ハロゲンを含まない化合物をイオン交換液に採用している。特許文献2には、ハロゲンイオンは、電池性能を低下させるため、使用を避けるべきであることが開示されている。また、特許文献2には、脱ハロゲンイオン処理方法として、温水洗浄が例示されている。
 さらに、電極用触媒の触媒成分として、100ppm未満の塩素を含有する白金(Pt)又は白金(Pt)合金の粉末の製造方法が提案されている(例えば、特許文献3)。
 上記白金(Pt)又は白金(Pt)合金の粉末の製造方法としては以下の方法が開示されている。すなわち、出発物質として、塩素を含まない白金化合物と塩素を含まない合金化元素の溶融物を形成した後、この溶融物の酸化物を与えるまで加熱し、当該酸化物を冷却後、水に溶解して形成される酸化物を還元するプロセスを経る調製方法が開示されている。
 一方、今後のPEFCの開発において、実用化に向けて発電性能を維持したまま又はさらに向上させつつ様々なコストダウンを図っていくことが重要となっている。
 そのため、電極用触媒の開発についても同様の観点からの検討が重要となっており、いわゆるコア・シェル構造を有する電極用触媒(コア・シェル触媒)の検討も行われている(例えば、特許文献4、特許文献5)。このコア・シェル触媒の製造工程においては、原料として金属の塩化物塩が使用される場合が多い。
 例えば、特許文献4及び特許文献5にはコア部の構成元素としてパラジウム、シェル部の構成元素として白金を採用した構成のコア・シェル触媒が開示されているが、シェル部の原料として、塩化白金カリウムが例示されている。
 このように、コア部の構成元素としてパラジウム、シェル部の構成元素として白金を採用した構成のコア・シェル触媒は、白金(Pt)の塩化物塩、パラジウム(Pd)の塩化物塩などの塩素(Cl)種を含む材料が原料として使用される場合が多い。その理由は、白金(Pt)、パラジウム(Pd)の塩化物塩が入手容易であり、製造条件の中で取扱容易であり、原料コストが比較的低いからであると考えられる。そのため、コア・シェル触媒の場合、十分な触媒活性を発揮させるために、積極的にハロゲン元素(特に塩素)を含まない化合物を出発原料として採択することで対応することは困難である。
 なお、本件特許出願人は、上記文献公知発明が記載された刊行物として、以下の刊行物を提示する。
特開2009-238560号公報(特許第5358997号公報) 特開2008-293737号公報(特許第5169025号公報) 特開2003-129102号公報(特許第4286499号公報) 特表2011-526655号公報 特開2013-215701号公報
MATSUOKA et al., "Degradation of polymer electrolyte fuel cells under the existence of anion species", J. Power Sources, 2008.05.01, Vol.179 No.2, p.560-565
 上述の技術的背景を勘案すると、特に、いわゆるコア・シェル構造を有する電極用触媒においては、原料として白金(Pt)、パラジウム(Pd)等の金属の塩化物塩を原料として使用する一方で、電極用触媒に含まれる塩素(Cl)種の含有量を確実かつ十分に低減することができる電極用触媒の製造工程を検討することが重要となる。
 しかしながら、比較的簡便な手法により塩素(Cl)種の含有量を確実かつ十分に低減することができるコア・シェル構造を有する電極用触媒の製造方法は、これまで十分に検討されておらず、未だ改善の余地があった。
 例えば、特許文献1には、ハロゲン元素が電極内に残留すると電池性能を低下させることが記載されている。しかしながら、特許文献1には、ハロゲン元素の除去方法として、温水洗浄等が記載されているに過ぎず、具体的な対策は記載されていない。
 さらに、特許文献2には、電極用触媒の原料としてハロゲン化合物を用い、特に脱ハロゲン処理(洗浄)をしていない場合や電極用触媒の原料としてハロゲン化合物を用いていないで、酸、水洗浄をしたこと場合が開示されているに過ぎない。また、100ppm未満の塩素を含有する白金(Pt)等の粉末を含んだ電極用触媒を製造するためには、特許文献3等に開示された塩素を除去する複雑なプロセスを含んだ電極用触媒の製造方法を採用しなければならないという不都合があった。
 本発明は、かかる技術的事情に鑑みてなされたものであって、比較的高濃度の塩素(Cl)種を含有している電極用触媒前駆体を電極用触媒の原料として用いても、比較的簡便な操作により、塩素種の含有量を確実かつ十分に低減することができる電極用触媒の製造方法を提供することを目的とする。
 また、本発明は、上記電極用触媒の製造方法によって得られた電極用触媒と、この電極用触媒を含む、ガス拡散電極形成用組成物、ガス拡散電極、膜・電極接合体(MEA)、及び、燃料電池スタックを提供することを目的とする。
 本件発明者等は、鋭意検討を行った結果、コア・シェル構造を有する電極用触媒において、以下の知見を見出し、本発明を完成するに至った。
 すなわち、本件発明者等は、超純水と蛍光X線(XRF)分析法により測定される塩素(Cl)種の濃度が比較的高濃度(例えば、6000ppm以上の濃度)の電極用触媒前駆体とを含む液を一定条件下においてろ過洗浄処理することにより、得られる電極用触媒の塩素(Cl)種の含有量を確実かつ十分に低減することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
 より具体的には、本発明は、以下の技術的事項から構成される。
 すなわち、本発明は、
 (1) 担体と、前記担体上に形成されるコア部と、前記コア部の表面の少なくとも一部を覆うように形成されるシェル部と、を含むコア・シェル構造を有する電極用触媒の製造方法であって、
 工程(1);塩素(Cl)種を含む材料を使用して製造されており、蛍光X線(XRF)分析法により測定される塩素(Cl)種の濃度が予め設定された第1の塩素(Cl)種の濃度以上の電極用触媒前駆体(I)を、超純水に添加して、前記電極用触媒前駆体(I)を超純水に分散させた第1の液を調製する第1の工程と、
 工程(2);超純水を用いて、前記第1の液に含まれる前記電極用触媒前駆体(I)をろ過洗浄して、洗浄した後に得られるろ液のJIS規格試験法(JIS K0552)により測定される電気伝導率ρが予め設定された第1の設定値以下となるまで洗浄を繰り返し、得られた電極用触媒前駆体(II)を超純水に分散させて第2の液を調製する第2の工程と、を含む、電極用触媒の製造方法を提供する。
 本発明の製造方法によれば、比較的簡便な操作により、生成物である電極用触媒について塩素(Cl)種の含有量を確実かつ十分に低減することができる。
 すなわち、本発明の製造方法においては、超純水に電極用触媒前駆体を分散させて得られる液について、予め設定された電気伝導率の設定値以下となるよう洗浄を繰り返すこと、洗浄処理を経て得られるろ物を一旦乾燥させた後に再び超純水に再分散させること、これらの洗浄処理や再分散処理を実施する際の液温を必要に応じて変化させるといった比較的に簡便な操作を組み合わせることにより、生成物である電極用触媒の塩素(Cl)種の含有量を確実かつ十分に低減することができる。
 また、本発明によれば、塩素(Cl)種の含有量を確実かつ十分に低減できるので、得られる電極用触媒について、当該塩素(Cl)種の影響により発生する触媒活性の低下を十分に防止することが容易にできる。
 さらに、本発明の製造方法は、塩素を除去するための試薬を使用しない条件や、酸などを使用する場合であっても比較的低濃度でかつ超純水で容易に洗浄除去できる条件といった比較的クリーンな条件で電極用触媒の製造を実施することも可能である。そのため、この観点から、本発明の製造方法は、電極用触媒の量産化に適しており、製造コストの低減にも適している。
 ここで、本発明において、塩素(Cl)種とは、構成成分元素として塩素を含む化学種をいう。具体的には、塩素を含む化学種には、塩素原子(Cl)、塩素分子(Cl)、塩素化物イオン(Cl-)、塩素ラジカル(Cl・)、多原子塩素イオン、塩素化合物(X-Cl等、ここで、Xは対イオン)が含まれる。
 また、本発明において、塩素(Cl)種の濃度は、蛍光X線(XRF)分析法により測定される。電極用触媒に含まれる塩素(Cl)種を蛍光X線(XRF)分析法により、測定した値が塩素(Cl)種の濃度である。
 なお、塩素(Cl)種の濃度は、電極用触媒に含まれる塩素元素に換算された塩素原子の濃度となっている。
 さらに、本発明は、
 (2) 前記第1の塩素(Cl)種の濃度が6000ppmである、(1)に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。この第1の塩素(Cl)種の濃度の数値は、後述する比較例の結果により支持されている。
 また、本発明は、
 (3) 前記第1の設定値が100μS/cm以下の範囲から選択される値である(1)又は(2)に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
 さらに、本発明は、
 (4) 前記第1の工程に供される電極用触媒前駆体(I)が、
 工程(P1);塩素(Cl)種を含む材料を使用して製造されており、蛍光X線(XRF)分析法により測定される塩素(Cl)種の濃度が予め設定された第2の塩素(Cl)種の濃度以上の電極用触媒前駆体(PI)を、超純水に添加して、前記電極用触媒前駆体(PI)を超純水に分散させた第P1の液を調製する第P1の工程と、
 工程(P2);超純水を用いて、前記第P1の液に含まれる前記電極用触媒前駆体(PI)を洗浄して、洗浄した後に得られるろ液のJIS規格試験法(JIS K0552)により測定される電気伝導率ρが予め設定された第P1の設定値以下となるまで洗浄を繰り返し、得られた電極用触媒前駆体(PII)を超純水に分散させて第P2の液を調製する第P2の工程と、
 工程(P3);前記第P2の液を乾燥する第P3の工程と、を含む前処理を施されているものである、
(1)~(3)いずれか1に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
 このように、第P2の工程の後に得られた分散液を第P3の工程において一旦乾燥させ、その後に第1の工程において再び超純水に分散させること(いわゆるリスラリー化すること)により、より確実に電極用触媒前駆体に含まれる塩素(Cl)種を低減できることを本発明者らは見出した。
 本発明者らは、第1の工程(更にこれに続く第2の工程)において、電極用触媒前駆体の粉体には、超純水中に分散されて保持されている状態(又はその後に超純水でろ過洗浄されている状態)にあるにもかかわらず、十分に洗浄されていない部分(例えば、粉体の細孔表面のうち、超純水が接触できていない部分)が存在していると考えている。
 そして、本発明者らは、第P3の工程において、第P2の工程の後に得られた分散液を一旦乾燥させた上で、得られる電極用触媒前駆体の粉体を第1の工程において超純水を使用してリスラリーすることにより、前の工程で超純水が接触できなかった部分のうちの少なくとも一部が新たに超純水に接触し洗浄されることになると考えている。
 さらに、本発明は、
 (5) 前記第2の塩素(Cl)種の濃度が6000ppmである、(4)に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
 また、本発明は、
 (6) 予め設定された第P1の設定値が100μS/cm以下の範囲から選択される値である(4)又は(5)に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
 さらに、本発明は、
 (7) 工程(3);前記第2の工程の後に得られた前記第2の液を乾燥する第3の工程をさらに含む、(1)~(6)いずれか1に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
 また、本発明は、
 (8) 工程(4);前記第3の工程の後に得られた電極用触媒前駆体(III)を超純水に添加し、前記電極用触媒前駆体(III)を超純水に分散させた第3の液を調製する第4の工程をさらに含む、(7)に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
 このように、第2の工程の後に得られた分散液を第3工程において一旦乾燥させ、その後に第4の工程において再び超純水に分散させること(いわゆるリスラリー化すること)により、より確実に電極用触媒前駆体に含まれる塩素(Cl)種を低減できることを本発明者らは見出した。
 すなわち、第P3の工程を経て第1の工程を実施する場合の説明で述べたリスラリー化により得られる効果と同じ効果が得られる。
 さらに、本発明は、
 (9) 工程(5);前記第4の工程の後に、60℃以上かつ沸点以下の超純水を用いて、前記第3の液に含まれる電極用触媒前駆体(III)をろ過洗浄して、洗浄した後に得られるろ液の前記電気伝導率ρが予め設定された第2の設定値以下となるまで洗浄を繰り返し、得られた電極用触媒前駆体(IV)を超純水に分散させた第4の液を調製する第5の工程と、
 工程(6);前記第4の液を乾燥する第6の工程を含む、(8)に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
 また、本発明は、
 (10) 前記第2の設定値が100μS/cm以下の範囲から選択される値である(9)に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
 さらに、本発明は、
 (11) 工程(7);前記工程(5)と前記工程(6)の乾燥工程との間に、
 前記第4の液を60℃以上かつ沸点以下の範囲で予め設定された少なくとも1段階の設定温度でかつ予め設定された保持時間で保持する第7の工程をさらに含む、(9)又は(10)に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
 また、本発明は、
 (12) 工程(1’);前記第1の工程前に電極用触媒前駆体(I)を、超純水に硫酸及び硝酸からなる群から選択される少なくとも1種の酸を添加した水溶液に分散させて、10~95℃の範囲で予め設定された少なくとも1段階の設定温度でかつ予め設定された保持時間で保持する工程をさらに含む、(1)~(11)いずれか1に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
 さらに、本発明は、
 (13) 前記シェル部には、白金(Pt)及び白金(Pt)合金のうちの少なくとも1種の金属が含有されており、
 前記コア部には、パラジウム(Pd)、パラジウム(Pd)合金、白金(Pt)合金、金(Au)、ニッケル(Ni)、及びニッケル(Ni)合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属が含まれている、(1)~(12)いずれか1に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
 さらに、本発明は、
 (14) 前記シェル部を構成する金属の原料として、白金(Pt)塩化物が使用されている、(13)に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
 さらに、本発明は、
 (15) 前記シェル部が、前記コア部の表面の少なくとも一部を覆うように形成される第1シェル部と、当該第1シェル部の表面の少なくとも一部を覆うように形成される第2シェル部と、を有している、(1)~(14)のいずれか1に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
 さらに、本発明は、
 (16) 前記第2シェル部を構成する金属の原料として、白金(Pt)塩化物が使用されている(15)に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
 また、本発明は、
 (17) (1)~(16)のいずれか1に記載の電極用触媒の製造方法により得られた電極用触媒を提供する。
 さらに、本発明は、
 (18) (1)~(16)のいずれか1に記載の電極用触媒の製造方法により得られた電極用触媒が含有されている、ガス拡散電極形成用組成物を提供する。
 また、本発明は、
 (19) (1)~(16)のいずれか1に記載の電極用触媒の製造方法により得られた電極用触媒が含有されている、ガス拡散電極を提供する。
 さらに、本発明は、
 (20) (19)に記載のガス拡散電極が含まれている、膜・電極接合体(MEA)を提供する。
 また、本発明は、
 (21) (20)に記載の膜・電極接合体(MEA)が含まれている、燃料電池スタックを提供する。
 本発明の電極用触媒の製造方法によれば、比較的高濃度(例えば、6000ppm以上の濃度)の塩素(Cl)種を含有している電極用触媒前駆体を電極用触媒の原料として用いても、比較的簡易な操作により、塩素(Cl)種の含有量が確実かつ十分に低減された電極用触媒を得ることができる。
 すなわち、本発明の製造方法においては、超純水に電極用触媒前駆体を分散させて得られる液について、予め設定された電気伝導率の設定値以下となるよう洗浄を繰り返すこと、洗浄処理を経て得られるろ物を一旦乾燥させた後に再び超純水に再分散させること、これらの洗浄処理や再分散処理を実施する際の液温を必要に応じて変化させるといった比較的に簡便な操作を組み合わせることにより、生成物である電極用触媒の塩素(Cl)種の含有量を確実かつ十分に低減することができる。
 また、本発明によれば、塩素(Cl)種の含有量を確実かつ十分に低減できるので、得られる電極用触媒について、当該塩素(Cl)種の影響により発生する触媒活性の低下を十分に防止することが容易にできる電極用触媒の製造方法が提供できる。
 さらに、本発明によれば、塩素を除去するための試薬を使用しない条件や、酸などを使用する場合であっても比較的低濃度でかつ超純水で容易に洗浄除去できる条件といった比較的クリーンな条件で電極用触媒の製造を実施することも可能である。そのため、本発明の製造方法は、電極用触媒の量産化に適しており、製造コストの低減にも適した電極用触媒の製造方法が提供できる。
 また、本発明よれば、上記電極用触媒の製造方法によって得られる塩素(Cl)種の濃度が十分に低減された電極用触媒、当該電極用触媒を含む、ガス拡散電極形成用組成物、ガス拡散電極、膜・電極接合体(MEA)、及び、燃料電池スタックを提供することができる。
本発明の電極用触媒の製造方法の第1の工程~第3の工程を含んだ電極用触媒の製造方法の製造工程の好適な一実施形態を示したフローチャートである。 本発明の電極用触媒の製造方法の前処理工程を含んだ電極用触媒の製造方法の製造工程の好適な一実施形態を示したフローチャートである。 本発明の電極用触媒の製造方法の第4の工程~第6の工程を含んだ電極用触媒の製造方法の製造工程の好適な一実施形態を示したフローチャートである。 本発明の電極用触媒の製造方法の第4の工程~第7の工程含んだ電極用触媒の製造方法の製造工程の好適な一実施形態を示したフローチャートである。 本発明の電極用触媒の製造方法の酸処理工程を含んだ電極用触媒の製造方法の製造工程の好適な一実施形態を示したフローチャートである。 本発明の電極用触媒(コア・シェル触媒)の好適な一形態を示す模式断面図である。 本発明の電極用触媒(コア・シェル触媒)の別の好適な一形態を示す模式断面図である。 本発明の電極用触媒(コア・シェル触媒)の別の好適な一形態を示す模式断面図である。 本発明の電極用触媒(コア・シェル触媒)の別の好適な一形態を示す模式断面図である。 本発明の燃料電池スタックの好適な一実施形態を示す模式図である。
 以下、適宜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する。まず、本発明の電極用触媒の製造方法について説明し、次にこの電極用触媒の製造方法により得られる電極用触媒等について説明する。
<電極用触媒の製造方法>
 本発明の電極用触媒の製造方法は、工程(1);塩素(Cl)種を含む材料を使用して製造されており、蛍光X線(XRF)分析法により測定される塩素(Cl)種の濃度が予め設定された第1の塩素(Cl)種の濃度(例えば、6000ppm以上の濃度)の電極用触媒前駆体(I)を、超純水に添加して、この電極用触媒前駆体(I)を超純水に分散させた第1の液を調製する第1の工程と、工程(2);超純水を用いて、前記第1の液に含まれる前記電極用触媒前駆体(I)をろ過洗浄して、洗浄した後に得られるろ液のJIS規格試験法(JIS K0552)により測定される電気伝導率ρが予め設定された第1の設定値以下となるまで洗浄を繰り返し、得られた電極用触媒前駆体(II)を超純水に分散させて第2の液を調製する第2の工程と、を含むことを特徴とする。
 図1は、第1の工程~第3の工程を含んだ電極用触媒の製造方法の製造工程の好適な一実施形態の各操作を示したフローチャートである。第1の工程において、電極用触媒前駆体(I)を含む第1の液を調製する。第2の工程において、第1の液に含まれる電極用触媒前駆体(I)を、超純水を用いて洗浄し、電極用触媒前駆体(II)を含む第2の液を調製する。以下、各工程について説明する。
(第1の工程)
 本発明の電極用触媒の製造方法は、第1の工程を含む。第1の工程において、超純水、所定の電極用触媒前駆体を含む、第1の液を調製する。
[超純水]
 本発明の電極用触媒の製造方法が含む、第1の工程において使用される「超純水」は、以下の一般式(1)で表される比抵抗R(JIS規格試験法(JIS K0552)により測定される電気伝導率の逆数)が3.0MΩ・cm以上である水である。また、「超純水」はJISK0557「用水・排水の試験に用いる水」に規定されている「A3」のに相当する水質又はそれ以上の清浄な水質を有していることが好ましい。
 上記超純水は、下記一般式(1)で表される関係を満たす電気伝導率を有している水であれば、特に限定されない。例えば、上記超純水として、超純水製造装置「Milli-Qシリーズ」(メルク株式会社製)、「Elix UVシリーズ」(日本ミリポア株式会社製)を使用して製造される超純水を挙げることができる。なお、第1の工程において、上記超純水を使用することにより、電極用触媒に塩素(Cl)種等の不純物が含まれないことになるため好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001

 上記一般式(1)において、Rは比抵抗を表し、ρはJIS規格試験法(JIS K0552)により測定される電気伝導率を表す。
[電極用触媒前駆体]
 第1の工程において使用される電極用触媒前駆体(I)は、蛍光X線(XRF)分析法により測定される塩素(Cl)種の濃度が予め設定された第1の塩素(Cl)種の濃度(例えば、6000ppm)以上という条件を満たしている。上記電極用触媒前駆体(I)に含まれている塩素(Cl)種は、電極用触媒の原料となる触媒成分及び処理液に由来する。
 従来採用されている塩素(Cl)種を含む材料を使用した電極用触媒の製造方法により得られる電極用触媒は、特に塩素(Cl)種の除去を施さない限りは、通常、蛍光X線(XRF)分析法により測定される塩素(Cl)種の濃度が第1の塩素(Cl)種の濃度以上の比較的高濃度(例えば、第1の塩素(Cl)種の濃度が6000ppm)となっている。本発明者らの検討によれば、従来採用されている塩素(Cl)種を含む材料を使用した電極用触媒の製造方法により得られる電極用触媒(本発明においては電極用触媒前駆体)は、上記分析法により測定される塩素(Cl)種の濃度が6000ppm以上となっている(後述の比較例の結果を参照)。
 すなわち、第1の工程において使用される電極用触媒前駆体(I)は、従来採用されている電極用触媒の製造方法により得られる電極用触媒に相当する。
 電極用触媒前駆体(I)は、電極用触媒の触媒成分(コア部4、シェル部5)を担体2に担持させることより製造される。
 電極用触媒前駆体の製造方法は、担体2に電極用触媒1の触媒成分を担持させることができる方法であれば、特に制限されるものではない。
 例えば、担体2に電極用触媒1の触媒成分を含有する溶液を接触させ、担体2に触媒成分を含浸させる含浸法、電極用触媒1の触媒成分を含有する溶液に還元剤を投入して行う液相還元法、アンダーポテンシャル析出(UPD)法等の電気化学的析出法、化学還元法、吸着水素による還元析出法、合金触媒の表面浸出法、置換めっき法、スパッタリング法、真空蒸着法等を採用した製造方法を例示することができる。
(第2の工程)
 本発明の電極用触媒の製造方法は、第2の工程を含む。第2の工程において、第1の液に含まれる電極用触媒前駆体(I)を、超純水を用いて洗浄し、電極用触媒前駆体(II)を含む第2の液を調製する。第2の工程は、超純水を用いて、第1の工程で調製した第1の液に含まれる電極用触媒前駆体(I)をろ過洗浄する。第2工程において、第1の液をろ過洗浄することにより、電極用触媒前駆体(I)に含まれる塩素(Cl)種が除去される。その結果、電極用触媒前駆体(I)の塩素(Cl)種に含まれる濃度は、大きく減少する。
 第2の工程において、第1の液の洗浄に使用する超純水は、第1の工程において使用される超純水と同一であってもよい。電極用触媒前駆体(I)は、洗浄した後に得られるろ液の電気伝導率ρが予め設定された第1の設定値以下となるまで洗浄される。
 第1の設定値は、電極用触媒前駆体(I)に含まれる塩素(Cl)種の濃度の基準となっている。洗浄した後に得られるろ液の電気伝導率ρが第1の設定値以下であるか否かを判断することによって、電極用触媒前駆体(I)に含まれる塩素(Cl)種の濃度が低減できているか否かを判断することができる。
 第2の工程において、電極用触媒前駆体(I)は、第1の設定値以下となるまで繰り返し洗浄される。洗浄した後に得られるろ液の電気伝導率ρが第1の設定値以下であれば、電極用触媒前駆体(I)に含まれる塩素(Cl)種の大部分は、除去される。洗浄した後に得られるろ液の電気伝導率ρが第1の設定値以下となった場合、電極用触媒前駆体(I)の洗浄を完了する。洗浄を完了した後の電極用触媒前駆体に含まれる塩素(Cl)種の濃度は大きく低下する。第2の工程において、洗浄を完了した後の電極用触媒前駆体を電極用触媒前駆体(II)とする。電極用触媒前駆体(II)を超純水に分散させた液は第2の液となる。第2の液を乾燥することによって、電極用触媒前駆体(II)が得られる。得られた電極用触媒前駆体(II)は、電極用触媒として使用されてもよいし、第2の工程の後に設けられている第3の工程等に電極用触媒前駆体として使用されてもよい。
 なお、第2の工程における、ろ過洗浄の方法は、本発明の電極用触媒のコア・シェル構造を損なわない方法であれば特に限定されない。上記ろ過洗浄の方法としては、ろ紙やメンブレンフィルターを用いて、自然ろ過や減圧ろ過する方法等が挙げられる。
 第1の設定値は、電極用触媒に含まれる塩素(Cl)種の濃度に応じて適宜設定することができる。第1の設定値は、100μS/cm以下の範囲から選択される値であることが好ましい。さらに、第1の設定値は、10μS/cm以下の範囲から選択される値であることがより好ましい。第1の設定値が100μS/cm以下であると、電極用触媒前駆体(II)に含まれる上記塩素(Cl)種の濃度を6000ppm未満に容易に低減でき、更には5000ppm以下、更には2000~4000ppmの水準にまで容易に低減することができるため好ましい。
(前処理工程)
 本発明の電極用触媒の製造方法においては、第1の工程に供される電極用触媒前駆体(I)として、以下の工程(P1)~工程(P3)を含む「前処理工程」を経由して得られた電極用触媒前駆体(I)を採用してもよい。図2は、前処理工程の好適な一実施形態の各操作を示したフローチャートである。
 図2に示されるように、前処理工程は、工程(P1);塩素(Cl)種を含む材料を使用して製造されており、蛍光X線(XRF)分析法により測定される塩素(Cl)種の濃度が予め設定された第2の塩素(Cl)種の濃度以上の比較的高濃度(例えば、第2の塩素(Cl)種の濃度が6000ppm)の電極用触媒前駆体(PI)を、超純水に添加して、前記電極用触媒前駆体(PI)を超純水に分散させた第P1の液を調製する第P1の工程と、
 工程(P2);超純水を用いて、前記第P1の液に含まれる前記電極用触媒前駆体(PI)を洗浄して、洗浄した後に得られるろ液のJIS規格試験法(JIS K0552)により測定される電気伝導率ρが予め設定された第P1の設定値以下となるまで洗浄を繰り返し、得られた電極用触媒前駆体(PII)を超純水に分散させて第P2の液を調製する第P2の工程と、
 工程(P3);前記第P2の液を乾燥する工程を含む。
 前処理工程において、予め設定される第2の塩素(Cl)種の濃度は、通常、第1の工程において設定される第1の塩素(Cl)種の濃度よりも高く設定される。
 このように本発明の電極用触媒の製造方法において、第1の塩素(Cl)種の濃度及び第2の塩素(Cl)種の濃度は、電極用触媒前駆体に含まれている塩素(Cl)種の濃度、製造プロセスに応じて予め設定される。
 第P2の工程におけるろ過洗浄の方法は、第2の工程におけるろ過洗浄の方法と同様である。第P2の工程における第P1の設定値は、100μS/cm以下、更に10μS/cm以下の範囲から選択される値であることが好ましい。また、第P3の工程における乾燥の方法は、後述する第3の工程における乾燥の方法と同様である。
 ここで、第1の工程が前処理工程を経由する場合、予め設定される第1の設定値は、通常は前処理工程において設定される第P1の設定値以下又は第P1の設定値より低くに設定される。
 ただし、先に述べたリスラリーの効果により、前処理工程よりも第1工程(及び第2工程)において、洗浄により除去される塩素(Cl)種の量が増え、塩素(Cl)種の濃度が大きくなる場合には、第1の設定値が第P1の設定値よりも高く設定される場合もある。
 電極用触媒前駆体(PI)を前処理工程に付することによって、電極用触媒前駆体(PI)に含まれる塩素(Cl)種が除去される。そして、塩素(Cl)種の濃度が低減された電極用触媒前駆体(PII)を第1の工程における電極用触媒前駆体(I)とする。かかる電極用触媒前駆体(I)は、第1の工程に付される。第1の工程においては、工程(P1)~工程(P3)を経由して得られた電極用触媒前駆体(I)を出発物質として用い、各操作を実行する。このように、本発明の電極用触媒の製造方法においては、第1の工程の前に前処理工程を設けて、電極用触媒前駆体(I)に含まれる塩素(Cl)種の濃度をさらに低減させることができる。
 また、先に述べたように、第P2の工程の後に得られた分散液を第P3の工程において一旦乾燥させ、その後に第1の工程において再び超純水に分散させること(いわゆるリスラリー化すること)により、より確実に電極用触媒前駆体に含まれる塩素(Cl)種を低減できる。
(第3の工程)
 本発明の電極用触媒の製造方法は、第3の工程を含む。第3の工程は、第2の工程の後に得られた第2の液を乾燥する工程である。第2の液を乾燥する条件は、第2の液に含まれている電極用触媒を得ることができる乾燥温度及び乾燥時間を備えていれば特に制限されない。例えば、乾燥温度は、20~90℃であり、乾燥時間は、0.5~48.0時間である。
(第4の工程)
 図3は、第4の工程~第6の工程を含んだ電極用触媒の製造方法の好適な一実施形態を示したフローチャートである。図3に示されたように、本発明の電極用触媒の製造方法は、第4の工程を含む。第4の工程においては、第3の工程の後に得られた電極用触媒を電極用触媒前駆体(II)とみなす。そして、第4の工程においては、電極用触媒前駆体(II)を超純水に添加することにより、第3の液を調製する。上記電極用触媒前駆体(II)に含まれている塩素(Cl)種は、超純水と接触することにより除去される。電極用触媒前駆体(II)の塩素(Cl)種の濃度は、さらに低下する。第4の工程により得られた電極用触媒前駆体を電極用触媒前駆体(III)とする。
 また、先に述べたように、第2の工程の後に得られた分散液を第3の工程において一旦乾燥させ、その後に第4の工程において再び超純水に分散させること(いわゆるリスラリー化すること)により、より確実に電極用触媒前駆体に含まれる塩素(Cl)種を低減できる。
(第5の工程)
 本発明の電極用触媒の製造方法は、第5の工程を含む。第5の工程では、第4の工程の後に、60℃以上かつ沸点以下の超純水を用いて、第3の液に含まれる電極用触媒(III)がろ過洗浄される。上記電極用触媒(III)に含まれている塩素(Cl)種は、60℃以上かつ沸点以下の超純水と接触することにより、除去される。第5の工程においては、超純水として60℃以上かつ沸点以下の超純水を用いているため、上記電極用触媒(III)に含まれている塩素(Cl)種をより効果的に除去することができる。
 次に、第5の工程において、電極用触媒前駆体(III)は、第2の設定値以下となるまで繰り返し洗浄される。洗浄した後に得られるろ液の電気伝導率ρが第2の設定値以下であれば、電極用触媒前駆体(III)に含まれる塩素(Cl)種の大部分は、除去される。洗浄した後に得られるろ液の電気伝導率ρが第2の設定値以下となった場合、電極用触媒前駆体(III)の洗浄を完了する。洗浄を完了した後の電極用触媒前駆体に含まれる塩素(Cl)種の濃度は大きく低下する。第5の工程において、洗浄を完了した後の電極用触媒前駆体を電極用触媒前駆体(IV)とする。電極用触媒前駆体(IV)を超純水に分散させた液は、第4の液となる。
 第2の設定値は、電極用触媒に含まれる塩素(Cl)種の濃度に応じて適宜設定することができる。第2の設定値は、100μS/cm以下の範囲から選択される値であることが好ましい。さらに、第2の設定値は、10μS/cm以下の範囲から選択される値であることがより好ましい。第2の設定値が100μS/cm以下であると、電極用触媒前駆体(IV)に含まれる上記塩素(Cl)種の濃度を6000ppm未満に容易に低減でき、更には5000ppm以下、更には2000~4000ppmの水準にまで容易に低減することができるため好ましい。
(第6の工程)
 本発明の電極用触媒の製造方法は、第6の工程を含む。第6の工程は、第4の液を乾燥することによって、電極用触媒前駆体(IV)を得る工程である。得られた電極用触媒前駆体(IV)は、電極用触媒として使用される。
(第7の工程)
 図4は、第4の工程~第7の工程を含んだ電極用触媒の製造方法の好適な一実施形態を示したフローチャートである。図4に示されたように、本発明の電極用触媒の製造方法は、第7の工程を含む。第7の工程は、第5の工程と第6の工程との間に、第4の液を所定温度、所定時間にて保持する工程を含む。第4の液は、60℃以上かつ沸点以下(好ましくは80~95℃)の範囲で予め設定された少なくとも1段階の設定温度により、保持される。第4の液を60℃以上かつ沸点以下(好ましくは80~95℃)の範囲にて保持することにより電極用触媒前駆体(IV)に含まれる上記塩素(Cl)種が効果的に除去される。上記設定温度は、多段階に設定されていてもよい。設定温度を多段階にすることにより、電極用触媒前駆体(IV)に含まれる上記塩素(Cl)種の除去量を制御することができる。
 保持温度は、60℃以上かつ沸点以下(好ましくは80~95℃)の範囲内であれば特に制限されるものではないが、電極用触媒前駆体(IV)に含まれる塩素(Cl)種の濃度、前処理の有無、超純水を用いたろ過洗浄を繰り返した回数により、適宜設定される。
 保持時間は、電極用触媒前駆体(IV)に含まれるが塩素(Cl)種が第4の液内において、60℃以上かつ沸点以下(好ましくは80~95℃)となっている超純水と接触して、十分に除去される時間であれば特に制限されない。
 第7の工程において、第5の工程と第6の工程との間に、第4の液を所定温度、所定時間にて保持することにより、電極用触媒前駆体(IV)に含まれていた塩素(Cl)種は完全に除去される。そして、電極用触媒前駆体中の蛍光X線(XRF)分析法により測定される塩素(Cl)種の濃度は、大きく低下する。第7の工程及び第6の工程により得られた電極用触媒を電極用触媒(V)とする。最終的に上記塩素(Cl)種の濃度が6000ppm未満に容易に低減でき、更には5000ppm以下、更には2000~4000ppmの水準にまで容易に低減されることによって、上記電極用触媒前駆体(V)は、本発明の電極用触媒となる。
(第1’の工程:酸処理工程)
 本発明の電極用触媒の製造方法は、酸処理工程である第1’の工程を含む。第1’の工程は、第1の工程前に行われる。第1’の工程においては、電極用触媒前駆体(I)に換えて、電極用触媒前駆体(I)を用いる。この電極用触媒前駆体(I)を超純水に硫酸及び硝酸からなる群から選択される少なくとも1種の酸を添加した水溶液に分散させて第1’の液を調製する。さらに、この第1’の液を10~95℃(好ましくは20~90℃)の範囲で予め設定された少なくとも1段階の設定温度でかつ予め設定された保持時間で保持する。
 第1’の液には、酸が添加されているため、電極用触媒前駆体(I)に含まれる塩素(Cl)種が第1’の液中に存在するプロトンと反応して、塩素(Cl)種が効果的に除去される。さらに第1’の液は、20~90℃の範囲にて保持される。第1’の液に存在する電極用触媒前駆体(I)に含まれる上記塩素(Cl)種は、除去される。上記設定温度は、10~95℃(好ましくは20~90℃)の範囲内において、多段階に設定されていてもよい。設定温度を多段階にすることにより、電極用触媒前駆体(I)に含まれる上記塩素(Cl)種の除去量を制御することができる。
 保持時間は、電極用触媒前駆体(I)に含まれる塩素(Cl)種が第1’の液内において、10~95℃(好ましくは20~90℃)の範囲となっている超純水に含まれる酸と接触して、十分に除去される時間であれば特に制限されない。
 第1’の工程においては、第1’の液に含まれる電極用触媒前駆体(I)を第1の工程において使用する電極用触媒前駆体(I)とみなす。かかる電極用触媒前駆体(I)は、第1の工程に付される。第1の工程においては、第1’の工程を経由して得られた電極用触媒前駆体(I)を出発物質として用い、各操作を実行する。このように、本発明の電極用触媒の製造方法においては、第1の工程の前に酸処理工程を設けて、電極用触媒前駆体(I)に含まれる塩素(Cl)種の濃度をさらに低減させることができる。
 第1’の工程においては、電極用触媒前駆体(I)を繰り返して洗浄する必要がなく、ろ過洗浄後に得られるろ液の電気伝導率ρを測定する必要もない。このため、本発明の電極用触媒の製造方法において、第1の工程前に酸処理工程である第1’の工程を設けていることは、技術的に大きな意義を有する。
 このように、本発明の電極用触媒の製造方法によれば、電極用触媒前駆体に含まれる塩素(Cl)種を低減することができる。本発明の電極用触媒の製造方法により得られた電極用触媒は、蛍光X線(XRF)分析法により測定した塩素(Cl)種の濃度が6000ppm未満に容易に低減でき、更には5000ppm以下、更には2000~4000ppmの水準にまで容易に低減されている。
 本発明の電極用触媒の製造方法により得られた電極用触媒は、上記蛍光X線(XRF)分析法により測定される塩素(Cl)種の濃度が6000ppm未満、更には5000ppm以下、より好ましくは2000~4000ppmの水準にまで低減されていることから、電極用触媒に要求される触媒活性を十分に発揮することができ、触媒層の腐食の問題を回避することができる。
 なお、表1に本発明の電極用触媒の製造方法に含まれる工程、各工程において得られている液(超純水+電極用触媒前駆体)に含まれている電極用触媒前駆体、最終生成物である電極用触媒をまとめた。
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<電極用触媒>
 図6は、本発明の電極用触媒の製造方法によって得られた電極用触媒1(コア・シェル触媒)の好適な一形態を示す模式断面図である。
 図6に示されるように電極用触媒の製造方法によって得られた電極用触媒1は、担体2と担体2上に担持された、いわゆる「コア・シェル構造」を有する触媒粒子3を含んでいる。触媒粒子3は、コア部4と、コア部4の表面の少なくとも一部を被覆するように形成されたシェル部5とを備えている。触媒粒子3はコア部4とコア部4上に形成されるシェル部5とを含むいわゆる「コア・シェル構造」を有する。
 すなわち、電極用触媒1は、担体2に担持された触媒粒子3を有しており、この触媒粒子3は、コア部4を核(コア)とし、シェル部5がシェルとなってコア部4の表面を被覆している構造を備えている。
 また、コア部4の構成元素(化学組成)と、シェル部5の構成元素(化学組成)は異なる構成となっている。
 本発明において、電極用触媒1は、触媒粒子3が有しているコア部4の表面の少なくとも一部の上にシェル部5が形成されていればよく、特に限定されるものではない。
 例えば、本発明の効果をより確実に得る観点からは、図6に示すように、電極用触媒1は、シェル部5によってコア部4の表面の略全域が被覆された状態であることが好ましい。
 また、本発明の効果を得られる範囲において、電極用触媒1は、シェル部5によってコア部4の表面の一部が被覆され、コア部4の表面が部分的に露出した状態であってもよい。
 すなわち、本発明において、電極用触媒は、コア部の表面の少なくとも一部にシェル部が形成されていればよい。
 図7は、本発明の電極用触媒(コア・シェル触媒)の別の好適な一形態(電極用触媒1A)を示す模式断面図である。
 図7に示されるように、本発明の電極用触媒1Aは、コア部4と、コア部4の表面の一部を被覆するシェル部5a及びコア部4の他の表面の一部を被覆するシェル部5bから構成されている触媒粒子3aを有している。
 図7に示された電極用触媒1Aが含んでいる触媒粒子3aにおいて、シェル部5aによっても、シェル部5bによっても被覆されていないコア部4が存在する。このようなコア部4が、コア部露出面4sとなる。
 すなわち、図7に示されるように、本発明の効果を得ることができる範囲において、電極用触媒1Aが含んでいる触媒粒子3aは、コア部4の表面が部分的に露出した状態(例えば、図7に示されたコア部4の表面の一部である4sが露出した状態)であってもよい。
 別の表現をすれば、図7に示された電極用触媒1Aのように、コア部4の表面の一部にシェル部5a、他の表面の一部にシェル部5bがそれぞれ部分的に形成されていてもよい。
 図8は、本発明の電極用触媒(コア・シェル触媒)の別の好適な一形態(電極用触媒1B)を示す模式断面図である。
 図8に示されるように、本発明の電極用触媒1Bは、コア部4と、コア部4の表面の略全域を被覆するシェル部5から構成されている触媒粒子3を有している。
 シェル部5は、第1シェル部6と第2シェル部7とを備えた二層構造であってもよい。すなわち、触媒粒子3は、コア部4とコア部4上に形成されるシェル部5(第1シェル部6及び第2シェル部7)とを含む、いわゆる「コア・シェル構造」を有する。
 電極用触媒1Bは、担体2に担持された触媒粒子3を有し、触媒粒子3がコア部4を核(コア)とし、第1シェル部6及び第2シェル部7がシェル部5となってコア部4の表面の略全域が被覆されている構造を有している。
 なお、コア部4の構成元素(化学組成)と、第1シェル部6の構成元素(化学組成)と、第2シェル部7の構成元素(化学組成)とは、それぞれ異なる構成となっている。
 また、本発明の電極用触媒1Bが備えているシェル部5は、第1シェル部6、第2シェル部7に加えて、さらに別のシェル部を備えているものであってもよい。
 本発明の効果をより確実に得る観点からは、図8に示すように、電極用触媒1Bは、シェル部5によってコア部4の表面の略全域が被覆された状態であることが好ましい。
 図9は、本発明の電極用触媒(コア・シェル触媒)の別の好適な一形態(電極用触媒1C)を示す模式断面図である。
 図9に示されるように、本発明の電極用触媒1Cは、コア部4と、コア部4の表面の一部を被覆するシェル部5a、及びコア部4の他の表面の一部を被覆するシェル部5bから構成されている触媒粒子3aを有している。
 シェル部5aは、第1シェル部6aと第2シェル部7aとを備えた二層構造であってもよい。
 また、シェル部5bは、第1シェル部6bと第2シェル部7bとを備えた二層構造であってもよい。
 すなわち、触媒粒子3aは、コア部4と、コア部4上に形成されるシェル部5a(第1シェル部6a及び第2シェル部7a)と、コア部4上に形成されるシェル部5b(第1シェル部6b及び第2シェル部7b)と、を含む、いわゆる「コア・シェル構造」を有する。
 図9に示された触媒粒子3aを構成するシェル部5bにおいて、第2シェル部7bよって被覆されていない第1シェル部6bが存在する。第2シェル部7bよって被覆されていない第1シェル部6bが第1シェル部露出面6sとなる。
 図9に示されるように触媒粒子3aを構成するシェル部5aにおいて、第1シェル部6aの略全域が第2シェル部7aによって被覆された状態であることが好ましい。
 また、図9に示されるように本発明の効果を得られる範囲において、触媒粒子3aを構成するシェル部5bにおいて、第1シェル部6bの表面の一部が被覆され、第1シェル部6bの表面が部分的に露出した状態(例えば、図9に示された第1シェル部6bの表面の一部6sが露出した状態)であってもよい。
 更に、本発明の効果を得られる範囲において、電極用触媒1は、担体2上に、「シェル部5によってコア部4の表面の略全域が被覆された状態のコア部4及びシェル部5の複合体」と、「シェル部5によってコア部4の表面の一部が被覆された状態のコア部4及びシェル部5の複合体」とが混在した状態であってもよい。
 具体的には、本発明の電極用触媒は、本発明の効果を得られる範囲において、図6及び7に示した電極用触媒1、1Aと、図8及び9に示した電極用触媒1B、1Cとが混在した状態であってもよい。
 更に、本発明の電極用触媒は、本発明の効果を得られる範囲において、図9に示されるように同一のコア部4に対し、シェル部5aとシェル部5bとか混在した状態であってもよい。
 更に、本発明の電極用触媒は、本発明の効果を得られる範囲において、同一のコア部4に対し、シェル部5aのみが存在する状態であってもよく、同一のコア部4に対し、シェル部5bのみが存在する状態であってもよい(いずれの状態も図示せず)。
 また、本発明の効果を得られる範囲において、本発明の電極用触媒には、担体2上に、上記電極用触媒1、1A、1B、1Cの少なくとも1種に加えて、「コア部4がシェル部5によって被覆されていないコア部のみからなる粒子」が担持された状態が含まれていてもよい(図示せず)。
 更に、本発明の効果を得られる範囲において、本発明の電極用触媒には、上記電極用触媒1、1A、1B、1Cの少なくとも1種に加えて「シェル部5の構成元素のみからなる粒子」がコア部4に接触しない状態で担体2に担持された状態が含まれていてもよい(図示せず)。
 また、本発明の効果を得られる範囲において、本発明の電極用触媒には、上記電極用触媒1、1A、1B、1Cの少なくとも1種に加えて「シェル部5に被覆されていないコア部4のみの粒子」と、「シェル部5の構成元素のみからなる粒子」とが、それぞれ独立に担体2に担持された状態が含まれていてもよい。
 コア部4の平均粒子径は2~40nmが好ましく、4~20nmがより好ましく、5~15nmが特に好ましい。
 シェル部5の厚さ(コア部4との接触面から当該シェル部5の外表面までの厚さ)については、電極用触媒の設計思想によって好ましい範囲が適宜設定される。
 例えば、シェル部5を構成する金属元素(例えば白金など)の使用量を最小限にすることを意図している場合には、シェル部5の厚さは、当該シェル部5を構成する金属元素が1種類の場合には、この金属元素の1原子の直径(球形近似した場合)の2倍に相当する厚さであることが好ましい。また、当該シェル部5を構成する金属元素が2種類以上の場合には、1原子で構成される層(2種類以上の原子がコア部4の表面に並置されて形成される1原子層)に相当する厚さであることが好ましい。
 また、例えば、シェル部5の厚さをより大きくすることにより耐久性の向上を図る場合には、1~10nmが好ましく、2~5nmがより好ましい。
 シェル部5が第1シェル部6と第2シェル部7から構成される二層構造である場合には、第1シェル部6と第2シェル部7の厚さは、本発明の電極用触媒の設計思想によって好ましい範囲が適宜設定される。
 例えば、第2シェル部7に含まれる金属元素である白金(Pt)等の貴金属の使用量を最小限にすることを意図している場合には、第2シェル部7は、1原子で構成される層(1原子層)であることが好ましい。この場合には、第2シェル部7の厚さは、当該第2シェル部7を構成する金属元素が1種類の場合には、当該金属元素の1原子の直径(1原子を球形とみなした場合)の約2倍に相当する厚さであることが好ましい。
 また、第2シェル部7に含まれる金属元素が2種類以上である場合には、当該第2シェル部7は、1種類以上の原子で構成される層(2種類以上の原子がコア部4の表面方向に並置されて形成される1原子層)に相当する厚さであることが好ましい。例えば、第2シェル部7の厚さをより大きくすることにより、電極用触媒の耐久性を向上させることを図る場合には、当該第2シェル部7の厚さを1.0~5.0nmとすることが好ましい。電極用触媒の耐久性をさらに向上させることを図る場合には、当該第2シェル部7の厚さを2.0~10.0nmとすることが好ましい。
 なお、本発明において「平均粒子径」とは、電子顕微鏡写真観察による、任意の数粒子群からなる粒子の直径の平均値のことをいう。
 担体2は、電極用触媒1の触媒成分であるコア部4とシェル部5からなる複合体である触媒粒子3を担持することができ、かつ表面積の大きいものであれば特に制限されない。さらに、担体2は、電極用触媒1を含んだガス拡散電極形成用組成物中で良好な分散性を有し、優れた導電性を有するものであることが好ましい。
 担体2は、グラッシーカーボン(GC)、ファインカーボン、カーボンブラック、黒鉛、炭素繊維、活性炭、活性炭の粉砕物、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系材料や酸化物等のガラス系あるいはセラミックス系材料などから適宜採択することができる。これらの中で、コア部4との吸着性及び担体2が有するBET比表面積の観点から、炭素系材料が好ましい。更に、炭素系材料としては、導電性カーボンが好ましく、特に、導電性カーボンとしては、導電性カーボンブラックが好ましい。導電性カーボンブラックとしては、商品名「ケッチェンブラックEC300J」、「ケッチェンブラックEC600」、「カーボンEPC」等(ライオン化学株式会社製)を例示することができる。
 コア部4を構成する成分は、シェル部5によって、被覆される成分であれば特に限定されない。
 図6、7に示された電極用触媒1、1Aのように、シェル部5が上記二層構造ではなく、一層構造を採用する場合には、コア部4に貴金属を採用することもできる。上記電極用触媒1、1Aが有している触媒粒子3、3aを構成するコア部4には、パラジウム(Pd)、パラジウム(Pd)合金、白金(Pt)合金、金(Au)、ニッケル(Ni)、及びニッケル(Ni)合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属が含まれている。
 パラジウム(Pd)合金は、パラジウム(Pd)と合金を形成することができる他の金属との組み合わせであれば特に制限されるものでない。例えば、パラジウム(Pd)と他の金属との組み合わせである2成分系のパラジウム(Pd)合金、パラジウム(Pd)と2種類以上の他の金属との組み合わせである3成分系以上のパラジウム(Pd)合金であってもよい。具体的には、2成分系のパラジウム(Pd)合金として、金パラジウム(PdAu)、銀パラジウム(PdAg)、銅パラジウム(PdCu)等を例示することができる。3成分系のパラジウム(Pd)合金としては、金銀パラジウム(PdAuAg)等を例示することができる。
 白金(Pt)合金は、白金(Pt)と合金を形成することができる他の金属との組み合わせである合金であれば、特に制限されるものでない。例えば、白金(Pt)と他の金属との組み合わせである2成分系の白金(Pt)合金、白金(Pt)と2種類以上の他の金属との組み合わせである3成分系以上の白金(Pt)合金であってもよい。具体的には、2成分系の白金(Pt)合金として、ニッケル白金(PtNi)、コバルト白金(PtCo)等を例示することができる。
 ニッケル(Ni)合金は、ニッケル(Ni)と合金を形成することができる他の金属との組み合わせである合金であれば、特に制限されるものでない。例えば、ニッケル(Ni)と他の金属との組み合わせである2成分系のニッケル(Ni)合金、ニッケル(Ni)と2種類以上の他の金属との組み合わせである3成分系以上のニッケル(Ni)合金であってもよい。具体的には、2成分系のニッケル(Ni)合金として、タングステンニッケル(NiW)等を例示することができる。
 シェル部5には、白金(Pt)及び白金(Pt)合金のうちの少なくとも1種の金属が含まれている。白金(Pt)合金は、白金(Pt)と合金を形成することができる他の金属との組み合わせである合金であれば特に制限されるものでない。例えば、白金(Pt)と他の金属との組み合わせである2成分系の白金(Pt)合金、白金(Pt)と2種類以上の他の金属との組み合わせである3成分系以上の白金(Pt)合金であってもよい。具体的には、2成分系の白金(Pt)合金として、ニッケル白金(PtNi)、コバルト白金(PtCo)、白金ルテニウム(PtRu)、白金モリブデン(PtMo)、白金チタン(PtTi)等を例示することができる。なお、シェル部5に一酸化炭素(CO)に対する耐被毒性を持たせるためには、白金ルテニウム(PtRu)合金を使用してもよい。
 図8、9に示された電極用触媒1B、1Cのように、シェル部5が第1シェル部6と第2シェル部7から構成される二層構造を採用する場合には、特に、電極用触媒1の製造コストを低減する観点から、貴金属以外の金属元素を主成分としてもよい。
 具体的には、コア部4には、白金(Pt)、パラジウム(Pd)以外の金属元素を含む金属、金属化合物、及び金属と金属化合物との混合物であることが好ましく、貴金属以外の金属元素を含む金属、金属化合物、及び金属と金属化合物との混合物であることがより好ましい。
 シェル部5に含まれる白金(Pt)の担持量は、電極用触媒1の重量に対して5~20質量%、好ましくは8~16質量%であることが好ましい。白金(Pt)の担持量が5質量%以上であると、電極用触媒としての触媒活性を十分に発揮できるため好ましく、白金(Pt)の担持量が20質量%以下であると、製造コストの観点から好ましい。
 シェル部5が第1シェル部6と第2シェル部7から構成される二層構造である場合には、第1シェル部6は、パラジウム(Pd)、パラジウム(Pd)合金、白金(Pt)合金、金(Au)、ニッケル(Ni)、及びニッケル(Ni)合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属が含まれていることが好ましく、パラジウム(Pd)単体が含まれていることがより好ましい。
 電極用触媒1B、1Cの触媒活性をより高く、容易に得る観点からは、第1シェル部6は、パラジウム(Pd)単体を主成分(50wt%以上)として構成されていることがより好ましく、パラジウム(Pd)単体のみから構成されていることがより好ましい。
 第2シェル部7は、白金(Pt)及び白金(Pt)合金のうちの少なくとも1種の金属が含まれていることが好ましく、白金(Pt)単体が含まれていることがより好ましい。
 電極用触媒1B、1Cの触媒活性をより高く、容易に得る観点からは、第2シェル部7は、白金(Pt)単体を主成分(50wt%以上)として構成されていることが好ましく、白金(Pt)単体のみから構成されていることがより好ましい。
(塩素(Cl)種の濃度)
 本発明の電極用触媒の製造方法によって得られた電極用触媒は、蛍光X線(XRF)分析法により測定される塩素(Cl)種の濃度が6000ppm以上である電極用触媒前駆体を用いた場合であっても、電極用触媒の製造方法の少なくとも工程(1)及び工程(2)を経由することにより、上記塩素(Cl)種の濃度が低減される点に技術的特徴を有する。
 本発明の電極用触媒の製造方法は、蛍光X線(XRF)分析法により測定される塩素(Cl)種の濃度が6000ppm以上である電極用触媒前駆体を原料として使用した場合、塩素(Cl)種の濃度が5000ppm以下、更には2000~4000ppmの水準にまで低減された電極用触媒を従来よりも容易に提供することができる。
 ここで、塩素(Cl)種は、蛍光X線(XRF)分析法により測定される。電極用触媒の製造方法により得られる電極用触媒に含まれる塩素(Cl)種を蛍光X線(XRF)分析法により、測定した値が塩素(Cl)種の濃度である。なお、塩素(Cl)種の濃度は、電極用触媒に含まれる塩素元素に換算された塩素原子の濃度となっている。
 蛍光X線(XRF)分析法は、ある元素Aを含む試料に1次X線を照射し、元素Aの蛍光X線を発生させ、元素Aに関する蛍光X線の強度を測定することにより、試料に含まれる元素Aの定量分析を行う方法である。蛍光X線(XRF)分析法を用いて定量分析を行う場合、理論演算のファンダメンタル・パラメータ法(FP法)を採用してもよい。FP法は、試料に含まれる元素の種類とその組成がすべて判れば、それぞれの蛍光X線(XRF)の強度を理論的に計算することができるということを利用している。そして、FP法は試料を測定して得られた各元素の蛍光X線(XRF)に一致するような組成を推定する。
 蛍光X線(XRF)分析法は、エネルギー分散型蛍光X線(XRF)分析装置、走査型蛍光X線(XRF)分析装置、多元素同時型蛍光X線(XRF)分析装置等の汎用蛍光X線(XRF)分析装置を使用することによって実行される。蛍光X線(XRF)分析装置は、ソフトウエアを備えており、当該ソフトウエアにより元素Aの蛍光X線(XRF)の強度と元素Aの濃度との間の関係について実験データ処理を行う。ソフトウエアは、蛍光X線(XRF)分析法において一般的に採用されているものであれば特に制限されるものではない。例えば、ソフトウエアとして、FP法を採用した汎用蛍光X線(XRF)分析装置用ソフトウエア「解析ソフト:「UniQuant5」」等を採用することができる。なお、蛍光X線(XRF)分析装置としては、例えば、波長分散型全自動蛍光X線分析装置(商品名:Axios「アクシオス」)(スペクトリス株式会社製)を例示することができる。
 本発明の電極用触媒の製造方法により得られる電極用触媒は、蛍光X線(XRF)分析法により測定される塩素(Cl)種の濃度が6000ppm未満、好ましくは5000ppm以下、より好ましくは2000~4000ppmの水準に低減されている(塩素(Cl)種の濃度が6000ppm以上の電極用触媒前駆体を使用した場合)。塩素(Cl)種の濃度が4000ppm以下であると、電極用触媒として、十分な触媒活性を発揮することができやすく、かつ、触媒層が腐食することなく、電池寿命が短縮されないため好ましい。
 さらに、本発明の電極用触媒の製造方法は、前処理工程を経れば、電極用触媒の原料として、塩素(Cl)種の濃度がより低減された電極用触媒前駆体を使用することができる。
 ここで、本発明の電極用触媒の製造方法は、電極用触媒の原料として、塩素(Cl)種の濃度が6000ppm未満の電極用触媒前駆体であっても使用することができる。塩素(Cl)種の濃度がより低い電極用触媒前駆体を使用すれば、塩素(Cl)種を除去するための作業や使用する超純水の使用量が削減できるため好ましい。
(蛍光X線(XRF)分析法)
 蛍光X線(XRF)分析法は、例えば以下のように実行される。
(1)測定装置
・波長分散型全自動蛍光X線分析装置Axios(アクシオス)(スペクトリス株式会社製)
(2)測定条件
・解析ソフト:「UniQuant5」(FP(four peak method)法を用いた半定量ソフト)
・XRF測定室雰囲気:ヘリウム(常圧)
(3)測定手順
(i)試料を入れた試料容器をXRF試料室に入れる。
(ii)XRF試料室内をヘリウムガスで置換する。
(iii)ヘリウムガス雰囲気(常圧)下、測定条件を、解析ソフト「UniQuant5」を使用するための条件である、「UQ5アプリケーション」に設定し、サンプルの主成分が「カーボン(担体の構成元素)」、サンプルの分析結果の表示形式が「元素」となるよう計算するモードに設定する。
<燃料電池スタックの構造>
 図10は本発明の電極用触媒を含むガス拡散電極形成用組成物、このガス拡散電極形成用組成物を用いて製造されたガス拡散電極、このガス拡散電極を備えた膜・電極接合体(MEA)、及びこの膜・電極接合体(MEA)を備えた燃料電池スタックの好適な一実施形態を示す模式図である。
 図10に示された燃料電池スタックSは、膜・電極接合体(MEA)400を一単位セルとし、この一単位セルを複数積み重ねた構成を有している。
 更に、燃料電池スタックSは、アノード200aと、カソード200bと、これらの電極の間に配置される電解質膜300と、を備えた膜・電極接合体(MEA)400を有している。
 また、燃料電池スタックSは、この膜・電極接合体(MEA)がセパレータ100a及びセパレータ100bにより挟持された構成を有している。
 以下、本発明の電極用触媒を含む燃料電池スタックSの部材である、ガス拡散電極形成用組成物、ガス拡散電極200a及びガス拡散電極200b、膜・電極接合体(MEA)400について説明する。
<ガス拡散電極形成用組成物>
 上記電極用触媒1をいわゆる触媒インク成分として用い、本発明のガス拡散電極形成用組成物とすることができる。本発明のガス拡散電極形成用組成物は、上記電極用触媒が含有されていることを特徴とする。ガス拡散電極形成用組成物は上記電極用触媒とイオノマー溶液を主要成分とする。イオノマー溶液は、水とアルコールと水素イオン伝導性を有する高分子電解質とを含有する。
 イオノマー溶液中の水とアルコールとの混合比率は、ガス拡散電極形成用組成物を電極に塗布する際に適した粘度を与える比率であればよく、通常、水100重量部に対して、アルコールを0.1~50.0重量部含有することが好ましい。また、イオノマー溶液に含まれるアルコールは、一価アルコール又は多価アルコールであることが好ましい。一価アルコールとしては、例えばメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール等が挙げられる。多価アルコールとしては、二価アルコール又は三価アルコールが挙げられる。二価アルコールとしては、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、テトラエチレングリコール、プロピレングリコール、1、3-ブタンジオール、1、4-ブタンジオールを例示することができる。三価アルコールとしては、グリセリンを例示することができる。また、イオノマー溶液に含まれるアルコールは、1種類又は2種類以上のアルコールの組み合わせであってもよい。なお、イオノマー溶液には、必要に応じて界面活性剤等の添加剤を適宜含有させることもできる。
 イオノマー溶液は、電極用触媒を分散させるため、ガス拡散電極を構成する部材であるガス拡散層との密着性を高めるためにバインダー成分として、水素イオン導電性を有する高分子電解質を含有する。高分子電解質は、特に制限されるものではないが、公知のスルホン酸基、カルボン酸基を有するパーフルオロカーボン樹脂を例示することができる。容易に入手可能な水素イオン伝導性を有する高分子電解質としては、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)を例示することができる。
 ガス拡散電極形成用組成物は、電極用触媒、イオノマー溶液を混合し、粉砕、撹拌することにより作製することができる。ガス拡散電極形成用組成物の作製は、ボールミル、超音波分散機等の粉砕混合機を使用して調製することができる。粉砕混合機を操作する際の粉砕条件及び撹拌条件は、ガス拡散電極形成用組成物の態様に応じて適宜設定することができる。
 ガス拡散電極形成用組成物に含まれる電極用触媒、水、アルコール、水素イオン伝導性を有する高分子電解質の各組成は、電極用触媒の分散状態が良好であり、かつ電極用触媒をガス拡散電極の触媒層全体に広く行き渡らせることができ、燃料電池が備える発電性能を向上させることができるように設定することが必要である。
 具体的には、電極用触媒1.0重量部に対し、高分子電解質0.1~2.0重量部、アルコール0.01~2.0重量部、水2.0~20.0重量部とすることが好ましい。さらに好ましくは、電極用触媒1.0重量部に対し高分子電解質0.3~1.0重量部、アルコール0.1~2.0重量部、水5.0~6.0重量部であることが好ましい。各成分の組成が上記範囲内にあるとガス拡散電極形成用組成物からなる塗布膜がガス拡散電極上において、成膜時に広がりすぎないため好ましく、また、ガス拡散電極形成用組成物からなる塗布膜が適度かつ均一な厚さの塗膜を形成することができるため好ましい。
 なお、高分子電解質の重量は乾燥状態の重量であって高分子電解質溶液中の溶媒を含まない状態の重量であり、水の重量は高分子電解質溶液中に含まれる水を含む重量である。
<ガス拡散電極>
 本発明のガス拡散電極(200a、200b)は、ガス拡散層220とガス拡散層220の少なくとも一面に積層された電極用触媒層240とを備えている。ガス拡散電極(200a、200b)が備えている電極用触媒層240には、上記電極用触媒1が含まれている。なお、本発明のガス拡散電極200は、アノードとして用いることができ、カソードとしても用いることができる。
 なお、図10においては、便宜上、上側のガス拡散電極200をアノード200aとし、下側のガス拡散電極200をカソード200bとする。
(電極用触媒層)
 電極用触媒層240は、アノード200aにおいて、ガス拡散層220から送られた水素ガスが電極用触媒層240に含まれている電極用触媒1の作用により水素イオンに解離する化学反応が行われる層である。また、電極用触媒層240は、カソード200bにおいて、ガス拡散層220から送られた空気(酸素ガス)とアノードから電解質膜中を移動してきた水素イオンが電極用触媒層240に含まれている電極用触媒1の作用により結合する化学反応が行われる層である。
 電極用触媒層240は、上記ガス拡散電極形成用組成物を用いて形成されている。電極用触媒層240は、電極用触媒1とガス拡散層220から送られた水素ガス又は空気(酸素ガス)との反応を十分に行わせることができるように大きい表面積を有していることが好ましい。また、電極用触媒層240は、全体に亘って均一な厚みを有するように形成されていることが好ましい。電極用触媒層240の厚みは、適宜調整すればよく、制限されるものではないが、2~200μmであることが好ましい。
(ガス拡散層)
 ガス拡散電極200が備えているガス拡散層220は、燃料電池スタックSの外部より、セパレータ100aとガス拡散層220aとの間に形成されているガス流路に導入される水素ガス、セパレータ100bとガス拡散層220bとの間に形成されているガス流路に導入される空気(酸素ガス)をそれぞれの電極用触媒層240に拡散するために設けられている層である。また、ガス拡散層220は、電極用触媒層240をガス拡散電極200に支持して、ガス拡散電極200表面に固定化する役割を有している。ガス拡散層220は、電極用触媒層240に含まれる電極用触媒1と水素ガス、空気(酸素ガス)との接触を高める役割を有している。
 ガス拡散層220は、ガス拡散層220から供給された水素ガス又は空気(酸素ガス)を良好に通過させて電極用触媒層240に到達させる機能を有している。このため、ガス拡散層220は、ガス拡散層220に存在するミクロ構造である細孔構造が電極用触媒1、カソード200bにおいて生成する水により、塞がれることがないようにするため、撥水性を有していることが好ましい。このため、ガス拡散層220は、ポリエチレンテレフタレート(PTFE)等の撥水成分を有している。
 ガス拡散層220に用いることができる部材は、特に制限されるものではなく、燃料電池用電極のガス拡散層に用いられている公知の部材を用いることができる。例えば、カーボンペーパー、カーボンペーパーを主原料とし、その任意成分としてカーボン粉末、イオン交換水、バインダーとしてポリエチレンテレフタレートディスパージョンからなる副原料をカーボンペーパーに塗布したものが挙げられる。ガス拡散層の厚みは、燃料電池用セルの大きさ等により適宜設定することができ、特に制限されるものではないが、反応ガスの拡散距離を短くするためには、薄いものが好ましい。一方、塗布ならびに組立工程での機械的強度を有することも併せて求められるので、例えば、通常50~300μm程度のものが使用される。
 ガス拡散電極200a、ガス拡散電極200bは、ガス拡散層220、電極用触媒層240との間に中間層(図示せず)を備えていてもよい。上記ガス拡散電極200a、ガス拡散電極200bは、ガス拡散層、中間層及び触媒層を備えた三層構造を有することとなる。
(ガス拡散電極の製造方法)
 ガス拡散電極の製造方法について説明する。
 ガス拡散電極の製造方法は、触媒成分が担体に担持されてなる電極用触媒1と水素イオン伝導性を有する高分子電解質と、水とアルコールとのイオノマー溶液を含有するガス拡散電極形成用組成物をガス拡散層220に塗布する工程と、このガス拡散電極形成用組成物が塗布されたガス拡散層220を乾燥させ、電極用触媒層240を形成させる工程とを備える。
 ガス拡散電極形成用組成物をガス拡散層220上に塗布する工程において重要なことは、ガス拡散層220上にガス拡散電極形成用組成物を均一に塗布することである。ガス拡散電極形成用組成物を均一に塗布することにより、ガス拡散層220上に均一な厚みを有するガス拡散電極形成用組成物からなる塗布膜が形成される。ガス拡散電極形成用組成物の塗布量は、燃料電池の使用形態により適宜設定することができるが、ガス拡散電極を備えた燃料電池の電池性能の観点から、電極用触媒層240に含まれる白金等の活性金属の量として、0.1~0.5(mg/cm)であることが好ましい。
 次に、ガス拡散電極形成用組成物がガス拡散層220上に塗布された後、このガス拡散層220に塗布されたガス拡散電極形成用組成物の塗布膜を乾燥させて、ガス拡散層220上に電極用触媒層240を形成させる。ガス拡散電極形成用組成物の塗布膜が形成されたガス拡散層220を加熱することにより、ガス拡散電極形成用組成物に含まれるイオノマー溶液中の水及びアルコールが気化し、ガス拡散電極形成用組成物から消失する。その結果、ガス拡散電極形成用組成物を塗布する工程において、ガス拡散層220上に存在しているガス拡散電極形成用組成物の塗布膜は、電極用触媒と高分子電解質を含む電極用触媒層240となる。
<膜・電極接合体(MEA)>
 本発明の膜・電極接合体400(Membrane Electrode Assembly:以下、MEAと略する。)は、上記電極用触媒1を用いたガス拡散電極200であるアノード200aとカソード200bとこれらの電極を仕切る電解質300を備えている。膜・電極接合体(MEA)400は、アノード200a、電解質300及びカソード200bをこの順序により積層した後、圧着することにより製造することができる。
<燃料電池スタック>
 本発明の燃料電池スタックSは、得られた膜・電極接合体(MEA)400のアノード200aの外側にセパレータ100a(アノード側)を取り付け、カソード200bの外側にそれぞれセパレータ100b(カソード側)を取り付け、一単位セル(単電池)とする。そして、この一単位セル(単電池)を集積させて燃料電池スタックSとする。なお、燃料電池スタックSに周辺機器を取り付け、組み立てることにより、燃料電池システムが完成する。
 以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
 なお、本発明者らは、実施例及び比較例に示す触媒について、蛍光X線(XRF)分析法ではヨウ素(I)種が検出されないことを確認した。
 また、以下の製造方法の各工程の説明において特にことわりない場合には、その工程は室温、空気中で実施した。
<電極用触媒前駆体の製造>
(製造例1)
 本発明の電極用触媒の製造方法により、電極用触媒を以下のプロセスにより製造した。なお、製造例において、使用した電極用触媒の原料は、以下の通りである。
・カーボンブラック粉末:商品名「Ketjen Black EC300」(ケッチェンブラックインターナショナル社製)
・テトラクロロパラジウム(II)酸ナトリウム
・硝酸パラジウム
・塩化白金酸カリウム
[パラジウム担持カーボンの調製]
 電極用触媒の担体として、カーボンブラック粉末を用い、水に分散させて、5.0g/Lの分散液を調製した。この分散液に、テトラクロロパラジウム(II)酸ナトリウム水溶液(濃度20質量%)5mLを滴下して混合した。得られた分散液に、ぎ酸ナトリウム水溶液(100g/L)100mLを滴下した後、不溶成分を濾別し、濾別された不溶成分を純水で洗浄し、乾燥することにより、カーボンブラック上にパラジウムが担持されたパラジウム(コア)担持カーボンを得た。
[パラジウム(コア)上への銅(Cu)の被覆]
 50mMの硫酸銅水溶液を、三電極系電解セルに入れた。この三電極系電解セルに上記で調製したパラジウム担持カーボンを適量加え、攪拌後静置した。静止状態で450mV(対 可逆水素電極)を作用電極に印加し、パラジウム担持カーボンのパラジウム上に銅(Cu)を一様に被覆した。これを銅-パラジウム担持カーボンとする。
[パラジウム(コア)上への白金(Pt)の被覆]
 銅がパラジウム上に被覆された銅-パラジウム担持カーボンを含む液に、被覆された銅に対して、物質量比で2倍相当の白金(Pt)を含む塩化白金酸カリウム水溶液を滴下することにより、上記銅-パラジウム担持カーボンの銅(Cu)を白金(Pt)に置換した。
[前処理]
 工程(P1):上述のようにして得られた銅-パラジウム担持カーボンの銅(Cu)が白金(Pt)に置換された白金パラジウム担持カーボンの粒子の粉体を乾燥させずに超純水に分散させた第P1の液を調製した。
 工程(P2):次に、第P1の液をろ過装置を使用し、超純水でろ過洗浄した。洗浄後に得られるろ液の電気伝導率が10μS/cm以下になるまで洗浄を繰り返し、得られた電極用触媒前駆体を超純水に分散させて、電極用触媒前駆体-超純水分散液(I)を得た。
 工程(P3):次に、該分散液(I)をろ過し、得られたろ物を70℃、空気中で約24時間乾燥させた。これにより、製造例1で得られた電極用触媒前駆体1を得た。
(製造例2~5)
 電極用触媒に含まれる白金(Pt)及びパラジウム(Pd)の担持量が表2の実施例5、比較例2、比較例3及び比較例4に記載された濃度(質量%濃度)となった以外は、製造例1と同様にして、それぞれ製造例2~5の電極用触媒前駆体2~5を得た。
 なお、後述するように、電極用触媒前駆体1~5について、XRF分析法により測定される塩素(Cl)種の濃度は、表2に記載するように6000ppm以上であることが確認された。
 これにより以下の実施例においては、原料の電極用触媒前駆体の第1の塩素(Cl)種の濃度は6000ppmとなる。
<電極用触媒の製造>
(実施例1)
[第1の工程]
 得られた前処理済の電極用触媒前駆体1を5.0g量りとり、容器に入れた。次に、当該容器に超純水1000mLを加え、前処理済の電極用触媒前駆体1をリスラリーし、得られた水性分散液を室温(25℃)に保ち、撹拌しながら約240分間保持した。
[第2~3の工程]
 超純水を用いて、前記分散液に含まれる不溶成分を濾別し、そして洗浄した。洗浄後に得られるろ液の電気伝導率が10μS/cm以下になるまで洗浄を繰り返し、得られた電極用触媒前駆体を超純水に分散させて、電極用触媒前駆体-超純水分散液(ii)を得た。
 該分散液(ii)をろ過し、得られたろ物を温度70℃、空気中、約24時間の条件下で乾燥し、電極用触媒を得た。実施例1で得られた電極用触媒を触媒1とした。
[担持量の測定]
 得られた触媒1について、白金と、パラジウムの担持量(質量%)を以下の方法で測定した。
 触媒1を王水に浸し、金属を溶解させた。次に、王水から不溶成分のカーボンを除去した。次に、カーボンを除いた王水をICP分析した。
 ICP分析の結果は、白金担持量が20.9質量%、パラジウム担持量が22.5質量%であった。
(実施例2)
[第4の工程]
 製造例1で得られた触媒1を5.0g量りとり、容器に入れた。次に、当該容器に超純水1000(mL)を加え、触媒1をリスラリーして得られた水性分散液を室温(25℃)に保ち、撹拌しながら240分間保持した。
[第5~6の工程]
 第2の工程における洗浄に用いる超純水の温度を80℃とした以外は実施例1の第2~3の工程と同様にして、電極用触媒を得た。実施例2で得られた電極用触媒を触媒2とした。
 触媒2について、実施例1と同様のICP分析を行い、表2に示す白金担持量、パラジウム担持量を測定した。
(実施例3)
 実施例2において、第5の工程と第6の工程との間に、第5の工程で得られた電極用触媒-超純水分散液(iv)を90℃で約240分間保持する第7の工程を行った以外は実施例2と同様にして、電極用触媒を得た。実施例3で得られた電極用触媒を触媒3とした。
 触媒3について、実施例1と同様のICP分析を行い、表2に示す白金担持量、パラジウム担持量を測定した。
(実施例4)
 実施例1において、第1の工程の前に電極用触媒前駆体1を0.05Mの硫酸水溶液中で室温(25℃)に保ち、撹拌しながら約60分間保持した。
 上記の処理後に得られるろ液の電気伝導率が10μS/cm以下になるまで洗浄を繰り返し、得られたろ物を超純水に分散させた。
 次に、該分散液をろ過し、得られたろ物を70℃、空気中で約24時間乾燥させた。
 上記の工程以外は実施例1と同様にして、電極用触媒を得た。実施例4で得られた電極用触媒を触媒4とした。
 触媒4について、実施例1と同様のICP分析を行い、表2に示す白金担持量、パラジウム担持量を測定した。
(実施例5)
 実施例5においては、電極用触媒前駆体1の代わりに電極用触媒前駆体2を使用し、以下の手順で電極用触媒を調製した。すなわち、実施例1において、第1の工程の前に電極用触媒前駆体2を1.0Mの硫酸水溶液中で室温(25℃)に保ち、撹拌しながら約60分間保持した。
 上記の処理後に得られるろ液の電気伝導率が10μS/cm以下になるまで洗浄を繰り返し、得られたろ物を超純水に分散させた。
 次に、該分散液をろ過し、得られたろ物を70℃、空気中で約24時間乾燥させた。
 その後90℃のシュウ酸水溶液(0.3M)で処理した。
 上記の処理後に得られるろ液の電気伝導率が10μS/cm以下になるまで洗浄を繰り返し、得られたろ物を超純水に分散させた。
 次に、該分散液をろ過し、得られたろ物を70℃、空気中で約24時間乾燥させた。
 上記工程以外は実施例1と同様にして、電極用触媒を得た。実施例5で得られた電極用触媒を触媒5とした。
 触媒5について、実施例1と同様のICP分析を行い、表2に示す白金担持量、パラジウム担持量を測定した。
(比較例1~4)
 製造例1、3、4、5で製造された各電極用触媒前駆体1、3、4、5をそれぞれ比較例1~4の電極用触媒とした。
<電極用触媒の評価>
(塩素(Cl)種の濃度)
 実施例1~5、及び比較例1~4で得られた電極用触媒の塩素(Cl)種の濃度を蛍光X線(XRF)分析法により測定した。電極用触媒中の塩素種濃度の測定は、波長分散型蛍光X線測定装置Axios(スペクトリス株式会社製)により測定した。具体的には、以下の手順により行った。
 電極用触媒の測定用試料を波長分散型蛍光X線測定装置に付属しているXRF試料容器に入れた。電極用触媒の測定用試料を入れたXRF試料容器をXRF試料室に入れ、XRF試料室内をヘリウムガスで置換する。その後、ヘリウムガス雰囲気(常圧)下、蛍光X線測定を行った。
 ソフトウエアには、波長分散型蛍光X線測定装置用解析ソフト「UniQuant5」を使用した。測定条件を、解析ソフト「UniQuant5」に合わせ、「UQ5アプリケーション」に設定し、電極用触媒の測定用試料の主成分が「カーボン(電極用触媒担体の構成元素)」、サンプルの分析結果の表示形式が「元素」となるよう計算するモードに設定した。測定結果を解析ソフト「UniQuant5」により解析して、塩素(Cl)種の濃度を算出した。測定結果を表2に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 表2によれば、本発明の電極用触媒の製造方法において、高濃度の塩素(Cl)種を含有する電極用触媒前駆体を原料として採用した場合であっても、この電極用触媒前駆体に所定の塩素(Cl)種の除去法を適用することにより、電極用触媒前駆体の塩素(Cl)種の濃度が6000ppm(第1の塩素(Cl)種の濃度又は第2の塩素(Cl)種の濃度が6000ppm)以上の場合であっても、塩素(Cl)種を6000ppm未満、更には5000ppm以下、更には約2000ppm~約4000ppmの水準にまで大きく低減させた電極用触媒を容易に製造できることが明らかとなった。
 なお、表2に示すように、電極用触媒前駆体2については塩素(Cl)種の含有量は未測定であるが、他の電極用触媒前駆体1、3、4とPt担持量及びPd担持量以外の条件は全て同様する手法で調製されているので、電極用触媒前駆体1、3、4(比較例1、2、3)と同等の水準の数値を有していると容易に推察される。
 これらの結果は、本発明の電極用触媒の製造方法が量産化に適しており、製造コストの低減に適した製造方法であることを示している。
   1  電極用触媒
   1A 電極用触媒
   1B 電極用触媒
   1C 電極用触媒
   2  担体
   3  触媒粒子
   3a 触媒粒子
   4  コア部
   4s コア部露出面
   5  シェル部
   6  第1シェル部
   6s 第1シェル部露出面
   7  第2シェル部
   S  燃料電池スタック
 100  セパレータ
 100a セパレータ(アノード側)
 100b セパレータ(カソード側)
 200  ガス拡散電極
 200a ガス拡散電極(アノード)
 200b ガス拡散電極(カソード)
 220  ガス拡散層
 240  電極用触媒層
 300  電解質
 400  膜・電極接合体(MEA)
 本発明の電極用触媒の製造方法によれば、高濃度の塩素(Cl)種含有量を有している電極用触媒前駆体を使用しても、比較的簡易な操作により、塩素(Cl)種の含有量が確実かつ十分に低減された電極用触媒を得ることができる。
 また、本発明の電極用触媒の製造方法は、製造プロセスの簡略化及び製造コストを低減させることができる。
 従って、本発明は、燃料電池、燃料電池自動車、携帯モバイル等の電機機器産業のみならず、エネファーム、コジェネレーションシステム等に適用することができる電極用触媒の製造方法であり、エネルギー産業、環境技術関連の発達に寄与する。

Claims (21)

  1.  担体と、前記担体上に形成されるコア部と、前記コア部の表面の少なくとも一部を覆うように形成されるシェル部と、を含むコア・シェル構造を有する電極用触媒の製造方法であって、
     工程(1);塩素(Cl)種を含む材料を使用して製造されており、蛍光X線(XRF)分析法により測定される塩素(Cl)種の濃度が予め設定された第1の塩素(Cl)種の濃度以上の電極用触媒前駆体(I)を、超純水に添加して、前記電極用触媒前駆体(I)を超純水に分散させた第1の液を調製する第1の工程と、
     工程(2);超純水を用いて、前記第1の液に含まれる前記電極用触媒前駆体(I)をろ過洗浄して、洗浄した後に得られるろ液のJIS規格試験法(JIS K0552)により測定される電気伝導率ρが予め設定された第1の設定値以下となるまで洗浄を繰り返し、得られた電極用触媒前駆体(II)を超純水に分散させて第2の液を調製する第2の工程と、を含む、電極用触媒の製造方法。
  2.  前記第1の塩素(Cl)種の濃度が6000ppmである、請求項1に記載の電極用触媒の製造方法。
  3.  前記第1の設定値が100μS/cm以下の範囲から選択される値である、請求項1又は2に記載の電極用触媒の製造方法。
  4.  前記第1の工程に供される電極用触媒前駆体(I)が、
     工程(P1);塩素(Cl)種を含む材料を使用して製造されており、蛍光X線(XRF)分析法により測定される塩素(Cl)種の濃度が予め設定された第2の塩素(Cl)種の濃度以上の電極用触媒前駆体(PI)を、超純水に添加して、前記電極用触媒前駆体(PI)を超純水に分散させた第P1の液を調製する第P1の工程と、
     工程(P2);超純水を用いて、前記第P1の液に含まれる前記電極用触媒前駆体(PI)を洗浄して、洗浄した後に得られるろ液のJIS規格試験法(JIS K0552)により測定される電気伝導率ρが予め設定された第P1の設定値以下となるまで洗浄を繰り返し、得られた電極用触媒前駆体(PII)を超純水に分散させて第P2の液を調製する第P2の工程と、
     工程(P3);前記第P2の液を乾燥する第P3の工程と、を含む前処理を施されているものである、
    請求項1~3のいずれか1項に記載の電極用触媒の製造方法。
  5.  前記第2の塩素(Cl)種の濃度が6000ppmである、請求項4に記載の電極用触媒の製造方法。
  6.  予め設定された第P1の設定値が100μS/cm以下の範囲から選択される値である、
    請求項4又は5に記載の電極用触媒の製造方法。
  7.  工程(3);前記第2の工程の後に得られた前記第2の液を乾燥する第3の工程をさらに含む、
    請求項1~6いずれか1項に記載の電極用触媒の製造方法。
  8.  工程(4);前記工程(3)の後に得られた電極用触媒前駆体(II)を超純水に添加し、前記電極用触媒前駆体(II)を超純水に分散させた第3の液を調製する第4の工程をさらに含む、
    請求項7に記載の電極用触媒の製造方法。
  9.  工程(5);前記工程(4)の後に、60℃以上かつ沸点以下の超純水を用いて、前記第3の液に含まれる電極用触媒前駆体(III)をろ過洗浄して、洗浄した後に得られるろ液の前記電気伝導率ρが予め設定された第2の設定値以下となるまで洗浄を繰り返し、得られた電極用触媒前駆体(IV)を超純水に分散させた第4の液を調製する第5の工程と、
     工程(6);前記第4の液を乾燥する第6の工程を含む、
    請求項8に記載の電極用触媒の製造方法。
  10.  前記第2の設定値が100μS/cm以下の範囲から選択される値である、
    請求項9に記載の電極用触媒の製造方法。
  11.  工程(7);前記工程(5)と前記工程(6)の乾燥工程との間に、
     前記第4の液を60℃以上かつ沸点以下の範囲で予め設定された少なくとも1段階の設定温度でかつ予め設定された保持時間で保持する第7の工程をさらに含む、
    請求項9又は10に記載の電極用触媒の製造方法。
  12.  工程(1’);前記第1の工程前に電極用触媒前駆体(I)を、超純水に硫酸及び硝酸からなる群から選択される少なくとも1種の酸を添加した水溶液に分散させて、10~95℃の範囲で予め設定された少なくとも1段階の設定温度でかつ予め設定された保持時間で保持する工程をさらに含む、
    請求項1~11いずれか1項に記載の電極用触媒の製造方法。
  13.  前記シェル部には、白金(Pt)及び白金(Pt)合金のうちの少なくとも1種の金属が含有されており、
     前記コア部には、パラジウム(Pd)、パラジウム(Pd)合金、白金(Pt)合金、金(Au)、ニッケル(Ni)、及びニッケル(Ni)合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属が含まれている、
    請求項1~12いずれか1項に記載の電極用触媒の製造方法。
  14.  前記シェル部を構成する金属の原料として、白金(Pt)塩化物が使用されている請求項13に記載の電極用触媒の製造方法。
  15.  前記シェル部が、前記コア部の表面の少なくとも一部を覆うように形成される第1シェル部と、当該第1シェル部の表面の少なくとも一部を覆うように形成される第2シェル部と、を有している、
    請求項1~14のいずれか1項に記載の電極用触媒の製造方法。
  16.  前記第2シェル部を構成する金属の原料として、白金(Pt)塩化物が使用されている請求項15に記載の電極用触媒の製造方法。
  17.  請求項1~16のいずれか1項に記載の電極用触媒の製造方法により得られた電極用触媒。
  18.  請求項1~16のいずれか1項に記載の電極用触媒の製造方法により得られた電極用触媒が含有されているガス拡散電極形成用組成物。
  19.  請求項1~16のいずれか1項に記載の電極用触媒の製造方法により得られた電極用触媒が含有されているガス拡散電極。
  20.  請求項19に記載のガス拡散電極が含まれている膜・電極接合体(MEA)。
  21.  請求項20に記載の膜・電極接合体(MEA)が含まれている燃料電池スタック。
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