JPH09167620A - ELECTRODE CATALYST FOR FUEL CELL, MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND ELECTRODE AND FUEL CELL USING THE CATALYST - Google Patents
ELECTRODE CATALYST FOR FUEL CELL, MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND ELECTRODE AND FUEL CELL USING THE CATALYSTInfo
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- JPH09167620A JPH09167620A JP7327638A JP32763895A JPH09167620A JP H09167620 A JPH09167620 A JP H09167620A JP 7327638 A JP7327638 A JP 7327638A JP 32763895 A JP32763895 A JP 32763895A JP H09167620 A JPH09167620 A JP H09167620A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 大出力・長寿命の実用的な燃料電池の実現に
貢献可能な、高活性でかつ長寿命な燃料電池用電極触媒
を提供する。
【解決手段】 本発明の電極触媒は、導電性カーボン粉
末担体と、PtとPt合金の中から選択されたPt材料
からなり前記導電性カーボン粉末担体上に分散担持され
た金属触媒粒子を有する燃料電池用電極触媒において、
前記金属触媒粒子の表面に、酸化物と水酸化物の中から
選択された種類でかつNb、Ni、Sn、Ta、Ti、
およびZrの中から選択された少なくとも一種の元素と
Siとを共に含む化合物が被着されて構成される。本発
明の電極は、導電性かつ耐酸性を有する支持部材上に、
電極触媒と撥水性結着材とからなる電極触媒層を形成し
てなる燃料電池用電極において、電極触媒として上記の
電極触媒を使用する。(57) [Abstract] [PROBLEMS] To provide a highly active and long-life fuel cell electrode catalyst that can contribute to the realization of a practical fuel cell with high output and long life. The electrocatalyst of the present invention is a fuel having a conductive carbon powder carrier and metal catalyst particles made of Pt material selected from Pt and Pt alloy and dispersed and carried on the conductive carbon powder carrier. In electrode catalysts for batteries,
On the surface of the metal catalyst particles, Nb, Ni, Sn, Ta, Ti, selected from oxides and hydroxides,
And a compound containing at least one element selected from Zr and Si together. The electrode of the present invention has a conductive and acid-resistant support member,
In a fuel cell electrode in which an electrode catalyst layer composed of an electrode catalyst and a water repellent binder is formed, the above electrode catalyst is used as the electrode catalyst.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用電極触
媒の改良に関するものであり、また、その製造方法、お
よびその触媒を用いた電極と燃料電池に関するものであ
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an improvement in a fuel cell electrode catalyst, a method for producing the same, and an electrode and a fuel cell using the catalyst.
【0002】[0002]
【従来の技術】燃料電池は、水素または炭化水素のよう
な燃料と、酸素のような酸化剤とを供給し、その酸化還
元反応の化学エネルギーを電気エネルギー(電力)に直
接変換する電気化学的装置である。一般に、燃料極(ア
ノード)、酸化剤極(カソード)、両電極間の電解質、
およびアノードとカソードに燃料ガスと酸化剤ガスをそ
れぞれ供給する手段などから構成される。A fuel cell is an electrochemical device that supplies a fuel such as hydrogen or hydrocarbons and an oxidant such as oxygen, and directly converts the chemical energy of the redox reaction into electric energy (electric power). It is a device. Generally, fuel electrode (anode), oxidant electrode (cathode), electrolyte between both electrodes,
And means for supplying fuel gas and oxidant gas to the anode and cathode, respectively.
【0003】このような燃料電池において、アノードお
よびカソードには電極触媒が用いられる。そして、燃料
電池作動時に、アノードに供給された燃料は、電解質の
存在する電極触媒上で酸化されて電子を放出し、カソー
ドに供給された酸化剤は、電解質の存在する電極触媒上
で外部回路を通じてアノードから供給される電子を消費
しながら還元される。この一連の動作によって外部回路
を流れる電流が、一定負荷の下で電力として利用され
る。In such a fuel cell, an electrode catalyst is used for the anode and the cathode. During operation of the fuel cell, the fuel supplied to the anode is oxidized on the electrode catalyst in the presence of the electrolyte to release electrons, and the oxidant supplied to the cathode is discharged to the external circuit on the electrode catalyst in the presence of the electrolyte. The electrons are reduced while consuming the electrons supplied from the anode. The current flowing through the external circuit by this series of operations is used as electric power under a constant load.
【0004】燃料電池においては、以上のような電極触
媒が重要な役割を演じ、燃料電池の出力・寿命は電極触
媒の特性に大きく依存している。そのため、従来、より
大出力・長寿命の燃料電池を実現する目的で、より高特
性を有する電極触媒を得るための様々な研究開発が進め
られている。In the fuel cell, the electrode catalyst as described above plays an important role, and the output and life of the fuel cell largely depend on the characteristics of the electrode catalyst. Therefore, various researches and developments for obtaining an electrocatalyst having higher characteristics have been conventionally carried out for the purpose of realizing a fuel cell having a larger output and a longer life.
【0005】具体的な電極触媒としては、初期において
は、貴金属と称される白金(Pt)、パラジウム(P
d)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジ
ウム(Ir)、オスミウム(Os)、銀(Ag)、金
(Au)から選ばれた1種または2種以上を組み合わせ
たものが、金属ブラックの形で使用されていた。As a concrete electrode catalyst, platinum (Pt) and palladium (P
d), rhodium (Rh), ruthenium (Ru), iridium (Ir), osmium (Os), silver (Ag), gold (Au), or a combination of two or more thereof is metallic black. Was used in the form of.
【0006】また、これらの貴金属とアルミニウム、ク
ロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅等の卑金
属のなかの1種または2種以上との合金触媒(米国特許
第3428490号、第3468717号)等が用いら
れていた。しかし、これらの触媒は、金属表面積が小さ
いために多量の貴金属を使用することになる上、電解質
中で著しくシンタリングし易いため、触媒寿命が短く、
経済的ではなかった。Further, alloy catalysts of these noble metals with one or more base metals such as aluminum, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel and copper (US Pat. Nos. 3,428,490 and 3,468,717), etc. Was used. However, since these catalysts use a large amount of noble metal due to their small metal surface area, and because they are extremely easy to sinter in the electrolyte, the catalyst life is short,
It wasn't economical.
【0007】その後、貴金属成分をカーボンブラックの
ような導電性の粉末担体に分散担持させたものが用いら
れるようになった。このようなカーボン粉末担持触媒
は、上記のような貴金属触媒や卑金属との合金触媒に比
べて貴金属の使用量を大幅に低減できるため、燃料電池
発電の経済性の向上に大いに貢献するものであり、電極
触媒の有望な基本形態として期待されている。[0007] After that, those in which a noble metal component is dispersed and carried on a conductive powder carrier such as carbon black has come to be used. Such a carbon powder-supported catalyst can significantly reduce the amount of the noble metal used as compared with the above-mentioned noble metal catalyst and alloy catalyst with a base metal, and thus contributes greatly to the improvement of the economical efficiency of fuel cell power generation. , Is expected as a promising basic form of electrode catalyst.
【0008】ところで、現在実用化に最も近いリン酸型
燃料電池が実用的な発電システムとして広範に普及する
ためには、一定レベル以上の出力で4万時間以上の運転
寿命を有することが必要条件とされている。近年、高効
率、長寿命で経済性の高い燃料電池の開発を目指し、主
にカソードでの酸化還元反応に高活性なカーボン粉末担
持触媒の開発が進められている。By the way, in order for the phosphoric acid fuel cell, which is the closest to practical use at present, to spread widely as a practical power generation system, it is necessary to have an operating life of 40,000 hours or more at an output of a certain level or more. It is said that. In recent years, with the aim of developing a fuel cell having high efficiency, long life, and high economic efficiency, development of a carbon powder-supported catalyst that is highly active mainly for a redox reaction at the cathode has been advanced.
【0009】すなわち、まず、白金族金属とバナジウ
ム、アルミニウム、チタン、クロム等の卑金属との担持
二元系合金触媒が見出され(米国特許第4186110
号、米国特許第4202934号、第4316944号
公報)、その後、さらに高活性化を目指して白金−バナ
ジウムあるいは白金−クロムにコバルトを加えた担持白
金三元系合金触媒(米国特許第4447506号公
報)、あるいは白金−コバルト−ニッケルの担持白金三
元系合金触媒(特開昭61−8851号公報)などが開
示されている。また、担持白金−鉄二元系規則性合金
(Pt3 Fe超格子合金)触媒(特開昭60−7941
号公報)が開示され、担持白金−クロム−コバルト三元
系規則性合金触媒が提案されている(米国特許第471
1829号公報)。さらに、触媒活性を向上させると共
に金属表面積の保持率を改善させた、白金−鉄−コバル
ト三元系合金触媒(特開昭62−163746号公報)
が開示されている。That is, first, a supported binary alloy catalyst of a platinum group metal and a base metal such as vanadium, aluminum, titanium or chromium was found (US Pat. No. 4,186,110).
U.S. Pat. Nos. 4,202,934 and 4,316,944), followed by a supported platinum ternary alloy catalyst obtained by adding cobalt to platinum-vanadium or platinum-chromium for further higher activation (U.S. Pat. No. 4,447,506). Alternatively, platinum-cobalt-nickel supported platinum ternary alloy catalyst (Japanese Patent Laid-Open No. 61-8851) and the like are disclosed. Further, a supported platinum-iron binary ordered alloy (Pt 3 Fe superlattice alloy) catalyst (Japanese Patent Laid-Open No. 60-7941)
Japanese Patent Application Laid-Open (Kokai) Publication), and a supported platinum-chromium-cobalt ternary ordered alloy catalyst is proposed (US Pat. No. 471).
1829). Further, a platinum-iron-cobalt ternary alloy catalyst having improved catalytic activity and improved retention of metal surface area (JP-A-62-163746).
Is disclosed.
【0010】[0010]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような従来の各種のカーボン粉末担持触媒は、いずれ
も、前述したような実用的な燃料電池を実現するために
電極触媒に要求される活性と寿命のレベルを同時に満足
させるには至っていない。However, each of the above-mentioned various conventional carbon powder-supported catalysts has the activity required for the electrode catalyst in order to realize the above-mentioned practical fuel cell. It has not reached the level of life at the same time.
【0011】したがって、本発明の第1の目的は、前述
した従来のカーボン粉末担持触媒に比べて、大出力・長
寿命の実用的な燃料電池の実現に貢献可能な、高活性で
かつ長寿命な燃料電池用電極触媒を提供することであ
る。また、本発明の第2の目的は、そのような高活性で
かつ長寿命な燃料電池用電極触媒を製造するための最適
な方法を提供することである。さらに、本発明の第3の
目的は、そのような高活性でかつ長寿命な電極触媒を使
用した高活性でかつ長寿命の電極、および大出力・長寿
命の実用的な燃料電池を提供することである。Therefore, the first object of the present invention is to have a high activity and a long life, which can contribute to the realization of a practical fuel cell having a large output and a long life, as compared with the above-mentioned conventional carbon powder-supported catalyst. Another object of the present invention is to provide a fuel cell electrode catalyst. A second object of the present invention is to provide an optimal method for producing such a highly active and long-life fuel cell electrode catalyst. Furthermore, the third object of the present invention is to provide a highly active and long-life electrode using such highly active and long-life electrode catalyst, and a practical fuel cell with large output and long life. That is.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】 [1.請求項1〜5記載の発明:燃料電池用電極触媒]
請求項1記載の発明は、導電性カーボン粉末担体と、P
tとPt合金の中から選択されたPt材料からなり前記
導電性カーボン粉末担体上に分散担持された金属触媒粒
子を有する燃料電池用電極触媒において、前記金属触媒
粒子の表面に、酸化物と水酸化物の中から選択された種
類でかつNb、Ni、Sn、Ta、Ti、およびZrの
中から選択された少なくとも一種の元素とSiとを共に
含む化合物が被着されていることを特徴としている。[Means for Solving the Problems] [1. Inventions according to claims 1 to 5: fuel cell electrode catalyst]
The invention according to claim 1 is a conductive carbon powder carrier, and P
In a fuel cell electrode catalyst having metal catalyst particles, which are made of a Pt material selected from t and a Pt alloy and are dispersed and carried on the conductive carbon powder carrier, an oxide and a water are provided on the surface of the metal catalyst particles. A compound containing at least one element selected from Nb, Ni, Sn, Ta, Ti, and Zr and a compound selected from oxides and Si is deposited. There is.
【0013】以上のような構成を有する請求項1記載の
発明において、Nb、Ni、Sn、Ta、TiおよびZ
rから選ばれた少なくとも一種の元素とSiとを共に含
む酸化物や水酸化物は、導電性カーボン粉末担体上に分
散担持されているPtまたはPt合金の微細粒子の担持
周縁に存在することにより、高温のリン酸電解質と酸化
剤である酸素の共存するカソード雰囲気中で進行する、
触媒活性金属の溶出およびシンタリングを抑制する効果
を有する。In the invention according to claim 1 having the above structure, Nb, Ni, Sn, Ta, Ti and Z
Oxides and hydroxides containing both Si and at least one element selected from r are present at the supporting edge of fine particles of Pt or Pt alloy dispersed and supported on the conductive carbon powder carrier. , Proceeds in a cathode atmosphere in which a high temperature phosphoric acid electrolyte and oxygen as an oxidant coexist,
It has the effect of suppressing elution and sintering of catalytically active metals.
【0014】また、高温のリン酸電解質中、ZrとSi
がリン酸と反応したとしても、それぞれリン酸に不溶性
のリン酸ジルコニウム、リン酸ケイ素を生成して安定化
するため、その抑制効果は長期に亘って変わらない。さ
らに、PtまたはPt合金の微細粒子の担持周縁に存在
するZrとSiとを共に含む酸化物や水酸化物(生成し
た場合には、リン酸ジルコニウム、リン酸ケイ素をも含
める)は、リン酸電解質と親和性を有するため、リン酸
との適度な濡れサイトを形成し、酸素還元反応の向上に
有効である。Further, in a high temperature phosphoric acid electrolyte, Zr and Si
Even if reacts with phosphoric acid, zirconium phosphate and silicon phosphate, which are insoluble in phosphoric acid, are generated and stabilized, respectively, so that the suppressing effect does not change for a long time. Furthermore, oxides and hydroxides (both zirconium phosphate and silicon phosphate are included when they are formed) containing both Zr and Si existing in the periphery of supporting fine particles of Pt or Pt alloy are phosphoric acid. Since it has an affinity with the electrolyte, it forms an appropriate wetting site with phosphoric acid and is effective in improving the oxygen reduction reaction.
【0015】請求項2記載の発明は、請求項1記載の発
明において、前記燃料電池用電極触媒の担持金属の組成
が次のように設定されたことを特徴としている。すなわ
ち、請求項2記載の発明において、担持金属の組成は、
前記Nb、Ni、Sn、Ta、Ti、およびZrの中か
ら選択された少なくとも一種の元素と前記Siとが、い
ずれも10重量%以上であり、かつ、前記Pt材料が4
0重量%以上である。The invention according to claim 2 is characterized in that, in the invention according to claim 1, the composition of the supported metal of the fuel cell electrode catalyst is set as follows. That is, in the invention of claim 2, the composition of the supported metal is
At least one element selected from Nb, Ni, Sn, Ta, Ti, and Zr and Si are all 10 wt% or more, and the Pt material is 4
0% by weight or more.
【0016】以上のような構成を有する請求項2記載の
発明によれば、次のような作用・効果が得られる。すな
わち、例えば、Pt(Pt合金)−Zr、Siの担持金
属の組成において、ZrおよびSiの二元素中の少なく
とも一つが10重量%未満の場合、ZrおよびSiの添
加効果は顕著には現れず、Pt(Pt合金)−Zr系あ
るいはPt(Pt合金)−Si系の触媒並の性能しか示
さない。また、Pt(Pt合金)が40重量%未満の場
合には、触媒活性金属表面積が不足し、触媒活性が低下
する。そのため、請求項2記載の発明にしたがって、Z
rおよびSiの二元素をいずれも10重量%以上とし、
かつ、前記Pt材料を40重量%以上とすることによ
り、高い触媒活性を得ることができる。According to the invention of claim 2 having the above configuration, the following actions and effects can be obtained. That is, for example, in the composition of Pt (Pt alloy) -Zr, Si-supported metal, when at least one of the two elements of Zr and Si is less than 10% by weight, the effect of adding Zr and Si does not significantly appear. , Pt (Pt alloy) -Zr-based or Pt (Pt alloy) -Si-based catalysts exhibit only the same performance. Further, when Pt (Pt alloy) is less than 40% by weight, the catalytically active metal surface area is insufficient and the catalytic activity is lowered. Therefore, according to the invention of claim 2, Z
Each of the two elements of r and Si is 10% by weight or more,
Moreover, when the Pt material is 40% by weight or more, high catalytic activity can be obtained.
【0017】請求項3記載の発明は、請求項1または2
に記載の発明において、前記金属触媒粒子の分散状態に
特徴を有する。すなわち、請求項3記載の発明におい
て、前記金属触媒粒子は、60m2 /g以上の金属表面
積を有する高分散状態で前記導電性カーボン粉末担体上
に分散担持される。The invention according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2.
In the invention described in (3), the metal catalyst particles are characterized in a dispersed state. That is, in the invention according to claim 3, the metal catalyst particles are dispersed and supported on the conductive carbon powder carrier in a highly dispersed state having a metal surface area of 60 m 2 / g or more.
【0018】以上のような構成を有する請求項3記載の
発明によれば、次のような作用・効果が得られる。すな
わち、金属触媒粒子は、30m2 /g未満では、単位重
量当たりの活性が不十分であり、経済的でない。そのた
め、金属触媒粒子が、30m2 /g以上、好ましくは、
請求項3記載の発明にしたがって60m2 /g以上の金
属表面積を有する高分散状態でカーボン粉末担体上に分
散担持されることにより、単位重量あたりの活性を高く
することができる。According to the invention of claim 3 having the above-mentioned structure, the following actions and effects can be obtained. That is, when the metal catalyst particles are less than 30 m 2 / g, the activity per unit weight is insufficient and it is not economical. Therefore, the metal catalyst particles should be 30 m 2 / g or more, preferably,
The activity per unit weight can be increased by being dispersed and supported on the carbon powder carrier in a highly dispersed state having a metal surface area of 60 m 2 / g or more according to the invention of claim 3.
【0019】請求項4記載の発明は、請求項1乃至請求
項3のいずれか一つに記載の発明において、前記元素の
被着量に特徴を有する。すなわち、請求項4記載の発明
において、前記Nb、Ni、Sn、Ta、Ti、および
Zrの中から選択された少なくとも一種の元素の被着量
は、酸化物として算出した場合に1〜4重量%の範囲で
ある以上のような構成を有する請求項4記載の発明によ
れば、次のような作用・効果が得られる。すなわち、上
記元素の被着量を、それぞれ酸化物(具体的には、Nb
2 O3 、NiO、SnO2 、Ta2 O3 、TiO2 およ
びZrO2 )として算出した場合に、上記元素の被着量
が4重量%を越えると、Pt(Pt合金)の担体上での
分散度が下がり、被着量が増す割りには性能の向上が少
なくなる。逆に、被着量を1重量%以下にしても分散度
には限界がある。そのため、上記元素の被着量を、請求
項4記載の発明にしたがって1〜4重量%の範囲とする
ことにより、十分な分散度を確保して性能を向上するこ
とができる。The invention according to claim 4 is characterized in that, in the invention according to any one of claims 1 to 3, the deposited amount of the element is. That is, in the invention of claim 4, the deposition amount of at least one element selected from Nb, Ni, Sn, Ta, Ti, and Zr is 1 to 4 weight when calculated as an oxide. According to the invention of the fourth aspect, which has the above-described structure, the following actions and effects can be obtained. That is, the deposition amount of each of the above elements is determined by the oxide (specifically, Nb
2 O 3 , NiO, SnO 2 , Ta 2 O 3 , TiO 2 and ZrO 2 ), when the amount of deposition of the above elements exceeds 4% by weight, Pt (Pt alloy) on the carrier. The degree of dispersion is reduced, and the improvement in performance is small in proportion to the increase in the applied amount. On the contrary, there is a limit to the degree of dispersion even if the deposited amount is 1% by weight or less. Therefore, by setting the deposition amount of the above element in the range of 1 to 4% by weight according to the invention of claim 4, a sufficient dispersity can be secured and the performance can be improved.
【0020】請求項5記載の発明は、請求項1乃至請求
項4のいずれか一つに記載の発明において、前記Pt材
料の担持量が次のように設定されたことを特徴としてい
る。すなわち、請求項5記載の発明において、前記Pt
材料の担持量は、前記導電性カーボン粉末担体とこのP
t材料の総重量に対して5〜20重量%である以上のよ
うな構成を有する請求項5記載の発明によれば、次のよ
うな作用・効果が得られる。すなわち、Pt(Pt合
金)の担持量が30重量%を越えると、Pt(Pt合
金)の担体上での分散度が下がり、担持量が増す割りに
は性能の向上が少なく、経済上の利点が低下する。逆
に、担持量を極端に低くしても分散度には限界があり、
かえって単位触媒質量当たりの活性は低下するため、多
量の触媒が必要となり好ましくない。そのため、Pt
(Pt合金)の担持量を、担体とPt(Pt合金)の総
重量に対し1〜30重量%、好ましくは、請求項5記載
の発明にしたがって5〜20重量%とすることにより、
Pt(Pt合金)を効率良く活用して性能を向上するこ
とができる。A fifth aspect of the present invention is characterized in that, in the invention according to any one of the first to fourth aspects, the amount of the Pt material carried is set as follows. That is, in the invention according to claim 5, the Pt
The amount of material carried is the same as that of the conductive carbon powder carrier and P
According to the invention of the fifth aspect, which has the above-described structure, the content is 5 to 20% by weight with respect to the total weight of the t material. That is, when the amount of Pt (Pt alloy) supported exceeds 30% by weight, the degree of dispersion of Pt (Pt alloy) on the carrier decreases, and there is little improvement in performance despite the increase in the amount supported, which is an economic advantage. Is reduced. On the contrary, there is a limit to the degree of dispersion even if the loading amount is extremely lowered,
On the contrary, the activity per unit mass of catalyst is lowered, so that a large amount of catalyst is required, which is not preferable. Therefore, Pt
By setting the supported amount of (Pt alloy) to 1 to 30% by weight, preferably 5 to 20% by weight according to the invention of claim 5, with respect to the total weight of the carrier and Pt (Pt alloy).
The performance can be improved by efficiently utilizing Pt (Pt alloy).
【0021】[2.請求項6〜12記載の発明:燃料電
池用電極触媒の製造方法]請求項6記載の発明は、請求
項1乃至請求項5のいずれか一つに記載の燃料電池用電
極触媒を製造する方法において、次のような担持ステッ
プと被着ステップを順次行うことを特徴としている。担
持ステップにおいては、導電性カーボン粉末担体上にP
tとPt合金の中から選択されたPt材料を分散担持さ
せて担持金属触媒を形成する。被着ステップにおいて
は、前記担持ステップで形成された前記担持金属触媒の
表面に、酸化物と水酸化物の中から選択された種類でか
つNb、Ni、Sn、Ta、Ti、およびZrの中から
選択された少なくとも一種の元素とSiとを共に含む化
合物を被着する。[2. Inventions according to claims 6 to 12: Method for producing fuel cell electrode catalyst] The invention according to claim 6 is a method for producing the fuel cell electrode catalyst according to any one of claims 1 to 5. In the above, the following steps of carrying and depositing are sequentially performed. In the loading step, P is deposited on the conductive carbon powder carrier.
A Pt material selected from t and Pt alloys is dispersed and supported to form a supported metal catalyst. In the deposition step, on the surface of the supported metal catalyst formed in the supporting step, a kind selected from oxides and hydroxides and Nb, Ni, Sn, Ta, Ti, and Zr A compound containing both Si and at least one element selected from the above is deposited.
【0022】請求項7記載の発明は、請求項1乃至請求
項5のいずれか一つに記載の燃料電池用電極触媒を製造
する方法において、次のような第1、第2の被着ステッ
プと担持ステップを順次行うことを特徴としている。第
1被着ステップにおいては、導電性カーボン粉末担体上
に、酸化物と水酸化物の中から選択された種類でかつS
iを含む第1の化合物を被着する。第2被着ステップに
おいては、前記第1被着ステップの後に、前記導電性カ
ーボン粉末担体上に、酸化物と水酸化物の中から選択さ
れた種類でかつNb、Ni、Sn、Ta、Ti、および
Zrの中から選択された少なくとも一種の元素を含む第
2の化合物を被着して触媒担持体を形成する。担持ステ
ップにおいては、前記第2被着ステップで形成された前
記触媒担持体に、PtとPt合金の中から選択されたP
t材料を分散担持させて担持金属触媒を形成する。According to a seventh aspect of the present invention, in the method for producing the fuel cell electrode catalyst according to any one of the first to fifth aspects, the following first and second deposition steps are performed. And carrying step are sequentially performed. In the first deposition step, on the conductive carbon powder carrier, a kind selected from oxides and hydroxides and S
A first compound containing i is deposited. In the second deposition step, after the first deposition step, Nb, Ni, Sn, Ta, Ti on the conductive carbon powder carrier are selected from oxides and hydroxides. , And a second compound containing at least one element selected from Zr to form a catalyst carrier. In the loading step, P selected from Pt and Pt alloy is added to the catalyst support formed in the second deposition step.
The t material is dispersed and supported to form a supported metal catalyst.
【0023】請求項8記載の発明は、請求項1乃至請求
項5のいずれか一つに記載の燃料電池用電極触媒を製造
する方法において、次のような被着ステップと担持ステ
ップを順次行うことを特徴としている。すなわち、被着
ステップにおいては、導電性カーボン粉末担体上に、酸
化物と水酸化物の中から選択された種類でかつNb、N
i、Sn、Ta、Ti、およびZrの中から選択された
少なくとも一種の元素とSiとを共に含む化合物を被着
して触媒担持体を形成する。担持ステップにおいては、
前記被着ステップで形成された前記触媒担持体に、Pt
とPt合金の中から選択されたPt材料を分散担持させ
て担持金属触媒を形成する。According to an eighth aspect of the present invention, in the method for producing the fuel cell electrode catalyst according to any one of the first to fifth aspects, the following deposition step and supporting step are sequentially performed. It is characterized by that. That is, in the deposition step, a type selected from oxides and hydroxides and Nb, N are formed on the conductive carbon powder carrier.
A catalyst carrier is formed by depositing a compound containing both Si and at least one element selected from i, Sn, Ta, Ti, and Zr. In the carrying step,
Pt is added to the catalyst carrier formed in the deposition step.
And a Pt material selected from Pt alloys are dispersed and supported to form a supported metal catalyst.
【0024】請求項9記載の発明は、請求項1乃至請求
項5のいずれか一つに記載の燃料電池用電極触媒を製造
する方法において、次のように、3種類の担持金属を一
括的に担持させることを特徴としている。すなわち、請
求項9記載の発明においては、Nb、Ni、Sn、T
a、Ti、およびZrの中から選択された少なくとも一
種の元素と、Si、およびPtとPt合金の中から選択
されたPt材料という3種類の成分の全てを含む混合溶
液を使用して、導電性カーボン粉末担体上に、この3種
類の成分を同時に担持させる。The ninth aspect of the present invention is the method for producing the fuel cell electrode catalyst according to any one of the first to fifth aspects, wherein the three types of supported metals are collectively treated as follows. It is characterized in that it is carried by. That is, in the invention according to claim 9, Nb, Ni, Sn, T
Conducting conductivity using a mixed solution containing at least one element selected from a, Ti, and Zr and Si and a Pt material selected from Pt and Pt alloys. These three types of components are simultaneously supported on a porous carbon powder carrier.
【0025】以上のような構成を有する請求項6〜9記
載の発明によれば、いずれも、請求項1〜5記載の燃料
電池用電極触媒を容易に製造することができる。しかし
なおら、操作の簡便性と、多成分の担持量の制御し易さ
とを考慮した場合には、予め担持金属触媒を形成し、し
かる後に、Zr等の元素とSiを同時に被着させる請求
項6記載の発明の方法が最も実用的である。According to the inventions of claims 6 to 9 having the above-mentioned constitutions, it is possible to easily manufacture the fuel cell electrode catalysts of claims 1 to 5. However, still more, in consideration of easiness of operation and controllability of the loading amount of multi-components, a supported metal catalyst is formed in advance, and thereafter, elements such as Zr and Si are simultaneously deposited. The method of the invention described in 6 is the most practical.
【0026】請求項10記載の発明は、請求項6乃至請
求項9のいずれか一つに記載の燃料電池用電極触媒の製
造方法において、特に、被着ステップに次のような特徴
を有する。すなわち、請求項10記載の発明では、前記
被着ステップにおいて、前記Nb、Ni、Sn、Ta、
Ti、およびZrの中から選択された少なくとも一種の
元素を被着させるための処理剤として、NbCl3 、N
iCl2 、SnCl4、TaCl3 、TiCl4 、およ
びZrCl2 の中から選択された塩化物の水溶液を使用
する。The tenth aspect of the invention is the method for producing a fuel cell electrode catalyst according to any one of the sixth to ninth aspects, and particularly has the following feature in the deposition step. That is, in the invention according to claim 10, in the deposition step, the Nb, Ni, Sn, Ta,
As a treating agent for depositing at least one element selected from Ti and Zr, NbCl 3 , N
An aqueous solution of a chloride selected from iCl 2 , SnCl 4 , TaCl 3 , TiCl 4 and ZrCl 2 is used.
【0027】以上のような構成を有する請求項10記載
の発明によれば、各種塩化物の水溶液を使用することに
より、Zr等の元素を容易に効率よく被着させることが
できる。また、Siを被着させるための処理剤として
は、例えば、Na4 SiO4 (水ガラス)やコリンシリ
カ溶液等を使用することが可能である。According to the invention of the tenth aspect having the above-mentioned constitution, the elements such as Zr can be deposited easily and efficiently by using the aqueous solution of various chlorides. As the treatment agent for depositing Si, for example, Na 4 SiO 4 (water glass) or choline silica solution can be used.
【0028】請求項11記載の発明は、請求項6乃至請
求項10のいずれか一つに記載の発明において、前記導
電性カーボン粉末担体を高温加熱処理するステップをさ
らに有することを特徴としている。The eleventh aspect of the present invention is characterized in that, in the invention according to any one of the sixth to tenth aspects, the method further comprises the step of subjecting the conductive carbon powder carrier to a high temperature heat treatment.
【0029】以上のような構成を有する請求項11記載
の発明によれば、次のような作用・効果が得られる。す
なわち、電極触媒の担体材料として好適な導電性カーボ
ン粉末としては、例えば、導電性カーボンブラック、ア
セチレンブラックやグラファイト粉末などを用いること
ができる。具体的には、Cabot社の商品名「Vul
can XC−72R」、「Vulcan XC−7
2」、あるいはGulfoil社の商品名「Shawi
nigan Black」として市販されているアセチ
レンブラックなどである。ここで、Vulcan XC
−72R等の材料は、不活性ガス雰囲気下または真空中
で高温加熱処理して部分的にグラファイト化処理するこ
とにより、高温の酸性電解質と酸素等の酸化剤が共存す
る腐食性の高い条件下での電極触媒担体としての耐蝕性
を向上させることが望ましい。そのため、請求項11記
載の発明にしたがって、導電性カーボン粉末担体を高温
加熱処理することにより、リン酸型燃料電池等の腐食性
の高い条件下での電極触媒担体としての耐蝕性を向上さ
せることができる。また、以上のような担体材料は、一
般に60〜250m2 /gのBET表面積を有する。According to the eleventh aspect of the present invention having the above-mentioned structure, the following actions and effects can be obtained. That is, as the conductive carbon powder suitable as the carrier material of the electrode catalyst, for example, conductive carbon black, acetylene black, graphite powder or the like can be used. Specifically, the product name "Vul of Cabot"
can XC-72R "," Vulcan XC-7 "
2 ”or the product name“ Shawi ”of Gulfoil.
and acetylene black marketed as "Nigan Black". Where Vulcan XC
Materials such as -72R are subjected to high temperature heat treatment in an inert gas atmosphere or in a vacuum and partially graphitized to obtain a highly corrosive condition in which a high temperature acidic electrolyte and an oxidizing agent such as oxygen coexist. It is desirable to improve the corrosion resistance of the electrode catalyst carrier as described above. Therefore, according to the invention of claim 11, heat-treating a conductive carbon powder carrier at a high temperature to improve corrosion resistance as an electrode catalyst carrier under highly corrosive conditions such as a phosphoric acid fuel cell. You can Further, the carrier material as described above generally has a BET surface area of 60 to 250 m 2 / g.
【0030】請求項12記載の発明は、請求項6乃至請
求項11のいずれか一つに記載の発明において、前記各
ステップの後に、前記担持金属触媒を不活性ガス中にお
いて800〜1000℃の温度で高温加熱処理するステ
ップをさらに有することを特徴としている。The invention according to claim 12 is the invention according to any one of claims 6 to 11, wherein after each of the steps, the supported metal catalyst is heated to 800 to 1000 ° C in an inert gas. It is characterized by further comprising a step of performing high temperature heat treatment at a temperature.
【0031】以上のような構成を有する請求項12記載
の発明によれば、次のような作用・効果が得られる。す
なわち、電極触媒を不活性ガス中にて800〜1000
℃の温度で加熱処理することにより、導電性カーボン粉
末担体上に接するSiの酸化物や水酸化物は、カーボン
(C)との親和性を増す(SiCの形成)。その結果、
Pt、またはPt合金の微細粒子の担持周縁に依存する
Nb、Ni、Sn、Ta、Ti、およびZrの中から選
択された少なくとも一種の元素とSiとを共に含む酸化
物や水酸化物を安定化する効果を示し、さらには、触媒
活性金属の溶出およびシンタリングの抑制効果を増強す
る。According to the twelfth aspect of the invention having the above configuration, the following actions and effects can be obtained. That is, the electrode catalyst is 800 to 1000 in an inert gas.
By heat treatment at a temperature of ° C, the oxide or hydroxide of Si in contact with the conductive carbon powder carrier has an increased affinity with carbon (C) (formation of SiC). as a result,
Stable oxides or hydroxides containing both Si and at least one element selected from Nb, Ni, Sn, Ta, Ti, and Zr depending on the carrying edge of fine particles of Pt or Pt alloy. And further enhances the effect of suppressing elution of catalytically active metals and sintering.
【0032】[3.請求項13〜15記載の発明:電極
触媒および燃料電池]請求項13記載の発明は、導電性
かつ耐酸性を有する支持部材上に、電極触媒と撥水性結
着材とからなる電極触媒層を形成してなる燃料電池用電
極において、前記電極触媒は、請求項1乃至請求項5の
いずれか一つに記載の燃料電池用電極触媒であることを
特徴としている。[3. Inventions according to claims 13 to 15: Electrode catalyst and fuel cell] The invention according to claim 13 provides an electrode catalyst layer comprising an electrode catalyst and a water-repellent binder on a conductive and acid-resistant support member. In the formed fuel cell electrode, the electrode catalyst is the fuel cell electrode catalyst according to any one of claims 1 to 5.
【0033】以上のような構成を有する請求項13記載
の発明の燃料電池用電極は、請求項1乃至請求項5のい
ずれか一つに記載の高活性、長寿命な燃料電池用電極触
媒を使用しているため、高活性、長寿命であり、特に、
リン酸型燃料電池のカソードとして有用である。また、
撥水性結着剤によって、触媒層を導電性支持部材に結着
させると共に、触媒層中で水素・酸素のような反応ガス
や水のような生成ガスに対する十分なガス拡散性を与え
ることができる。The fuel cell electrode of the invention according to claim 13 having the structure as described above is the highly active and long-life fuel cell electrode catalyst according to any one of claims 1 to 5. Since it is used, it has high activity and long life.
It is useful as the cathode of phosphoric acid fuel cells. Also,
The water-repellent binder can bind the catalyst layer to the conductive support member and can provide sufficient gas diffusivity to the reaction gas such as hydrogen and oxygen and the generated gas such as water in the catalyst layer. .
【0034】請求項14記載の発明は、燃料極と酸化剤
極、およびこの燃料極と酸化剤極に対して燃料ガスと酸
化剤ガスをそれぞれ供給する手段を備え、両電極間の電
解質としてリン酸を使用してなるリン酸型燃料電池にお
いて、前記酸化剤極は、請求項13記載の燃料電池用電
極であることを特徴としている。According to a fourteenth aspect of the present invention, there is provided a fuel electrode and an oxidant electrode, and means for supplying a fuel gas and an oxidant gas to the fuel electrode and the oxidant electrode, respectively. In a phosphoric acid fuel cell using an acid, the oxidizer electrode is the fuel cell electrode according to claim 13.
【0035】請求項15記載の発明は、燃料極と酸化剤
極、およびこの燃料極と酸化剤極に対して燃料ガスと酸
化剤ガスをそれぞれ供給する手段を備え、両電極間の電
解質として固体高分子を使用してなる固体高分子型燃料
電池において、前記酸化剤極は、請求項13記載の燃料
電池用電極であることを特徴としている。According to a fifteenth aspect of the present invention, there is provided a fuel electrode and an oxidant electrode, and means for supplying a fuel gas and an oxidant gas to the fuel electrode and the oxidant electrode, respectively, and a solid electrode is used as an electrolyte between both electrodes. In a polymer electrolyte fuel cell using a polymer, the oxidizer electrode is the fuel cell electrode according to claim 13.
【0036】以上のような構成を有する請求項14、1
5記載の発明によれば、請求項13記載の高活性、長寿
命の燃料電池用電極を使用しているため、大出力・長寿
命の実用的な燃料電池を実現することができる。Claims 14 and 1 having the above-mentioned structure
According to the fifth aspect of the invention, since the highly active and long-life fuel cell electrode according to the thirteenth aspect is used, it is possible to realize a practical fuel cell having a large output and a long life.
【0037】[0037]
[1.燃料電池用電極触媒の製造]本発明による燃料電
池用電極触媒は、例えば、次のように製造される。ま
ず、担体材料としての導電性カーボンブラックの粉末
を、PtまたはPt合金を構成する各金属成分の化合物
を含む水溶液もしくはスラリーと接触させ、各金属化合
物またはそのイオンを担体上に吸着または含浸させる。
続いて、スラリーを高速で攪拌しながら適当な固定化
剤、例えば、アンモニア、ヒドラジン、ギ酸、ホルマリ
ン等の希釈溶液をゆっくり滴下し、各金属成分を不溶性
化合物としてまたは一部還元された金属微粒子として担
体上に分散担持させる。なお、Pt化合物としては、2
価あるいは4価の塩化白金酸、塩化白金酸塩等を用いる
ことができる。Pt合金とする場合は、合金成分とした
い各金属の塩化物、硝酸化合物、硫酸化合物などを用い
ることができる。次に、Pt、またはPt合金が導電性
カーボン粉末担体上に分散担持されている電極触媒粒子
表面に、Nb、Ni、Sn、Ta、TiおよびZrから
選ばれた少なくとも一種の元素とSiとを共に含む酸化
物や水酸化物を被着させる。[1. Production of Fuel Cell Electrode Catalyst] The fuel cell electrode catalyst according to the present invention is produced, for example, as follows. First, a powder of conductive carbon black as a carrier material is brought into contact with an aqueous solution or slurry containing a compound of each metal component forming Pt or a Pt alloy to adsorb or impregnate each metal compound or its ion on the carrier.
Then, while stirring the slurry at a high speed, a suitable immobilizing agent, for example, ammonia, hydrazine, formic acid, a dilute solution of formalin or the like is slowly added dropwise to each metal component as an insoluble compound or partially reduced metal fine particles. It is dispersed and supported on a carrier. The Pt compound is 2
A valent or tetravalent chloroplatinic acid, a chloroplatinic acid salt, etc. can be used. When a Pt alloy is used, chloride, nitric acid compound, sulfuric acid compound or the like of each metal to be used as an alloy component can be used. Next, at least one element selected from Nb, Ni, Sn, Ta, Ti and Zr and Si are deposited on the surface of the electrode catalyst particles in which Pt or Pt alloy is dispersed and carried on the conductive carbon powder carrier. The oxide or hydroxide contained together is deposited.
【0038】以上のようなPt(Pt合金)、およびZ
r、Siの各金属化合物成分を含有した触媒前駆体スラ
リーを、ろ過後、窒素気流中で乾燥させる。次に、不活
性ガス中にて800〜1000℃の温度で加熱処理す
る。本発明の触媒の成分組成範囲にあるPt−Zr−S
iの三元素系は、熱処理温度が600℃以下ではSiZ
rO4 の化合物が生成するが、Ptの金属化はほとんど
起こらない。Ptの金属化は、750℃以上の高温処理
が必要であり、さらに望ましくは800〜1000℃で
あり、保持時間は30分から1時間の範囲である。ま
た、1000℃以上の過度の高温における長時間の加熱
処理は、金属の結晶子径を成長させ、触媒の金属表面積
を低下させるため、避けるべきである。Pt (Pt alloy) and Z as described above
The catalyst precursor slurry containing each metal compound component of r and Si is filtered and then dried in a nitrogen stream. Next, heat treatment is performed at a temperature of 800 to 1000 ° C. in an inert gas. Pt-Zr-S in the composition range of the catalyst of the present invention
The three-element system of i is SiZ when the heat treatment temperature is 600 ° C or lower.
A compound of rO 4 is formed, but metallization of Pt hardly occurs. The metallization of Pt requires a high temperature treatment of 750 ° C. or higher, more preferably 800 to 1000 ° C., and the holding time is in the range of 30 minutes to 1 hour. Also, long-time heat treatment at an excessively high temperature of 1000 ° C. or higher should be avoided because it causes the crystallite size of the metal to grow and reduces the metal surface area of the catalyst.
【0039】ところで、Ptの金属化処理の最適温度お
よび保持時間は、触媒前駆体に担持された各金属成分ま
たはその化合物の粒子径と分散度に依存する。粒子径が
小さく高分散で担持されている場合には、より低温度か
つ短時間に十分な金属化と共にSiZrO4 の安定な化
合物が生成し、生成するPtの触媒粒子径も小さく、か
つ高分散のものが得られる。本発明の電極触媒の好まし
い粒子径は、100A以下であり、さらに好ましくは5
0A以下である。このような微結晶子を得るためには、
触媒前駆体上の担持金属またはその化合物の粒子径が5
0A以下に、さらに望ましくは30A以下となるよう
に、担持工程におけるスラリー濃度、ZrおよびSi溶
液の添加速度、攪拌速度、還元金属化処理条件などを制
御する必要がある。The optimum temperature and holding time for the Pt metallization treatment depend on the particle size and dispersity of each metal component or its compound supported on the catalyst precursor. When the particles are supported with a small particle size and high dispersion, a stable compound of SiZrO 4 is formed at a lower temperature and in a shorter time with a sufficient metallization, and the Pt catalyst particle size generated is also small and highly dispersed. You can get The preferred particle size of the electrode catalyst of the present invention is 100 A or less, and more preferably 5 A or less.
It is 0 A or less. To obtain such microcrystallites,
The particle size of the supported metal or its compound on the catalyst precursor is 5
It is necessary to control the slurry concentration, the addition rate of the Zr and Si solution, the stirring rate, the reduction metallization treatment condition, etc. in the supporting step so as to be 0 A or less, and more preferably 30 A or less.
【0040】[2.燃料電池用電極]以下には、以上の
ような電極触媒を用いた本発明の燃料電池用電極につい
て述べる。本発明の燃料電池用電極は、Pt(Pt合
金)−Zr−Si系電極触媒と、撥水性結着剤、例えば
ポリテトラフルオロエチレン、ポリフルオロエチレンプ
ロピレン等のポリマーバインダとを、導電性かつ耐酸性
の支持部材、例えば予め撥水処理を施したグラファイト
ペーパーなどに結着させてなる燃料電池用電極である。[2. Fuel Cell Electrode] The fuel cell electrode of the present invention using the above electrode catalyst will be described below. The fuel cell electrode of the present invention comprises a Pt (Pt alloy) -Zr-Si-based electrode catalyst and a water-repellent binder, for example, a polymer binder such as polytetrafluoroethylene or polyfluoroethylene propylene, which is conductive and acid-resistant. Is an electrode for a fuel cell, which is bound to a water-repellent supporting member, for example, a graphite paper which has been previously subjected to water repellent treatment.
【0041】このような燃料電池用電極は、例えば次の
ように製造される。まず、前述したような方法によって
Pt(Pt合金)−Zr−Si系電極触媒を製造し、次
に、この触媒粉末をポリテトラフルオロエチレン懸濁液
(例えば、Du Pont社のTFE−30)と混合し
て均一な懸濁液とする。一方、同様な耐酸性のポリマー
材料により予め撥水性処理を施されたグラファイトペー
パーを用意し、この上に触媒と撥水性結着剤との均一混
合懸濁液を、吸引ろ過法またはスプレー法、ロールコー
タ法等により塗布・添着し、続いて不活性ガス雰囲気で
焼成することにより製造される。Such a fuel cell electrode is manufactured, for example, as follows. First, a Pt (Pt alloy) -Zr-Si based electrode catalyst is manufactured by the method as described above, and then this catalyst powder is mixed with a polytetrafluoroethylene suspension (for example, TFE-30 manufactured by Du Pont). Mix to make a uniform suspension. On the other hand, a graphite paper that has been previously subjected to a water-repellent treatment with a similar acid-resistant polymer material is prepared, on which a homogeneous mixed suspension of a catalyst and a water-repellent binder is suction-filtered or sprayed, It is manufactured by coating and affixing by a roll coater method or the like, and then firing in an inert gas atmosphere.
【0042】また、本発明の電極は、前述したように、
特に、リン酸型燃料電池のカソードとして有用なもので
あるが、酸性電解質燃料電池用電極としてだけでなく、
ボタン電池、ガスセンサ用電極、電解用電極等、一般の
ガス拡散電極としても利用可能である。Further, the electrode of the present invention, as described above,
In particular, it is useful as a cathode of a phosphoric acid fuel cell, but not only as an electrode for an acidic electrolyte fuel cell,
It can also be used as a general gas diffusion electrode such as a button battery, a gas sensor electrode, and an electrode for electrolysis.
【0043】[0043]
【実施例】以下には、本発明を実施例によって具体的に
説明する。EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples.
【0044】[1.燃料電池用電極触媒の製造] [製造例1(請求項6記載の製造方法の実施例)] “Pt−ZrO2 −SiO2 (重量比50:25:2
5)電極触媒” 100m2 /gの比表面積を有する熱処理済み導電性カ
ーボンブラック(Cabot,Vulcan XC−7
2R)81gを氷酢酸4.0gを含有するイオン交換水
1500mlでスラリー化した。Pt9.0gをH2 Pt
(OH)6 として600mlの水溶液中にアミンと共に溶
解させた。カーボンスラリーを攪拌しながらこれに白金
溶液を添加した後、5%のギ酸水溶液50gを還元剤と
して徐々に添加しながらスラリー温度を約95℃まで徐
々に上昇させた。続いて、95℃に30分間保持した
後、室温まで放冷し、ろ過後、イオン交換水で洗浄した
ろ過ケークを窒素気流中において95℃で16時間乾燥
させた。この10重量%Pt/C触媒(C1…比較例)
は、120m2 /gのMSA(電気化学金属表面積)を
有していた。[1. Production of Electrode Catalyst for Fuel Cell] [Production Example 1 (Example of production method according to claim 6)] "Pt-ZrO 2 -SiO 2 (weight ratio 50: 25: 2
5) Electrocatalyst "Heat-treated conductive carbon black (Cabot, Vulcan XC-7) having a specific surface area of 100 m 2 / g
81 g of 2R) was slurried with 1500 ml of deionized water containing 4.0 g of glacial acetic acid. 9.0 g of Pt is replaced with H 2 Pt
Dissolved with amine in 600 ml of aqueous solution as (OH) 6 . After the platinum solution was added to the carbon slurry while stirring, the slurry temperature was gradually raised to about 95 ° C. while gradually adding 50 g of a 5% formic acid aqueous solution as a reducing agent. Then, after holding at 95 ° C. for 30 minutes, the mixture was allowed to cool to room temperature, filtered, and the filter cake washed with ion-exchanged water was dried at 95 ° C. for 16 hours in a nitrogen stream. This 10 wt% Pt / C catalyst (C1 ... Comparative example)
Had an MSA (electrochemical metal surface area) of 120 m 2 / g.
【0045】次に、この10重量%Pt/C触媒(C
1)50gをイオン交換水1000ml中に超音波分散さ
せて均一スラリーとし、このスラリーを攪拌しながら、
これにコリンシリカ溶液(SiO2 として、10mg/m
l)75mlを添加した後、さらに攪拌しながらゼラチン
溶液(0.2%)100mlを添加し、約20分間攪拌を
続けた。続いて、二塩化酸化ジルコン(ZrCl2 O)
溶液(ZrO2 として、10mg/ml)75mlを添加し、
さらに約20分間攪拌の後、トリエタノールアミン溶液
(10%)をpH6.5〜7.5になるまで加え、約2
0分間攪拌した。その後、カーボンブラックが沈殿する
まで放置し、ろ過後、イオン交換水で洗浄したろ過ケー
クを窒素気流中において95℃で10時間乾燥させた。
さらに、4容量%の水素(残部窒素)気流中において9
00℃で1時間の条件にて加熱保持後、室温まで放冷
し、カーボン担持Pt−ZrO2 −SiO2 触媒(C
2)を得た。Next, this 10 wt% Pt / C catalyst (C
1) 50 g is ultrasonically dispersed in 1000 ml of ion-exchanged water to form a uniform slurry, and while stirring this slurry,
A choline silica solution (SiO 2 10 mg / m 2 )
l) After adding 75 ml, 100 ml of gelatin solution (0.2%) was added with further stirring, and stirring was continued for about 20 minutes. Subsequently, zircon oxide dichloride (ZrCl 2 O)
Add 75 ml of solution (10 mg / ml as ZrO 2 ),
After further stirring for about 20 minutes, a triethanolamine solution (10%) was added until the pH reached 6.5 to 7.5, and then about 2
Stirred for 0 minutes. Then, it was left to stand until carbon black was precipitated, filtered, and then the filter cake washed with ion-exchanged water was dried in a nitrogen stream at 95 ° C. for 10 hours.
Furthermore, in a 4% by volume hydrogen (residual nitrogen) gas flow, 9
After heating and holding at 00 ° C. for 1 hour, the mixture was allowed to cool to room temperature and the carbon-supported Pt—ZrO 2 —SiO 2 catalyst (C
2) was obtained.
【0046】[製造例2(請求項6記載の製造方法の実
施例)] “Pt−X−SiO(重量比50:25:25)電極触
媒” (X=Nb2 O3 、NiO、SnO2 、Ta2 O3 、T
iO2 )前記製造例1におけるZrO2 を上記のXに置
き換え、それ以外は製造例1にしたがって、Xがそれぞ
れNb2 O3 、NiO、SnO2 、Ta2 O3 、TiO
2 であるカーボン担持Pt−X−SiO2 触媒(それぞ
れ、C3、C4、C5、C6、C7とする。)を製造し
た。[0046] Production Example 2 (Example of the production method according to claim 6)] "Pt-X-SiO ( weight ratio 50:25:25) electrocatalyst" (X = Nb 2 O 3 , NiO, SnO 2 , Ta 2 O 3 , T
iO 2 ) ZrO 2 in Production Example 1 was replaced with X described above, and otherwise X was Nb 2 O 3 , NiO, SnO 2 , Ta 2 O 3 and TiO in accordance with Production Example 1.
The carbon-supported Pt-X-SiO2 catalyst of No. 2 (C3, C4, C5, C6, and C7, respectively) was produced.
【0047】[製造例3(請求項6記載の製造方法の実
施例)] “Pt合金−ZrO2 −SiO2 (重量比50:25:
25)電極触媒” 前記製造例1におけるPtをPt合金(Pt:Cr:C
o=50:25:25…原子比)に置き換え、それ以外
は製造例1にしたがって、カーボン担持Pt合金−Zr
O2 −SiO2 触媒(C8)を製造した。[Production Example 3 (Example of production method according to claim 6)] "Pt alloy-ZrO 2 -SiO 2 (weight ratio 50:25:
25) Electrode Catalyst "Pt in the above Production Example 1 was replaced with a Pt alloy (Pt: Cr: C
o = 50: 25: 25 (atomic ratio), other than that, according to Production Example 1, carbon-supported Pt alloy-Zr.
O 2 was prepared -SiO 2 catalyst (C8).
【0048】[製造例4(請求項6記載の製造方法の実
施例)] “Pt合金−X−SiO2 (重量比50:25:25)
電極触媒” (X=Nb2 O3 、NiO、SnO2 、Ta2 O3 、T
iO2 )前記製造例3におけるZrO2 を上記のXに置
き換え、それ以外は製造例3にしたがって、Xがそれぞ
れNb2 O3 、NiO、SnO2 、Ta2 O3 、TiO
2 であるカーボン担持Pt合金−X−SiO2 触媒(そ
れぞれC9、C10、C11、C12、C13とす
る。)を製造した。[Production Example 4 (Example of production method according to claim 6)] "Pt alloy-X-SiO 2 (weight ratio 50:25:25)
Electrode catalyst "(X = Nb 2 O 3 , NiO, SnO 2 , Ta 2 O 3 , T
iO 2 ) ZrO 2 in Production Example 3 is replaced with X described above, and otherwise X is Nb 2 O 3 , NiO, SnO 2 , Ta 2 O 3 , TiO in accordance with Production Example 3.
2 is a carbon supported Pt alloy -X-SiO 2 catalyst (respectively C9, C10, C11, C12, C13 to.) Was prepared.
【0049】[製造例5(請求項6記載の製造方法の実
施例)] “Pt合金−ZrO2 −SiO2 (重量比50:25:
25)電極触媒” 前記製造例3における、4容量%の水素(残部窒素)気
流中の加熱条件を500℃で1時間に変更し、それ以外
は製造例3にしたがって、カーボン担持Pt合金−Zr
O2 −SiO2 触媒(C14)を製造した。[Production Example 5 (Example of production method according to claim 6)] "Pt alloy-ZrO 2 -SiO 2 (weight ratio 50:25:
25) Electrode catalyst "In the above Production Example 3, the heating conditions in a 4% by volume hydrogen (balance nitrogen) flow were changed to 500 ° C for 1 hour, and otherwise, in accordance with Production Example 3, carbon-supported Pt alloy-Zr.
O 2 was prepared -SiO 2 catalyst (C14).
【0050】[製造例6(請求項6記載の製造方法の実
施例)] “Pt合金−ZrO2 −SiO2 電極触媒” 前記製造例3における、二塩化酸化ジルコン(ZrCl
2 O)溶液とコリンシリカ溶液との仕込み重量をそれぞ
れ変更し、それ以外は製造例3にしたがって、(Pt合
金:ZrO2 :SiO2 )重量比がそれぞれ(40:3
0:30)、(50:30:20)、(60:20:2
0)であるカーボン担持Pt合金−ZrO2 −SiO2
触媒(それぞれC15、C16、C17とする。)を製
造した。[Production Example 6 (Example of production method according to claim 6)] "Pt alloy-ZrO 2 -SiO 2 electrode catalyst" In the Production Example 3, zircon dichloride (ZrCl)
2 O) solution and choline silica solution were changed in the charged weights, respectively, and other than that, the (Pt alloy: ZrO 2 : SiO 2 ) weight ratio was (40: 3) according to Production Example 3.
0:30), (50:30:20), (60: 20: 2)
0) which is a carbon-supported Pt alloy-ZrO 2 -SiO 2
A catalyst (designated as C15, C16, and C17, respectively) was produced.
【0051】[製造例7(請求項7記載の製造方法の実
施例)] “Pt−ZrO2 −SiO2 (重量比50:25:2
5)電極触媒” 100m2 /gの比表面積を有する熱処理済み導電性カ
ーボンブラック(Cabot,Vulcan XC−7
2R)81gを氷酢酸4.0gを含有するイオン交換水
1500ml中でスラリー化した。これを超音波分散させ
て均一スラリーとし、このスラリーを攪拌しながら、こ
れにコリンシリカ溶液(SiO2 として、10mg/ml)
75mlを添加した後、さらに攪拌しながらゼラチン溶液
(0.2%)100mlを添加し、約20分間攪拌を続け
た。ろ過後、イオン交換水で洗浄したろ過ケークを窒素
気流中において95℃で16時間乾燥させた。このSi
O2 /C触媒50gをイオン交換水1000ml中に超音
波分散させ均一スラリーとし、このスラリーを攪拌しな
がら二塩化酸化ジルコン(ZrCl2 O)溶液(ZrO
として、10mg/ml)75mlを添加した。さらに約20
分間攪拌の後、トリエタノールアミン溶液(10%)を
pH6.5〜7.5になるまで加え、約20分間攪拌し
た。その後、カーボンブラックが沈殿するまで放置し、
ろ過後、イオン交換水で洗浄したろ過ケークを窒素気流
中95℃で10時間乾燥させた。このZrO2 −SiO
2 /C触媒のスラリーを攪拌しながらこれに白金溶液
(Pt9.0gをH2 Pt(OH)6 として600mlの
水溶液中にアミンと共に溶解させたもの)を添加した。
その後、5%のギ酸水溶液50gを還元剤として徐々に
添加しながらスラリー温度を約95℃まで徐々に上昇さ
せ、続いて95℃に30分間保持した後、室温まで放冷
し、ろ過後イオン交換水で洗浄したろ過ケークを窒素気
流中95℃16時間乾燥させた。さらに、4容量%の水
素(残部窒素)気流中において900℃で1時間の条件
にて加熱保持後、室温まで放冷し、カーボン担持Pt−
ZrO2 −SiO2 触媒(C18)を得た。[Production Example 7 (Example of production method according to claim 7)] "Pt-ZrO 2 -SiO 2 (weight ratio 50: 25: 2
5) Electrocatalyst "Heat-treated conductive carbon black (Cabot, Vulcan XC-7) having a specific surface area of 100 m 2 / g
81 g of 2R) was slurried in 1500 ml of deionized water containing 4.0 g of glacial acetic acid. This is ultrasonically dispersed to form a uniform slurry, and while this slurry is being stirred, a choline silica solution (as SiO 2 10 mg / ml) is added to this.
After adding 75 ml, 100 ml of gelatin solution (0.2%) was added with further stirring and stirring was continued for about 20 minutes. After filtration, the filter cake washed with ion-exchanged water was dried at 95 ° C for 16 hours in a nitrogen stream. This Si
50 g of O 2 / C catalyst was ultrasonically dispersed in 1000 ml of ion-exchanged water to form a uniform slurry, and the zircon dichloride oxide (ZrCl 2 O) solution (ZrO
As 10 mg / ml) was added. About 20 more
After stirring for a minute, a triethanolamine solution (10%) was added until the pH became 6.5 to 7.5, and the mixture was stirred for about 20 minutes. After that, leave it until the carbon black precipitates,
After filtration, the filter cake washed with ion-exchanged water was dried in a nitrogen stream at 95 ° C for 10 hours. This ZrO 2 -SiO
A platinum solution (9.0 g of Pt dissolved in 600 ml of H 2 Pt (OH) 6 in 600 ml of an aqueous solution together with an amine) was added thereto while stirring the slurry of 2 / C catalyst.
After that, while gradually adding 50 g of a 5% formic acid aqueous solution as a reducing agent, the slurry temperature was gradually raised to about 95 ° C., and then the temperature was kept at 95 ° C. for 30 minutes, then allowed to cool to room temperature, and ion-exchanged after filtration. The filter cake washed with water was dried in a nitrogen stream at 95 ° C for 16 hours. Further, after heating and holding at 900 ° C. for 1 hour in a 4% by volume hydrogen (remainder nitrogen) stream, the mixture was allowed to cool to room temperature and carbon-supported Pt-
A ZrO 2 —SiO 2 catalyst (C18) was obtained.
【0052】[製造例8(請求項8記載の製造方法の実
施例)] “Pt−ZrO2 −SiO2 (重量比50:25:2
5)電極触媒” 100m2 /gの比表面積を有する熱処理済み導電性カ
ーボンブラック(Cabot,Vulcan XC−7
2R)81gを氷酢酸4.0gを含有するイオン交換水
1500ml中でスラリー化した。これを超音波分散させ
て均一スラリーとし、このスラリーを攪拌しながら、こ
れにコリンシリカ溶液(SiO2 として、10mg/ml)
75mlを添加した後、さらに攪拌しながらゼラチン溶液
(0.2%)100mlを添加し、約20分間攪拌を続け
た。続いて、二塩化酸化ジルコン(ZrCl2 O)溶液
(ZrOとして、10mg/ml)75mlを添加し、さらに
約20分間攪拌した後、トリエタノールアミン溶液(1
0%)をpH6.5〜7.5になるまで加え、さらに約
20分間攪拌した後、カーボンブラックが沈殿するまで
放置し、ろ過後、イオン交換水で洗浄したろ過ケークを
窒素気流中において95℃で10時間乾燥させた。この
ZrO2 −SiO2 /C触媒のスラリーを攪拌しながら
これに白金溶液(Pt9.0gをH2 Pt(OH)6 と
して600mlの水溶液中にアミンと共に溶解させたも
の)を添加した。その後、5%のギ酸水溶液50gを還
元剤として徐々に添加しながらスラリー温度を約95℃
まで徐々に上昇させ、続いて95℃で30分間保持した
後、室温まで放冷し、ろ過後イオン交換水で洗浄したろ
過ケークを窒素気流中において95℃で16時間乾燥さ
せた。さらに、4容量%の水素(残部窒素)気流中にお
いて900℃で1時間加熱保持後、室温まで放冷し、カ
ーボン担持Pt−ZrO2 −SiO2 触媒(C19)を
得た。[Production Example 8 (Example of production method according to claim 8)] "Pt-ZrO 2 -SiO 2 (weight ratio 50: 25: 2
5) Electrocatalyst "Heat-treated conductive carbon black (Cabot, Vulcan XC-7) having a specific surface area of 100 m 2 / g
81 g of 2R) was slurried in 1500 ml of deionized water containing 4.0 g of glacial acetic acid. This is ultrasonically dispersed to form a uniform slurry, and while this slurry is being stirred, a choline silica solution (as SiO 2 10 mg / ml) is added to this.
After adding 75 ml, 100 ml of gelatin solution (0.2%) was added with further stirring and stirring was continued for about 20 minutes. Subsequently, 75 ml of zircon oxide dichloride (ZrCl 2 O) solution (10 mg / ml as ZrO) was added, and the mixture was further stirred for about 20 minutes, and then triethanolamine solution (1
0%) until pH 6.5-7.5 is added, and the mixture is stirred for about 20 minutes, then allowed to stand until carbon black precipitates, filtered, and washed with ion-exchanged water. It was dried at 0 ° C. for 10 hours. While stirring the slurry of the ZrO 2 —SiO 2 / C catalyst, a platinum solution (Pt 9.0 g as H 2 Pt (OH) 6 dissolved in 600 ml of an aqueous solution together with an amine) was added thereto. Then, while gradually adding 50 g of a 5% formic acid aqueous solution as a reducing agent, the slurry temperature was adjusted to about 95 ° C.
After that, the temperature of the filter cake was maintained at 95 ° C. for 30 minutes, allowed to cool to room temperature, filtered, and washed with ion-exchanged water. The filter cake was dried at 95 ° C. for 16 hours in a nitrogen stream. Further, the mixture was heated and held at 900 ° C. for 1 hour in a 4% by volume hydrogen (remainder nitrogen) stream, and then allowed to cool to room temperature to obtain a carbon-supported Pt—ZrO 2 —SiO 2 catalyst (C19).
【0053】[製造例9(比較例)] “Pt合金−ZrO2 −SiO2 電極触媒” 前記製造例3における、二塩化酸化ジルコン(ZrCl
2 O)溶液とコリンシリカ溶液との仕込み重量をそれぞ
れ変更し、それ以外は製造例3にしたがって、(Pt合
金:ZrO2 :SiO2 )重量比がそれぞれ(70:2
3:7)、(70:8:22)、(85:7:8)、
(34:33:33)であるカーボン担持Pt合金−Z
rO2 −SiO2 触媒(それぞれC20、C21、C2
2、C23とする。)を製造した。Production Example 9 (Comparative Example) "Pt Alloy-ZrO 2 -SiO 2 Electrocatalyst" Zirconium dichloride oxide (ZrCl) in Production Example 3 above.
2 O) solution and choline silica solution were changed in the charged weights, respectively, except that the weight ratio of (Pt alloy: ZrO 2 : SiO 2 ) was (70: 2) according to Production Example 3.
3: 7), (70: 8: 22), (85: 7: 8),
(34:33:33) carbon-supported Pt alloy-Z
rO 2 —SiO 2 catalyst (C20, C21, C2, respectively)
2 and C23. ) Manufactured.
【0054】[製造例10(比較例)] “Pt合金−ZrO2 (重量比70:30)電極触媒” 前記製造例1において、カーボン担持Pt触媒(C1)
に二塩化酸化ジルコン(ZrCl2 O)溶液(ZrO2
として、10mg/ml)75mlのみを使用してZrO2 の
みを担持させ、それ以外は製造例1にしたがって、カー
ボン担持Pt合金−ZrO2 (重量比70:30)触媒
(C24)を製造した。[Production Example 10 (Comparative Example)] "Pt alloy-ZrO 2 (weight ratio 70:30) electrode catalyst" In Production Example 1, the carbon-supported Pt catalyst (C1).
Zirconium oxide dichloride (ZrCl 2 O) solution (ZrO 2
As the catalyst, a carbon-supported Pt alloy-ZrO 2 (weight ratio 70:30) catalyst (C24) was produced according to Production Example 1 except that only 75 mg of 10 mg / ml) was used to support ZrO 2 .
【0055】[製造例11(比較例)] “Pt合金−SiO2 (重量比70:30)電極触媒” 前記製造例1において、カーボン担持Pt触媒(C1)
にコリンシリカ溶液(SiO2 として、10mg/ml)7
5mlのみを使用してSiO2 のみを担持させ、それ以外
は製造例1にしたがって、カーボン担持Pt合金−Si
O2 (重量比70:30)触媒(C25)を製造した。[Production Example 11 (Comparative Example)] "Pt alloy-SiO 2 (weight ratio 70:30) electrode catalyst" In Production Example 1, carbon-supported Pt catalyst (C1).
Choline silica solution (as SiO 2 10 mg / ml) 7
Only 5 ml was used to support only SiO 2 , and otherwise, according to Production Example 1, carbon-supported Pt alloy-Si.
O 2 (weight ratio 70:30) catalyst (C25) was produced.
【0056】[製造例12(比較例)] “Pt−Cr−Co(原子比50:25:25)合金触
媒” 前記製造例1において、カーボン担持Pt触媒(C1)
に対し、0.67gを硝酸クロムとし、かつCo0.7
6gを硝酸コバルトとして含む混合水溶液を使用して、
CrとCoを担持させ、それ以外は製造例1にしたがっ
て、カーボン担持Pt−Cr−Co合金触媒(C26)
を製造した。[Production Example 12 (Comparative Example)] "Pt-Cr-Co (atomic ratio 50:25:25) alloy catalyst" In Production Example 1, the carbon-supported Pt catalyst (C1).
On the other hand, 0.67 g is chromium nitrate and Co0.7
Using a mixed aqueous solution containing 6 g as cobalt nitrate,
Pt—Cr—Co alloy catalyst supporting carbon (C26) according to Production Example 1 except that Cr and Co are supported.
Was manufactured.
【0057】[評価内容の説明]なお、本願明細書にお
いて、酸素還元反応の活性度は、酸素極半電池が、対水
素基準電極(RHE、以下同様)プラス900mvにお
いて示す最大電流密度(mA/cm2 電極面積)によって
評価され、単位白金質量当たりの電流密度を質量活性
(mA/mgPt)と称し、これを単位白金質量当たりの
金属表面積(m2 /gPt)で除したものを比活性度
(μA/cm2 Pt)と称する。また、金属表面積は、サ
イクリックボルタンメトリのカソーディックスイープに
おける金属表面への水素吸着過程の電気量を測定して得
られる電気化学金属表面積EC.MSA(m2 /gP
t)で表す。さらに、電極触媒の安定性は、一定温度の
リン酸電解質中、一定電位負荷の下、一定時間保持の前
後におけるEC.MSA(m2 /gPt)の保持率で表
す。[Explanation of Evaluation Contents] In the specification of the present application, the activity of the oxygen reduction reaction is determined by the maximum current density (mA / mA / nm) shown by the oxygen electrode half cell at the hydrogen reference electrode (RHE, the same applies below) plus 900 mv. cm 2 electrode area), the current density per unit mass of platinum is called mass activity (mA / mgPt), and this is divided by the metal surface area per unit mass of platinum (m 2 / gPt) to obtain the specific activity. (ΜA / cm 2 Pt). The metal surface area is determined by measuring the amount of electricity in the process of hydrogen adsorption on the metal surface in the cathodic sweep of cyclic voltammetry, which is EC. MSA (m 2 / gP
It is represented by t). Furthermore, the stability of the electrocatalyst is determined by measuring the EC. It is represented by the retention rate of MSA (m 2 / gPt).
【0058】[2.燃料電池用電極の製造]上記の製造
例1〜12によって得られた触媒C1〜C26を、それ
ぞれポリテトラフルオロエチレンの水性分散液(Dup
ont社,TFE−30)中に超音波で分散させた。こ
の混合スラリーに三塩化アルミニウムを添加することに
より、綿状の塊を凝集、析出させた。それぞれの触媒
(C1〜C26)とポリテトラフルオロエチレンを乾燥
重量比50:50で含む綿状の塊を、予め撥水処理した
グラファイト紙の支持材上に堆積させ、プレス・乾燥
後、窒素気流中350℃、15分間焼成し、電極(E1
〜E26)を作成した。これらの電極は、全て電極1cm
2 当たり0.50mgの担持金属を含むように製造され
た。[2. Production of Fuel Cell Electrodes] The catalysts C1 to C26 obtained in Production Examples 1 to 12 above were each used as an aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene (Dup).
sonication, TFE-30). By adding aluminum trichloride to this mixed slurry, flocculent lump was coagulated and precipitated. A cotton-like lump containing each catalyst (C1 to C26) and polytetrafluoroethylene in a dry weight ratio of 50:50 was deposited on a graphite paper support material that had been previously treated to be water repellent, and after pressing and drying, a nitrogen stream was provided. It is baked at 350 ° C for 15 minutes and the electrode (E1
~ E26) was prepared. These electrodes are all 1 cm
It was prepared to contain 0.50 mg of supported metal per 2 parts.
【0059】[3.電極の性能試験]以上のようにして
製造された実施例および比較例に係る電極を、以下のよ
うな性能試験に供したところ、表1、表2に示すような
結果が得られた。[3. Electrode Performance Test] The electrodes according to the examples and comparative examples manufactured as described above were subjected to the following performance tests, and the results shown in Tables 1 and 2 were obtained.
【0060】[3−1.酸素還元反応に対する比活性度
試験]105%リン酸を電解質とし、20mmφの電極試
験片に200℃にて酸素ガスを500ml/cm2 の流量で
通じながら、各電極の酸素極半電池特性を測定し、その
データから比活性度(μA/cm2 Pt)を求めたとこ
ろ、表1、表2に示すような結果が得られた。これらの
表から明らかなように、本発明の実施例であるカーボン
担持電極触媒による電極E2〜E19(E14を除く)
は、単身Pt担持電極触媒による電極(E1)の4倍以
上もの高活性を示し、従来から知られているPt−Cr
−Co合金触媒(E26)と比較しても高活性であっ
た。[3-1. Specific Activity Test for Oxygen Reduction Reaction] 105% phosphoric acid was used as an electrolyte, and the oxygen electrode half-cell characteristics of each electrode were measured while passing oxygen gas at a flow rate of 500 ml / cm 2 at 200 ° C. to an electrode test piece of 20 mmφ Then, the specific activity (μA / cm 2 Pt) was determined from the data, and the results shown in Tables 1 and 2 were obtained. As is clear from these tables, the electrodes E2 to E19 (excluding E14) using the carbon-supported electrocatalyst that is an example of the present invention
Is more than 4 times as active as the electrode (E1) using a single Pt-supported electrocatalyst, and is conventionally known as Pt-Cr.
It was highly active as compared with the -Co alloy catalyst (E26).
【0061】本発明のカーボン担持Pt−ZrO2 −S
iO2 触媒系であっても、Pt組成が40重量%未満と
少ない場合(E23)やZrO2 またはSiO2 のみを
担持した場合(E24、E25)の比活性度は小さかっ
た。Carbon-supported Pt-ZrO 2 -S of the present invention
Even with the iO 2 catalyst system, the specific activity was small when the Pt composition was as low as less than 40% by weight (E23) or when only ZrO 2 or SiO 2 was supported (E24, E25).
【0062】[3−2.電極安定性試験]各電極に対し
て、エージングセルを用い、105%リン酸中で+75
0mV(vs.RHE)の一定電位を印加しながら20
0℃で100時間保持した後、電極のEC.MSAを測
定し、試験前のEC.MSAと比較したところ、表1と
表2に示すような結果が得られた。これらの表から明ら
かなように、本発明の実施例であるカーボン担持電極触
媒による電極E2〜E19(E14を除く)は、単身P
t担持電極触媒による電極(E1)の約2倍程度の安定
性を示した。また、従来から知られているPt−Cr−
Co合金触媒(E26)でも70%に満たなかった。[3-2. Electrode stability test] For each electrode, use an aging cell and add +75 in 105% phosphoric acid.
20 while applying a constant potential of 0 mV (vs. RHE)
After holding at 0 ° C. for 100 hours, the EC. MSA is measured and EC. When compared with MSA, the results shown in Tables 1 and 2 were obtained. As is clear from these tables, the electrodes E2 to E19 (excluding E14) based on the carbon-supported electrocatalyst, which are the examples of the present invention, are the single P
The stability was about twice that of the electrode (E1) using the t-supported electrocatalyst. In addition, the conventionally known Pt-Cr-
Even the Co alloy catalyst (E26) was less than 70%.
【0063】本発明のカーボン担持Pt−ZrO2 −S
iO2 系触媒であっても、Pt組成が40重量%未満と
少ない場合(E23)や、逆に60重量%を越えて多い
場合(E20、E21、E22)、あるいはZrO2 ま
たはSiO2 のみを担持した場合(E24、E25)
は、保持率が70%以下となり相対的に低い。Carbon-supported Pt-ZrO 2 -S of the present invention
Even with an iO 2 -based catalyst, when the Pt composition is as low as less than 40% by weight (E23) or conversely exceeds 60% by weight (E20, E21, E22), or only ZrO 2 or SiO 2 is used. When loaded (E24, E25)
Has a retention rate of 70% or less, which is relatively low.
【0064】[0064]
【表1】 [Table 1]
【表2】 [Table 2]
【0065】[0065]
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、従来のカーボン粉末担持触媒に比べて、大出
力・長寿命の実用的な燃料電池の実現に貢献可能な、高
活性でかつ長寿命な燃料電池用電極触媒を提供すること
ができる。本発明のカーボン担持Pt−ZrO2 −Si
O2 系電極触媒は、燃料電池用カソード触媒として初期
活性と寿命の両方の点で従来の電極触媒を大幅に凌ぐ性
能を示す。このような電極触媒からなる本発明の電極を
用いて構成される酸性電解質燃料電池は、出力性能に優
れ、運転寿命が長くなり、その経済的効果は大きい。As is apparent from the above description, according to the present invention, it is possible to contribute to the realization of a practical fuel cell having a large output and a long life, as compared with the conventional carbon powder-supported catalyst. It is possible to provide a long-life fuel cell electrode catalyst. Carbon supported Pt-ZrO 2 -Si the present invention
The O 2 -based electrode catalyst exhibits a performance far superior to that of the conventional electrode catalyst in terms of both initial activity and life as a cathode catalyst for fuel cells. The acidic electrolyte fuel cell configured by using the electrode of the present invention including such an electrode catalyst has excellent output performance, a long operating life, and a large economic effect.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01M 4/88 H01M 4/96 M 4/96 B01J 23/64 102M ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI Technical display location H01M 4/88 H01M 4/96 M 4/96 B01J 23/64 102M
Claims (15)
合金の中から選択されたPt材料からなり前記導電性カ
ーボン粉末担体上に分散担持された担持金属触媒粒子を
有する燃料電池用電極触媒において、 前記担持金属触媒粒子の表面に、酸化物と水酸化物の中
から選択された種類でかつNb、Ni、Sn、Ta、T
i、およびZrの中から選択された少なくとも一種の元
素とSiとを共に含む化合物が被着されていることを特
徴とする燃料電池用電極触媒。1. A conductive carbon powder carrier, Pt and Pt
An electrode catalyst for a fuel cell, comprising a supported metal catalyst particle, which is made of a Pt material selected from an alloy and dispersed and supported on the conductive carbon powder carrier, comprising: an oxide and a hydroxide on the surface of the supported metal catalyst particle. Nb, Ni, Sn, Ta, T of the kind selected from the objects
A fuel cell electrode catalyst, wherein a compound containing both Si and at least one element selected from i and Zr is deposited.
成は、前記Nb、Ni、Sn、Ta、Ti、およびZr
の中から選択された少なくとも一種の元素と前記Siと
が、いずれも10重量%以上であり、かつ、前記Pt材
料が40重量%以上であることを特徴とする請求項1記
載の燃料電池用電極触媒。2. The composition of the metal supported on the fuel cell electrode catalyst is Nb, Ni, Sn, Ta, Ti, and Zr.
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the content of at least one element selected from the above and Si is 10 wt% or more, and the Pt material is 40 wt% or more. Electrode catalyst.
の金属表面積を有する高分散状態で前記導電性カーボン
粉末担体上に分散担持されていることを特徴とする請求
項1または請求項2記載の燃料電池用電極触媒。3. The metal catalyst particles are dispersed and carried on the conductive carbon powder carrier in a highly dispersed state having a metal surface area of 60 m 2 / g or more. The fuel cell electrode catalyst described.
よびZrの中から選択された少なくとも一種の元素の被
着量は、酸化物として算出した場合に1〜4重量%の範
囲であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいず
れか一つに記載の燃料電池用電極触媒。4. The deposition amount of at least one element selected from Nb, Ni, Sn, Ta, Ti, and Zr is in the range of 1 to 4% by weight when calculated as an oxide. The fuel cell electrode catalyst according to any one of claims 1 to 3, wherein
ーボン粉末担体とこのPt材料の総重量に対して5〜2
0重量%であることを特徴とする請求項1乃至請求項4
のいずれか一つに記載の燃料電池用電極触媒。5. The loading amount of the Pt material is 5 to 2 with respect to the total weight of the conductive carbon powder carrier and the Pt material.
It is 0 weight%, It is characterized by the above-mentioned.
The electrode catalyst for a fuel cell according to any one of 1.
記載の燃料電池用電極触媒を製造する方法において、 導電性カーボン粉末担体上にPtとPt合金の中から選
択されたPt材料を分散担持させて担持金属触媒を形成
する担持ステップと、 前記担持ステップで形成された前記担持金属触媒の表面
に、酸化物と水酸化物の中から選択された種類でかつN
b、Ni、Sn、Ta、Ti、およびZrの中から選択
された少なくとも一種の元素とSiとを共に含む化合物
を被着する被着ステップを有することを特徴とする燃料
電池用電極触媒の製造方法。6. The method for producing an electrode catalyst for a fuel cell according to claim 1, wherein the Pt material selected from Pt and a Pt alloy on a conductive carbon powder carrier. A supporting step of forming and supporting a dispersed metal to form a supported metal catalyst; and a type selected from oxides and hydroxides on the surface of the supported metal catalyst formed in the supporting step.
Manufacture of a fuel cell electrode catalyst comprising a deposition step of depositing a compound containing both Si and at least one element selected from b, Ni, Sn, Ta, Ti, and Zr. Method.
記載の燃料電池用電極触媒を製造する方法において、 導電性カーボン粉末担体上に、酸化物と水酸化物の中か
ら選択された種類でかつSiを含む第1の化合物を被着
する第1被着ステップと、 前記第1被着ステップの後に、前記導電性カーボン粉末
担体上に、酸化物と水酸化物の中から選択された種類で
かつNb、Ni、Sn、Ta、Ti、およびZrの中か
ら選択された少なくとも一種の元素を含む第2の化合物
を被着して触媒担持体を形成する第2被着ステップと、 前記第2被着ステップで形成された前記触媒担持体に、
PtとPt合金の中から選択されたPt材料を分散担持
させて担持金属触媒を形成する担持ステップを有するこ
とを特徴とする燃料電池用電極触媒の製造方法。7. The method for producing a fuel cell electrode catalyst according to claim 1, wherein the conductive carbon powder carrier is selected from oxides and hydroxides. Selected from oxides and hydroxides on the conductive carbon powder carrier after the first deposition step of depositing a first compound of a different type and containing Si, and after the first deposition step. A second deposition step of forming a catalyst carrier by depositing a second compound of the selected type and containing at least one element selected from Nb, Ni, Sn, Ta, Ti, and Zr. , The catalyst carrier formed in the second deposition step,
A method for producing a fuel cell electrode catalyst, comprising a supporting step of supporting a Pt material selected from Pt and a Pt alloy in a dispersed manner to form a supported metal catalyst.
記載の燃料電池用電極触媒を製造する方法において、 導電性カーボン粉末担体上に、酸化物と水酸化物の中か
ら選択された種類でかつNb、Ni、Sn、Ta、T
i、およびZrの中から選択された少なくとも一種の元
素とSiとを共に含む化合物を被着して触媒担持体を形
成する被着ステップと、 前記被着ステップで形成された前記触媒担持体に、Pt
とPt合金の中から選択されたPt材料を分散担持させ
て担持金属触媒を形成する担持ステップを有することを
特徴とする燃料電池用電極触媒の製造方法。8. The method for producing a fuel cell electrode catalyst according to claim 1, wherein the conductive carbon powder carrier is selected from oxides and hydroxides. Different types and Nb, Ni, Sn, Ta, T
a deposition step of depositing a compound containing both Si and at least one element selected from i and Zr to form a catalyst support; and the catalyst support formed in the deposition step. , Pt
And a supporting step of supporting a Pt material selected from among Pt alloys in a dispersed manner to form a supported metal catalyst.
記載の燃料電池用電極触媒を製造する方法において、 Nb、Ni、Sn、Ta、Ti、およびZrの中から選
択された少なくとも一種の元素と、Si、およびPtと
Pt合金の中から選択されたPt材料という3種類の成
分の全てを含む混合溶液を使用して、導電性カーボン粉
末担体上に、この3種類の成分を同時に担持させること
を特徴とする燃料電池用電極触媒の製造方法。9. The method for producing a fuel cell electrode catalyst according to claim 1, wherein at least one selected from Nb, Ni, Sn, Ta, Ti, and Zr. Using a mixed solution containing one element and all three kinds of elements of Si and a Pt material selected from Pt and a Pt alloy, these three kinds of elements are placed on a conductive carbon powder carrier. A method for producing an electrode catalyst for a fuel cell, which comprises simultaneously supporting the same.
ら選択された少なくとも一種の元素を被着させるための
処理剤として、NbCl3 、NiCl2 、SnCl4 、
TaCl3 、TiCl4 、およびZrCl2 の中から選
択された塩化物の水溶液を使用することを特徴とする請
求項6乃至請求項9のいずれか一つに記載の燃料電池用
電極触媒の製造方法。10. In the depositing step, as a treating agent for depositing at least one element selected from Nb, Ni, Sn, Ta, Ti, and Zr, NbCl 3 , NiCl 2 , SnCl 4 ,
The method for producing an electrode catalyst for a fuel cell according to claim 6, wherein an aqueous solution of a chloride selected from TaCl 3 , TiCl 4 , and ZrCl 2 is used. .
熱処理するステップをさらに有することを特徴とする請
求項6乃至請求項10のいずれか一つに記載の燃料電池
用電極触媒の製造方法。11. The method for producing an electrode catalyst for a fuel cell according to claim 6, further comprising a step of heat-treating the conductive carbon powder carrier at a high temperature.
触媒を不活性ガス中において800〜1000℃の温度
で高温加熱処理するステップをさらに有することを特徴
とする請求項6乃至請求項11のいずれか一つに記載の
燃料電池用電極触媒の製造方法。12. The method according to claim 6, further comprising a step of subjecting the supported metal catalyst to a high temperature heat treatment in an inert gas at a temperature of 800 to 1000 ° C. after each of the steps. The method for producing an electrode catalyst for a fuel cell according to any one of the above.
に、電極触媒と撥水性結着材とからなる電極触媒層を形
成してなる燃料電池用電極において、 前記電極触媒は、請求項1乃至請求項5のいずれか一つ
に記載の燃料電池用電極触媒であることを特徴とする燃
料電池用電極。13. A fuel cell electrode comprising an electrocatalyst and an acid-resistant support member, on which an electrocatalyst layer comprising an electrocatalyst and a water-repellent binder is formed, wherein the electrocatalyst is the electrocatalyst. An electrode for a fuel cell, comprising the electrode catalyst for a fuel cell according to claim 5.
と酸化剤極に対して燃料ガスと酸化剤ガスをそれぞれ供
給する手段を備え、両電極間の電解質としてリン酸を使
用してなるリン酸型燃料電池において、 前記酸化剤極は、請求項13記載の燃料電池用電極であ
ることを特徴とするリン酸型燃料電池。14. A fuel electrode and an oxidant electrode, and means for supplying a fuel gas and an oxidant gas to the fuel electrode and the oxidant electrode, respectively, and using phosphoric acid as an electrolyte between both electrodes. The phosphoric acid fuel cell, wherein the oxidant electrode is the fuel cell electrode according to claim 13.
と酸化剤極に対して燃料ガスと酸化剤ガスをそれぞれ供
給する手段を備え、両電極間の電解質として固体高分子
を使用してなる固体高分子型燃料電池において、 前記酸化剤極は、請求項13記載の燃料電池用電極であ
ることを特徴とする固体高分子型燃料電池。15. A fuel electrode and an oxidant electrode, and means for supplying a fuel gas and an oxidant gas to the fuel electrode and the oxidant electrode, respectively, and using a solid polymer as an electrolyte between both electrodes. 14. The solid polymer fuel cell according to claim 13, wherein the oxidant electrode is the fuel cell electrode according to claim 13.
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| JP7327638A JPH09167620A (en) | 1995-12-15 | 1995-12-15 | ELECTRODE CATALYST FOR FUEL CELL, MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND ELECTRODE AND FUEL CELL USING THE CATALYST |
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| Publication Number | Publication Date |
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| JPH09167620A true JPH09167620A (en) | 1997-06-24 |
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ID=18201294
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| JP7327638A Pending JPH09167620A (en) | 1995-12-15 | 1995-12-15 | ELECTRODE CATALYST FOR FUEL CELL, MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND ELECTRODE AND FUEL CELL USING THE CATALYST |
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