JP4892811B2 - Electrocatalyst - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池用電極、好ましくは、固体高分子型燃料電池用電極に用いられ得る電極触媒に関するものである。   The present invention relates to an electrode catalyst that can be used for a fuel cell electrode, preferably a polymer electrolyte fuel cell electrode.

近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動し高出力密度が得られる固体高分子型燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。固体高分子型燃料電池は、フィルム状の固体高分子膜からなる電解質層を用いるのが特徴である。   In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental issues, polymer electrolyte fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. . The solid polymer fuel cell is characterized by using an electrolyte layer made of a film-like solid polymer membrane.

かような固体高分子型燃料電池において、固体高分子膜は、アノードの触媒と反応して燃料の水素ガスから得られたプロトンをカソードへと移動させる重要な機能を有するものである。固体高分子膜を介して移動してきたプロトンは、カソードの触媒により、電子と、酸素と反応して水となる。このようにして、固体高分子型燃料電池は、化学反応により得られた反応エネルギーから電気エネルギーを直接得るものである。   In such a polymer electrolyte fuel cell, the polymer electrolyte membrane has an important function of reacting with the catalyst of the anode and transferring protons obtained from the hydrogen gas of the fuel to the cathode. Protons that have moved through the solid polymer membrane react with electrons and oxygen to become water by the cathode catalyst. Thus, the polymer electrolyte fuel cell directly obtains electric energy from the reaction energy obtained by the chemical reaction.

固体高分子型燃料電池は、コストとともに電池の寿命が問題となっている。電池の寿命としては、自動車で5000時間、家庭用では4万時間ともいわれ、長期にわたって所望の発電性能を維持することが求められている。その解決手段として、電極触媒に関する様々な研究開発が進められている。   In the polymer electrolyte fuel cell, the life of the battery is a problem as well as the cost. The battery life is said to be 5000 hours for automobiles and 40,000 hours for home use, and it is required to maintain desired power generation performance over a long period of time. As a solution to this problem, various research and development related to electrode catalysts have been promoted.

従来の電極触媒は、カソードおよびアノードともに白金または白金合金等の触媒金属を微細化して、カーボンブラック等の比表面積の大きい担体に坦持させた電極触媒が用いられている。しかし、カソードにおける電極反応は活性化エネルギーが大きいため、カソードに過電圧(抵抗)が生じ、これによりカソードが貴電位環境(約0.8V)となった場合、カーボン担体が腐食消失するため、白金が遊離・凝集し、電池寿命を低下する問題があった。   As the conventional electrode catalyst, an electrode catalyst is used in which a catalyst metal such as platinum or a platinum alloy is made fine for both the cathode and the anode and supported on a carrier having a large specific surface area such as carbon black. However, since the electrode reaction at the cathode has a large activation energy, an overvoltage (resistance) is generated at the cathode, which causes the carbon carrier to corrode and disappear when the cathode becomes a noble potential environment (about 0.8 V). Has a problem of freeing and agglomerating to reduce battery life.

かような問題を解決するため、特許文献1には、異なる熱処理温度で熱処理された2種類以上のカーボン粉末を担体として用いて作製された電極触媒が開示されている。かような電極触媒は、異なる熱処理温度で熱処理された2種類以上のカーボン粉末を含む水溶液に触媒金属を添加し、これを還元することにより作製されている。一般的にカーボン粉末は、1000℃以上の高温下で熱処理することでグラファイト構造に似た構造となり、耐食性が向上することが知られている。従って、特許文献1に記載される電極触媒は、カーボン粉末を熱処理することにより、耐食性を向上させているのである。
特開2002−273224号公報
In order to solve such problems, Patent Document 1 discloses an electrode catalyst produced using two or more types of carbon powders heat-treated at different heat treatment temperatures as a support. Such an electrode catalyst is produced by adding a catalytic metal to an aqueous solution containing two or more types of carbon powders heat-treated at different heat treatment temperatures and reducing the catalyst metal. In general, carbon powder is known to have a structure similar to a graphite structure by heat treatment at a high temperature of 1000 ° C. or higher, and to improve the corrosion resistance. Therefore, the electrode catalyst described in Patent Document 1 improves the corrosion resistance by heat treating the carbon powder.
JP 2002-273224 A

しかし、熱処理されたカーボン粉末は、耐食性は向上するが、比表面積が低下するため白金を高分散担持することができない。従って、特許文献1の電極触媒は、熱処理したカーボン粉末のみを用いており、電極触媒の活性に劣るという問題がある。   However, although the heat-treated carbon powder has improved corrosion resistance, the specific surface area is reduced, so that platinum cannot be supported in a highly dispersed manner. Therefore, the electrode catalyst of patent document 1 uses only the heat-treated carbon powder, and there exists a problem that it is inferior to the activity of an electrode catalyst.

本発明が目的とするところは、耐食性が向上した電極触媒であって、長期にわたり高い触媒活性を示す電極触媒を提供することである。   The object of the present invention is to provide an electrode catalyst with improved corrosion resistance, which exhibits high catalytic activity over a long period of time.

本発明者が上記課題に鑑みて鋭意検討を行った結果、電極触媒において、黒鉛化率の異なる導電性カーボン担体を用いることにより、耐食性が向上すると伴に、高い触媒活性を示すことを見出した。   As a result of intensive studies by the inventor in view of the above problems, it has been found that by using a conductive carbon support having a different graphitization rate in an electrode catalyst, corrosion resistance is improved and high catalytic activity is exhibited. .

すなわち、本発明は、白金を含む触媒粒子と、前記触媒粒子を担持する黒鉛化率が異なる導電性カーボン担体と、を含む電極触媒であって、前記電極触媒は、BET比表面積が250〜1600m /gである黒鉛化処理されていない導電性カーボン担体(A)に前記電極触媒における全触媒粒子量の30〜90質量%の前記触媒粒子が担持されてなる電極触媒(1)と、BET比表面積が50〜400m /gである黒鉛化処理された導電性カーボン担体(B)に、前記電極触媒における全触媒粒子量の10〜70質量%の前記触媒粒子が担持されてなる電極触媒(2)とを含み、前記電極触媒(1)と前記電極触媒(2)との質量比(1)/(2)が、4/1〜1/2で混合されてなる、電極触媒である。 That is, the present invention is an electrode catalyst comprising platinum-containing catalyst particles and a conductive carbon carrier having a different graphitization rate that supports the catalyst particles, and the electrode catalyst has a BET specific surface area of 250 to 1600 m. 2 / g of an electrocatalyst (1) in which 30 to 90% by mass of the catalyst particles of the total amount of catalyst particles in the electrode catalyst are supported on a non-graphitized conductive carbon support (A), BET Electrocatalyst obtained by supporting 10 to 70% by mass of the catalyst particles of the total amount of catalyst particles in the electrode catalyst on a graphitized conductive carbon support (B) having a specific surface area of 50 to 400 m 2 / g (2), wherein the electrode catalyst (1) and the electrode catalyst (2) are mixed in a mass ratio (1) / (2) of 4/1 to 1/2. .

BET比表面積が250〜1600m/gである黒鉛化処理されていない導電性カーボン担体(A)により、白金などの触媒粒子を担体上に高分散担持することができ、さらに、BET比表面積が50〜400m/gである黒鉛化処理された導電性カーボン担体(B)により、耐食性を向上することができる。従って、白金を含む触媒粒子と、前記触媒粒子を担持する黒鉛化率が異なる導電性カーボン担体と、を含む電極触媒であって、前記電極触媒は、BET比表面積が250〜1600m /gである黒鉛化処理されていない導電性カーボン担体(A)に前記電極触媒における全触媒粒子量の30〜90質量%の前記触媒粒子が担持されてなる電極触媒(1)と、BET比表面積が50〜400m /gである黒鉛化処理された導電性カーボン担体(B)に、前記電極触媒における全触媒粒子量の10〜70質量%の前記触媒粒子が担持されてなる電極触媒(2)とを含み、前記電極触媒(1)と前記電極触媒(2)との質量比(1)/(2)が、4/1〜1/2で混合されてなる、本発明の電極触媒は、初期段階から高い触媒活性を示すことができ、耐食性が向上することにより、かような触媒活性を長期にわたり安定して維持できるのである。 The conductive carbon support (A) that is not graphitized and has a BET specific surface area of 250 to 1600 m 2 / g can support catalyst particles such as platinum in a highly dispersed manner on the support. Corrosion resistance can be improved by the graphitized conductive carbon support (B) having a density of 50 to 400 m 2 / g. Accordingly, an electrode catalyst including platinum-containing catalyst particles and a conductive carbon support having a different graphitization rate that supports the catalyst particles, wherein the electrode catalyst has a BET specific surface area of 250 to 1600 m 2 / g. An electrocatalyst (1) in which 30 to 90 mass% of the total catalyst particles in the electrode catalyst are supported on a non-graphitized conductive carbon support (A), and a BET specific surface area of 50 An electrode catalyst (2) in which 10 to 70% by mass of the catalyst particles of the total amount of catalyst particles in the electrode catalyst are supported on a graphitized conductive carbon support (B) having a particle size of ~ 400 m 2 / g; The electrode catalyst of the present invention, wherein the mass ratio (1) / (2) of the electrode catalyst (1) and the electrode catalyst (2) is mixed at 4/1 to 1/2 , High catalytic activity from the stage In addition, by improving the corrosion resistance, such catalytic activity can be stably maintained over a long period of time.

本発明の第一は、白金を含む触媒粒子と、前記触媒粒子を担持する黒鉛化率が異なる導電性カーボン担体と、を含む電極触媒であって、前記電極触媒は、BET比表面積が250〜1600m /gである黒鉛化処理されていない導電性カーボン担体(A)に前記電極触媒における全触媒粒子量の30〜90質量%の前記触媒粒子が担持されてなる電極触媒(1)と、BET比表面積が50〜400m /gである黒鉛化処理された導電性カーボン担体(B)に、前記電極触媒における全触媒粒子量の10〜70質量%の前記触媒粒子が担持されてなる電極触媒(2)とを含み、前記電極触媒(1)と前記電極触媒(2)との質量比(1)/(2)が、4/1〜1/2で混合されてなる、電極触媒である。 The first of the present invention is an electrode catalyst comprising platinum-containing catalyst particles and a conductive carbon carrier having a different graphitization rate for supporting the catalyst particles, the electrode catalyst having a BET specific surface area of 250 to An electrode catalyst (1) in which 30 to 90% by mass of the catalyst particles of the total amount of catalyst particles in the electrode catalyst are supported on a non-graphitized conductive carbon support (A) of 1600 m 2 / g; An electrode in which 10 to 70% by mass of the catalyst particles of the total amount of catalyst particles in the electrode catalyst are supported on a graphitized conductive carbon support (B) having a BET specific surface area of 50 to 400 m 2 / g. An electrode catalyst comprising a catalyst (2), wherein the mass ratio (1) / (2) of the electrode catalyst (1) and the electrode catalyst (2) is mixed at 4/1 to 1/2. is there.

一般的に、電極触媒に用いられる触媒担体は、触媒を高分散坦持させるために十分な比表面積と、集電体として十分な電子導電性と、を有していなければならない。また、触媒担体は、イオン交換膜として使用されるパーフルオロスルホン酸系ポリマーのような強酸性環境下で腐食されないことが必要とされている。   In general, the catalyst carrier used for the electrode catalyst must have a specific surface area sufficient to support the catalyst in a highly dispersed manner and a sufficient electronic conductivity as a current collector. Further, the catalyst carrier is required not to be corroded in a strongly acidic environment such as a perfluorosulfonic acid polymer used as an ion exchange membrane.

触媒担体として従来から用いられている導電性カーボンは、白金などの触媒金属の高分散担持が容易で高活性な触媒を得る事が出来る一方、耐食性に劣り長時間の使用において徐々に腐食消失する問題があった。   The conductive carbon conventionally used as a catalyst carrier can easily obtain a highly active catalyst with high dispersion loading of a catalyst metal such as platinum, while it is inferior in corrosion resistance and gradually disappears in corrosion over a long period of use. There was a problem.

かような問題を解決するため、前記導電性カーボンを熱処理して黒鉛化カーボンを担体として用いることにより、電極触媒の耐食性の向上が試みられている。有機物である導電性カーボンは、約1000℃程度に加熱すると炭素に富んだ物質、すなわち無定形炭素となり、さらに加熱を続けると、約1400℃付近で炭素六員環の網平面の広がりと重なりが増大し、2300℃以上になるとグラファイト構造に似た三次元的結晶格子が形成され、これにより耐食性が向上するのである。   In order to solve such problems, attempts have been made to improve the corrosion resistance of the electrode catalyst by heat-treating the conductive carbon and using graphitized carbon as a carrier. Conductive carbon, which is an organic substance, becomes a substance rich in carbon when heated to about 1000 ° C., that is, amorphous carbon, and when further heated, the spread and overlap of the network plane of the carbon six-membered ring is about 1400 ° C. When the temperature is increased to 2300 ° C. or more, a three-dimensional crystal lattice similar to the graphite structure is formed, thereby improving the corrosion resistance.

上記特許文献1には、前記導電性カーボンを異なる温度で熱処理した2種類以上の黒鉛化カーボンを担体として用いた電極触媒が開示されている。しかし、前記黒鉛化カーボンは、耐食性に優れる一方、熱処理によって比表面積が著しく低下し、また、カルボキシル基、カルボニル基等の表面官能基も焼失しているため、触媒金属の高分散担持が困難である。従って、黒鉛化カーボンのみを担体に用いても、高活性な触媒を得る事が出来ない恐れがある。   Patent Document 1 discloses an electrode catalyst using two or more types of graphitized carbon obtained by heat-treating the conductive carbon at different temperatures as a support. However, while the graphitized carbon is excellent in corrosion resistance, the specific surface area is remarkably lowered by heat treatment, and surface functional groups such as carboxyl groups and carbonyl groups are also burned out, so that it is difficult to carry a highly dispersed catalyst metal. is there. Therefore, there is a possibility that a highly active catalyst cannot be obtained even if only graphitized carbon is used for the carrier.

これに対し、本発明の電極触媒は黒鉛化率が異なる導電性カーボン担体を用いることに
より、前記導電性カーボンと前記黒鉛化カーボンとの双方の特性を兼ね備えることができ、高い耐食性を有するだけでなく、触媒活性にも優れた電極触媒とすることができるのである。
On the other hand, the electrode catalyst of the present invention can have both the characteristics of the conductive carbon and the graphitized carbon by using conductive carbon carriers having different graphitization rates, and has only high corrosion resistance. Therefore, an electrode catalyst having excellent catalytic activity can be obtained.

以下に、本発明の電極触媒をより詳細に説明する。   Below, the electrode catalyst of this invention is demonstrated in detail.

本発明の電極触媒において、黒鉛化率の異なる導電性カーボン担体とは、具体的には、BET比表面積が250〜1600m/gである黒鉛化処理されていない導電性カーボン担体(A)、および、BET比表面積が50〜400m/gである黒鉛化処理された導電性カーボン担体(B)を用いる。 In the electrode catalyst of the present invention, specifically, the conductive carbon support having a different graphitization rate is a non-graphitized conductive carbon support (A) having a BET specific surface area of 250 to 1600 m 2 / g, A graphitized conductive carbon support (B) having a BET specific surface area of 50 to 400 m 2 / g is used.

前記導電性カーボン担体(A)は、黒鉛化処理されていないものであって、好ましくは黒鉛化率が50%未満、より好ましくは黒鉛化率が5〜40%である。これにより十分に大きな担体比表面積が得られ、白金等の触媒粒子を高分散担持することができる。   The conductive carbon support (A) is not graphitized and preferably has a graphitization rate of less than 50%, more preferably a graphitization rate of 5 to 40%. Thereby, a sufficiently large carrier specific surface area can be obtained, and catalyst particles such as platinum can be supported in a highly dispersed manner.

前記導電性カーボン担体(A)のBET比表面積として、具体的には、250〜1600m/g、特に400〜1200m/gであるのが好ましい。BET比表面積が上記範囲にあれば、触媒粒子を担体上に高分散する点で有利である。 Specifically, the BET specific surface area of the conductive carbon support (A) is preferably 250 to 1600 m 2 / g, particularly preferably 400 to 1200 m 2 / g. If the BET specific surface area is in the above range, it is advantageous in that the catalyst particles are highly dispersed on the support.

また、前記導電性カーボン担体(A)は、導電率が0.1〜100S/cm、特に10〜100S/cmであるのが好ましい。導電率が0.1S/cm未満であると電気抵抗が高くなる恐れがあり、100S/cmを超えるとBET比表面積が小さくなる恐れがある。   The conductive carbon carrier (A) preferably has a conductivity of 0.1 to 100 S / cm, particularly 10 to 100 S / cm. If the electrical conductivity is less than 0.1 S / cm, the electrical resistance may increase, and if it exceeds 100 S / cm, the BET specific surface area may decrease.

前記導電性カーボン担体(A)としては、特に限定されないが、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック、種々の炭素原子を含む材料を炭化、賦活処理した活性炭等が使用できる。カーボンブラックとは炭化水素の液体や気体の熱分解によって製造されるものである。また、活性炭は原料として植物系の木材、のこくず、ヤシ殻、パルプ廃液などと鉱物系の石炭、石油コークス、石油ピッチなどを使用し、これを炭化し、さらに水蒸気賦活、薬品賦活などを行って製造されるものである。導電性カーボン担体(A)として、より具体的には、原料の入手、担体の製造方法や取り扱いが容易などの観点から、ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製のケッチェンブラックECおよびケッチェンブラックEC600JD;Cabot社製のVulcanXC−72およびブラックパール2000などが挙げられる。また、前記導電性カーボン担体(A)の粒径は、30〜1000nm、好ましくは50〜500nmとするのがよい。   The conductive carbon carrier (A) is not particularly limited, and carbon black such as channel black, furnace black, and thermal black, activated carbon obtained by carbonizing and activating various carbon atom-containing materials can be used. Carbon black is produced by thermal decomposition of a hydrocarbon liquid or gas. Activated carbon uses plant-based wood, sawdust, coconut husk, pulp waste liquor and mineral coal, petroleum coke, petroleum pitch, etc. as raw materials. To be manufactured. More specifically, as the conductive carbon carrier (A), Ketjen Black EC and Ketjen Black EC600JD manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd. are used from the viewpoints of obtaining raw materials, easy production and handling of the carrier, and the like; Examples include Vulcan XC-72 and Black Pearl 2000 manufactured by Cabot. The particle size of the conductive carbon carrier (A) is 30 to 1000 nm, preferably 50 to 500 nm.

前記導電性カーボン担体(B)は、黒鉛化処理されたものであって、好ましくは黒鉛化率が75%以上、より好ましくは黒鉛化率が80〜95%である。これにより、前記導電性カーボン担体(B)は、結晶構造が変化することで耐食性だけでなく導電率をも向上することができ、さらに、担体表面官能基が減少することで撥水性を確保することができる。担体が撥水性を有することにより、電極反応による生成水の排除を効率よく行うことができる。   The conductive carbon support (B) has been graphitized and preferably has a graphitization rate of 75% or more, more preferably a graphitization rate of 80 to 95%. As a result, the conductive carbon support (B) can improve not only the corrosion resistance but also the conductivity by changing the crystal structure, and further ensure the water repellency by reducing the functional group on the support surface. be able to. Since the carrier has water repellency, water generated by the electrode reaction can be efficiently removed.

前記導電性カーボン担体(B)のBET比表面積は、50〜400m/g、特に100〜350m/gであるのが好ましい。BET比表面積が上記範囲にあれば、触媒粒子を担体上に高分散する点で有利である。 The conductive carbon support (B) preferably has a BET specific surface area of 50 to 400 m 2 / g, particularly 100 to 350 m 2 / g. If the BET specific surface area is in the above range, it is advantageous in that the catalyst particles are highly dispersed on the support.

なお、本発明において、導電性カーボン担体のBET比表面積は、窒素吸着により測定したものである。   In the present invention, the BET specific surface area of the conductive carbon support is measured by nitrogen adsorption.

また、前記導電性カーボン担体(B)は、導電率が100〜1000S/cm、好ましくは200〜1000S/cmであるのがよい。導電率が100S/cm未満であると、電気抵抗が高くなる恐れがある。   The conductive carbon carrier (B) has a conductivity of 100 to 1000 S / cm, preferably 200 to 1000 S / cm. If the electrical conductivity is less than 100 S / cm, the electrical resistance may increase.

また、前記導電性カーボン担体(B)は、X線回折の格子面間隔Co値が6.78〜6.89Å、好ましくは6.82〜6.88Åであるのがよい。前記Co値が6.78Å未満であると黒鉛化率が高すぎて比表面積が低下する恐れがあり、6.89Åを超えると黒鉛化率が低すぎ十分な耐食性と導電率が得られない恐れがある。   The conductive carbon carrier (B) may have a lattice plane spacing Co value of X-ray diffraction of 6.78 to 6.89 mm, preferably 6.82 to 6.88 mm. If the Co value is less than 6.78%, the graphitization rate may be too high and the specific surface area may decrease, and if it exceeds 6.89%, the graphitization rate may be too low to provide sufficient corrosion resistance and conductivity. There is.

ここで、「格子面間隔Co値」とは、黒鉛化率の目安となり、導電性カーボン担体(B)の黒鉛構造に基づく炭素六員環の網平面の面間隔であり、網平面の垂直方向であるC軸方向の格子定数Cの1/2層間距離を表すものである。なお、格子面間隔Co値は、X線回折パターンから算出することができる。   Here, the “lattice plane spacing Co value” is a measure of the graphitization rate, and is the plane spacing of the network plane of the carbon six-membered ring based on the graphite structure of the conductive carbon support (B). This represents the ½ interlayer distance of the lattice constant C in the C-axis direction. Note that the lattice spacing Co value can be calculated from an X-ray diffraction pattern.

前記導電性カーボン担体(B)としては、特に限定されないが、前記導電性カーボン担体(A)として具体的に列挙したカーボンブラック等を原料として不活性雰囲気下、2800〜3000℃で熱処理することにより黒鉛化処理されたものである。前記導電性カーボン担体(B)の原料は、前記導電性カーボン担体(A)と同じものを用いてもよく、異なるものを用いてよく、熱処理することにより耐食性、導電性、撥水性などを向上することができる。   The conductive carbon carrier (B) is not particularly limited, but is heat-treated at 2800 to 3000 ° C. in an inert atmosphere using carbon black specifically listed as the conductive carbon carrier (A) as a raw material. It has been graphitized. The raw material for the conductive carbon carrier (B) may be the same as the conductive carbon carrier (A), or may be different, and heat treatment improves corrosion resistance, conductivity, water repellency, etc. can do.

本発明の電極触媒において、前記導電性カーボン担体(A)および前記導電性カーボン担体(B)に担持する触媒粒子の担持量は、所定の比率であるすなわち、本発明の電極触媒は、前記導電性カーボン担体(A)に前記電極触媒における全触媒粒子量の30〜90質量%、好ましくは50〜70質量%の触媒粒子が担持されてなる電極触媒(1)と、前記導電性カーボン担体(B)に前記電極触媒における全触媒粒子量の10〜70質量%、好ましくは30〜50質量%の触媒粒子が担持されてなる電極触媒(2)と、を含む。 In the electrode catalyst of the present invention, the amount of catalyst particles supported on the conductive carbon support (A) and the conductive carbon support (B) is a predetermined ratio . That is, the electrode catalyst of the present invention is an electrode catalyst in which 30 to 90% by mass, preferably 50 to 70% by mass of catalyst particles of the total amount of catalyst particles in the electrode catalyst are supported on the conductive carbon support (A). (1) and, 10 to 70% by weight of the total catalyst particle volume definitive to the electrode catalysts on the conductive carbon carrier (B), preferably from 30 to 50% by weight of the electrode catalyst in which the catalyst particles are carried (2 ) and, the including.

本発明の電極触媒において、前記導電性カーボン担体(A)に担持させる触媒粒子量が前記電極触媒に用いられる全触媒粒子量の30質量%未満である場合、反応開始初期の出力特性が低下する恐れがあり、90質量%を超えると電極触媒の耐食性を向上することができない恐れがある。また、前記導電性カーボン担体(B)に担持させる触媒粒子量が前記電極触媒に用いられる全触媒粒子量の10質量%未満である場合、電極触媒の耐食性を向上することができない恐れがあり、70質量%を超えると高い触媒活性がえられない恐れがある。   In the electrode catalyst of the present invention, when the amount of catalyst particles supported on the conductive carbon support (A) is less than 30% by mass of the total amount of catalyst particles used in the electrode catalyst, the output characteristics at the beginning of the reaction are deteriorated. If it exceeds 90 mass%, the corrosion resistance of the electrode catalyst may not be improved. In addition, when the amount of catalyst particles supported on the conductive carbon support (B) is less than 10% by mass of the total amount of catalyst particles used in the electrode catalyst, the corrosion resistance of the electrode catalyst may not be improved, If it exceeds 70% by mass, high catalytic activity may not be obtained.

また、本発明の電極触媒において、前記電極触媒(1)と前記電極触媒(2)との質量比(1)/(2)、4/1〜1/2、好ましくは3/1〜1/1である。前記電極触媒(1)と前記電極触媒(2)との比が4/1を超えると、電極触媒の耐食性が得られず触媒活性が低下する恐れがあり、1/2を下回ると、特に反応開始初期に高い触媒活性が得られない恐れがある。 Further, in the electrode catalyst of the present invention, the mass ratio of the electrocatalyst (1) and the electrocatalyst (2) (1) / (2) is 4 / 1-1 / 2, preferably 3 / 1-1 / 1 . If the ratio of the electrode catalyst (1) to the electrode catalyst (2) exceeds 4/1, the corrosion resistance of the electrode catalyst may not be obtained, and the catalytic activity may decrease. There is a risk that high catalytic activity may not be obtained at the beginning of the process.

本発明の電極触媒に用いられる触媒粒子としては、白金または白金合金が挙げられる。白金は、触媒活性が高いため単独で触媒粒子として用いてもよい。しかし、燃料電池の特にアノードにおいて改質ガスを供給する場合、燃料の水素の他に硫黄などの不純物も供給され、CO被毒により触媒活性が低下する恐れがある。従って、クロム、マンガン、鉄、コバルト、およびニッケルよりなる群から選ばれる少なくとも1種の卑金属と、白金との白金合金として用いてもよく、これにより耐被毒性、耐熱性などを向上させることができ
る。
Examples of the catalyst particles used in the electrode catalyst of the present invention include platinum or a platinum alloy. Since platinum has high catalytic activity, it may be used alone as catalyst particles. However, when the reformed gas is supplied particularly in the anode of the fuel cell, impurities such as sulfur are also supplied in addition to the hydrogen of the fuel, and there is a possibility that the catalytic activity is lowered due to CO poisoning. Accordingly, it may be used as a platinum alloy of platinum with at least one base metal selected from the group consisting of chromium, manganese, iron, cobalt, and nickel, thereby improving toxicity resistance, heat resistance, and the like. it can.

前記白金合金は、白金と卑金属との比が1:1〜5:1、より好ましくは2:1〜4:1とすることにより、高い触媒活性を維持しつつ、耐被毒性、耐熱性等を有する触媒粒子とすることができる。   The platinum alloy has a platinum to base metal ratio of 1: 1 to 5: 1, more preferably 2: 1 to 4: 1. Catalyst particles having

本発明において用いられる触媒粒子の粒径は、小さいほど電極反応が進行するための有効電極面積が増加する。従って、触媒活性が高くなり、触媒粒子の使用量を減らすことができコスト削減にも効果的である。しかし、触媒粒子の粒子径が小さすぎると均一に分散するのが困難となり、活性を低下させる恐れがある。ゆえに、触媒粒子の平均粒径は、1〜10nm、特に1〜5nmであることが好ましい。   The smaller the particle size of the catalyst particles used in the present invention, the larger the effective electrode area for the electrode reaction to proceed. Accordingly, the catalytic activity is increased, the amount of catalyst particles used can be reduced, and the cost can be reduced. However, if the particle size of the catalyst particles is too small, it becomes difficult to uniformly disperse and the activity may be reduced. Therefore, the average particle diameter of the catalyst particles is preferably 1 to 10 nm, particularly 1 to 5 nm.

本発明の第は、前記電極触媒を含有する触媒層を有する固体高分子型燃料電池用触媒担持電極である。 The second invention is a catalyst supporting electrode solid high polymer electrolyte fuel cell that have a catalyst layer containing the electrocatalyst.

固体高分子型燃料電池は、一般的には、膜・電極接合体(以下、「MEA」とも記載する。)をセパレータで積層した構造となっている。また、MEAは、電解質層が触媒坦持電極により挟持されてなるものである。   The polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which a membrane / electrode assembly (hereinafter also referred to as “MEA”) is laminated with a separator. The MEA is formed by sandwiching an electrolyte layer between catalyst-carrying electrodes.

前記触媒坦持電極には、電極触媒を高分散した触媒層と、ガス拡散層と、が含まれ得る。前記触媒層は少なくとも片面が電解質層に接している。前記電解質層にはパーフルオロスルホン酸系ポリマーなどの強酸性のイオン交換樹脂などが用いられるため、前記触媒層に含まれる触媒は、強酸性環境下でも腐食しないことが望まれる。本発明の電極触媒は、上述した通り、高い耐食性を有するため、前記触媒層に好適に用いることができる。   The catalyst-carrying electrode may include a catalyst layer in which an electrode catalyst is highly dispersed and a gas diffusion layer. At least one surface of the catalyst layer is in contact with the electrolyte layer. Since a strongly acidic ion exchange resin such as a perfluorosulfonic acid polymer is used for the electrolyte layer, it is desirable that the catalyst contained in the catalyst layer does not corrode even in a strongly acidic environment. Since the electrode catalyst of the present invention has high corrosion resistance as described above, it can be suitably used for the catalyst layer.

前記触媒層には、本発明の電極触媒の他にイオン交換樹脂が含まれる。イオン交換樹脂がバインダーポリマーとして電極触媒を被覆しているのが好ましい。これにより、電子導電性が向上し、電極性能を高めることができる。   The catalyst layer contains an ion exchange resin in addition to the electrode catalyst of the present invention. It is preferred that the ion exchange resin coats the electrode catalyst as a binder polymer. Thereby, electronic conductivity can improve and electrode performance can be improved.

イオン交換樹脂は、特に限定されず、電解質層と触媒層とでは同じであっても異なっていてもよい。イオン交換樹脂として、具体的には、Nafion溶液などのパーフルオロスルホン酸ポリマー系のプロトン導電体、リン酸などの無機酸を炭化水素系高分子化合物にドープさせたもの、一部がプロトン導電体の官能基で置換された有機/無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたプロトン導電体などからなるイオン交換樹脂が挙げられる。   The ion exchange resin is not particularly limited, and the electrolyte layer and the catalyst layer may be the same or different. Specific examples of ion exchange resins include perfluorosulfonic acid polymer-based proton conductors such as Nafion solutions, those obtained by doping a hydrocarbon polymer compound with an inorganic acid such as phosphoric acid, and some proton conductors And organic / inorganic hybrid polymers substituted with the above functional groups, and ion exchange resins made of proton conductors in which a polymer matrix is impregnated with a phosphoric acid solution or a sulfuric acid solution.

パーフルオロスルホン酸ポリマー系のプロトン導電体として、具体的には、炭素原子とフッ素原子のみからなる重合体だけではなく、水素原子が全てフッ素原子と置換されていれば酸素原子等を含有するものなどが挙げられ、CF2 =CF2 に基づく重合単位とCF2 =CF−(OCF2 CFX)m −Op −(CF2 )n −SO3 Hに基づく重合単位(式中、Xはフッ素原子又はトリフルオロメチル基であり、mは0〜3の整数であり、nは1〜12の整数であり、pは0又は1である。)とを含む共重合体などがある。   Specific examples of perfluorosulfonic acid polymer proton conductors include not only polymers composed of only carbon atoms and fluorine atoms, but also oxygen atoms if all hydrogen atoms are replaced with fluorine atoms. Polymerized units based on CF2 = CF2 and polymerized units based on CF2 = CF- (OCF2 CFX) m-Op- (CF2) n-SO3 H (wherein X is a fluorine atom or a trifluoromethyl group) And m is an integer of 0 to 3, n is an integer of 1 to 12, and p is 0 or 1.).

本発明の触媒坦持電極におけるガス拡散層としては、特に限定されないが、触媒層を支持する多孔質のカーボンペーパー、または、カーボン布などの多孔質カーボン基材等が挙げられる。   The gas diffusion layer in the catalyst-carrying electrode of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include porous carbon paper that supports the catalyst layer or a porous carbon substrate such as a carbon cloth.

本発明の電極触媒を含む前記触媒担持電極は、アノードとしても、カソードとしても用いてよいが、強酸性使用下でも高い耐食性を有することから、カソードとして用いるのが好ましい。   The catalyst-carrying electrode containing the electrode catalyst of the present invention may be used as an anode or a cathode, but is preferably used as a cathode because it has high corrosion resistance even under strong acid use.

前記触媒担持電極の製造方法としては、電極触媒、イオン交換樹脂の他に必要に応じて、撥水剤、造孔剤、増粘剤、希釈溶媒等を含む液を、電解質層上又はカーボンペーパー等のガス拡散層上に噴霧、塗布、濾過等により形成させる公知の方法が挙げられる。本発明の触媒担持電極は、電極触媒に含まれる導電性カーボン担体(B)により撥水性を有するため、通常、電極の製造に用いられる撥水剤の量の低減もしくは撥水剤を用いなくても、優れた電極性能を示すことができる。   As the method for producing the catalyst-carrying electrode, in addition to the electrode catalyst and the ion exchange resin, a liquid containing a water repellent, a pore-forming agent, a thickener, a diluting solvent, etc., as required Examples of the known method include formation by spraying, coating, filtration and the like on the gas diffusion layer. Since the catalyst-carrying electrode of the present invention has water repellency due to the conductive carbon carrier (B) contained in the electrode catalyst, it is usually necessary to reduce the amount of water repellent used in the production of the electrode or to use a water repellent. Can also show excellent electrode performance.

本発明の第は、前記固体高分子型燃料電池用触媒担持電極を用いた固体高分子型燃料電池である。本発明の電極触媒を用いた触媒担持電極は、電極反応初期から高い電極性能を示すことができ、長期にわたり電極性能を維持することができる。従って、かような触媒担持電極を燃料電池用電極として用いれば、高い性能を運転初期から長期に渡って示すことのできる燃料電池を提供することが可能となり得る。燃料電池の種類としては、所望する電池特性がえられるのであれば特に限定されないが、実用性・安全性などの観点から固体高分子型燃料電池(以下、「PEFC」とも記載する。)として用いるのが好ましい。 The third of the present invention is a polymer electrolyte fuel cell using the catalyst-supporting electrode for a polymer electrolyte fuel cell. The catalyst-carrying electrode using the electrode catalyst of the present invention can exhibit high electrode performance from the beginning of the electrode reaction, and can maintain electrode performance over a long period of time. Therefore, if such a catalyst-carrying electrode is used as a fuel cell electrode, it may be possible to provide a fuel cell that can exhibit high performance over a long period from the beginning of operation. The type of fuel cell is not particularly limited as long as desired cell characteristics can be obtained, but it is used as a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter also referred to as “PEFC”) from the viewpoints of practicality and safety. Is preferred.

PEFCは、上述した通りであるが、MEAをセパレータで積層した構造を有する。MEAを構成する電解質層および触媒担持電極に関しても、上述した通りであるためここでは、その記載を省略する。   The PEFC is as described above, and has a structure in which MEAs are stacked with a separator. Since the electrolyte layer and the catalyst-supporting electrode constituting the MEA are also as described above, the description thereof is omitted here.

MEAを挟持するセパレータとしては、カーボンペーパー、カーボンクロスなど公知のものを持ちいればよい。セパレータは、空気と燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、それらの流路を確保するために流路溝が形成されてもよい。セパレータの流路溝の溝幅やピッチに関しては特に限定されないが、細くなるほど電極へのガス拡散性が改善され、通常は0.5〜1.0mm程度の溝幅が用いられている。また、カソードにおいて生成した水がセパレータの流路に滞留するのを防ぐため、流路を長くして流速を早めたり、セパレータを立てて生成水が上から下へと流れ易くなるようにしてもよい。   As a separator for sandwiching the MEA, a known one such as carbon paper or carbon cloth may be used. The separator has a function of separating air and fuel gas, and a channel groove may be formed in order to secure the channel. The groove width and pitch of the flow path groove of the separator are not particularly limited, but the gas diffusibility to the electrode is improved as the thickness is reduced, and a groove width of about 0.5 to 1.0 mm is usually used. In addition, in order to prevent water generated at the cathode from staying in the separator flow path, the flow path can be lengthened to increase the flow rate, or the separator can be set up so that the generated water can easily flow from top to bottom. Good.

MEAの製造方法としては、電解質層上に触媒担持電極を直接形成する方法、セパレータ上に触媒担持電極を形成しこれを電解質層と接合する方法、平板上に触媒担持電極を形成しこれを電解質層に転写する方法等の種々の方法が挙げられる。なお、触媒担持電極を電解質層とは別個にセパレータ上に形成した場合は、触媒担持電極と電解質層とは、ホットプレス法、接着法(特開平7−220741号公報参照)等により接合することが好ましい。   MEA production methods include a method of directly forming a catalyst-supporting electrode on an electrolyte layer, a method of forming a catalyst-supporting electrode on a separator and bonding it to an electrolyte layer, and forming a catalyst-supporting electrode on a flat plate. Various methods such as a method of transferring to a layer can be mentioned. When the catalyst-carrying electrode is formed on the separator separately from the electrolyte layer, the catalyst-carrying electrode and the electrolyte layer are joined by a hot press method, an adhesion method (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-220741) or the like. Is preferred.

さらに、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、セパレータを介してMEAを複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。   Furthermore, a stack in which a plurality of MEAs are stacked via a separator and connected in series may be formed so that the fuel cell can obtain a desired voltage or the like. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.

本発明の電極触媒を用いた燃料電池は、従来のものと比較して優れた耐食性を有し、起動性にも優れることから、車両などの移動体用電源、定置用電源などとして信頼性の高い燃料電池を提供することが可能である。なお、上述した固体高分子型燃料電池に関しては、本発明の一実施形態を示したに過ぎず、本発明がこれに限定されるものではない。従って、本発明の電極触媒を用いた燃料電池、および、燃料電池用電極は、本発明の範囲に含まれるものである。   The fuel cell using the electrode catalyst of the present invention has excellent corrosion resistance as compared with the conventional one and excellent startability, so that it is reliable as a power source for moving bodies such as vehicles and a stationary power source. It is possible to provide a high fuel cell. In addition, regarding the polymer electrolyte fuel cell described above, only one embodiment of the present invention is shown, and the present invention is not limited to this. Accordingly, a fuel cell using the electrode catalyst of the present invention and a fuel cell electrode are included in the scope of the present invention.

上述した本発明の電極触媒の製造方法としては、導電性カーボン担体(A)に触媒粒子を担持し、前記導電性カーボン担体(A)を焼成することにより電極触媒(1)を得る工程と、カーボンを2800〜3000℃で黒鉛化処理して導電性カーボン担体(B)とし、前記導電性カーボン担体(B)に触媒粒子を担持して焼成することにより電極触媒(2
)を得る工程と、前記電極触媒(1)と前記電極触媒(2)とを混合する工程と、を含む製造方法が挙げられる。
As the method for producing the electrode catalyst of the present invention described above, a step of obtaining the electrode catalyst (1) by supporting catalyst particles on the conductive carbon support (A) and calcining the conductive carbon support (A); Carbon is graphitized at 2800 to 3000 ° C. to obtain a conductive carbon support (B), and catalyst particles are supported on the conductive carbon support (B) and calcined, whereby an electrode catalyst (2
) And a step of mixing the electrode catalyst (1) and the electrode catalyst (2).

導電性カーボン担体(A)に触媒粒子を担持するには、例えば、触媒粒子化合物溶液に導電性カーボン担体(A)を分散し、これに還元剤を加えることにより、触媒粒子を高分散担持することができる。   In order to support the catalyst particles on the conductive carbon support (A), for example, the conductive carbon support (A) is dispersed in a catalyst particle compound solution, and a reducing agent is added thereto, thereby supporting the catalyst particles in a highly dispersed state. be able to.

触媒粒子化合物溶液とは、触媒粒子としてPtを用いる場合には、例えば、塩化白金酸、塩化アンミン白金、ジニトロジアンミン白金などの触媒粒子化合物を含有する溶液のことである。白金合金とするには、前記溶液に白金の他に所望する卑金属の硝酸塩、塩化物、硫酸塩など卑金属化合物を分散させればよい。また、触媒粒子化合物を添加する溶媒としては、水、などを用いることができる。   The catalyst particle compound solution is a solution containing a catalyst particle compound such as chloroplatinic acid, chloroplatinum chloride, or dinitrodiammine platinum when Pt is used as the catalyst particles. In order to obtain a platinum alloy, a desired base metal compound such as nitrate, chloride, sulfate, etc. may be dispersed in the solution in addition to platinum. Moreover, water etc. can be used as a solvent which adds a catalyst particle compound.

前記触媒粒子化合物溶液に、導電性カーボン担体(A)を分散するには、ホモジナイザー、超音波分散装置等の適当な分散手段を用いればよい。触媒粒子化合物溶液における触媒粒子濃度、および、触媒粒子化合物とカーボン担体(A)との配合比率などは、得られる電極触媒(1)が所望の特性を有するように適宜決定すればよい。   In order to disperse the conductive carbon carrier (A) in the catalyst particle compound solution, an appropriate dispersing means such as a homogenizer or an ultrasonic dispersing device may be used. What is necessary is just to determine suitably the catalyst particle density | concentration in a catalyst particle compound solution, the mixture ratio of a catalyst particle compound, and a carbon support | carrier (A), etc. so that the obtained electrode catalyst (1) may have a desired characteristic.

還元剤としては、触媒粒子化合物を還元できるものであれば特に限定されず、チオ硫酸ナトリウム、クエン酸、クエン酸ナトリウム、L−アスコルビン酸、水素化ホウ素ナトリウム、ヒドラジン、ホルムアルデヒド、メタノール、エタノール、水素、エチレン、一酸化炭素などを用いることができる。前記還元剤を添加することにより、導電性カーボン担体(A)上に触媒粒子化合物を触媒粒子として担持させることができる。前記還元剤を、上述の触媒粒子化合物と導電性カーボン担体(A)との分散液に適量加え、還流反応装置などを用いて60〜100℃に加熱し、その後、室温まで放冷することにより触媒粒子の還元担持を行う。   The reducing agent is not particularly limited as long as it can reduce the catalyst particle compound. Sodium thiosulfate, citric acid, sodium citrate, L-ascorbic acid, sodium borohydride, hydrazine, formaldehyde, methanol, ethanol, hydrogen , Ethylene, carbon monoxide and the like can be used. By adding the reducing agent, the catalyst particle compound can be supported as catalyst particles on the conductive carbon support (A). By adding an appropriate amount of the reducing agent to the above dispersion of the catalyst particle compound and the conductive carbon carrier (A), heating to 60 to 100 ° C. using a reflux reactor or the like, and then allowing to cool to room temperature. The catalyst particles are reduced and supported.

次に、触媒粒子が担持された導電性カーボン担体(A)を焼成することにより電極触媒(1)を得ることができる。焼成前に、必要に応じて乾燥を行ってもよい。   Next, the electrode catalyst (1) can be obtained by firing the conductive carbon carrier (A) on which the catalyst particles are supported. You may dry as needed before baking.

乾燥方法としては、真空乾燥、自然乾燥、ロータリーエバポレーター、沿送風乾燥機による乾燥など、公知の方法を用いればよく特に限定されない。乾燥時間などは、使用する方法に応じて適宜決定すればよい。   The drying method is not particularly limited as long as a known method such as vacuum drying, natural drying, rotary evaporator, and drying by a blower dryer is used. What is necessary is just to determine drying time etc. suitably according to the method to be used.

焼成方法としては、空気雰囲気中、好ましくは、窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性雰囲気中で、焼成温度300〜1000℃、好ましくは300〜600℃の範囲で、1〜6時間程度、行えばよい。   The firing method is performed in an air atmosphere, preferably in an inert atmosphere such as nitrogen, helium, argon, etc., at a firing temperature of 300 to 1000 ° C., preferably 300 to 600 ° C. for about 1 to 6 hours. Good.

導電性カーボン担体(A)に触媒粒子を担持させる上述した方法では還元剤を用いたが、特にこれに限定されない。例えば、含浸法、共沈法、競争吸着法などの各種公知技術を用いることができる。また、特開平7−246343号公報、および、特開平10−216517号公報などに記載されるマイクロエマルジョン法を用いて電極触媒を製造してもよい。前記マイクロエマルジョン法によっても、導電性カーボン担体(A)上に触媒粒子を高分散担持することができる。   Although the reducing agent is used in the above-described method of supporting the catalyst particles on the conductive carbon support (A), the present invention is not particularly limited to this. For example, various known techniques such as an impregnation method, a coprecipitation method, and a competitive adsorption method can be used. Alternatively, an electrode catalyst may be produced using a microemulsion method described in JP-A-7-246343 and JP-A-10-216517. Also by the microemulsion method, the catalyst particles can be highly dispersed and supported on the conductive carbon support (A).

本発明の電極触媒において、導電性カーボン担体(B)は、カーボンを2800〜3000℃で熱処理することにより黒鉛化処理して得られる。   In the electrode catalyst of the present invention, the conductive carbon support (B) is obtained by graphitizing by subjecting carbon to heat treatment at 2800 to 3000 ° C.

カーボンとしては、具体的には、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック、種々の炭素原子を含む材料を炭化、賦活処理した活性炭
など上述した導電性カーボン担体(A)で列挙したものと同じものが挙げられる。また、導電性カーボン担体(A)と同じものを用いてもよく、異なったものを用いてもよく、熱処理することにより、耐食性、導電性、撥水性などを高めることができる。
Specific examples of carbon include carbon black such as channel black, furnace black, and thermal black, and activated carbon obtained by carbonizing and activating various carbon atom-containing materials. The same thing is mentioned. Moreover, the same thing as a conductive carbon support | carrier (A) may be used, and a different thing may be used, and corrosion resistance, electroconductivity, water repellency, etc. can be improved by heat-processing.

前記カーボンの黒鉛化処理は、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気下、2800〜3000℃で熱処理することにより行う。熱処理温度が2800℃未満であるとカーボンの黒鉛化率が低いため十分な耐食性が得られず、3000℃を超えるとカーボンの黒鉛化率が高すぎ、担体表面積が低下して触媒粒子を好適に担持することができない。熱処理時間は、用いるカーボンの種類によっても異なるため、所望の黒鉛化率が得られるように適宜決定すればよい。   The graphitization of the carbon is performed by heat treatment at 2800 to 3000 ° C. in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon. When the heat treatment temperature is less than 2800 ° C, the carbon graphitization rate is low, so sufficient corrosion resistance cannot be obtained. When the heat treatment temperature exceeds 3000 ° C, the graphitization rate of carbon is too high, and the surface area of the carrier is reduced, so It cannot be supported. Since the heat treatment time varies depending on the type of carbon used, it may be appropriately determined so as to obtain a desired graphitization rate.

前記導電性カーボン担体(B)に触媒粒子を担持して焼成することにより電極触媒(2)を得る工程としては、上述の導電性カーボン担体(A)に触媒粒子を担持する方法と同様に行えばよい。   The step of obtaining the electrode catalyst (2) by supporting the catalyst particles on the conductive carbon support (B) and calcining is performed in the same manner as the method of supporting the catalyst particles on the conductive carbon support (A) described above. Just do it.

本発明の製造方法においては、触媒粒子の担持は導電性カーボン担体(A)と導電性カーボン担体(B)とで別々に行う。触媒粒子化合物溶液と、導電性カーボン担体(A)と導電性カーボン担体(B)とを同時に混合すると、導電性カーボン担体(A)に優先的に触媒粒子が担持されるため、導電性カーボン担体(B)に担持する触媒量が減り、所望の触媒粒子担持量が得られなくなる恐れがある。触媒粒子の担持量としては、本発明の第1の電極触媒において説明した内容と同様であるため、ここではその記載を省略する。   In the production method of the present invention, the catalyst particles are supported separately for the conductive carbon support (A) and the conductive carbon support (B). When the catalyst particle compound solution, the conductive carbon support (A) and the conductive carbon support (B) are mixed at the same time, the catalyst particles are preferentially supported on the conductive carbon support (A). There is a possibility that the amount of catalyst supported in (B) decreases, and a desired amount of supported catalyst particles cannot be obtained. Since the amount of the catalyst particles supported is the same as that described in the first electrode catalyst of the present invention, the description thereof is omitted here.

前記電極触媒(1)と、前記電極触媒(2)とを混合する工程においては、ボールミルなどを用いて、得られる電極触媒が上述した所定の混合比となるように、前記電極触媒(1)と前記電極触媒(2)とを混合すればよい。   In the step of mixing the electrode catalyst (1) and the electrode catalyst (2), using a ball mill or the like, the electrode catalyst (1) is adjusted so that the obtained electrode catalyst has the predetermined mixing ratio described above. And the electrode catalyst (2) may be mixed.

本発明の電極触媒は、導電性カーボン担体(A)および導電性カーボン担体(B)を担体として用いることにより、高い触媒活性を有し、この強酸性環境下においても触媒活性を長期にわたり維持することができる。また、導電性カーボン担体(A)により反応開始初期から高い触媒活性を示すことができ、導電性カーボン担体(B)により撥水性をも有する。従って、かような電極触媒は燃料電池用電極触媒、特にカソード触媒として用いるのが好適である。   The electrode catalyst of the present invention has a high catalytic activity by using the conductive carbon support (A) and the conductive carbon support (B) as a support, and maintains the catalytic activity for a long time even in this strongly acidic environment. be able to. The conductive carbon carrier (A) can exhibit high catalytic activity from the beginning of the reaction, and the conductive carbon carrier (B) has water repellency. Therefore, such an electrode catalyst is preferably used as a fuel cell electrode catalyst, particularly a cathode catalyst.

また、本発明による電極触媒の製造方法としては、触媒粒子の担持を導電性カーボン担体(A)と導電性カーボン担体(B)とで別々に行うため、それぞれの担体に触媒粒子を所望の担持量で担持することができる。   Further, in the method for producing an electrode catalyst according to the present invention, catalyst particles are supported separately on the conductive carbon support (A) and the conductive carbon support (B), so that the desired support of the catalyst particles on each support is provided. It can be carried in an amount.

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples. The present invention is not limited to these examples.

<実施例1>
高導電性カーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックEC、導電率=1S/cm、BET比表面積=800m/g)4.0gに、ジニトロジアンミン白金水溶液(Pt濃度1.0質量%)400gを加えて1時間撹拌し、還元剤としてエタノール200gを混合して1時間攪拌した。その後、30分で85℃まで加温し、さらに、85℃で6時間撹拌・混合した後、1時間で室温まで降温した。
<Example 1>
To 4.0 g of highly conductive carbon black (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., conductivity = 1 S / cm, BET specific surface area = 800 m 2 / g), dinitrodiammine platinum aqueous solution (Pt concentration 1.0 mass) %) 400 g was added and stirred for 1 hour, and 200 g of ethanol as a reducing agent was mixed and stirred for 1 hour. Then, it heated up to 85 degreeC in 30 minutes, and also, after stirring and mixing at 85 degreeC for 6 hours, it cooled to room temperature in 1 hour.

沈殿物を濾過した後、得られた固形物を減圧下85℃において12時間乾燥した後に、乳鉢で粉砕し、触媒(A1)(Pt粒子の平均粒径2.5nm、Pt担持濃度50%)を
得た。次いで、この触媒粒子を、不活性ガス流通雰囲気下、300℃、1時間焼成した。
After filtering the precipitate, the obtained solid was dried under reduced pressure at 85 ° C. for 12 hours, and then pulverized in a mortar to obtain catalyst (A1) (average particle diameter of Pt particles 2.5 nm, Pt supported concentration 50%). Got. Next, the catalyst particles were calcined at 300 ° C. for 1 hour in an inert gas flow atmosphere.

次に、高導電性カーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックEC、導電率=1S/cm、BET比表面積=804m/g)を2800℃で10時間熱処理し、黒鉛化処理カーボンブラック(導電率=150S/cm、BET比表面積=110m/g、XRDのCo値=6.88)を得た。 Next, highly conductive carbon black (Ketjen Black EC manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., conductivity = 1 S / cm, BET specific surface area = 804 m 2 / g) was heat-treated at 2800 ° C. for 10 hours to obtain graphitized carbon. Black (conductivity = 150 S / cm, BET specific surface area = 110 m 2 / g, Co value of XRD = 6.88) was obtained.

前記黒鉛化処理カーボンブラック4.0gに、ジニトロジアンミン白金水溶液(Pt濃度1.0質量%)200gを加えて1時間撹拌し、還元剤としてエタノール200gを混合して1時間攪拌した。その後、30分で85℃まで加温し、さらに、85℃で6時間撹拌・混合した後、1時間で室温まで降温した。   To 4.0 g of the graphitized carbon black, 200 g of a dinitrodiammine platinum aqueous solution (Pt concentration 1.0 mass%) was added and stirred for 1 hour, and 200 g of ethanol as a reducing agent was mixed and stirred for 1 hour. Then, it heated up to 85 degreeC in 30 minutes, and also, after stirring and mixing at 85 degreeC for 6 hours, it cooled to room temperature in 1 hour.

沈殿物を濾過した後、得られた固形物を減圧下85℃において12時間乾燥した後に、乳鉢で粉砕し、触媒(B1)(Pt粒子の平均粒径3.5nm、Pt担持濃度25%)を得た。次いで、この触媒粒子を、不活性ガス流通雰囲気下、300℃、1時間焼成した。   After filtering the precipitate, the obtained solid was dried at 85 ° C. under reduced pressure for 12 hours, and then pulverized in a mortar to obtain catalyst (B1) (average particle diameter of Pt particles 3.5 nm, Pt support concentration 25%). Got. Next, the catalyst particles were calcined at 300 ° C. for 1 hour in an inert gas flow atmosphere.

前記触媒A1と前記触媒B1とを1:1で混合し、電極触媒とした。   The catalyst A1 and the catalyst B1 were mixed at a ratio of 1: 1 to obtain an electrode catalyst.

<実施例2>
高導電性カーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックEC600JD、導電率=1S/cm、BET比表面積=1270m/g)を用いた以外は、実施例1と同様にして、触媒(A2)(Pt粒子の平均粒径2.5nm、Pt担持濃度50%)を得た。
<Example 2>
In the same manner as in Example 1 except that highly conductive carbon black (Ketjen Black EC600JD manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., conductivity = 1 S / cm, BET specific surface area = 1270 m 2 / g) was used, a catalyst ( A2) (average particle diameter of Pt particles 2.5 nm, Pt support concentration 50%) was obtained.

また、前記高導電性カーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックEC600JD)を用いた以外は実施例1と同様にして、黒鉛化処理カーボンブラック(導電率=300S/cm、BET比表面積=260m/g、XRDのCo値=6.87)とし、これを用いて触媒(B2)(Pt粒子の平均粒径3.5nm、Pt担持濃度25%)を得た。 Further, graphitized carbon black (conductivity = 300 S / cm, BET specific surface area) was used in the same manner as in Example 1 except that the highly conductive carbon black (Ketjen Black EC600JD manufactured by Ketjen Black International) was used. = 260 m 2 / g, Co value of XRD = 6.87), and using this, catalyst (B2) (average particle diameter of Pt particles 3.5 nm, Pt support concentration 25%) was obtained.

前記触媒A2と前記触媒B2とを3:1で混合し、電極触媒とした。   The catalyst A2 and the catalyst B2 were mixed at a ratio of 3: 1 to obtain an electrode catalyst.

<比較例1>
高導電性カーボンブラック(Cabot社製VulcanXC−72、導電率=0.5S/cm、BET比表面積=280m/g)4.0gに、ジニトロジアンミン白金水溶液(Pt濃度1.0%)400gを加えて1時間撹拌し、還元剤としてエタノール200gを混合し1時間攪拌した。その後、30分で85℃まで加温し、さらに、85℃で6時間撹拌・混合した後、1時間で室温まで降温した。
<Comparative Example 1>
To 4.0 g of highly conductive carbon black (Cabot Vulcan XC-72, conductivity = 0.5 S / cm, BET specific surface area = 280 m 2 / g), 400 g of dinitrodiammine platinum aqueous solution (Pt concentration 1.0%) In addition, the mixture was stirred for 1 hour, and 200 g of ethanol as a reducing agent was mixed and stirred for 1 hour. Then, it heated up to 85 degreeC in 30 minutes, and also, after stirring and mixing at 85 degreeC for 6 hours, it cooled to room temperature in 1 hour.

沈殿物を濾過した後、得られた固形物を減圧下85℃において12時間乾燥した後に、乳鉢で粉砕し、触媒(D1)(Pt粒子の平均粒径3.5nm、Pt担持濃度50%)を得た。次いで、この触媒粒子を、不活性ガス流通雰囲気下、300℃、1時間焼成した。   After filtering the precipitate, the obtained solid was dried at 85 ° C. under reduced pressure for 12 hours, and then pulverized in a mortar to obtain catalyst (D1) (average particle diameter of Pt particles 3.5 nm, Pt support concentration 50%). Got. Next, the catalyst particles were calcined at 300 ° C. for 1 hour in an inert gas flow atmosphere.

前記触媒D1のみを用いて、電極触媒とした。   Only the catalyst D1 was used as an electrode catalyst.

<電極触媒の性能評価>
前記実施例1、2および比較例1で得た電極触媒について、以下の手順で、MEAを作製して燃料電池単セルの性能測定を行った。
<Performance evaluation of electrode catalyst>
With respect to the electrode catalysts obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, MEA was produced according to the following procedure, and the performance of the single fuel cell was measured.

まず、MEAを以下の手順で作製した。   First, MEA was produced in the following procedure.

まず、カソードとして各実施例及び比較例に係る電極触媒に精製水とイソプロピルアルコールを加え、さらにカーボンと同量のNafion(登録商標)を含んだNafion溶液を加えてホモジナイザーでよく分散させ、さらに脱泡操作を加えて触媒スラリーを作製した。これをガス拡散層(GDL)であるカーボンペーパー(東レ株式会社製「TGP−H」)の片面にスクリーン印刷法によって所定量印刷し、60℃で24時間乾燥させ、触媒層を得た。その後、前記触媒層を塗布した面を電解質層に合わせて120℃、0.2MPaで、3分間ホットプレスを行うことによって、前記触媒層と前記電解質層とを接合した。   First, purified water and isopropyl alcohol are added to the electrode catalysts according to the examples and comparative examples as a cathode, and a Nafion solution containing Nafion (registered trademark) in the same amount as carbon is added and dispersed well with a homogenizer. A foaming operation was added to prepare a catalyst slurry. A predetermined amount was printed on one side of carbon paper (“TGP-H” manufactured by Toray Industries, Inc.), which is a gas diffusion layer (GDL), and dried at 60 ° C. for 24 hours to obtain a catalyst layer. Thereafter, the catalyst layer and the electrolyte layer were joined by hot pressing the surface on which the catalyst layer was applied to the electrolyte layer at 120 ° C. and 0.2 MPa for 3 minutes.

一方、アノードとしては電極触媒として50%Pt担持カーボンを用いて、カソードと同様に作製し、触媒層を前記電解質層のカソード接合面と反対の面に接合して、MEAとした。   On the other hand, as the anode, 50% Pt-supported carbon was used as the electrode catalyst, and the anode was prepared in the same manner as the cathode, and the catalyst layer was bonded to the surface opposite to the cathode bonding surface of the electrolyte layer to obtain MEA.

前記MEAは、アノード、カソードともにPt使用量を見かけの電極面積1cmあたり0.5mgとし、電極面積は300cmとした。また、電解質層としてNafion112を用いた。 In the MEA, the amount of Pt used for both the anode and cathode was 0.5 mg per apparent electrode area of 1 cm 2 , and the electrode area was 300 cm 2 . Further, Nafion 112 was used as the electrolyte layer.

得られたMEAを用いて燃料電池単セルを構成し、性能測定を以下に従って行った。   A fuel cell single cell was constructed using the obtained MEA, and performance measurement was performed as follows.

測定に際しては、アノード側に燃料として水素を供給し、カソード側には空気を供給した。両ガスとも供給圧力は大気圧とし、水素は80℃、空気は60℃で飽和加湿し、燃料電池本体の温度は80℃に設定し、水素利用率は70%、空気利用率は40%として、電流密度0.5A/cmで30分間運転を続けた。発電を停止する場合には取り出す電流密度をゼロとした後、アノードは窒素パージをして水素を排出した。カソードは大気圧で出口側を解放とした。このとき燃料電池本体の温度制御は行わず、停止時間は30分とした。停止後運転を再開する場合には、再び上記条件でセルにガスを導入し、発電を行った。この運転−停止サイクルを繰り返す事によって、燃料電池単セルの耐久性評価を行った。 In the measurement, hydrogen was supplied as fuel to the anode side, and air was supplied to the cathode side. Supply pressure for both gases is atmospheric pressure, hydrogen is 80 ° C, air is saturated and humidified at 60 ° C, fuel cell body temperature is set to 80 ° C, hydrogen utilization is 70%, and air utilization is 40%. The operation was continued for 30 minutes at a current density of 0.5 A / cm 2 . When power generation was stopped, the current density taken out was set to zero, and then the anode was purged with nitrogen to discharge hydrogen. The cathode was opened at the outlet side at atmospheric pressure. At this time, temperature control of the fuel cell body was not performed, and the stop time was 30 minutes. When restarting operation after stopping, gas was again introduced into the cell under the above conditions to generate power. By repeating this operation-stop cycle, the durability of the single fuel cell was evaluated.

図1は、実施例1、2及び比較例1の電極触媒を用いて作製した各固体高分子電解質型燃料電池の電流密度0.5A/cmにおけるセル電圧の運転−停止サイクル数に対する変化を表すグラフである。図に示すように、本発明の触媒(実施例1及び2)を用いた燃料電池の方が、従来の触媒(比較例1)を用いた燃料電池よりも、運転開始から起動停止サイクル数に対してセル電圧の低下速度が小さいことが確認された。 FIG. 1 shows the change of the cell voltage with respect to the number of operation-stop cycles at a current density of 0.5 A / cm 2 for each solid polymer electrolyte fuel cell produced using the electrode catalysts of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. It is a graph to represent. As shown in the figure, the fuel cell using the catalyst of the present invention (Examples 1 and 2) has a longer start-stop cycle number than the fuel cell using the conventional catalyst (Comparative Example 1). On the other hand, it was confirmed that the cell voltage decrease rate was small.

実施例1、2および比較例1の電極触媒を用いて作製した各固体高分子電解質型燃料電池の運転−停止サイクル数に対する変化を表すグラフである。It is a graph showing the change with respect to the number of operation-stop cycles of each solid polymer electrolyte fuel cell produced using the electrode catalyst of Examples 1, 2 and Comparative Example 1.

Claims (7)

白金を含む触媒粒子と、前記触媒粒子を担持する黒鉛化率が異なる導電性カーボン担体と、を含む電極触媒であって、
前記電極触媒は、BET比表面積が250〜1600m /gである黒鉛化処理されていない導電性カーボン担体(A)に前記電極触媒における全触媒粒子量の30〜90質量%の前記触媒粒子が担持されてなる電極触媒(1)と、BET比表面積が50〜400m /gである黒鉛化処理された導電性カーボン担体(B)に、前記電極触媒における全触媒粒子量の10〜70質量%の前記触媒粒子が担持されてなる電極触媒(2)とを含み、
前記電極触媒(1)と前記電極触媒(2)との質量比(1)/(2)が、4/1〜1/2で混合されてなる、電極触媒。
An electrode catalyst comprising catalyst particles containing platinum, and a conductive carbon support having a different graphitization rate that supports the catalyst particles,
The electrocatalyst has a BET specific surface area of 250 to 1600 m 2 / g and the non-graphitized conductive carbon support (A) has 30 to 90% by mass of the catalyst particles in the total amount of catalyst particles in the electrode catalyst. The supported electrocatalyst (1) and the graphitized conductive carbon support (B) having a BET specific surface area of 50 to 400 m 2 / g are mixed with 10 to 70 mass of the total catalyst particles in the electrode catalyst. % Of an electrode catalyst (2) on which the catalyst particles are supported,
An electrode catalyst obtained by mixing a mass ratio (1) / (2) of the electrode catalyst (1) and the electrode catalyst (2) at 4/1 to 1/2 .
前記導電性カーボン担体(A)は導電率が0.1〜100S/cmであり、前記導電性カーボン担体(B)は導電率100〜1000S/cmである請求項1記載の電極触媒。   The electrode catalyst according to claim 1, wherein the conductive carbon support (A) has a conductivity of 0.1 to 100 S / cm, and the conductive carbon support (B) has a conductivity of 100 to 1000 S / cm. 前記導電性カーボン担体(B)は、X線回折の格子面間隔Co値が6.78〜6.89Åである請求項1または2記載の電極触媒。   The electrocatalyst according to claim 1 or 2, wherein the conductive carbon support (B) has a lattice plane Co value of X-ray diffraction of 6.78 to 6.89. 前記触媒粒子は、クロム、マンガン、鉄、コバルト、およびニッケルよりなる群から選ばれる少なくとも1種の卑金属と、白金と、の合金である請求項1〜3のいずれかに記載の電極触媒。 The catalyst particles, chromium, manganese, iron, cobalt, and at least one base metal and platinum and, the electrode catalyst according to any one of claims 1 to 3 which is an alloy selected from the group consisting of nickel. 前記触媒粒子は、白金と卑金属との質量比が1:1〜5:1である請求項に記載の電極触媒。 The electrode catalyst according to claim 4 , wherein the catalyst particles have a mass ratio of platinum to base metal of 1: 1 to 5: 1. 請求項1〜5のいずれかに記載の電極触媒を含有する触媒層を有する固体高分子型燃料電池用触媒担持電極。 A catalyst-supporting electrode for a polymer electrolyte fuel cell having a catalyst layer containing the electrode catalyst according to any one of claims 1 to 5 . 請求項に記載の固体高分子型燃料電池用触媒担持電極を用いた固体高分子型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell using the catalyst-supporting electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 6 .
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